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1、河南机电高等专科学校毕业论文1 绪 论近几年，许多工程和成套设备中，会遇到较多厚板焊接结构件的制作，例如钢厂台上设备中的回转台、轧制线上的大型梁、柱，锻压设备中横梁、滑块、工作台等，大量的板厚都在100300mm之间，材质为16MnR或Q235，这些厚板结构件现场使用环境恶劣，要承受很大的冲击载荷，有的工作环境温度较高，还要求承受一定的热疲劳。为了提高经济效益，加强生产进度以及降低成本，通过分析和研究焊接方法和工艺。厚板焊接可以采用的焊接方法有很多。CO2气保焊、电渣焊、窄间隙焊，还有埋弧自动焊等等。电渣焊虽然焊接效率高，但是其焊缝金属晶粒粗大，焊接接头容易脆化，因此在质量上难以满足要求。窄间
2、隙焊使用设备复杂，对装配质量要求高，对焊工素质、工艺要求严格，其变形控制量难以掌握。埋弧自动焊在打底层焊接上存在清渣较难，焊前准备工作时间较长，焊接过程中焊缝对中难度大，而且对平位置、长直焊缝才能体现它的高效率。对于形状复杂的焊缝，需要全位置焊接的焊缝，埋弧自动焊无法施焊。CO2焊由于熔池小、热影响区窄，因此焊后工件变形小，焊缝质量好，并且焊道整齐，焊道接头少。焊丝熔化速度快，生产效率高(焊接速度一般大于30m/h),操作简单，成本较低，并且二氧化碳气体来源广，价格低 。另外，因其为明弧焊可以看清电弧和熔池情况，便于掌握和调整，并且抗氢气孔能力强，对油锈敏感低，操作性能非常强。低碳钢是社会生活
3、中应用最普遍的一种钢材，而Q235又是其中的代表性钢材，在钢材市场中占有很大的比重，这也就使得Q235的焊接显得很重要，在未来很长一个时期内Q235的使用在钢材份额内仍将占有一个很大的比重，因此，用CO2焊接Q235厚板结构件的前景很大，非常使用。2 Q235的焊接性分析2.1 Q235的组织性能Q235属于普通碳素结构钢，按其含碳量划分是低碳钢，此种钢冶炼容易，工艺性能优良，价格提炼，而且在力学性能上一般工程结构及普通机器零件的要求，所以其应用非常广泛。但是此种钢中的S、P和非金属夹杂物含量比优质碳素结构钢多，在相同含碳量及热处理条件下，其塑性，韧性较低，加工成型后一般不需要进行热处理，大都
4、在热轧状态下直接使用，通常轧制成各种板材，带材及型材使用。Q235钢有A、B、C、D四个等级，其各等级化学成分及脱氧方法见表2-1，力学和工艺性能见表2-2、2-3、2-4表2-1 Q235的化学成分及脱氧方法牌号等级化学成分(质量分数)()脱氧方法CMnSPSPQ235AO.14O.22O.30O.650.300.0500.045F、b、ZB0.12O.20O.300.700.045C0.18O.350.800.0400.040ZD0.170.0350.035TZ注：F表示沸腾钢，b表示半镇静钢，z表示镇静钢，TZ表示特殊镇静钢Q235A、B级沸腾钢Mn含量上限WMn=0.60沸腾钢Si含量
5、Wsi不大于0.07，半镇静钢Si含量Wsi不大于O.17，镇静钢Si含量WSi限值为0.12表2-2 Q235的屈服点牌号等级屈服点sMPa钢材厚度或直径mm1614040606100100150150Q235A、BC、D235225215205195185表2-3 Q235钢的抗拉强度、伸长率和冲击性能牌号抗拉强度bMPa伸长率5()冲击试验钢材厚度或直径mm温度V型冲击吸收功(纵向)AkJ161640406060100100150150Q23537550026252423222120270-20表2-4 Q235钢的冷弯性能牌 号试样方向180冷弯试验B=2amm606010010020
6、0弯心直径dQ235纵a2a2.5a横1.5a2.5a3a注：8为试样宽度，a为钢材厚度或直径2.2 Q235的焊接性2.2.1 Q235钢的焊接工艺特点适合于各种焊接方法，主要根据材料的厚度、产品的结构和具体施工条件选择合适的工艺参数。焊接材料的选择注意两方面的问题：保证焊缝没有缺陷、满足使用性能要求。 Q235是低碳钢，低碳钢主要用于焊接结构制造，在成分设计中充分考虑了焊接性的要求，它的含碳量很低，而且对硫、磷等杂质控制严格，因而有良好的焊接性。但这类钢属于强化钢，对加热反应灵敏，因此在焊接中需要采取措施来防止缺陷和热影响区的性能变化。2.2.2结晶裂纹结晶裂纹又叫凝固裂纹，主要产生于焊缝
7、凝固过程中。当冷却到固相温度附近时，由于凝固金属的收缩，残余液体金属不足而不能及时填充，在应力作用下发生沿晶界开裂。结晶裂纹主要产生在含杂质S、P、C、Si偏高的碳钢、低合金钢以及单相奥氏体钢、镍基合金与某些铝合金焊缝中。一般沿焊缝树枝状晶的交界处发生和扩展。常见于焊缝中心沿焊缝长度扩展的纵向裂纹，有时也分布在两个树枝晶粒之间。结晶裂纹表面无金属光泽，带有氧化颜色，焊缝表面的宏观裂纹中往往填满焊渣。结晶裂纹的上述特征，说明其形成温度是在焊缝金属凝固后期熔渣尚未凝固的高温阶段；裂纹沿晶界扩展表明，在此温度区间晶界是焊缝金属中的薄弱环节。尽管有些低碳钢中含有一定的Ni，但对结晶裂纹的敏感性比某些碳
8、钢还低些。也就是说，这类钢的化学成分可以满足防止结晶裂纹的要求。焊缝中C、Mn、S含量对结晶裂纹的影响见图2-1 图2-1焊缝中C、Mn、S含量对结晶裂纹的影响2.2.3热影响区液化裂纹焊接过程中在焊接热循环峰值温度作用下，在母材近缝区与多层焊的层间金属中，由于低熔点共晶被加热熔化，在一定收缩应力作用下沿奥氏体晶界产生的开裂，即为液化裂纹。液化裂纹与共晶裂纹一样，同属于与晶界液态薄膜有关的高温裂纹。但近缝区或多层焊层间在宏观上始终保持固态，这种晶界的局部熔化属于不正常的熔化。液化裂纹的形成温度比结晶裂纹低，稍低于固相温度，主要发生在高镍低锰型的低合金钢中。但当钢中的碳、硫较低时，即使含镍较高，
9、对液化裂纹也不敏感。液化裂纹的产生还与母材偏析有关，因而在母材偏析严重的低碳钢热影响区中也曾有发现。液化裂纹常多出现于含高镍低锰的低碳钢中，但如果钢中的硫、磷含量都很低，即使镍的含量相当高，对液化裂纹也不敏感。除了化学成分外，工艺因素的作用也很重要，其中首要因素是焊接线能量。线能量越大，过热区晶粒越粗大，晶界面积减小，容易形成液态薄膜，液化裂纹的敏感性加大。因此，埋弧焊比焊条电弧焊更容易出现液化裂纹，而后者只有在母材的液化裂纹敏感性很高时才会出现。此外，熔池形状对液化裂纹的敏感性也有明显影响，如液化裂纹很容易产生在蘑菇状熔池凹进去的热影响区中。熔池断面形状与焊接方法、焊接参数有关。这点也可以说
10、明，焊接参数的调整对某些钢来说是个既重要而又复杂的问题。2.2.4 冷裂纹大量研究结果表明，对钢材来说冷裂纹形成的温度大体在100-100之间，具体温度随母材与焊接条件而不同。冷裂纹多产生于有淬硬倾向的低合金高强度钢和中、高碳钢的焊接接头。裂纹大多在热影响区，通常发源于熔合区，有时也出现在高强度钢和钛合金的焊缝中。形成冷裂纹的三个基本因素：（1）氢的影响:导致接头产生冷裂纹的氢主要是扩散氢。实验证明，随着焊缝中扩散氢含量的增加，冷裂纹率较高。例如，用含有较多有机物的焊条进行焊接，出现大量的焊道下裂纹；而用低氢型焊条焊接时，则未出现或很少出现焊道下裂纹。近年来，一些学者在显微镜下观察弯曲试件的断
11、裂情况时，还观察到在裂缝尖端附近有氢气泡析出。扩散氢含量还影响延迟裂纹延时的长短，扩散氢含量越高，延时越短。（2）钢种的淬硬倾向:一般来说，钢种淬硬倾向越大，则接头中出现马氏体的可能性越大，则越容易产生冷裂纹。当材料一定时，随冷却速度不同，接头的组织将相应改变，冷速越高，马氏体的含量越高，导致裂纹率上升。（3）焊接接头的拘束应力:焊接接头的拘束应力，包括接头在焊接过程中因加热不均匀所承受的热应力、相变应力、结构自身几何因素所决定的内应力。三个方面的应力都是不可避免的，由于都与拘束条件有关而统称为拘束应力。拘束应力的作用是形成冷裂纹的重要因素之一，在其他条件一定时，拘束应力达到一定数值就会产生开
12、裂。低碳钢中加入了较多的提高淬透性的合金元素，提高过冷奥氏体的稳定性，因此在焊接条件下，一般不会发生珠光体转变，容易得到马氏体和贝氏体。马氏体属淬火组织，但由于含碳量低，仍保持较高的韧性。而且这类钢的Ms点比较高，如果在Ms点附近的冷速比较低，Ms点后就形成一次“自回火”过程，使韧性得到改善，而且避免产生冷裂纹。反之，若在Ms点附近的冷速较高，比能实现“自回火”，在焊接应力的作用下就很可能产生冷裂纹。因此，从防止冷裂纹的角度考虑，焊接低碳钢时，希望高温时冷速较高，而在Ms点附近的冷速要低些。低碳钢对扩散H比较敏感，当对H控制不严时，冷裂纹敏感性还是相当高的。2.2.5 消除应力裂纹焊后焊件在一
13、定温度范围内再次加热时，由于高温与残余应力的共同作用而产生的晶间裂纹，称为消除应力裂纹，又叫再热裂纹。经大量实验研究确认，消除应力裂纹的产生是由于晶界优先滑动而导致微裂发生并扩展所致。即焊后再热时，在残余应力松弛过程中，粗晶区应力集中部位的晶界滑动变形量超过了该部位的塑性变形能力，就会产生消除应力裂纹。防止消除应力裂纹的措施：（1）选用对消除应力裂纹敏感性低的母材；（2）选用低强高塑性的焊接材料；（3）控制结构钢性与焊接残余应力；（4）工艺方面的措施：预热 焊后及时进行后热 控制焊接线能量低碳钢中大都含有Cr、Mo、V、Nb、Ti、B等提高消除应力裂纹敏感性的元素，其中作用最大的是V，其次是M
14、o，因而二者共存时情况最严重。一般认为Mo-V钢，特别是Cr-Mo-V钢对消除应力裂纹的敏感性最高，Mo-B钢、Cr-V钢也有一定的敏感性。不同成分的钢对消除应力裂纹敏感的温度不尽相同，焊接时可通过降低退火温度、进行适当预热或后热等措施，防止消除应力裂纹。低碳钢一般采用先进的技术冶炼，对杂质控制严格，抗层状撕裂能力较好，目前尚未发现层状撕裂的报导。2.2.6影响低碳钢焊接性的其他因素低碳钢中含碳较低。含锰、硅又少，所以，通常情况不会因焊接而引起严重硬化组织和淬火组织，这种钢材的塑性和冲击韧性度优良，焊成的接头韧性和冲击韧度也很好，焊接时一般不需要预热。控制层间温度和后热，焊后也不必采用热处理改
15、善组织，可以说整个焊接过程不需要特殊的工艺措施，其焊接性良好，可以采用各种焊接方法焊接，但遇到下述情况，低碳钢的焊接性也会不好，焊接时出现困难。（1）低碳钢母材不合格，含碳、硫过高，焊接时可能出现裂纹，尤其是遇到下列情况，如角焊缝、对接多层焊第一道焊道、整个板面采用单面焊单层焊缝和大间隙对接第一道焊缝等。（2）采用旧冶炼方法生产的低碳转炉钢。因含氮高，杂质较多，冷脆性和实效敏化感性大，焊接接头质量低，焊接性较差。因此，转炉冶炼低碳钢不能用于重要的结构件。国内目前生产转炉用铝.钛脱氧，钢的质量大为改善。即使这样，这种钢作重要结构之前应对焊接性特别是实效敏感性.冷脆敏感性进行评估，以保证焊接结构质
16、量。（3）低碳沸腾钢。由于沸腾钢脱氧不完全，局部硫磷偏析大，实效敏感性.冷脆敏感性大，焊接热裂纹倾向较大，所以这种钢不宜做承受动载或严寒条件下工作的重要结构。镇静钢脱氧完全，含氧量低，杂质分布较均匀，可用于制造焊接结构。焊接沸腾钢在工艺上应采取必要措施，防止裂纹。（4）焊接方法不当，如埋弧焊热输入大，会使焊接热影响区出现粗晶组织，使热影响区韧性降低；电渣焊的热输入比埋弧焊还要大，热影响区晶粒更加粗大，韧性降低明显，所以低碳钢电渣焊接头焊后通常要经正火处理，细化晶粒，以提高其韧性2.3 Q235的焊接工艺（1）焊接材料的选用选择焊接材料时必须考虑到两方面的问题：一要焊缝没有缺陷；二要满足使用性能
17、的要求。Q235是低碳钢，低碳钢主要用于焊接结构制造，在成分设计中充分考虑了焊接性的要求，它的含碳量很低，而且对硫、磷等杂质控制严格，因而有良好的焊接性。但这类钢属于强化钢，对加热反应灵敏，因此在焊接中需要采取措施来防止缺陷和热影响区的性能变化。在焊接Q235这种钢材时选择焊接材料的主要依据是保证焊缝金属的强度、韧性、塑性等力学性能与母材相匹配。Q235钢采用焊条电弧焊时，一般选用E43型焊条，其熔敷金属成份一般为0.07%c0.08%，0.35%Mn050%.，0.10si0.15%；而母材中c0.25%，Mn0.30%0.80%，si0.30%；说明熔敷金属中c低于母材即可保证焊缝与母材等
18、强。焊接重要部分时（如压力容器）应选用低氢型焊条如J427，埋弧焊时，焊丝与焊剂的配合按表1-5选用。目前应用较多的是高硅高锰与低碳钢焊丝（H08A） 不同形式的接头与坡口选用表2-5，CO2气体保护焊时，主要用H08Mn2SiA焊丝，也可用H10MnSi焊丝，但焊缝强度略低。表2-5 接头与坡口及焊丝与焊剂的配合钢号焊条型号焊条牌号埋弧焊电渣焊CO2气体保护焊焊丝焊剂焊丝焊剂Q235E43型J42不开坡口对接H08A中板开坡口对接H08MnA。厚板深坡口对接H10Mn2HJ431H08AHJ431HJ360H08Mn2SiAHJ350（2）预热温度的确定：预热主要是防止裂纹，同时还具有一定的
19、改善性能作用。Q235钢中含碳较低，含锰、硅又少，所以，通常情况不会因焊接而引起严重硬化组织和淬火组织，这种钢材的塑性和冲击韧性度优良，焊成的接头韧性和冲击韧度也很好，焊接时一般不需要预热。（3）焊接线能量的确定：焊接线能量的确定主要取决于过热区的脆化和冷裂两个因素。当焊接Q235时，对线能量基本没有严格的限制，因为这种钢的过热敏感性不大。（4）焊后热处理：1）焊后热处理主要是指焊后消氢处理，是在焊接完成以后，焊缝尚未冷却至100以下时，进行的低温热处理。一般规范为加热到200350，保温26小时。焊后消氢处理的主要作用是加快焊缝及热影响区中氢的逸出，对于防止焊接时产生焊接裂纹的效果极为显著。
20、在焊接过程中，由于加热和冷却的不均匀性，以及构件本身产生拘束或外加拘束，在焊接工作结束后，在构件中总会产生焊接应力。焊接应力在构件中的存在，会降低焊接接头区的实际承载能力，产生塑性变形，严重时还会导致构件的破坏。消应力热处理是使焊好的工件在高温状态下，其屈服强度下降，来达到松弛焊接应力的目的。常用的方法有两种：一是整体高温回火，即把焊件整体放入加热炉内，缓慢加热到一定温度，然后保温一段时间，最后在空气中或炉内冷却。用这种方法可以消除80%-90%的焊接应力。另一种方法是局部高温回火，即只对焊缝及其附近区域进行加热，然后缓慢冷却，降低焊接应力的峰值，使应力分布比较平缓，起到部分消除焊接应力的目的
21、。为改善焊接区的性能和消除残余应力等有害影响，对焊接区及有关部位在金属相变温度点以下充分均匀加热，然后又均匀冷却以进行消除应力退火。焊后热处理是保证焊接接头性能的一个非常重要的环节。焊后消除应力热处理条件的确定焊后消除应力热处理的条件必须根据下表的各项因素适当选择。焊后消除应力热处理的条件选择见表2-6表2-6 焊后消除应力热处理的条件选择热处理条件需考虑的因素保温温度上限相变点以下，热处理钢（母材）的回火温度以下，在不降低母材及焊接区使用以上必备的性能范围内保温温度下限应力松弛效果；淬硬区的软化效果；氢等气体的排除保温时间上限在不降低母材及焊接区使用以上必备的性能范围内；缩短制造时间保温时间
22、下限降低应力的效果；温度均匀化程度；硬化区的软化；氢等气体的排除；组织稳定加热速度上限防止厚工件加热不均匀；防止由温度不均匀引起的变形和应力；防止裂纹加热速度下限炉温控制；制造时间的缩短冷却速度上限防止厚工件加热不均匀；防止由温度不均匀引起的变形和应力；防止再次发生残余应力及裂纹冷却速度下限炉温控制；母材及焊接区的性能；防止发生再热裂纹入炉温度上限防止温度不均匀引起的变形；防止裂纹出炉温度上限防止温度不均匀引起的变形；防止再次发生残余应力及变形2）焊后热处理a.加热温度。实施温度与设计温度之间的关系如下。设计规定的条件： To，To+(-)Td,Tmin及Tmax具体实施条件： Tm+(-)T
23、r 、To+(-)Tr式中Tmin焊后热处理的温度下限，;Tmax焊后热处理的温度上限，；To焊后热处理的最佳值，Td设计上允许的与焊后热处理温度最佳值相对应的温度范围Tm焊后热处理实施的指示温度；Tr由热处理炉造成的焊后热处理对象的温度误差，b.保温时间：当所采用的加热温度比要求的加热温度低时，在现行的各种规定中，都采取大幅度延长保温时间的方法以弥补温度的不足，但当低于某一温度时，就得不到焊后热处理的效果。应根据结构的使用条件来选择最佳的温度和保温时间，也可以借助回火参数来进行推算。c.加热速度：加热速度的上限随板厚的增加而降低，但一般不低于50h，对于超厚板结构，为了避免加热不均匀，应采取
24、更低的加热温度。d.冷却速度：冷却速度如果过大，往往因热应力的作用而产生变形或裂纹，并且成为残余应力再次产生的原因。当结构件的最大厚度与最小厚度之比超过4时，一定要放慢冷却速度。当厚度很大时，最好采用200x25hd的冷却速度。e.入炉和出炉速度：一般规定在400以下，如结构复杂，形状和尺寸特殊，要采用较低的出炉温度，有时甚至在100以下。f.厚度的取法：以对接接头为规格所决定的厚度，厚度不同时，取较薄板厚度；对于搭接接头取较厚板厚度；但接管加强部分，最好采用被接合件厚度之和。3 厚板结构件的制造工艺研究近几年，许多工程和成套设备中，会遇到较多厚板焊接结构件的制作，例如钢厂台上设备中的回转台、
25、轧制线上的大型梁、柱，锻压设备中横梁、滑块、工作台等，大量的板厚都在100300之间，材质为16MnR或Q235，这些厚板结构件现场使用环境恶劣，要承受很大的冲击载荷，有的工作环境温度较高，还要求承受一定的热疲劳。工艺难点分析这些厚板材质为16MnR或Q235，碳当量 CE(% ) 0.4 %，焊接性能虽然良好，但是钢板特别厚，加上成型的焊接结构件刚性拘束度又比较大，焊缝金属极易产生热裂纹和冷裂纹。由于钢板厚度大，钢板在压制过程中受设备限制其Z向性能比薄钢板差，因此均具有不同程度的(层状撕裂倾向。若焊接时在板的厚度方向上 第三)方向上 产生应力，超过临界点，就会导致层状撕裂。厚钢板构件的主要焊
26、缝形式为坡口焊，坡口深，焊缝熔覆金属多、焊接热输入量大，从而导致钢板焊接时焊接收缩量大，焊接应力大，易产生形，控制难度大，而且焊接变形一旦发生，矫正非常困难。有些构件形状复杂，绝大多数焊缝无法进行自动焊。如何根据实际情况选择焊接方法，确定合适的焊接工艺，确保产品的最终质量，难度很大3.1结构件的焊接工艺在当今经济发达的社会，焊接结构件在航空航天、造船、汽车、桥梁、海洋钻探、高层建筑金属结构中得到了广泛的运用，世界主要工业国家每年的焊接结构用钢约占钢产量的45左右。焊接结构之所以有如此迅速的发展是因为它具有一系列优点：1.与铆接相比它可以节省1520的金属材料2.与铸造相比工序简单，生产周期短。
27、以焊代铆，以焊代铸，以焊代锻，以焊代切割已成为制造业总的发展趋势。3.1.1常用结构件的焊接(1)工字形构件的焊接。最常用的工字型梁的焊接主要是考虑梁的变形问题。焊接时必须对上下两个翼板预先进行反变形，腹板上下两个端面需开坡口先将腹板与翼板点固成工字截面，然后采用一定的焊接顺序(如图3-1中1234)以及分段退焊法。图3-1 常见结构件的焊接(2)十字形构件的焊接。十字形构件在角焊缝的根部和过渡处都有很大的应力集中，开坡口焊接并保证焊透是降低十字接头应力集中的重要措施之一，对重要的十字接头必须开坡口或采用深熔焊接法进行焊接。十字钢柱采用3块钢板拼焊而成，首先将板I与板、板组对装配好，按图2所示
28、的焊接次序(1234)进行焊接。在焊接第1道焊缝时，为减少变形，必须进行分段焊接(焊一段、空一段)，分段越多越好。(3)钢架焊接。一般钢架焊接应先焊腹杆与节点板之间的焊缝，然后再焊上、下弦与节点板之间的焊缝，焊接次序应从中间向四周施焊，使焊缝可以由中问向外依次收缩。3.1.2结构件焊接工艺结构件焊接的工艺包括：工艺分析、焊接试验、焊接工艺评定、工艺规程编制、设备工装配套等技术准备过程。常规焊接工艺过程如下：焊件准备，下料一坡口制备一校平一折弯；组对点焊，焊前将各个焊件按对应的位置关系点焊固定成一个整体称为组对点焊。确定各焊件位置关系时，可采用人工划线或拼点工装来组对，人工划线工作量大，生产效率
29、低，组对误差较大。拼点工装组对操作简单，组对精度高，但需要辅助工装。焊接，传统的焊接方式为将组焊件放在地板或焊接平台上，焊工围绕工件用手工焊方式，将外露面可施焊的焊缝焊接完毕；然后翻转工件，焊接其余焊缝，完成所有焊缝可能需要翻转多次。由于工件位置的限制，焊工可能需要焊接焊缝、横焊缝或立焊缝，而这几种焊缝焊接难度不同，焊缝质量差异很大。对于在车间内进行焊接的结构件，采用焊接工装可以获得理想的焊接位置，消除立焊、横焊、仰焊等难以保证质量的焊接变形，同时实现一次装夹全部完成的高效焊接作业。由于工程机械结构件大部分形状规则，需要设计专用夹具配合使用，夹具分为单回转、双回转、升降式单双回转等各种形式，根
30、据不同的工件和技术要求设计制作。目前在结构件焊接中普遍采用的焊接方法是埋弧自动焊与CO，MAG气体保护焊。埋弧自动焊电流密度大，焊接时熔深大，焊接速度是手工电弧焊的56倍，焊缝外形美观，质量稳定可靠，无弧光、烟尘，劳动强度较小，是优先选用的焊接方法，多用于中厚板的长直焊缝或环焊缝。其他场合多采用COMAG气体保护焊。气体保护焊同样具有电流密度大、熔深大的特点，焊接速度是手工电弧焊的2倍左右，但辅助工作时间少，特别是采用富氩混合气体时，熔渣和飞溅很少，节省了清理时间，总体效率高。现在各种焊接方法在结构件的焊接中均有不同程度的应用：汽车生产中各种焊接方法“覆盖”了从车身、车架、底盘到悬挂系统、制动
31、系统、转向器、离合器、变速器直至车轮轮圈等部件的成形加工。各类已有的焊接技术和工艺方法，如电阻焊、气体保护焊、螺柱焊、钎焊、摩擦焊、高能束焊等都有应用。航空发动机结构中广泛采用了各种焊接技术，焊接结构件在喷气发动机零部件总数中所占比例已超过50，焊接的工作量已占发动机制造总工时的10左右。3.1.3焊接机器人及其应用焊接机器人是在工业机器人的基础上发展起来的先进焊接设备，由焊接专机开始，逐步到焊接机器人工作站，直至目前的焊接柔性生产线。焊接用机器人，严格来讲是只机械手，本身并不能独立工作，需配备工装、专用夹具等外围设备，组成焊接机器人工作站。一个焊接工作站可以有多个机械手，适用于焊接量大或具有
32、一定批量的焊接结构件的自动焊接。焊接机器人能做出复杂的空间动作，产品改型时容易调整。焊接机器人工作站的基本配置包括焊机、焊接操作机构、多轴变位机程序控制系统；可选配置包括焊缝跟踪系统、焊枪摆动装置等。设计时应考虑产品改型时工件的变化情况。对机器人焊接过程控制的内容很多，就弧焊来说，包括：焊接参数的稳定、焊枪位置和姿态的确定、焊缝实时跟踪等方面，对控制的精度要求也越来越高。一台焊接机器人往往配有多种形式的传感器，需要同时处理大量的数据。焊接机器人对结构件焊接的技术要求也较高：焊缝应清洗干净，无油污、铁锈、割渣等杂物；焊缝坡51尺寸应规范，精度要求为0、5mm；焊件结构不应太复杂，所焊位置应有足够
33、的摆动空间，一般不得少于300mm；所焊工件装配时应有工装保证，其位置精度要求mm。据统计，全球工业用机器人已有100万台，其中焊接机器人占3050。采用机器人或焊接专机替代焊工进行自动焊接，可以改善操作人员的劳动条件，降低劳动强度，同时获得稳定一致的焊缝质量。随着社会的进步，以人为本的思想逐渐被接受，焊接时恶劣的工作环境使焊工难以保持稳定的状态，也使人力成本逐渐提高。当人力成本提高到一定程度时，采用自动焊接反而比较经济。随着我国经济实力的提高，采用机器人等自动化装备是必然趋势。3.2特厚板结构件的制造工艺研究3.2.1坡口最佳坡口为双u形，钝边46mm，钝边位于距离简体外表面的板厚23处，组
34、对间隙2mm。实际生产中可能会受加工设备能力限制(纵缝坡口需要u形铣边机，环缝坡El需要加工能力大于简体直径的立车)只能加工成X形坡口。3.2.2焊接（1）坡口要求：平整，不得有凸台、少肉、棱角等现象，打磨出金属光泽，尖角位置必须形成尽量大的圆滑倒角，PT一级合格，坡口表面及两侧20mm内应将水、铁锈、油污、积渣和其他有害杂质清除干净。（2）标记测温点：在焊缝两侧50mm处均布测温点，纵缝应3对，环缝应6对，并作出标记，每20min测量一次温度。（3）采取局部预热时，预热必须均匀，防止局部应力过大。预热的范围为焊缝两侧各不小于焊件厚度的3倍，且应100mm。当采用火焰加热时， 纵缝采用双排火焰
35、加热器，环缝采用环形双排火焰加热，火焰位置应距离焊缝中心100150mm处，禁止直接加热焊缝，前lOmin小火缓慢加热，以降低温度梯度，减小热应力，避免焊缝崩裂，准备充足的燃烧气体，保证预热、后热温度需求；当采用履带式加热器加热时，应保证加热范围及温度梯度满足上述要求。（4）严格执行焊接工艺要求，施焊过程中，保证测温点位置温度150，焊缝位置温度不得高于层间温度250；焊后或因故间断施焊时，必须立刻消氢250 3502h，消氢前必须保证工件温度100，否则氢已固定，难以逸出；消氢时，火焰加热或履带式加热器的另一面用保温棉覆盖，使温度足够、稳定，以保证消氢的效果。（5）焊接方法：焊材选用及焊接参
36、数见表3-1表3-1 焊材选用及焊接参数焊接方法焊材规格电流A电压V速度cmminSMAWJ427RHF41501802226l525SMAWJ427RHF52002402226l525SAWH10Mn2,F4+HJ35060070030364555（6）每道焊缝尽可能不间断施焊,一气呵成，可以减少预热、消氢工序，提高生产效率，打底层尽量采用多道焊接，至少每层两道，可提高焊接质量，每道焊缝的焊接关键在于清根和根部焊接，此两环节应选择责任心强的优秀工人承担，并安排在上午开始工作。焊接过程中尽量采用风铲清渣，使每层焊缝得到锤击，充分释放焊接应力。（7）焊接顺序的选择应尽量减少变形量，方便焊接操作。
37、一般选择内外坡口对称施焊，并在外部清根。（8）由于厚板结构件射线探伤成本大、时间长，在焊接完成24h后应进行必要的超声波检测，若有缺陷 ，及时返修，以提高生产效率。（9）返修时，若以热加工方式(如碳弧气刨 )清除缺陷，应考虑预热。所形成坡口除满足前述要求外，还应使坡口应呈船形，内窄外宽，四周具有一定坡度，并打磨出金属光泽。施焊时，除严格执行焊接工艺外，需加大锤击力度，以尽量减少焊接残余应力。3.2.3无损检测、热处理、压力试验、油漆、包装和运输（1）由于产品厚度较大，射线探伤需采用铱192或钴6O等放射源。（2）按图样、技术条件及相关标准要求进行油漆、 包装和运输，若非卧式容器，热处理时制作的
38、支撑鞍座可用于运输鞍座。当产品直径或长度过大时，应考虑分段运输，并到现场进行组焊、探伤、热处理、压力试验和油漆。3.2.4总结厚壁结构件制造的关键在于焊接，围绕焊接，现将厚板结构件制造的几个要点总结如下：(1)合理周密的制造方法。(2)科学可行的焊接工艺。(3)质量优良的板材、焊材。(4)性能稳定的焊接设备及辅助设备。(5)技能过硬、责任心强的生产人员。(6)良好的下料、坡口加工及纵焊缝的组对质量。焊接质量提高，产品制造周期可大幅提高，否则每出现一次质量缺陷，返修所需工时约24h，(其中包括预热、清除缺陷、打磨坡口、PT检测、清理坡口、预热、焊接、消氢，以及重新无损检测UT、RT)；坡口角度增
39、大或间隙增大时，焊缝填充金属量大大增加，制造工时及成本增加的同时也加大了出现焊接缺陷的隐患；所以在厚壁结构件造过程中，切不可急于求成，“以质量保进度”的方针必须贯彻。4 CO2焊接焊接性分析4.1 CO2焊接介绍4.1.1气体保护焊气体保护焊的特点：（1）采用明弧焊接，熔池可见度好，操作方便，适宜于全位置焊接。并且有利于焊接过程中的机械化和自动化，特别是空间位置的机械化焊接。（2）电弧在保护气体的压缩下热量集中，焊接速度较快，熔池小，热影响区窄，焊件焊后的变形小，抗裂性能好，尤其适合薄板焊接。（3）用氩、氦等惰性气体焊接化学性质较活泼的金属和合金时，具有较好的焊接质量。（4）在室外作业时，必须
40、设挡风装置才能施焊，电弧的光辐射较强，焊接设备比较复杂。4.1.2 CO2气体保护焊1.特点（1）焊接成本低CO2气体是酿造厂和化工厂的副产品，来源广，价格低，其综合成本大概是手工电弧焊的1/2。（2）生产效率高CO2气体保护焊使用较大的电流密度（200A/mm2左右），比手工电弧焊（10-20A/mm2左右）高得多，因此熔深比手弧焊高2.2-3.8倍，对10mm以下的钢板可以不开坡口，对于厚板可以减少坡口加大钝边进行焊接，同时具有焊丝熔化快，不用清理熔渣等特点，效率可比手弧焊提高2.5-4倍。（3）焊后变形小CO2气体保护焊的电弧热量集中，加热面积小，CO2气流有冷却作用，因此焊件焊后变形小
41、，特别是薄板的焊接更为突出。（4）抗锈能力强CO2气体保护焊和埋弧焊相比，具有较高的抗锈能力，所以焊前对焊件表面的清洁工作要求不高，可以节省生产中大量的辅助时间。缺点：由于CO2气体本身具有较强的氧化性，因此在焊接过程中会引起合金元素烧损，产生气孔和引起较强的飞溅，特别是飞溅问题，虽然从焊接电源、焊丝材料和焊接工艺上采取了一定的措施，但至今未能完全消除，这是CO2焊的明显不足之处。2.CO2气体保护焊的分类CO2气体保护焊按操作方法，可分为自动焊及半自动焊两种。对于较长的直线焊缝和规则的曲线焊缝，可采用自动焊；对于不规则的或较短的焊缝，则采用半自动焊，目前生产上应用最多的是半自动焊。CO2气体
42、保护焊按照焊丝直径可分为细丝焊和粗丝焊两种。细丝焊采用直径小于1.6mm,工艺上比较成熟，适宜于薄板焊接；粗丝焊采用的直径大于或等于1.6mm，适用于中厚板的焊接。3.CO2气体保护焊的熔滴过渡在常用的焊接工艺参数内，CO2气体保护焊的熔滴过渡形式有两种，即细颗粒过渡和短路过渡。（1）细颗粒状过渡CO2气体保护焊采用大电流，高电压进行焊接时，熔滴呈颗粒状过渡。当颗粒尺寸增加时，会使焊缝成型恶化，飞溅加大，并使电弧不稳定。因此常用的是细颗粒状过渡，此时熔滴直径约比焊丝直径小2-3倍。特点，电流大、直流反接。（2）短路过渡CO2气体保护焊采用小电流，低电压焊接时，熔滴呈短路过渡。短路过渡时，熔滴细
43、小而过渡频率高（一般在250-300l/s）,此时焊缝成形美观，适宜于焊接薄件。4.CO2气体保护焊的冶金特点（1）CO2气体的氧化性CO2气体是氧化性气体，在电弧高温作用下会发生分解：CO2=CO+0在电弧区中，约有40-60%的CO2气体被分解，分解出来的原子态氧具有强烈的氧化性。使碳和其它合金元素如Mn、Si被大量氧化，结果使焊缝金属的机械性能大大下降。CO2焊常用的脱氧措施是在焊丝中加入脱氧剂，常用的脱氧剂是Al、Ti、Si、Mn，而其中尤以Si、Mn用得最多。在上述脱氧剂中单独使用任一种脱氧剂效果均不理想，所以通常采用Si、Mn联合脱氧。（2）气孔CO2气体保护焊时，如果使用化学成份
44、不合要求的焊丝、纯度不合要求的CO2气体及不正确的焊接工艺，由于CO2气流有一定的冷却作用，熔池凝固较快，很容易在焊缝中产生气孔。实践表明，在CO2气体保护焊中，采用ER50-6（原为H08Mn2SiA）等含有脱氧剂的焊丝焊接低碳钢、低合金钢时，如果焊前对焊丝和钢板表面的油污、铁锈作了适当的清理，CO2气体中的水分也比较少的情况下，焊缝金属中产生的气孔主要是氮气孔。而氮来自空气的侵入，因此在焊接过程中保护气层稳定可靠是防止焊缝中产生氮气孔的关键。5.CO2气体保护焊的工艺参数CO2气体保护焊时，由于熔滴过渡的不同形式，需采用不同的焊接工艺参数。（1）短路过渡时的工艺参数：短路过渡焊接采用细丝焊
45、，常用焊丝直径为0.61.2，随着焊丝直径增大，飞溅颗粒都相应增大。短路过渡焊接时，主要的焊接工艺参数有电弧电压、焊接电流、焊接速度，气体流量及纯度，焊丝深出长度。（2）电弧电压及焊接电流:电弧电压是短路过渡时的关键参数，短路过渡的特点是采用低电压。电弧电压与焊接电流相匹配，可以获得飞溅小，焊缝成形良好的稳定焊接过程。1.2的一般参数为电压19伏；电流120135。（3）焊接速度 随着焊接速度的增加，焊缝熔宽、熔深和余高均减小。焊速过高，容易产生咬边和未焊透等缺陷，同时气体保护效果变坏，易产生气孔。焊接速度过低，易产生烧穿，组织粗大等缺陷，并且变形增大，生产效率降低。因此，应根据生产实践对焊接
46、速度进行正确的选择。通常半自动焊的速度不超过0.5m/min,自动焊的速度不超过1.5m/min。（4）气体的流量及纯度:气体流量过小时，保护气体的挺度不足，焊缝容易产生气孔等缺陷；气体流量过大时，不仅浪费气体，而且氧化性增强，焊缝表面上会形成一层暗灰色的氧化皮，使焊缝质量下降。为保证焊接区免受空气的污染，当焊接电流大或焊接速度快，焊丝伸出长度较长以及室外焊接时，应增大气体流量。通常细丝焊接时，气体流量在1525L/min之间。CO2气体的纯度不得低于99.5%。同时，当气瓶内的压力低于1Mpa,就应停止使用，以免产生气孔。这是因为气瓶内压力降低时，溶于液态CO2中的水分汽化量也随之增大，从而混入CO2气体中的水蒸气就越多。（5）焊丝伸出长度：由于短路过渡均采用细焊丝，所以焊丝伸出长度上所产生的电阻热影响很大。伸出长度增