疲勞焊縫的焊接工藝研究

疲勞焊縫的焊接工藝研究第1頁/共36頁疲勞焊縫的焊接工藝研究第一部分問題提出第二部分設計及工藝要求第三部分母材、填充材料及焊接設備的選用及焊接性能分析1234母材的基本性能填充材料及焊接設備的選用焊接性能分析焊接裂紋的形成第2頁/共36頁123接頭形式坡口準備定位焊第四部分焊前準備第五部分工藝參數(shù)的選擇12焊絲直徑的選擇焊接工藝參數(shù)的確定第六部分焊接方法第七部分結論第3頁/共36頁車底架簡介內(nèi)燃機車機車整車構造車底架司機室輔助室主發(fā)室柴油機散熱室轉向架轉向架散熱器車底架就是由各種縱向和橫向鋼梁組成的長方形構架。它承托著車體，是車體的基礎。車底架承受上部車體及裝載物的全部重量，并通過上、下心盤將重量傳給走行部。在列車運行時，它還承受機車牽引力和列車運行中所引起的各種沖擊力及其他外力。所以，它必須具有足夠的強度和剛度，才能堅固耐用。第4頁/共36頁一問題提出圖1——機車車底架示意圖機車整體結構采用外走廊方式，車底架主要結構為由中部油箱和兩個端部（端部一和端部二）三段拼接而成，如圖1所示，從圖中可以看出，車架三段拼接時，油箱和端部箱型梁的上下蓋板為主要傳遞和承載力的部位。經(jīng)過設計的模擬仿真計算，該處拼接位置的焊縫為疲勞焊縫，該焊縫的焊接質量等級為CPB，檢驗等級為CT1，(這是最高等級的焊縫)該焊縫焊后須經(jīng)100％超聲波探傷檢測和磁粉探傷檢測，只有在探傷檢測合格后才可進行下工序的組焊，否則需要進行返工處理，直至返修合格，這樣會在很大程度上影響生產(chǎn)節(jié)點，所以該焊縫質量的好壞直接影響到該型機車日產(chǎn)一臺的生產(chǎn)節(jié)點，成為制約車間正常生產(chǎn)的瓶頸之一。第5頁/共36頁2.1中部油箱和兩個端部下蓋板對接焊縫為疲勞焊縫，其材質均為Q460C，焊接的具體要求如下：二設計及工藝要求設計及工藝要求6124351.咬邊深度小于0.5mm;f.焊縫邊緣無溶渣、飛濺3.不允許有表面氣孔;4.焊縫表面不許有凹坑、間斷;2.不許有裂紋、燒穿;5.所有焊縫符合圖紙要求2.2焊縫要求全焊透，焊后進行UT和MT檢測第6頁/共36頁3.1母材的基本性能三母材、填充材料及焊接設備的選用及焊接性能分析類別牌號化學成分（%）低合金高強度結構鋼Q460CC≤MnVAl≥P≤S≤TiNbSi≤Cr≤Ni≤0.201.00~1.700.02~0.200.0150.0350.0350.02~0.200.015~0.0600.550.700.70

3.1.1端部與油箱上下蓋板材料均為Q460C，化學成分如表1所示：表1——Q460C的化學成分（GB/T1591-1994）第7頁/共36頁3.1母材的基本性能三母材、填充材料及焊接設備的選用及焊接性能分析3.1.2端部與油箱上下蓋板材料均為Q460C，力學性能如表2所示：表2——Q460C的力學性能（GB/T1591-1994）類別牌號力學性能低合金高強度結構鋼Q460Cσs(MPa)σb(MPa)δ5(%)AKV(-40℃)(J)440520-7201527第8頁/共36頁3.2填充材料的選用三母材、填充材料及焊接設備的選用及焊接性能分析

填充材料選用ER50-6焊絲，同時選用HTW-811Ni2(即E551T1—Ni2)藥芯焊絲為填充層和蓋面，熔敷金屬化學成分及力學性能見表3和表4，保護氣體選用CO2，氣體純度不低于99.8%.注意焊絲進廠后必須存放在干燥的環(huán)境中，不能隨便打開焊絲盤的防水包裝，以免焊絲銹蝕，使用過程中也要注意防潮，生繡的焊絲不能使用，以免產(chǎn)生氣孔等缺陷。第9頁/共36頁3.2填充材料的選用三母材、填充材料及焊接設備的選用及焊接性能分析金屬粉型藥芯焊絲與實心焊絲的焊道成形見下圖所示：圖2焊道成形示意圖第10頁/共36頁三母材、填充材料及焊接設備的選用及焊接性能分析金屬粉型藥芯焊絲具有以下優(yōu)點：1）更高的熔敷速度1.由于金屬粉型焊絲是由薄鋼帶包裹粉劑組成，電流主要從鋼帶通過，其電流密度大，熔化速度快；2.焊芯中含有大量的鐵粉、鐵合金和金屬粉，非金屬礦物含量很少，因此，它比實心焊絲和熔渣型藥芯焊絲具有逢高的熔敷速度。如右圖所示為三種焊絲熔敷速度的比較，可見其熔敷速度比前兩種焊絲提高10-20%。圖3焊道成形熔敷速度比較示意圖第11頁/共36頁三母材、填充材料及焊接設備的選用及焊接性能分析2）較高的熔敷效率熔敷效率是指熔敷到焊縫金屬中的金屬質量與所熔化的焊接材料質量的比值，實心焊絲幾乎不產(chǎn)生熔渣，僅有少量的飛濺損失和煙塵，故熔敷效率最高，一般在90-98%之間，熔渣型藥芯焊絲一般為80-87%，而簡述粉型藥芯焊絲產(chǎn)生的渣量少，煙塵和飛濺小，其熔敷效率提高，直徑為1.2mm的焊絲為91-95%。第12頁/共36頁三母材、填充材料及焊接設備的選用及焊接性能分析3）熔渣量少熔渣少既可以避免焊接過程中出現(xiàn)夾渣等缺陷，又可減輕每道焊縫的清理工作。同時，熔渣量少的另一個優(yōu)點是在焊接厚板時可采用窄坡口，減少焊接道次。采用金屬粉型藥芯焊絲的坡口角度可從手工焊條和一些熔渣型藥芯焊絲的60°坡口降低到45°坡口，填充金屬量可減少近30%，這一切都大大減輕了焊接工作量，降低了焊接成本。4）焊接飛濺少由于電弧燃燒穩(wěn)定，焊接時飛濺量會減少。減輕了焊后清理飛濺的作業(yè)，同時提高了鋼結構件的焊縫外觀成形。第13頁/共36頁三母材、填充材料及焊接設備的選用及焊接性能分析5）焊縫成形好因其良好的電弧特性及低的煙塵和飛濺量，焊接操作可見度好，便于操作者能更好地控制熔池形狀，并得到良好的焊縫形狀，避免了實心焊絲采用富氬混合氣體焊接時容易出現(xiàn)的“指狀熔深”，如右圖所示，從而放寬對加工和裝配尺寸的精度要求，特別適合于自動焊，可提高焊接效率30%。(a)實芯焊絲：窄熔深，對接頭裝配尺寸公差要求較高；(b)金屬粉型鈦型藥芯焊絲：寬熔深，對接頭裝配尺寸公差要求不高圖4

實心焊絲與藥芯焊絲熔深對比圖第14頁/共36頁三母材、填充材料及焊接設備的選用及焊接性能分析6）焊接煙塵少新研制的金屬粉型TWE-811Ni2鈦型藥芯焊絲的煙塵量已可降低到實心焊絲水平，比熔渣型藥芯焊絲CO2氣保護的煙塵量要低100-150%。第15頁/共36頁3.3設備的選用三母材、填充材料及焊接設備的選用及焊接性能分析根據(jù)車間現(xiàn)有的設備，焊機選用CO2氣體保護焊機。類型型號熔敷金屬化學成分%力學性能低合金高強度焊絲ER50-6MnSiCuSPCσbσsδ5MPa/%1.40-1.850.80-1.15≤0.50≤0.035≤0.0250.06-0.1555742831表3——ER50-6焊絲熔敷金屬化學成分及力學性能(GB/T8110-1995)第16頁/共36頁三母材、填充材料及焊接設備的選用及焊接性能分析表4TWE-811Ni2藥芯焊絲熔敷金屬化學成分及力學性能(GB/T17473-1998)類型型號熔敷金屬化學成分%力學性能低合金鋼藥芯焊絲E551T1—Ni2MnSiCSPNiσbσsδ5MPa%1.50.800.120.030.031.75~2.75550~69047019第17頁/共36頁3.4焊接性能分析三母材、填充材料及焊接設備的選用及焊接性能分析

3.4.1母材焊接性能分析由于母材的材質為低合金高強度結構鋼，因此，用碳當量法分析Q460C的焊接性能。Q460C的碳當量為：WCE=WC+WMn/6+W（Ni+Cu）/15+W（Cr+Mo+V）/5=0.2%+0.21%+0.04%+0.16%=0.61%由于Q460C結構鋼的WCE=0.61%＞0.45%，而鋼的碳當量越大，其淬硬傾向也就越大，同時也增大了冷裂的敏感性，所以Q460C焊接時有較明顯的淬硬傾向，熱影響區(qū)容易形成硬而脆的馬氏體組織，塑性和韌性下降，冷裂的傾向增大。因此，焊接時需要較小的線能量，焊接線能量過高，會導致熱影響區(qū)性能降低，同時，為防止產(chǎn)生裂紋，焊接過程應該嚴格保持低氫條件，焊絲不能受潮，要采取100%CO2保護，而且CO2要干燥，以減少熱影響區(qū)的韌性下降。第18頁/共36頁三母材、填充材料及焊接設備的選用及焊接性能分析

3.4.2填充材料的焊接性能分析采用的TWE-811Ni2為全位置焊接的100%CO2氣體保護的藥芯焊絲，焊接時為防止冷裂紋，焊前須預熱50-150℃，多道焊接時，須保持80-150℃左右的層間溫度，以保持機械性能，熱輸入控制在25KJ/cm以下，一旦熱輸入過大，會造成焊接金屬機械性能惡化，所以，焊接時需要選用低電流、低熱輸入的焊接條件。第19頁/共36頁3.5焊接裂紋的形成三母材、填充材料及焊接設備的選用及焊接性能分析3.4.1母材焊接性能分析Q460C低合金高強度結構鋼熱影響區(qū)容易產(chǎn)生低塑性淬硬組織，并且淬硬傾向隨著材料厚度的增大而增大，容易產(chǎn)生冷裂紋。影響冷裂紋的因素很多，也很復雜，比如說焊接時的拘束應力、氫的有害作用、焊接工藝和焊接條件等，這里主要討論焊接工藝和焊接條件對冷裂紋的影響。焊接過程中所采用的焊接工藝，如焊接材料、焊接線能量、焊前預熱、多層焊以及焊接順序等對冷裂紋均有不同程度的影響。第20頁/共36頁三母材、填充材料及焊接設備的選用及焊接性能分析3.4.1母材焊接性能分析Q460C低合金高強度結構鋼熱影響區(qū)容易產(chǎn)生低塑性淬硬組織，并且淬硬傾向隨著材料厚度的增大而增大，容易產(chǎn)生冷裂紋。影響冷裂紋的因素很多，也很復雜，比如說焊接時的拘束應力、氫的有害作用、焊接工藝和焊接條件等，這里主要討論焊接工藝和焊接條件對冷裂紋的影響。（1）焊接材料的影響（2）焊接線能量的影響（3）預熱的影響（4）多層焊的影響第21頁/共36頁三母材、填充材料及焊接設備的選用及焊接性能分析（1）焊接材料的影響如前所述，由于母材的淬硬傾向大，所以冷裂的敏感性就大；而填充材料TWE-811Ni2藥芯焊絲的冷裂傾向也大。（2）焊接線能量的影響線能量過大，會引起近縫區(qū)晶粒粗大，降低接頭的抗裂性能；反之，線能量過小，又會使熱影響區(qū)淬硬，也會不利于氫的逸出，故而也增大冷裂傾向，所以應該選擇最佳的焊接線能量。（3）預熱的影響預熱可以有效地防止焊接冷裂紋，但是合理的預熱溫度十分重要。預熱溫度過高，一方面惡化了勞動條件，另一方面在局部預熱的條件下，由于產(chǎn)生附加應力，反而會促使產(chǎn)生冷裂，所以應該合理地選擇預熱溫度。第22頁/共36頁三母材、填充材料及焊接設備的選用及焊接性能分析（4）多層焊的影響多層焊時，由于后層對前層有消氫和改善熱影響組織的作用，所以多層焊時的預熱溫度可比單層焊適當降低，同時多層焊對防止冷裂紋有良好的作用。但是多層焊時應該盡可能控制層間溫度和后熱溫度，以便使擴散氫逸出，否則，氫量會發(fā)生逐層積累，與此同時，在多次加熱的條件下，會產(chǎn)生較大的殘余應力，從而導致冷裂傾向反而增大。第23頁/共36頁三母材、填充材料及焊接設備的選用及焊接性能分析3.5焊前準備3.5.1接頭形式端部的上蓋板為20mm，下蓋板厚度均為25mm,油箱的上蓋板為20mm，下蓋板為32mm，必須對32mm的厚板進行削薄處理，保證接頭厚度一致，接頭形式為V形對接接頭，如圖5所示。在焊縫兩端需加引弧板和收弧板，引弧板和收弧板的接頭形式與焊縫相同，坡口角度與焊縫一致。如圖5所示。圖5——坡口形式及尺寸注：P8G-EP57:碳錳高強度鋼板藥芯焊絲電弧焊

P8G-EP2-1:中低碳鋼的熔化極氣體保護焊第24頁/共36頁三母材、填充材料及焊接設備的選用及焊接性能分析3.5.2坡口準備由于機車對機車車底架總長是有要求的，故兩個端部和中間的油箱拼接時的坡口需要現(xiàn)配，根據(jù)車間的現(xiàn)有設備，我們采用火焰切割方法來加工坡口。為了防止出現(xiàn)焊接缺陷，焊前應清除氧化渣、油銹等雜質，坡口及周圍20mm范圍內(nèi)打磨至金屬光澤，表面平整，端部與油箱上下蓋板拼接平齊，高低錯邊不大于1mm，在接頭兩端安裝引弧板與收弧板，坡口與焊接接頭坡口一致，完成后在接頭底部貼陶瓷襯墊，焊接上蓋板時貼平襯墊，下蓋板貼角度為165°的陶瓷襯墊，陶瓷襯墊安裝時應與接頭底部貼密，貼實，間隙不大于1mm。如上圖所示。第25頁/共36頁三母材、填充材料及焊接設備的選用及焊接性能分析3.5.3坡口預熱同時為降低焊縫冷裂的敏感性，焊前可采取預熱，因為預熱可有效防止裂紋，降低焊縫及熱影響區(qū)冷卻速度、減少應力的作用。由于構件較大，整體預熱不是很方便，所以采取局部預熱的方法，選用氧—丙烷的預熱方式，但預熱時不能影響母材的性能，因為局部預熱溫度過高，會產(chǎn)生附加應力，所以預熱溫度選擇在50℃-80℃，預熱范圍在焊縫兩側100mm～200mm內(nèi)，而且預熱后要及時進行焊接。3.5.4定位焊定位焊時選取與焊接同類型的填充材料，定位焊時的順序以防止較大的約束為原則，采取四角定位焊的焊接方式進行定位，焊接電流比正常焊接時的電流稍大些。第26頁/共36頁三母材、填充材料及焊接設備的選用及焊接性能分析3.5.3坡口預熱同時為降低焊縫冷裂的敏感性，焊前可采取預熱，因為預熱可有效防止裂紋，降低焊縫及熱影響區(qū)冷卻速度、減少應力的作用。由于構件較大，整體預熱不是很方便，所以采取局部預熱的方法，選用氧—丙烷的預熱方式，但預熱時不能影響母材的性能，因為局部預熱溫度過高，會產(chǎn)生附加應力，所以預熱溫度選擇在50℃-80℃，預熱范圍在焊縫兩側100mm～200mm內(nèi)，而且預熱后要及時進行焊接。3.5.4定位焊定位焊時選取與焊接同類型的填充材料，定位焊時的順序以防止較大的約束為原則，采取四角定位焊的焊接方式進行定位，焊接電流比正常焊接時的電流稍大些。第27頁/共36頁四工藝參數(shù)的選擇4.1焊絲直徑的選擇根據(jù)試驗結果，焊絲直徑為1.2mm。試驗結果見附件1.4.2焊接工藝參數(shù)的確定由于母材的淬硬傾向較大，從減小淬硬傾向來說，采用大線能量有利，但是增大線能量難以避免馬氏體的形成，反而增大了奧氏體的過熱和提高了奧氏體的穩(wěn)定性，促使粗大馬氏體的形成，使熱影響區(qū)的脆化更為嚴重。而減小熱影響區(qū)的脆化的主要工藝措施是采用小線能量，減少高溫區(qū)的停留時間，避免奧氏體過熱，增加奧氏體成分的不均勻性，從而降低奧氏體的穩(wěn)定性，同時采取預熱措施，這對于改善熱影響區(qū)的性能是非常有利的，并采用多層多道焊，合理控制層間溫度。為保證焊接質量，我公司采用Φ1.2的實心焊絲ER50-6進行打底焊和藥芯焊絲TWE-811Ni2進行填充。桿身長度為12mm—14mm，因為桿身長度過大，飛濺嚴重，氣體保護效果較差，反之，桿身長度過小，飛濺容易堵塞噴嘴，保護效果也不好。第28頁/共36頁四工藝參數(shù)的選擇同時氣體流量對焊接質量也有很大的影響，流量過大，會產(chǎn)生不規(guī)則的濡流，保護效果反而變差。于此同時也應該控制焊接速度，速度過快，熔合不好，容易產(chǎn)生缺陷，速度過慢，則生產(chǎn)效率低，輸入焊縫的熱量過多，敷層金屬晶粒粗大，焊縫成型差。經(jīng)過實踐，最終確定的工藝參數(shù)見表5。焊絲牌號直徑（mm）氣流量（m3/h）送絲速度（cm