八方钢焊接工艺.doc

哈尔滨工程大学《压力焊》考查课专业论文八方钢的异种材料焊接工艺八方钢的异种材料焊接工艺压力焊课程专业论文- 1 -八方钢的异种材料焊接工艺八方钢的异种材料焊接工艺生产背景生产背景 某工厂想要生产长度为 1300mm 的八方钢，其具体材质为（1000mm 长 20 钢+300mm 长1Cr18Ni9），八方钢的外接圆直径为 80mm该八方钢将用于工程结构件分析：所需八方钢可有 80mm 圆柱体切削加工而成，如图 1 所示图 1. 八方刚工件截面图由于异种材料焊接，焊接面约 5000mm²，属于大型截面金属零件，又因为是加工成八方钢可选择焊接方法为预热闪光对焊和相位摩擦焊[1]，具体分析如下引言引言异种钢材焊接的问题与同种出来焊接相比，有较大的不同，一般要比同种出来困难异种材料的焊接性主要取决于两种材料的冶金相溶性、物理性、表面状态等，两种材料的这些性能差异越大焊接性能越差，现代工程结构中不仅需要对大量的同种材料进行焊接，也需要对相当数量的异种材料进行焊接采用异种材料制造的焊接结构，不仅能满足不同工作条件对材质提出的不同要求，而且可节约大量的优质贵重材料，降低成本，充分发挥不同材料的性能优势。

近年来，异种材料焊接结构在机械、化工、电力及核工业等行业得到广泛应用，对异种材料的焊接也越来越受到重视根据金相组织，其焊接时存在如下三大问题：焊缝成分稀释；熔合区性能恶化；接头应力复杂两种材料焊接性分析两种材料焊接性分析20 钢强度很少淬火，无回火脆性冷变形塑性高、一般供弯曲、压延、弯边和锤拱等加工，电弧焊和接触焊的焊接性能好，气焊时厚度小，外形要求严格或形状复杂的制件上易发生裂纹切削加工性冷拔或正火状态较退火状态好、一般用于制造受力不大而韧性要求高的低碳钢由于其含碳量和合金元素量较少，成分（如表 1），其焊接性较好压力焊课程专业论文- 2 -的焊接低碳钢时，一般不需要采取特殊的工艺措施，低碳钢焊缝的综合力学性能较好，产生裂纹和气孔的倾向性小，只是对于沸腾钢，由于其脱氧不完全，硫，磷等杂质分布不均匀，焊接时热裂纹倾向比较大[2]该钢属于优质低碳碳素钢，冷挤压、渗碳淬硬钢该钢强度低，韧性、塑性和焊接性均好表 1 20#钢化学成分低碳钢含碳量较低，可焊性较好，奥氏体不锈钢（1Cr18Ni9Ti）含有 18%左右的 Cr和 9%左右的 Ni，而碳钢没有这些成分，焊接时如不添加一定量的 Cr、Ni 元素，由两种钢组成的焊缝金属其化学成分必然显著降低，即形成焊缝稀释。

焊缝稀释的结果是形成马氏体组织，使焊缝的力学性能变硬变脆，产生冷裂纹表 2 1Cr18Ni9Ti 化学成分珠光体钢相对于奥氏体金属填充材料来说，合金元素含量少，因此它们对焊缝金属有一定的稀释作用，而焊缝金属的成分是由填充金属与母材的成分及熔合比确定的，稀释会导致焊缝金属中奥氏体形成元素减少，使焊缝中出现脆性的马氏体组织而降低焊接接头的质量，严重时甚至可能出现裂纹有低碳钢的一半,而线膨胀系数却大得多,所以焊后在接头中会产生较大的焊接内应力1Crl8Ni9 奥氏体不锈钢中的成分（如表 2）,如碳、硫、镍等会在熔池中形成低熔点共晶一、预热闪光对焊预热闪光对焊1Cr18Ni9 奥氏体不锈钢的液、固相线的区间较大,结晶时间较长,且奥氏体结晶的枝晶方向性强,所以杂质偏析现象比较严重.1Cr18Ni9 奥氏体不锈钢焊接时比较容易产生焊接热裂纹于大截面工件的焊接,闪光对焊工艺显然具有其他焊接方法无可比拟的优点预热闪光对焊近年来国外闪光焊技术发展很快,在工件的送进控制上,已经发展到液压系统控制;在控制电压的方式上,已发展到晶闸管控制;在闪光焊接的供电波形上,由传压力焊课程专业论文- 3 -统的相交流,发展到次级整流。

闪光焊的应用范围不断扩大,同时焊机的容量也不断增大预热闪光对焊是在连续闪光焊前增加一次预热过程，以扩大焊接热影响区其工艺过程包括：预热、闪光和顶锻过程施焊时先闭合电源，然后使两根钢筋端面交替地接触和分开，这时钢筋端面的间隙中发出断续的闪光，而形成预热过程当钢筋达到预热温度后进入闪光阶段，随后顶锻而成闪光对焊可分为连续闪光对焊和预热闪光对焊,连续闪光对焊主要由闪光阶段和顶锻阶段两个阶段组成,预热闪光对焊是在闪光阶段前再增加一个预热阶段[3]原理图如图 2 所示由于预热闪光焊的焊接工艺更适合于大截面工件的对接,因此选用了预热闪光焊的焊接图 2 闪光对焊原理1 1 焊接参数焊接参数调伸长度；左边 20#钢 81*1.2=97 右边 81*0.5=40.5闪光速度；1.5-2.5mm/s闪光电流密度；2-4A/mm²2 2 预热阶段预热阶段预热阶段的目的是在基本保持工件端面不烧损的情况下,使工件端面达到一个合适的温度值(对钢来说是进入奥氏体区的温度区域,一般为 800～900℃预热闪光对焊温度分布如图 3 所示压力焊课程专业论文- 4 -图 3 预热闪光对焊温度分布3 3 闪光和顶锻闪光和顶锻采用短路预热的方法,通过控制预热前进阀,预热后退阀的动作,实现送进短路和后退断路交替进行。

预热阶段所需控制的参数主要有:短路预热电流,短路预热时间,预热次数及预热开路时间预热闪光对焊焊接循环如图 4 所示，通过预热后,接头两侧的温度场分布明显改善,在接口附近一定深度的区域都达到塑性变形的温度,对于大截面工件来说,更易于顶锻闪光阶段的作用主要是加热工件为了得到高质量的焊接接头,保持闪光过程的稳定,必须满足两个条件:1)动夹具的送进速度必须等于闪光烧化速度在闪光过程中,工件逐渐缩短,端头温度不断升高随着端头温度的升高,闪光烧化的速度将加快,因此工件的送进速度也必须逐渐加快[4]2)闪光后期使焊件端面保持有一层均匀的液态金属,靠激烈的闪光所造成的气氛保护液态金属,避免被空气氧化和污染图 4 预热闪光对焊焊接循环闪光后期和顶锻之前有足够高的闪光速度在各控制参数中,闪光末速是最重要的闪光一结束,即转入顶锻,形成焊接接头但闪光过程结束前,必须使工件整个端面形成一层液态金属层,并在一定深度上使金属达到塑性变形温度为了提高接头的质量,闪光必须稳定而且强烈闪光过程结束后,应立即进入顶锻为了防止氧化和有利于排除液体金压力焊课程专业论文- 5 -属,必须尽可能减少封闭间隙的时间要求瞬间有一个较大的顶锻速度,比闪光速度要高出十几倍甚至几十倍。

查表得[5]顶锻速度；60-80mm/s顶锻压力；40-60Mpa4 4 下料下料从市场上购买直径 81mm，1097mm 长的 20#圆棒材材和直径 81mm，341mm 长的1Cr18Ni9 奥氏体不锈钢圆棒材该棒材断面属于大断面 d=20mm，大断面工件端部的倒角尺寸如图 4 所示，端面加工可用机械加工或切割图 5 大断面工件端部的倒角尺寸5 5 材料预处理材料预处理焊前对材料表面进行表面清理，除锈，与夹钳电极接触表面严格清理，清理方法为砂轮钢丝刷等机械清理，也可酸洗5 5 焊后热处理焊后热处理 缓冷、回火缓冷是为消除钢材中的白点和避免再冷却过程中热应力与组织应力造成的裂纹焊后热处理消除焊接产生的热应力、均匀焊缝和热影响区的组织、细化焊缝和热影响区的晶粒、排除焊缝在焊接过程中产生的氢脆、通过热处理可以使焊缝金属与母材金属通过加热扩散，更好的结合6 6 机械加工机械加工用数控切割把焊接后的圆形棒材加工成八方钢，然后加工成外接圆直径为 80mm，长度为 1300mm 的八方钢，其具体材质为约 1000mm 长的 20 钢和约 300mm 长 1Cr18Ni9二、相位摩擦焊二、相位摩擦焊压力焊课程专业论文- 6 -相位摩擦焊的焊接工艺相位摩擦焊接是一种固相连接技术，通过两个工件之间的相对高速旋转产生机械摩擦及施加轴向压力使两摩擦表面产生热量，利用摩擦产生的热量将两图 6 相位摩擦焊接原理工件连接起来，形成牢固可靠的焊接接头；同时根据工艺要求设定好焊接工件的初始相位，在焊接完成停止时还能保持初始设定的相位关系，从而实现定相位控制[6]。

相位摩擦焊接原理如图 6 所示1 相位摩擦焊机的选择相位摩擦焊接为连续驱动摩擦焊接，在整个摩擦焊接过程中，主轴电机驱动工件以恒定转速旋转摩擦焊接过程示意图如图 7 所示，焊接过程为：首先使夹持球头工件的装置高速旋转，然后向套管工件施加轴向压力并开始摩擦加热，当达到给定的摩擦时间或规定的摩擦变形量后，即接头达到焊接温度时立即停止工件转动，同时施加更大的轴向压力（顶锻力），在保压一定时间后进行顶锻主机系统是摩擦焊机进行焊接的主要执行机构，主要由主轴系统、旋转和移动夹具、施力油缸、滑台、导轨和床身等组成；在摩擦焊接过程中，是工艺中所规定的扭矩和转速的提供者液压系统是摩擦焊机的液压动力源，包括润滑系统、辅助系统和施力系统润滑系统承担整个主轴系统的润滑任务；辅助系统主要为移动夹具夹紧/松开、旋转夹具夹紧/松开、主轴离合/制动提供控制油压；施力系统控制滑台前进、后退与停止，并为焊接过程提供摩擦压力和顶锻压力；施力系统的稳定性直接影响着摩擦焊接的质量，在整个液压系统中起着关键作用[7]控制系统是摩擦焊接控制指令发出和信号检测处理系统压力焊课程专业论文- 7 -图 7 摩擦焊接过程示意图2 焊接参数选择一般来讲，碳钢的连续驱动摩擦焊参数选择的范围：摩擦速度0.6～3m/s，摩擦压力 20～100MPa，摩擦时间 1～40s，变形量 1～10mm，停车时间0.1～1s，顶段锻压力 100～200MPa，顶锻变形量 1～6mm，顶锻速度 10～40mm/s。

停车时间与摩擦峰值扭矩的关系如图 8 所示图 8 停车时间与摩擦峰值扭矩的关系3 摩擦阶段初始摩擦阶段根据摩擦相位机给定的焊接参数进行，摩擦速度 0.6-3m/s，转速 1000-2000r.min-1，摩擦压力 20-100MPa，进入稳定摩擦阶段时合适的时间1-40s，摩擦结束时切断电源并对驱动株洲制动，在主轴接近停止转动前松开制动器，停车时间 0.1-1s此时立即压紧校正凸轮，使的工件相位的精度得到保证，然后进入顶锻阶段4 顶锻保压阶段由于是大端面的八方钢摩擦焊接，因此在适当降低转速的同时加大顶锻压力 100-200MPa,顶锻变形量 1-6mm，顶锻速度 10-40m/s5 下料，从市场上购买外接圆直径 80mm，1030mm 长的 20#八方钢材和外接圆直径80mm，320mm 长的 1Cr18Ni9 奥氏体不锈钢圆八方钢材6 焊接要求工件焊后棱边对齐，方向对正或相位满足要求7 焊前预处理，对摩擦焊接触表面用钢丝刷机械清理8 焊件用铣刀清除接口处的凸起，保持棱面平整，用车床车去余量得到外接圆直径为80mm，长度为 1300mm 的八方钢，其具体材质为约 1000mm 长的 20 钢和约 300mm 长1Cr18Ni9压力焊课程专业论文- 8 -9 由于是摩擦焊，焊缝处存在较大的应力、变形以及组织的不均匀，因此焊后采用回火处理消除焊接产生的热应力、均匀焊缝和热影响区的组织、细化焊缝和热影响区的晶粒、排除焊缝在焊接过程中产生的氢脆、通过热处理可以使焊缝金属与母材金属通过加热扩散，更好的结合。

参考文献参考文献[1]赵熹华，冯吉才.压焊方法及设备[M].机械工业出版社，2012.6[2]中国焊接学会编.焊接手册（第 1,3 卷）[M].第 2 版.北京：机械工业出版社，2001[3]赵熹华.压力焊技术新发展[M].机械工业出版社，2002[4]全国焊接标准化技术委员会编.中国机械工业标准汇编：焊接与切割卷.第 2 版.北京：中国标准出版社，2001[5]陈国余，刘毅，王林林.闪光焊焊接系统在不锈钢焊管生产中的应用[J].焊管，2013.28（5）：5－7.[6] 李亚江，王娟.相位摩擦焊接技术及应用[M].北京：化学工业出版社，2014.8 [7]周大中，孙军．相位摩擦焊焊方法〔J〕 ．焊接学报，2012， 11（3） ：149－154.压力焊课程专业论文- 9 -。