机械焊接工艺探索与实践

摘要:伴随着经济的发展,新型焊接工艺越来越受社会的青睐。文章在介绍了焊接技术总体应用状况基础之上,对当前新兴的焊接工艺如焊接反变形、振动时效等作了详细的阐述,同时简单总结了焊接工艺的发展方向,有一定的指导意义。

关键词:机械焊接;新工艺;反变形;振动时效

中图分类号:TG43 文献标识码:A

文章编号:1674-1145(2009)21-0145-02

随着国民经济的快速发展,尤其是近几年制造行业突飞猛进,机械焊接工艺的改进在制造业中发挥着越来越重要的作用,而焊接工艺及焊接性能直接影响到结构工程的安全性和可靠性,因此发展探索更为有效的焊接工艺措施越来越有意义。

一、机械焊接技术

机械、石化、冶金、造船、航空航天的建设都离不开焊接,而机械焊接技术种类繁多,工艺复杂,如何在生产实践中做好质量控制成为当前最主要的课题。

(一)机械焊接技术分类

焊接工艺种类繁多,按焊接过程的特点不同可分为:气保焊、压力焊、手工电弧焊和钎焊三大类:(1)气体保护焊简称气保焊,其焊接保护是依靠从喷嘴里连续喷出的气体将四周空气隔开,机械地保护电弧和焊接区域以完成焊接的焊接方式。气体保护焊的保护气体主要有氮气和氢气以及二者的混合气体。(2)压力焊:主要有电阻焊、摩擦焊、扩散焊、旋转电弧焊和超声波焊等几种,其中以电阻焊最为常用。(3)钎焊:它是将焊件和钎料加热到高于钎料熔点,低于母材熔点的温度,利用液态钎料湿润母材,填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接焊件的一种方法。(4)手工电弧焊:用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法称为手工电弧焊,简称手弧焊,就是我们通常所说的电焊。

(二)质量控制

焊接质量控制的意义在于确保焊接接头的质量,一个小小的焊接接头形成经历加热、熔化、结晶成形的过程,相当于一次冶金过程。影响焊接接头质量的因素很多,如果能有效地进行控制,消除不利因素,就可以使焊接接头质量得以提高。焊接工艺的质量控制主要从以下几个方面入手:

1.焊工的工作技能、职业习惯、质量意识问题:一个好的焊工,首先拥有较好的业务技能和职业习惯,焊前准备工作做得好,从心态、设备调试、工件准备到焊材准备等都非常到位;焊后检查做得好,对工件进行细致的检查。

2.焊接设备性能问题:在一定条件下选用综合性能指标较好的专用设备也就显得非常重要。

3.材料选用问题:材料选用的原则一般是:在保证各种技术数据的情况下,材料可焊性好,容易采购。

4.焊接工艺问题:由于焊接方法种类较多,技术人员在焊接工艺方法确定时,需要充分考虑单位的产品特点、经济性、工作效率等因素。

5.环境问题:在产品制作时,对材料的存放环境、产品制作环境的要求较低,有些材料不仅要防止风吹日晒,对干湿度也有明确的要求。

二、新工艺探索

未来的焊接工艺,一方面要研制新的焊接方法、焊接设备和焊接材料,以进一步提高焊接质量和安全可靠性;另一方面要提高焊接机械化和自动化水平,改善焊接卫生安全条件。

(一)焊接反变形

焊接变形是钢结构焊接过程中不可避免的难题,它大致可以分为纵向、横向收缩变形、弯曲变形、角变形和波浪变形等等。一般焊接变形可以通过焊接前反变形、合理焊接工艺、机械矫正工艺加以控制。这里提供了另外一种有效控制结构残余角变形的方法:对结构焊前施加弹性的反向变形。利用热弹塑性有限元法来模拟结构的焊接过程,并对不同板厚、不同热源的结构分别进行数值模拟,最终确定焊接结构的弹性反变形规律:焊接前施加弹性反变形的结构在焊接后角变形趋于零。在厂房框架结构中,H型梁焊接过程中存在的翼缘板正对腹板的角变形,如果在下料时进行焊接反变形,焊接矫正完毕,挠度值均符合设计要求,大大缩短周期,优化了大型梁的制作工艺,效果十分理想。

(二)低温焊接

大量焊接钢结构失效事故表明,低温是导致脆断的主要原因,特别是结构中存在着缺陷(缺口效应)则脆断效应更严重。当温度低于材料的临界转变温度时,在远小于σs的作用下,钢材的σs提高并接近于σb,出现完全无屈服的断裂。环境温度变化对焊接质量的影响不是决定性的。根据低温焊接试验结果和初步分析,应充分重视环境温度的提高和准确的预热温度,在异种钢焊接时应特别注意预热和后热,这是继焊材选定之后决定成败的关键因素。另一方面,通过调整焊缝金属的微合金化的程度,同焊接规范相配合使焊缝金属产生针状铁素体而获得理想的焊缝强韧性,从而取得焊接工艺评定试验的成功,确保工程实体质量。

焊接工艺参数设定:冷却条件的改变影响相变,热影响区的组织取决于钢材的化学成分和焊接的冷却条件,同时也影响扩散氢的逸出和焊接应力的改变。焊接热影响区的冷裂纹大多数在马氏体内部产生,焊接区冷却速度过大易产生马氏体组织。在工程中应注意以下几条原则:(1)尽量减少焊接残余应力。(2)限制结构拘束度。焊缝所处的工况完全不同,焊缝中心产生偏析,低温焊接防治冷裂纹的同时,还须防范由于结构拘束度大,照搬工艺试验的结果很可能适得其反,甚至造成严重后果。(3)力图选用电加热。电加热可以使预热区域受热均匀,有效防止局部受热造成接头附加应力;升温速度均匀、可控,防止造成母材过热等现象,可达到母材充分均匀预热。(4)焊后处理措施:由于液—固态氢溶解度不同,在结晶温度下液态溶氢量是固态时的4倍以上溶氢较多的半溶化晶界起了“通道”作用,氢很容易沿着该通道从焊缝——熔合区——热影响区扩散。(5)控制线能量。在低温施工中,控制AV≥0.6的前提下,采用控制不同焊接位置的AV,实现大电流,防止淬硬组织的产生。对于板厚t≥40mm采取焊后紧急后热及保温缓冷措施,后热温度250℃～300℃;对于t<40mm采取焊后紧急保温缓冷措施,防止产生延迟裂纹。

(三)振动时效去残余应力

振动时效是采用外力振动的方式,使工件内部产生一定周期性交变作用力,作用力和工件本身残余应力叠加,超过工件本身的微观屈服极限便导致工件发生微观的塑弹黏性力学变化。从而引起残余应力的降低和均化。使工件内部各方面作用的力基本趋于平衡。可以防止工件变形,提高工件疲劳极限,从而发挥工件本身的最大实用价值。最后通过比较时效前后及过程中工件的有效固有频率及其加速度等参数的变化来判断时效效果。

振动时效工艺的制定,主要是最佳振动参数的选择,而最佳的标准应以消除应力量值最大为好。在循环应力比R=-1的情况下,内部疲劳极限近似等于产生0.01%,残余应变的“条件弹性极限”σ0.001。所以振动时效动应力的选择应以“条件弹性极限”σ0.001作为依据。在实际的工艺中往往以振动处理过程中结构动态参数的变化作为监测参数,随着应力变化的进行,残余应力的变化引起构件动态的变化,根据这些变化作为制定工艺参数的依据,因此合理的振动参数的选择将直接影响到处理效果。这主要从以下几个方面下手:(1)降低共振频率:振动时效处理消除残余应力,需依赖于产生足够大的动载荷。在扫频过程中发现随着频率的升高,但是电流并不大,一般都是由于其固有频率超出设备的控制频率范围。由振动学知识可知,在构件作受迫振动时,在某一共振频率附近振动,对构件加载量要远远大于其他频率的振动。随着振动频率的升高,电机电流一直上升无下降趋势,这时即发生了强迫共振,这种现象一般是由被振工件的重量太小而刚性又太大所导致。(2)振型的选择:研究表明,这个需要具体的情况而定。(3)激振频率的选择:试验中发现,在时效过程中,在材料的弹性极限以下的循环应力作用下,激振力越小,产生塑性变形的晶粒越少,激振频率越高,因此在共振峰频率处振动,振幅会逐渐降低,延长了时效时间,也影响了时效效果。对于结构复杂,残余应力不集中的构件,宜采用较低的激振力和较高的振动频率。对于结构简单,残余应力集中的构件,振动时效后要得到较低的残余应力状态,应选用较大的激振力,较低的振动频率。

三、焊接技术的发展与展望

现代焊接技术以高效、节能、优质及其工艺过程数字化、自动化、智能化控制为特征,我国现代焊接技术已有很大发展,部分产品技术已达到或接近国外先进水平。焊接柔性化与智能化的单元集成:焊接工艺与过程的智能化;机器人焊接的智能化;智能化的焊接机器人。焊接智能制造的系统技术以智能焊接机器人为单元构成的多机协调的焊接柔性智能制造生产线、网络系统、敏捷制造工厂,特别是传感技术、动态过程的建模、智能控制技术、遥控焊接的引入,促进了焊接自动化技术革命性的发展。

1.控制系统智能化。这是自动化的核心问题之一,也是我们未来开展研究的重要方向。最具代表性的是焊接过程的模糊控制、神经网络控制,以及专家系统的研究。由于焊接技术是基于多学科交叉融合的产物,随着现代科学技术成果的不断涌现,必将推动焊接技术更新发展。除了物理、化学、材料、力学、冶金、机械、电子学等学科的新发展将会推动焊接新材料、新工艺的不断出现外,计算机、控制理论、人工智能等信息科学领域的新进展将进一步将焊接工艺实现的手段推进到自动化、机器人化和智能化的新阶段,进而实现几代焊接人的梦想—用机器来代替人焊接。由于焊接是一个非线性的复杂过程,所以视觉传感以及焊接过程控制算法的稳定性和可靠性还需要不断地提高和完善。同时,多传感器信息融合、遥控焊接及智能化控制等技术也将成为未来发展的重要方向。

2.柔性化。将数控技术配以各类焊接机械设备,以提高其柔性化水平,是我们当前的一个研究方向;通过对柔性焊接线进行合理的工艺安排,不仅可以提高生产效率,而且可以保证焊接质量,减小焊接变形,降低劳动强度。同时力图实现自动路径规划、自动校正轨迹、自动控制熔深等功能。

3.焊接控制系统集成。集成系统中信息流和物质流是其重要的组成部分,促进其有机地结合,力图实现工艺人员通过局域网进行焊接工艺报告、工艺卡片的制定、提交报批、审核、资源信息的查询和报表统计打印等功能,充分发挥公司内部的信息资源和网络资源优势。

4.提高电源可靠性、质量可控性。一方面开发适时提供焊接规范参数的高性能焊机,同时从电源的主电路、控制电路、短路状态检测以及软件设计等方面进行了探讨和研究,使波形控制电源的综合性能得到明显改善和提高,焊接过程飞溅进一步降低,另一方面应积极开发焊接过程的计算机模拟技术。

综上所述,低成本自动焊接使生产过程更加合理化。焊接在整个工业的生产成本中所占的比例并不小,用先进的低成本自动焊接工艺可以进一步提高焊接质量,降低焊接成本,改善工人的劳动条件,这些已在我们的生产实践中充分得到证实。

参考文献

[1]周振丰.金属熔焊原理及工艺[M].北京:机械工业出版社,1986.

[2]高忠民.实用电焊技术[M].北京:金盾出版社,2004.

[3]林企曾,李成.迅速发展的中国不锈钢工业[J].钢铁,2006,(41).

[4]李妙珍.关于铝及铝合金的焊接工艺浅析[J].轻金属,2007,(9).

[5]陈涛.铝及铝合金管的焊接工艺分析[J].焊工之友,2007,(10).

作者简介:廖宏明(1973- ),男,浙江沃克斯电梯有限公司工程师,研究方向:电、扶梯生产技术。

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