（光学工程专业论文）汽车离合器支撑环的制造技术及检测装置研制.pdf

南京堙工人学硕士学位论文 y 6 2 4 6 5 1 汽车离台器支撑环的制造技术及检测装置研制 摘要 支撑环的焊接质量是保证膜片弹簧离合器使用寿命的一个重要因素。为了提高 支撑环的焊接质量，通过试验分析了材料的化学成分对焊接性的影响，提出了支撑 环材料选择的原则；通过焊接热循环的有关理论提出工艺参数优化的原理和方法； 为实现对支撑环焊口质量的定量检测，根据支撑环在膜片弹簧离合器工作时的受力 状态，借鉴南京跃进集团标准件厂的检测装置，设计出一套结构简单、经济实用、 便于安装的检测装置：并在此基础上完成了气压回路设计和所用非标准弹簧的设计： 根据检测系统的特点，选择了合适的传感器和数据采集卡，设计了数据采集系统控 制软件。 。 关键词：支撑环材料选择检测装置传感器数据采集卡 软件开发 第 页 南京理l 大学坝i 学位论文 汽车离台器支撑环的制造技术及柃测装置研制 a b s t r a c t w e l d i n gq u a l i t yo fs u p p o r tr i n gi s a ni m p o r t a n tf a c t o ri n g u a r a n t e e i n gd i a p h r a g m s p r i n gc l u t c h ss e r v i c el i f e t h e r e f o r e ，t oi m p r o v i n gt h ew e l d i n gq u a l i t yo fs u p p o r tr i n g ， t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo fm a t e r i a l sc h e m i c a lc o m p o s i t i o no nw e l d i n g c a p a b i l i t yb a s e do ns o m ep e r f o r m a n c et e s t ，b r o u g h tf o r w a r dt h ep r i n c i p l eo fs u i t a b l e m a t e r i a l ss e l e c t i o nf o rs u p p o r tr i n g b a s e do nt h et h e o r yo f w e l d i n g h e a tt r a n s f e r r e d ，t h e d i s s e r t a t i o n p u t f o r w a r dt h em e a n sa n dt h e p r i n c i p l e o f t e c h n o l o g yp a r a m e t e r s o p t i m i z a t i o n ，b a s e do n t h ef o r c ef e t t l ew h i c ha c t e do nt h es u p p o r tr i n gw h e n d i a p h r a g m s p r i n g c l u t c hw o r k e d ，r e f e r e n c e st ot h et e s te q u i p m e n tp r o d u c e di ns t a n d a r dp r o d u c t f a c t o r yb e l o n gt on a n j i n gy u e j i ng r o u p ，as e to fs i m p l e 、e c o n o m i c a l a n dc o n v e n i e n tf o r i n s t a l l i n gt e s te q u i p m e n t w a s d e s i g n e dt or e a l i z er m i o n t e s tf o r w e l d i n gq u a l i t yo fs u p p o r t r i n g f o l l o w i n g ，c o m p l e t e dt h ed e s i g no fa i rp r e s s u r ec o n t r o lc i r c u i ta n dn o n s t a n d a r d s p r i n g c h o s et h er i g h ts e n s o ra n dd a t ac o l l e c t i n gc a r d ，w r i t t e nt h ep r o g r a m t h a tc o n t r o l d a t ac o l l e c t i n gs y s t e m k e y w o r d s ：s u p p o r tr i n g ，s u i t a b l em a t e r i a l ss e l e c t i o n ，c h e c k o u te q u i p m e n t s e n s o r , d a t ac o l l e c t i n gc a r d ，s o f td e s i g n 第1 i 页 南氨料ik 学豫士学位论艾 汽车离台器支撑环的制造技术及捡测装置形f 制 1 绪论 1 1 课题背景及意义 离合器是发动机与汽车传动系间的联系总成，在汽车由起步、进入正常行驶、 变速、减速制动真至最后停车的整个过程中，离合器都在起着作用，它的功用主要 有： 1 ) 保证汽车平稳起步： 随着离合器的接合紧密程度逐渐增加，发动机经传动系传给驱动轮上的扭矩也 逐渐地增大，到驱动力增长到足以克服汽车起步阻力时，汽车即从静止开始进入运 动并逐步加速。 2 ) 保证传动系换档时工作平稳； 换档前必须先踩离合器踏板，中断动力，减轻齿轮啮合时的冲击。而换档完毕 后，再使离合器逐渐地重新接合，以使汽车速度不致发生突然的变化。 3 ) 防止传动系过载； 当汽车紧急刹车制动时，即使驾驶员来不及分开离合器，但由于离合器在结构 设计上使之具有可相对运动的两部分一主动部分和从动部分，并且只能传递一定 大小的扭矩，使产生的过大惯性力矩将无法通过离合器传递，使主、从两部分产生 打滑，从而消除了传动系过载的可能性“+ ”1 。 虽然离合器应用广泛，技术也比较成熟，但是它的失效也是常有发生的。在各 种影响离合器破坏失效的因素中，其装配零件支撑环的断裂是一种重要因素。对支 撑环来说，受有压力和涨力的综合作用，其中的涨力是造成其破坏的主要因素。目 前国内的支撑环生产厂家，在设计中，还是从国外资料中查出其所用钢种的各种化 学成分，再从国内找出相近的钢种，并没有确切的选材依据，在资料的传播过程中， 由于各种原因，又造成了不同厂家不同钢种的变化，产生了支撑环所选材料的混杂。 在生产过程中，没有规范的工艺参数，只有通过对不同工艺参数的支撑环进行试验， 比较其性能来确定生产加工的工艺参数，造成了工艺参数的多样化。在质量检验过 程中，并没有实现定量检测，而只是简单对支撑环施加一涨力，通过观察其有没有 开裂而作为检验标准，造成施力过大或者过小，从而产生了有些合格的产品遭到破 坏，而有些不合格的产品又通过了检测。如果在设计过程中根据各种钢种的焊接性 和焊后性能选出比较理想的材料；在加工过程中通过各种试验和材料特性确定合 理的工艺参数；在质量检测过程中，设计出合适的检测装置并找出合理的检测力实 现定量检测；所有的这些对于提高支撑环的质量，进而提高膜片弹簧的使用寿命来 耍兰型三奎兰堡圭兰竺尘兰皇圭曼室兰三丝至盟型兰垫查墨堡型釜兰竺型 说是非常重要的。所以本课题从上述因素出发确定材料选择的依据和方法，通过 试验优化工艺参数，力求生产出质量更高的支撑环；设计合理的检测装置实现定量 检测，保证出厂支撑环满足质量要求。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 膜片弹簧离合器的支撑环是在2 0 世纪初期随着圆锥式摩擦离合器和多片摩擦 离合器的不断改进，逐步发展成为现代离合器的过程中产生的。当时，它主要应用 在新型的膜片弹簧离合器上。自从美国通用汽车公司于1 9 3 8 年在雪佛兰轿车上开始 使用推式膜片弹簧离合器后，2 0 世纪6 0 年代末国外轿车，轻型、中型货车几乎全 部采用，7 0 年代后期开始扩展应用到重型货车。随着膜片弹簧离合器逐渐应用于各 种轿车，轻、中型货车和拖拉机上，支撑环也就相应地出现在各种轿车，轻、中型 货车和拖拉机上。目前，随着离合器的结构简化、紧凑并尽量通用的要求的提出， 支撑环呈现了从双支撑环减少到单支撑环，再到无支撑环的趋势。虽然这已成为离 合器发展的必然趋势，但就目前来说，支撑环仍广泛地应用于各种膜片弹簧离合器。 以支撑环的应用场合来讲，目前其应用主要有：双支撑环的推式膜片弹簧、单支撑 环的推式膜片弹簧离合器和单支撑环的拉式膜片弹簧离合器。 嚏嗥一圃 图1 1 双支撑环型式的推式膜片弹簧离台器的结构型式 在双支撑环的推式膜片弹簧离合器中，支撑环的应用的结构型式主要有：m f 型( 图1 1 a ) 它是用台肩式铆钉将两个支撑环和膜片弹簧、离合器盖定位并铆接在 一起，结构比较简单，是早己采用的传统型式。目前，这种膜片弹簧离合器在f & s ， b w a 与大金等公司广泛采用，在我国，它也应用于上海桑塔纳轿车( m f 2 1 0 ) ，南 汽n j l 0 6 1 轻型货车上。o s 型( 图1 1 b ) ，它是在标准铆钉杆上套一硬化的衬套， 并在铆钉头加一刚性挡环，使前支撑环不与铆钉直接接触，结构较复杂，a p 公司广 泛采用。在我国，d s 型已应用于第二代解放牌产品c a l 0 9 2 型中型货车。d s t 型( 图1 1 c ) 在离合器的边缘上伸出许多舌片，将两个支撑环和膜片弹簧、离合器 盖弯和在一起，使结构简化、紧凑，应用广泛。例如a p 公司和大金公司采用。国 内用于t j 7 1 0 0 夏利牌轿车。 南京理工大学螂= t 学位论文汽车离合器支撑环的制造控术及检测装置研制 幽1 2 单支撑环型式的推式膜片弹簧离台器的结构删式 在单支撑环的推式膜片弹簧离合器中，支撑环的应用形式生要有：d b v 型( 【型 1 2 d ) 在冲压离合器盖上加一个环型凸台代替m f 型中的后支撑环，使结构简化。 v a l e o 公司与b w a 公司都有这种类型。g m f 型( 图1 2 e ) 与d b v 型相似，但越 在离合器盖上铸出一个环形凸台以代替后支撑环。f & s 公司将它用于中、重型货年。 d b d b p 型( 图1 2 f ) 在铆钉前侧以弹性挡坏代替i i i 支撑环，这样可以消除膜片 弹簧与支撑环之间的轴向间隙。v a l e o 公司将它用于中、重型货车。 翮溉 图1 3 单支撑环型式的拉式膜片弹簧离合器的结构型式 在单支撑环的拉式膜片离合器中，支撑环的应用的型式主要有：d t d t p ( 图 1 3 a ) 支撑环紧靠冲压离合器盖中，膜片弹簧的大端支撑在其上，这种离合器主要 用于轿车和货车。g m f z 型( 图1 3 b ) 支撑环位于铸造离合器盖凹槽中，膜片弹 簧的大端支撑在其上，这种离合器可用于中、重型汽车。 支撑环虽然应用在不同类型的膜片弹簧离合器和不同的结构形式中，但在这些 离合器中的作用却是相同且是相当重要的。它是影响离合器使用寿命的重要因素， 它的破坏使膜片弹簧失去支撑而无法正常工作。随着离合器向无支撑环的方向发展， 支撑环的数目逐渐减少直至取消，但实际上，取消了支撑环的离合器是在膜片弹簧 离合器盖上冲出环型凸台，其作用仍相当于支撑环。 糯。糯曲龠忆椰 = f j 尿理 大学碗十学位论业 汽车离台器支撑环的制造技术及检测装置研制 目前，就支撑环的加工工艺和材料选择情况来说，国内外的情况也大不相同。 在国外，其生产基本上是自动化生产。它的生产加工一般是在一台机床上进行截断、 绕制成型、对焊，同时根据所选材料的不同来决定是否采用退火工艺( 一般来说， 低碳钢焊后性能满足要求，不再采用退火工艺，而高碳钢则采用退火工艺来完善其 焊后性能) 。在不同的厂家其焊接方式也不同，有的采用电阻焊，优点是焊接速度快， 但同时这种焊接方法的速度快也给接头带来了不利的影响。有的采用闪光焊，精度 高，焊接性能好。对于材料的选择，不同的设计人员根据支撑环的性能要求而采用 不同的材料，同时采用不同的热处理工艺来达到其使用性能。目前，美国采用的材 料主要有7 0 c 和2 0 c ，在英国使用的材料主要有5 5 一i g b 3 2 0 6 。在国内，其差别 也很大，跃进汽车集团标准件厂等一些生产设备比较先进的厂家已实现了半自动化 加工，他们把送料、截断、对焊、退火等工艺在一台自动化机床上完成，而把磨焊 接凸点、检测、氧化处理等一些工序单独实施，其焊接采用电阻压力对焊，生产效 率较高。但存在工艺参数不稳定的情况。在浙江和国内其他一些生产设备稍落后的 地方，其生产还是手工作坊形式，他们的截、弯曲成型、对焊、退火等工艺基本上 还是人工完成，其焊接大部分是手工对焊，不仅效率低下，而且生产出的支撑环的 质量很不稳定。而对于材料的选择，有些厂家根据引进资料时，对照国外的钢号， 从国内选择与之相近的钢号而用于生产。还有些厂家只是通过对有限几种钢种的生 产、试验比较性能优劣性，选择出性能好，价格合适的钢种用于自己的生产。就目 前来说，虽然不同的厂家使用不同的钢种，但7 0 c 和5 5 i g b 3 2 0 6 是应用比较广泛 的钢种。1 。 1 3 本论文研究的内容 本论文完成的主要内容有： 1 ) 支撑环材料选择和工艺参数优化 根据有关资料考虑c 、m n 、s 、p 等几种化学成分对焊接性能及焊后抗拉强度 的影响、生产过程中各种工艺参数对焊后形成不同金相组织的影响来综合考虑支撑 环的焊接性能。通过试验比较不同材料的焊后抗拉强度和不同工艺参数焊后的抗拉 强度、金相组织，合理确定生产支撑环所用的材料和生产过程的工艺参数，从而可 以有效地提高支撑环的抗拉性能，获得性能优良的支撑环。 2 ) 质量检测装置机械部分的设计 根据南京跃进集团标准件厂对离合器支撑环的检测要求，设计出一套结构简单、 经济实用、便于安装的检测装置。它是将气压缸的推拉力转换为对支撑环涨力作用 且与工况相近的检测装置，并根据此检测装置得出气压系统应施加力的大小。根据 检测过程的动作特性和精度要求，设计合理的气压回路来驱动整个检测装置。 南京理工大学硕士学位论文汽车呙台器支撑环的制造技术及检测装置研制 3 ) 数据采集系统的设计 根据信息处理的一般过程，设计出了离合器支撑环检测系统的数据采集系统。 它用计算机作为控制单元，配合传感器和采集卡完成数据采集。根据应用要求，选 择了合适的传感器和数据采集卡。 4 ) 数据采集系统控制软件的设计 根据离合器支撑环检测装置的特点，设计满足检测控制要求的软件。在软件中 重点解决了采集卡的读取和控制、精确定时的实现、m a t r i x v b 在v b 中的应用等问 题，并详细的介绍了软件的使用。 南京理工人学硕士学位论文 汽车离台器支撑环的制造技术及检测装置硎制 2 支撑环材料选择及焊接工艺参数的优化 2 。1 金属焊接性 2 1 1 金属焊接性概念 金属焊接性根据g b t 3 3 7 5 9 4 焊接术语的定义为：金属材料在限定的施工 条件下，焊接成按规定设计需要的构件，并满足预定服役要求的能力。即材料对焊 接加工的适应性和使用的可靠性。 因此，焊接性的具体内容，可分为工艺焊接性和使用焊接性。 所谓工艺焊接性，是指在一定的焊接工艺条件下，能否获得优质、无缺陷的焊 接接头的能力。对于一般熔焊接来讲，焊接过程都要经历加热熔化、冶金反应和随 后冷却过程。因此，工艺焊接性又分为“热焊接性”和“冶金焊接性”。热焊接性是 指焊接热过程，对焊接热影响区组织性能及产生缺陷的影响程度，用于评定被焊金 属对热作用的敏感性( 晶粒长大及组织性能变化等) 。冶金焊接性是指冶金反应对焊 缝性能和产生缺陷的影响程度，它包括合金元素的氧化、还原、蒸发、氢、氧、氮 的溶解，对气孔、夹杂、裂纹等缺陷的敏感性。 所谓使用焊接性，是指焊接接头或整体结构满足各种使用性能的程度，其中包 括常规的力学性能、低温韧性、抗脆断性能、高温蠕变、疲劳性能、持久强度，以 及抗腐蚀性和耐磨性能等。焊接技术必须满足不同使用条件下各种性能要求。“。 2 1 2 影响焊接性的因素 焊接性是金属材料的一种工艺性能。除了受材料本身性质影响外，还受到工艺 条件、结构条件和使用条件的影响。 1 ) 材料因素 在相同的焊接条件下，决定材料焊接性的主要因素是它本身的物理化学性能。 材料的化学成分、热处理状态、组织状态及力学性能，尤以化学成分影响最甚。对 钢来说，影响焊接性较大的元素有碳、硫、磷、氢、氧等，合金元素中的锰、铬、 镍、钼、钛都在不同程度上增加焊接接头的淬硬倾向与裂纹敏感性。一般来说，钢 种的焊接性将随碳含量和合金元素的增加而恶化。 2 ) 工艺因素 工艺因素包括焊接方法、焊接规范、预热、后热及焊后热处理等等，他们对焊 接性的影响，首先在于诸如焊接热源特点、功率密度、线能量等工艺参数，它们会 直接决定焊接接头的温度场和热循环，从而对焊缝及热影响区的大小、组织变化和 南京理上大学硕士学位论文 汽车离台器支撑环的制造技术及检测装置研制 产生缺陷的敏感性等有明显的影响。 3 ) 结构因素 结构因素是指焊接结构和接头的形式、接口断面的过渡、焊缝的位置，以及某 些部位焊缝的集中程度造成多向应力状态等。 4 ) 使用条件因素 使用条件因素是指焊接结构的工作温度、受载类别( 动载、静载、冲击、高速 等) 和工作环境( 化工区、沿海及腐蚀介质等) 。一般来讲，环境温度越低，钢结构 越容易发生脆性破坏“8 ”1 。 上述几种元素共同影响着热影响区和焊接组织，通过组织决定了焊接性的好坏。 不同碳钢，不同冷却速度下焊接得到的组织及其百分比，可以通过c c t 图( 连续冷 却组织转变图) 来预测。在某些焊接热循环的加热及冷却速度下，碳钢可能在焊缝 和热影响区形成硬化组织甚至马氏体，而这些又以马氏体对焊接性影响最大。有无 马氏体或马氏体含量的多少的表征之一是材料的硬度，马氏体愈多，则硬度愈高， 焊接性愈差。焊接后大量的马氏体或者它表现出的高硬度，在焊接应力下可能引起 热影响区和焊缝的裂纹，从而表现为焊接性差。因此，测定焊接接头的硬度，可以 粗略地判断焊接性的优劣。 2 1 3 焊接性分析 焊接性分析就是运用现代焊接科学技术的理论知识和实践经验，对金属材料焊 接的难易程度做出判断或预测，估计焊接过程可能出现的技术问题，分析产生的原 因和寻找解决问题的办法。通常分析是从工艺焊接性和使用焊接性这两个方面去考 察该材料对焊接的适应能力。前者是要解决该材料能焊不能焊的问题，后者是要解 决焊后能不能使用的问题。钢的焊接性分析，过去通常采用焊接性试验来进行，常 用的方法有：焊接接头力学性能试验、化学成分分析、热影响区的硬度试验、金相 试验等。 对工艺焊接性方面的分析，主要是考察金属材料载给定的工艺条件下，产生焊 接缺陷的倾向性和严重性。首先应结合研究对象的特点，从影响焊接性的材料因素、 工艺因素和结构因素入手等方面入手，分析和估计焊接过程中可能会产生什么缺陷， 对材料的工艺焊接性做出科学的预测。焊接工艺缺陷很多，其中以裂纹的危害性最 大，产生的原因多而复杂，故分析的重点放在材料的抗裂性能上。利用合金相图， 或焊接c c t 图等进行分析，合金相图，可以判断热裂倾向，焊接c c t 图估计有无 冷裂的危险和焊后接头的大致性能( 硬度值) 。 对使用焊接性方面的分析，主要是考察金属材料在给定的焊接工艺条件下，焊 成的接头或整个焊接结构是否满足使用要求，这些要求是有结构的工作条件所决定 竺里些：! 查兰型主主堡笙墨； 釜三苎金璺茎堡翌：些型生垫查圣丝型茎萋型 型 并由设计者提出的。如强度、韧度、塑性、疲劳、蠕变、耐蚀或耐磨等性能要求。 对于以等性能原则设计的焊接接头，则以材料的性能为依据，分别考察焊缝金属和 焊接热影响区在焊接热的作用下可能引起哪些不利于使用性能的变化。利用c c t 图 可以方便的预测或判断焊缝或热影响区熔合线附近的组织与性能的变化m3 。 2 1 3 1 金属材料的化学成分与焊接性 碳钢是以铁为基础，以碳为合金元素，且碳的含量一般不超过0 1 。此外，含 锰量不超过1 2 ，硅的含量不超过0 5 ，皆不作为合金元素。而其他元素，如镍、 铬和铜等更控制在残余量限度内，远非合金成分。杂质元素，例如硫、磷、氢和氧 等，根据钢种的品种和等级，也都有严格的限制。 碳是钢中的晟重要的化学成分和合金元素，也是对钢材和焊接性能具有最重要 影响的元素。含碳量低，焊缝金属形成平面晶和胞壮晶的可能性大，能很大地提高 焊缝的韧性；含碳量大，就会大大地提高钢的淬透性，提高焊缝金属的硬度和强度 而降低塑性，焊接性变差；同时碳含量大，容易造成高温时与氧反应生成c o 和c 0 。 等气体并在焊缝形成气孔，降低焊缝的塑性和韧性，使焊缝产生裂纹的倾向增大。 锰是一种很好的脱氧剂，同时它能与杂质硫形成硫化锰，起脱硫作用，从而减 少焊缝产生热裂纹的倾向：但锰也是一种淬透性元素，能提高焊缝的强度和硬度， 降低塑性和韧性。锰作为合金元素，能够起到改善焊缝金属的机械性能，锰的含量 在o 6 1 8 时，焊缝金属具有较高的强度和韧性，而以w 。= 1 5 时韧性最好， 脆性转变温度摄低，小于该值时，随着含锰量的增加，使焊缝的组织细化，提高韧 性，大于该值时，随着含锰量的增加，使组织强化，韧性降低。 硅也是一种很好的脱氧剂，但由于硅还原时生成s i 魄的熔点高，容易造成焊缝 夹杂，降低焊缝的综合力学性能；硅是铁素体形成元素，在较少时可以较好地提高 焊缝的韧性，但含量多时，不但会增大材料的淬透性，使焊缝的强度和硬度提高， 而且也容易在焊接过程中飞溅，降低焊缝的韧性。当w 。w 。= 1 5 2 7 5 的情况下， 可以很好的阻止裂纹的扩展，提高组织的韧性。 磷、硫都是钢中的有害杂质，硫在钢中以f e s 形式存在，f e s 可无限溶解于液 态铁中，而在固态铁中溶解度只有o 0 1 5 。- 4 ) 0 2 。因此在焊接过程中很容易析出， 并与n f e 或f e o 等形成熔点仅为9 8 5o c 或9 4 0 。c 的共晶。这些低熔点的共晶在焊 缝结晶过程中聚集于晶界上，呈液态薄膜状，不仅增加了焊缝产生结晶裂纹的倾向， 同时也降低了焊缝金属的冲击韧性和抗腐蚀性。 磷在钢中以多价磷化物( f e 3 p 、f e 2 p 、f e p ) 的形式存在，磷在液态铁中的溶解 度很大，而在固态铁中的溶解度仅为千分之几，磷与铁也可形成低熔点共晶f e + f e 3 p ，它的共晶熔点只有1 0 5 0 。c 。这些低熔点的共晶在快速结晶的情况下在晶界上 鹌泵埋j 大学坝士学位论文 汽车离合器支撑环的制造技术及榆测装置研制 偏析。削弱了晶粒间的结合力，促进热裂纹的产生；磷化物硬而脆，易使焊缝金属 的冷脆性增大，促使冲击韧性降低，脆性转变温度升高。“。 根据上面分析知碳钢中的锰和硅对焊接性有影响，它们含量的增加，会使焊接 性变差，但不及碳强烈。锰和硅的影响可以折算为相当于多少碳量的作用，这样就 可以把碳、锰和硅对焊接性的影响折合成一个使用于碳钢的碳当量( c 。) 经验公式 来评价钢种的焊接性。一般来说，碳当量公式”1 采用下式： c 矿c + 等嗤( 呦 在中国弹簧厂检测中心对目前标准件厂使用的江苏通州、江西新余等地生产的 钢丝进行了化学成分分析，分析结果如表( 2 1 ) 。根据测试结果知碳当量都大于 0 6 ，这两种钢材都有很强的淬硬性，焊接性都不是很好，但相比而言，新余钢材 碳当量更大一些，焊接性更差一些。这两种钢材的锰含量大致一样，对焊接的固容 强化效果大体相当，但新余钢材的硫、磷含量都大于南通钢材，导致焊接产生冷热 裂纹的可能性大于通州钢材。由于在选材时，在强度和硬度满足要求的条件下，尽 量选用焊接性好，产生冷热裂纹可能性小的材料。这个选材原则指导我们在选用材 料时，尽量避免选用新余钢材，而选用焊接性好、产生冷热裂纹可能性小于它的通 州钢材。 表2 1 新余钢材和通州钢材成分测定 实测值 化学元素额定值 新余钢材通州钢材 co 6 7 o 7 5o 8 2o 6 2 s i0 1 7 枷3 7 m n0 5 0 o 8 0o 6 2o 6 1 s s 0 0 3 5 0 0 2 5o 0 1 2 p0 0 3 50 0 1 9o 0 1 2 2 1 3 2 金属材料焊缝附近的金相分析 焊接金属的化学成分是决定焊接金相组织的重要因素。对碳钢来说，凡固溶于 奥氏体的元素均增加奥氏体的稳定性，使奥氏体不易分解相变，若元素以沉淀相存 在，则可以成为奥氏体相变时新相的核心，从而促进奥氏体的分解。 在铁碳合金中，亚共析钢中的碳、硅和锰都很大程度的提高了奥氏体的稳定性。 在焊接过程中，使奥氏体分解相变的难度增大。同时铁碳合金中含碳量增加时，不 仅组织中的渗碳体相对增加，而且渗碳体的形态和分布情况也会发生变化，渗碳体 是一个强化相，当它与铁素体构成片层状珠光体时，合金的硬度和强度得到了提高， 9 堕塞些：尘兰望三兰堡丝兰 釜圭苎皇堡兰堡兰塑型鎏茎查苎丝型茎兰! 墅型 合金中珠光体的组成物越多，则其强度、硬度越高。但当渗碳体以网状分布在珠光 体的边界上使，将使合金的塑性和韧性大为降低。 图2 14 的硝酸酒精侵蚀的通州材料5 0 0 倍金相照片 在中国弹簧厂检测中一t l , 对目前标准件厂使用的江西新余、江苏通州等地生产的 钢丝使用同一焊接工艺参数，在相同的生产环境下生产的样品进行了金相组织试验。 检测结果表明用江苏通州的材料生产的样品焊接后是珠光体和铁素体，其焊接处的 金相图如图2 1 。用江西新余材料生产的样品未焊接处是索氏体，焊接处是较粗的索 氏体和未溶的铁素体，表面组织较细，心部组织较粗，焊口有空洞。由于焊接样品 是在快速加热和自然冷却下的组织转变，因此不可能按平衡条件下的铁碳合金金相 转变过程进行金相的转化。江西新余的钢材组织变化不是很大，但是由于焊接过程 中的焊接热使晶粒粗化，同时由于杂质磷、硫的影响使焊口容易产生缺陷，使焊接 前后的力学性能差别较大，焊接性差。通州的材料焊接后组织由索氏体变为片状珠 光体和铁素体，其实珠光体和索氏体并无本质的差别，只是片层的厚度不同，但由 于索氏体的厚度薄，机械性能稍好于珠光体，因此焊接后机械性能有所下降，但是 其下降程度不如江西新余的明显。因此综合考虑来说，江苏通州材料的焊接性要好 于江西新余。 2 1 3 3 金属材料的化学成分对焊缝力学性能的影响 对于不同化学成分的焊接金属，由于焊后组织形态、种类、数量、杂质含量等 不同，在性能上有明显的差异。焊接金属的力学性能主要包括强度、韧性、延性、 硬度、疲劳强度等。这些焊接金属的力学性能受多种因素的影响，但主要是取决于 焊接金属的化学成分和焊接热循环参数的，这里主要通过对不同种金属焊接得到的 支撑环进行硬度和强度拉伸实验分析金属化学成分对力学性能的影响o ”。 1 ) 支撑环硬度试验及分析 研究表明，焊接热影响区( h a z ) 的硬度与力学性能和抗裂纹性密切相关。一般 莉京理r 大学坝十学位论文 汽车离台器支撑环的制造技术及榆测装置研制 情况下，随着硬度的提高、强度升高，延性和韧性下降，冷裂纹倾向增大。焊接h a z 的硬度主要取决于被焊接钢种的化学成分和冷却速度，其实质是反映不同金相组织 的性能。对一般的碳钢来说不同比例混合组织的宏观维氏硬度和相应金相组织硬度 见下表2 2 。从表2 2 可知，不生成淬硬的珠光体类型的焊接h a z 不出现硬化，而 生成淬硬的珠光体的焊接h a z 才出现硬化。组织中的贝氏体和马氏体体积分数增 多，组织的宏观维氏硬度就增大。在不同的混合组织中，同一组织的硬度在一定范 围内变化，这与钢中的碳含量和合金元素的含量有关。珠光体型钢的h a z 硬化的主 要原因是在该区产生淬硬组织。凡是能提高h a z 淬硬的因素，都将促进h a z 的硬 化，实际上，主要因素是钢种的化学成分和冷却时间t 8 ，5 。钢种化学成分的影响主要 用碳当量c 。表示，即把钢中合金元素( 包括碳) 按其对淬硬的影响程度折合成碳 的相当含量。 表2 2 不同金相组织混合后的硬度 金相组织体积分数( )显微硬度( h v )宏观维氏 fpbmfpbm 硬度 ( h v ) 1 078 3o2 0 2 2 4 62 3 2 2 4 92 4 2 8 52 1 2 lo7 02 92 1 6 - 2 5 82 7 3 3 3 62 4 5 3 8 32 9 8 0 01 98 1 2 9 3 3 2 3 4 4 岳一7 03 8 4 o001 0 04 5 4 - - 5 0 83 9 3 在南京理工大学物理实验中心对目前标准件厂使用的江西新余、江苏通州等地 生产的钢丝使用同一焊接工艺参数，在相同的生产环境下生产的样品进行了表面硬 度的测量( 这里采用洛氏硬度h r c ) 。 表2 3 新余钢材和通州钢材焊接硬度测定 材料来源样品号焊接热影响区( 关于焊点对称)未焊接处 18 79 l2 8 江西新余 26 4 58 13 5 13 1 _ 23 0 52 6 江苏通州 24 34 1 52 8 5 由实验易知，江西新余的钢材在焊接后热影响区硬化比较严重。对于碳钢来说， 随着强度的提高，其延性和韧性随之恶化，这在后面的拉伸实验中可以很明显的看 出来。江苏通州的钢材也有硬化现象，但不是很严重，同时也满足支撑环的设计要 求，即热影响区硬度不高于4 5 0 h v 5 ( 相当于4 6 5 h r c ) 。根据选材时，在满足设计 强度要求的前提下，尽可能选用焊后韧性较好的材料，这里应优先考虑焊接热影响 区硬化程度小的通州材料。 甬尿理工人学硕士学位论文 汽车离台器支撑环的制造技术及检测装置研制 2 ) 支撑环焊口拉伸强度试验及分析 焊缝金属相变后的组织主要通过其种类、形态、晶粒度等影响焊缝金属的力学 性能。组织种类不同，焊缝金属所具有的强度、韧性、延性等均不同。一般情况下， 焊缝金属的强度按铁素体、铁素体+ 珠光体、珠光体、贝氏体、贝氏体+ 马氏体、马 氏体组织的顺序逐渐提高。不同组织的韧性变化则较大，受组织的成分、形态、相 比例等影响较大，从而影响焊缝的力学性能。焊后焊缝金属的晶粒度主要影响焊缝 金属的延性和韧性，晶粒度越大，焊缝金属的延性和韧性越低。 不同的元素通过其种类和加入量影响焊缝金属的力学性能。有的元素是通过固 溶强化起作用( 如c 、m n 、s i ) ；有的是通过细晶强化起作用( 如c r 、t i 、n b jv 、 w 等) ；有的元素通过改变焊缝金属的组织种类而起相变强化作用( 如c r 、n i 、m o 、 c 等) ；有的元素同时起两种以上的作用。对碳钢来说只有c 、m n 、s i 等几种金属 元素对焊接金属的力学性能起确定作用。 元素中的杂质元素硫、磷很容易在焊缝中形成夹杂( 磷化物、硫化物、氧化物) 。 这些夹杂物根据其大小和形状不同对力学性能的影响也不同。尺寸较小的圆型夹杂 对力学性能影响较小：而尺寸较大的圆形或条状夹杂在很容易在焊缝造成应力集中， 从而产生对焊缝疲劳强度、延性、韧性和静强度的影响，造成各种强度极限的下降 或衰减。 在南京理工大学力学实验中心对目前标准件厂使用的江西新余、江苏通州等地 生产的钢丝使用同一焊接工艺参数，在相同的生产环境下生产的样品进行了强度拉 伸试验，强度拉伸试验结果如表2 4 和表2 5 及拉力一位移曲线图如图2 2 和图2 3 。 表2 4 南通钢材( 西3 2 r a m ) 焊接前后强度拉伸试验的数据 焊接前焊接后 试验编号截面尺寸 只( k n )盯 ( m p a )( k n )盯6 ( m p a ) l9 3 5 71 3 2 3 7 47 8 2 39 7 2 7 6 0 2 d 3 2 m m 9 2 3 21 3 0 6 1 l7 9 7 29 9 1 2 1 0 39 2 5 61 3 0 9 4 27 7 5 69 6 4 3 8 0 表2 5 新余钢材( 3 m m ) 焊接前后强度拉伸试验的数据 焊接前焊接后 试验编号截面尺寸 已( 盘)盯6 ( m p a )( m )盯6 ( m p a ) l“6 8 11 6 5 2 5 27 7 2 i1 0 9 2 2 7 2 妒3 m m 1 1 5 3 21 6 3 1 2 47 4 9 41 0 6 0 1 2 31 1 6 3 21 6 4 4 4 47 5 6 71 0 7 4 3 2 南京理l ：大学硕士学位论文 汽车离合器支撑环的制造技术及检测装置研制 7 ， “： j ? 扩j 7 戈公| 。 ，一 。扩 图2 2 新余钢材( 4 k 3 m m ) 焊接前后拉力一位移曲线图 x“一”“口一i 罐+ 1 h 撕”o 女# k h一婀? 矿一 一i 莨 j ? | 7 图2 3 通州钢材( 西3 2 r a m ) 焊接前后拉力位移曲线图 结果表明：新余的钢材在焊接前，抗拉强度最大，但焊接后抗拉强度的衰减也 是最厉害的，可见焊接对其材料的力学性能影响是比较大的。对于通州的钢材，焊 接前抗拉强度虽然比较小，但焊接后抗拉强度的衰减较小，性能比较稳定。由于在 选材时，一般时要求性能稳定的材料，因此就比较而言，应尽量避免选用新余的材 料。 考虑到支撑环的使用场合，要求支撑环焊口具有很好的抗拉伸性能以承受较大 的涨力作用，同时要求支撑环具有较高的硬度以防止支撑环被压溃。根据上面分析 的各种因素对焊接性的影响，在选择材料时，在保证支撑环的强度和硬度的前提下， 尽可能选择焊接性好，产生冷热裂纹可能性小的材料。因此在选择材料时，保证碳、 锰、硅等几种元素综合作用而使支撑环具有合适硬度的前提下，尽量选择含碳、锰、 硅含量低的材料以降低淬硬性、提高焊接性；同时应使杂质磷、硫的含量尽可能的 小，以减少高碳钢焊后具有足够的力学性能，减少冷热裂纹。 南京群工大学倾士学位论文汽车离台器支撑环的制造技术及检测装置研制 2 2 电阻焊 2 。2 1 概述 电阻焊”3 是工件组合后通过电极施加压力，利用电流流过接头的接触面积及邻 近区域产生的电阻热进行焊接的方法。根据离合器环的焊接特点，选择电阻对焊作 为焊接方式。如图2 4 所示，焊接时将工件l 、3 置于夹具( 电极) 2 中夹紧，并使 两工件端面压紧，然后通电加热；当工件端面及附近金属被加热到一定温度时，断 电并突然增大压力进行顶锻、两工件便在固态下对接起来。 图2 4 电阻对焊原理图 电阻焊的优点 1 ) 两金属是在压力下从内部加热完成焊接的，无论是焊点的形成过程或结合面 的形成过程，其冶金问题都很简单。因此，焊接时无需焊剂或气体保护，也不需使 用焊丝、焊条等填充金属，便可获得质量较好的焊接接头，其焊接成本低。 2 ) 由于热量集中，加热时间短，故热影响区小，变形和应力也小。通常焊后不 必考虑矫正和热处理工序。 3 ) 操作简单，易于实现机械化和自动化生产，无噪声及烟尘，劳动条件好。 4 ) 生产率高，在大批量生产中可以与其他制造工序一起编到组装生产线上。 但是目前尚缺乏可靠的无损检测方法，焊接质量只能靠工艺试样和破坏性来检 查，以及靠各种监控技术来保证。所以本课题将力求通过减少对产品的破坏，准确 定量的检测出产品的合格率。 2 2 2 焊接的热量及影响因素 电阻焊接时，电流通过焊件产生的热量由下式确定 q = ，r 丁 式中q 产生的热量( j ) 鬲尿璀一 大学坝士学位论文 汽车离台器点撑环的制造技术及检测装置研制 焊接电流( a ) r 两电极之间的电阻( n ) 7 _ 通电时间( s ) 公式说明决定电阻焊接热量的是焊接电流、两极之间的电阻和通电时间三大因 素。热量的一部分用来形成焊缝，另一部分散失于周围金属中。形成一定焊缝所需 的电流大体与通电时间的平方根成反比。因此，如果通电时间很短，则焊接所需的 电流非常大”“。 2 2 3 焊接循环 电阻对焊焊接循环由预压、加热、顶锻、保持、休止等程序组成，其中预压、 加热、顶锻三个阶段组成电阻对焊的接头的形成过程。而保持、休止等程序则是对 焊操作中所必须的。预压阶段是在电极压力作用下清除一部分接触表面不平，形成 物理触点，为以后焊接电流的顺利通过及表面原子的键而作好准备；加热阶段是电 阻焊接的主要阶段，在热一机械力的联合作用下，使焊件温度升高，增大物理接触 面积，并在对口及其临近区域产生塑性变形；顶锻阶段主要是在顶锻力的作用，在 焊口附近获得足够的塑性变形，从而进一步改善焊接接头的质量。 为了获得优质的焊接接头，一般来说，首先要使焊件沿长度方向获得合适的温 度分布，沿对口端面要加热均匀、温度适当，通常端丽的焊接温度要达到0 8 t m 0 9 t 。( t 。为熔点) 。其次对口及其i | 缶近区域必须产生足够的塑性变形。再次焊缝中不 应有氧化杂质，氧化杂质是固相连接的危险缺陷，它主要来源于焊接加热过程产生 的氧化物。在焊接过程中，通过合适的措施控制加热温度合适，避免在焊口产生过 多氧化物，可以很大程度的提高焊接质量。 2 2 4 电阻对焊工艺参数的选择 电阻对焊的主要规范参数有：调伸长度、对焊电流密度、焊接时间、焊接压力 和顶锻压力。 1 ) 调整长度， 焊件从静夹具或活动夹具伸出的长度，又称为调整长度。调整长度的作用是为 保证必要的留量( 焊件缩短量) 和调节加热时的温度场。，过大会使温度场平缓。因 为焊件本身的电阻增大、析热增加，而散热却因远离夹钳电极而减少，结果使加热 区变宽，使塑性变形不易在对口集中，因而导致排除氧化夹杂困难，同时，耗能增 大而易产生错为、旁弯等缺陷；，过小使向夹钳电极散热增加，温度场变陡，需增大 焊接压力和顶锻压力。实践表明，调伸长度不应小于焊件直径的一半- y 即i = 0 6 d 1 o d 南京理工大学硕十学位论文 汽车离合器支撑环的制造技术及检测装置研制 ( d 为电阻对焊圆材的直径) 为宜。 2 ) 焊接压力f 。和顶锻压力f 。 顶锻压力f 。为顶锻阶段施加给焊件端面上的力。f 。对电阻对焊时接触面上的析 热及对口和临近区域的塑性变形均有影响，常以单位面积上的压力p 来表示。在等 压式电阻对焊时，碳钢的焊接p w = p 。= 2 0 m p a 4 0 m p a ；在变压式电阻对焊时，焊接 碳钢p 。= l o m p a 1 5 m p a ，单位面积的顶锻压力则要超过十几倍至几十倍。 3 ) 焊接电流密度和焊接时间 在电阻对焊中，焊接电流常以电流密度来表示，电流密度和焊接时间是决定焊 件加热的两个主要参数，可适当的调配来达到相同热效应，当i 。增大时，t w 应当减 小。但当i 。增大时，则会由于加热不均匀或加热区很窄、塑变困难而产生未焊透的 可能性增大；相反，如果i 。减小时，t 。应增大，当“的增大会加重焊件端面的氧化、 加宽过热区而影响焊接质量。因此在电阻焊过程中选择合适的i w 、t w 。一般来说焊 接电流密度和焊接加热时间符合数值方程( 2 1 ) ： ，- 撕= 1 0 3 ( 2 i ) 式中，为电流密度，单位是a c m 2 ，t 是焊接时间，单位是s ，k u ，是系数，一般 来是，对与直径小于1 0 m m 的钢k j = 1 0 。 对于现有支撑环的生产来说，由于采用等压式对焊，对焊接压力、顶锻压力和 调伸长度的选择，可根据电阻焊的推荐值选取。而对焊接电流焊接时间的选择则有 较大的灵活性。后面讨论焊接电流密度和焊接时间的选择优化方法”1 。 2 2 5 电阻对焊工艺参数的优化 焊接是一个不均匀加热和冷却的过程，这种过程必然会使焊件造成组织不均匀 和性能的不均匀。根据对焊接接头性能的影响，主要考虑焊接热循环的下列四个参 数： 1 ) 加热速度( 。) 焊接的加热速度比热处理条件下要快的多，因此就带来了不同于一般的相变规 律。随着加热速度的提高，则相变温度也随之提高，同时奥氏体的均质化和碳化物 的溶解过程也随加热速度的提高而不充分，因此必然影响到在冷却过程中热影响区 的组织转变及性能。 2 ) 加热最高温度( 乙) 在焊接过程中，距离焊缝远近不同的各点，加热的最高温度也不同。我们知道， 金属组织的变化除了化学成分影响外，主要是加热温度和冷却速度有关。电阻对焊 过程中，焊缝温度低，塑性变形就差，在顶锻时必然造成焊接质量不够高：温度高 丽尿王坐工人学坝士学位论文 汽车离合器支撑环的制造技术及检测装置研制 时，晶粒粗化，同样也会影响焊接质量。 3 ) 在相变以上的停留时间( t 。) 在相变以上停留时间越长，就会有利于奥氏体的均质化，增加奥氏体的稳定性。 然而在相变以上停留时间过长，也必然造成晶粒的粗化而降低焊缝的力学性能。因 此，对一焊接过程来说应当有一合适的相变以上的停留时间。 4 ) 冷却速度( ，) 冷却速度是决定热影响区组织性能的重要参数之一。它对焊后组织和焊缝力学 性能影响在上面已经讨论过，这里不在赘述。 在上面四个影响焊接性能的因素中，由于冷却速度在空气中自然冷却，与焊接 电流密度和焊接时间的关系相对来是比较小；在电阻对焊过程中，随加热速度和冷 却速度的不同，组织相变温度也有差别，使的相变以上停留时间的求法有很大的不 确定性。因此在焊接工艺参数优化时，尽量选用前面两个因素与式( 2 1 ) 配合来选 择合适的工艺参数。这里选用加热的最高温度来对工艺参数进行工艺参数优化。 根据焊件传热学的理论，电阻对焊过程中焊缝的升温为： 丁2 可丽k 两、 2 c p 百丽e x p f l o j o f + 古( e x p 脚_ 1 ) ( 2 2 ) 式中岛、( c p ) 。丁= o o c 时的电阻率和容积比热容 比值p r l o p 升高的温度系数 。初始的加热速度，= p n ( 印) 。，2 ，电流密度 t 触点的析热强度系数 五、口焊件的热导率和平均导温系数 焊接过程中焊缝的