（机械电子工程专业论文）离合器支撑环的制造技术及检测装置研制.pdf

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，本课题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；详细地分析了坏境温度对焊接质量的影响，并 根据焊接传热理论，得出工艺参数优化的原理和方法；根据支撑环在膜片弹簧 离合器工作时的受力状态，建立了合理的受力模型，分析了支撑环在膜片弹簧 离合器工作过程中的应力状态和变形情况；在此基础上，为实现对支撑环焊口 质量的定量检测，设计了一套用于支撑环焊口强度及力学性能测试的检测装置， 完成了其相应零部件和测控电路的设计。 r 关键词：支撑环材料选择参数优化应力分析检测装置 嗨片机 1 9 9 8 1 9 9 5 址。 1 9 9 9 i 学出版社。 南京理丁人学坝f 论史离合器史撑耶的制造技术及榆测裂簧研制 a b s t a c t i ti sv e r yi m p o r t a n tt og u a r a n t e es u p p o 九r i n g sw e l d i n gq u a l i t yf o rg u a r a m t c eo f d i a p h r a g ms p r i n gc l u t c h ss e r v i c el i f e i n o r d e rt oi m p r o v et h ew e l d i n gq u a l i t yo f s 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 di 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 n t o w e l d i n gc 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 t 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 r s u p p o r tr i n g i s b r o u g h t f o r w a r d t h ed i s s e r t a t i o na l s o d i s c u s s e dt h ei n f l u e n c eo fe n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r et ow e l d i n g c a p a b i l i t y b a s e do n t h e t h e o r yo fw e l d i n gh 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 dm e a n so f t e c h n o l o g yp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n t h em a t h e m a t i c sm o d e l i se s t a b l i s h e df r o mt h e f e t t l eo ff o r c ew h i c ha c t e do nt h e s u p p o r tr i n g w h e nd i a p h r a g ms p r i n gc l u t c h w o r k e d f o l l o w i n g ，t h ed i s s e r t a t i o na n a l y z e dt h es t r e s sf e t t l ea n dd i s t o r t i o no ft h e s u p p o r tr i n gd u r i n gd i a p h r a g ms p r i n gc l u t c hw o r k i n g b a s e do nt h e s et h e o r i e s ，a n a u t o m a t i cc h e c k o u te q u i p m e n ti sd e s i g n e dw h i c hi su s e dt oe x a m i n es u p p o r tr i n g s e n d u r a n c er a n g ea n dt h em e c h a n i c a l c a p a b i l i t y t h e f i x q u a l i t ye x a m i n a t i o n o f s u p p o r tr i n g se n d u r a n c er a n g ei sr e a l i z e db yc o m p l e t i n gd e s i g no ft h ee q u i p m e n t s a c c e s s o r ya n d c o n t r 0 1c i r c u i t 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 t e c h n o l o g yp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n ，s t r e s sa n a l y s i s a u t o m a t i cc h e c k o u t e q u i p m e n t ，s i n g l e - c h i pm i c r o p r o c e s s o r 堕皇些! 叁兰堡! ：堡兰 塑垒型生堡! 堕! ! 丝丝查丝丝型鲨墨型型一 1 1 课题背景及意义 1 绪论 汽车是依靠发动机的动力，经过传动系传到驱动轮上，产生牵引力克服行驶 阻力而行驶的。传动系的基本功用就是将发动机的扭矩传递给驱动车轮，同时 还必须适应行驶条件的需要，改变扭矩的大小。因此要保证汽车的f 常行驶， 必须保证传动系能f 常稳定的工作。在传动系统中，离合器是与发动机直接联 系的重要部件，其功用有：( 1 ) 传递( 离合器结合) 和切断( 离合器分离) 发 动机传给传动系的动力，以保证车辆的平稳起步以及变速器的顺利摘挡和挂挡。 ( 2 ) 当传给离合器的转矩超过所能传递的最大摩擦转矩时，由于离合器主、从 动部分之间产生滑磨，就可保护传动系各零件以防止其过载而损坏。( 3 ) 通过 离合器的使用，可降低传动系中的振动和噪声。( 4 ) 在双作用离合器中具有传 递和切断发动机传给动力输出轴的动力的功用。这就对离合器提出了比较高的 要求：在任何情况下，离合器都能保持稳定的转矩容量，以可靠地传递发动机 最大转矩或标定转矩，并具有适当的转矩储备；结合时要平顺、柔和，使汽车 拖拉机能起步平稳没有冲击和抖动；工作应稳定可靠，使用寿命长。其中，其 工作稳定可靠，使用寿命长是非常重要的，因为这可减少在汽车行驶过程中因 离合器失效使汽车无法换挡而造成的交通事故。 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，其装配零件支撑坏的断裂是一种重要因素。 对支撑环来说，在膜片弹簧离合器工作过程中，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。在设计中，由于目前国内还是从国外资 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旎加一涨力，通过观察其有没有丌裂而做为检验标准， 造成有的施力超过其实际受力，而有的又没有达到其实际的受力，从而产生了 有些不合格的通过了检测，而有些合格的又没有通过检测。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说是非常重要的。所以本课题从上述因素 堕皇型! 叁兰塑! ：堡苎堂垒鲨生堡兰：塑! ! 堕垫查丝丝型鲨堡型型 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 国内外的应用现状和发展趋势 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 轿车上丌始使用推式膜片弹簧离合器后，2 0 世纪6 0 年代术国外轿车，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剑单支撑环，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。 嚏魄恫 | ! | l l 叔支撑环型式的推式膜片弹簧离合器的结构删式 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，是早已采用的传统型式。目前，这种膜片弹簧离 合器在f & s ，b w a 与大会等公司广泛采用，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。d 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 塑皇些! 叁兰堡! ：堡兰塑垒堂皇堡堡塑型垄垫查壁堡型鲨里型型 用广泛。例如a p 公司和大会公司采用。国内用于t j 7 1 0 0 夏利牌轿车。 魄擅猕薷 翮懈 - ) b ) 幽l 一3 单支撑环刑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 塑塞些! 查竺塑! ：丝兰 堕垒堂生堡堑盟! ! 丝垫查丝丝型茎矍型型 一 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。 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 i g b 3 2 0 6 。在国内，其差别也很大，跃进汽车集团特种零件厂等一些 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 3 本文研究的内容 本论文完成的主要内容有： l 、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会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 、支撑环受力分析和应力分析 通过分析支撑环在膜片弹簧离合器工作时的受力情况，建立合理的受力模型 并找出边界条件。在此基础上，应用材料力学、弹塑性力学的有关理论分析支 撑环受力时的应力状态和变形情况。之后通过与设计图样中所要求检测力的应 南京理t 人学坝i 论史高合器支撑蚪的制造技术发榆测裟置酬制 力状念进行比较，分析计算确定合理的检测力。 3 、质量检测装置机械部分的设计 根据上面计算分析得出的检测力的大小，设计合理的检测装置。这晕主要是 设计一套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。最后根据检测过程的动 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。 4 、质量检测装置控制部分的设计 根据设计好的气压系统，在其检测装置上装两个传感器。单片机根据输入的 开始信号束控制气压系统运转，根据传感器传来的经过转换的压力信号，来判 断检测件是否合格，并发出控制信号，转换后控制指示灯。在此，设计出单片 机的输入转换电路以及外围扩展电路，通过单片机的程序控制，实现信号输入 一 控制气体压缸一 传感器信号输入 控制指示灯一 气压缸归位而实现整 个检测过程。 南京理t 人学坝i j 论义 离合器史撑环的制造技术戍榆测技置研制 2 支撑环材料选择及焊接工艺参数的优化 2 1 金属材料的焊接性及其影响因素 所谓的焊接性是指会属材料对焊接加工的适应性。主要是指在一定的焊接工 艺条件下获得优质焊接接头的难易程度，它包括两方面内容：其一是结合性能， 即在一定的焊接工艺条件下，一定金属对形成焊接缺陷的敏感性；其二是使用 性能，即在一定的焊接工艺条件下，一定金属的焊接接头对使用要求的适应性。 因此人们也将焊接性的内容分为工艺焊接性和使用焊接性。工艺焊接性是在 一定的工艺条件下能否获得优质致密接头，无超标缺陷的焊接接头的能力，即 结合性能。金属材料的工艺焊接性与过程有关，它主要表现在焊接过程中对接 头性能的改变，尤其是形成缺陷的敏感性，在通常情况下可作为会属材料焊接 性的标志。 使用焊接性则是指焊接接头结构满足条件所规定的各种使用性能的程度，包 括常规的力学性能以及接头或结构服役时所需的低温性能、抗脆断性能、高温 抗蠕变、抗疲劳、抗腐蚀、耐磨等，亦即在一定工艺条件下获得焊接接头对使 用要求的适应性。 显然，余属的焊接性既与材料本身的固有性能有关，同时也取决于诸多的焊 接工艺条件。因此，在不同的焊接条件下，同一种焊接材料有不同焊接性，甚 至相差悬殊。 影响焊接性的因素很多，其中主要是材料和工艺因素。 ( 一) 材料因素 材料方面有关因素有钢种的化学成分、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，合会元素中的锰、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会元素的增加而 恶化。 ( 二) 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、 组织变化和产生缺陷的敏感性等有明显的影响。 实际上，焊接性的好坏不只取决于材料因素和工艺因素，还取决于焊接接头 焊后的冷却速度，它与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 南京删丁人学坝f + 论义 离合器立撑孙的制造拉术度榆测漱置 ) 制 比，可以通过c c t 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- 5 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。 分析和研究焊接性的目的在于查明给定的钢种或材料在指定的工艺条件下 可能产生的问题及原因，以确定焊接工艺的合理性或材料材质的改进方向。钢 的焊接性研究，过去通常采用焊接性试验来进行，常用的焊接方法有：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、会相试验等。后面我 们也主要运用这些试验手段来研究不同材料的焊接性和环境温度对焊接性的影 响。 2 1 1 金属的材料焊接性分析 这罩主要从影响焊接性能的材料因素出发通过对不同钢种的化学成分测 定、硬度试验、焊口强度拉伸试验以及会相分析多方位地分析不同种金属的焊 接性，为支撑环的材料选择提供理论依据。 2 。1 1 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 】。此外， 含锰量不超过1 2 ，硅的含量不超过0 j ，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。 碳是钢中的最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 o ：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，能够起到改善焊缝会属的机械性能， 根据文献”1 知锰的含量在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，脆性转变温度最低，小于陔值时，随着含锰量的增 南京删丁人学坝i j 论史 高合器史撑环的制造技术及榆测数簧札阡制 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，但山于硅还原时生成s i o t 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a 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0 0 1 5 o 0 2 。因此在焊接过程中很容易 析出，并与a f e 或f e o 等形成熔点仅为9 8 5 0 c 或9 4 0 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会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，磷在液念铁中的 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 、p ，它的共晶熔点只有1 0 5 0 0 c 。这些低熔点的共晶在快速结晶的情况 下在晶界上偏析。削弱了晶粒问的结合力，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，碳当量公式采用下式： c 。一警+ 芸c ，。 2 0 0 0 年l o 月委托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 一1 ) 。根据测试 结果知，碳当量都大于o 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。 南京矬t 人学坝l 。论义离含器史撑环的制造技术鼓榆测皴置研制 表2 一l 新余钢材雨随州钢材成分测定 实测值 化学元素额定值 新余钢材通州钢材 c0 6 7 07 50 8 20 6 2 s jo 1 7 0 3 7 m no 5 0 0 8 00 6 20 6 1 s0 0 3 50 0 2 50 0 1 2 p0 0 3 5o 0 1 90 0 1 2 2 1 。1 2 不同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。 在铁碳合会中，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，合会的硬度 和强度得到了提高，合金中珠光体的组成物越多，则其强度、硬度越高。但当 渗碳体以网状分咖在珠光体的边界上使，将使合金的塑性和韧性大为降低。 幽2 - 14 的硝酸酒精侵蚀的通州材料5 0 0 倍金相照片 2 0 0 0 年1 0 月委托中国弹簧厂检测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，其焊接处的会相图如图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 南京理丁人学坝i 论义 离台器土撑环的制造技术及检测裟置研制 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会金相转变过程进行会相的转化。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，i 司 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 1 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。焊接会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，这旱主要通过对不同种 会属焊接得到的支撑环进行硬度和强度拉伸实验分析会属化学成分对力学性能 的影响。 ( 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 1 4 j 。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会元素的 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。j 、l 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1 训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 合会元素( 包括碳) 按其对淬硬的影响程度折合成碳的相当含量。至于冷却时 间对焊接硬化的影响将在后面进行讨论。 商京删丁人学坝f 论史 r 岛合 ； 立撑蚪的制造技术皮榆删裂胃驯制 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 fpbmf pbm硬度 ( h v ) 1 07 8 302 0 2 2 42 3 2 - - - 2 42 4 0 2 8 2 1 2 107 0 2 9 6 92 4 5 3 82 9 8 o01 98 l2 1 6 2 52 7 3 3 3 3 8 4 o 0 01 0 0864 4 6 - - - 4 73 9 3 2 9 3 3 20 4 5 4 5 0 8 2 0 0 0 年1 0 月在南京理工大学物理实验中，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 产的样品进行了表面硬度的测量( 这罩采用洛氏硬度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 i2 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，这罩 应优先考虑焊接热影响区硬化程度小通州材料。 ( 2 ) 支撑环焊口拉伸强度试验及分析 焊缝会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，焊缝会属所具有的强度、韧性、延性等均不同。一般 情况下，焊缝会属的强度按铁素体、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、形念、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会属的延性和韧性。晶粒度越大，焊缝会属的延性和韧性 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 、v 、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 、 南京理丁人学坝l + 论艾离合器土撑环的制造技术及榆测装置f 【j | = 制 m n 、s i 等几种金属元素对焊接金属的力学性能超确定作用。 元素中的杂质元素硫、磷很容易在焊缝中形成兴杂( 磷化物、硫化物、氧化 物) 。这些兴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央杂在很容易在焊缝 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。 2 0 0 0 年l o 月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( 矽3 2 r a m ) 焊接前后强度拉伸试验的数据 焊，睦前焊接后 l 试验编号截面尺寸 f o ；( k n ) 仃 ( m p a ) ( k n )o ( m p a ) 19 3 5 71 3 2 3 7 47 8 2 39 7 2 7 6 0 2 西3 2 m m 9 2 3 21 3 0 6 1 17 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( ( b 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 f o ，( 崩v ) 仃 ( m p a ) c ，( k n )c y ( m p a ) 11 1 6 8 11 6 5 2 5 27 7 2 l1 0 9 2 2 7 2 西3 ，”卅 1 1 5 3 2 1 6 3 1 2 47 4 9 41 0 6 0 1 2 31 1 6 3 21 6 4 4 4 4 7 5 6 71 0 7 4 3 2 - 弋 1 t 8262 0 图2 2 新余钢材( q k 3 m m ) 焊接前后拉力一位移曲线陶 南京理丁人学倾f + 论文离合器支撑环的制造技术驶榆测裟置研制 厂7一7 、 i j ，7 i r ? if l ji ， 卜 ， f j 卜 ， 图2 3 通州钢材( 庐3 2 r a m ) 焊接前后拉力一侮移曲线幽 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，在保证支撑坏的强度和硬 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。 2 2 支撑环的焊接工艺参数优化 2 2 1 环境温度与焊接性 考虑到环境温度对焊接性存在着很大的影响，这罩分别对同一种钢材在相同 工艺参数而在不同环境温度下生产的支撑环进行硬度试验、焊口强度拉伸试验 以及会相分析，而得出环境温度对支撑环焊接性的影响，进而分析出生产支撑 环的环境温度对支撑环焊接质量的影响，为今后进行工艺参数优化提供理论依 据。 南京_ ! i ! 丁人学坝f 。论史 离台器史撑耶的制造拉术及榆潮4 驶宵j l f 制 2 1 2 1 环境温度对焊缝金相组织的影晌 焊接是个不均匀的加热，距离焊缝远近的不同的各点，具有不同焊接热循环， 因此必然具有不同的冷却时蚓，造成距离焊缝远近不同点的组织也有一些差别。 这罩主要讨论在不同的冷却时f b j ( 主要是t 8 ，5 ) 对热影响区的组织、性能、硬度 等的影响。 一般来说，在s h c c t 图可以比较方便地预知焊接热影响区的组织和性能。这 罩由于不知道所使用材料的c c t 图，所讨论的只能是从一般的s h c c t 图上推出 的理论。从一般的s h c c t 图易知冷却速度快，很容易得到淬硬的马氏体。冷却 速度很缓慢得到将是铁索体和珠光体组织。冷却速度大于得到铁素体和珠光体 组织的临界速度而小于得到淬硬的马氏体最小速度时，将得到中间组织。只要 冷却速度大于得到马氏体的最小速度，就会在热影响区出现淬硬的马氏体。对 于焊接来说，由于加热时间段，奥氏体化进行不是很充分，碳没有进行充分的 扩散，其组织与按s h c c t 得到的组织不尽相同。 在支撑环的生产后的冷却过程中，由于是空气中的自然冷却。根据热辐射和 热传递的原理知，环境温度是影响冷却速度的主要因素。当环境温度很低时， 造成焊接热影响区与外界的温度梯度比较大，必然使冷却速度增加，t 8 。减小， 使组织中产生淬硬的组织或者是组织中的淬硬组织增多。相反环境温度的升高 使传热和散热不象低温时那么容易而使冷却速度变慢，t 8 ，5 增加，使组织中的淬 硬组织减少或是根本不产生淬硬组织。 2 0 0 1 年9 月对目前标准件厂正在使用的材料使用同一焊接工艺参数，而在 不同的环境温度( 2 0 0 c 左右和一1 0 0 c 左右) 下进行冷却得出的样品进行的金相 分析。结果表明母材余相组织是珠光体和少量铁素体而且焊接后焊缝结合良好； 熔合线附近无明显的气孔、夹杂；焊缝热影响过度区的组织都是珠光体、索氏 体和铁素体，两侧热影响区组织过度正常。在2 0 0 c 左右冷却的支撑环焊缝熔合 线的会相组织是珠光体、铁素体和魏氏组织其照片见图2 4 ：而在一1 0 0 c 左右 冷却的支撑环焊缝熔合线的会相组织魏氏组织和一些淬火组织( 贝氏体、粒化 的马氏体) ，见图2 5 。 南京删t 人学侦i j 论义 离合 支撑环的制造技术及榆测袈置研制 图2 - 4 熔合线的金相组织5 0 0 图2 - 5 熔合线的金相组织5 0 0 魏氏组织的特征是铁素体在奥氏体晶界呈网状析出，或从奥氏体内部沿一定 的方向析出，形成长短不同的针状或片条状，有时甚至直接插入珠光体晶粒中， 它与塑性低的混合组织( 铁素体、贝氏体、马氏体) 容易使热影响区脆化，冲 击韧性降低。由上面的实验结果易知2 0 0 c 左右冷却的支撑环焊的韧性要好于一 1 0 0 c 左右冷却的支撑环焊。 2 1 2 - 2 环境温度对焊缝力学性能的影响 对于相同化学成分的焊接会属，由于相变后的组织形态、种类、数量、分布、 杂质含量的不同，在性能上存在明显的差异。根据前面的讨论知道一般情况下， 焊缝余属的强度按铁素体，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：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。而对于相同成分的金属以 相同的焊接参数进行焊接，焊后以不同的冷却速度冷却时必然产生焊缝附近金 相组织的差异，导致焊缝附近的硬度不同；同时由于冷却速度不同，造成焊接 金属在相变温度以上停留时问不同，产生了晶粒度大小的不同，使焊后焊缝附 近的延性和韧性也有差别。 根据焊接的s h c c t 图易知，当冷却速度从小增大，得到的会相组织将是有利 于转化为铁素体、珠光体、贝氏体、马氏体方向发展。因此随着冷却速度的增 加，焊缝附近的硬度有增加的趋势；韧性有变小的趋势。同时根据上面所讨论 知道，在不同的环境温度下冷却，低温将造成大的冷却速度，因此在低温生产 得到的支撑环焊缝附近的硬度必然要高于室温较高时生产的支撑环，同时其韧 性要低于室温较高时生产的支撑环。 2 0 0 1 年9 月对目前标准件厂正在使用的材料使用同一焊接工艺参数，而在不 同的环境温度( 2 0 0 c 左右和一1 0 0 c 左右) 下进行冷却得出的样品进行的硬度和 强度拉伸实验。其实验结果见表2 6 和表2 7 以及图2 6 南京理工大学硕士论文离合器支撑环的制造技术及检测装置研制 表2 6 现用钢材焊后不同环境温度冷却的硬度测定 焊接热影响区( 关于焊点对 环境温度样品号未焊接处 称) 19 29 52 6 一1 0 0 c 28 46 22 6 9 l7 46 52 2 2 0 0 c 2 5 96 72 6 4 表2 7 现用钢材焊后不同环境温度冷却的拉伸强度测定 2 0 0 c一1 0 0 c 试验编号截面尺寸 巴( k n )盯 ( m p a )l ( k n )盯6 ( m p a ) 1 8 6 8 01 0 7 9 2 76 8 0 18 4 5 6 1 2 商3 2 r a m 8 5 7 01 0 6 5 5 67 0 3 28 7 4 3 8 38 7 0 6 1 0 8 2 5 57 8 3 09 7 3 6 0 图2 _ 6 低温冷却时的拉伸实验图 图2 7 常温冷却时的拉伸实验图 结果表明：常温生产的支撑环热影响区的硬度明显小于低温生产的支撑环热 影响区的硬度，同时它的抗拉强度也要高于低温生产的支撑环，因此在生产过 程中应尽量把环境温度控制在合适的范围内，使得在此环境下生产的支撑环具 有合适的抗拉强度和硬度。 南京理丁人学坝i 论义离合器支撑m 、的制造技术及检测裟胃州制 2 2 2 支撑环工艺参数优化的原理和方法 2 2 2 1 电阻对焊过程分析 在同种金属或结晶化学与热物理性质的异种金属电阻对焊时，根据对口及其 临近区域温度分稚和塑性变形特点使其产生再结晶。由于对口加热温度通常高 达o 8 - - 0 9 t 。( 丁。为熔点) ，再结晶不仅速度快而且已进入聚合再结晶( 对于钢为 9 5 0 1 0 0 0 0 c ) ，即新产生的苒结晶晶粒互相吞并长大使晶界转移完善，形成由两 焊件金属所组成的共同晶粒，接触界面消失，实现牢固焊接。 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合作好准备； 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l 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，通常端面的焊接温度要达到 o 8 0 9 t 。其次对口及其l 临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 2 2 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， 焊件从静央具或活动央具伸出的长度，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，因而导致排除氧化央杂困难， 同时，耗能增大而易产生错为、旁弯等缺陷：，过小使向央钳电极散热增加，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，即1 = 0 6 1 o d ( d 为电阻对焊圆材的直径) 为宜