（机械工程专业论文）热水器内胆纵缝的焊接工艺改造.pdf

中文提要 我公司现生产的热水器内胆纵焊缝为电阻焊，在搭接结构和使用寿命等方 面存在缺陷，造成部分内胆漏水，本文主要是对纵焊缝进行焊接工艺设计，对 焊接装备进行改造，设计悬臂型自动焊接专机，方便工件装卸，降低劳动强度， 提高生产质量。并对焊接电源改进，在性能上具有起弧后预热和熄弧时电流衰 减的功能，解决内胆端部焊接缺陷问题，满足热水器内胆焊接工艺要求。并对 设计的焊接工艺方案进行了实验研究，分析研究了钨极氩弧焊焊接低碳钢时焊 缝产生气孔的主要原因，内胆在选用钢材类型上的要求及焊接速度、焊接电流、 装配间隙与焊缝成形的关系。 焊接设备经工艺改进后，内胆的质量有了很大的提高，内胆符合了我公司 的寿命设计要求，并解决了漏水的难题，给公司创造了很好的经济效益。 关键词：焊接钨极氩弧焊工艺参数搪瓷 a b s t r a c t a b s t r a c t n o w r e s i s t a n c e w e l d i n gl si nc o m m o n u s e do nt h ev e r t i c a ll i n eo f t h ei n n e rt a n ko fw a t e rh e a t e ri no u r c o m p a n y b u tt h ew e l d e d c o n s t r u c t i o nh a sm a n yd e f e c t s t h en a t u r el i f eo fu s i n gi ss h o r t e rt h a l l d e s i g n i n gl i f e ，w h i c hm a k ew a t e rh e a t e rl e a k i nt h i sa r t i c l e ，t h em a i n c o n t e n t i s ：d e s i g nw e l d i n gp r o c e s s t ot h ev e r t i c a l l i n e ，i m p r o v e o n w e l d i n gm a c h i n e d e s i g nn e w a u t o c o n t r o lc a n t i l e v e rw e l d i n gm a c h i n e i tm a k e o p e r a t o r sl o a d a n du n l o a dw o r k p i e c e s e a s y , r e d u c ew o r k e r sl a b o r i n t e n s i o na n da d v a n c e p r o d u c tq u a l i t y i m p r o v i n g t h ew e l d p o w e r s u p p l y ，a d d i n gp r e h e a ta f t e rr o c k e ta r ca n d c u r r e n ta t t e n u a t i o nf u n c t i o n s t h ed e s i g n i n gm a k et h ei n n e rt a n ko fw a t e rh e a t e rf i tw e l dt e c h n o l o g y r e s e a r c ha n dt e s tt h ed e s i g n i n gw e l dp a r a m e t e r ，a n a l y z ew h yt h ea i r h o l eo c c u ro nw e l d i n gc a r b o n i z a t i o ns h e e t ，a n a l y z et h er e l a t i o nb e t w e e n w e l d i n gp a r a m e t e r a n dd i m e n s i o no f w e l ds e a m w 1 m i m p r o v i n gp r o c e s s t h eq u a l i t yo f o u rc o m p a n y p r o d u c t sh a v e m u c hi n c r e a s e w h i c hc r e a t eg r e a te c o n o m i cb e n e f i t ，t h ei n n e rt a n ko f w a t e rh e a t e ri sf i tf o ro u rd e s i g nd e m a n da n dr e v o l v et h em a k i n gw a t e r q u e s t i o n k e y w o r d s ：w e l d i n g ，a r g o nt u n g s t e na r cw e l d i n g ，t e c h n i c sp a r a m e t e r , e n a m e l i n g 独创性声明 本人声明所曼交的学位论文是本人在导蜘指导下进行的研究工作和取得的 研究成粜，除了文中特别加以橱注和致谢之处夕卜，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨连蠢堂或其他教行机构的! 学位或赶 书丽使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者魏彳必一签锢期p 工年周警日 学位论文版权使用授权书 水学蚀沦叟传兹宠令了缎蠡姿态堂钉笑仪别、他 j 何论文的艘定。 轴授权一鑫娑盘堂，j 以糍+ 乒似沦则：脸弧戈黜分i j , j 。舞编 f j 天数洲谜o 嗽，j 碾川! 钔j 、增m j j e 批笆砭删下段侏 i 、 i 编l l u i 闽和f 川刈。川意学 校向闺家有关部门或机构送交论文的复印件和磁撒。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 馓沦姗艄私：狂坶 够私 豁字闩期：x 州- 年月蝣f i i = f 签字f 期 第一章前言 第一章前言 1 1 热水器走驵焊接王艺存在的嘲题 现在我公司生产的热水器内胆要求钢板材质为优质低碳钢，牌号为s p c d ， 根据巍径大小所用铜板厚度为1 - 3 r a m ，内胆板材的长度为2 0 0 6 0 0 m m ，筒身直径 为3 3 0 - 3 9 0 m m ，焊缝应一次焊接完成，爆缝戒彤平滑，均匀，无缺陷，满足l 。4 m p a 的压力不破裂，晶相无粗大组织形成，机械性能不低于母材的性能。 我公司生产斡煞承嚣内疆匏缀缝辫接采越电阻缝焊，扶凡年戆生产经验寒 看主要存在以下问题：( 1 ) 焊接接头方式对内胆钢板受力不好，使用一段时间 后，肖开簿的可能。电醚缝浑采角了搭接接头，当肉疆中有内压力露，接头将 承受剪切力，内胆筒身搭接结构见图1 1 ， 鬣1 - t 警蠹鼹中产生1 4 m p a 豹压力，焊缝熔核爨度为3 凇时，焊接接头所受剪切 力大小可用以下公式计算： f t = 公式j 卜1 ) 2 b * l 其中：t 为钢板所受的剪切力( n c m 2 ) f 为钢板所受的拉力( n ) b 为缝弹时熔核的宽度( c m ) l 为缝浮长蹙 、公式( 1 - 2 ) 翔： p * d = 公式( 1 - 3 ) 2 b 由公式( 1 - 3 ) 翔 1 4 0 * 3 9 = = 9 1 0 0 ( n c m 2 ) 2 * 0 3 因钢板的抗剪切应力只为抗拉应力的0 3 - 0 5 倍，内膳钢板的抗披强度4 一 般为2 7 5 0 0 4 0 0 0 0 ( n c m 2 ) ，所以，在犍建熔况下，禁焊接部位存在缺隧等就会 造成内胆承压不足而爆裂成漏水现象。 采耀搭接弹薅，在内瓣蠹表露会出现一条未熔台黪缝藩，在缝骧处会爨理缝 隙腐蚀现象，主要因连接处的缝隙被腐蚀产物覆盖以及介质扩散受到限制等原 因，该处的介质成分和浓度与骜体有锾大差剐，形成了“闭塞电滟腐蚀”作弼。 在缝隙处就会加快腐蚀速度，形成许多不规则的腐蚀孔洞，造成内胆漏水及渗 水现象。 焊枧兹搀动瓿搦是上下电极，工秽熬移动靠电极与工锌兹瘁擦力，由于毫 极的磨损而减小对焊接线速度会有所改变，有时因摩擦力小造成打滑或工件卡 佳，魄流经常整毫辍轮窝工律浇环，在修理簿轮轹绨帮安装藏袭常寐娥，经黎 耽搁4 5 小时，由于线速度的不恒定，工件将产生隐含的缺陷，当缝焊速度提 高时，会使滚轮电缀与烨件间静接触电阻增大，桥热作用增强，同时，滚轮电 极对焊接区的教热作用减弱，这些情况将使瀑度场畸变，造成缝焊时易出现滚 轮电极的表面粘损和焊缝表面质量变坏，在当时检验时不易发现，在将来就会 造成滚东等缺隆，在瘸毫疆缝爆时不可避免邈枣搭按接头，接头处为投厚鳇2 倍，采用压平缝焊时搭接量比一般缝缪对小，约为板厚的1 一1 5 倍，焊接以后 接头述有稷簿翡1 5 倍，透板榜静厚褒较簿，嚣电缀轮豹宽度魏蠢1 5 毫米宽， 其宽度全部覆盖接头的搭接部分，焊接时要使用较大的焊接压力和连续的电流， 造成电阻缝绰的热影响区又大，材质的晶褶发生变化，由于散热的不均匀，缀 常造成两端部分和中间部分不样，篱体在受到循环的水压时，易造成应力集 中，在一定的时间内就会脱瓷，时间一长最终导致腐蚀漏水。采用电阻焊需俐 第一章前言 的电容量特别大，板材相对较厚，己焊部分金属因分流电流的缓冷作用温度比 前沿更高，形成前低后高的不对称温度分布形态，焊速加快时，该温度分布前 沿降低、后沿升高的方向变化，这时易出现焊件表面的过热、过烧现象，滚轮 间电流从两片待焊金属的接触处流过，造成的分流较严重，有时因分流现象造 成简体部分打火烧损或粘接现象，为获得密封性和强度较高的的焊缝，经常采 用加大电流的方式获得更大的焊透率和重叠量，同时，由于电流过大，可能产 生过深的压痕和烧穿，使接头质量反而下降。 焊接结构在搪烧过程中主要存在焦边，搪瓷粉末在钢板接头边沿吸附后经 搪烧，造成粉层过烧，在边缘出现颜色发黄，瓷层较薄，在接头处形成线状缺 陷，由于瓷层较薄和存在锯齿尖角，钢板的覆盖不是很完整，在长时间与水接 触和在压力作用下易造成瓷层剥落，边缘出现锈蚀现象，时间过长，内胆保护 效果不利，就出现了漏水现象。还有另外一个非常易腐蚀的位置，即筒身焊接 处与两端封头装配时产生的缝隙，因焊接后搭接部位变厚，与其他部位不能统 一，在装配时出现缝隙，搪瓷后缝隙仍然存在，水必然会进入缝隙，由于缝隙 内部不存在搪瓷层覆盖，时间过长就出现了锈蚀，在狭小的缝隙内积聚杂质， 造成介质浓度不均，这样就加剧了腐蚀的速度。因为产生缝隙也采用打磨和裁 剪的方法进行避免，但实践证明效果不好，打磨程度很难掌握，裁剪后又会造 成其他的隐含缺陷。 为解决以上这些问题，公司决定对焊接工艺进行论证和改进，在整体焊接 生产线不发生重大改变的前提下，由搭接接头改为对接接头。对接接头受拉力， 不受剪切力，可承受较大的拉力，接头强度接近母材。当直径为3 9 0 毫米、厚 度为1 6 毫米的热水器内胆中产生1 4 m p a 的压力时，对接焊缝所受应力可用下 列公司计算： p * d 6 = 公式( 卜4 ) 26 其中：6 为焊缝所受拉应力( n c m 2 ) p 为内胆所受的内压力( n c m 2 ) d 为内胆的直径( c m ) 6 为钢板厚度( c m ) p * d1 4 0 3 9 6 = = = 1 7 0 6 2 5 ( n c m 2 ) 262 * 0 】6 第一章前言 从以上结果可以看出焊缝所受应力远远不到母材的抗拉应力2 7 5 0 0 4 0 0 0 0 ( n o m 2 ) ，所以，对接接头从强度上有很大的改善。对接接头可以改变内胆内表 面的不平滑现象，避免缝隙腐蚀，对内胆搪瓷十分有利。因此，对接接头对内 胆来说是比较合理的。 对接接头可采用的焊接方案有以下三种： 方案一：采用熔化极气体保护焊，熔化极气体保护焊对焊接区的保护简单、 方便，焊接区便于观察，焊枪操作方便，生产效率高，焊缝强度高，易进行全 位置焊，易实现机械化和自动化，但焊缝成形不均匀，有飞溅产生。焊接板厚 一般要大于2 毫米，在焊薄板时由于电弧不稳容易焊穿，在起弧和收弧处易形 成弧坑和裂纹，焊缝余高较大，由于母材和焊丝存在强度和成份差异，在焊缝 处易形成应力集中现象，熔化极保护焊能量输入较大，热影响区较宽，焊缝背 面氧化较严重，对搪瓷有一定的影响，内胆焊后要进行打磨处理，应增加生产 工序。 方案二：采用钨极氩弧焊，钨极氩弧焊电弧稳定，能量集中，热影响区小， 适合焊接薄板，无须填充焊料，直接熔化母材，热输入量容易调节，起弧和收 弧容易控制，可进行各种位置的焊接，可实现单面焊双面成形，设备制作简单， 容易操作，焊缝成形均匀和致密，焊缝性能优良，可保证焊接质量。不足之处 为生产效率低，对母材和焊接保护气体要求高。 方案三：采用电阻对焊，电阻对焊生产效率高，易于实现自动化，但焊接 设备较贵，不易操作，焊接时焊缝无保护，焊缝成形差，易形成夹杂现象，焊 缝强度不如熔化焊高，焊缝容易被氧化，焊接后接头要修整，内胆在使用时同 样要增加生产工序。 综合以上方案，针对解决焊缝质量的实际问题，选择方案二比较合适，所 以内胆的纵焊缝由搭接电阻焊决定改为对接钨极氩弧焊。 1 2 氩弧焊工艺设计改进的目标要求 钨极氩弧焊的焊速以4 0 0r a m r a i n 计算，焊缝长度以5 0 0m 计算，则焊接 时间要1 2 5m i n ，加上装夹和卸件时间则要1 8m i n ，则一小时每台机器可生产 3 3 台热水器内胆筒身。由于原有的生产设备为年产量2 4 万台，为两班制，所以 设计的专机年产量应不低于2 4 万台，如按每天工作7 小时，每月2 2 个工作日 计算： 年设计量2 4 0 0 0 0 则每小时应完成数量 班制x1 2x 每月工作日x7 2x 1 2 x2 2x 7 第一章前言 = 6 5 ( 台) 所以满足生产要求需两台设备。要求焊接电源采用节能，能量易于控制， 体积小，动特性好，易操作，易引弧，电弧稳定，功率较大，满足3 m m 钢板的 焊接，性能稳定可靠。 1 3 国内国际氩弧焊的发展水平 现在国内的氩弧焊主要有脉冲、交流、直流，使用氩弧焊的主要方式为手 工焊接，焊接易氧化的金属，或为焊接打底使用，操作多数为手工进行，自动 化程度比较低，由于使用的领域比较广泛和操作较灵活，国内逐渐对氩弧焊的 自动化专机开始研究设计，增强自动化程度，减少工人劳动强度，增强焊缝的 均匀性，对工件焊接成形都有了很大的提高。从焊炬的设计到焊炬运行轨迹， 焊炬的适时调整等方面都有很大的发展。 由于现代焊接设备的发展与电力电子技术和器件的发展密切相关，相继出 现了性能比较优良的焊机。5 0 年代末，功率半导体二极管开始用于焊接电源， 所构成的弧焊整流器明显优于弧焊发电机。7 0 年代初，由晶闸管( s c r ) 构成 的可控整流式弧焊机的出现标志着现代电力电子技术开始进入焊接电源设备领 域。s c r 弧焊机的电气特性和工艺特性优于二极管整流弧焊机，是当时广泛应 用的一种重要焊接电源设备。7 0 年代中到8 0 年代中，性能优良的自关断电力电 子开关器件：功率晶体管( g t r ) ，功率场效应管( m o s f e t ) ，绝缘栅晶体管 ( i g b t ) ，可关断晶闸管( g t o ) 等相继出现。7 0 年代未开始出现晶闸管式逆 变弧焊机并主要应用于t i g 和手工电弧焊，后来又推广到c 0 2 、m a g 等焊接方 法和切割。1 9 8 2 年，华南理工大学访问学者在德国首先研制成功场效应管式弧 焊逆变器，其应用领域从t i g 到手工电弧焊、气体保护焊以及切割，促进了焊 接设备更新换代的发展。8 0 年代末又出现i g b t 式逆变焊机，主要应用于各种 电弧焊和切割。以功率晶闸管、晶体管、m o s f e t 、i g b t 等为开关器件的新一 代弧焊逆变器，采用高频p w m 开关技术和微电子控制技术，淘汰了笨重的工频 变压器和笨拙的电磁控制方式。它不仅具有高效节能、体积小、重量轻、多功 能、多用途等优点，而且具有良好的动、静态特性和工艺特性。因而，新一代 的弧焊逆变器自问世以来，受到广泛的重视，发展迅猛。1 9 8 9 年世界焊接与切 割博览会( 埃森博览会) 上有3 0 多家厂商展出了弧焊逆变器。1 9 9 3 年的埃森会 上，绝大多数的厂商都展出了弧焊逆变器及设备。据i i wx i i c1 9 9 3 年1 1 月所 作的调查，逆变式焊机在日、美、欧等地使用的焊机中占1 7 ，其中在气体保 护焊和t i g 焊中占3 0 以上。到了1 9 9 6 年，日本日立公司的i g b t 逆变焊机已 占m i g m a g 焊机的7 0 ，占t i g 焊机的9 5 以上，占切割机的1 0 0 ，日本 第一章前言 松下，大阪变压器公司的逆变式焊机都超过5 0 。以i g b t ，m o s f e t 等为开关 器件的弧焊逆变器，有着广泛的应用前景，是当前国际焊接电源设备发展的主 流和方向。 在我国，逆变式焊机的研究工作始于8 0 年代初，紧跟国际研究开发的进程， 水平差距也不大，已形成三代产品。第一代是以s c r 为主开关器件的弧焊逆变 器，其逆变频率为2 0 0 0 5 0 0 0 h z 。第二代是以g t r 或m o s f e t 为主开关器件的 弧焊逆变器，其逆变频率为2 0 k h z 一5 0 k h z 。第三代为i g b t 弧焊逆变器，逆变频 率为2 0 k h z 3 0 1 d t z 。到9 0 年代初，多个规格的一、二、三代的弧焊逆变器已在 多所高校和研究所研究成功，并逐渐进入小批量生产，但大批量生产和大面积 推广应用逆变式焊机却比较缓慢。能进行批量生产厂家为数不多，并开始于大 约9 0 年代中后期。 近年来，逆变式脉冲t i g 焊电源等新型电源的出现促进了脉冲t i g 焊工艺的发 展，另外，随着钨极氩弧焊焊焊接方法的采用，利用高频脉冲电流的电磁收缩 效应，增强了小电流时电弧的稳定性和挺直性，并增强了能量密度，可高质量、 高速度地焊接薄板，使其在一般工业中的应用也越来越广。它采用可控的脉冲 电流来加热焊件，当每一次脉冲电流通过时，焊件上就产生一个点状熔池，待 脉冲电流停歇时，点状熔池旧冷凝结晶，与此同时由基值电流来维持电弧稳定 燃烧，以便下一次脉冲电流导通时，脉冲电弧能可靠稳定燃烧，只要合理地调 节脉冲间隙时间，保证焊点间有一定的相互重叠量，就可获得一条连续气密的 焊缝。 总体的来说，国内国际对氩弧焊二厂艺都有了很大的发展，随着电子元件和 计算机信息技术的不断提高，氩弧焊工艺的自动化程度会越来越高，焊接电源 的控制技术会有更大的发展。 1 4 钨极氩弧焊应用的领域 由于钨极氩弧焊本身的焊接特点，目前钨极氩弧焊广泛用于飞机制造、原子 能、化工、纺织、轻工业中，由于氩气的保护，隔离了空气对熔化金属的有害 作用，可焊接易氧化的有色金属及其合金、不锈钢、高温合金、钛及钛合金以 及难熔的活性金属等，脉冲钨极氩弧焊适宜于焊接薄板，特别适用于全位置管 道对接焊，它使原子能和电站锅炉工程的焊缝质量得到了显著的提高。但是， 由于钨极的载流能力有限，电弧功率受到限制，致使焊缝熔深相对较浅，焊接 速度低，所以，钨极氩弧焊一般只适于焊接厚度小于6 m m 的工件。 第二章钨极氩弧焊的理论和工艺技术 第二章钨极氩弧焊的理论和工艺技术 2 1 钨极氩弧焊的性能 钨极氩弧焊是一种能够较好控制线能量，又易于推广应用的焊接方法。它 以钨极和工件作为两极，氩气为电离的保护气体，在钨极和工件间产生电离现 象，形成电弧。由于氩气能有效地隔绝空气，它本身又不溶于金属，不和金属 反应，因此，可成功地焊接易氧化的多种金属材料，其热源和填丝可分别控制， 因而热输入易调节，可进行各种位置的焊接。 普通钨极氩弧焊在焊接较薄材料时，应注意：( 1 ) 焊件对工艺参数变化的 影响非常敏感，如电流稍大或焊接速度较慢，焊件就会由于热量的积累而过热 烧穿，反之则不易焊透：( 2 ) 对装配要求很严，如间隙稍大就易烧穿。 钨极氩弧焊控制线能量通常有两个选择：一是提高焊接速度，在自动化的 焊接生产线上常采用；二是更好地控制焊接能量而不必提高焊接速度，这必须 有保证小电流电弧稳定的电源。脉冲t i g 焊就是进年来发展起来的一种方法。 其主要参数：基值电流、脉冲电流、脉冲电流时间、基值电流时间。占空比、 频率等分别可调，可精确控制电弧能量及其分布，易获得均匀的熔深和均匀焊 透的焊缝根部：由于采用脉冲电流，可以减小焊接电流的平均值，获得较低的 电弧能量；间歇时间的存在，将明显减小对焊件的热输入，使熔池冷却时间增 长，减小焊件上的热积累，提高焊缝抗烧穿和熔池保持能力，减小焊接热影响 区和焊件的变形。脉冲钨极氩弧焊采用低频调制的直流或交流脉冲电流加热工 件，电流幅值按一定频率周期地变化，脉冲电流时工件上形成熔池，基值电流 时熔池凝固，焊缝由许多焊点相互重叠而成。脉冲焊有如下工艺特点： ( 1 ) 电弧线能量低 由于采用脉冲电流，可以减小焊接电流的平均值，获得较低的电弧线能量， 从而使热影响区的宽度大大减小，提高焊缝的成形质量。 ( 2 ) 便于精确控制电弧能量及其分布 通过脉冲规范参数的调节，可精确控制电弧能量及其分布，易获得均匀的 熔深和焊缝跟部均匀熔透。控制熔池使之可能得到一个合适的小熔池，这时的 熔池金属在任何位置均不至于因重力而下流，因而能很好地实现全位置焊接和 单面焊双面成形，这些都是一般电弧焊难以实现的。 ( 3 ) 易于焊接难焊金属材料 钨极脉冲氩弧焊的焊缝是由焊点相互重叠而成，由于脉冲电流对点状熔池 有较强的搅拌作用，且熔池金属冷凝速度快，高温停留时间短，所以焊缝金属 第二章钨极氩弧焊的理论和v t 艺技术 组织细密，树枝状结晶不明显，可减小热敏感金属材料焊接时产生裂纹的影响。 所以，采用钨极脉冲氩弧焊焊接内胆的纵缝则更为合适。 2 2 钨极脉冲氩弧焊焊缝成形的影响因素 2 2 1 钨极脉冲氩弧焊的规范参数 脉冲氩弧焊规范参数的正确选择是获得优质焊接接头的关键，只有善于调 整脉冲焊参数才能充分发挥这种工艺的优越性，选择脉冲弧焊的规范参数必须 考虑被焊材料的种类、厚度和焊缝的空间位置的特点。 1 脉冲电流和脉冲持续时间 脉冲电流和脉冲持续时间是决定焊缝成形尺寸的主要参数之一，一般随着 它们的增大，焊缝熔深和熔宽都会增大，其中脉冲电流的作用比脉冲持续时间 大，实际使用中，脉冲电流的选定主要取决于焊件材料的性质与厚度，如果脉 冲电流过大，焊缝易产生咬边缺陷，在其他参数不变的条件下，脉冲持续时间 增长，焊缝的熔深及熔宽增大，但其影响不如脉冲电流显著。在钨极脉冲氩弧 焊时，如果电弧电压保持恒定，采用不同的脉冲电流和脉冲持续时间的匹配组 合，可获得不同的熔深和熔宽，脉冲电流和脉冲持续时间两者不同的匹配也可 在一定的范围内调节焊缝成形尺寸。 2 基值电流 为充分发挥脉冲焊的特点，一般选用较小的基值电流，只要能维持电弧稳 定燃烧即可，在其他规范参数不变的情况下，改变基值电流可调节焊件的预热 和熔池的冷却速度，另外，基值电流还可改变焊缝中心的下凹深度，随着基值 电流的增大下凹深度减小，这对于焊接易裂的合金钢焊件很重要。因为基值电 流过小，基值电流对焊件的预热作用很弱，故在脉冲停歇时间中熔池的冷却速 度快，易在焊点中部形成下凹火口并出现火口裂纹。 3 脉冲间歇时间 一般地脉冲间歇时间的改变对焊缝成形尺寸的影响较小，但是，如果间歇 时间过长，将明显地减小对焊件的热输入，使熔池冷却时间增长，导致焊件上 的热积累减小。 4 脉冲频率 脉冲频率的选择也是保证焊接质量的重要问题，不同场合要求选择不同的 脉冲频率范围。 5 脉冲幅比和脉冲宽比 脉冲幅比和脉冲宽比的大小反映脉冲焊特征的强弱，脉冲宽比过小，将影 响电弧的稳定，一般应大于2 0 ，脉冲宽比过大，接近连续直流，就失去脉冲焊 第二章钨极氩弧焊的理论和工艺技术 的特征，一般不大于8 0 ，对热裂倾向大的金属材料脉冲宽比易选小一些，而脉 冲幅度选大一些，但也不宜过大。当脉冲宽比和脉冲幅比值过大时，易使点状 焊接熔池的加热与冷却速度加快，在熔池边缘处的温度梯度增大，使熔池液体 金属对母材的润湿作用降低，熔池金属冷凝时由于表面张力的作用，易引起在 焊缝两侧出现咬边。 2 2 2 气孔的影响 对于密闭容器来说，气孔是绝对不允许的，但是t i g 焊有时出现气孔，气 孔是焊接时熔池中的气泡在凝固时未能溢出而残留在焊缝金属中所形成的空 穴，其形状有球形、椭圆形等。在焊缝内部的称内部气孔，漏在焊缝表面的称 外部气孔，气孔的大小不等，有时是单个存在，有时是密集在一起或是沿焊缝 连续分布。气孔是体积性缺陷，对焊缝的性能影响很大，其危害性主要是会降 低焊缝的承载能力，因为这些缺陷占据了焊缝金属一定的体积，使焊缝的有效 工作面积减小，因而就相应降低了焊缝的力学性能，使焊缝的塑性，特别是弯 曲和冲击韧度降低很多，如果气孔穿透焊缝表面，特别是穿透接触介质的焊缝 表面，介质积存在孔穴内，当介质有腐蚀性时，将形成集中腐蚀，孔穴逐渐变 深，变大，以至腐蚀穿孔而泄露。所以，防止焊缝中产生气孔，保证焊缝的焊 接质量，非常重要。 2 2 2 1 气子l 形成 焊接过程中，熔池内的冶金反应产生一氧化碳气体，熔池的周围充满着成 分复杂的各种气体，这些气体主要来自钢板成分和周围的空气，焊件上的杂质 如铁锈、油漆、油脂受热后所产生的气体等，所有这些都不断地与金属熔池发 生作用，一些气体通过化学反应或溶解等形式进入熔池，使熔池的液体金属吸 收了相当多的气体，如果这些气体排出较快，熔池结晶较快，就不会形成气孔， 但是如果气体的产生正处在熔池结晶过程中，而结晶过程进行较快时，气体来 不及排出熔池，就会残留在焊缝中形成气孔。影响气孔形成的因素主要是一氧 化碳，氢气和氮气。一氧化碳为钢板内的氧化物与碳发生反应生成的，钢板如 脱氧不完全，在焊接时就产生一氧化碳气体，气体在熔池凝固前未逸出，变生 成气孔。特别是在冶炼时脱氧不完全的沸腾钢出现以上情况较严重，主要是因 钢中存在金属氧化物和一定量的碳，在焊接时熔池发生如下冶金反应： m n o + c = c o + m n 第二章钨极氩弧焊的理论和工艺技术 s i 0 2 + 2 c ：2 c 0 + s l 反应产生的一氧化碳气体在高温冶金时会以气泡的形式从熔池中高速溢出，并 不产生气孔，但是，当热源离开后，熔池开始结晶，由于铁碳合金溶质浓度偏 析的结果，即先结晶的较纯，后结晶的溶质浓度偏高，杂质较多，可使熔池中 的氧化铁和碳的浓度在某些局部地方偏高，有利于进行下列反应： f e o + c = c o + f e 因结晶时，熔池金属的粘度不断增大，此时产生的c o 就不易从熔池中逸出，和 容易被围困在晶粒之间，特别是在树枝晶体凹陷最低处产生的c o 更不易逸出。 另外，这种反应是吸热过程，会促使结晶加快，因而由c o 形成的气泡来不及逸 出时便产生了气孔，由于c o 形成的气泡是在结晶过程中产生的，因此形成了沿 结晶方向条虫形的内气孔。镇定钢在脱氧时比较完全，以上反应不强烈，产生 一氧化碳气体较少，形成气孔的机会就较少。所以为控制焊缝质量，内胆钢板 必须选用镇定钢，避免因产生气孔影响焊缝强度和密闭性。 某些组成物的结晶水和工件表面杂质等，都含有氢气的成分，它们在电弧 高温作用下形成气泡猛烈地向外排出，在焊缝冷却过程中，来不及浮出的氢气 便形成气孑l 。氮气主要来自空气，氮气在钢中的溶解度随温度下降而剧烈变化， 析出的氮气形成气泡从熔池中排出，来不及排出的气泡残留在焊缝中形成气孔。 即氮气形成气孔是在没有足够充分的保护条件下，使电弧和焊接熔池中的金属 受到空气的作用而造成的。 2 2 2 2 防止气子l 产生的措施 产生气孔的因素很多，既有冶金因素，又有工艺因素，在某些条件下还受 环境介质的影响。任何一个环节的疏忽都将导致气孔的产生。尽管不同气孔产 生的条件有差异，但选用正确的焊接工艺，采用优质的材质，采取有效的防止 气孔的措施，提高操作技能则是防止气孔产生的基本途径。 ( 1 ) 工件焊前清理 t i g 焊对油、锈、水非常敏感，极易产生气孔，因此对材料的表面质量要求 较高。焊前必须经过严格的清理，必须对待焊工件i 0 1 5 m m 范围内进行清理打 磨，去除表面氧化膜、油脂和水份等杂质，漏出金属光泽。 ( 2 ) 氮气纯度及流量 氩气是惰性气体，具有高温下不分解又不与焊缝金属发生氧化反应的特性。 氩气纯度对焊接质量有较大的影响，氩气中0 ：、n 。、h ：、水份等杂质含量超标规 定时，会使电弧不稳定，焊缝力学性能下降，焊缝气孔增加，成形恶化等。当 第二章钨极氩弧焊的理论和工艺技术 氩气纯度为9 9 9 5 时可完全满足使用要求。当气瓶用至内压2 o m p a 左右时，因 此时含水量有所增加，应停止使用。氩气流量是影响保护效果的另一个重要参 数，流量的大小是获得优质焊缝的关键。当氩气流量太大时，不仅浪费氩气， 且会产生紊流，将空气卷入保护区，反而降低保护效果，导致电弧不稳，焊缝 产生气孔现象，反之，氩气流量过小时，保护气体挺度不够，排除周围空气的 能力弱，空气容易侵入熔池，保护效果变差，使焊缝产生气孔。因此，必须选 择合适的氩气流量在确定气体流量同时，要确保气路畅通，各部位接点不得有 堵、漏现象。喷嘴直径的大小，直接影响保护区的范围。如果喷嘴过大，不仅 浪费氩气，而且限制焊接位置，同时有碍操作，影响焊接质量。喷嘴直径过小， 则保护效果不良，产生气孔，使焊缝质量下降，喷嘴本身也易被烧损。 ( 3 ) 钨极伸出长度要适当。伸出过长，氩气保护钨极与熔池效果变差，伸出过 短，保护效果虽好，但会阻挡焊工的视线，所以通常钨极伸出长度以6 8 毫米 为宜，在不影响焊工操作视线的情况下，应尽可能采用短弧焊接，一般钨极与 熔池的距离为2 3 毫米，即电弧的长度，电弧过长，增大了喷嘴与焊件之间的 距离，保护效果变差，产生气孔。电弧过短，钨极与焊丝易碰撞发生短路，焊 接无法进行。 ( 4 ) 选用脱氧完全的镇定钢，是控制c 0 气体产生的最主要的方法之一。在焊 接沸腾钢时，在满足焊接性能的条件下，采用较低的焊接速度，防l e 周围空气 的侵入和保证c o 气体充分逸出。焊接速度显著影响焊缝质量，所以施焊时应选 择合适的焊接速度。焊枪应尽量垂直或与焊件表面后倾7 5 8 5 度夹角，夹角过 小，其内侧产生紊流，外侧氩气挺度不够，气体保护效果变差，易产生气孔。 由于氩气保护层是柔性的，极易受到外界气流因素的扰动而遭破坏，产生气孔， 因此焊接场地或通风设旋风力不宣太大。新型焊机中一般采用高频振荡器产生 的高频高压，击穿钨极与工件之间的间隙而引燃电弧，引弧前提前3 4 秒输送 氩气，以驱赶管内的空气，是引弧处在气体保护中，防止钨极与熔池引弧时氧 化产生气孔。焊接结束时，通常采用电流衰减熄弧装置，焊接结束时只要闭合 控制开关，电流就会逐渐减小至熄弧，同时氩气滞后35 秒停气，以保护尚未 冷却的钨极和熔池，如果熄弧不正确，会在收弧处产生弧坑裂纹、气孔等缺陷。 2 2 3 钢板的变形 2 2 3 1 钨极氩弧焊焊接薄板的变形方式 钨极氩弧焊在焊接薄板时易发生焊件的变形，对接接头主要变形形式有角 变形、回转变形和错边。 钨极氩弧焊在焊接钢板时，高温区金属的热膨胀由于受到附近温度较低区 第二章钨极氩弧焊的理论和工艺技术 金属的阻碍，而受到挤压，产生压缩塑性变形。但是由于焊接面的温度高于背 面，焊接面产生的压缩塑性变形比背面大，有时背面在弯矩的作用下甚至可能 产生拉伸变形，故在冷却后平板产生角变形。见图2 1 ： 角变形的大小取决于压缩塑性变形的大小和分布情况，同时也取决于钢板 的刚度。压缩塑性变形量的大小与板宽度上的温度分布有关，高温区越宽，变 形量越大，压缩塑性变形越大。塑性变形在厚度上的分布与温度在厚度上的分 布有关。应当指出，薄板焊接时，角变形的方向没有明显的规律，有可能向下， 也可能向上。这因为薄板在焊接时，正背两面温差较小，同时薄板的刚度小， 焊接过程中受压缩易产生失稳，使得变形方向不定。在焊接圆筒的钢板时，由 于焊接区受应力和未焊钢板部位的约束，在焊后由于角变形会出现图2 2 的情 羽。 厂 、 4 一 图2 2 由于对接焊缝长度较长，当焊接一端时，在另一端就会产生横向的变化， 当焊接线能量较低和线速度较慢时，另一端焊缝缝隙趋于闭合状态，见图2 - 3 一 1 j ，一、 1 f | 图2 - 3 1 2 第二章钨极氩弧焊的理论和工艺技术 这是因为在焊接时钢板发生横向收缩，导致自由的另一端发生闭合现象，最终 可导致两端的宽度不一致。 在对接焊时，也会经常出现焊缝错边现象，造成边缘一边高一边低，存焊件 承受压力时，焊缝处必然有应力集中现象，钨极氩弧焊焊接对接缝时，由于焊 枪移动不稳，使的钢板单侧受热，这种热不平衡导致板的垂直方向变化不同， 出现错边现象。有时因为电弧偏离中线，使的吸热较多的一侧的板件在纵向上 有相对增长的情况，结果是板件的末端也出现错边现象。 2 2 3 2 防止变形的措施 ( i ) 刚性固定法在焊接时，钢板焊缝两侧用夹具紧压固定，可以防止角变 形、回转变形和错边，固定的位置应尽量接近焊缝。压力必须均匀，大小应该 随板厚的增加而增加。保持较高的均匀压力，一方面可以防止工件的移动，另 一方面可以使夹具均匀可靠导热，限制工件的高温区宽度，从而降低焊后的变 形。为了使压力均匀可以用琴键式多点加压夹具。 ( 2 ) 合理地选择焊接方法和规范选用线能量较低的焊接方法，可以有效地 防止焊接变形，如采用脉冲钨极氩弧焊，不但节约能源，而且可以减少薄板 的变形，其热影响区小，变形小。同时可采用水冷或采用铜冷却块来限制和 缩小焊接热场的分布，达到减小变形的目的。 2 2 4 起弧和熄弧对焊缝质量的影响 当采用钨极氩弧焊焊接内胆筒身时，由于筒身两端在起弧和收弧时，吸热 和传热效果不一样，造成起弧端易未焊透，收弧端烧穿现象。出现这种现象的 主要原因是在起弧时，钢板温度低，钢板未得到预热，电弧输入的热量很快由 钢板向周围传递和被保护气吸收，钢板底部未能熔化而焊枪就开始移动，造成 了端部未焊透现象。在端部5 1 0 毫米范围内会出现未焊透的情况。相反，在筒 身的另一端即收弧端就出现了烧穿现象，这是因钢板得到长时间的预热，钢板 温度较高，在焊缝纵向上端部热量不能进行传导，在端部的温度场和中间部位 温度场比较发生了很大的变化，当电弧以同样的速度和能量输入时，就造成了 端部的焊穿现象。液体金属冷凝后，端部就出现3 8 毫米的一段缺口。为防止 筒身焊接时起弧和收弧处出现焊接质量问题，便于起弧处能焊透，收弧时不易 烧穿，可对控制系统增加可调节的延时和衰减电路。 总之，在脉冲钨极氩弧焊焊接薄板时，应控制好焊接规范参数，在内胆选材 和设计工装时，考虑避免焊缝产生气孔、钢板变形的措施，解决起弧和熄弧处 常出现的缺陷。 第三章焊接专机的设计 第三章焊接专机的设计 3 1 焊接专机的设计要求 热水器内胆是全焊接结构，它包括筒身一条纵缝、筒身与封头2 条环缝、 封头和法兰一条环缝、水管和筒身或封头的焊接，根据内胆生产的工艺技术要 求，满足工厂规模化生产条件，将热水器内胆自动焊接设备按工序划分为：第 1 道工序的焊接设备为内胆纵缝焊机；第2 道工序的焊接设备为封头与筒身2 条 环缝双枪自动焊机；第3 道工序的焊接设备为筒身与法兰定位焊接工作台；第4 道工序的焊接设备为筒身与水管环缝双枪自动焊机。整套自动焊接设备除纵缝 外全部采用a r + c 0 2 气体保护焊方式完成。现主要是对内胆纵缝焊接工艺进行改 造，改造后自动焊接设备研制的模式为焊接主机、焊接电源及控制系统和操作 盒。内胆筒身是由一张钢板焊接组成，需要完成的焊接缝就是钢板圈筒后的一 条纵缝，根据工件的材料结构、大小、形状等特点确立设备的总体设计方案。 筒体一一条纵缝可以采用对工件一次性装夹使工件水平固定，焊枪垂直放置同时 运动来完成水平面上筒体的纵缝的焊接；然后，机器自动松夹和焊枪的回位， 继续完成另一个简体的纵缝焊接。该设计结构使焊缝成形稳定且容易控制，在 自动焊接情况下，只要焊接参数调节好且稳定，还能保证在这种焊接位置实现 单面焊双面成形，而且，这一种设计的结构相对简单，焊接生产效率也较高， 焊缝成形好。这样设计一方面可以减少设备复杂程度；另一方面，在设计上采 用的工件固定、焊枪行走的焊接方式，使控制程序容易实现，通过焊枪位置的 移动，完成工件不同位置的自动焊接。除采用人工装卸工件外，其余工作包括 对工件的夹紧和焊接均由设备自动完成。该套设备采用的气动元件为夹具夹紧 机构的执行元件，永磁伺服电机为焊枪行走的驱动元件，所有动作的到位均用 行程开关检测信号、动作程序锁定。电源操作盘显示预设的所有焊接参数( 包 括焊接电流、焊接电压、焊接速度和收弧电流) 。该套设备设计新颖，焊接自 动化程度高，动作可靠、稳定，操作简单、方便。内胆纵缝自动焊接设备除满 足内胆焊接纵缝的自动焊接外，也可以用于其他容器的焊接生产。 3 2 焊接专机的结构特点 焊接专机主要有机体床身、支撑悬臂、定位压紧机构、焊枪行走和调节机构 以及控制部分等几部分组成。外形示意图见图3 1 ： 第三章焊接专机的设计 支撑悬臂j ， 0 0 0 一0 0 图3 1 3 2 1 机体床身 机体床身为l o m m 厚的钢板焊成箱式床身，一侧留有固定悬臂的凹槽，底座 为长方形箱体，高度为l o m m ，保证底面的水平，在四个角有螺栓孔，用来固定 机身，防止机体晃动。 3 2 2 支撑悬臂 支撑悬臂采用锻打和退火处理及精加工的钢柱，为防止发生受力后产生过 大的挠度变形，支撑悬臂必须有足够的直径，支撑悬臂总长度为1 5 米，有效 焊接工件的使用长度为1 米。因钨极氩弧焊在焊接时弧长不能变化过大，不宜 超过l m m ，其直径大小可按以下方法决定： q 1 4 f = ne 公式( 3 - 2 ) 公式( 3 - 3 ) 第三章焊接专机的设计 其中：f 一最大挠度( m m ) q 一分布载荷集度( n m m ) 1 一悬臂长度( n l m ) e 一钢的弹性模量2 1 0 x 1 0 9 ( n m m 2 ) i 一啜性矩 d 一悬臂直径( i n t o ) p 一气源压力( m p a ) b 一气囊与悬臂接触宽度6 0 ( 姗) 悬臂固定在机体上的一端有紧固螺栓，用来固定悬臂，悬臂的中间部位则 固定在机体另一侧，确保悬臂的刚性。悬臂上部有铣的槽，用来安装铜电极条。 外形见图3 - 2 ： 图3 - 2 支撑悬臂 3 2 3 焊接行走小车部分 焊枪行走机构采用电动小车，采用1 l o v d c 2 4 w 永磁直流伺服电机作为驱动 动力，通过二级蜗轮蜗杆减速获得平稳而连续可调的转速，驱动小车带动t i g 焊枪作匀速直线运动，在正式焊接前，必须校正小车导轨与焊缝必须平行，高 低一致。保证焊枪沿工件接缝行走，另外必须保证焊枪与工件焊接缝的距离， 焊枪采用气动升降、滑动拖板导向使焊枪动作快捷、可靠、重复性好并且结构 简单。电动小车采用直线燕尾导轨副导向，这种结构可保证焊枪运行平稳、可 靠和实现焊缝的跟踪。 3 2 4 压紧定位装置 该机采用左右独立动作的气动琴键式夹具，外形图见3 - 3 通过气囊保压保证 左右琴键夹具处于正常工作状态，琴键采用铸钢，每个宽度有3 0m m ，表面经 1 6 第三章焊接专机的设计 电镀处理，琴键紧密水平地排列，在底部用一铜条把一侧所有的琴键连接起来， 铜条和琴键用螺钉相连，铜条在工作状态下压住工件，工件内侧与支撑悬臂内 的铜板条相接触，工件外侧和铜条接触组成正极。除了焊缝正面需要严密地保 护外，对焊缝背面亦需加以专门保护，单靠由钨极氩弧焊形成的氩气保护，是 不足以对背面起保护作用的。我们设计了镶有水循环的铜板条，从内部镶有通 水的筒管，中间开有背面成型的凹槽，其作用主要是为了避免工件和铜条过热 和被穿透的电弧烧坏。产品焊接用的铜板条长度为1 5 0 0 毫米，通水的铜管分成 两段，从底板两端分别通水保护。采用水冷焊枪及水冷保护铜板条，焊缝正反 两面均可充分保护，焊接区域均可达到银白色。铜板条安装在支撑悬臂的正上 方，铜板条使用久了后可以进行更换，在铜板条的上面开有一些o 3 毫米窄的小 孔，其相隔一定的间距，它主要用来焊接特殊件时进行手工定位，使工件的两 端对齐和保证焊枪能对正焊缝。外形见图3 4 。焊炬、琴键、铜板条、支撑悬臂 及工件的装配关系见图3 5 。 这种压紧结构可保证筒体两端同时压紧，减少因震动产生位移，避免对按 时出现一端缝隙大，一端缝隙小，能保证筒体缝隙对接平直。并且铜条使工件 散热快，保证焊缝宽度一致，以免因琴键的间隙造成焊缝不均匀。此结构还具 有压力均匀，压紧松开速度快，操作简单等优点。( 标定气压应在0 4 0 5 m p a ) 单向保压阀使气囊的压力不因气源的气压变化而变化支承工件悬臂的心轴内 装有定位器，可精确地定出焊件的焊接起始点，保证纵向焊缝尺寸的均匀，从 而获得精密、平整的焊缝质量。 钢琴键 图3 - 3 琴键 图3 4 铜板条 笙三兰生堡童垫堕堡生 3 2 5 焊炬调整机构 图3 - 5 装配关系 铜板条 悬臂 焊炬调整机构安装在行走小车上的小型气缸上，此结构可以使焊炬在三维方 向上进行调节，左右和上下小幅度的调整依靠小型齿条，左右大幅度调整可以 通过固定螺钉来调整，焊炬的前后倾角是靠手动紧固旋钮调整。此机构调整方 便，简洁和牢靠，在受震动后不宜受到影响。外形示意见图3 - 6 ： 图3 - 6 第三章焊接专机的设计 3 3 焊接专机的控制程序 焊接专机采用集群控制操作。采用进口p c 机程序控制整个压紧，焊接全过 程。 动作如下： 分别踩下电脑脚踏开关l 和2 ，使工件两边分别压紧( 一般先压紧里面一块， 再压紧靠近身体的一块) 放下t i g 焊枪( 必须对准焊缝中心，钨丝到工件的 距离1 2 m m 为佳) 一按启动按钮( 自动焊时) 小车行走一碰到起始行程 开关，即自动起弧一焊接开始一碰到终止行程开关，焊接自动停止，再