（材料加工工程专业论文）不锈钢真空保温器皿焊接工艺研究.pdf

摘要 摘要 不锈钢真空保温器皿生产中普遍次品率过高。本文通过检测一批样品，并 分析其生产过程，确定了焊接缺陷最易出现的部位，设计出一套焊接夹具，并 优化了焊接工艺参数，提高了焊接质量。 采用压缩空气泄漏检测法测试一批保温杯样品，结果表明漏气部位主要分 布在保温杯底部端焊焊缝位置和尾部铜管封口位置，底部端焊焊缝出现的焊接 缺陷主要是焊瘤、烧穿和未熔合，原因是焊接时的对中偏差过大以及所使用的 焊接工艺参数不够适合。 机械化焊接时的对中偏差主要是存在同轴度偏差、端跳偏差以及保温杯的 圆度偏差。采用自动调整及柔性连接的方案设计出一套自动t i g 焊焊接夹具， 通过保温杯位置的自动调整，对中偏差控制在0 2 m m 之内。焊接夹具的适用性、 稳定性较好，成本较低。 通过焊接工艺参数的优化试验，确定了使用焊接夹具时合适的焊接电流为 2 0 , - - 2 2 a ，焊接速度为5 5 0 - - 6 0 0m m m i n 。 在使用焊接夹具及合适的焊接工艺参数条件下，所得焊缝外观平整光滑， 熔深均匀，没有明显的焊接缺陷，焊缝致密，组织为细小的奥氏体和少量铁素 体，试验条件下焊缝合格率接近1 0 0 。 关键词：不锈钢；真空器皿；焊接夹具；焊接工艺；t i g 焊 a b s t r a c t a b s t r a c t p r o d u c t i o no fs t a i n l e s ss t e e lv a c u u mv e s s e l sg e n e r a l l ye n c o u n t e r e dh i g hr a t eo f p r o d u c td e f e c t s t h i sp a p e rt e s t e dan u m b e ro fs a m p l e s ，a n a l y z e dt h e i rp r o d u c t i o n p r o c e s s , a n dd e t e r m i n e dt h el o c a t i o no fw e l d i n gd e f e c t s ，aw e l d i n gf i x t u r ew a s d e s i g n e d ，w e l d i n gp a r a m e t e r sw e r ea d j u s t e d ，t h eq u a l i t yo fw e l d i n gw a si m p r o v e d an u m b e ro fi n s u l a t i o n c u ps a m p l e sw e r et e s t e db yl e a kd e t e c t i o nw i t h c o m p r e s s e da i r , t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h el e a ks i t em o s t l yd i s t r i b u t e di nt h ee d g e w e l ds e a mp o s i t i o na n ds e a l i n gp o s i t i o no ft h et a i lb r a s sa tt h eb o t t o mo ft h e i n s u l a t i o nc u p ，t h em a i nw e l d i n gd e f e c t sw e r ew e l db e a d i n g , b u r n i n gt h r o u g ha n d i n c o m p l e t ef u s i o n ，t h em a i nc a u s e so fw e l d i n gd e f e c t sa r ew e l d i n ga l i g n m e n t d e v i a t i o na n dt h eu n s u i t a b l ew e l d i n gp a r a m e t e r si nw e l d i n gp r o c e s s t h em a i nc a u s e so fw e l dm i s a l i g n m e n tf o rm e c h a n i z e dw e l d i n gp r o c e s s ，a l e c o a x i a ld e v i a t i o n , e n dj u m pa n dr o u n d n e s sd e v i a t i o no ft h ec u p s ；a na u t o m a t i ct i g w e l d i n gf i x t u r ew a sd e s i g n e df i x e dp r o g r a mo fa u t o m a t i ca d j u s t m e n ta n df l e x i b l e c o n n e c t i o n ，t h ep o s i t i o no ft h ei n s u l a t i o nc u pc a nb ea u t o m a t i c a l l ya d j u s t e d ，w e l d i n g a l i g n m e n td e v i a t i o nc a nb ec o n t r o l l e dw i t h i n0 2 m m ；t h ea p p l i c a b i l i t y , s t a b i l i t ya n d m a n u f a e t u r i n gc o s tc o n t r o lo f t h ef i x t u r ea c h i e v e dt h ee x p e c t e dg o a l s w e l d i n gp a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e db ye x p e r i m e n t ，t h eo p t i m a lw e l d i n g c u r r e n ti s2 0 , - 2 2 a ，a n dt h e o p t i m a lw e l d i n gs p e e di s5 5 0 6 0 0 m m m i nf o rt h e w e l d i n g 谢t l lt h ew e l d i n gf i x t u r e w i t ht h ew e l d i n gf i x t u r ea n ds u i t a b l ew e l d i n gp a r a m e t e r s ，h i g hq u a l i t yw e l d c a l lb eo b t a i n e d ，t h ea p p e a r a n c eo ft h ew e l dw a ss m o o t h ，t h em e l t i n gd e p t hw a s u n i f o r m ，t h e r ew e r en oo b v i o u sw e l d i n gd e f e c t s ，t h ew e l di sc o m p a c ta n dt h ew e l d m i c r o s t r u c t u r ei ss m a l la u s t e n i t ea n das m a l la m o u n to f f e r r i t e ，q u a l i f i e dr a t eo ft h e w e l d b a n b ec l o s et o10 0 i ne x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s k e y w o r d s ：s t a i n l e s ss t e e l ；v a c u u mv e s s e l s ；w e l d i n gf i x t u r e ；w e l d i n gp r o c e s s ； t i g w e l d i n g i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 焊接是指利用加热或加压，或者两者并用使被焊金属材料达到原子间结合 的一种连接方法。焊接是最经济最有效的金属永久连接方法，焊接还可以用来 连接异种金属，而且得到的部件通常在各个方向均具有很高的强度，焊接技术 对国民经济发展和国防建设具有重要的意义。在现代工业中，焊接技术高效率、 高质量的生产特点使之成为一种不可或缺的先进加工制造技术，广泛应用于工 程机械、机车车辆、船舶、航空航天、石油化工、建筑、桥梁等工业部门，并 发挥着越来越重要的作用i l j 。 不锈钢是指能耐空气、水、酸、碱、盐及其溶液和其他腐蚀介质腐蚀的、 具有高度化学稳定性的合金钢的总称，不锈钢的分类方法很多，通常按照空冷 后的室温组织可以分成以下几类：1 奥氏体钢，2 铁素体钢，3 马氏体钢，4 铁 素体奥氏体双相钢，5 沉淀硬化钢；按主要化学成分分类，基本上可分为铬不 锈钢、铬镍不锈钢和铬锰氮不锈钢；按用途分则有普通不锈钢、抗氧化钢、热 强钢等；按功能特点分类可分为无磁不锈钢、易切削不锈钢、低温不锈钢、高 强度不锈钢等1 2 j 。 不锈钢不仅是功能性材料，也是现代结构材料【3 1 。由于不锈钢具有优异的 特性( 耐蚀性、成型性、相容性、良好的延展性、易加工、可焊性、抗震、防 火、长寿、重量轻、美观、卫生、高强度以及在很宽温度范围内的强韧性等系 列特点) ，在重工业、轻工业、生活用品行业以及建筑装饰等行业中取得广泛的 应用。并且已在许多应用中与塑料、铝等其他材料形成竞争，应用规模和范围 不断增长。同时，不锈钢具有寿命周期( 制造一使用的全过程) 成本低的优势， 可1 0 0 回收再利用，不容易造成环境污染，是一种无铅、无聚氯乙烯、无环 境荷尔蒙的绿色环保材料，特别适合我国提倡的可持续发展战略。不锈钢自 1 9 9 2 年发明以来取得迅猛发展，是当今唯一的产量和需求都持续上升( 世界年 均增长率6 ) 的金属材料，由于技术的更新与进步，成本的降低，不锈钢的 生产与应用仍然会保持持续增长。目前我国正处于不锈钢生产和应用的高速增 第一章绪论 长期，我国不锈钢使用量早已跃居世界第一，甚至已经远远超过整个欧盟的使 用量。不锈钢的用途逐步扩大到建筑业、工程结构，以及汽车、火车和运输业。 不锈钢在民用需求发展到一定的程度后将向工业需求逐步转移。因此，我国不 锈钢产业的发展空间是很大的【4 】。 焊接工装夹具是指能够使焊件准确定位并夹紧而用于装配和焊接的工艺装 备；装配和焊接是焊接结构生产中两道重要的生产工序，根据工艺通常以两种 方式完成这两道工序，一种是先装配后焊接；一种是边装配边焊接；把用来装 配以进行定位焊的夹具称做装配夹具；专门用来焊接焊件的夹具称做焊接夹具； 把既用来装配又用来焊接的夹具称做装焊夹具【5 l 。 钨极惰性气体保护焊( t u n g s t e ni n e r tg a sa r ew e l d i n g ) 是指使用纯钨或者 活化钨极作为非熔化电极，采用氩气氦气等惰性保护气体作为保护气体的电弧 焊方法，简称t i g 焊【l 】。采用氩气作为保护气体时，称为钨极氩弧焊。 t i g 焊应用非常广泛，几乎所有金属和合金都可以使用它来焊接，对于铝、 镁、铜、钛等有色金属及其合金、不锈钢、耐热钢、高温合金和铝、锆、铌等 难熔金属的焊接具有最大的优势。适用于不同长度及厚度、不同空间位置的焊 缝的焊接，通常用来焊接6 m m 以下的焊件，大型的大厚度的重要构件一般用 t i g 焊作为打底焊，然后使用其他方法焊接填充整个焊缝，可以确保底层焊缝 的质量可靠稳定。 1 2 奥氏体不锈钢的应用及焊接工艺特点 实验中保温杯使用的材料是s u s 3 0 4 不锈钢，属于日本j i s 标准中的s u s 系列奥氏体不锈钢、美国a i s i 标准的3 0 4 牌号不锈钢，相当于我国的0 c r l 8 n i 9 不锈钢。该材料是1 8 8 型奥氏体不锈钢，具有良好的耐腐蚀性和耐热性，应用 非常广泛，3 0 4 不锈钢的主要化学成分和力学性能见表1 1 。 表1 13 0 4 不锈钢的化学成分和力学性能 t a b l e1 1t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o na n dm e c h a n i c a lp r o p e r t yo f3 0 4s t a i n l e s ss t e e l 2 第一章绪论 一般来说，合金元素含量越高，不锈钢导热率入越小，线膨胀系数q 和电 阻率i i 越大。3 0 4 不锈钢焊接性较好，但对于不锈钢薄板来说，由于其自身拘 束度小，导热系数小( 约为碳钢的1 3 ) ，线膨胀系数数比碳钢约大5 0 ，并且 随温度的升高也会相应提高，当焊接温度变化较快时，接头部位产生的热应力 比正常温度下时存在的应力大得多，很容易出现常见的焊接烧穿、咬边、波浪 变形等焊接缺陷【铺】。 焊接工艺参数对热裂纹有一定的影响，为了避免焊缝枝晶粗大和过热区晶 粒粗化以至增大偏析程度，应当采用小焊接输入的焊接工艺，但是不能为了减 小焊接输入而过分增大焊接速度，而应当适当减小焊接电流；增大焊接电流， 热裂纹倾向增大，过分提高焊接速度，冷却速度也会增大，因此增大了凝固过 程的不平衡性，焊接时反而更容易产生热裂纹【9 】。 奥氏体不锈钢焊接的工艺特点 2 1 ： 奥氏体不锈钢具有优良的焊接性，几乎所有的熔焊方法都可以用来使用， 从使用成本、焊接技术性等方面来分析，经常采用的是焊条电弧焊、气体保护 焊、埋弧焊及等离子焊等方法【嘲。根据焊件性能要求、技术条件规定和适用性 分析等因素选择合适的焊接材料，焊接不锈钢可遵循以下几方面的原则： 1 选择合理的焊接方法。选择焊接方法时要结合具体的焊接条件，充分考 虑焊接效果、焊接效率和成本以及自动化程度等因素，来获得最大的综合效益。 2 控制焊接工艺参数。避免焊接接头产生过热现象，奥氏体钢导热系数小， 过高的热输入会造成焊缝开裂，降低抗腐蚀性，变形比较大。采用小电流、快 速焊接可以使热量输入减少。 3 接头设计要合理。要考虑不同焊接材料下焊缝金属的焊接特性。 4 要尽可能保持焊接工艺参数的稳定。焊缝性能对化学成分比较敏感，必 须保证熔合比稳定才能保证焊缝金属成分的稳定。 5 控制焊缝成形。焊缝表面的光滑整齐会影响接头的工作性能，对耐点蚀 和应力腐蚀有重要影响； 6 保持工件工作表面的清洁。焊缝受到污染以后，耐蚀性会变差焊前应当 彻底清除焊件表面的油脂等杂质，否则焊接过程中会产生气体，引起焊缝气孔 或者增碳，降低耐蚀性 3 第一章绪论 1 3 奥氏体不锈钢焊接技术及工艺的研究现状 实际生产应用过程中，对于不同厚度的不锈钢材料，不同形状和位置的焊 缝，不同的力学性能和外观的要求，不同的焊接速度的要求以及成本的接受程 度，根据具体的情况可以考虑使用不同的焊接方法，不同的焊接工艺参数以及 不同的焊接辅助装置，采用各种措施保证焊接质量稳定可靠，保证焊缝性能符 合设计要求，同时还要尽量提高焊接效率并降低总体成本，因此对不锈钢焊接 技术和工艺的研究是非常必要的，相关的研究项目和研究成果也是非常丰富的。 对于保温杯的生产加工工序、焊接方法和装置、焊接工艺参数等具体的生 产技术和参数，不同的生产厂家有不同的设备和标准。一些企业采用冲压成型 的方法生产保温杯外壳和内胆，对于高端的产品一些企业会采用焊接机器人等 高端的焊接生产设备，具体的机械装置设计安装、焊接工艺技术调整改进等方 面公布的研究资料比较少，因此只能从相同的焊接材料，相近的生产过程和焊 接条件下的焊接技术和工艺研究的资料下手，进行分析和总结，为试验研究提 供理论和实际应用的依据。 1 3 1 薄板奥氏体不锈钢焊接特性及工艺研究现状 根据对查找到的相关文献的分析总结，研究对象多集中在几种常用型号的 不锈钢材料的常见焊缝形状的焊接，比如不锈钢薄板焊接、不锈钢钢管纵焊缝 的焊接、不锈钢钢管环焊缝的焊接、各种不锈钢容器的焊接等，研究内容主要 为焊接方法的探讨、焊接工艺参数的分析、材料的焊接工艺特点、常见焊接缺 陷产生的原因分析以及防治措施、自动化焊接程序及装置的设计等方面。 ( 1 ) 薄板奥氏体不锈钢常见焊接缺陷、产生原因及预防措施研究。薄板奥 氏体不锈钢在焊接过程中经常遇到的焊接缺陷有波浪变形、烧穿、未焊透、热 裂纹、腐蚀开裂等。产生波浪变形的原因是奥氏体不锈钢导热系数小，线膨胀 系数比较大，加上薄板材料本身的拘束度比较小，在热输入比较大不能很快进 行均匀散热的情况下焊件很容易产生各种应力，最终产生波浪变形【卵1 ；烧穿发 生的原因比较简单，焊接部位本身比较薄，容易受到输入热量的影响，当焊接 热输入比较大，或者焊缝装配间隙比较大时容易出现烧穿的现象；未焊透、未 熔合等缺陷主要是由于焊接电流过小，热输入没有达到要求或者焊接速度过快 造成的；焊接热裂纹产生的原因是由于焊接母材或者使用的焊材含有较多的c 、 4 第一章绪论 s i 、s 、p 等低熔点共晶元素在焊接时进入焊缝，结晶后期在奥氏体柱状晶之间 形成低熔点的液膜，冷却时产生收缩，液膜被拉开形成裂纹，同时由于奥氏体 导热率比较低，线膨胀系数又比较大，焊接过程中热输入比较大时，焊缝金属 会较长时间停留在高温区域，大大增加了产生热裂纹的倾向，在冷却的时候又 会产生较大的拉应力，从而产生热裂纹【l 卜1 2 1 。晶间腐蚀产生的主要原因是奥氏 体不锈钢长时间停留在4 5 0 8 5 0 的敏化温度区间，沿着奥氏体的晶界会析出 一部分碳化铬，引起晶粒表层含铬量下降，当铬含量下降到1 2 以下，即低于 耐腐蚀要求的极限值时，这部分贫铬区就会很容易被腐蚀，最终产生晶间腐蚀 【1 3 】 o 通过以上分析可以看出不锈钢薄板焊接过程中出现的各种焊接缺陷都与焊 接热量输入有直接的关系【1 4 1 ，焊接热输入过大时容易产生焊接变形、烧穿、热 裂纹和晶间腐蚀，焊接热输入过小时又容易产生未焊透、未熔合等缺陷，因此 防止焊接缺陷产生的首要方法就是控制热量输入，使其能够适合实际焊接过程 的需要，这方面可以通过焊接方法选择、焊接电流和焊接速度等参数的调节等 方法进行控制；对于热裂纹和晶间腐蚀等焊接缺陷，还要保证焊接母材和焊材 的质量优良，严格控制材料中c 、s i 、s 、p 等杂质的含量，同时要通过一定措 施减小熔合比，加强焊件装配的质量，减小装配过程中产生的应力；对于焊接 变形来说，还可以通过使用合适的焊接夹具，对焊接工件进行压紧固定，并使 用垫块等装置加快工件导热速度，同时也有利于防止焊接过程中烧穿缺陷的产 生，对于已经产生的变形，可以通过一定的手段进行焊后处理，将焊缝变形调 整到需要的尺寸要求。 ( 2 ) 不锈钢薄板焊接方法选择的研究。选用何种焊接方法要针对具体的焊 接材料和焊缝形状进行综合分析选择，要考虑所焊接材料的焊接特性、考虑焊 接设备及使用的成本、考虑焊接的生产效率、考虑焊接质量的好坏以及稳定性、 考虑焊接过程中参数控制以及设备操作的方便性等个方面因素。奥氏体不锈钢 本身焊接性比较优良，大多数焊接方法都可以在生产中使用，而且许多焊接方 法和工艺在压力容器等生产企业中的应用已经非常成熟【1 5 - 1 6 1 ，比如焊条电弧焊 ( s m a w ) 、钨极氩弧焊( t i g ) 、埋弧自动焊( s a w ) 、药芯焊丝电弧焊( f c a w ) 、 熔化极气体保护焊( g m a w ) 等焊接方法。对于低碳或者超低碳奥氏体不锈钢 来说，由于药芯焊丝电弧焊( f c a w ) 采用a r + c 0 2 作为保护气体，从而容易 产生焊缝增碳的情况，降低焊缝的耐腐蚀性能，因此一般不采用此焊接方法。 5 第一章绪论 焊条电弧焊设备简单、成本低廉、操作方便灵活，应用非常广泛。但是与 其他焊接方法相比手工电弧焊也有很大的缺点，首先是对工人有一定的操作技 术要求，工人劳动强度比较大，工作环境比较恶劣，而且焊条电弧焊相对于其 他焊接方法熔敷速度慢系数低、容易产生夹杂、焊缝外观成形比较差，且每次 焊接完一道焊缝都需要清理熔渣，对生产效率有很大影响。 钨极氩弧焊以纯氩气为保护气体，氩气密度比较大且不溶于焊接金属也不 与焊接金属发生化学反应，因此焊接时对熔池的保护效果比较好，可以避免焊 缝中相关合金元素的烧损，也就避免了由于合金元素烧损带来的腐蚀裂纹等其 他焊接缺陷的产生；同时钨极氩弧焊设备操控比较简单，焊接工艺参数调节比 较方便，适合不同位置和结构的焊接；但是钨极氩弧焊输出功率有一定的限制， 熔深比较小、焊接效率比较低，因此也容易出现焊接变形缺陷。 熔化极惰性气体保护焊( m i g 焊) 以a r 气或者在心气中添加少量的0 2 作 为保护气体，其焊接电弧稳定，熔滴细小、过渡稳定，飞溅也不大。此焊接方 法电流密度高、母材熔深大，因而焊缝的熔敷速度比较高，能够实现很高的焊 接生产效率，特别适合中等厚度和大厚度结构的焊接。但是该方法也有一定弱 点，焊接设备成本比较高，操作比较复杂。 杨宝雷等人以8 m m 厚的3 0 4 不锈钢板为研究对象，对常用的几种焊接方 法和组合进行了试验研究，对焊接效果、生产效率和生产成本进行了详细的分 析对比，最终得出结论：对于其研究的不锈钢焊接来说，采用t i g 焊打底+ m i g 焊的方法焊接成本较低，生产效率较高，焊接效果也能达到使用要求，有推广 应用的价值。吴金艳等人也对6 - s m m 厚的不锈钢采用“焊条电弧焊+ 埋弧自动 焊 相组合的焊接方法的研究和探讨，最终得出只要焊接工艺参数合适，这种 焊接组合方法可以得到优质的焊接接头和良好的焊缝外观，同时可以降低工人 劳动强度【l 卜瑚。徐志明等人对l m m 以下的薄板不锈钢的焊接进行了研究分析， 通过对薄板焊接工艺性分析、钨极氩弧焊的特点和应用、实际生产应用效果进 行研究总结，得出t i g 焊热量集中，热影响区小，是不锈钢薄板最佳的焊接方 法的结论。 ( 3 ) 不锈钢薄板焊接工艺及焊接技术研究现状1 1 9 1 。通过对相关文献及资 料的分析总结，可以得出以下的结论：焊接工艺方面，对于薄板不锈钢来说， 焊接时采用直流正接或者直流脉冲焊接来进行，最好采用小电流、快速焊接、 降低焊接线能量，这样可以防止热裂纹和晶间腐蚀的产生，同时可以改善焊缝 6 第一章绪论 的组织性能；焊接过程中使用的氩气要达到9 9 9 以上的纯度，即要符合 g b t 4 8 4 2 1 9 9 5 纯氩标准l l ，以保证能够达到很好的保护效果；钨极直径 和喷嘴直径要根据焊接时的焊接电流大小进行合理选择、氩气流量也很重要， 流量太小保护效果不好，流量太大会产生很大的电弧吹力，对保护层造成不规 则气体流动，使部分空气卷入，反而降低保护效果，对焊接效果产生一定影响， 也会造成浪费现割2 0 】。 焊接技术及要求方面，为了防止焊接时产生气孔夹杂等焊接缺陷，焊接前 最好对焊接部位及其附近进行清理，将油污杂质等清理干净，保证焊接部位干 净光滑平整，同时也应该尽量提高工件的尺寸精度和装配精度，减小装配中造 成的各种偏差和应力【2 u ：在焊接过程中为了保证保护效果和电弧稳定，宜采用 短电弧的方法焊接，焊接时焊丝和焊枪不要左右摆动；对于短路引弧，最好设 置引弧板，以防止焊缝产生夹钨等缺陷，收弧时最好设置引出板，防止熄弧部 位产生气孔焊穿等缺陷，当然采用带高频引弧器和电流自动衰减装置的电焊机， 用高频脉冲电流引弧，自动电流衰减收弧可以起到很好的焊接效果 6 - 7 1 ；对于薄 板由于容易产生焊接变形，在焊接工艺参数合适的基础上，焊接前可以考虑使 用适当的反变形或者采用焊接夹具进行固定瞄】，保证焊缝受力均匀，避免变形 及开裂；焊接过程中可以考虑使用水冷等措施，加快不锈钢焊接过后的冷却速 度，减小变形因- 2 4 】。 1 3 2 薄板奥氏体不锈钢焊接夹具和焊缝对中装置的研究现状 不论从理论上分析还是从实际的生产经验进行总结，在焊接方法和焊接工 艺参数经过实验确定下来以后，在焊接过程中焊接电弧的中心是否可以准确对 准焊缝，对焊接的效果影响是非常明显的。当焊接电弧对准焊缝时，焊件受热 部位比较集中，焊缝附近母材熔化均匀，焊接过程也比较流畅，在工艺参数合 适的条件下可以达到优良的焊接效果；当焊接电弧在焊接过程中与焊缝对准存 在较小偏差时，对焊缝的性能影响不大，但偏差超过一定值时就会影响焊缝的 质量，容易出现卷边、虚焊、未熔合等焊接缺陷。根据实际的生产经验和分析 计算，焊接对中偏差值在不大于焊件焊接部位厚度一半的情况下一般可以使焊 缝的焊接外观和组织性能达到使用要求。 为了保证焊接过程中焊接电弧的对中性，可以通过多种方法和途径来达到 7 第一章绪论 焊缝对中这个目的。首先，对于手工焊接来说，要提高工人的焊接技术水平和 操作熟练程度，工人是焊接过程的直接实施者，工人的判断和操作直接影响焊 接效果，因此工人应当具有高超的焊接水平和观察判断能力，对所焊接的工件 焊缝形状操作也要非常熟练，同时也要提高焊件的表面质量和装配精度，这些 都能保证焊接的效果；对于机械化焊接过程，焊件焊缝的尺寸精度和装配精度 是影响焊缝对中的主要因素，同时焊接过程中使用的机械装置也有一定的精度 误差，通过提高焊缝尺寸精度和装配精度，提高机械装置运行中的精度可以在 很大程度上提高焊接电弧的对中性；当然也可以在焊接装置中引进自动调整和 反馈装置，可以通过机械的方法进行自动调节，或者通过电子的方法对焊缝进 行跟踪反馈，然后按照一定的程序进行调整，这些方面的研究也比较多，相关 的焊接夹具、自动焊接装置和系统研究已经有很多的研究成果出现。 ( 1 ) 薄壁不锈钢圆筒纵焊缝和端焊缝焊接装置1 2 5 2 8 】。很早以前就有人做过 0 5 r a m 厚不锈钢圆筒的钨极氩弧焊焊接夹具和装置【2 9 1 ，对于纵焊缝采用焊接小 车带动焊枪进行移动，纵焊缝的夹具则是内外用不同的垫块和模具进行压紧和 固定；环焊缝的焊接则是用齿轮带动焊枪在焊缝上方旋转一周，完成焊接过程。 这套焊接夹具和装置有很大的限制性，纵焊缝的焊接夹具比较复杂，由内部的 胀块和外部的夹块共同对不锈钢圆筒进行固定，内部胀块的外径与圆筒直径相 同，起到支撑和定位作用，外部夹块通过螺钉压紧，与内部配合使焊件得到固 定，然而这套装置对装配精度有很高要求，装配间隙超过0 1 m m ，焊缝成形就 很不理想，对圆筒材料展开的尺寸精度要求比较高，公差不超过o 0 2 m m 比较 合适；对于端接接头的焊接装置，齿轮带动焊枪绕中心轴旋转，对于带冷却水、 保护气、导电电缆等多种管线的焊枪来说旋转起来并不容易，并且旋转焊接过 程中要使焊枪钨极始终对准焊缝，需要保证工件形状的尺寸精度，还要严格保 证装置安装的精度，这些要求对实际生产来说都有很大的困难，因此很难大规 模的推广应用。焊接夹具和装置见图1 1 。 8 第一章绪论 a 纵焊缝焊接装置 b 端焊缝焊接装置 图1 1 不锈钢圆筒焊接装置 f i g 1 1w e l d i n ge q u i p m e n tf o rs t a i n l e s ss t e e lt u b e ( 2 ) 薄壁不锈钢筒环焊缝的焊接装置研究【3 0 - 3 2 1 。刘字霞、李明利、蒋应田 等人对0 6 r a m 左右厚度的不锈钢圆筒的环焊缝位置的焊接进行了研究，设计出 了相应的焊接夹具和装置。刘宇霞设计出了一套焊接机床，采用散热性好的锡 青铜材料制作内部弹性夹具，对不锈钢管进行固定和矫正，通过机床本身径向 跳动、端面跳动、同轴度等参数的精度来保证焊接时的焊缝对中；针对不锈钢 咖啡壶的环焊缝焊接装置，李明利等人进行了研究，通过设计分瓣内涨的胎具 对焊机工件进行装夹定位，装卡时要保证对口间隙小于0 1 m m ，错边量小于 0 2 r a m ，焊接过程中可以手动调节焊枪的轴向移动，以进行焊缝对中。这些装 置都能在一定程度上保证焊接过程中的焊缝对中，但是首先都要保证焊件本身 精度和装夹安装精度，对装置本身的精度要求也比较高，加工制造比较困难。 ( 3 ) 焊缝自动对中装置的研究。焊缝位置自动跟踪控制技术、焊接过程计 算机控制技术和焊接机器人技术等都是比较新型的焊接自动控制技术。在焊接 过程中，焊缝对中的调整有好多方法，有的装置使用开环控制技术，依靠装置 的运行精度和装配精度及设定好的程序进行焊接；有的是在焊接过程中采用人 工微调；有的使用闭环自动调节技术，通过传感器检测电弧偏离焊缝的信息， 通过自动控制系统和伺服装置来调节电弧的位置，减小对中偏差。传感器分为 直接式传感器和间接式传感器，直接式传感器利用电弧本身的特征信号进行信 9 第一章绪论 息采集，间接式传感器又有机械式传感器、电磁式传感器、光学传感器等1 3 3 】； 对于弧焊机器人等具有“示教再现一工作模式的焊接设备来说，可以通过人工 设置焊接轨迹或者自动扫描焊接轨迹，通过对采集到的信息进行分析处理，自 动生成合适的焊接轨迹进行焊接，保证焊缝对中的精度；采用位移传感器进行 焊缝位置实时监测并自动调整焊枪的原理如图1 2 所示【蚓。 图1 2 自动对中原理 f i 9 1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f a u t o m a t i o na l i g n i n g 上述使用传感器进行调整焊缝对中的装置已经运用到了实际生产中，适用 于接触埋弧焊的大型焊件，焊接前沿焊缝布置与焊缝平行的跟踪轨道，通过位 移传感器提前检测焊缝位置的变化，将检测信号处理最后传递给调整机构，带 动焊枪进行相应的调整动作，对于大型的焊件通过使用这种装置，可以控制焊 缝对中偏差在0 5 m m 范围之内，效果非常好。当然使用其他方式的传感器进行 焊接检测的研究工作也非常多，比如，在电子束焊接中，可以根据采集二次电 子信号能量的高低判定焊缝的位置，从而进行调型3 5 1 ；在使用弧焊机器人的条 件下，通过对采集到的电弧和熔池等图像信息进行处理分析，判断焊缝对中情 况，将处理过的信号转化成相应的调整动作，使焊枪进行适当调整，达到自动 调整焊接对中的目的p 6 j 。 1 0 第一章绪论 1 4 课题的主要内容和研究意义 1 4 1 课题的提出和研究意义 不锈钢真空保温器皿的国际制造中心和采购中心自2 0 世纪末起逐步向中 国转移，我国的不锈钢真空保温器皿产业也应运而生，过去的2 0 多年内发展非 常迅速，在浙江、广东等地形成了较大规模的产业基地【3 7 】。行业最早是以 o e m ( o r i g i n a le q u i p m e n tm a n u f a c t u r e r ) 的方式参与市场分工，产品主要用来出 口，自2 0 0 4 年以来出口份额逐步下降，国内市场份额不断增长。然而，我国不 锈钢真空保温器皿的高端市场主要被日本德国等品牌占领，国内的大多数企业 以生产中低档产品为主，这主要是因为这些企业大多使用传统的生产技术和生 产工艺，制造水平与日本、德国等国家相比还有很大差距，因此在产品的品质、 外观、品种结构、品牌定位及价值等方面与国外高端品牌还有很大差距。 国内不锈钢真空器皿的生产企业在生产工艺、生产效率、所生产产品的附 加值等方面都还有很大的提升空间。国内不锈钢真空保温器皿生产企业在生产 过程中经常遇到的问题就是产品的真空合格率不高，产品的质量不好控制。某 大型企业就遇到了这个问题，企业某型号的不锈钢保温杯真空合格率一直在 8 5 左右，对于保温杯年生产量达到3 0 0 万只以上的这种大型企业来说，过高 的产品次品率会给企业带来很大的生产成本压力，浪费大量的生产时间和资源 成本，因此通过改进焊接工艺焊接技术等方法提高产品的成品率，可以给企业 带来巨大的经济效益，同时如果可以实现机械化自动化生产的话可以大大提高 生产效率并且降低工人的劳动强度，同时可以降低对工人焊接技术和操作水平 的要求，对企业来说是一举多得的事情。 焊接是不锈钢保温杯生产过程中必不可少的一种加工方法，焊缝质量的好 坏直接关系到保温杯产品的最终保温性能。一个保温杯生产过程中共存在不锈 钢钢板卷筒对接纵缝焊接、保温杯内胆与内底的对接环焊缝的焊接、保温杯内 胆与外壳配合在杯1 ：3 部位的端焊缝焊接、保温杯外壳与外底配合形成的端焊缝 焊接四道焊接工序，形成五道焊缝，除了保温杯杯口和杯底的端焊缝进行人工 操作焊接，其他焊缝都有应用成熟的机械化装置进行自动化装配和焊接，焊缝 的质量也都比较稳定可靠啪1 。 通过对厂家提供的一部分不合格的保温杯漏气部位的分析检测，发现漏气 第一章绪论 部位集中在杯子底部的端焊缝部位和抽气铜管的封口部位，封口部位的漏气问 题需要厂家在对半成品进行加工处理时注意保护，不要碰撞铜管的焊接部位， 防止产生漏气，同时改进用液压钳剪断铜管时的操作流程和工艺，提高封口出 的密封质量，涂胶加盖密封时更加小心仔细；端焊缝出现明显的焊接缺陷这个 问题决定设计一套焊接夹具并且通过调整焊接工艺参数的方法来提高焊接的质 量，在提高产品的成品率同时提高生产效率。 焊接过程的机械化和自动化程度随着焊接技术水平的进步不断得到提高， 机械化自动化的焊接方法具有生产效率高、焊接过程和参数控制方便、焊缝质 量优良平稳、劳动强度低等特点，因此设计出机械化的焊接装置具有很好的经 济效益和社会效益。设计出的夹具如果可以成功的消除焊接过程中的对中偏差， 能够平稳运行并且有一定的适应性，能够达到比较好的焊接效果，那么这套装 置对企业来说就有很大的实际意义，装置的推广使用在给厂家带来直接经济效 益的同时可以带来很大的社会效益，对于其他类似结构的工件和产品的焊接也 有很好的借鉴作用，可以把这套装置推广到不同产品的焊接中，也可以推广到 不同焊接方法的焊接过程中，比如超声波焊接、电阻点焊等过程中，可以实现 很好的焊接效果，有很好的推广和应用价值。端焊缝漏气部位见图1 3 。 ( a ) 俯视图片 图1 3 漏气位置 f i g1 3 l e a kl o c a t i o n 1 2 嘞侧面图片 第一章绪论 1 4 2 课题研究的主要内容 l 、课题研究的内容： 对企业提供的一批不合格产品的样品的检测结果表明，1 4 左右的产品底 部端焊缝有明显的漏气部位，因此决定解决这个比较关键部位的焊接质量问题。 通过理论分析和实际生产情况的研究，分析了产生焊接缺陷的主要原因；然后 针对产生焊接缺陷的主要原因提出了解决问题的思路和研究方向，即通过设计 相应的焊接夹具，来调整实际生产中产生的焊接偏差等问题；然后进行具体的 夹具设计，对夹具的结构进行设计，对各个部分零件等进行设计、分析和计算， 然后按照设计思路进行加工，组装，对夹具进行检验，同时进行简单的焊接试 验，观察装置运行和焊接进行过程中出现的具体问题，对出现的问题进行分析 研究，提出改进的方案，然后进行重新的设计，再进行加工组装和试验，当装 置稳定性和可用性比较可靠以后进行焊接工艺参数的优化调整，找出适合生产 应用的焊接电流、焊接速度、气体流量等工艺参数。 2 、课题研究的目标： ( 1 ) 设计出能够很好地消除或减小焊缝对中偏差的焊接夹具； ( 2 ) 加工组装后的夹具精度达到使用要求，运转平稳，并且有一定的可调 节性，可以适应不同型号不锈钢保温杯的焊接需求； ( 3 ) 焊接过程中装置安装操作简单方便，可以良好运转，能够达到连续的 稳定的生产要求。 ( 4 ) 焊接夹具成本适中，制造安装方便，能够满足不同的使用环境，并且 在长期生产使用过程中有很好的的稳定性可靠性，同时配件的更换维修也要方 便。 ( 5 ) 通过试验分析找出使用焊接夹具的条件下适合不锈钢保温杯的焊接工 艺参数，找出能够达到最佳焊接效果并且适用于实际生产的焊接工艺参数组合。 1 3 第二章试验研究分析方法及设备 第二章试验研究分析方法及设备 2 1 不锈钢真空保温杯的生产工艺和过程分析 不锈钢保温杯是由内外两层不锈钢筒与底盖配合焊接起来形成的双层容 器，内外筒之间抽成真空，然后密封，从而起到保温的效果。从抽真空的位置 和方式来区分，保温杯可以分为有尾真空杯和无尾真空杯，两者的生产过程差 不多，抽真空时有尾真空杯是从钎焊在杯底盖中央的铜管抽气，达到一定的真 空度和温度后将铜管剪断密封；无尾真空杯后盖没有用来抽气的铜管，利用后 盖与其内部贴合的金属片或钎料之间的空隙在真空钎焊炉中进行抽真空的过 程，真空钎焊炉中的温度在保温杯真空度达到一定标准时升高到一定的温度， 使钎料熔化，将抽气的小孔或缝隙封堵上，冷却后可以起到很好的密封效果。 不锈钢保温杯生产过程如下： ( 1 ) 钢板切割成型。将厚度为0 5 m m 厚左右的不锈钢板精确切割成制造保温 杯需要的长条状不锈钢带，或者直接定做需要尺寸的不锈钢带。 ( 2 ) 钢板卷筒焊接。用特定的机械装置将钢板卷成筒状，对接部位装配间隙 应该达到焊接要求，然后按照一定的速度向前移动不锈钢圆筒，完成钨极氩弧 焊、冷却、整形等工序过程。整个过程都在机械装置的运转中自动完成，机械 装置运行平稳，加工质量可靠，设计时已经考虑到焊接加工的具体精度要求， 因此焊接质量一般比较稳定可靠。卷筒焊接的过程如图2 1 ( a ) 所示。 ( 3 ) 不锈钢圆筒裁剪和深加工。按照设定的长度将不锈钢管裁切好，然后经 过水胀模具成型等方法深加工，分别加工成保温杯内胆和外壳的形状。 ( 4 ) 保温杯内胆环焊缝焊接。将上道程序加工好的保温杯内筒和利用液压成 型加工好的内底在焊接机床上进行装配和焊接，焊接前将分成几块的内部支撑 结构安装好，对焊缝起到支撑和整形的作用，焊接时还能增加散热并且防止烧 穿等缺陷的发生。内胆环焊缝的焊接过程如图2 1 ( b ) 所示。 ( 5 ) 保温杯口部焊接。将焊接好的保温杯内胆与加工好的外壳装配好以后进 行保温杯口的焊接。杯口内外胆直径相当，配合非常好，钢板比较厚，焊接比 较容易，目前工厂采用手工钨极氩弧焊进行焊接，焊接效果相对较好。杯口的 1 4 第二章试验研究分析方法及设备 焊接如图2 1 ( c ) 所示。 ( 6 ) 保温杯底的焊接。将冲压成型的保温杯底盖与保温杯外壳装配起来，形 成一定的过盈配合，然后进行焊接。目前工厂对杯底环焊缝的焊接仍然使用手 工钨极氩弧焊，由于杯底在前面加工过程中变薄，并且无法保证装配的精度， 焊接质量很不稳定。杯底的焊接如图2 1 ( d ) 所示。 ( a ) 纵缝焊接 ( c ) 杯口焊接 ( b ) 环缝焊接 图2 1 杯子焊接 f i 9 7 1w e l d i n go f t h ec u p ( d ) 杯底焊接 ( 7 ) 抽真空并密封。有尾真空杯在真空排气台设备上面进行抽真空，抽真空 时加热温度在5 0 0 c 左右，当保温杯真空度达到一定要求后，保温一定时间， 然后停止加热，使保温杯温度下降，然后将抽气的铜管剪断，剪断对铜管形成 挤压，同时起到密封的作用；无尾真空杯的抽真空过程在真空钎焊炉中完成， 1 5 第二章试验研究分析方法及设备 真空钎焊炉的温度根据所使用的钎料来确定，一般在9 0 0 1 2 以上，抽真空的速 度跟所使用的设备密切相关，在抽真空的过程中逐步加热升温，当真空度达到 要求后继续升温到需要的温度，保持一段时间，使钎料熔化，将杯底的通气孔 堵上，达到密封的效果。真空钎焊炉生产成本要比真空排气台高，但是生产的 产品质量稳定，外观比较美观，目前高档的保温杯产品基本上都是利用无尾真 空杯的技术生产的。 ( 8 ) 电解抛光。对抽完真空的保温杯进行快速的保温性检测，合格的产品进 行内胆和外壳的电解抛光处理。 ( 9 ) 油漆及组装。将抛光好的保温杯再次进行真空度检测，合格的产品进行 喷漆等处理后与保温杯底杯盖等进行组装，包装好的产品可以进行出厂销售。 通过对保温杯生产的工艺和过程的分析可以发现，保温杯生产过程中至少 有四道焊接工序，形成五道焊缝，保温杯的纵缝焊接和内胆环焊缝的焊接都在 机械化的装置上进行，机械装置运行很稳定，焊接效果比较稳定可靠，因此焊 缝出现缺陷的概率不大；保温杯口部厚度较大且配合良好，手工焊接难度不大， 杯底在装配过程中可能存在装配间隙和变形，手工焊接质量难以保证；有尾真 空杯铜管在剪断时可能密封不好，出现缝隙而产生漏气。 2 2 保温杯焊缝缺陷检测分析 前面分析指出保温杯漏气部位很可能出现在杯底端焊缝位置和有尾真空杯 的封口位置，厂家提供了一批不合格的产品的样品，通过对这批样品焊缝质量 的检测可以基本确定保温杯漏气的部位和原因。 焊缝质量检测的方法非常多，可以用观察法观察比较容易发现的焊穿、卷 边、焊瘤等焊接缺陷，也可以用无损检测方法检测焊缝微小的缺陷。无损检测 也被称为无损探伤或者无损评价，是指利用一定的物理原理，在不损坏材料可 用性的条件下检测材料中的缺陷，在焊接领域常用的无损检测方法有着色检验 或荧光检验、超声波检验、磁粉检验和射线检验四种【4 9 。 着色或荧光检验只能用来检测表面裂纹、气孔等表面缺陷，旌加渗透剂之 前要求检测表面非常清洁，无污物、锈迹或油脂。检测时将液体渗透剂或者荧 光剂施加与检测部件表面，保存一段时间，然后清理表面，当表面干燥时将吸 附剂涂撒到工件表面，通过观察颜色的不同可以准确确定缺陷的位置，特别适 1 6 第二章试验研究分析方法及设备 合检测容器管道等焊缝的渗漏位置，然而这种方法比较耗时，表面清洁不当时 会得到失真的检测结果。 磁粉检验可以用来检测焊缝表面及其附近的裂纹、气孔、夹杂等缺陷，仅 能用于磁性材料，检测时根据需要检测的焊缝位置选择特定的方向对工具通电， 在工件内部形成特定的磁场，然后将磁粉洒在工件表面，根据表面磁粉的聚集 情况判断是否存在焊接缺陷，保温杯焊缝分布情况比较复杂，端部焊缝非常窄， 进行通电形成特定的磁场比较困难，磁粉也不容易停留在非常狭小的端部焊缝 边沿，而且内部形状是圆形的，磁粉的涂撒和观察都不太方便。 射线检验可以检测大部分内部缺陷，检测结果可靠，工件上方放置透度计， 下方防止胶片，射线从透度计一方照射工件，最终在胶片上形成图像，胶片通 过处理可以使图像永久显示出来。保温杯为双层结构的圆形结构，焊缝位置分 布复杂，进行射线检测的话透度计和胶片的放置都是很大的问题，同时双层的 结构可能会对检测结果造成影响，射线检测成本也非常高，对于胶片的处理和 底片的判读有较高的要求。 超声波检测可以检测出内部非常小的缺陷，检测时探头发