（材料加工工程专业论文）预置应力及随焊锤击控制紫铜薄板焊接质量.pdf

啥尔滨工业大学工学硕t 学位论文 摘要 紫铜薄板结构焊接时，存在焊接热裂敏感、变形大、软化等问题。本文 提出控制不预热紫铜焊接质量新工艺，首先从残余应力角度对随焊锤击和预 置应力工艺进行可行性分析，在此基础上完成了随焊锤击锤枪一体化设备及 预置应力机构的设计与制造，明显地降低了焊接残余应力和挠曲变形，有效 地控制了横向位移收缩，使焊缝及其近缝区余属硬度值升高，有效防止了软 化，同时力学性能如抗拉强度和延伸率明显提高。 在焊接试验研究中，采用t 3 紫铜薄板，在自行设计制造的随焊锤击和 预置应力机构试验设备上进行了焊接试验。研究结果表明：随焊锤击试验中 阶梯锤头更能有效地延展金属，能够有效地降低焊件的纵向及横向收缩变 形 预置应力工艺的焊接最大挠曲变形随预置应力的增大呈下降趋势。对于 6 0 0 m m 3 5 0 r a m 1 5 m m 的t 3 紫铜焊件，随焊锤击和预置应力工艺能有效 地防止焊接热裂纹，得到没有宏观裂纹的优质焊缝；随焊锤击工艺最大挠曲 变形控制在常规焊时的3 0 以下，横向位移收缩量可以得到负值，硬度可 以达到母材的9 2 以上，抗拉强度达到母材的8 4 以上；预置应力工艺最 大挠曲变形控制在常规焊时的4 4 以下，并且残余应力水平相对较低，硬 度值达到母材的9 3 以上，且硬度值变化平缓，延伸率接近母材。 焊接接头的组织分析表明，随焊锤击和预置应力能够明显地细化晶粒， 有效地抑制气孔等焊接缺陷，焊缝断口形貌也表现为较好的韧性断裂特征。 关键词焊接热裂纹；焊接变形；软化：随焊锤击；预置应力 竺堑鎏三些尘兰：；兰堡圭兰篁丝兰 a b s t r a c t t h eh i g hs u s c e p t i b i l i t yt oh o tc r a c k i n g ，s e r i o u sd i s t o r t i o n ，a sw e l la sp o o r j o i n ts t r e n g t h ，a r ea l l t h e s h o r t c o m i n g sa s s o c i a t e d w i t hw e l d i n gt h i np l a t e s t r u c t u r e so fc o p p e r i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，an e ww e l d i n gt e c h n o l o g yi nn o nw a r m u pc o n d i t i o ni sa p p l i e d f i r s t l y , f r o mt h ev i e w p o i n to fr e s i d u a ls t r e s s ，t h e f e a s i b i l i t yo ft e c h n o l o g ya b o u tw e l d i n gw i t ht r a i l i n gp e e n i n ga n dp r e t e n s i o ni s a n a l y z e d a tt h es a m et i m e ，t h ee x p e r i m e n td e v i c eo fh a m m e r - g u ni n c o r p o r a t e d a n dt h em e c h a n i s mo fp r e t e n s i o nh a v eb e e nd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d i tn o t o n l yp r e v e n t e dw e l d i n gh o tc r a c k i n ge f f e c t i v e l ya n dr e d u c e dw e l d i n gr e s i d u a l s t r e s sa n dd e f l e c t i o nd e f o r m a t i o n ，b u ta l s oc o n t r o lt h es h r i n k a g eo ft r a n s v e r s e d i s p l a c e m e n t w h i c hm a d et h em e t a lh a r d n e s so fw e l da n di t sa a j a c e n tz o n e s i n c r e a s ea n dp r e v e n tt h ep o o rj o i n ts t r e n g t h ，m e a n w h i l ei m p r o v em e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa n d t e n s i l es t r e n g t h i nt h ew e l d i n gt e s ta n ds t u d y , t 3c o p p e rp l a t ei se m p l o y e d w e l d i n gt e s ti s c o n d u c t e do nt h ee q u i p m e n tu s e df o rw e l d i n gw i t hp e e n i n ga n dp r e t e n s i o n ， w h i c hi sd e s i g n e db ym yo w n t h er e s u l t ss h o w e dt h a ti ft h ep e e n i n gh e a dw i t h g r a d i e n ts h a p ei su s e d ，t h em e t a le x t e n d se f f e c t i v e l yi np e e n i n gt e s t ，a n dr e d u c e s t h el o n g i t u d i n a la n dt r a n s v e r s ed e f o r m a t i o n i np r e t e n s i o nt e s tt h em a x i m u m d e f l e c t i o nd e f o r m a t i o nt e n d st od e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo fp r e t e n s i o n f o rt h e t 3c o p p e rs p e c i m e n sw i t ht h ed i m e n s i o n so f6 0 0 r a mx3 5 0 m m 1 5 m m t h e m a x i m u ml o n g i t u d i n a ld e f l e c t i o nd e f o r m a t i o nc a nb ec o n t r o l l e dw i t h i n 3 0 p e r c e n to ft h a tf o rc o n v e n t i o n a lt i gw e l d i n g t h et e c h n o l o g yo fw e l d i n gw i t h t r a i l i n gp e e n i n ga n dp r e t e n s i o ns t r e s sc a nv o i dw e l d i n gh o tc r a c k i n g ，t h ew e l d w i t h o u tm a c r o s c o p i cc r a c k i n gw a sg e t t h es h r i n k a g eo ft r a n s v e r s ed i s p l a c e m e n t r e a c h e dn e g a t i v ev a l u e ，t h eh a r d n e s sr e a c h e d9 2p e r c e n to fp a r e n tm e t a l ，t h e t e n s i l es t r e n g t hr e a c h e da b o v e8 4p e r c e n to fp a r e n tm e t a l i np r e t e n s i o nt e s tt h e m a x i m u ml o n g i t u d i n a ld e f l e c t i o nd e f o r m a t i o nw a sc o n t r o l l e du n d e r4 4p e r c e n to f t h a to fc o n v e n t i o n a lt i gw e l d i n g ，t h ev a l u eo fr e s i d u a ls t r e s si sr e l a t i v e l yl o w ， t h el e s sd e f o r m a t i o nw a so b t a i a e d t h eh a r d n e s s o fw e l dr e a c h e da b o v e9 3 p e r c e n to fp a r e n tm e t a l ，f u r t h e r m o r e ，t h ev a l u eo fh a r d n e s sc h a n g e dm o r e s m o o t h l y , t h ee l o n g a t i o nw a sn e a rt h ep a r e n tm e t a l 1 1 哈尔滨丁业大学工学硕十学位论文 r e s e a r c ho nt h em i c r o s t r u c t u r eo fw e l d e dj o i n t sf o rc o p p e rp l a t es h o w e d t h a tt h et e c h n o l o g yo ft r a i l i n gp e e n i n gm a yr e f i n et h eg r a i n so fw e l dm e t a l ， r e d u c et h ew e l dd e f e c t ss u c ha sp o r o s i t y w h a ti sm o r e ，t h ec h a r a c t e ro fd u c t i l e f r a c t u r ec a l lb ef o u n di nt h ew e l dm e t a lo fw e l d e dj o i n t k e y w o r d sw e l d i n gh o tc r a c k i n g ；w e l d i n gd i s t o r t i o n ；i n t e n e r a t i o n ；w e l d i n g w i t ht r a i l i n gp e e n i n g ；p r e t e n s i o ns t r e s s 一1 1 1 哈尔滨工业大学t 学硕十学位论文 1 , 1 课题背景 第1 章绪论 本课题来源于国家高技术计划一8 6 3 项目。铜是人类历史上应用最广的金 属，至今也是应用最广泛的金属材料之一。其具有优越的导电性、导热性、延 展性，标准电极比氢还高，因此在很多介质中化学稳定性都很好，尤其是在自 然条件的海水中腐蚀速度不大川。而成为电子、化工、船舶、能源动力、交通 等工业领域中高效导管和换热导管、导电、抗腐蚀部件的优选材料。因此在国 内的焊接生产中也经常会遇到紫铜管与管、管与板及平扳对接等问题，如接插 紫铜母线铜排的焊接；散热器中紫铜与1 6 m n r 的焊接；紫铜电缆的焊接：高 炉紫铜套的焊接等。国内主要采用气焊、手工电弧焊、t i g 焊、钎焊等方法来 进行生产，焊接材料主要是紫铜焊丝和合金2 0 1 焊丝。近年来，虽然采用了电 子束、等离子弧等高能热源进行不预热焊接，取得了很好的效果，但由于设备 限制、成本高、生产周期长等方面的影响使其不能得到广泛的应用。 对于工作空间狭小，焊接管道位置贴壁延伸，焊接条件复杂的焊接过程来 说，t i g 焊设备可以不在工作现场，只要接入电源线、保护气和冷却水管道即 可。t i g 焊工艺在预热的情况下进行焊接生产，不仅工人的劳动条件很差，而 且焊接过程必须采用一定保温措施，大大增加了焊接的劳动量。但是，对于一 些大尺寸构件如大口径厚壁管道的预热保温来说，由于散热很快在生产中很难 保证，导致焊接质量很差，往往采用容易焊接的其他材料来代替。为了适应耐 腐蚀性能优良、成本低廉的紫铜材料应用的需要，研究不预热焊接技术就显得 越来越重要，越来越迫切。 本课题拟采用数值模拟预测随焊锤击和预置应力工艺的可行性，通过试验 研究与分析，提供一整套先进的不预热焊接工艺以取代落后的焊接工艺技术， 改善劳动条件，提高焊接质量和效率，为实现性能优良、成本低廉的紫铜材料 在厚壁大口径管道的不预热 r i g 焊接奠定技术基础，对舰船建造和型号发展具 有重大的经济效益。 哈尔滨二r 业大学1 二学硕l 学位论文 1 2 焊接残余应力和焊接变形的研究现状 由于高度集中的瞬时热输入，在焊接过程中和焊后将产生相当大的残余应 力和变形。与负载应力相比，即与外力相平衡的内力相对比，内应力是在没有 外力的条件下平衡于物体内部的应力。如果不均匀温度场所造成的内应力达到 材料的屈服极限，使局部区域产生塑性变形。当温度恢复到原始的均匀状态 后，就产生新的内应力，即残余应力。焊接残余变形是焊后残存于结构中的变 形，大致可分为七类：纵向收缩变形、横向收缩变形、挠曲变形、角变形、波 浪变形、错边变形、螺旋形变形，它们在焊接结构生产中往往不是单独出现， 而是同时出现，互相影响的即，4 1 。尽管从物理观点看，焊接残余应力和焊接变 形紧密相关，但长期以来，对他们的研究和分析却是相互独立地进行，并已有 了很大程度的发展。这是因为，焊接残余应力是评价结构强度的基础，格外受 到重视；而焊接变形则主要作为妨碍制造过程的现象来考虑【5 】。 事实上，焊接残余应力和焊接变形两者在很大程度上具有相反的行为特征 一一这是在减少焊接残余应力和焊接变形时遇到的基本问题：焊接时被固定夹 紧的构件，在焊后具有较高的残余应力；相反，若焊时无任何拘束，则焊接变 形较大而焊接残余应力相对较小。这说明要想能轻易地制造出残余应力与变形 均低的焊件，实际上是很困难的1 5 j 5 。 降低焊接残余应力或减少焊接变形的措施还可分为焊前、焊时和焊后措 施。焊前措施指焊件结构设计及材料选择等方面所采取的措施，也包括采用预 先成型、选择焊件支撑或固定方式以及确定焊接顺序和焊接规范等。焊时措施 包括预热或冷却。焊后措施则指焊后消除应力处理或校正处理【引。 焊接残余应力和焊接变形会严重影响制造过程和接头强度。因此，应采取 措施将焊接残余应力和焊接变形减至最小。 1 2 1 减小焊接残余应力和焊接变形的试验研究简介 焊接应力是由于焊后收缩受到制约造成的，制约越严重，内应力也就越 大，对于薄板，焊接变形也就越严重。因此，控制内应力的方法虽然多种，但 其基本原则只是一个，就是缓和对焊缝收缩的制约【6 j 6 。 1 2 1 1 热措施( 预热) 焊接温差越大，残余应力越大：同时从组织转变来 说，冷却越快组织应力也越大。预热可以达到减小温差和减慢冷却速度的目 的，从而减小焊接应力i 扣引。 哈尔滨工业大学工学硕：i 二学位论文 1 2 1 2 反变形法施焊前施加与焊接变形相反的一定量的预变形，但预变形的 程度很难确定，同时装卡也有一定困难【卜j 。 1 2 1 3 焊时固定法( 刚性夹持法)被焊构件尽可能坚固地固定于夹具中，这 对于减少待焊构件的角收缩与弯曲收缩来说也是一有效措施。薄金属板焊接熔 池处的拱曲现象也可因坡口附近采用固定措施而得以减轻。一般来说刚性夹持 法对于减少横向和纵向收缩无甚作用，因为这种情况下会产生能迅速超过固定 元件摩擦自锁极限的极大收缩力1 5 ，。对于薄板焊接结构，通过采用适当的拘 束条件，可以有效的抑制焊件的角变形、波浪变形、错边变形和螺旋变形。而 对焊件的纵向变形，横向收缩变形影响不大，因此如何减少焊接过程中出现的 纵向和横向收缩变形成为薄板焊接变形控制中的重点。 1 2 1 4 同步收缩法焊缝的收缩受到旁边冷金属的牵制而形成拉应力，即焊缝 旁边的较冷的金属不允许它收缩而形成较大的应力，如果我们采取适当的工艺 措施，使能允许它或者部分允许它收缩，就可以免除或者部分地免除残余焊接 应力f 3 】。 1 2 1 5 过载法对焊接结构实行有控制的过载，也就是使构件承受比正常工作 状态下大的载荷，使构件产生局部的屈服，以降低焊接应力。施加的过载越 大，效果也就越好，如加的过载使整体达到屈服，残余应力也就全部消除【8 】。 1 2 1 6 振动法它是通过低频振动来消除应力的，振动法不会降低材料的屈服 极限、抗拉强度。经振动处理的构件其残余应力消除2 0 至8 0 ，特别是对 分布极其不均匀的焊接残余应力可以得到明显的均化和降低叫引。 1 2 1 7 碾压法碾压法可分为焊后冷碾压【1 6 ，1 7 】和随焊热碾压【1 8 , 1 9 】。焊后冷碾 压是通过一个或两个碾压轮沿焊缝或近缝区移动，产生纵向塑性拉应变以补偿 焊接时产生的应变：随焊热碾压，由于焊缝区被加热到高温，可以用较低的力 产生所需的塑性变形【w 。 1 2 1 8 温差拉伸法分为静态温差拉伸法【1 9 , 2 0 j 和动态温差拉伸法。静态温差拉 伸通过加热焊件两侧，中间水冷铜垫板冷却焊缝及近缝区，对焊缝部位实施不 同程度的拉伸，达到控制变形和应力的目的；动态温差拉伸包括强制冷却法 2 、随焊激冷【2 2 2 7 1 、沿焊缝两侧全长加热法【2 8 3 1 、热平衡法 3 2 1 ，其原理都 是利用温差对焊缝及其近缝区金属进行拉伸。 1 2 1 9 磁处理降低应力法经磁场处理后，焊接的残余应力曲线有一定程度的 整体下移，但应力降幅不是特别大，多次处理的结果好于单次处理【3 3 3 4 】。 1 2 1 1 0 爆炸消应力法爆炸法适合于形状比较规则的焊接构件，对于大的板 件尤其适合，但本方法对工件表面质量要求高、准备时间长且有一定危险性， 哈尔滨丁业大学工学顾l 学位论文 限制了其应用范围1 3 5 , 3 6 】。 1 2 1 1 1 逐点挤压法其原理与焊后锤击相似，通过焊后逐点挤压接头区金属 使其充分延展，补偿焊接过程中产生的压缩塑性变形，达到校正焊接变形的目 的。这种方法原理清晰，效果明显，但是其生产效率十分低下，只适用于单件 或极小批量的生产。 1 2 1 1 2 随焊冲击碾压随焊冲击碾压装置主要由动力源( 气锤) 、冲击传力 杆、冲击碾压轮后座和冲击碾压轮组成。气锤活塞以一定频率( 5 0 1 0 0 h z ) 上 下运动，冲击力通过冲击碾压轮后座与冲击碾压轮之间的配合曲面，传递到前 后冲击碾压轮，并最终作用到工件上，对焊后尚处于高温状态的焊趾和焊缝区 金属施加冲击碾压作用，迫使这部分金属沿着需要的方向发生塑性变形流动， 从而达到降低应力、减小变形、防止热裂纹的目的【3 7 3 9 】。 r a c h i h o s k i 指出熔池后方的压应力主要是由于金属从前方向后方的塑性 流动引起的。离熔池较远的焊缝后方，应力由压应力变为拉应力【删。 1 3 紫铜焊接的研究现状 表1 - 1 紫铜的化学成分 化学成分 组 牌号代号 主要成分杂质不大于 别 c upm nb ip bspo 总和 t 】 0 0 0 200 0 50 0 0 50 0 0 10 0 200 5 c 1 1 0 0 0 9 9 9 5 纯 t 2 0 0 0 200 0 50 0 0 50 0 60 1 9 9 9 0 铜 0 0 0 2o r o l0 0 l0 10 3 l 9 97 0 c 1 1 3 0 0 l 0 0 0 30 0 50 0 l0lo5 9 9 5 0 t u 、 00 0 200 0 500 0 500 0 30 0 0 300 3 c 1 0 2 0 0 9 99 7 无 t u 2 00 0 200 0 5 0 0 0 50 0 0 30 0 0 300 5 氧 9 9 9 5 铜 t u p 0 0 1 00 0 300 l00 l0 0 1 0 4 9 c 1 2 2 0 0 9 9 5 00 0 4 0 l t u m n0 0 0 20 0 0 500 0 70 0 0 303 0 9 9 6 003 铜具有面心立方晶格( 晶格常数a = o 3 6 0 7 5 n m ) ，与其它一切具有面心立 方晶格的金属一样，具有非常好的加工成形性。铜密度为0 8 9 1 0 4 k g r n 3 ， 约是铝的3 倍。它的导电性和热导率略低于银，但约是铝的1 5 倍。铜及铜合 哈尔滨工业大学工学硕r l 学位论义 金可以分为紫铜( 工业纯铜) 、黄铜、青铜及白铜等。紫铜为铜含量不小于 9 9 5 的工业纯铜，其具有极好的导电性、导热性，良好的常温和低温塑性， 以及对大气、海水和某些化学药品的耐腐蚀性。紫铜在4 0 0 7 0 0 c 的高温下强 度和塑性显著降低，在热加工时应引起重视。紫铜的化学成分见表1 1 。 1 - 3 1 紫铜的焊接性 由于铜的导热率高，热膨胀系数大，凝固收缩值大，液念时对氧的活泼性 高，氢在其中的溶解度大等原因，铜的焊接是困难的。铜的性质决定了它在焊 接过程中产生强烈的应力和变形、焊缝形成气孔和裂纹的倾向高。 许多铜合会是用冷作加工进行硬化。当温度超过1 0 0 时将引起这些铜合 金的软化。焊接之后，热影响区比相邻母材软并且弱。对于某些经冷作加工的 合金，此区还可能有热裂纹倾向。 铜的焊缝具有显著多孔性的特点，这是由于在金属冷却和结晶的过程中从 其中析出气体而造成的。铜的熔点比较低而导热率高大大地加速了焊接时金属 冷却和结晶的过程，这妨碍了弧柱中卷入的或溶解的气体从焊缝金属或近缝区 析出。残留在金属中的气体可能在金属中造成气体的过饱和溶液或造成气孔。 过饱和溶液的形成会导致裂纹，因为铜在高温下的塑性低，气体从过饱和溶液 中析出时的压力可能使铜产生破坏【4 1 1 。预热焊件、降低焊接速度、采用相应的 焊剂、合理地选择保护气体和其它工艺措施，能够达到排除焊缝中多孔性的目 的【4 2 1 。 铜及铜合金焊缝中的热裂纹可能是由于在产生拉伸应力时晶间存在液态层 或者晶间物的强度不够所引起的。所以与铜形成低熔共晶的铋和铅会促使铜 焊缝中形成裂纹。含铋和铅的焊缝金属的结晶过程实际上是在铋和铅的熔点 ( 相应为2 7 0 和3 2 7 ) 时结束。铜和铋或铅的液态共晶薄层沿晶间一直保 持到如此低的温度会使金属的晶粒分离，导致其密实性破坏。 铜的可焊性在很大程度上与其含氧量有关。铜和氧的相互作用在室温下就 已开始。加热到1 0 0 就在铜的表面形成黑色的一氧化铜膜，其形成膜的厚度 与时间的对数成正比。在高温下，铜氧化的速度剧烈增大，在表面生成致密的 红色氧化亚铜膜。此时不会形成一氧化铜，因为它在高温下完全分解为氧化亚 铜和自由氧。纯铜含氧量严格限制的一个重要原因是氧能引起铜的“氢病”。 所谓氢病就是含氧铜在还原性气氛( 如h 2 、c o 、c h 4 等气体介质) 中退火时 发生自动变脆或开裂的现象。这种现象的产生是由于退火时氢及其它气体渗透 哈尔滨工业大学工学硕七学位论文 到铜的内部，与铜中所含的氧作用，形成水蒸汽或c 0 2 ，这也是产生气孔的主 要原因( c u 2 0 + h 2 = 2 c u + h 2 0 ；c u 2 0 + c o = 2 c u + c 0 2 ) 。从铜的可焊性观点来 看，氧的影响是最不利的f 4 ”。 1 3 2 材料特性值对焊接残余应力和焊接变形的影响 熔化温度t 。对焊接残余应力和焊接变形的影响是同向的，即较高的熔化温 度引起较高的应力和较大的变形。单就t 而论，铝合金较能适应焊接，而钛合 金的适应性则较差，铜介于两者之削。 热扩散率日对焊接应力与变形有着同向影响，它表征瞬时热传导过程中的 热均匀化速率，口= 州c p 。就a 而论，较小的i 配以较大的c j 口特别适合于钢 材或钛合金而对铝、铜不利。 热膨胀系数c l 对焊接应力与变形也产生同向影响且特别明显，就t 7 而论， 钛合金较能适应焊接而铝合金相对较差，铜及铜合金介于两者之间。 弹性模量e ( 包括较少变化的泊松比v ) 增大时焊接残余应力随之增大， 而焊接变形随之减小，不稳定现象( 翘曲) 尤其可因弹性模量较大而受到抑 制。就此而论，焊接铝材时残余应力会较低，但变形较大：而焊接钢、钛和铜 则残余应力较高，变形较小。 屈服极限对焊接残余应力与焊接变形的影响与弹性模量类似。 可用焊接适应性指数以( 相对于焊接应力) 五( 相对于焊接变形) 来作 出综合性评定，乃和a 。两者表明了所论材料与某一参考材料( 下两式中带星 号者) 相比，见各有关特性参数的乘积叠加与比值关系，即 以= 筹等以= 糍 通过计算，铝合金与铜合金的焊接适应性一般说来较差，不同材料的材料 特征值见表1 2 。 焊接残余应力( 在应力水平与作用范围两个方面) 和焊接变形均可因预热 而得以减小，其原因( 不计因加热而产生的组织转变影响及温度随时间下降而 产生的影响) 可由上两个公式所示焊接适应性指数加以说明。预热时两式中熔 化温度t 。应由温度差t 。一t p ( t p 为预热温度) 代替，其余材料特性值( 无星 号者) 也应是预热温度时的数值，且相对于温度差t m t d 变化不大。这样一 来，提高t 。和降低t n l 便会使x 。和 。增大，同时焊接热输入和熔化区宽度也 哈尔滨工业大学t 学硕士学位论文 得以减小。因此，预热对于热扩散率较高的铜及铜合金( 预热温度一 8 0 01 01 0 高合金钢2 5 0 5 5 0 8 0 01 0 70 8 6 铝合金8 0 2 8 0 6 0 0o 2 80 0 1 钛合金 5 0 0 一7 0 0 2 2 0 0 8 1 31 0 8 铜合金3 0 4 2 0 8 0 0 o 1 00 0 2 镍合金 1 2 0 6 3 0 8 0 00 4 90 4 3 1 3 3 紫铜的焊接方法 1 3 3 1 电弧焊钨极气体保护焊最适用于连接厚达3 2 m m 的工件。当在非平 焊位置焊接时，采用这种方法对于较厚的截面可能是有优越性的。焊接厚度 1 5 r a m 的工件，最好采用氩气保护。焊接较厚的工件，用氩气保护时要求采用 低的行走速度和高的预热温度。厚度 1 5 m m 的工件，最好采用氦气。该焊接 熔池的流动性较好并且较清洁，混入氧化物的危险明显减小。与氩气相比较， 在相同焊接电流下，使用氦气是熔深较大或行走速度较快。这些气体的混合气 体产生介于中间的焊接特性。对于平焊位置以外的焊接位置，6 5 7 5 氮一氩 混合气体，能得到介于使用氦气时的熔透特性和使用氩气时容易控制两者之间 的一种良好的平衡。 铜的热导率高并且从接头区快速将热量传给部件和夹具，使得它难以给出 适用于所有用途的焊接工艺参数，尤其是行走速度更是如此。在行走速度合适 时，应相应地调整其它的焊接工艺参数，以产生所希望的焊道的形状。采用机 械化焊接时，通常限制行走速度的是焊道的形状。速度过快时，焊道形状有凸 起很高倾向，造成沿边部焊不着1 4 4 j 。 1 3 3 2 氧乙炔焊相对地氧乙炔焰的热输入比较低，使得焊接速度相对地比电 弧焊慢。为了补偿低的热输入，可能需要较高的预热温度或辅助热源。氧乙炔 焰对焊接区的防大气的保护不是很好。只应该用于少量而要求不严格的场合。 1 3 3 3 电阻焊用电阻点焊和缝焊连接铜和高铜台金是非常困难的，因为它们 的电导率和热导率高。点焊需要很高的电流密度，但这又会弓1 起电机过热、电 极与工件粘连并且很快磨损。因此，不推荐用点焊和缝焊连接这些材料【“j 。 1 3 3 4 钎焊分为软钎焊和硬钎焊，其很容易连接铜及铜合金，但钎焊接头的 强度比较低，装配要求比熔化焊接高，要保证严格的间隙【4 引。 1 3 3 5 搅拌摩擦焊当焊接规范合适时，用搅拌摩擦焊方法焊接6 r a m 厚的t 2 紫铜板，可得到成形美观、内部无缺陷、几乎无变形的平板对接接头。抗拉强 度可达到母材的9 0 。其缺点是对于厚度过大和过薄的构件无法焊接；相对于 熔焊，搅拌摩擦焊的焊接速度不是很高；被焊工件必须要加紧固定；需要在焊 缝背面加垫板；在焊接结束时会留下一个4 , 孑t t 4 酬。 此外，还有电子束焊、摩擦焊、冷压焊、热压焊、扩散焊、超声波焊、激 光束焊和高频电阻焊等1 4 7 , 4 8 j 。 1 4 控制不预热紫铜焊接质量新工艺方法的研究方向的确定 综合考虑各种焊接方法的优缺点及本课题的特点，采用t i g 焊焊接紫铜， 紫铜t i g 焊接需要解决的问题是：裂纹、软化和变形问题。而由于软化、裂纹 和变形要同时解决，而温差拉伸、局部加热等会加大软化问题。而碾压法设备 过于庞大，超声波振荡受到现有条件的限制，设备复杂。只有冷却、预置应 力、和锤击，能同时解决上述问题，但冷却对于导热性能良好的紫铜效果不明 显。 1 5 本课题的主要研究内容 本课题是国家高技术计划- - 8 6 3 项目，主要针对不预热紫铜焊接新工艺进 行研究，拟采用t i g 焊方法，对随焊锤击和预置应力新工艺与常规焊进行对比 分析，主要开展了以下几方面的研究工作： 1 。模拟随焊锤击和预置应力工艺焊后最大残余拉应力较常规焊是否降低。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 随焊锤击一体化试验设备的设计与制造。 预置应力试验设备的设计与制造。 随焊锤击与常规焊对比分析，研究随焊锤击工艺控制薄板应力、变形、软 化及对组织和力学性能的影响规律。 预置应力与常规焊对比分析，研究预置应力工艺控制薄板应力、变形、软 化及对组织和力学性能的影响规律。 哈尔滨工业人学工学硕士学位论文 第2 章随焊锤击和预置应力工艺可行性分析 从应用角度分析焊接残余应力和变形的主要特征是分别说明焊接的热过 程，力学过程及显微组织的变化过程，应力和变形的基础是焊接温度场。但 是，只是在个别情况下，才同时考虑温度场及显微组织变化联合作用对应力变 形分析的影响【5 】。本文从应力角度分析随焊锤击和预置应力工艺的可行性，只 要残余应力降低，就从理论上说明了其是可行的，就有进一步进行试验的意 义。下面通过模拟分析随焊锤击工艺和预置应力工艺焊件残余应力是否降低。 2 1 随焊锤击工艺可行性分析 2 1 1 锤击过程模型 为了提高计算的精度，对于所研究的紫铜平板模型进行了三维网格划分， 并且在主要的研究位置即焊缝中心线附近位置的单元进行了细分。对于远离焊 缝中心线区域，温度变化不是很剧烈，因此为了节约分析成本和计算时间，越 远离焊缝中心线的位最，单元尺寸越大。在模型的厚度方向进行均分，菸分为 四层，单元总数为8 2 0 0 ，节点是1 0 3 4 2 ，如图2 1 中的所示。图中表示工 作台，在模拟过程中，将其设成接触体中的刚体，它起到支撑作用。 尺寸：6 0 0 r a m 3 5 0 m m 15 m m 图2 - 1 随焊锤击的有限元模型 啥尔滨工业大学工学硕十学位论文 2 1 2 模型材料参数 材料的物性参数是模拟过程中最重要的物理量之一，其选取的正确与否， 对模拟结果的准确起决定性的作用。从目前的文献来看，对紫铜材料的物理性 能研究主要集中于相对较低的温度区间( 室温到1 0 0 ) ，除个别常用材料外， 对其他材料的高温物理性能( 接近熔点及熔化后) 参数研究还比较少，这也是 目前数值模拟工作的难点之一。本文采用的参数部分利用了文献 1 】的数据，高 温参数通过将其低温物性参数曲线予以适当的外延，或将已知的低温物性参数 点进行曲线拟合的方法获得。表2 1 是紫铜的物理性能参数与力学性能参 数。 表2 - 1 紫铜的材料参数 熔点密度弹性模量 屈服强度 热导率比热容线膨胀系数 材料泊松比 ( o c )( g c m )( 0 m e a ) ( m p a ) w ( m - o o 】 j ( g o c ) 】( 1 0 6 k ) 紫铜 1 0 8 38 9 4o 1 0 83 7 2 4o 3 1 - - 0 3 43 9 0 0 3 8 4 1 6 8 2 1 3 锤击过程边界条件 模型初始温度取环境温度即t = 2 9 8 k ，施加在模型单元的所有节点上。 以电弧引燃时刻为起始时刻，焊接过程采用移动的椭球形热源进行模拟分析， 热源的移动速度即焊接速度为o 0 0 5 m s ，在随焊锤击分析过程中，锤击开始时 刻滞后于电弧引燃时刻，并随焊接热源同步运动。另外，锤击的尺寸为： 0 0 0 5 m 0 0 0 2 5 m ，锤击力是1 0 m p a 。在m a r c 中，锤击力利用f a c el o a d 力p r e s s 选项施加。 下面是在数值模拟过程中采用椭球形移动热源模型的表达式： c q ( x ，j ，z ，) = 6 _ q 3 f qp 4 2 a 2 e - 3v 2 6 2 e m 把帆2 ( 2 1 ) 厢“、7 v 一焊接速度：a 一焊接热源的滞后时间； q 一热输入率：a 、b 、c 一参数，a = 0 0 0 5 m 、b = 0 0 0 4 m 、c = 0 0 0 5 m 2 1 4 锤击过程的数值模拟 图2 2 为锤击过程z 方向外加力在不同时刻的示意图。常规焊与随焊锤击 焊后纵向应力场对比如图2 3 所示。从图中可以看出，采用随焊锤击工艺时最 大纵向残余拉应力比常规焊明显降低。 图2 - 2 锤击过程示意图 常j | ! l ! 焊 随焊锤击 图2 - 3 常规焊和随焊锤击1 艺纵向席力场对比 2 2 预置应力工艺可行性分析 在对预置应力的可行性进行分析时，其模型、材料参数、焊接热源参数和 焊接速度等参数均与随焊锤击过程的相同( 详见2 1 节) 。在模拟过程中，预置 应力通过f a c el o a d 力p r e s s 选项施加平板的两端，预置拉应力的大小为 0 3 0 - 。常规焊和预置应力焊件纵向应力场对比如图2 - 4 所示。从图中可以看 晴尔滨t 业大学t 学坝 ：学位论文 出，采用预置应力工艺时最大纵向残余拉应力比常规焊显著降低。 2 3 本章小结 常规焊预臂应力 图2 - 4 常规焊与预置应力纵向残余应力对比 1 进行了随焊锤击和预置应力工艺的残余应力分析。 2 从模拟结果可以看出，采用随焊锤击和预置应力工艺使焊件的最大纵向残 余拉应力值较常规焊明显降低，为下一步的工作奠定了基础。 哈尔滨工业大学_ t 学硕十学位论文 第3 章试验设备的设计 任何实验都必须在一定的条件下进行，其中试验设备是必不可少的。在现 有设备不能满足要求的情况下，就必须进行试验设备的设计和对已有的设备进 行改造。下面就随焊锤击和预置应力试验设备和对原有设备所作韵改造进行分 析。 3 1 隧焊锤击试验设备的设计 随焊锤击工艺在控制铝合金和钛合金时取得了较好的控制焊接变形的效 果，有效地减少了铝合金焊接热裂纹的产生，同时锤击部位的硬度有所提高 4 8 , 4 9 。通过前面的数值模拟预测了锤击工艺能有效地降低不预热紫铜焊件内的 纵向残余应力，从而起到控制焊接变形的目的，根据前人的经验和模拟的结 果，用随焊锤击工艺控制焊接变形是完全可行的。 现有的随焊锤击设备是焊件( 工作台) 移动而焊枪和锤头固定不动，但是 在很多情况下，要焊接构件移动是不可能实现的，这就需要焊件固定而焊枪和 锤头移动，于是进行了随焊锤击锤枪一体化机构的设计。 随焊锤击试验设备设计遵循的原则：( 1 ) 焊件不动，设备运动：( 2 ) 锤枪 距可调；( 3 ) 锤头和焊枪相对焊件高度可调；( 4 ) 适用于不同的焊缝宽度； ( 5 ) 锤头拆卸方便；( 6 ) 尽量使用原有的设备，尽量小的改动。 3 1 1 随焊锤击试验设备整体设计 图3 1 是随焊锤击试验设备的整体图，由图可以看出随焊锤击试验设备 主要由焊机、氨气瓶、气泵、油压机和操作机构组成。焊机、气泵、油压机、 焊接操作台等设备是现有设备，焊机是c o m p a 5 0 0 、气泵最大气压是l m p a ( 1 0 个大气压) 、油压机最大油压为1 0 m p a ( 1 0 0 个大气压) ，可以直接利用或 只需稍加改造。主要是针对随焊锤击锤枪一体化机构进行设计，其中图3 - 2 为 图3 1 中红色圆圈的放大图形，随焊锤击锤枪一体化机构是通过捆绑式固定在 现有的操作台上的，图3 3 是随焊锤击锤枪一体化机构，主要由底座、锤 腔、气锤、锤头、焊枪连杆、万向节和焊枪构成。 下面主要就随焊锤击锤枪一体化机构的设计进行分析。 墨尘堡三些尘兰三兰堡! ：耋堡丝兰 焊机氩气瓶气泵油压机 操作机构 图3 1 随焊锤击设备整体图 图3 - 2 随焊锤击锤枪一体化机构 与操作台连接方式 底座锤腔气锤锤头焊枪连杆 万向节焊枪 图3 3 随焊锤击锤枪一体化机构 哈尔滨工业大学工学硕十学位论文 3 1 2 随焊锤击锤枪一体化机构的设计 除遵循上述原则外，要保证焊接的稳定性，锤枪一体首要关心的是刚度， 要尽量避免周期性锤击带来的振动对焊枪的影响。同时考虑到现有设备安装空 间小的特点，在保证安装和良好运行的情况下，尽量大的刚度。 3 1 2 1 底座的设计图3 4 是底座的三维立体图形，其宽度是根据图3 2 中丝 杠与光杠之间的距离确定，整体采用捆绑式与操作机构连接，是出于操作机构 不易：j n t 和整体刚度考虑，捆绑部位预留了一定锤枪高度可调量，采用尽量长 的捆绑距离，增强刚度和抵抗锤击时产生的向上转矩。背面的半圆形凹槽是因 为操作机构捆绑部位有一圆形突起。 a ) 图3 4 底座 b ) 以往的锤击设备气锤采用的是固定式连接，即将气锤安装后旋入弹簧，拆 卸很不方便，随焊锤击一体化构件采用旋转式易更换设计，如图3 - 5 a ) 所示是 锤击时的位置，握住锤柄逆时针旋转如图3 - 5 5 ) 所示，然后向上提起就可以很 方便地拆卸，如图3 - 5 c ) 所示。为了防止在锤击过程中，锤腔转动，蓝色挡板 边缘有销钉，如图3 - 6 所示。 底座前端的倾角，是为了尽量小的锤枪距，下端的螺纹孔之所以在下端而 没有在中部，在2 3 2 3 焊枪万向节设计中介绍。 背部底端缩短是因为捆绑高度有限，并需要预留随焊锤击一体化上下可调 空间。捆绑位置是凹槽设计，捆绑牢固。 哈尔滨工业大学工学硕1 。学位论文 图3 - 6 锤腔挡板 图3 - 5 锤头的拆卸方式 圈3 7 焊枪连杆 3 1 2 2 焊枪连杆的设计焊枪连杆如图3 7 所示，可以像如图3 - 7 a ) 方式连接， 也可以按如图3 - 7 b ) 方式连接，这样既可以节省空间，又可以给焊枪高度有一 个大的调整空间，同时，还要配合3 3 2 3 分析的万向节的连接。 3 1 2 3 焊枪万向节的设计焊枪万向节如图3 - 8 所示，在焊接厚板多道焊时， 需要焊枪有侧向偏角，在要求有较深的熔深时，需要焊枪向前倾斜，万向节可 以满足这样的要求。万向节旋转球通过两个对称的球面槽间隙配合，配合间隙 由两侧的调节片调节。万向节旋转球上为红色的锁紧螺钉，用于锁紧焊枪，万 向节右侧面为红色的锁紧螺钉，用于锁紧万向节旋转球。万向节通过左侧面和 右侧面的螺杆固定在焊枪连杆上，焊枪连杆两侧用螺母固定，内侧有薄螺母， 万向节可带动焊枪进行侧向移动，有利于对中时的调节，如图3 3 所示。底座 前端的倾斜面就是为了让万向节沿焊枪连杆向锤头移动尽量近的距离，以获得 小的锤枪距，最小锤枪距为2 3 m m ，如果焊枪向后倾斜可获得更小的锤枪距。 3 1 2 4 锤腔的设计锤腔如图3 - 9 所示，主体部分是由棒料抠成，将气锤放入 腔内固定，在腔体内上下表面垫有橡胶垫，用来缓冲锤体对随焊锤击一体化设 哈尔滨工业大学 二学硕1 ：学位论文 备的冲击。锤腔下端的两个小翼，是用来安装在底座上的旋转翼。 图3 - 8 焊枪万向节图3 - 9 锤腔 3 1 2 5 锤头的设计圆形锤头具有安装精度要求低，结构简单，适合不同环境 的变化，通用性好等优点，可以形成一整套标准件，以适应焊接条件的变化。 图3 - l o a ) 是小圆锤头，其锤头形状与成型槽相吻合；b ) 是小平锤头，其宽 度与成型槽宽度基本一致，边缘有圆形倒角，使锤击部位与未锤击部位平缓过 渡，a ) 和b ) 主要用来锤击焊缝金属；c ) 是大平锤头，由于本实验采用表面熔 焊，焊缝金属向下凹陷，大平锤头的锤头形式是用来锤击近缝区金属；d ) 是大 圆锤头，同样是由于本实验采用表面熔焊，用来锤击近缝区金属。通过锤击不 同部位，进行对比分析，了解锤击不同部位对控制焊接变形和残余应力的影 响。e ) 是阶梯式锤头，是在试验过程中，发现紫铜的塑性和延展性特别好，出 现锤头下陷、紫铜被锤击部位在锤痕边缘出现突起现象而无法有效延展，使控 制焊接变形的效果不明显，基于此而设计的一种锤头形式，可以有效地防止锤 痕边缘的突起现象，防止锤头下陷，使被锤击部位金属有效延展，有效地控制 焊接残余应力和焊接变形，其锤击过程如图f ) 所示，其详细内容在第四章随焊 锤击中详细介绍。 3 1 2 6 锤击形式的改进如图3 - 1 1 所示，图中给出了锤头自由状态时的位 置，改进前锤击焊件时锤头的位置和改进后锤击焊件时锤头的位置，改进原因 详见第四章随焊锤击。 兰堡堡三兰查兰三