（材料加工工程专业论文）铜钢熔敷焊质量检测方法与规范标准研究.pdf

硕士论文 铜钢熔敷焊质量检测方法与规范标准研究 摘要 本文分析研究了熔敷焊焊接工艺特点，对铜钢熔敷焊接缺陷进行了分类，探讨了焊 接缺陷产生机理，试验研究了焊接工艺条件与接头质量的关系，得出了最易产生焊接缺 陷的技术条件，并设计了相关焊接工艺试验，获得了气孔、夹渣、未焊合等典型缺陷样 本。 分析研究了数字超声系统脉动噪音产生的原因，提出接地、伺服电机屏蔽和设备重 置等方法，解决了噪音干扰以及信噪比低的问题；考虑到高速生产条件下，工件装夹不 可能完全对中的问题，提出了探头高度自适应调整的设计思想，采用焊缝高度跟踪原理， 研制了探头的自适应装置，解决了探头与工件距离不恒定的技术难点。 对超声c 扫铜钢熔敷焊缺陷检测工艺参数进行了分析研究，发现脉冲宽度和重复频 率对缺陷波有较大的影响，通过反复多次试验，得到了最优的参数范围；对单晶直探头 与水浸探头进行了对比试验研究，选择了频率为1 0 m h z 水浸探头，检测效果相对最为 理想，同时基于检测时间和检测质量的要求，工件旋转伺服电机转速为1 2 0 0 s 。 分析研究了铜钢熔敷焊接头使用过程中承载状况，提出了熔敷焊接头质量检测方法 和参数体系，主要包括外观、接头力学性能以及铜钢连接体内部缺陷的检测。采用渗透 探伤检测钢管表面缺陷，采用全截面抗剪强度试验方法，检测接头结合强度；采用微观 组织分析方法检测接头微观缺陷、组织及成分，采用射线和超声检测等方法检测焊接接 头内部缺陷，建立了铜钢熔敷焊接头的初步质量检测规范体系。 关键词：铜钢熔敷焊，自适应，质量检测，标准规范 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t e c h n o l o g yc h a r a c t e r i s t i c so fc o p p e ra n ds t e e l r e - m e l tw e l d i n gw e r e a n a l l i r z e da n ds t u d i e d w e l d i n gd e f e c t sw e r ec l a s s i f i e d t h ed i s c u s s i o na b o u tt h em e c h 锄s m o fw e l d i n gd e f e c t sw e r em a d e t h er e l a t i o n s h i po ft h ec o n d i t i o n so fw e l d i n gt e c h n o l o g ya n d q u a l i t yw a ss t u d i e d b a s i n go na n a l y s i so ft e s t i n gr e s u l t s ，w e l d i n gt e c h n o l o g ym o s t l i k e l yt o p r o d u c ed e f e c t sw a so b t a i n e d w e l d i n gt e c h n o l o g yt e s t st or e c e i v et h es a m p l eo fp o r e s ，s l a g i n c l u s i o n s ，a n dr i ob o n d i n gd e f e c t sh a v e b e e nd e s i g n e d c a u s e so fd i g i t a lu l t r a s o n i cs y s t e mn o i s ew e r ea n a l y z e d t h eg r o u n d i n g ，s h i e l d i n gs e r v o 瑚【o t o 璐龇1 de q u i p m e n t ，a n do t h e rm e t h o d sw e r eu s e dt or e s o l v et h en o i s ei n t e r f e r e n c ea n d p 1 0 ws i 簿试t on o i s er a t i o t a k i n gi n t oa c c o u n tt h eh i g h - s p e e dp r o d u c t i o nc o n d i t i o n s ，t h e w o r k p i e c ei nt h ef i x t u r ec a nn o tb ec o m p l e t e l yo nr i g h tp l a c e ，s oap r o b eo fs e l t 。a d a 社1 v e s v 妣m 、a sd e s i g n e d t h eu s eo fs e a mt r a c k i n gd e v i c ew a sd e v e l o p e dt op r o b e t h ea d 印t 1 v e d e v i c e st os o l v et h ed i s t a n c eb e t w e e nt h ep r o b ea n d t h ew o r k p i e c ew a sn o tc o n s t a n t p r o c e s sp a r a m e t e r so fc s c a nu l t r a s o n i ct e s t i n go fc o p p e ra n ds t e e lr e 。m e l t w e l d i n g d e 触w e r ea n a l y z e d ，s u c ha st h ep u l s ew i d t ha n dr e p e t i t i o nf r e q u e n c yh a v eg r e a t e ri m p a c to n d e 矗烈w a v e t h r o u g hr e p e a t e dt e s t s ，t h eo p t i m a lp a r a m e t e r sh a v eb e e ng o t s i n g l ec r y s t a l n o r m a jp r o b ea n dw a t e r - l o g g i n g u l t r a s o n i cp r o b ew e r ec o m p a r e db yt e c h n o l o g i c 2 l l e x p e i i e n c e s a sr e s u i t ，p r o b eo fio m h zw a sc h o o s e dw i t hm o r ei d e a ld e t e c t i n ge 虢c t s b a s i n go nr e q u i r e m e n t so ft h et e s t i n gt i m ea n d t h eq u a l i t ya n d ，s p e e do ft h e1 稃s e r v om o t o r w a s1 2 0 0 | s b va n a l y z i n ga n ds t u d y i n gt h ep r o c e s so fc a r r y i n gc a p a c i t yo fc o p p e r a n ds t e e lr e 。m e n w e l d i n gj o i n t si na r t i l l e r yf i r e ，t h es y s t e m w i t hm e t h o d so ft e s t i n gw e l d i n gq u a l i t ya n d p a 瑚m e t e r sw 邪r a j s e d ，i n c l u d i n ga p p e a r a n c e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，a n di n t e m a ld e f e c t s i n w e l d e dj o i n t s 一 s h e a rs t r e n g t ht e s t i n gw a s u s e dt od e t e c tj o i n tb o n d i n gs t r e n g t h ；t h e n s eo f m e t a l l o g r a p h i ca n a l y s i sw a su s e dt o d e s e r v em i c r o s t r u c t u r eo ft h ej o i n ti n t e r f a c ea n dt h e c o m p o s i t i o n ；r a d i o g r a p h i ct e s t i n ga n du l t r a s o n i ct e s t i n gw e r eu s e dt o d e t e c tt h ed e t e c t i i l s i d ew e l m gj o i n t ；p e n e t r a n tt e s t i n ga l s oc a nd e t e c tt h ep e r f o r m a n c e ， b u i l tap r e l i m l n 哪 q u a l i t yt e s t i n gs y s t e m ， k e y w o r d s ：r e m e l tw e l d i n g s e l f - a d a p t i v es y s t e m ，q u a l i t yt e s t i n g ，s t a l m a r d i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：逢差醯 碲铜节日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 逢主酉 砷年月和 硕士论文铜钢熔敷焊质量检测方法与规范标准研究 1 绪论 1 1 铜钢熔敷焊 1 1 1 铜钢熔敷焊的意义 在航空( 天) 、机械电气制造和兵器制造业中【l ，2 1 ，为改善钢材的导电、导热性能和表 面硬度，须在钢基体表面熔敷铜及铜合金层，其厚度从几十微米到十几毫米。不仅要求 熔敷层与基体实现冶金结合和很高的结合质量，而且要求无稀释现象，常规的电弧堆焊 稀释率往往大于1 0 ，即便带极堆焊也有相当大的稀释率。近年发展的激光表面熔敷也 存在一定的稀释率。因而研究高质量、高效率、超薄熔深( 无熔深) 的熔敷焊接工艺方法 具有重要的实际和理论意义。 1 1 2 铜钢熔敷焊超声检测的意义 铜钢熔敷焊技术是南京理工大学焊接教研室的专利技术，主要应用于无槽薄壁焊接 当中，熔敷焊接头在高速运动过程中将承受很大的载荷，是关键的承力部件，焊接质量 的好坏直接影响高速运动稳定性和安全性，只有研发焊接缺陷无损检测技术、建立质量 检测体系，才能真正使熔敷焊接技术大量应用于生产，实际生产中必须应用适当的方法 1 0 0 检测出焊接接头中各种缺陷和接头性能，以保证使用性能和使用安全性。 熔敷焊是目前铜钢异种金属焊接领域研究的发展方向之一，焊接过程中熔池易产 生气孔、夹渣、未焊合等缺陷，缺陷的存在使得焊缝承载面积减少，承载强度和抗冲击 性能下降，对焊缝的力学性能【5 1 产生不利影响。因此，采用无损检测的方法判断缺陷存 在及其具体信息是亟待解决的难题之一。传统的a 型显示超声检测技术对缺陷的位置、 大小和性质的检测完全依靠操作者的技术和经验，给检测结果增加了不确定因素。此外， 随着大工业自动化程度的提高，要求把无损检测技术直接运用于生产线，以便能够实现 在线缺陷检测和识别【3 ，4 1 。而超声c 扫描检测【1 睨1 1 是一种以图像形式显示铜钢界面结合 情况的检测方法，它能直观精确地给出界面上的缺陷大小、位置、数量、分布等数据， 而且相对a 型检测，超声c 扫描更容易实现实时、自动检测。这在以后的实际生产中， 能大大提高劳动生产效率，确保检测的可靠性【6 】。 1 1 3 铜钢熔敷焊质量检测体系研究的意义 在焊接接头质量检测中，单一的检测方法不能够全面的反应焊接接头的所有的质量 情况，譬如：包括外观尺寸( 含变形) 的检测只能反应宏观，而不能反映力学性能及微 观组织；力学性能分析( 剪切或抗拉试验以及硬度试验) 以及微观组织成分的分析，都 是破坏性检测，只能反应是否满足力学性能要求，而不能同时保证焊接接头所需要的装 l 绪论硕士论文 配尺寸；射线探伤或者超声探伤p 1 1 j 在实际的检测中都会有对不同缺陷的侧重点。所以， 针对同一个焊接工艺，焊接接头是否能够同时满足宏观、微观、力学性能，焊接接头内 部缺陷是否能够超标等要求，没有标准可依，现阶段还是一段空白。所以，将质量检测 方法与检测指标建立一一对应的关系，根据焊接材料的力学性能要求等建立完整的质量 检测体系，同时反应宏观与微观的质量需求。 1 2 国外研究现状和技术发展趋势 五、六十年代，西方国家已经采用“堆焊 f 7 】技术焊接铜钢连接体与钢管，其 x m 7 1 0 e 1 、m p t s l 0 5 m m 就有堆焊加工工序的相关报导。堆焊工剖1 2 】作为较早的铜钢连 接体与钢管连接工艺，国内在七、八十年代也曾对此种工艺进行过研究，未获得成功， 其主要的问题在于铜钢连接体中出现渗铁( 泛铁) 、界面结合和基体熔化的矛盾和过程 稳定性等。由于堆焊是以钢管作为电弧的一个电极( 一般为阳极) ，钢管的“熔化”在 所难免，同时不能避免电弧直接对工件加热，因此渗铁( 泛铁) 成了堆焊工艺的技术难 点与影响焊接性能的重要因素。 铜钢连接体摩擦焊接7 0 年代曾有研究报道，美国m t i 公司( 生产摩擦焊机的公司) 也称其所研制的摩擦焊机可以用来焊接【l3 】铜钢连接体。 西方国家一直在对铜钢连接体技术进行深入研究，一种称为m s w 即m o l d s o l d i f i c a t i o nw e l d i n g ( 模中熔敷焊) 的焊接技术，据资料报道九十年代初由美国研制成 功，它主要应用在1 5 5 m m 直径钢管上。其接头铁含量分布和组织状态与俄罗斯航3 0 钢 管及南京理工大学所研制出的样品相类似，m s w 技术目前已经可以在1 5 5 直径上采用。 国外正在研究的铜钢连接体焊接技术还有其它如扩散焊、铜钢连接体耦合技术，激 光焊技术，火焰喷焊技术，电子束轴向焊接技术等等，这些方法均有较大的难度和局限 性，大都处在研究阶段，尚未达到应用程度。 俄罗斯苏_ 2 7 飞机航3 0 钢管己采用了焊接铜钢连接体的工艺，从实物解剖的照片 上可以看出结合界面平整光洁，未出现钢管熔化组织和熔化后边缘所具有的特征，也未 出现钢管铜钢连接体相互旋转和加压塑性流动的特征。由成分分析可知：铜铁成分变化 区域只有几十微米，且呈陡降特征。由上述分析可得出航3 0 钢管采用了熔敷焊接原理 焊接铜钢连接体，见图1 1 。但具体的工艺方法未见任何资料报道。兵总曾数次组团赴 俄罗斯、乌克兰考察铜钢连接体钢管药制造工艺技术，但唯有铜钢连接体焊接技术对我 国严格保密。据我国专家在以色列获得的信息得知，俄罗斯航3 0 铜钢连接体采用的连 接工艺为熔敷焊接工艺技术。 2 堡尘堡墨塑塑堕墅堡重量焦型立些生塑垫量堡型塞 一 “”糊凇雠8 图：芊秽黼篇燃茗钢撼懈酣错布 前苏联国家兵器行业己采用无槽铜钢连接体焊接结构，如乌克兰某厂采用焊接铜钢 连接体，焊接铜钢连接体的年产量可达几十万发，其铜钢连接体焊接界面微观组织见图 1 2 。兵科院、南京理工大学和5 1 0 3 厂与乌克兰洽谈过设各技术引进，终未获得成功。 1 3 研究内容 a 界面微观组织之一b 界面微观组织之- 二 图1 - 2 乌克兰大直径钢管焊接铜钢连接体微观组织 1 ) 熔敷焊接头性能检测方法及检测体系的分析研究； 对铜钢熔敷焊焊接接头的性能分析，总结了需要进行进行检测的相关指标，包括外观检 测、力学性能分析、焊接接头内部缺陷检测、以及微观组织分析等等 2 ) 常见缺陷产生的影响因素分析、典型缺陷试件制各及检测； 根据铜钢连接体的工艺，分析工艺参数可能会产生的缺陷，针对相应的缺陷进行试样的 制各，并采用微观和宏观的检测方法，涵盖了超声检测、渗透探伤、金相试验以及冲压 试验和硬度试验等等，进行综合的性能检测； 3 ) 自动超声c 扫检测系统优化及干扰消除： 对前辈研究的超声c 自动检测设备进行进一步的完善，包括探头与工件表面的距离的 控制，以及系统依然存在的噪声问题，采用在硬件完善和选取优异的检测参数来提高信 噪比，从而降低噪音在信号分析中的干扰。 l 绪论硕上论文 4 ) 焊接接头内部缺陷超声波形特征的识别、优化与验证； 综合射线探伤、渗透探伤与超声探伤，确定缺陷的性质，对超声c 扫的模式识别方法进 行验证。 5 ) 铜钢熔敷焊接头检测标准的初步研究 综合铜钢熔敷焊铜钢连接体的性能的分析，归纳总结，初步给出铜钢连接体熔敷焊的相 关质量检测指标的检测规范草案。 4 硕士论文铜钢熔敷焊质量检测方法与规范标准研究 2 铜钢熔敷焊 2 1 铜钢熔敷焊工艺原理 熔敷焊方法是指采用某种加热方式使预置在钢基体上的合金带或环( 本文试验采用 铜带和铜环) 局部或整体熔化与钢基体发生冶金结合，而钢基体不熔化的一种焊接方法。 熔敷焊既不同于熔化堆焊，也不同于钎焊。与电弧堆焊相比，其共同点是将熔化的金属 堆敷在基体金属表面，并在其上凝固结晶形成熔敷层( 堆焊层) ，因而它具有熔化焊的结 合性质。其不同点如下：电弧堆焊是将焊丝或焊条或焊粉在电弧中熔化，依靠熔滴过渡、 电弧推力等将熔化的液态金属铜堆敷在基体金属表面，电弧产生于电极和钢基体之间， 基体金属的熔化在所难免；而熔敷焊是将熔敷层原态铜金属带或圈预置于基体金属之 上，热源对熔敷层金属而非基体金属加热，基体金属仅受热传导和辐射热的作用，界面 温度较低，通过控制加热速率来控制熔敷层的温度梯度，进而控制界面温度，可保证基 体金属不发生熔化，而实现液态金属和固态基体的冶金结合。与钎焊方法相比，两者都 是固相与液相金属发生冶金结合，都依靠钎剂或保护剂去除界面的氧化物，都具有焊接 温度低的特点，但钎焊依靠毛细作用使钎料在去膜后的基体表面铺展并填满钎缝从而实 现焊接，而熔敷焊无钎料及填缝过程，熔敷金属作为母材全部熔化并与基体母材实现焊 接，熔敷金属在强制或自由状态下成形。 铜钢熔敷焊焊接是我国目前焊接研究的新领域，是铜钢连接体和钢管连接的新工 艺。通过采用熔敷焊工艺方法实现他们之间的连接，即在钢基体不熔化的情况下，在钢 的表面熔敷一层铜，并使钢基体和铜之间形成冶金结合的一种焊接方法。 2 2 铜钢熔敷焊工艺方法 2 2 1 感应熔熔敷焊 感应熔敷焊1 2 2 】是将铜带置于钢基体上，采用高频感应电源对铜进行表面加热，随着 加热深度的增加，铜由表及里发生熔化，当加热能量或波形特征或c c d 系统检测到铜 全部熔化成液态后，停止加热，液态铜在钢基体表面凝固结晶形成熔敷层，感应加热原 理示意如图2 2 1 所示。 2 铜钢熔敷焊硕士论文 图2 2 1 感应熔敷焊原理示意图 对于感应加热，由于其表面效应，先对铜带外表面层加热，待该层温度超过居里点 后加热层向内层延伸，由于铜的屏蔽效应，钢管并不产热，从上述分析可看出熔敷扩散 焊时钢基体只接受热传导的热作用，同时熔敷加热速度很快，因而从铜带至钢基体存在 相当大的温度梯度，铜温度高而钢管温度低，而钢的熔点要超过纯铜约4 0 0 ，超过黄 铜更高的温度，故可保证钢基体不发生熔化。 2 2 2 电弧熔敷焊方法 电弧熔化焊接【2 3 】方法采用等离子弧、压缩或t i g 电弧，对置于集体工件之上的金属 带或环( 在本文中取为铜带或铜环) 表面加热，使其熔化，并在基体工件表面凝固结晶 形成熔敷层的焊接工艺方法。电弧熔敷焊的方法装置原理图2 2 2 。电弧在钨极和铜带或 环带之间引燃，随着热量的传入、铜带或环带熔化形成熔敷液态金属，电弧加热面下降， 但只要焊接电流不超过临界值，则加热面始终高于基体表面，电弧始终产生钨棒和熔敷 层金属之问，基体金属间有适量保护剂消除基体表面的氧化物。本文试验采用了 w s e 3 0 0 t i g 焊电源，二种焊枪分别为普通的t i g 焊枪和自制p l h 一1 5 0 等离子焊枪， 保护气和离子气均为氩气。 曲网硼e 如m d l b ) r 咄蒯 图2 2 2 电弧熔敷焊示意图 2 2 3 气保护连续炉中熔敷焊方法 气保护连续炉中熔敷焊方法将铜带或铜环预置于基体金属之上，周边封闭，采用还 原性气氛或真空保护方式，送入连续炉中分三段逐步加热，第一次加热至5 0 0 0 c 保温， 第二次加热至8 0 0 0 c 保温，第三次加热至1 1 2 0 0 c 保温1 0 m i n ，随炉冷至2 0 0 0 c 以下出 6 硕士论文铜钢熔敷焊质量检测方法与规范标准研究 炉空冷，解热过程中铜全部熔化，随后，在保护性气氛下在基体金属表面冷却结晶形成 冶金结合。由于加热温度在1 1 2 0 0 c ，钢的固液相线最低温度是1 1 4 5o c ，t 2 铜的熔点 是1 0 8 4 0 c ，因而基体金属不发生熔化，铜带或铜环全部熔化并在封闭膜成形形成熔敷 层。炉中熔敷焊接过程在保护炉中进行，焊接过程异常稳定，表面光滑美观，但由于是 整体加热温度达1 1 0 0 0 c 以上，基体受热较为严重，因而应用将受到一定的限制。 2 2 4m s w 熔敷焊方法 m s w 熔敷焊方法在金属基体板或管待焊熔敷层处组装“成形模 与钢基体刚性连 接，其空腔部分即将成为熔敷金属层。焊接原理见图2 2 3 ，坩埚b 中装满熔敷层金属 加热熔化待用，坩埚a 中装满液态保护剂加热熔化待用。焊接时先将工件放入坩埚a 中保温，并将空腔部分填满液态保护剂，工件从坩埚a 取出后即放入坩埚b ，由于铜的 密度大于保护剂的密度，空腔中的液态保护剂全部为铜液置换，工件在坩埚b 容器中保 温一定的时间后却出空冷，液态铜在模中结晶成形完成熔敷焊接。将工件放入保护剂容 器中的工序有2 个作用：一是预热工件，使待焊接部位温度提高，保证工件进入液态铜 时，工件表面铜液不产生剧烈温度下降而造成未焊合和假焊合的现象，同时减少工件在 高温铜液容器a 中的停留时间；二是去除工件表面的氧化物，保证在铜液完全覆盖基体 金属前，基体金属表面不被氧化，保证了界面无夹渣、未焊合等缺陷。铜钢界面完整， 熔敷层未出现任何点状和面状剥离。 图2 2 3 熔铸烙敷焊不意图 2 2 5 熔化带极自动等离子熔敷焊接 熔化带极自动等离子熔敷焊接是将钢基体固定于变位机上，如图2 2 4 将金属带通 过送带轨道送入钢基体焊接区上方，采用铜电极对钢基体进行电阻预热，焊接电弧产生 于电极与金属带之间，电弧熔化金属带形成熔池，金属带在厚度方向上全部熔化，使熔 敷金属与基体金属形成冶金结合，利用喷粉装置在金属带与基体之间通过喷吹保护剂， 对焊接区进行有效的保护。焊枪在金属带上方做往返运动，当焊枪运行到金属带两侧时， 即沿金属带宽度方向完成一道焊接时，加紧钢基体的变位机沿送带方向旋转一定的量， 及旋转一个步进量，同时金属带也被带动沿切向方向运动，此时就进行下一道的焊接， 如此循环完成钢基体一周的焊接。 7 2 铜钢熔敷焊硕十论文 图2 2 4 熔化带极自动等离子熔敷焊接原理图 2 3 铜钢熔敷焊缺陷产生原因及种类 2 3 1 铜钢熔敷焊缺陷种类 铜一钢熔敷焊焊接过程是一个非常复杂的物理冶金过程，大量的工艺试验表明，熔 敷焊接头的主要缺陷有：气孔、夹渣、未焊合、裂纹、疏松缺陷。 气孔：气孔是指焊接时，熔池中的气体未在金属凝固f j 逸出，残存于焊缝之中所形 成的空穴。气孔从其形状上分，有球状气孔、条虫状气孔；从数量上可分为单个气孔和 群状气孔。群状气孔又有均匀分布气孔，密集状气孔和链状分布气孔之分。按气孔内气 体成分分类，主要有氢气孔、氮气孔、一氧化碳气孔等。熔敷焊接头按照气孔位置分， 包括表面气孔、熔敷铜层中的气孔、界面气孔三类。 夹渣：夹渣是指焊后溶渣残存在焊缝中的现象。夹渣可分为金属夹渣和非金属夹渣。 金属夹渣指非基体材料的金属颗粒残留在焊缝之中，习惯上称夹杂物。非金属夹渣是由 未熔的焊剂、硫化物、氧化物、氮化物等残留于焊缝之中形成的。夹渣的分布与形状有 单个点状夹渣，条状夹渣，链状夹渣和密集夹渣。 未焊合：未焊合是指熔敷金属与母材金属之间未完全熔化结合在一起的缺陷，主要 有： 1 ) 铜和钢界面铜全部或局部未熔化导致界面未发生冶金结合，严重时有较大 缝隙； 2 ) 钢表面氧化膜( 皮) 未能有效去除，导致界面未实现冶金结合。 裂纹：铜钢熔敷焊接头中的裂纹主要是指接头钢一侧产生在界面上钢侧产生裂纹。 2 3 2 铜钢熔敷焊焊接缺陷产生的机理及特征 熔敷焊接头常见的铜、钢物理参数见表2 3 1 ，铜、钢的焊接由于其物理性能的不同， 作为异种金属的焊接，存在如下难点：易产生未熔合；易产生气孔、夹渣；基体为超高 强钢时，基体一侧易产生裂纹；易产生缩松、缩孔。 8 墅塑三 型塑堕墼捏垂星量型直垫皇攫苎堑壅坚塞 表2 31 铜钢金属部分物理参数 金属2 0 1 0 0 0 0 2 1 0 0 收缩率腑熔点* c ( 1 0 4 k “) i ) 气孔的形成：铜- 钢熔敷焊接头中的气孔缺陷主要是由熔敷金属凝固过程中侵 入的气体而形成的气囊或空穴，一般是呈圆形或椭圃形，如网2 3 i 所示。 圈2 3 1 界面密集气孔 在高温状态时，氢在铜中的溶解度如图2 3 2 所示。可以看到氢在铜中的含量从 1 5 0 0 时的2 8 c m 3 1 0 0 9 迅速降到5 0 0 c 日寸l c m 3 i o o g ，焊接过程冷却很快，高温熔池 中所吸收的氢将来不及析出而形成气孔【驯 _ = l _ _ - _ _ l ；- ， 左卜 _ _ i 图2 3 2 氢在铜中的榕解度和温度的关系 2 ) 央渣的形成：主要是焊接过程中去氧化膜时所产生的缺陷，由于来不及浮出熔 池而滞留在铜焊缝中或铜钢界面，是随机产生的，部位及大小均不固定，如图233 所 尔。 _、1一；q 2 锅钢熔敷焊 碗论文 图2 3 3 界面未焊台 夹渣产生的原因有：1 ) 接头尺寸不合理 2 ) 结合部位有污物；3 ) 焊接线能量小； 4 ) 焊剂化学成分不合理，熔点过高；5 ) 焊接热量过高或焊接时间过长，会造成铜焊缝 严重氧化而产生渣孔；6 ) 焊接过程中，成型腔内的陶瓷圈发生破损，小颗粒陶瓷进入 铜层或铜钢界面。 3 ) 未焊合的形成：铜锕熔敷焊接头中的未捍合实质就是一种虚焊状态，是由于 铜与钢之问没有得到完全的原子问结合而产生的，通常发生于铜钢连接体的某一边或某 个局部严重时会造成整体的未焊合，如图2 3 a 所示 产生未焊合缺陷的原因：1 ) 焊接电流过小；2 ) 焊接时间不够；3 ) 母材表面有污 物或氧化物影响熔敷金属与母材问的熔化结合等；4 ) 结合表面接触不良。 图2 3 4 铜带内朱焊台 裂纹的产生主要是由于焊接热量过高或焊接对间过长( 即过热) ，造成铜焊缝严重 氧化而产生渣孔，同时界面上铜侧由于铜的大量渗入就在钢中产生了结晶裂纹。 焊接环境符合要求，严格按照工艺规程进行焊接，熔敷焊接接头不会产生焊接缺陷， 但实际生产中会出现各种干扰因素，生产中常出现的几种不遵守规程情况及其缺陷产生 情况分析如下； 1 ) 当焊接冷却介质、热处理工艺、工件成分性能等出现较大变化，在熔敷焊接头 钢基体一侧可能产生裂纹缺陷； 2 ) 保护剂配方或制造工艺错误。配方或制造工艺错谋会使焊接界面产生未焊合、 夹渣等缺陷。 3 ) 成型模结构、尺寸和材料错误，会产生外形不合格、气孔和夹渣等焊接缺陷； 硕上论文铜钢熔敷焊质量检测方法与规范标准研究 4 ) 工件清理不净，未将连接部位的污物、油锈去除干净，会造成夹渣、未焊合和 气孔。 5 ) 焊接工艺中热量不够或焊接时间不足，会造成未焊合，熔渣来不及浮出、气体 来不及析出而形成的央渣和气孔。 6 ) 由于焊接热量过高或焊接时间过长( 即过热) ，造成铜焊缝严重氧化而产生渣孔。 2 4 标准缺陷试样的制备 铜钢熔敷焊工艺经过几年的发展已经成熟，在焊接条件按规程执行时，若无干扰因 素，则无焊接缺陷产生，但在实际焊接生产中，各个环节都会出现干扰因素，生产各部 门还有可能未按规程执行，造成焊接缺陷的产生，生产中最可能出现的问题见表2 4 1 所示： 表2 4 1 熔敷焊常见干扰冈素及可能造成的缺陷 焊接参数出现异常波动，保护剂受潮等表中所列情况出现后，仍可能出现成型不良、 气孔、夹渣、未焊合、缩孔缺陷。为了研究焊接生产中可能出现的缺陷回波的特征参数， 需要预制常见的焊接缺陷，即预制缺陷“样本 ，本文以实际焊接缺陷( 即自然试样) 作为主要的“样本，以人工缺陷作为“样本 的补充。通过对多个含有缺陷的自然试 样进行检测，对所得波形进行分析，得到缺陷波形的一般特征。本文还制备了三种含有 典型焊接人工缺陷试样作为自然试样检测的参照，帮助寻找缺陷反射波形特征。 根据制定的典型缺陷，采用射线检测进行验证，直到获得射线检测与超声检测一致 的检测结果，最后进行车削加工验证，如果，在特种工艺条件下，生成的缺陷与制定工 艺是一一对应的关系，则可得到超声波的缺陷波形特征，如果缺陷不能与制定工艺对应， 则相同工艺条件下，选取检测试样，再进行射线检测与车削加工的验证，最后得到缺陷 的正确的超声波形特征。图2 4 1 为自然缺陷样本及超声波性特征提取思路流程图。 2 铜钢熔敷焊硕士论文 1 2 图2 4 1 自然缺陷样本及超声波性特征提取思路流程图 硕十论文 铜钢熔敷焊质量检测方法与规范标准研究 1 自然试样 自然试样是检测的基本，必须保证有足够的试样用于检测，并以此寻求缺陷波形特 征的普遍规律，铜钢熔敷焊接头在正常焊接工艺情况下，出现缺陷的机率很小，由铜钢 熔敷焊接头产生缺陷的原因可知，通过改变工艺参数，添加夹渣物可以使得焊接接头中 出现各种缺陷。 为了得到含有缺陷的自然试样，本文从三个方面调整了焊接工艺，制作了一批自然 试样用以后期检测试验。 ( 1 ) 调整工艺参数 在铜钢熔敷焊工艺中，影响焊接效果的工艺参数主要有以下几个： 1 感应加热温度与加热时间： 在熔敷焊过程中，高频感应加热装置将铜材料加热至熔化状态。而由铜钢熔敷焊原 理知，在加热过程中应保证钢基体不熔化，如果感应加热温度较高，时间较长，则钢基 体表面会发生轻微的熔化，从而改变铜钢接触面的冶金过程，在金属冷却过程中，铜与 钢容易生成结晶裂纹，影响结合面的强度。如果感应加热温度不够，时间较短，则铜的 温度不够，在钢表面基体的分子扩散能力比较弱，容易造成结合面的弱连接或者未焊透。 冷却时间： 由图2 4 2 可知，氢在铜中的溶解度随着铜的温度降低而急剧下降，在冷却过程中， 若冷却速度过快，在焊接熔池中存在的氢元素没有足够的时间溢出，容易形成气孔或密 集型气孔。 表2 4 2 加热温度与加热时间组合工艺 焊接电流与电压： 焊接电流的大小影响着焊接线能量的输入，在焊接过程中，若焊接电流过小，则线 能量输入不够，铜钢焊合面处分子扩散强度不够，很容易产生未焊透缺陷；若焊接电流 过大，则焊接线能量超过正常值，在界面处的金属会发生剧烈的化学反应，钢基体也有 可能发生熔化，造成界面处晶粒粗大，结合强度降低。 加入金属非金属夹杂物 在进行铜钢熔敷焊之前，必须对钢基体表面的锈渣及熔敷铜金属表面的污物进行清 理，同时必须保证铜带成型腔内光滑无杂质。一旦出现清理工作不彻底，在焊接过程中 这些锈渣，金属氧化物，非金属杂质等都会进入焊接区域。在焊接过程中，铜处于熔化 2 铜钢熔敷焊硕士论文 沸腾状态，剧烈的翻滚会带动这些金属非金属夹杂物进入铜钢表面或铜金属内部，当金 属冷却后这些污染物留在焊接接头内形成焊合界面或铜金属内部夹渣。 根据铜钢熔敷焊焊接工艺，制订了产生非金属夹渣的焊接工艺，方法如下： 1 ) 正常的焊接过程中，钢带表面会采用车削加工的方式将表面的锈渣，氧化皮除 去，为了制备含有夹渣物的自然试样，在试样制备过程中将氧化皮置于车削过的钢带表 面。 2 ) 在加热过程中，焊接熔池中的温度比较高，铜的运动比较剧烈，锈渣，氧化皮 的形态、大小、很容易发生熔化，消失，为后来的检测与解剖检验增加了难度，降低了 检测结果的对比性。为了保证夹渣的形状，大小在焊接前后不发生改变，模拟成型腔内 陶瓷圈发生破损产生缺陷的情况，在焊接过程中，向焊接熔池中加入若干形状不一的小 颗粒陶瓷，如表2 4 3 所示，为了得到含有不同直径陶瓷颗粒的自然试样，向焊接成型 腔中加入了数量不一不同直径陶瓷颗粒。陶瓷的熔点远大于钢基体和熔敷铜，且硬度很 高，在焊接过程中陶瓷的形状，大小基本不会发生变化，经检测所得结果具有比较高的 样本对比性。 表2 4 3 陶瓷夹渣的直径及数量 3 ) 污染焊接材料 在铜钢熔敷焊接过程中，须做到钢基体表面平整、清洁、无油污，熔敷铜表面无杂 质，焊接过程中添加的保护剂干燥，成分准确。在实际生产过程中，若对焊接材料表面 清理不干净，保护剂受潮，保护剂成分出错等均有可能形成缺陷。为了制备含有缺陷的 自然试样，采用了以下方法： 1 ) 工件表面油锈不清理 若工件表面的油锈等杂质存在与铜钢熔敷界面，在焊接过程中可能会出现以下情 况：油中的水分会造成气孔；表面生成凹坑，锈渣存留在焊接接头中，熔敷界面产生未 焊合。 为了方便后期验证，本文通过如表2 4 4 所示的方法制造含有缺陷的自然试样。 表2 4 4 油锈位置与预计产生缺陷 1 4 2 ) 选用不同保护剂 铜钢熔敷焊焊接过程中，保护剂十分重要，成分稳定，干净无杂质的保护剂在焊接 硕士论文 铜钢熔敷焊质量检测方法与规范标准研究 过程中能够维持焊接过程稳定，提高焊接接头质量。而当保护剂的成分出现失误时，很 有可能造成未焊合等缺陷，影响焊接质量。因此本文在指导老师帮助下，制作了如表2 4 5 所示的四种保护剂，预计产生气孔与未焊合缺陷。 表2 4 5 保护剂种类与预计缺陷 3 ) 保护剂加水 在实际生产过程中，在天气、生产环境、人工操作出现失误时，保护剂会出现受潮、 受杂质污染等情况，这些失误都有可能造成焊接接头出现气孔，未焊合等缺陷。在正常 的焊接工艺中，对于( i 1 2 2 直径的铜钢连接体，每一次焊接过程需要约1 0 0 9 的保护剂， 本文设计了如表2 4 6 所示的几种方案通过对保护剂中加水制造含有气孔，密集型气孔， 未焊合等缺陷的自然试样。 表2 4 6 不同的保护剂加水方案与预计缺陷 为了得到焊接缺陷反射波形的普遍特征，须对足够数量的自然试样进行检测判断， 得出普遍规律，因此在原有自然试样的基础上，通过以上的对比方法，又制作了如图2 4 2 所示的3 0 个自然试样，部分自然试样的制作工艺如表2 4 7 所示： 表2 4 7 试样制作工艺 1 5 2 锅铡熔教焊 硕论文 图2 43 号试样外观 2 人工缺陷试样制各 对含有缺陷的自然试样进行检测可以得到相关较为准确的反射波型，但自然缺陷样 本制作成本高，耗时长，样本数量不足，因此作为补充和对比参考，本文制作了三种含 有人工缺陷的试样。含有人工缺陷的试样，其材料必须与自然试样的材料是同一牌号的， 也即用相同的材料、柑同的工艺制造的，具有相同组织结构的材料。因为只有这样，它 们在对超声波的衰减和传播方面才会相似，二者的显示图象才具有可比性。 1 ) 系列平底孔试样 在超声无损检测中，平底孔试样经常被作为系统灵敏度，缺陷太小定量的参照，同 时平底孔的几何形状与气孔相似，它还可以作为气孔波形的验证。本文制作了如图2 44 1 6 堡堡塞塑塑堕墼生壁量生塑立些! 塑型堡型堕塞 所示的系列平底孔对比试样，各平底孔参数如表248 所示 氆一 舢俯视图b ) 平视图 图2 45 切缝试样实物蚓 3 ) 铜钢界面缺陷对比试样 由于铜钢熔敷焊接头的焊合厚度比较薄，铜的熔敷率很低，当夹渣未焊合等缺陷 出现在界面时往往会对试样的性能造成致命的影响，因此判断融合界面处缺陷的类型十 分重要。在自然试样的制作过程中，铜受到高频感应加热发生熔化并达到近沸腾状态， 铜在型腔内剧烈翻滚与钢基体表面发生强烈的对流。置于铜钢表面的如陶瓷，锈渣等 顸置夹渣物往往会在型腔内移动，位置无法确定。为了模拟界面处的缺陷，本文采用了 钢基体表面火焰钎焊堆焊铜的制作方法，具体步骤如下： 2 锕钢熔救焊顿十论文 ( 1 ) 选取与铜钢铜钢连接体母材( 3 0 c r m n s i ) 牌号相同的不锈钢钢板一块，母 材上存在铁锈和氧化皮。 ( 2 ) 用砂轮机对钢板表面进行打磨清理，选取一块区域保留铁锈和氧化皮用于制 作夹渣和未焊台缺陷的制作，如图2 a 6 的a 图所示。 ( 3 ) 如图2 4 6 b 所示，采用氧乙炔气焊将与铜钢铜钢连接体熔敷金属相同牌号的 h 9 6 铜堆焊至整个不锈钢钢板表面如图2 46 b 所示： 2 5 本章小结 a ) 堆焊前 凹2 46 堆焊试样 b ) 堆焊后 1 ) 根据铜钢熔敷焊工艺原理，在满足无熔深的条件下，选择了不同的工艺方法， 包括表面感应焊接方法、电弧熔敷焊焊接方法、气保护连续炉中的熔敷焊焊接方法、熔 铸熔敷焊方法以及熔化带极自动等离子熔敷焊方法等多种工艺方法，而本文中采用的是 表面感应焊接方法来制作缺陷试样； 2 ) 对制定的缺陷试样 2 ) 对熔敷焊焊接工艺进行分析研究，总结了焊接接头中容易出现缺陷的种类，并 分析总结了不同缺陷产生的机理。 3 ) 根据不同缺陷的产生原因，设计了含有熔敷焊焊接接头中典型缺陷的制作工艺， 制作了一批含有人工缺陷的对比研究试样，为建立熔敷焊焊接接头的质量检测打下了坚 实的基础。 硕士论文铜钢熔敷焊质量检测方法与规范标准研究 3 铜钢熔敷焊质量检测方法与体系研究 3 1 检测体系的建立 3 1 1 工件工作环境分析及受力分析 铜钢连接体是钢管丸中非常重要的一部分，在钢管丸中连接着圆柱部与钢管尾部， 高速运动时所受的载荷。钢管丸及其零件高速运动时在膛内所受的载荷主要有：气体压 力、惯性力、装填物压力、铜钢连接体压力( 铜钢连接体挤入管内槽线引起的力) 、不 均衡力、导转侧力、摩擦力1 2 4 1 等。 而对于铜钢连接体来说，主要的受力主要有： 1 ) 铜钢连接体的膛内性能【5 l 】 高速运动时，铜钢连接体应具备一定强度，能承受导转侧压力的作用，而不能被压坏或 者剪切，在膛内运动过程中，其磨损不能过大，否则，会破坏闭气性能。 铜钢连接体的位置是相对钢管底部而言的。从钢管强度考虑，铜钢连接体的位置应 当越靠近钢管底部越好，这样的安置，由于有钢管底部的支撑，是钢管上的变形大为减 小，所以底凹式槽钢管或者药室的小直径钢管，其铜钢连接体均位于中间底附近。但实 际上并非所有的钢管丸其铜钢连接体都能安置在钢管处，这是因为还要考虑一下情况： ( 1 ) 抗压强度 在导转侧力的钢管1 ：3 作用下，铜钢连接体突起部受有压力，其承受里的面积为研。， 故铜钢连接体上压应力应为： n o 2 夙s 对于等齐管内槽线有： = p 三五 n 垅 则： o ：卫! 生鹕 b t s nm 式中卜膛压( 这里仍用计算压力) 以钥管丸极转动惯量 0 【管内槽线缠角 铜钢连接体的强度条件式为： o o b o 。为铜钢连接体材料的强度极限 ( 2 ) 抗剪强度 ( 3 1 1 ) 1 9 3 铜钢熔敷焊焊接质量检测方法与体系研究硕士论文 铜钢连接体进入管内槽线以后，每一个铜钢连接体突起部将受到剪切应力作用，即： n 肋l 式中：b 。管内槽线的阴线宽度 对于等齐管内槽线则有： 百= 一p 里生船 8 b , nm 。 其剪切强度条件为 t 垒 兀 0 2 一 q r i o1 ( 3 1 2 ) 图3 1 1 铜钢连接体凸起部所受的剪力 2 ) 铜钢连接体的膛外性能 当钢管丸出钢管口后，由于离心力的作用，可能将铜钢连接体从钢管上撕开，这就 会影响钢管丸在空气中飞行时的外管壁性能。克服铜钢连接体撕破的抗力取决于铜钢连 接体的连接强度。目前广泛使用的铜钢连接体有两种方式：小直径钢管丸多采用环状铜 钢连接体毛坯压入矩形铜钢连接体槽内；中大直径钢管丸多采用条状铜钢连接体毛坯压 入燕尾形铜钢连接体槽内。对于这两种铜钢连接体的连接强度分别按如下方法进行校 核： ( 1 ) 矩形槽铜钢连接体的连接强度的计算方法是，在环形铜钢连接体上，坐标位 置为叩角处，取质量为d m 的扇形微元体，则此微元体在出钢管口瞬间的离心力d c 为： d c = 锄名西 式中 乙出钢管1 ：3 时铜钢连接体的平均速度 出钢管v 1 时钢管丸角速度 由于 和 硕上论文铜钢熔敷焊质量检测方法与规范标准研究 d m = b h p 6 却 代入，并考虑到= ，最后得： d c = b 办兰p 6 圬却 ”一 式中l 卜一铜钢连接体厚度 p 。铜钢连接体密度 则由离心力在铜钢连接体断面上产生的撕破力为： ，= 舾咄锄p 。宰 此力在铜钢连接体断面上产生的应力为： f s 其中炮膛应取铜钢连接体的最弱断面，即： s = b ( h - t 。) 由此可得： o ：罩2 2 j l t 1 力一 铜钢连接体的连接强度公式为： o o 】 ( 3 1 3 ) 式中p 】为铜钢连接体金属的允许压应力，它的值是根据铜钢连接体金属的强度极 限o 。和铜钢连接体强度的储备系数决定的。储备系数一般在1 6 2 0 的范围内。