（材料加工工程专业论文）中厚高强钢与螺柱焊接方法试验研究.pdf

硕士论文中厚高强钢与螺柱焊接方法试验研究 ab s t r a c t in vi ew ofthe welding ofdi ffierents pec 1 ficat 沁 ns t u da n ddi ffere nttypes t e e 1 pl ate， in du c ti o n h e a t i ng pow e r s o u c e 诫t h u l t r a s o n i c freq ue nc y o f w h 一1 一 5 0 ， arc st u d wel d i n g m a c h i 朋 o f b mk 一 1 6 1 、b mh 一 2 2 s v讹reu s ed t o d osom e res e ar c ho f st ud we i d i n gwith diffe r e 爪 me t h ods. t 七 e arc s t u d wel d i n g m 那hi n g o f b m k-1 6 i w as议 把 d todo so me wel d i n g ex pe r l mento f li gh卜 s i z e d st u d w ith 俪 d i 翻 m e 记 r le s 引 b 即13 mzn 认 飞 e n the s 切 d w i t h th e di 别 m e t e r ofs mm wel d e d ， t he p r o t e ction ofthe m ol ten poo l 丘 o mthe a t n l o sp h e r e isnece ss 田 ) . w 】 l en 哗on shie l d use d ，the i n te n s i o no f the wel d i n g j i o niw a se nhanc ed 3 5 %m o reth an th e j i o ni 帕th o utp r o l e ction. v 月 l enthe p l ate h ea l e d to487 ，the a ffection ofweldingc urte nitothe q u a l ityo f the s tu d wel d i 雌j l o n t w a s w e ak e n . w 七 1 d i n g j o i niw i thh i gh q ua 1 1 tywas gain e d w h e n the weld ing c u rr e ntadjus te d inthe rangeof70 小10 o oa t b e a ffection ofwel d l n g t i m e was p r o m in ence . 了 五 e b m h 一 2 2 s vs l u d挑i dm 鱿b i n g was us ed 协wel ds tu d i nl a rg e r e r d i 司 rn e t e r f a l ty fusio 氏g as holea n do x y gen ati on a p pe a rs台 e q uently. w h e n the m e t h o dof hybridh eat re so u r( 姆 ofi n d u c t 1 onheatingpower an d arc com b ine氏 the w el d de fe c t ofg a s holea n d falty 加s l on cou l dbe avo i d ， i n m a g ll e ifel d con d it i o 氏 the arc 雨l l bepul l edtom ove i n th e d i re c t i ono f e l e c tr m a gn etic force， the are 嫩umove翅 rr o u n dthe weld s u rf eceof s t u d . t h e允s e db at h初uexhib it 叫u a l i tyinthe w h o l e wel d e d j io nt. k e y w o r d s :stud w e ld ， h y b ri d h e atre s o u re e ， m agn e t fe ld 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: ， 日年 7月17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: ， ， 阵 7 月17日 硕 士 论 文中厚高强钢与螺柱焊接方法试验研究 ， . 绪论 1 . 1 选题意义及背景 电 弧螺 柱焊是一 种电弧 焊接方法tll 。 它利用螺柱 ( 或类似的紧固件) 端头和焊 件 的表面之间引燃的电弧加热并熔化，然后快速地挤压在一起而形成焊接接头的方法。 电 弧 螺 柱 焊电 弧 螺 柱 焊 技 术 诞生 于1 9 18年 izj ， 19 39年 开 始 应 用 于 造 船 行 业 131 ， 50到 60年 代发 达国 家在钢结构工程中 开始应用 ll ， 至目 前为止经过了 几十年的 发展。 这一 发展过 程有人将它分为三个阶段15 : 螺柱焊技 术发生与发展 成为一种成熟的 焊接工艺 阶段; 自 动、 半自 动焊接系统的面 世， 完成了 螺柱焊的 效率的 改革阶段; 计 算机技术、 机器人 技术与逆变技术在螺柱焊接系统中的 成功 应用阶段。 在这一系列发 展过程中， 螺柱焊 技术不断得到社会的 认可和重视， 应用面也不断得到 扩展， 广 泛应用 于汽车制 造、 造船、 机车、 航空、 医疗器械、 锅炉、 化工设备等行业卜 121。 螺 柱焊技术的应用 面广， 应用量也很大。据报导，日 本圆 柱头 栓钉的 年焊接量为6 0 00万个， 异型棒状 栓钉年 焊接量为3 00万个12 ， 可见螺柱焊 接在日 本钢结 构建 筑中的应用规模. 近年 来我国 经济建设发展迅速， 使用螺柱 焊接的 领域也越来越广泛， 量也 越来越大， 我国 每年用 于高层钢结构、轻钢办公楼、 轻钢厂房等工程建筑的螺柱为40小5 00 万 只【 叹 螺柱焊接技术发展到今天，已经成为西方发达国家的一种基本的热加工方法， 螺 柱 ( 栓 钉) 的焊接大约有80%以 上是通过螺柱焊机完成的。掌 握螺柱焊接技术显得 非常重要。 “ 附座” 是一种焊 在车体 炮塔内 表面的以螺柱型为主的， 用于安装控制系统、 操 纵系 统、 仪器仪 表的零 件. 车体炮塔内 表面分 布有大 量的螺 柱型附座， 每辆坦克车 辆 附 座数量为5 0 任 币 0 0 个。 而船舶、 钢结构行业普 遍采用的电 容储能螺柱焊和电弧螺 柱 焊接工艺不能适 用于 坦克 装甲 车辆， 主要问 题有: a. 坦克 装甲 车体炮塔均采用厚 大装 甲 钢材料，一 般厚度30nun 、 45llun 、 s omm等，散热快，易 造成未熔合、成型不良 等缺陷:b. 车体炮塔大量附座采用的是空心螺柱式附座， 电容储能螺柱焊和电弧螺 柱焊不能 焊出 合格的 焊接接头; c. 车体炮塔厚大装甲 钢材料碳当 量0. 7 刃. 95， 拘束度 极大， 螺柱 焊接条 件下， 极易出 现脆性组织， 产生焊接冷裂纹 缺陷。 因 而迫切需 要研 究开发高 效高 质量的 新型附 座焊接工艺 方法。 本课 题以 解决高 强钢板上实 现螺柱焊接为目 的， 针对各 种尺寸、 材料、 形状的螺 柱与不同 厚度、 不同材料的 钢板 焊接试验， 探索几种规格螺钉一 钢板相互焊接的有效 工艺参数及方法。 硕 士 论 文中厚高强钢与螺柱焊接方法试验研究 1 . 2国内 外螺柱焊接技术发展 现状 国外螺柱焊接技术发展现状 针对 大面积钢板表面焊接圆 形螺柱，如汽车车 辆、 造船行业、石油 化工、 容器、 桥梁、 建 筑、 电子等 行业，已 普遍采用电弧 和电 容放电 螺柱焊接技术。 对直径 较小的 螺柱 ( 一 般s nun 以 下) 采用电 容放电 螺柱 焊接工艺，对直径较大的螺 柱( 一般8 2z mm 以 下) 采用电 弧螺柱焊接工艺。 西方工 业先 进国 家还开发了 螺柱全自 动焊接 工艺技术 ( c n n) ， 实现了 焊接过程的 计算机控制、 焊接、 螺柱送进等全部自 动化操作， 如德 国s o y e r ， t u c ke r公司、 美国n al s on公司、日 本的n s w等。 近年先进国家大 力发 展大直径 拉弧式螺柱焊接技术， 目 前己开发了 最大能焊接直径3 o lnm 的 螺柱焊接 技术 和设备。 对于 短细的螺母有的西方国 家 ( 如德国) 开发了 旋转电 弧螺柱焊接设 备， 但 目前仅仅对于不锈钢螺母进行了开发应用， 碳钢、 合金钢和铝合金螺母与钢板表面的 焊接技术问 题仍然无法解决， 西方国 家还在不断加大 对各 类螺母焊接技术和设备的 研 究开发。 国内螺柱焊接技术发展现状 国内 螺柱焊技术研究较为落 后， 在小直径电容储能 螺柱焊 ( 5 一 s nun ) 和电 弧式螺 柱焊 ( 61 2 inm )技术和设备方面 进行了 研究开发，西安 交通大 学在低速送进电磁式 螺柱 焊方法、 成都斯 达特焊接研究所在理弧螺柱 焊机方 法作了 一定的 研究工作。 我国 目 前 螺柱焊机生产厂家只有几家， 但能生 产系列 产品的 仅有一家。 电容 放电 螺柱焊机 有rsr i 一中 6 3 0 、1 2 5 0 、 1 6 0 0 、 2 5 0 0 、 3 1 5 0 几种型号， 可焊 接0 3 冲 1 2 n u n 螺 柱; 电 弧螺 柱焊机有. r s n i 一中 6 3 0 、1 0 0 0 、 1 6 0 0 、r snz 一 2 5 0 0 、3 1 5 0 几种型号， 可焊接 中 3 功 3 o inm 螺柱 ( 栓钉) 。 国产焊 机在控制、焊枪、 体积、重量 及外 观质量等方面均 有不 足， 与国 外产品 存在差 距。 国内汽车、 造船、 石油化工、 容器、 建 筑等行业的螺 柱焊基本都采用进口设备。对空心螺柱也缺乏有效的焊接技术手段. 1 .3 螺柱焊接方法 1 . 3 . 1 螺柱 焊接方 法介绍 螺柱 类紧固 件的 连接方 法主要有机械 连接和焊接方法。机械连接主 要是指 铆接、 钻孔攻丝等 方法. 焊接方法主要有电 弧螺柱焊、电阻 焊 ( 凸焊) 、 钎焊、 爆炸螺柱焊 ( e x p lo s ives tu d wel d ) 、 摩 擦 螺 柱 焊 ( r d c tio n stud weld ) 1，3 1 。 其 中 ， 钎 焊由 于 钎 焊 过 程中 需要加入钎 料，工艺 相对复杂， 而且没 有在工件上形成熔池， 焊接强 度较低， 对于大直径 螺柱的 焊接难以 达到 使用要求， 所以 使用范围 较窄。 电阻凸 焊对待 焊螺柱 的 加工要求 较高， 而且需 要专用焊接设备， 因 此通用性不强. 爆 炸螺柱 焊和摩 擦螺柱 硕士论文中厚高强钢与螺柱焊接方法试验研究 1 . 3 . 2焊接质量的影响因素 焊接过程中一定要注意相关的焊接参数、焊接条件的影响，工件、瓷圈、电源、 参 数 等 条 件 都 直 接 影 响 到 最 终的 焊 接 接 头 的 质量 。 11. 切 保护: 焊接过程中当螺柱直径不是很大的时候， 由于焊接速度快等一些原因空气的侵入 效果不明 显， 可 是当螺柱直径增大时， 空 气的 影响作用就越 来越明 显， 此时 必须措施 对焊接接头进行保护。 保护方式可以 采用气体保护，也可以采用瓷环保护。气体保护 要注意适当的气流量和适当气体的选择，以达到好的保护效果;瓷环的主要功能是隔 热保温，防辐射，保护熔池，从而获得良好的焊接接头，同时形成一个紧靠根部的环 形凸台， 凸台对提高焊钉接头的 承载能力大有 好处. 瓷环保护 焊接气氛u 司 ， 引弧结与 保护瓷 环相配合， 引 弧结在瓷 环内部 燃烧， 消耗气氛中的 氧以 及氮， 可以 达到有效 保 护 焊 接 接 头 质 量 的效 果 。 11 刃 预压量和提升量 焊枪 装上焊钉和瓷 环， 调节焊枪压板 伸出 长度， 焊钉头部伸出瓷环的长 度就是 预 压量， 预压量的大小改变了 焊钉压在钢 板上焊枪内 压簧压紧力的 大小， 相应影响焊 接 熄弧后 焊钉落入熔池的 下落 速度. 过快会 使焊钉下落冲击能量 过大， 使熔池金属飞 溅: 过小则焊 接接头无凸台 甚至出 现咬 边、 未焊上等 缺陷。 提升量是指焊枪装上焊钉、 瓷 环压在 钢板上焊钉头部端面离开 钢板的距离， 也就是初始电弧 间隙。 提升量应能调整， 使用 过程中不应改变。 焊接电弧断电 ， 焊钉下落的 速度对焊接接头的成形( 有无缺陷、 挤压去除 金属氧化物， 凸台成形是否良 好) 以 及焊缝的金 相组织 ( 相当“ 锻压” 的金 相组 织) 很有关系。 文献 20 1 给出当叱1 4 m m时， 焊钉下落速 度以2 001 1 1 刀 公 5 左右为 宜: d 1 4 m m时，焊钉下落速度以1 0 0 m ln/s 左右为宜。 焊接电流、负载电压、焊接时间: 螺 柱焊接过程中的各项因素都会影响到 焊接质量， 必 须制定一套合理有效的焊接 参 数条 件 11 弘 2司 才 能 得 到 满 意 的 焊 接 效 果 . 铁 螺 柱 作 为 电 极 与 一 般电 弧 焊、 m ig、 m a g 焊有所不同，gb 1 5 579 1 9 95规定的焊接电 流和负载电 压的 约定关系式对普通电 弧 螺 柱 焊 不 适 用 。 文 献 122 1给出 的 大 气 中 铁 极电 弧 给 出 的 弧 压 和 焊 接电 流 的 关 系 式比 较 符合实际。即:当弧长 l = 0 司. 阮m时，弧压u 0=1 7 + 22l( v) 。负载电压是电弧电压 和焊接电 缆以 及连接部分的接触压降 之和， 一般 情况( 焊接电 缆导线截面合理、 电缆 长 度 1 0m ) 这两部分压降之和约在2 4v 之间。 当电 缆 过长时 这部分压降相应增大。 对于焊 接电 流和焊 钉直径的关系， 目 前国内尚无 标准给出。 文献121 1给出如下关系 式可供参考。 当 焊 钉直径d 引6 n l m时 ， 卜 80d( a ) ; 当 焊钉 直径d1 6 m m时 ， 1 刁o d( a ) ; 6 硕 士 论 文 中厚高强钢与螺柱焊接方法试验研究 与普 通电 弧焊 接原理相同， 电 弧螺柱焊接过 程中电 弧的电 极对焊接质量有很大的 影响. 侧 】 一般焊机采用直流正接的连接方式进 行焊接。 电 容储能式焊接过程中可以 根据测量信号的 不同 类型判断 焊接质量的 好坏25 】 1 ， 3 . 3 螺柱焊接技术研究 螺柱焊接过程中要实 现螺柱与熔池的结合， 需要考虑 螺柱的 送进问 题。 126 采 用焊 枪来 实现对焊接过 程中螺柱动作的控制， 在控制中， 选用 步进电 机， 实现螺柱第 三阶 段的 低速顶 进熔池， 并具有一定压力， 实 现螺柱与板材 之间 的冶金结合。 焊机的 控制 部分 采用单片 机进行程序控制， 阴 2 司 控制引 弧电 流，提 升栓钉， 开通主电路，引 燃 主 弧， 在设定的时间内， 保持主电 弧持续燃烧， 将 栓钉带电插入 熔池这一 系列螺柱动 作规 范、 进程.也 有针对逆变式电容 放电 式的螺柱 焊机的研究. 29， 301 焊枪在 整个焊接过程中主要 实现的 是螺柱的 提升 和顶入熔 池的任务， 3l 1 完成 这两 项任务的直 接部位就是焊枪内 部的 感应线圈，通 过电 磁力的作用完成 提升和 推进任 务， 焊 枪在不断工作过程中 则不可避免的 会产生 热量。 主要源于两方面， 首先焊枪本 身为了实 现焊接设备整体 体积小 的目的， 焊 枪结构都比较 紧凑， 体积小， 散热不充分， 此外在高频 率、 快速的焊接过程中焊枪也容易 产生大量的 热而不易释放， 这样加速了 焊枪本身的温度的升高， 导致内部提升线圈的温度较高，电阻增大， 使得焊枪对螺柱 的 提升力不 够， 不能够继续完成快速的焊接 任务， 而限制 焊接效率的提高。 解决焊枪 温 度 的 降 低问 题 则 意 味 着 焊 接 速 度、 效 率 的 进一 步 提 高 . 132 】 在针 对大直径螺柱焊枪的 试验中有引弧点、 焊接端面 熔化是否均匀等问 题存在， 这样 使得焊接应用范围受到限制， 目前 对大直径的空 心螺柱没有 办法解决。 在一定磁 场的 作用下， 电 弧中 运动着的 带电 粒子会受到磁 场的 作用力， 而使其运动 路线发生 变 化。 在 焊枪头部采用感应线圈装置， 对焊接过程中的电 弧施加一定的 偏向 力， 这样来 改变电 弧的运动路线， 使电弧 随着空心螺柱的 焊接端面运动， 这样 均匀 熔化焊接区域， 完 成 熔 池 的 均 匀 化 . 133 34 1 . 3 . 4其他焊接方法 除了 应用 较广的电 弧螺柱焊接方 法之外， 在其他 应用场合， 也还有另外的 一些螺 柱 焊接方法。 例如: 电 渣压力焊、 压力 埋弧焊、 摩擦焊、 导电 摩擦焊等焊接方法。 ， 5 确 0 1 .4 感应电 源及复合热源焊接方法的 应用 1 . 4 . 1 感应加热技术 在 焊 接 技 术 发 展 中， 感 应 焊 接 作 为 一 个分 支 ， 也 得 到 了 比 较 广泛 的 应 用. 141 一 川 硕士论文 中厚高强钢与螺柱焊接方法试验研究 感应热源是通过感应电源对输入电进行处理， 提高电压、提高频率，再降低电压，输 出 高 频 低 压 电 。 在 感 应 电 源 内 部 进 行 这 一 系 列 的 变 化处 理， 然 后 通 过 感 应 加 热 器 ， 使 电 流 形成环路。 将工件放在感 应器中， 当感应器中 通过交变电 流时， 在 感应器周围产 生与电流频率相同的交变磁场， 在工件中相应地产生了感应电动势， 在工件表面形成 感应电流， 即涡流。这种涡流在工件内部的电阻的作用下，电能转化为热能，使工件 表面 温度提升， 而实现对工件的加热， 最终实 现试件在感应加热 后以 熔化状态完成 连 接件之间的冶金结合。 感应钎 焊具有加热快、 生 产率高的 特点， 可以 保持接头洁净， 零件 变形小， 同时 也具有一定局限性， 加热工件有形状及大小的限制， 对于形状不规则的工件需要加工 特制感应器，保证感应器与工件的良好祸合。 感应加热特点 电磁感应具有三个特有效应 ( 1) 集肤效 应: 直流电 流流经导体时，电流 在导 体截面上 是均匀分 布的 ，但交流 电 流流经导 体时， 电流沿导体截面 上的分布是不 均匀的， 最大电 流密度出现在导 体的 表面层。这 种电 流积聚于表面的 现象就叫做集肤效应。 电 流频 率越高， 集肤效应越明 显。 同样当导体处于 交变的电 磁场中， 即处于 感应 圈中 ， 感 应圈中间 产生交变的电 磁场， 使工件中产生的涡 流也是交变电 流， 它沿截面 的分布也积聚在表面层. 由电 磁场理论可知， 电流密度是由 表面向中心 近似地按指数函数 迅速下降电 流透 入深度可表示为: ， = 5。，“摄(一 ) ( 1 . 1 ) 其 中 : p 导 体 或 工 件的 电 阻 率 ( 0. c m) ; 从 相对磁导率; f 频率 ( h z ) (2 ) 邻 近效应: 相邻两导体通以交流电流时， 在相互影响下导体中的电 流要重新 排布， 当 两电 流流向 相同时，电 流被排于导体外侧。 当 流向 相反时， 电流被排于导 体 内侧. 这是由 于 假如在 任何瞬间两平行的 导体中的电流流向 相同 时， 在导体 之间由电 流 所建 立的磁场方向相反， 总 的磁场强度减少， 而两导体外 侧的磁场却增强了。 显 然导 体内 侧比 外侧交 链较多的 磁通， 因而导体内 侧的电 流和阻 抗较外侧为 大， 所以导 体内 侧电 流密度较 外侧为 小。 同理，当两平行导体中的电流方向相反时，导体外侧的电流密度较内侧为小。 硕 七论 文中厚高强钢与螺柱焊接方法试验研究 (3 ) 圆 环效 应: 如果将交流电 流通过圆环形螺管线圈时， 则最大电流密 度出 现在 线圈导体 的内 侧， 这就叫做圆环效 应。 导 体的 径向 厚度与圆环 直径之比 越大， 这 种现 象就 越显著。 因为 通常磁力 线在环内 集中， 在环外 分散， 一部分 磁力线穿过导体本身， 因 此导体的外侧比内侧交链较多的 磁通， 这样导体外侧的电 感和阻抗 较内侧为 大， 电 流向内侧积聚。 电流的分布 由 于 导 体 内 部电 阻 率p 笋 0 ， 所以 有 能 量 损 耗， 即 有电 磁 能 转 变 成 热 能， 因 而 当 电 磁波进入导体内 部时， 随着至中心的 距离的 增大， 引起由导 体表面到中心电磁能量 的 逐渐减小。 当有高频电流流过 感应器时， 在工件内 要产生涡 流， 此涡流随工件深 度 的增加而呈指数衰减。 人= io e 占 ( 1 .2 ) 式中 1 . 4. 2 几 距 离圆 柱 体 表面 x ( c m )处的 电 流: 10 圆 柱体 表 面 的 电 流 (a); x 距圆柱体表面的 距离; 占 与频率材料物理性质 有关的 系数， 称电 流透入 深度( inm ) ; e 自 然对数的底。 复合热源的应用 单项热源的 焊接在不少范围内 无法保证焊接质量， 还具有 一些不足， 复合 热源焊 接 方法因 此得到重视 及应用. 有导电 摩擦焊151 】 、激光电弧 复合焊接 152 】 、 激光一 n g复 合 热 源 焊 153 1 等 . 复 合 热 源 焊 接 成 为 与 单 项技 术 并 行 的 一 种 新 型 焊 接 技 术。 1 .5本课题的 主要研究内容 本课题主要 研究内 容包括: 1 . 熟悉感应电源性能及感应钎焊工艺试验: 2 以小尺寸螺柱焊开始，试验电弧螺柱焊接工艺: 3. 对于大 尺寸 螺柱的 焊接性研究; 4 . 针对大尺寸螺柱在高强钢板上复合热源焊接试验研究; 5. 大尺寸螺柱旋转电弧试验研究; 硕 卜 论文中厚高强钢与 螺柱焊接方法试验研究 2 . 螺柱感应钎焊工艺试验 2. 1试验条件及方法 2 . 1 ， 1试验材料 母材 本试验基体母材采用q235普通低碳钢， 母材的组织为轧制纤维状组织， 其显微 组织照片如图州. 1 所示，试验采用1 0mm板材。根据试验需要，螺柱母材选用20钢 棒材、 管材和45钢棒材， 组织都为轧制纤维状， 其显微组织照片如图2 . 1 2 所示。 实 心螺柱母材采用20钢棒料加工成直径s nun 、 长25mm 的杆状螺钉; 空心螺柱母材采 用45钢棒料加工成外径1 0 1 1 11 1 1 、内 径6 mm 、长25iyun 的管状螺钉，采用20钢管材 加工成外径2 0 m m 、内径1 4 i n 刃 n 、 长25inm 的管状螺钉。母材化学成分如表2 . 1 . 1 所 示。 材料强 度见表2 1 2 。 表2. 1 1螺柱及钢板化学成分 母材类别 ( 牌号) 化学成分 ( 质量分数)( %) spnic rc u m ds i 一-一一. . . . . . . . . . . . 目 . . . . . . . . . ， 一. . .目 . . . ，. 月， . ，. . . .-一一心 钢板 q 2 3 5夕 1 8 0 . 3 5 洲 刃. 80切.300.040.04一 01 7 刃 . 2 30.3 5 刁 . 6 5 0 . 4 2 刁 . 5 00 5 0 0 . 8 0 0 ， 1 7 0 . 3 7 003 5 0 . d 3 5 0 . 1 7 、 0 . 3 7 00 3 5 0 刀3 5 0 . 2 5 0 . 2 5 2045 柱 螺 表2. ， .2各种钎焊使用材料的力学性能 性能 材料 叽 舰pa伸长率/%久 加pa 丈dld 八j孟， ，曰2 ulo 0乙n q 2 3 5 3 7 5 4 6 0 41 0 4 56 0 01 63 5 5 硕士论文中厚高强钢与螺柱焊接方法试验研究 本章小结 外径中19，内 径。11的 空心螺柱采用陶瓷环保 护， 在旋弧磁场作用下焊接时， 可以 得到 性能较 稳定的 接头; 使用旋弧电 源的 焊接接头 焊接端 面具 有比 较均匀的 熔化 量，焊缝 成型均匀， 焊缝接头 性能 优良 . 使用 旋弧装制的 试样外观美观， 内部 质量可以 得到保障， 熔深浅， 可焊接比 较薄 的钢板材料。 旋弧电 流参数对电 弧运动的影响与焊 接电 流的大小、 焊接时间、 提升高度参数都 有定的相关性，要得到理想的旋弧电流，需要各电磁力相关参数的协调。 硕 士 论 文中厚高强钢与螺柱焊接方法试验研究 6.各种焊接方法的比 较 本文采 用感应电 源、 拉弧式b m 玲1 61 、 b m h 一 22s v螺柱 焊机、 s t g 一 1 旋弧 磁场 电 源 等设备、 配件试验研究了 感应钎焊、拉弧式电弧螺柱 焊、 复合热 源电弧 螺柱焊、 旋转电弧螺柱焊四种焊接方法试验。 小尺寸螺柱钎焊与电弧螺柱焊比较 小 尺寸实心螺柱钎焊性能最高剪切强度为2 59 mp a ， 电 弧螺柱焊 采用99. 99% 的纯 氢保 护焊接的最高剪切强度为2 86m pa。 外径 1 肠 m m ， 内 径4 inln 的空 心螺柱钎焊最高 强 度为2 13 m p a ， 电弧 螺柱焊强 度最高 为 17 胶 6 n 印 a 。 45钢与q 2 35钢板螺柱焊接没有 进行预热以及焊后回火，接头性能较差。 电弧螺柱焊操作方便，具有更高的焊接效率， 焊接普通低碳钢时有明显优势。感 应 钎焊利用的是材料之间钎料的毛细 润湿填充作 用， 对材料成分 没有特殊严格的要 求. 电弧 螺柱焊与复合热源焊接性能比 较 外径 1 0 m m ，内 径4 inln 空 心螺柱的 焊接结果中， 单纯电 弧螺柱螺柱焊试样中剪 切强度最高为 178 石 mpa，复合热源螺柱焊试样中最高强度为237 mp a ;内径 6 m m的 空心 螺柱两种焊接方法的最高剪切强 度分 别为2 42m pa、 2 67m pa， 且复合热源焊 接试 样性能比较稳定。 如图3 .3.5 所示，单 纯电弧 螺柱焊试样剪切强度受焊接电 流的 影响比较显著，表 现出明 显的 趋势， 而采用复合热源焊接时， 螺柱焊的电 流参 数对焊接接头质量的影响 程 度明 显降低，焊接时间设定 在2 3 0 m s 时， 焊接电 流在70小10o oa 范围内 接头剪切 强度 都比 较理想。 对于异种钢材的 焊接， 普通螺 柱焊接方法无法避免存 在不同类型材料的连接问 题， 复 合热源螺柱焊可以完 成对工件的 预热， 以 及焊后回火 等任务。 45钢对q 2 35钢 板焊 接过程中， 复 合热源焊接质量比 较稳定， 足够的预热温 度避免了 结构 熔合线 位置 产生裂纹的可能。 小 22的螺柱与各种不同 规格钢板焊接试验中，接头没 有缺陷的几 率较低，内部 存在的 缺陷 较大， 不 少试件内 部存在20% 以 上未熔合、 气 孔以 及氧化的 文的， 复 合热 源螺 柱焊接头性能比 较稳定， 焊缝内部 缺陷 较少， 控制预 热温度可以 保证该尺寸 螺柱 在3 0cr3 n i m n 装甲 钢上的焊接 质量。 旋弧磁场螺柱焊的优势 旋弧磁场通过电 磁力作 用于电 弧， 可以有效限 制电 弧的运动， 熔池比 较均匀， 焊 5 9 硕 士 论 文中厚高强钢与螺柱焊接方法试验研究 缝成型更好，具有较小的熔深，焊接过程更为稳定。 硕 士 论 文中厚高强钢与螺柱焊接方法试验研究 结论 1 ，使用w h 一 v 卜 5 0 型全固态超 音频感应加热电 源可以 实现对钢板的可调、 快速 加 热， 感 应钎焊中， 钎焊温度、 钎料的量、 钎焊中对螺柱施加的压力参 数都影响最终 钎焊接头的强度性能。 2 .小尺寸拉弧式螺柱 焊接， 螺柱直径为s nlln 的实 心螺柱需要采用惰 性气体保 护， 才能 保证接头的焊接质量， 有保护气的 试样强 度平 均比没 有保护气保护的试 样强 度提高35% 。 焊接时间 、焊接电 流共同影响 焊接试样的 接头质量。 3 .采用电弧螺 柱焊焊接方法焊接中 16 mm 螺柱时， 在 不同 规格钢板上可焊 性强， 能 够保证 焊接接 头的 质量; 螺柱直径增 大到2 2 m m时， 焊接过程不够稳定， 焊接工作 中 容易产生未熔 合、 气孔等缺陷; 直径更大的 螺柱用b mh 一 22s v螺柱焊机单纯电 弧 螺柱焊不能实现螺柱与钢板的正常连接。 4 .复合 热源焊接方法可以 提高焊接过 程稳定性。 复合热源焊接改善了45钢空心 螺 柱 与q 2 35钢 板 焊 雄 性 能 ， 最 大 剪 切 强 度2 37 m p ao控 制 好 钢 板 预 热 温 度， 可以 稳 定焊接直径 22r n r 。 螺柱与30c r3 nimn 装甲钢板，可以达到3 90mp a 的剪切强度。复 合热源螺柱焊接方法拓宽了螺柱焊接方法的应用范围 5 ， 利用旋弧技术，巾 1 9 mi 刀 采用陶瓷 环保护的 情况下， 可以 得到性能较稳 定的 接头; 使用 旋弧电 源的焊接接头 焊接端面具有比较均匀的熔化量， 焊 缝成型均匀， 焊 接接头性能优良。 硕 士 论 文中厚高强钢与螺柱焊接方法试验研究 致谢 本课题的研究是在王克鸿教授的悉心指导下完成的， 王老师渊博的学识、 严谨的 治学态度和认真负责的工作作风使我 终身受 益， 在此对两年来导师在学习上的督促 指 导 和生 活方面的关心帮助表示深深的 感谢! 感谢张德库老师试验期ibj的细心指导，使我在试验中路线明确。 非 常感谢王建平老师在金 相分析 部分的 精心指导， 以 及在焊接结果分析阶段 给与 的 帮助和支持; 感谢顾民 乐老师在试验中给与的热 心帮助和支 持。 感谢两年来徐 越兰 教授、 余进副教授给予的指导 和帮 助。 感谢程远师兄在试验中给与的帮助。 实验期间还得到了任江毅、梅丛富、郑石雄、肖林、蔡大志、郭磊、 吴杨、郑定 根、 沈莹吉同学的帮助， 在此表示衷 心的感谢犷 论文的完成过程中参考了大量的 文献资 料， 对文献资 料的 作者及提供者表示 谢 意 ! 最后，再 次感谢关心和帮 助过我的 老师 和同 学! 硕 士 论 文中厚高强钢与螺柱焊接方法试验研究 参考文献 1 c h 柳b e r sha . p r i n c i p l e sa n dp r a c t i c e s o fs t u dw e 1 d i n g j . p c i j o u r nal ， 2 0 0 1 ， 4 6 ( 5 ) : 4 卜5 8 2 张瑞昌 ， 黄贤聪. 螺柱焊机 及其焊接工艺的研究. 机械工 人， 2 0 04， ( 1 0): 21一 23 3 s i n g l e t o nr o b e r tc . t h eg r 叫t ho fs t u d， e l d i n g j . w e l d i n ge n g i n e e r i n g ， 1 9 6 3 ， 4 8 ( 7 ) : 2 7 一 3 1 4 葛红明， 吴圣杰， 唐兵传. 螺柱穿透焊新工艺的开发和应用. 现代焊接， 2 0 05， 4 : 4 4 4 6 【 5 张义， 李 洪文， 符占 宣等. 国内 外螺柱焊 接技术的 发展趋势. 焊接， 1 9 9 9 (11): 8-11 6 r ama s amy s i v a . d r 韶n arc s t u d w e 1 d i n g c r o s s i n g o v e r f r o m s t e e 1 t o a l u m i n u m j . w e l d i n gj o u r n a l ， 2 0 0 0 ， 7 9 ( 1 ) : 3 5 一 3 9 7 马福临. 螺柱焊在建筑钢结构中的应用及其新型焊机 【 j. 钢结构， 2 0 03， 1 8 ( 5 ) : 6 弓 今 石 6 ， 7 0 8 付继飞 ， 张友权， 马德 志. 建筑工程中 的螺柱焊 接技术(l ) : 钢结构工 程中螺 柱焊接 技 术现状和展望 j . 1 钢结构， 2 0 0 2 ， 1 7 ( 1 ) : 5 6 七 0 9 梁成 信， 陈长礼 . 螺柱焊技术在桥梁 上的 应用 j. 焊接技术， 1 9 97， 2 6 ( 6):l 0-11 1 0 杨金汽车 业中应 用的 螺柱焊i j . 焊接技术， 1 9 9 7 ，2 6 ( 4 ) :4 0 闷1 【 11 殷浩澎. 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