毕业论文-氧枪喷头产品焊接工艺应用.doc

河北机电职业技术学院毕业论文 第一章 绪论 1.1国内外焊接技术的发展现状及趋势1.1.1焊接技术概述 焊接技术是在19世纪未到20世纪初世界第一次工业革命孕育并在20世纪30年代后逐渐发展起来的，以电弧焊、电阻焊、电子束焊、激光焊等为代表形成了现代焊接与连接工程技术。它既是现代工业和科学技术发展的产物，又是现代工业制造技术的一个重要的基本组成部分。据国外权威机构统计，目前，各种门类的工业制品中，半数以上都采用一种或多种焊接与连接技术。钢铁、机车、航空航天、石油化工、家电等众多行业或重大工程建设中，焊接与连接占据着十分重要的地位。由此一门产生了专业研究焊接技术应用学科分支焊接与连接工程学。1.1.2焊接与连接工程学的重要内容及发展进程焊接与连接工程学的主要内容包括以下三个方面:焊接与连接方法：根据不同焊接制品的不同工作要求(例如承载性质及大小、工作温度和压力高低、有否腐蚀或核辐射介质等等)、材质(金属或非金属、同种或异种金属、钢.或有色金属等等)、连接接头的结构特征(板厚或接头断面大小、对接或搭接、直线还是曲线、圆形还是空间交贯线等等)，研究确定合理的焊接或连接方法，掌握这些焊接过程的主要过程参数及其自动检测方法和控制方法，选择各种电焊机，并能在必要时进行改型设计甚至创新设计，才能满足各种环境的需要。由于绝大多数焊接方法都是直接利用电过程实现的(包括目前及今后相当长时期内应用面最为广泛的各种电弧焊、电阻焊及电渣焊、电子束焊、激光焊等等)，电焊机正在成为一种重要的机电一体化产品，现代半导体电力电子技术、微电子技术及机电控制技术正在支配着当代电焊机及焊接过程自动化的发展，因此电工及自动化技术、电力电子技术、微电子技术、机械自动化技术都是与连接方法的重要基础或相关学科。焊接冶金学： 绝大多数焊接过程都伴随着材料的加热、熔化或固态相变过程，使焊接接头的连接过程不仅取决于焊接方法，而且在更大程度上是受焊接冶金过程制约的，为此掌握不同材料的焊件对不同焊接方法适应性的知识，即它们在焊接过程中加热、熔化、相变过程特征及其对最终所形成接头的性能的影响，掌握通过冶金途经改善或设计接头性能方法，既能正确选择配用标准的焊接和连接材料(电焊条、焊丝、焊剂、钎料、钎剂、粘接剂等)，又要在市场短缺时懂得设计或研制独特的新的连接材料，其中包括为不断涌现的新材料配制新的焊接和连接材料。因此，化学、金属及非金属材料学是焊接与连接工程学又一重要基础及相关学科。焊接力学： 绝大多数焊接过程都是在焊件的局部区域进行的，这种局部加热、局部熔化及随后的局部冷却结晶和固态相变过程，决定了焊接过程及焊接接头形成以后特有的应力及变形特征。它不仅是焊件的尺寸和形位公差难以控制，而且使焊接接头区域成为焊件丁作环境下的薄弱部位，特别是在运载、疲劳、低温、高温、腐蚀等恶劣工作环境，这个问题尤为突出。为此掌握焊接应力变形的基本原理、测试及控制方法，以及不均质的焊接接头动载、疲劳、低温、高温及耐腐蚀等性能的评定及测试方法是十分必要的。因此，弹塑性力学、传热学、无损检测等也是焊接与连接工程学的基础及相关学科。 在研究解决焊接与连接工程实际问题时，以上三条主干线常常是交织在一起而相互影响的，如果在实际工作中既能抓住其中的主流，又能理清三者之间的相互关连，就会使问题迎刃而解。充分运用半个多世纪以来己经积累起来的焊接工程学知识宝库，其中包括国内外外编制的有关焊接标准、手册及图片、杂志、专利文献等等，将有助于问题的迅速解决。但是直到目前为止，许多焊接过程的基本问题仍未完全弄清楚，例如焊接熔池中液体流动规律及微量元素对焊缝成形的影响，焊接应力变形的分析计算等等，因此，试验对比还常常是分析解决焊接与连接工程实际问题的重要手段。无论是设计焊接新产品的流程、选择焊接方法或是确定焊接过程参数、寻找焊接裂纹发生的规律、测定焊接应力公布及变化规律等等，焊接试验都是常用的方法。近十年来，计算机模拟和辅助分析方法(CAA)正在成为焊接和连接工程师的有效工具。此外，计算机这一微电子技术的高级产品也己被用于电焊机的设计(CAD)及控制(焊接机器人及许多高档自动化焊机都是采用计算机作中央控制单元的)。1.1.3问题和前景问题： 综观世界各国焊接与连接技术生产应用的现状，可以发现该领域目前存在的毛要问题是: (1)生产自动化程度低下，这主要表现在手工电弧焊方法在生产中仍然占据着相当大的份额，即使在工业发达的国家也不例外。半个多世纪来的发展历程表明，焊接与连接生产自动化的难度相当大，尽管已有各种自动化焊接与连接方法及各种自动化焊接与连接设备。其中包括20世纪80年代以后发展起来的机器人焊接都有各自的局限性，它们有的只能在特定的接头或结构条件下采用，有的则因控制功能不完全而只有在十分苛刻的例如严格的装备定位精度条件下才能采用。 (2)焊接质量的可靠性还不十分令人满意，焊接生产过程的质量只能靠焊后加以检验。例如电阻点焊生产中每焊若干数量焊点作一次焊点撕裂破坏检验。若它的强度合格，就认定此前所焊焊点为合格的，否则则判废。这不仅造成焊接生产中为数不少的返修挖补重焊，甚至大量报废。而且实际上也给焊接质量可靠性留下了隐患。其根本原因是:直到目前为止，许多焊接过程的本质问题仍然认识得很不完全，例如控制焊缝熔化区形状和尺寸的因素和机理、焊接裂缝生成条件及机理焊缝或热影响区强韧性的因素及控制机理等等都不是很清楚，焊接质量的实际控制途径实际上仍是以经验或实验数据为依据而确定的。由于实际生产应用状况的千变万化，它与经验或实验数据所确定的条件总会有差异，这样难免焊接质量可靠性出现问题了。发展前景：针对上述问题，世界各国在焊接与连接技术领域中，目前的焊接技术的研究的方向主要是: 深入焊接与连接过程动态特征研究，以期建立能反映焊接质量可靠性控制系统的定量模型。这类焊接过程动态建模研究的本质都是为了确立各种焊接方法的更精确的过程参数控制条件及相关性。 研究焊接质量参数更直接的检测方法。例如熔化焊焊缝的熔深、熔宽等焊缝形状尺寸、焊丝熔化过程中熔滴尺寸、电弧长度;电阻焊过程焊核尺寸大小等等。这些参数一般都很难用现有传感器直接检测，如何寻找恰当的相关量或者几个相关量就成为这类研究的关键。 研究新实时控制方法，以期实现更精确而有效的焊接过程。为此，正在继续运用现代微电子、电力电子、光电子、量子电子及自动控制技术所提供的机电一体化新技术成果，建立许多新的焊接过程控制方法，例如焊接过程的多参数优化、模糊控制、神经网络控制等等。必须指出，这类课题决不是单纯的自动控制问题，而是涉及冶金及机电过程的复杂生产过程控制问题。 继续改进机器人焊机的控制功能，即发展所谓智能型焊接机器人替代现有的预置程序或示教再现型焊接机器人，扩大机器人焊机的应用范围。必须注意，这一目标虽已提出了许多年，但目前离实用化还有相当的距离。 研究焊接CIMS系统，即所谓计算机集成焊接制造系统或者称为机器人焊接加工中心。由于焊接结构的特殊性，特别是在电弧焊、电阻焊的应用环境中，这类系统的发展难度相当大，以至于目前在世界范围内也还是极为罕见的。 针对各种具体的结构生产条件，设计研究专门的自动化焊接系统。 针对不断涌现的新材料、新结构。试验研究确定它们的焊接与连接方法。这些材料包括各种新型合金钢、铝合金、钦合金等金属材料，也包括陶瓷、塑料等非金属新材料，以及各种金属基或非金属基复合材料。1.2 国内外钢铁工业技术的发展对氧枪喷头的技术性能要求和发展趋势 供氧是氧气转炉炼钢控制整个吹炼过程的中心环节，直接影响吹炼效果和钢的质量。喷头是构成氧枪的最重要的部件，一个好的喷头设计必须解决好喷孔形状、尺寸、孔数、倾角、材质、合理组织水流和选择铜壁的厚度，从而使喷头既有良好氧流特性又有高的耐用性。 国外转炉容量朝大型化发展。发达国家转炉的容量多数在200吨以上。为提高转炉生产率，供氧强度在增加。转炉吹氧时间基本上和供氧强度成反比，日本和歌山厂转炉吹炼三脱铁水，欧洲德、法、吹炼高磷铁水。近几年由于高炉焦比降低，喷煤量增加，高炉铁水含硅量降低，低硅铁水炼钢有化渣困难和热量不足困难，容易粘枪。大型转炉高供氧强度吹炼使喷头的热负荷增加，粘钢机率加大。转炉炼钢工艺上发生的这些变化，使氧枪喷头的吹氧量加大和使用条件更加苛刻。在氧枪喷头的设计和制作方面为适应转炉炼钢的要求，有以下发展趋势：喷头孔数增加 顶吹转炉应用初期为单孔喷头，到1962年转炉容量超过100吨，为了减少喷溅和不延长吹氧时间，以后随着转炉容量增加，喷孔数目也随着增加，出现了4孔、5孔喷头，目前300吨转炉喷头的喷孔数目已达到6个、7个。欧洲50-380吨转炉，采用6孔占46%; 5孔占32%; 4孔占20%，也有采用7孔或8孔的转炉，我国也有明显的增孔趋势。增加喷孔数虽冲击坑深度减小，但坑多，总面积加大，有利于快速成渣和改善热效率，使吹炼变得平稳。优化喷孔布置，使其有利于化渣和减少喷溅。例如:周边5孔布置的喷头周边4孔中心1孔的喷头更有利于化渣。交错布置的多孔喷头较同一圆周上布置的喷头可减少喷溅。马赫数提高 以往中小型转炉的马赫数都在2.0以下。目前由于转炉容量加大，熔池加深，为了使熔池得到良好搅拌，均匀熔池温度、成份和充分利用炉渣的脱硫、脱磷能力，马赫数多数在2. 0以上。喷孔的倾角加大 氧枪直径加大，氧气流速降低降低枪管内的氧气流速为了安全和减少氧枪管道压力损失。现在大型转炉的氧枪内管氧气流速在45m/s以下。以往转炉容量小，氧枪内管氧气流速一般为50一60m/s。应用新的喷头制作技术目前多数氧枪喷头为紫铜铸造喷头。为了满足大转炉高供氧强度的要求，需要氧枪喷头的导热性好，冷却水流量大，阻力小。喷孔在使用中变形小，喷头寿命长。 锻造组合喷头 这种喷头在上世纪70年代就己发明。当时转炉的容量小，焊接质量稍差，未得到广泛应用。近十年来这种喷头在大型转炉上的应用取得了良好的效果。一般情况下喷头寿命可达600炉，国外萨尔金属公司在这种喷头生产规模的技术水一平都较高，使用条件好时可达1119炉。国内首钢眠山机械厂也开发了这种喷头，由冶金部进行了鉴定，用于首钢二炼钢，其平均寿命达到550炉，与德国进口喷头相当。目前在武钢推广应用，从总的情况年看在国内推广不快。 真空熔铸氧枪喷头 烟台万隆真空冶金厂在真空炉内进行紫铜的熔炼和浇铸。真空熔铸的喷头密度大、强度高、导热性好。在宝钢二炼钢进行低硅铁水炼钢生产当中，其均寿命为200炉，而且很稳定。非真空熔铸的紫铜喷头平均寿命为120炉左右，而且波动大。经过一年的对比试验，宝钢二炼钢己完全采用真空熔铸喷头。 氧枪管道压力损失测定 为了了解氧枪喷头入口处的滞止压力，要对氧枪管道压力损失进行测定。此数值也是制定用氧技术规程的重要参数。用实测方法可以得到较为准确的滞止压力。以往经常把压力损失估计为0.1MPa，经过实测之后，发现实际的压力损失与0.1MPa有较大的差别。集束射流技术在转炉炼钢中的应用 据报导，氧气集束射流在电炉冷装料熔炼中取得明显效果。美国空气液化公司和德国萨尔金属公司都提出在转炉中应用此项目技术。此种建议在1998年即已提出，至今未取得实际效果。其原因可能是转炉氧射流周围都是高温CO与氧，射流表面自然形成高温火焰层，使介质密度降低，氧射流的衰减已经不快;转炉氧枪的结构较难于安装集束射流装置。氧枪喷头的技术性能:国内转炉氧枪喷头尚无统一的技术标准。各喷头生产厂根据用户要求，制定本厂的交货标准钢铁研究总院前几年曾向标准所提出“建立氧枪喷头质量的行业标准”，有关单位也批准了该文件。后因种种原因，此项工作未能进行。目前国内喷头生产存在有无序状态的问题。有些厂家不具备氧枪喷头的设计和制作条件，喷头质量达不到要求，甚至发生设备、人身事故。 铸造喷头的交货指标: 材料采用一级电解紫铜，喷头铜的纯度不低于99.9% 。 铜-钢焊接采用氨气保护焊，焊缝不得有气孔、弧坑、焊瘤熔渣。焊缝要求美观，宽窄均匀。 喷头外表不得有裂纹，气孔夹渣等铸造缺陷。 喷头空膛内应平整、光滑，不得有毛刺、飞边、粘沙等缺陷。 200mm以上喷头的焊缝应探伤，应符合国家铜一钢焊接三级质量标准。 水压试验在2. 2MFa下30min，不得有渗漏现象。喷头喉口、出口等部位的加工误差不得大于士0.05mm。氛枪喷头产品的基本分类、各种类型(结构)形式的优缺点分析按材质的制作方法不同分类: 铸造喷头、制作工艺简单，成本低，但使用寿命低，一般为200炉。 锻压(挤压)组合式喷头，属于炼钢用氧的先进技术，结构合理，抗变形能力强，使用寿命长，一般为500炉，冶金效果好。组合式喷头结构见图1-1所示。图1-1 组合式喷头结构简图锻造喷头的优点:喷头冷却好，导热性好，喷头寿命长。冶金效果稳定，有利于改善转炉技术经济指标。炼钢厂喷头更换次数少，可以提高转炉生产率。锻造喷头缺点:制作工艺复杂，需要大型锻压设备，焊接技术难度较高。价格贵，不便于更改喷头参数。锻造喷头所需要的模具价格较高，更换模具次数多喷头成本增加。 适用于大、中型转炉。国内外实践经验证明，锻造喷头在大、中型转炉使用效在小型转炉上喷头寿命低而且不稳定，主要原因是小型转炉炼钢操作不稳定，锻造喷头的优点难于发挥。喷孔布置分类:喷孔周边均匀布置的喷头，为改善端底中心地带冷却和结构强度，采用了具有增加端底刚度和冷却作用的导水锥。 带中心喷孔的喷头，目的一是缓和周边造成的负压影响，增加氧流穿透能力；二是增加端底中心部位的抗变形能力。发展趋势表明中心孔的直径在逐渐变按是否具有二次燃烧功能分类:普通顶吹氧枪；二次燃烧氧枪1.3铜铜焊接及铜钢焊接技术在氧枪喷头产品中的应用现状 经检阅相关文献，并结合委托冶金标准信息研究院(1999年8月26日)以及中国金属学会调研，得出以下结论:国内外大多数转炉均采用的是铸造氧枪喷头，未见与我厂研制的锻压组合式氧枪喷头主要技术特征(包含焊接工艺)相同的报导。第二章 铜-铜焊接工艺研究 通过对铜及铜合金的焊接性能的分析，确定工艺试验方法，进而形成适于氧枪喷头产品生产的工艺方案。2.1铜与铜合金的焊接性 铜导热性略低于银，约为铝的1. 5倍，铜有高的抗氧化性能，还抗碳水、盐水、氨碱溶液及许多有机化学性质的腐蚀。 铜热导率高，热容量大，熔焊时容易形成未焊透缺陷，并随焊件厚度增大，未焊透越趋严重。采取预热措施可消除此缺陷，且可改善焊缝成形和结晶条件，降低内应力，从而获得高质量的焊接接头。即使采用热量集中的熔化极自动氢弧焊和等离子弧焊接，同样需要预热，但预热温度可适当降低。 铜与铜合金的焊缝金属在凝固时，容易形成粗大的树枝状结晶，合金元素Sn和杂质Bi, As, S及Pb等容易在晶界上偏析，氧化铜与铜形成的低熔共晶体分布在晶界上，就会削弱铜在高温时的晶间结合力。铜和铜合金膨胀系数较大，热影响区较宽，焊缝冷却凝固时产生较大收缩应力，易使焊缝及熔合区产生裂纹。裂纹呈晶界破坏特征，断面上有氧化出现，因此必严格控制母材和焊丝的杂质含量。 铜在液态时能溶解大量氢气，但冷却和凝固过程中溶解度大大降低，而铜导热快，焊缝结晶速度快，因此会造成过剩氢未逸出，在焊缝不熔合区聚集后形成气孔。另外，高温时氧化铜与气体H, Co反应生成不溶于铜液的水蒸气和Co气体。若这些气体在焊缝金属凝固时来不及逸出，也会在焊缝中形成气孔。因此，必须除掉焊丝和母材的油污及潮气，控制氢的来源。 纯铜无相变，焊缝热影响区晶粒粗大，其接头强度约为母材的80-90%,延伸率冷弯角降低显著。 根据产品选用的铜材质及产品技术性能要求，选用钎焊方法进行试验研究。2. 2钎焊工艺技术概述 钎焊是采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点、低于母材熔点的温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接。2.2.1钎焊特点钎焊加热温度低，母材金属的组织性能变化不大。钎焊接头可以实现精密装配，焊后变形小，易于保证结构尺寸。形状特殊、结构复杂的工件，如波纹板或网格状夹层板的多层结构件，或者套接结构件均能采用钎焊连接。壁厚不等、粗细差异极大的零件也能实现钎焊连接。钎焊可以实现异种金属和合金、非金属和非金属以及金属和非金属的连接。钎焊生产效率高，一次可以完成多个零件几十条几百条焊缝的连接，易于实现自动化生产。2.2.2 钎焊接头形成过程 钎焊接头形成包含三个基本过程:1)液态钎料要润湿焊件金属，并能在焊件表面铺开:(2)通过毛细作用致密地填满接头间隙;(3)钎料能同焊件金属之间发生相互作用，从而实现良好的冶金结合。钎料对焊接金属的润湿钎焊时，熔融的液态钎料首先要润湿母材金属，并能均匀铺开，才能填满接头间隙。液态钎材与母材金属表面接融有三种可能的状态，如图2-1所示图2-1 液态钎材与母材金属表面接融有三种可能的状态 润湿性优劣可用液态钎料与母材金属表面的接触角(润湿角)来表征，如图所示。图中分别表示固一气相界面张力、液一固相界面张力、液一气相界面张力。显然夹角愈小，则液态钎料愈容易铺展，表示钎料对焊件金属的润湿性愈好。通常钎焊要求钎料的润湿角。200。由气一液一固三相界面张力平衡图可知，平衡时公式(2-l )表明，液态钎料对母材金属的润湿性与液、固、气三相间界张力有关。因此凡是能改变液、固、气三相间界面张力的因素，都会影响钎料润湿性。其中主要有: 钎料和母材金属成分 钎料和母材金属组元合金相容性即钎料和母材金属在液态、固态下能否互溶解或形成化合物，是钎料能否润湿母材的决定性因素。若钎料与母材在液态和固态下均不发生相互作用，则它们之间不发生润湿现象；若钎料和母材金属能相互溶解或形化合物，则液态钎料就能润湿母材。当某钎料对母材金属的润湿性很差时常常可以借助于在钎料中加入能与母材形成固溶体或化合物的合金元素来改善其润湿性。 钎焊温度 温度升高，液体钎料的表面张合力、液体钎料与母材表面张力减小，从而使钎料的润湿性改善。因此，钎焊时选择合适的钎焊温度至关重要。但钎焊温度并非越高越好，温度过高，容易造成钎料流失、母材溶蚀等现象。 金属表面氧化物 当金属表面存在氧化膜时，液态钎料往往凝聚成球状，不能在母材表面润湿铺展。这是因为氧化物与气体的界面张力远小于清洁的基体金属与气体间的界面张力，破坏了液体润湿固体的平衡条件。因此，钎焊前必须十分重视清除钎料和焊件表面氧化膜，且焊接过程中保持母材金属和钎料不被氧化。 环境介质 钎焊可以在真空，保护气氛、盐浴、蒸汽或空气中进行。不同环境介质下，气一液一固三相界面张力亦不同，因而影响钎料的润湿性。 钎剂 除了真空炉中钎焊，钎焊通常使用钎剂。使用钎剂目的是清除钎料和焊接表面的氧化膜。熔融钎剂覆盖在母材金属和液态钎料的表面，可显著的改善钎料的润湿性。 母材表面状况 焊件表面不同的处理方法，对钎料的润湿性有一定程度的影响。试验发现，钎料在粗糙表面上比在光滑表面上铺展能力更强。这是因为粗糙表面上纵横交错的细小沟槽对液体钎料起着特殊的毛细管作用，促进了钎料在母材表面的铺展。液态钎料毛细流动 钎焊时，液态钎料润湿母材金属，沿表面自由铺展是实现钎接的首要条件，而形成优质钎焊接头还要求液态钎料能依靠毛细作用，充分地流入并填满接头间隙。钎料与母材金属的相互作用 钎焊过程中，液态钎料在毛细作用下填缝的同时，与母材金属发生了相互作用，一是母材金属向液态钎中熔解:二是钎料组元向母材金属中扩散。母材金属向液态钎料中熔解若钎料和母材两者在液态下能互熔，钎焊过程中则会发生母材的熔解现象。若母材金属向钎料中适量熔解，有利于在钎缝中形成固溶有机体组织，则钎焊接头的强度和塑性可以提高，若母材向钎料中的熔解导致在钎缝中形成脆性化合物，则钎缝的强度和延性下降。母材金属的过度熔解，会使钎料的熔点、粘度提高， 流动性变差，图(2-2) 熔穿现象导致钎料的填缝能力的恶化;母材过量的熔解，有时可能造成表面熔蚀缺陷，严重时甚至出现熔穿现象，如图(2-2)所示。母材金属向钎料熔解量大小与两者间合金状态图、钎焊温度、保温时间以及钎料量等因素有关。凡母材组元的熔解倾向和钎料组元形成共晶体，则母材的熔解现象强烈;母材组元在钎料中的极限熔解越大，其熔解量也就越多;其次钎焊温度愈高，保温时间愈长，钎料量愈多，母材金属的熔解作用也愈激烈。 2)钎料组元向母材中扩散 钎焊过程中，在母材金属向液态钎料中熔解的同时，由于钎料和母材组元之间存在着浓度差，也发生钎料组元向母材金属中扩散的过程。钎料组元的扩散量与浓度梯度、扩散组元的原子直径、母材晶体结构、温度、保温时间、晶界缺陷以及扩散面积(液相钎料与母材接触界面)等因素有关。凡是钎料组元浓度高于母材，浓度梯度越大，扩散量就越多。凡是母材金属晶体原子排列密度小，钎焊温度愈高，扩散组元原子直径愈小，扩散系数就越大，钎料组元扩散量也愈大。 如果钎料组元在母材中扩散浓度在饱和熔解度极限内，则在母材与钎缝交界处形成固溶有机体组织，对接头强度和塑性不产生有害影响。但由于晶界缺陷较多，原子迁移容易，钎料组元晶界扩散的结果，在晶界形成低熔点共晶体，影响接头性能。这种情况了发生时，应降低钎焊温度，或缩短保温时间，使晶界扩散限制在最低程度。钎焊接头组织 由于母材和钎料金属间相互作用，无论钎缝或者近缝区母材一侧金属成分均不同于钎料和母材的原始成分，其组织性能发生了很大的变化。母材近缝区组织是由钎料组元向母材扩散形成的，扩散区通常为固溶体组织，具有良好的强度和延性。钎缝与一母材交界处的组织是由母材金属向钎料中溶解、冷却后形成的，其组织比较复杂，可能是固溶体，亦或是金属间化合物。当钎料和母材属于相同基体合金时，或者状态图上钎料与母材两者能形成固溶体时，钎缝的界面区往往形戍固溶体织织。当钎料和母材组元在合金状态图上能形成化合物，则界面区有可能生成金属间化合物。若接头中出现金属间化合物相，特别是在界面区内形成连续的化合物层时，则钎焊接头的性能将显著降低。钎缝中心区组织由钎料和母材的熔解、扩散、冷却结晶形成，其组织也不同于钎料的原始组织。当钎缝间隙较大时，中心区组织与钎料原始组织相近。 若使用共晶体组织钎料或钎料组元或钎料组元能与母材形成共晶体时，钎缝中心和界面区会形成共晶组织。2. 3氧枪喷头内部结构钎焊试验 氧枪喷头在高温2000环境下工作，喷头的进氧接管与喉管焊接接头设计、喷头喉管与底部扩张段连接接头设计、钎焊材料、钎焊工艺的选择对保证接头;结合强度、防止渗漏是十分重要的。2.3.1选用钎料原则 氧枪喷头工作环境恶劣，喷头体受到热循应力和冷却水的压力作用，钎焊焊缝也承受较大的拉压力和水压力的作用，选择的钎料，应保障焊接接头具有较高的结合强度和良好的韧性。同时，喷头体在高温环境下工作，钎焊接头应能承受一定的高温，要求钎料的熔化温度高。但熔化温度过高，会增加钎焊难度和影响喷头质量。为保障良好的钎焊工艺，要求钎料与铜有良好的浸润性，钎料的流动性能好。2.3.2钎焊工艺试验 为模拟氧枪喷头内部结构的钎焊，所做的钎焊试验有管一管对接试验和管一板钎焊试验。 采用不同的钎焊工艺，在实验室进行一系列钎焊实验，对钎焊后的试样进行解剖分析，观察钎焊接头钎料填充好坏，最后选用了合理的钎料和钎剂(钎料为HLAgCu30-25)，其性能完全能够满足氧枪喷头焊接要求，并将研制的钎焊工艺应用于氧枪喷头的焊接。 影响喷头钎焊质量的因素有:零件加工表面质量、接头装配间隙、焊前准备、钎焊温度控制和钎焊顺序等。为保障钎焊质量，要求接头装配间隙控制在0. O1-0. 1mm之间，焊前对被焊部位进行严格的清理，温度控制精确，采用合理的钎顺序。 由于氧枪喷头断面尺寸大，喷头散热速度快，给钎焊工艺带来一定困难，设计了专用的加热设备和保温装置，解决了喷头在钎焊接头处散热快的难题。在保障喷头内部质量的前提下，尽量降低喷头底部温度，避免喷头底部晶粒的长大。同时，由于喷头内部有十条钎焊缝，每道钎焊缝分布在不同的平面上，为了保障焊接质量，设计了专用的钎焊夹具，以保证施焊的焊缝处于水平位置。2.4结论 采用研制的钎焊工艺焊制的喷头焊缝具有较高的强度和韧性，焊接接头强度高于母材强度，经2.5MPa水压检验，保压半小时，喷头无渗漏现象发生。将试验后的喷头解剖分析，钎焊接头钎料填充饱满，无漏焊处，焊接质量良好。第三章 铜-钢焊接试验研究 氧枪喷头工作时外表温度达到2000以上，内表温度在高压冷却水的作用下，温度低于60 0C。停止工作时，外表温度迅速降低。由于外表反复承受热应力作用，焊缝外应力状态复杂，产生疲劳裂纹，导致产品失效。为保证产品达到设计要求，对铜钢焊接工艺进行了试验研究，通过比较分析确定适宜的工艺方案。3. 1零件材质焊接性分析3.1.1物理性质和化学性质比较:见表3. 13-1物理性质和化学性质比较3.1.2铜和钢的互溶性 钢和铁在液态时能够无限互溶，固态时可有限互溶。在1094时Fe在Cu中的溶解度约为496，在650时，Fe在Cu中的溶解度为0. 2%，低于650时，在Cu中的溶解无明显变化。分析结论 铜和钢的构理性质和和化学性质差异大，表现为: 铜的溶点较钢低；铜的导热率超出钢的5. 4倍；铜的线膨胀系数是钢的1. 4倍。 上述差异造成了焊接的难度，但是铜和钢的互溶性及微观结构的相近之处有利于铜和钢的焊接。3.1.3分析结论铜和钢的构理性质和和化学性质差异大，表现为:铜的溶点较钢低。铜的导热率超出钢的5. 4倍。铜的线膨胀系数是钢的1. 4倍。上述差异造成了焊接的难度，但是铜和钢的互溶性及微观结构的相近之处又有利于铜和钢的焊接。3. 2焊接工艺试验 由于铜钢焊接难度大，本研制工作先后经历了电子束焊接，手工钨极氢弧焊接，熔化极氢弧焊接等工艺，并取得了较为满意的效果。3.2.1电子束焊接的试验电子束焊接的过程从物理本质上看，电子束焊接是利用真空电子枪中产生的高能强流电子束轰击焊件接缝，高速电子与焊件发生碰撞时，将其动能转送给焊件使之加热熔化的一种熔化焊接方法。 实际上上述高能强流电子束轰击焊件表面时，除了大部分电子把动能转化热能而使焊接区温度上升以外，还可能产生X射线、热辐射、电子反射、二次电子发射、热电子发射等物理现象，如图3-1所示。这些现象都可能对电子束焊接过程产生不利影响。图3-1 电子束轰击固体的现象电子束焊条的应用特点电子束焊条的应用优点电子束斑直径小，能形成深而窄的焊逢，焊逢的深度比可达20:1，远大于一般电弧焊1. 5:1;一次焊透能力可达100到250以上。这是任何焊接方法至今无法比似的。因此电子束既可用二厚板的深度熔焊，也可高速焊接0. 05mm的薄板。 电子束功率密度极高，热量集中，热效率高，热影响区小，又在真空进行焊接，特别适合于难熔金属、活性或高纯度金属热敏感必强的金属焊接。 焊速高，焊接变形小，适用于航空发动机、核堆堆芯控制框架等精密构件的焊接。 电子束焊接的应用弱点 电子束焊枪结构复杂，设备投资和运行成本都比电弧焊要高出许多倍。 焊接一般要在高真空室中进行，真空室尺寸限制了焊件大小。而低真空、非真空电子焊焊接，因电子束在低真空、非真空条件下会与气体分子碰撞而产生散射，电子束走直径增大，功率密度降低，使电子束焊接优势减低。非真空电子束焊只有在距离其出口很近时才可技术采用。 细微的电子束斑，要求接头间隙加工、装配十分严格，从而使焊缝对准十分困难。 易激发X射线，应注意其防护。 以上弱点限制了电子束焊接的广泛应用，使之至今仍是仅见于钨、铝、等难熔金属、铝、镁等活性金属、异种钢及航空航天、核电制品中些特别重要和精密构件的焊接。综上所述，电子束具有焊接速度快，热影响区小，焊接变形小，焊缝内应力小，焊缝金属纯净度高。焊接质量好等优点。电子束焊接缺点是设备投资大和焊接成本高，对工件装配精度要求高。实验的时候在焊接氧枪喷头之前，做了铜钢电子束焊接试板，试板坡口形状如图3. 1所示。图3.1 试板坡口形状所以实践表明，铜钢不加过渡层焊接，焊接接头脆性大，铜钢结合性能差。 试验喷头完成了电子束焊接后经表面着色检验和水压检验，焊接质量满足使用要求。送炼钢厂现场试验，喷头使用效果良好，冷却水流量及温升与进口德国喷头相近，化渣效果良好，吹炼炉次达824炉，使用后的喷头焊缝无渗漏现象发生，所采用的焊接工艺是合理的。3.2.2氩弧焊接的试验非熔化极气体保护焊是以氩气(或氮气等惰性气体)作为保护保护介质，经钨棒为电极与工件之间产生电弧的另一类气保护电弧方法，在我国通常只采用氩气，故又叫做钨极氩弧焊或缩写为TIG (Tungsten Inert Gas Welding)焊、GTAW (Gas Tungsten Are Welding)。保护气，进出冷却水及弧焊电源负极均与焊接控制箱相连，电源的正极接工作，在焊接区域形成保护气罩，焊炬内夹持着钨棒，电弧在钨棒电极与工作之间引燃，根据不同的工件厚度和坡口形状可以外加或不加填充焊丝。焊炬相对于接缝的移动和填加焊丝均可手工操作或由机械自动完成。 GTAW的主要特点GTAW的应用优点纯氩气保护，焊缝保护效果好，焊缝金属纯净。特别适用于焊接易氧化的有色金属及其合金、不锈钢、高温合金、钦及其合金，以及难熔的活性金属。焊接过程稳定。电弧能量参数可精确控制，氩气是单原子惰性气体，稳定性极好，在高温下不分解、不吸热、不溶于金属，也不与金属起化学反应;热导率很小，电弧的热量损失小，电弧一旦引燃，就能够稳定燃烧。另一方面，钨棒本身不会产生熔滴过渡，弧长干拢因素相对减少，也使电弧和焊接过程十分稳定。 焊缝成形好。由于焊接过程稳定，氩气的保护效果又好，氧气不会侵入焊缝金属，液体金属表面不发生化学活性的反应，因此表面张力较大。熔池金属不易下淌和流失。 焊接过程易于自动化。GATW的电弧是明弧。焊接过程参数稳定，易于观察或检测，容易实现自动化控制。是理想的自动化乃至机器人化的焊接方法。GTAW的应用弱点 引弧比较困难。为避免污染钨极或焊缝夹钨，一般不用接触引弧，而采用高频引弧或高压脉冲引弧方法，通过强电场的电子发射击穿氩气介质使其电离形成电弧。这种引弧方式会给自动化控制系统造成干扰，尤其是对于用于计算机控制的焊接设备或焊接机器人影响更大。 对工件清理要求较高。GTAW无冶金脱氧或去氢措施，焊前对工件的除油、去锈、去垢等清洁工作工求较高，否则极易引起气孔、裂纹等焊接缺陷。 用普通正弦波交流弧焊电源焊接铝、镁及其合金时，电弧稳定性很差，直流分量。采用正负半波比例可调的矩形波交流可很好地解决这一问题。 铜-钢钨极氢弧焊焊接试验采用电子束焊接氧枪喷头，生产工艺复杂，对焊接夹具精度要求高，焊接控制难度大，焊接成功率低，电子束焊接工艺成功之后，开始氢弧焊接工艺的研究。利用实验室现有条件，最初试验采用手工钨极氢弧焊接工艺焊接氧枪喷头。通过选用不同的焊接工艺，不同的焊接材料，做焊接试板的拉力试验，焊缝金属成分分析，焊缝金属气体分析，焊缝金属金相分析，焊缝金属扫描电镜分析。实验表明铜钢焊缝金属焊接质量的好坏取决于填充材料、焊接工艺和铜钢熔合比例的控制。 第一次选用的焊接材料代号为HSCuAlNi2O4的焊丝，焊接规范如下: 焊丝直径:2. 0mm 焊接电压:12-14V 焊接电流:120-140A 氢气流量:8-1OL/min 钨棒直径:5.