PLC控制下汽车车桥焊接工艺研究.pdf

上半月出版c a s t i n g F O l l 咖g w e l d i n g 金属铸锻焊技术 P L C 控制下汽车车桥焊接工艺研究 刘长军 尹奕君2 1 沈阳工业大学工程学院 辽宁辽阳l l l 0 0 3 2 福斯特惠勒电力集团亚洲公司 上海2 0 0 1 2 2 摘要 通过对汽车车桥材料的焊接性和焊接结构的分析 研究了P L C 控制下的汽车车桥C 0 2 气体保护焊 工艺 并对焊接接头的力学性能和显微组织进行相应地分析 确定了其最佳工艺参数 结果显示 由于P L C 技术 的引入 焊接接头的性能得到显著改善 完全可以达到相应的标准要求 满足生产需要 关键词 汽车车桥 焊接工艺 P L C 中图分类号 T G 4 5 7 2 T G 4 4 4 7 3文献标识码 A文章编号 1 0 0 1 3 8 1 4 2 0 0 9 2 3 0 1 8 5 一0 3 R e a r c ho nW e l d i n gP r o c e 辎o fR e a rA x l eU n d e rC o n t r o lo fP L C L C h a n 面u n l Y I NY i j u n 2 1 c D 如伊旷西画鹏e 一 蝎s k n y n 增 西e 昭砂矿死c 如g y 施D 弘昭l ll0 0 3 c A i n 晖2 而s 地r 缈k e 如rP 伽e r G r o 印A s 缸 鼢彻g 九以2 0 0 1 2 2 吼i 砌 A b s t r a c t T h er e a ra l e i so n eo ft h ek e yc o I n p o n e n t sf o r 卸t o m o b i l e s 勰t h et r a n s r n i s s i o no fp o w e r 跏dm e b a c 虹o po fc a rl o a d 1 1 1 er e 盯a l ew 船w e l d e du s i n gG M A Ww i 也P L C 1 1 1 ew e l d i n gp r o c e s sw a sr c s e a r c h e d t h m u 曲m e 觚a l y s i so fw e l d i n gm a t e r i a l 蚰dw e l d e dc o n s 仉l c t i o n 1 1 1 em e c h 她i c a lp r o p e r 够蛐dm i c r o s 仃u c 慨o f w e l d e dj o i n t v e r es t u d i e dt 0d e f i n eo p t i m a lw e l d i n gp r o c e d u r ep a r 锄e t e r s T h er e s u l t ss h o w 恤tt h ep r o p e r t i e so f w e l d e dj o i n ta r ei m p m v e db ym e a mo fP L C T h ep m p e n i e so fr e a ra x l em e e tm en e e do fr e s p o n d i n gc r i t e r i o n K e yw o r d s r e a ra x l e w e l d i n gp r o c e s s P L C 汽车车桥作为汽车底盘行驶系中的重要组成 部分 受力复杂 它不但承重和传力 还承受巨大 的动载荷和静载荷所形成的弯矩和扭矩 为此要 求后桥有足够的强度 刚度和韧性 在众多焊缝 中 桥壳的焊接质量是直接关系到汽车的行驶安 全和乘客及司机人身安全 因此保证后桥的焊接 质量是十分重要的 1 焊接性分析 1 1 材料焊接性 目前汽车车桥所用材料多为低碳钢系列 以 2 0 钢为主 其化学成分 质量分数 为 0 1 7 o 2 3 C 0 1 7 0 3 7 S i 0 3 5 0 6 5 M n C r O 2 3 N i 0 3 C u 0 2 5 P 0 0 3 5 S 0 0 3 5 可见其C 和其它提高淬透性的合金元素含量较少 故在冷 却过程得到的淬硬相比较少 冷裂倾向较小 在此 类合金中主加元素为M n 故M n 的含量较大 而 收稿日期 2 0 0 9 0 8 一1 3 作者简介 刘长军 1 9 7 1 一 辽宁辽阳人 讲师 硕士 主要从事焊接 冶金方面研究和钎焊教学与研究 电话 1 3 7 0 9 8 4 0 9 4 l E 一 m i l 辄 n h a i 8 0 0 3 0 7 1 6 3 在冶炼过程中对S 的含量又进行了严重控制 这 就保证了具有较大的M n S 值 降低低熔点共晶 物形成的几率 对热裂纹有很好的抑制作用 因此 这种材料的焊接性相对较好 焊接冷裂 热裂倾向 较小 常规的焊接方法均可应用于此材料的焊接 但是 考虑到生产效率问题 现在汽车车桥的焊接 方法基本多采用C O 气体保护焊 1 3 1 2 工艺可行性 C O 气体保护焊作用一种高效的焊接方法已 在下程生产上得到广泛的应用 C 0 2 气体保护焊 的电弧穿透力强 生产率比焊条电弧高l 3 倍 C O 气体保护焊采用短路过渡技术可以用于全方 位的焊接 对于薄壁构件焊接质量高 焊接变形 小 焊接速度快 C O 气体价格便宜 且焊前对焊 件处理可从简 其焊接成本只有埋弧焊和焊条电 弧焊的4 0 5 0 C O 气体保护焊易实现机械化 和自动化 在汽车焊接中还可减少对设备 场地 工装夹具的多次投入而减少成本 提高生产效率 抗锈能力较强 焊缝含氢量低 2 焊接结构分析 汽车车桥由i 部分组成 通过焊接方法连接 热加工工艺 2 0 0 9 年第3 8 卷第2 3 期 1 8 5 万方数据 金属铸锻焊技术镕c a s t i n g F o 唱i n g w e l d i n g 2 0 0 9 年1 2 月 成一体 其结构如图l 所示 由于汽车车桥在整车 中不但要支撑车身 还要传递载荷 所以其受力情 况比较复杂 为了清楚反映车桥负载状况下的作 用情况 对车桥整体进行了应力应变有限元模拟 分析 其结果发现 三段式连接的中部连接处应力 集中现象较明显 这是由于连接处存在较大的缝 隙 为焊接而采用的坡口 焊接接头的出现本身 就破坏了结构的完整性易产生应力突变 而焊接 过程又是一个急冷急热的过程 焊缝金属凝固过 程为非平衡结晶 大量残余应力无法及时释放 而 滞留在结构内部造成应力集中现象 图1 汽车车桥结构示意图 F i g 1T h es 缸u c t u r es k e t c ho f r e a ra l e 从强度计算结果来看 由于加载和结构上的 原因 在结构局部地方存在应力集中 最大应力出 算结果表明有动荷系数时应力集中现象加大 最 大应力值上升 同时疲劳寿命减小 因此对汽车车 桥焊接工艺的研究很有必要 3 焊接工艺优化 由上述分析可以发现 由于汽车车桥所用材料 属于低碳钢 焊接性较好 但由于其结构的特殊性 大量残余应力的存在将诱发焊接缺陷 使材料的疲 劳寿命无法满足相应的标准要求 因此对传统的焊 接工艺进行优化改造尤为重要 P L C 控制技术作为 一种新兴的控制技术 由于具有反应速度快 精度 高 体积小的优点并已在工业生产上得到广泛使 用 为此将P L C 控制技术引入C O 气体保护焊过 程中 通过P L C 精准控制丁艺过程中的起弧 稳 弧 息弧 并对与之相配合的T 装夹具进行精确地 引导 进而保证焊接质量的可控性和可再现性 经 过相应的前期调试试验 对焊接工艺参数进行了相 应的优化设计 其最佳的工艺参数范围见表l 焊 现位置 问题 在制造过程中应加强工艺保证 计接材料为E R 4 9 1 表l 焊接工艺参数T a b 1T h ew e l d i n gp r o c e 鲻p a r a m e t e r s 焊接速度 m m i n 1 电流 A电压 V 焊条型号焊条直径 l n l气体流量 L m i l l 1 气源压力 M P a 电机转速 r m i n 1 O 1 加 52 5 0 02 0 2 2H 0 8 M n 2 S i A1 21 5 2 00 41 3 5 0 4 焊接接头性能分析 为了验证P L C 控制下C 0 气体保护焊工艺 参数的可行性和最优性 对此参数下的焊接接头 进行相应的力学性能和显微组织分析 4 1 硬度分析 由于汽车车桥结构的特殊性 在加工 检测过 程中很难将其加工成拉伸试件进行拉伸试验 而 传统热轧钢的抗拉强度与硬度之间有一定的比例 关系 4 即抗拉强度等于硬度值的3 5 倍 所以对 焊接接头进行相应的硬度试验 以此近似评价其 抗拉强度 图2 为焊接接头的硬度分布图 可见其 硬度的最大值出现在焊接接头的m 忆区域 母材 图2 上纵缝焊接接头硬度分布 船 F i g 2 H a r 血e s sd i s t r i b u d o ni nu p p e rl o n 蛳血a lw e l d e dj o i n t 和焊缝的硬度均低于H A Z 而母材与焊缝相对 比 焊缝的硬度略高于母材 通过硬度数据分布图 可明显发现焊缝处硬度分布比较均匀 通过硬度 折换成抗拉强度也达到相应的技术要求 这说明 应用P L C 控制的自动焊机在给定的焊接工艺参 数范嗣内能够有效的控制焊接缺陷 并且很好的 解决了未焊透问题 使焊接接头的力学性能达到 相应的技术要求 4 2 焊接接头金相分析 为了更清晰地揭示焊接接头力学性能变化的 根本原因 对焊接接头进行了相应的显微组织分 析 其金相图片见图3 可看出 无论是母材 焊缝还 是 L 忆 其组织形态均为P F 只是两种组织的形 态有所区别 在母材中P 呈一定的方向性排列 在 其晶界散落一定量的F 这为典型的轧制组织 而在 焊缝组织中其规则的轧制组织已经无法找到 取而 代之的是大量树枝晶和等轴晶 在地皑区域由于 位置介于母材和焊缝之间 所以其组织也介于两者 之间 只是组织有所粗大 这种组织形态与上述的 硬度数据基本吻合 这充分说明P L C 控制下的C O 1 8 6 H o tW o r k j n gT e c l l l l o l o g r2 0 0 9 V r 0 1 3 8 N o 2 3 万方数据 上半月出版c a s t i n g F o 咖g w e l d i n g 金属铸锻焊技术 图3焊接接头显微组织 气体保护焊工艺基本可行 而且质量过关 5 结论 F 远 3 M i c r o s t r L l c t u r eo fw e l d e dj o 缸 参考文献 1 龙伟民 李涛 钟素娟 等 焊接技术在汽车工业中的应用 现状及前景 J 电焊机 2 0 0 4 3 6 4 l 5 1 C 0 2 气体保护焊工艺可成功应用于汽车 车桥的焊接 2 P L C 控制下的C 0 2 气体保护焊工艺 由 于采用的精确控制技术 使焊接接头性能得到进 一步提高 满足实际生产需要 2 1熊晓萍 金权东 汽车车身制造中的自动焊接技术 J 焊 接 2 0 0 6 1 1 4 4 4 7 3 刘政军 樊继师 孙景刚 等 汽车车桥直焊缝焊接设备控 制系统的研制 J 焊接 2 0 0 7 1 1 5 3 5 6 4 崔占全 孙振国 工程材料 M 北京 机械工业出版社 2 0 0 3 5 1 0 田 上接第1 8 4 页 通过不同保温时间下T L P 连 接接头显微组织 图1 及降熔元素扩散 图2 及图3 的研究及分析 可知 保温时间是T L P 连接时中间 层元素充分扩散的保证 是影响T L P 连接接头性能 的主要因素之一 由于T L P 连接过程的实质是在一 定的连接温度和连接压力下降熔元素的扩散过程 所以随着保温时间的增加 元素的扩散距离就会增 大 焊缝中的降熔元素含量就会降低 反应产物就不 可能生成 接头的性能则就发生相应的变化 因此 整个T L P 连接过程也就是降熔元素的扩散过程 在 连接温度为1 1 8 0 连接压力为4 a 的条件下 当保温时间是3m i n 时 N i C r 等降熔元素可以得到 充分的扩散 达到较为理想的扩散分布 从而可以获 得较好性能的2 0 钢管的T L P 连接接头 3结论 1 保温时间是T L P 连接时中间层元素充分 扩散的保证 是影响扩散连接接头性能的主要因 素之一 在一定范围内 随着保温时间的增加 T L P 接头的性能也相应的变好 2 在连接温度为1 1 8 0 连接压力为4 M P a 保温时间是3 m i n 时 中间层材料选用B N i 2 非晶箔进行2 0 钢管的T L P 连接 可以获得性能 良好的接头 3 T L P 连接过程伴随着N i C r 等降熔元素 扩散 降熔元素扩散是否充分影响着T L P 接头的 性能是否达到理想要求 参考文献 1 陈思杰 井晓天 李辛庚 2 0 钢管的瞬时液相扩散焊工艺研 究 J 热加工工艺 2 0 0 3 6 3 7 3 8 2 陈思杰 王振江 刑增为 2 0 钢瞬时液相扩散焊降熔元素的 扩散过程研究 J 热加工工艺 2 0 0 8 3 7 1 9 1 0 5 1 0 6 3 陈思杰 高增 异种材料瞬时液相扩散连接过程的非对称 性川 热加工工艺 2 0 0 8 3 7 1 5 8 7 8 9 4 陈思杰 井晓天 李辛庚 工艺参数对T 9 1 钢管1 1 P 连接 组织和性能的影响 J 材料科学与工艺 2 0 0 6 1 4 4 3 4 1 3 4 2 5 C 锄G K o c a l M P r o g r c s si nj o n ga d v 柏c c dm a t c r i a l s 叨 h t c f n a t i o n lM a t e r i a l sR e v i e w 1 9 9 8 4 3 1 l 3 0 6 李志远 钱乙余 张九海 先进连接方法 M 北京 机械工 业出版社 2 0 0 0 7 任家烈 吴爱萍 先进材料的连接 M 北京 机械丁业出 版社 2 0 0 0 8 办0 uY 妇b 峨c a lm o d e l i n go fi s o m c m l a l l i d i 6 c a t i d 嘶n g 胁s i e n tl i q u i dp h a s e n P b o n g i I 培