45钢油压机主梁的CO2焊接工艺分析.doc

青海交通职业技术学院 汽车工程系 2014 届 毕业论文 45 钢油压机主梁的 CO2焊接工艺分 析 姓 名 杨占发 指导教师 孙丙岩 专 业 焊接技术及自动化 班 级 201101 2013 年 6 月 3 日 目 录 序言 1 1 焊接性分析 1 1 1 45 钢焊接过程中容易出现的缺陷 2 1 1 1 气孔 2 1 1 2 裂纹 2 1 2 45 钢的焊接 3 2 焊接工艺确定 3 2 1 坡口形式 3 2 2 焊接方法和焊接材料 4 2 3 预热及层间温度 4 2 4 焊接工艺 4 3 焊接工艺要点 5 4 焊后热处理 5 5 结论 6 参考文献 6 45 钢油压机主梁的 CO2焊接工艺分析 杨占发 青海交通职业技术学院焊接技术及自动化 201101 班 810028 摘要 45 钢油压机主梁为箱形梁结构 制作主要通过焊接加工完成 本文通过分析 45 钢材料焊接性及主梁结构 制定了合理的 CO2焊接工艺 克服了焊接材料淬硬倾向大 工件 刚性大等困难 实现了该油压机主梁的焊接工作 关键词 45 钢 裂纹 焊接工艺 序言 45 钢是一种强度较高的中碳优质钢 其淬透性差 一般以正火状态使用 机械性能要 求较高时 采用调质处理 冷变形塑形中等 退火和正火的切削加工性比调质的好 它在 工业制造中特别是机械上用的比较多 用以制造油压机 压塑机 还可代替渗碳钢制造齿 轮 主梁 活塞销 等零件 1 焊接性分析 45 钢在一般工艺条件下不能进行焊接 因为随着含碳量的增加 钢材的可焊性变差 低碳钢具有较好的可焊性 含碳量超过 0 35 的钢材可焊性较差容易产生焊接裂纹 当采 取一些特殊的工艺措施后 45 钢也可以进行焊接 一般是焊前预热 小的焊接规范 焊后 缓冷以及焊后消除应力退火等措施是可以进行焊接的 但是容易产生淬硬组织 在焊缝和 热影响区都容易产生马氏体组织和较大的焊接残余应力 45 钢是含碳量在 0 04 2 3 之间 的铁碳合金 为了保证其韧性和塑性 含碳量一般不超过 1 7 45 钢的主要元素除铁 碳 外 还有硅 锰 硫 磷等 表 1 45 钢 力学性能 抗拉强度 Rm Mpa 屈服强度 Re Mpa 伸长率 A 断面收缩率 Z 冲击功 AKV J 冲击韧性值 akv J cm2 600 355 16 40 39 49 表 2 45 钢化学成分 碳 C硅 Si锰 Mn硫 S磷 P铬 Cr镍 Ni铜 Cu 0 42 0 50o 17 0 370 50 0 80 0 035 0 035 0 25 0 25 0 25 45 钢是生产生活中常用的一种钢 不管是在力学性能 还是在价格方面 具有一定的 优势 45 钢属于高强度中碳调质钢 具有一定的塑形和韧性 较高的强度 切削性能良好 采用调制处理 可获得很好的综合力学性能 根据国际碳当量计算公式 Ceq C Mn 6 Cr Mo V 5 Ni Cu 15 得 45 钢的碳当量值为 0 58 0 71 当碳当量值 Ceq 0 45 焊接性较差 所以 45 钢属于较难焊的材料 焊接过程中需采用特殊的焊接工艺 否则易出现焊接缺陷 影响焊 接接头质量 油压机主梁母材材质为 45 中碳钢 其碳当量 Ceq 为 0 5 0 60 当含碳量大于 0 40 时 母材具有较大淬硬倾向 冷裂纹敏感性较高 焊接性较差 其焊接的主要困难在于焊缝及 焊接热影响区易产生低塑性的淬硬组织 导致延迟裂纹 由于母材含碳量高 焊接过程中母 材要部分熔化 其成分 主要是碳 要熔入熔池中形成焊缝 使焊缝中碳含量增加 易引起气孔 和裂纹 图 1 45 钢油压机主梁结构示意图 1 内板 2 面板 3 侧板 4 肋板 1 1 45 钢焊接过程中容易出现的缺陷 1 1 1 气孔 产生气孔的原因是由于母材熔化到焊缝中使焊缝中含碳量增高 当熔池脱氧不足时在 熔池结晶后期产生的一氧化碳 氢气来不及从焊缝中逸出形成气孔 在实施中碳钢焊接时 防止气孔应采取以下措施 1 焊接时减少母材的熔化量 采用开坡口的接头 2 第一层 焊缝焊接时 采用小的焊接电流 慢焊速减少母材熔化 同时也要保证母材熔透 避免产 生夹渣和未熔合等缺陷 3 采用短弧焊接 保护熔池减少氧气侵入 尽量选用低氢型焊条 减少氢气的来源 工件要彻底除锈 焊条必须烘干 1 1 2 裂纹 中碳钢焊接时 容易产生裂纹有 热裂纹 冷裂纹 及热应力裂纹 1 热裂纹指在焊接过程中焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区产生的焊接 裂纹 由于钢即铁碳合金的凝固是在一个温度区间内进行的 在未完全凝固之前的温度范 围内 当固体多 而未凝固的液体较少时 即呈固液状态时 金属塑性最低 这样在凝固 收缩应力的作用下 焊缝金属易沿液相边界处开裂 即形成热裂缝 从铁碳平衡图可知 在钢中 随含碳量增加 凝固温度区也增加 产生裂纹的危险性也愈大 经验表明 用手 工电弧焊焊接炭素钢 在焊缝中含炭量超过 0 02 时 就有可能产生热裂纹 当含碳量超 过 0 4 时 热裂纹很难避免 2 冷裂纹即焊接接头冷却到较低温度时产生的焊接裂纹 由于母材中含碳量越高 在 近缝区的马氏体倾向越大 即在焊接热影响区产生塑性很低的马氏体组织 当焊件较厚钢 性较大时或焊条选用不当均容易产生冷裂纹 3 热应力裂纹指在焊缝区收缩应力的作用下 变形集中在焊接接头的某一区域或远离 接头的部位 由于塑性低而产生的裂纹 1 2 45 钢的焊接 主梁为一封闭箱形结构 各组件较厚 分别为 40mm 75mm 接头坡口较深 结构刚性大 具有较大拘束度 焊接应力较大 对冷裂敏感性较高 焊接过程中易出现热裂纹 焊后易在焊 缝及焊接热影响区产生冷裂纹现象 因此 需采取低氢焊接方法和严格的焊接工艺措施 以 获得优质焊缝 焊接工艺措施如下 预热有利于减低中碳钢热影响区的最高硬度 防止产生冷裂纹 这是焊接中碳钢的 主要工艺措施 预热还能改善接头塑性 减小焊后残余应力 通常 35 和 45 钢的预热温 度为 150 250 含碳量再高或者因厚度和刚度很大 裂纹倾向大时 可将预热温度提高至 250 400 若焊件太大 整体预热有困难时 可进行局部预热 局部预热的加热范围为 焊口两侧各 150 200mm 焊条条件许可时优先选用碱性焊条 坡口形式将焊件尽量开成 U 形坡口式进行焊接 如果是铸件缺陷 铲挖出的坡口外 形应圆滑 其目的是减少母材熔入焊缝金属中的比例 以降低焊缝中的含碳量 防止裂纹 产生 焊接工艺参数由于母材熔化到第一层焊缝金属中的比例最高达 30 左右 所以第一 层焊缝焊接时 应尽量采用小电流 慢焊接速度 以减小母材的熔深 焊后热处理焊后最好对焊件立即进行消除应力热处理 特别是对于大厚度焊件 高 刚性结构件以及严厉条件下 动载荷或冲击载荷 工作的焊件更应如此 消除应力的回火温 度为 600 650 若焊后 即温度 200 时 不能进行消除应力热处理 应立即进行后 热处理 即消氢处理 一般加热温度约为 150 保温 2h 缓冷 2 焊接工艺确定 2 1 坡口形式 由于油压机主梁结构接缝较多且板厚 所以其坡口尺寸不可能大 以减少焊缝金属填充 量和焊接热输入量 有利于提高生产效率和接头的抗裂能力 为便于加工 组装 该结构采 用 J 型坡口 见图 2 图 2 坡口形式 2 2 焊接方法和焊接材料 根据结构焊接性分析 可采用手弧焊 CO2焊等低氢焊接方法 由于该结构接缝较多 坡口较深 焊接量大 若采用手弧焊 考虑其坡口根部的可焊到性 势必要增大坡口尺寸 使 填充金属量及焊接热输入量增加 且手弧焊存在效率低 热影响区宽 质量受人为影响较大 等特点 无疑将使工期延长 焊接质量无法保证 不适于承担该结构的主要焊接任务 但其 可用于点固焊及缺陷的补焊 而 C02焊因具有高效 焊缝含氢量低 质量稳定 接头根部可焊到性好 要求坡口尺 小和焊接热影响区窄等优点 因此用于该结构的焊接是可行的 经查找资料 按等强匹配 原则选择的 45 钢焊接材料 如抗拉强度为 55OMPa 或 600Mpa 进行焊接时 其焊缝强度往往高于母材 并且焊接质量不易保证 焊接过程中 相当数量母材 会熔化进入焊缝 使焊缝含碳量增加 极易产生热裂纹 若焊接材料中的锰不足以消除碳的 影响 热裂倾向更为严重 此外 碳含量增加 气孔敏感性 冷裂倾向也相应增大 故采用低 强度等级选择焊接材料 如 H08Mn2SiA 焊丝可以降低焊缝含碳量 提高焊缝抗裂能力 以获得 优质焊缝 2 3 预热及层间温度 预热温度是焊接 45 钢的重要工艺参数 焊前合理的预热有利于焊缝中扩散氢的逸出 降 低焊接接头的冷却速度 从而防止产生淬硬的马氏体组织 有效地防止冷裂纹的产生 预热 温度的确定主要与母材成分 焊缝中扩散氢含量和焊件的拘束度大小等因素有关考虑到环 境温度较低及散热因素 确定预热温度为 250 焊接过程中要求层间温度不低于预热温度 有利于降低焊缝中扩散氢含量 保证每层焊 缝的质量 2 4 焊接工艺 1 装配前去除工件坡口及两侧的氧化皮 油污等 2 定位焊前用氧一乙炔焰对工件坡口两侧 150mm 范围内预热至 250 300 采用 3 2mm 的 E5015 焊条对称定位焊 定位焊缝长 80 100mm 间隔 3O0mm 3 定位焊后用两把氧一乙炔枪对工件进行整体加热至 250 300 4 焊接时要求对称施焊 以减少焊接应力和变形 对接焊缝用 1 2mm H08Mn2SiA 焊 丝进行 CO2气体保护焊 焊打底层时 在保证坡口两侧熔合量良好的情况下 应尽量采用小 规范 以避免母材过多熔化进入焊缝 5 一次装配肋板 内板和面板并焊接其相互形成的角接缝 再进行二次装配侧板并焊 接其他坡口接缝 6 采用直流反极性接法进行焊接 工艺参数见表 3 表 3 焊接工艺参数 填充材料焊接电流焊接 层次牌号直径 mm 极性电流 A 电弧电压 V CO2 气体流 量 L min 焊丝伸出 长度 min 1 层 H08Mn2SiA1 2 直流 140 16022 242012 14 2 层 H08Mn2SiA1 2 直流 160 18023 252014 16 其余 H08Mn2SiA1 2 直流 220 24028 302014 16 3 焊接工艺要点 1 一次装配时给侧板位置留 30mm 收缩量 否则 侧板组装困难 2 CO2气体纯度必须大于 99 5 并在气路中增加预热干燥器 以充分减少气体含水量 降低氢的影响 3 先对要焊接缝进行一遍打底焊 要求焊缝成形良好 保证焊接质量 使工件温度分布 均匀 变形减小 再采用多层多道连续焊焊完每一接缝 焊接时相邻焊道 层 焊接方向相反 后一焊道应搭接前一焊道宽度的 1 3 1 2 焊道之间应圆滑过渡 4 按 先小缝 后大缝 先内缝 后外缝 接缝应处于平焊位置等原则进行施焊 5 起弧 收弧处均用砂轮磨除后 采用 3 2mm E5O15 焊条进行手弧焊封焊 以防止 收弧及起弧缺陷 6 每条焊缝焊后冷却至 600 以下 除第一道和最后一道焊缝外 其余各道焊缝均用尖 部圆角半径为 R10mm 的小锤锤击 以缓解收缩应力 7 焊接过程中用风铲逐层锤击焊道 消除焊接应力 既控制了层间温度又防止产生裂纹 对夹渣 裂纹 气孔等缺陷必须及时清除 用砂轮修形后进行补焊 局部缺陷用手弧焊补焊 8 焊接过程中保证结构整体温度在 250 以上 9 表面焊缝余高要求为 1mm 内层焊缝余高 0mm 以提高焊缝抗裂性 4 焊后热处理 结构焊接完后 将其送入退火炉中加热到 350 450 保温 2h 进行均温处理 随后缓冷 至 200 左右进行消除应力退火处理 以充分消除焊接残余应力 防止工件开裂 改善金相组 织 降低硬度满足加工要求 5 结论 l 选择低匹配焊接材料焊接中碳钢可避免产生裂纹 并可满足结构强度要求 2