疲劳焊缝的焊接工艺研究.ppt

1、疲劳焊缝的焊接工艺研究,南车戚墅堰机车有限公司,疲劳焊缝的焊接工艺研究,1,2,3,4,母材的基本性能,填充材料及焊接设备的选用,焊接性能分析,焊接裂纹的形成,1,2,3,接头形式,坡口准备,定位焊,1,2,焊丝直径的选择,焊接工艺参数的确定,车底架简介,内燃机车机车整车构造,车底架,司机室,辅助室,主发室,柴油机,散热室,转向架,转向架,散热器,车底架就是由各种纵向和横向钢梁组成的长方形构架。它承托着车体，是车体的基础。车底架承受上部车体及装载物的全部重量，并通过上、下心盘将重量传给走行部。在列车运行时，它还承受机车牵引力和列车运行中所引起的各种冲击力及其他外力。所以，它必须具有足够的强度和

2、刚度，才能坚固耐用。,一 问题提出,图1机车车底架示意图,机车整体结构采用外走廊方式，车底架主要结构为由中部油箱和两个端部（端部一和端部二）三段拼接而成，如图1所示，从图中可以看出，车架三段拼接时，油箱和端部箱型梁的上下盖板为主要传递和承载力的部位。 经过设计的模拟仿真计算，该处拼接位置的焊缝为疲劳焊缝，该焊缝的焊接质量等级为CPB，检验等级为CT1，(这是最高等级的焊缝)该焊缝焊后须经100超声波探伤检测和磁粉探伤检测，只有在探伤检测合格后才可进行下工序的组焊，否则需要进行返工处理，直至返修合格，这样会在很大程度上影响生产节点，所以该焊缝质量的好坏直接影响到该型机车日产一台的生产节点，成为制

3、约车间正常生产的瓶颈之一。,2.1 中部油箱和两个端部下盖板对接焊缝为疲劳焊缝，其材质均为Q460C，焊接的具体要求如下：,二 设计及工艺要求,设计及工艺要求,6,1,2,4,3,5,1. 咬边深度小于0.5mm;,f. 焊缝边缘无溶渣、飞溅,3. 不允许有表面气孔;,4. 焊缝表面不许有凹坑、间断;,2. 不许有裂纹、烧穿;,5. 所有焊缝符合图纸要求,2.2 焊缝要求全焊透，焊后进行UT和MT检测,3.1 母材的基本性能,三 母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析,3.1.1端部与油箱上下盖板材料均为Q460C，化学成分如表1所示：,表1Q460C的化学成分（GB/T1591-199

4、4）,3.1 母材的基本性能,三 母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析,3.1.2端部与油箱上下盖板材料均为Q460C，力学性能如表2所示：,表2Q460C的力学性能（GB/T1591-1994）,3.2填充材料的选用,三 母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析,填充材料选用ER50-6焊丝，同时选用HTW-811Ni2 (即E551T1Ni2)药芯焊丝为填充层和盖面，熔敷金属化学成分及力学性能见表3和表4，保护气体选用CO2，气体纯度不低于99.8%. 注意焊丝进厂后必须存放在干燥的环境中，不能随便打开焊丝盘的防水包装，以免焊丝锈蚀，使用过程中也要注意防潮，生绣的焊丝不能使用，

5、以免产生气孔等缺陷。,3.2填充材料的选用,三 母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析,金属粉型药芯焊丝与实心焊丝的焊道成形见下图所示：,图2 焊道成形示意图,三 母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析,金属粉型药芯焊丝具有以下优点：,1）更高的熔敷速度 1. 由于金属粉型焊丝是由薄钢带包裹粉剂组成，电流主要从钢带通过，其电流密度大，熔化速度快； 2.焊芯中含有大量的铁粉、铁合金和金属粉，非金属矿物含量很少，因此，它比实心焊丝和熔渣型药芯焊丝具有逢高的熔敷速度。,如右图所示为三种焊丝熔敷速度的比较，可见其熔敷速度比前两种焊丝提高10-20%。,图3 焊道成形熔敷速度比较示意图,三

6、母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析,2）较高的熔敷效率 熔敷效率是指熔敷到焊缝金属中的金属质量与所熔化的焊接材料质量的比值，实心焊丝几乎不产生熔渣，仅有少量的飞溅损失和烟尘，故熔敷效率最高，一般在90-98%之间，熔渣型药芯焊丝一般为80-87%，而简述粉型药芯焊丝产生的渣量少，烟尘和飞溅小，其熔敷效率提高，直径为1.2mm的焊丝为91-95%。,三 母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析,3）熔渣量少 熔渣少既可以避免焊接过程中出现夹渣等缺陷，又可减轻每道焊缝的清理工作。同时，熔渣量少的另一个优点是在焊接厚板时可采用窄坡口，减少焊接道次。采用金属粉型药芯焊丝的坡口角度可从手工

7、焊条和一些熔渣型药芯焊丝的60坡口降低到45坡口，填充金属量可减少近30%，这一切都大大减轻了焊接工作量，降低了焊接成本。 4）焊接飞溅少 由于电弧燃烧稳定，焊接时飞溅量会减少。减轻了焊后清理飞溅的作业，同时提高了钢结构件的焊缝外观成形。,三 母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析,5）焊缝成形好 因其良好的电弧特性及低的烟尘和飞溅量，焊接操作可见度好，便于操作者能更好地控制熔池形状，并得到良好的焊缝形状，避免了实心焊丝采用富氩混合气体焊接时容易出现的“指状熔深”，如右图所示，从而放宽对加工和装配尺寸的精度要求，特别适合于自动焊，可提高焊接效率30%。,(a)实芯焊丝：窄熔深，对接头装配

8、尺寸公差要求较高； (b)金属粉型钛型药芯焊丝：宽熔深，对接头装配尺寸公差要求不高,图4 实心焊丝与药芯焊丝熔深对比图,三 母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析,6）焊接烟尘少 新研制的金属粉型TWE-811Ni2钛型药芯焊丝的烟尘量已可降低到实心焊丝水平，比熔渣型药芯焊丝CO2气保护的烟尘量要低100-150%。,3.3 设备的选用,三 母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析,根据车间现有的设备，焊机选用CO2气体保护焊机。,表3ER50-6焊丝熔敷金属化学成分及力学性能(GB/T8110-1995),三 母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析,表4 TWE-811Ni2

9、药芯焊丝熔敷金属化学成分及力学性能(GB/T17473-1998),3.4焊接性能分析,三 母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析,3.4.1 母材焊接性能分析 由于母材的材质为低合金高强度结构钢，因此，用碳当量法分析Q460C的焊接性能。Q460C的碳当量为： WCE=WC+WMn/6+W（Ni+Cu）/15+W（Cr+Mo+V） /5=0.2%+0.21%+0.04%+0.16%=0.61% 由于Q460C结构钢的WCE=0.61%0.45%，而钢的碳当量越大，其淬硬倾向也就越大，同时也增大了冷裂的敏感性，所以Q460C焊接时有较明显的淬硬倾向，热影响区容易形成硬而脆的马氏体组织，塑

10、性和韧性下降，冷裂的倾向增大。因此，焊接时需要较小的线能量，焊接线能量过高，会导致热影响区性能降低，同时，为防止产生裂纹，焊接过程应该严格保持低氢条件，焊丝不能受潮，要采取100% CO2保护，而且CO2要干燥，以减少热影响区的韧性下降。,三 母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析,3.4.2 填充材料的焊接性能分析 采用的TWE-811Ni2为全位置焊接的100% CO2气体保护的药芯焊丝，焊接时为防止冷裂纹，焊前须预热50-150，多道焊接时，须保持80-150左右的层间温度，以保持机械性能，热输入控制在25KJ/cm以下，一旦热输入过大，会造成焊接金属机械性能恶化，所以，焊接时需要

11、选用低电流、低热输入的焊接条件。,3.5 焊接裂纹的形成,三 母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析,3.4.1 母材焊接性能分析 Q460C低合金高强度结构钢热影响区容易产生低塑性淬硬组织，并且淬硬倾向随着材料厚度的增大而增大，容易产生冷裂纹。影响冷裂纹的因素很多，也很复杂，比如说焊接时的拘束应力、氢的有害作用、焊接工艺和焊接条件等，这里主要讨论焊接工艺和焊接条件对冷裂纹的影响。焊接过程中所采用的焊接工艺，如焊接材料、焊接线能量、焊前预热、多层焊以及焊接顺序等对冷裂纹均有不同程度的影响。,三 母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析,3.4.1 母材焊接性能分析 Q460C低合金高

12、强度结构钢热影响区容易产生低塑性淬硬组织，并且淬硬倾向随着材料厚度的增大而增大，容易产生冷裂纹。影响冷裂纹的因素很多，也很复杂，比如说焊接时的拘束应力、氢的有害作用、焊接工艺和焊接条件等，这里主要讨论焊接工艺和焊接条件对冷裂纹的影响。,（1）焊接材料的影响 （2）焊接线能量的影响 （3）预热的影响 （4）多层焊的影响,三 母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析,（1）焊接材料的影响 如前所述，由于母材的淬硬倾向大，所以冷裂的敏感性就大；而填充材料TWE-811Ni2药芯焊丝的冷裂倾向也大。 （2）焊接线能量的影响 线能量过大，会引起近缝区晶粒粗大，降低接头的抗裂性能；反之，线能量过小，又

13、会使热影响区淬硬，也会不利于氢的逸出，故而也增大冷裂倾向，所以应该选择最佳的焊接线能量。 （3）预热的影响 预热可以有效地防止焊接冷裂纹，但是合理的预热温度十分重要。预热温度过高，一方面恶化了劳动条件，另一方面在局部预热的条件下，由于产生附加应力，反而会促使产生冷裂，所以应该合理地选择预热温度。,三 母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析,（4）多层焊的影响 多层焊时，由于后层对前层有消氢和改善热影响组织的作用，所以多层焊时的预热温度可比单层焊适当降低，同时多层焊对防止冷裂纹有良好的作用。但是多层焊时应该尽可能控制层间温度和后热温度，以便使扩散氢逸出，否则，氢量会发生逐层积累，与此同时，

14、在多次加热的条件下，会产生较大的残余应力，从而导致冷裂倾向反而增大。,三 母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析,3.5 焊前准备 3.5.1接头形式 端部的上盖板为20mm，下盖板厚度均为25mm,油箱的上盖板为20 mm，下盖板为32 mm，必须对32mm的厚板进行削薄处理，保证接头厚度一致，接头形式为V形对接接头，如图5所示。在焊缝两端需加引弧板和收弧板，引弧板和收弧板的接头形式与焊缝相同，坡口角度与焊缝一致。如图5所示。,图5坡口形式及尺寸 注：P8G-EP57:碳锰高强度钢板药芯焊丝电弧焊 P8G-EP2-1:中低碳钢的熔化极气体保护焊,三 母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接

15、性能分析,3.5.2坡口准备 由于机车对机车车底架总长是有要求的，故两个端部和中间的油箱拼接时的坡口需要现配，根据车间的现有设备，我们采用火焰切割方法来加工坡口。为了防止出现焊接缺陷，焊前应清除氧化渣、油锈等杂质，坡口及周围20 mm范围内打磨至金属光泽，表面平整，端部与油箱上下盖板拼接平齐，高低错边不大于1 mm，在接头两端安装引弧板与收弧板，坡口与焊接接头坡口一致，完成后在接头底部贴陶瓷衬垫，焊接上盖板时贴平衬垫，下盖板贴角度为165的陶瓷衬垫，陶瓷衬垫安装时应与接头底部贴密，贴实，间隙不大于1mm。如上图所示。,三 母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析,3.5.3 坡口预热 同时

16、为降低焊缝冷裂的敏感性，焊前可采取预热，因为预热可有效防止裂纹，降低焊缝及热影响区冷却速度、减少应力的作用。由于构件较大，整体预热不是很方便，所以采取局部预热的方法，选用氧丙烷的预热方式，但预热时不能影响母材的性能，因为局部预热温度过高，会产生附加应力，所以预热温度选择在50-80，预热范围在焊缝两侧100mm200mm内，而且预热后要及时进行焊接。 3.5.4定位焊 定位焊时选取与焊接同类型的填充材料，定位焊时的顺序以防止较大的约束为原则，采取四角定位焊的焊接方式进行定位，焊接电流比正常焊接时的电流稍大些。,三 母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析,3.5.3 坡口预热 同时为降低焊

17、缝冷裂的敏感性，焊前可采取预热，因为预热可有效防止裂纹，降低焊缝及热影响区冷却速度、减少应力的作用。由于构件较大，整体预热不是很方便，所以采取局部预热的方法，选用氧丙烷的预热方式，但预热时不能影响母材的性能，因为局部预热温度过高，会产生附加应力，所以预热温度选择在50-80，预热范围在焊缝两侧100mm200mm内，而且预热后要及时进行焊接。 3.5.4定位焊 定位焊时选取与焊接同类型的填充材料，定位焊时的顺序以防止较大的约束为原则，采取四角定位焊的焊接方式进行定位，焊接电流比正常焊接时的电流稍大些。,四 工艺参数的选择,4.1 焊丝直径的选择 根据试验结果，焊丝直径为1.2mm。试验结果见附

18、件1. 4.2 焊接工艺参数的确定 由于母材的淬硬倾向较大，从减小淬硬倾向来说，采用大线能量有利，但是增大线能量难以避免马氏体的形成，反而增大了奥氏体的过热和提高了奥氏体的稳定性，促使粗大马氏体的形成，使热影响区的脆化更为严重。而减小热影响区的脆化的主要工艺措施是采用小线能量，减少高温区的停留时间，避免奥氏体过热，增加奥氏体成分的不均匀性，从而降低奥氏体的稳定性，同时采取预热措施，这对于改善热影响区的性能是非常有利的，并采用多层多道焊，合理控制层间温度。 为保证焊接质量，我公司采用1.2的实心焊丝ER50-6进行打底焊和药芯焊丝TWE-811Ni2进行填充。杆身长度为12mm14mm，因为杆身

19、长度过大，飞溅严重，气体保护效果较差，反之，杆身长度过小，飞溅容易堵塞喷嘴，保护效果也不好。,四 工艺参数的选择,同时气体流量对焊接质量也有很大的影响，流量过大，会产生不规则的濡流，保护效果反而变差。于此同时也应该控制焊接速度，速度过快，熔合不好，容易产生缺陷，速度过慢，则生产效率低，输入焊缝的热量过多，敷层金属晶粒粗大，焊缝成型差。经过实践，最终确定的工艺参数见表5。,表5 焊接工艺参数,四 工艺参数的选择,工艺参数选择注意事项： （1）电流过大或过小都容易产生焊接缺陷。 （2）电压过大而且易产生咬边、弧坑，熔池过热陶瓷衬垫脱落等 缺陷，同时还会使焊缝过热，促使晶粒长大； （3）送丝速度过大

20、时，陶瓷衬垫易脱落，焊接速度对焊缝成型也是有影响的，速度过慢，热影响区加宽，晶粒粗大，变形也大； （4）速度过快，易造成未熔合，未焊透，焊缝成型不良等缺陷。,五 焊接方法,为防止变形，HXN5机车车底架三段拼接焊缝施焊必须由4人同时对称进行焊接，由于车架组装时是反装的，同时考虑到挠度的要求，实际操作中要先焊上盖板的焊缝，再焊下盖板的焊缝，同时考虑到厚板的焊接质量，在施焊前，在焊缝的两端施加引弧板和收弧板，在引弧板上起弧，收弧板熄弧，尽可能不要或减少在焊缝中的熄弧引弧，焊缝中熄弧必须对接头进行打磨，以保证接头质量。具体的焊接工艺见5.1和5.2所述。,图6引弧板和收弧板示意图,五 焊接方法,第一层采用CO2气体保护焊，实心焊丝打底焊接。焊枪必须垂直于焊缝，右手拿焊枪，左手在后面托住焊枪，保证焊枪与焊缝的垂直，起弧时必须从引弧板上开始，焊丝左右摆动，在两边稍做停留，焊丝始终保持在熔池前1/3处，匀速向前移动，不能脱离熔池，收弧时必须在收弧板上熄弧，