PLC控制下汽車(chē)車(chē)橋焊接工藝研究_劉長(zhǎng)軍

1、金屬鑄鍛焊技術(shù) Casting ·Forging ·Welding上半月出版汽車(chē)車(chē)橋作為汽車(chē)底盤(pán)行駛系中的重要組成 部分 , 受力復(fù)雜 , 它不但承重和傳力 , 還承受巨大 的動(dòng)載荷和靜載荷所形成的彎矩和扭矩 , 為此要 求后橋有足夠的強(qiáng)度 、 剛度和韌性 。 在眾多焊縫 中 , 橋殼的焊接質(zhì)量是直接關(guān)系到汽車(chē)的行駛安 全和乘客及司機(jī)人身安全 。 因此保證后橋的焊接 質(zhì)量是十分重要的 。1焊接性分析1.1材料焊接性目前汽車(chē)車(chē)橋所用材料多為低碳鋼系列 , 以 20鋼 為 主 , 其 化 學(xué) 成 分 (質(zhì) 量 分 數(shù) , % 為 : 0.170.23C, 0.170.37Si,

2、 0.350.65Mn, Cr <0.23, Ni <0.3, Cu <0.25, P <0.035, S <0.035。 可見(jiàn)其 C 和其它提高淬透性的合金元素含量較少 , 故在冷 卻過(guò)程得到的淬硬相比較少 , 冷裂傾向較小 ; 在此 類(lèi)合金中主加元素為 Mn , 故 Mn 的含量較大 , 而 在冶煉過(guò)程中對(duì) S 的含量又進(jìn)行了嚴(yán)重控制 , 這 就保證了具有較大的 Mn/S值 , 降低低熔點(diǎn)共晶 物形成的幾率 , 對(duì)熱裂紋有很好的抑制作用 。 因此 這種材料的焊接性相對(duì)較好 , 焊接冷裂 、 熱裂傾向 較小 , 常規(guī)的焊接方法均可應(yīng)用于此材料的焊接 。 但是 ,

3、 考慮到生產(chǎn)效率問(wèn)題 , 現(xiàn)在汽車(chē)車(chē)橋的焊接 方法基本多采用 CO 2氣體保護(hù)焊 1-3。1.2工藝可行性CO 2氣體保護(hù)焊作用一種高效的焊接方法已 在工程生產(chǎn)上得到廣泛的應(yīng)用 。 CO 2氣體保護(hù)焊 的電弧穿透力強(qiáng) , 生產(chǎn)率比焊條電弧高 13倍 ; CO 2氣體保護(hù)焊采用短路過(guò)渡技術(shù)可以用于全方 位的焊接 , 對(duì)于薄壁構(gòu)件焊接質(zhì)量高 , 焊接變形 小 , 焊接速度快 ; CO 2氣體價(jià)格便宜 , 且焊前對(duì)焊 件處理可從簡(jiǎn) , 其焊接成本只有埋弧焊和焊條電 弧焊的 40%50%; CO 2氣體保護(hù)焊易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化 和自動(dòng)化 , 在汽車(chē)焊接中還可減少對(duì)設(shè)備 、 場(chǎng)地 、 工裝夾具的多次投入而減少

4、成本 , 提高生產(chǎn)效率 ; 抗銹能力較強(qiáng) , 焊縫含氫量低 。2焊接結(jié)構(gòu)分析汽車(chē)車(chē)橋由三部分組成 , 通過(guò)焊接方法連接PLC 控制下汽車(chē)車(chē)橋焊接工藝研究 劉長(zhǎng)軍 1, 尹奕君 2(1. 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院 , 遼寧 遼陽(yáng) 111003; 2. 福斯特惠勒電力集團(tuán)亞洲公司 , 上海 200122摘 要 :通過(guò)對(duì)汽車(chē)車(chē)橋材料的焊接性和焊接結(jié)構(gòu)的分析 , 研究了 PLC 控制下的汽車(chē)車(chē)橋 CO 2氣體保護(hù)焊 工藝 , 并對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能和顯微組織進(jìn)行相應(yīng)地分析 , 確定了其最佳工藝參數(shù) 。 結(jié)果顯示 , 由于 PLC 技術(shù) 的引入 , 焊接接頭的性能得到顯著改善 , 完全可以達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要

5、求 , 滿足生產(chǎn)需要 。關(guān)鍵詞 :汽車(chē)車(chē)橋 ; 焊接工藝 ; PLC中圖分類(lèi)號(hào) :TG457.2; TG444+.73文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A 文章編號(hào) :1001-3814(200923-0185-03 Research on Welding Process of Rear Axle Under Control of PLC LIU Changjun 1, YIN Yijun 2(1.College of Engineering, Shenyang University of Technology, Liaoyang 111003, China; 2. Foster Wheeler Power Gr

6、oup Asia , Shanghai 200122, China Abstract :The rear axle is one of the key components for automobiles as the transmission of power and the backstop of car load. The rear axle was welded using GMAW with PLC. The welding process was researched through the analysis of welding material and welded const

7、ruction. The mechanical property and microstructure of welded joint were studied to define optimal welding procedure parameters. The results show that the properties of welded joint are improved by means of PLC. The properties of rear axle meet the need of responding criterion. Key words :rear axle

8、; welding process ; PLC收稿日期 :2009-08-13作者簡(jiǎn)介 :劉長(zhǎng)軍 (1971- , 遼寧遼陽(yáng)人 , 講師 , 碩士 , 主要從事焊接冶金方面研究和釬焊教學(xué)與研究 ; 電話 E-mail :suyunhai800307185 熱加工工藝 2009年第 38卷第 23期金屬鑄鍛焊技術(shù) Casting ·Forging ·WeldingHot Working Technology 2009, Vol.38,No.232009年 12月成一體 , 其結(jié)構(gòu)如圖 1所示 。 由于汽車(chē)車(chē)橋在整車(chē) 中不但要支撐車(chē)身 , 還要傳遞載荷

9、 , 所以其受力情 況比較復(fù)雜 , 為了清楚反映車(chē)橋負(fù)載狀況下的作 用情況 , 對(duì)車(chē)橋整體進(jìn)行了應(yīng)力應(yīng)變有限元模擬 分析 , 其結(jié)果發(fā)現(xiàn) , 三段式連接的中部連接處應(yīng)力 集中現(xiàn)象較明顯 。 這是由于連接處存在較大的縫 隙 (為焊接而采用的坡口 , 焊接接頭的出現(xiàn)本身 就破壞了結(jié)構(gòu)的完整性易產(chǎn)生應(yīng)力突變 , 而焊接 過(guò)程又是一個(gè)急冷急熱的過(guò)程 , 焊縫金屬凝固過(guò) 程為非平衡結(jié)晶 , 大量殘余應(yīng)力無(wú)法及時(shí)釋放 , 而 滯留在結(jié)構(gòu)內(nèi)部造成應(yīng)力集中現(xiàn)象 。從強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果來(lái)看 , 由于加載和結(jié)構(gòu)上的 原因 , 在結(jié)構(gòu)局部地方存在應(yīng)力集中 (最大應(yīng)力出 現(xiàn)位置 問(wèn)題 , 在制造過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)工藝保證 ; 計(jì)

10、算結(jié)果表明有動(dòng)荷系數(shù)時(shí)應(yīng)力集中現(xiàn)象加大 , 最 大應(yīng)力值上升 , 同時(shí)疲勞壽命減小 。 因此對(duì)汽車(chē)車(chē) 橋焊接工藝的研究很有必要 。3焊接工藝優(yōu)化由上述分析可以發(fā)現(xiàn) , 由于汽車(chē)車(chē)橋所用材料 屬于低碳鋼 , 焊接性較好 , 但由于其結(jié)構(gòu)的特殊性 , 大量殘余應(yīng)力的存在將誘發(fā)焊接缺陷 , 使材料的疲 勞壽命無(wú)法滿足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求 , 因此對(duì)傳統(tǒng)的焊 接工藝進(jìn)行優(yōu)化改造尤為重要 。 PLC 控制技術(shù)作為 一種新興的控制技術(shù) , 由于具有反應(yīng)速度快 、 精度 高 、 體積小的優(yōu)點(diǎn)并已在工業(yè)生產(chǎn)上得到廣泛使 用 。 為此將 PLC 控制技術(shù)引入 CO 2氣體保護(hù)焊過(guò) 程中 , 通過(guò) PLC 精準(zhǔn)控制工藝

11、過(guò)程中的起弧 、 穩(wěn)弧 、 息弧 , 并對(duì)與之相配合的工裝夾具進(jìn)行精確地 引導(dǎo) , 進(jìn)而保證焊接質(zhì)量的可控性和可再現(xiàn)性 。 經(jīng) 過(guò)相應(yīng)的前期調(diào)試試驗(yàn) , 對(duì)焊接工藝參數(shù)進(jìn)行了相 應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì) , 其最佳的工藝參數(shù)范圍見(jiàn)表 1, 焊 接材料為 ER49-1。焊接速度 /(m·min -1電流 /A 電壓 /V焊條型號(hào)焊條直徑 /mm 氣體流量 /(L·min -1氣源壓力 /MPa電機(jī)轉(zhuǎn)速 /(r ·min -10.10.52×5002022H08Mn2SiA 1.215200.41350表 1焊接工藝參數(shù)Tab.1The welding process

12、parameters圖 1汽車(chē)車(chē)橋結(jié)構(gòu)示意圖4焊接接頭性能分析為了驗(yàn)證 PLC 控制下 CO 2氣體保護(hù)焊工藝參數(shù)的可行性和最優(yōu)性 , 對(duì)此參數(shù)下的焊接接頭 進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)性能和顯微組織分析 。4.1硬度分析由于汽車(chē)車(chē)橋結(jié)構(gòu)的特殊性 , 在加工 、 檢測(cè)過(guò) 程中很難將其加工成拉伸試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn) , 而 傳統(tǒng)熱軋鋼的抗拉強(qiáng)度與硬度之間有一定的比例 關(guān)系 4, 即抗拉強(qiáng)度等于硬度值的 3.5倍 , 所以對(duì) 焊接接頭進(jìn)行相應(yīng)的硬度試驗(yàn) , 以此近似評(píng)價(jià)其 抗拉強(qiáng)度 。 圖 2為焊接接頭的硬度分布圖 。 可見(jiàn)其 硬度的最大值出現(xiàn)在焊接接頭的 HAZ 區(qū)域 , 母材和焊縫的硬度均低于 HAZ , 而母

13、材與焊縫相對(duì) 比 , 焊縫的硬度略高于母材 。 通過(guò)硬度數(shù)據(jù)分布圖 可明顯發(fā)現(xiàn)焊縫處硬度分布比較均勻 , 通過(guò)硬度 折換成抗拉強(qiáng)度也達(dá)到相應(yīng)的技術(shù)要求 , 這說(shuō)明 應(yīng)用 PLC 控制的自動(dòng)焊機(jī)在給定的焊接工藝參 數(shù)范圍內(nèi)能夠有效的控制焊接缺陷 , 并且很好的 解決了未焊透問(wèn)題 , 使焊接接頭的力學(xué)性能達(dá)到 相應(yīng)的技術(shù)要求 。4.2焊接接頭金相分析為了更清晰地揭示焊接接頭力學(xué)性能變化的 根本原因 , 對(duì)焊接接頭進(jìn)行了相應(yīng)的顯微組織分 析 , 其金相圖片見(jiàn)圖 3。 可看出 , 無(wú)論是母材 、 焊縫還 是 HAZ , 其組織形態(tài)均為 P+F, 只是兩種組織的形 態(tài)有所區(qū)別 。 在母材中 P 呈一定的

14、方向性排列 , 在 其晶界散落一定量的 F , 這為典型的軋制組織 ; 而在 焊縫組織中其規(guī)則的軋制組織已經(jīng)無(wú)法找到 , 取而 代之的是大量樹(shù)枝晶和等軸晶 ; 在 HAZ 區(qū)域由于 位置介于母材和焊縫之間 , 所以其組織也介于兩者之間 , 只是組織有所粗大 。 這種組織形態(tài)與上述的 硬度數(shù)據(jù)基本吻合 , 這充分說(shuō)明 PLC 控制下的 CO 2Fig.1The structure sketch of rear axle194184194222205194199205222184圖 2上縱縫焊接接頭硬度分布 (HB Fig.2Hardness distribution in upper longi

15、tudinal welded joint186金屬鑄鍛焊技術(shù) Casting ·Forging ·Welding上半月出版(上接第 184頁(yè) 通過(guò)不同保溫時(shí)間下 TLP 連 接接頭顯微組織 (圖 1 及降熔元素?cái)U(kuò)散 (圖 2及圖 3 的研究及分析 , 可知 , 保溫時(shí)間是 TLP 連接時(shí)中間 層元素充分?jǐn)U散的保證 , 是影響 TLP 連接接頭性能 的主要因素之一 。 由于 TLP 連接過(guò)程的實(shí)質(zhì)是在一 定的連接溫度和連接壓力下降熔元素的擴(kuò)散過(guò)程 , 所以隨著保溫時(shí)間的增加 , 元素的擴(kuò)散距離就會(huì)增 大 , 焊縫中的降熔元素含量就會(huì)降低 , 反應(yīng)產(chǎn)物就不 可能生成 , 接頭的

16、性能則就發(fā)生相應(yīng)的變化 。 因此 , 整個(gè) TLP 連接過(guò)程也就是降熔元素的擴(kuò)散過(guò)程 , 在 連接溫度為 1180 、 連接壓力為 4MPa 的條件下 , 當(dāng)保溫時(shí)間是 3min 時(shí) , Ni 、 Cr 等降熔元素可以得到 充分的擴(kuò)散 , 達(dá)到較為理想的擴(kuò)散分布 , 從而可以獲 得較好性能的 20鋼管的 TLP 連接接頭 。3結(jié)論(1保溫時(shí)間是 TLP 連接時(shí)中間層元素充分 擴(kuò)散的保證 , 是影響擴(kuò)散連接接頭性能的主要因 素之一 , 在一定范圍內(nèi) , 隨著保溫時(shí)間的增加 , TLP 接頭的性能也相應(yīng)的變好 。(2在 連 接 溫 度 為 1180 、 連 接 壓 力 為 4 MPa 、 保溫時(shí)間

17、是 3min 時(shí) , 中間層材料選用 BNi 2非晶箔進(jìn)行 20鋼管的 TLP 連接 , 可以獲得性能 良好的接頭 。(3TLP 連接過(guò)程伴隨著 Ni 、 Cr 等降熔元素 擴(kuò)散 , 降熔元素?cái)U(kuò)散是否充分影響著 TLP 接頭的 性能是否達(dá)到理想要求 。參考文獻(xiàn) :1陳思杰 , 井曉天 , 李辛庚 . 20鋼管的瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊工藝研 究 J. 熱加工工藝 , 2003, (6:37-38.2陳思杰 , 王振江 , 刑增為 . 20鋼瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊降熔元素的 擴(kuò)散過(guò)程研究 J. 熱加工工藝 , 2008, 37(19:105-106. 3陳思杰 , 高增 . 異種材料瞬時(shí)液相擴(kuò)散連接過(guò)程的非對(duì)稱(chēng)

18、性 J. 熱加工工藝 , 2008, 37(15:87-89.4陳思杰 , 井曉天 , 李辛庚 . 工藝 參 數(shù) 對(duì) T91鋼 管 TLP 連 接 組 織 和 性 能 的 影 響 J. 材 料 科 學(xué) 與 工 藝 , 2006, 14(4: 341-342.5Cam G , Kocak M . Progress in joining advanced materials J. Internationl Materials Review , 1998, 43(1:1-30. 6李志遠(yuǎn) , 錢(qián)乙余 , 張九海 . 先進(jìn)連接方法 M. 北京 :機(jī)械工 業(yè)出版社 , 2000.7任家烈 , 吳愛(ài)萍 . 先進(jìn)材料的連接 M. 北京 :機(jī)械工業(yè)出 版社 , 2000.8Zhou Y . Analytical modeling of isothermal solidification during transient liquid phase (TLPbonging J.