機械焊接工藝探索與實踐

摘要:伴隨著經濟的發展,新型焊接工藝越來越受社會的青睞。文章在介紹了焊接技術總體應用狀況基礎之上,對當前新興的焊接工藝如焊接反變形、振動時效等作了詳細的闡述,同時簡單總結了焊接工藝的發展方向,有一定的指導意義。

關鍵詞:機械焊接;新工藝;反變形;振動時效

中圖分類號:TG43 文獻標識碼:A

文章編號:1674-1145(2009)21-0145-02

隨著國民經濟的快速發展,尤其是近幾年制造行業突飛猛進,機械焊接工藝的改進在制造業中發揮著越來越重要的作用,而焊接工藝及焊接性能直接影響到結構工程的安全性和可靠性,因此發展探索更為有效的焊接工藝措施越來越有意義。

一、機械焊接技術

機械、石化、冶金、造船、航空航天的建設都離不開焊接,而機械焊接技術種類繁多,工藝復雜,如何在生產實踐中做好質量控制成為當前最主要的課題。

(一)機械焊接技術分類

焊接工藝種類繁多,按焊接過程的特點不同可分為:氣保焊、壓力焊、手工電弧焊和釬焊三大類:(1)氣體保護焊簡稱氣保焊,其焊接保護是依靠從噴嘴里連續噴出的氣體將四周空氣隔開,機械地保護電弧和焊接區域以完成焊接的焊接方式。氣體保護焊的保護氣體主要有氮氣和氫氣以及二者的混合氣體。(2)壓力焊:主要有電阻焊、摩擦焊、擴散焊、旋轉電弧焊和超聲波焊等幾種,其中以電阻焊最為常用。(3)釬焊:它是將焊件和釬料加熱到高于釬料熔點,低于母材熔點的溫度,利用液態釬料濕潤母材,填充接頭間隙并與母材相互擴散實現連接焊件的一種方法。(4)手工電弧焊:用手工操縱焊條進行焊接的電弧焊方法稱為手工電弧焊,簡稱手弧焊,就是我們通常所說的電焊。

(二)質量控制

焊接質量控制的意義在于確保焊接接頭的質量,一個小小的焊接接頭形成經歷加熱、熔化、結晶成形的過程,相當于一次冶金過程。影響焊接接頭質量的因素很多,如果能有效地進行控制,消除不利因素,就可以使焊接接頭質量得以提高。焊接工藝的質量控制主要從以下幾個方面入手:

1.焊工的工作技能、職業習慣、質量意識問題:一個好的焊工,首先擁有較好的業務技能和職業習慣,焊前準備工作做得好,從心態、設備調試、工件準備到焊材準備等都非常到位;焊后檢查做得好,對工件進行細致的檢查。

2.焊接設備性能問題:在一定條件下選用綜合性能指標較好的專用設備也就顯得非常重要。

3.材料選用問題:材料選用的原則一般是:在保證各種技術數據的情況下,材料可焊性好,容易采購。

4.焊接工藝問題:由于焊接方法種類較多,技術人員在焊接工藝方法確定時,需要充分考慮單位的產品特點、經濟性、工作效率等因素。

5.環境問題:在產品制作時,對材料的存放環境、產品制作環境的要求較低,有些材料不僅要防止風吹日曬,對干濕度也有明確的要求。

二、新工藝探索

未來的焊接工藝,一方面要研制新的焊接方法、焊接設備和焊接材料,以進一步提高焊接質量和安全可靠性;另一方面要提高焊接機械化和自動化水平,改善焊接衛生安全條件。

(一)焊接反變形

焊接變形是鋼結構焊接過程中不可避免的難題,它大致可以分為縱向、橫向收縮變形、彎曲變形、角變形和波浪變形等等。一般焊接變形可以通過焊接前反變形、合理焊接工藝、機械矯正工藝加以控制。這里提供了另外一種有效控制結構殘余角變形的方法:對結構焊前施加彈性的反向變形。利用熱彈塑性有限元法來模擬結構的焊接過程,并對不同板厚、不同熱源的結構分別進行數值模擬,最終確定焊接結構的彈性反變形規律:焊接前施加彈性反變形的結構在焊接后角變形趨于零。在廠房框架結構中,H型梁焊接過程中存在的翼緣板正對腹板的角變形,如果在下料時進行焊接反變形,焊接矯正完畢,撓度值均符合設計要求,大大縮短周期,優化了大型梁的制作工藝,效果十分理想。

(二)低溫焊接

大量焊接鋼結構失效事故表明,低溫是導致脆斷的主要原因,特別是結構中存在著缺陷(缺口效應)則脆斷效應更嚴重。當溫度低于材料的臨界轉變溫度時,在遠小于σs的作用下,鋼材的σs提高并接近于σb,出現完全無屈服的斷裂。環境溫度變化對焊接質量的影響不是決定性的。根據低溫焊接試驗結果和初步分析,應充分重視環境溫度的提高和準確的預熱溫度,在異種鋼焊接時應特別注意預熱和后熱,這是繼焊材選定之后決定成敗的關鍵因素。另一方面,通過調整焊縫金屬的微合金化的程度,同焊接規范相配合使焊縫金屬產生針狀鐵素體而獲得理想的焊縫強韌性,從而取得焊接工藝評定試驗的成功,確保工程實體質量。

焊接工藝參數設定:冷卻條件的改變影響相變,熱影響區的組織取決于鋼材的化學成分和焊接的冷卻條件,同時也影響擴散氫的逸出和焊接應力的改變。焊接熱影響區的冷裂紋大多數在馬氏體內部產生,焊接區冷卻速度過大易產生馬氏體組織。在工程中應注意以下幾條原則:(1)盡量減少焊接殘余應力。(2)限制結構拘束度。焊縫所處的工況完全不同,焊縫中心產生偏析,低溫焊接防治冷裂紋的同時,還須防范由于結構拘束度大,照搬工藝試驗的結果很可能適得其反,甚至造成嚴重后果。(3)力圖選用電加熱。電加熱可以使預熱區域受熱均勻,有效防止局部受熱造成接頭附加應力;升溫速度均勻、可控,防止造成母材過熱等現象,可達到母材充分均勻預熱。(4)焊后處理措施:由于液—固態氫溶解度不同,在結晶溫度下液態溶氫量是固態時的4倍以上溶氫較多的半溶化晶界起了“通道”作用,氫很容易沿著該通道從焊縫——熔合區——熱影響區擴散。(5)控制線能量。在低溫施工中,控制AV≥0.6的前提下,采用控制不同焊接位置的AV,實現大電流,防止淬硬組織的產生。對于板厚t≥40mm采取焊后緊急后熱及保溫緩冷措施,后熱溫度250℃～300℃;對于t<40mm采取焊后緊急保溫緩冷措施,防止產生延遲裂紋。

(三)振動時效去殘余應力

振動時效是采用外力振動的方式,使工件內部產生一定周期性交變作用力,作用力和工件本身殘余應力疊加,超過工件本身的微觀屈服極限便導致工件發生微觀的塑彈黏性力學變化。從而引起殘余應力的降低和均化。使工件內部各方面作用的力基本趨于平衡。可以防止工件變形,提高工件疲勞極限,從而發揮工件本身的最大實用價值。最后通過比較時效前后及過程中工件的有效固有頻率及其加速度等參數的變化來判斷時效效果。

振動時效工藝的制定,主要是最佳振動參數的選擇,而最佳的標準應以消除應力量值最大為好。在循環應力比R=-1的情況下,內部疲勞極限近似等于產生0.01%,殘余應變的“條件彈性極限”σ0.001。所以振動時效動應力的選擇應以“條件彈性極限”σ0.001作為依據。在實際的工藝中往往以振動處理過程中結構動態參數的變化作為監測參數,隨著應力變化的進行,殘余應力的變化引起構件動態的變化,根據這些變化作為制定工藝參數的依據,因此合理的振動參數的選擇將直接影響到處理效果。這主要從以下幾個方面下手:(1)降低共振頻率:振動時效處理消除殘余應力,需依賴于產生足夠大的動載荷。在掃頻過程中發現隨著頻率的升高,但是電流并不大,一般都是由于其固有頻率超出設備的控制頻率范圍。由振動學知識可知,在構件作受迫振動時,在某一共振頻率附近振動,對構件加載量要遠遠大于其他頻率的振動。隨著振動頻率的升高,電機電流一直上升無下降趨勢,這時即發生了強迫共振,這種現象一般是由被振工件的重量太小而剛性又太大所導致。(2)振型的選擇:研究表明,這個需要具體的情況而定。(3)激振頻率的選擇:試驗中發現,在時效過程中,在材料的彈性極限以下的循環應力作用下,激振力越小,產生塑性變形的晶粒越少,激振頻率越高,因此在共振峰頻率處振動,振幅會逐漸降低,延長了時效時間,也影響了時效效果。對于結構復雜,殘余應力不集中的構件,宜采用較低的激振力和較高的振動頻率。對于結構簡單,殘余應力集中的構件,振動時效后要得到較低的殘余應力狀態,應選用較大的激振力,較低的振動頻率。

三、焊接技術的發展與展望

現代焊接技術以高效、節能、優質及其工藝過程數字化、自動化、智能化控制為特征,我國現代焊接技術已有很大發展,部分產品技術已達到或接近國外先進水平。焊接柔性化與智能化的單元集成:焊接工藝與過程的智能化;機器人焊接的智能化;智能化的焊接機器人。焊接智能制造的系統技術以智能焊接機器人為單元構成的多機協調的焊接柔性智能制造生產線、網絡系統、敏捷制造工廠,特別是傳感技術、動態過程的建模、智能控制技術、遙控焊接的引入,促進了焊接自動化技術革命性的發展。

1.控制系統智能化。這是自動化的核心問題之一,也是我們未來開展研究的重要方向。最具代表性的是焊接過程的模糊控制、神經網絡控制,以及專家系統的研究。由于焊接技術是基于多學科交叉融合的產物,隨著現代科學技術成果的不斷涌現,必將推動焊接技術更新發展。除了物理、化學、材料、力學、冶金、機械、電子學等學科的新發展將會推動焊接新材料、新工藝的不斷出現外,計算機、控制理論、人工智能等信息科學領域的新進展將進一步將焊接工藝實現的手段推進到自動化、機器人化和智能化的新階段,進而實現幾代焊接人的夢想—用機器來代替人焊接。由于焊接是一個非線性的復雜過程,所以視覺傳感以及焊接過程控制算法的穩定性和可靠性還需要不斷地提高和完善。同時,多傳感器信息融合、遙控焊接及智能化控制等技術也將成為未來發展的重要方向。

2.柔性化。將數控技術配以各類焊接機械設備,以提高其柔性化水平,是我們當前的一個研究方向;通過對柔性焊接線進行合理的工藝安排,不僅可以提高生產效率,而且可以保證焊接質量,減小焊接變形,降低勞動強度。同時力圖實現自動路徑規劃、自動校正軌跡、自動控制熔深等功能。

3.焊接控制系統集成。集成系統中信息流和物質流是其重要的組成部分,促進其有機地結合,力圖實現工藝人員通過局域網進行焊接工藝報告、工藝卡片的制定、提交報批、審核、資源信息的查詢和報表統計打印等功能,充分發揮公司內部的信息資源和網絡資源優勢。

4.提高電源可靠性、質量可控性。一方面開發適時提供焊接規范參數的高性能焊機,同時從電源的主電路、控制電路、短路狀態檢測以及軟件設計等方面進行了探討和研究,使波形控制電源的綜合性能得到明顯改善和提高,焊接過程飛濺進一步降低,另一方面應積極開發焊接過程的計算機模擬技術。

綜上所述,低成本自動焊接使生產過程更加合理化。焊接在整個工業的生產成本中所占的比例并不小,用先進的低成本自動焊接工藝可以進一步提高焊接質量,降低焊接成本,改善工人的勞動條件,這些已在我們的生產實踐中充分得到證實。

參考文獻

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作者簡介:廖宏明(1973- ),男,浙江沃克斯電梯有限公司工程師,研究方向:電、扶梯生產技術。