焊接工艺参数对实芯焊丝熔敷金属及接头组织与性能的影响开题报告.docx

开 题 报 告焊接工艺参数对实芯焊丝熔敷金属及接头组织与性能的影响Welding Parameters for Solid Wire Deposited Metal and Joint Microstructure and Properties1课题来源及选题的目的和意义课题的来源： 焊接技术发明至今已有百余年的历史，工业生产中的大量重要产品，如航空、航天及核能工业中产品的生产制造都离不开焊接技术。当前，新兴工业的发展迫使焊接技术不断前进，就如何提高焊接生产率是目前焊接技术发展的重要研究对象。其中TIG打底焊和SAW焊是中厚板对接和堆接的两种常用焊接工艺，本课题主要研究不同的焊接工艺参数对接头组织和性能的影响。 选题的目的及意义： TIG打底焊和SAW焊焊接课题产生的背景是船舶、压力容器、桥梁、起重机械等重大结构焊接上的普遍应用以及使用性能的安全可靠性和经济适用性，目的是充分利用学校现有的焊接仪器设备和材料，研究TIG打底焊和SAW焊焊接工艺参数对中厚板的对接和堆接焊接接头产生的组织和使用性能的影响，以调整出最佳的焊接工艺参数供工厂实际操作选用。因为焊接接头是最容易出现缺陷的部位，焊缝及其热影响区，由于受到焊接热源高温的作用（熔池平均温度1700），组织和性能要发生很大变化，常形成粗大晶粒、偏析、夹渣、气孔和裂纹等缺陷。随着现代社会的快速发展，各种大型船舶及锅炉参数向高温、高压方向发展，对焊接质量要求更高，焊接质量的优劣对运行的安全可靠性有极大影响。研究焊接接头的组织和性能更是对金属学热处理基础知识的总结、深化和具体应用。2本课题所涉及的内容国内外研究现状综述2.1 国内外焊接发展概况随着科学技术的发展，焊接已从简单的构件连接或毛坯制造，发展成为制造业中的精加工方法之一。随着制造业的高速发展，传统的手工焊接已不能满足现代高科技产品制造的质量和数量要求；同时，在对环境和人身安全的考虑上，均让我们认识到现代焊接加工正在向着机械化、自动化的方向发展。焊接自动化主要是指焊接生产过程的自动化。其主要任务就是：在采用先进的焊接、检验和装配工艺过程的基础上，建立不需要人直接参与焊接过程的焊接加工方法和工艺方案，以及焊接机械装备和焊接系统的结构和配置。其核心说实现没有人直接参与的自动焊接过程。焊接自动化主要包括两方面：一是焊接工序的自动化，二是焊接生产的自动化。在焊接自动化方面主要的技术包括：机械技术、传感技术、伺服传动技术、自动控制技术和系统技术。焊接自动化不仅可以大大提高焊接生产率，更重要的可以确保焊接质量，减少人为因素的影响，改善操作环境及对人的伤害。自动化焊接专机、机器人工作、生产线盒柔性制造系统在工程中的应用已成为一种不可阻挡的趋势。据此，国内外发展有如下概况：（1）高精度、高速度、高质量、高可靠性。由于焊接加工越来越向着“精细化”加工方向发展，因此，焊接自动化系统也向着高精度、高速度、高质量、高可靠性方向发展。这要求系统的控制器及软件系统有很高的信息处理速度，电气机械装置有很好的控制精度。如，机器人和焊接操作机行走机构的定位精度可达0.1mm，移位速度的控制精度可达0.1%。（2）集成化。焊接自动化系统的集成化技术包括硬件系统的结构集成、功能集成和控制技术集成。现代焊接自动化系统的结构都采用模块化的设计，根据不同用户对系统功能的要求，进行模块的组合。而且其控制功能也采用模块化设计，根据用户需要，可以提供不同的控制软件模块，提供不同的控制功能。（3）智能化。将现今的传感技术、计算机技术和智能控制技术应用于焊接自动化系统中，使其能够在各种复杂环境、变化的焊接工况下实现高质量、高效率的自动焊接。智能化的焊接自动化系统，不仅可以根据指令完成自动焊接过程，而且可以根据连续实测焊接工件坡口宽度，确定每层焊缝的焊道数及相关参数、覆盖层位置等，而且从坡口底部到盖面层的所有焊道均由焊机自动提升、变道、完成焊接。（4）柔性化。大型自动化焊接装备或生产线的一次投资相对较高，在设计这种焊接装备时必须考虑柔性化，形成柔性制造系统，以充分发挥装备的效能，满足同类产品不同规格工件的生产需要。（5）网络化。由于现代网络技术的发展，也促进那里焊接自动化系统管控一体化技术的发展。通过网络，利用计算机技术、远程通信技术等，将生产管理和焊接过程自动控制一体化，实现脱机编程，远程监控、诊断和检修。（6）标准化、通用化。系统结构、硬件电路芯片、接口的标准化、通用化不仅有利于系统的扩展、外设的兼容，而且有利于系统的维修。在自动化方面，各种焊接专机的应用也具有重要意义。焊接专机说在世界焊接工程结构中，大多数焊缝具有一定规则的角焊缝和对接焊缝，其中直线焊缝占70%，圆环形焊缝占17.5%，复杂的空间去西安焊缝相对较少，因此可以采用价格较低、结构不太复杂而又有一定控制水平的机械装备实现焊接的机械化和自动化。当下，焊接专机以低成本自动化技术与设备更适合发展中国家使用1。2.2 TIG焊发展及特点 钨极氩弧焊，简称TIG焊，是一种现代的焊接方法。由于它具有电弧稳定、无飞溅、焊接质量好（焊缝纯净、成形美观、热影响区小）、可以焊接如镍合金、铝合金、钛合金等几乎所有合金或金属等诸多优点，自20世纪以来，该技术已被广泛的应用于工业的各个领域。但TIG焊也有自身的缺点，如焊接速度慢，焊接熔深浅，熔敷效率低等，导致TIG焊只适用于薄壁制件，影响了生产效率，故应用收到了限制。因此，在保留它原有优点的基础上，提高其焊接效率成为亟待解决的问题。目前，如何提高TIG焊电弧能量，增大熔深，提高焊接效率已成为全世界范围内许多焊接学者致力于研究的一项课题。近年来，一些新型TIG焊接技术逐步诞生，弥补了TIG焊电弧能量分散、焊接熔深浅等缺点，在焊接领域引起了高度重视，具有良好的应用前景2。 TIG打底焊的主要目的是保证能焊透而又不至于烧穿，其作用与焊接衬垫基本相同。通常是在难以接近、接头熔透或装配不良、焊件翻转困难而又不便使用其他衬垫方法时使用，使用的填充焊丝必须使其焊缝金属具有相似于TIG焊焊缝金属的化学成分和性能。所以使用TIG焊打底，更有利于接头使用和工艺性能的安全可靠，焊完打底焊道之后，须打磨或刨削接头根部，以保证在无缺陷的清洁金属上熔敷第一道正面SAW焊焊缝3。TIG焊优点：焊接品质高，保护可靠，排除氧、氮、氢等气体对焊接金属的侵害；电弧稳定，焊缝美观、平滑；电压低（8-15V），电流（热输入）调节范围大，适用于薄板焊接、空间焊接、精密焊接；适用母材范围广，适焊位置灵活。TIG焊缺点：焊接效率低（钨电极承流能力有限，电弧功率受到限制，熔深浅，速度低）；使用惰性气体，成本略高；对焊接工人有技术要求，特别是手工焊。2.3 SAW焊发展及特点SAW焊作为最早获得应用的机械化焊接方法，是焊接生产中应用最广泛的工艺方法之一。由于焊接熔深大、生产效率高、机械化程度高，因而特别适用于中厚板长焊缝的焊接。在造船、锅炉与压力容器、化工、桥梁、起重机械、工程机械、冶金机械以及海洋结构、核电设备等制造业中都是主要焊接生产手段4。埋弧焊原理及特点：（1）埋弧焊是利用电弧作为热源的焊接方法。埋弧焊时电弧是在一层颗粒状的可熔化焊剂覆盖下燃烧，电弧光不外露，埋弧焊由此得名。所用的金属电极是不间断送进的裸焊丝。（2）埋弧焊的适用范围 由于埋弧焊熔深大、生产率高、机械操作的程度高，因而适于焊接中厚板结构的长焊缝。在造船、锅炉与压力容器、桥梁、超重机械、核电站结构、海洋结构、武器等制造部门有着广泛的应用，是当今焊接生产中最普遍使用的焊接方法之一。埋弧焊除了用于金属结构中构件的连接外，还可在基体金属表面堆焊耐磨或耐腐蚀的合金层。随着焊接冶金技术与焊接材料生产技术的发展，埋弧焊能焊的材料已从碳素结构钢发展到低合金结构钢、不锈钢、耐热钢等以及某些有色金属，如镍基合金、钛合金、铜合金等5。SAW焊优点：（1）生产效率高。这是因为，一方面焊丝导电长度缩短，电流和电流密度提高，因此电弧的熔深和焊丝熔敷效率都大大提高。（一般不开坡口单面一次熔深可达20mm）另一方面由于焊剂和熔渣的隔热作用，电弧上基本没有热的辐射散失,飞溅 也少，虽然用于熔化焊剂的热量损耗有所增大，但总的热效率仍然大大增加。（2）焊缝质量高，劳动条件好。SAW焊应用范围：目前主要用于焊接各种钢板结构。可焊接的钢种包括碳素结构钢，不锈钢，耐热钢及其复合钢材等。埋弧焊在造船，锅炉，化工容器，桥梁，起重机械，冶金机械制造业，海洋结构，核电设备中应用最为广泛。此外，用埋弧焊堆焊耐磨耐蚀合金或用于焊接镍基合金，铜合金也是较理想的6。2.4 气体保护焊实心焊丝的应用气体保护焊实心焊丝伴随着国内金属结构行业焊接技术的发展而壮大。2 0世纪80 年代初至80年代中期, 中国针对当时Q2 35、16 M n 等主要结构钢生产的4 9 0 M P a 级仿前苏联的H0 8M n ZS IA气体保护焊实心焊丝, 在引进技术和设备及软件的基础上, 已实现部分自给, 但焊丝质量不稳定, 处于供不应求的局面。在20世纪8 0年代后期, 国内对大型金属结构企业进行技术改造, 引进国外先进焊接技术和设备, 积极推广气体保护焊, 但大部分气体保护焊焊丝主要依靠从美国( E R7 OS 一6 等)、日本( K C SO、M G 一50等)、德国( K一5 2等)、荷兰等发达国家进口。如今, 国内气体保护焊实心焊丝已形成一定的生产规模, 产量和质量也有了很大的提高7。目前行业气体保护焊实心焊丝用量占焊接材料总量的50 %一75 % , 如第二重型机械集团有限公司气体保护焊实心焊丝年用量达900 t , 中信重型机械公司年用量为4 0 0 t 以上, 大连重工起重集团有限公司气体保护焊实心焊丝占焊接材料用量的60 % , 太原重型机械集团公司占8 0% 左右, 焊丝年用量达5 0 0 t 左右, 郑州煤机厂用量为1000 t以上。气体保护焊实心焊丝的普及应用, 显著提高了行业的焊接工艺水平, 有效降低了制造成本, 极大地推动了中国焊接技术的发展8。2.5 TIG打底焊实验结果分析（1）在预留间隙的情况下，厚板TIG电弧打底焊完全可以实现单面焊双面成形。对于厚板焊接来说TIG电弧电压比较低，熔深比较浅，为了保证根部熔透，工件装配时坡口预留间隙很重要。有了间隙根部两侧易熔化，形成连续的熔池，可避免根部未熔合缺陷的发生。（2）脉冲TIG 焊是厚板打底焊缝的优选焊接方法。脉冲电流峰值期间，熔化能力强，电弧热源覆盖整个根部，坡口两侧边缘熔化，同时焊丝熔化，形成一个完整的熔池; 基值电流期间图像表明，坡口两侧边缘熔化良好。基值期间熔池易保持，并迅速凝固，有效防止液态熔池下淌。（3）背面熔池边缘圆滑，成形良好，根部完全熔化，不需要反面清根工序9。3本课题有待解决的主要关键技术问题充分利用学校现有的焊接仪器设备和材料，通过用TIG打底焊和SAW焊两种焊接工艺研究对中厚板的对接和堆接焊接接头组织和使用性能的影响，以供工厂参考使用。本课题主要需解决的关键技术问题有：（1）TIG打底焊焊缝表面与SAW盖面焊缝的紧密融合问题；（2）焊接接头的未焊透与夹渣控制问题；（3）焊接工艺参数的细化与选取问题；（4）试验方案设计优化问题。4课题研究的内容和实施方案（主要包括研究内容、拟采用的研究方法、技术路线、预期成果、所采取方案的可行性分析等）研究内容：（1）焊接接头与木材16Mn的抗拉强度比较；（2）焊接工艺参数对堆焊焊道熔宽、熔深及熔高的影响；（3）SAW焊焊接工艺参数对实心焊丝熔敷金属及接头组织和性能的影响；（4）TIG打底焊焊接工艺参数对实心焊丝熔敷金属及接头组织和性能的影响。本课题采用化学成分分析、金相试验和力学性能试验方法，对焊接接头进行组织与性能试验研究，分析其组织和性能变化。技术路线如下图所示： 本课题所完成的预期成果有：（1）焊接工艺参数对堆焊焊道熔宽、熔深及熔高的影响；（2）打底焊对焊接接头组织和性能的影响；（3）同种焊接方法不同焊接参数对接头组织和性能的影响；（4）分析不同的试验数据，总结出对焊接质量及性能影响最佳的焊接工艺参数。所采取方案可行性分析：16Mn钢板（又叫Q345B）是低合金结构钢,它具有良好的综合力学性能、焊接性能及低温冲击韧性，冷冲压及可切削性均好，和A3号钢相比，成分上仅多了一点锰，除具有同样好的塑性和焊接性外，而屈服强度却提高50%左右，耐大气腐蚀约提高20-38%，低温冲击韧性也比A3钢优越，但其缺口敏感性较碳钢大，在有缺口存在时，疲劳强度比A3钢低，且易产生裂纹，故在加工时应引起注意。这种钢一般在热轧或正火状态下使用，正火后可改善钢材的塑性、低温冲击韧性或冷压成型等加工性能10。 SAW焊是当今生产效率较高的机械化焊接方法之一，它的全称是埋弧自动焊,又称焊剂层下自动电弧焊。优点主要是生产效率高、焊缝质量高、劳动条件好11。 TIG焊的优点主要是操作简单方便成本低、大幅度地提高焊接效率、TIG焊可以提高焊接速度或者使用小规范焊接减小热输入及减小焊接变形、适用范围广泛12。基于以上SAW焊、TIG焊的这些优点，为该课题实验样品的制备提供了有利条件。学校实验室的金相分析仪、硬度测试仪等实验设备为该课题的接头组织分析、力学性能测试提供了准确可信的数据结果，这将是该课题研究的可行性保障。5完成本课题的工作计划及进度安排(包括文献查阅、外文翻译、开题报告、方案设计与实现、计算与实验、论文撰写等)设计总共16周。具体安排如下：2015.03.102015.03.20：调研、收集资料（书籍和案例）、撰写开题报告；2015.03.202015.03.30：外文翻译；2015.04.012015.04.10：试验方案设计及制定；2015.04.122015.04.28：依据试验方案做实验，制备样品；2015.05.042015.06.01：实验数据分析与处理，接头性能测试；2015.06.022015.06.20：论文撰写、装订与提交，准备答辩。6参考文献1 陈祝年.焊接工程师手册（第二版）M.北京:机械工业出版社,2009.2 李亚江.焊接组织性能与质量控制M.北京:化学工业出版社,2005.3 尹士科.焊接材料及接头组织性能M.北京:化学工业出版社 ,2011.4 申艳丽.焊接工艺对2205双相不锈钢焊接接头综合性能的影响D.太原：太原理工大学，2007，5.5 李鹤岐，蔡秀鹏，唐雪锋，等.国内外埋弧焊的发展状况J.电焊机,2006,36(4):2-4.6 刘瑞琦.研究焊接材料及焊接接头的组织与性能在电厂金属材料课程中的重要意义J.江西电力职工大学学报，1994,7(2)：2-3.7 Ghosh PK,Gupta PC.Use of pulse current MIG welding improves the weld characteristics of Al-Zn-Mg AlloyJ .IndianWeld,2010,15(3)2432.8 张维.国内外焊接材料的现状及发展前景J.焊接材料，2012，5(4)：4-8.9 刘顺洪,权雯雯,王任飞.TIG焊的研究现状和发展趋势J.航空制造技术，2010，9(12)： 2-4. 10 申艳丽，孟庆森，张丙静，等.焊接工艺对2205双相不锈钢焊接接头综合性能的影 响J.焊接生产应用，2007，6(5)：7-9.11 Sharma A，Chaudhary A K，Arora N，et al Estimation of heat source model parameters for twin-wire submerged arc weldingJ.International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2009，45( 11 /12):1096110312 Tusek J，Suban M. High-productivity multiple-wire submerged welding and cladding with metal-power addition J. Journal of materials processing Technology,2003,133(1-2)： 207-213.7指导教师审阅意见指导教师（签字）： 年 月 日8系主任或指导小组意见系主任或指导小组组长（签字）： 年 月 日说明：1. 本报告前6项内容由承担毕业论文(设计)课题任务的学生独立撰写；2. 本报告必须在第八学期开学三周内交指导教师审阅并提出修改意见；3. 学生须在小组内进行报告，并讨论；4. 本报告作为指导教师、专业系或毕业论文(设计)指导小组审查学生能否承担该毕业设计(论文)课题和是否按时完成进度的检查依据，并接受学校和教学院的抽查。