焊接课程设计.doc

焊接工艺课程设计

题目 1035铝板平板对接

指导教师 石增敏

姓名 陈卓 学号 2011106230

专业 材料成型及控制工程 班级 20111062

完成日期 2014 年 6 月 25 日

目录

1、1035铝板焊接性分析 3
1.1、本次设计所用材料 3
1.2、1035铝板钢的化学成分及力学性能 3
1.3、铝与铝合金的焊接特点 4
1.4、1035铝板焊接方法的选择 4
2、MIG工作原理和工艺特点 4
2.1工作原理 5
2.2工作特点 5
2.3 焊接层数和坡口的选择 5
2.4焊接变形 5
3、MIG焊设备 5
3.1焊接电源 6
3.2控制系统 6
3.3送丝系统 6
3.4焊枪 6
3.5供气系统 7
3.6水冷系统 7
4、焊接工艺参数 7
4.1 .1焊接电流 7
4.1.2 电弧电压 8
4.1.3焊接速度 8
4.1.4 焊枪的操作 8
4.2焊前准备 8
4.2.1坡口制备 8
4.2.2清理 9
4.2.3预热 9
5焊接注意事项 9
6 外观检验 10
7无损检测 10
9参考文献： 11

三 峡 大 学 课 程 设 计 任 务 书
（ 2013―― 2014学年）
课题名称
焊接工艺课程设计
学生姓名
陈卓
班级
20111062
指导教师
石增敏
课题概述：
根据提供的原始资料，进行平板对接焊或环焊缝焊接工艺设计。设计人员制定焊接方法和焊接工艺，要求同一课题的学生使用不同的焊接方法进行设计，焊接工艺可靠、合理。⒈ 制定焊接工艺卡。⒉ 课程设计说明书包括：封面；目录；摘要；被焊接材料的基本数据与焊接性分析；焊接方法的选择；焊接工艺的制定和论证（具体项目可参考焊接工艺卡）、焊接操作注意事项和安全要求、焊后检验、参考文献等。
材料：35材料1035铝板两块，规格：—4×100×300，平板对接

焊 接 工 艺 卡
焊接零部件名称 1035铝板平板对接焊
焊接方法 熔化极氩弧焊
母材规格
牌号 1035铝板
板厚 4mm
接头形式
焊接顺序

坡口准备→点固焊→预热→封底焊→填满焊→自检/专检→无损检验

焊
前
准
备
(1)机械加工开坡口（2）清除坡口中的油污和水分，减少氢来源；（3）两侧坡口表面50mm范围内清理焊丝；（4）焊接设备、仪表检查 。
焊
接
材
料

焊丝牌号 GB/T10858-1989
焊丝型号 SAL-2
规格：直径1.6mm

预
热

整体350oC—500C
焊后
热
处理
焊后调质处理或不进行处理
焊接
工艺
参数
1．电源类型、极性直流直流反接电流大小选用 250A ，
电压 24—27V 选用26V 。
2．焊接速度 500mm/min
3．其他事项：焊焰角度，焊条与工件的距离，脉冲焊说明，等离子焊说明，焊接反面衬垫等 焊条与工件的距离根据操作具体把握或根据焊工的实际经验
焊接设备
NB-500
焊接工装号
2009106137
操
作
技
术

1． 焊接位置：平焊
2． 焊道层数：单层
3．焊接顺序：先焊下再焊上
4．运条方式：直线形
5．清根方法： 手提式电动铣刀
焊后
检验
1、外观检验：主要包括焊层的平直度偏差、厚度及余高的检查；表面裂纹检查；咬边检查；焊接件或产品的几何尺寸检查，包括形状及变形量是否超过技术规程的规定等
2、超声波探伤：主要检测工件内部缺陷

编制
陈卓
校对

审核

批准

1035铝板平板对接课程设计说明书

姓名：陈卓 学号2011106230 指导老师：石增敏 三峡大学机械与动力学院
摘要：本说明书分析了1035铝板的化学成分、力学性能和它的焊接性，并在此基础上制定了一套MIG焊的设计工艺，包括材料的焊接性能分析、焊接设备描述、焊接的各项工艺参数、焊接前的准备、焊后处理以及焊接检验。
关键词：1035铝板，对接焊，熔化极氩弧焊
1、1035铝板的焊接性分析：
1.1、本次设计所用材料：
1035铝板两块，规格4×100×200，平板对接
1.2、1035铝板的化学成分及力学性能：
母材规格：1035铝合金两块，规格：4×100×300。母材的力学性能如表1所示，母材化学成分如表2所示。
表1 母材牌号、力学性能
牌号
力学性能
屈服度(MPa)
抗拉强度(MPa)
伸长率(%)
5052铝合金
78.9
≥120
≥25
表2 母材化学成分(%)
牌号
化学成分（%）
Si硅
Fe铁
Cu铜
TI钛
Zn锌
Mn锰
Mg镁
5052铝合金
0.35
0.6
0.05
0.03
0.1
0.05
0.05
板厚/mm
/MPa
/MPa
(%)
(横向)/J
4
≥685
≥785
≥16
-20℃
-40℃
≥47
≥29

1.3、铝与铝合金的焊接特点 ：
(1)铝在空气中及焊接时极易氧化，生成的氧化铝（Al2O3）熔点高、非常稳定，不易去除。阻碍母材的熔化和熔合，氧化膜的比重大，不易浮出表面，易生成夹渣、未熔合、未焊透等缺欠。铝材的表面氧化膜和吸附大量的水分，易使焊缝产生气孔。焊接前应采用化学或机械方法进行严格表面清理，清除其表面氧化膜。在焊接过程加强保护，防止其氧化。钨极氩弧焊时，选用交流电源，通过“阴极清理”作用，去除氧化膜。气焊时，采用去除氧化膜的焊剂。在厚板焊接时，可加大焊接热量，例如，氦弧热量大，利用氦气或氩氦混合气体保护，或者采用大规范的熔化极气体保护焊，在直流正接情况下，可不需要“阴极清理”。 （2）铝及铝合金的热导率和比热容均约为碳素钢和低合金钢的两倍多。铝的热导率则是奥氏体不锈钢的十几倍。在焊接过程中，大量的热量能被迅速传导到基体金属内部，因而焊接铝及铝合金时，能量除消耗于熔化金属熔池外，还要有更多的热量无谓消耗于金属其他部位，这种无用能量的消耗要比钢的焊接更为显著，为了获得高质量的焊接接头，应当尽量采用能量集中、功率大的能源，有时也可采用预热等工艺措施。
　　（3）铝及铝合金的线膨胀系数约为碳素钢和低合金钢的两倍。铝凝固时的体积收缩率较大，焊件的变形和应力较大，因此，需采取预防焊接变形的措施。铝焊接熔池凝固时容易产生缩孔、缩松、热裂纹及较高的内应力。生产中可采用调整焊丝成分与焊接工艺的措施防止热裂纹的产生。在耐蚀性允许的情况下，可采用铝硅合金焊丝焊接除铝镁合金之外的铝合金。在铝硅合金中含硅0.5％时热裂倾向较大，随着硅含量增加，合金结晶温度范围变小，流动性显著提高，收缩率下降，热裂倾向也相应减小。根据生产经验，当含硅5％～6％时可不产生热裂，因而采用SAlSi条(硅含量4．5％～6％)焊丝会有更好的抗裂性。
　　（4）铝对光、热的反射能力较强，固、液转态时，没有明显的色泽变化，焊接操作时判断难。高温铝强度很低，支撑熔池困难，容易焊穿。
　　（5）铝及铝合金在液态能溶解大量的氢，固态几乎不溶解氢。在焊接熔池凝固和快速冷却的过程中，氢来不及溢出，极易形成氢气孔。弧柱气氛中的水分、焊接材料及母材表面氧化膜吸附的水分，都是焊缝中氢气的重要来源。因此，对氢的来源要严格控制，以防止气孔的形成。
　　（6）合金元素易蒸发、烧损，使焊缝性能下降。
（7）母材基体金属如为变形强化或固溶时效强化时，焊接热会使热影响区的强度下降。
（8） 铝为面心立方晶格，没有同素异构体，加热与冷却过程中没有相变，焊缝晶粒易粗大，不能通过相变来细化晶粒。
1.4 、1035铝板焊接方法的选择
几乎各种焊接方法都可以用于焊接铝及铝合金，但是铝及铝合金对各种焊接方法的适应性不同，各种焊接方法有其各自的应用场合。气焊和焊条电弧焊方法，设备简单、操作方便。气焊可用于对焊接质量要求不高的铝薄板及铸件的补焊。焊条电弧焊可用于铝合金铸件的补焊。惰性气体保护焊（TIG或MIG）方法是应用最广泛的铝及铝合金焊接方法。铝及铝合金薄板可采用钨极交流氩弧焊或钨极脉冲氩弧焊。铝及铝合金厚板可采用钨极氦弧焊、氩氦混合钨极气体保护焊、熔化极气体保护焊、脉冲熔化极气体保护焊。熔化极气体保护焊、脉冲熔化极气体保护焊应用越来越广泛（氩气或氩/氦混合气）。

2 MIG焊工作原理及工艺特点
2.1工作原理
电焊机工作原理介绍
电焊机（electric welding machine）实际上就是具有下降外特性的变压器，将220V和380V交流电变为低压的直流电，电焊机一般按输出电源种类可分为两种，一种是交流电源的；一种是直流电的。直流的电焊机可以说也是一个大功率的整流器，分正负极交流电输入时，经变压器变压后，再由整流器整流，然后输出具有下降外特性的电源，输出端在接通和断开时会产生巨大的电压变化，两极在瞬间短路时引燃电弧，利用产生的电弧来熔化电焊条和焊材，冷却后来达到使它们结合的目的。焊接变压器有自身的特点，外特性就是在焊条引燃后电压急剧下降的特性。
电焊机的特点
焊接由于灵活简单方便牢固可靠，焊接后甚至与母材同等强度的优点广乏用于各个工业领域，如航空航天，船舶，汽车。
[1]熔化极惰性气体保护焊（英文简称MIG）的焊接区通常采用惰性气体氩（Ar）、氦（He）或氩与氦的混合气体保护。这类惰性气体不与液态金属发生冶金反应，只起严密包围焊接区（电弧焊丝端头、熔滴、熔池金属和临近熔池的母材金属），使之与空气隔离的作用。由于电弧是在惰性气氛中燃烧的，焊丝端头也在惰性气体中熔化过渡，所以电弧燃烧稳定，熔滴过渡平稳、安定、无激烈飞溅。
2.2 工艺特点
电焊机的特点
焊接由于灵活简单方便牢固可靠，焊接后甚至与母材同等强度的优点广乏用于各个工业领域，如航空航天，船舶，汽车。
（一）电焊机优点：电焊机使用电能源，将电能瞬间转换为热能，电很普遍，电焊机适合在干燥的环境下工作，不需要太多要求，因体积小巧，操作简单，使用方便，速度较快，焊接后焊缝结实等优点广泛用于各个领域，特别对要求强度很高的制件特实用，可以瞬间将同种金属材料（也可将异种金属连接，只是焊接方法不同）永久性的连接，焊缝经热处理后，与母材同等强度，密封很好，这给储存气体和液体容器的制造解决了密封和强度的问题。
（二）电焊机缺点：电焊机在使用的过程中焊机的周围会产生一定的磁场，电弧燃烧时会向周围产生辐射，弧光中有红外线，紫外线等光种，还有金属蒸汽和烟尘等有害物质，所以操作时必须要做足够的防护措施。焊接不适合于高碳钢的焊接，由于焊接焊缝金属结晶和偏析及氧化等过程，对于高碳钢来说焊接性能不良，焊后容易开裂，产生热裂纹和冷裂纹。低碳钢有良好的焊接性能，但过程中也要操作得当，除锈清洁方面较为烦琐，有时焊缝会出现夹渣裂纹气孔咬边等缺陷，但操作得当会降低缺陷的产生。
3 MIG焊设备
MIG焊设备包括焊接电源，控制系统，送丝系统，焊枪，供气系统和冷却水系统等部分。

3.1焊接电源：
1035铝合金平板对接 ,通常是采用平特性直流焊接电源 , 平特性电源的电流主要通过调节送丝速度来实现，有时也适当调节空载电压来进行电流的少量调节。熔化极气体保护焊的所要求的电流通常在15至500A之间。电源的负载持续率在60%至100%范围，空载电压在55-85V范围。这里采用氩气保护焊接，自由过渡形式，焊丝直径1.6mm，电弧电压25V。
型号
输入电压/V
额定输入电流
额定输入功率/kVA
空载电压/V
焊接电压调节范围/V
焊接电流调节范围/A
负载持续率（%）
适应焊丝直径/mm
NB-200
3-380
9.4
5.6
55
15-26
40-200
60
0.8,1.0
NB-250
3-380
15
8
60
15-36
40-250
60
0.8,1.0
NB-400
3-380
23
17
70
15-45
40-400
60
0.8,1.0,1.2
NB-500
3-380
34
23
70
15-45
40-500
60
0.8,1.0,1.2
3.2控制系统：
控制系统由基本控制系统和程序控制系统组成。基本控制系统包括：焊接电源输出调节系统，送丝速度调节系统，小车或工作台行走速度调节系统和气流量调节系统组成。他们的作用是在焊前或焊接过程中调节电流、电压、送丝速度、焊接速度和气流量的大小的。这里采用NBA-400半自动氩弧焊机。输入电压380V，3相，空载电压65V，硅整流平特性，额定输出电流400A，额定负载持续率60%，工作电压15-42V,焊丝直径1.6mm。
3.3送丝系统：
送丝系统通常由送丝机、送丝软管、焊丝盘组成。 这里取送丝速度250cm-1250cm，推拉式送丝。
3.4焊枪：
熔化极气体保护焊的焊枪分为半自动焊枪和自动焊枪两种。在焊枪内部装有导电嘴。为保证电接触可靠，可采用适合于不同焊丝尺寸，类型和材料的紫铜导电嘴。此外焊接电流通过导电嘴等部件时产生的电阻热和电辐射热在一起，会使焊枪发热。所以需要采取一定的措施冷却焊枪。这里采用水冷法。
3.5供气系统：
供气系统通常与钨极氩弧焊相似，由气源（高压气瓶），气体减压阀，气体流量计，电磁气阀和软管等组成，气体减压阀将高压气瓶中的气体压力将至焊接所要求的压力，气体流量计用来调节和标示气体流量大小，电磁气阀用以控制保护气体的通断。
3.6水冷系统：
水冷系统主要用来冷却焊接电缆，焊枪和钨棒。当焊接电流小于150A时不需要水冷；当焊接电流大于150A时需要使用水冷式焊枪。对于手工水冷式焊枪，通常将焊接电缆装入通水的软管中做成水冷电缆，这样可以大大提高电流密度，减轻电缆质量，使焊枪更轻便[4]。
4 焊接工艺参数
4.1参数
焊接工艺参数主要有焊接电流、焊丝直径、电弧电压、焊接速度、焊接接头位置、焊接道次、保护气体流量。必须指出，某一参数的影响是在其他的参数给定的条件下的表现。实际各参数之间是互相关联的，改变某一个参数就要求同时改变另一个或另一些参数，才能获得改变参数所期望获得的效果。
4.1.1 焊接电流
MIG焊时焊接电流主要取决于零件厚度。MIG焊铝是，焊接电流送丝速度或熔化速度有一个线性关系。如图所示；调节送丝速度即可调节焊接电流
焊接电流主要与“焊丝的熔化速度”及“母材的熔深”有关。如图4.1.1所示焊接电流越大送丝速度增加。在同一焊接电流时，焊丝直径约小熔化越快。另外，如图4.1.1所示，当焊接电流增大时，焊缝宽度、熔深以及焊防余高都有增大的倾向。

根据上图所示去焊接电流为250A，焊丝直径为1.6mm，送丝速度为5m/min，选用焊丝（GB/T10858-1989）型号SAl-2。
4.1.2 电弧电压
电弧电压主要与“电弧长度”以及“熔深的状态”有关。图4.1.2中表示了电弧电压与焊缝形状的关系。如图所示，随着电弧电压的增高电弧将变长，焊缝余高将变得很平坦。相反，如果电弧电压变低则电弧将变短、焊缝形状将变得突起。
如下图中，此处取电弧电压为26V

高
适中
电压:低

图5-3　电弧电压与焊缝形状的关系

长
适中

短

另外，电弧电压“电弧的稳定性”、“焊接飞溅的产生”影响很大。根据熔滴过渡的状态保持合适的电弧电压非常重要。
4.1.3焊接速度
焊接速度主要与“溶深状态”(焊缝宽度、熔化深度以及余高)有关，参照如4.1.1焊接速度为0.6m/min.
4.1.4 焊枪的操作
MIG焊接时焊枪的移动方向一般为“前进法”。这是为了避免将空气卷入保护气体中，从而得到健全稳定的电弧。特别是要使用电弧的清洁作用的铝的焊接时一定要使用前进法。
4.2焊前准备
4.2.1坡口制备

（焊件坡口图）

对接接头板厚小4毫米时,不开坡口；板厚4～10 毫米时,开V型坡口,坡口角度为60～70°，钝边0.5～1mm，对口间隙1~3mm。最终规范如上图所示。数据来源为下图。

板厚/mm
坡口形式
焊接位置
焊道顺序
焊接规范
焊丝
氩气流量L/min
电流/A
电压/V
焊接速度mm/min
直径/mm
送丝速度m/min
6
对接V形坡口
水平
1
2
200～250
24～27
450～600
1.6
5.9～7.7
20～24
横焊
立焊
仰焊
1
2
3～4
170～190
23～25
600～700
5.0～5.6

4.2.2清理
工件焊接边缘和焊丝表面的氧化膜、油等脏物 ,在焊前必须清除干净 ,否则会引起气孔、夹渣等缺陷,使焊缝的性能降低
清理的方法有两种：（1）机械清理法：用风动钢丝轮或钢丝刷、细砂纸清理,直到露出金属光泽为止。（2）化学清洁法：将焊接边缘和焊丝放入30%硝酸水溶液中,浸蚀2～3分钟,然后在流动的冷水中用洁净的布或棉纱擦干净。
4.2.3预热
为了消除气孔 ,保证焊缝根部可靠的熔合和焊透 ,提高焊接速度,减少氩气消耗量 ,焊件必须预热，板厚小于3毫米时,预热温度为 150～300℃；板厚大于3毫米时,预热温度350～500℃；预热温度过高,不仅恶化劳动条件,而且使焊接热影响区扩大,降低焊接接头的机械性能。
4.2.4焊接道次
焊接道次主要取决于零件厚度、接头形式、坡口尺寸及结构和材料特性。此外每个道次的熔池体积较小，也有利于氢气泡在熔池凝固前逸出。相邻两焊道内残存的气孔巧合相连而形成的通孔的机率不是很大。因此多道焊较有利于保证气密性，防止渗漏。通过查表这里适合用四道次焊缝，并且焊前加垫板。
5 焊接注意事项
1. 焊接工作场地必须备有防火设备，如灭火器，消防栓等。氩弧焊工作场地要有良好的自然通风和固定的机械通风装置，减少氩弧焊有害气体和金属粉尘的危害。
2. 熔化极氩气保护焊机应放在干燥通风处，严格按照使用说明操作。
3. 应经常检查焊枪冷却水系统的工作情况，发现堵塞或泄漏时应即刻解决，防止烧坏焊枪和影响焊枪质量。
4. 焊接人员离开工作场所或焊机不使用时，必须切断电源。
5. 氩弧焊机高频振荡器产生的高频电磁场会使人产生一定的头晕，疲乏。因此焊接时应尽量减少高频电磁场作用的时间，引燃电弧后立即切断高频电源。
6. 焊接时，紫外线强度很大，易引起电光性眼炎，电弧灼伤，同时产生臭氧和氮氧化合物刺激呼吸道。因此，焊工操作时应穿白帆布工作服，戴好口罩，面罩及防护手套，脚盖等。为了防止触电，应在工作台附近地面覆盖绝缘橡皮，工作人员应穿绝缘胶鞋[8]。
6 外观检验
外观检验主要包括焊缝平直度偏差、厚度及余高的检查；表面裂纹检查；咬边检查；焊接件或产品的几何尺寸检查，包括形状及变形量是否超过技术规程的规定等。该过程以目视检查实现目视检查用于检查堆焊层外观和尺寸，如用低倍放大镜，尺寸计量工具等。通常要检查的是焊后的堆焊表面质量（熔渣清理，飞溅清理），表面成型质量（表面尺寸，凸凹，余高，粗大颗粒等），表面有无各类裂纹或峭皮。其最基本的外形尺寸要均匀，堆焊层与基体金属之间应平滑过渡，基体无变形，属于初步检查。
7 无损检测
无损检测的目的是检查焊缝的表面与内部裂纹，夹杂、气孔、未熔合和未焊透等工艺性缺陷。无损检测一般都安排在外观检测之后进行，由于本焊接工艺易于出现裂纹,所以可以用超声波探伤。
超声波探伤是利用频率超过20kHz的弹性波在试件中和试件内部缺陷中传播的不同声学特性，来判断是否存在缺陷与缺陷位置尺寸的一种无损检测手段。当声波通过材料时，能量会受到衰减，当遇到界面时就会发生反射。通过探测和分析在探伤仪屏幕显示出来的反射声波的传播时间和波形，便可确定焊缝内部是否存在缺陷，并判断其性质和位置。对于本次操作可以采用手工超声波探伤方法，根据质量要求，其检验等级分为A，B，C三级，对于5mm的铜板，采用A级检验，即采用一种角度的探头在焊缝的单面单侧进行检验，只对允许扫查到的焊缝截面进行探测，一般不要求做横向缺陷的检验。对缺陷进行评定时，超过评定线的信号应注意其是否有裂纹等危害性缺陷特征。如有怀疑时，应采取改变探头角度，增加探伤面，观察动态波形，结合结构工艺特征做判定。如对波形不能准确判断时，应辅以其他检验做综合评定。
8 结论
熔化极惰性气体保护焊已广泛推广一个应用于各个工业部门适合于高效焊接中大厚度铝合金结构。其焊接过程中的稳定性有赖于焊接设备的可靠性。近代的微电脑控制的熔化极惰性气体保护焊接设备系统，包括逆变式焊接电源、程序控制、电弧控制、参数自调、专家系统、焊接机床等，为该焊接方法过程的机械化、自动化、智能化提供了良好的发展前景。

9参考文献：

[1]《焊接手册（第2版）》[M]，中国机械工程学会焊接学会，机械工业出版社，2001.8
[2] 陈祝年.《焊接工程师手册》[M]，机械工业出版社，2002.2
[3]张健.《工程焊接实用手册》[M]，中国计划出版社，1996
[2]邹增大.《焊接材料、工艺及设备手册》[M]，化学工业出版社，2001.8
[4]王宗杰等.《熔焊方法及设备》[M]，机械工业出版社，2002.9
[5]刘会杰.《焊接冶金与焊接性》[M]，机械工业出版社，2007.3
[6]游敏.《连接结构分析》[M]，华中科技大出版社，2003,9
[7]王泽群.《HQ80C钢制铲斗的CO2焊接》[J]《金属加工》，2009,6,27－28