自行车车架焊接工艺设计说明书.doc

自行车车架焊接工艺设计说明书

成控0708班

070201214

高浩天

1 拟用的焊接方式
某车辆厂长久以来主要采用液化石油气焊从事自行车前叉、车架等的生产，积累了一定的经验，但产品成本较高且焊接质量有时不够稳定。近年来，随着生产的发展先后开发了BMX一20轻便自行车、人力三轮车和电动车车架等新产品，为了降低产品成本，提高生产效率，企业考虑改用其他焊接方法。首先考虑采用手工电弧焊，但因其飞溅多、电流易击穿管壁，焊接质量不能保证而被放弃。然后选用了CO2 气体保护焊，并首先在BMX一20轻便车车架上应用。

2 BMX一20自行车车架构件及其焊接要求

2.1 车架构件及焊缝
BMX一20自行车车架如图1所示。它由10种13
件管、板类零件构成，其配套零件见表1。需拼装施焊
的计有33条焊缝(直缝、环缝和曲线焊缝)，多数是“无
接头”(焊缝无堆起现象)的焊接结构。

2.2 对施焊的主要要求
(1)焊缝要有足够的强度，用250YPM 偏心度250
的凸轮，经4次冲击后，各焊接部位不得有裂纹、断裂
和脱焊现象。
(2)焊缝要均匀美观，无明显缺陷。
(3)焊后车架变形要小，能保证各零件与主管的几
何位置和相关尺寸公差；在施焊后免予校正或减少校
正工作量。

3 BMX一20自行车车架CO2气体保护焊的应用方案

3.1 拟用的焊接设备及辅助装置
主要设备由焊机(包括焊接电源、控制系统等)、送丝机构、焊枪、供气装置等几部分组成。
(1)焊机NBC一200型，其技术数据符合产品要求。
其中电源用硅整流式直流电源，它和旋转式电源相比具有性能好、无噪声、结构简单等优点。电源的技术数据如表2所示。

表 2 电源技术参数
电源电压
工作电压调节范围
焊接电流调节范围
整流方式
调压方式
380（V）
14V~30V
40A~200A
三相桥全波
抽头
控制系统主要是对供气、送丝和供电等实施控制。控制程序如下：

(2)送丝机构 采用等速送丝系统，送丝方式为推丝式。根据所选的焊丝直径(φ0．8 mm)，选用弹簧钢丝软管，内径为φ1．5 mm，长度取2．5 m左右。
(3)焊枪选用手枪式焊枪。使用前在喷嘴的内外表面涂以硅油，以便于清除飞溅物。
(4)供气系统 包括气瓶和附属供气装置。附属供气装置包括电热式预热器、干燥器、减压器和3．01—1型浮标式流量计等，选用流量调节范围在0～15 L／min的气阀。

3.2 主要焊接材料
(1)CO2气体
液体状态的CO2采用钢瓶灌装，满瓶(80%容积)压力在5～7 MPa之间。CO2气体中的水气是主要的有害杂质，对焊缝质量有很大影响，过高的水气含量将导致焊缝产生气孔。为保证焊接质量，要求所购CO2气体的纯度>99．5% ，水、氮含量不得超过0．1 %。但实际所购CO2 气体一般达不到这一要求，含水量偏高，故规定施焊前现场采取下列措施：a．将新灌气瓶倒
置放水(放水结束仍将气瓶放正)；经倒置放水后的气瓶仍需先放气2～3 min。b．当瓶中气压降至980 kPa时，该气瓶不再使用。这是因为当瓶中液态CO2。全部挥发后气体压力降至980 kPa时，CO2气体中所含的水分将是CO2气液两相共存时的3倍左右，继续使用将可能造成焊缝气孔的产生。另外，为进一步降低CO2气体中的水分，在供气系统中设置了干燥器。
(2)焊丝材料
要求使用的焊丝具有较好的工艺性能和足够的机械性能及抗裂性能，减少焊缝金属中的含氧量和防止产生气孔等。焊丝中须含有足够数量的硅、锰、铝等脱氧元素。为减少飞溅，焊丝的含碳量必须限制在0.1%以下。故选用焊丝牌号为H08Mn2SiA，焊丝表面镀铜，可防止生锈，并改善焊丝导电性能，提高焊接过程的稳定性。使用前要彻底清除焊丝表面的油及污垢。

3.3 焊接规范确定
CO2气体保护焊是一种熔化极电弧焊。其熔滴过渡形式主要有2种：短路过渡和细颗粒过渡形式，一般前者适用于薄板(壁)件的焊接，故车架采用短路过渡。同时采用细焊丝、小电流、低电弧电压，可以提高短路频率，从而使焊接过程稳定，焊速快，焊接效率高，变形小，焊缝成形好。由于短路过渡的电弧断续燃烧，所以电弧热量低，很适用于薄壁管材的各个位置的焊接。
合理选择焊接规范是获得优良焊接质量和较高生产率的重要条件。CO2气体保护焊的规范参数主要包括焊丝直径、焊接电流、电弧电压、焊接速度、焊丝伸出长度、气体流量、电源极性和回路电感等，根据BMX一20产品的要求，经过多次试焊比较后确定出如下比较适宜的焊接规范：

3.3.1 焊丝直径
焊丝的直径通常是根据焊件的厚薄、施焊的位置和效率等要求选择。焊劫薄板或中厚板的全位置焊缝时，多采用φ1.6mm以下的焊丝（称为细丝CO2气保焊）。焊丝直径的选择残照下表：
表 3焊丝直径的选择
焊丝直径（mm）
05~0.8
0.8~1.0
1.0~1.2
1.2~1.6
1.6
1.6~2.0
2.0~2.5
熔滴过渡形式
短路过渡
细颗粒过渡
短路过渡
细颗粒过渡
短路过渡
细颗粒过渡
细颗粒过渡
可焊板厚（mm）
0.4~3
2~4
2~8
2~12
2~12
>8
>10
施焊位置
各种位置
平焊、横角
各种位置
平焊、横角
平焊、横角
平焊、横角
平焊、横角
由车架的焊接要求（车架采用短路过渡。同时采用细焊丝），根据上表，最终确定焊丝直径为φ0.8 mm。

3.3.2 焊接电流
焊接电流的大小主要取决于送丝速度。送丝的速度越快，则焊接的电流就越大。焊接电流对焊缝的熔深的影响最大。当焊接电流为60~250A，即以短路过渡形式焊接时，焊缝熔深一般为1mm~2mm；只有在300A以上时，熔深才明显的增大。
若电流过大，易击穿管壁。初选焊接电流为60~100A。

3.3.3 电弧电压
短路过渡时，则电弧电压可用下式计算：
U=0.04I+16±2 (V)
U=0.04*100+16±2=18~20V
此时，焊接电流一般在200A以下，焊接电流和电弧电压的最佳配合值见表4。
可见焊接电流选择60~100A，焊接电压选取18~20V时满足焊接电流和电弧电压的最佳配合值。
当电流在200A以上时，则电弧电压的计算公式如下。
U=0.04I+20±2 (V)
此时，为细颗粒过渡。

表 4 CO2焊短路过渡时焊接电流和电弧电压的最佳配合值
焊接电流（A）
70~120
130~170
180~210
220~260
电弧电压（V）
平焊
18~21.5
19.5~23
20~24
21~25
仰焊和立焊
18~19
18~21
18~22
——

3.3.4 焊接速度
半自动焊接时，熟练的焊工的焊接速度为18m/h~36m/h；自动焊时，焊接速度可高达150m/h。
可将焊接速度定为：15～40 m／h。

3.3.5 焊丝伸出长度
一般的焊丝的伸出长度约为焊丝的直径的10倍左右，并随焊接电流的增加而增加。
由于选用了φ0.8 mm的焊丝，可将焊丝伸出长度定为8～10mm。

3.3.6 CO2气体流量
正常的焊接时，200A以下薄板焊接，CO2的流量为10L/min~25L/min。200A以上厚板焊接，CO2的流量为15L/min~25L/min。粗丝大规范自动焊为25L/min~50L/min。
考虑到焊接电流较小，最终选定CO2气体流量为8～15 L／min。

小结：焊丝直径φ0.8 mm；焊接电流60～100 A(在等速送丝的条件下，焊接电流与送丝速度成正比)；电弧电压：18～20 V(电弧电压与焊缝成形有关，提高电弧电压，可使熔宽显著增加，而熔深和加强高有所减小。但过高或过低的电弧电压都将影响焊接过程和焊缝成形)；焊接速度：15～40 m／h；焊丝伸出长度：8～10mm；CO2气体流量：8～15 L／min；电流极性：直流反极性；回路电感：0．01～0．08 mH；产品装配间隙见图2所示。

3.4 焊接工序及流程图
根据目前的生产规模(月产1万辆左右)采用半自动焊接规范，设计工序是在考虑具有装夹工装，由手工装夹后实施分工序焊接的情况下制定的。
焊接工序先后示意如下：

工艺参数流程图如下：

3.5 焊接质量的控制方法和措施

35.1气孔的影响
    1、气孔对焊缝质量的危害
    气孔的产生对焊缝的性能有很大的影响，不仅减小焊缝的有效工作截面，使焊缝力学性能下降，而且破坏了焊缝的致密性，容易造成容器泄漏，气孔严重时，会使金属结构在工作时破坏，造成重大人身伤害，因此，我们在焊接中应避免气孔的产生。
    2、气孔产生的原因及防止措施
    焊缝中产生气孔的根本原因是熔池金属中的气体在冷却结晶过程中来不及逸出造成的。CO2气保焊时，熔池表面没有熔渣覆盖，CO2气流又有冷却作用，因此，结晶较快，容易在焊缝中产生气孔。同时如果使用化学成分不合格的焊丝、纯度不符合要求的CO2气体及不正确的焊接工艺，焊缝中就更容易产生气孔。CO2气保焊的气孔一般有三种，即CO气孔、H2孔和N2孔。
    （1）一氧化碳气孔的产生
    主要是因为焊丝中脱氧元素不足，使大量的FeO不能还原而溶于金属中，在熔池结晶时发生反应：
FeO+C= Fe+ CO↑
    这样，所生成的CO气体若来不及逸出，就会在焊缝中形成气孔。因此，应保证焊丝中含有足够的脱氧元素Mn和Si，并严格限制焊丝中的含碳量，就可以减小产生CO气孔的可能性。CO2气保焊时，只要焊丝选择适当，产生CO气孔的可能性不大。
    （2）氢气孔的产生
    氢的来源主要是焊丝和焊件表面的铁锈、水分和油污等杂质，以及CO2气体中含有的水分，如果熔池金属溶入大量的氢存在，就可能形成氢气孔。
    为防止产生氢气孔，应尽量减少氢的来源，焊前要适当清除焊丝和焊件表面的杂质，并需对CO2气体进行提纯与干燥处理。此外，由于CO2气保焊的保护气体氧化性很强，增加了焊接区域氧的分压，使自由状态的氢被氧化而生成不溶于金属的水蒸汽，从而减弱了氢的有害作用。所以CO2气体保护焊产生氢气孔的可能性较小。  
    （3）氮气孔的产生
    当CO2气流的保护效果不好，如CO2气流量太小、焊接速度过快、喷嘴被飞溅堵塞等，以及CO2气体纯度不高而含有一定量的空气时，空气中的氮就会大量熔于熔池金属中，当熔池金属结晶凝固时，氮在金属中的溶解度突然降低，来不及从熔池中逸出，便形成氮气孔。所以，必须保证保护气流在焊接过程中稳定而可靠。
    根据以上的分析和实践证明，CO2气体保护焊最易产生的是氮气孔，因氮主要来源于空气，因此，必须加强CO2气流的保护效果，这是防止焊缝气孔的主要途径。CO2气体保护焊氮气孔的产生与焊丝伸出长度、气体流量、焊接速度等参数有关，因此在确保以上参数无问题的情况下，我们进行了T形接头不同焊接位置与气孔倾向的研究。       

3.5.2 焊接位置的影响
    结构件在生产中的焊接一般多放置于两个位置即平焊和角焊，为了保证焊缝成形良好，对于角焊一般都放在船形位置进行焊接，对于生产工人来说，可使用大电流，操作方便，生产效率高，但试验证明船形焊比角焊产生气孔的倾向大。主要原因是船形焊时受热的CO2气体膨胀，在其压力的作用下由高温向低温运动，穿过试板间隙到达背面后又折返回焊缝，受热的CO2气体遇低温减缓运动速度，容易下沉卷入周围的空气后折返回焊缝的背面或产生紊流被熔池所吸收，当焊缝的冷却速度大于气体的上浮速度时，气体就在焊缝中形成气孔。

3.5.3 裂纹的影响
    裂纹是焊接结构最危险的一种缺陷，不仅会使产品报废，而且还可能引起严重的事故，是生产中常遇到的问题，尤其是在采用的材料种类繁多，焊接结构复杂的产品中出现裂纹的可能性更大。
    目前生产中采用的低合金高强度钢其焊接性较差，而现在采用的焊接方法大都是CO2气保焊，要合理的选择焊接工艺，以避免缺陷的产生，如合理选择焊接材料、预热、后热及焊后热处理等，另外，焊工在实际操作时，一定要控制好焊接热输入，当构件在放置为船形焊时，为了提高生产率，多拿工时，焊工往往把电流调至最大，这样构件受热过大，会增大粗晶区脆化倾向而产生裂纹，所以，有些企业已限制工人使用大电流，并要求把船形焊改为角焊来焊接，以消除裂纹的产生。
结论：CO2气体保护焊应保证焊丝中含有足够的脱氧元素Mn和Si，并严格限制焊丝中的含碳量，就可以减小产生CO气孔的可能性。CO2气保焊时，只要焊丝选择适当，产生CO气孔的可能性不大。为防止产生氢气孔应尽量减少氢的来源，焊前要适当清除焊丝和焊件表面的杂质，并需对CO2气体进行提纯与干燥处理。CO2气体保护焊产生的气孔主要是氮气孔，从焊接位置讲CO2气保焊船形焊时产生气孔及裂纹的倾向都大于角焊，所以在采用CO2气保焊时应尽量采用角焊，少采用船形焊。为了防止产生裂纹，要控制好焊接热输入，焊接电流不宜过大。

3.6 焊后质量检测

3.6.1 外观检测
焊接接头的外观检验是一种手段简便又应用广泛的检验方法，是成品检验的一个重要内容，主要是发现焊缝表面的缺陷和尺寸上的偏差。一般通过肉眼观察，借助标准样板、量规和放大镜等工具进行检验。若焊缝表面出现缺陷，焊缝内部便有催在缺陷的可能。

3.6.2 物理方法的检验
采用超声波探伤：超声波在金属及其他均匀介质传播中，由于在不同介质的界面上会产生反射，因此可用于内部缺陷的检验。超声波可以检验任何焊接材料、任何部位的缺陷，并且能较灵敏的发现缺陷位置，但对缺陷的性质、形状和大小较难确定。

3.7 产品的质量检验方法和使用的标准

3.7.1 车架振动强度
1）车架与试验用前叉、前叉合件、鞍管组装后，安装在专用振动试验机上；
2）车架安装时，前后轮的心轴应成水平，如使用前轮与后轮直径不同的车价应使车轮的接地点成水平；
3）装有鞍管的车架试件，应将鞍管固定在最小插入深度标记处，然后在鞍座部位装一个鞍形荷重座，并分别在左右吊杆上装圆形重锤。荷重座、吊杆及重锤的总重量应符合规定的荷重量。荷重座应用夹具紧固在距鞍管顶端20mm处的中心位置；
4）中轴部位的荷重应用圆形重锤，固定在中轴部位的左右两侧；
5）前管部位的荷重用紧固螺母将重锤与重锤座固定在前管上。然后进行试验。
6）振动计算公式：

式中：
G——自由落体加速度；
n——半振幅，单位为厘米（cm）；
f——振动频率，在6.6Hz~10Hz之间，但应避免其共振频率。
7）试验完毕后，按规定要求对试件进行目测检验。

3.7.2 车架冲击强度
将车架和实验用前叉组合按GB 3565-2005第27章规定的方法进行试验

4 焊接加工的经济考虑
CO2气体保护焊电能消耗少，且气体价格便宜，有利于降低产品成本；焊接时电弧加热集中，工件受热面积小，同时由于CO2气流有较强的冷却作用．所以焊接变形和内应力小，一般焊后无需校正以及不用清渣，因此生产率高；焊缝含氢量少，抗裂性能好；焊缝内不易产生气孔，焊接接头具有良好的机械性能，可提高焊接质量；焊接过程便于操作掌握。因此CO2气体保护焊很适宜于薄板、薄壁、管件的焊接。该厂成功应用CO2气体保护焊的生产实践证明了这一点。

参考文献：

[1] 俞尚知．焊接工艺人员手册[M]．上海：上海科学技术出版社．1996．
[2] 曾 乐．现代焊接技术手册[M]．上海：上海科学技术出版社．1996．
[3] 张修智．气体保护焊[M]．北京：电力工业出版社．1982．
[4] 韩 柏．轻便自行车车架的CO2气体保护焊工艺.
[5] 中华人民共和国轻工行业标准 QB1880-2008.