1、金屬鑄鍛焊技術 Casting ·Forging ·Welding上半月出版汽車車橋作為汽車底盤行駛系中的重要組成 部分 , 受力復雜 , 它不但承重和傳力 , 還承受巨大 的動載荷和靜載荷所形成的彎矩和扭矩 , 為此要 求后橋有足夠的強度 、 剛度和韌性 。 在眾多焊縫 中 , 橋殼的焊接質量是直接關系到汽車的行駛安 全和乘客及司機人身安全 。 因此保證后橋的焊接 質量是十分重要的 。1焊接性分析1.1材料焊接性目前汽車車橋所用材料多為低碳鋼系列 , 以 20鋼 為 主 , 其 化 學 成 分 (質 量 分 數 , % 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。 可見其 C 和其它提高淬透性的合金元素含量較少 , 故在冷 卻過程得到的淬硬相比較少 , 冷裂傾向較小 ; 在此 類合金中主加元素為 Mn , 故 Mn 的含量較大 , 而 在冶煉過程中對 S 的含量又進行了嚴重控制 , 這 就保證了具有較大的 Mn/S值 , 降低低熔點共晶 物形成的幾率 , 對熱裂紋有很好的抑制作用 。 因此 這種材料的焊接性相對較好 , 焊接冷裂 、 熱裂傾向 較小 , 常規的焊接方法均可應用于此材料的焊接 。 但是 ,

3、 考慮到生產效率問題 , 現在汽車車橋的焊接 方法基本多采用 CO 2氣體保護焊 1-3。1.2工藝可行性CO 2氣體保護焊作用一種高效的焊接方法已 在工程生產上得到廣泛的應用 。 CO 2氣體保護焊 的電弧穿透力強 , 生產率比焊條電弧高 13倍 ; CO 2氣體保護焊采用短路過渡技術可以用于全方 位的焊接 , 對于薄壁構件焊接質量高 , 焊接變形 小 , 焊接速度快 ; CO 2氣體價格便宜 , 且焊前對焊 件處理可從簡 , 其焊接成本只有埋弧焊和焊條電 弧焊的 40%50%; CO 2氣體保護焊易實現機械化 和自動化 , 在汽車焊接中還可減少對設備 、 場地 、 工裝夾具的多次投入而減少

4、成本 , 提高生產效率 ; 抗銹能力較強 , 焊縫含氫量低 。2焊接結構分析汽車車橋由三部分組成 , 通過焊接方法連接PLC 控制下汽車車橋焊接工藝研究 劉長軍 1, 尹奕君 2(1. 沈陽工業大學 工程學院 , 遼寧 遼陽 111003; 2. 福斯特惠勒電力集團亞洲公司 , 上海 200122摘 要 :通過對汽車車橋材料的焊接性和焊接結構的分析 , 研究了 PLC 控制下的汽車車橋 CO 2氣體保護焊 工藝 , 并對焊接接頭的力學性能和顯微組織進行相應地分析 , 確定了其最佳工藝參數 。 結果顯示 , 由于 PLC 技術 的引入 , 焊接接頭的性能得到顯著改善 , 完全可以達到相應的標準要

5、求 , 滿足生產需要 。關鍵詞 :汽車車橋 ; 焊接工藝 ; PLC中圖分類號 :TG457.2; TG444+.73文獻標識碼 :A 文章編號 :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作者簡介 :劉長軍 (1971- , 遼寧遼陽人 , 講師 , 碩士 , 主要從事焊接185 熱加工工藝 2009年第 38卷第 23期金屬鑄鍛焊技術 Casting ·Forging ·WeldingHot Working Technology 2009, Vol.38,No.232009年 12月成一體 , 其結構如圖 1所示 。 由于汽車車橋在整車 中不但要支撐車身 , 還要傳遞載荷 , 所以其受力情 況比較復雜 , 為了清楚反映車橋負載狀況下的作 用情況 , 對車橋整體進行了應力應變有限元

9、模擬 分析 , 其結果發現 , 三段式連接的中部連接處應力 集中現象較明顯 。 這是由于連接處存在較大的縫 隙 (為焊接而采用的坡口 , 焊接接頭的出現本身 就破壞了結構的完整性易產生應力突變 , 而焊接 過程又是一個急冷急熱的過程 , 焊縫金屬凝固過 程為非平衡結晶 , 大量殘余應力無法及時釋放 , 而 滯留在結構內部造成應力集中現象 。從強度計算結果來看 , 由于加載和結構上的 原因 , 在結構局部地方存在應力集中 (最大應力出 現位置 問題 , 在制造過程中應加強工藝保證 ; 計算結果表明有動荷系數時應力集中現象加大 , 最 大應力值上升 , 同時疲勞壽命減小 。 因此對汽車車 橋焊接工

10、藝的研究很有必要 。3焊接工藝優化由上述分析可以發現 , 由于汽車車橋所用材料 屬于低碳鋼 , 焊接性較好 , 但由于其結構的特殊性 , 大量殘余應力的存在將誘發焊接缺陷 , 使材料的疲 勞壽命無法滿足相應的標準要求 , 因此對傳統的焊 接工藝進行優化改造尤為重要 。 PLC 控制技術作為 一種新興的控制技術 , 由于具有反應速度快 、 精度 高 、 體積小的優點并已在工業生產上得到廣泛使 用 。 為此將 PLC 控制技術引入 CO 2氣體保護焊過 程中 , 通過 PLC 精準控制工藝過程中的起弧 、 穩弧 、 息弧 , 并對與之相配合的工裝夾具進行精確地 引導 , 進而保證焊接質量的可控性和

11、可再現性 。 經 過相應的前期調試試驗 , 對焊接工藝參數進行了相 應的優化設計 , 其最佳的工藝參數范圍見表 1, 焊 接材料為 ER49-1。焊接速度 /(m·min -1電流 /A 電壓 /V焊條型號焊條直徑 /mm 氣體流量 /(L·min -1氣源壓力 /MPa電機轉速 /(r ·min -10.10.52×5002022H08Mn2SiA 1.215200.41350表 1焊接工藝參數Tab.1The welding process parameters圖 1汽車車橋結構示意圖4焊接接頭性能分析為了驗證 PLC 控制下 CO 2氣體保護焊工藝

12、參數的可行性和最優性 , 對此參數下的焊接接頭 進行相應的力學性能和顯微組織分析 。4.1硬度分析由于汽車車橋結構的特殊性 , 在加工 、 檢測過 程中很難將其加工成拉伸試件進行拉伸試驗 , 而 傳統熱軋鋼的抗拉強度與硬度之間有一定的比例 關系 4, 即抗拉強度等于硬度值的 3.5倍 , 所以對 焊接接頭進行相應的硬度試驗 , 以此近似評價其 抗拉強度 。 圖 2為焊接接頭的硬度分布圖 。 可見其 硬度的最大值出現在焊接接頭的 HAZ 區域 , 母材和焊縫的硬度均低于 HAZ , 而母材與焊縫相對 比 , 焊縫的硬度略高于母材 。 通過硬度數據分布圖 可明顯發現焊縫處硬度分布比較均勻 , 通過

13、硬度 折換成抗拉強度也達到相應的技術要求 , 這說明 應用 PLC 控制的自動焊機在給定的焊接工藝參 數范圍內能夠有效的控制焊接缺陷 , 并且很好的 解決了未焊透問題 , 使焊接接頭的力學性能達到 相應的技術要求 。4.2焊接接頭金相分析為了更清晰地揭示焊接接頭力學性能變化的 根本原因 , 對焊接接頭進行了相應的顯微組織分 析 , 其金相圖片見圖 3。 可看出 , 無論是母材 、 焊縫還 是 HAZ , 其組織形態均為 P+F, 只是兩種組織的形 態有所區別 。 在母材中 P 呈一定的方向性排列 , 在 其晶界散落一定量的 F , 這為典型的軋制組織 ; 而在 焊縫組織中其規則的軋制組織已經無

14、法找到 , 取而 代之的是大量樹枝晶和等軸晶 ; 在 HAZ 區域由于 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 。 這種組織形態與上述的 硬度數據基本吻合 , 這充分說明 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 longitudinal welded joint186金屬鑄鍛焊技術 Casting ·Forging &#

15、183;Welding上半月出版(上接第 184頁 通過不同保溫時間下 TLP 連 接接頭顯微組織 (圖 1 及降熔元素擴散 (圖 2及圖 3 的研究及分析 , 可知 , 保溫時間是 TLP 連接時中間 層元素充分擴散的保證 , 是影響 TLP 連接接頭性能 的主要因素之一 。 由于 TLP 連接過程的實質是在一 定的連接溫度和連接壓力下降熔元素的擴散過程 , 所以隨著保溫時間的增加 , 元素的擴散距離就會增 大 , 焊縫中的降熔元素含量就會降低 , 反應產物就不 可能生成 , 接頭的性能則就發生相應的變化 。 因此 , 整個 TLP 連接過程也就是降熔元素的擴散過程 , 在 連接溫度為 11

16、80 、 連接壓力為 4MPa 的條件下 , 當保溫時間是 3min 時 , Ni 、 Cr 等降熔元素可以得到 充分的擴散 , 達到較為理想的擴散分布 , 從而可以獲 得較好性能的 20鋼管的 TLP 連接接頭 。3結論(1保溫時間是 TLP 連接時中間層元素充分 擴散的保證 , 是影響擴散連接接頭性能的主要因 素之一 , 在一定范圍內 , 隨著保溫時間的增加 , TLP 接頭的性能也相應的變好 。(2在 連 接 溫 度 為 1180 、 連 接 壓 力 為 4 MPa 、 保溫時間是 3min 時 , 中間層材料選用 BNi 2非晶箔進行 20鋼管的 TLP 連接 , 可以獲得性能 良好的

17、接頭 。(3TLP 連接過程伴隨著 Ni 、 Cr 等降熔元素 擴散 , 降熔元素擴散是否充分影響著 TLP 接頭的 性能是否達到理想要求 。參考文獻 :1陳思杰 , 井曉天 , 李辛庚 . 20鋼管的瞬時液相擴散焊工藝研 究 J. 熱加工工藝 , 2003, (6:37-38.2陳思杰 , 王振江 , 刑增為 . 20鋼瞬時液相擴散焊降熔元素的 擴散過程研究 J. 熱加工工藝 , 2008, 37(19:105-106. 3陳思杰 , 高增 . 異種材料瞬時液相擴散連接過程的非對稱 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

18、數 對 T91鋼 管 TLP 連 接 組 織 和 性 能 的 影 響 J. 材 料 科 學 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 , 錢乙余 , 張九海 . 先進連接方法 M. 北京 :機械工 業出版社 , 2000.7任家烈 , 吳愛萍 . 先進材料的連接 M. 北京 :機械工業出 版社 , 2000.8Zhou Y . Analytical modeling of isothermal solidification during transient liquid phase (TLPbonging J. Jour