機(jī)械焊接工藝探索與實(shí)踐

摘要:伴隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,新型焊接工藝越來越受社會(huì)的青睞。文章在介紹了焊接技術(shù)總體應(yīng)用狀況基礎(chǔ)之上,對(duì)當(dāng)前新興的焊接工藝如焊接反變形、振動(dòng)時(shí)效等作了詳細(xì)的闡述,同時(shí)簡單總結(jié)了焊接工藝的發(fā)展方向,有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞:機(jī)械焊接;新工藝;反變形;振動(dòng)時(shí)效

中圖分類號(hào):TG43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1674-1145(2009)21-0145-02

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,尤其是近幾年制造行業(yè)突飛猛進(jìn),機(jī)械焊接工藝的改進(jìn)在制造業(yè)中發(fā)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(jié)構(gòu)工程的安全性和可靠性,因此發(fā)展探索更為有效的焊接工藝措施越來越有意義。

一、機(jī)械焊接技術(shù)

機(jī)械、石化、冶金、造船、航空航天的建設(shè)都離不開焊接,而機(jī)械焊接技術(shù)種類繁多,工藝復(fù)雜,如何在生產(chǎn)實(shí)踐中做好質(zhì)量控制成為當(dāng)前最主要的課題。

(一)機(jī)械焊接技術(shù)分類

焊接工藝種類繁多,按焊接過程的特點(diǎn)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(hù)焊簡稱氣保焊,其焊接保護(hù)是依靠從噴嘴里連續(xù)噴出的氣體將四周空氣隔開,機(jī)械地保護(hù)電弧和焊接區(qū)域以完成焊接的焊接方式。氣體保護(hù)焊的保護(hù)氣體主要有氮?dú)夂蜌錃庖约岸叩幕旌蠚怏w。(2)壓力焊:主要有電阻焊、摩擦焊、擴(kuò)散焊、旋轉(zhuǎn)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(diǎn),低于母材熔點(diǎn)的溫度,利用液態(tài)釬料濕潤母材,填充接頭間隙并與母材相互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)連接焊件的一種方法。(4)手工電弧焊:用手工操縱焊條進(jìn)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(zhì)量控制

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

1.焊工的工作技能、職業(yè)習(xí)慣、質(zhì)量意識(shí)問題:一個(gè)好的焊工,首先擁有較好的業(yè)務(wù)技能和職業(yè)習(xí)慣,焊前準(zhǔn)備工作做得好,從心態(tài)、設(shè)備調(diào)試、工件準(zhǔn)備到焊材準(zhǔn)備等都非常到位;焊后檢查做得好,對(duì)工件進(jìn)行細(xì)致的檢查。

2.焊接設(shè)備性能問題:在一定條件下選用綜合性能指標(biāo)較好的專用設(shè)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(shù)數(shù)據(jù)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(shù)人員在焊接工藝方法確定時(shí),需要充分考慮單位的產(chǎn)品特點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)性、工作效率等因素。

5.環(huán)境問題:在產(chǎn)品制作時(shí),對(duì)材料的存放環(huán)境、產(chǎn)品制作環(huán)境的要求較低,有些材料不僅要防止風(fēng)吹日曬,對(duì)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(shè)備和焊接材料,以進(jìn)一步提高焊接質(zhì)量和安全可靠性;另一方面要提高焊接機(jī)械化和自動(dòng)化水平,改善焊接衛(wèi)生安全條件。

(一)焊接反變形

焊接變形是鋼結(jié)構(gòu)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(jī)械矯正工藝加以控制。這里提供了另外一種有效控制結(jié)構(gòu)殘余角變形的方法:對(duì)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的焊接過程,并對(duì)不同板厚、不同熱源的結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行數(shù)值模擬,最終確定焊接結(jié)構(gòu)的彈性反變形規(guī)律:焊接前施加彈性反變形的結(jié)構(gòu)在焊接后角變形趨于零。在廠房框架結(jié)構(gòu)中,H型梁焊接過程中存在的翼緣板正對(duì)腹板的角變形,如果在下料時(shí)進(jìn)行焊接反變形,焊接矯正完畢,撓度值均符合設(shè)計(jì)要求,大大縮短周期,優(yōu)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(jié)構(gòu)失效事故表明,低溫是導(dǎo)致脆斷的主要原因,特別是結(jié)構(gòu)中存在著缺陷(缺口效應(yīng))則脆斷效應(yīng)更嚴(yán)重。當(dāng)溫度低于材料的臨界轉(zhuǎn)變溫度時(shí),在遠(yuǎn)小于σs的作用下,鋼材的σs提高并接近于σb,出現(xiàn)完全無屈服的斷裂。環(huán)境溫度變化對(duì)焊接質(zhì)量的影響不是決定性的。根據(jù)低溫焊接試驗(yàn)結(jié)果和初步分析,應(yīng)充分重視環(huán)境溫度的提高和準(zhǔn)確的預(yù)熱溫度,在異種鋼焊接時(shí)應(yīng)特別注意預(yù)熱和后熱,這是繼焊材選定之后決定成敗的關(guān)鍵因素。另一方面,通過調(diào)整焊縫金屬的微合金化的程度,同焊接規(guī)范相配合使焊縫金屬產(chǎn)生針狀鐵素體而獲得理想的焊縫強(qiáng)韌性,從而取得焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)的成功,確保工程實(shí)體質(zhì)量。

焊接工藝參數(shù)設(shè)定:冷卻條件的改變影響相變,熱影響區(qū)的組織取決于鋼材的化學(xué)成分和焊接的冷卻條件,同時(shí)也影響擴(kuò)散氫的逸出和焊接應(yīng)力的改變。焊接熱影響區(qū)的冷裂紋大多數(shù)在馬氏體內(nèi)部產(chǎn)生,焊接區(qū)冷卻速度過大易產(chǎn)生馬氏體組織。在工程中應(yīng)注意以下幾條原則:(1)盡量減少焊接殘余應(yīng)力。(2)限制結(jié)構(gòu)拘束度。焊縫所處的工況完全不同,焊縫中心產(chǎn)生偏析,低溫焊接防治冷裂紋的同時(shí),還須防范由于結(jié)構(gòu)拘束度大,照搬工藝試驗(yàn)的結(jié)果很可能適得其反,甚至造成嚴(yán)重后果。(3)力圖選用電加熱。電加熱可以使預(yù)熱區(qū)域受熱均勻,有效防止局部受熱造成接頭附加應(yīng)力;升溫速度均勻、可控,防止造成母材過熱等現(xiàn)象,可達(dá)到母材充分均勻預(yù)熱。(4)焊后處理措施:由于液—固態(tài)氫溶解度不同,在結(jié)晶溫度下液態(tài)溶氫量是固態(tài)時(shí)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(qū)——熱影響區(qū)擴(kuò)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(shí)現(xiàn)大電流,防止淬硬組織的產(chǎn)生。對(duì)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(duì)于t<40mm采取焊后緊急保溫緩冷措施,防止產(chǎn)生延遲裂紋。

(三)振動(dòng)時(shí)效去殘余應(yīng)力

振動(dòng)時(shí)效是采用外力振動(dòng)的方式,使工件內(nèi)部產(chǎn)生一定周期性交變作用力,作用力和工件本身殘余應(yīng)力疊加,超過工件本身的微觀屈服極限便導(dǎo)致工件發(fā)生微觀的塑彈黏性力學(xué)變化。從而引起殘余應(yīng)力的降低和均化。使工件內(nèi)部各方面作用的力基本趨于平衡?？梢苑乐构ぜ冃?提高工件疲勞極限,從而發(fā)揮工件本身的最大實(shí)用價(jià)值。最后通過比較時(shí)效前后及過程中工件的有效固有頻率及其加速度等參數(shù)的變化來判斷時(shí)效效果。

振動(dòng)時(shí)效工藝的制定,主要是最佳振動(dòng)參數(shù)的選擇,而最佳的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)以消除應(yīng)力量值最大為好。在循環(huán)應(yīng)力比R=-1的情況下,內(nèi)部疲勞極限近似等于產(chǎn)生0.01%,殘余應(yīng)變的“條件彈性極限”σ0.001。所以振動(dòng)時(shí)效動(dòng)應(yīng)力的選擇應(yīng)以“條件彈性極限”σ0.001作為依據(jù)。在實(shí)際的工藝中往往以振動(dòng)處理過程中結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)參數(shù)的變化作為監(jiān)測(cè)參數(shù),隨著應(yīng)力變化的進(jìn)行,殘余應(yīng)力的變化引起構(gòu)件動(dòng)態(tài)的變化,根據(jù)這些變化作為制定工藝參數(shù)的依據(jù),因此合理的振動(dòng)參數(shù)的選擇將直接影響到處理效果。這主要從以下幾個(gè)方面下手:(1)降低共振頻率:振動(dòng)時(shí)效處理消除殘余應(yīng)力,需依賴于產(chǎn)生足夠大的動(dòng)載荷。在掃頻過程中發(fā)現(xiàn)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(shè)備的控制頻率范圍。由振動(dòng)學(xué)知識(shí)可知,在構(gòu)件作受迫振動(dòng)時(shí),在某一共振頻率附近振動(dòng),對(duì)構(gòu)件加載量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他頻率的振動(dòng)。隨著振動(dòng)頻率的升高,電機(jī)電流一直上升無下降趨勢(shì),這時(shí)即發(fā)生了強(qiáng)迫共振,這種現(xiàn)象一般是由被振工件的重量太小而剛性又太大所導(dǎo)致。(2)振型的選擇:研究表明,這個(gè)需要具體的情況而定。(3)激振頻率的選擇:試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),在時(shí)效過程中,在材料的彈性極限以下的循環(huán)應(yīng)力作用下,激振力越小,產(chǎn)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(dòng),振幅會(huì)逐漸降低,延長了時(shí)效時(shí)間,也影響了時(shí)效效果。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜,殘余應(yīng)力不集中的構(gòu)件,宜采用較低的激振力和較高的振動(dòng)頻率。對(duì)于結(jié)構(gòu)簡單,殘余應(yīng)力集中的構(gòu)件,振動(dòng)時(shí)效后要得到較低的殘余應(yīng)力狀態(tài),應(yīng)選用較大的激振力,較低的振動(dòng)頻率。

三、焊接技術(shù)的發(fā)展與展望

現(xiàn)代焊接技術(shù)以高效、節(jié)能、優(yōu)質(zhì)及其工藝過程數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化控制為特征,我國現(xiàn)代焊接技術(shù)已有很大發(fā)展,部分產(chǎn)品技術(shù)已達(dá)到或接近國外先進(jìn)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(jī)器人焊接的智能化;智能化的焊接機(jī)器人。焊接智能制造的系統(tǒng)技術(shù)以智能焊接機(jī)器人為單元構(gòu)成的多機(jī)協(xié)調(diào)的焊接柔性智能制造生產(chǎn)線、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、敏捷制造工廠,特別是傳感技術(shù)、動(dòng)態(tài)過程的建模、智能控制技術(shù)、遙控焊接的引入,促進(jìn)了焊接自動(dòng)化技術(shù)革命性的發(fā)展。

1.控制系統(tǒng)智能化。這是自動(dòng)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制,以及專家系統(tǒng)的研究。由于焊接技術(shù)是基于多學(xué)科交叉融合的產(chǎn)物,隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)成果的不斷涌現(xiàn),必將推動(dòng)焊接技術(shù)更新發(fā)展。除了物理、化學(xué)、材料、力學(xué)、冶金、機(jī)械、電子學(xué)等學(xué)科的新發(fā)展將會(huì)推動(dòng)焊接新材料、新工藝的不斷出現(xiàn)外,計(jì)算機(jī)、控制理論、人工智能等信息科學(xué)領(lǐng)域的新進(jìn)展將進(jìn)一步將焊接工藝實(shí)現(xiàn)的手段推進(jìn)到自動(dòng)化、機(jī)器人化和智能化的新階段,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)幾代焊接人的夢(mèng)想—用機(jī)器來代替人焊接。由于焊接是一個(gè)非線性的復(fù)雜過程,所以視覺傳感以及焊接過程控制算法的穩(wěn)定性和可靠性還需要不斷地提高和完善。同時(shí),多傳感器信息融合、遙控焊接及智能化控制等技術(shù)也將成為未來發(fā)展的重要方向。

2.柔性化。將數(shù)控技術(shù)配以各類焊接機(jī)械設(shè)備,以提高其柔性化水平,是我們當(dāng)前的一個(gè)研究方向;通過對(duì)柔性焊接線進(jìn)行合理的工藝安排,不僅可以提高生產(chǎn)效率,而且可以保證焊接質(zhì)量,減小焊接變形,降低勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)力圖實(shí)現(xiàn)自動(dòng)路徑規(guī)劃、自動(dòng)校正軌跡、自動(dòng)控制熔深等功能。

3.焊接控制系統(tǒng)集成。集成系統(tǒng)中信息流和物質(zhì)流是其重要的組成部分,促進(jìn)其有機(jī)地結(jié)合,力圖實(shí)現(xiàn)工藝人員通過局域網(wǎng)進(jìn)行焊接工藝報(bào)告、工藝卡片的制定、提交報(bào)批、審核、資源信息的查詢和報(bào)表統(tǒng)計(jì)打印等功能,充分發(fā)揮公司內(nèi)部的信息資源和網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)勢(shì)。

4.提高電源可靠性、質(zhì)量可控性。一方面開發(fā)適時(shí)提供焊接規(guī)范參數(shù)的高性能焊機(jī),同時(shí)從電源的主電路、控制電路、短路狀態(tài)檢測(cè)以及軟件設(shè)計(jì)等方面進(jìn)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(jìn)一步降低,另一方面應(yīng)積極開發(fā)焊接過程的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)。

綜上所述,低成本自動(dòng)焊接使生產(chǎn)過程更加合理化。焊接在整個(gè)工業(yè)的生產(chǎn)成本中所占的比例并不小,用先進(jìn)的低成本自動(dòng)焊接工藝可以進(jìn)一步提高焊接質(zhì)量,降低焊接成本,改善工人的勞動(dòng)條件,這些已在我們的生產(chǎn)實(shí)踐中充分得到證實(shí)。

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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(chǎn)技術(shù)。