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莲花水电站压力钢管消应热处理及效果分析

刘文忠 欧阳明之 刘永胜

关键词 引水系统 压力钢管 残余应力 消应热处理 应力测试 莲花水电站
摘 要 水电站引水压力钢管焊接后产生的残余应力,是引起钢管脆性断裂的重要原因之一。目前,对于残余应力的消除处理,多种看法尚不统一,国内外所执行的标准也不相同;从国内已建成的水电站来看,对压力钢管进行消应处理并进行应力测试的例子很少,对消应后的效果说明亦缺乏资料。莲花水电站4号机组压力钢管消应热处理和应力测试的方法及其效果分析,为该项目的设计提供了重要依据,并对合理缩短工期、节约投资等方面起到了指导作用。

Stress-removal heat treatment of the penstock of Lianhua Hydropower Station and its effectiveness analysis

Liu Wenzhong (Heilongjiang Provincial Hydropower Construction Management Bureau )
Ouyang Mingzhi (Project Supervision Division for Lianhua Hydropower Station )
Liu Yongsheng (Northeast China Investigation and Design Institute)

Key words:water diversion system, penstock, residual stress, stress-removal heat treatment, stress testing, Lianhua Hydropower Station
Abstract:The residual stress in the penstock of hydropower station produced by the welding is one of important factors which cause the brittle fracture of penstock. At present, the removal of the residual stress has different methods and the standards carried out at home and abroad also are different. Viewed from the constructed hydro stations in China, few examples of stress-removal of penstock and then stress testing can be gained. The method and effective analysis of stress-removal heat treatment and stress testing have provided the important basis for the project design and played a guide role in shortening the construction period and saving the investment.

  莲花水电站引水系统的4条引水压力钢管,水平布置于调压井下游小渐变段与蜗壳之间,每条钢管长140余米,钢管直径8.4 m,静水头为60 m。对引水压力钢管在制造及安装中的接缝处理目前普遍采用焊接方法,由于焊接过程中的不均匀热循环,使得钢管材料纤维发生不均匀收缩,其结果是在压力钢管焊缝及热影响区上产生很大的焊接残余应力,而上述两区是整个焊接接头中最为薄弱的部位。在日后的钢管运行中,由于焊接残余应力与钢管工作应力及温度应力等叠加,使钢管材料在某些局部区域超过设计许用应力,甚至达到屈服极限δs。以往的研究表明,局部存在较大的焊接残余应力是造成压力钢管脆性破坏的原因之一。根据原设计考虑,需对壁厚为30 mm和34 mm的两种规格压力钢管的安装焊缝进行消应处理;在施工中为探讨消应处理的必要性及范围,并考虑到热处理工期费用及与其他工程相互干扰等综合因素,首先对先期安装的30 mm、34 mm两种规格的钢管作了消应处理并进行了应力测试。
  鉴于莲花水电站引水压力钢管直径较大,因工地条件所限无法进行整体消应处理,故采用了远红外履带式加热器对上述两种钢管的纵、环向焊缝进行了局部焊后消应处理。现将该消应热处理的工艺过程及应力测试方法等简介如下。

1 热处理设备及工艺过程

  热处理设备采用远红外加热垫(尺寸为1 000 mm×385 mm),覆盖在焊缝及两侧,并在钢管焊缝两侧一定宽度的范围内敷设保护层(尺寸为1 500 mm×700 mm),以进行保温。该热处理的工艺曲线如图1所示,热处理的工艺过程为:

图1 热处理工艺曲线

  (1) 升温段:从室温至300℃温度区间,升温速度不限。
  (2) 升温段:自300℃至600℃温度区间,升温速度V≤220×25/δ ℃/h,即V≤162 ℃/h,此期间t≥300/162=1.85 h。考虑到局部单面加热应尽量减少加热面与背面间的温度梯度,实际控制温升时间t=2.5 h。
  (3) 恒温段:恒温温度为600℃±25℃,恒温时间t≥2.5×34=85 min,使加热区域温差△T≤50℃,实际恒温时间为1.5 h。
  (4) 降温段:自600℃至300℃温度区间,其冷却速度V≤275×25/δ ℃/h,即V≤202℃/h,实际取1.5 h。
  (5) 自300℃至室温,降温速度不限,断电后自然冷却。
  热处理前,先用9路XCT-101型热电偶均匀分布在热处理的焊缝上,在整个升温、恒温、降温过程中可自动测温;根据在WZK-300型温控柜上所设定的温度进行温度控制,并自动记录整个过程的温度—时间函数曲线。

2 应力测试

  为了检查和评价消应热处理对压力钢管残余应力的影响,在上述钢管消应前后,分别对焊缝及热影响区进行了应力测试与比较。
  (1) 测试原理及方法。采用工艺上较为成熟的钻盲孔应力释放法。其基本原理是在钢管残余应力场内钻1个一定深度和直径的小孔,孔内金属连同其中的残余应力一起被释放出来,孔周围应力失去平衡,应力便重新分布以达到新的平衡。在这一过程中孔的周围将产生一定量的应力变化,该应变的改变量称为释放应变,其数值与释放应力成比例。用电阻应变片测出这些释放应变,即可算出钻孔处原来的残余应力水平。
  (2) 测试对象。本次测试分别选择了δ=30 mm和δ=34 mm两种规格的管段中的部分纵向焊缝和环向焊缝。
  (3) 测点布置。沿焊缝长度方向布点,纵缝上测点间距为200 mm,环缝上测点间距为300 mm。
  (4) 贴片与测量设备。所用电阻应变片规格为1.5 mm×1.4 mm、R=120 Ω,分别以0°、45°、90°间隔布置,横轴中心距孔中心L=2.5 mm;应变仪为YJ-22型静态应变仪。
  (5) 测试内容。对于每个测点均可测出热处理前后不同工况时应力的5个测值,包括第1主应力、第2主应力、主方向角(与焊缝长度方向的夹角)以及平行于焊缝方向的正应力分量σz和垂直于焊缝方向的正应力分量σy,表1和表2分别列出了30 mm和34 mm两种规格的被测钢管在消应热处理前后的纵、环缝上两个应力分量的变化。

表1 δ=30 mm钢管消应热处理前后应力测试  MPa

测量点外  环  缝外  纵  缝消应处理前消应处理后消应处理前消应处理后σxσyσxσyσxσyσxσy1288-68172-229325165268-3082289-104186-286333241238-2653266-172158-272334279177-2604317-116205-239239209228-3255275-43211-233264226238-2356306-9192-284199134211-256均值290-85.3187-257.2297.3209-216.6-274.8升降  -35%-201%  -27% -231%


表2 δ=34 mm钢管消应热处理前后应力测试 MPa

测量点外  环  缝外  纵  缝消应处理前消应处理后消应处理前消应处理后σxσyσxσyσxσyσxσy1297-10187102285-104252-2322943022011116851210833315-36216126208-71244-34427046194109230-2272-3352486223571131-79247-2062531371797123496250-3572304114810923976235-7均值2723919799213-4.7244-9.85升降  -27.5%+157% 

 

+11.7%-110%

3 消应效果

  (1) 两种规格材料卷制加工之前测得原始状态应力为50~80 MPa。
  (2) 从表1和表2中可以看出,δ=30 mm的钢管(测试件为凑合节)及所有环向安装焊缝,消应之前应力数值较大,沿焊缝方向正应力σx在260~330 MPa之间,有多个测点已超过GB 6654—84标准中δ=26 mm~36 mm范围σs=305 MPa的屈服强度,而且表现为拉应力;特别是σx的平均值在290 MPa以上。
  (3) 对于钢管制造焊缝,如δ=34 mm管段的纵缝消应前测得的应力水平为150~280 MPa之间,此种焊缝经远红外消应处理后效果不明显。
  (4) 采用局部远红外消应热处理,可以使引水压力钢管安装焊缝残余应力σx平均值减少27%~35%;σy值热处理前后有增有减,但其应力数值都不大,或为压应力或为数值很小的拉应力。

4 分析与结论

  一般引水压力钢管的工作应力是环向应力,即所测焊缝残余应力中环缝的σx和纵缝的σy。从两种规格钢管的测试结果来看,环缝的σx数值下降了27.5%~35%,纵缝的σy均为压应力。测试结果说明,用远红外局部加热消应处理对降低环向残余应力是有一定效果的;同时也可以看出,经消应处理后焊缝上仍有187~197 MPa的平均残余应力,因此消应幅度是有限的。对于压力钢管的制造焊缝(测试的δ=34 mm管段的纵缝)虽然该管段早已出厂并经过近1年的自然时效,但仍然保持平均σx=213 MPa的拉应力,这说明焊接残余应力将以较大数值、较长时间存在于钢管中。
  从测试结果还可以看出,此种消应热处理对于经1年自然时效后钢管焊缝的残余应力基本上已不起作用。因此可以认为:远红外局部加热消应处理,对于时效期较短的安装焊缝消除残余应力有一定的作用,其削峰作用是明显的;特别对于安装工期很短、安装完毕立即投入运行的压力钢管更为重要。
  根据上述分析结果,同时考虑到:莲花水电站压力钢管安装中的消应工作量大、耗费时间较长及与土建施工的相互干扰等综合因素,决定对后期施工的3条压力钢管作如下安排:提前安排压力钢管制造与施工以增加自然时效时间;仅对钢管安装焊接中的重要焊缝及应力复杂的焊缝(如与蜗壳的连接缝,岔管相贯线焊缝,凑合节安装缝)进行消应热处理,使消应热处理量从2 045延长米降低至340延长米。从而减少了消应处理工作量近6倍。这为后续进行的施工项目工期创造了有利条件,并获得了较为显著的经济效益。

作者单位:刘文忠 黑龙江省水电建设管理局,黑龙江牡丹江,157000
     欧阳明之 西北勘测设计研究院,西安,710001
     刘永胜 东北勘测设计研究院,长春,130021

CO2半自动焊接常见缺陷及其产生原因


缺陷 产生原因
气孔 ①CO2气体不纯或供气不足
②焊时卷入空气
③预热器不起作用
④风大、保护不完全
⑤喷嘴被飞溅物堵塞、不通畅
⑥喷嘴与工件的距离过大
⑦焊接区表面被污染、油、锈、水分未清除
⑧电弧过长、电弧电压过高
⑨焊丝焊硅,锰量不足
咬边 ①电弧太长,弧压过高
②焊接速度过快
③焊接电流太大
④焊丝位置不当,没对中
⑤焊丝摆动不当
未焊透 ①焊接电流太小,送丝不均匀
②电弧电压过低或过高
③焊接速度过快或过慢(在坡口内)
④坡口角度小,间隙过小
⑤焊丝位置不当,对中差
焊缝成形不良 ①工艺参数不合适
②焊丝位置不当,对中差
③送丝滚轮的中心偏移
④焊丝矫直机构调整不当
⑤导电嘴松动
梨形裂缝 ①焊接电流太大
②坡口过窄
③电弧电压过低
④焊丝位置不当,对中差
电弧不稳定 ①导电嘴松动、或已磨损,或直径过大(与焊丝比)
②焊丝盘转动不均匀,送丝滚轮的沟槽已经磨损,加压滚轮紧固不良,导丝管阻力大等。
③焊接电流过低,电弧电压波动
④焊丝干伸长过大
⑤焊件上有锈、油漆和油污
⑥地线放的位置不当
飞溅 ①短路过渡时电感量不适当,过大或过小
②焊接电流和电弧电压配合不当
③焊丝和焊件清理不良

建筑钢结构焊接工艺评定试板的检验

王 滨
(上海材料研究所,上海200437)

摘要: 对JGJ81-2002《建筑钢结构焊接技术规程》中焊接工艺评定试板的制备和取样,试样
的加工和检验进行了详细的介绍,并与JGJ81-1991《建筑钢结构焊接规程》的相关内容进行了对比。
关键词: 钢结构;焊接工艺评定;试样;检验

1 引言
   焊接工艺评定是建筑钢结构焊接生产的一项重要工作,是保证工程焊接质量的有效措施。通过焊接工艺评定来选择最佳的焊接材料、焊接方法、焊接工艺参数、焊前预热和焊后热处理等,以保证焊接接头的力学性能符合设计要求。焊接工艺评定的方式是通过焊接试件进行试验来判断该工艺是否合格。以前我国建筑钢结构焊接试件的检验内容和方法一般都按锅炉压力容器焊接工艺评定规程执行,由于各种高层建筑钢结构、大容量锅炉钢架结构、工业炉、窑体炉和工业设备钢结构、各种大跨度场馆建筑中的管-管、管-球空间网架和桁架等钢结构具有所用钢材厚度大、强度高、节点形式复杂、焊接工艺方法多样、技术难度大等,因此,建筑行业新标准JGJ81-2002《建筑钢结构焊接技术规程》对我国焊接工艺评定试件和试样的制备与检验等进行了全面的规定。这些规定参照了国家现行行业标准JB/T6963《钢制件熔化焊工艺评定》、美国AWS D1.1《钢结构焊接规范》标准及日本建筑学会标准JASS6《钢结构规程》中的相应内容,与旧标准JGJ81-1991《建筑钢结构焊接规程》相比发生了很大的变动。笔者就其中常用的有关建筑钢结构焊接工艺评定试板的检验内容和检验方法等做一介绍,并列出了JGJ81-2002《建筑钢结构焊接技术规程》与JGJ81-1991《建筑钢结构焊接规程》有关焊接工艺评定试板的检验方面的主要差异。

2 焊接试板的制备
  在制备焊接工艺评定试板时,除选择试板厚度符合评定试件厚度对工程厚度的有效适用范围,母材材质、焊接材料、坡口形状和尺寸符合工程设计图要求,试板焊接符合焊接工艺评定指导书要求外,试板的尺寸还应满足所制备试样的取样位置和数量的要求。焊接工艺评定试板的接头形式分为对接接头、T形接头、十字形接头和栓钉焊接头四种,各种接头形式的焊接试板应按图1~4的样式进行制备。




3 焊接试板的取样和试样加工
  不同焊接接头形式和板厚试样的检验类别和数量见表1,试样的取样位置见图1~4,试样的加工要求见表2。其中硬度试验根据工程的实际需要进行,当有要求时,硬度试验在宏观酸蚀样品上进行。

4 焊接试板的检验
  焊接试板制备完成后,应首先对试板进行外观检验和射线或超声波无损检验,在其符合JGJ81-2002的规定后对试板取样进行力学性能和宏观酸蚀试验。拉伸、冲击、宏观酸蚀和硬度试验方法见表3,弯曲试验方法见表4。试验完成后按表5判定焊接试板是否合格。








5 JGJ81-2002与JGJ81-1991的差异
  JGJ81-2002《建筑钢结构焊接技术规程》与JGJ81-1991《建筑钢结构焊接规程》有关焊接工艺评定试板的检验方面的主要差异见表6。

TC11钛合金β锻造后热处理工艺的研究

摘 要 研究了锻后热处理工艺对TCll钛合金β锻造后产生的“β脆性”的组织和性能的影响,试验表明,降低TCll钛合金固溶处理后的冷却速度,可以获得满意的金相组织、高的塑性和良好的综合机械性能。

关键词 β锻造;室温面缩率;双重退火

中国图书资料分类号TG146.23;TG156.2

前 言

双相钛合金的传统锻造方法是在β/(α+β)转变点以下40~50℃锻造,称为(α+β)两相锻造或常规锻造。在此温度范围加热锻造得到等轴α+β转变组织,其塑性和热稳定性好,但热强性和断裂韧性差,没有完全发挥钛合金的性能潜力,而且由于锻造温度低,不能充分利用合金的可锻性。加之钛合金的σ0.2/σb值高,塑性变形范围窄,σ0.2/E值高,弹性回跳大;又因钛合金的摩擦系数大,流动能力差,在金属流动量相同的情况下,锻造钛合金比锻造合金结构钢需要更大吨位的设备,给生产大型的、形状复杂的钛锻件带来了困难。因此,采用钛合金的高温锻造,即β锻造,不仅改善了模锻件的成型性能,减轻锻造设备的负荷,而且还能提高钛合金的热强性和断裂韧性[1]、[2]。但是,同两相区锻造相比,钛合金β锻造后出现的拉伸塑性降低,即“β脆性”,严重妨碍了β锻造工艺的推广应用。因此,研究提高β锻造的拉伸塑性,无论对钛合金锻件的生产及发挥钛合金的性能潜力,提高其零件的使用寿命,都具有重要的实际意义。

本文从研究β锻造后的热处理工艺对TCll(Ti6.5A13.5Mo2Zr0.35Sj)合金组织、性能的影响,探索通过热处理提高锻件拉伸塑性的可能性及最佳工艺制度。

1 试验材料及研究方法

    本试验用材料为TCll钛合金棒材,其化学成分及β相变点见表1。将规格为Φ65 mm的棒材在940℃改锻为Φ44 mm的棒料,再于高温箱式电炉中加热至1020℃,保温后(保温时间按0.7~0.8 min/mm计算)在3吨锤上采用压扁方式变形,所得锻坯用砂轮切割机按试样坯(Pa)尺寸下料,随后用箱式电炉进行不同规范的热处理,而后磨削加工成Φ5 mm的标准拉伸试样。金相试样均取自拉伸试棒夹头处的横向中心视场。腐蚀剂为HF:HNO3:甘油=1∶1∶3。

    表1TCll的化学成分

    Al Mo Zr Si Cr Fe C H O N 相变点

    (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (℃)

    6.17 3.32 1.65 0.26 0.01 0.04 0.015 0.0015 0.10 0.008 995

    2 试验结果及分析

    2.1 热处理冷却速度对TCll合金拉伸性能的影响

    按表2所列的五种热处理工艺制度进行试验,所得结果见表3。

    表2 热处理工艺代号

    热处理工艺代号 热 处 理 工 艺

    Ⅰ 950℃1小时,空冷+530℃6小时,空冷(标准双重退火处理)

    Ⅱ 950℃1小时随炉冷至880℃后空冷+530℃6小时,空冷(炉冷+空冷处理)

    Ⅲ 950℃1小时后直接转入530℃炉中6小时,空冷(转炉等温处理)

    Ⅳ 950℃1小时,随炉冷至880℃再转入530℃炉中6小时,空冷(炉冷+转炉等温处理)

    Ⅴ 950℃1小时随炉冷至530℃保温6小时,空冷(炉冷等温处理)

    表3 热处理对TCll合金(β锻造)机械性能的影响

    相变点 锻造温度 变形程度 锻后冷却 热处理 室 温 拉 伸 性 能

    σb σ0.2 δ Ψ

    (℃) (℃) 方式 工艺 (MPa) (MPa) (%) (%)

    Ⅰ 1095 966.3 12.2 21.1

    Ⅱ 1198 1105 10.5 19.0

    955 1020 65 空冷 Ⅲ 1065 968.2 12.5 27.2

    Ⅳ 1086 1007 12.8 24.5

    Ⅴ 1010 908.5 13.2 27.0

    2.2 不同热处理制度下β锻造TCll合金性能及金相组织

    将表3中锻后空冷的拉伸性能数据作图比较(如图1),可以明显看出,热处理工艺Ⅲ(转炉等温)、Ⅴ(炉冷等温)所得面收缩率Ψ值均高于标准双重退火(工艺Ⅰ)。图1中各种热处理制度下合金的金相显微组织及电镜复型组织见图2。

    图1 热处理制度

    不同热处理制度对TCll合金(β锻造)机械性能影响的比较

    (a1) (a2)

    热处理制度Ⅰ标准双重退火(950℃1小时,空冷+530℃6小时,空冷)

    (b1) (b2)

    热处理制度Ⅱ(950℃1小时炉冷至880℃,空冷+530℃6小时,空冷)

    (c1) (c2)

    热处理制度Ⅲ(950℃1小时转入530℃炉中等温6小时,空冷)

    (d1) (d2)

    热处理制度Ⅳ(950℃1小时炉冷至880℃转入530℃炉中等温6小时,空冷)

    (e1) (e2)

    热处理制度Ⅴ(950℃1小时炉冷530℃等温6小时,空冷)

    图2 TCll合金经不同制度热处理后的显微组织(a1,b1,c1,d1,e1×500)

    及电镜复型组织(a2,b2,c2,d2,e2×5000)

    2.3 实验讨论

    Greenfield. M. A等[3]认为,钛合金的拉伸塑性取决于在拉伸过程中材料内部显微洞穴的形核及长大速率。并指出,洞穴最容易在α/β界面上形成和长大。由于针状α组织具有较大的α/β界面。故其拉伸塑性比等轴α组织低。而且,α针愈长,晶界α愈粗大,β原始晶粒愈大,则合金的拉伸塑性愈低。

    所做试验还表明,针状α组织的拉伸塑性还与α针的宽长比及α领域的大小有关。图2中的c1及e1,其α针的领域尺寸最小,宽长比最大,因而它们的拉伸塑性也最好。β原始晶界及α领域的界面均有阻滞裂纹扩展的作用。比较经不同热处理制度处理的试样的电镜组织(图2 a2~e2)可以看出,拉伸塑性还与β条中析出物质点的多少及分布有关。图2 中的c2及e2,其β条内最干净,基本上没有析出物质点,正是这两个试样具有最高的塑性。图2 b2中β条内析出物质点最多,也正是这个试样具有最低的塑性。

    β条内析出物质点的数量及分布,以及α针的宽长比,显然与固溶处理后的冷却速度有关。冷速愈慢,β条内析出物质点(α相)的晶核愈少。此时,α相大多附在β条周界上析出,使α相加宽(即增大α针的宽长比)。当冷速很慢时,过冷度很小,β条内不能形成α晶核,则α相将全部附在原有的α针上析出,因而β条内变得极为干净。

    分析表2中的各种热处理工艺,可以很容易看出,工艺Ⅴ冷速最慢,其次是工艺Ⅲ和工艺Ⅳ,工艺Ⅰ和工艺Ⅱ冷速最快,其塑性也最差。

3 结论

1.降低TCll钛合金固溶处理后的冷速,可以减少低温时效过程中β相内析出物(α质点)的数量,并增大α针的宽长比,使合金的塑性得到显著提高。

2.TCll钛合金β锻造后,不宜沿用α+β两相区锻造热处理工艺,反复对比试验表明,950℃保温1小时后随炉冷至880℃,再转入530℃的炉中保温6小时后空冷,可以获得满意的强度与塑性配合。

塑料激光焊接在医疗器械中的应用

在塑料材料在医疗器械领域广泛应用的今天,新型的塑料生产及加工工艺层出不穷,激光焊接作为其中的一种,受到行业的广泛关注。本文介绍塑料激光焊接的原理、工艺及在医疗器械行业的应用。

塑料焊接原理

在热塑性塑料的焊接过程中,两个待焊塑料零件用夹紧夹具夹在一起,其中的一个塑料件能使激光穿透,而另一个塑料件能吸收激光的能量。激光束通过上层的透光材料到达焊接平面,然后被下层材料吸收。激光能量被吸收使得下层材料温度升高,熔化上层和下层的塑料,最后凝固成牢固的焊缝。

塑料激光焊接的优点在于,它是一种非接触式的焊接方法,激光的能量只是作用于非常小的焊接区域,极大地减小了工件的热应力及振动对工件的破坏。

塑料激光焊接的方法主要有:轮廓焊接、同步焊接、准同步焊接、放射状焊接及Globol焊接等。

轮廓焊接

顾名思义,轮廓焊接就是使激光沿着工件的焊接线移动,将需要焊接的塑料层熔化并粘结在一起;有些时候,也可以固定激光的位置,移动或旋转工件来达到焊接目的。

同步焊接

同步焊接首先根据焊接区域形状定制相应的激光头,要求焊接区域形状一般都是对称的,比如圆形。同步焊接的激光束来源于多个二极管激光束,它们同时作用于焊接区域的轮廓线上熔化焊接区域达到焊接效果。同步焊接的缺陷在于它的镜头必须要根据工件的焊接区域形状进行定制。

掩模焊接

掩模焊接需要制作一个可以反射或者吸收激光的模板。模板用来定位焊接区域,激光透过模板熔化焊接区域达到焊接效果。掩模焊接的优点在于它的灵活性,模板可以根据焊接区域的形状进行更改,同时,这种焊接方法也适用于高精密焊接,其精密度可以达到微米级。

Globo焊接

瑞士莱丹(Leister)公司专利的焊接工艺。Globo焊接是沿着产品的轮廓线进行焊接的。激光束经由气垫式,可无摩擦任意滚动的玻璃球点状式的聚焦于焊接界面,该玻璃球不仅仅进行聚焦而且也充当机械夹紧夹具。当该球在表面上滚动时,为接合面提供了持续压力。这就确保了在激光加热材料的同时有压力夹紧。该玻璃球取代了机械夹具,同时扩大了激光焊接在连续三维焊接中的应用范围。

塑料焊接在医疗器械上的应用

在医疗器械领域,塑料激光焊接主要应用于注射系统、医疗电子设备、各种人造移植及造口产品等等。

一个有意思的应用是使用激光焊接Phonak耳垢防护器,整个耳垢防护器的大小只有几个毫米,我们需要将一个隔膜焊接到一个大约3毫米大小的垫圈上。隔膜对激光辐射是透明的,而垫圈则采用热塑材料制成,可以吸收激光辐射。要实现如此微小工件的焊接,我们采用了适用于高精密焊接的掩模焊接方法。

塑料激光焊接工艺还在一些其他的高端医疗产品上有广泛应用,比如,人造瘘护理产品及针尖保护帽等等。在人造瘘护理产品中,我们采用的是Globo焊接工艺。而在针尖保护帽的焊接中,我们采用的是同步焊接工艺。

塑料激光焊接在生物医疗分析仪器中也有广泛应用。生物医疗分析仪器通常要求无菌,不能有任何化学物质参杂等等。而传统的采用胶水粘连方式可能会将化学物质带入分析仪器,从而影响精度。摩擦焊接等其他方式则在加工过程中会产生粉尘或溢出物,这也会对仪器产生污染。而激光焊接作为一种非接触式焊接方法,特别适用这类产品的生产。塑料激光焊接加工过程中热影响范围小,因此也适用于热敏感的材料的焊接,比如表面有蛋白质涂层的生物芯片的焊接。

生物医疗分析仪器最好的例子是液体分析芯片,这种芯片含有微流道系统,用来采集及分析液体物质。通常流道只有几厘米长,可能有几十微米到几百微米宽,其宽高比都小于1。流道承受的压力通常有几帕。这些微流道通常由很薄的塑料片构成,其厚度可能从几毫米到20微米不等。要对如此精密的产品进行焊接,掩模焊接是最好的方法。采用掩模焊接后,只要使用比较低质量的二极管激光就可以完成焊接,从而节省大量投资。另外,采用掩模焊接也可以大幅提高生产效率。

塑料激光焊接艺在医疗器械上的使用远不止上述几种应用,塑料激光焊接工艺正被越来越多的医疗器械厂家采用,它的应用前景将非常光明。

用预热法解决调速电机磁极装配焊接变形问题

电磁调速电机磁极装配焊接后经常发生变形,主要原因上电零件薄厚不均匀与解成赠舰触不均而娜,严重影响电机质量(即噪声、振动达不到设计要求),这些问题长期困扰我们,成为生产上一个重大难题。后经反复试验,采用在焊接接头处局部加温的方法收到了明显的效果。
磁极接头焊接加热并随后冷印的工艺过程,必然形成一种与母材不相同的金属组织并产生不同的应力状态,因此,焊件容易产生变形和裂纹。

我们知道,选择不同的焊接线能量可以得到不同的冷却速度,使工件得到质量优良的焊接接头。然而对于裂纹敏感的结构件如空实心磁极的焊接,只采用加大线能量的方法来调节冷却速度,往往只带来金属熔化剧烈的弊病,在这种场合下,必须采取但前丁件加热或焊接过程中加熟的方法来调节冷却速度,而线能量仍然不变。预热可以降低焊接区域的冷却速度,其目的是使冷却过程中不产生对裂纹敏感的微观组织,减少收缩应力,并使高温熔解在钢水中的氢有较多的时间逸出。对于焊接件是否需要预热、预热温度该多少,可.采用如下估算方法。

(l)碳当量估算法,把所焊母材的化学成份按下式计算,如果碳当量大于0.45-0.55,则应考虑焊前加热。

C当=C%+Mn/6+(Cr%+V%)/5+(Mo/4)%+(Nil25)%+(Cr/l3)%+P/2(l)

(2)考虑厚度的碳当量估算方法估算式如下:

C总=(1+0.005δ)(2)


式中 C当——为(l)式中估算出的碳当量
δ——板厚(基本)

(3)考虑化学成份和工件厚度的预热温度估算法估算式如下:

T预=350C总-0.25

式中 T预——预热温度,℃
C总——为(2)式中考虑厚度算出的碳当量

(4)考虑工件厚度和扩散氢含量的预热温度估算方法,对于强度等级在60-90kglmm范围内的低合金结构钢,不仅要考虑工件厚度对于预热温度的影响,还要考虑扩散氢含量的影响,估算如下。

T预=120+120lg‘(HD3.5)+5.0(h-20)+δ(δb-83) (4)

式中 T预——预热温度,℃
HD——焊缝金属中扩散含氢量,0.L-40mU100g
h——焊缝金属的厚度,mm
δb——焊缝金属的抗拉强度,Mpa

选择预热温度,除上述估算方法外,还有硬度试验法和缝隙式抗裂试验法等,这些方法模拟试件的厚度、变形情况、坡口形式等条件进行焊接,焊后观察是否存在过高硬度(HV>350),是否存在裂纹敏感的微观组织及裂纹,。从而决定所需预热温度。

由于预热或中间加热降低了冷却速度避免了淬硬组织的出现,并且使焊接残预应力显著下降,采用预热,可以控制。件的 超量以的能整区在实际生产中,由于对预热或中间加热缺乏应有的认识而采取草率的态度,常常导致焊件变形,甚至造成严重的后果。例如用烧嘴对较厚的工件,只是表面短时间加热几分钟就算完一了,或是在加热装置与焊接操作处相隔一定距离要搬运的情况下,没有考虑由于搬运和等待吊车而造成的降温。因此,采用预热,特别是局部预热时,·要把预热温度、预热范围(宽度,工件厚度的2-3倍)、检测预热温度的位置和预热的升温速度都要在操作规程中具体规定并严格执行。

经过一年多来的严格按照工艺执行,基本解决了空,实心磁极焊后的变形问题,调速电机的质量明显提高,达到了预期的效果。

如何使用紧凑型MIG焊机成功的焊接铝材

如果你要在家或者车间焊接铝材,那么首先我们需要澄清下面一些被大众误解的东西:1.你至少需要拥有一台价值4000美元的焊机和高超的焊接技巧来焊接铝材;2.不需要练习就可以完成效果很好的焊接作业;3.你需要购买适合铝材焊接的昂贵焊枪。

事实是,在经过训练,使用适合的焊接设备,进行正确的参数设置情况下,紧凑的小型MIG焊机也能进行临时的铝材焊接作业。你将能使用MIG焊机来完成你家里各种的材料焊接,诸如烧烤架,后院储藏间,船坞,甚至装饰零件。

即使是经常焊接钢材的家庭焊接狂热者,也会觉得去焊接铝材是一项极大的挑战。原因是:铝丝非常软,送丝相当困难。另外,通常用于钢材的焊丝直径和焊机设置可能不适合焊接铝材。要成功的焊接铝材,先问自己如下问题:

第一、我需要什么样的设备?

首先需要做出的决定是需要什么种类的设备来达到目的。要牢记,115伏的送丝机能够处理22到12号规格的焊接作业,并且在适当预热的情况下,你也许能够焊接1/8英寸厚的材料。但要小心的是,预热的最大值要被限制在华氏250度以内。
另一个是230伏的机器能焊接从22号规格一直到3/16英寸的材料。适当的预热能把范围提升到1/4英寸。如果你需要焊接各种不同厚度的板材,就该考虑230伏的焊机。

记住,如果你准备做很有规则的铝材加工,你将会需要重型焊机。115和230伏的紧凑型MIG焊机可以进行偶尔的铝材焊接,但是并不值得推荐用他们去做复杂繁重的铝材焊接,否则就应该考虑输出超过200安培的焊接设备。

在你确定了输入电压之后,选择焊机时另一个通常你会问到的问题是,我是需要连续式的电压调节型号,还是抽头线圈式的型号?

持续的电压调节型号让你能够在机器的电压限制内无级调节设置电压,适应性更强,能更有效的调整、进行精确的控制。这样就允许你在焊接作业的时候更容易调整。

第二、什么样的保护气体

MIG焊接铝材和焊接钢材所需要的保护气体是不同的。焊接铝材,应该选择100%含量的氩气,然而钢材焊接要求混合气体或者100%的二氧化碳气体。好消息是,我们不需要什么特殊的设备——你现有的调整器(除了二氧化碳调整器以外)和气管都能被用在纯净的或者混合的气体。

第三、设置什么样的极性?

所有的MIG焊接,包括铝材焊接,都需要正极的焊条,而药芯焊接工艺却是典型的使用负极焊条。如果你要把焊机在不同的工艺中切换,先确定切换极性。这是新手通常会犯的错误。

第四、应该购买什么样的铝合金焊条?

如果你试图在焊接铝材时使用钢焊条的话,将会得到很差的效果。

相反,我们推荐的是,紧凑MIG焊机使用限制在0.035英寸直径的4043铝合金填充金属。5336的铝合金焊条则可能通常被推荐给零售商和分销商,因为这种焊丝更硬,更容易送丝。然而,使用这种送丝焊机的话,用5356铝合金通常电流不足以达到较好的焊接效果。尽管4030较软,在遵循下面描述的适当步骤也能保证取得较好的送丝性能。

不要使用其他直径的焊丝。特别要避免0.030英寸的焊丝(送丝相当困难)和3/64英寸的焊丝(紧凑的小型焊机无法提供足够的电流来可靠的熔化这个直径的焊丝)。

第五、我该如何设置我的焊机来焊接铝材?

既然你知道了需要焊机的种类和性能/局限性,下一个非常重要的步骤就是如何设置参数了,遵循以下的提示:

购买一套铝材送丝工具

注意送丝在焊接铝材的时候显得更加重要,所以强烈推荐购买一套专用铝材送丝工具,一套工具将包含以下物品:

1 .非金属衬管——设计来最大程度减小送丝摩擦。

2. U型槽驱动滚轮——用来避免教软的铝丝断裂或者变形。这些驱动滚轮不会象V型槽滚轮一样刮伤铝丝。使用V型槽滚轮的话,会让焊丝刮花衬管造成堵塞,引起送丝故障。

3. 进口和出口引导装置——设计来避免焊丝刮伤。

4. 接触头——使用在铝材焊接的接触头有更大直径的开口,
因为在铝丝升温时,产生的膨胀比钢材多。因此,铝丝专用接触头的尺寸在小得足够保持电接触的同时,又足够允许膨胀。

装载焊丝到焊机

这里有一个正确装入铝丝的窍门,(同样适用钢制焊丝)对装载铝焊丝、避免焊接时的故障非常重要。
用一只手安全的握住焊丝轴确保其不会松开,一但你拆开了玻璃纸包装,就用另一只手握住焊丝松开的一头——在将其放入驱动滚轮之前不要松手。
缺少经验的人通常会没握紧松开的一头,而导致整捆焊丝开始松脱散开。如果这样的事发生了,将无法补救,焊接作业也会受很大的影响——你不得不购买另一捆焊丝。

设置焊丝刹车的松紧度

松紧度只需要保证焊丝刚刚不会松脱即可,但是不能太紧,否则会造成对焊丝的拖拽。要正确的设置,先将松紧度调到最低,然后装上焊丝,让其通过驱动滚轮,如果除了装焊丝的滚轴在动,而其他部件都停止了的话,就说明不够紧。操作时要小心,因为过紧会造成加在焊丝上的力过多。
另外,焊丝用完的最后几圈无法送丝时不要紧张;通常是因为焊丝太硬而不容易松脱。

设置驱动滚轮松紧度

这可能是整个设置程序中最重要的一步。专家推荐的是,将丝头以微小的角度位于离绝缘材料表面1英寸的地方。然后,将滚轮松紧度设置在几乎最小。按下焊枪上的开关,观察其运作——在焊丝接触到绝缘材料表面的时候应该滑动。从那一点开始调紧松紧度直到焊丝停止滑动。再一次的,要注意,太紧会导致焊丝的断裂。这意味着焊丝停留在焊枪里,而焊丝驱动滚轮仍然在转动,最终的结果是焊丝跑出滚轮后断裂,或者积压倒退导致焊丝乱成一团,包括引导衬管,焊枪衬管等。
要记住,在你按上述内容设置滚轮松紧度的时候,按下焊枪的开关,送出的焊丝是烫的,所以总是戴上质量好的焊接手套。

确保良好的电源连接

第一步,焊接用的夹具应该安全的夹在焊接工件没有上漆和污染的区域。要清洁工件,使用除脂溶剂来清除所有的油脂。在进行焊接前还要确保工件表面的干燥。同时,不要在有可燃材料在附近的情况下焊接,诸如溶剂或者油漆的容器。第二步,用干净的不锈钢丝刷将铝材的表面氧化物清除干净。

定位非常重要

在焊接的时候,尽量保持焊枪电缆的笔直,以最大程度减少对较软铝丝的送丝约束。焊枪电缆线的弯曲会导致焊丝打结,造成很差的送丝。

练习,练习,再练习

没有什么能代替练习,正如没有训练,再高质量的乐器也不会让你成为音乐家,焊工同样需要磨练焊接的技能,相信在不久之后,你和你的焊机将能奏出美丽的音乐(或者至少是焊接作业)。

采用改进OTSU法的焊前焊缝图像分割

李国进,王国荣,钟继光,廖天发
(华南理工大学机械工程学院,广东广州510640)


  言
   具有视觉的智能焊接机器人以及焊接自动化系统是焊接生产的发展方向。在这些基于视觉传感的系统中,图像处理起着十分关键的作用。在智能焊接系统中,焊缝图像可分为焊接前、焊接中、焊接后3大类。焊前焊缝图像处理主要是寻找焊缝、提取待焊部位有关信息,其信息主要用于焊缝自动引导(包括焊接起点确定、焊缝自动对中)、焊接路径规划;焊接中的焊缝图像处理主要是提取焊缝、熔池的有关信息,用于焊缝跟踪、焊接熔池的实时控制;焊后焊缝图像处理则是提取焊接缺陷几何尺寸与位置,用于焊接质量的分析。虽然不同阶段的焊缝图像处理的内容不同,但焊接图像处理过程一般都包括图像滤波与增强、图像分割、图像理解与分析. 大环节。图像分割是图像处理的重要一环,它是图像处理与分析问题的基础,也是计算机视觉研究中的一个难题。
1 阈值法进行焊缝图像分割理论基础
   目前研究人员提出了许多图像分割方法,其中阈值法由于具有计算简单的特点,在重视运算效率的应用场合得到了较广泛的应用。特别是当感兴趣的物体在其内部具有均匀一致的灰度值并分布在一个具有另一个灰度值均匀的背景时,采用阈值法能得到很好的分割效果。阈值法是基于在图像中“同一种物质、细胞、粒子具有相同或相似灰度或彩色的概率最大的原理,采用灰度级的差别来分割图像中各物体。如果f(i,j)为图像(i,j)点处的灰度值,图像灰度级为L,其取值为0,1,…,L-1我们可以取一个灰度值K作为图像分割的阈值,将f(i,j)≤K点划归目标部分,而f(i,j)>K点划归背景部分。
   焊接前焊缝图像分割的主要目的是将待焊部位或焊缝间隙区域划分出来,供后续的诸如提取焊缝中心坐标等图像理解与分析之用。由于焊接母材、焊缝间隙分属于不同的物质,在图像中表现为不同的灰度值,在通常情况下,焊缝间隙呈现为低灰度值的阴影,因此阈值法可以用于焊接前焊缝图像的分割。
   采用阈值法进行图像分割关键在于选择阈值K。在图像分割时,若阈值K选得过高,则过多的目标点被误归为背景点;反之,会将有过多的背景点误归为目标点。这势必会给分割出来的目标的大小和形状造成不应有的误差。为了寻求最佳的分割阈值,目前已研究出多种阈值选取算法,如P参数法、双峰法、最大类间方差法(OTSU法)等。每种方法都有各自的特点和不同的应用场合,其中最大类间方差法(OTSU法)被认为是阈值自动选取方法的最优方法之一。

2 最大类间方差法
   1979年,日本学者提出了一种全局阈值选取法,即最大类间方差法。如果一幅图像由一物体和背景构成,物体与背景有不同的灰度值,基于直方图统计图像的灰度值为1~L级,在1~L间选择阈值K,将图像分为目标!暗C0=1~K与背景(亮)C1=K+1~L两类,如果两类的类间方差σB 最大,则所求出的K为最佳阈值k‘。其主要运算公式为:


式(1)~式(13)中 ni为灰度值的像素数,N为图像总像素数;P(i)为灰度值的概率ω0,ω1,分别为目标、背景的概率μ0、μ1、μγ;分别为目标、背景、图像的灰度平均值:σ0、σ1、σγ分别为目标、背景、图像的方差;σB、σW分别为类间、类内方差;n为阈值选择函数。



3 改进最大类间方差法
  在OTSU法中,方差是灰度分布均匀性的一种度量。类间方差代表了图像的明、暗两类的差别,类间方差值越大,说明构成图像的2部分差别越大,当部分目标错分为背景或部分背景错分为目标都会导致2部分差别变小,类间方差最大的分割表示两类错分的概率最小。因此当图像由明、暗两类构成,各类的灰度分布均匀时,运用最大类间方差法可以得到很好的分割。图1a是在室内自然光条件下拍摄的I型坡口的焊缝图像,从图像上看,焊缝间隙表现为阴影,焊接母材的灰度分布相对均匀,运用OTSU方法求出阈值为102,二值化的结果如图1b 所示。但是,在实际过程中,焊接母材在焊缝图像中的灰度分布并不总是均匀的,当焊接母材进行过表面处理,图2a、图3a 显示的坡口两侧打磨的I、V型坡口焊缝图像;或在拍摄中有不均匀光照干扰,图4a为图1a的焊缝间隙和焊接母材受到光照干扰的图像,用OTSU法求出的阈值进行分割,其图像分割的质量不好。

由于OTSU法是建立在图像仅由明(背景)、暗(目标)两类构成的基础上,类间方差除了考虑方差外,还用目标、背景概率作为加权系数,而概率实际上是目标或背景在整幅图像中的比例,即反映了目标或背景的尺寸大小。因此,运用OTSU法进行焊前焊缝图像分割,如果焊缝间隙在整幅图像中占的比例较小,而待焊工件由于表面打磨、锈斑或现场光照的不同情况,如图2a、图3a、图4a所示,使待焊工件在图像上表现为灰度分布不均匀时,也就是说当焊缝图像不仅仅是由明、暗两类构成,就会有太多背景被错分割为目标,不能有效地将焊缝区域分割出来,上述图像用OTSU法分割的效果分别见图图2b、图3b、图4b。


  为了得到理想的分割质量,当然可以通过提高表面加工质量、减少光照干扰或截取小尺寸图像的方法来保证焊缝、待焊工件的灰度分布均匀,但这些方法无疑增加了前期的工作。理想的方法是对OTSU方法进行改进,提高它的适应能力。考虑到待焊工件表面打磨或锈斑并不影响焊缝间隙的灰度分布,同时由于焊缝间隙在图像中的比例较小,光照干扰对焊缝间隙影响不大,如果焊缝间隙的灰度属于图像中最暗的区域(通常这一条件可以满足),可以采用多次分割的方法,即用OTSU法首先将图像中最亮的区域分割掉,在剩下的区域进行二次分割,直到焊缝间隙区域,比较每次分割的阈值选择函数η,η最大的分割即为最佳分割。这种改进的OTSU算法流程如图5所示。
  在图5的算法中,首先计算出整幅图像的灰度平均值,考虑到焊缝间隙为最暗的阴影,最优的分割阈值必定小于灰度平均值,为了减少运算时间,初次的OTSU法是在灰度平均值以下找阈值。在改进的OTSU方法中,判断分割是否到达焊缝间隙区域十分重要,根据OTSU法中式(12)类内方差的定义以及不同类别的边界及其附近点的灰度跃变较大的特点,我们提出以图像像素数的变化率小于类内方差的变化率作为停止分割的判别准则。也就是说相邻的两次分割,如果被舍去的像素数目较大,而类内方差变化较小,说明被舍去像素的灰度值与剩下像素的灰度值相近,二者属同一类,此时应停止分割。


  运用改进的OTSU算法,我们对多幅焊缝图像进行分割实验,均取得较好的分割效果。其中对图1a、图2a、图3a、图4a的焊缝图像进行分割的有关参数见表1,采用最优阈值法进行二值化的结果如图1c、图2c、图3c、图4c所示。
4 结论
  对多幅I型、V型坡口,焊接母材表面状况不同的焊前焊缝图像,运用改进OTSU法进行分割实验。由实验结果可知,该算法一般在2-4次分割找出最优阈值,可满足焊缝自动引导等工作对实时性的要求,在分割质量方面,优于原OTSU算法,具有较强的自适应性,能有效地分割焊缝图像,为后续的焊缝的识别打下良好的基础。应当指出是该算法还存在一定的局限性,首先它是建立在焊缝间隙的灰度值在图像中最小的条件下,如果焊接工件背面存在光源,使焊缝间隙在图像中表现为一条亮纹,或焊接母材存在比焊缝间隙更暗的区域,改进的OTSU算法失效;其次,如果焊缝间隙的灰度分布不均匀,会存在过度分割的情况。

实芯焊丝CO2气体保护焊焊接训练操作要领

河北省电力公司石家庄培训中心 王迎军

[摘要] 本文介绍了CO2气体保护焊实芯焊丝焊接操作训练时的操作动作要领、注意事项,将操作训练内容分成4节由浅入深地进行动作讲解说明,为操作者进行的CO2气体保护焊操作训练提供了一个很好的教材。

[关键词] CO2气体保护焊;实芯焊丝;操作训练

前 言

CO2气体保护焊作为一种重要的焊接方法,在我国焊接生产中得到大量应用。长期以来,操作者在CO2气体保护焊操作理念和操作动作上存在一定的误区,造成自身在使用CO2气体保护焊进行生产过程中存在较大的局限性。本文针对这一现象,以实芯焊丝CO2气体保护焊焊接方法为例,通过提出正确的操作理念和阐述适用的操作动作来指导操作者进行科学、系统的训练, 从而提高自身的技能水平。同时,本文也可作为一篇实芯焊丝CO2气体保护焊焊接操作教材,供广大从事焊接技能教学的职业技术院校的教师进行教学参考。

实芯焊丝CO2气体保护焊焊接操作训练按照操作步骤分为4部分的课程:

(1)CO2气体保护焊焊接操作基本理念;

(2)实芯焊丝CO2气体保护焊平敷焊操作训练;

(3)实芯焊丝CO2气体保护焊T型接头平焊位置操作训练;

(4)实芯焊丝CO2气体保护焊T型接头立焊位置操作训练。

1 CO2气体保护焊焊接操作基本理念

1.1 双手持枪

常用的CO2气保焊焊机具备等速送丝的特性,焊接参数一旦调整、配比完成,操作者焊接时的焊丝伸出长度的变化就会直接影响焊接电弧的稳定燃烧。因此,在焊接过程中操作者手持焊枪的动作稳定程度直接影响焊接质量。由于CO2气保焊枪尺寸较大(与焊条电弧焊焊钳相比),焊枪重量较重(焊枪加送丝软管),因此想要焊接出一条优质的CO2气保焊焊缝,就需要左右双手配合做出稳定协调的组合动作来完成(在进行平焊位大参数堆焊的情况下使用单手也可完成操作)。

通常情况下,操作者右手握焊枪枪柄,左手拇指、食指作支架拖住焊枪的鹅颈处。焊接时,焊枪在左手的引领下沿焊接方向(纵向)移动,右手手腕左右拧动,控制焊枪进行沿焊缝宽度方向(横向)左右摆动。如图1所示。

1.2 左向焊法为主

一般条件下,CO2气保焊操作者右手握焊枪时,由右至左方向焊接,焊枪喷嘴与焊接方向呈钝角(>90°)称为左向焊法;由左至右方向焊接,焊枪喷嘴与焊接方向呈锐角(<90°)称为右向焊法。如图2所示。

CO2气保焊操作时,采用左向焊法操作者具有清晰的视线,焊缝成形较右向焊法平滑,因此应以左向焊法为主进行操作。

1.3 焊前需要调整好两个参数

CO2气保焊焊接前要选择调整好焊接电流和电弧电压两个参数,并进行合理的配比,否则会大大影响焊接质量。焊接电流和电弧电压的配比经验公式:

公式1 焊接电流<300A时:电弧电压=焊接电流×0.04+16±1.5

公式2 焊接电流≥300A时:电弧电压=焊接电流×0.04+20±2.0

注:公式1当中±1.5是电弧电压的微调值,较小参数时选择-1.5;较大参数时选择+1.5。公式2当中±2.0也是电弧电压的微调值,较小参数时选择-2.0;较大参数时选择+2.0。

在进行CO2气保焊焊接前,我们应首先选取焊接电流的数值,而在确定焊接电流后再进行电弧电压的匹配调节。

另外,在按照经验公式选择、调整好焊接参数后要进行实际试焊。首先验证焊接电流与电弧电压匹配的合适性,然后再试验焊接电流选择是否合适,否则应及时进行调整,并重新调整匹配电弧电压。

通常,CO2气保焊焊接电流的选择是根据钢材厚度、焊层厚度、焊丝直径大小、焊接空间位置等多种因素进行选择。初学者因为没有操作经验,往往对选择焊接电流比较头痛。如果初学者原来操作过焊条电弧焊,那么我们可以结合原有的焊条电弧焊电流选择经验进行CO2气保焊焊接电流的选择。比如,常用的直径1.2mm实芯焊丝CO2气保焊进行薄件或中厚度件焊接时, 可依据焊条电弧焊时使用直径3.2mm的焊条焊接选择焊接电流的经验进行选择。详见表1。

2 实芯焊丝CO2气体保护焊平敷焊操作训练

练习方法:中厚度板件水平放置, 使用CO2气保焊实芯焊丝进行直线和横向摆动焊接练习目的:①双手抓握焊枪;②保持适当的焊丝伸出长度;③保持正确的焊枪角度;④进行焊接参数的选择和配比。

工件规格:6~12mm厚度碳钢板件

焊丝规格:ER50-6实芯φ1.2mm

焊接电流:100~120A

电弧电压:18~19V

操作要领:

练习者预置好焊接电流和电弧电压后,即可在平板上进行直线和横向摆动的堆敷焊接。引弧前,操作者上身向左倾斜,头向左侧偏转。持焊枪的右手肘部应高高抬起同时手腕下压, 左手虎口轻托焊枪后部。在完成这一系列的动作后,操作者的焊枪喷嘴才能保证与工件垂直或近似垂直的角度。如图3所示。

电弧引燃后,操作者的视线从焊接电弧一侧呈45°~70°视角观察焊接电弧和焊接熔池,同时在焊接过程中始终保持适当的焊丝伸出长度(一般φ1.2mm焊丝伸出长度为15~20mm)。在保持好适当的焊枪角度和焊丝伸出长度以后,操作者细心观察焊丝伸出端部的熔化情况,静心聆听焊接电弧短路过渡的爆炸声,才能根据两方面的信息来判断最初的预置焊接电流和电弧电压配比是否适当,并做出进一步的微调和匹配。

初学者在进行平敷焊练习时,往往还没有完成好身体的准备动作就急于进行焊接,操作过程中无法做到“保持好适当的焊枪角度和焊丝伸出长度”, 那么,他在后续的操作中就很难清晰地接收到焊丝熔化和电弧声音这两方面的正确信息,更无法进行参数配比的判断和微调。

在进行参数配比的判断调整时,需要进行直线堆敷焊和摆动堆敷焊两个过程的试焊。

直线堆敷焊。在进行直线堆敷焊时,操作者引燃电弧后右手轻握焊枪枪柄不作横向摆动动作,仅仅通过左手动作引领焊枪向焊接方向进行直线焊接。此时,如果电弧电压配比过小会出现“扎丝”,即伸出的焊丝端部来不及熔化就扎向焊接熔池,造成不正常的焊接回路短路,较长的焊丝发热并被炸飞的现象;电弧电压配比过大会出现“回烧”,即伸出的焊丝端部还未向下送给到焊接熔池边缘就向上熔化回卷形成大颗粒的熔滴滴落到熔池里。出现“扎丝”和“回烧”都是因为参数配比误差过大造成的,此时要马上停弧并迅速进行大幅度的参数调整再重新进行试焊。排除了“扎丝”和“回烧”现象焊接电弧基本能够较稳定地燃烧后,就可以进行焊接参数的微调了。微调时,操作者在保持好适当的焊枪角度和焊丝伸出长度的前提下观察焊丝伸出端部的熔化情况,聆听电弧的声音。如果焊丝熔化的端部形状较尖锐,电弧的声音较脆较尖,说明电弧电压配比略低;而焊丝熔化的端部形状较圆滑,电弧的声音发闷,则说明电弧电压配比略高。

在直线堆敷焊试焊中将焊接参数配比适当后即可进行摆动堆敷焊的试焊来进一步验证参数的选用和配比的适宜。

摆动堆敷焊。摆动堆敷焊时,操作者引燃电弧后通过轻握焊枪枪柄的右手手腕作左右拧动,完成焊枪的横向摆动动作,同时左手动作引领焊枪向焊接方向焊接。焊枪横向摆动时,焊丝伸出长度要发生匀速变化,那么焊接电流和电弧电压都要随着变化。如果先前选用和配比的焊接参数适宜, 那么在这种变化中焊接电弧仍然会保持稳定燃烧,否则操作者根据实际情况再做出进一步的微调直至电弧达到稳定。

要点提示:在进行焊接参数微调时,一定要细心检查焊机的一、二次线连接是否牢固,否则会对焊接电弧的稳定产生非常大的影响,甚至会造成焊接参数的选配无法进行。

3 实芯焊丝CO2气体保护焊T 型接头平焊位置操作训练

练习方法:板件T型接头平焊位,CO2气保焊实芯焊丝进行直线和斜三角摆动焊接。

练习目的:①双手抓握焊枪;②保持焊丝伸出长度匀速变化;③保持正确的横向和纵向焊枪角度;④进行焊接参数的选择和配比。

工件规格:8~12mm厚度碳钢板件

焊丝规格:ER50-6实芯φ1.2mm

焊接电流:140~160A

电弧电压:20~22V

操作要领:

板件T型接头平焊位CO2气保焊实芯焊丝焊接时,一般采用左向焊法。焊接时根据板件厚度的不同采用直线和斜三角摆动两种运弧方法焊接。板件较薄时,一般要求单层角焊缝焊脚高度在6mm以下的使用直线焊接;板件较厚时,一般要求单层角焊缝焊脚高度在6~10mm使用斜锯齿摆动方法焊接。

直线运弧焊接方法的焊枪横向和纵向角度如图4所示。

板件T型接头焊缝平焊位的传热上下不均,焊缝水平板侧的温度要远远低于垂直板一侧。同时,由于实芯细丝CO2气保焊焊接电弧笼罩面积小、热量高度集中,焊接时熔池中的液态铁水流动性差、冷却快等特点,如果焊枪角度采取横向45°、电弧对准两侧板件的夹角,那么焊接出来的焊缝容易出现偏斜,甚至会产生水平板侧的未熔合缺陷。如图5所示。

采用图4的焊枪角度和电弧位置进行焊接,其目的就是使焊接电弧的热量均匀地分布在角焊缝的上下两侧,防止出现焊缝的偏斜和未熔合。

当要求单层焊脚高度尺寸较大时, 采用斜三角摆动运弧方法焊接。这种方法在焊接时焊丝的伸出长度要发生匀速变化。具体的电弧运行轨迹和焊枪横向角度的变化如图6所示。

焊接时,电弧运行斜三角轨迹,电弧运行到焊道上下两侧边缘时要作停留,在水平板侧停顿时间稍长,在垂直板侧稍短。焊丝伸出长度在电弧运行到板件夹角处最长,在运行到焊缝上部边缘时最短。

要点提示:在进行斜三角摆动运弧方法焊接时,一般单层角焊缝的焊脚高度控制在10mm以下较为合理,否则会出现焊缝偏斜和咬边等缺陷。

4 CO2气体保护焊T型接头立焊位置操作训练

练习方法:板件T型接头立焊位, 使用CO2气保焊实芯焊丝进行往复三角摆动焊接。

练习目的:①双手抓握焊枪;②保持焊丝伸出长度匀速变化;③保持正确的横向和纵向焊枪角度;④进行焊接参数的选择和配比。

工件规格:8~12mm厚度碳钢板件

焊丝规格:ER50-6实芯φ1.2mm

焊接电流:120~140A

电弧电压:19~20V

操作要领:

板件T型接头立焊位CO2气保焊实芯焊丝焊接时,运弧方法采用往复三角形摆动。

往复三角形摆动运弧电弧运行轨迹和纵向焊枪角度如图7所示。

在板件T型接头立焊位焊接时,采用焊条电弧焊常用的锯齿形和月牙形运弧轨迹,即使加上“中间稍快、两侧稍停”的运行原则,往往也会因焊接熔池中部温度过高而造成铁水下坠、焊道中部突出两侧夹沟的不良现象。

CO2气保焊焊丝伸出长度的变化直接影响焊接电流和电弧电压。伸出长度变短,焊接电流和电弧电压相应变大;伸出长度变长,焊接电流和电弧电压相应变小。

板件CO2气保焊T型接头立焊采用往复三角形运弧方法焊接时,电弧运行至板件夹角处焊丝伸出长度最长,运行至角焊缝两侧伸出长度最短(如图7b所示),这样通过焊丝伸出长度的变化带来的焊缝不同部位参数改变, 能够做到电弧热量尽可能多地向焊缝两侧分散,再加上“中间稍快、两侧稍停”的运行原则,从而能够有效地防止铁水下坠、焊道中部突出两侧夹沟、咬边等不良现象的产生。

要点提示:在进行往复三角形摆动运弧方法焊接时,电弧向上运行往复三角形的间距要适当,要注意保持焊接熔池的连贯,否则容易出现焊缝焊波脱节。

5 结束语

5.1 CO2气体保护焊作为一种重要的焊接方法,操作者在焊接操作理念和操作动作上存在一定的误区,造成CO2气体保护焊在生产应用中存在较大的局限性。

5.2 本文针对这一现象,以实芯焊丝CO2气体保护焊焊接方法为例,通过提出正确的操作理念、阐述适用的操作动作,来指导初学者进行科学、系统的操作训练,从而提高操作者的技能水平。

参考文献

[1] 周振丰,张文钺. 焊接冶金与金属焊接性(第二版), 北京: 机械工业出版社, 1988年.

[2] 杨炳彦. 火电建设焊接技术,中国电力出版社, 1999 年.

[3] 劳动和社会保障部教材办公室. 国家职业技能鉴定操作技能强化训练焊工(中级,第一版).中国劳动社会保障出版社. 2004年.

[4] 劳动部培训司.焊工生产实习. 北京:机械工业出版社. 1987年.

本文摘自《现代焊接》2010年第六期

影响焊线拉拔断丝的常见原因分析

键词 焊线;拉拔;断丝;原因

  目前焊线钢开发品种已达百余种,最常用的合金钢焊线为H08Mn2SiA ,ER70S – 6 ,H08MnSiCrNiCu等。探讨这些焊线拉拔过程中断丝的原因,对焊丝生产厂家和焊线生产厂家降低成本、提高效益,均有积极的意义。
1 合金钢焊线断丝的冶金因素
  焊线钢H08Mn2SiA ,ER70S – 6 ,H08MnSiCrNiCu属于低碳合金钢焊线系列。其凝固结晶过程应在包晶转变区域范围内。由于合金钢焊线中的合金含量较高,合金元素的扩散较慢,就可能造成严重的包晶偏析。
1.1  化学成分的合理性
  根据笔者以往的数理统计研究表明:在焊线钢H08Mn2SiA 的化学成分控制方面, w (C) 应控制在0. 05 % , w (Si) 应控制在0. 80 %左右, w (Mn) 略高于下限1. 8 %。在焊线钢ER70S – 6 的化学成分控制方面, w (C) 应控制在略高于下限(0. 07 %) , w(Si) 应控制在0. 95 %左右,而w (Mn) 应取略高于下限(1. 45 %) 。在焊线钢H08MnSiCrNiCu 的化学成分控制方面, w (Cr) / w (Ni) 应尽可能大,而其中的w (Cu) 保持在0. 20 %左右。这样的焊线塑性最好,拉拔加工不易断丝。
1.2  内部组织的合理性
  焊线的组织主要由铁素体和珠光体组成。珠光体由铁素体和渗碳体组成,渗碳体以细片状分散地分布在铁素体基体上,起到了强化作用,因此珠光体有较高的强度和硬度,但塑性较差。珠光体内的层片越细,则强度越高。渗碳体的硬度很高,但是极脆,不能使合金钢焊线的塑性提高。拉丝用的焊线要求抗拉强度低、塑性好,基体为含量较多、晶粒稍粗大的铁素体。合金钢焊线的塑性变形主要由铁素体来提供,因此,在合金钢焊线中铁素体组织的减少,将使合金钢焊线的塑性降低。
1.3  冶炼过程可能产生的缺陷
  金属从浇铸温度至室温要经历3 个互相联系的阶段:液态收缩、凝固收缩、固态收缩。液态收缩和凝固收缩都表现为合金体积的缩小,它是铸件产生缩孔、疏松缺陷的基本原因。合金的固态收缩虽然也使体积变化,但它只引起铸件外部尺寸的变化,它是铸件产生内应力、变形和裂纹等缺陷的基本原因。
  由于合金焊线钢浇铸温度较高,液态收缩较大,成坯后从低倍照片上就可看出铸坯中心出现缩孔、疏松等缺陷。由于合金焊线钢中含碳量较低,固态收缩较大,所以合金焊线钢易产生内应力、变形、中心裂纹等缺陷。
  拉拔焊丝用线材吐丝温度要求较高(一般为900 ℃) ,而其冷却速度要求较慢,运输辊道速度为0.08 m/s ,保温罩盖全关,风机风量为0。这样才能使奥氏体分解在高温区进行,获得较粗大的奥氏体晶粒,可减少随后冷却相变时铁素体的形核率,同时在相变区进行缓慢冷却,并且分解转变时间较长。这有利于先共析铁素体的充分析出和长大,粗大的奥氏体转变为粗大的铁素体和少量的碳化物组织。
2 合金钢焊线的断口类型
  由于焊线钢属软线,试样断口均为韧性断口,并产生不同程度的缩颈,端面一般呈灰暗色,缺乏光亮的金属光泽。
  (1) 杯锥状和半杯锥状。钢丝的一端中部平坦形成杯底,周围高起形成杯壁,另一端则呈锥形。形成杯锥状断面的试样一般有较好的塑性。这是由于拉拔力过载造成的。
  (2) 星芒状断面。星芒状与杯锥状断面近似,只是杯壁较矮较薄,杯底平坦部分有若干自中心向圆周辐射如光芒状的线条。具有此种断面的试样一般有很高的强度,塑性也好。
  (3) 斜角形断面。这种断面两端均呈约45°的斜角,一般表明试样塑性较差,有时具有较严重的枝状组织。在拉丝过程中,因扭结、磨损受到剪切应力的作用而产生的断口。
  (4) 层状或木纹状断口。层状或木纹状断口一般产生在横向试样上,表示试样有严重的显微偏析和带状组织,或有随加工方向延长的气泡、疏松,或有成串的夹杂存在。
  (5) 不规则形状的断口。不规则形状的断口则表示试样有过热、严重疏松、夹杂、枝状组织或纵向裂缝等缺陷,表示试样本身质量较差。有时从断口上也可以发现试样中的内裂及大块夹杂等严重缺陷。
3 拉拔过程中影响焊丝断裂的因素
3.1 拉拔力的影响
  拉拔力的大小是由压缩率、摩擦力、模具角度以及附加变形等因素来决定的。拉丝模变形区锥角的实际使用范围是5°~16°,在压缩率不变的情况下,角度过小和过大都会增大拉拔力。角度过小,焊丝与模壁的接触面大,增加了摩擦的阻力,也使拉拔力增大;角度过大,虽然焊丝与模壁的接触面小,减轻了摩擦阻力,但会使焊丝的变形过于急剧,附加应力增大,金属组织的晶粒分布不匀,造成力学性能下降,易产生断丝。
3.2  拉拔速度的影响
  拉丝机高速起动容易造成焊丝断头,尤其是用一般电机驱动的水箱拉丝机拉拔焊丝时这种现象更突出。其原因:
  (1) 高速起动时,焊丝要克服很大的静摩擦;
  (2) 设备起动时,润滑剂尚未能很好地吸附到焊丝表面,起动时焊丝与模子间的摩擦系数较大;
  (3) 开始拉拔时焊丝处于冷状态,其塑性的回复较正常运行时差。
  加快拉拔速度会增大变形阻力,使拉拔温度升高。适当提高拉拔温度对焊丝的塑性变形是有利的,因为提高温度能够消除焊丝在拉拔过程中的部分硬化,有利于恢复塑性,还能使润滑剂很好地吸附到钢丝表面,提高润滑作用。但是,温度过高(250℃以上) 不但会破坏润滑膜,还会降低焊丝性能。
3.3  压缩率的影响
  在拉拔过程中造成的冷加工硬化,会使焊丝的强度增加,屈服点提高,塑性下降。压缩率越大,冷硬的程度越严重,拉拔应力就随着压缩率的增加而加大,因此,在实际生产中,为了避免焊丝变形不均匀和断头,在配置拉丝模路线时,总是按拉拔道次的顺序逐步降低它的压缩率,以与焊丝拉拔过程的不断硬化相适应。
  如果不考虑其它条件,一味地增加部分压缩率,会使塑性急剧下降,焊丝的拉拔力将大大增加。如果拉拔力超过了焊丝的强度,就会造成断丝。压缩率的使用范围要结合焊丝的含碳量、热处理方法、拉拔时的润滑情况和硬化程度等各方面因素来考虑,常用的部分压缩率在10 %~ 40 %之间。
3.4 残余应力的影响
  焊丝拉拔过程中,焊丝在模内减径带受压,必然会产生反作用力,作用力方向与压力方向相反。这种反作用力在模内定径带没有得到充分消除,此残余应力将被带到下一道模内。这样反复的残余应力积累是导致焊丝在拉拔过程中产生中心破裂的原因之一。不规则残余应力的形成原因还有剥壳不干净且未经酸洗、焊丝表面处理质量差、润滑剂未被带入模内等。在这种情况下即使部分压缩率较小,也会产生残余应力集中,最终引起焊丝在拔制过程断裂.