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1、1 1疲劳焊缝的焊接工艺研究疲劳焊缝的焊接工艺研究南车戚墅堰机车有限公司南车戚墅堰机车有限公司2 2疲劳焊缝的焊接工艺研究疲劳焊缝的焊接工艺研究第一部分第一部分问题提出问题提出第二部分第二部分设计及设计及工艺工艺要求要求第三部分第三部分母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析母材的基本性能填充材料及焊接设备的选用填充材料及焊接设备的选用焊接性能分析焊接裂纹的形成3 3接头形式坡口准备坡口准备定位焊第四部分第四部分 焊前准备焊前准备第五部分第五部分工艺参数的选择工艺参数的选择焊丝直径的选择焊接工艺参数的确定焊接工艺参数的确定第六部分第六部分焊接方法
2、焊接方法第七部分第七部分结论结论4 4车底架简介u内燃机车机车内燃机车机车整车构造整车构造车底架司机室辅助室主发室柴油机散热室转向架转向架转向架转向架散热器u车底架就是由各种纵向和横向钢梁组成的长方形构架。它承托着车体，是车体的基础。车底架承受上部车体及装载物的全部重量，并通过上、下心盘将重量传给走行部。在列车运行时，它还承受机车牵引力和列车运行中所引起的各种冲击力及其他外力。所以，它必须具有足够的强度和刚度，才能坚固耐用。5 5一一 问题提出问题提出图1机车车底架示意图u机车整体结构采用外走廊方式，车底架主要结构为由中部油箱和两个端部（端部一和端部二）三段拼接而成，如图1所示，从图中可以看出
3、，车架三段拼接时，油箱和端部箱型梁的上下盖板为主要传递和承载力的部位。u经过设计的模拟仿真计算，该处拼接位置的焊缝为疲劳焊缝，该焊缝的焊接质量等级为CPB，检验等级为CT1，(这是最高等级的焊缝)该焊缝焊后须经100超声波探伤检测和磁粉探伤检测，只有在探伤检测合格后才可进行下工序的组焊，否则需要进行返工处理，直至返修合格，这样会在很大程度上影响生产节点，所以该焊缝质量的好坏直接影响到该型机车日产一台的生产节点，成为制约车间正常生产的瓶颈之一。6 6u2.1 中部油箱和两个端部下盖板对接焊缝为疲劳焊缝，其材质均为Q460C，焊接的具体要求如下：二二 设计及工艺要求设计及工艺要求1. 咬边深度小于
4、咬边深度小于0.5mm; f. 焊缝边缘无溶渣、飞溅焊缝边缘无溶渣、飞溅3. 不允许有表面气孔不允许有表面气孔;4. 焊缝表面不许有焊缝表面不许有凹坑、间断凹坑、间断; 2. 不许有裂纹、烧穿不许有裂纹、烧穿; 5. 所有焊缝符合图所有焊缝符合图纸要求纸要求u2.2 焊缝要求全焊透，焊后进行UT和MT检测7 7u3.1 母材的基本性能母材的基本性能三三 母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析类别牌号化学成分（%）低合金高强度结构钢Q460CCMnVAlPSTiNbSiCrNi0.201.001.700.020.200.0150.0350.035
5、0.020.200.0150.060 0.550.700.70 3.1.1端部与油箱上下盖板材料均为端部与油箱上下盖板材料均为Q460C，化学成分如表，化学成分如表1所示所示：表1Q460C的化学成分（GB/T1591-1994）8 8u3.1 母材的基本性能母材的基本性能三三 母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析 3.1.2端部与油箱上下盖板材料均为端部与油箱上下盖板材料均为Q460C，力学性能如表，力学性能如表2所示所示：表2Q460C的力学性能（GB/T1591-1994）类别牌号力学性能低合金高强度结构钢 Q460C s(MPa)b(
6、MPa)5(%)AKV(-40)(J)440520-72015279 9u3.2填充材料的选用填充材料的选用三三 母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析填充材料选用ER50-6焊丝，同时选用HTW-811Ni2 (即E551T1Ni2)药芯焊丝为填充层和盖面，熔敷金属化学成分及力学性能见表3和表4，保护气体选用CO2，气体纯度不低于99.8%. 注意焊丝进厂后必须存放在干燥的环境中，不能随便打开焊丝盘的防水包装，以免焊丝锈蚀，使用过程中也要注意防潮，生绣的焊丝不能使用，以免产生气孔等缺陷。1010u3.2填充材料的选用填充材料的选用三三 母材、
7、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析金属粉型药芯焊丝与实心焊丝的焊道成形见下图所示：图2 焊道成形示意图 1111三三 母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析u金属粉型药芯焊丝具有以下优点：金属粉型药芯焊丝具有以下优点：1）更高的熔敷速度 1. 由于金属粉型焊丝是由薄钢带包裹粉剂组成，电流主要从钢带通过，其电流密度大，熔化速度快； 2.焊芯中含有大量的铁粉、铁合金和金属粉，非金属矿物含量很少，因此，它比实心焊丝和熔渣型药芯焊丝具有逢高的熔敷速度。 如右图所示为三种焊丝熔敷速度的比较，可见其熔敷速度比
8、前两种焊丝提高10-20%。图3 焊道成形熔敷速度比较示意图1212三三 母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析2）较高的熔敷效率熔敷效率是指熔敷到焊缝金属中的金属质量与所熔化的焊接材料质量的比值，实心焊丝几乎不产生熔渣，仅有少量的飞溅损失和烟尘，故熔敷效率最高，一般在90-98%之间，熔渣型药芯焊丝一般为80-87%，而简述粉型药芯焊丝产生的渣量少，烟尘和飞溅小，其熔敷效率提高，直径为1.2mm的焊丝为91-95%。1313三三 母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析3）熔渣量少熔渣少既可以避
9、免焊接过程中出现夹渣等缺陷，又可减轻每道焊缝的清理工作。同时，熔渣量少的另一个优点是在焊接厚板时可采用窄坡口，减少焊接道次。采用金属粉型药芯焊丝的坡口角度可从手工焊条和一些熔渣型药芯焊丝的60坡口降低到45坡口，填充金属量可减少近30%，这一切都大大减轻了焊接工作量，降低了焊接成本。4）焊接飞溅少由于电弧燃烧稳定，焊接时飞溅量会减少。减轻了焊后清理飞溅的作业，同时提高了钢结构件的焊缝外观成形。1414三三 母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析5）焊缝成形好因其良好的电弧特性及低的烟尘和飞溅量，焊接操作可见度好，便于操作者能更好地控制熔池形状，
10、并得到良好的焊缝形状，避免了实心焊丝采用富氩混合气体焊接时容易出现的“指状熔深”，如右图所示，从而放宽对加工和装配尺寸的精度要求，特别适合于自动焊，可提高焊接效率30%。(a)实芯焊丝：窄熔深，对接头装配尺寸公差要求较高；(b)金属粉型钛型药芯焊丝：宽熔深，对接头装配尺寸公差要求不高图4 实心焊丝与药芯焊丝熔深对比图1515三三 母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析6）焊接烟尘少新研制的金属粉型TWE-811Ni2钛型药芯焊丝的烟尘量已可降低到实心焊丝水平，比熔渣型药芯焊丝CO2气保护的烟尘量要低100-150%。1616u3.3 设备设备的
11、选用的选用三三 母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析根据车间现有的设备，焊机选用CO2气体保护焊机。类型型 号熔敷金属化学成分%力学性能低合金高强度焊丝 ER50-6MnSiCuSPCbs5MPa/%1.40-1.850.80-1.150.500.0350.0250.06-0.1555742831表3ER50-6焊丝熔敷金属化学成分及力学性能(GB/T8110-1995)1717三三 母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析表4 TWE-811Ni2药芯焊丝熔敷金属化学成分及力学性能(GB/T1
12、7473-1998)类型型 号熔敷金属化学成分%力学性能低合金钢药芯焊丝 E551T1Ni2MnSiCSPNibs5MPa%1.50.800.120.030.031.752.75550690470191818u3.4焊接性能分析焊接性能分析三三 母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析3.4.1 母材焊接性能分析由于母材的材质为低合金高强度结构钢，因此，用碳当量法分析Q460C的焊接性能。Q460C的碳当量为：WCE=WC+WMn/6+W（Ni+Cu）/15+W（Cr+Mo+V） /5=0.2%+0.21%+0.04%+0.16%=0.61%由于
13、Q460C结构钢的WCE=0.61%0.45%，而钢的碳当量越大，其淬硬倾向也就越大，同时也增大了冷裂的敏感性，所以Q460C焊接时有较明显的淬硬倾向，热影响区容易形成硬而脆的马氏体组织，塑性和韧性下降，冷裂的倾向增大。因此，焊接时需要较小的线能量，焊接线能量过高，会导致热影响区性能降低，同时，为防止产生裂纹，焊接过程应该严格保持低氢条件，焊丝不能受潮，要采取100% CO2保护，而且CO2要干燥，以减少热影响区的韧性下降。1919三三 母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析3.4.2 填充材料的焊接性能分析采用的TWE-811Ni2为全位置焊
14、接的100% CO2气体保护的药芯焊丝，焊接时为防止冷裂纹，焊前须预热50-150，多道焊接时，须保持80-150左右的层间温度，以保持机械性能，热输入控制在25KJ/cm以下，一旦热输入过大，会造成焊接金属机械性能恶化，所以，焊接时需要选用低电流、低热输入的焊接条件。2020u3.5 焊接裂纹的形成焊接裂纹的形成三三 母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析3.4.1 母材焊接性能分析Q460C低合金高强度结构钢热影响区容易产生低塑性淬硬组织，并且淬硬倾向随着材料厚度的增大而增大，容易产生冷裂纹。影响冷裂纹的因素很多，也很复杂，比如说焊接时的拘
15、束应力、氢的有害作用、焊接工艺和焊接条件等，这里主要讨论焊接工艺和焊接条件对冷裂纹的影响。焊接过程中所采用的焊接工艺，如焊接材料、焊接线能量、焊前预热、多层焊以及焊接顺序等对冷裂纹均有不同程度的影响。2121三三 母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析3.4.1 母材焊接性能分析Q460C低合金高强度结构钢热影响区容易产生低塑性淬硬组织，并且淬硬倾向随着材料厚度的增大而增大，容易产生冷裂纹。影响冷裂纹的因素很多，也很复杂，比如说焊接时的拘束应力、氢的有害作用、焊接工艺和焊接条件等，这里主要讨论焊接工艺和焊接条件对冷裂纹的影响。（1）焊接材料的影
16、响（2）焊接线能量的影响（3）预热的影响（4）多层焊的影响2222三三 母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析（1）焊接材料的影响如前所述，由于母材的淬硬倾向大，所以冷裂的敏感性就大；而填充材料TWE-811Ni2药芯焊丝的冷裂倾向也大。（2）焊接线能量的影响线能量过大，会引起近缝区晶粒粗大，降低接头的抗裂性能；反之，线能量过小，又会使热影响区淬硬，也会不利于氢的逸出，故而也增大冷裂倾向，所以应该选择最佳的焊接线能量。（3）预热的影响 预热可以有效地防止焊接冷裂纹，但是合理的预热温度十分重要。预热温度过高，一方面恶化了劳动条件，另一方面在局部预
17、热的条件下，由于产生附加应力，反而会促使产生冷裂，所以应该合理地选择预热温度。2323三三 母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析（4）多层焊的影响多层焊时，由于后层对前层有消氢和改善热影响组织的作用，所以多层焊时的预热温度可比单层焊适当降低，同时多层焊对防止冷裂纹有良好的作用。但是多层焊时应该尽可能控制层间温度和后热温度，以便使扩散氢逸出，否则，氢量会发生逐层积累，与此同时，在多次加热的条件下，会产生较大的残余应力，从而导致冷裂倾向反而增大。2424三三 母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析
18、3.5 焊前准备焊前准备3.5.1接头形式 端部的上盖板为20mm，下盖板厚度均为25mm,油箱的上盖板为20 mm，下盖板为32 mm，必须对32mm的厚板进行削薄处理，保证接头厚度一致，接头形式为V形对接接头，如图5所示。在焊缝两端需加引弧板和收弧板，引弧板和收弧板的接头形式与焊缝相同，坡口角度与焊缝一致。如图5所示。图5坡口形式及尺寸注：P8G-EP57:碳锰高强度钢板药芯焊丝电弧焊 P8G-EP2-1:中低碳钢的熔化极气体保护焊2525三三 母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析3.5.2坡口准备坡口准备 由于机车对机车车底架总长是有要
19、求的，故两个端部和中间的油箱拼接时的坡口需要现配，根据车间的现有设备，我们采用火焰切割方法来加工坡口。为了防止出现焊接缺陷，焊前应清除氧化渣、油锈等杂质，坡口及周围20 mm范围内打磨至金属光泽，表面平整，端部与油箱上下盖板拼接平齐，高低错边不大于1 mm，在接头两端安装引弧板与收弧板，坡口与焊接接头坡口一致，完成后在接头底部贴陶瓷衬垫，焊接上盖板时贴平衬垫，下盖板贴角度为165的陶瓷衬垫，陶瓷衬垫安装时应与接头底部贴密，贴实，间隙不大于1mm。如上图所示。2626三三 母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析3.5.3 坡口坡口预热预热 同时为
20、降低焊缝冷裂的敏感性，焊前可采取预热，因为预热可有效防止裂纹，降低焊缝及热影响区冷却速度、减少应力的作用。由于构件较大，整体预热不是很方便，所以采取局部预热的方法，选用氧丙烷的预热方式，但预热时不能影响母材的性能，因为局部预热温度过高，会产生附加应力，所以预热温度选择在50-80，预热范围在焊缝两侧100mm200mm内，而且预热后要及时进行焊接。3.5.4定位焊定位焊 定位焊时选取与焊接同类型的填充材料，定位焊时的顺序以防止较大的约束为原则，采取四角定位焊的焊接方式进行定位，焊接电流比正常焊接时的电流稍大些。2727三三 母材、填充材料及焊接设备的选用及焊接性能分析母材、填充材料及焊接设备的
21、选用及焊接性能分析3.5.3 坡口坡口预热预热 同时为降低焊缝冷裂的敏感性，焊前可采取预热，因为预热可有效防止裂纹，降低焊缝及热影响区冷却速度、减少应力的作用。由于构件较大，整体预热不是很方便，所以采取局部预热的方法，选用氧丙烷的预热方式，但预热时不能影响母材的性能，因为局部预热温度过高，会产生附加应力，所以预热温度选择在50-80，预热范围在焊缝两侧100mm200mm内，而且预热后要及时进行焊接。3.5.4定位焊定位焊 定位焊时选取与焊接同类型的填充材料，定位焊时的顺序以防止较大的约束为原则，采取四角定位焊的焊接方式进行定位，焊接电流比正常焊接时的电流稍大些。2828四四 工艺参数的选择工
22、艺参数的选择4.1 焊丝直径的选择 根据试验结果，焊丝直径为1.2mm。试验结果见附件1.4.2 焊接工艺参数的确定 由于母材的淬硬倾向较大，从减小淬硬倾向来说，采用大线能量有利，但是增大线能量难以避免马氏体的形成，反而增大了奥氏体的过热和提高了奥氏体的稳定性，促使粗大马氏体的形成，使热影响区的脆化更为严重。而减小热影响区的脆化的主要工艺措施是采用小线能量，减少高温区的停留时间，避免奥氏体过热，增加奥氏体成分的不均匀性，从而降低奥氏体的稳定性，同时采取预热措施，这对于改善热影响区的性能是非常有利的，并采用多层多道焊，合理控制层间温度。 为保证焊接质量，我公司采用1.2的实心焊丝ER50-6进行
23、打底焊和药芯焊丝TWE-811Ni2进行填充。杆身长度为12mm14mm，因为杆身长度过大，飞溅严重，气体保护效果较差，反之，杆身长度过小，飞溅容易堵塞喷嘴，保护效果也不好。2929四四 工艺参数的选择工艺参数的选择同时气体流量对焊接质量也有很大的影响，流量过大，会产生不规则的濡流，保护效果反而变差。于此同时也应该控制焊接速度，速度过快，熔合不好，容易产生缺陷，速度过慢，则生产效率低，输入焊缝的热量过多，敷层金属晶粒粗大，焊缝成型差。经过实践，最终确定的工艺参数见表5。焊丝牌号直径（mm）气流量（m3/h）送丝速度（cm/min）电流I (A)电压U(V)ER50-61.22530352602
24、802530TWE-811Ni21.22530352602802530表5 焊接工艺参数3030四四 工艺参数的选择工艺参数的选择工艺参数选择注意事项：（1）电流过大或过小都容易产生焊接缺陷。（2）电压过大而且易产生咬边、弧坑，熔池过热陶瓷衬垫脱落等 缺陷，同时还会使焊缝过热，促使晶粒长大；（3）送丝速度过大时，陶瓷衬垫易脱落，焊接速度对焊缝成型也是有影响的，速度过慢，热影响区加宽，晶粒粗大，变形也大；（4）速度过快，易造成未熔合，未焊透，焊缝成型不良等缺陷。3131五五 焊接方法焊接方法为防止变形，HXN5机车车底架三段拼接焊缝施焊必须由4人同时对称进行焊接，由于车架组装时是反装的，同时考虑
25、到挠度的要求，实际操作中要先焊上盖板的焊缝，再焊下盖板的焊缝，同时考虑到厚板的焊接质量，在施焊前，在焊缝的两端施加引弧板和收弧板，在引弧板上起弧，收弧板熄弧，尽可能不要或减少在焊缝中的熄弧引弧，焊缝中熄弧必须对接头进行打磨，以保证接头质量。具体的焊接工艺见5.1和5.2所述。 图6引弧板和收弧板示意图3232五五 焊接方法焊接方法第一层采用CO2气体保护焊，实心焊丝打底焊接。焊枪必须垂直于焊缝，右手拿焊枪，左手在后面托住焊枪，保证焊枪与焊缝的垂直，起弧时必须从引弧板上开始，焊丝左右摆动，在两边稍做停留，焊丝始终保持在熔池前1/3处，匀速向前移动，不能脱离熔池，收弧时必须在收弧板上熄弧，第一层焊
26、完后，必须进行打磨，彻底清理CO2气体保护焊产生的氧化皮、杂质，彻底打磨死角，清理干净后，可进行第二层的焊接。第二层用CO2气体保护焊药芯焊丝焊接，所用焊丝为HTW-811Ni2，焊接参数如表5所示，熔滴过渡采用喷射的过渡方法，焊接方法与第一层基本相同。整条焊缝为多道多层焊缝，共需焊6-7层，最后一 层盖面时，焊缝宽度25mm左右，可用一道焊直接盖面，焊接规范基本不变。盖面时注意焊丝左右摆动的幅度，焊丝必须摆动道坡口的最边缘，把边缘融掉。由于焊缝宽度较宽，摆动时要注意观察熔池的形状。若焊缝宽度超过25mm，必须采用多道焊进行盖面，即在焊缝坡口的一边先焊一道，先焊的一道焊缝必须把坡口的边缘融掉，
27、焊缝宽度为整条焊缝宽度的2/3，要留有余高，清理干净后，方可进行另一道的焊接。焊接时，焊丝在前一道焊缝的最高点与焊缝另一边坡口间进行摆动，焊接完成后，打磨表面，整条焊缝基本完成。3333六六 结论结论 采用以上焊接方法进行车底架三段拼接时上下盖板的焊接时，焊缝成型和焊接质量都取得了良好的效果,既能保证车底架焊缝的焊接质量，也能保证车架的挠度，降低返工次数，确保了机车生产的顺利进行。3434 参考文献：1张文钺主编。焊接冶金学（基本原理）。北京：机械工业出版社，1999.2周振峰主编。焊接冶金学（金属焊接性）。北京：机械工业出版社，1996.3HXN5型大功率内燃机车。南车戚墅堰机车有限公司。4鲍维千主编。内燃机车总体及走行部。北京：中国铁道出版社，2004.5GE焊接标准P8G-EP57.6GE焊接标准P8G-EP2-1.3535
