PLC控制下汽车车桥焊接工艺研究_刘长军

1、金属铸锻焊技术 Casting ·Forging ·Welding上半月出版汽车车桥作为汽车底盘行驶系中的重要组成 部分 , 受力复杂 , 它不但承重和传力 , 还承受巨大 的动载荷和静载荷所形成的弯矩和扭矩 , 为此要 求后桥有足够的强度 、 刚度和韧性 。 在众多焊缝 中 , 桥壳的焊接质量是直接关系到汽车的行驶安 全和乘客及司机人身安全 。 因此保证后桥的焊接 质量是十分重要的 。1焊接性分析1.1材料焊接性目前汽车车桥所用材料多为低碳钢系列 , 以 20钢 为 主 , 其 化 学 成 分 (质 量 分 数 , % 为 : 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。 可见其 C 和其它提高淬透性的合金元素含量较少 , 故在冷 却过程得到的淬硬相比较少 , 冷裂倾向较小 ; 在此 类合金中主加元素为 Mn , 故 Mn 的含量较大 , 而 在冶炼过程中对 S 的含量又进行了严重控制 , 这 就保证了具有较大的 Mn/S值 , 降低低熔点共晶 物形成的几率 , 对热裂纹有很好的抑制作用 。 因此 这种材料的焊接性相对较好 , 焊接冷裂 、 热裂倾向 较小 , 常规的焊接方法均可应用于此材料的焊接 。 但是 ,

3、 考虑到生产效率问题 , 现在汽车车桥的焊接 方法基本多采用 CO 2气体保护焊 1-3。1.2工艺可行性CO 2气体保护焊作用一种高效的焊接方法已 在工程生产上得到广泛的应用 。 CO 2气体保护焊 的电弧穿透力强 , 生产率比焊条电弧高 13倍 ; CO 2气体保护焊采用短路过渡技术可以用于全方 位的焊接 , 对于薄壁构件焊接质量高 , 焊接变形 小 , 焊接速度快 ; CO 2气体价格便宜 , 且焊前对焊 件处理可从简 , 其焊接成本只有埋弧焊和焊条电 弧焊的 40%50%; CO 2气体保护焊易实现机械化 和自动化 , 在汽车焊接中还可减少对设备 、 场地 、 工装夹具的多次投入而减少

4、成本 , 提高生产效率 ; 抗锈能力较强 , 焊缝含氢量低 。2焊接结构分析汽车车桥由三部分组成 , 通过焊接方法连接PLC 控制下汽车车桥焊接工艺研究 刘长军 1, 尹奕君 2(1. 沈阳工业大学 工程学院 , 辽宁 辽阳 111003; 2. 福斯特惠勒电力集团亚洲公司 , 上海 200122摘 要 :通过对汽车车桥材料的焊接性和焊接结构的分析 , 研究了 PLC 控制下的汽车车桥 CO 2气体保护焊 工艺 , 并对焊接接头的力学性能和显微组织进行相应地分析 , 确定了其最佳工艺参数 。 结果显示 , 由于 PLC 技术 的引入 , 焊接接头的性能得到显著改善 , 完全可以达到相应的标准要

5、求 , 满足生产需要 。关键词 :汽车车桥 ; 焊接工艺 ; PLC中图分类号 :TG457.2; TG444+.73文献标识码 :A 文章编号 :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作者简介 :刘长军 (1971- , 辽宁辽阳人 , 讲师 , 硕士 , 主要从事焊接冶金方面研究和钎焊教学与研究 ; 电话 E-mail :suyunhai800307185 热加工工艺 2009年第 38卷第 23期金属铸锻焊技术 Casting ·Forging ·WeldingHot Working Technology 2009, Vol.38,No.232009年 12月成一体 , 其结构如图 1所示 。 由于汽车车桥在整车 中不但要支撑车身 , 还要传递载荷

9、 , 所以其受力情 况比较复杂 , 为了清楚反映车桥负载状况下的作 用情况 , 对车桥整体进行了应力应变有限元模拟 分析 , 其结果发现 , 三段式连接的中部连接处应力 集中现象较明显 。 这是由于连接处存在较大的缝 隙 (为焊接而采用的坡口 , 焊接接头的出现本身 就破坏了结构的完整性易产生应力突变 , 而焊接 过程又是一个急冷急热的过程 , 焊缝金属凝固过 程为非平衡结晶 , 大量残余应力无法及时释放 , 而 滞留在结构内部造成应力集中现象 。从强度计算结果来看 , 由于加载和结构上的 原因 , 在结构局部地方存在应力集中 (最大应力出 现位置 问题 , 在制造过程中应加强工艺保证 ; 计

10、算结果表明有动荷系数时应力集中现象加大 , 最 大应力值上升 , 同时疲劳寿命减小 。 因此对汽车车 桥焊接工艺的研究很有必要 。3焊接工艺优化由上述分析可以发现 , 由于汽车车桥所用材料 属于低碳钢 , 焊接性较好 , 但由于其结构的特殊性 , 大量残余应力的存在将诱发焊接缺陷 , 使材料的疲 劳寿命无法满足相应的标准要求 , 因此对传统的焊 接工艺进行优化改造尤为重要 。 PLC 控制技术作为 一种新兴的控制技术 , 由于具有反应速度快 、 精度 高 、 体积小的优点并已在工业生产上得到广泛使 用 。 为此将 PLC 控制技术引入 CO 2气体保护焊过 程中 , 通过 PLC 精准控制工艺

11、过程中的起弧 、 稳弧 、 息弧 , 并对与之相配合的工装夹具进行精确地 引导 , 进而保证焊接质量的可控性和可再现性 。 经 过相应的前期调试试验 , 对焊接工艺参数进行了相 应的优化设计 , 其最佳的工艺参数范围见表 1, 焊 接材料为 ER49-1。焊接速度 /(m·min -1电流 /A 电压 /V焊条型号焊条直径 /mm 气体流量 /(L·min -1气源压力 /MPa电机转速 /(r ·min -10.10.52×5002022H08Mn2SiA 1.215200.41350表 1焊接工艺参数Tab.1The welding process

12、parameters图 1汽车车桥结构示意图4焊接接头性能分析为了验证 PLC 控制下 CO 2气体保护焊工艺参数的可行性和最优性 , 对此参数下的焊接接头 进行相应的力学性能和显微组织分析 。4.1硬度分析由于汽车车桥结构的特殊性 , 在加工 、 检测过 程中很难将其加工成拉伸试件进行拉伸试验 , 而 传统热轧钢的抗拉强度与硬度之间有一定的比例 关系 4, 即抗拉强度等于硬度值的 3.5倍 , 所以对 焊接接头进行相应的硬度试验 , 以此近似评价其 抗拉强度 。 图 2为焊接接头的硬度分布图 。 可见其 硬度的最大值出现在焊接接头的 HAZ 区域 , 母材和焊缝的硬度均低于 HAZ , 而母

13、材与焊缝相对 比 , 焊缝的硬度略高于母材 。 通过硬度数据分布图 可明显发现焊缝处硬度分布比较均匀 , 通过硬度 折换成抗拉强度也达到相应的技术要求 , 这说明 应用 PLC 控制的自动焊机在给定的焊接工艺参 数范围内能够有效的控制焊接缺陷 , 并且很好的 解决了未焊透问题 , 使焊接接头的力学性能达到 相应的技术要求 。4.2焊接接头金相分析为了更清晰地揭示焊接接头力学性能变化的 根本原因 , 对焊接接头进行了相应的显微组织分 析 , 其金相图片见图 3。 可看出 , 无论是母材 、 焊缝还 是 HAZ , 其组织形态均为 P+F, 只是两种组织的形 态有所区别 。 在母材中 P 呈一定的

14、方向性排列 , 在 其晶界散落一定量的 F , 这为典型的轧制组织 ; 而在 焊缝组织中其规则的轧制组织已经无法找到 , 取而 代之的是大量树枝晶和等轴晶 ; 在 HAZ 区域由于 位置介于母材和焊缝之间 , 所以其组织也介于两者之间 , 只是组织有所粗大 。 这种组织形态与上述的 硬度数据基本吻合 , 这充分说明 PLC 控制下的 CO 2Fig.1The structure sketch of rear axle194184194222205194199205222184图 2上纵缝焊接接头硬度分布 (HB Fig.2Hardness distribution in upper longi

15、tudinal welded joint186金属铸锻焊技术 Casting ·Forging ·Welding上半月出版(上接第 184页 通过不同保温时间下 TLP 连 接接头显微组织 (图 1 及降熔元素扩散 (图 2及图 3 的研究及分析 , 可知 , 保温时间是 TLP 连接时中间 层元素充分扩散的保证 , 是影响 TLP 连接接头性能 的主要因素之一 。 由于 TLP 连接过程的实质是在一 定的连接温度和连接压力下降熔元素的扩散过程 , 所以随着保温时间的增加 , 元素的扩散距离就会增 大 , 焊缝中的降熔元素含量就会降低 , 反应产物就不 可能生成 , 接头的

16、性能则就发生相应的变化 。 因此 , 整个 TLP 连接过程也就是降熔元素的扩散过程 , 在 连接温度为 1180 、 连接压力为 4MPa 的条件下 , 当保温时间是 3min 时 , Ni 、 Cr 等降熔元素可以得到 充分的扩散 , 达到较为理想的扩散分布 , 从而可以获 得较好性能的 20钢管的 TLP 连接接头 。3结论(1保温时间是 TLP 连接时中间层元素充分 扩散的保证 , 是影响扩散连接接头性能的主要因 素之一 , 在一定范围内 , 随着保温时间的增加 , TLP 接头的性能也相应的变好 。(2在 连 接 温 度 为 1180 、 连 接 压 力 为 4 MPa 、 保温时间

17、是 3min 时 , 中间层材料选用 BNi 2非晶箔进行 20钢管的 TLP 连接 , 可以获得性能 良好的接头 。(3TLP 连接过程伴随着 Ni 、 Cr 等降熔元素 扩散 , 降熔元素扩散是否充分影响着 TLP 接头的 性能是否达到理想要求 。参考文献 :1陈思杰 , 井晓天 , 李辛庚 . 20钢管的瞬时液相扩散焊工艺研 究 J. 热加工工艺 , 2003, (6:37-38.2陈思杰 , 王振江 , 刑增为 . 20钢瞬时液相扩散焊降熔元素的 扩散过程研究 J. 热加工工艺 , 2008, 37(19:105-106. 3陈思杰 , 高增 . 异种材料瞬时液相扩散连接过程的非对称

18、性 J. 热加工工艺 , 2008, 37(15:87-89.4陈思杰 , 井晓天 , 李辛庚 . 工艺 参 数 对 T91钢 管 TLP 连 接 组 织 和 性 能 的 影 响 J. 材 料 科 学 与 工 艺 , 2006, 14(4: 341-342.5Cam G , Kocak M . Progress in joining advanced materials J. Internationl Materials Review , 1998, 43(1:1-30. 6李志远 , 钱乙余 , 张九海 . 先进连接方法 M. 北京 :机械工 业出版社 , 2000.7任家烈 , 吴爱萍 . 先进材料的连接 M. 北京 :机械工业出 版社 , 2000.8Zhou Y . Analytical modeling of isothermal solidification during transient liquid phase (TLPbonging J.