课程设计 自行车结构焊接

1、哈尔滨理工大学焊接课程设计(二号黑体)（题目：小初黑体）班 级：（小二黑体）学 号：（小二黑体）姓 名：（小二黑体）指导教师：（小二黑体）（题目：小二黑体）设计任务书（小三黑体，将任务书内容完整放入）哈尔滨理工大学材料成型与控制专业课程设计任务书设计题目10: 自行车车架接头焊接设计设计要求及有关数据：钢铝混装赛车用的自行车车架接头，由一个前叉接头和两个缩颈管接头组成，前叉接头材料为ZG65Mn，缩颈管接头材料为45钢，直径分别为40mm，壁厚1.5mm，搭接长度为35mm。1).进行焊接性分析；2）该结构材料间的连接特点、连接界面组织与性能简要分析；连接设备及介绍，设计具体焊接工艺(包括焊接

2、方法、焊接材料的选择（钎料、钎剂及其力学性能）和焊接工艺参数（氧化膜的去除、钎缝间隙的确定、加热温度、保温时间、设备）)的确定。3）根据工作时受载状态，简要分析该结构的承载情况。1.2. 结构介绍3. 车架的结构之所以是由两个三角组成,其原因不仅有人体的工程学原因,使用习惯的原因,制造加工工艺性的原因,最后就是受力状态的原因.车架上的一个大三角和一个小三角的设计首先是出于结构稳定性的考虑(三角结构是平面几何结构里比较稳定的一类);然后说说受力特点,车架上应力最集中的部位是五通,其次是尾钩,所以五通和尾钩一般来说都是车架上材料最厚、最粗的部位;倾斜的立管有助于分解人体自重带来的正向压力,从而改善

3、五通的应力状态;一些运动自行车架粗壮的头管有助于承受摇车加速和路面颠簸带来的压力和振动.包括被焊材料的性能分析、应用场合、焊接性分析、所焊零件（器件）结构和承载特点分析等内容（小三黑体）3.1 材料的性能分析；（小四宋体）前叉接头材料为ZG65Mn耐磨钢铸件标准：GB 5680-85化学成份：碳 C ：0.620.70硅 Si：0.170.3锰 Mn：0.901.20硫 S ：0.045磷 P ：0.040铬 Cr：0.25镍 Ni：0.25力学性能：硬度 ：187241HB热处理规范及金相组织：热处理规范：正火， 840 885，空冷;回火， 600 650，空冷。缩颈管接头材料为45钢45

4、#是钢的牌号，是一种优质碳素结构.化学成分元素比例(%)：碳C:0.420.50；铬Cr：0.25；锰Mn：0.500.80；镍Ni：0.25；磷P：0.035；硫S：0.035；硅Si：0.170.37. 45号钢广泛应用于机械，未热处理时：HB229；热处理：正火；冲击功：Aku39J；强度较高，塑性和韧性尚好，45#钢板淬火后没有回火之前，硬度大于HRC55（最高可达HRC62）为合格,经过热处理，再淬火可以达到HRC42-46，这样既能保证它良好的机械性能，又能得到表面的硬度要求， 3.2 应用场合（小四宋体）ZG65Mn耐磨钢铸件具有较好耐磨性。可用于铸造起重机械和矿山机械的车轮。4

5、5钢用于制作承受负荷较大的小截面调质件和应力较小的大型正火零件，以及对心部强度要求不高的表面淬火零件，如梢子,导柱，表针等部件。3.3 所焊结构承载分析 3.7.1 车架振动强度1）车架与试验用前叉、前叉合件、鞍管组装后，安装在专用振动试验机上；2）车架安装时，前后轮的心轴应成水平，如使用前轮与后轮直径不同的车价应使车轮的接地点成水平；3）装有鞍管的车架试件，应将鞍管固定在最小插入深度标记处，然后在鞍座部位装一个鞍形荷重座，并分别在左右吊杆上装圆形重锤。荷重座、吊杆及重锤的总重量应符合规定的荷重量。荷重座应用夹具紧固在距鞍管顶端20mm处的中心位置；4）中轴部位的荷重应用圆形重锤，固定在中轴部

6、位的左右两侧；5）前管部位的荷重用紧固螺母将重锤与重锤座固定在前管上。然后进行试验。6）振动计算公式：式中：G自由落体加速度；n半振幅，单位为厘米（cm）；f振动频率，在6.6Hz10Hz之间，但应避免其共振频率。7）试验完毕后，按规定要求对试件进行目测检验。3.7.2 车架冲击强度将车架和实验用前叉组合按GB 3565-2005第27章规定的方法进行试验4. 焊接方法的确定、其依据及分析（小三黑体）1 拟用的焊接方式某车辆厂长久以来主要采用液化石油气焊从事自行车前叉、车架等的生产，积累了一定的经验，但产品成本较高且焊接质量有时不够稳定。近年来，随着生产的发展先后开发了BMX一20轻便自行车、

7、人力三轮车和电动车车架等新产品，为了降低产品成本，提高生产效率，企业考虑改用其他焊接方法。首先考虑采用手工电弧焊，但因其飞溅多、电流易击穿管壁，焊接质量不能保证而被放弃。然后选用了CO2 气体保护焊.5. 焊丝焊材选择及分析（小三黑体）焊丝材料要求使用的焊丝具有较好的工艺性能和足够的机械性能及抗裂性能，减少焊缝金属中的含氧量和防止产生气孔等。焊丝中须含有足够数量的硅、锰、铝等脱氧元素。为减少飞溅，焊丝的含碳量必须限制在0.1%以下。故选用焊丝牌号为H08Mn2SiA，焊丝表面镀铜，可防止生锈，并改善焊丝导电性能，提高焊接过程的稳定性。使用前要彻底清除焊丝表面的油及污垢。6. 焊接设备及详细的焊

8、接工艺（小三黑体）3.1 拟用的焊接设备及辅助装置主要设备由焊机(包括焊接电源、控制系统等)、送丝机构、焊枪、供气装置等几部分组成。(1)焊机NBC一200型，其技术数据符合产品要求。其中电源用硅整流式直流电源，它和旋转式电源相比具有性能好、无噪声、结构简单等优点。电源的技术数据如表2所示。表 2 电源技术参数电源电压工作电压调节范围焊接电流调节范围整流方式调压方式380（V）14V30V40A200A三相桥全波抽头控制系统主要是对供气、送丝和供电等实施控制。控制程序如下：(2)送丝机构 采用等速送丝系统，送丝方式为推丝式。根据所选的焊丝直径(08 mm)，选用弹簧钢丝软管，内径为15 mm，

9、长度取25 m左右。(3)焊枪选用手枪式焊枪。使用前在喷嘴的内外表面涂以硅油，以便于清除飞溅物。(4)供气系统 包括气瓶和附属供气装置。附属供气装置包括电热式预热器、干燥器、减压器和3011型浮标式流量计等，选用流量调节范围在015 Lmin的气阀。3.2 主要焊接材料（1）焊丝H08Mn2SiADHQ49-1(H08Mn2SiA)是低合金钢镀铜焊丝,由于焊丝中含有Mn、Si等合金元素，从而有效地防止了焊丝出现气孔和夹渣的倾向。由于该焊丝表面经过镀铜处理，施焊时导电性能良好，送丝流畅，飞溅较少，焊缝美观。 用途：焊接低碳钢及相应的低合金钢结构，(1)CO2气体液体状态的CO2采用钢瓶灌装，满瓶

10、(80%容积)压力在57 MPa之间。CO2气体中的水气是主要的有害杂质，对焊缝质量有很大影响，过高的水气含量将导致焊缝产生气孔。为保证焊接质量，要求所购CO2气体的纯度995% ，水、氮含量不得超过01 %。但实际所购CO2 气体一般达不到这一要求，含水量偏高，故规定施焊前现场采取下列措施：a将新灌气瓶倒置放水(放水结束仍将气瓶放正)；经倒置放水后的气瓶仍需先放气23 min。b当瓶中气压降至980 kPa时，该气瓶不再使用。这是因为当瓶中液态CO2。全部挥发后气体压力降至980 kPa时，CO2气体中所含的水分将是CO2气液两相共存时的3倍左右，继续使用将可能造成焊缝气孔的产生。另外，为进

11、一步降低CO2气体中的水分，在供气系统中设置了干燥器。3.3 焊接规范确定CO2气体保护焊是一种熔化极电弧焊。其熔滴过渡形式主要有2种：短路过渡和细颗粒过渡形式，一般前者适用于薄板(壁)件的焊接，故车架采用短路过渡。同时采用细焊丝、小电流、低电弧电压，可以提高短路频率，从而使焊接过程稳定，焊速快，焊接效率高，变形小，焊缝成形好。由于短路过渡的电弧断续燃烧，所以电弧热量低，很适用于薄壁管材的各个位置的焊接。合理选择焊接规范是获得优良焊接质量和较高生产率的重要条件。CO2气体保护焊的规范参数主要包括焊丝直径、焊接电流、电弧电压、焊接速度、焊丝伸出长度、气体流量、电源极性和回路电感等，根据BMX一2

12、0产品的要求，经过多次试焊比较后确定出如下比较适宜的焊接规范：3.3.1 焊丝直径焊丝的直径通常是根据焊件的厚薄、施焊的位置和效率等要求选择。焊劫薄板或中厚板的全位置焊缝时，多采用1.6mm以下的焊丝（称为细丝CO2气保焊）。焊丝直径的选择残照下表：表 3焊丝直径的选择焊丝直径（mm）0.50.80.81.01.01.21.21.61.61.62.02.02.5熔滴过渡形式短路过渡细颗粒过渡短路过渡细颗粒过渡短路过渡细颗粒过渡细颗粒过渡可焊板厚（mm）0.432428212212810施焊位置各种位置平焊、横角各种位置平焊、横角平焊、横角平焊、横角平焊、横角由车架的焊接要求（车架采用短路过渡。

13、同时采用细焊丝），根据上表，最终确定焊丝直径为0.8 mm。3.3.2 焊接电流焊接电流的大小主要取决于送丝速度。送丝的速度越快，则焊接的电流就越大。焊接电流对焊缝的熔深的影响最大。当焊接电流为60250A，即以短路过渡形式焊接时，焊缝熔深一般为1mm2mm；只有在300A以上时，熔深才明显的增大。若电流过大，易击穿管壁。初选焊接电流为60100A。3.3.3 电弧电压短路过渡时，则电弧电压可用下式计算： U=0.04I+162 (V) U=0.04*100+162=1820V此时，焊接电流一般在200A以下，焊接电流和电弧电压的最佳配合值见表4。可见焊接电流选择60100A，焊接电压选取18

14、20V时满足焊接电流和电弧电压的最佳配合值。当电流在200A以上时，则电弧电压的计算公式如下。 U=0.04I+202 (V) 此时，为细颗粒过渡。表 4 CO2焊短路过渡时焊接电流和电弧电压的最佳配合值焊接电流（A）70120130170180210220260电弧电压（V）平焊1821.519.52320242125仰焊和立焊1819182118223.3.4 焊接速度半自动焊接时，熟练的焊工的焊接速度为18m/h36m/h；自动焊时，焊接速度可高达150m/h。可将焊接速度定为：1540 mh。3.3.5 焊丝伸出长度一般的焊丝的伸出长度约为焊丝的直径的10倍左右，并随焊接电流的增加而增

15、加。由于选用了0.8 mm的焊丝，可将焊丝伸出长度定为810mm。3.3.6 CO2气体流量正常的焊接时，200A以下薄板焊接，CO2的流量为10L/min25L/min。200A以上厚板焊接，CO2的流量为15L/min25L/min。粗丝大规范自动焊为25L/min50L/min。考虑到焊接电流较小，最终选定CO2气体流量为815 Lmin。7. 接头组织、强度及可靠性预期（小三黑体）3.5 焊接质量的控制方法和措施可以看出，CO2气体保护焊焊后的接头比其他接头的抗冲击性更好。3.5.1气孔的影响 1、气孔对焊缝质量的危害 气孔的产生对焊缝的性能有很大的影响，不仅减小焊缝的有效工作截面，使

16、焊缝力学性能下降，而且破坏了焊缝的致密性，容易造成容器泄漏，气孔严重时，会使金属结构在工作时破坏，造成重大人身伤害，因此，我们在焊接中应避免气孔的产生。 2、气孔产生的原因及防止措施 焊缝中产生气孔的根本原因是熔池金属中的气体在冷却结晶过程中来不及逸出造成的。CO2气保焊时，熔池表面没有熔渣覆盖，CO2气流又有冷却作用，因此，结晶较快，容易在焊缝中产生气孔。同时如果使用化学成分不合格的焊丝、纯度不符合要求的CO2气体及不正确的焊接工艺，焊缝中就更容易产生气孔。CO2气保焊的气孔一般有三种，即CO气孔、H2孔和N2孔。 （1）一氧化碳气孔的产生 主要是因为焊丝中脱氧元素不足，使大量的FeO不能还

17、原而溶于金属中，在熔池结晶时发生反应：FeO+C= Fe+ CO 这样，所生成的CO气体若来不及逸出，就会在焊缝中形成气孔。因此，应保证焊丝中含有足够的脱氧元素Mn和Si，并严格限制焊丝中的含碳量，就可以减小产生CO气孔的可能性。CO2气保焊时，只要焊丝选择适当，产生CO气孔的可能性不大。 （2）氢气孔的产生 氢的来源主要是焊丝和焊件表面的铁锈、水分和油污等杂质，以及CO2气体中含有的水分，如果熔池金属溶入大量的氢存在，就可能形成氢气孔。 为防止产生氢气孔，应尽量减少氢的来源，焊前要适当清除焊丝和焊件表面的杂质，并需对CO2气体进行提纯与干燥处理。此外，由于CO2气保焊的保护气体氧化性很强，增

18、加了焊接区域氧的分压，使自由状态的氢被氧化而生成不溶于金属的水蒸汽，从而减弱了氢的有害作用。所以CO2气体保护焊产生氢气孔的可能性较小。 （3）氮气孔的产生 当CO2气流的保护效果不好，如CO2气流量太小、焊接速度过快、喷嘴被飞溅堵塞等，以及CO2气体纯度不高而含有一定量的空气时，空气中的氮就会大量熔于熔池金属中，当熔池金属结晶凝固时，氮在金属中的溶解度突然降低，来不及从熔池中逸出，便形成氮气孔。所以，必须保证保护气流在焊接过程中稳定而可靠。 根据以上的分析和实践证明，CO2气体保护焊最易产生的是氮气孔，因氮主要来源于空气，因此，必须加强CO2气流的保护效果，这是防止焊缝气孔的主要途径。CO2

19、气体保护焊氮气孔的产生与焊丝伸出长度、气体流量、焊接速度等参数有关，因此在确保以上参数无问题的情况下，我们进行了T形接头不同焊接位置与气孔倾向的研究。 3.5.2 焊接位置的影响 结构件在生产中的焊接一般多放置于两个位置即平焊和角焊，为了保证焊缝成形良好，对于角焊一般都放在船形位置进行焊接，对于生产工人来说，可使用大电流，操作方便，生产效率高，但试验证明船形焊比角焊产生气孔的倾向大。主要原因是船形焊时受热的CO2气体膨胀，在其压力的作用下由高温向低温运动，穿过试板间隙到达背面后又折返回焊缝，受热的CO2气体遇低温减缓运动速度，容易下沉卷入周围的空气后折返回焊缝的背面或产生紊流被熔池所吸收，当焊

20、缝的冷却速度大于气体的上浮速度时，气体就在焊缝中形成气孔。3.5.3 裂纹的影响 裂纹是焊接结构最危险的一种缺陷，不仅会使产品报废，而且还可能引起严重的事故，是生产中常遇到的问题，尤其是在采用的材料种类繁多，焊接结构复杂的产品中出现裂纹的可能性更大。 目前生产中采用的低合金高强度钢，其焊接性较差，而现在采用的焊接方法大都是CO2气保焊，要合理的选择焊接工艺，以避免缺陷的产生，如合理选择焊接材料、预热、后热及焊后热处理等，另外，焊工在实际操作时，一定要控制好焊接热输入，当构件在放置为船形焊时，为了提高生产率，多拿工时，焊工往往把电流调至最大，这样构件受热过大，会增大粗晶区脆化倾向而产生裂纹，所以

21、，有些企业已限制工人使用大电流，并要求把船形焊改为角焊来焊接，以消除裂纹的产生。结论：CO2气体保护焊应保证焊丝中含有足够的脱氧元素Mn和Si，并严格限制焊丝中的含碳量，就可以减小产生CO气孔的可能性。CO2气保焊时，只要焊丝选择适当，产生CO气孔的可能性不大。为防止产生氢气孔，应尽量减少氢的来源，焊前要适当清除焊丝和焊件表面的杂质，并需对CO2气体进行提纯与干燥处理。CO2气体保护焊产生的气孔主要是氮气孔，从焊接位置讲CO2气保焊船形焊时产生气孔及裂纹的倾向都大于角焊，所以在采用CO2气保焊时应尽量采用角焊，少采用船形焊。为了防止产生裂纹，要控制好焊接热输入，焊接电流不宜过大。4 焊接加工的

22、经济考虑CO2气体保护焊电能消耗少，且气体价格便宜，有利于降低产品成本；焊接时电弧加热集中，工件受热面积小，同时由于CO2气流有较强的冷却作用所以焊接变形和内应力小，一般焊后无需校正以及不用清渣，因此生产率高；焊缝含氢量少，抗裂性能好；焊缝内不易产生气孔，焊接接头具有良好的机械性能，可提高焊接质量；焊接过程便于操作掌握。因此CO2气体保护焊很适宜于薄板、薄壁、管件的焊接。该厂成功应用CO2气体保护焊的生产实践证明了这一点。8. 参考文献（小三黑体）原则：以上各级标题内容不是一成不变的，由内容决定。正文：小四宋体，行间距：选多倍行距=1.25倍，其中数字及字母是新罗马字体表格：表3-1 元件规格

23、参数表规格参数封装体I/O数（焊点总数）272焊球直径0.76mm焊球间距1.27mm芯片尺寸5.085.080.5mm3BT基板厚度0.56mmPCB厚度1.57mm（五号宋体、表头及表格居中）图片格式： a)典型的有限差分法模型 b)有限元素法模型图2-1用有限差分法和有限元素法将一个横截面离散示意图（五号宋体、图及下标居中）参考文献格式样例：1 王国忠.电子封装SnPb钎料焊点可靠性研究.中国科学院上海冶金研究所博士论文，1999:11122 S. Dave. Vibration Analysis for Electronic Equipment. Second Edition. John whey & Sons Inc., 1988: 55633 W. W. Lee, L. T. Nguyen, G. S. Selvaduray. Solder Joint Fatigue Models: Review and Applicability to Chip Scale Pack