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大功率內(nèi)燃機(jī)車車底架焊接裂紋控制

2022-07-12 06:42何東英張忠
金屬加工(熱加工) 2022年6期
關(guān)鍵詞:車底焊絲坡口

何東英,張忠

中車戚墅堰機(jī)車有限公司 江蘇常州 213011

1 序言

目前,我公司生產(chǎn)的大功率內(nèi)燃機(jī)車車底架多采用前后端部及中間油箱組成的三段拼焊結(jié)構(gòu)。其中,車底架兩側(cè)的箱形主梁采用低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q460E厚板。作為重要的承重部件,在機(jī)車運(yùn)行過程中主梁還承受來自車身振動的交變載荷。因此,主梁上下蓋板(翼板)的對接焊縫無疑成為關(guān)鍵的承力焊縫,其焊接質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到機(jī)車運(yùn)行安全以及人身財產(chǎn)安全。

對于主梁上下蓋板的對接焊縫,以往的焊接工藝是打底、填充及蓋面均采用藥芯焊絲T W E-811Ni2,組裝時采用剛性拘束,預(yù)留6~10mm間隙,加陶瓷襯墊,并設(shè)置20mm長、與母材等厚,且坡口形式相同的引弧板、引出板。結(jié)果打底焊道中心的縱向結(jié)晶裂紋頻發(fā),嚴(yán)重影響了焊接質(zhì)量與生產(chǎn)進(jìn)度。因此,如何選用合適的焊接材料、合理的焊接工藝,防止主梁上下蓋板對接焊縫裂紋的產(chǎn)生,便成為亟需解決的難題。

2 母材性能分析

2.1 母材焊接性

本試驗(yàn)?zāi)覆牟馁|(zhì)為Q460E,交貨條件為熱軋狀態(tài),供貨公司提供的質(zhì)保書給出了其化學(xué)成分與力學(xué)性能,分別見表1、表2。

表1 母材Q460E的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

表2 母材Q460E的力學(xué)性能

對母材的焊接性分析采用碳當(dāng)量法,碳當(dāng)量的計算選擇國際焊接學(xué)會推薦的公式,即

由式(1)可知,母材Q460E的碳當(dāng)量計算值為0.38%。對于板厚<20mm的鋼材,當(dāng)碳當(dāng)量<0.4%時,淬硬傾向不大,焊接性良好,焊前不需預(yù)熱[1]。本試驗(yàn)采用厚度為20mm+20mm板對接和32mm+25mm板對接,且碳當(dāng)量較低,因此當(dāng)環(huán)境溫度不低于5℃時,其淬硬傾向不大,焊前不需預(yù)熱。

2.2 母材熱裂紋敏感性

研究表明,當(dāng)熱裂紋敏感系數(shù)HCS≤4時,一般不會產(chǎn)生熱裂紋。隨著HCS值增大,材料的熱裂紋敏感性增加[1]。因此,根據(jù)HCS值大小可以判斷母材Q460E的熱裂紋敏感性。

HCS的計算公式為

通過式(2)計算得出Q460E鋼的熱裂紋敏感指數(shù)為0.40。由此可見,母材Q460E的熱裂紋敏感性較低,只要采用合適的焊接材料及焊接工藝,就可以避免焊接熱裂紋的產(chǎn)生。

2.3 接頭應(yīng)力狀態(tài)

主梁蓋板對接接頭在車底架中的位置分布如圖1所示,接頭的受力狀態(tài)示意如圖2所示。

圖1 主梁蓋板對接接頭在車底架中的位置分布(車底架底面朝上)

圖2 接頭受力狀態(tài)示意

車底架焊接完成后,在裝配柴油機(jī)前要求車底架上撓度為35~40mm,其形狀和受外力情況如圖2a所示(不考慮自重)。當(dāng)裝配柴油機(jī)后,車底架受到柴油機(jī)約25t的重力作用,使其發(fā)生變形,此變形正好抵消車底架的上撓變形,而使其處于水平狀態(tài),如圖2b所示。顯然,裝配柴油機(jī)后,主梁蓋板對接焊縫根部受到拉應(yīng)力,而表面部分受到壓應(yīng)力。另外,在機(jī)車運(yùn)行時,該焊縫還受到來自柴油機(jī)活塞往復(fù)運(yùn)動引起車身振動的交變載荷。

由圖1、圖2可知,主梁蓋板對接焊縫的應(yīng)力級別較高,而且應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜,因此必須對其焊接質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格的控制。

3 焊接結(jié)晶裂紋的防止措施

制定合適的結(jié)晶裂紋防止措施,需要從影響結(jié)晶裂紋的冶金因素和力學(xué)因素兩方面著手。冶金因素主要考慮合金元素和一次結(jié)晶組織形態(tài)對結(jié)晶裂紋的影響,也就是要考慮焊接材料的選擇與焊接參數(shù)的控制問題;力學(xué)因素主要考慮接頭剛度、拘束度和焊接應(yīng)力問題,即如何降低接頭的剛性拘束、合理安排焊接順序及布置焊道,以及控制焊接熱輸入從而減小焊接熱應(yīng)力和組織應(yīng)力等[2]。本試驗(yàn)結(jié)合實(shí)際情況,主要從以下幾方面控制和防止結(jié)晶裂紋的產(chǎn)生。

3.1 焊接材料的選擇

本試驗(yàn)采用的藥芯焊絲為TWE-811Ni2,實(shí)芯焊絲為ER50-6,兩者熔敷金屬的化學(xué)成分及力學(xué)性能分別見表3、表4。

對比表1和表3的化學(xué)成分可知,母材和藥芯焊絲TWE-811Ni2化學(xué)成分差別最大的是Ni,藥芯焊絲Ni含量是母材的近57倍。Ni是強(qiáng)烈的γ相穩(wěn)定元素[3],它使焊縫的一次結(jié)晶組織由δ相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孟啵鳶、P在γ相中的溶解度比在δ相中低很多,這將促進(jìn)S、P在晶界偏析,增大結(jié)晶裂紋傾向。此外,S、P還能形成NiS(熔點(diǎn)920℃)、FeS(熔點(diǎn)1188℃[4])、Fe3P(熔點(diǎn)1166℃[4])等低熔點(diǎn)化合物及NiS-Ni(熔點(diǎn)645℃)、FeS-Fe(熔點(diǎn)988℃)、Fe3P-Fe(熔點(diǎn)1050℃)等低熔點(diǎn)共晶組織,它們極易在焊縫結(jié)晶過程中,在固相線附近形成殘余液相,并在應(yīng)力的作用下發(fā)生沿晶開裂,形成結(jié)晶裂紋。另外,藥芯焊絲TWE-811Ni2中w(S+P)=0.026%,相當(dāng)于母材Q460E中S、P含量之和的兩倍,這便成倍地增加了焊縫金屬結(jié)晶裂紋的敏感性。

對比表2、表3的力學(xué)性能數(shù)據(jù)可知,藥芯焊絲熔敷金屬抗拉強(qiáng)度高于母材金屬,二者形成超強(qiáng)匹配,焊縫強(qiáng)度有余,但韌性嚴(yán)重不足,焊縫抗裂能力降低。因此,為了保證焊接接頭具有良好的綜合力學(xué)性能,既保證足夠的強(qiáng)度,又具有較高的韌性儲備,因此應(yīng)以采用母材與焊接材料的低強(qiáng)匹配為宜。

表3 藥芯焊絲TWE 811Ni2熔敷金屬的化學(xué)成分及力學(xué)性能

此外,采用藥芯焊絲打底焊時,電弧柔軟、挺度小,難以伸至坡口根部死角,造成根部熔合不良;焊道較薄,熔深淺,承載能力不足,這也是焊縫開裂的主要原因之一。

由表4可見,實(shí)芯焊絲ER50-6的Ni、S、P等元素含量均較低,C、Mn含量略低于母材,有利于降低熱裂紋的敏感性;其熔敷金屬抗拉強(qiáng)度略低于母材,可實(shí)現(xiàn)低強(qiáng)匹配,保證接頭具有良好的綜合力學(xué)性能,有助于防止裂紋產(chǎn)生;其電弧較硬、挺度大,可伸至根部死角,熔合良好;焊道厚,熔深大,能增加焊道對拘束應(yīng)力及焊后殘余應(yīng)力的承受能力。因此,采用實(shí)芯焊絲打底焊時,能夠增加打底焊道的承載能力,降低其開裂傾向。

表4 實(shí)芯焊絲ER50-6熔敷金屬的化學(xué)成分及力學(xué)性能

采用藥芯焊絲填充蓋面,可實(shí)現(xiàn)后續(xù)焊道的氣渣聯(lián)合保護(hù),降低產(chǎn)生氣孔的傾向,保證接頭強(qiáng)度,還可減少飛濺及后續(xù)清理工作,降低勞動量。綜上可知,采用實(shí)芯焊絲E R50-6打底+藥芯焊絲TWE-811Ni2填充蓋面復(fù)合工藝是比較理想的防止結(jié)晶裂紋產(chǎn)生的措施之一。

3.2 控制焊接熱輸入

焊接熱輸入對焊縫一次結(jié)晶組織的形態(tài)影響較大。過大的焊接熱輸入會造成一次結(jié)晶組織的晶粒度增大,晶界面積減小,結(jié)晶的方向性增強(qiáng),加劇S、P等雜質(zhì)元素的晶界偏析,結(jié)晶裂紋傾向增大。因此,必須嚴(yán)格控制焊接熱輸入,控制接頭的晶粒度與接頭組織,防止過多粗大的柱狀晶產(chǎn)生。必要時可以邊焊接邊敲擊焊縫周邊,打亂焊縫凝固結(jié)晶方向,起到細(xì)化晶粒的作用,防止粗大、方向性強(qiáng)的柱狀晶產(chǎn)生。

試驗(yàn)采用的焊接參數(shù)見表5。

表5 試驗(yàn)采用的焊接參數(shù)

3.3 減小坡口間隙

坡口間隙較大時,打底焊道相對較薄,不但抗拉能力低,抗裂性能差,而且還會加快焊道的冷卻速度,產(chǎn)生較大的焊接熱應(yīng)力,這更加不利于防止裂紋產(chǎn)生。因此,本試驗(yàn)將坡口間隙由原來的6~10mm減小至4~6mm,可適當(dāng)增加打底焊道的厚度,減緩焊后冷卻速度,從而能有效防止裂紋的產(chǎn)生。

3.4 預(yù)制反變形

以往焊接前,為了保證組裝的精度,均采用重物壓緊的剛性拘束法,會使焊縫產(chǎn)生相當(dāng)大的拘束應(yīng)力,這也是打底焊道容易開裂的重要原因之一。本試驗(yàn)對車底架主梁預(yù)制適量的反變形,從而去除剛性拘束,既消除了焊接接頭的拘束應(yīng)力,降低了焊縫開裂傾向,又保證了主梁的裝配精度。

4 實(shí)施效果

上述一系列措施實(shí)施后,打底焊道中心縱向結(jié)晶裂紋發(fā)生的概率顯著降低,由以前的38%降低到5%。這不僅避免了大量的焊縫返修工作,還使母材免除了因缺陷切割、補(bǔ)焊帶來的再次受熱,進(jìn)而降低了接頭組織晶粒粗化的概率,有效保障了機(jī)車車底架的質(zhì)量安全。

此外,采用實(shí)芯焊絲進(jìn)行打底焊,獲得了足夠的熔深,根部死角的焊透性好,有效避免了根部及坡口未熔合等缺陷,進(jìn)一步保障了焊接質(zhì)量。

5 結(jié)束語

1)采用藥芯焊絲TWE-8112Ni焊接Q460E鋼板對接打底焊道時,產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的主要原因是:TWE-811Ni2中含有大量Ni,造成焊縫一次結(jié)晶組織中γ相大幅增加,使S、P等雜質(zhì)溶解度降低,晶間偏析程度顯著增大;在焊縫凝固時,Ni與S、P等元素在固相線附近形成液態(tài)的低熔點(diǎn)化合物或低熔點(diǎn)共晶組織,在應(yīng)力作用下形成結(jié)晶裂紋。

2)通過采用實(shí)芯焊絲打底、藥芯焊絲填充蓋面的復(fù)合焊接工藝,同時采取控制焊接熱輸入、減小坡口間隙、預(yù)制反變形及去除剛性拘束等措施,有效地阻止了打底焊道中心縱向結(jié)晶裂紋的產(chǎn)生,裂紋發(fā)生率由之前的38%降低到5%。

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