材料热力学在焊接中的应用

第一篇：材料热力学在焊接中的应用

材料热力学在焊接中的应用

1.材料热力学在吕铁异种材料连接中的应用

铝及铝合金具有比强度大、重量轻等特性“而钢具有高强度、抗腐蚀性等优点”因此铝和钢的焊接结构具有越来越广泛的应用前景。但对铝/钢异种金属材料连接而言“两者之间的固溶度很低”物理化学性能差异明显“极易反应生成一定厚度的Fe-Al金属间化合物”，生成的金属间化合物主要以脆性相为主, 根据二元相图,铁和铝两者相互作用可以形成Fe3Al , FeAl2 , Fe2Al5 与FeAl3等一系列金属间化合物"。为进一步探明铝/镀锌钢板界面反应区的组织结构与生成物和进一步说明在铝/钢异种金属焊接过程中各Fe-Al金属间化合物的生成机理，可以采用热力学计算的方法，预测铝/镀锌钢板焊接接头界面处各Fe-Al金属间化合物相生成的可能性。

各种Fe-AL-金属间化合物相的吉布斯标准自由能可表示为

纯液态铁的自由能为:

左式中的一项是体心立方晶格的铁的标准吉布斯自

由能，第二项是具有磁性的铁的吉布斯自由能，第三项是非磁性Bcc铁转化为液态铁时的吉布斯自由能的变化

在二元组分体系中,某一组分的偏摩尔吉布斯自由能即为该组分的化学势,因此可得:

同理,可得AI的化学势。金属间化合物的吉布斯自由能变化计算和绘图的结果如下图所示：

通过计算可以得出Fe Al形成相的标准吉布斯自由能最大，当温度介于300~1500 K时，形成Fe Al的吉布斯自由能大于零，所以在焊接铝和钢的过程中Fe Al不可能生成Fe Al而其他化合物在此温度区间内均可形成。

另外，有关研究发现，FeAl2是一种亚稳相，因而在焊接过程中，这种化合物也不可能生成。而Fe3Al的生成吉布斯自由能在温度低于900 K时小于零，当温度超过900 K时大于零。且整个温度范围内几乎接近于零，说明在温度小于900 K时，该化合物在铝铁界面上可能生成，当温度超过900K时，该化合物在铝铁界面上不可能生成。由计算还可得Fe2Al5的吉布斯自由能变化比生成FeAl3的要小得多。根据吉布斯判据，吉布斯自由能的值越负，说明反应的自发性越强，故在铝/镀锌钢板焊接接头界面处开始形成的金属间化合物可以认是Fe2Al5此 外Fe2Al5相具有斜方型晶体结构，沿C轴具有较多原子空位，AL原子容易占据此处，因此Fe2Al5长大很快，在随后的冷却过程中Fe2Al5与多余的Al原子结合而生成层次不齐的Fe3Al相。通过上面的热力学分析可知，在铝/镀锌钢板焊接接头界面处可以生成Fe2Al5和FeAl3这两种化合物相。

通过对Fe-Al金属间化合物的热力学计算，结果表明，在铝/钢异种金属焊接界面处可以生成Fe2Al5和FeAl3两种化合物相，与实验结果基本一致。并且由于生成的Fe2Al5的吉布斯自由能变化比生成FeAl3的要小得多，故在界面上Fe2Al5要比FeAl3优先生成，而FeAl3相是在熔体冷却过程中Fe2Al5与Al原子结合而生成的。

2材料热力学在研究焊缝形成过程中的应用

研究钛合金电子束焊接接头相变的热力学特征，从热力学角度分析钛合金电子束焊接接头在不同的热处理条件下形成不同组织结构的机制，可以为通过改变热处理制度控制钛合金电子束焊接接头相变的方法提供理论基础。通过热力学研究钛合金电子束焊接接头相变的热力学特征表明，钛合金电子束焊接接头的相变驱动力来源于新相马氏体和母相的化学自由能差，形成的马氏体贯穿整个晶粒，并且其取向呈一定的角度；低于Ms点的焊后热处理只能使马氏体长大，而高于Ms点的焊后热处理不仅使马氏体长大，还使部分β相成为饱和固熔体，并残留在马氏体片层之间。

总之，材料热力学在焊接中有着重要的应用，材料热力学是研究焊缝成型与熔渣的重要理论基础。焊缝成型过程中金属的凝固是非常快的，在较大温度梯度下组织转变必然与其他不同，但它也不可例外的符合热力学规律，因此利用热力学研究焊缝成型过程及产物是可靠的。热力学在焊接熔渣的活度研究方面也有着重要的应用，由于焊剂的复杂性研究各个成分的活性，从而确定各成分的作用与配比，以有助于焊接质量的提高。利用材料热力学的知识研究气体夹杂等对焊缝的影响方面也是和有用的。

第二篇：超声波探伤仪在焊接中的应用

超声波探伤仪在焊接中的应用

一、无损检测的方法: 无损检测的常规方法有直接用肉眼检查的宏观检验和用射线照相探伤、超声波探伤、磁粉探伤、渗透探伤、涡流探伤等仪器检测。肉眼宏观检测可以不使用任何仪器和设备，但肉眼不能穿透工件来检查工件内部缺陷，而射线照相等方法则可以通过各种各样的仪器或设备来进行检测，既可以检查肉眼不能检查的工件内部缺陷，也可以大大进步检测的正确性和可靠性。至于用什么方法来进行无损检测，这需根据工件的情况和检测的目的来确定。

二、超声波的常识: 超声波频率超过人耳听觉，频率比20千赫兹高的声波叫超声波。用于探伤的超声波，频率为0.4-25兆赫兹，其中用得最多的是1-5兆赫兹。利用声音来检测物体的好坏，这种方法早已被人们所采用。例如，用手拍拍西瓜听听是否熟了；医生敲敲病人的胸部，检验内脏是否正常；用手敲敲瓷碗，看看瓷碗是否坏了等等。但这些依靠人的听觉来判定声响的检测法，比声响法要客观和正确，而且也比较轻易作出定量的表示。由于超声波探伤具有探测间隔大，探伤装置体积小，重量轻，便于携带到现场探伤，检测速度快，而且探伤中只消耗耦合剂和磨损探头，总的检测用度较低等特点，目前建筑业市场主要采用此种方法进行检测。

三、超声波探伤在焊接中的应用: 首先要了解图纸对焊接质量的技术要求。目前钢结构的验收标准是依据GB50205-95《钢结构工程施工及验收规范》来执行的。标准规定：对于图纸要求焊缝焊接质量等级为一级时评定等级为Ⅱ级时规范规定要求做100%超声波焊接；对于图纸要求焊缝焊接质量等级为二级时评定等级为Ⅲ级时规范规定要求做20%超声波探伤；对于图纸要求焊缝焊接质量等级为三级时不做超声波内部缺陷检查。在此值得留意的是超声波探伤用于全熔透焊缝，其探伤比例按每条焊缝长度的百分数计算，并且不小于200mm。对于局部探伤的焊缝假如发现有不答应的缺陷时，应在该缺陷两真个延伸部位增加探伤长度，增加长度不应小于该焊缝长度的10%且不应小于200mm，当仍有不答应的缺陷时，应对该焊缝进行100%的探伤检查，其次应该清楚探伤时机，碳素结构钢应在焊缝冷却到环境温度后、低合金结构钢在焊接完成24小时以后方可进行焊缝探伤检验。另外还应该知道待测工件母材厚度、接头型式及坡口型式。截止到目前为止在实际工作中接触到的要求探伤的尽大多数焊缝都是中板对接焊缝的接头型式，所以下面主要就对焊缝探伤的操纵做针对性的总结。

一般地母材厚度在8-16mm之间，坡口型式有I型、单V型、X型等几种形式。在弄清楚以上这此东西后才可以进行探伤前的预备工作。在每次探伤操纵前都必须利用标准试块（CSK-IA、CSK-ⅢA）校准仪器的综合性能，校准面板曲线，以保证探伤结果的正确性。具体的方法如下：

1、探测面的修整：应清除焊接工作表面飞溅物、氧化皮、凹坑及锈蚀等，光洁度一般低于▽4。焊缝两侧探伤面的修整宽度一般为大于即是2KT+50mm，（K:探头 K值，T：工件厚度）。一般的根据焊件母材选择K值为2.5探头。例如：待测工件母材厚度为10mm,那么就应在焊缝两侧各修磨100mm。

2、耦合剂的选择应考虑到粘度、活动性、附着力、对工件表面无腐蚀、易清洗，而且经济，综合以上因素选择浆糊作为耦合剂。

3、由于母材厚度较薄因此探测方向采用单面双侧进行。

4、由于板厚小于20mm所以采用水平定位法来调节仪器的扫描速度。

5、在探伤操纵过程中采用粗探伤和精探伤。为了大概了解缺陷的有无和分布状态、定量、定位就是精探伤。使用锯齿形扫查、左右扫查、前后扫查、转角扫查、环绕扫查等几种扫查方式以便于发现各种不同的缺陷并且判定缺陷性质。

6、对探测结果进行记录，如发现内部缺陷对其进行评定分析。焊接对头内部缺陷分级应符合现行国家标准GB11345-89《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》的规定，来评判该焊否合格。假如发现有超标缺陷，向车间下达整改通知书，令其整改后进行复验直至合格。

四、焊缝检验 焊缝检验方法: 1,外观检查.2,致密性试验和水压强度试验.3,焊缝射线照相.4,超声波探伤.5,磁力探伤.6,渗透探伤.关于返修规定:具体情况具体对待,总之要力争减少返修次数在厂房建设及设备安装中大量使用钢结构，钢结构的焊接质量十分重要，无损检测是保证钢结构焊接质量的重要方法。一般的焊缝中常见的缺陷有：气孔、夹渣、未焊透、未熔合和裂纹等。到目前为止还没有一个成熟的方法对缺陷的性质进行正确的评判，只是根据荧光屏上得到的缺陷波的外形和反射波高度的变化结合缺陷的位置和焊接工艺对缺陷进行综合估判。对于内部缺陷的估判以及缺陷产生原因和防止措檀越有有以下几点：

1.气孔：单个气孔回波高度低，波形为单缝，较稳定。从各个方向探测，反射波大体相同，但稍一动探头就消失，密集气孔会出现一簇反射波，波高随气孔大小而不同，当探头作定点转动时，会出现此起彼落的现象。产生这类缺陷的原因主要是焊材未按规定温度烘干，焊条药皮变质脱落、焊芯锈蚀，焊丝清理不干净，手工焊时电流过大，电弧过长；埋弧焊时电压过高或网络电压波动太大；气体保护焊时保护气体纯度低等。假如焊缝中存在着气孔，既破坏了焊缝金属的致密性，又使得焊缝有效截面积减少，降低了机械性能，特别是存链状气孔时，对弯曲和冲击韧性会有比较明显降低。防止这类缺陷防止的措施有：不使用药皮开裂、剥落、变质及焊芯锈蚀的焊条，生锈的焊丝必须除锈后才能使用。所用焊接材料应按规定温度烘干，坡口及其两侧清理干净，并要选用合适的焊接电流、电弧电压和焊接速度等。2.夹渣：点状夹渣回波信号与点状气孔相似，条状夹渣回波信号多呈锯齿状波幅不高，波形多呈树枝状，主峰边上有小峰，探头平移波幅有变动，从各个方向探测时反射波幅不相同。这类缺陷产生的原因有：焊接电流过小，速度过快，熔渣来不及浮起，被焊边沿和各层焊缝清理不干净，其本金属和焊接材料化学成分不当，含硫、磷较多等。防止措施有：正确选用焊接电流，焊接件的坡口角度不要太小，焊前必须把坡口清理干净，多层焊时必须层层清除焊渣；并公道选择运条角度焊接速度等。

3.未焊透：反射率高，波幅也较高，探头平移时，波形较稳定，在焊缝两侧探伤时均能得到大致相同的反射波幅。这类缺陷不仅降低了焊接接头的机械性能，而且在未焊透处的缺口和端部形成应力集中点，承载后往往会引起裂纹，是一种危险性缺陷。其产生原因一般是：坡口纯边间隙太小，焊接电流太小或运条速度过快，坡口角度小，运条角度不对以及电弧偏吹等。防止措施有：公道选用坡口型式、装配间隙和采用正确的焊接工艺等。

4.未熔合：探头平移时，波形较稳定，两侧探测时，反射波幅不同，有时只能从一侧探到。其产生的原因：坡口不干净，焊速太快，电流过小或过大，焊条角度不对，电弧偏吹等。防止措施：正确选用坡口和电流，坡口清理干净，正确操纵防止焊偏等。

第三篇：高分子材料在汽车焊接装配中的应用

高分子材料在汽车焊接装配中的应用

车制造过程是由金属、非金属材料经过锻造、冲压、焊接、装配等工序组成的复杂的过程。汽车车身是汽车的主要组成部分，是汽车功能的主要载体，要求其具有美观时尚的外形，以满足人们的审美观；要求其具有安全的结构强度，以保证驾乘人员安全；要求其具有优良的密封性和防腐蚀性以及防噪、防震、隔热、隔音、阻尼功能，降低车内噪音和振动，从而提高车身使用寿命，并为顾客提供更为舒适的驾乘空间。因而作为保证和实施上述功能的车身焊装技术及新型高分子材料的应用，日益为汽车制造商所重视。

近年来，在汽车焊装工序中，广泛采用高分子粘接和密封技术来提高车身强度、耐疲劳性、抗腐蚀性、密封性、减震降嗓性等指标，并部分取代了焊接技术。本文将对该工序近年来的一些高分子材料的应用情况做一些介绍。

在焊装线使用的粘接、密封、补强材料，除了要满足汽车用胶的一般性能外，焊装工序用材料还必须具有优良的油面施工性和粘接性，无毒害，不易燃，能承受涂装前处理工艺的冲洗，不污染电泳液及涂层质量，对涂装工艺不会产生不良影响等特殊要求。目前焊装工序应用的高分子材料主要有6类： 折边胶和折边胶带(结构胶)

汽车的车门、发动机罩盖和行李箱盖板等部件通常是将内、外盖板折边后点焊连接的。但是这种工艺使车身表面增添了许多由焊接而造成的凹坑，严重影响了车身的外观质量。为了解决这个问题，国外从70年代开始采用粘接取代点焊的方法来生产汽车车门、发动机罩和行李箱盖的折边结构，所用的粘接剂称为折边胶。图1为折边工艺过程示意图。

以粘接代替焊接制造汽车折边部件有着十分广泛的应用前景，是汽车制造工艺的发展方向之一，在国外汽车厂家已获得广泛应用。根据国外标准和应用情况，折边胶剪切强度不应小于20Mpa，剥离强度不应小于3KN/m。除了车门、发动机罩、行李箱盖以外，也可用于侧围等其它部位。折边胶带(或结构胶片)是随着国外新车型进入我国的高性能汽车结构粘接材料，现用于一汽丰田轿车的中控门锁加强件等部位的粘接，该部位由于间隙较大，因而糊状折边胶因施工问题难以应用。折边胶带的剪切强度、剥离强度等主要参数均优于折边胶，可部分代替糊状折边胶使用，例如字通客车，但价格较贵，适合推广应用于汽车其他间隙较大或高承力结构部位的粘接。折边胶带(片)己由北京龙苑公司研制成功并成功应用，产品符合日本丰田技术标准。点焊密封胶和焊接胶带

焊装工序是将冲压好的各种薄板零件采用焊接方法组装部件，如今在大规模自动化的汽车生产线上，点焊焊接工艺被普遍采用。但该工艺存在的缺陷是，两个焊点之间焊缝存在不可避免，焊缝处密封性的好坏直接关系到车身的质量和耐锈蚀能力，是整车技术性能中一项十分重要的指标。在汽车制造中，如果各钣金件连接处的缝隙没有采取有效措施进行密封，汽车在行驶中必然出现漏水、透风和漏尘现象，严重的

可能引起焊缝处钢板的锈蚀，使钢板过早穿孔，加速车辆的报废。汽车制造业现在通用的焊缝密封方法是涂布点焊密封胶。按其使用性能上可以分为膨胀型和非膨胀型两大类，使用工艺如下：冲压件在焊装前，将胶涂敷在冲压件结合处的单板上，然后将两板合拢点焊，点焊胶随电泳漆、中涂面漆等烘烤工序一块固化。

汽车生产中使用的点焊密封胶要求具有好的施工工艺性、触变性，能够保证密封性能，在经过后序涂装工艺前处理时，不被冲洗掉，同时不能污染电泳液，点焊胶中不能含有有机硅类物质，微量的有机硅树脂都可能对电泳漆和面漆质量造成危害。点焊胶不能影响焊点的强度，焊接时不能分解出有毒气体或能引起金属锈蚀的物质，加热过程中不流淌，胶膜固化后足够的弹性和附着力，耐介质，耐老化。

上面介绍的点焊胶绝大多数都是膏状物，这种膏状密封胶在性能上能满足技术要求，但在施工工艺上却有不足之处，如需专用机械涂胶机或手动涂胶枪；施胶量不易控制，施胶过多会在搭接件点焊时溢出，污染工位，影响生产效率；过少时易产生缝隙，导致密封失败。我们公司根据日本同类产品指标，结合多年为各大汽车厂配套服务的经验，研制出了膨胀型点焊密封胶带，产品性能完全达到了日本丰田技术标准，克服了糊状点焊胶施工不方便的缺点，大大提高了汽车生产厂家的生产效率。膨胀型防震粘接剂(半结构胶)在汽车车身制造过程中，车身覆盖件外板与车架的、车身驾驶室顶盖与加强梁、车门、发动机罩盖以及行李箱盖与加强梁或内外板等部件的组合，过去通常采用直接焊接方法。该类部件中零件之间的间隙较大，点焊或C02保护焊均会严重影响制件外观质量，而且较大的间隙在行车中可能因振动而生产噪音。为了克服以上缺点，现在通常做法为在焊装前，将膨胀型防震粘接剂涂布在薄板与加强件之间，经油漆烘干设备加热固化，胶层具有较高的粘接强度，受热膨胀后将加强件与外板紧密结合成为一体，可以完全取消结合焊点，因而可以提高车身外表的美观性，消除行车中的振动和噪声，膨胀型防震粘接剂的使用部件如图2。

膨胀型防震粘接剂通常为糊状物，其使用工艺条件和要求与点焊密封胶基本相同。由于是糊状，膨胀型防震粘接剂在用于汽车引擎盖、车身侧板等大缝隙填充减震时，由于施胶部位间隙都比较大，在施胶后的装配过程中常常引起胶料挤出飞流挂，导致缺胶起不到减震效果的问题。国外最新进展是采用成型的膨胀橡胶胶带来解决该问题，该膨胀型减震胶带由于采用合成橡胶材料，状态呈固态，克服了上述缺点，而

且减震效果也远远优于糊状减震材料。龙苑公司吸取国外同类产品优点，已研制成功并有多种型号产品获得广泛应用。补强胶片(部件局部增强和延寿材料)

随着汽车向轻量化、高速、节能方向的进一步发展，车身钢板厚度控制越采越严，汽车钢板在车身成型过程中，因冲压拉伸变得较为薄弱，加之在汽车长期使用过程中，薄弱处如车门拐角、拉手等部位经常开启、关闭受到反复的拉力、撞击和振动等应力作用，会导致该处金属板产生疲劳，在应力能量不能分散、消耗情况下，导致这些部位产生裂纹。国外汽车厂家譬如丰田、大众等一般采用局部粘贴复合材料补

强的方法来解决该问题。粘贴补强胶片的目的就是通过补强胶片中橡胶分子的松弛作用，在受力作用下产生位移和形变，使应力均匀分散，从而消耗掉外界施加的能量，消除或减弱应力能量对钢板的影响，增强其抗疲劳性，避免裂纹的产生或阻止其扩展。

通过贴附补强胶片不仅能提高钢板的疲劳断裂强度，弯曲强度和刚度，且在碰撞时通过自身形变吸收冲击能量，提高车身耐撞性，有效提高车身的安全性能指标。图4为二者对比，由数据可看出：粘贴补强胶片钢板的最大破坏载荷为810牛顿，比未粘贴补强钢板的最大破坏载荷643牛顿高出167牛顿，增加了25%的破坏载荷。由此可见，在需要局部增强的部位粘贴补强胶片可以大大提高部件的使用寿命。补强胶片系近两年来国内汽车长开始使用的新产品，本公司生产的LY—306和LY-308补强胶片已在多家汽车厂成功应用获得一致好评。

隔音降噪一高膨胀填充物

为了降低汽车车身整体重量而不降低汽车整体强度，往往将某些加强部位做成空腔结构，如车身前风挡玻璃两侧立柱(A立柱)、门立柱(B立柱)等部位，但这些部位在车辆高速行驶过程中，车身的扭转刚度对汽车行驶性能影响显著，刚度不强，A、B立柱、车门、顶盖等断面在汽车行驶过程中受力产生变形，尤其是在发生意外碰撞是后更是如此；而且车身外部噪音会进入立柱空腔，产生共振现象而导致车厢内噪音升高，从而影响汽车的驾乘舒适性。目前汽车工业开始使用新型的高发泡材料用于汽车补强、降噪。目前大多数高档车型如奥迪A6都在A立柱填充了发泡材料。

目前应用的高膨胀材料一般分为两类，一类是单组份聚氨酯发泡材料，发泡倍率10～20倍左右，主要在总装工序使用，其优点是膨胀倍率高，施工迅速，缺点是需要专门的施工设备，投资大，单组分发泡聚氨酯成本高；另一种是橡胶型高发泡材料，发泡倍率在8～15，用于焊装工序，同电泳、中涂、面漆一块膨胀固化，其优点是施工方便，投资小，不污染电泳液、面漆，缺点是膨胀率不如单组分发泡聚氨酯。

试验证明，同等质量的发泡增强材料比传统的钢板加厚材料的抗冲击性能提高100%左右，本公司与一汽合作试验，通过对某车型50辆汽车A/B立柱填充LY—307橡胶型高膨胀填充物，其驾驶室平均噪音下降5分贝左右。

六、导电防腐涂料-导电底漆

在轿车行业，车身都是采用电泳来解决车身防锈问题的，但在客车行业，因为客车车身巨大，如果采用电泳漆而要修建的电泳槽投资太大，因而国内客车企业大部分采用涂刷防锈漆的方法解决车身防锈问题，传统的防锈漆均不导电，一般是先将焊接组装后涂刷防锈漆，或者先涂防锈漆，再于焊装前打磨掉待焊部位的防锈漆，这样在焊点部位乃至整个搭接区域未得到有效的防腐蚀保护，往往导致该部位产生锈蚀

源。本公司的单组分/双组分导电底漆既有效的实现了全面防护，又满足了焊装工艺的要求，多年采在北京北方、金华北方、宇通客车、重庆安凯、中通客车等成功使用，反映良好。

上文简要介绍了几种新型高分子材料在汽车焊装工序中的应用情况，随着国际间汽车制造技术的发展和交流，必将有更多更新的高分子材料应用于汽车制造工业。

参考文献 1 聂清武 时鸿栋 在汽车车身成型工艺中如何正确选用点焊密封胶 粘接，1997，(4)：34～37； 邓仕珍 范增海 汽车车身制造工艺学 北京：北京理工大学出版社，1997； 3 乐玉汉 轿车车身设计 北京：高等教育出版社，2000； 伍必兴 栗成金 聚合物基复合材料北京：航空工业部材料室，1990； 5 杨清芝 现代橡胶工艺学 北京：中国石化出版社，1999； 马宝珊 吴荣珍 科学工作者常用数据手册 黑龙江：黑龙江科学技术出版社，1986。作者简介：聂清武(1943一)，男，研究员级高级工程师。1966年毕业于西北工业大学高分子材料专业，本科学历：1976年起从事航空结构胶接技术方面研究，共获国家科技进步二等奖、航空科技进步二等奖等6项。1989年创办龙苑公司，现任公司总经理。

第四篇：CO2焊接工艺及其在造船中的应用

CO2焊接工艺及其在造船中的应用

——焊接工艺及设备论文

作者：邱广贺

周凯莉

姜兴海

陈家奥

张世超

杜宗宪

分工情况：

邱广贺：负责整体概况，及所有章节编写。

周凯莉：负责焊接工艺部分资料查找。

姜星海：负责应用案例部分资料查找。

陈家奥：负责论文排版布局。

张世超：负责论文修改审查。

杜宗宪：负责论文打印装订。

2014.12

CO2焊接工艺及其在造船中的应用

摘 要：CO2气体保护焊是利用CO2作为保护气体的一种熔化极电弧焊方法，简称CO2焊。该项技术无论在研究开发的深度方面，还是在应用的广度方面, 都有了很大发展。本文通过对CO2气体保护焊的介绍，以及对CO2气体保护焊在造船业的应用的阐述，并通过对我国造船业焊接技术现状及日本造船业焊接技术现状的对比，从而展望我国船用焊接技术的发展前景。

关键词：CO2气体保护焊；焊接工艺；造船

正 文：

1.CO2气体保护焊的特点

CO2气体保护焊是用CO2作为保护气体,依靠焊丝与焊件之间产生的电弧来熔化金属的一种电弧焊接法。CO2气体比重大,受电弧加热后体积膨胀大,所以在保护电弧和焊接熔池、避免有害气体侵入方面,效果显著。其特点如下: 1.CO2气体是酒精厂的附产品,来源广,价格低,而且消耗的焊接电能少,其焊接成本只有埋弧焊和手弧焊的40%～60%；

2.因使用的焊接电流密度高达100～200安/毫米²,使熔深增大,焊丝熔化率提高, 熔敷速度加快。另外, 焊后没有焊渣,特别是在进行多层焊时,节省了清渣时间, 所以其生产率通常比手弧焊高1～4倍；

3.可使焊工不必在窄小舱室等恶劣环境下进行手工仰焊；

4.CO2气体保护焊中,熔池具有强烈的沸腾现象,有利于气体逸出,同时由于采用了高锰硅型焊丝,使焊缝金属的还原作用大为增加,对铁锈的敏感性大为降低。因此, 焊缝中不易产生气体,而且含氢量低,其强度和冲击韧性都较高；

5.由于熔深大,工作的钝边也可由手弧焊的2mm到4～6mm,坡口角度可由一般的60°减少到45°,这样也就大大减少了熔敷金属量； 6.由于电弧热量集中,加热面积小,焊速快,同时CO2气流具有较大的冷却作用, 因此焊接热影响区和焊接变形较小,特别适合于焊接薄板；

7.由于是明弧焊,可以看清电弧和熔池,能随时发现问题而加以调整。同时,CO2半自动焊具有手弧焊的灵活性,特别适宜于全位置焊接。CO2气体保护焊还易于实现机械化和自动化；

8.CO2气体保护焊也存在一些不容忽视的问题,如:飞溅较大,焊缝表面形成较差；不能在有风的地方施焊,否则容易出现气孔；很难用交流电焊接,焊接辅助设备较多。

2.CO2气体保护焊的焊接工艺参数的选择

合理地选择焊接工艺参数是获得优良焊接质量和提高焊接生产率的主要条件。

2.1 焊丝直径的选择

焊丝直径应根据焊件厚度、焊接位置及生产率的要求来选择。当焊接薄板或中厚板的立横、仰焊时,多采用直径在1.6mm以下的焊丝；在平焊位置焊接中厚板时,可以采用直径1.2mm以上的焊丝。焊丝直径的选择可参照下表：

2.2 焊接电流

用直径0.8～1.6mm的焊丝,短路过渡时,焊接电流通常在50～230A内；对于平板外缝和底板内缝这种水平位置的焊缝,为了提高焊接速度,可以选取25OA以上电流,与焊丝直径相适应。

2.3 电弧电压

当焊丝直径、电流、焊接位置一旦确定,最佳的焊接电弧电压往往只有2V左右的变化(通常电弧电压在17～24V范围内),必须仔细认真地进行调整,过高或过低都会影响焊缝成形或产生飞溅,或易生成气孔,或是电弧不稳定。

2.4 焊接速度

在一定的焊丝直径、焊接电流和电弧电压条件下,焊速增加,熔宽与熔深减小, 焊速过大, 容易产生咬边及熔合等缺陷, 且气体保护效果变差,可能出现气孔；但焊速过低,则生产率下降。一般焊接速度控制在15～40m/h。

2.5 焊丝伸出长度

焊丝伸出长度对焊接过程的稳定性、飞溅、焊缝的成形及气体保护均有影响, 伸出过长过短都不合适。焊丝伸出长度取决于焊丝直径,一般约等于焊丝直径的10倍,且不超过15mm。

2.6 CO2气体的流量

CO2气体流量应根据焊接电流、焊接速度、焊丝伸出长度及喷嘴直径等选择, 细丝为5L/min～15L/min ,粗丝为2OL/min。

2.7 电源极性及电路电感值

为了减少飞溅,保证焊接电弧稳定燃烧,一般都采用直流反接。

电路电感值应根据焊丝直径和电弧电压来选择。电感值通常随焊丝直径增加而增大,可通过试验来确定,若焊接过程稳定,飞溅很少,则此电感值是合适的。

3.我国船用焊接技术发展现状 3.1 我国船用焊接设备技术发展现状 从图2中分析可知，我国的机械化、自动化焊接主要是半自动CO 焊和埋弧自动焊等，焊接机器人几乎等于零,因此处于自动化焊接的初级阶段，与日本、韩国相比存在较大的差距，尤其在机器人焊接方面存在较大的发展空间。

3.2 我国船用焊接材料技术发展现状

一个国家焊接消耗材料的生产情况可以反映该国焊接技术的总体水平。近8年来我国产量增加了两倍多。仅统计焊条与焊丝，1996年产量为62.96万吨，发展到2003年已达192万吨，如果加上进口的焊材，总耗量超过200万吨，成为世界最大的焊材生产与消费国家。

但从不同焊材的产量构成看（表4）,在我国生产的焊材中，手工焊的焊条产量一直占75%以上，而机械化、自动化焊接需要的各种焊丝总量不足25%。按熔敷金属计算，我国焊接机械化、自动化率仅能达到35%左右，而世界工业发达国家一般都在60%以上。可见我国焊接生产的总体自动化率仍比较低。埋弧焊多在船舶、压力容器、管道和钢结构件的制造中使用。我国埋弧焊丝的产量近年来也有较大增长，但是只占焊材总量的5%左右。而工业发达国家埋弧焊丝的比例一般在8%～10%。

目前我国船厂焊接高效化率平均已达到90%以上，而且所应用的焊接材料除小部分的专用药芯焊丝需要进口外，其余均已采用国产焊接材料，这也为降低焊接成本作出一定的贡献。表5为2003年我国船厂使用的焊材比率。

4.日本船厂应用CO2气保护焊近况 总的说,日本造船焊接技术朝着效率更高、更机械化、更实用的方向发展。一些原有的焊接工艺更成熟,配套装置更完善,机器人的应用在船用管子焊接中基本过关,在造船的其他工位也开始逐步应用。

4.1 部件装配阶段的应用

由于日本船厂目前采用的钢板日趋大型,最大的钢板尺寸达4.5×22m。因此, 有些船厂已开始采用单板法工艺进行造船,即在钢板拼板焊接前预先焊装加强筋板的方法。

拼板焊接多见FCB法,机头大多为多头焊机。如长崎造船厂在拼板工位上的埋弧焊机为三丝埋弧焊机。焊接时,前丝通常采用中4.8mm焊丝,后二根丝则较祖, 均为巾φ6.4mm。焊机导向采用前导向轮在焊缝坡口内导向的办法,以减少搬运安装轨道的工作量。实际施工时,则根据不同的板厚选择单丝、双丝或三丝,保证一次焊接即能完成一条捍缝。

为了提高加强筋板的焊接效率,日本各船厂广泛在多头焊机上下功夫。例如前面提到的香烧工场20头CO2自动角焊机,一次可同时完成5根肋骨板的角焊, 效率极高。整个装置较为庞大,所有的焊机、焊丝都固定在可移动横梁架上,而控制系统则负责对中、焊接工艺参数、焊接同步等的控制。另外,在香烧工场还见到1台“十点同时点焊机双,主要用以焊接“L”型加强筋板,目的是减少焊接工作量和焊接变形, 提高焊接效率。焊点的间距约为200mm,焊后的焊点直径通常达25mm。由于不同于塞焊,其筋板厚度通常以小于6mm为宜。完成10点焊接仅需时7s。点焊时采用中φ1.6mmCO2气保护焊丝进行焊接,效率颇高。而对于大型“T”排。以及重复性较大的零件,则大都在专用的角焊装置上进行角接焊,尽可能减少手工操作。

4.2 船台装配阶段的应用

日本造船焊接的一大特点是尽可能多地采用单面焊接方法。船台装配阶段CO2气保护焊的应用情况大致如下:(1)甲板的焊接

甲板的纵缝由于装配条件较好,因此大都采用单丝或双丝的FAB单面焊法,而横接缝的焊接由于装配间隙、板边差、焊接位置等因素,不少部位则采用CO2气保护单面焊接法,其反面衬垫在香烧工场多见新日铁提供的SB-41衬垫。盖面层考虑到提高焊接效率,多数采用埋弧自动焊盖面。

(2)舷侧板的焊接

三家船厂对舷侧边板横向对接缝的焊接,均采用SB-41衬垫的CO2气保护半自动单面焊方法。衬垫粘贴在舷侧板内侧,焊工则在外侧面焊接。为防止风的干扰,焊接区局部用一矩形挡风框。立向对接焊缝所用衬垫亦同,不同的是,对于弯曲段的焊接大都见衬垫粘贴于舷侧板外侧,即焊工在内侧面进行焊接。平直段则采用SEGARC-2装置的垂直自动气电焊(国内部分船厂已有引进),衬垫为KL-4GT专用衬垫,悍丝为DWS-43G。据介绍,工艺上要求坡口伺隙通常为6±2mm , 板边差应小于1mm。

5.我国船用焊接技术的发展前景

5.1 大力发展逆变焊机，提高逆变焊机的使用比例

电弧焊是造船厂最重要、应用最广泛的一种焊接工艺，在船舶建造中要获得优良的焊接质量，就必须有好的焊接设备作保证。逆变式弧焊机具有良好的电气性能和焊接工艺性能，是目前国际上公认的最先进的电焊机，也是最具有发展潜力的一种焊机。在造船厂推广应用IGBT逆变式CO2焊机最具有现实和长远的技术经济价值。

5.2 大力推广应用药芯焊丝

药芯焊丝是20世纪后期飞速发展起来的一种新型焊接材料，它摒弃了焊条和实芯焊丝的缺点，并进一步发展了两者的优越性。其特点是高效（熔敷效率是手工焊条的4倍，比实芯焊丝也高许多）、焊接质量优良、节能、节材、综合成本低、焊接工艺性能好，且可与CO2焊接工艺相结合，目前船厂已普遍采用CO2气保药芯焊丝来焊接船舶结构。

5.3 大力发展新工艺、新方法

重点推广应用平面分段装焊流水线拼板工位多丝埋弧自动焊单面焊双面成形新工艺、新装备。船体平面分段构架装焊采用半自动或自动气体保护角焊工艺，船台大合拢时的垂直对接缝（长度达15～30m）采用CO2气电垂直自动焊工艺提高焊接速度的双丝单面MAG焊接技术与装备。

参考文献：

[1] 刘斌.金属焊接技术基础.国防工业出版社，2012.7.[2] 张洪涛，陈玉华.特种焊接技术.哈尔滨工业大学出版社，2013.8.[3] 黄新珍,马玉江,陈家本.船舶工业技术经济信息.《现代船舶工业中逆变焊机与气保护焊丝的应用情况》,2004.227(3):38-41.[4] 陈家本,郑惠锦.船舶焊接技术与可持续发展.机械工人,2005.10.[5] 船舶高效焊接技术指导组2003年工作总结和2004年工作计划，2004.7.[6] 陈家本.船舶焊接机械化、自动化的概况与发展趋势.船舶高效焊接,2004.7.[7] 林尚扬.我国焊接生产现状与焊接技术的发展.船舶工程,2005.2.

第五篇：激光焊接在船舶制造中的应用前景

激光焊接在船舶制造中的应用前景

在20世纪90年代中期，激光作为一种重工业制造工具用于造船工业。大型舰船制造方法逐渐实现由铆接到焊接的变革，焊接方法、工艺和设备也稳步发展，从早先的气焊、电弧焊，发展到激光焊。造船技术的不断发展，带动了造船材料和设计的重大变化。图1所示为造船工业中三明治夹层板的激光焊接。

图1 造船工业中“三明治”板的激光焊接

早期日本的一些船厂就使用激光切割设备获得了准确的切割尺寸和良好的切割质量，并从中受益。1992年，Vosper Thornycroft在欧洲船厂安装了第一台激光切割设备。90年代中、后期，欧洲船厂纷纷安装了用于焊接和切割的成套设备。在美国，Bender 船厂是第一家使用高功率激光切割设备的船厂。1999年Bender 使用6KW的Tanaka LMX Ⅲ激光器，在制造成本和质量上取得了巨大进步。2001年，联邦电动船部在其移动实验室安装了4KW的ESAB系统。激光切割设备在Bender的应用，引起了对发展高效激光焊接技术的关注。下面几个图为激光制造技术与系统在欧洲几个船厂的应用实例。

图2 Vosper Thornycroft船厂在欧洲最先使用激光切割设备

图3 Meyer Werft船厂采用的船板焊接头

图4 Odense船厂采用的Triagon激光焊接头

目前世界工业领域都向着低能耗、短流程方向发展，激光制造具有许多传统制造方法无法比拟的优点，世界各国都加大了对发展制造业的重视程度。但与国外相比，我国激光技术达到应用推广的还是不多，还没有发挥出应有的作用。究其原因，首先在于激光制造系统的高成本、高投入；为了更广泛的普及激光制造技术的应用，弥补高投入的问题，需要在充分认识影响激光制造技术应用关键因素的基础上，综合考虑船舶本身需求、激光加工系统的投入等因素，控制成本，寻找最佳加工条件、提高加工效率的方法，最终形成我国新一代激光制造产业链。

现代激光制造作为通用的加工手段，其前沿领域之一是应用领域的扩展，激光制造应用技术提出并解决新的问题。重点针对汽车、航天运载器、船舶和车辆等运输机械的轻型化、冶金工业和循环经济的发展趋势，实现激光制造技术在国防和重点工业领域的产业化应用。同时对激光制造系统技术提出新的要求，如激光器小型化、高转换效率与集成化等，光纤激光器和半导体激光器将得到大力发展。推动我国激光制造技术向着效率更高、能耗更低、流程更短、光束质量更高、性能更好、数字化、智能化程度更高、成本更低的方向发展，改变我国大工业用激光制造装备完全依赖进口的现状。

本文由万向联轴器www.xiexiebang.com 冷镦机www.xiexiebang.com 联合整理发布 激光技术在船舶制造中的应用又具有其独特性，这跟船舶本身的加工和应用特点以及激光制造系统的特性息息相关。目前铝合金材料逐渐成为运输机械制造的关键材料，全铝结构船显示出良好的发展前景，配合先进的激光制造技术，展示了无限发展潜力。(end)文章内容仅供参考()(2010-8-21)

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