学士学位论文活性co2气体保护焊试验研究材料学本科学生.docx
《学士学位论文活性co2气体保护焊试验研究材料学本科学生.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《学士学位论文活性co2气体保护焊试验研究材料学本科学生.docx（36页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
学士学位论文活性co2气体保护焊试验研究材料学本科学生
本科学生毕业论文
活性CO2气体保护焊试验研究
系部名称：
材料学院
专业班级：
焊接B05-62班
学生姓名：
xx
指导教师：
xx
职称：
工程师
xx工业大学
二○○九年六月
TheGraduationThesisforBachelor'sDegree
ExperimentalStudyontheActivatedCO2-GasShieldingArcWelding
摘要
CO2气体保护焊作为一种高效、节能、低成本的焊接方法，现已被广泛应用到各个焊接领域，其中应用最为广泛的是细实心焊丝小规范下焊接。
在小规范下CO2气体保护焊的熔滴过渡主要是短路过渡，但由于CO2气体本身的性质使得在焊接过程中引起了大量飞溅，同时造成焊后余高过大、焊缝较窄。
针对CO2气体保护焊的上述不足，开发低飞溅、焊缝成型好的CO2气体保护焊新工艺是该领域的热点课题之一。
本论文主要通过添加活性剂，用H08Mn2SiA焊丝焊接Q235钢板的焊接试验，进行了焊接工艺性能、金相组织观察分析以及焊接接头力学性能测试与分析，活化CO2气体保护焊能减小焊接飞溅、提高焊缝成型效率。
工艺试验结果表明：
添加活性剂的CO2气体保护焊的焊接飞溅明显减小，并分析了CO2焊焊接缺陷和焊接飞溅的形成原因和控制措施；硬度试验表明：
焊接时在接头区域形成了铁素体、珠光体和贝氏体的混合组织，造成硬度的提高；拉伸试验表明：
σs和σb均高于焊接母材，低合金钢的拉伸断口出现明显的缩颈和韧窝；弯曲试验表明：
焊接接头试样均在熔合区处折断，断面为母材热影响区靠近熔合区部位；冲击试验表明：
焊缝金属具有较好的塑性和韧性。
关键词：
活性剂；CO2气体保护焊；焊接缺陷；焊接飞溅；力学性能
ABSTRACT
Asahighefficiency,savingenergyandlowconsumptionmethod,CO2-gasshieldingarcweldinghasbeenusedintheweldingfieldbroadly,especiallyintheweldingofthinweldingwireunderasmallregulation.Inthecaseofsmallregulation,themainmaterialtransferisashortcircuittransferwithmanyspatters,overlargereinforcementandnarrowweldingseambecauseofthecharacterofCO2gas.Focusingonthementioneddrawbacks,theexploitationoflowspatters,goodweldingseamconfectioningprocessisoneofahotsubjects.
Thispaperisbasedonatestandananalysisofweldingprocess,amicrostructureobservationandananalysisofweldingjointsmechanicalthroughaweldingexperimentwithH08Mn2SiAtoaddactiveagentweldingwireQ235steel,theactivatedCO2-gasshieldingarcweldingcanreduceweldingspatterandimprovetheefficiencyofweldingshape.Theresultsshowedthat:
thestrictmatchingoftheparametersofprocesshasanimportantimpactontheprocessandqualityofwelding.Besides,itanalysesthereasonsandcontrollingmeasuresofweldingspatterwhythedefectsoftheweldingofCO2exisit.thetensileexperimentshowedthatσsandσbarebothhigherthanthebasemetalwelding,thefracturesurfaceoflow-alloysteelturnsupclearneckinganddimples,fracturetoughness;Andthebendingexperimentsshowedthat:
weldedjointssampleswerebrokeninthefusionzone,thesectionforthebasemetalheat-affectedzonenearthefusionzonesite;theimpactexperimentsshowedthat:
theweldingmetalhasbetterplasticityandtoughness;thehardnessexperimentsshowedthat:
Attheweldingjointsformedaregionalferrite,pearliteandbainiticmixedorganizations,itresultsintheimprovementofhardness.
Keywords:
ActiveAgent;CO2ArcWelding;WeldingDefects;WeldingSpatter;MechanicalProperties
目录
摘要I
ABSTRACTII
第一章绪论1
1.1焊接概述1
1.2焊接方法分类及特点2
1.3CO2气体保护焊原理及分类3
1.4CO2气体保护焊国内外发展现状4
1.4.1焊接电源方面4
1.4.2焊接材料方面4
1.5活性剂焊接技术的研究进展5
1.5.1A-TIG焊5
1.5.2活性铅焊7
1.5.3活性电子束焊8
1.5.4活性聚焦光束焊8
1.6活性焊接在国内外的发展与展望9
1.7本论文的主要内容9
第二章CO2焊试验设备及测试方法10
2.1试验设备10
2.1.1活性CO2焊设备10
2.1.2焊丝加工设备10
2.1.3气粉混合枪11
2.2试验材料12
2.3试验过程14
2.3.1试验工艺参数14
2.3.2焊前准备及操作14
2.3.3试验步骤14
2.4焊接检测方法15
2.4.1金相检验15
2.4.2硬度试验16
2.4.3拉伸试验16
2.4.4弯曲试验16
2.4.5冲击试验17
2.5本章小结17
第三章活性CO2焊工艺试验18
3.1试验结果及分析18
3.1.1焊接飞溅及防止措施18
3.1.2活性剂对焊缝成形的影响20
3.1.3工艺参数对焊缝成型及质量的影响21
3.2焊接缺陷及防止措施23
3.3本章小结24
第四章焊接接头力学性能测试及结果分析25
4.1焊接接头硬度试验结果分析25
4.2焊接接头拉伸试验结果分析26
4.3焊接接头弯曲试验结果分析27
4.4焊接接头冲击试验结果分析28
4.5本章小结29
结论30
参考文献31
致谢33
第一章绪论
活性CO2气体保护焊就是通过对普通CO2气体保护焊的设备改进，将活性剂材料加入到焊接电弧中，使活性材料参与电弧的燃烧、溶滴的过渡和焊缝成型过程，从而优化焊接工艺、改善焊接工艺性能。
同时可以通过调整活性剂的特性获得多种焊接工艺性能，包括极低的飞溅率和良好的焊缝成型性能。
同时通过调整活性剂成分，例如加入一些合金粉末，则可获得适宜的熔敷金属合金系统。
CO2气体保护焊是上个世纪50年代由英国首先发明并推广发展起来的一种高效焊接技术，由于其生产率高，并具有焊接成本低、能耗低、适用范围广、抗锈能力强以及焊后不需清渣等优点，故大量应用于低碳钢、低合金钢等黑色金属的焊接。
它可以进行不同厚度工件的各种位置的焊接且便于实现自动化生产，这也推动了焊接机器人在这一领域上的推广应用，使其成为焊接向智能化，高效化发展的主导方向。
我国造船、机车制造、汽车、石油化工、工程机械、农业机械等部门CO2气体保护焊也获得了日益广泛的应用。
因此，随着对CO2气体保护焊过程及工艺等研究的深入、焊接工艺性能的不断提高，它必将成为21世纪最重要的焊接方法之一[1—3]。
在焊接过程中产生的大量颗粒飞溅物，牢固地粘附在工件表面，严重影响工件表面质量，对于一些重要的焊接结构，焊接后不得不花费大量的人力和物力对焊缝表面及附近飞溅物进行清理，从而降低了劳动生产率；飞溅不仅污染工件、增加劳动强度、降低熔敷率，也会堵塞喷嘴、使送丝不畅，需要定期更换导电嘴，这也会降低焊接生产率；飞溅的产生还大大影响电弧稳定性，产生的金属颗粒进入焊缝造成夹渣等缺陷，严重影响焊接质量。
焊缝成形差主要表现在，易形成深而窄的指状熔池和焊缝几何形状不合理两方面。
指状熔池容易使焊缝出现气孔、夹渣、裂纹。
焊缝的几何形状多是较大余高和粗糙表面，对于一些重要的焊接结构，焊接后也不得不对焊缝成型进行修补。
这些问题的长期存在，在很大程度上制约了CO2焊接技术在工业生产中的进一步推广和应用，因此国内外研究者就解决上述两个主要问题分别在焊接材料、焊接电源、焊接工艺等方面开展了大量的研究工作。
1.1焊接概述
焊接是通过加热或加压，或者两者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材质达到原子间的结合而形成永久性连接的工艺过程。
由此可知。
焊接与其他连接方式不同，不仅在宏观上形成了永久性的接头，而且在微观上建立了组织上的内在联系。
若使金属等固体材料连接成一个整体，形成金属键，达到焊接的目的，则需要克服：
待连接表面不平和表面存在的氧化膜，或其他污染物阻碍金属表面原子之间接近到晶格距离并形成结合力两个困难。
1.2焊接方法分类及特点
1．焊接方法分类
按照焊缝金属结合的性质，基本的焊接方法通常分为三大类，即熔焊、压焊及钎焊。
而每一大类又可按焊接热源及其他明显特点分为若干种。
熔焊是焊接过程中，将焊件接头加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法。
熔焊需要满足两个条件：
一是要有一种能量集中、温度足够高的局部加热热源；二是必须采取有效的隔离空气，防止其侵袭熔化金属的保护措施。
因此，按热源形式，熔焊可以分为电弧焊、电渣焊、电子束焊、激光焊、气焊、热剂焊。
其中，电弧焊又可以继续分类，按照采用的电极，电弧焊分为熔化极和非熔化极两类，熔化极电弧焊包括焊条电弧焊、埋弧焊、熔化极氩弧焊、二氧化碳气体保护焊等方法；非熔化极电弧焊包括钨极氩弧焊、等离子弧焊等方法。
钎焊是利用熔点比母材低的金属作为钎料，加热后，钎料熔化，焊件不熔化，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散，将焊件牢固的连接在一起。
2．焊接技术特点
在当今科学技术飞速发展的时代，焊接技术得到了空前的发展，已经从一种传统的热加工工艺发展到了集材料、冶金、结构、力学、电子等多门类学科为一体的工程工艺学科。
剖析现代的焊接技术，具有以下特点：
（1）焊接可将各个零部件直接连接起来，无需其他附加件，接头强度一般也能达到与母材相同，因此，焊接产品的重量轻、成本低。
（2）焊接接头是通过原子间的结合力实现的连接，均匀性及整体性好、刚度大，在外力作用下不像机械连接那样产生较大的变形。
（3）焊接结构具有良好的气密性、水密性，这是其他连接方法无法比拟的。
（4）可连接不同类型的金属材料、不同形状及尺寸的材料，可使金属结构中材料的分布更合理。
（5）可将结构复杂的大型构件分解为许多小型零部件分别加工，然后再将这些零部件焊接起来，这样就简化了金属结构的加工工艺、缩短了加工周期。
（6）焊接是一种“柔性”加工工艺，既适用于大批量生产，又适用于小批量生产。
在工业迅速发展的今天，许多工业产品的制造已经无法离开焊接技术的使用。
焊接已经深深地溶入了现代工业经济中，并且显现了十分重要、甚至是不可替代的作用[4]。
1.3CO2气体保护焊原理及分类
二氧化碳气体保护焊原理是使用焊丝来代替焊条，经送丝滚轮通过送丝软管送到焊枪，经导电嘴导电，在CO2气氛中，与母材之间产生电弧，靠电弧热量进行焊接。
1．实心焊丝CO2气体保护焊
CO2气体保护焊通常按采用焊丝的直径来分类，当焊丝直径小于或等于1.2mm，称为细丝CO2气体保护焊，主要采用短路过渡形式焊接薄板材料。
应用最广泛的是焊接厚度小于3mm的低碳钢和低合金钢结构的零部件。
焊丝直径大于1.6mm时，称为粗丝CO2气体保护焊，一般采用大电流和较高的电弧电压来焊接中厚板。
实心焊丝CO2气体保护焊示意图见图1.1。
2．药芯焊丝CO2气体保护焊
药芯焊丝CO2气体保护焊是一种CO2气体-焊剂联合保护的焊接方法。
通常采用直流反极性和长弧焊规范，常用于焊接中厚板。
焊接时焊丝的药心（受热）熔化，从而在焊缝表面上覆盖一层薄薄的熔渣，如图1.2所示。
药芯焊丝CO2气体保护焊，兼有CO2焊和手工电弧焊的某些特点。
1.4CO2气体保护焊国内外发展现状
目前，不论在国内还是国外，在CO2气体保护焊的工艺改进上主要是集中在研制新型焊接电源和焊接材料两方面。
1.4.1焊接电源方面
1．电流波形控制
这种方法的主要想法是根据短路过渡电弧对电流波形的需要，采用两组设计好的电流波形，分别控制短路和电弧期间的状态，希望获得较好的效果[5]。
2．电流波形的寻优控制
这种方法主要是在电流波形控制的基础上，根据电弧和熔滴过渡状态，利用计算机对电流波形进行修正和优化。
3．切换两组电源外特性的控制方法
在短路和电弧状态，分别切换两条不同的电源外特性，分别控制短路状态和电弧状态。
4．焊接回路串联控制器的方法
在这种控制方法中，在焊接回路中串联控制器件。
当液桥收缩到足够细时，关断器件，这时液桥电流由与器件并联的电阻提供，希望液桥在很小的电流下过渡。
5．复合外特性的控制方法
这种方法将短路液桥收缩过程和电弧过程分成若干个瞬时过程，构成一条能针对熔滴过渡每一瞬时过程的复合电源外特性。
1.4.2焊接材料方面
1．新型非镀铜焊丝非镀铜焊丝是应用纳米技术和现代金属间化合物胶体涂层技术，对焊丝表面进行新型涂层处理，以替代镀铜处理。
它与传统镀铜焊丝比较，具有电弧稳定，飞溅小，成形美观；涂层附着力比镀铜层更紧密，送丝稳定；防锈能力强；焊接时烟雾小，制造中对环境污染小，制造成本低等优点[6]。
2．采用活性焊丝[7—8]在焊丝内部或表面加入K、Cs等易电离物质，使得电弧弧柱横向尺寸增大，减小阻碍熔滴脱落的电磁力，电弧斑点能稳定在电极的端部，使得熔滴温度升高、表面张力减小而易于脱落，从而改善了CO2焊的熔滴过渡特性，以小滴形式从焊丝末端不断脱落，而呈细滴喷射过渡，大大减少了飞溅，飞溅率从10％～12％降低到2％-3％，焊接速度和质量有所提高。
3．用药芯焊丝取代实芯焊丝采用药芯焊丝，可显著降低飞溅、改善焊缝成型、提高熔敷效率。
但目前我国成批生产的CO2药芯焊丝的品种很少、CO2药芯焊丝的发尘量高（比实芯焊丝高30％～40％）、焊丝制造复杂（制造设备复杂、制造工艺技术要求高）、送丝难度大（需要专用送丝机）、焊丝表面易锈蚀、粉剂易吸潮、成本高。
1.5活性剂焊接技术的研究进展
在科学技术日益发展的今天，随着各种高性能的新型材料不断出现和各种关系国计民生的重大工程项目建设的需要，人们对各种材料和各种结构的焊接技术提出了更高的要求。
焊接技术正向着高效率、高质量、低成本、低劳动强度、低能耗的绿色方向稳步发展。
活性剂焊接技术是人们从焊接工艺角度出发，利用活性剂最基本的功能——降低界面的表面张力、改变体系的界面性质和状态来改变焊接过程的物理冶金行为。
由于其应用简单、不污染环境而且效果显著等一系列优点，现被很多研究机构在不同焊接方法上进行应用性研究并取得了很大的进展[9]。
现在研究较为成熟的活性剂焊接技术有A．TIG、活性铅焊、活性电子束焊、活性聚焦光束焊。
1.5.1A-TIG焊
1．A-TIG焊的发展为了改善焊接成形和控制气孔缺陷，巴顿焊接研究所（PWI）于20世纪60年代提出了活性剂焊接，即焊前在焊接区域涂敷一层由卤化物和氧化物组成的活性焊剂。
对钛合金活性剂TIG焊（A—TIG）的研究表明，活性剂可抑制氢的解吸作用，降低液态钛合金中气泡产生概率，从而减少了焊缝气孔率，同时增加了热源的熔透能力而提高了焊接熔深。
PWI自1964年成功开发出第1个多元钛合金TIG焊活性焊剂后，已形成了钛合金活性剂ANT系列，以及低合金钢、不锈钢、铝合金和高温合金的活性剂系列。
进入20世纪90年代英、日、美等国也重视起活性剂焊接的研究，开发出各自的A—TIG焊活性剂，进行了对接、角接、T形接头、搭接、塞焊等结构的A—TIG焊应用研究。
我国近年来的A—TIG焊技术的研究也有了很大的发展。
A—TIG焊技术现已应用于航空、火箭制造和原子能等工业，对A—TIG焊的机理也有了较为深入的研究，活性剂的开发一是针对不同的材料，二是朝着高效化发展，此外活性剂应用在A—TIG焊的基础上也在向其它焊接方法拓展[10]。
2．A-TIG焊活性剂的开发与研究针对不同的材料开发适用的活性剂，是活性剂焊接应用发展的关键。
目前PWI、美国的爱迪生焊接研究所（EWI）与海军连接中心（NJC），以及英国和日本都有了用于碳钢、不锈钢、镍基合金和钛合金等材料A—TIG焊的活性剂产品。
我国对低碳钢、不锈钢和钛合金的活性剂的开发也有了进展。
焊接活性剂多采用多元化合物，主要成分有氧化物、氯化物和氟化物，其组成与被焊工件材质密切相关。
碳钢采用氧化物为主的活性剂焊接效果较好，研究表明SiO2含量为40%时对焊缝熔深的影响最为显著；TiO2和Cr2O3在含量低于30％时作用明显，而卤化物含量才有利于焊缝熔深的增加。
与TIG焊相比，由CaF2，SiO2，TiO2，Cr2O3等组成的低碳钢焊活性剂，使焊缝熔深增加3倍，12mm厚板可不开坡口一次焊透，表面成形良好[11]。
目前常用的活性剂成分都可提高钛合金焊接的熔深，但氟化物对钛合金焊接熔深影响显著。
PWI研制的以氟化物为主的活性剂使12mm厚的钛合金A—TIG焊一次焊成，焊缝窄，热影响区小。
北京航空制造工程研究所开发出不同板厚钛合金活性剂FT—01和FT—02，在改善接头焊缝质量，提高焊缝深宽比，减小焊接热输入，减小焊接变形等方面均表现出优异的性能，对于BT20钛合金（2.5mm），可实现单面焊双面成形，焊缝晶粒细化，气孔率降低，TiC4钛合金接头性能分析表明活性剂对接头的静强度影响不大，可改善伸长率[12]。
近来铝镁合金的活性剂研究成为活性剂焊接的一个重点。
Sire等研究了活性剂TiO2、Al2O3、LiF、SiO2和A1F3。
对铝合金T1G焊的影响，采用活性剂涂敷层中间预留2～4mm的间隙的FBTIG法的实验结果显示，交流焊时SiO2、A1F3可增大熔深和焊缝面积，间隙越小作用越大，而LiF无作用，TiO2、Al2O3则减少熔深，对焊缝面积无影响；直流焊时只SiO2显著提高熔深和成形系数，同样间隙越小作用越大。
Marya等对镁合金的活性剂研究，发现LiC1、CaC12、CdC12、PbC12、CeC13氯化物均可提高熔深、深宽比。
活性剂的作用还与焊接工艺、涂敷量等因素有关，有研究认为涂敷量适当增加，焊缝熔深增加，熔宽减小，但活性剂涂敷的量均存在一个增加熔深能力的饱和点[13]。
3．A-TIG焊增大熔深的机理
关于活性剂提高熔深，改善焊缝成形的焊接机理，目前尚没有统一的看法，已有观点主要涉及活性剂对电弧和熔池流动的影响。
（1）活性剂拘束电弧作用
许多研究认为活性剂拘束电弧是熔深提高的主要原因。
在电弧高温下活性剂蒸发，以原子形态包围在电弧的周围，电弧周边的温度较低，活性剂蒸发原子俘获该区域中的电子形成负离子，使电弧中的电子数减少，电弧收缩，由此，提高电弧的电流密度和作用于熔池的电弧力，从而增加了焊缝熔深。
Lucas等研究[14]证实电弧的阳极区受到活性剂中活性元素蒸气分子与带电粒子的包围和压缩，阳极斑点电流密度可增大1.5～2倍，这使得焊缝熔深可增大1.5～2.5倍。
Lucas分析认为电弧中心区域的温度高于分子的电离温度，气体和活性剂原子将电离成电子和正离子，而在温度较低的弧柱边缘区，活性剂蒸气依然以分子和解离的原子形式存在，活性剂分子有效碰撞的截面积大于原子，有助于俘获电弧弧柱边缘的电子，形成负离子，使得弧柱边缘区作为电流载体的电子数量减少而强迫电弧收缩。
（2）活性剂改变熔池的表面张力
杨春利等研究认为，电弧是否收缩与所使用的活性剂有关，即使电弧未发生收缩，表面活性剂仍然使焊缝的熔深增大，少量的活性剂即对焊接熔深产生影响，活性剂量增多到一定程度后熔深的变化基本处于饱和，原因在于表面张力的变化出现了饱和。
也有研究认为是电弧收缩和熔池表面张力的变化共同作用。
1.5.2活性铅焊
随着科学技术的发展，钎焊焊接技术已越来越多地应用于电子、航空、航天、航海等尖端领域。
由于焊接材料的日新月异，焊接工艺的不断进步，因此对钎料的要求也越来越高。
钎料在钎焊中是保证焊接质量的关键材料，它即要求有较高的可焊性，又不能对被焊材料产生腐蚀，同时还要满足一系列的机械和电学性能的要求。
1．活性剂在软钎焊中的应用
在电子工业中应用多种活性助焊剂，可以提高焊缝质量。
由于加入活性剂的助焊剂具有较强的去氧化能力，表面张力小，流动性好．漫流面积大、提高了液态焊剂的流动性能和润湿性，钎焊后形成的高分子树脂保护膜致密，光泽及绝缘性好，耐压强度高，焊点丰满、光滑、无虚焊。
因此，活性助焊剂可广泛应用于波峰焊、手工焊、印制板涂覆以及作为材料涂覆保护剂[15]。
2．表面活性剂的选择
ES系列助焊剂选择了OP系列非离子和铵盐阳离子型表面活性剂的复合物[16]。
这种复合物的添加，增进了助焊剂对被焊材料的均匀浸润作用，使得焊点和焊缝规整、饱满，在波峰焊工艺中还可使焊剂的鼓泡细腻、均匀。
3．活性金属钎焊法
在陶瓷与金属的连接技术中，采用活性金属钎焊法，可以保证连接强度、低成本和高效可靠。
这种方法通常采用含有适量活性元素Ag-Cu-Ti合金的特殊钎料，在真空条件下直接连接。
钎焊过程中，钎料中的活性元素在一定温度下与陶瓷发生冶金反应，在陶瓷/钎料界面上形成一定厚度的能被金属钎料润湿的过渡层，从而实现陶瓷与金属的化学结合。
在陶瓷表面通过溅射法形成Ti膜，然后用Ag-Cu焊料进行封接也是一种有效的活性封接方法，称作溅射镀膜金属化焊接工艺。
该方法比较适用于氮化物陶瓷等反应活性低的陶瓷与金属的封接，以及宝石与陶瓷的封接。
由于该方法形成的合金界面很薄，而且焊接后不会形成脆性Cu-Ti合金层，界面Ag-Cu焊料仍然保持原有的共晶组织结构，因此是一种高可靠性的
升级会员 