铝合金平板对接焊焊接工艺及夹具设计设计说明书.docx
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铝合金平板对接焊焊接工艺及夹具设计设计说明书
焊接课程设计
说明书
班级：
姓名：
学号:
专业
设计任务书-------------------------------------------------------------------------------1
第一部分焊接工艺设计
一、6156铝合金板焊接性分析-----------------------------------------------------2
二、焊接方法的选择-------------------------------------------------------------------3
三、MIG焊工作原理及工艺特点---------------------------------------------------4
四、、焊接工艺参数-------------------------------------------------------------------5
五、焊接注意事项----------------------------------------------------------------------7
六、外观检验---------------------------------------------------------------------------7
七、无损检测-----------------------------------------------------------------------------8
第二部分夹具设计
一、夹具设计的目的意义及要求-------------------------------------------------8
二、定位------------------------------------------------------------------------------------8
三、夹具设计-----------------------------------------------------------------------------9
四、夹紧材料的设计-------------------------------------------------------------------12
五、夹紧尺寸公差及粗糙度---------------------------------------------------------14
结论------------------------------------------------------------------------------------------14
参考文献-----------------------------------------------------------------------------------15
附录
焊接工艺卡-----------------------------------------------------------------------------
装配图--------------------------------------------------------------------------------------
零件图-----------------------------------------------------------------------------------
焊接结构课程设计任务书02
题目：
平板对接焊缝设计
设计参数:
对接板尺寸：
600-800mm
板厚:
8mm、10mm、12mm
材料：
6156铝合金
焊接速度：
20-90m/h
设计要求：
1、查阅文献资料，熟悉焊接结构设计的思路
2、平板对接焊焊缝总体设计方案论证
3、设计相关焊接工艺流程，并编写相应的焊接工艺卡
4、绘制相应的图纸（装配图及零件图）
5、撰写设计说明书
学生:
学号
指导老师：
日期：
2018.1.8
第一部分焊接工艺设计
一、6156铝合金板焊接性分析
1、本次设计所用材料
6156铝合金板两块，规格4×600×200mm，平板对接
2、母材化学成分和力学性能
表1母材牌号、力学性能
牌号
力学性能
屈服度（MPa）
抗拉强度（MPa）
伸长率（%）
6156铝合金
120
≧410
≧8
表2母材化学成分（%）
牌号
化学成分（%）
Si硅
Fe铁
Cu铜
TI钛
Zn锌
Mn锰
Mg镁
6156铝合金
0.7-1.3
0.2
0.7-1.1
-
0.1-0.7
0.4-0.7
0.6-1.2
3、铝及铝合金焊接性分析
（1）铝及其合金化学活泼性很强，表面易形成氧化膜，且多具有难熔性质（如Al2O3的熔点约为2050℃，MgO的熔点约为2500℃），加之铝及其合金导热性强，焊接时容易造成不熔合现象。
由于氧化膜密度同铝的密度极其接近，所以也容易成为焊缝金属的夹杂物。
同时，氧化膜（特别是有MgO存在的不很致密的氧化膜）可以吸收较多的水分而常常成为形成焊缝气孔的重要原因之一。
焊接前应采用化学或机械方法进行严格表面清理，清除其表面氧化膜。
在焊接过程加强保护，防止其氧化。
钨极氩弧焊时，选用交流电源，通过“阴极清理”作用，去除氧化膜。
气焊时，采用去除氧化膜的焊剂。
在厚板焊接时，可加大焊接热量，例如，氦弧热量大，利用氦气或氩氦混合气体保护，或者采用大规范的熔化极气体保护焊，在直流正接情况下，可不需要“阴极清理”。
（2）铝及铝合金的热导率和比热容均约为碳素钢和低合金钢的两倍多。
铝的热导率则是奥氏体不锈钢的十几倍。
在焊接过程中，大量的热量能被迅速传导到基体金属内部，因而焊接铝及铝合金时，能量除消耗于熔化金属熔池外，还要有更多的热量无谓消耗于金属其他部位，这种无用能量的消耗要比钢的焊接更为显著，为了获得高质量的焊接接头，应当尽量采用能量集中、功率大的能源，有时也可采用预热等工艺措施。
（3）铝及铝合金的线膨胀系数约为碳素钢和低合金钢的两倍。
铝凝固时的体积收缩率较大，焊件的变形和应力较大，因此，需采取预防焊接变形的措施。
铝焊接熔池凝固时容易产生缩孔、缩松、热裂纹及较高的内应力。
生产中可采用调整焊丝成分及焊接工艺的措施防止热裂纹的产生。
在耐蚀性允许的情况下，可采用铝硅合金焊丝焊接除铝镁合金之外的铝合金。
在铝硅合金中含硅0.5％时热裂倾向较大，随着硅含量增加，合金结晶温度范围变小，流动性显著提高，收缩率下降，热裂倾向也相应减小。
根据生产经验，当含硅5％～6％时可不产生热裂，因而采用SAlSi条（硅含量4．5％～6％）焊丝会有更好的抗裂性。
另外常采用加入变质剂Ti、Zr、V、B等产生包晶反应，形成难熔的化合物，细化晶粒；限制有害杂质的含量。
（4）铝对光、热的反射能力较强，固、液转态时，没有明显的色泽变化，焊接操作时判断难。
高温铝强度很低，支撑熔池困难，容易焊穿。
（5）铝及铝合金在液态能溶解大量的氢，固态几乎不溶解氢。
在焊接熔池凝固和快速冷却的过程中，氢来不及溢出，极易形成氢气孔。
弧柱气氛中的水分、焊接材料及母材表面氧化膜吸附的水分，都是焊缝中氢气的重要来源。
因此，对氢的来源要严格控制，以防止气孔的形成。
（6）焊接接头的耐蚀性一般都低于母材，热处理强化铝合金（如硬铝）接头的耐蚀性能的降低尤其明显。
接头组织越不均匀，越易降低耐蚀性。
焊缝金属的纯度和致密性也是影响接头耐蚀的因素之一，杂质较多，晶粒粗大以及脆性相（如FeAl3）析出等，耐蚀性就会明显下降，不仅产生局部的表面腐蚀。
而且经常出现晶间腐蚀。
对于铝合金，焊接应力更是影响耐蚀性的敏感因素。
（7）时效强化铝合金，无论是在退火状态下还是时效状态下焊接，焊后不经过热处理，其接头强度均低于母材。
所有时效强化的铝合金，焊后不论是否经过时效处理，其接头塑性均未能达到母材的水平。
对于熔合区，非时效强化铝合金的主要问题是晶粒粗化而降低塑性，在时效强化铝合金焊接时，除了晶粒粗化，还可能因晶界液化而产生显微裂纹，所以熔合区的变化主要是恶化塑性。
（8）铝为面心立方晶格，没有同素异构体，加热及冷却过程中没有相变，焊缝晶粒易粗大，不能通过相变来细化晶粒。
（9）合金元素易蒸发、烧损，使焊缝性能下降。
二、焊接方法的选择
几乎各种焊接方法都可以用于焊接铝及铝合金，但是铝及铝合金对各种焊接方法的适应性不同，各种焊接方法有其各自的应用场合。
气焊和焊条电弧焊方法，设备简单、操作方便。
气焊可用于对焊接质量要求不高的铝薄板及铸件的补焊。
焊条电弧焊可用于铝合金铸件的补焊。
惰性气体保护焊（TIG或MIG）方法是应用最广泛的铝及铝合金焊接方法。
铝及铝合金薄板可采用钨极交流氩弧焊或钨极脉冲氩弧焊。
铝及铝合金厚板可采用钨极氦弧焊、氩氦混合钨极气体保护焊、熔化极气体保护焊、脉冲熔化极气体保护焊。
熔化极气体保护焊、脉冲熔化极气体保护焊应用越来越广泛（氩气或氩/氦混合气），综合各项因素，本次设计采用MIG焊焊接。
三、MIG焊工作原理及工艺特点
1、工作原理
1.1电焊机工作原理介绍
电焊机实际上就是具有下降外特性的变压器，将220V和380V交流电变为低压的直流电，电焊机一般按输出电源种类可分为两种，一种是交流电源的；一种是直流电的。
直流的电焊机可以说也是一个大功率的整流器，分正负极，交流电输入时，经变压器变压后，再由整流器整流，然后输出具有下降外特性的电源，输出端在接通和断开时会产生巨大的电压变化，两极在瞬间短路时引燃电弧，利用产生的电弧来熔化电焊条和焊材，冷却后来达到使它们结合的目的。
焊接变压器有自身的特点，外特性就是在焊条引燃后电压急剧下降的特性。
1.2电焊机的特点
焊接由于灵活简单方便牢固可靠，焊接后甚至及母材同等强度的优点广乏用于各个工业领域，如航空航天，船舶，汽车。
熔化极惰性气体保护焊（英文简称MIG）的焊接区通常采用惰性气体氩（Ar）、氦（He）或氩及氦的混合气体保护。
这类惰性气体不及液态金属发生冶金反应，只起严密包围焊接区（电弧、焊丝端头、熔滴、熔池金属和临近熔池的母材金属），使之及空气隔离的作用。
由于电弧是在惰性气氛中燃烧的，焊丝端头也在惰性气体中熔化过渡，所以电弧燃烧稳定，熔滴过渡平稳、安定、无激烈飞溅。
2、工艺特点
2.2电焊机的特点
焊接灵活简单方便牢固可靠，焊接后甚至及母材同等强度的优点广乏用于各个工业领域，如航空航天，船舶，汽车。
（1）电焊机优点：
电焊机使用电能源，将电能瞬间转换为热能，电很普遍，电焊机适合在干燥的环境下工作，不需要太多要求，因体积小巧，操作简单，使用方便，速度较快，焊接后焊缝结实等优点广泛用于各个领域，特别对要求强度很高的制件特实用，可以瞬间将同种金属材料（也可将异种金属连接，只是焊接方法不同）永久性的连接，焊缝经热处理后，及母材同等强度，密封很好，这给储存气体和液体容器的制造解决了密封和强度的问题。
（2）电焊机缺点：
电焊机在使用的过程中焊机的周围会产生一定的磁场，电弧燃烧时会向周围产生辐射，弧光中有红外线，紫外线等光种，还有金属蒸汽和烟尘等有害物质，所以操作时必须要做足够的防护措施。
焊接不适合于高碳钢的焊接，由于焊接焊缝金属结晶和偏析及氧化等过程，对于高碳钢来说焊接性能不良，焊后容易开裂，产生热裂纹和冷裂纹。
低碳钢有良好的焊接性能，但过程中也要操作得当，除锈清洁方面较为烦琐，有时焊缝会出现夹渣裂纹气孔咬边等缺陷，但操作得当会降低缺陷的产生。
3、MIG焊设备
MIG焊设备包括焊接电源，控制系统，送丝系统，焊枪，供气系统和冷却水系统等部分。
3.1焊接电源
6156铝板对接焊，采用NBA-400半自动氩弧焊机。
输入电压380V，3相，空载电压65V，额定输出电流400A，额定负载持续率60%，工作电压15-42V,焊丝直径1.6mm。
3.2控制系统
控制系统由基本控制系统和程序控制系统组成。
基本控制系统包括：
焊接电源输出调节系统，送丝速度调节系统，小车或工作台行走速度调节系统和气流量调节系统组成。
他们的作用是在焊前或焊接过程中调节电流、电压、送丝速度、焊接速度和气流量的大小的。
3.3送丝系统
送丝系统通常由送丝机、送丝软管、焊丝盘组成。
这里取送丝速度730～890cm/min，推拉式送丝。
3.4焊枪
熔化极气体保护焊的焊枪分为半自动焊枪和自动焊枪两种。
在焊枪内部装有导电嘴。
为保证电接触可靠，可采用适合于不同焊丝尺寸，类型和材料的紫铜导电嘴。
3.5供气系统
供气系统通常及钨极氩弧焊相似，由气源（高压气瓶），气体减压阀，气体流量计，电磁气阀和软管等组成，气体减压阀将高压气瓶中的气体压力将至焊接所要求的压力，气体流量计用来调节和标示气体流量大小，电磁气阀用以控制保护气体的通断。
这里采用100%Ar作为保护气体，气体流量20～24L/min。
3.6水冷系统
水冷系统主要用来冷却焊接电缆，焊枪和钨棒。
焊接电流通过导电嘴等部件时产生的电阻热和电辐射热在一起，会使焊枪发热，当焊接电流小于150A时不需要水冷；当焊接电流大于150A时需要使用水冷式焊枪，这里采用水冷。
四、、焊接工艺参数
焊接工艺参数主要有焊接电流、焊丝直径、电弧电压、焊接速度、焊接接头位置、焊接道次、保护气体流量。
某一参数的影响是在其他的参数给定的条件下的表现。
实际各参数之间是互相关联的，改变某一个参数就要求同时改变另一个或另一些参数，才能获得改变参数所期望获得的效果。
1.焊接电流
MIG焊时焊接电流主要取决于零件厚度，主要及“焊丝的熔化速度”及“母材的熔深”有关。
焊接电流越大送丝速度增加，在同一焊接电流时，焊丝直径约小熔化越快。
当焊接电流增大时，焊缝宽度、熔深以及焊防余高都有增大的倾向。
根据实际情况去焊接电流240～290A，焊丝直径1.6mm，送丝速度730～890cm/min，选用焊丝SAlSi-1，牌号HS311。
表3焊丝成分
合金元素
Fe
Cu
Mn
Mg
Zn
Ti
Si
Al
成分占比%
0.80
0.30
0.05
0.05
0.10
0.20
4.5-6.0
余量
2.电弧电压
电弧电压主要及“电弧长度”以及“熔深的状态”有关。
根据实际情况取电弧电压为25～28V。
3.焊接速度
焊接速度主要及“溶深状态”（焊缝宽度、熔化深度以及余高）有关，取焊接速度为45～60cm/min。
4.焊枪操作
MIG焊接时焊枪的移动方向一般为“前进法”。
这是为了避免将空气卷入保护气体中，从而得到健全稳定的电弧。
特别是要使用电弧的清洁作用的铝的焊接时一定要使用前进法。
5.焊前准备
5.1坡口制备
对接板厚为8mm，开V型坡口坡口角度为60°，钝边为2mm，对口间隙1mm。
表4焊接工艺参数
板厚/mm
坡口形式
焊接位置
焊道顺序
焊接规范
焊丝
氩气流量L/min
电流/A
电压/V
焊接速度cm/min
直径/mm
送丝速度cm/min
8
V型
水平
1
2
240～290
25～28V
45～60
1.6
730～890
20～24
5.2焊前清理
工件焊接边缘和焊丝表面的氧化膜、油等脏物,在焊前必须清除干净,否则会引起气孔、夹渣等缺陷,使焊缝的性能降低。
清理的方法有两种：
（1）机械清理法：
用风动钢丝轮或钢丝刷、细砂纸清理,直到露出金属光泽为止。
（2）化学清洁法：
将焊接边缘和焊丝放入30%硝酸水溶液中,浸蚀2～3分钟,然后在流动的冷水中用洁净的布或棉纱擦干净。
5.3预热
为了消除气孔,保证焊缝根部可靠的熔合和焊透,提高焊接速度,减少氩气消耗量,焊件必须预热，板厚小于3毫米时,预热温度为150～300℃；板厚大于3毫米时,预热温度350～500℃；预热温度过高,不仅恶化劳动条件,而且使焊接热影响区扩大,降低焊接接头的机械性能。
5.4焊接道次
焊接道次主要取决于零件厚度、接头形式、坡口尺寸及结构和材料特性。
此外每个道次的熔池体积较小，也有利于氢气泡在熔池凝固前逸出。
相邻两焊道内残存的气孔巧合相连而形成的通孔的机率不是很大。
因此多道焊较有利于保证气密性，防止渗漏。
通过查表这里适合用两道次焊缝，并且焊前加垫板。
五、焊接注意事项
1.焊接工作场地必须备有防火设备，如灭火器，消防栓等。
氩弧焊工作场地要有良好的自然通风和固定的机械通风装置，减少氩弧焊有害气体和金属粉尘的危害。
2.熔化极氩气保护焊机应放在干燥通风处，严格按照使用说明操作。
3.应经常检查焊枪冷却水系统的工作情况，发现堵塞或泄漏时应即刻解决，防止烧坏焊枪和影响焊枪质量。
4.焊接人员离开工作场所或焊机不使用时，必须切断电源。
5.氩弧焊机高频振荡器产生的高频电磁场会使人产生一定的头晕，疲乏。
因此焊接时应尽量减少高频电磁场作用的时间，引燃电弧后立即切断高频电源。
6.焊接时，紫外线强度很大，易引起电光性眼炎，电弧灼伤，同时产生臭氧和氮氧化合物刺激呼吸道。
因此，焊工操作时应穿白帆布工作服，戴好口罩，面罩及防护手套，脚盖等。
为了防止触电，应在工作台附近地面覆盖绝缘橡皮，工作人员应穿绝缘胶鞋。
六、外观检验
外观检验主要包括焊缝平直度偏差、厚度及余高的检查；表面裂纹检查；咬边检查；焊接件或产品的几何尺寸检查，包括形状及变形量是否超过技术规程的规定等。
该过程以目视检查实现.目视检查用于检查堆焊层外观和尺寸，如用低倍放大镜，尺寸计量工具等。
通常要检查的是焊后的堆焊表面质量（熔渣清理，飞溅清理），表面成型质量（表面尺寸，凸凹，余高，粗大颗粒等），表面有无各类裂纹或峭皮。
其最基本的外形尺寸要均匀，堆焊层及基体金属之间应平滑过渡，基体无变形，属于初步检查。
七、无损检测
无损检测的目的是检查焊缝的表面及内部裂纹，夹杂、气孔、未熔合和未焊透等工艺性缺陷。
无损检测一般都安排在外观检测之后进行，由于本焊接工艺易于出现裂纹,所以可以用超声波探伤。
第二部分夹具设计
一、夹具设计的目的意义及要求
焊接工装夹具是将焊件准确定位并夹紧，用于装配和焊接的工艺装备。
在焊接结构生产中，把用来装配进行定位焊的夹具称为装配夹具：
而专门用来焊接焊件的夹具称为焊接夹具：
把既用于装配又用于焊接的夹具称为装焊夹具。
它们统称为焊接工装夹具。
对焊接工装夹具的设计要求：
1）焊接工装夹具应动作迅速，操作方便，操作位置应处在工人容易接近，最宜操的部位。
2）焊接工装夹具应有足够的装配焊接空间，不能影响焊接操作和焊工观察，不妨碍焊件的装卸，所有的定位原件和夹紧装置应及焊道保持适当距离或者布置在焊件的下方和侧面。
夹紧机构的执行元件应能够伸缩或转位。
3）夹紧可靠，刚性适当，夹紧时不破坏焊件的定位位置和几何形状，夹紧后不使焊件松动滑移，又不使焊件的拘束度过大，产生较大的应力。
4）为了保证使用安全，应设置必要的安全连锁保护装置。
5）夹紧时不应损坏焊件的表面质量，夹紧薄件和软质材料的焊件时，应限制夹紧力，或者对压头行程限位，加大压头接触面积，添加铝铜衬垫等措施。
6）接近焊接部位的夹具，应考虑操作手把的隔热和防止焊接飞溅对夹紧机构和定位器表面的损伤。
7）夹具的施力点应位于焊件的支撑处或者布置在靠近支撑的地方，要防止支撑反力及夹紧力，支撑反力及重力形成力偶。
8）注意各种焊接方法在导热导电隔磁绝缘等方面对夹具提出的特殊要求。
二、定位
该工件属于简单型工件，同时夹具设计简单，便于安装，所以通过定位块和工具尺的测量以及家具的自身机构设计特点来对工件进行定位。
1、确定定位基准
一个零件的定位基准或待装部件用的组装基准，可按照以下原则：
（1）当零部件既有曲面又有平面时，优先选择平面作为主要定位基准面，如果都是平面，选择其中最大的平面作为主定位基准或组装基准面。
（2）应当选择；零部件窄而长的表面作为定位基准，窄而短表面作为止推定位基准。
（3）应尽量使定位基准及设计基准重合，以保证必要的定位精度。
（4）尽量利用零件上经过机械加工的表面或孔作为定位基准。
或者以上道工序的定位基准作为本工序的定位基准。
2、定位器结构及其布局
定位基准确定后，结合基准构造形状，表面状况，限制工件自由度的数目、定位误差的大小，以及堵住支承的合理使用等设计定位器。
3、定位器材料和技术要求
定位器本身质量要高，其材料、硬度、尺寸公差及表面粗糙度要符合要求，装入夹具后强度和刚性要好。
根据实际情况，在本设计中采用支撑板作为定位装置，尺寸规格高度H=8mm,长度L=60mm，宽度B=14mm，双孔，孔径为5.5mm、10mm。
三、夹具设计
夹具体是在夹具上安装定位器和夹紧机构以及承受焊件质量的部分。
各种焊接定位设备上的工作台以及装焊车间里的各种固定式平台，就是通用的夹具体。
在其台面上开有安装槽、孔，用来安放和固定各种定位器和夹紧机构。
在批量生产中使用的专用夹具体，是根据焊件形状、尺寸、定位及夹紧要求，装配施焊工艺等专门设计的。
对夹具体的要求如下：
（1）足够的强度和刚度。
（2）便于实施装配和焊接作业。
（3）能方便地卸下装焊好的焊件。
（4）必要的导电、导热、导水、导气及通风条件。
（5）易于清除焊渣、锈皮等污物。
（6）有利于定位器、夹紧机构位置的调节及补偿。
（7）必要时应具有反变形的功能。
1.夹紧力的计算
对板材的圆形鼓包，如图，可看成周边固定的板材在均布载荷q作用下所形成的弯曲板，其中心挠度
F=qr^4/（64C）
式中
q-----均布载荷，且q=F/πr²
F-----作用在板材上的压力
r-----鼓包半径
C-----板材的圆柱刚度
E-----板材的弹性模量
δ----板材厚度
ν----板材的泊松比，取ν=0.3
将q值和C值代入后，经变换得
F=18fEδ³/r²
若通过实验测得板材变形后得f、r值，即可计算出F值，此值就是所需的夹紧力。
若夹紧后应力超过屈服点，此式的应用便失去了意义。
为此还要验算板材鼓包中心应力为
σ=0.15F/δ²
最后得到
σ=2.8fEδ/r
薄板的鼓包变形
根据鼓包实测尺寸算出班中应力值σ。
若该盈利超过屈服点σs，则此时夹紧力Fs可利用式σ=2.8fEδ/r并将σ置换成σs后得到
Fs=σsδ²/0.15
在实际夹紧装置上，按上式算出的夹紧力并不是均匀地分布在整个鼓包上，而是分布在沿被焊坡口长约鼓包直径的两段平行线上，此时，可近似认为每单位坡口长度的计算夹紧力
同理，若σ﹥σs，则每单位坡口长度计算载荷为
在本篇课程设计中，两块铝合金板材对接焊接，已知厚度δ=10（8.12）mm，弹性模量E=69000MPa，对接焊后出现鼓包如图1-4所示，r=120mm,f=4（3.2,4.8）,为防止产生此种变形，我们可以求出单位坡口长度两边所需施加的夹紧力。
按式（1-5）先算出板中可能出现的应力
σ=2.8fEδ/r²=429.3N
由于该值大于板材的屈服强度，故按照式（1-8）计算单位坡口长度的夹紧力
Fds=Fs/4r=σsδ²/（0.6r）=106.67N
2.夹紧机构设计
利用螺旋直接夹紧或及其他元件组合实现夹紧工件的机构，统称为螺旋夹紧机构。
这类夹紧机构由于结构简单，夹紧可靠，通用性强，即
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