1、如何保证摩托车车架的结构尺寸，形状精度及强度是车架生产中最大的问题。本次设计车架为管式结构，管式车架由圆管或方管经过机械加工、弯形、焊接、喷漆等工艺过程而制成，焊接生产则是管式车架制造中关键的一环，管式车架以其形状复杂、精度要求高、焊接量大等特点决定了焊接工艺所要解决的主要问题是在焊缝强度足够的前提下，如何保证相关尺寸精度，减小焊接变形量和提高焊接生产率。因此，在生产中，焊接方法的选择、焊接夹具的合理设计以及焊接工艺的制定等起着非常重要的作用1-4。摩托车车架头部作为车架的主要组成部位，其材料强度与焊缝的质量对整车同时起着至关重要的作用。本次设计选择壁厚为16Mn钢管作为摩托车车架头部的材料，
2、16Mn钢属于低合金结构钢中的热轧钢，这类钢的价格便宜，而且具有满意的综合力学性能和加工工艺性能。其碳的含量在0.16%左右，屈服点等于343MPa（强度级别属于343MPa级），16Mn钢的合金含量较少，焊接性良好，焊前一般不必预热。2课题目的 本课题针对目前摩托车车架头部生产布局不合理、生产效率低、产品一次合格率不高等问题。在充分了解和掌握168摩托车车架头部焊接制造技术要求的基础上，分析研究生产效率低，产品一次合格率不高的原因，提出解决办法。特别是自动焊接方法、焊接工艺、焊接工装夹具等因素对焊接加工的影响规律，从而优化出较好的焊接加工过程和焊接工装夹具。3重点研究内容 1 焊接方法 不同
3、的焊接方法将产生不同的温度场，形成的热变形也不相同。一般来说自动焊比手工焊加热集中，受热区窄，变形较小；CO2气体保护焊焊丝细，电流密度大，加热集中，变形小，比手工焊更适合于摩托车车架焊接。摩托车车架头部的主要加工工艺是焊接，原则上，手工电弧焊、埋弧焊、钨极氩弧焊和CO2气体保护焊等均可选用，应根据施工条件、结构形式、效率与成本核算、焊接质量的水平综合考虑。选择原则应为在好的劳动条件下，低成本地完成高质量的焊缝。此论文主要通过对手工电弧焊、钨极氩弧焊（TIG）、熔化极气体保护电弧焊（MAG、MIG）以及CO2气体保护焊等焊接方法特点的比较，选择更为符合此次摩托车车架头部焊接生产的焊接方法5-7
4、。2 焊接工艺方案 根据产品图及相关资料，确定车架头部各零部件的装配顺序、焊缝的位置、焊接顺序等，拟定车架的工艺方案，包括焊接工艺规程、工程计划表和结构草图等。再根据车架零部件的装配顺序、焊接方法、焊缝的位置及质量要求、生产节拍和各工序工时的均衡来规定生产组织形式和工艺路线的安排，包括划分车架零部件组焊的工序和所需焊接工装的数量。确定各工序所需工装的基本构成、车架零部件的定位、夹紧位置和总体布局，主要零部件的基本结构8-9。3 焊接工装夹具 正确地设计、选用各种焊接工装夹具，可缩短装配、焊接的时间，减轻工人的劳动强度，提高劳动生产率，保证产品的装配精度和焊接质量，还可以充分发挥焊接设备的潜力，
5、扩大使用范围，并有利于实现焊接作业的综合机械化和自动化10-14。焊接工装设计过程中应满足便于操作、安全、可靠及满足外观和经济上的要求，还需遵循以下原则 焊件整体组合的制造精度要求及各个零部件的形状尺寸要求来确定夹具的设计精度和几何尺寸。并以之为基础选择定位部分的结构形式，并根据焊接变形和焊接应力的大小来确定夹紧力及夹紧机构类型； 应尽量统一各道工序的夹具定位基准和尺寸链，减小产品制造的累积误差； 焊装作业应在同一夹具上全部完成，否则需设计补焊工装或添置补焊工位； 夹具应动作迅速、操作方便。操纵位置应处在工人最容易接近、操作的部位。特别是手动夹具，操作力不能过大，操作频率不能过高，操作高度应设
6、在工人最易使力的部位。当夹具处于夹紧状态时，应能自锁； 夹具应有足够的装配空间，不能影响焊接操作和焊工观察，不妨碍工件的装卸。所有的定位元件和夹紧机构应与焊道保持适当的距离，或者布置在工件的下方和侧面。夹紧机构的执行元件应能伸缩或转位； 夹紧可靠、刚性适当。夹紧时不破坏工件的定位位置和几何形状，夹紧后既不使工件松动滑移，又不使工件拘束度过大，产生较大应力； 夹紧时不应损坏工件的表面质量。夹紧薄件和软制材料的工件时，应限制夹紧力或者采取压头行程限位，加大压头接触面积，加添铜铝垫片等措施； 接近焊接部位的夹持机构，应考虑操作手把的隔热和防止焊接飞溅对夹具机构和产品的损伤； 夹具的施力点应位于工件的
7、支承处或布置在靠近支承的地方。由于车架焊接结构和焊接工艺的特点，使装焊的工件在夹具上的定位、夹紧与机械加工的夹具有所不同，因而给焊接工装夹具带来了如下特点 由于车架是由许多个简单零件组焊而成，而这些零件的装配和点定在夹具上又是按顺序进行的，因此，他们的定位和夹紧是一个个单独进行的。 在焊接过程中，为减少或消除焊接变形，要求工装夹具对某些零件给予反变形或作刚性夹固。但是，为了减少焊接应力和保证工件接头的吻合，又要允许某些零件在某一方向有移动。因此，在设计时，没必要对所有的零件（特别是尺寸精度要求不高的部位）都作刚性夹固。 由于车架焊接多采用于混合气体保护焊工艺，夹具工作中主要承受焊接应力、夹紧反
8、力以及焊件的重力。2 168摩托车车架头部焊接分析 1产品材料的焊接性分析 16Mn钢是低合金高强度钢中具有代表性的钢种，其屈服极限强度达350MPa，与一般的低碳钢相比，提高了50%左右，结构重量也减轻了20%30%，广泛用于各种大型船舶、桥梁、汽车等焊接结构中。16Mn钢能被如此广泛应用，除了其具有良好的综合机械性能、冷变形性能外，更主要取决于它具有优良的焊接性。首先由以下几个方面分析一下这类钢的焊接性 裂纹问题 1）热裂纹 热裂纹是在焊接高温下产生的，其中危害最严重的是结晶裂纹，由于结晶裂纹是在结晶后期，由低熔点物质所形成的液态膜而引发的。热轧钢一般含碳量较低，而含锰量较高，因此它们Mn
9、/S比较大，具有良好的抗热裂性能。正常情况下焊缝中不会出现热裂纹，但当材料成分不合格或有严重偏析，使碳、硫含量偏高，Mn/S比偏低，易出现热裂纹。锰在钢种可与硫形成硫化锰，减少了硫的有害影响，增强了钢的抗热裂性能。2）冷裂纹 钢材冷裂纹主要取决于钢材的淬硬倾向，而钢材的淬硬倾向又主要取决于它的化学成分。热轧钢由于含有少量合金元素，其碳当量比低碳钢碳当量略高些，所以这种钢淬硬倾向比低碳钢要大些，而且随钢材强度级别的提高，合金元素的增加，它的淬硬倾向逐渐增大，应根据接头形式和钢材厚度来调整线能量、预热和后热温度，以控制热影响区的冷却速度，同时降低焊缝金属的含氢量等措施，防止冷裂纹的产生。3）再热裂
10、纹 再热裂纹是由于钢中含有Cr、Mo、V、Nb等强碳化物形成元素，以及存在一定的残余应力，并在焊后进行再次加热的情况下产生的。从钢材的化学成分考虑，由于热轧钢中不含强碳化物形成元素，因此对再热裂纹不敏感，而且还可以通过提高预热温度和焊后立即后热等措施来防止再热裂纹的产生。4）层状撕裂 层状撕裂的产生，与钢材的合金成分没有直接关系，仅与冶炼、轧制工艺及杂质的含量与分布有关。对于16Mn来说，其本身的杂质与有害元素控制严格，所以只要我们控制其材料厚度与选择合适焊接工艺，其层状撕裂是可以减少或避免的。 脆化问题 1）过热区脆化 热轧钢焊接时近缝区中被加热到100以上粗晶区，易产生晶粒长大现象，是焊接
11、接头中塑性最差的部位，往往会承受不住应力的作用而破坏。防止过热区脆化的措施是提高冷却速度，尤其是提高奥氏体最小稳定性范围内的冷却速度，缩短在这一温度区间停留时间，减少或防止奥氏体组织的出现，以提高钢的冲击韧度，而且为防止过热区粗晶脆化，也不宜采用过大线能量。2）热应变脆化 热应变脆化是由于焊接过程中热应力产生塑性变形使位错增殖，同时诱发氮碳原子快速扩散聚集在位错区，出现热应变脆化。对于16Mn钢来说，其具有一定得热应变脆化倾向，焊接时消除热应变脆化的有效措施是焊后退火处理。综合以上分析，在裂纹方面，16Mn对热裂纹、再热裂纹和层状撕裂不敏感，只有当材料厚度过大时，且冷却过快时对冷裂纹有一定的敏
12、感性；在脆化方面，16Mn有一定的热应变脆化现象，对热区脆化不敏感。在实际生产中，只需通过一些简单的焊接工艺就可以解决16Mn中由于部分原因对焊接带来的不利影响。因此，总的来说，16Mn具有优良的焊接性。2产品材料的焊接工艺性分析 热轧钢焊接时，焊接方法的选择不是一个关键问题，它对焊接方法无特需要求，像手弧焊、埋弧焊、气体保护焊等一些常用的焊接方法都能采用，它主要根据材料、产品结构以及施工条件来确定。在此，主要由以下几个方面对焊接工艺进行分析 焊前准备1）焊接坡口形式的设计应避免采用焊不透或局部焊透的坡口，还要尽量减少焊缝的横截面积，以降低接头的残余应力，同时也可减少焊接材料的消耗量。2）坡口
13、加工采用热切割时应注意防止母材边缘会形成一定深度的淬硬层，这种低塑性的淬硬层往往成为冷加工的开裂源。3）焊前必须消除焊接区钢表面的水分，坡口表面的氧化皮、锈斑、油脂以及其他污物。4）焊接材料在使用前应按生产厂推荐的规范进行烘干。5）装配定位焊缝必须采用与正式焊缝同一类型的焊条、焊丝。 焊接线能量的选择 线能量的参数是指焊接电流、电弧电压和焊接速度。低合金结构钢焊接时，线能量参数除要保证接头的熔透性和焊缝成型外，还要考虑其对接头性能的影响。焊接含碳量低的热轧钢以及含碳量偏下限的16Mn钢时，对焊接线能量没有严格的限制，但从提高过热区塑性和韧性考虑还是采用偏小线能量更为有利；当焊接含碳量偏高的16
14、Mn钢时，为降低淬硬倾向，防止冷裂纹产生，焊接时线能量应偏大些。3焊接方法的选择与分析 车架头部的焊接方法种类众多，原则上，手工电弧焊、埋弧焊、钨极氩弧焊和CO2气体保护焊等均可选用，为了选择符合高效焊接生产原则的焊接方法，我们对以下各种焊接方法进行比较 手工电弧焊 手工电弧焊是利用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法。热能是由电弧提供，和MIG焊一样，电极为自耗电极。金属电极外由矿物质熔剂包覆，熔剂熔化时形成焊渣盖住焊接熔池。此外，包覆的熔剂还释放出气体保护焊接熔池，而且，还含有合金元素用来补偿合金熔池的合金损失。在有些情况下，包覆的熔剂内含有所有合金元素，中部的焊条仅是碳钢。然而，在采用这些类
15、型的焊条时，需要特别小心，因为所有飞溅都具有软钢性质，在使用过程中焊缝会锈蚀。此种焊接的特点是设备简单、操作灵活方便，能进行全位置焊接适合焊接多种材料。但其最大的不足是生产效率低劳动强度大，因此在大批量焊接生产中很少使用。 钨极氩弧焊（GTAW 或TIG） 钨极氩弧焊是以难熔金属钨或其合金棒作为电源一极，采用惰性气体氩气作为保护气体，利用钨极与工件之间产生的电弧热作为热源，加热并熔化工件和填充金属的一种焊接方法。由于电弧是在氩气中进行燃烧，因此具有以下优缺点1）氩气具有极好的保护作用，能有效的隔绝周围空气。它本身既不与金属起化学反应，也不溶于金属，使得焊接过程中的冶金反应简单易控制，因此获得较
16、高质量的焊缝提供良好条件。2）钨极电弧非常稳定，即使在很小电流情况下（小于10A）仍可稳定燃烧，特别适用于薄板材料焊接。3）热源和填充焊丝可分别控制，因而热输入容易调整所以这种焊接方法可进行全方位焊接，也是实现单面焊双面成型的理想方法。4）由于填充焊丝不通过电流，故不产生飞溅，焊缝成型美观。5）交流氩弧焊在焊接过程中能够自动清除焊件表面的氧化膜作用，因此，可成功地焊接一些化学活泼性强的有色金属，如铝、镁及合金。6）钨极承载电流能力较差，过大的电流会引起钨极的熔化和蒸发，其微粒有可能进入熔池而引起夹钨。因此，熔敷速度小、熔深浅、生产率低。7）采用氩气较贵，熔敷率低，且氩弧焊机有较复杂，和其他焊接
17、方法（如焊条电弧焊、埋弧焊、CO2气体保护焊）比较，生产成本较高。8）氩弧周围受气流影响较大，不易室外工作。钨极氩弧焊被广泛用于工业生产，特别是航空航天等军工和尖端工业技术所用的铜及铜合金、钛及钛合金、合金钢、不锈钢、钼等金属的焊接，但由于其生产率低、生产成本较高等因素的限制，在焊接表面质量要求不高的产品时，此焊接方法往往不做首选。 熔化极气体保护电弧焊（MIG/MAG） 熔化极气体保护电弧焊是利用连续送进的焊丝与工件之间燃烧的电弧作热源，由焊嘴喷出的气体来保护电弧进行焊接的。熔化极气体保护电弧焊的主要优点是可以方便的进行各种位置的焊接，同时也具有焊接速度较快，熔敷率较高的优点。以氩气或氦气为
18、保护气时称为熔化极惰性气体保护电弧焊（在国际上简称为MIG焊）；以惰性气体与氧化性气体（O2,CO2）混合气为保护气体时，或以CO2气体或CO2O2混合气为保护气时，统称为熔化极活性气体保护电弧焊（在国际上简称为MAG焊）。熔化极活性气体保护电弧焊可适用于大部分主要金属，包括碳钢、合金钢。熔化极惰性气体保护焊适用于不锈钢、铝、镁、铜、钛、锆及镍合金。利用这种焊接方法还可以进行电弧点焊。此焊接方法的特点显著提高电弧稳定性，熔滴细化，过渡频率增加，飞溅大大减少（飞溅率为1%-3%，采用射流过渡时几乎无飞溅），焊缝成形美观。此外，采用混合气体保护还可以改善熔深形状，未焊透和裂纹等缺陷大大减少，并能提
19、高焊缝金属的性，减少焊后清理工作量，节能降耗，改善操作环境。 CO2气体保护焊 二氧化碳气体保护焊是以二氧化碳气为保护气体，进行焊接的方法。在应用方面操作简单，适合自动焊和全方位焊接。CO2焊接的特点1）在焊接电弧高温作用下CO2会分解成CO、O2和O，对电弧具有叫强烈的压缩作用，从而导致该焊接方法的电弧形态具有弧柱直径较小，弧跟面积小且往往难于覆盖焊丝端部全部熔滴的特点，因此熔滴受到的过渡阻力（斑点力）较大而使熔滴粗化，过渡路径轴向性变差，飞溅率大；2）对焊接区保护良好，CO2的密度是常用保护气体中最大的，加上CO2气体受热分解后，体积增大，因此保护较好；3）能量相对集中，焊透能力较大；4）
20、生产成本低，节约电能；5）工艺和技术上还具有焊接区可见度好，便于观察、操作；焊接热影响区和焊接变形较小；熔池体积较小结晶速度较快，全位置焊接性能良好；对锈污敏感度低的优点。适用范围目前CO2气体保护焊广泛应用于机车制造、船舶制造、汽车制造、采煤机械制造等领域。适用于焊接低碳钢、低合金钢、低合金高强钢，但是不适合于焊接有色金属、不锈钢。在摩托车车架头部的焊接生产中，对其焊缝外观及表面质量的要求不高，所以在选择焊接方法时，主要考虑经济高效生产的原则。通过对以上几种焊接方法的比较，此次焊接生产选择CO2气体保护焊。反观其他几种焊接方法，由于手工电弧焊的生产效率低，在大批量的焊接生产中，往往不予考虑；
21、而由于TIG焊生产率低、生产成本较高等因素的限制，也不做考虑；熔化极气体保护电弧焊往往用于产品质量较高的焊接生产中，其成本也相对较高，在此次车架焊接生产中不做首选。另外由工艺特点上比较，影响熔池存在时间和熔池几何形状的主要因素是被焊金属的热物理性能、坡口角度、尺寸、焊接方法以及焊接规范等。假设基本金属的热物理性能、坡口角度及尺寸为定值时,熔池存在的时间和熔池的几何形状可以用下式表示t=M/v=UIJS/v 式中t熔池存在的时间, s；S散热系数；v焊接速度,mm / s；U电弧电压,V;I焊接电流,A；J 熔池几何形状系数,mm；M 熔池几何形状当量外径,mm。由上式可以看出，CO2 气体保护
22、焊具有单面焊双面成形的有利条件。CO2气体保护焊的电弧热量集中，加热面积小,液体熔池小,熔池几何形状比手工电弧焊、埋弧焊较小,有利于熔池的控制。CO2气体保护焊电流密度较大,可以达到足够的熔深,由于熔池体积较小,焊接速度快,在CO2气流的冷却作用下,熔池停留的时间短,因此既有利于控制熔池不下坠,又可以焊透。CO2 气体保护焊熔渣较少,熔池的可见度较好,便于直接观察熔池的形状,焊工可以依据熔孔的大小来控制焊接速度和摆动以保证焊缝成形,易操作且效率高。3 168摩托车车架头部焊接工艺方案的制定 1产品图分析 图1 摩托车车架头部及焊缝位置示意图 如图1所示，摩托车车架头部主要由立管、主梁管、加强块
23、以及吊块组成， 1、2、3、4、5分别为连接零件的五处焊缝。立管通过焊缝1与主管连接；加强块通过焊缝2、焊缝3分别与立管、主管连接，其主要作用是减少焊缝1处的受力情况，避免车架头部断裂；吊块1、吊块2也分别通过焊缝连接在主管尾部，起着悬挂摩托车发动机的作用。组成车架头部的五个零件都是经济实惠、综合机械性能良好、焊接性优越的16Mn钢材料。立管、主管都是壁厚3mm、直径45mm的16Mn钢管，其中立管是长170mm的圆柱状，主管是经过弯曲加工的，带有一定弧度的弯管。加强块、吊块1和吊块2都是由16Mn钢制成的壳体，吊块1分为左右两块，分别焊接在主管的两侧。此产品的焊接生产过程中，主要是针对圆管的焊接，因此选用100%CO2气体保护焊，熔深好，焊缝成形美观，便于单面焊双面成形。如图1中摩托车车架头部结构，可知加强
