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摘要
电机是现代汽车必不可少的组成部分,但由于发电机工作环境恶劣,因此要提高产品的耐腐蚀性能,要求发电机转子的风扇采用镀锌钢板。
从其使用性能考虑,接头质量要求高。
转子风扇是通过凸焊直接焊接到转子爪极上的,在发电机工作时随转子一同运转。
但在发电机生产过程中发现发电机转子风扇经常出现焊接不牢的现象,如果焊接不牢在发电机高速运转时,易出现焊点脱离甚至风扇脱落的现象,因此该问题如果解决不好将影响发电机的产品质量和整条发电机生产线的生产。
本课题针对此现象并通过试验分析得出:
风扇在凸焊过程中焊接强度偏低。
在对凸焊接头的组织性能进行分析的过程中,得出:
局部过热使晶粒变得粗大,很大程度影响接头处的机械性能,尤其是塑性和冲击韧性显著降低。
在课题的研究中,制定出了实验方案,通过均匀化设计完成了10次试验,从而获得了不同焊接参数下的焊点。
在完成以上试验及分析的基础上,从而得到了凸焊工艺的最优参数,对获得理想的凸焊质量提供了理论上的保障。
本研究的成果,对于提高汽车发电机风扇的凸焊接头性能及其使用寿命具有一定的现实及理论意义。
关键词 凸焊;镀锌钢板;低碳钢;均匀设计;组织性能分析
Abstract
Generatorisanindispensablecomponentofmodernautomible.Becauseofpoorworkingenvironment,inordertoimprovethecorrosionresistanceofproducts,thefanofgeneratorrotorisusuallymadeofgalvanizedsteelsheet.Accordingtotheserviceperformance,thehighqualityofweldedjointisrequired.Bymeansofresistanceprojectionwelding,thefancanbeconnecteddirectlywithpoleontherotor.Whilethegeneratorworks,thefanwillruntogetherwiththerotor.Butinproduction,thepoorweldingqualityoffanoftentakesplace.Thisphenomenonwillleadtothepull-offofspotweldorfan,underhigh-speedoperation.Therefore,theproblemmustbesolvedwell,otherwise,theproductqualityandtheproductionofthewholeproductionlineofgeneratorswillbeaffected.
ThetopicforthisphenomenonandcomethroughthetestanalysisthatFansintheprojectionprocessofweldinglowintensity.Intheanalysisofstructurepropertyinthecourseofprojectionwelding:
Toalargeextent,localoverheatingmadecrstalgraingrewthatinfluencethemechanicalpropertiesofthejoints,especiallytheplasticityandtoughnessdecreasedsignificantly.Inthesubjectofthestudy,bymeansofexperimentalprogrammeofuniformdesignthatcompleted10testandobtaindifferentjointsofweldingparameters.Onthebasisthecompletionofthetestsandanalysisthatobtainthebestweldingparameters,whichistheidealofaccesstothequalityoftheprojectionweldingtheoryofprotection.Theresultsofthisstudyforimprovingthecar'sgeneratorfanprojectionweldingperformanceandservicelifehaveacertainrealityandtheoreticalsignificance.
Keywordsprojectionweldinggalvanizedsteelsheetlowcarbonsteeluniformdesignanalysisofstructureproperty
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目录
摘要I
AbstractII
第1章绪论1
1.1课题研究的目的和意义1
1.2国内外在该方向的研究现状1
1.2.1镀锌板在汽车行业的应用1
1.2.2镀锌板的研究方向2
1.3镀锌板的点焊焊接性3
1.4发电机转子工艺6
1.4.1结构特点6
1.4.2加工工艺参数7
1.5本焊件对焊接工艺有较严格的要求8
1.6课题主要研究内容8
第2章凸焊9
2.1凸焊的特点及适用场合9
2.2凸焊工艺规范10
2.3常用金属材料的凸焊10
2.3.1低碳钢的凸焊10
2.3.2镀层钢板的凸焊11
2.4本章小结12
第3章三相次级整流点焊机13
3.1三相点焊机设备13
3.2三相次级整流点焊机发展现状14
3.3三相次级点焊机的主电路14
3.4三相次级整流电阻焊机的优缺点15
3.5本章小结17
第4章爪极与扇叶凸焊接头的组织性能分析18
4.1试验材料及设备18
4.1.1试验材料18
4.1.2试验设备18
4.2侵蚀剂的配制19
4.3金相试样的制备过程20
4.4凸焊接头的组织性能分析20
4.4.1凸焊接头不同区域的组织及性能分析20
4.4.2含碳量对低碳钢组织及性能的影响21
4.4.3凸焊接头宏观组织分析23
4.4.4凸焊接头微观组织分析24
4.5试验方案的选择与设计29
4.5.1实验方案的选择29
4.5.2实验方案的设计30
4.6本章小结33
结论34
致谢35
参考文献36
附录38
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第1章绪论
1.1课题研究的目的和意义
汽车发电机是一个非常重要的部件,它为现代化的、先进的汽车电子控制系统提供必需的电能,为确保发电机的性能与质量,必须对其各部件的加工工艺给予足够的重视和研究[1]。
由于发电机工作环境恶劣,因此要提高其耐腐蚀性能,要求发电机转子的风扇采用镀锌钢板。
根据镀锌工艺、镀锌成分等不同,镀锌钢板分为:
电镀锌板、热镀锌板、Zn-Ni合金镀层板、Zn-Fe合金镀层板等。
由于镀层金属的物理性能与导电性能不同于碳钢,所以镀锌钢板的电阻点焊性能与未镀锌的同种钢板有较大的不同。
从其使用性能考虑,对接头质量要求更高,即凸焊时,既要保证产生足够强度的接头,还应合理地保护镀层[2]。
同时由于基层钢板和镀锌层两者截然不同的物理及机械特性,镀锌钢板的焊接容易产生过热、飞溅及影响电弧稳定性的锌蒸汽等问题。
转子风扇是通过凸焊直接焊接到转子爪极上的,在发电机工作时随转子一同运转。
在发电机生产过程中发现风扇经常出现焊接不牢的现象,在发电机高速运转时,易出现焊点脱离甚至风扇脱落的现象。
因此,发电机转子爪极与风扇的焊接工艺作为关键的研究项目被确定下来。
通过对发电机转子爪极与风扇的凸焊接头组织性能分析,进一步学习有关焊接参数对接头质量的影响的知识,从而掌握凸焊这一专业技能。
通过毕业设计使自己真正掌握提出问题,分析问题,解决问题的能力。
1.2国内外在该方向的研究现状
1.2.1镀锌板在汽车行业的应用
汽车在行使过程中受到大气、水(包括酸雨的腐蚀)。
各国对汽车的耐蚀性能提出了严格的要求[3]。
其中美国、日本都提出了耐表面腐蚀5年,耐穿透腐蚀10年。
但是传统的冷轧板已经不能满足这方面的要求,即根据锌和铁的电化学特点,人们认识到镀锌层能够防止钢铁的腐蚀,同时锌腐蚀后在金属表面形成致密的ZnO、Zn(OH)2和ZnCO3又可以使自身的腐蚀减慢,即使油漆层受到破损的情况下也能保持较好的耐腐蚀性。
为了提高汽车耐腐蚀性及使用寿命,国内外都不断推广应用镀锌板[4]。
国内在镀锌板的应用也日渐广泛,以北京吉普生产的切诺基为例,整车车身需要钢板706.1公斤,其中镀锌钢板为495.67公斤,占总重量的70%。
国内自主研发的中华牌轿车,镀锌钢板的应用也超过了总钢板重量的80%。
总的来说,镀锌钢板在汽车车身上,尤其在轿车车身上用量应占汽车冷轧薄板的70%左右[5]。
正因为如此,汽车行业成为镀锌板的主要消耗行业,如欧洲汽车行业1987的镀锌板用量达130万吨,占镀锌板总产量的26%。
1998年美国汽车制造业的镀锌板用量达240万吨,占镀锌板总产量的30%。
表1-1为2000年以后,部分国家与地区的镀锌板主要应用领域[6]。
表1-1国内和世界主要国家和地区热镀锌板消耗结构[6]
国家
汽车(%)
建筑(%)
家电(%)
其他(%)
日本
33
36
16.5
14.5
欧洲和美国
42
31
25
2
中国
10
40
30
20
1.2.2镀锌板的研究方向
目前国内外的学者对镀锌钢板点焊进行了较多的研究,尤其是美国、法国、德国和日本在此方面作了大量的工作,一般来说,对于镀锌钢板的点焊研究主要集中在以下方面:
(1)从大量实验中获得最佳点焊规范参数,改善焊点的性能。
许多学者通过大量的实验,获得了一系列数据,如熔核的尺寸与焊接电流及时间的关系,各种不同规格镀锌的焊接电流,时间,压力范围等。
(2)研究电极的磨损原理以及探索提高电极寿命的方法。
(3)研究熔核结晶形态,接头的力学性能,讨论焊接参数的影响,以便更好地确定焊接条件。
(4)以信息和控制新技术对点焊工艺和过程进行模拟和预测,包括:
通过数值模拟的方法在计算机上模拟镀锌钢板点焊时焊接区的温度分布及熔核尺寸,从而预测各种焊接结果,或通过人工神经网络的方法建立专家系统预测焊接过程[7]。
1.3镀锌板的点焊焊接性
镀锌板一般采用点焊进行连接,如示意图1-1所示[8]。
点焊成形与焊接行为一般和组成点焊系统的各因素及其交互作用直接相关,如图1-2所示[9]。
图1-1点焊模型示意图[8]
图1-2组成电阻点焊系统的主要因素[9]
由于镀层金属与低碳钢截然不同,所以镀锌钢板与普通钢板相比,其焊接性存在如下特点[10]:
(1)接触电阻小。
点焊开始时,由于被焊工件间的接触面上存在低电阻率、低硬度的锌层,使接触电阻减小,不利于熔核的形成。
(2)焊接电流密度减小。
在焊接过程中,焊件间的低熔点镀锌层在形核之前首先熔化后被挤出塑性环,增大了焊件间的接触面,使焊接电流密度减小,电流场分布不稳定,影响了熔核的形成和大小。
(3)镀层表面易烧损,沾污电极,且电极表面易过热变形,降低电极寿命。
(4)容易产生焊接飞溅,影响焊点质量的稳定性。
(5)易出现裂纹、气孔或软化组织。
在镀锌钢板点焊过程中,由于焊接规范不合理,会使接头中残留部分锌及锌铁合金在熔核结晶过程中,可能会形成细小裂纹或气孔,残留的锌较多时还会形成软化组织。
产生以上焊接问题的原因主要合材料的性质有关。
即由于锌和铁在物理性能及力学性能方面都有较大差异,锌的熔点和硬度都比铁低得多,所以在相同的电极压力与电流的情况下,电极工作端面与镀锌钢板的接触面积比低碳钢板大,从而使电流密度下降,产生的电阻热降低,熔核尺寸随之减小。
因此为了获得合格的熔核尺寸,点焊镀锌钢板时,在相同的电极压力条件下,需要比点焊低碳钢更大的电流或者更长的通电时间,但增加电流或者增加通电时间必然会使电极工作端面的温度升高,这就加剧了镀锌层的熔化和电极端面的粘连,粘连在电极端面的锌与铜形成合金降低电极寿命,对于纯锌层板的焊接,电极寿命会从焊接裸板的10000个焊点降至1500~2000个焊点,这样会因为频繁的更换和调整电极而影响生产率。
电极寿命的降低是由于电阻点焊时电极和镀锌板之间的温度(800℃)大大高于纯锌的熔点(419℃),这样锌和Cu/Cr/Zr电极会发生化学反应而形成黄铜,黄铜的力学性能比电极合金的力学性能低,在焊接时会使电极活化面直径随焊点增多而增大,呈蘑菇状,如图1-3所示[11]。
图1-3电极活化面与焊点数量的关系[11]
电极活化面直径的增加会减小焊接电流密度而使焊接时熔核的尺寸减小,从而使焊接质量下降。
随着锌含量的增加,黄铜的强度和韧性下降,导电性和导热性降低,电极工作端面迅速过热变形。
为了减小钢板表面镀锌层的烧损,就要采用较大的电极压力,以减小电极与镀锌钢板之间的接触电阻,这又加速了电极的压溃变形,使电流密度进一步减小,直至不能形成熔核。
因此,与低碳钢点焊相比,镀锌钢板的合适点焊规范范围窄,接头强度波动大,焊接性差。
点焊过程分为预压、焊接、保持和休止四个阶段。
镀锌钢板与无镀锌钢板点焊的主要差别在第一和第二阶段,这两个阶段的差异决定了他们之间焊接性的差异。
在预压阶段,电机的压力加在工件上,使工件与工件之间、工件与电极之间产生紧密地接触,这期间内每个接触界面的接触面积与原始的金属表面微观形貌有关,高的表面凸起导致较少的点接触和小的实际接触面积。
光滑的表面实际上具有很多高度不大的显微凸起,会有较多的点接触和大的接触面积。
接着发生凸起的变形,而进一步增大接触面积。
与无镀锌钢板相比,镀锌钢板表面的新比较软,因此更多的凸起发生变形,所以接触面积更大。
表面形貌和变形行为决定了所接触面的接触电阻和回路中的总电阻,因此无镀锌钢板焊接时具有很高的起始电阻,而镀锌钢板的最低,合金镀层则接近于无镀层钢板。
点焊的第二阶段是焊接过程的最重要阶段。
无镀层钢板点焊时,在电流的作用下,接触处加热到塑性状态,并在电极压力的作用下发生变形,增加了接触面积是更多的点发生接触,在新的接触点产生更多的热量,并进一步变形,直至实际接触面积等于几何接触面积。
由于电极是水冷的,所以与电极与工件的接触面不同,工件与工件界面处的热量会继续增加,从而使该处的总电阻继续上升,尽管接触电阻处于下降的水平,但总电阻仍然较高,产生大量的热,热量熔化了周围的金属,形成焊核。
在通电的最后阶段,如果焊核的膨胀超出了电极压力的约束范围,就会发生喷溅。
与无镀锌钢板的第二阶段相比,镀锌钢板点焊时具有明显的区别。
这区别可用电极/工件/电极间的动态电阻曲线来解释。
所谓动态电阻就是指结合面之间或者电极之间的总电阻在焊接过程中的变化的情况见图1-4[12]。
图中曲线可分为三个区域,第Ⅰ区表示凸起软化和加热阶段的电阻;第Ⅱ区表示熔化的开始和焊核的形成;第Ⅲ区是喷溅的条件。
无镀锌钢的曲线的Ⅰ区表明高的起始电阻,通电软化后由于面积增大电阻迅速下降。
由于温度上升,钢的体积电阻增大,产生更多的热量,此时尽管接触电阻下降,但体积电阻的上升成为控制因素,使总电阻快速持续上升,直到刚开始熔化。
镀锌钢具有光滑表面,锌的表面凸起有比较容易压平,且因为锌的熔点低,容易发生熔化,使电阻一直缓慢上升,另外熔化的锌被电极挤出形成锌圈进一步加剧了其电阻的低速上升,这就是曲线Ⅱ区前部的特点。
Fe/Zn合金化镀层钢板曲线类似于无镀层钢,但电阻值要低。
到区域Ⅲ时,由于压溃和电流路径的突然缩短,使所有电阻值迅速下降。
需要指出的是,热镀锌钢板焊接时,喷溅发生在更高的电阻水平上。
这是由于在电极的支持区外,熔化锌的挤压和大面积的加热使周围钢的强度不足以包裹膨胀的熔核,从而过早的发生喷溅。
由此可知镀锌板焊接需要更大的电流[13],且最容易发生喷溅,所以焊接性比较差。
图1-4理论动态电阻曲线[13]
1.4发电机转子工艺
1.4.1结构特点
发电机转子主要由以下几种零部件组成,具体见表1-2及图1-5所示,其中转子的前风扇、后风扇与转子的爪极是通过点焊的方式连接到一起,前、后风扇均为镀锌板,具体如图1-6所示[14]。
表1-2发电机转子主要零部件组成[14]
序号
1
2
3
4
5
6
名称
爪极
后风扇
轴
线圈组件
前风扇
滑环组件
材质
10#钢
08F
45#钢
08F
图1-5发电机转子组成[14]
图1-6发电机转子风扇[14]
1.4.2加工工艺参数
转子风扇焊接采用单面多点凸焊的方式进行焊接,爪极与风扇点焊工艺方法是:
在爪极端面或风扇与爪极接触面上设置多个凸点,爪极压在轴上两爪极间装有热塑性塑料骨架线圈,两个环形电极分别压在安放于两爪极端面的前后风扇上,加压通电使多个凸点同时加热形成焊核,前后风扇和爪极一次焊成一体。
转子焊接工艺参数见表1-3[14]。
表1-3转子风扇焊接工艺参数[14]
电流
时间
压力
气压力
背面气压力
焊接强度
43±1KA
13ms
0.6(-0.2)T
2.1kgf/cm2
1.1kgf/cm2
100kgf以上
1.5本焊件对焊接工艺有较严格的要求
(1)在两爪极、线圈与轴装配好并做完动平衡之后再焊接两个扇叶,焊件不能受焊接热量影响而变形。
(2)带有塑料骨架的线圈不能受焊接热量影响而变形损坏。
(3)风扇叶与爪极之间以及两个风扇叶之间有较高的定位精度要求。
观察分析样件看到,两个风扇叶均为镀锌钢板,每个风扇叶冲有6个凸点,靠这些凸点与爪极焊连接起来。
1.6课题主要研究内容
针对汽车发电机风扇凸焊接头出现的焊点脱离以及风扇脱落现象,展开试验及理论研究,具体内容如下:
(1)凸焊接头缺陷分析及形成原因分析;
(2)08F镀锌钢板与10#钢凸焊接头组织性能分析;
(3)通过均匀化实验的方案选择和实施得出合理的焊接工艺参数。
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第2章凸焊
凸焊(projectionwelding),是在一工件的贴合面上预先加工一个或多个突起点,使其与另一工件表面相接触并通电加热,然后压塌,使这些接触点形成焊点的电阻焊方法。
2.1凸焊的特点及适用场合
凸焊是点焊的一种变形,主要用于焊接低碳钢和低合金钢的冲压件。
板件凸焊最适宜的厚度为0.5~4mm,小于0.25时宜采用点焊。
随着汽车工业发展,高生产率的凸焊在汽车零部件制造中获得大量应用。
另外,可采用多点凸焊,以提高生产率和降低接头变形。
在使用平板电极凸焊时,零件表面平整无压坑,电极寿命长。
凸焊既可在通用点焊机上进行,也可在专用凸焊机上进行,广泛应用于成批生产的盖、筛网、管壳以及T形、十字形、平板等零件的焊接,如图2-1所示[15]。
图2-1凸焊适用场合[15]
凸焊有如下基本特点:
(1)凸焊与点焊一样是热-机械(力)联合作用的焊接过程。
相比较而言,其机械(力)的作用和影响要大于点焊,如对加压机构的随动性要求、对接头形成过程的影响等。
(2)在同一个焊接循环内,可高质量的焊接多个焊点,而焊点的布置亦不必像点焊那样受到点距的严格限制。
(3)由于电流在凸点处密集,可用较小的电流焊接面获得可靠的熔核和较浅的压痕,尤其适合镀层板的要求。
(4)需预制凸点、凸环等,增加了凸焊成本,有时还会受到焊件结构的制约[16]。
2.2凸焊工艺规范
凸焊工艺包括接头的准备,凸点的制备和焊接参数的选择。
由于凸焊时熔核主要由凸点熔化形成的,焊件表面的清理不如点焊时那样要求严格,对凸点的冲压质量,特别是凸点的尺寸必须达到规定的要求。
凸焊的焊接参数主要是焊接电流、焊接时间和电极压力。
对于焊强度要求较高的接头,经常采用延长电极压力时间,即所谓的保持压力时间。
(1)焊接电流,凸焊的焊接电流主要按被焊材料的特性和焊件的厚度来选择。
凸焊与点焊相比,在同等板厚度下的焊接电流可以小一些,但应保证凸点在完全压溃之前,焊接电流足以熔化凸点。
最佳的焊接电流应该是在适当的电极压力下不致挤出过多的熔化金属。
凸焊时还应注意被焊工件两侧的热平衡。
如焊接电流选择不当,在底板尚未达到焊接温度之前,凸点已完全熔化,不能形成符合强度要求的凸焊接头。
(2)焊接时间,焊接时间取决于焊接电流和凸点的尺寸,并与被焊金属的性质和厚度有关,在低碳钢和低合金钢凸焊时,通常先选择焊接电流和电极压力,再选定焊接时间,焊接电流与焊接时间成反比关系,选择较高的焊接电流,则可缩短焊接时间。
但过大的焊接电流会导致金属过热和喷溅。
通常的做法是,适当延长焊接时间相应地降低焊接电流。
(3)电极压力,凸焊时,电极压力应与被焊金属的性能,凸点的尺寸,焊件的厚度以及需一次焊接的凸点数量相适应。
合适的电极压力应能使凸点达到焊接温度时完全被压溃,并合两连接焊件紧密贴合。
电极压力过大,会过早地压溃凸点,并使电流密度减小,不能形成足够大的熔核而降低接头的强度,过小的电极压力不仅使两被焊工件不能完全贴合,而且还会引
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