前盖焊接工艺与焊接质量气密性检验工装设计

中北大学2012届毕业设计说明书第1页共45页1绪论1.1设计的目的和意义导弹武器系统的最终目的是有效摧毁目标或使目标丧失作战能力。战斗部则是导弹武器系统中直接完成作战使命的部分，是导弹的唯一有效载荷，因此，战斗部的终点毁伤效应对整个导弹武器系统的作战效能至关重要[2]。就防空反导导弹武器系统而言，如何对敌方作战飞机和来袭导弹等空中目标形成高效毁伤是这类武器中战斗部的研究方向[3]。在现代高技术战争中，首选方案就是对目标实施空中打击。从海湾战争以来的几次局部战争中可以看出，利用对陆攻击精确制导武器进行远程纵深的精确打击是美国等西方国家作战的主要形式[4]。对陆打击武器既可以有效打击敌方纵深的指挥控制中心、机场、防空阵地、桥梁、集群坦克、炮兵阵地等军事设施，也可以打击转入地下的指挥、控制、通讯设施等具有重要战略价值的目标[5]。战斗部是武器(导弹或炸弹)最终起作用的部件，如果没有有效的战斗部，即使打得很准，其效能也会大打折扣。它直接用于摧毁、杀伤目标，完成战斗使命[6]。所以，欧美国家十分重视对陆攻击精确制导武器战斗部的发展，各种战斗部技术的发展使得对陆攻击精确制导武器不仅可以有效摧毁地面目标，也可以有效摧毁地下目标[7]。导弹前盖就是用来封盖装弹药的壳体和连接导流罩的连接体。所以其存在也是必须的，导弹前盖的研究主要方向应为其材料比重，前盖本身的焊接的气密性。铝合金是工业中应用较为广泛的一类有色金属结构材料，有质量轻，易加工，机械性能好等特点。在航空航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用[8]。特别是近些年来科学技术及工业经济的迅速发展，对铝合金焊接构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究日益深入。铝合金的广泛应用促进了铝合金焊接技术的发展，同时焊接技术的发展又拓展了铝合金的应用领域，因此，铝合金的焊接问题正成为现今焊接技术研究的热点之一[9]。与钢的焊接相比，铝合金的焊接有其复杂的焊接特性：高的热导率和导电性、高的凝固速率、普通焊接时表面易形成氧化层、容易形成气孔及较大的凝固温度范围[10]。而目前铝合金焊接方法中，熔化极氩弧焊(MIG焊)的自动化焊接具有高的生产率和很好的适应性，以及对表面母材氧中北大学2012届毕业设计说明书第2页共45页化膜有阴极雾化处理作用，在铝合金焊接中得到广泛的应用[11]。1.2国内外国内外焊接发展现状及前景1.2.1焊接发展现状我国焊接起步较晚，五六十年代我国重点企业的大型焊接装备大部分从原苏联引进。部分由使用厂自行设计制造。到了70年代，我国陆续组建一批专门生产焊接装备的制造厂，如上海、成都相继成立了成套焊接设备厂，“六五”期间，原机械工业部拨专款将长春第二机床厂改建成我国第一家具有批量生产能力，制造专用摩擦焊机和焊接装备的长春焊机制造厂。进入80年代，随着国内焊接装备需求量的增长，各地相继建立了多家中小型成套焊接装备生产厂公司。迄今为止，我国已有10多家焊接装备生产企业，某些企业已具有相当大的规模，已实现焊接装备的批量生产。例如无锡阳通机械设备有限公司，2001年的销售总额达1.2亿元，创历史最高记录，列同行业前茅，2002年预计总产量可达1.8亿元。在发展初期，我国生产的焊接装备大多是较简单的焊接操作机、滚轮架、变位机、翻转机和回转平台等，成套性较差，自动化程度低。焊接操作机与配套设备基本上不能联动控制，用户必须自行改造。进入80年代以后，由于国外先进成套焊接设备的大量引进，促使国产的焊接装备无论在成套性和自动化程度，还是设备精度和制造质量方面都有不同程度的提高。目前已能生产6m6m以上大型立柱—横梁埋弧焊或窄间隙埋弧焊操作机，400t重型滚轮架及重型、轻型自动防窜滚轮架(防窜精度为1.5mm)，100t大型变位机和大、中型翻转机等。批量生产H型钢和箱形梁焊接生产线以及各种类型的按用户需要定制的专用成套焊接设备，并大量采用交流电机变频调速技术、PLC控制技术、伺服驱动及数控系统，焊接装备的自动化程度有了很大的提高，某些操作机还配备了焊缝自动跟踪系统和工业电视监控系统。但从整体水平来说，与先进国家的同行业相比，尚有较大的差距。在国内对铝合金脉冲焊接电弧的研究很多，但研究的方向集中于研究电弧的稳定性，对电弧形态的研究比较少。学者丁伟、侯启孝等对SA1SiS和SAlMg5两种铝合金焊丝的熔化特性和不同电源外特性对脉冲MIG焊电弧稳定性的影响进行了分析，试验结果表明，平外特性焊接铝合金板材时电弧不稳定，焊丝干伸长部分经常突然烧断，而用垂直加外拖电源时，电压呈有规律的周期性变化，电弧比较稳定[12]。中北大学2012届毕业设计说明书第3页共45页在薄板铝合金变极性脉冲熔化极惰性气体保护焊中，采用全桥高压脉冲双向稳弧方式，通过调压器改变高压稳弧脉冲的电压值，研究了铝合金VP—PMIG焊电弧再引燃与稳弧脉冲电压的关系。结果表明，铝合金VP--PMIG焊中，在小基值电流过零时，稳弧脉冲电压对电流过零稳定性的影响比基值电流的影响大[13]。杭争翔、殷树言等在高速摄像的基础上，研究了AC-PMIG焊接铝合金的电弧形态。电弧EN极性时，电弧达到1～1．5倍焊丝直径的高度，焊丝端被电弧阴极斑点包围且呈现亮区，弧呈现典型的钟罩形烁亮区[14]。能够实现稳定的焊接过程。近10年来，在世界工业发达国家，当代焊接装备的发展速度十分惊人，在英、美、德、法、意和日本等国均有相当规模、开发能力很强的焊接装备生产企业。2001年的第十五届世界焊接与切割博览会上参展的焊接装备厂商近百家。近期生产的自动化焊接装备的设备精度和制造质量已接近现代金属切削机床。最值得注意的是，大多数焊接装备采用了最先进的自动控制系统、智能化控制系统和网络控制系统等。广泛采用焊接机器人作为操作单元，组成焊接中心、焊接生产线、柔性制造系统和集成制造系统。早在80年代，国外的焊接装备已向大型化和精密化发展。目前国外生产的重型焊接滚轮架最大的承载能力达1600t，自动防窜滚轮架的最大承载能力达800t，采用PLC和高精度位移传感器控制，防窜精度为mm5.0。变位机的最大的承载能力达400t，转矩可达450000Nm。框架式焊接翻转机和头尾架翻转机的最大承载能力达160t。焊接回转平台的最大承载能力达500t。立柱横梁操作机和门架式操作机的最大行程达12m。龙门架操作机的最大规格为8m8m。国外很多学者认为，对于脉冲焊接来说，通常首先要实现喷射过渡从而得到一系列的脉冲参数。文献[15]基于高速摄影基础上进行高强度铝合金的双丝MIG焊接，从而得到了不同焊接参数下的不同熔滴过渡形式，实现了tandemMIG焊接一脉一滴的协同控制[16]。由于目前对于一脉多滴过渡形式的研究较少，P.K.Ghosh通过试验对此进行了研究。在Al-Mg合金的脉冲MIG的一脉多滴过程中，熔滴尺寸比较小，一般在脉冲电流条件下产生熔滴脱离焊丝进入熔池的现象，如果选择较长的高基值电流，熔滴脱离过程也可能发生在基值电流时间。P.K.Ghosh等建立了一个数学模型用来分析Al-Mg合金P-MIG焊接过程中的中北大学2012届毕业设计说明书第4页共45页熔滴过渡行为，在不同的和Im条件下，可以根据该数学模型算出每一个脉冲过程中过渡熔滴的大小和数量，但是该数学模型是否可以完全适用，需进行大量的试验来考证[17]。1.2.2焊接发展前景今天，焊接数值模拟技术正进入到焊接过程模拟的耦合集成阶段，它可以解决现在难度较大的专用特性问题，包括解决特种焊接变形及工艺优化问题。目前，我国已经形成了一批较成熟的准商品化的软件，但与发达国家相比，有较大差距。因此，应尽量以国外成熟商业软件为基础，将改进提高与普及应用相结合，加快数值模拟软件开发；要在工厂及科研单位普及这项技术，使之成为优化工艺设计、科技攻关和技术创新的重要手段；要重视与物理模拟和测试技术的配合使用，提高数值模拟的精度和速度；要加强焊接数值模拟基础理论及缺陷形成原理的研究；要多渠道集资，支持数值模拟研究工作[18]。另外，我国目前的研究工作，有一些已接近或达到国际先进水平，应瞄准目标，集中优势力量，争取做出更大的成绩。焊接变形的数值模拟和理论预测在研究和设计领域已得到了广泛应用，它为解决焊接残余应力和变形这一难题带来了新思路和新方法，但仍存在许多问题[19]。首先，在建立科学而精确的物理模型方面还需要做大量的基础性研究工作，其相应的模拟技术与检测技术也有待于向更为精确的方向发展。其最主要的问题是在高温时对材料性能认识还很不足，给数值模拟带来了不少困难，因此必须建立相应的材料特性数据库；其次，由于焊接应力场计算是属于包括相变、塑性、非线性等多方面因素影响的热弹塑性问题，尤其是焊后冷却过程中发生的相变体积膨胀，严重影响残余应力的分布[20]。因此，在关于焊接残余应力数值分析中应该充分考虑到相变作用的影响；再次，由于计算过程复杂，步骤很多，造成了较大的累积误差，难以保证精度。但数值模拟研究成果已使人们对复杂焊接物理现象的本质和规律以及焊接变形的发展有了进一步的了解，随着计算机硬件环境的不断提高，软件技术和数值模拟方法的改进，将大型复杂结构焊接残余应力和变形的数值模拟预测技术全面运用于实际生产，并用来指导设计，制定和优化焊接工艺的愿望，相信在未来技术的高速发展以及人们对焊接变形过程认知的进一步深入焊接变形数值模拟技术必将具有广阔的应用前景。中北大学2012届毕业设计说明书第5页共45页2零件的工艺分析及生产类型的确定2.1零件的作用该零件是某型号导弹战斗部前盖，它位于战斗部的顶端，是战斗部的重要保护部件，防止沙尘、水汽和各种腐蚀性物质的进入，及避免各种人为因素对战斗部造成损坏，保证战斗部正常工作及与其它部件连接。2.2零件的工艺分析零件的视图正确、完整，尺寸、公差及技术要求齐全，整体形状为桶盖形状。要求仅为焊接质量要求，和焊接后气密性检验，应该说该零件的工艺性较好。2.3零件的生产类型由于该零件的年产量为30000件，已经将备品率考虑进去了，所以结合生产实际，废品率取1﹪，代入公式得该零件的生产量为N=Q(1+1﹪)=30000×(1+1﹪)=30300件∕年零件是火箭前盖，属轻型零件，生产类型为大批量生产。中北大学2012届毕业设计说明书第6页共45页3选择焊接方法、确定焊接参数及焊接质量检验方法3.1选择焊接方法3.1.1铝合金的焊接加工特性[21]铝合金具有优异的物理特性和力学性；密度低、比强度高、热导率高、电导耐蚀能力强，已广泛应用于机械、电工、轻工、航空、航天、铁道、舰船、工业内的焊接结构产品上，例如飞机、火箭、导弹、高速铁道机车和车辆、艺船和双体船、鱼雷和鱼雷快艇、轻型自行车和赛车、大小化工容器、空调交换器、雷达天线、微波器件等，都铝及铝合金材料、制成了各种熔焊、钎焊结构。1)铝的物理特性及焊接工艺特点铝多与其他金属不同的物理特性，如表1-1所示，由此导致铝及铝合金具有与其他同的焊接工艺特点。铝在空气中及焊接时极易氧化，生成的氧化铝（AL2O3)熔点高、非常稳定、能吸潮、不易去除，可妨碍焊接及钎焊过程的进行，可在焊接或钎焊接头内生成气孔、夹杂、未融合、未焊透等缺陷，需在焊接及钎焊前对其进行严格的表面清理，清除其表面氧化膜，凄及钎焊过程中继续防止其氧化或清除其新生的氧化物。铝的比热容、电导率、热导率比钢大，焊接时的热输入将向母材迅速流失，因此，熔焊时需采用高度集中的热源，电阻焊时需采用特大功率的电源。铝的线膨胀系数比钢大，焊接时焊件的变形趋势较大。因此，需采取预防焊接变形的措施铝对光、热的反射能力较强，熔化前无明显色泽变化，人工操作熔焊及钎焊作业时会感到判断困难。现代焊接技术的发展促进了铝及铝合金焊接技术的进步。可焊接铝合金材料的范围扩大了，现在不仅掌握了热处理不可强化的铝及铝合金的焊接技术，而且已经能解决热处理强化的高强度硬铝合金焊接时的各种难题；适用于铝及铝合金的焊接方法增多了，现在不仅掌握了传统的熔焊、电阻点、缝焊、钎剂钎焊方法、而且开发并推广应用了脉冲氩(氦)弧焊、极性参数不对称的方波交流钨极氩弧焊及等离子弧焊