CN102825437B - 高强度汽车传动轴管erw焊接工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高强度汽车传动轴管ERW焊接工艺，汽车传动轴管屈服强度达到750MP以上，0°冲击功平均45J以上材料强度提高30％以上，可实现减重30％以上，可提高传动轴管承载能力近一倍，适应了汽车整车轻量化的要求，同时提高了传动轴疲劳强度，大大降低了失效风险，提高了工作可靠性，并在原设计轴管壁厚的基础上减薄20％以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种传动轴管焊接工艺，特别是高强度汽车传动轴管ERW焊接工艺。
背景技术
汽车用新材料在世界范围内研究者众多，新材料的发展速度也是日新月异。作为物流的商用车在世界范围内的主要制造商有德国曼公司、沃尔沃公司等欧洲企业，以及中国重汽、一汽等国内企业。现用汽车传动轴材料屈服强度大致在480～550MP，轴管均采用高频电阻焊接。首先现用传动轴材料屈服强度不能满足日益提高的应用要求，为提高承载力及安全系数，导致轴管壁厚越来越厚，与汽车整车轻量化的趋势相背而驶。其次现用材料的疲劳强度也不能满足日益恶劣的应用要求。
减重节能是目前汽车发展的主题之一，对于载重汽车来说，降低一定的重量，就可以多载重相应重量的货物，同时可以减少制造单车所需的原材料消耗。
汽车传动轴的主要损坏形式传动轴机件的损坏、磨损、变形以及失去动平衡，而机件的损坏主要表现为十字轴和突缘叉的断裂，出现轴管屈服和变形的损坏形式较为少见，这就为通过提高轴管用材料强度来实现减薄和减重提供了可能。
在日本专利中查到一篇专利，专利发明人：KAWABATAYOSHIKAZU；SAKATA TAKASHI；SAKAGUCHI MASAYUKI；专利号：JP2006037205；文章题名：“METHOD FOR PRODUCING HOLLOW DRIVESHAFT HAVING EXCELLENT FATIGUE RESISTANCE”；专利内容：本专利主要介绍的是钢管的化学成分：0.25到0.55％C，Si，Mn和Al，其成型后进行调质处理，表面残余压应力大于216Mpa，最大可达440Mpa，根据需要在化学组成中加入Cr，Mo，W，Ni，Cu，B或Ti，Nb与V等元素。
目前国内通常采用的传动轴管材料为含碳为0.10％左右，含锰1.5％左右的Nb微合金化热轧钢板，屈服强度为360-470MPa，抗拉强度为470-580MPa。根据不同的扭矩输出要求，选择不同的外径和壁厚，典型的规格有：63.5×2.5、89×5、90×3、100×4、108×7、120×6、140×6等。
热轧钢板经过以下工序完成制管过程：热轧钢板-纵剪-带钢检验-上料-予开卷-开卷-矫平-剪切对焊(TIG)-活套储料-直缘成型-高频焊接-清除外毛刺-空冷-水冷-定径-在线超声探伤-矫直-锯切-平头-成品检验(压扁、扩口、水压等)-包装。
在国家鼓励减重节能的环境下，充分挖掘汽车零部件的减重和轻量化潜力，是汽车行业材料技术人员面临的长期课题。
发明内容
本发明的目的是提供一种高强度汽车传动轴管ERW焊接工艺，ERW焊接后的高强度汽车传动轴管屈服强度达到750MP以上，0°冲击功平均45J以上，用此种材料经过冷弯成型，高频焊接做成传动轴管。
本发明的高强度汽车传动轴管ERW焊接工艺，汽车传动轴管材料按重量百分比由以下成分组成：C 0.04-0.19，Si 0.04-0.19，Mn 1.00-2.00，P 0-0.02，S 0-0.09，Al 0.014-0.038，Nb0.01-0.09，Ti 0.01-0.10；对上述成分的对原材料进行验证，运到备卷区，对原料进行开卷，对开卷后原材料进行矫平、剪切、带料连接对焊(TIG)，进行活套储料，对原料进行刨边，对原料进行纵剪后的母材超声波进行探伤，进入直缘成型，进行高频焊接、焊接后去清除内毛刺，焊缝超声波探伤，对焊缝热处理，对轴管进行空冷、水冷后定径，对轴管进行铣切，铣切后的轴管进行矫直，对轴管进行水压试验，轴管进行通经，对轴管离线超声波探伤、管端超声波探伤，轴管进行测长称重，对成品的轴管涂油、喷标、打包，轴管进行最终检验、发运，其特征在于：使用刨边机对原料的钢板进行平行型刨边，平行型刨边将提高后续焊接金属流动上升角，降低轴管内、外毛刺的产生，以及提高焊接断面的强度；直缘成型是采用KUSAKABE直缘成型机组：包括粗成型和精成型，粗成型时对钢带中部弯曲的BD1和BD2机架，轴承处辊轴直径为260MM，辊轴材料为42CRMO，经过离子氮化热处理，刚性较高，边部弯曲由6个架次完成，且全部采用空弯，每个架次的变形延伸量较小，确保了均匀变形，并且保证了设备的安全运行，3个精成型架的上下辊轴直径达到190mm，侧辊辊轴直径达到150mm，且材质为42CrMo，经过离子氮化热处理，保证了钢带在精成型机组中几何尺寸的变化，消除部分边部弯曲时产生的应力，V形开口角3°-5°，挤压辊出口尺寸参数为水平方向88-125mm，垂直方向88-122mm；高频焊接的技术参数为：采用ERW固态高频焊机，额定功率达到400KW，频率150-250KHZ，输入功率203-238KW，交流电流100-109A，频率174-178KHZ，直流电压642-652V，输出功率200-225KW，偏移量13-20％，焊接速度20-27m/min，焊缝中心熔合线宽度控制在0.04-0.19mm范围内，金属流线上升角控制在45°-80°范围内，热影响区宽度控制在壁厚的0.36-0.69倍范围内，，通过信号线与成型机组相连接，根据输入的钢管规格，以及自动测速装置实测的钢管生产速度，焊机自动进行电流、电压、功率、频率的调节；焊缝热处理设备：使用三台焊缝中频热处理设备，功率为600KW，三台焊缝中频热处理设备的频率依次为1200HZ、1500HZ、2500HZ，中频感应加热器长度达到1730MM，焊缝热处理宽度达40MM，具有负载自动匹配功能，采用弧形跟踪装置对焊缝进行跟踪，保证感应加热器中心与焊缝中心保持一致。
本发明的可提高传动轴管承载能力近一倍，适应了汽车整车轻量化的要求，同时提高了传动轴疲劳强度，大大降低了失效风险，提高了工作可靠性，并在原设计轴管壁厚的基础上减薄20％以上。
附图说明
附图1是本发明的高强度传动轴管工艺路线图。
具体实施方式
本发明的高强度汽车传动轴管ERW焊接工艺，汽车传动轴管材料按重量百分比由以下成分组成：C 0.04-0.19，Si 0.04-0.19，Mn 1.00-2.00，P 0-0.02，S 0-0.09，Al 0.014-0.038，Nb0.01-0.09，Ti 0.01-0.10；对上述成分的对原材料进行验证，运到备卷区，对原料进行开卷，对开卷后原材料进行矫平、剪切、带料连接对焊(TIG)，进行活套储料，对原料进行刨边，对原料进行纵剪后的母材超声波进行探伤，进入直缘成型，进行高频焊接、焊接后去清除内毛刺，焊缝超声波探伤，对焊缝热处理，对轴管进行空冷、水冷后定径，对轴管进行铣切，铣切后的轴管进行矫直，对轴管进行水压试验，轴管进行通经，对轴管离线超声波探伤、管端超声波探伤，轴管进行测长称重，对成品的轴管涂油、喷标、打包，轴管进行最终检验、发运，其特征在于：使用刨边机对原料的钢板进行平行型刨边，平行型刨边将提高后续焊接金属流动上升角，降低轴管内、外毛刺的产生，以及提高焊接断面的强度；直缘成型是采用KUSAKABE直缘成型机组：包括粗成型和精成型，粗成型时对钢带中部弯曲的BD1和BD2机架，轴承处辊轴直径为260MM，辊轴材料为42CRMO，经过离子氮化热处理，刚性较高，边部弯曲由6个架次完成，且全部采用空弯，每个架次的变形延伸量较小，确保了均匀变形，并且保证了设备的安全运行，3个精成型架的上下辊轴直径达到190mm，侧辊辊轴直径达到150mm，且材质为42CrMo，经过离子氮化热处理，保证了钢带在精成型机组中几何尺寸的变化，消除部分边部弯曲时产生的应力，V形开口角3°-5°，挤压辊出口尺寸参数为水平方向88-125mm，垂直方向88-122mm；高频焊接的技术参数为：采用ERW固态高频焊机，额定功率达到400KW，频率150-250KHZ，输入功率203-238KW，交流电流100-109A，频率174-178KHZ，直流电压642-652V，输出功率200-225KW，偏移量13-20％，焊接速度20-27m/min，焊缝中心熔合线宽度控制在0.04-0.19mm范围内，金属流线上升角控制在45°-80°范围内，热影响区宽度控制在壁厚的0.36-0.69倍范围内，通过信号线与成型机组相连接，根据输入的钢管规格，以及自动测速装置实测的钢管生产速度，焊机自动进行电流、电压、功率、频率的调节；焊缝热处理设备：使用三台焊缝中频热处理设备，功率为600KW，三台焊缝中频热处理设备的频率依次为1200HZ、1500HZ、2500HZ，中频感应加热器长度达到1730MM，焊缝热处理宽度达40MM，具有负载自动匹配功能，采用弧形跟踪装置对焊缝进行跟踪，保证感应加热器中心与焊缝中心保持一致。
精整段主要对ERW焊管进行平头倒棱、水压试验、测长称重、涂油喷标、打包等工作，主要有矫直机、平头机、水压机、通径机、离线超声波探伤机、测长称重装置、涂油喷标装置、打包机等设备组成。
生产线采用西门子可编程PLC控制系统，通过信号线进行数据传送，严格按照轧辊底径确定运行线速度，轧辊速比可调，保证了增速比，准确无误，减少了人为操作失误。可靠的控制实现主要靠输入(INPUT)及输出(OUTPUT)电路，整条生产线的I/O电路，都是专门设计，对输入信号进行滤波，以去掉高频干扰。
高强度传动轴管工艺路线图参见附图1。
实施例：
以下成分按重量百分比C 0.070，Si 0.08，Mn 1.66，P 0.011，S 0.003，Al 0.038，Nb0.048，Ti 0.10制成Ф89×3.5汽车传动轴管。其中轴管成型采用德国曼内斯曼公司RN120L直缘成型机组，包括粗成型和精成型，粗成型为预弯机架一架加排辊成型机，精成型机两架次，挤压辊为四辊式，定径机架为三架次，矫直采用土耳其头两架。直缘成型机组的工艺参数为：翅片一架辊缝3mm，翅片二架辊缝2.8mm，排辊进口高85mm，开合30mm；排辊出口高180mm，开合74mm，感应圈前端距挤压辊中心线距离135mm，感应线圈宽度(mm)125内径150(mm)V形开口角4挤压辊出口尺寸水平：121.7mm，垂直：120.4mm。Ф89×3.5汽车传动轴管直缘成型机组的工艺参数为：翅片一架辊缝3.2mm，翅片二架辊缝3mm，排辊进口高65mm，开合80mm；排辊出口高132mm，开合98mm，感应圈前端距挤压辊中心线距离135mm，感应线圈宽度mm111，内径121mm，V形开口角4，挤压辊出口尺寸水平：90.5mm，垂直：88.7mm。
强度传动轴管焊接工艺参数为：采用挪威EFD400KW固态高频装置。额定功率：400KW频率：150～250KHZ，具有负载自动匹配功能。高频焊接Ф89×3.5的1#和2#汽车传动轴管时的工艺参数
高强度传动轴管焊接区域显微组织参数
1)、金属流线上升角
在挤压辊挤压力的作用下，焊缝部位的金属向内外方向流动，在低倍条件下可见明显的金属流线，金属流线的切线与水平线的夹角即金属流线上升角的大小对焊接强度影响明显，其金属流线上升角应控制在45°-80°范围内，对该种高强度轴管的压扁和扩口性能较好。
2)、焊缝中心熔合线宽度
熔合线是焊缝中心含碳量最低的区域，呈现白亮细直线形态，高强度传动轴管控制范围在0.04-0.19mm范围内均可以满足传动轴管的使用要求。
3)、热影响区壁厚中心部位宽度可控制在壁厚的0.36-0.69倍范围内。
高强度传动轴管焊接区域显微组织参数
1)、金属流线上升角
在挤压辊挤压力的作用下，焊缝部位的金属向内外方向流动，在低倍条件下可见明显的金属流线，金属流线的切线与水平线的夹角即金属流线上升角的大小对焊接强度影响明显，其金属流线上升角应控制在45°-80°范围内，对该种高强度轴管的压扁和扩口性能较好。
2)、焊缝中心熔合线宽度
熔合线是焊缝中心含碳量最低的区域，呈现白亮细直线形态，高强度传动轴管控制范围在0.04-0.19mm范围内均可以满足传动轴管的使用要求。
3)、热影响区壁厚中心部位宽度可控制在壁厚的0.36-0.69倍范围内。
力学性能如下表：
注：拉伸试样为纵向，平行长度部位的宽度为20mm
纵剪机：英国得麦克公司的双臂回转式纵剪机组。
完成后传动轴的屈服强度将达到750MP以上，屈服扭矩比同规格现有材料扭矩值提高近一倍，同时抗疲劳能力大大增强，使作为汽车主要传动部件的传动轴的失效概率大幅降低，并在原设计轴管壁厚的基础上减薄20％以上。
尽管上述通过举例说明，已经描述了本发明最佳的具体实施方式，本发明的保护范围并不仅限于上述说明，本领域一般技术人员可以理解的是，在不背离本发明所教导的实质和精髓的前提下，任何修改和变化都落入本发明的保护范围中。
Claims (1)
1.高强度汽车传动轴管ERW焊接工艺，对原材料进行验证，运到备卷区，对原材料进行开卷，对开卷后原材料进行矫平、剪切、带料连接采用TIG对焊，进行活套储料，对原材料进行刨边，对纵剪后的原材料进行母材超声波探伤，进入直缘成型，进行高频焊接、焊接后去清除内毛刺，焊缝超声波探伤，对焊缝热处理，对轴管进行空冷、水冷后定径，对轴管进行铣切，铣切后的轴管进行矫直，对轴管进行水压试验，轴管进行通径，对轴管离线超声波探伤、管端超声波探伤，轴管进行测长称重，对成品的轴管涂油、喷标、打包，轴管进行最终检验、发运，其特征在于：使用刨边机对原材料的钢板进行平行型刨边，平行型刨边将提高后续焊接金属流动上升角，降低轴管内、外毛刺的产生，以及提高焊接断面的强度；直缘成型是采用KUSAKABE直缘成型机组：包括粗成型和精成型，粗成型时对钢带中部弯曲的BD1和BD2机架，轴承处辊轴直径为260MM，辊轴材料为42CRMO，经过离子氮化热处理，刚性满足高强度汽车传动轴管的制造要求，边部弯曲由6个架次完成，且全部采用空弯，每个架次的变形延伸量与传统成型工艺相比较小，确保了均匀变形，并且保证了设备的安全运行，3个精成型架的上下辊轴直径达到190mm，侧辊辊轴直径达到150mm，且材质为42CrMo，经过离子氮化热处理，保证了钢带在精成型机组中几何尺寸的变化，消除部分边部弯曲时产生的应力，V形开口角3°-5°，挤压辊出口尺寸参数为水平方向88-125mm，垂直方向88-122mm；高频焊接的技术参数为：采用ERW固态高频焊机，额定功率达到400KW，输入功率203-238 KW，交流电流100-109A，频率174-178KHZ， 直流电压642-652V，输出功率200-225KW，偏移量13-20％，焊接速度 20-27m/min，焊缝中心熔合线宽度控制在0.04-0.19mm范围内，金属流线上升角控制在45°-80°范围内，热影响区宽度控制在壁厚的0.36-0.69倍范围内，通过信号线与成型机组相连接，根据输入的钢管规格，以及自动测速装置实测的钢管生产速度，焊机自动进行电流、电压、功率、频率的调节；焊缝热处理设备：使用三台焊缝中频热处理设备，功率为600KW，三台焊缝中频热处理设备的频率依次为1200HZ、1500HZ、2500HZ，中频感应加热器长度达到1730MM，焊缝热处理宽度达40MM，具有负载自动匹配功能，采用弧形跟踪装置对焊缝进行跟踪，保证感应加热器中心与焊缝中心保持一致。
2.根据权利要求1所述的焊接工艺其特征在于：所述的汽车传动轴管材料按重量百分比由以下成分组成：C 0.04-0.19，Si 0.04-0.19，Mn 1.00-2.00，P 0-0.02，S 0-0.09，Al 0.014-0.038，Nb0.01-0.09，Ti 0.01-0.10。
3.根据权利要求2所述的焊接工艺其特征在于：所述的汽车传动轴管屈服强度达到750MP以上，0°冲击功平均45J以上。
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