CN104907774B - 一种用于钢35与3Cr13两种金属材料焊接架体的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于钢35与3Cr13两种金属材料焊接架体的加工方法，具体步骤是：1）零件下料：2）焊接：a)焊接方法：手工电弧焊焊接方法；b)焊条的选择：框架基材之间的焊接用J507钢焊条，框架基材与镶块材料之间结合部分的焊接用奥302焊条；c)焊接过程：首先采用刚性固定法将焊接件固定在焊接平台上，然后采用对称焊接对焊接件进行焊接：先将焊接件四角对称焊接，待焊接件冷却后，再逐层向内焊接，每焊接一层后，要待焊接件冷却后，再焊接下一层；焊接结束后，用振动去应力消除焊接应力；3）热处理，4）喷砂，5）探伤，6）钳工划线，7）铣削，9）检验测量。该方法工艺合理，保证了两种金属材料焊接架体的加工精度和焊接质量。

Description

一种用于钢35与3Cr13两种金属材料焊接架体的加工方法

技术领域

本发明涉及一种加工方法，特别涉及一种用于钢35与3Cr13两种金属材料焊接架体的加工方法。属于机械加工领域。

背景技术

在大型架体类零件加工中，通常是相同材料之间的焊接及加工，但随着科技的发展，对于大型架体的重量、结构性能及精度等有了更高的要求。焊接架体出现不同金属材料之间的焊接加工，在现机械加工领域，钢35与3Cr13两种材料的焊接很少，只是简单的单板拼接，对于复杂架体的焊接业内没有相关的报道。由于钢35与3Cr13两种金属材料的机械性能、焊接性能的差异，在焊接过程中产生很大变形或者裂纹，不能满足设计的要求，同时加工中的加工应力也是影响架体结构的重要因素。首先重点需要解决架体焊接产生的变形或者裂纹；其次安排合理的工艺流程，架体的装夹、刀具几何参数；还有，解决在焊接架体加工过程中产生的各种应力变形和热处理变形对零件精度的影响，以及各种变形的控制和消除方法。

本发明通过对架体的焊接过程的变形量的分析，制定出切实合理的焊接方案，加工方法和变形控制措施，从中找出加工该类零件精确的加工方法，为今后此类零件的加工提供重要的技术参考和依据。

发明内容

本发明的目的是：一种用于钢35与3Cr13两种金属材料焊接架体的加工方法，该方法工艺合理，通过使用振动时效的方法减少零件变形；该方法解决两种材料大型焊接架体的精度问题，克服焊接变形、加工应力等，保证了架体的加工精度和焊接质量。

本发明技术方案是：一种用于钢35与3Cr13两种金属材料焊接架体的加工方法，其特征是：

该方法的具体步骤如下：

1）零件下料：按架体规定尺寸和要求将钢35与3Cr13两种金属材料进行下料；其中，框架基材为钢35，各镶块材料为不锈钢3Cr13；

2）焊接：

a)焊接方法：手工电弧焊焊接方法；

b)焊条的选择：框架基材之间的焊接用J507钢焊条，框架基材与镶块材料之间结合部分的焊接用奥302焊条；

c)焊接过程：首先采用刚性固定法将焊接件固定在焊接平台上，然后采用对称焊接对焊接件进行焊接：先将焊接件四角对称焊接，待焊接件冷却后，再逐层向内焊接，每焊接一层后，要待焊接件冷却后，再焊接下一层；焊接结束后，用振动去应力消除焊接应力；

3）热处理：对焊接件进行退火处理，降低硬度，温度不大于500℃，保证各组焊件处的硬度控制在HRC26以上，平面度控制在2mm以内；

4）喷砂：对焊接件进行表面清理、除锈、除渣；

5）探伤：对焊接件结合部分进行探伤，检查裂纹；

6）钳工划线，为铣削做准备；

7）铣削：

a)架体的装夹；

b)对架体不锈钢3Cr13部分切削加工；

c)振动消除应力：

8）精加工：加工到图纸要求；

9）检验测量。

所述步骤2）的焊接采用小电流，即电流小于150A。

所述步骤2）中的焊接平台为4000mm×2000mm。

所述步骤7）的铣削中的a)架体的加装：加工正面时，在架体的反面均匀布置了多个定位块，并在定位块之下垫垫铁，架体定好位后，在定位块之上的框架上搭压板压紧架体；对定位块铣削，先在压紧架体的状态下将定位块铣平，然后松开压板再铣掉0.3mm，使架体在自然状态下多个定位块共面，为后续加工提供基准。

所述步骤7）的铣削中的b)对架体不锈钢3Cr13部分切削加工：

I）刀具材料：选用端铣刀，刀片材料为硬质合金YG6；

Ⅱ）刀具几何参数：硬质合金铣刀前刀面上磨出了R10的卷屑槽，前角增大至10°～20°，刀刃上留有0.05～0.2mm宽的棱带；后角取8°～10°；刃倾角-5°～-15°；主偏角60°，副偏角10°；

Ⅲ）切削用量：切削速度为70～100m/min,进给量f=223～318mm/min,切削深度ap=1～3mm。

所述步骤7）的铣削中的b)对架体不锈钢3Cr13部分切削加工：加工时分为粗铣、半精铣、精铣，粗铣正反两面镶块表面，留余量1mm；精铣正反两面镶块表面到产品要求。

本发明的优点是：

（1）选用奥302焊条解决了钢35和3Cr13的焊接问题，保证了部件的焊接性能。

（2）通过采用刚性固定法和对称焊接法及焊接过程采用小电流，减少了部件的焊接纵向和横向收缩，控制了部件的扭曲变形，保证了后续部件的加工。此方法可推广到大型框架结构的焊接中。

（3）在铣削加工中设计的对个定位块和压板、拉杆合理有效，很好的解决了工件的装夹问题；定位块及压板是机床自带的通用辅助工具，根据架体的大小设计的专用的拉杆，拉杆与压板同时使用在焊接或铣削加工时用于固定架体。

（4）针对不锈钢难加工材料，通过合理地选取刀具材料、设置刀具的几何参数、确定切削用量等途径，解决了加工难题。

（5）架体加工中，通过工序集中和粗、精加工分开等措施，保证了工件的尺寸精度和形位公差，工序集中减少重复装夹定位而引起的误差，粗精加工分开，可以逐步减少工件由于铣削引起的加工变形。

（6）在架体的焊接和切削加工过程中采用振动去应力新技术新工艺，有效地消除了部件的局部应力，减少了工件变形，稳定了工件的尺寸。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图主视图；

图2是本发明实施例的结构示意图左视图。

图中， 1、镶块；2、框架基材。

具体实施例

下面结合实施例及附图对本发明做进一步的说明，但不作为对本发明的限定。

实施例1

一种用于钢35与3Cr13两种金属材料焊接架体的加工方法的具体步骤如下：

1）零件下料：按架体规定尺寸和要求将钢35与3Cr13两种金属材料进行下料；如图1所示，其中，框架基材2为钢35，各镶块1的材料为不锈钢3Cr13；

2）焊接：

a)焊接方法：手工电弧焊焊接方法；

b)焊条的选择：框架基材之间的焊接用J507钢焊条，框架基材与镶块材料之间结合部分的焊接用奥302焊条；这样保证了每条焊缝组织的均匀，减少合金元素的偏稀，避免了偏稀产生的裂纹；既保证了焊缝组织性能，又保证产品的焊接质量；

c)焊接过程：首先采用刚性固定法将焊接件固定在焊接平台上，然后采用对称焊接对焊接件进行焊接：先将焊接件四角对称焊接，待焊接件冷却后，再逐层向内焊接，每焊接一层后，要待焊接件冷却后，再焊接下一层；焊接结束后，用振动去应力消除焊接应力；

所述步骤2）的焊接采用小电流，即电流小于150A，焊接参数选用小电流的方法保证焊接变形小、纵向和横向收缩量小，也防止焊缝组织硬化变脆发生断裂，保证了焊缝的质量。所述步骤2）中的焊接平台为4000mm×2000mm，来控制焊接过程的变形，保证零件位置尺寸；

3）热处理：对焊接件进行退火处理，降低硬度，温度不大于500℃，保证各组焊件处的硬度控制在HRC26以上，平面度控制在2mm以内；

4）喷砂：对焊接件进行表面清理、除锈、除渣；

5）探伤：对焊接件结合部分进行探伤，检查裂纹；

6）钳工划线，为铣削做准备；

7）铣削：

a)架体的装夹；

b)对架体不锈钢3Cr13部分切削加工；

c)振动消除应力：

所述步骤7）的铣削中的a)架体的加装：加工正面时，在架体的反面均匀布置了多个定位块，并在定位块之下垫垫铁，架体定好位后，在定位块之上的框架上搭压板压紧架体；对定位块铣削，先在压紧架体的状态下将定位块铣平，然后松开压板再铣掉0.3mm，使架体在自然状态下多个定位块共面，为后续加工提供基准。

所述步骤7）的铣削中的b)对架体不锈钢3Cr13部分切削加工：

I）刀具材料：选用端铣刀，刀片材料为硬质合金YG6；使其具有较高的硬度、强度和韧性，又具有良好的耐磨性、抗氧化性及抗粘结性；

Ⅱ）刀具几何参数：硬质合金铣刀前刀面上磨出了R10的卷屑槽，前角增大至10°～20°，刀刃上留有0.05～0.2mm宽的棱带；后角取8°～10°；刃倾角-5°～-15°；主偏角60°，副偏角10°；

Ⅲ）切削用量：切削速度为70～100m/min, 以减少切削温度；进给量f=223～318mm/min, 以免切削负荷太重，但也不易过小，以免切削刃在上次进给所形成的冷硬层内工作；切削深度ap=1～3mm，切削深度不宜过小以免在前道工序所留下的加工硬化层或毛坯外皮内切削。

所述步骤7）的铣削中的b)对架体不锈钢3Cr13部分切削加工：加工时分为粗铣、精铣，粗铣正反两面镶块表面，留余量1mm；精铣正反两面镶块表面到产品要求。本发明粗铣、精铣加工分开进行，使粗铣加工产生的变形在精铣加工中得以纠正。这样从切削参数上控制零件的加工变形。

8）精加工：精加工两面镶块1表面，到设计要求。

9）检验测量；在自由状态下打表进行检测的，为了确保零件的质量，对每个加工表面都进行检测。

在焊接和铣削中振动消除应力通过振动的形式给工件施加一个动应力，当动应力与工件本身的残余应力叠加后，达到或超过材料的微观屈服极限时，工件就会发生微观或宏观的局部、整体的弹性塑性变形，同时降低并均化工件内部的残余应力，最终达到防止工件变形与开裂，稳定工件尺寸与几何精度的目的。采用的是振动时效设备，该设备及使用方法属于公知技术。

实施例2

在实施例1的基础上，该方法的具体步骤如下：

1、下料：根据图纸完成图示序号工件的下料；

2、焊接：

a.采用手工电弧焊焊接方法，可全位置进行焊接，并焊接速度可易控制，可根据部位和焊缝的大小、长短进行变化，保证焊缝质量和焊缝高度；

b.焊接材料选用含Cr高的奥302（A302）焊条和结构钢焊条J507两种焊条，框架基体部位全为钢35材料，用结构钢焊条J507焊接，两种材料结合部位用不锈钢焊条A302焊接，这样保证了每条焊缝组织的均匀，减少合金元素的偏稀，避免了偏稀产生的裂纹；焊接参数选用小电流的方法保证焊接变形小、纵向和横向收缩量小，也防止焊缝组织硬化变脆发生断裂，保证了焊缝的质量；

c.为了保证焊接过程的变形，焊接在4000mm×2000mm的焊接平台上进行，并通过下述的夹装方式，来控制焊接过程的变形，保证零件位置尺寸；

加工正面时，工件不便于定位，在工件的反面布置了14个定位块，点焊在框架上，并制作了14个垫铁，垫在定位块之下，用来让开轴座，工件定好位后，在定位块之上的框架上搭压板压紧刚性拉杆，通过这种办法很好地解决了工件的装夹困难。

d.焊接工艺过程：首先将组成框架部位的各零件按图纸要求固定在焊接平台上，并在各接头部位相距50mm处用压板压紧在平台上，其余四周相距200mm用压板固定在平台上，并在定位块之下垫垫铁，采用刚性拉杆将零件全部固定；

再次采用对称焊接对组合件进行焊接，先将组合件四角对称焊接，待整体组合件冷却后（大约2小时后），再焊接向内一层，每层焊接后整体冷却后才能进行下层，整体组件焊接全部完成后，用振动去应力消除焊接应力；

e.单面焊接完成后将组件反向按以上方法进行焊接。反向后组件因以上单面焊接局部变形，在压板固定时无法完全贴紧台面，在焊接时组件被加热情况下，用大压板将组件固定压紧在台面上，保证组件在台面上贴紧。最后通过以上工艺过程将框架焊接后，进行矫正，再次将框架固定按图纸要求组焊各小零件，每个零件都必须刚性固定在平台上，待焊接后完全冷却，再取下部件进行后续加工。

3、振动时效：消除焊接应力，防止工件变形与开裂，稳定工件尺寸与几何精度

4、热处理：进行退火处理，降低焊缝硬度，便于切削。

5、喷砂：对焊接件进行表面清理、除锈、除渣；

6、探伤：对焊接件结合部分进行探伤，检查裂纹；

7、钳工划线，检查架体变形大小及焊接变形情况，为铣削做准备；

8、铣削：

a.按照钳工划线装夹零件,用定位块、压板及拉杆，将架体固定在铣削设备工作台面上；在铣削定位块时，先在压紧工件的状态下将14个块铣平，然后松开压板再铣掉0.3mm，接着在机床上打表检测，使工件在自然状态下14个定位块共面，避免装夹时工件变形，为后续加工提供好的基准；

b、对架体不锈钢3Cr13部分切削加工：加工时分为粗铣、精铣，粗铣正反两面镶块表面，留余量1mm；精铣正反两面镶块表面到产品要求。

c．去掉定位块、压板及拉杆，自然状态下对架体进行振动时效处理，去除加工应力。

9、精加工：

精加工两面镶块1表面，到设计要求。

10、检验测量。在自由状态下打表进行检测的，为了确保零件的质量，对每个加工表面都进行检测。

实施例3

振动时效简称VSR(Vibratory Stress Relief),它是利用一种严格受控的振动能量，对金属工件进行处理，以解决工件加工过程中和加工之后出现的内部残余应力导致尺寸变化及抗载荷能力变化问题。VSR对消除、减少或均化金属工件内的残余应力，提高工件抗动静载荷、抗变形能力，稳定尺寸精度有显著的功效。

为了对振动时效效果进行验证，分别在热处理消除应力、振动消除应力两种状态下进行对比试验，每种状态各取试件（160mm×350mm×10mm，壁厚2mm）3件，所有试件均用同一块2A12(LY12)铝板下料，然后进行粗加工（单边留3mm余量）、半精加工（单边留1mm余量）、精加工而成。为了保证实验数据的有效性，所有时间的加工均采用相同的加工设备、相同的刀具、相同的切削参数。

a.热处理消除应力加工试验

加工工艺流程如下：

下料→热处理消除应力→粗加工→热处理消除应力→半精加工→精加工

其中热处理采用的是铝合金时效处理（不能采用退火处理，否则材料性能会下降很多）。

b.振动消除应力加工试验

下料→振动消除应力→粗加工→振动消除应力→半精加工→精加工

通过测量加工后自由状态试件的变形量（平面度）反映应力消除的效果，试验结果见表1:

表1 不同状态下的变形对比表

变形量状态	热处理消除应力（mm）	振动消除应力（mm）
			粗加工	1.2～2.0	0.3～0.4
半精加工	1.54～2.0	0.2
			精加工	1.45～2.0	0.7～1.0

由于半精加工和精加工后没有进行振动消除应力，因此变形量有所增大，后又进行补充试验，在半精加工后增加振动去应力，经加工后变形量为0.1～0.15mm。由此可见振动消除应力效果明显优于热处理消除应力。

本发明的焊接过程中，通过使用振动消除应力取代热处理消除应力，有效地消除了工件内的焊接应力，焊接变形得到了有效地控制，保证了工件的尺寸精度，效果良好。在切削加工过程中，通过增加振动消除应力工序后的工件，经加工后在机床上松开压板，在自由状态下打表测得平面度为0.1mm，符合产品图的要求。工件尺寸精度稳定性和抗变形能力都保持非常好，工件加工后全部符合要求。

依据以上实践证明，本发明采用了振动消除应力它不但提高了产品质量、缩短了生产周期、提高了生产效率、降低了生产成本。

本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。

Claims (1)

1.一种用于钢35与3Cr13两种金属材料焊接架体的加工方法，其特征是：

该方法的具体步骤如下：

1）零件下料：按架体规定尺寸和要求将钢35与3Cr13两种金属材料进行下料；其中，框架基材为钢35，各镶块材料为不锈钢3Cr13；

2）焊接：

a)焊接方法：手工电弧焊焊接方法；

b)焊条的选择：框架基材之间的焊接用J507钢焊条，框架基材与镶块材料之间结合部分的焊接用奥302焊条；

c)焊接过程：首先采用刚性固定法将焊接件固定在焊接平台上，然后采用对称焊接对焊接件进行焊接：先将焊接件四角对称焊接，待焊接件冷却后，再逐层向内焊接，每焊接一层后，要待焊接件冷却后，再焊接下一层；焊接结束后，用振动去应力消除焊接应力；

3）热处理：对焊接件进行退火处理，降低硬度，温度不大于500℃，保证各组焊件处的硬度控制在HRC26以上，平面度控制在2mm以内；

4）喷砂：对焊接件进行表面清理、除锈、除渣；

5）探伤：对焊接件结合部分进行探伤，检查裂纹；

6）钳工划线，为铣削做准备；

7）铣削：

a)架体的装夹；

b)对架体不锈钢3Cr13部分切削加工；

c)振动消除应力：

8）精加工：加工到图纸要求；

9）检验测量；

所述步骤2）的焊接采用小电流，即电流小于150A；

所述步骤2）中的焊接平台为4000mm×2000mm；

所述步骤7）的铣削中的a)架体的装夹：加工正面时，在架体的反面均匀布置了多个定位块，并在定位块之下垫垫铁，架体定好位后，在定位块之上的框架上搭压板压紧架体；对定位块铣削，先在压紧架体的状态下将定位块铣平，然后松开压板再铣掉0.3mm，使架体在自然状态下多个定位块共面，为后续加工提供基准；

所述步骤7）的铣削中的b)对架体不锈钢3Cr13部分切削加工：

I）刀具材料：选用端铣刀，刀片材料为硬质合金YG6；

Ⅱ）刀具几何参数：硬质合金铣刀前刀面上磨出了R10的卷屑槽，前角增大至10°～20°，刀刃上留有0.05～0.2mm宽的棱带；后角取8°～10°；刃倾角-5°～-15°；主偏角60°，副偏角10°；

Ⅲ）切削用量：切削速度为70～100m/min,进给量f=223～318mm/min,切削深度ap=1～3mm；

所述步骤7）的铣削中的b)对架体不锈钢3Cr13部分切削加工：加工时分为粗铣、精铣，粗铣正反两面镶块表面，留余量1mm；精铣正反两面镶块表面到产品要求。