机械制造课程设计-10

北京工商大学

机械制造基础课程设计(报告) 院（系）: 材料与机械工程学院

班级: 机械093班

学号:

姓名:

同组学生:

指导教师：

成绩:

设计时间：

目录

一、设计任务

二、焊接结构件生产工艺过程设计

三、设备焊接接头设计及焊条的选择原则

四、立式铝槽的焊接结构工艺设计

五、小结

六、参考文献

七、附录一《立式铝槽》焊接结构工艺设计图

八、附录二焊接结构工艺设计图 (16)

一、机械制造基础课程设计任务

班级机械093 姓名同组姓名

1．设计题目(编号)

《立式铝槽》

焊接结构工艺设计

2．设计内容

（1）按产品图纸及技术要求将产品分解成总成、部件、组件、零件，确定其加工次序。

（2）确定各零件、部件、组件和总成的连接加工方法，确定包括零件的准备及装配、焊接工艺和检验方法等，确定各工艺工序上的要求，达到这些工艺要求的措施。

（3）确定每一加工工序所需设备、装备的规格型号。

3．参考资料

（1）《立式铝槽》装配图纸一张

（2）《焊接符号表示方法》GB/T324－2008

（3）压力容器常用零部件JB/T4746－2002、JB/T4701－2000等

（4）焊条的型号成分及类型GB/T5117－1995、GB/T5118－1995、GB/T983－1995等

（5）焊丝、焊剂的型号牌号和成分GB/T5293－1999、GB/T17854－1999、YB/T5092－1996等

4．设计文件要求（交电子版、打印版）

（1）焊接结构生产工艺过程设计

1）焊接生产工艺流程图

2）各零部件成型工艺选择

3）各零部件成型工艺所需设备、装备选择（规格型号）

（3）绘制设备装配焊接工艺图（A3－CAD图）

1）设备焊接筒化示意图

2）零部件标注及零部件明细表

3）焊缝位置及相关尺寸标注

4）焊缝符号标注

（4）绘制设备部件焊接工艺图（A3－CAD图）

1）部件焊接筒化示意图

2）焊缝位置及相关尺寸标注

3）焊缝符号标注

（5）设备装配焊接、部件焊接工艺设计说明

1）焊缝布置的选择

2）焊接方法的选用

3）焊接材料的选用

4）焊接接头设计

5）焊接工艺参数选择

6）其它焊接工艺要求

二、焊接结构生产工艺过程设计

1．装备的工艺性审查

（1）设备图纸审查

立式铝槽设计图见附图1。

立式铝槽筒化示意图如图1所示。

（2）设备图纸主要技术要求

①设备制造技术要求按JB741-15规范

②设备制造完成后进行气密性试验

③设备采用氩弧焊

④图中A 尺寸装配时确定

⑤设备制造完成后涂丹红两遍

⑥设备材料: A3、A3F

注：A3、A3F材料牌号为旧标注，设备材料新牌号：Q235-AF

2．设备焊接工艺分析

所设计装备的材料的要求为纯铝，分析焊接工艺如下

(1)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，不易去除。阻碍母材的熔化和熔合，氧化膜的比重大，不易浮出表面，易生成夹渣、未熔合、未焊透等缺欠。铝材的表面氧化膜和吸附大量的水分，易使焊缝产生气孔。焊接前应采用化学或机械方法进行严格表面清理，清除其表面氧化膜。在焊接过程加强保护，防止其氧化。钨极氩弧焊时，选用交流电源，通过“阴极清理”作用，去除氧化膜。气焊时，采用去除氧化膜的焊剂。在厚板焊接时，可加大焊接热量，例如，氦弧热量大，利用氦气或氩氦混合气体保护，或者采用大规范的熔化极气体保护焊，在直流正接情况下，可不需要“阴极清理”。

（2）铝及铝合金的热导率和比热容均约为碳素钢和低合金钢的两倍多。铝的热导率则是奥氏体不锈钢的十几倍。在焊接过程中，大量的热量能被迅速传导到基体金属内部，因而焊接铝及铝合金时，能量除消耗于熔化金属熔池外，还要有更多的热量无谓消耗于金属其他部位，这种无用能量的消耗要比钢的焊接更为显著，为了获得高质量的焊接接头，应当尽量采用能量集中、功率大的能源，有时也可采用预热等工艺措施。

（3）铝及铝合金的线膨胀系数约为碳素钢和低合金钢的两倍。铝凝固时的体积收缩率较大，焊件的变形和应力较大，因此，需采取预防焊接变形的措施。铝焊接熔池凝固时容易产生缩孔、缩松、热裂纹及较高的内应力。生产中可采用调整焊丝成分与焊接工艺的措施防止热裂纹的产生。在耐蚀性允许的情况下，可采用铝硅合金焊丝焊接除铝镁合金之外的铝合金。在铝硅合金中含硅0.5％时热裂倾向较大，随着硅含量增加，合金结晶温度范围变小，流动性显著提高，收缩率下降，热裂倾向也相应减小。根据生产经验，当含硅5％～6％时可不产生热裂，因而采用SAlSi條(硅含量4．5％～6％)焊丝会有更好的抗裂性。

（4）铝对光、热的反射能力较强，固、液转态时，没有明显的色泽变化，焊接操作时判断难。高温铝强度很低，支撑熔池困难，容易焊穿。

（5）铝及铝合金在液态能溶解大量的氢，固态几乎不溶解氢。在焊接熔池凝固和快速冷却的过程中，氢来不及溢出，极易形成氢气孔。弧柱气氛中的水分、焊接材料及母材表面氧化膜吸附的水分，都是焊缝中氢气的重要来源。因此，对氢的来源要严格控制，以防止气孔的形成。

（6）合金元素易蒸发、烧损，使焊缝性能下降。

（7）母材基体金属如为变形强化或固溶时效强化时，焊接热会使热影响区的强度下降。

（8）铝为面心立方晶格，没有同素异构体，加热与冷却过程中没有相变，焊缝晶粒易粗大，不能通过相变来细化晶粒。

2. 焊接方法

几乎各种焊接方法都可以用于焊接铝及铝合金，但是铝及铝合金对各种焊接方法的适应性不同，各种焊接方法有其各自的应用场合。气焊和焊条电弧焊方法，设备简单、操作

方便。气焊可用于对焊接质量要求不高的铝薄板及铸件的补焊。焊条电弧焊可用于铝合金铸件的补焊。惰性气体保护焊（TIG或MIG）方法是应用最广泛的铝及铝合金焊接方法。铝及铝合金薄板可采用钨极交流氩弧焊或钨极脉冲氩弧焊。铝及铝合金厚板可采用钨极氦弧焊、氩氦混合钨极气体保护焊、熔化极气体保护焊、脉冲熔化极气体保护焊。熔化极气体保护焊、脉冲熔化极气体保护焊应用越来越广泛（氩气或氩/氦混合气）

3.焊接材料

（1）焊丝

铝及铝合金焊丝的选用除考虑良好的焊接工艺性能外，按容器要求应使对接接头的抗拉强度、塑性(通过弯曲试验)达到规定要求，对含镁量超过3％的铝镁合金应满足冲击韧性的要求，对有耐蚀要求的容器，焊接接头的耐蚀性还应达到或接近母材的水平。因而焊丝的选用主要按照下列原则：

1）纯铝焊丝的纯度一般不低于母材；

2）铝合金焊丝的化学成分一般与母材相应或相近；

3）铝合金焊丝中的耐蚀元素(镁、锰、硅等)的含量一般不低于母材；

4）异种铝材焊接时应按耐蚀较高、强度高的母材选择焊丝；

5）不要求耐蚀性的高强度铝合金(热处理强化铝合金)可采用异种成分的焊丝，如抗裂性好的铝硅合金焊丝SAlSi一1等(注意强度可能低于母材)。

（2）保护气体

保护气体为氩气、氦气或其混合气。交流加高频TIG焊时，采用大于99．9％纯氩气，直流正极性焊接宜用氦气。MIG焊时，板厚<25 mm时宜用氩气；板厚25 mm～50 mm时氩气中宜添加10％～35％的氦气；板厚50mm-75mm时氩气中宜添加l0％～35％或50％的氦气；当板厚>75 mm时推荐采用添加50％～75％氦气的氩气。氩气应符合GB／T 4842?995《纯氩》的要求。氩气瓶压低于0.5 MPa后压力不足，不能使用。

(3)钨极

氩弧焊用的钨极材料有纯钨、钍钨、铈钨、锆钨四种。纯钨极的熔点和沸点高，不易熔化挥发，电极烧损及尖端的污染较少，但电子发射能力较差。在纯钨中加入1％～2％氧化钍的电极为钍钨极，电子发射能力强，允许的电流密度高，电弧燃烧较稳定，但钍元素具有一定的放射性，使用时应采取适当的防护措施。在纯钨中加入1.8％～2.2％的氧化铈(杂质≤0.1％)的电极为铈钨极。铈钨极电子逸出功低，化学稳定性高，允许电流密度大，无放射性，是目前普遍采用的电极。锆钨极可防止电极污染基体金属，尖端易保持半球形，适用于交流焊接。

（4）焊剂气焊用焊剂为钾、钠、锂、钙等元素的氯化物和氟化物，可去除氧化膜。

4. 焊前准备

(1)焊前清理

铝及铝合金焊接时，焊前应严格清除工件焊口及焊丝表面的氧化膜和油污，清除质量直接影响焊接工艺与接头质量，如焊缝气孔产生的倾向和力学性能等。常采用化学清洗和机械清理两种方法。

1）化学清洗

化学清洗效率高，质量稳定，适用于清理焊丝及尺寸不大、成批生产的工件。可用浸洗法和擦洗法两种。可用丙酮、汽油、煤油等有机溶剂表面去油，用40℃～70℃的5％～10％NaOH溶液碱洗3 min～7 min(纯铝时间稍长但不超过20 min)，流动清水冲洗，接着用室温至60℃的30％HNO3溶液酸洗1 min～3 min，流动清水冲洗，风干或低温干燥。

2）机械清理

在工件尺寸较大、生产周期较长、多层焊或化学清洗后又沾污时，常采用机械清理。先用丙酮、汽油等有机溶剂擦试表面以除油，随后直接用直径为0.15mm～0.2mm的铜丝刷或不锈钢丝刷子刷，刷到露出金属光泽为止。一般不宜用砂轮或普通砂纸打磨，以免砂粒留在金属表面，焊接时进入熔池产生夹渣等缺陷。另外也可用刮刀、锉刀等清理待焊表面。

工件和焊丝经过清洗和清理后，在存放过程中会重新产生氧化膜，特别是在潮湿环境下，在被酸、碱等蒸气污染的环境中，氧化膜成长得更快。因此，工件和焊丝清洗和清理后到焊接前的存放时间应尽量缩短，在气候潮湿的情况下，一般应在清理后4 h内施焊。清理后如存放时间过长(如超过24 h)应当重新处理。

(2)垫板

铝及铝合金在高温时强度很低，液态铝的流动性能好，在焊接时焊缝金属容易产生下塌现象。为了保证焊透而又不致塌陷，焊接时常采用垫板来托住熔池及附近金属。垫板可采用石墨板、不锈钢板、碳素钢板、铜板或铜棒等。垫板表面开一个圆弧形槽，以保证焊缝反面成型。也可以不加垫板单面焊双面成型，但要求焊接操作熟练或采取对电弧施焊能量严格自动反馈控制等先进工艺措施。

(3)焊前预热薄、小铝件一般不用预热，厚度10 mm～15 mm时可进行焊前预热，根据不同类型的铝合金预热温度可为100℃～200℃，可用氧一乙炔焰、电炉或喷灯等加热。预热可使焊件减小变形、减少气孔等缺陷。

3．设备焊接结构工艺过程分析

焊接结构的生产工艺工程大致可以归纳为：备料→装配→焊接→检验等几个阶段。备料包括铝材复验、铝材矫正、放样画线、下料切割、边缘和坡口加工、弯曲如（卷板、弯管等）、压制封头、制孔、焊前清理等工序。装配与焊接大多

数情况下是成组进行的，对于复杂的结构可先装配并焊接成部件，再由零部件装配成整体进行焊接。检验包括工序检验（如备料结构的零件尺寸计质量检验、装配质量检验和焊缝质量检验等）和成品检验。

4．立式铝槽的焊接结构生产工艺过程设计

图1所示立式铝槽筒化示意图，其整个容器由筒体、封头、接管、进料口、出料口、排气口和浮式液面计组成。接管、进料口、出料口、排气口和浮式液面计端面均焊接有法兰。筒体节由两个筒节焊成，筒体和两个封头焊接成一体组成立式铝槽。立式铝槽图的焊接生产工艺过程如表1～表5所示。

表1 筒节及筒体加工工艺流程

表2封头加工工艺流程

表3人孔环及人孔加工工艺流程

表4进料口、出料口、排气口和浮式液面计加工工艺流程

表5筒体与人孔环等组装加工工艺流程

三、设备焊接接头设计及焊条的选择

1. 焊接接头设计原则

在保证焊接质量的前提下，接头设计应遵循以下原则：

①焊缝填充金属应尽量少。

②焊接工作量应尽量少，且操作方便。

③合理选择坡口角度、钝边高、根部间隙等结构尺寸使之有利于坡口加工及焊透，以减少各种焊接缺陷(如裂纹、未融合、变形等)产生的可能。

④有利于施焊防护(即尽量改善劳动条件) 。

⑤L2铝板的坡口应有利于降低过渡层焊缝金属的稀释率。应尽量减少复合层的焊接量。

⑥按等强度要求，焊条或焊丝强度应不低于母材强度。

⑦焊缝外形应尽量连续、圆滑，减少应力集中。

2. 焊接接头结构及位置设计

应尽量采用对接焊缝的力学条件最佳的结构，如图3所示的由角接头改换为对接接头的形式。

对重要的承压件，要采用全焊透结构，特别注意坡口的型式选用；接头处母

材要平缓过渡，当两件厚件差大于4mm时，要削成等壁厚施焊。

焊缝不宜密集，尽可能避免交叉，这样可避免焊接的应力重叠，一般焊缝间距e 不小于100mm。如图4所示的筒节对接时，纵向焊缝间应错开不小于三倍板厚且不小于l00mm的距离。

焊缝要避开高应力区，不应在受压容器的焊缝上开孔，或在焊缝区重复施焊；拼接钢板制成的凸形封头如图5所示，焊缝的位置应避开过渡区

图3角接头改换为对接接头的设计图4 焊缝的间隙图5 封头的拼焊

焊缝部位尽量敞开，使焊缝有良好的可达性，如图6中(b)结构就优于(a)

结构。

焊缝底部往往强度较弱，当焊缝处于受弯时，对如图7所示的单边焊，应使底面处于受压侧。

设计重要的焊接接头时，应考虑焊后便于探伤。

应使焊接接头具有一定的刚度，如图8中，(a)结构优于(b)结构

图6焊缝位置的选择图7 焊缝的受力图8 焊接缝的刚度

3. 焊条的选择

焊条的种类很多，国家和生产厂家都制定了标准和牌号，分别适用于不同的钢种。常用强度钢焊条选用见表6。

铝及铝合金焊条的主要性能及用途

焊条牌号型号

药

皮

类

型

电

流

种

类

熔敷金属

力学性能

主要用途

L109 E1100

盐基型直

流

反

接

>=64MPa 用于焊接铝板，纯铝容器

L209 E4043 >=118MPa 用于焊接铝板，铝硅合金，锻铝，硬铝等一般铝合金，但不宜焊接铝镁合金

L309 E3003 >=118MPa 用于铝锰合金，纯铝及其他铝合金的焊接

表6 常用强度钢焊条（摘子HG20581）

四、立式铝槽槽图的焊接结构工艺性设计

纯铝焊制的立式铝槽图(如图1所示)的焊接工艺性设计如下。该钢制贮槽由筒体、封头、接管、进料口、出料口、透气孔和浮式液面计等组成。根据容积要求，圆筒外直径为2024mm，由筒体和两个椭圆封头焊成的罐体长5100 mm。根据工作压力和容器直径的强度设计计算，设计容器壁厚为12 mm。人孔直径320 mm，接管高度约100mm，板厚10 mm。进料口采用φ32 mm ×6 mm的铝管，长约200mm。出料口采用φ32 mm ×6 mm的铝管，长约2130mm。透气孔采用φ32 mm ×6 mm的铝管，长约100mm。浮式液面计采用φ80 mm ×6 mm的L2铝管，内管长约1800mm。接管、进料口、出料口、透气孔和浮式液面计端部均焊有法兰。生产批量为3台。

1．焊缝布置

该容器封头采用标准椭圆封头，即封头长轴与短轴之比为2，封头直边长度

取40 mm。因此，封头高度为510 mm，筒体长度为4000 mm。钢板宽度一般为2 m左右，因此筒体由两个筒节组成。为避免焊缝密集和十字相交，焊缝设置如图1所示。筒体两条纵缝距离大于100 mm，接管、进料口、出料口、透气孔和浮式液面计等的位置在图样上已经标注。

2．焊接方法与焊接材

1)罐体上的两条纵缝和三条环缝虽然批量只有3台，但焊缝较长，焊接工艺相同，因此仍应选用氩弧焊为宜；焊丝使用纯铝，。但对于最后施焊的一条内环缝，由于氩弧焊机的焊车无法进入筒内焊接，因此这条内环缝应选用焊条氩弧焊。由于压力容器对焊缝性能要求较高，一般采用碱性焊条，因此焊条选用L109(E1100))。焊接结构图样中如果选用焊条氩弧焊，在技术条件中要规定采用的焊条型号o。

2)其他焊缝包括接管纵缝、接管与筒体的角焊缝、排污管与筒体的角焊缝、人孔环与法兰的角焊缝以及排污管与法兰的角焊缝均选用焊条电弧焊，焊条均为E4315(J427)。

3．接头设计

1)罐体上的纵缝和环缝采用对接接头。板厚4mm采用氩弧焊，焊缝坡口选Y 形坡口，图3—46所示的图样上标注的焊缝符号已经表示出是Y形坡口双面焊，而且还表示出坡口开在内侧。其工艺是先焊内环缝(背面采用焊剂垫)，背面清根后焊外环缝。纵缝工艺和环缝相同。

2)接管的纵缝采用对接接头。接管板厚2mm、高300 mm，采用焊条电弧焊，坡口形式采用Y形坡口。图样标注的焊缝符号表示坡口开在外侧，焊接时先焊外侧再焊内侧。

3)接管与筒体的接头采用T形接头。坡口形式内外均采用带钝边的V形坡口（也可为单边Y形坡口），以满足焊透的要求。图样标注的焊缝符号表示内外均采用带钝边的V形坡口分别开在筒体外侧的加强板和筒体内侧，均为角焊缝。

4)其他接头包括筒体与进料口的接头、接管与出料口的接头、筒体与透气孔的接头、筒体与浮式液面计的接头均为角接接头，坡口形式采用错边I形坡口。

接管与法兰的接头、进料口与法兰的接头、出料口与法兰的接头、透气孔与

法兰的接头、浮式液面计与法兰的接头均为角接接头，坡口形式采用错边I形坡口。

接管与法兰的接头、人孔盖与出料口的接头设计如图10所示，应保证接头焊口低于法兰连接平面。

4.标注焊缝符号

在图样上标注每类焊缝的焊缝符号，具体标注参看图样CG093-010、图样CG093-011所示。

五、小结

六、参考书目

［1］严绍华．热加工工艺基础．北京：高等教育出版社，2010

［2］陈裕川．钢制压力容器焊接工艺(第2版)．北京：机械工业出版社，2007 ［3］绍兵．机械制造基础实习教程．北京：北京大学出版社，2010

［4］张子荣．常用焊接材料选用手册．北京：机械工业出版社，2004

［5］中华人民共和国国家标准．焊缝符号表示方法．北京：中国标准出版社，2008