大型不锈钢箱体的焊接工艺设计.doc

大型不锈钢箱体的焊接工艺设计
不锈钢作为应用最广、最重要的耐腐蚀材料，在工业运输、高科技产品、金属结构件及家庭用品中都有广泛的应用，随着国民经济的发展、科学技术的进步、矿业及冶金技术的发达和国际交流的扩大、我国的不锈钢的生产在各个领域的应用迅速扩大不锈钢材料的焊接及其对材质变化的影响也越来越多的得到人们的关注。
镀膜室箱体为奥氏体不锈钢真空压力容器，其结构为箱式结构件，外形尺寸长宽高是2000mm×2300mm×600mm,对角线只差要求小与等于2mm，各平面的的平面度要求小于等于1mm，相连2件的垂直度要求小于等于1mm。镀膜室箱体是由方口法兰组建，顶板组件，前侧板组件，后侧板组件，底板组件等构成，方口法兰组件又是由δ=1.5mm的不锈钢板折弯形成的水道及δ=26-28mm的厚板组成。各组件焊缝较长，要求焊后无缝隙，整个箱体的总长大概在20m左右。该箱体所使用的材料在国内的牌号是0Cr18Ni9，为奥氏体不锈钢，
奥氏体不锈钢根据化学成分分类可以分为以下三类：1） 18-8型奥氏体不锈钢 这是应用最早、最广泛的一类奥氏体不锈钢，也是奥氏体不锈钢的基本钢种，其他奥氏体不锈钢的钢号都是根据不同使用要求由18-8型不锈钢而衍生出来的。2）18-12Mo型奥氏体不锈钢。3）25-20型奥氏体不锈钢。
根据组织的特点又可以分为以下三类 1）非稳定化奥氏体不锈钢。2）稳定化奥氏体不锈钢。3）单项奥氏体不锈钢。奥氏体不锈钢可采用熔焊的任何一种方法进行焊接，人们常用的焊接方法有焊条电弧焊，和气体保护焊。等离子弧焊接、真空电子束焊接和激光焊接等高能焊，在奥氏体不锈钢的焊接中也逐步得到了应用。
1 ）焊条电弧焊
焊条电弧焊因为其使用的设备简单，操作方便，灵活可靠，适应性强等原因而得到了广泛的运用，但是焊条电弧焊也有明显的缺点，就是劳动的条件差生产的效率低，难以实现自动化，只是用与单件和小批量产品的焊接。
2 ）埋弧焊
埋弧焊是一种机械化程度较高的焊接方法，效率高。埋弧焊所用的焊接电流比较大，电流密度大，加之焊剂和焊渣的隔热效果，它的热功率较高，熔深也大，比较适合中厚板的平焊。
3 ）气体保护焊
气体保护焊是采用气体作为保护介质并保护电弧和焊接区的电弧焊。一般情况下，奥氏体不锈钢都是以氩气保护焊为主。氩气保护焊又分为钨极氩弧焊和熔化极氩弧焊两种。钨极氩弧焊能获得高质量的焊缝，并且能进行全位置的焊接，钨极氩弧焊时，母材金属加热的特点介于气焊和焊条电弧焊之间，并且可以在很小的焊接电流（≤10A）下，电弧依旧可以稳定的燃烧，非常适用与焊接薄或者是超薄奥氏体不锈钢的焊接构件。在施焊的过程中，不会产生飞溅，焊缝成形也相当美观，不存在焊壳，不需要清理。钨极氩弧焊也有缺点，它虽然能获得良好的焊接质量，但是电流的限制，使其焊接电流不能太大，钨极氩弧焊在焊接中厚板时，生产的效率低，劳动条件差，焊接变形大，并且影响焊接接头抗腐蚀性能，不能满足中厚板的生产需求。而熔化极气体保护焊使用焊丝作为电极，焊接电流就可以大大的提高，生产效率也得到了提高，焊接中厚板时，不需要预热，改善了劳动的条件，减少了焊接变形，也提高了焊接接头的耐腐蚀性。所以熔化极氩弧焊比较适用于中等和大厚板材的焊接。
根据该产品的结构特点，箱体的内部空间较小，无法实现自动焊接，焊条电弧焊及埋弧焊等方法难以达到，所以该产品选择手工操作钨极氩弧焊和和半自动熔化极氩弧焊两种焊接方法进行焊接。下图是关于氩弧焊的焊接分类：

一、钨极氩弧焊
（1）钨极氩弧焊焊接工艺
①焊前清理。焊接区及填充焊丝都要进行严格的清理，除尽氧化膜、油污、赃物和水分，一定要保证焊接区和填充焊丝的清洁，不能有一点脏。
②焊接参数。钨极氩弧焊焊接奥氏体不锈钢的焊接参数选择应该要先根据板厚来决定焊接电流的范围，再根据焊接电流来选择钨极种类及直径，下图分别给出了钨极直径与焊接电流的关系，不填充焊丝自动钨极氩弧焊焊接奥氏体不锈钢的焊接参数和自动填充焊丝自动钨极氩弧焊焊接奥氏体不锈钢的焊接参数以及手工钨极氩弧焊焊接奥氏体不锈钢时的焊接参数。
钨极直径和焊接电流的关系
钨极直径
/mm
直流正接
/A
交流
/A
纯钨
钍-钨
纯钨
钍-钨
0.5
2-20
2-20
2-15
2-15
1.0
10-75
10-75
15-55
15-70
1.6
40-130
60-150
45-90
60-125
2.0
75-180
100-200
65-125
85-160
2.5
130-230
160-250
80-140
120-210
3.2
160-310
225-300
150-190
150-250
4.0
275-450
350-400
180-260
240-350
5.0
400-625
500-675
240-350
330-460

不填充焊丝自动钨极氩弧焊焊接奥氏体不锈钢的焊接参数
板厚/mm
接头形式

I型
钨丝直径/mm
焊接电流/A
焊接速度/（cm/min）
氩气流量/（L/min）
焊件装于气压勤俭式纵缝焊夹具上，实现单面焊双面成形
0.5
2
60-70
48-52
7-8
0.8
2
60-70
40-50
8
1.0
2.5
75-85
35-40
8
1.2
2.5
110-120
30-35
8

手工钨极氩弧焊焊接奥氏体不锈钢时的焊接参数

板厚/mm
接头形式
钨极直径
焊丝直径
焊接电流
焊接速度
氩气耗量
电弧电压
喷嘴直径
备注
0.5

1

15~20

3~4

采用直流正接
0.8

1.6
1
20~30

较大电流适用
1
I型
2
1.6
30~50

8
于在夹具垫板
1.5

2
1.6
40~70
20~30
5~6

上焊接，较小
2

3
2
80~110

8~12

电流适用于悬
2.5
V形
3
2
95~130

6~8

空焊接
3
p=0-0.5
3
2.5
110~60

12

4
A=60°-70°
3~4
3
120~180
15~25
8

>4

4~5
3
150~250

③ 气体保护效果。氩气的纯度越高，其保护效果就会越好，焊接奥氏体不锈钢的时候，氩气的纯度达到99.7%就可以了，在高的话就会增加焊接的成本。氩气的流量应该根据喷嘴的直径来选择，而喷嘴的直径又与焊接电流、焊接电压和焊接的速度有关。主要是保证对焊接接头的良好保护。保护效果可以从焊接接头的颜色来初步判定。颜色判定见下表：
奥氏体不锈钢焊接接头颜色与保护效果的关系
焊接接头颜色
银白、金黄
蓝
红灰
灰色
黑
保护效果
最好
良好
较好
不良
最坏

（2）钨极脉冲氩弧焊
① 脉冲氩弧焊的特点。钨极脉冲氩弧焊是普通钨极氩弧焊的一种，它是基于普通无极氩弧焊发展起来的一种新的焊接工艺，它通过控制电弧能量周期性脉冲变化来控制焊接熔池过程，可以以钨极为电极。它的原理就是以一个较小的基值电流来维持一个电弧的店里通道，在这个基础上加一个周期性的脉冲电流产生脉冲主电弧，以熔化金属并控制熔滴过渡。
② 低频脉冲氩弧焊。低频脉冲氩弧焊的基本原理就是：焊接电流呈周期性变化，脉冲的频率，从每秒接近于一次至几次，至多不超过十几次，即以低频脉冲的方法供给电流脉冲。
脉冲焊时的电流由两部分组成的，一个是脉冲电流，一个就是基值电流。焊接的时间也是由脉冲电流的持续时间和基值电流持续时间两部分组成。它们是用来调整和控制焊接接线能量的主要参数。在一个脉冲电流期间，基本金属熔化到一定程度的熔深；随之马上转变为一个小电流，它的主要作用是维持电弧不会熄灭，也是为了提供一个熔池冷却凝固的条件，使焊接不至于烧穿。其实，脉冲氩弧焊所完成的连续焊缝是由许多焊点搭接而成的。焊接电流周期性变化，不仅能保证得到一定熔深又不至于焊穿的焊缝，而且随着频率节奏可以得到美观的焊缝。通过电弧脉冲变化，使焊接接头金相组织变得均匀，还细化了晶粒，从而提高了焊接解耦的力学性能焊耐腐蚀性能。所以用脉冲氩弧焊焊接奥氏体不锈钢薄件和中厚件都是非常有益的。
③ 高频脉冲钨极氩弧焊。高频钨极氩弧焊不同于低频脉冲钨极氩弧焊之处是它的焊接电流以每秒几千次甚至几万次的极高频率变化着。高频脉冲电流使得电弧的磁收缩效应比较的强烈，电弧横截面收到的压缩更为的激烈，提高了电弧的热流密度，增强的电弧的挺度。相比较于低频脉冲氩弧焊，在同等焊接能量条件下，高频脉冲氩弧焊可以有更大的熔深及更窄的热影响区。与此同时还能使熔池能更好的搅拌，改善焊缝的冶金性能，特别适合铝及铝合金的焊接。高频脉冲电弧产生的压力还导致超生震动，它可以增强熔化金属的流动性。这些都有利于晶粒的细化，减少焊缝气孔，还是得焊缝成形美观。在焊接店里平均值相等的情况下，高频脉冲钨极氩弧焊的焊接速度可比普通钨极氩弧焊提高1倍以上，这就必然缩短焊缝金属在高温的停留时间，对改善奥氏体不锈钢耐腐蚀性是有益的。但是，它的缺点就是在焊接的过程中有刺耳的噪声。
第2章 熔化极气体保护焊
熔化极气体保护焊是用可熔化的焊丝与被焊工件之间的电弧作为热源来熔化焊丝的母材金属，并向焊接区输送保护气体的一种焊接方法。使电弧、熔化的焊丝、熔池及附近的金属免受周围空气的有害作用，通过连续输送进焊丝不断熔化并过渡到熔池，参与形成焊缝金属。本章主要介绍熔化极气体保护焊的特点，应用范围，熔滴过渡形式，保护气体种类与焊接工艺等内容，对熔化极惰性气体保护焊的其他方法也做一些简单的介绍。
2.1 熔化极氩弧焊的原理、特点及应用
2.1.1 熔化极氩弧焊的原理
熔化极气体保护焊通常所采用的气体是氩气，即熔化极氩弧焊。这种焊接方法中连续送进的焊丝即作为电极又作为填充金属，在焊接的过称中焊丝不断的熔化并过渡到熔池中去从而形成焊缝。其焊接的原理如图2.1所示：
图2.1 Mig焊的原理示意图
随着时代的进步，熔化极氩弧焊应用的扩展，只是用Ar或者是He作保护气体已经难以满足生产需要，因而发展了在惰性气体中加入一些活性气体，比如氧气，二氧化碳等组成的混合气体作为保护气体的方法，这种方法通常称为熔化极活性混合气体保护焊，即MAG焊，它与MIG焊在原理、特点和工艺上都与MIG焊很类似，所以将其归入MIG焊中一起介绍。
2.1.2 熔化极氩弧焊的特点
和其他的电弧焊相比，熔化极氩弧焊具有以下特点：
①适用的范围广。与其他的电弧焊相比，熔化极氩弧焊几乎可以焊接所有的金属，一些容易氧化的非铁类金属也可以焊接，比如说铝及铝合金、铜及铜合金、钛及钛合金等。它既可以焊接薄板又可以焊接中等厚度和大厚度的板材，并且适应任何位置的焊接。
②生产的效率高=焊接的变形小。熔化极氩弧焊的焊丝和电弧的电流密度大，焊丝的熔化速度快，对母材的熔效率高，母材的熔深和焊接变形都好于TIG焊，焊接的生产效率高。
③熔化极氩弧焊电弧状态较稳定，熔滴过渡平稳，几乎不产生飞溅，熔透也较深。
④惰性气体一般不与熔化金属产生反应，可以防止周围的空气进入，能够避免氧化和氮化。
⑤熔化极氩弧焊对母材表面的氧化膜有良好的阴极雾化清理效果。
熔化极氩弧焊的有点众多，但是也有一些缺点。
①该焊采用氩气作为保护气体，导致焊接成本比二氧化碳气体保护焊的成本要高，焊接的生产效率也比二氧化碳气体保护焊要低。
②MIG焊对焊件，焊丝的清理要求较高。
③厚板焊接中封底焊焊缝成形不如TIG焊质量好。
2.1.3 熔化极氩弧焊应用
MIG焊几乎可以焊接所有的金属，在厚度上所焊的最薄厚度是1mm，大厚度基本上市不受限制的。目前MIG焊被广泛的应用于汽车制造、工程机械、化工设备、矿山设备等行业，由于其焊出的焊缝内在质量和外观质量都很高，该方法已经成为焊接一些重要结构时的优先选用方法之一。
MIG焊分为自动和半自动两种。自动MIG焊使用于较规则的纵缝，环缝及水平位置焊缝的焊接；半自动MIG焊大多用于定位焊、短焊缝、断续焊缝的焊接。
2.2 熔化极氩弧焊的熔滴过渡和焊接设备
2.2.1熔滴过渡
熔化极氩弧焊在焊接奥氏体不锈钢时的熔滴过渡形式根据形成条件不同，一般分为三种，分别是短路过渡、滴状过渡和喷射过渡。
①短路过渡
短路过渡电弧之间的间隙小，电弧的电压比较低，电弧功率较小，适用薄板的焊接。短路过渡的焊接规范范围窄，所以较少使用。
②喷射过渡
喷射过渡，对于一定直径焊丝和保护气体，当焊接电流增大到临界电流值时，焊丝端部熔化的金属被压缩成笔尖状，以细小熔滴从液柱尖端高速轴向射入熔池，这就是喷射过渡。
③滴状过渡
滴状过渡时，熔滴直径比焊丝直径大，飞溅大，导致焊接过程不稳定，所以在生产中较少使用。
2.2.2 熔化极氩弧焊设备
熔化极氩弧焊设备主要由焊接电源、送丝机构、焊枪、控制系统、供水供气系统等部分组成，如图2.2所示。

1——减气阀；2——气体流量计；3——焊枪；4——焊件
图2.2

为保证焊接过程的稳定性，减少飞溅，焊接电源一般都是采用直流电源并且反接。自动MIG焊，使用粗丝焊接，焊丝直径大于3mm；半自动MIG焊使用细焊丝焊接，所用焊丝直径小于2.5mm。