铝及其铝合金焊接工艺设 计 说 明 书6-14

毕业设计论文铝储罐焊接工艺设计姓名：班级：机械制造及自动化中国工程物理研究院工学院二〇〇七年五月八日铝储罐焊接工艺设计目录1.储罐的用途┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 42.储罐的组成┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄43.铝储罐的工艺分析┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄4 3.1铝材的分类及牌号表示方法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄53.2铝容器的应用特点和规范┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄54.铝储罐的制造工艺设计┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄6 4.1储罐的结构工艺分析┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄6 4.1.1球型容器的特点┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄6 4.1.2圆筒型容器的特点┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄7 4.1.3铝储罐的结构工艺性审查┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄7 4.2焊接工艺设计┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄74.2.1备料┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄7 4.2.2焊接设备及焊接材料的选择┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄7 4.2.3焊前准备┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄94.2.4工艺装备的准备┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄114.2.5组装与焊接┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄14 4.3铝储罐的焊后检验┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄194.4焊后处理┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄205. 设计体会┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄20 参考文献┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄21设计任务书任务资料：1.存储介质：98％的浓硝酸（HNO3）。

2.容器容积：4m³。

3.工作压力：标准大气压。

4.使用年限：20年。

设计要求：1.确定储存容器的制造材料。

2.化工介质存储容器焊接工艺设计。

设 计 说 明 书设计题目：铝储罐焊接工艺设计一、储罐的用途在常温常压下存储98％的浓硝酸（HNO 3）。

二、储罐的组成该储罐主要由筒体、封头、接管、人孔等组成。

其中筒体分三节，每节由两块厚度为6mm 的纯铝1060（L2）板材焊制而成。

两端封头是厚度为8mm 的纯铝1060（L2）板材压制而成。

容器容积为4m ³，储罐的结构如图所示。

罐体的结构示意图接管人孔筒体三、储罐的工艺分析储罐的结构特征:外尺寸较小，结构简单，壁薄、焊缝多，主要受压零件是筒体与封头。

从工艺角度看：铝及铝合金的焊接性较低碳钢的焊接性差，特别是焊前呈退火状态的工业纯铝，在焊接热循环条件下，无相变，母材接近焊缝的部位形成一个晶粒粗大的过热区。

焊接接头主要冶金缺陷是焊缝气孔、焊接裂纹。

后者既可能位于焊缝区，也可能位于熔合区或母材近缝区。

为预防焊接缺陷，保证焊接质量，特别是环缝质量将是该容器重点解决的问题。

以下从铝及铝合金焊接的焊接材料、焊接方法、焊接工艺、操作技术等方面进行分析研究。

铝合金具有优异的物理特性和力学性能，其密度低、强度高、热导率高、电导率高。

工业纯铝的强度低于铝合金，塑性较好，在接触强酸等介质时，能形成较厚而质地紧密的钝化膜，极大地提高了铝材的耐腐蚀能力。

因此用纯铝制作储存容器，广泛地用于化工及各行业强酸类介质的储存。

（一）铝材的分类及牌号表示方法1.铝材的分类（1）按有无合金成分，铝材分为纯铝及铝合金。

铝合金按合金系列又分为Al-Mn合金、Al-Cu合金、Al-Si合金和Al-Mg合金等。

（2）按压力加工能力，可分为变形铝和非变形铝（例如：铸铝）。

（3）按能否热处理强化，铝合金又分为非热处理强化铝和热处理强化铝。

铝没有同素异构体，纯铝、铝锰合金、铝镁合金等不可能通过热处理相变来提高强度。

但是，铝铜和铝镁硅等合金可通过固溶时效析出强化相提高强度，称为可热处理强化铝。

不能通过固溶时效析出强化相提高强度的称为不可热处理强化铝。

2.牌号表示方法和状态代号四位数字体系牌号命名方法1997年1月1号，我国开始实施GB/T16474-1996《变形铝和铝合金牌号表示方法》标准。

新的牌号表示方法采用变形铝和铝合金国际牌号注册组织推荐的国际四位数字体系牌号命名方法，例如工业纯铝有1070、1060等，Al-Mn合金有3003等，Al-Mg合金有5052、5086等。

状态代号相同牌号的铝及铝合金，状态不同时，力学性能不相同。

按照GB/T16475《变形铝和铝合金状态代号》标准，新状态代号规定如下：O—退火状态H112—热作状态T4—固溶处理后自然时效状态T5—高温成形过程冷却后人工时效状态T6—固溶处理后人工时效状态（二）铝容器的应用特点和规范1．铝容器的应用特点(1)铝在空气和氧化性水溶液介质中，其表面较易产生致密的氧化铝钝化膜，它在一些氧化性介质中具有良好的耐蚀性。

在高温浓硝酸中，纯铝的耐蚀性优于不锈钢。

铝材常作为耐蚀容器材料。

(2)对一些腐蚀性不太强，但要求防铁污染的介质，如化纤生产等，铝有较好的耐蚀性，而且没有铁污染物料，因此，铝材常作为防铁污染的容器材料。

其他有色金属容器也能防铁污染，但铝材的经济性较好。

(3)铝是面心立方晶格，没有同素异构体，低温下不存在像铁素体钢那样的脆性转变，铝容器的最低设计温度可达-269℃。

铝材常作为制作低温容器的材料。

铝镁合金中的镁含量较高时，会以金属间化合物Mg2Al3和Mg5Al8在晶间析出，使铝镁合金在某些介质中产生应力腐蚀敏感性，只有在65℃以下使用才不会产生应力腐蚀，因此含镁量超过了3％的铝镁合金，规定其设计温度不超过65℃。

析出相过多也会降低冲击韧性，因此含镁量超过3％的铝镁合金及其焊接接头应检验冲击韧性。

其他铝和铝容器，包括低温铝容器均不要求进行冲击韧性检验。

(4)由于铝镁硅合金固溶时效状态强度高，塑性也较好，焊接性好，焊接接头在焊后状态仍能保持较高的强度，因而常用作容器用高强度铝合金。

铝，特别是纯铝的规定非比例伸长应力很低，在小的载荷下即会产生塑性变形。

铝容器在使用与运输时，应注意防止碰撞剧烈振动发生塑性变形。

(5)为了得到好的塑性，纯铝、铝锰合金和铝镁合金的变形铝材都只在退火状态或热作状态使用，不采用冷作状态。

热作状态铝的焊接接头，焊接热对热影响区有退火作用，因而其许用应力也只取退火状态铝材的许用应力。

只有铝镁硅合金和铝铜合金的铝材才采用固溶时效状态，以保证其高强度。

2.压力容器设计规范中规定制造容器的材料要具有良好的成形性能和焊接性，JB/T4734-2002《铝制焊接容器》中采用的铝及铝合金有：工业纯铝1A85、1050A、1060和1200。

Al-Cu合金2014。

Al-Mn合金3003和3004。

Al-Mg合金5A02、5A03、5A05、5052、5052、5058和5086。

Al-Mg-Si 合金6A02、6061和6063。

由于该储罐是在常温常压下工作，不受动载荷作用，即归属于固定式压力容器，故对其强度要求并不高。

又因为它是用来装浓硝酸的，其耐腐蚀性要求很高。

从强度方面考虑，工业纯铝的几个牌号均可满足使用（1A85、1050A、1060和1200），但1060的耐腐蚀性是优于其它几个牌号的。

同时它的焊接性也很好，是储罐类产品的常用材料，故本产品全部零部件均采用1060（L2）工业纯铝。

四、储罐的制造工艺设计（一）储罐的结构工艺分析在化工行业中用于盛装介质的储存容器一般采用球形容器或圆筒型容器。

1.球型容器的特点球型容器承压能力强，应用相同厚度的板材制作的容器，球型容器的承压能力是圆筒型容器的2倍。

（球型容器应力推导：σ球=PπD2/4Dπδ=PD/4δ；圆筒型容器环向应力推导：σ筒=PDL/2Lδ=PD/2δ）球型容器制造困难，由于球型容器壳体呈球面，在制造过程中，其展开放样、下料、成型、组焊等工艺较圆筒型容器困难得多，提高了制造成本，不满足经济性要求。

本次容器设计的工艺条件是常温常压，因此，不宜选用球型容器。

2.圆筒型容器的特点圆筒型容器的承压能力较好，制造工艺简单，安装容易，经济性好，本设计宜选用圆筒型卧式的型式，见罐体的结构示意图。

（卧式容器较立式容器的优点是其产生的液体静压较小、抗风力和抗地震能力强。

）3. 铝储罐的结构工艺性审查该储罐从焊缝分布，接头形式上充分考虑了，安全、质量、成本、生产率等四大设计准则，具体见焊接装配图与坡口设计图。

（二）焊接工艺设计1.备料（下料和边缘加工）该产品的筒体、封头、接管、人孔等所有零部件均采用1060（L2）工业纯铝。

五种不同厚度的板料，均采用数控等离子切割下料，不宜采用气割。

原因如下：铝金属的燃点高于熔点，铝在空气中极易氧化，易生成的氧化铝（Al2O3）熔点高、非常稳定，不易去除，气割不能用于燃点高于熔点的金属切割。

采用数控等离子切割，速度比气割快，精度高、质量好，切口不易挂渣（下料尺寸见储罐工艺过程卡）。

划线、号料时应考虑焊接收缩变形量及零件加工余量（可根据板厚及接头形式查表），且号料和划线的尺寸公差应符合压力容器制造标准。

2.焊接设备及焊接材料的选用焊接设备为NB-500型熔化极MIG气体保护焊机，电流调节范围为50～500A。

焊丝直径为Φ1.6mm，保护气体—氩气，其纯度不低于99.96％。

其选择理由如下：（1）除CO2气体保护焊外，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。

惰性气体保护焊有TIG焊和MIG焊，它们是应用最广泛的铝及铝合金焊接方法。

从“阴极清理”作用和钨极许用电流方面考虑，一般采用钨极氩弧焊。

由于是在氩气的良好保护下施焊，熔池可免受氧、氢等有害气体的影响。

氩弧焊电流稳定、热量集中、其焊缝组织致密、成形美观、强度和塑性高，并且工件变形小。

但是，因受到钨极许用电流的限制，电弧的熔透力较小，生产率较低。

故一般多用于板厚在6mm 以下薄板的焊接。

熔化极氩弧焊（MIG）电弧功率大，热量集中、热影响区小、生产率可比钨极氩弧焊提高三倍以上。

因此适用于厚板结构的焊接，它可焊接50mm以下的铝及铝合金板材，焊接30mm厚的铝板可不预热。