焊接方法及设备课程设计

一.金属材料焊接工艺制定与评定课程设计任务书（2）
题目：
试制定尺寸为，300mm×150mm×10mm材质为0Cr18Ni9Ti，不锈钢板对接的焊接工艺。

(TIG)
任务：
1. 根据设计题目中产品的结构特点和材料性能，选择焊接方法，确定焊接设备型号；
2. 根据所确定焊接方法及设备，选择焊接材料，确定焊接规范；
3. 焊前准备和焊后处理、焊接辅助设备等；
4. 焊接操作要点及相关注意事项；
5. 焊接检验方法及合格标准；
6. 编写设计说明书一份，内容包括上述产品的结构特点和材料焊接性能分析，所选择的焊接方法，确定的焊接设备，选择的焊接材料，确定的焊接规范；焊前准备和焊后处理、焊接辅助设备及焊接操作要点等。

1、材料介绍及热处理
（1）、材料介绍
要全面的了解这种金属我们首先就必须清楚这种材料的化学成分其次我们还要清楚它的机械性能。

化学成分如下：
机械性能如下：
我们就先从化学成分方面来分析下这种材料：
铬、镍两元素相配合组成铬镍不锈钢，是一种较好的不锈钢。

在此种不锈钢中加入大量镍是为了得到单一的奥氏体组织，从而提高其耐蚀性和工艺性。

在常温和低温下有很强的塑性和韧性，不具磁性，有较好的抗晶间腐蚀性能。

铬是决定不锈钢抗腐蚀性能的主要元素，因为钢中含铬就能使不锈钢在氧化介质中产生钝化现象，即在表面形成一层很薄的膜，在这层膜内富集了铬。

钢中含铬量愈高，
抗腐蚀性能就愈强。

此外，铬对钢的机械性能和工艺性能都能起到很好的强化作用。

镍只有在它与铬配合时才能充分表现出来。

镍是形成奥氏体的合金元素，当镍与铬配合使用时，即可使金相组织由单相的铁素体变为奥氏体和铁素体双相组织，经过热处理，可以提高强度，从而使其具有更强的不锈耐蚀性和良好的形变性能
杂质元素的影响：
当含碳量介于0.1%~0.3%之间时，在退火后，碳将以石墨状态在晶格间界上析出，破坏了晶粒间的结合力，强烈地降低镍的强度和塑性，使加工变形产生困难。

另外碳与铬有很强的亲合力，能形成一系列碳化物。

钢中的含碳量愈高，形成的碳化铬愈多，固溶体中含铬量就相对减少，钢的耐腐蚀性能就会降低。

硫是有害的杂质，硫与镍形成Ni3S2化合物，Ni3S2与镍在625℃形成低熔点共晶，分布在晶粒间界上，当热变形温度超过共晶熔点时，即沿晶粒间界开裂，产生所谓"热脆"现象。

镍在常温时与硫生成的Ni3S2能引起冷脆。

从上面的化学成分的分析我们可以分析出它的导热性很差，线膨胀系数很大，焊接变形也是比较大的。

因而我们在焊接这种金属试件时如果在可能的情况下要采用较小的线能量快速的焊接完成。

特殊的合金元素就决定了它有特殊的性能，它具有良好的耐腐蚀性、耐热性、低温强度和机械性能，冲压、弯曲等热加工性好，无热处理硬化现象，无磁性，使用温度在-196℃-800℃。

用途也很广泛主要应用在：1、2类餐具、橱柜、室内管线、热水器锅炉、压力容器、浴缸、汽车配件、医疗器械、建材、化学、食品工业、船舶部件等地方。

在食品工业和化学工业用的由为广泛，在食品工业它可以做食品保鲜液体的贮罐，在化工行业它可以用来做反应容器，可以用来做换热容器，也可以用来做锅炉容器。

可以说它的用途是非常广泛的，在未来的日子里应用也将越来越多。

而在这之中用的尤为多的就是在低温压力容器制造行业，低温压力容器是工作时壁温在-20℃以下的压力容器。

液化乙烯、液化天然气、液氮和液氢等的储存和运输用容器均属低温压力容器。

对于低温压力容器首先要选用合适的材料，制造这类产品首先要考虑它是否具有良好的韧性，其次盛装这些介质需要材料具有很好的抗腐蚀能力。

而0cr18ni9这两种性能都有，在低温下还具有很好的强度和机械性能，因而它在这个行业应用很广。

（2）、热处理工艺：（热处理规范：固溶1010～1150℃快冷。

）由于含有较高的镍且在室温下呈奥氏体单相组织，所以它与Cr13不锈钢相比具有高的耐蚀性，在低温、室温及高温下均有较高的塑归和韧性，以及较好的冷作成型和焊接性。

但室温下的强度较低，晶间腐蚀及应力腐蚀倾向较大，切削加工性较差。

奥氏体在加热时无相变,因此不能通过热处理强化。

只能以提高钢的耐腐蚀性能进行热处理：
1)固溶处理:其目的是使碳化物充分溶解并在常温下保留在奥氏体中，从而在常温下获单相奥氏体组织，使钢具有最高的耐腐蚀性能。

2)除应力退火：为了消除冷加工后的残余应力，处理在较低的温度下进行。

一般加热至250--425℃，经常采用的是300--350℃。

对于不含钛或铌的钢不应超过450℃，以免析出碳化铬而引起晶间腐蚀。

3)稳定化处理：为了防止钛和铌的奥氏体不锈钢在焊接或固溶处理时，由于TiC和NbC减少而引起耐晶间腐蚀性能降低,需将这种不锈钢加热到一定温度后再缓冷。

用途：
0Cr18Ni9Ti广泛应用于家庭用品、橱柜、室内管线、热水器、锅炉、浴缸、汽车配件、医疗器具、建材、化学、食品工业、农业、船舶部件。

2. 焊接方法及设备型号
对于板厚为3.5mm的奥氏体不锈钢板，宜采用直流钨极氩弧焊进行焊接，它具有以下优缺点：
1）氩气具有极好的保护作用，能有效的隔绝周围空气；它本身既不与金属起化学反应，也不溶于金属，使得焊接过程中的冶金反应简单易控制，因此为获得较高质量的焊缝提供良好条件。

2）钨极电弧非常稳定，即使在很小电流情况下（<10A）仍可稳定燃烧，特别适用于薄板材料焊接。

3）热源和填充焊丝可分别控制，因而热输入容易调整所以这种焊接方法可进行全方位焊接，也是实现单面焊双面成型的理想方法。

以下是所选用焊机的主要技术参数：
表2-2 交直流两用TIG焊机主要技术数据
板材焊缝如图3所示。

3.焊接材料与焊接规范参数
3.1焊接材料
焊接材料是指焊接时所消耗材料的通称，例如焊条、焊丝、金属粉末、焊剂、气体等。

氩弧焊主要用的焊接材料有：保护气体，钨极，填充实芯焊丝或药芯焊丝。

①保护气体
最常用的惰性气体是氩气。

它是一种无色无味的气体，在空气的含量为
0.935％(按体积计算)，氩的沸点为－186℃，介于氧和氦的沸点之间。

氩气是氧气厂分馏液态空气制取氧气时的副产品。

我国均采用瓶装氩气用于焊接，在室温时，其充装压力为15MPa。

钢瓶涂灰色漆，并标有“氩气”字样。

纯氩的化学成分要求为：Ar≥99.99％；He≤0.01％；
O 2≤0.0015％；H
2
≤0.0005％；总碳量≤0.001％；水分≤30mg／m3。

氩气是一种比较理想的保护气体，比空气密度大25％，在平焊时有利于对焊
接电弧进行保护，降低了保护气体的消耗。

氩气是一种化学性质非常不活泼的气体，即使在高温下也不和金属发生化学反应，从而没有了合金元素氧化烧损及由此带来的一系列问题。

氩气也不溶于液态的金属，因而不会引起气孔。

氩是一种单原子气体，以原子状态存在，在高温下没有分子分解或原子吸热的现象。

氩气
的比热容和热传导能力小，即本身吸收量小，向外传热也少，电弧中的热量不易散失，使焊接电弧燃烧稳定，热量集中，有利于焊接的进行。

②钨极
对于非熔化极氩弧焊焊来说，电极材料应具备两个基本条件：一是耐高温，在焊接过程中不熔化；二是具有较高的电子发射能力。

在非熔化极氩弧焊中，大都采用钨合金棒作为电极。

对于电子发射能力，由于钨的逸出功较高，所以常加入逸出功较小的稀土元素，来提高阴极发射能力。

最早使用钍钨极，但是由于这种钨极很脆而且钍具有放射性，所以逐渐被铈钨极替代，使弧束更集中，变细，容易引弧。

本课程设计采用WCe—20作为氩弧焊的电极材料。

③焊丝
不锈钢实芯焊丝既可用惰性气体保护焊（TIG，MIG焊）。

也可用于埋弧焊。

不锈钢MIG焊既可达到高效焊接，又容易实现焊接自动化，广泛用于堆焊及薄板接等领域。

MIG焊用焊丝化学成分与TIG焊丝一样，但对某些不锈钢品种，还有一种SI含量较高的MIG焊丝，如与ER308,ER309焊丝对应的ER308Si,ER309Si等，由于含Si高达0.8%左右，降低了熔滴金属的表面张力，使熔滴颗粒变细，更容易实现喷射过度，使电弧变得更稳定。

同时还能改善熔滴金属的湿润性，使焊道波纹美观，不易产生未焊透，夹渣，气孔等缺馅。

3.2焊接规范参数（如表3—1，表3--2所示）
表3—1 焊接接头形状与尺寸及焊接消耗
表3—2 焊接工艺参数
1、建立清管球使用台账，并定期检查清管球的皮碗直径，当皮碗直径小于
设计直径20毫米时，该清管球停止使用；
2、巧用废液罐及临时空罐，当作业储罐为浮顶罐时，调整通球
流程，向废液罐或临时空罐通球，严禁向浮顶罐吹扫、通球作业；
3、向废液罐及临时空罐通球前，班组组织人员上罐监控，并打
开光孔、计量孔，确保通球作业安全。

4、有条件的企业，可以在储罐根部加装压力表，以便操作人员
有效控制通球压力。

22活性剂的涂敷 用丙酮和活性剂按体积比l
1混合并搅拌均匀(
)
0.02 mm)
宽度10~15 mm
3.3 0Cr18Ni9Ti 的焊接性分析
对于什么是焊接性，GB/T3375-94《焊接术语》中注明：“材料在限定的施工条件下，焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力”。

它包括两方面的内容：其一是焊成的构件符合设计要求；其二是满足预定的使用条件，能够安全运行。

根据讨论问题的着眼点不同，焊接性可分为：
（1）工艺焊接性
（2）使用焊接性
影响焊接性的因素主要有以下几点：
（1）材料因素
（2）焊接方法
（3）构件类型
（4）使用要求
金属的焊接性与材料成分、焊接方法、构件类型、使用要求都有密切的关系，所以不应脱离这些因素而单纯的从材料本身的性能来评价焊接性。

从上述分析可以看出，很难找出一项技术指标可以概括焊接性，只有通过综合多方面的因素才能分析焊接性问题。

分析金属的焊接性我们在不要求做非常准确的情况下我们可以根据碳当量、材料的化学性能、材料的物理性能来判断，如果要求需要很准确的话我们可以通过焊接性试验来判定。

0cr18ni9Ti的焊接性能我们就从这方面来判定：
1、0Cr18Ni9Ti的焊接要求
（1） 0Cr18Ni9Ti属于奥氏体不锈钢，其组织为奥氏体（A）加3-5 ％铁素体（F ）。

它具有良好的塑性和高温、低温性能。

它在焊接热循环的作用下，主要显示出以下基本要求：
①焊接过程中采用小的线能量输入，减小热影响区范围，加快焊缝及热影响区的冷却速度对不锈钢的焊接是有益的。

②用0Cr18Ni9Ti焊接时导热系数小，存在过热区，也容易造成热影响区的晶粒长大。

焊缝高温停留时间过长，在高温状态下Cr和C形成化合物，在高温区
就形成了贫铬层，也会导致焊缝的枝晶倾向加剧。

因此要求尽量选择线能觉输入较小的焊接方法。

③由于导热系数小而线膨胀系数大，自由焊态下焊接易产生较大的变形，选用能量集中，热影响区窄的焊接方法能在一定程度上减少焊接变形。

（2）0cr18ni9Ti的含碳量很小，在加上它属于高合金钢碳当量法对它焊接性能的估算是不怎么准确的。

因此我们不用碳当量对它的焊接性进行分析。

（3） 0cr18ni9Ti属于奥氏体不锈钢，这类钢有具有交高的变形能力并不可淬硬，而且它的含碳量又很底，所以总的来说焊接性还是不错的。

但是由于热导率低，热膨胀系数大，局部加热时温度分布不均匀，收缩量大等都将使接头在焊接过程中产生交大的内应力。

在焊接的时候应该注意这方面的问题，焊接时尽量避免或减少这种受热不均显现的发生，焊接的速度也应该适当的快点。

上面我们已经从它的化学成分和物理性能对0cr18ni9的焊接性能进行了分析，但是根据这些判断出的焊接性是不够准确的，我们需要准确的判断它的焊接性我们就必须通过焊接性试验来完成。

焊接性的试验是很多的，我在这里就用斜Y型坡口焊接裂纹试验方法。

板材的规格是300mm×150mm×10mm
焊接方法是手工电弧焊
焊材牌号H0Cr21Ni10，规格¢2.4mm
坡口形式是斜V型
焊接参数是电流：90-120A，电压20-24V，速度15-20cm/min
斜V型坡口。

焊完的试件需要经过48H时效后再作裂纹的检测和解剖。

裂纹可以分为表面裂纹、跟部裂纹、断面裂纹三种形式。

首先用放大镜目测或莹光粉检查焊缝表面裂纹，然后用机械方法切开六个等长度横向试片，检查五个片面上的裂纹情况。

一般用裂纹率作为评定标准。

根部裂纹率=∑LR/L×100％
表面裂纹率=∑Lf/L×100％
端面裂纹率=∑h/5H×100％
试验焊缝的总长度是80mm而我们焊接裂纹的总长度通过试验测得为9.8mm 试件的裂纹率小于20﹪因此在实际生产中如果按要求来做的话是不会产生裂纹的，此种钢的焊接性能还是可以的。

综上所述0cr18ni9钢是具有良好的焊接性能的，在生产中按标准来做的话是应该可以生产出合格的产品，它的使用性能还是可以的。

4. 焊前准备与焊接辅助设备
4.1焊前准备
①焊前清理
为了保证焊接质量，焊缝坡口附近和焊丝的表面不应有氧化物，铁锈，水分，油污等。

在焊口20—30mm范围内，坡口表面，焊件内外表面均要处理干净，露出金属光泽。

不同的材料采用不同的方法清理。

一般有机械方法和化学方法两种。

②坡口加工
氩弧焊焊接坡口质量要求，相比电焊，气焊要高，一般采用机械方法加工。

如采用气割或其他热源切割，均要把热处理层用机械方法磨掉。

坡口的尺寸和形式与电焊，气焊相同。

表4-1 不锈钢TIG焊对接接头的合理坡口形式
课程设计——熔焊方法及设备
③焊接接头的装配
氩弧焊焊接接头的装配质量要比电焊，气焊的要求高。

各种材料焊接性能不同，组装标准也不同，一定要根据各种材料的焊接性能和焊接位置等客观因素确定组装形式和装配质量。

4.2焊接辅助设备
在焊接过程中，需要调节工件的相对位置，使焊接熔池处于最佳位置。

为满足焊接工艺要求，一般要有相应的辅助设备和工具来配合。

如：滚轮架，焊接夹具。

焊接辅助工具，用具有：焊钳，电缆，胶管，面罩，护目镜片，敲渣锤，钢丝刷等。

5. 焊接操作要点
施焊时，从管子顶端12点位置往前15—30mm处引弧。

运条应采用短弧不摆动的运条法，将焊条燃烧深入坡口底部并压坡口两侧，随着电弧燃烧自然向焊接方向移动，焊接时必须注意力集中，在1—5东安门之间焊接时，电弧指向熔池中心；在5—6点之间焊接时，应采用最短电弧，在电弧的推力作用下将融化金属托起，从而避免根部出现内凹现象，焊接过程中应始终注意熔孔的大小，尽量使其保持基本一致，熔孔过大，说明焊接速度太快，熔池温度偏高，容易烧穿或形成焊瘤，熔孔过小容易造成未焊透等缺陷。

焊丝送入熔池的方法：手工钨极氩弧焊焊丝加入熔池的方式，根据不同的材质，不同的焊接位置，焊丝送入的时机，送入熔池的位置，角度，深度及方式方法对焊接质量极为重要。

常用有两种方式：断续送丝法，连续送丝法。

本设计采用的两层焊焊缝成形后形状如图（5—1）所示：
图5-1 焊缝成形后形状
6. 焊接检验
焊缝质量检查主要有无损检测和破坏性检测两大类。

无损检测包括：目测，
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量具测量，焊缝渗透试验（PT），射线探伤试验（RT），超声探伤试验（UT）以及磁粉探伤（MT）试验；破坏性检测包括：焊缝横截面金相试验，焊缝机械性能试验（拉伸试验、弯曲试验、冲击试验、硬度试验、腐蚀试验等）。

可使用表面着色探伤，重要焊缝可使用射线探伤，超声波探伤进行检测。

着色（渗透）探伤的基本原理是利用毛细现象使渗透液渗入缺陷，经清洗使表面渗透液支除，而缺陷中的渗透残瘤，再利用显像剂的毛细管作用吸附出缺陷中残瘤渗透液而达到检验缺陷的目的。

超声波在介质中传播时，在不同质界面上具有反射的特性，如遇到缺陷，缺陷的尺寸等于或大于超声波波长时，则超声波在缺陷上反射回来，探伤仪可将反射波显示出来；如缺陷的尺寸甚至小于波长时，声波将绕过射线而不能反射；
波声的方向性好，频率越高，方向性越好，以很窄的波束向介质中辐射，易于确定缺陷的位置。

超声波的传播能量大，如频率为1MHZ（1兆赫兹）的超生波所传播的能量，相当于振幅相同而频率为1000HZ（赫兹）的声波的100万倍。

超探仪是一种便携式工业无损探伤仪器，它能够快速便捷、无损伤、精确地进行工件内部多种缺陷（焊缝、裂纹、夹杂、折叠、气孔、砂眼等）的检测、定位、评估和诊断。

既可以用于实验室，也可以用于工程现场。

本仪器能够广泛地应用在制造业、钢铁冶金业、金属加工业、化工业等需要缺陷检测和质量控制的领域，也广泛应用于航空航天、铁路交通、锅炉压力容器等领域的在役安全检查与寿命评估。

7. 参考文献
钨极氩弧焊实用技术化学工业出版社于增瑞著
氩弧焊辽宁科学技术出版社
焊接手册第三卷焊接方法美国焊接学会编机械工业出版社
焊接手册第四卷金属及其焊接性美国焊接协会编黄静文等译
管道焊接技术化学工业出版社顾纪清阳代军等编著
实用焊工手册化学工业出版社孙景荣等编著
材料成形工艺机械工业出版社
课程设计——熔焊方法及设备
8. 致谢
在这次课程设计的撰写过程中，我得到了许多人的帮助。

首先我要感谢我的老师在课程设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮助，这是我能顺利完成这次报告的主要原因，更重要的是老师帮我解决了许多技术上的难题，让我能把系统做得更加完善。

在此期间，我不仅学到了许多新的知识，而且也开阔了视野，提高了自己的设计能力。

其次，我要感谢帮助过我的同学，他们也为我解决了不少我不太明白的设计商的难题。

同时也感谢学院为我提供良好的做毕业设计的环境。

最后再一次感谢所有在设计中曾经帮助过我的良师益友和同学。

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