工艺技术_大型蝶阀焊接工艺方案设计论文

分类号分类号 学号学号 M201070743 学校代码学校代码 1 0 4 8 7 密级密级 硕士学位论文硕士学位论文 大型蝶阀焊接工艺方案设计大型蝶阀焊接工艺方案设计 学位申请人：马学位申请人：马 驰驰 学 科 专 业：材料工程学 科 专 业：材料工程 指 导 教 师：吴丰顺指 导 教 师：吴丰顺 教授教授 答 辩 日 期：答 辩 日 期：2012 年年 5 月月 26 日日 A Dissertation Submitted to Huazhong University of Science and Technology for the Degree of Master of Engineering Welding Process Design of Butterfly Valve Candidate: Chi Ma Major : Material Engineering Supervisor: Prof. Fengshun Wu Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074, P.R.China May, 26，2012 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：马驰 日期： 2012 年 5 月 26 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 马驰 指导教师签名：吴丰顺 日期： 2012 年 5 月 26 日 日期：2012 年 5 月 26 日 本论文属于 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 I 摘摘 要要 在化工、能源、电力、水利等众多行业中，阀门一直以来都发挥着重要的作用。 其中大型蝶阀以其良好的性能也获得了越来越广泛的应用。目前国内已经建立了较为 完备的阀门生产体系，但是在焊接大型蝶阀时，仍然面临着焊接质量不稳定、焊接效 率低下的问题，这主要是由蝶阀的大结构、大板厚、大工作量等焊接特点造成的。而 目前对中厚板焊接工艺的研究主要是集中在工艺参数优化、接头形式改良以及开发新 的焊接方法等方面。 以项目合作公司生产的 DN3400 蝶阀为工程研究对象，在其焊接过程中主要涉及 Q235B、WCB 铸钢、304 不锈钢等材质，其中后两种材质的焊接性能相对较差。表现 在蝶阀结构中，就是在支承座、缸圈、密封圈等部件周边的焊缝中容易出现裂纹、变 形等缺陷。此外，由于反复受热，完成焊接后的蝶阀阀体会同时在轴向和径向产生变 形。经过试验测量，发现轴向将会产生 8.51mm 的收缩，而径向将会出现最大圆度达 到 8mm 的椭圆形变形。测量结果与采用 Spraragen-Fttinger 公式计算得到的结果较为 吻合。 针对各缺陷的产生原因，本论文从改变接头形式、采用反变形、调整焊接顺序、 采用双面双弧焊等方面来对现有工艺进行了优化设计。并以唐山松下 TA1800 机器人 为基础设计了机器人地面安装的焊接方案及相应的操作流程. 关键词关键词：蝶阀，焊接工艺，焊接变形控制，机器人焊接系统 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 II Abstract The valve has been playing an important role in lots of fields,such as chemistry, energy ,water ,etc. And the large butterfly valve is used more and more widely because of its excellent performance. Though China has built a complete valve production system, in the welding of large butterfly valve, it still faces the problems of unstable quality and inefficiency，which are caused by the welding characteristics, for example, vast structure, thick plank stuff and heavy workload. Plate welding process mainly focuses on the optimization of process parameters, the improvement of joint forms and the development of new welding methods. As research subjects, the DN3400 butterfly valve produced by the cooperative company, is welded by Q235B, WCB and 304. The welding performance of WCB and 304 is poor. So the flaw and deformation will be more likely to appear in the circumjacent weld beads of bearing support, cylinder rings and obturating ring. In addition, due to repeated heating, the valve body will produce deformation in the axial and radial distortion after welding. The measurement shows that the deformation in the axial is 8.51mm and the roundness of oval deformation is 8mm. And it is accord with the result of Spraragen-Fttinger Formula. According to those problems, this thesis optimizes the existing processes by changing the form of joints, using anti-deformation, adjusting the welding sequence, using DSAW technology. In addition, we design a welding robot system and corresponding operating process based on the TA1800 robot produced by Tangshan Panasonic Key words: butterfly valve, welding process, welding deformation control, welding robot system 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 III 目目 录录 摘摘 要要I Abstract.II 1 绪绪 论论 1.1 研究背景与意义 (1) 1.2 大型蝶阀焊接工艺研究现状 (3) 1.3 弧焊机器人系统在阀门行业应用现状 .(6) 1.4 论文主要研究内容(8) 2 大型蝶阀焊接工艺现状及工艺方案分析大型蝶阀焊接工艺现状及工艺方案分析 2.1 蝶阀的总体焊接工艺特点(9) 2.2 大型蝶阀焊接结构分析(11) 2.3 焊接材料的性能分析(15) 2.4 焊前备料工艺分析(18) 2.5 大型蝶阀焊接工艺缺陷分析(20) 2.6 本章小结.(32) 3 大型蝶阀阀体焊接变形研究大型蝶阀阀体焊接变形研究 3.1 变形试验焊接工艺参数(33) 3.2 阀体轴向变形试验及分析(34) 3.3 阀体径向变形试验及分析(39) 3.4 本章小结.(43) 4 大型蝶阀焊接工艺方案优化大型蝶阀焊接工艺方案优化 4.1 针对下料过程的工艺优化(44) 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 IV 4.2 针对焊接外观缺陷的工艺优化(45) 4.3 针对焊接热裂纹的工艺优化(46) 4.4 针对焊接冷裂纹的工艺优化(47) 4.5 针对焊接变形的工艺优化(48) 4.6 针对焊接夹杂的工艺优化(49) 4.7 对焊接效率的优化(50) 4.8 本章小结.(51) 5 焊接机器人系统方案设计与选型焊接机器人系统方案设计与选型 5.1 对焊接机器人系统的要求(52) 5.2 弧焊机器人系统选型.(55) 5.3 机器人焊接系统工艺方案设计(60) 5.4 本章小结.(63) 6 全文总结与展望全文总结与展望 6.1 全文总结.(64) 6.2 展望.(65) 致致 谢谢(66) 参考文献参考文献 .(67) 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1 1 绪绪 论论 1.1 研究背景与意义研究背景与意义 在国民经济的众多部门中，阀门都发挥着重要的管道控制功能。在能源、冶金、 石化等行业的管道系统中，需要由各种阀门来实现截止、调节、稳压、分流或溢流泄 压等功能。阀门不但可用于控制空气、水、各种腐蚀性介质、泥浆、油品、液态金属 和放射性介质等各种类型流体的流动，还能用于固态物质的管道输送，如美国、俄罗 斯早已开始利用配备有完整阀门控制系统的管道输煤1。 上世纪八十年代以前， 我国阀门行业只能生产 600 多个品种系列， 2700 多个规格。 经过几十年的发展，截止 2008 年为止，国产阀门已经涵盖闸阀、截止阀、节流阀、 球阀、蝶阀、隔膜阀、旋塞阀、止回阀、安全阀、减压阀、疏水阀和其它阀门，共 12 大类，3000 多个型号，40000 多个规格2-4。据国家统计局 2008 年统计数据资料显示， 中国阀门制造业规模以上企业（年销售收入在 500 万元以上的企业）共有 1700 多家， 从业人员 248020 人。2007-2010 年，中国阀门行业总产值从 2007 年的 943.79 亿元增 长到 2010 年的 1424.53 亿元5。 虽然我国的阀门行业已有庞大的规模和完备的生产体系，但是与国外阀门制造企 业相比，还存在较大差距。目前国内阀门公司存在的主要问题是技术水平较低，且发 展速度相对偏慢。大部分企业缺乏核心技术支持，新产品开发能力不足，现有产品基 本属于低技术含量、低附加值的低端产品，缺乏具有国际竞争力的高水平产品。这种 现象尤其体现在 600kW 以上火电机组配套的高温高压阀门、 核电阀门、 石化行业配套 的特殊阀门等领域。而阀门行业未来的市场又主要就集中在电力工业、石油化工、城 建等行业。这些行业对阀门提出了大型化、高参数化、高性能、高自动化、环保化等 要求6。 在用途各异的各种阀门中，蝶阀以其切断性能良好、泄露极少、调节性能良好、 高流通量、耐腐蚀性好、尺寸小（图 1-1） 、重量低、易于配备自控执行机构等优点7， 应用范围不断得到拓展。除了最初的常温、低压和一般介质的适用环境外，在腐蚀严 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 2 重的化工行业，蝶阀从应用效果上来考虑已经几乎可以完全取代过去常用的截止阀、 蝶阀、旋塞阀和球阀等。事实上，在现代城市建设工程中，由于对环保化的要求不断 提高，过去通常使用的低压铁制闸阀已经逐步转向环保型的胶板阀、平衡阀、金属密 封蝶阀及中线密封蝶阀。 图 1-1 蝶阀与其它阀门外观比较 而在大型阀门的生产过程中，最重要的加工方法就是焊接。其原因除了焊接自身 具有的节约材料、工艺简单、生产周期短、适于多种类小批量生产等优点外，还因为 其它加工方法在阀门生产中具有难以克服的缺点。例如在制造大口径的阀体结构时， 若采用铸造的方法，则无疑会在砂型制造上耗费大量的时间和成本，而且铸造组织的 致密性也难以满足阀门的承压要求。而锻造工艺虽然在一般情况下能获得优良的组织 性能，但是高昂的设备投入和复杂的制造工艺导致该方法在大型阀门的生产过程中难 以具有可行性。所以，焊接就成为了制造大型阀门最主要的加工方法。 根据本人在某阀门公司生产现场的统计，一套大型蝶阀（本项目中特指通径在 DN2000 以上的蝶阀）的制造过程中，60%以上的工时是用在焊接工序上，其中损耗 的人工、电能成本也占据了生产成本（不包括材料费用）中的很大一部分。而在 GB150-1998 钢制压力容器 中， 更是对不同部位的焊缝质量提出了明确要求。 此外， 焊接变形量的大小与控制精度， 也在一定程度上影响着下料时选择的放量大小。 因此， 对大型阀门的焊接工艺进行分析优化是很有必要的。 为此，本文在某大型阀门公司与华中科技大学共同研发项目的基础上，对蝶阀结 构的中厚板焊接工艺进行研究，以期针对现有生产过程中出现的各种缺陷，提出改进 方案，并通过引进焊接机器人系统，大幅提高焊接效率，降低工人劳动强度。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 3 1.2 大型蝶阀焊接工艺研究现状大型蝶阀焊接工艺研究现状 目前针对蝶阀焊接工艺的研究还较为少见。由于大型蝶阀选用的板材通常都较 厚，所以从根本上来看蝶阀的焊接属于中厚板、厚板焊接（在本文后续章节均称为“中 厚板焊接”） 。而目前针对中厚板现有焊接工艺方法的研究与优化，主要集中在优化工 艺参数、改良接头形式、开发高效的焊接工艺等方面。 1.2.1 中厚板焊接的工艺参数优化中厚板焊接的工艺参数优化 焊接中的工艺参数主要包括焊丝直径、焊接电流、电弧电压、焊接速度、焊枪角 度、保护气压强及流量、电弧长度、焊接层数等等。为了获得良好的焊缝质量，需要 根据实际情况来选择合理的工艺参数，但是由于焊接过程是一个多因素交叉影响的复 杂过程，所以对工艺参数的优化就显得十分困难。一般通过进行工艺试验，得到相应 的数据回归关系，建立焊接预测模型。而随着现代计算机技术的发展，开始利用计算 机来综合考虑材料性能、相变特征等，分析寻找合适的焊接参数组合。 辛海波、方荣良8将正交试验的方法引入焊接工艺实验中，利用梳理统计的方法 对实验结果进行分析。通过 9 组实验，即基本确定了 20mm 厚 Q420E 钢的 CO2气体 保护焊焊接参数。 叶建雄、张华9在考虑 BP 神经网络(Back propagation network)非线性映射功能和 GA（Genetic algorithm）全局寻优方法的基础之上，提出综合利用回归正交表、人工 神经网络和遗传算法（GA） ，在所有的焊接工艺参数范围内自动寻找最佳工艺参数组 合方案的方法。通过实验证明，该方法具有高效、准确的优点。 方立东， 宋健， 朱俊英等人10考虑到传统焊接实验系统性差， 实验成本高的缺陷， 开发出了“焊接工艺参数优化计算机辅助系统”。其基本原理为将钢材的热影响区连续 冷却组织转变图（即 SHCCT 图）输入计算机，计算出预选的焊接参数下的热影响区 冷却曲线，将其和 SHCCT 图相迭加，预测出冷却后得到的显著组织。该系统建立了 数据库查询和预测模型，大大减少了对钢种进行工艺试验的次数。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 4 1.2.2 中厚板焊接的接头形式改良中厚板焊接的接头形式改良 对接头形式的改良主要是指为了获得优良的焊接质量或者提高焊接效率，而对坡 口形状、垫板设置等作出优化。 在中厚板的焊接中，一般都是采用双面熔透焊接。而在国内，30mm 以内钢板的 焊接当采用单面焊全熔透焊接时，会存在严重的焊缝根部未熔合或未焊透缺陷。针对 此种情况，鞍钢重机公司金属结构厂开发出了一种新的焊接工艺11。首先在盖板下端 靠近坡口部位距离坡口尖端 68mm 处放置宽 1015mm、厚 56mm 调整垫，调整 垫起到控制焊缝金属高度和直线度的作用（如图 1-2（a）所示） ，然后在坡口尖端到 调整垫之间进行焊接，再对焊缝打磨处理，确保焊缝质量和打磨质量，使焊缝金属起 到保证和增补焊缝有效深度的作用。再如图 1-2（b）所示，调整装配好垫板与侧板装， 组装检验合格的盖板，最后进行焊接。垫板主要发挥提高焊缝成形能力的作用。经过 检验，该方法能大幅提高焊缝的焊透率。 （a） （b） 图 1-2 双层垫板焊接工艺示意图 在中厚板的焊接中，一般都需要在母材上开制坡口，而西安建筑科技大学柳红卫提 出了一种中厚板埋弧焊时不开坡口的焊接方法12。在如图 1-3（a）所示的两种焊接结构 中，通过采用直径更大的焊材、更大的焊接电流其（900A 以上） ，可以使如图 1-3（b） 所示的接头形式也能取得良好的焊接效果。该种工艺的关键在于选取合适的焊接参数。 （a） （b） 图 1-3 中厚板堆焊的两种接头形式 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 5 在本课题中，将会根据接头的焊接性能和在工件中的受力状况，对承受了较大载 荷的支承座、缸圈处的接头进行改进，并修正不合理的焊接参数。 1.2.3 中厚板焊接的新焊接方法中厚板焊接的新焊接方法 在项目合作公司的大型蝶阀焊接中，主要还是以 CO2气体保护焊为主，辅以焊条 电弧焊。由于蝶阀板材属于中厚板，焊接过程中需要采用多层多道焊，所以焊接效率 还是不能令人满意。而事实上，在整个焊接业内，一直也都在寻求新的焊接方法，能 大幅提高焊接效率。 中厚板焊接过程中，由于往往需要采用多层多道焊，所以耗费工时漫长，因此一 直以来，业内都在不断致力于开发出适用于中厚板焊接的高效焊接方法。 焊接的生产效率，从一定程度上讲，可以用单位时间内填充金属的熔化量，即“熔 敷率”来衡量13。在中厚板的焊接中，还可以通过增加熔深、简化工序、增加热输入 和减少接头截面积四个方面来提高焊接效率14。 如图 1-4 所示， 能使焊缝熔深增加的焊接方法主要有电子束焊、 活性化 A-TIG 焊、 复合热源焊接和双面双弧焊等等。作为一种高能束焊接方法，电子束焊一次可以焊透 的最大厚度可以达到 300mm。业内一般采用真空电子束焊，但该方法设备复杂，价格 昂贵，因此一般不适宜于机器人自动化生产15。活性钨极氩弧焊（A-TIG） 是通过在 工件上涂敷活性剂来增大熔深的，目前采用 A-TIG 焊能不开坡口一次焊透 8mm 厚的 板材，但是对于更厚的板则无能为力16,17。复合热源焊接方法是将激光焊与熔化极气 体保护电弧焊（MIG）或钨极惰性气体焊（TIG）焊相复合使用的焊接方法18-20，利用 激光的高能量密度可以获得较大的熔深，目前国外已经研制成功能一次焊透 20mm 厚 304 不锈钢的 YAG 激光器，但是该工艺同样具有设备投入大、技术不够成熟的缺点。 双面双弧焊则是通过双面电弧的热积累来增大熔深21，当采用磁场的作用下的单电源 型时，可以大幅度提高熔深22，采用双电弧同时焊接，同样能增加单位时间内的熔敷 率23,24。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 6 图 1-4 厚板高效焊接方法示意图25 在简化焊接工艺方面，双面双弧焊工艺也有显著功效。由于双面电弧气体的保护 作用，可以免去焊后清根等中间工序26，从而大大简化了焊接工艺。 通过增加热输入来提高焊接效率的方法主要有复合热源焊27, 28、双面双弧焊、 Transferred Ionised Molten Energy 焊（简称 T.I.M.E）29, 30、双丝焊31以及热丝 TIG 焊 32等。前四种方法是通过多个电弧同时焊接，提高焊接热输入，增加单位时间内的熔 敷率；热丝 TIG 焊则是通过焊前加热焊丝来获得较大熔敷率。对于大厚板焊接结构 一般需要采用多层多道焊，而复合热源、T.I.M.E 焊、双丝焊和热丝 TIG 焊这四种焊 接方法通常需要背面清根等中间工序，因此不适合机器人生产。 通过减少接头截面积来提高焊接效率的方法主要有窄间隙焊接33, 34。所谓窄间隙 一般是通过减小坡口的夹角，预留出一定的根部间隙，来减小坡口截面积，进而减少 熔敷量和道次。事实上，前文有关焊接接头形式改良部分已经介绍了一种在堆焊工艺 中不开坡口，采用窄间隙焊接的方法。这种焊接方法通常都有焊后变形大或者需要中 间清根等工序，也不适合采用机器人自动化焊接。 与上述焊接方法相比，采用机器人自动焊并不能大幅提高单位时间内的焊缝填充 量，但是由于机器人的连续稳定工作能力，焊接效率比一般的手工焊接高很多。 1.3 弧焊机器人系统在阀门行业应用现状弧焊机器人系统在阀门行业应用现状 由于对焊缝密封性的要求、中厚板焊接特点以及立焊缝的存在，选用机器人系统 焊接蝶阀时，首选弧焊机器人。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 7 1.3.1 弧焊机器人系统的应用现状弧焊机器人系统的应用现状 目前弧焊机器人在薄板的焊接中已经取得了较为广泛的应用。郝福江、王玉松、 李亚群35等人利用松下 VR-006G型弧焊机器人， 采用 91%Ar+7%CO2+2%O2 的三元 混合保护气体焊接厚度为 34mm 的压缩机上盖环焊缝，实现了 120cm/min 的高速焊 接。在汽车行业中，弧焊机器人焊接板厚 2.03.2mm 的底盘件、车架等工件时，具有 焊接效率高、焊接质量好、焊接稳定性好等优点36。 弧焊机器人在厚板中的应用主要集中在工程机械行业与造船行业中。目前三一、 中联、徐工、山推等公司均已引入弧焊机器人，而国外的卡特彼勒、日立、小松等厂 家更是将弧焊机器人广泛应用于起重机、推土机、挖土机等产品生产中37。从上世纪 80 年代末开始，日本爱知船厂、千叶船厂、有明船厂等各大船厂就开始在船体建造和 管子加工中采用弧焊机器人38, 39。 1.3.2 阀门行业自动化焊接设备应用现状阀门行业自动化焊接设备应用现状 在阀门行业中，通过调查行业网站信息、各大机器人公司的销售案例，发现采用 了机器人焊接系统的公司极为少见。目前仅发现自贡高压阀门股份有限公司拥有大型 全自动进口焊接中心。而其它国内主要的阀门生产企业，如株洲南方阀门股份有限公 司、中核苏科技实业股份有限公司、良精集团阀门股份有限公司、上海良工阀门有限 公司、环球阀门集团、广东明珠集团广州阀门有限公司等，均没有资料反映其引进了 机器人自动焊系统。 至于其它自动化焊接设备，则在阀门行业中已有较多应用。如浙江超达阀门股份 有限公司就拥有 4 套等离子堆焊和全自动埋弧焊机。项目合作公司也从成都焊研威达 科技股份有限公司采购了一套主要由操作机和变位机组成的自动焊接中心，虽然该设 备能通过变位机将焊缝调整到船形位置，从而取得良好的焊接效果，但是也存在着设 备投入过高、焊前准备工作耗时过长、占用空间大等缺点。 而在与大型蝶阀结构具有一定相似度的水轮机组座环焊接中，东方电机公司在 2009 年之前就开始应用弧焊机器人，而且其焊接厚度更是达到了 215mm40。目前， 东方电机也已经完成了自动焊接试验，并取得了较为理想的效果。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 8 总而言之，目前在阀门行业中还只有极少数公司开始尝试引入机器人焊接系统。 而东方电机的成功经验，也能说明在大型水电设备中，采用机器人焊接是可行的。 1.4 论文主要研究内容论文主要研究内容 本论文的研究内容主要分为两大部分：对现有蝶阀焊接工艺的分析与优化、论证 在蝶阀焊接中引入焊接机器人的可行性及提出初步方案，其主要内容如下： （1）针对蝶阀中容易产生冷裂纹、热裂纹的 WCB 材质、304 不锈钢材质，结合 其坡口形式和焊接参数，从理论上计算分析出相关合金元素在焊缝中的含量，判断其 对裂纹产生的影响。在设计新焊接工艺时，则据此对现有坡口尺寸进行调整。 （2）根据影响变形的主要因素和蝶阀的结构特点，分析找出蝶阀在焊接工程中 容易产生变形的部位，计算出其理论变形量。然后通过对焊接现场产生的变形量进行 实测，验证并修正理论变形量。再根据此变形量，通过调整焊接参数、焊接顺序以及 其他防止焊接变形的措施，从而构建出新工艺方案在减小焊接变形方面的内容。 （3）提出大型蝶阀焊接对焊接机器人系统的要求，并根据实际情况，选择合适 的机器人安装方式、型号，设计出蝶阀阀体焊接的操作流程。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 9 2 大型蝶阀焊接工艺现状及工艺方案分析大型蝶阀焊接工艺现状及工艺方案分析 本章以项目合作公司生产的 DN3400 蝶阀为研究对象，介绍了其焊接结构特点， 并按照焊缝特性和焊接顺序将阀体的焊接分成了四大步骤。此外，根据阀体焊接中涉 及到的各种母材、焊材的焊接特性，本章还分析了在阀体生产过程中容易出现的各种 缺陷，包括外观缺陷、热裂纹、冷裂纹、焊接变形、焊缝夹杂等。 2.1 蝶阀的总体焊接工艺特点蝶阀的总体焊接工艺特点 作为阀门中的一种常见结构，蝶阀（图 2-1）主要由阀体（图 2-2） 、阀杆、碟板 （图 2-3）和密封圈组成。其工作原理为由阀杆带动的碟板每转过 90，便能完成一次 启闭。改变碟板的偏转角度，即可控制介质的流量。 图 2-1 蝶阀结构示意图 图 2-2 蝶阀阀体半成品外观图 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 10 图 2-3 蝶阀蝶板半成品外观图 目前国内制造的蝶阀通径最大能达到 5500mm，而一般情况下，DN2000 以上的 蝶阀即会选择采用焊接方法制造阀体和阀板。因此，通过对项目合作公司生产的 DN3400 蝶阀的结构及焊接工艺分析，得出大型蝶阀的主要焊接工艺特点包括： 1）均为中厚板、厚板焊接。蝶阀主要是用厚薄不一的各种板材焊接而成的，其 中最薄的焊接件是 8mm 厚的下圆弧面板，而最厚的则为厚度达到 82mm 的法兰。从 板厚的划分来看，前者尚属于中厚板范畴（4.5-25mm） ，而后者则属于厚板范畴 （25-100mm） 。 2）焊接工作量大。阀体和阀板这两大结构总共由 65 个零件焊接而成，其中部分 零件自身也属于焊接组件。据粗略统计，仅蝶阀阀体的总焊缝长度即超过 300m，而 且每道焊缝焊接过程中，基本上都需要经过点焊、打底、填充、清根等环节，这其中 涉及到的工作量极为庞大繁重。 3）焊接条件复杂。焊接工件板厚从 8mm 到 82mm 不等，涵盖区域较大。工件材 质既有综合焊接性能较好的 Q235B，也有稍次的 WCB 钢。采用的坡口形式除了 X 形 外，还有单边 V 形、双边 V 形等形态，涉及的种类较多。同时存在大量的平焊缝、立 焊缝，甚至还有仰焊缝。复杂多变的焊接条件，要求现场工人必须具有熟练的操作手 法和丰富的焊接经验。 4）工件庞大，装配、翻转不易。DN3400 蝶阀阀体在完成最后的焊接后，总重可 以达到近 13 吨，其中最重的工件也有 2 吨多，其它重量超过 1 吨的单个工件也并不 少见。大部分工件在焊接过程中都需要借助行车完成装配，而且在翻转工件时，也需 要用到行车或者变位机，这必然会耗费大量的工时，影响到焊接效率。 5）焊接效率低下。与庞大的焊接量相比，目前在阀门生产中采用的焊接方式还 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 11 是以手工电弧焊为主，辅以堆焊、埋弧焊等焊接方式。由于基本都依靠人工操作，难 以保证长时间的连续、稳定焊接。 总而言之，大型蝶阀的焊接工艺主要还是属于中厚板、厚板焊接的手工焊接，其 中存在着焊接质量不稳定、焊接效率低下的缺点。 2.2 大型蝶阀焊接结构分析大型蝶阀焊接结构分析 如在 2.1 所述，蝶阀主要由阀体与蝶板两部分组成。其中阀体结构更为复杂，耗 费的工时、存在的缺陷也更多。 2.2.1 蝶阀阀体的焊接结构蝶阀阀体的焊接结构 根据焊接顺序及部件功能，阀体可以分为主体组件、支承座组件、筋板组件、内 环组件等四大部分。 主体组件的结构如图 2-4 所示， 它由上法兰、 下法兰、 体筒三部分组成。 在 DN3400 蝶阀阀体中，主体组件中的焊缝及主要尺寸如图 2-5 所示。项目合作公司焊接法兰与 体筒时，是首先在横焊位置对法兰与体筒间内坡口焊缝进行打底焊接，并填充焊接两 道。再将工件竖立并用行车保护后，在平焊位置继续对法兰与体筒间内坡口焊缝进行 填充焊接，直至填充达到坡口深度的 3/4，从外部对整个接头进行清根，并打磨。然 后在横焊位置对上法兰、下法兰与体筒间的外部焊缝进行适度焊接，焊接道数一般不 超过两道。 施焊过程中要求沿圆周分段进行对称焊接， 并且要适时调整内外焊接顺序， 以避免体筒与法兰之间出现大变形。 图 2-4 主体组件结构示意图 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 12 图 2-5 主体组件焊缝示意图 主体组件焊接完成后，即进行支承座组件的焊接。焊接于体筒对应两侧的支承座 组件组要由支承座、补强板、支承座肋板组成，其结构示意图和焊缝示意图如图 2-6、 图 2-7 所示。焊接时，先焊接焊缝 3，再焊接焊缝 4、焊缝 5，最后焊接焊缝 6。需要 重点指出的是， 在图 2-7 的放大结构图中， 补强板靠体筒侧在焊接之前及开出一 1045 的斜坡口，其目的是为了避免焊缝 3 焊完后的表面余高与补强板发生干涉。 图 2-6 支承座组件结构示意图 图 2-7 支承座组件焊缝示意图 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 13 支承座组件焊接完成之后，需进行筋板组件的焊接。筋板环绕在体筒的外壁上， 可以分为径向筋板与轴向筋板两大类（图 2-8、图 2-9） 。焊接过程中，主要是径向筋 板与体筒之间的焊缝（即焊缝 7） 、径向筋板与轴向筋板之间的焊缝（即焊缝 8） 、轴 向筋板与体筒之间的焊缝（即焊缝 8） 。其中焊缝 7 与焊缝 8 会通过不断翻转阀体，使 其在平焊位置施焊，而焊缝 8 则只能在立焊位置施焊。 图 2-8 筋板组件结构示意图 图 2-9 筋板组件焊缝示意图 筋板组件焊接完成后，即可进行内环组件的焊接。内环组件主要由缸圈、缸圈 、缸垫板、密封圈座、密封圈组成（图 2-10、图 2-11） 。这些部件都是由事先准备 好的几段圆弧板，在体筒内装配、拼接组成。缸圈与密封圈都是 304 不锈钢材质焊接， 焊接时采用 A302 焊条打底、A102 焊条填充焊缝。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 14 图 2-10 内环组件结构示意图 图 2-11 内环组件焊缝示意图 2.2.2 蝶阀阀板的焊接结构蝶阀阀板的焊接结构 与阀体相比，蝶阀阀板的结构简单很多，主要由轴座、圆板（背部有定位环） 、筋板 等组成（图2-12） 。其焊接质量也更容易保证，在现场焊接过程中出现的焊接缺陷也较为 少见。其主要焊接对象除了轴座周边的焊缝外，就是图中的焊缝15、焊缝16.，其中焊缝 15 为筋板焊接时表露在外部的焊缝，而焊缝16 为存在于筋板内侧的焊缝。 图 2-12 蝶板结构示意图 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 15 上述各图中所表示的焊缝 1-焊缝 16，为蝶阀中的主要焊缝，对其进行总结梳理， 得到表 2-1。需要补充说明的是，焊缝 1-焊缝 14 的编号也代表了阀体生产过程中的焊 接先后顺序。 表 2-1 阀体中主要焊缝列表 焊缝 编号 接头 形式 焊接方法 母材成分 焊料牌号 焊接位置 焊缝长 度/m 焊缝处理 1 角接 CO2 气体保护焊 Q235B+Q235BER50-6 平焊 11 无 2 角接 CO2 气体保护焊 Q235B+Q235BER50-6 平焊 11 清除焊脚 3 角接 CO2 气体保护焊 Q235B+WCB YJ501-1 平焊+立焊 4 打磨焊脚 4 角接 CO2 气体保护焊 Q235B+WCB YJ501-1 平焊+立焊 4 无 5 搭接 CO2 气体保护焊 Q235B+Q235BER50-6 平焊+立焊 12 无 6 角接 CO2 气体保护焊 Q235B+WCB YJ501-1 平焊+立焊 14 无 7 角接 CO2 气体保护焊 Q235B+Q235BER50-6 平焊 66 无 8 角接 CO2 气体保护焊 Q235B+Q235BER50-6 平焊 26 无 9 角接 CO2 气体保护焊 Q235B+Q235BER50-6 立焊 24 无 10 对接 CO2 气体保护焊 Q235B+Q235BER50-6 平焊 11 无 11 搭接 CO2 气体保护焊 Q235B+Q235BER50-6 平焊 22 打磨焊脚 12 搭接 焊条电弧焊 Q235B+304 A302、 A102 平焊 22 打磨焊脚 13 搭接 焊条电弧焊 Q235B+304 A302、 A102 平焊 22 机加工倒角 14 搭接 焊条电弧焊 Q235B+304 A302、 A102 平焊 22 机加工倒角 15 搭接 CO2 气体保护焊 Q235B+Q235BER50-6 平焊 10 打磨焊脚 16 角接 CO2 气体保护焊 Q235B+Q235BER50-6 平焊 24 打磨焊脚 2.3 焊接材料的性能分析焊接材料的性能分析 2.3.1 母材焊接性能分析母材焊接性能分析 以 DN3400 蝶阀为例，焊接母材主要为 Q235B（阀体和蝶板的绝大多数部件） 、 WCB（支承座、轴座） 、304 不锈钢（缸圈、密封圈） 。 按照 GB/T700-2006碳素结构钢的规定，低碳钢 Q235B 的化学成分如表 2-2 所示。而实际上，各大钢铁厂家一般会控制 C 的含量在 0.12%0.20%内，Mn 的含量 为 0.350.65%，至于 Cr、Ni、Cu 等元素含量则均控制在 0.30%以下。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 16 表 2-2 Q235B 化学成分(质量分数，%） C Si Mn P S 0.20 0.35 1.40 0.045 0.045 因此若按 WMn=0.65%计， 根据公式 2-1， 可以得到 Q235B 的碳当量为 Ceq= 0.31%。 而一般情况下， 当 Ceq0.4 时， 钢材淬硬性不大， 焊接性能较好。 因此可以判定 Q235B 具有良好的焊接性能，这主要表现在其化学成分能有效抑制冷裂纹、热裂纹的产生。 因此，Q235B 材质的焊接只需严格按照相关工艺要求执行，重点防止焊接变形即可。 Ceq=Wc+WMn/6+W（Ni+Cu）/15+W（Cr+Mo+V）/5 式 2-1 WCB 是美国牌号，按照ASTM A216/A216M高温下使用的适合于熔焊的碳素钢铸 件规格 ，其化学成分如表 2-3 所示。由表 2-3 可以看出，WCB 的化学成分相当于国内的 ZG250-485，而项目合作公司在生产中有时也用ZG230-450 替代WCB作为支承座材质。 表 2-3 WCB 化学成分(质量分数，%） C Si Mn P S Cr Mo V Ni Cu 0.30 0.601.00 0.040.045 0.500.250.030.50 0.30 由式 2-1 计算 WCB 材质的碳当量得 Ceq=0.66%0.4%。 由此可以判断 WCB 钢的 脆硬倾向较大，焊接性不好。WCB 钢焊接过程中，会在热影响区产生淬硬性的马氏 体组织，当焊接刚性较大或焊接材料、焊接参数选择不当时，容易产生冷裂纹。当采 用多层多道焊焊接 WCB 时，焊接第一层焊缝的过程中，由于母材金属融合到焊缝的 比例大，会使焊缝中的 C、S、P 含量升高，容易产生结晶热裂纹。 由于 WCB 钢在焊接过程中，既容易产生结晶热裂纹，又容易产生冷裂纹，这就 要求采用合适的焊接材料和焊接工艺。一般在焊接 WCB 钢时，会选用抗裂纹能力好 的低氢型焊材，并采取其他配套措施，如控制预热温度、减少母材熔合比等。 304 不锈钢是按照美国 ASTM 标准生产出来的不锈钢的一个牌号，相当于我国的 06Cr19Ni10。在不同的标准中，其具体的化学成分有所差别，一般如表 2-4（GB-T 20878-2007不锈钢和耐热钢牌号及化学成分 ）所示。 表 2-4 304 不锈钢化学成分 C Si Mn P S Ni Cr 0.08 1.002.00 0.045 0.030 8.0011.00 18.0020.00 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 17 与碳钢相比，304 不锈钢的电阻率是碳钢的 5 倍，在同样的焊接电流、电弧电压 条件下产生的热输入要多。而其热导率仅为碳钢的 1/3，会导致热量传递速度缓慢， 热变形增大。此外，304 型不锈钢的线膨胀系数比碳钢大 40%左右，更引起加热时热 膨胀量和冷却时收缩量的增加。因此在焊缝凝固过程中，会形成较大的焊接内应力， 增大了产生焊接热裂纹和变形的风险。此外，不锈钢及焊料中所含的 S、P 等元素除 了能与铁形成低熔点共晶产物外，还能与合金元素之间作用形成低熔点化合物，如 NiS+Ni（熔点为 644） ，这些共晶产物都会降低抗热裂纹能力。除此之外，奥氏体不 锈钢结晶凝固区间大，结晶时间长，方向性强。会产生严重的杂志偏析。因此，304 不锈钢在焊接过程中，较易出现热裂纹，需要在焊接工艺方面予以警惕和弥补。 总体而言，焊接 304 不锈钢时，需要注意的问题主要是控制热裂纹、焊接变形以 及由于变形造成的拘束应力冷裂纹。 2.3.2 焊材焊接性能分析焊材焊接性能分析 在项目合作公司的焊接现场，主要有配合 CO2气体保护焊用的 ER50-6 焊丝、 YJ501-1 焊丝以及手工电弧焊焊接 304 不锈钢的 A302、A102 焊条等焊材。 R50-6 是一种普通的碳钢实芯焊丝，通常用于氩弧焊或者 CO2气体保护焊中。其 牌号含义为熔敷金属抗拉强度最低值为 500MPa 的气体保护电弧焊用焊丝。项目合作 公司主要是用直径 1.2mm 的该种焊丝焊接 Q235B 钢。按照 GB/T8110-2008气体保 护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝 ，其化学成分如表 2-5 所示。 表 2-5 ER50-6 焊丝化学成分(质量分数，%） C Mn Si P S Al Cu 其他元素 0.060.15 1.401.85 0.801.150.0250.0350.500.900.50 / ER50-6 焊丝可以用来焊接碳钢和某些低合金钢，既适用于单道焊，又适用于多道 焊，能适应各种位置的焊缝，焊接性能优良。 YJ501-1 的牌号含义为适用于结构钢气体保护焊全位置焊接的 CO2气体保护药芯 焊丝，其熔敷金属抗拉强度为 500MPa。项目合作公司主要是使用直径 1.2mm 的 YJ501-1 焊丝焊接要求更高的一些焊缝，如支承座与体筒的外部角焊缝。其焊渣为钛 型酸性渣，与 ER50-6 焊丝相比，它具有焊缝成形性好、熔滴过渡细小均匀、便于脱 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 18 渣、熔敷速度快等优点，其主要缺点为抗裂性能一般，抗气孔性能差，而且保存条件 要求更高。其熔敷金属化学成分如表 2-6 所示。 表 2-6 YJ501-1 熔敷金属化学成分(质量分数，%）41 C Mn Si P S 其他元素 0.18 1.75 0.90 0.04 0.03 / 项目合作公司在焊接 304 不锈钢时，通常在用 A302 焊条打底并填充两层后，再 用 A102 焊条填充焊缝。A302 牌号表示熔敷金属中 WCr23%，WNi13%，药皮为钛钙 型， 可交直流两用的奥氏体不锈钢焊条。 A102 与之相比， 主要是熔敷金属中 WCr19%， WNi10%。两种焊料熔敷金属的化学成分如表 2-7 所示。 表 2-7 A302 与 A102 焊条熔敷金属化学成分(质量分数，%）41 （表中部分数据参考了天津金桥公司产品成分） 焊条 C Si Cr Ni S P Mn Mo Cu A302 0.15 0.90 22.025.0 12.0 14.0 0.030.040.52.5 0.75 0.75 A102 0.08 0.90 18.021.09.011.00.0300.040.52.5 0.75 0.75 需要指出的是，在焊接现场，也发现了使用 H1Cr24Ni13 焊丝完成 304 不锈钢与 Q235 的打底焊接。它与 A302 焊条相比，成分比较接近，但是由于采用 CO2半自动气 体保护焊，所以焊接速度更快，不过焊接效果相对差一些。 根据母材以及焊材的特性，项目合作公司在焊接蝶阀阀体结构时，需要重点关注 的主要是控制 Q235 钢的焊接变形、预防 WCB 铸钢产生裂纹、防止 304 不锈钢的热 裂纹、焊接变形及对拘束应力的控制、对焊接外观及焊缝中气孔进行控制。 2.4 焊前备料工艺分析焊前备料工艺分析 焊前的备料工作主要包括材料的矫正、表面清理防护、放样号料、下料、机加、 检测等环节。其中，项目合作公司在除了下料之外的其他环节，基本上能按规范操作。 下料阶段，主要使用包括半自动火焰切割机、数控等离子切割机、数控火焰切割 机、 刨边机等设备进行下料以及开制坡口。 其中对备料质量影响最大的就是火焰切割。 项目合作公司采用天然燃气进行火焰切割，其主要成分为丙烷。与通常所用的乙 炔相比，丙烷的火焰温度虽然只能达到 2000以上，但也完全能满足预热钢材至燃点 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 19 的要求，而且不会造成割面硬化和棱角熔塌。从安全方面看，丙烷的爆炸极限小，储 存、运输也更方便安全42。因此，综合考虑成本、安全、切割质量等因素，选用丙烷 是合理的，但仍需保证焊接工位的通风性良好