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焊接结构生产及装备 周浩森 第一章绪论 一 焊接结构的发展 用钢量的43 1机械加工工艺方法焊接 铸造 锻压 切削加工 热处理2钢结构焊接结构 冲压结构 锻压结构 铸造结构 二焊接结构的特点1分类 1 按板厚不同分薄板和中厚板结构 2 按加工工艺不同板焊结构 轧材 冲焊结构 锻焊结构 铸焊结构 3 按原材料种类钢 铝及其合金 钛及其合金等 4 按工作条件分梁 在一个或两个主平面承受弯矩的构件 柱 轴心受压和偏心受压的构件 桁架和塔桅结构 承受弯矩 由许多杆件组成的大跨度结构 板壳结构 用于承受内压 要求密封的焊接容器 如压力容器 锅炉 管道 船舰 客车等 机器结构 机器的机座 机身及大型机器零件 2特点 1 优点相对铆接结构 接头性能好 重量轻 节省金属 水气密性好 接头简单 美观 2 缺点气孔 夹渣 裂纹 各种缺陷 焊接应力及变形等 三焊接结构的设计1焊接结构的设计标准 1 一般建筑结构 钢结构设计规范 2 压力容器 钢制石油化工压力容器设计规范 3 船舶 海上采油平台 钢质海船入级与建筑规范 海上平台入级与建造规范 4 起重 运输机械 工程矿山机械相应的部标 行标 厂标 2焊接结构的设计步骤 理论力学 材料力学 结构力学 依据使用要求 参考类似结构 确定整体方案 确定承受的各种载荷 结构受力分析 结构元件的设计 强度 刚度 稳定性 进行结构的细节设计 焊接接头 焊缝 筋板 孔 应力应变集中及局部挤压处 编写设计说明书及绘图和机械设计既相同又相异 机械设计由机原加机零设计组成 结构设计由元件加细节设计构成 3焊接结构的设计方法 结构力学 1 许用应力法 2 概率论为基础的极限状态法四焊接结构的生产工艺概述 一 生产工艺过程1生产准备图纸 工艺分析 工艺文件 工艺流程 工艺评定 工艺方法 设备 材料 人员 动力各种准备 2金属材料的预处理材料的验收 分类 矫正 除锈 表面保护 预落料 3备料放样 划线 号料 切割 边缘加工 冷热成型加工 端面加工及制孔等 4装配 焊接焊缝边缘清理 装配和焊接 5检验从原材料到产品 每道工序相应的检查 6成品的验收 油漆 标志 包装 p3图1 1 二 生产规模1单件小批量生产从生产准备到产品的生产工艺过程简单 2成批生产一段时间的大量生产 3大量生产长时间的大量生产 第二章焊接结构的生产工艺过程 2 1概述 1生产过程原材料或半成品按人的意图发生改变的整个过程 2工艺过程逐步改变工件状况的那一部分生产过程 是生产过程的一部分 3焊接结构的生产 图纸 生产工艺分析 工艺过程 确定焊接结构的生产工艺过程 确定焊接车间设计 确定焊接夹具设计 确定设备选用 确定质量控制 2 2焊接结构生产的备料工艺与设备 一金属材料的储存供货状况 轧材 板材 管材 型材 锻件 铸件 检查与验收 化学成分 外观 显微分析 气孔 夹渣 裂纹 缺陷 形貌 组织 力学性能 焊接性 存放 分类 除锈 方便装卸及安全 切割及运输 剪板机 气割设备 叉车 平板车 起重机 二金属材料的复验 使用前 化学成分 金相检验 力学性能 拉伸 弯曲 冲击 三金属材料的除锈化学除锈 酸洗 碱中和 水冲洗 烘干 机械除锈 喷丸 小铁丸 除锈 喷 涂 底漆 四金属材料的矫正 1变形原因及矫正要求轧制过程以及运输 储存过程中出现的变形 P9表2 12 22 3 板材 管材 角钢 工字钢 2分类 1 冷矫正和加热矫正 变形严重 2 第一次矫正 制造结构之前的预先矫正 对原材料 第二次矫正 对加工时毛坯的变形进行矫正 对毛坯 3矫正方法 1 手工矫正 锤击 2 矫正机床 钢板矫平机p11图2 1原理P11表2 4技术数据型材矫正机 p11图2 2示意图 角钢矫正机和调直压力机 P12表2 5技术数据 辊轮数量速度 机床 摩擦压力机 曲柄压力机 杠杆压力机 千斤顶 五放样 划线 号料1放样根据图纸要求 在放样台上 用1 1的比例 划出零件的平面展开尺寸 目的是检查图纸的正确性 确定下料尺寸 形成放样样板 分类 比例放样 光学放样 数学放样 2划线利用放样样板在金属材料上进行实际轮廓线的复制 3号料根据划线的轮廓线 用小锤和冲子在金属上标记 分类 机械号料 光学号料 利用照相机的原理 依投影后的轮廓线进行号料 电印号料 利用静电摄影的原理 将轮廓线直接印在涂有感光剂的钢板上 过程 放样 划线 号料 光学号料 电印号料不需放样划线 数学放样不需划线号料 直接通过数控切割机下料 六下料 一 机械切割1剪切龙门剪床 剪切大宽度板材技术数据p14表2 9 压力剪床 剪切宽度不大的板材 技术数据p15表2 10 角钢剪切机 技术数据p15表2 11联合冲剪机 技术数据p15表2 12剪切板材 型材 还可冲孔 园盘剪 剪切曲线 2锯切有齿锯 带锯 园盘锯p16表2 13无齿锯 锯片与工件之间的摩擦热熔化切口 又称摩擦锯p16表2 14 二 气体火焰切割1依气体不同分类氧 乙炔切割 氧 丙烷切割 液化石油气切割 2按控制方法手工气割 半自动气割 靠模自动气割 光电跟踪气割 数控气割 三 等离子弧切割不锈钢 有色金属 大厚度焊件 四 线切割机 电弧放电熔化 和电火花切割 七坡口及边缘加工 一 熔化切割法氧 乙炔气割 特殊割嘴 和气割同时进行 碳弧气刨 清根 扣槽 清除焊接缺陷 配合砂轮 二 车 铣 刨削的方法坡口剪切机坡口刨边机p18表2 16坡口铣边机 八弯曲及成形1依加热与否冷态弯曲 热态弯曲 2设备 1 弯板机三辊弯板机 p18图2 3ab四辊弯板机 p18图2 3cd原理及问题 筒形成锥状 技术数据 p19表2 17 2 型钢弯曲机手工 压力机 弯曲矫正机 自动 角钢弯曲机 技术数据p20表2 18 九冲压1定义将模具放在各种压力机上来完成零件的制作 核心是模具 2分类冷冲压 热冲压 3设备水压机 油压机 摩擦压力机 曲柄压力机 十零件的其他加工1制孔钻孔 钻床p20表2 19 冲孔 冲孔机 割孔 孔径大的情况 镗孔 镗床 2折边折边机或压力机床 3弯管 1 有心弯管 无心弯管 2 冷弯管 热弯管 3 设备手动弯管机 电动弯管机 十一焊前清理1清理内容铁锈及氧化皮 油污 毛刺 焊渣 飞溅 2清理方式 1 用风动或电动砂轮机 钢丝刷等 气刮铲 又称气动扁铲打渣机p21图2 5 针束除锈器 又称气动针束打渣机 p22图2 6 2 喷砂或喷丸清理喷SiO2干砂或小铁丸 3 气体火焰表面清理油污 氧化皮等 但成本高应用少 4 酸洗2 4 的硫酸 1 2 的石灰水十二焊接材料的储存防止焊条 焊丝 焊剂 衬垫等的受潮及混淆 2 3焊接结构的装配工艺 装配工艺 采用工装夹具或定位焊 按图纸要求 将零件连接成部件或整体结构 一装配方式分类 一 按结构的类型及生产批量的大小1大型 单件生产的结构采用划线定位的装配方法利用测量工具 简单夹具 定位焊等 2批量生产的结构在专用的胎夹具上装配的方法采用装配夹具及装焊夹具 二 按工艺过程1由单独零件逐步组装成结构 先装后焊 或装焊交替进行 2由部件组装成结构 三 按装配工作地点1工件固定式装配用于重型焊接结构 或产量不大的情况 2工件移动式装配按工序流程进行装配 装配生产线 二焊接结构的装配顺序的确定装配 焊接顺序的确定 1 装配工作是否方便 焊接的可焊到性和方法 2 控制焊接应力及变形 装配工艺流程 装焊图表 焊缝识别卡 装配工艺卡 三典型装焊次序 分部件装配焊接法 一 优越性1提高装焊质量 改善工人劳动条件 结构尺寸小 焊缝位置好 2控制和减少焊接变形 总焊接量减少 以及胎夹具的使用 3缩短产品的生产周期 部件同时生产 4提高生产面积的利用率 减少总装的胎夹具 5广泛的利用胎夹具 简化夹具 二 部件的划分1各部件本身是一个整体的构件 2力求充分发挥部件生产的优点 3现场生产能力的限制及生产节奏的要求 四装配工作中应注意的问题1机械加工放最后 装焊完后进行 2装配零件是以外缘为依据的 外缘的精确度影响装焊质量 3正确掌握公差标准4装配后尺寸在公差的范围内5严格清除油污 影响装焊质量 6对定位焊的要求 定位焊工艺 母材 焊法 焊材 7巧用胎夹具 装配夹具装焊夹具 2 4焊接结构的焊接工艺 一焊接结构生产中制定焊接工艺的原则及内容1焊接工艺制定原则 满足使用要求 经济要求 1 可焊性好 生产率高 并获得质量好的焊接接头 2 应力和变形小 3 焊接变位次数小 采用工装夹具2内容 工艺卡的内容 分主要因素 重要因素 次要因素等 1 母材 焊接方法 焊接材料 2 工艺参数 焊接电流 焊接电压 焊接速度等 3 加热工艺参数 预热 后热 层间温度及焊后热处理等 4 其他 焊接坡口 焊接顺序 焊接方向 胎夹具等 二焊接工艺方法的选择分类1 熔焊 手工电弧焊 埋弧焊 电渣焊 CO2气保焊 气焊 TIG MIG焊 电子束焊等 压焊 电阻焊 摩擦焊 扩散焊 爆炸焊等 钎焊 普通钎焊 熔钎焊 共晶钎焊 液相过渡焊等 分类2 焊接 一般的焊接方法 连接 比如扩散焊 涂层 热喷涂 表面改性 应用情况 1 手工电弧焊 应用灵活 方便 设备简单 2 埋弧自动焊与半自动焊 适于4mm以上厚的母材的焊接 可用于平焊 船形焊 垂直焊 3 电渣焊 适于30mm以上厚的母材 4 CO2气保焊 生产率高 成本低 全位置的焊接 5 电阻焊 适于薄板件结构 6 气焊 适于焊接较薄工件 有色金属 铸铁 7 TIG MIG焊 适于焊接铝 钛 铜及其合金 不锈钢等 8 摩擦焊 焊接导热性好 易氧化的金属 9 电子束焊 适于活泼金属 高熔点金属 高纯度金属 高精度焊件的焊接 10 钎焊 用于焊接薄件 复杂连接面或异种接头 总体来说 埋弧焊与CO2气保焊是优先选择的焊接方法 手工焊是重要的补充 三确定合理的焊接工艺参数 1 焊接电流 电压 速度 2 焊接电源极性 电阻焊的电极直径 3 坡口形式 焊接层数 焊接顺序及方向 4 焊接材料参数 焊工技术等级等 四焊接工艺制定实际情况 焊接工艺卡的制定 1焊接专家系统开发实例焊接企业工艺技术准备主要集中于 1 焊接工艺评定方案设计 2 焊接工艺试验 包括工艺评定试验 焊接性试验等 3 产品焊接工艺编制焊接工艺评定报告 PQR Procedurequalificationrecord 由有关部门分类 编号 存档 供工艺人员做为编制具体产品焊接工艺的依据 焊接工艺规程即通常所称的焊接工艺说明书 WPS weldingprocedurespecification WPS是焊接生产所必须的技术指导性文件 对于重要焊接件 不同产品及同一产品不同情况的焊缝都必须有各自对应的WPS 为确保焊接产品质量 有关国家 行业及企业对于WPS的编制都制定了相应的标准 规范或规程 如我国的 钢制压力容器焊接工艺评定标准JB4708 92 编制WPS的过程中 工艺人员须查阅本单位已有的PQR档案 根据相关工艺标准 判断每一PQR对当前焊接情况的适用性 当找到一份可用的PQR后 须针对当前焊接条件 根据经验及有关规定 调节 补充某些工艺数据 进而形成最终的WPS 当产品品种繁杂 PQR资料较多 需要编制大量WPS时 焊接工艺准备工作就变得异常繁琐 费时 更谈不上当存在多份可用PQR时进行优选的问题 2弧焊工艺规程编制计算机辅助系统焊接工艺评定是在钢材焊接性能试验的基础上 结合锅炉 压力容器的结构特点和技术和条件 在制造单位具体条件下的焊接工艺验证试验 它还用以证明制造单位有能力焊制出符合有关法规 标推 技术条件的焊接接头 焊接工艺评定是压力容器焊接生产中的法规性规定 并用强制性标准JB4708 92 钢制压力容器焊接工艺评定 来贯彻 3小结焊接工艺评定 依据中华人民共和国行业标准JB4708 92 钢制应力容器焊接工艺评定 焊接工艺评定的定义是为验证所拟定的焊件焊接工艺的正确性而进行的试验过程及结果的评价 具体的说 焊接工艺评定就是按照所拟定的焊接工艺 根据有关技术标准规定焊接试板 并从焊成试板中取出拉伸 弯曲 冲击等试样 测试试样是否具备所要求的性能 如果所有试样检验结果符合技术要求 证明所拟定的焊接工艺可行 根据焊接工艺评定提出 焊接工艺评定报告 PQR Procedurequalificationrecord 焊接工艺评定报告内容主要包括 母材 焊接方法 焊接材料 工艺参数 加热工艺参数等焊接参数 以及外观检查 力学性能 拉伸弯曲冲击 显微分析 化学成分分析 无损探伤 焊接性实验等焊后实验构成 没有统一的标准 焊接工艺规程 WPS weldingprocedurespecification 广义上 凡是用文字 图形和表格等形式 对某个焊件科学地规定其工艺过程方案和规范及采用相应工艺装备的技术文件 狭义上 焊接工艺规程即通常所称的焊接工艺说明书 是焊接生产所必须的技术指导性文件 焊接工艺规程的主要内容主要包括 母材 焊接方法 焊接材料 工艺参数 加热工艺参数 焊接方向顺序等焊接参数 焊接工艺制定情况小结 1 总体理论分析 实验研究 国家标准 制定焊接工艺 2 实践 理论分析新材料 新工艺 每道焊缝 指导性焊接实验工艺规程 指导WPS 焊接工艺评定 PQR 国标 焊接工艺规程 WPS 工艺卡 焊接工艺说明书 典型工艺卡 国家标准新材料 新工艺 PQR 焊接工艺规程WPS 2 5焊前预热及焊后热处理 一予热 后热的作用改善焊接性 即工艺焊接性 气孔 夹渣 裂纹 缺陷 使用焊接性 强度 硬度 韧性 高低温性能 耐磨耐蚀性能 焊接残余应力及变形 一 予热的作用防止延迟裂纹 减少淬硬组织 减少内应力 焊接温度分布均匀 加快金属的熔化 二 予热温度的确定应用碳当量 结合焊条直径 板厚 接头形式 拘束程度来确定 预热温度为100 200 三 后热的作用防止延迟裂纹 减少予热温度 二焊后热处理的作用p31表2 23焊件一般不需热处理 比如碳钢 小厚度 低合金钢 高合金钢需热处理 1作用防止冷裂纹 减少残余应力 改善组织 2焊后热处理的适于情况 1 强度等级大于500MPa的具有延迟裂纹的普通低合金钢 焊后回火处理 2 在脆性转变温度以上工作的焊接结构 焊后回火处理 3 厚壁容器 存在三向残余应力 焊后消应力回火处理 4 电渣焊接头焊后正火或正火加回火处理 减少淬硬组织和裂纹倾向 5 焊后需机加工的构件 焊后热处理保证尺寸的稳定性 3热处理注意事项 1 含V或Ti Nb的低合金钢 控制回火温度 以减少回火脆性 2 含Cr Mo V Ti Nb的低合金钢 消除应力退火时 防止再热裂纹 3 焊后消除应力回火 一般比母材的回火温度低30 60 4 防止热处理过程中产生新的变形和应力 三焊件的热处理方法1火焰加热包括 气体 燃油 煤等的火焰加热 优缺点 工作条件差 热利用差 但现场应用好 2电加热特点 包括中频 工频加热 可利用各种加热用的电阻丝 带 片等加热元件 优缺点 热效率高 容易实现自动控制 四焊前局部预热及焊后局部热处理1局部预热采用气体火焰加热 电加热的方式用测温笔或热电偶确定加热温度 2局部热处理设备复杂 主要用电加热的方式 国内装置 电阻加热式 履带式 指形式 螺旋式 远红外式 实例 p33图2 7表2 24 五其他消除残余应力方法 与上述的热处理不一样 经济 一 低温消除应力处理特点 通过不均匀加热形成温度差 使焊缝区产生反向塑性变形 消除残余应力 方法 电阻加热 远红外电加热 煤气加热器等 二 多层焊消除焊接应力工艺特点 后层焊缝对前层焊缝有热处理的作用 但焊接次序要严格执行 三 振动时效特点 焊接构件在共振频率下振动一段时间 减少残余应力 2 6检验和修整 一质量检验内容多 贯穿整个工艺过程 如 原材料的检验 放样尺寸及样板的检验 加工零件尺寸及质量的检验 装配焊接工艺装备的检验 部件及结构的装配焊接质量的检验 成品检验等 二焊接检验p35表2 25 1 破坏性检验力学性能试验 拉伸 弯曲 冲击 化学成分分析及试验金相检验 宏微观组织 气孔 夹渣 裂纹 形貌等 焊接性检验 插销 直Y 斜Y等 2 非破坏性检验外观检验 咬边 焊缝过高等 水压试验致密性试验硬度试验表面检验 荧光 着色 渗透 磁粉 无损探伤 X 射线探伤 超声波探伤 三修整修整工艺 定位焊工艺 补焊工艺 成品 检验有缺陷 碳弧气刨 打磨合格 补焊 检验 产品 2 7涂漆 一准备内容 清理氧化皮 铁锈 油污 飞溅等 方法 采用手工或喷 抛丸处理 二涂漆方法手工刷涂 滚涂与喷涂 静电喷涂 第三章焊接结构生产的工艺装备 3 1概述 一焊接结构生产过程中工艺装备的作用表3 1二焊接生产工艺装备的分类图3 1三工艺装备的选择 3 2装配 焊接工艺装备的设计要点 一工艺装备与生产工艺的关系二工艺装备的结构三工件的定位四制造工艺装备的材料五工艺装备的精度表3 2 3 3装配用工艺装备 一定位器二压夹器三推拉夹具螺旋千斤顶 图3 32适于5 100KN液压千斤顶 适于50 500KN 螺栓式拉紧器与小直径管道用拉紧器 图3 333 34 四装配台架 一 工作台条凳式工作台 图3 37平台式工作台 铸造平台图3 38型材工作平台 图3 39 二 装配胎架H型梁装配胎架图3 40手动螺旋箱形梁装配胎架图3 41气动夹紧器机动臂装配胎架图3 42气动铰链夹紧器 3 4焊接用工艺装备 一焊件操作机械 一 变位机管轴焊接变位机 图3 47 全液压变位机 图3 48 二 回转台脚动回转台 图3 49定向回转台 图3 50 三 翻转机液压框架式翻转机 图3 52 转环式翻转机 图3 55 千斤顶式翻转机 3 563 57 四 滚轮架长轴式 图3 61 重型组合式 图3 62履带式 图3 63 二焊接机械组合式横臂焊接机 图3 67 炮筒式横臂焊接机 图3 70三焊工操作机械 3 5装配 焊接工艺装备 一液化气瓶的焊接装置P84图3 80复杂夹具操作机变位机 相当于头尾架式翻转机与门式操作机的配合 二球形封头焊接装置P85图3 81复杂夹具框架式翻转机平台式操作机 三螺旋输送器焊接装置P85图3 82变位机 焊接回转台操作机 相当伸缩臂式操作机 四曲线焊缝自动焊接装置P86图3 833 84 头尾架式翻转机悬臂式操作机 伸缩臂式操作机 五螺旋钢管生产自动线P87图3 85螺旋焊缝装配焊接 3 6焊接车间的起重运输设备 一起重运输设备的作用物资流动均依赖起重运输设备二起重运输设备的种类 一 地面运输设备1叉车电动叉车 2 3吨 内燃机叉车 3 10吨 2电动搬运车可附带提升平台及拖车 3手动叉式搬运车4电动平板车钢轨5气垫装置适于易爆场所的大型 重型货物运输 二 起重机1桥式起重机车间内常用 应用广 2龙门起重机露天场所3门架式起重机露天场所4摇臂起重机车间内安装 3吨以下 5悬挂起重机P89图3 86 车间内 5吨以下 三 输送机1悬挂输送机大批量生产2辊子输送机机动非机动3台车输送机有轨无轨4步进式输送机P90图3 875皮带轮输送机小尺寸 重量小零部件运输 三起重运输设备的选择1起重设备车间内 采用桥式起重机 配合摇臂起重机 2运输设备采用地面或悬挂式输送机 3 7焊接机器人 一焊接机器人在我国的应用1总数达500多台 弧焊机器人占53 点焊机器人占46 2应用 汽车 摩托车和工程机械行业二 焊接机器人的组成及腕 臂部的传动控制特征1焊接机器人 是在焊接生产中部分地替代人的功能 完成一连串复杂动作的可编程序的焊接操作设备 也是具有高度自动化功能的焊机变位设备 它主要由四部分组成 1 操作 执行 部分是机器人为完成焊接任务而传递力或力矩 并执行具体动作的机械结构 包括机身 臀 腕 手 焊枪 等 2 控制部分是控制机械结构按照设定的程序和所要求的轨迹 在规定的位置 点 之间完成焊接作业的电子电气器件和计算机 它有记忆功能 可储存有关数据和指令 还有通信功能 可与焊接电源 焊件变位机械 焊件输送装配机械等进行信息交换 协调相互之间的动作 调节焊接操作规范等 3 动力源及其传递部分是为操作部分提供和传递机械能的部件和装置 其动力以电动为主 也有液压的 4 工艺保障部分主要有焊接电源 送丝 送气装置 电弧及焊缝跟踪传感器等 2依三个自由度时机器人可分为 根据机器人臀部自由度的不同组合 有四种形式 即直角坐标系 圆柱坐标系 球形坐标系和多球形坐标系图表如下 3具有六个自由度的焊接机器人 1 工作原理按这四种坐标系设计的任何一种机器人的臂部都有三个自由度 这样 机器人臀的端部就能达到其工作范围内的任何一点 但是 对焊接机器人来说 不但要求焊枪能到达其工作范围内的任何一点 而且还要求在该点不同方位上能进行焊接 为此 在臂端和焊枪之间 还需要设置一个 腕 部 以提供三个自由度 调整焊枪的姿态 保证焊接作业的实施 图3 2 2 臂 使焊枪到达工作范围内任一点 3 腕 使焊枪对准工件 4 实例图3 2臂 回转 下臂俯仰 上臂俯仰 腕 偏转 滚转 俯仰 5 理论上要六个自由度 实际情况为3 6个自由度 4传动特点 1 驱动 每个自由度关节独立驱动 采用伺服电动机 2 传动副 在机器人传动系统中 普遍采用了齿形带 滚珠丝杠 精密齿轮副 谐波减速器等先进 精密 轻质 高强的传动器件 3 实例图3 33 43 5 5控制特点在机器人控制系统中 以可编程序的伺服控制为主 采用 示教 编程 但是近年来 以程序语言编程的方法 因其固有的优点而受到重视 必将在重要关键性焊件的焊接中得到应用 6各种焊接机器人的技术性能主要由两部分表示 1 一部分是机器人本体的技术数据 表3 2图3 6位移 力矩 速度 2 另一部分是控制系统的技术数据 表3 3 三采用焊接机器人的注意事项 1 从拟生产焊件的品种和批量及其变化频率论证 确认焊件的生产类型 只有 多品种 小批量 生产性质 才适宜采用焊接机器人 否则 宜使用焊接机械手或焊接操作机 专用焊接机床或通用机械化焊机较为适宜 2 仔细分析焊件的结构尺寸 如果是以中小型焊接机器零件为主 则宜采用机器人焊接 如果以大型金属结构件 例如大型容器 金属构架 重型机床床身等 为主 则只能将焊接机器人安装在大型移动门式操作机或重型伸缩臂式操作机上才能进行焊接 3 如果焊件的材质和厚度有利于采用点焊或气体保护焊工艺 则宜采用焊接机器人 4 考虑选用焊接机器人是否用于焊接产品的关键部位 对保证产品质量能否起决定性的作用 能否把焊工从有害 单调 繁重的工作环境中解放出来 5 考虑由上游工序提供的坯件 在尺寸精度和装配精度方面能否满足机器人焊接的工艺要求 如果不能 则要考虑对上游工序的技术改造 否则将会影响机器人的使用 6 考虑与机器人配套使用的外围设备 上下料设备 输送设备 焊接工装夹具 焊件变位机械 是否满足机器人焊接的需要 是否能与机器人联机协调动作 夹具的定位精度 变位机械的到位精度 非同步协调时 和运动精度 同步协调时 是否满足机器人焊接的工艺要求 如果上述外围设备不能满足机器人焊接的需要 则将极大地限制机器人作用的发挥 7 目前 在我国许多工厂引进的弧焊机器人中 有些已具有机器人与焊件变位机械同步协调运动的功能 因而能使一些空间曲线焊缝或较复杂的焊缝始终保持在水平位置上进行焊接 并能一次起弧就连续焊完整条焊缝 但是这些带同步协调运动控制的弧焊机器人系统 都是由外国机器人生产厂事先编程 调好后交付使用的 目前国内还未掌握有关技术 因此 在引进该类机器人时 除注意针对当前产品需要提出同步协调控制要求外 也要适当考虑今后产品发展的需要 向外方提出给予后续编程 调试的承诺 8 考虑工厂的现行管理水平 调试维修的技术水平和二次开发能力 能否保证对焊接机器人高质 高效的应用 以达到保证产品质量 降低生产成本 提高生产牢 实现自动化 省力化操作的目的 否则 应采取相应的完善和提高措施 四补充1概述电弧焊机器人的组成 p92图3 88 机器人按输入信息和示教方式分类 p92表3 8 2焊接机器人的特点焊接机器人与人 专用自动焊机的特点对比 p93图3 893 90 按自由度分类 p93图3 91表3 9 3焊接机器人的应用 1 电弧焊机器人的应用特性P94图3 92 2 焊接机器人的应用举例汽车制造中的焊接机器人 p95图3 933 94 船舶建造中的焊接机器人 p96图3 95 大型焊接结构制造中的焊接机器人 达11m的工件 电机制造中的焊接机器人 p96图3 96 第四章焊接结构生产工艺分析及典型工艺 4 1焊接结构生产工艺分析 回顾 焊接结构的生产工艺过程生产准备 预处理 备料 装焊 检验 成品生产工艺分析 图纸 工艺分析 工艺文件 生产准备 新结构新材料 工艺分析 编制焊接工艺过程 制定工艺文件及装备 生产准备 一焊接结构生产工艺分析的目的 一 明确焊接结构生产的要求1技术要求 1 使用要求强度 刚度 耐久性 耐疲劳 耐磨 耐蚀 耐高低温 几何尺寸要求 力学性能 物理性能 致密性等 2 工艺要求焊接工艺性 结构工艺性 制造 对工厂条件的适应性 生产过程能否实现机械化自动化等 2经济要求焊接结构生产的材料 设备 工时 工艺装备是否合理 焊接结构的技术要求是否过高 3劳动保护与安全卫生采用劳动保护与安全卫生的技术措施 使人身和设备的事故降到最低 上述三方面有时会互相矛盾 二 明确焊接结构的生产方式依据焊接结构的技术要求 生产批量 生产周期 现有的技术设备 明确焊接结构的生产方式 二焊接结构生产工艺分析的方法及内容 对新结构 一 结构与部件的划分 装配焊接顺序及各工序的要求1结构与部件的划分原则 1 装配焊接工作量小 2 各工种工作间的平衡 3 工艺过程易于流水作业 4 焊接变形小2装配焊接顺序及各工序的要求装配工艺和焊接工艺 从生产准备 备料 装焊 成品的整个工序 二 保证焊接结构的几何尺寸1加工零部件时 确保其尺寸精度 尺寸链 公差配合 2减少焊接残余应力及变形 三 保证焊接接头的质量1制定焊接工艺文件 做好焊接工艺评定 选择合适的焊接材料 焊接工艺方法 工艺参数 焊接位置 焊接坡口 焊前清理 装配方式 预热 热处理等 焊接工艺评定 焊接工艺评定报告 焊接工艺规程的概念 理论分析新材料 新工艺 每道焊缝 指导性焊新焊接方法 新钢种实验接工艺规程 焊接工艺评定 指导WPS PQR 国标 焊接工艺规程 WPS 工艺卡 焊接工艺说明书 典型工艺卡 2执行每道焊缝对应相应的焊接工艺规程 WPS 焊接工艺规程内容的执行 焊接母材 焊接材料 焊接工艺方法 工艺参数 焊接位置 焊接坡口 焊前清理 装配方式 预热 热处理 装焊次序等 四 生产工艺装备的选择1下料工艺装备机械切割 火焰切割 等离子切割设备 2装配工艺装备装配夹具 装焊夹具 其他 3焊接工艺装备焊机 工装夹具 变位机械等 4装配 焊接联合机械 生产流水线 自动线 五 检验质量检验和焊接检验 各种标准 六 生产组织与技术管理制定先进的质量标准 建立最佳施工程序 制定明确岗位责任制 焊工的培训 先进的焊接设备 总结 p102图4 1 焊接工艺分析的内容 方法 步骤与顺序 三工艺方案论证与生产准备 一 工艺方案论证 经济合理性 基本投资劳动生产率劳动量的大小 工人 车间的面积工艺装备的投入劳动条件及工作安全性 二 生产准备由生产方案 生产准备 包括 图纸准备 材料准备 设备准备 工艺文件准备 工艺装备的装备 人员配备及培训 能源动力准备 生产面积工艺流程布置或调整 四焊接结构生产工艺分析举例 新结构新工艺 一 导管架采油平台1结构与部件的划分 装配焊接顺序及各工序的要求 结构特点 庞大的焊接桁架结构p103图4 2 既要支承整个平台的重量 又要面对严酷的海洋环境 部件 桩腿 由主管 水平支管 斜支管 连接板 齿条构成 P105图4 3 4 4 4 5 2保证焊接结构的几何尺寸零部件的加工精度 管件 连接板 齿条的加工 减少焊接应力及变形 通过焊接工艺 3保证焊接接头的质量母材 p103表4 14 24 3 采用大厚度低合金高强钢 我国采用HT50 HT80调质钢 满足恶劣环境的要求 Ceq 碳当量 低 Pcm 裂纹敏感系数 低 含C S P低 焊接材料 焊条 p105图4 6 采用低氢焊条 对埋弧焊和气保焊丝 焊剂 衬垫防受潮 预热 p106表4 4 焊接方法 埋弧焊 主管与齿条 手工焊 TIG和MIG焊 无CO2气保焊 焊接线能量 p106表4 5 控制层间温度 焊接接头 p107图4 7 相贯线数控自动气割机 焊接工艺规程的执行 每一道焊缝对应相应的WPS 由结构 部件 焊缝 WPS P108图4 8 相当装焊图表 p107表4 6 相当WPS 4生产工艺装备的选择下料 装焊 装焊联合机械 5检验外观检验p109图4 9力学性能 100 的无损探伤 1 射线探伤厚壁主管对接 需100 埋弧焊缝前后端10 手工焊前后端30 2 超声波探伤用于无法射线探伤的焊接接头 如齿条对接 支管对接 主管的纵缝 T字形接头 十字形接头 3 磁粉及渗透探伤用于检查焊缝表面缺陷 对铲根焊道 多层焊的中间焊层 表面覆盖焊层 6生产组织与技术管理 二 集装箱1结构与部件的划分 装配焊接顺序及各工序的要求结构组成 端壁 箱顶 侧壁等p109图4 10 部件装焊图 p110图4 11 总装焊图 p113图4 12 2保证焊接结构的几何尺寸保证零部件的加工精度减少焊接应力及变形3保证焊接接头的质量母材 薄板 采用数控剪切下料 焊接方法 电阻焊 细丝CO2气保焊 生产率高 变形小 焊前清理和油漆 抛丸清理 4生产工艺装备的选择巧用胎夹具 工装夹具和变位机械 5检验保证质量6生产组织与技术管理保证生产率 4 2典型焊接结构的生产工艺 一焊接结构的分类1梁及梁系结构2柱类结构3壳体结构4格架结构 桁架和网络钢架 5骨架结构 客车的棚架 汽车车厢 驾驶室等 6机器和仪器的焊接件 机架 机座 机身等 二梁柱型结构的制造工艺 装配工艺和焊接工艺 一 结构特点组成 p115图4 13 由翼缘板 腹板 水平及竖直加劲板及焊缝构成 二 制造要求尺寸 形状偏差小p116图4 14 三 工字型构件的制造工艺方案1翼缘板及腹板的拼接焊接方法 长焊缝用埋弧焊或CO2自动半自动气保焊 短焊缝用手工焊 焊接顺序 双面焊或单面焊双面成型 工艺装备 手工装配 p118图4 16 定位焊及夹具的配合 胎夹具 电磁夹紧器 p117图4 15 2装配 焊接工字型构件主体 翼缘板与腹板 焊接方法 埋弧焊 手工焊 焊接顺序 对称进行 工艺装备 手工装配 p118图4 17 采用斜楔 水平竖直撑杆 定位焊进行装配 工装夹具 p60图3 40 变位机械 p119图4 18防变形 p119图4 19 3加劲板的装配 焊接焊接方法 手工焊 埋弧焊 CO2气保焊 工艺装备 手工装配 工装夹具 p120图4 20 采用螺旋夹紧结构水平竖直装焊 焊接顺序 p120图4 21 四 H型构件的装配焊接流程图 p120图4 22装配焊接 拼接组装采用专用的装焊夹具 五 箱型梁的装配焊接装焊顺序 上翼缘板和加劲板 装配左右腹板 装配下翼缘板 三丙烯球罐制造工艺 一 概述1球罐的工作条件及结构特点结构简图 p122图4 23 由顶部平台 上下极顶 上下温带 中间平台 赤道带 柱脚 扶梯 拉杆等组成 主要技术数据 p121表4 7 2技术条件及其分析球罐的球片的备料尺寸精度要保证 焊接质量要保证 3球罐焊接生产中的问题 1 焊接裂纹拘束度大 扩散氢 焊条受潮 淬硬组织 2 装配错边和焊接角变形由备料和装焊工艺不合理引起 3 全位置焊带来的不便 二 工艺方案分析1备料成型保证零部件的尺寸精度 2组装方案 1 现场单片组装 适于大型球罐的制造 2 现场数片组装 适于中型球罐 3 工厂组装 适于小型球罐 3组装过程简介p124图4 24准备工作 1 对组装基准进行复验 2 对每块球板进行几何尺寸复验 3 球板厚度尺寸 质量进行检查 球板的现场组装顺序 1 上下温带 上下极顶在专用夹具进行本身的拼接 并检验 2 赤道板与立柱进行定位焊和焊接 3 有立柱的赤道板与无立柱的赤道板的定位焊和焊接 4 安装下温带板 5 安装上温带板 6 安装下极顶 7 安装上极顶 4组装施工要领 1 球板组装前 外形尺寸要复验 并划出工夹具固定处位置 2 球板用夹具定位 3 工夹具 加强 马 吊耳 定位焊的焊脚与焊缝长度有要求 4 工夹具的固定焊及定位焊需预热 5 球板组装有公差要求 5焊前准备及工装胎具焊前准备有 工装夹具准备 予热装置 焊条烘干 碳弧气刨 清理焊根 焊工培训 焊接试验 1 球罐的通用工夹具 p125表4 8 对装工夹具 三角脚手架 伞形脚手架 2 预热装置p127图4 25 3 碳弧气刨及清理焊根 4 焊工培训 5 焊接环境的要求 6焊接施工要领 1 坡口形式采用不对称的X型坡口 2 点固焊及定位焊焊脚 焊缝长度有要求 有正式的焊接工艺规程 3 焊接坡口的预热温度为80 150 4 点固焊及定位焊后 检查有无裂纹 5 球板拼缝 应设置引弧板 6 打底焊时 开始为单道 其余为多道 7 焊接方法及次序以对称均匀焊接为原则 可考虑多人同时焊接 8 引弧及收弧 9 碳弧气刨 10 焊接缺陷的修补 产品 碳弧气刨消除缺陷 正式的修补工艺进行合格补焊 检验 成品7检验 1 焊缝的外观检验 2 着色检查 3 磁粉探伤 4 超声波探伤 5 X光探伤 6 水压试验 7 气压试验 四锅炉气包的制造工艺 一 概述1主要规格p129图4 26由筒体 封头 下降管 管接头 内件构成 2技术要求材料19Mn5 尺寸 内压 工作温度 650 以上 P130表4 9 3锅炉气包生产中易出现的问题 1 锅炉气包的备料要求高 2 锅炉气包的装配要求高 3 由于壁厚大 对焊缝根部质量要求高 4 焊后要高温回火 应注意规范 电渣焊时正火处理 以减少应力变形 改善焊接组织及焊接性 二 锅炉气包制造工艺方案1封头的制造工艺主要有 成型切割封头边缘多于部分封头的机械加工工艺流程 p130 2筒节的制造工艺主要有 划线 板材 下料边缘加工 开坡口 滚园电渣焊筒节制造工艺流程 p131 3锅炉气包总装工艺 1 筒节纵向焊缝的装配焊接备料 要求高工艺装备 简易的夹具 型马 点固焊 定位焊 复杂的采用专用夹具 焊接滚轮架 焊接方法 电渣焊 也有采用手工焊加埋弧焊 矫形 焊完后用滚床进行矫形 2 筒节间的装配焊接边缘加工 工艺装备 简易的夹具 压板 螺栓 推撑器 型马 点固焊 定位焊 焊接滚轮架 焊接方法 手工焊和埋弧焊 3 封头与筒体的装配焊接工艺装备 小批量生产时 采用简易的夹具 型马 点固焊 定位焊 同时配合焊接滚轮架 起重机来进行 大批量生产时 采用专用的封头装配台 焊接方法 手工焊加埋弧焊 锅炉气包的总装焊工艺流程 p132 4锅炉气包的焊接焊接方法 手工焊 打底 埋弧焊 电渣焊 其中筒体纵缝采用电渣焊 焊后正火处理 筒体环缝的焊接采用内环缝为手工焊打底埋弧焊盖面 外环缝为埋弧焊 下降管采用手工焊 焊接工艺实例 p133表4 104 114 12 三 锅炉气包的热处理及检验热处理 第一次热处理是筒体焊接后的正火 矫园 第二次热处理是对整个气包 电弧焊时为回火 电渣焊时为正火 检验 外观检验超声波X射线水压试验 五船舶柴油机钢结构件制造工艺船舶柴油机钢结构件主要有机座 机架 扫气箱 排气管等 一 船舶柴油机钢结构件简介及基本特点焊接结构 采用B级钢板 p135图4 271结构件重量大 尺寸大 2结构件采用的钢板厚度大 3结构件形状复杂 焊缝位置复杂 4结构件的焊接工作量大 焊接变形难以控制 二 船舶柴油机钢结构件制造工艺方案1钢板预处理除锈 涂防锈漆 2钢板下料切割厚度大 采用数控切割机 厚度小 采用剪板机 3成型要求正火 轧制 4焊接材料要求焊条 焊丝 焊剂 衬垫的防潮 5装焊基本要求 采用分部件装配法 1 装配点固焊焊条与以后焊接的焊条一致 2 装配点固焊时 采用的焊接规范比以后焊接的焊接规范小 3 装配点固焊的点固距离均匀 焊缝长度一致 4 在胎夹具上点固焊时 点固焊缝处于水平或船形位置 5 装配点固焊时 起弧和收弧尽量不在母材上进行 6主要焊接工艺p135图4 27p136图4 28 1 装配点固焊 2 进行打底焊焊接顺序为 3 进行填充盖面焊焊接顺序同上 4 扣槽用砂轮磨出金属本色 5 封底焊 6 检查焊缝表面质量和尺寸 7 校正连接板和轴承座的平行距离 8 装弧形板和间隔板 9 焊弧形板的非坡口面焊缝 10 焊缝的打磨 11 预热后焊接开坡口焊缝 12 全面检查 第六章焊接结构车间的工艺平面布置 焊接结构车间由生产部门 辅助部门 行政管理部门及生活间组成 1生产部门包括备料加工工段 装配工段 焊接工段 检验试验工段和油漆包装工段等 2辅助生产部门车间金属材料仓库 零件仓库 半成品或中间仓库 焊接材料库或储存室 工夹胎量具室 备品及辅助材料库 修理间等 3行政管理部门及生活间车间办公室 技术科 会议室 资料室 更衣室 盥洗室 休息室等 车间工艺平面布置就是将上述各生产工段 作业线 辅助生产用房及生活间按作用和相互关系进行配置 6 1车间工艺平面布置 一车间工艺平面布置原则 1 合理布置各工段 使运输路线最短 2 对产生有害气体 噪音及有防火要求的工段 应布置在靠外墙一侧 并尽可能隔离 3 对主要部件的装配 焊接生产线的布置 应使部件到装配地点的路线最近 4 依生产方式 划分专业化的部门和工段 5 辅助部门布置在边跨内 二焊接结构车间布置方式P156图6 1 车间的方向 跨间的方向 起重机方向 生产线方向 1纵向生产线方向a车间带纵跨 产品生产线方向与车间长度同向 适于简单焊接结构的大批量生产 2混合向生产线方向bc车间带纵跨和横跨 生产线方向由纵横方向构成 适于复杂焊接结构的大批量生产 3纵向 横向生产线方向d车间带纵跨 在平行的跨间内 生产线纵向 横向布置装配工作固定 适于复杂部件的单件小批量生产 4波浪式生产方向e车间带纵跨 生产线方向呈波浪式 适于复杂焊接结构单件和成批生产5迂回生产线方向f车间带纵跨 适于简单产品的大量生产 工艺平面布置按区域划分1生产作业线与车间轴线平行p157图6 22生产作业线与车间轴线垂直p157图6 3小结车间标准平面布置的形式还有很多 车间平面布置是由焊接产品的特征和生产纲领决定的 6 2焊接结构车间的工艺设计 焊接结构车间的工艺设计的主要内容 1 确定焊接结构车间的工艺流程 从备料到成品 2 确定焊接结构车间的主要协作关系 工作人员 科技人员和行政人员 3 确定焊接结构车间的设备 4 确定焊接结构车间的面积和人员 5 编制焊接结构车间的工艺设备投资概算 6 提出焊接结构车间的土建 公用 环保要求 焊接结构车间的工艺设计可分为 方案设计 扩大初步设计 施工设计 一焊接结构车间的工艺设计必须具备的资料主要是各种图纸 工艺文件 技术要求1编制方案 或初步 设计时所需的资料 1 生产纲领 将要生产的产品清单和年产量 件或吨 年 2 产品的总图和主要部件的图纸 3 产品的零件图 4 制造 试验和验收的技术条件 5 设计车间和其他车间的关系 6 工厂的总平面草图若对现有的车间扩建或改建 还需的资料 1 原有车间设备及现状平面布置图 2 车间现有设备详细清单和使用年限 2编制扩大初步设计所需资料 1 已批准的方案设计 2 生产纲领中的产品总图及主要部件 零件的图纸 3 已批准的工厂总平面图若对现有的车间扩建或改建 还需的资料 1 原有的车间平面布置图 车间设备的详细清单3编制施工图所需资料 1 已批准的扩大初步设计 2 上级主管的修正更改意见 3 供修改车间的有关技术资料技术档案 二焊接结构车间工艺设计的一般方法1生产纲领的确定生产纲领的主要内容 1 产品名称 2 年产量 一般以重量计算 3 主要技术规格 4 发展远景 车间的发展规模 确定焊接结构车间生产纲领的方法 1 详细分析法图纸 装配 零件 每个零件分析 统计重量 年产量 2 概略分析法由图纸中产品的质量资料 统计 年产量 3 指标计算法同类产品比较 年产量 2劳动量的确定 1 劳动量某项工作的工作量 按工艺过程中某些生产条件规定的定额来计算 劳动量需要的人和设备越多 2 概略指标工时 t t 人 件 人 工时 件 3 计算方法根据工艺分析来计算利用类似产品的计算方法利用已批准的设计劳动量指标 3设备和工人的确定 劳动量确定以后 1 设备台数N S 1 N 2 生产工人人数P S 2S 工序的年劳动量 1 设备的年时基数 2 工人的年时基数N 每台设备的操作人数 1 8 385 52 7 D 1 K1 2 8 385 52 7 1 K2 C D 休假的天数K1 根据工作条件允许的时间损失率 K2 允许的因检查而不能使用的时间损失率 C 工作班次 3 辅助工人数包括 安装 调整 清洁 起重运输 仓库 修理等 可按生产工人的20 35 行政 技术及管理人员可按生产工人的7 10 4车间面积的确定 1 详细计算法 2 概略指标计算法面积的概略指标年产焊接结构的吨数 每平方米生产面积车间面积的计算车间生产面积 总吨数 面积的概略指标 5车间建筑物主要尺寸决定 1 起重高度的确定H1 h1 h2 h3 h4H1 最大的起重高度h1 平台高度h2 平台与焊件的间隙h3 部件的最大高度h4 部件与起重钩的间隙p162图6 5 2 车间高度和跨度的确定车间高度 H H1 hh 吊钩到起重机轨面高度p162图6 6跨度 B 2a 2b c d ea 柱中心到柱边的距离b 通道c 胎架d 通道e 平台 3 车间跨数及长度的确定中小型2跨 大型3跨长度60 120mP163表6 2 6焊接结构车间的动力资料 1 内容压缩空气 氧气 乙炔 二氧化碳 氩气 生产用水 蒸气 电力 2 实际情况每小时最大消耗量平均消耗量全年消耗量P163表6 36 46 56 6 三焊接结构车间工艺平面布置的注意事项P166表6 71使用吊车频繁的设备 不宜布置在跨间的同一横段面上2使用吊车频繁的设备 布置在吊车司机室的对面3尽量使零件或部件的送进方向与车间总的工艺流向一致4尽量将辅助部门布置在跨间未占用的地方 6 3焊接结构车间平面布置举例 一船体配件车间平面布置1设备的布置P167图6 7 2部门工段的布置 1 生产部门 冷作工段 薄板工段 机械加工工段 2 辅助部分 仓库 二锅炉车间平面布置1设备的布置P168图6 82部门 工段的布置平板车运送钢板进车间 16 校平 划线 加工成型 5 3 4 17 下料 10 焊接 13 第五章焊接结构生产的质量管理及劳动保护 5 1焊接生产的质量管理 一概述 一 保证焊接结构质量的含义 使用 工艺 确保 焊接接头的综合性能良好焊接结构的几何尺寸符合图纸要求焊接结构的使用性能到达要求焊接结构的制造的生产率高 经济效益好 二 影响焊接结构质量的主要因素 工艺文件的制定与执行 1母材及焊接材料的质量2焊接结构的设计合理性及施工工艺3工艺文件和检验制度4工人技术及管理 技术人员的水平 三 全面质量管理体系的含义建立质量体系主要考虑企业的目标 即满足企业与用户的需要 企业与用户的风险成本和利益 企业的目标使产品达到 1 满足规定的需要和用途 2 满足用户的期望 3 符合有关标准和技术规范 4 符合社会有关法令的要求 5 价廉物美 6 使企业获得良好的经济效益企业与用户的需要