液化气瓶焊接装置机械设计

洛阳理工学院课程设计说明书课程名称：设计课题：专 业：指导教师：班 级：姓 名：年 月 日课程设计任务书系 专业学生姓名 班级 学号课程名称：设计题目：课程设计内容与要求：指导教师设计（论文）开始日期设计（论文）完成日期课程设计评语系学生姓名 班级 学号课程名称：设计题目：课程设计篇幅：

第 页专业图 纸 张说明书 页指导教师评语：年 月 日 指导教师洛阳理工学院课程设计用纸目录前言 2第一章液化气瓶的分析 31.1、液化气瓶的使用背景 31.2、液化气瓶的结构及尺寸参数 31.3、液化气瓶的材料选择 4第二章 液化气瓶工艺分析 72.1、液化气瓶的成形工艺 72.2、确定焊缝位置 72.3、焊接接头形式 82.4、液化气瓶的焊接方法的选择 9第三章 液化气瓶焊接参数的选择 103.1、焊丝的选择 103.2、焊剂的选择 113.3、焊接电流、电压和焊接速度的选择 113.4、工艺参数的确定 143.4.1、焊接参数 153.4.2、装配间隙 153.4.3、筒体环缝埋弧焊焊丝的偏距 e 153.5、焊接设备的选择 16第四章 焊接工装的选择 174.1、工件夹紧装置 174.2、减速器及电机的选用 184.3、汽缸的选用 20总结 21参考文献 22第1页课程设计用纸前言焊接是通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使焊件达到原子结合的一种加工方法。焊接过程的实质是两块金属的冶金结合，焊接属于不可拆连接。焊接在制造业中具有十分重要的作用，广泛的运用于船体，炉壳，建筑构架，起重机械，锅炉，压力容器，运输车辆，家用电器等场合，焊接已普遍地取代了铆接。焊接和铸，锻工艺结合起来，解决了大型设备制造的困难。焊接还可用于铸，锻件缺陷的修补和机器零件磨损的修复。液化气瓶的焊接装置课程设计是焊接专业课程学习中的一个重要环节，是焊接工艺设计、生产设计、焊接夹具设计及焊接辅助机构设计的综合学习课程。本设计通过液化气瓶焊接的工艺设计，熟悉焊接方法的选择，焊接材料选择，焊接工艺要求等。第2页课程设计用纸第一章 液化气瓶的分析1.1、液化气瓶的使用背景液化气是目前家庭里最常用的能源， 它是一种清洁的和产热量高的新型能源，不管城市或农村大都采用罐装的液化气， 但它是一种易燃易爆的气体，因此对于液化气的贮存也必须通过生产专门的罐体来保证它的使用安全。液化气瓶是一种常温下使用的低压容器，它的特点是密封性能必须好，同时还要保证能够承受一定的压力，同时还要适应一定的温度变化。1.2、液化气瓶的结构及尺寸参数图1.1液化气瓶的结构第3页课程设计用纸液化气瓶的结构如图 1.1所示，主要包括护罩、瓶阀、瓶耳、阀座、衬圈和底座组成。其中液化气瓶的主体部分是由上下瓶体组成， 上下部分之间是通过焊接完成装配的。本课程设计所要完成的液化气瓶的参数：直径：350mm高度：600mm厚度：6mm内部压强：1.5Mpa1.3、液化气瓶的材料选择根据设计任务要求：液化气瓶承载压力为 1.5MPa，厚度为6mm。1、焊接性要求 液化气瓶在生产制造过程中涉及大量的焊接工作，因此对于材料的焊接性能要求较高。材料中的碳、硫、磷等元素都是严重影响材料焊接性的成分，尤其是硫磷元素是十分有害的， 在焊缝中容易诱发裂纹。因此，在保证材料强度的情况下，尽量减少碳、硫、磷的含量。2、强度要求 钢材的强度一般是由拉伸试验来测定的，故通常称抗拉强度。随着工业的发展，对液化气瓶的工作压力要求越来越高，如果还用强度较低的钢材制造，就必须增加钢板的厚度，这不仅给加工带来不便，同时还会浪费资源。为解决这一矛盾，就需使用高强度的钢材，这也是一种发展趋势。3）、塑性要求 乙炔瓶的加工过程中涉及冲压、弯曲，这都要求钢材具有良好的塑性。按现行压力容器用钢标准规定， 用于制造压力容器用钢的最低伸长率不得小于 17%。第4页课程设计用纸4）、冲击韧度要求 从材料角度来讲，钢材的缺口冲击韧度越高，结构的抗脆断的能力越强。为确保压力容器的安全使用， 对压力容器用钢的冲击韧度提出了较高的要求。《压力容器用钢板》标准规定，乙炔气瓶用钢板的常温下V形缺口冲击吸收功不得小于 34J。压力容器用钢的常温力学性能如表 1.1：表1.1压力容器用钢的常温力学性能抗拉强度屈服强度钢号标准号使用状态厚度范围b/MPas/MPaQ235AGB912-1989热轧4.5~1637523516MnRGB6654-1996热轧或正火6~16510345液化气瓶属于一种常温下的压力容器，其主体材料应符合GB5842-1996和GB6653-94标准的要求。由于液化气瓶是一种受压容器，对钢材的机械性能和化学成份有较高的要求，液化气瓶制造过程中上、 下封头要进行冲压成型，上、下封头之间用焊接方式进行连接，因此，对于液化气瓶的主体（指筒体、封头等受压元件）材料，必须采用平炉、电炉或吹氧转炉冶炼的镇静钢，要求具有良好的冲压和焊接性能， 主体材料应符合GB6653-94《焊接气瓶用钢板》的规定，同时，还要符合GB5842-1996《液化石油气钢瓶》对主体材料化学成份的规定。由于16MnR钢比Q235具有良好的抗拉强度和屈服强度，同 16MnR钢在热轧或正火的热处理下，其厚度在 6mm~25mm之间的最低冲击试验温度为-20℃，16MnR的材料性能符合家庭常用液化气瓶的使用环境，故液化气瓶的材料选用 16MnR。第5页课程设计用纸16MnR钢的化学成分如表 1.2表1.216MnR钢的化学成分钢号 化学成分（%）C Si Mn S P16MnR ＜0．20 0．20~0．55 1．2~1。60 0．030 0．03516MnR钢的机械性能如表 1.3表1.3 16MnR钢的机械性能钢号 机械性能Sb(10Mpa) Ss(10Mpa) Ss(10Mpa)% Akv(20摄氏度)16MnR510~6403452131第6页课程设计用纸第二章 液化气瓶工艺分析2.1、液化气瓶的成形工艺液化气瓶的材料是6mm的中厚板经过卷制形成的上下瓶体两部分组成，上下瓶体通过对接后，采用焊接完成了整个瓶体的制造。液化气瓶的封头可根据不同的直径、厚度与材料，将预先割好的圆形钢板坯料，在液压机或旋压机上以冷成形或热成形方法制成所需形状的封头。其中液化气瓶上下两部分对接形成的环焊缝是整个制造过程中最重要的环节，也是整个液化气瓶焊接自动化生产所要解决的重要问题。液化气瓶的冲压及装焊等工艺过程依次为：落料——拉深——再结晶退火——冲孔——除锈——装焊衬环，瓶嘴——装配上下封头——除锈——焊接主环缝——正火——水压试验——气密试验。瓶体上下封头拉伸成形后，由于开口端变形大，冷变形强化严重，加上板材纤维组织的影响，在残余应力作用下很容易发生裂纹。 为防止裂纹的产生，拉伸后应立即进行再结晶退火工艺。同时，为减少焊缝气孔和夹渣等焊接缺陷，焊接接缝附近必须严格清除氧化皮，铁锈及油污等，尤其对承受内压力为1.6~10Mpa的中压容器要求更为严格。为去除焊接残余应力，并改善焊接接头的组织与性能，这类瓶体焊后应立即进行热处理，至少要进行去应力退火。2.2、确定焊缝位置第7页课程设计用纸液化气瓶的焊缝有两种方案可供选择：在图2.1的a方案中，将筒体布置成两条环形焊缝和一条轴向直焊缝且均为对接焊缝。在此方案上下封头拉深变形较小，容易成形，但焊缝多，焊接工作量大，且轴向焊缝处于拉应力最高位置，则瓶体受到破坏的可能性很大。图2-2在图2.1的b方案中，则仅在中部设有一条环缝，由于径向拉应力一般为轴向拉应力的2倍，若去掉了轴向拉应力则完全可避免方案a）的缺点，因此对这种瓶体尺寸不大的焊接件，可优先选用方案b）的焊缝位置比较合理。2.3、焊接接头形式液化气瓶的制造其实也很简单，它通常有两个带直边的模压封头组成，中间有一条环缝，它批量大，又有一定的技术要求，目前绝大数的环缝是内部加衬垫后用埋弧自动焊完成的。中厚板I型坡口埋弧焊是一种优秀的焊接新工艺、新方法，无坡口对接熔透焊，节约焊材、省工时、提高劳动效率、增加经济效益、工艺操作第8页课程设计用纸简单。型坡口焊接既要保证焊透，又不要让焊缝余高超高和得到良好的焊缝外观，因此，I型坡口对接熔透焊工艺参数在选择和确定上进行优化。常见的I型坡口钢板对接，厚度在 14mm以下，经过现场实际摸索和优化工艺，中厚板钢板对接坡口均可设置成 I型即无坡口熔透焊，既节省了该类中厚钢板对接坡口加工时间，节省焊材、加快生产时间，又能保证对接质量。图2.2I型坡口由于液化气瓶的瓶体材料是 6mm的中厚板，所以可以采用 I型坡口对其进行焊接。在焊接过程中为了防止烧穿、 保证接头根部焊透和焊缝背面成形，沿接头背面预置同种材料衬垫或铜衬垫。 接口形式如图2.2所示。2.4、液化气瓶的焊接方法的选择目前在生产中常用的焊接方法有焊条电弧焊、埋弧焊、电渣焊、CO2气体保护焊、钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊等。焊接方法的选择主要是依据焊件材料、焊件厚度、焊缝厚度及坡口形式等因素来确定，此外还要考虑生产效率及经济性。在气瓶的焊接生产中属于大量生产， 因此对效率的要求较高，埋弧自第9页课程设计用纸动焊至今仍然是工业生产中最常用的一种焊接方法。适于批量较大，较厚较长的直线及较大直径的环形焊缝的焊接。根据所选选的接口形式，可以采用埋弧自动焊进行焊接。埋弧自动焊的主要优点是：1）生产率高埋弧焊的焊丝伸出长度（从导电嘴末端到电弧端部的焊丝长度）远较手工电弧焊的焊条短，一般在50mm左右，而且是光焊丝，不会因提高电流而造成焊条药皮发红问题，即可使用较大的电流（比手工焊大5－10倍），因此，熔深大，生产率较高。对于20mm以下的对接焊可以不开坡口，不留间隙，这就减少了填充金属的数量。2）焊缝质量高对焊接熔池保护较完善，焊缝金属中杂质较少，只要焊接工艺选择恰当，较易获得稳定高质量的焊缝。3）劳动条件好除了减轻手工操作的劳动强度外，电弧弧光埋在焊剂层下，没有弧光辐射，劳动条件较好。采用埋弧自动焊的目的是为了保证焊缝质量的稳定，因为液化气瓶是一种批量生产的产品，只有埋弧自动焊才能保持焊缝质量的持续稳定。第三章 液化气瓶焊接参数的选择3.1、焊丝的选择随着焊丝直径的减小，电流密度则增加，母材的熔深增大，成形系数提高，因此生产效率也将随之提高。由于增加了熔深，因此可以降低对母材的开槽要求，这样不但可以节省人工和焊丝消耗量，同时，还可节省电能和减小工件变形。焊丝直径与电流密度，熔深的关系见表 3.1：表3.1 焊丝直径与电流密度，熔深的关系第10页课程设计用纸焊丝直径电流与电流密熔透深度（mm）度345681012焊接电流（A）4505005506007258259254.8电流密度23262831374247（A/mm2）表3.2焊丝直径与电流电压的关系焊丝直径（mm）<2.43.24.04.86.4电流范围（A）<400300~500350~800500~1100700~1300电压范围（V）25~2725~3027~3229~4029~40根据表3.2中电弧电压要与焊接电流相匹配，所以采用φ4.8mm焊丝进行焊接。3.2、焊剂的选择目前常用的焊剂有熔炼型焊剂和烧结型焊剂二类， 由于前者的熔点低于后者，因此在相同焊接规范参数下，前者的熔深也低于后者。由于烧结型焊剂的熔点高，因此焊剂的消耗量应相应的减少， 焊缝成型和脱渣性比熔炼焊剂要好，但烧结型焊剂的吸潮性比较强， 所以在使用过程中应严格执行焊剂烘培制度。此外，焊剂的颗粒度越细，焊件的熔透深度也相应增加。对于直边对接接头，由于焊缝母材的混合比较高，可选用含金量较低的H08MnA焊丝，配HJ431焊剂或SJ201烧结焊剂。3.3、焊接电流、电压和焊接速度的选择第11页课程设计用纸图3.1 焊接电流与熔深的关系（ φ4.8mm）焊接电流是决定熔深的主要参数，一般情况下，电流越大，熔深越深。随着电流的增加，由于电弧潜入熔池的深度增加，使电弧缩短，电弧摆动能力减弱，因此，这时熔宽增加不明显，若继续增加电流，电弧产生的热量大，焊丝熔化量增加，这时，熔深反倒不再增加。当焊接电流较高时，由于熔深增大，熔宽变化不大，这时焊缝截面的形状系数变小，这样的焊缝结晶方向不利于气体和杂质上浮逸出，容易产生气孔、夹渣和裂纹，为了改善这一情况，在增加焊接电流的同时，还必须相应的提高电弧电压，以利于得到较为合适的焊缝形状。焊接电流与熔深的关系如图3.1所示。电流小，熔深浅，余高和宽度不足；电流过大，熔深大，余高过大，易产生高温裂纹。当采用直流电源时，由于电弧较为稳定，电弧对母材的加热较为集中，因此，其熔深在采用相同电流值的情况下比交流电源要深，另外，在直流第12页课程设计用纸电源时采用反极性（工件接负）接法要比正极性接法要深，它与手工电弧焊时相反。随着电弧电压的增加，焊缝的宽度将明显增加， 而熔深和余高则有所下降。电弧电压的增加，实际上就是电弧长度的增加，这样母材加热面积增加，从而焊缝的熔宽也增加。当电弧拉长后，焊剂的熔化量也会相应的增加，而焊缝余高和熔深反而会有所减小，因此，单一的过份增加电弧电压，容易造成未焊透，焊播粗糙，脱渣困难，严重时还会造成焊缝咬边。电弧电压与焊接电流的配合关系可参考下表 3.3：表3.3 电弧电压与焊接电流的配合关系焊接电流（A）600-700700-850850-10001000-1200电弧电压（V）36-3838-4040-4242-44根据焊丝的选择，电流与电压的配合关系，电流选为 850~1000A，电压选为40~42V。增加焊接速度时，焊缝的线能量将减小，焊缝宽度明显变窄，而余高则稍有增加。当焊接速度过快时（如每小时超过 40米左右），由于电弧对母材加热时间缩短，故熔深会逐渐减小。不适当的提高焊接速度，有发生母材未焊透和边缘未熔合的危险，但适当的提高焊接速度， 对减小焊接变形是有利的。第13页课程设计用纸图3.2焊接速度对焊缝形成的影响焊接速度过小，熔化金属量多，焊缝成形差：焊接速度较大时，熔化金属量不足，容易产生咬边。实际焊接时，为了提高生产率，在增加焊接速度的同时必须加大电弧功率，才能保证焊缝质量薄板对接单面焊双面成形埋弧焊工艺参数如表 3.4表3.4 薄板对接单面焊双面成形埋弧焊工艺参数焊件厚度/mm6接缝装配间隙/mm2~3焊丝直径/mm4焊接电流/A600~650电弧电压/V28~30焊接速度/（m/h）38~40焊剂垫压强/KMPa803.4、工艺参数的确定第14页课程设计用纸3.4.1、焊接参数焊接电流：600~650A焊接电压：30V焊接速度：40m/h焊丝：φ4.8mmH08MnA焊剂：HJ431焊剂3.4.2、装配间隙组对间隙和接口错变量是影响 I型坡口对接焊质量好坏的重要因素，可以通过严控，减少误差，控制好组对质量。组对间隙根据焊死直径来确定，本设计中采用 4.8的焊丝，则组对间隙在 2~3mm之间，I型坡口组对间隙可以比一般组对间隙大些，因为加大组对间隙， 在焊接线能量不变的情况下，有利于保证焊缝焊透和焊后余高不超标。 I型坡口组对错边量要求严格，最大错边量不能超过 2.5mm，因为I型坡口焊接增大了母材的熔合比，使焊缝的余高偏大，容易引起焊后余高超差。3.4.3、筒体环缝埋弧焊焊丝的偏距 e表3.3筒体直径与偏离距离的关系筒体直径219-426800-1000<1500<2000<3000偏离距离10-2015-25303540由于筒体的直径为350mm，所以选用的偏距为15mm，焊丝与工件的位置关系如图3.3所示。第15页课程设计用纸图3.33.5、焊接设备的选择国产部分通用埋弧焊机技术数据型号MZ—400MZ1—1000结构特点焊车式焊车式送丝方式等速等速焊接电流直流交、直两用送丝速度调节方法晶闸管调速换齿轮送丝速度/mh-1100—45052—403焊接电流/A80~480直流200焊丝直径/mm1.6,2.01.6~5焊接速度/mh-115~7516~126第16页课程设计用纸配用电源ZX—400BX2—1000ZX—1000电源电压/V380380频率/Hz5050额定电流/A4001000额定负载持续率%60空载电压/V80工作电压/V20~4044焊车重量/kg6045控制箱/kg3165焊车尺寸/mm500600800716346540控制箱/mm304370550600450602薄板，对接、搭接、对接、搭接，船形焊缝，用途角接焊缝、筒体环缝容器的环缝和直缝和纵缝根据以上的分析和焊接参数的确定，决定选用MZ1—1000埋弧自动焊设备。第四章 焊接工装的选择4.1、工件夹紧装置本设计是关于液化气瓶瓶体的自动化焊接技术， 液化气瓶是圆形的瓶体，对于定位采用三爪卡盘进行定位。三爪卡盘具有自动定心的功能，在进行两部分对接时，能够保证所要对接的工件能够自动对准，不须手动操作，尤其在自动化生产中应用广泛。由于液化气瓶是通过两部分完成焊接的， 所以一定要保证瓶体的两部分的轴线在同一条水平线上，这样才能保证焊接时， 瓶体的对接接头能够完全对准，保证整个焊接的质量。如图4.1所示为三爪卡盘的结构图。第17页课程设计用纸图4.1三爪卡盘4.2、减速器及电机的选用根据液化气瓶的焊接装置的传动方案： 首先通过电机的传动传给减速器，再由减速器传给主轴上的带轮，由带轮带动整个焊接支架的转动。传动方案如图4.2所示。图4.2传动方案第18页课程设计用纸表4.1电动机型号额定功同步转满载转方案型号率速速重量价格/kw/r/min/r/min1Y160M1-4750720重高82Y132M1-41000960中中63Y112M-4415001440轻低通过表4.1的对比，考虑电动机和传动装置的尺寸重量及成本，可见第二种方案较合理，因此选择型号为：Y132M1-6D的电动机。通过对液化气瓶的焊接工艺的确定，其所选焊接速度设定为40m/h，即即0.11m/s。由v=r=0.63rad/s（2-1）又有v=n12rn2=0.61r/min传动比i=n1n2i=2459由于计算出的传动比较大，确定采用涡轮蜗杆二级减速器。蜗轮蜗杆减速机是一种动力传达机构，利用齿轮的速度转换器，将电机（马达）的回转数减速到所要的回转数，并得到较大转矩的机构。在目前用于传递动力与运动的机构中，减速机的应用范围相当广泛。由于本设计中的液化气瓶的回转需要相当大的转矩， 所以采用二级涡第19页课程设计用纸轮蜗杆减速器。涡轮蜗杆减速器的具体设计计算这里将不详细介绍。4.3、汽缸的选用本设计在液化气瓶焊接前需要将液化气瓶上下两部分对齐并且保证一定的夹紧力，气压传动具有传动动作迅速、放应快，操作控制方便，压缩空气来自大气，用后直接排入大气，不需要回收装置，并且成本低，不需要经常维修，同时对环境的适应能力强。 所以选用气压传动对焊接工件进行夹紧。汽缸是将压缩空气的压力能转化为直线往复运动形式的机械能的装置。在气压传动系统中，它是执行元件，用来带动加紧机构、定位机构和分度装置。图4.3活塞气缸根据本设计中的设计要求，选用单作用活塞式气缸。第20页课程设计用纸总结通过该课程设计我不仅加深对焊接专业课理论学习的理解，而且可以更好地巩固和了解焊接结构件生产应力和变形的产生及预防的方法，同时学习焊接夹具及焊接辅助机构设计的基本方法，学会机械制图在机构设计中应用的基本技能。通过本课程设计主要锻炼了确定焊接工艺方案及独立思考的能力，掌握焊接辅助设备设计的基本要求和方法，进一步掌握机械设计中尺