焊接加工中的先進加工工藝（焊接生產的材料加工工藝及裝配）

2023-05-07 23:14:19

焊接生產過程可以歸結為焊接生產由製造焊接結構的材料(包括基本金屬材料和各種輔助、填充材料，外購毛坯和零件等)經設備(材料準備設備、裝配焊接設備等)加工製成產品的過程。這個過程的主體是參加生產的工作人員，包括直接(基本生產工人、輔助工人、工程技術人員)和非直接(管理人員、服務人員)生產人員、檢驗人員。當然還需要開動機器的能源(即動力)和一定的生產空間(即生產的車間場地)才能進行這個生產過程。所以說焊接生產是由材料、設備、場地、動力和工作人員所組成的，它們就是焊接生產的組成部分。

今天小編就跟大家一起學習焊接生產的材料加工工藝及裝配、焊接工藝。

1.材料加工工藝

包括鋼材預處理在內的焊接生產的材料加工指裝配焊接前的準備、加工，這是指對絕大多數焊接結構的基本材料—金屬軋材的一系列加工，如包括矯正(校直)、清理、表面防護處理、預落料等的鋼材預處理;劃線(號料)、切割(下料)、邊緣加工、成形(包括彎曲)及焊前的坡口整理等。它約佔全部加工工作量的25 %~60 %。如果材料的加工工藝不良，即毛坯質量差，或是尺寸誤差大，缺乏互換性，或是坡口加工不合適，或是零件不規矩、有變形等，這都使裝配困難，焊接質量下降，有時根本不能裝配，需要修整，從而大大降低了生產效率。採用機械化和自動化裝配焊接技術，則要求更加嚴格，否則將產生焊接缺陷，故為獲得穩定的焊接生產過程，保證優良的產品質量，制定合理的材料加工工藝是很重要的。下面分述幾種主要的材料加工工藝：

(1)鋼材的預處理

1)矯正：由於運輸、儲存及軋制、冷卻等環節使軋制鋼材發生波浪、整體彎曲、局部凸起、邊緣折彎等不希望有的變形，還有些軋材，如5mm厚或更小厚度的鋼材是成卷供貨的，在投人焊接生產前必須展平矯正，否則將影響劃線、號料、切割等工序的精確度。材料加工過程(如熱切割)中產生的變形也需要矯正，這種矯正稱為第二次矯正。據統計10%~100%的鋼板和扁鋼(依厚度不同而有差別)，10%~20%的型材需要矯正。矯正通常在冷態下進行。冷矯正(彎曲)過大，會使材料變脆，故為限制過大的塑性變形，對冷矯正和冷彎曲作出了限制，表5 -15所示是國家標準「鋼結構工程施工質量驗收規範」( GB 50205-2001)所作的規定，按此規定矯正的相對變形量不大於1%。為防止低溫下冷矯正(和冷彎曲)鋼材發生脆性斷裂，規範規定碳素結構鋼在-16℃、低合金結構鋼在-12℃以下的環境溫度下，不得冷矯和冷彎。超過表5-15規定範圍矯正和彎曲需進行加熱，加熱一般不得超過900℃。加工或施焊過的毛坯進行二次矯形時應限制焊縫餘高，或去除餘高，目的也是防止接頭區過大的塑性變形。現代焊接生產中多使用工具機進行矯正，極少用手工矯正。使用鋼板矯正機可矯正鋼材厚度0. 5~50mm，它是利用多輥反覆輾壓的原理達到校正目的的。小的和中等截面的型材也可用多輥型材矯正機矯正，但工字鋼、槽鋼及大截面型鋼則要用型鋼調直壓力機進行矯正。在一些情況下，特別是鋼材二次矯正或焊件的矯形還常常使用火焰矯正，其原理是利用氣焊或氣割的焊、割矩或專用的火焰矯正加熱槍，加熱被矯正鋼材或焊件的變形部位，如纖維伸長變形部位，使之產生壓縮塑性變形，然後令其迅速冷卻，伸長纖維縮短了，從而消除了變形。

矯正後的鋼材表面，不應有明顯的凹面或損傷，劃痕深度不得大於0. 5 mm，且不應大於該鋼材厚度負允許偏差的1/2。鋼材矯正後的允許偏差也即轉人下一步工序前鋼材允許變形值，見表5 -16。

2)表面清理和表面防護處理:清除鋼材和零件表面的鏽、油汙和氧化物等是焊接生產中常被忽視的一道工序。這樣做的結果可能破壞正常的生產，如使數控切割的連續進行受阻；採用高效的焊接方法困難，甚至不能進行，如埋弧焊、窄間隙焊、電阻點焊和縫焊等。清理的方法主要有兩類：機械法和化學法。前者包括噴砂或噴丸、手動風(電)砂輪或鋼絲刷或砂布打磨、刮光或拋光等。後者即用溶劑進行清理，有較高效率，質量均勻且穩定，但成本較高，並可能對環境造成汙染(如對廢液和空氣的處理不達標的話)，常用的方法是在稀硫酸(質量分數為2%~4%)槽浸泡，再到石灰液(質量分數為1%~2%)槽中中和，後進行乾燥。

表面清理後如果沒有及時投產，還會繼續生鏽。表面防護處理是在完成矯正和清理後的鋼材表面噴塗底漆(可導電的)並烘乾的工序。我國在造船、重機、鍋爐和工程機械等行業中已經建設了20多條包括矯平、噴丸除鏽、40℃預熱、酸洗磷化、噴塗底漆和烘乾(60 ℃ )等工序在內的由專用設備組成的鋼材預處理生產線。

(2)放樣、劃線與號料該工序用以檢查設計圖樣的正確性，確定零件的毛坯下料尺寸，以及制樣板等。將設計結構按1:1比例繪製出來(放大樣)即稱為放樣。放樣是精確、細緻、技藝較高的工作，對以後加工有很大影響。一般放樣在放樣間進行，為提高放樣效率和質量，現代焊接生產中採用光學放樣和計算機放樣。

將待加工零件或毛坯劃在金屬材料上，以便切割或裝配，此工序稱為劃線，而用樣板劃線則稱為號料。劃線和號料都在專用的平臺上進行，劃線平臺應在起重機活動範圍內。當採用仿形樣板下料或是採用數控切割機下料時，可不預先進行劃線和號料。

(3)切割焊接生產被稱為金屬裁縫，所以各種金屬材料的切割下料是重要的工步。緒論中已經介紹了焊接生產中下料工藝的重大進步，主要指機械化和自動化的熱切割工藝，加上熱切割本身的進步，原先那種認為熱切割生產效率低，切口質量差的概念發生了根本的改變。有的工廠厚6mm以上的全部或大部分鋼材都採用機械化和自動化(數控)的熱切割工藝下料，並且省去劃線、號料工步，使切割質量大大提高，許多產品的邊緣是機械化熱切割的產物，切口光滑，零件尺寸正確，使產品質量大為提高。

另一類切割為剪切切割，這類切割相對於大量的手工熱切割來講稱為機械切割。它通常是在常溫下進行切割，常用剪床(龍門剪床)、圓盤剪、衝床、聯合衝剪機等設備。它的動作和家用剪刀類似，在上、下刀之間的切口處，金屬發生擠壓、彎曲、剪切而分離，這種切口會發生冷作硬化，被切開的金屬發生整體的扭曲塑性變形。大多剪切設備只能切割直線，極少的剪床可切出坡口。最大切割厚度對於龍門剪床不大於40mm，而切非直線切口的圓盤剪，則可切割的最大厚度為20~25 mm。對於型材，除可用聯合衝剪機進行剪切外，還有使用圓盤無齒鋸、工具鋼帶鋸床或接觸電弧火花鋸加工的。採用上述剪切、鋸切下料，由於設備多是固定的，常常配有單獨的起重運輸設備和輥道，並在車間的起重設備工作範圍之內。即使如此，工人的勞動強度仍較大。

(4)彎曲及成形焊接結構的製造中彎曲及成形工作佔有很大比重，某些結構的金屬材料80%~90%需經過彎曲及成形加工。例如長輸管道結構、鍋爐、壓力容器、球形容器及其他化工石油設備都屬於這一類結構。絕大多數彎曲及部分成形加工是在冷態下進行的，目的是為防止變形過大而引起冷作硬化，材料力學性能下降，故規範規定了冷彎的最小曲率半徑和最大彎曲矢高，見表5 -15。超過此範圍可採用加熱至900~1000℃的熱成形和彎曲(卷板)，在溫度降至7000℃（碳鋼）和800℃(低合金結構鋼)之前應結束這種加工，並使工件自然冷卻。同矯形一樣規定了冬天加工的最低溫度。目前彎曲加工仍採用輥式彎板機，又稱為卷板機、輥床。彎板機常用三輥形式，也有採用四輥的彎板機。現代彎板機(如PSIO)可冷卷鋼板最大厚度為190mm，熱卷板厚可達380mm，板長達3. 6m，是一種下輥可作水平移動的三輥彎板機，主要用於卷制核反應堆厚壁壓力容器。國內製造和使用的卷板機，冷卷鋼板的厚度也都在60mm以上，長度分為1. 5~2m, 2. 5~3m, 8~13m等多種系列。三輥彎板機卷圓時鋼板頭上有一長為α的直邊，如圖5 -21 b所示，稱為剩餘直邊。改善辦法如圖5 -21 c所示，利用厚板製成的模子進行預彎(預彎亦可在壓力機上利用模子壓製出來)；也可用四輥彎板機彎曲，如圖5-21d、e所示；也可以先彎成帶α直邊的圓筒毛坯，焊完縱焊縫(不焊滿)後，再套入輥床予以校正。圖5-21f是兩下輥可水平移動(或上輥作水平移動—相對兩下輥水平移動)的三輥卷板機進行消除剩餘直邊的卷圓工藝的情形。板厚小於6mm的薄板，利用下輥帶有聚氨醋制彈性外套的兩輥卷板機也可完成沒有剩餘直邊的卷圓(圖5-21h) 。

實際上各種預彎方法都仍存有一些直邊，只要是在卷圓圓度誤差範圍內，即容許，如板厚為δ，各種方法的剩餘直邊見表5 -17。

為防止卷圓時產生扭斜，卷圓開始時工件送進務必對中，對中使得工件的母線與輥子的軸線平行。三輥卷板機設有保證工件對中的擋板，也可用傾斜進料方法，讓一個下輥起對中的擋板作用；四輥卷板時，可將一側輥上升當作擋板。

卷圓工藝分一次進給和多次進給。取決於工藝限制條件和設備限制條件，即冷卷時不得超過允許的最大變形率和板、輥之間不打滑，不得超過輥子的允許應力與設備的最大功率。一次進給不能滿足則可多次進給完成卷圓。卷板機設備說明書給出的最小彎曲半徑係指一次進給卷制機器規定的名義規格板材時的最小彎曲半徑，多次進給時最小彎曲半徑可以接近上輥半徑。卷圓進給次數越少，效率越高，而圓度誤差相對大一些。卷圓時總是在工藝、設備條件和圓度誤差允許範圍內以最少、或一次進給完成卷圓，以求達到最高的生產率。

考慮到冷卷時鋼材的回彈，卷圓時必須施加一定的過卷量，即使回彈後工件的直徑為加工圖要求的工件直徑。故滾卷時應用回彈前工件直徑決定各工藝參數。回彈前筒體半徑R'依據加工件半徑R(中徑之半)、截面形狀係數K1、鋼材相對強化係數k0、板材厚度δ、鋼材屈服限σs和彈性模量E，參考以下公式計算。

式中m——決定於R，δ的常量，。

其他符號如前所述；K1——對於常進行卷板的矩形截面可取為1.5；鋼材相對強化係數k}對於Q235-A可取11. 6；如Q345 (16Mn)可取14； 18MnMoNiR可取為17. 6等；而屈服極限σs。分別可取為240MPa, 350MPa和520 MPa等，而E取為2. 1 x 105MPa。則可利用上式根據圖樣要求的卷制筒體內徑D、板厚δ計算出回彈前筒體內徑d：

已知回彈前的筒體半徑R'，利用幾何關係可以求得對稱和不對稱的三輥卷板、四輥卷板時的幾何參數。例如在對稱三輥和四輥卷板時，已知下輥中心距、筒體壁厚、上下輥半徑以及彈前的筒體半徑為R'，則可確定滾卷時上下輥中心的合適距離。在不對稱三輥卷板時，可確定滾卷時上輥左位置角與上輥相對位置角，上輥偏離兩下輥中心距，上輥從最高位下壓的距離，如圖5 -21f中α、β、x和y等卷板參數。

不對稱三輥卷板機上下輥之間最大距離設為H(這可查設備參數獲得)，上下輥的直徑分別為Da、Db，則可計算出上輥壓緊工件的下移量y1：

因為不對稱卷板，上輥將偏於一側(如5 -21f中的中圖)，將上輥施力線和筒體中心與偏離側下輥中心之連線的夾角a稱為左位置角，筒體垂直中心線也即兩下輥的中心線和筒體中心與另側下輥中心連線的夾角刀稱為相對位置角，則可得:

式中B——剩餘直邊(即前設為α），在三輥不對稱卷制條件下，B大大減小，B = kδ，此處

k為剩餘直邊係數，最小可取為1.5，δ為板厚；

l—為兩下輥中心距(見圖5-21f)，其餘符號同前。

如用H'表示捲成回彈前筒體中心與兩下輥中心距，則有：

相對此中心，在不對稱卷板時，上輥垂直位置和水平位置y和x可由下式計算:

當計算結果y為正，表示捲成回彈前筒體中心向上；二為正，表示捲成回彈前筒體中心向右，有了這些參數，即可進行三輥不對稱卷板。如果將其編程，則可供數控三輥卷板機進行數控自動卷板。

當需要熱卷時，如前所述正確控制卷制的溫度。加熱爐應布置在卷板機附近，這一距離在6~10m左右，視加工工件和設備的尺寸確定。熱卷沒有回彈，因此不用過卷。對於不允許冷卷的薄板，若用熱卷則因剛性太差，吊運困難，則可以採用溫卷，所謂溫卷，即加熱溫度在金屬再結晶溫度以下、藍脆溫度以上。

彎曲成形的零件採用弧形樣板檢查。當零件弦長小於或等於1500mm時，樣板弦長不應小於零件弦長的2/3；弦長大於1500mm時，樣板弦長不應小於1500mm。成形部位與樣板的間隙不得大於2. 0mm除技術要求有單獨規定外，捲曲筒體尺寸允差可參考表5 -18。

三輥卷板機上輥中心線與下輥中心線構成一角度時，則可加工圓錐形工件。此時，由於工件受到較大的軸向力，要進行打滑的驗算，三輥卷板機都規定了本機可卷制的錐體最大錐頂角，圖5 -21g為彎制錐形筒的情形。

複雜曲面形狀的成形一般在壓力機上利用模子壓出來，如封頭、球罐的球瓣、翻邊的錐體、翻孔的筒體、翻邊的管接頭、彎頭瓣等，如圖5 -22所示。這種加工多需加熱，但也可用冷壓。焊接車間的壓力機與鍛造車間的壓力機不同，前者尺寸大。口前封頭還採用旋壓方式加工，效率和質量都較好。特大或形狀特別、加工數量小(或單件)的工件也可用爆炸方法成形。大批大量或薄板成形(如汽車)利用衝壓機加工，特點是效率高，外形尺寸十分精確，成本低，有較高的技術經濟指標。一些大型結構的平板構件，如貨櫃、火車車箱、輪船的艙壁、化工石油設備中的板式換熱器等。採用的衝壓起稜板(波紋板，圖5 -22)也是在大型衝壓機上衝壓成形的。

焊接結構中還時常遇到開孔，一種是栓焊結構(或鉚焊結構)的螺栓(鉚釘)孔，它大多採用鑽床，也有用衝孔法完成的。另一種是鍋爐和壓力容器中的管孔、手孔、人孔、管節點相貫的孔等，少數用搖臂鑽加工，大多用熱切割加工，過去相貫孔精確的加工採用樣板切割，但質量不理想，現代發展了數控切割，大大提高了切割的質量和效率。

2.焊接生產裝配工藝

焊接結構生產的裝配工藝是將組成結構的零件、毛坯以正確的相互位置加以固定，組成組件、部件或結構的過程。經過焊接就可生產出成品(結構、部件、組件)。裝配質量不佳，不可能獲得優質的產品，首先是影響焊接的質量。焊接工藝越是高度機械化和自動化，對裝配質量的要求也越高。裝配工序還是一道繁重的工序，約佔結構全部加工工作量的25 %~35%。裝配時零件的固定常用定位焊、裝配焊接夾具來實現。用定位焊固定零件，要求定位焊縫有一定的強度和剛度，例如固定好的零件在從裝配夾具或裝配位置取出運往焊接工位時，不應開焊和產生過大的變形，定位焊縫還應能減小焊接變形，定位焊縫的位置和尺寸應以方便焊接，不影響焊接接頭和結構的質量和工作能力為口的。定位焊的焊縫截面尺寸不宜太大，且應儘量布置在基本焊縫所在位置，以便施焊時將其全部重熔。如定位焊必須布置在不設焊縫的位置，則完成結構焊接後，應將其仔細清除。有些在裝配焊接夾具中完成裝焊工序者，則不需定位焊。

(1)裝配工藝方法

1)按定位的方式分為劃線裝配法和胎卡具裝配法。對於單件小批、結構簡單的產品可利用劃線來進行裝配，稱為劃線裝配法。按設計圖樣在零件的相互位置劃線，再用簡單的螺旋、楔形和凸輪夾緊器來固定零件，符合圖樣要求後加以固定，例如吊車梁的裝配。起重機金屬結構的裝配、析架裝配等。另一種裝配法是適用於成批、大量生產情況下的採用胎卡具的裝配，如利用樣板或定位裝置找正位置，或在專用的裝配焊接卡具上裝配定位焊，或直接完成焊接，這對裝配工的要求較劃線裝配對工人的技藝水平要求較低，而且效率較高，並且工人的勞動強度下降。因此，即使單件小批生產，也可採用通用的裝配夾具裝配。

2)按裝配焊接順序分為：整體裝配一焊接；邊裝邊焊；按部件裝配一焊接；最後總裝配一焊接三種。

①單獨零件逐件組裝成結構之後，再全部完成焊接，這隻適用於單件小批、結構簡單的產品。

②由單獨零件逐件組裝，然後焊接、再裝配、再焊接，直到完成整個結構。這種裝配方法和①類似，由於結構較為複雜，難於一次裝配完畢，這種方法也適於單件小批生產的結構，如大型立式油罐、球形容器的工地建造。

③將結構分成若干組件、部件，將各組件、部件各自單獨裝配焊接完畢，合格的組件、部件再總裝成結構，焊接總裝配焊縫，這種方法稱為分部件裝配法。常用於大批大量及成批生產條件下，而對於一些結構複雜的產品，即使是單件小批生產性質的，採用分部件裝配法亦有很大優越性。這種方法裝配焊接質量較高，並改善了工人的勞動條件，因為這種方法將大型複雜的結構分為輕的、尺寸較小的、較為簡單的結構(組件、部件等)，方便裝配和焊接，並可把一些空間位置焊縫變為平焊焊縫，可以大大增加在廠房內、車間內的工作量，從而減少了在現場條件下的工作量，還可以方便地控制焊接應力和變形，方便地採用裝配焊接卡具。這種分部件裝配法，可以提高勞動生產率，縮短生產周期，這是因為分部件後便於實行專業化生產，工人需要掌握的生產過程相對簡單，並且可較多地採用胎卡具，消除或減少各工序間相互等待的時間。採用這種方法裝配還簡化了胎卡具，降低了成本，可獲得較高的技術經濟指標。

3)按裝配工作的地點分為固定地點裝配法和流動裝配法。實際生產中產品裝配的地點可能固定，各工種工人為待制產品服務，這種產品多是重型結構，產量不大，如大型水壓機的梁、水輪機轉輪等。產品裝配地點更多的是產品順工位流動，工人在固定工位進行裝配和焊接，如敞車和油罐車的裝配焊接。

(2)裝配工藝過程的制定裝配工藝過程的內容包括零件、組件、部件的裝配順序，各裝配順序、各工步上採用的裝配方法，以及裝配時採用的胎卡具、工具和裝備的規格型號。在制定裝配工藝時要考慮與前後工序的銜接，特別是對以後的各工序、焊接工序應帶來有利的影響，如便於施焊，容易控制應力與變形等。制定裝配工藝時還要注意定位基面和零件公差的選擇。帶有機械加工件的結構可有兩種辦法裝配焊接：一是整個結構制畢，退火消除應力後再機加工，如內燃機車的內燃機焊接基體、水輪機座環、60000kN水壓機三大橫梁等。另一是先加工好零件，再用專門的、有足夠剛度的裝置進行裝配和焊接，如汽車吊的臂杆，挖掘機的框架等。

3.焊接生產過程中的焊接工藝

(1)制定焊接工藝的內容

1)合理地選擇焊接方法，確定相應的焊接材料。

2)選定合理的焊接參數，如焊條電弧焊時的焊條直徑、焊接電流、電弧電壓、焊接速度、施焊順序、焊接層數等;埋弧焊還要規定焊劑種類；氣體保護焊要規定氣體種類、流量、焊絲伸出長度等。

3)制定其他措施並規定參數，如預熱、緩冷的要求，後熱、中間加熱等焊後熱處理的要求，胎卡具的要求等。

(2)制定焊接工藝應遵循的原則首先是保證質量，即焊接接頭無論外形尺寸或內部質量都要滿足技術條件的要求；然後要考慮生產效率，即要便於施焊，可達性好，翻轉次數少，可利用胎卡具及機械化輔助裝置使焊件在最方便的位置施焊，或實現機械化或自動化焊接，總之要有較高的經濟效益。為了優選經濟、高質、高效的焊接工藝方法，除應用電弧焊、電渣焊、電阻焊及釺焊等專業書及資料介紹的焊接方法的知識以外，了解各種工藝方法的生產特點也十分必要，這些特點係指各工藝方法的適用範圍，如基本金屬的種類、厚度、焊接位置、焊縫長度等;對材料加工工藝及裝配工藝的要求，如坡口準備、焊前清理、焊後熱處理要求;對焊接所需輔助裝備、機具的要求，輔助工序的複雜程度;焊接接頭的質量及其穩定程度;經濟指標，如勞動生產率，設備投資等決定的生產成本，工人的勞動條件等。常用熔焊方法的生產特點見表5 -19，可在制定焊接工藝時參考。