焊接方法的种类和原理_图文_百度文库
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焊接方法的种类和原理
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专利名称管道焊接方法
技术领域本发明涉及一种管道焊接方法，尤其是涉及使用具有在管道焊接工业中称为STT电弧焊机的专门电源的一种特殊焊接方法，用来焊接管道端头的开口根部。
在过去的十年，在许多专门的焊接应用中将大平板焊接在一起的技术是采用一个短路电弧焊机。这种焊机由俄亥俄州克里夫兰市的林肯电气公司(Lincoln Electric Company)以STT作为商标出售，该焊机在Stava的5，742，029号专利被披露，被用在专门的墙纸应用中。在工地现场设置管道线时，这种独特的短路电弧焊机目前是管道段的间隔端口的电弧焊接所选择的电源。使用该独特的短路焊机的管道焊接方法的实施在Parker的5，676，857号专利中被公开。因为上述两个专利和所揭示的材料说明了林肯电气公司的STT焊机以及它在焊接厚板，例如管道中的应用，该专利在此作为背景信息供参考，因此，该已知技术不需要重复。涉及有芯焊条和使用STT焊机的反极性焊接的某些概念在Elliott K．Stava的序列号为200，594，于号申请的专利申请中得到披露。在此，将这个现有技术的专利申请作为背景信息参考，在理解本发明时该技术不需要重复。
在现场进行管道焊接时，管道节段端口之间的接口和两块厚板之间的接口大体上相同，不同的是需焊接的管道接口包括一个开口根部，在该处管道的端口稍微间隔开。这个开口根部是一个间隙，通常是先将两个管道节段处于对接关系，然后又撤回一个选定的量，以此在接口形成最小的开口根部，由此而产生的一个间隙。重要的是，为了将开口根部焊接起来，需要在管道接口的底部区域的整个厚度上进行高质量的焊接；然而，当在开口根部上布置第一焊道时，不使熔融金属挤进管道节段任何明显距离也是必要的。管道必需得到清理，使一个铸铁块和其他圆柱形装置能够通过管道节段而不会在管道内碰到在第一次对开口根部进行焊接时挤进来的焊接金属。作为另一个考虑，开口根部的焊接热量不能太高，避免造成金属收缩，这样在形成开口根部的间隙中产生缺陷。为了完成对管道开口根部高质量的焊接，同时不会产生明显的熔融金属突出物或金属缺陷，已经采用了利用STT电弧焊机获得的一种类型的短路电弧焊接方法。这种管道焊接方法控制管道焊接过程的初始焊接通道以填充开口根部。虽然这类焊接方法有显著的优点，但是仍需要做大量的研究工作来选择在短路焊接方法中使用的焊条。现已发现，使用STT电弧焊机焊接管道节段之间的接口时，使用带芯焊条有明显的优点；然而，在开口根部通道的焊道是一种独特的焊接挑战。现已发现，对根部通道的焊道使用具有ANST-AWS A5．1895实心焊条特性的一种实心焊条可以很好地完成。这种类型的焊条用在气体保护焊并具有以下规格表1&tables id="table1" num="001"&&table&成份百分比(％)碳0．06～0．15锰0．90～1．40硅0．45～0．75磷0～0．025硫0～0．035铜0～0．50镍／铬／钼／钒0～0．50&/table&&/tables&选择这种标准的气体保护焊条作为一种焊条在进行开口根部焊接通道作业时，可以提供一个好的外观而且能获得STT电弧焊机的优点。虽然，使用标准实心焊条的焊道外观通常可以接受，但是使用本发明，在焊道顶部和底部的焊道外观仍能获得明显的改进。
经过大量的实验和昂贵的调查后发现，在焊条中，将磷的含量保持在微量，硫的含量保持在重量上大于0．015％，小于0．035％的这样特定范围的水准上，因较好的流动性就可以得到具有良好外观和高焊接速度的稳定的高质量焊接。在焊条中，对磷和硫控制并保持在这些范围内，就可以完成具有一致良好外观的开口根部的焊接。因此，根据本发明提供一种对两个管道的间隔的端口之间形成的间隙或开口根部进行焊接的方法。该方法包括选择在重量上含碳0．06-0．15％，含锰0．90-1．40％，以及含硅0．45-0．75％的一种焊条。而且，该焊条包含磷、铜、不锈钢合金和硫。该方法包括将硫的重量保持在0．015-0．35％特定范围的所选择的焊条的给定百分比水平上，并且将磷的重量保持在少于大约0．015％的特定范围内的所选焊条的给定百分比水平上。实际上焊条中磷一般在重量为0．006-0．008％的微量或残量的水平。在本发明中，所选择的焊条以给定的焊条进给速度在间隔管道端口之间的开口根部推进，由填充在一个第一焊道的开口根部将管节段焊接在一起，由控制波形产生一个焊接电流，该波形包括连续的焊接周期，每一个周期都有一个短路部分和一个等离子弧部分，等离子弧部分包括顺序的一个等离子上升段，一个下降段和一个基底电流段。焊条沿着开口根部移动，焊接电流通过焊条并熔化焊条，依靠表面张力输送至管子端口并填充开口根部。电流波形是由快速的连续电脉冲形成的，该电脉冲是由至少18千赫频率的振荡器产生并由脉冲宽度调节器进行宽度控制。使用本发明，在焊接第一通道时，在开口根部获得高质量的焊缝。随后，使用另一种焊条，例如一种助焊剂芯焊条可以用作填充接口的剩余部分。这样，根部焊道是由一个优化的焊接程序填充而接口剩余部分的填充是使用一种根据高沉积要求设计的程序完成。
本发明的主要目的是提供在管道焊接过程中填充开口根部的方法，该方法应用一个特定类型短路焊接过程以及使用一种磷和硫含量维持一定水平的实心焊条。
本发明的另一个目的是提供如上所述的方法，该方法可以在管道焊接过程中得到稳定地高质量的开口根部焊接。
本发明上述的和其他的目的和优点，从下面结合附图的描述中将变得更加明显。
图1是显示一个焊条通过沿两个管道节段之间的开口根部移动的焊枪的放大部分视图；图2是与图1类似的视图，图中焊条处于短路金属转移的状态；图3是用于本发明的STT焊机的简化的框图；图4是应用于本发明的电流波形。
本发明是涉及使用一种特定的焊条并结合STT焊接过程在管道端口之间的开口根部对两节管道的端口进行焊接的方法。在图1和图2中，管道焊接操作10用来对管道节段12和14进行焊接，该管道节段12和14具有由带有锥度的端口16，18形成的间隙或开口根部20，该端口按标准的操作间隔开。本发明是关于当焊枪沿着在底部含有根部20通道的接口确定的通道移动时在开口根部20使焊枪30围绕管道节段12，14移动的第一焊道B的布置或沉积。按照本发明，焊条40按选定的速度通过焊枪30向根部20通道给进，同时，焊接电流通过焊条。焊接电流产生如图1所示的电弧50，将推进的焊条40的前端熔化。当焊条转化为熔融的球并向焊道B移动时，产生如图2所示的短路电流状态52。该状态使金属从焊条40向焊道B转移。由围绕开口根部20移动焊枪30，成弧状态和短路，金属转移状态不断的转换。焊条40具有特定的成份。按照本发明，它包括0．06-0．15％重量的碳，0．90-1．40％重量的锰，以及0．45-0．57％重量的硅。而且，焊条还包括有磷、铜、不锈钢合金，例如镍、铬、钼和钒，以及硫。按照本发明，焊条40含硫的百分比水平维持在特定的重量为0．015-0．35％的范围。类似地，焊条40中保持微量的磷。所谓微量通常在重量为0．006-0．008％范围内。根据本发明，总是保持在少于0．015％的水平。焊条40选择并维持这种组成，就可以实现前述揭示的优点。而且，所使用的STT焊接方式和该特另设计的电极或焊条相结合是至关重要的。按照本发明的焊接方式在图3和图4得到解释。
参照图3和图4，图4中显示的波形W是由STT焊机100产生的STT波形。该焊机可以使用一个下断路器也可使用一个图示的带有直流输出连线的高速切换反相器102，该直流输出连线具有一个正极输出端110和一个负极输出端112。在现场，STT焊机或电源通常是由内燃发电机驱动；然而，为了简化。输入部分图示为带有三相输入电源122的整流器120。STT焊机的输出130用来熔化并沉积由供应绞盘132向开口根部20推进的焊条40，该绞盘是由电动机124以选定的速度驱动以控制焊条移动速度。根据STT使用标准，一个相对小的电感器140提供给带有一个单向(freewheeling)二级管142的输出130，其目的在于，按照波形稳定输出焊接过程。如图4所示的波形W，是由反相器102的控制线150上的电压控制。该输入或控制线具有的电压是由脉冲宽度调节器152的输出决定，该调节器由振荡器160产生的超过18千赫的频率操作。控制线150上的脉冲频率最好大于20千赫。这样，反相器102以非常高的速度快速而连续地输出由振荡器160产生的电流脉冲。脉冲宽度调节器152决定了每一个由反相器120到输出130的电流脉冲宽度。按照STT的使用标准，波形W是由控制电路200决定的。这个标准大致在stava的5，742，029号专利的图10中得到披露。波形控制电路200具有一个输出，其电压和导线202上的电压相行比较。该反馈电压代表通过焊条40的成弧电流。表示为成弧电压的一个电压是由接收来自分支206的电流信息的电流感应器204产生的。应用于本发明的波形W是一个单焊接周期，随焊条40被熔化沉积在管道节段12，14之间，该周期不断重复。按照STT技术的波形W包括一个短路部分，该短路部分包括一个金属转换短路脉冲210，当被转换的金属在导电上缩小，并随后被断开时，此时电流是下降的。波形W断开或烧断(fuse)以后，转入电弧或等离子部分，包括等离子上升段220，具有控制的最大电流220a，下降段222，和基底段224。当焊条40上的熔化金属球接触管道节段12、14或接触到焊道B填充根部20通道时，基础电流将电弧一直维持到在点226的下一次短路。
按照本发明限定性的方面，焊条40的组成包括铜的重量少于0．50％，不锈钢合金的重量少于0．50％。开口根部被焊道B封闭后，焊接方法转变为接口剩余部分的快速填充。可以用带气的实心焊条，或最好使用带有助焊剂的芯焊条，这样气体保护就不是必须的。在围绕管道做成数个高沉积通道时，STT焊机或电源最好也用在接口填充操作中。
1．一种在两个金属件相隔开的端口之间的开口根部焊接其端口的焊接方法，该方法包括a．选择一种焊条，其包含磷，硫和碳；b．在所述选择的焊条上维持所述的硫于给定的百分比水平；c．在所述选择的焊条上维持所述的磷于给定的百分比水平；d．以给定的焊条进给速度将所述的焊条向所述的开口根部推进，由在第一焊道至少部分填充所述的开口根部将所述的端口焊接在一起；e．用一个控制波形产生一个焊接电流，所述的波形包括连续的焊接周期，每一个周期有一个短路部分和一个等离子弧部分；f．当所述的焊接电流通过所述的焊条时，沿着所述的开口根部移动所述的焊条，使焊条熔化并将熔融的焊条转移到所述的开口根部的所述端口。
2．根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的焊条至少包括大约0．06％重量百分比的碳。
3．根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述的焊条包括大约0．06～0．15％重量百分比的碳。
4．根据权利要求1～3所述的方法，其特征在于所述的焊条至少包括大约0．9％重量百分比的锰。
5．根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述的焊条包括大约0．9～1．4％重量百分比的锰。
6．根据权利要求1～5所述的方法，其特征在于所述的焊条至少包括大约0．45％重量百分比的硅。
7．根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述的焊条包括大约0．45～0．75％重量百分比的硅。
8．根据权利要求1～7所述的方法，其特征在于所述的焊条包括铜。
9．根据权利要求8所述的方法，其特征在于所述的焊条包括高达约0．5％重量百分比的铜。
10．根据权利要求1～9所述的方法，其特征在于所述的焊条包括不锈钢合金。
11．根据权利要求10所述的方法，其特征在于所述的不锈钢合金包括由镍，钴，钼，钒及其混合物组成的一组中选择的金属。
12．根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于所述的焊条包括高达约0．5％重量百分比的不锈钢合金。
13．根据权利要求1～12所述的方法，其特征在于所述的焊条包括高达大约0．015％重量百分比的磷。
14．根据权利要求13所述的方法，其特征在于所述的焊条包括大约0．006～0．008％重量百分比的磷。
15．根据权利要求1～14所述的方法，其特征在于所述的焊条至少包括大约0．015％重量百分比的硫。
16．根据权利要求15所述的方法，其特征在于所述的焊条包括大约0．015～0．035％重量百分比的硫。
17．根据权利要求16所述的方法，其特征在于所述的焊条包括大约0．025～0．035％重量百分比的硫。
18．根据权利要求1～17所述的方法，其特征在于所述的焊条包括以下成份的重量百分比(％)碳0．06～0．15铜0～0．5锰0．9～1．4磷0．006～0．25硅0．45～0．75不锈钢合金0～0．5硫0．01 5～0．035
19．根据权利要求1～18所述的方法，其特征在于所述的两个金属件是两个管道。
20．根据权利要求1～19所述的方法，其特征在于所述的推进选择的焊条的步骤填充所述第一焊道的所述的开口根部。
21．根据权利要求1～20所述方法，其特征在于所述的等离子弧部分顺序地包括一个等离子上升段，一个下降段和一个基础电流段。
22．根据权利要求1～21所述的方法，其特征在于所述的焊条被熔化，熔化的焊条利用其表面张力被传送到所述的开口根部。
23．根据权利要求1～22的方法，其特征在于包括利用快速连续的电流脉冲形成所述的电流波形步骤，该电流脉冲是由以至少大约18千赫的频率产生的，并且具有一个脉冲宽度调制器控制的脉冲宽度。
24．根据权利要求1～23所述的方法，其特征在于包括当所述的第一焊道完成以后，在所述的开口根部的金属上利用填充焊条填充接口。
25．根据权利要求24所述的方法，其特征在于所述的填充焊条不同于所述焊条。
26．根据权利要求24或25所述的方法，其特征在于所述的填充焊条是带芯焊条。
27．根据权利要求1～26所述的方法，其特征在于所述的焊条是带芯焊条。
本发明提供一种在间隔的端口的开口根部,利用STT电弧焊机焊接两个管道端口的方法,其包括:选择具有重量百分比为0.06—0.15%的碳,0.90—1.40%的锰和0.45—0.75%的硅的焊条,该焊条还有磷、铜、不锈钢合金和硫;在所选择的焊条内维持硫在从0.015—0.35%重量百分比,把磷维持在小于0.015%重量百分比。
文档编号B23K35/30GK12143
公开日日 申请日期日 优先权日日
发明者彼得·尼科尔森, 埃里奥特·K·斯特瓦 申请人:林肯环球公司焊接技巧100招
&虽然焊接过程没有什么所谓的技术秘诀，但实际焊接过程中有许多的焊接技术、方法以及工艺可以使焊接过程变得更加容易，这些工艺方法被称为技术诀窍。焊接技术诀窍可以节省时间、费用和劳动力，甚至可以决定焊接的成功与失败、利润和损失。大多数的焊接工艺主要是以科学研究为基础的，也有一些焊接工艺以实际焊接经验为基础。这是实践中一些实际焊接经验的综合。&&&&
了解生产中常见的焊接问题以及解决方法，可以帮助解决一些常见的焊接问题。优良的设计准则这部分，阐述了设计焊缝时要考虑的关键因素；针对控制焊接变形问题，介绍了产生变形的原因和对焊接变形的实际矫正。在其他的设计问题中，讨论了角接接头的尺寸以及如何避免产生断裂；简易设计概念主要介绍了一些常见的焊接应用实例；先进设计概念讨论了焊缝的弹性匹配问题和焊接接头放置问题。针对结构钢的焊接问题，着重介绍了一些常见的焊接材料和焊接实践中成功的经验；在氧－乙炔切割方面，提供了解决焊接问题的技巧，讨论了切割应用以及氧矛和燃烧棒的性能；对于焊接结构中经常用到的紧固件，主要介绍了常用螺栓、螺母以及如何应用。&&
一、焊接工艺问题及解决措施
1.1& 厚板与薄板的焊接
1、用熔化极气体保护（GMAW）和药芯焊丝气体保护焊（FCAW）焊接钢制工件时，如果工件的板厚超过了焊机可以达到的最大焊接电流，将如何进行处理？解决的方法是焊前预热金属。采用丙烷、标准规定的气体或乙炔焊炬对工件焊接区域进行预热处理，预热温度为150～260℃，然后进行焊接。对焊接区域金属进行预热的目的是防止焊缝区域冷却过快，不使焊缝产生裂纹或未熔合。
2、如果需要采用熔化极气体保护焊或药芯焊丝气体保护焊将一薄金属盖焊接在较厚钢管上，进行焊接时如果不能正确调整焊接电流，可能会导致两种情况：一是为了防止薄金属烧穿而减小焊接电流，此时不能将薄金属盖焊接到厚钢管上；二是焊接电流过大会烧穿薄金属盖。这时应如何进行处理？主要有两种解决方法。
① 调整焊接电流避免烧穿薄金属盖，同时用焊炬预热厚钢管，然后采用薄板焊接工艺对两金属结构进行焊接。
② 调整焊接电流以适合于厚钢管的焊接。进行焊接时，保持焊接电弧在厚钢管上的停留时间为90%，并减少在薄金属盖上的停留时间。应指出，只有当熟练掌握这项技术时，才能得到良好的焊接接头。
3、当将一薄壁圆管或矩形薄壁管件焊接到一厚板上时，焊条容易烧穿薄壁管部分，除了上述两种解决方法，还有其他的解决方法吗？&&&
有，主要是在焊接过程中采用一个散热棒。如将一个实心圆棒插入薄壁圆管中，或将一实心矩形棒插入矩形管件中，实心棒将会带走薄壁工件的热量并防止烧穿。一般来说，在多数供货的中空管或矩形管材料中都紧密安装了实心圆棒或矩形棒。焊接时应注意将焊缝远离管子的末端，管子的末端是最易发生烧穿的薄弱区域。用内置散热棒避免烧穿的示意如图1所示。&&&&&&
4、当必须将镀锌或含铬材料与另一零件进行焊接时，应如何进行操作？&&&&
最佳工艺方法是焊前对焊缝周围区域进行锉削或打磨，因为镀锌或含铬金属板不仅会污染并弱化焊缝，而且焊接时还会释放出有毒气体。
1.2 容器及框架结构的焊接
1、如果采用焊接工艺方法（例如钎焊）密封一个浮筒或密封一个中空结构的末端，在进行焊缝的最后密封时，为了防止热空气进入容器而导致容器爆裂，将如何处理？
③首先在浮筒上钻一个直径1.5mm的减压孔，以利于焊缝附近的热空气与外部空气流通，然后进行封闭焊接，最后焊密封减压孔。密封焊接浮筒或密闭容器的示意如图2所示。当焊接储气容器结构时，也可以采用减压孔。应注意的是，在密闭容器中进行焊接是十分危险的，焊前应确保容器或管子内部清洁，并避免有易燃易爆物品或气体存在。&&&&&&
2、当需要采用熔化极气体保护焊、药芯焊丝气体保护焊或钨极氩弧焊将屏栅、金属丝网或延伸金属焊接到钢结构框架上，进行焊接时金属丝网容易产生烧穿和焊缝未熔合现象，应如何进行处理？
① 在金属丝网或延伸金属上放置非金属垫圈并且将垫圈、金属丝网和框架夹紧在一起，不允许采用含铬或镀锌垫圈，垫圈应采用未涂敷的，见图3(a)。&&&&&&&
② 在被焊位置的垫圈上部放置一个更大的垫圈作为散热片。上垫圈应具有一个比下垫圈更大的孔，以避免上垫圈也被焊接在一起。然后通过垫圈的两个孔进行塞焊，应使焊缝处于下垫圈部分。操作者可以采取一些其他的方法得到足够的热量并进行焊接，注意要防止周围屏栅或金属丝网烧穿，见图3(b)和（c）。
③ 另一种方法是采用一个带孔的金属板条，将孔对准需要焊接的部位，并放置散热垫圈，然后进行塞焊，见图3(d)。
1.3 焊接构件的修补
1、除了采用常用的启钉器，还有哪些方法可以移除损坏或生锈的螺钉？这里主要介绍两种方法。
① 如果安装的螺钉在加热时不会损坏，可以用氧－乙炔焊炬加热恋螺母及其装配件直到红热状态，然后迅速水淬以利于清除螺钉，在这个过程中可能需要几次的加热，冷淬循环过程。
② 如果螺钉槽、螺母或牙槽损坏或丢失，可以在螺钉头的上部（或残余部分）放置一个螺母，旋紧螺母，然后采用任何焊接方法在螺母和螺钉的内部填充金属。这样就会将螺母和螺钉残余部分连接起来，然后在螺母上放置扳手或牙钳，迅速拔出螺钉。采用这种方法有利于提供一个新的握力点并可利用热量使螺钉紧固，用焊接方法移除固定螺钉的残余部分示意如图4所示。&&&&
2、如果有一个磨损的曲轴，用焊接进行修复加固的最好方法是什么？修复磨损的曲轴时可以采用熔化极气体保护焊、药芯焊丝气体保护焊或钨极氩弧焊方法。但是要得到满意的堆焊焊道形状，必须注意以下4方面的要求。
① 使堆焊焊道方向与曲轴轴线平行。
② 先在曲轴下部堆焊一条焊道，然后旋转曲轴180&堆焊下一条焊道，这样可以平衡焊接应力，并可显著消除焊接热变形。应注意的是，在第一条焊道上进行顺序堆焊将会引起曲轴翘曲。该堆焊工艺适合于对滚轮曲轴进行修复和焊补。
③ 两条焊道之间必须保持30%～50%的熔敷金属重叠量，以保证焊接修复后机加工时保持焊道表面的平滑。
④ 采用手工电弧焊和药芯焊丝气体保护焊时，必须用毛刷或切削的方法清理焊道之间残留的焊剂。除上述曲轴修复方法，还可以采用在曲轴的每90&位置增加一条堆焊焊道，以进一步减小焊接变形。在青铜或铜制零部件修复中，添加钎缝金属比采用堆焊的方法在消除应力和变形方面更加有利。用焊接方法修复磨损曲轴的示意见图5。&&&&
3、如果有一个钢制轴承件卡在设备中，并且不想报废该设备，应如何采用焊接方法进行去除轴承？首先在轴承的内表面焊接一条焊道，靠焊道拉伸力减小轴承直径，外加焊接过程的热量应可使轴承活动。直径10cm的管如果在内表面布满焊道将会使钢管直径收缩1.2mm。采用焊接方法清除卡住轴承的示意如图6所示。&&&&&&
4、油罐或船板结构经常会产生裂纹，应如何防止？
首先在裂纹末端钻一个小孔，以利于在较大的范围内分散末端的应力，然后焊接一系列长度不等的多道焊缝，增加裂纹前端钢板的强度。防止钢板产生裂纹扩展的示意见图7。&&&&&&
2.1 加强板的定位及加厚
1、焊接加强板经常被焊接到钢板（基板）的表面，加强板外边缘的角焊缝容易使加强板的中心部位翘起，离开钢板表面并产生角变形，如图8(a)所示。
这种现象会增加机加工和车削加工的难度，应如何解决这个问题？解决的方法是在加强板中间部位采用塞焊或槽焊，将加强板表面与基板表面贴紧，消除变形以利于进行机械加工。采用塞焊或槽焊方法定位加强板示意如图8(b)所示。&&&&
2、有时在基板的小区域内需要对基板加厚，但加厚区域不能超过整个基板的面积，应如何解决？将一厚板金属嵌入基板需要加厚的部位，然后采用焊接方法进行固定。在基板上嵌入厚板的示意见图9。这样可以给后续的机械加工、镗削加工或钻孔提供足够的厚度，并可以代替设备中的大厚度零件或铸造件。&&&&
3、增强平板的刚性以承载负荷的标准方法是什么？增强平板的刚性以承载负荷的标准方法是在平板上垂直焊接一系列的角钢，添加角钢加强筋以增强平板刚性，如图10所示。 & & 2.2 控制噪声和振动
1、哪些技术措施可以用来减小金属板的噪声和振动？噪声问题和振动问题一样，同样可以采用减小金属板的共振频率来解决。采用的主要方法如下：
① 以折叠、卷边或槽形加强的方式增加刚性；
② 将平板截断成一系列小的部分以增强支撑；
③ 采用表面喷涂层；
④ 在平板的表面粘结一层减振纤维材料。采用增加共振频率减小噪声的4种方法见图11。
在相对较低频率时引起的振动，通常采用增加金属刚度方法来减小振动，如图12所示。&&&&&&&&&&
2、当要将一个平板在垂直方向与另一个平板进行角焊缝焊接时，如果现在只有C形夹具，应如何进行工作？焊接时用一个钢制挡块或者一个矩形物体作为辅助工具，采用C形夹具和矩形挡块夹紧角焊缝，如图13所示。&&&&
3.1& 布局设计
1、焊接过程中的设计要求主要包括哪些内容？
① 设计时应使设计方案满足零件各部位强度和硬度的要求，但不能超出安全设计标准，应让焊接工程师来检验各部件设计的安全性。如果设计要求的硬度设定的太高，这样的设计会超出安全设计标准，并且会因额外材料、焊接操作和运输等方面的增加而提高整个过程的成本。超出安全设计标准还可能增加用户在燃料、能源和维护等方面长期的费用，因此设计时应请有经验的工程技术人员严格检验设计方案的合理性。
② 应确定结构中焊缝的外观要求，以避免不必要的增高。有时许多设备零件上的焊缝完全被隐藏起来，这样可以减少为了提高焊缝外观质量而增加的焊缝打磨、修整的费用。因此，为了便于让操作者知道哪些焊缝需要进行打磨、修整以具有良好的外观，应在这些部位进行标记。
③ 如果产品必须要求按一定的工艺规程进行焊接制造时，应核对相关的工艺规程以决定采用经济、合理的焊接方法。
④ 用较厚的结构件可以防止产生焊接弯曲和变形。
⑤ 焊接中采用对称结构对于防止焊接弯曲和变形更加有效。
⑥ 在横梁结构的末端焊接刚性支撑件，可以增加结构的强度和刚度，在材质、宽度和承受载荷相同的两个横梁结构中，采用刚性支撑比不采用刚性支撑的焊接结构产生的弯曲变形小，如图14所示。&&&&
⑦ 采用封闭式结构或对角拉条结构可以防止发生扭转变形。封闭式结构比开口式结构的弯曲角度小得多，见表1。
同时采用适当的加强筋还可以减小结构的质量，提高结构的刚度，如图15～17所示。&&&&&&&&&&&&&&&&
在图15中，框架结构的抗扭转变形能力与各部分单独抗扭转变形能力的总和几乎相等，采用封闭式C形框架结构可以提高整体结构的抗扭转变形性能。
在图16中，圆形结构比矩形结构的抗扭转载荷更好，主要是由于矩形结构周围剪切应力分布不均匀，而圆形结构载应力集中现象，而且圆形结构在各方向上还具有抗弯曲变形能力。在图17中，采用对角加强筋的焊件结构经常可以代替基座的厚重铸件，提高结构的强度。在抗压应力载荷方面，横向加强筋与纵向加强筋的作用不同，横向加强筋一般常用于铸造结构中，而纵向加强筋常用于焊接结构设计中。
⑧ 在抗扭转载荷方面，对角拉条结构比纵向垂直结构更为有效。
图18所示为两种钢结构基座的结构示意，图18(a)中基座是由厚度25mm的钢板组成的，图18(b)中的基座是由厚度10mm的钢板组成的。它们的抗扭转变形能力几乎相同，但对角拉条结构的加强设计与纵向加强结构相比，可以节约60%的结构质量、减少78%的焊接工作量以及54%的总制造费用。&&&&
⑨ 确定结构中可能采用的低级别钢材的位置，在实际的焊接操作过程中，高碳钢和合金钢的焊接需要预热和焊后热处理，但这样会增加焊接结构的成本。因此在焊接结构中仅仅在需要的时候采用高级别的钢材，其余的结构都可以采用低碳钢。
⑩ 高级别钢种和其他昂贵材料都不是以标准形状的工件供货的。
⑾ 如果结构中需要彩和表面耐磨性能良好的昂贵材料或难焊材料，可以考虑采用碳钢结构作为基底，利用堆焊或表面硬化处理获得满意的表面性能要求。
⑿ 为了节约费用和降低供货时间，一般采用板材、棒材或其他标准形状的结构件进行焊接。
⒀ 如果板材或棒材必须进行机械加工、磨削或表面硬化处理，那么原始板材或棒材的结构尺寸要求可以迅速从车间或供货厂家方面得到。
⒁ 对设备零部件应确保必要的维修、维护，不要忽视对封闭式结构中的轴承座或其他重要的易磨损零部件的维护，这也适用于电力和压力管线或组件的维护要求。
⒂ 为了进行自动焊接，有时将结构件设计成圆形结构，这样的设计有利于后续的焊接、加工、装配等各个环节，如图19所示。&&&&
⒃ 焊接设计前应咨询工厂中有经验的技术人员，可以获得更好的设计方案并可节约费用，这些工作必须在确定焊接设计方案之前进行。
⒄ 焊接设计前应检查结构规定的公差范围和各部分受力情况，实际操作者可能不会掌握更经济、合理的操作规范，因为有时可能不需要更精确的公差要求。
2、零部件的布局设计需要考虑的因素有哪些？
① 首先应考虑零部位数量的最小化，这将减少设备的装配时间和焊接工作量，如图20所示 。&&&&
② 对结构布局和设计方案进行优化可以节约材料和焊接时间。在决定采用图21(a)和图21(b)所示的方案之前应考虑材料、切割及焊接的费用，还应考虑边角余料的有效利用。在图21(a)中可以直接使用框架结构剪裁的余料进行后续工艺，这种剪裁方法比采用拼接工艺更加具有经济意义；图21(b)是假设的优化选择方案，框架结构被分成若干个部位进行焊接，这样可以代替从大型板材上切割下料。&&&&&&
③ 环状结构件可以从单块板材或被焊接成嵌套的结构件中切割而成，与上述布局和设计方案的选择一样，确定最佳工艺方案之前，应充分考虑零部件的尺寸公差、材料、切割、焊接的费用以及边角余料的有效利用等。考虑到运输方面的因素，从厚板材料切割嵌套零件并焊接成环状部件可以节约材料费用和运输时间，如图22所示。&&&&
④ 在尺寸公差允许的范围内，可以考虑将钢板滚压成环状结构，然后在具有中空的圆形结构中进行焊接，以代替直接从厚板上切割环状结构件，这样可以减少材料的费用，如图23所示。&&&&
⑤ 如果焊接结构中环状结构件有数量上的要求，可以考虑将一个平板滚压成一个圆筒结构，然后进行缝焊。也可采用火焰切割将圆筒切割成一系列的环状结构件，如图24所示。&&&&
⑥ 对于非常复杂的一些结构部件可以通过将各零部件进行焊接装配而获得，这样可以节约整体结构的质量、材料及机械加工时间，如图25所示。&&&&
⑦ 对平板结构进行卷边处理可以增加钢板的刚度，节约材料的费用，如图26所示。&&&&
⑧ 两平板对接焊时，将其中一个板的边缘进行弯曲卷边处理，可以给焊接结构提供一个加强筋，而且费用不高，如图27所示。&&&&
⑨ 可以考虑采用波纹形板材以增加板材的刚度，或对板材表面进行压痕处理以增加板材的刚度，如图28所示。&&&&
⑩ 在进行各项工艺步骤前，应仔细检查设计方案，看是否可以节约材料，并且使采用的焊接工艺不会影响最终产品的强度要求，如图29所示。&&&&
⑾ 检查焊缝位置是否处于焊接制造过程的最佳位置，图30所示改变焊缝的位置可以减少焊接材料的浪费，更适合于自动化焊接技术的使用。&&
3.2 焊接准备及接头设计
1、焊接板材的准备过程中需要注意的问题有哪些？
① 从板材上制备焊件坯料的最佳工艺方法主要包括火焰切割、剪切、锯割、冲压下料、冲裁、棒材和管材的车削等。
② 考虑制备焊件坯料方法时，应充分考虑焊件尺寸准确性和坡口质量要求，同时考虑其他材料的后续加工、坡口形状或开坡口的要求。
③ 考虑焊接中切割坯料的尺寸和坡口准备时，应注意并非所有的焊缝都采用连续焊缝。具有连续焊缝的V形坡口有时不能满足使用要求。
④ 对于单面V形坡口，可以采用单割嘴火焰切割开坡口；相反，对于双面V形坡口，可以采用多头割嘴火焰切割开坡口，切割工艺过程可以采用同一台切割设备完成。
⑤ 厚板材料有时需要开J形或U形坡口，与双面V形坡口相比可以节约焊缝金属。
⑥ 有时需要考虑铸造或锻压结构是否能消除焊件的复杂截面，以及是否能简化焊接设计和减少制造费用。
⑦ 对于结构连接的关键部位，可以采用昂贵材料（如少量的堆焊合金）代替一般焊接材料，这样可以达到良好的效果。
⑧ 在零部件需要卷边、密闭件或增加加强板时，应考虑用焊接方法制造的工件代替采用锻压件或机械加工件。
⑨ 采用焊接方法并不能处理所有的问题。例如采用成形工艺制造角形结构与采用焊接方法相比，可以减少材料、制造和焊接等费用，如图31所示。&&&&
2、焊接接头设计过程中需要注意的问题有哪些？
① 应避免焊接接头的坡口设计过大。例如一个圆形或管状结构和另一个圆形或管状结构的平直表面进行焊接时，就会存在两个问题，即根部熔合情况和是否烧穿。采用正确的接头设计可以得到良好的根部熔合并且不会产生烧穿，如图32所示。&&&&
② 为了减少填充材料的使用，可以减小根部间隙和坡口角度，如图33所示 。&&&&
③ 厚板结构采用双面V形坡口代替单面V形坡口可以减少焊缝金属，如图34所示。&&&&
④ 有时采用单个焊接接头可以同时焊接三部分焊接结构（如图35所示），上部两板的间隙可以使三部分结构充分熔合。&&&&
⑤ 应检查焊接接头位置，以确定适合于焊缝位置的焊接方法，如图36所示 。&&&&
⑥ 对于焊接操作者来说，选择焊缝设计时应考虑满足接头强度、使焊缝金属减少及不产生烧穿的要求。图37所示为防止产生烧穿的一些合理的焊缝设计。&&&&
3、焊接接头设计过程中焊缝尺寸和数量有哪些要求？
① 应确保采用的焊缝数量适中，不要太多也不要太少，并且焊缝尺寸过大会增加焊接费用。
② 根据工艺文件或标准的车间工艺规程确定要完成的焊缝数量，设计者应考虑安全因素来设计焊缝，不要增加其他额外的安全因素。
③ 角焊缝接头设计中角焊缝的焊脚尺寸十分重要。由于焊缝的面积和数量会增加焊脚尺寸，因此双焊脚尺寸将会使焊缝金属增加4倍，如图38所示。&&&&
④ 在小载荷或无载荷条件下，断续角焊缝可以用于代替同样焊脚尺寸的连续角焊缝。
⑤ 尽量使焊缝位于焊件较薄的区域，使焊缝尺寸主要集中于薄板上。
⑥ 加强筋或焊接隔板不需要过多进行焊接，应尽可能减小焊脚尺寸或焊缝长度。
4、装配组件的应用有哪些优点？
① 将焊接工作分配给更多的焊工，可以缩短工时；
② 可以提供更好的焊接方法；
③ 可以减少结构变形的可能性；
④ 对小区域的机械加工更加便利；
⑤ 有利于局部区域的应力消除；
⑥ 可以对各部件和密闭式结构进行渗漏试验；
⑦ 在焊接工作前可以进行工艺检验，以利于提高工艺的精确性并纠正错误。
5、组件的焊接装配有哪些步骤？
① 焊前应清理工件表面的油、锈和污物；
② 检查工装夹具，有缝隙的部位需要修补；
③ 夹紧工件到焊接位置并保持焊接过程的稳定；
④ 用固定夹具夹紧临时夹具，使焊接过程始终维持在校正位置；
⑤ 预置接头以补偿焊接时可能产生的收缩；
⑥ 预弯曲零部件以补偿焊接时任何可能产生的变形；
⑦ 使用定位板；
⑧ 有时可以将焊件截断成几部分，对每一部分进行焊接，可以使每部分焊件在中性轴位置保持平衡；
⑨ 对大量复杂结构进行焊接时，可以对各部分组件分别焊接，这样可以使最终的装配更加容易固定。
6、焊接工艺步骤有哪些？
① 尽量提高操作效率，采用焊工辅助装置、良好的固定夹具和夹持设备等；
② 在最短的时间内熔敷尽可能大量的填充金属；
③ 采用焊接辅助板，可以提高开坡口接头第一道焊缝的焊接速度；
④ 采用低氢型焊条消除或降低预热温度；
⑤ 手动将焊条的伸出长度调整到50mm；
⑥ 应尽量在平焊位置进行焊接，采用仰焊或立焊费用要贵一些；
⑦ 如有可能应采用最高焊接速度在平焊位置对角焊缝进行焊接；
⑧ 采用自动焊设备焊接角焊缝接头时，调整焊缝位置可以在接头的根部获得良好的熔深，并且不会影响焊缝的强度。水平板在水平方向30&的角焊缝位置焊接和垂直板水平方向60&的角焊缝的焊接示意如图39所示；&&&&
⑨ 可以考虑在较大焊接电流条件下采用大尺寸焊条；
⑩ 在各部件无拘束应力方向进行焊接；
⑾ 采用合适的焊接工艺措施以消除电弧偏吹现象；
⑿ 对在冷却条件下极易产生收缩的接头先进行焊接；
⒀ 应确保采用恰当的焊接速度、焊接电流和焊接电压；
⒁ 采用半自动或全自动焊接方法更加有利于获得良好的熔深和均匀的熔敷金属。
7、焊后对焊接件的清理和检验有哪些步骤？
① 除了某些特殊性能的要求（不包括外观要求），不应将焊缝表面打磨光滑或平滑，因为对焊缝进行打磨的工时和费用较高，通常会超过焊接的费用；
② 采用手工电弧焊和熔化极气体保护焊时，使用铁粉焊条可以降低焊缝表面的清理时间；&&&&
③ 焊接时将防飞溅薄膜平行放置在焊缝两边；
④ 获得质量良好的焊缝是焊接的最终目的，但有时一个外观较差焊缝的强度可能会比外观良好焊缝的强度高；
⑤ 过度的焊缝检查工序会增加焊接的总费用。
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