浅谈铝锰球罐制作中焊接变形的防止措施.docx
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浅谈铝锰球罐制作中焊接变形的防止措施
西安技师学院
10届焊接预备技师班
毕业论文
浅谈铝锰球罐制作中焊接变形的防止措施
姓名：
专业：
焊接技术与自动化
学号：
10JHJ110
指导老师：
weeeeeeee
时间：
2010.04.15
浅谈铝锰球罐制作中变形的防止措施
内容摘要
球罐是一种特殊压力容器，国外球罐制造业发展很快，我国的球罐制造在70年代才得到了高速发展．通常球罐作为大容量，有压贮存容器．在各工业部门中被用于贮存液化石油气、液化天然气液氧、液氮、液氢、液氨及其它中间介质；也被用于贮存压缩空气，压缩气体（氧气、氮气、城市煤气）．随着工业的发展．球罐的使用范围将越来越广，同时对球罐制造技术要求更高、更苛刻．这就必然对球罐的制造带来更多，更大的困难和问题．
我们学校为了让学生能够熟练的掌握学习的东西，加强我们的动手能力，通过简单的典型结构件的制作如：
铝锰球罐的制作，通过在焊接时出现的问题让我们进行合理的分析，提出自己的解决方法。
以此提高我们对一些典型结构件的制作中问题的分析能力，在制作过程中也是对自己学习知识的总结。
本文主要介绍了直径为400mm的铝锰球罐在制作中变形的防止方法。
【关键词】铝锰球罐焊接变形防止措施
前言
从单位容积消耗材料量来看，球罐是最经济的容器形式。
此外，球罐还具有耐压较高，占地面积小等优点，在石化行业中被普遍采用。
但球罐组装焊接的难度较大，要求较高，几何尺寸难以控制。
在我们预备技师班典型结构件的制作中，我们对直径为400mm的球罐采用板厚为4mm的铝锰材料（3A21）进行了制作。
下面就制作过程中焊接变形的防止方法作以简要介绍。
一.铝锰球罐制作材料结构分析
1.1焊接材料
焊接材料采用4mm厚的铝锰合金3A21板，所用的焊丝为铝硅合金焊丝HS311或铝锰合金焊丝HS321。
1.1.1母材材料
化学成分（质量分数）%
牌号
旧牌号
Si
Fe
Cu
Mn
Mg
Zn
Ti
其他
Al
3A21
LF21
0.6
0.7
0.2
1.0～1.6
0.05
0.1
0.15
0.1
余量
物理性能
牌号
密度/g.cm-3
比热容（100℃）/J.Kg-1℃-1.
热导率25℃/W.m-1.℃-1
线膨胀系数20～100℃×100﹣6/℃-1
电阻率×10-6/Ω.cm
3A21
2.73
1009
180
23.2
3.45
铝锰合金3A21的热导率和比热容均约为碳素钢和低合金钢的两倍多。
铝的热导率则是奥氏体不锈钢的十几倍。
在焊接铝及铝合金时，能量除用于熔化金属熔池外，还将有更多的热量无谓消耗于金属其他部位，这种无用能量的消耗要比钢的焊接更为显著，为了获得高质量的焊接接头，应当尽量采用能量集中、功率大的电源，有时也可采用预热等工艺措施。
铝合金的线膨胀系数约为碳素钢和低合金钢的两倍。
凝固时的体积收缩率较大，焊件的变形和应力较大，因此，需采取预防焊接变形的措施。
在耐蚀性允许的情况下，可采用铝硅合金焊丝焊接除铝镁合金之外的铝合金。
在铝硅合金中含硅0.5％时热裂倾向较大，随着硅含量增加，合金结晶温度范围变小，流动性显著提高，收缩率下降，热裂倾向也相应减小。
1.1.2焊丝材料
铝合金焊丝牌号、成分及用途
名称
型号
主要化学成分W（%）
牌号
用途及特性
铝硅合金焊丝
SAlSi-1
Si4.5～6.0
Al余量
HS311
焊接除铝镁合金以外的铝合金，特别对易产生热裂纹的热处理强化铝合金更合适，抗裂
铝锰合金焊丝
SAlMn
Mn1.0～1.6
Al余量
HS321
焊接铝锰及其他铝合金，耐腐，抗裂
1.1.3焊接方法采用钨极交流氩弧焊或钨极脉冲氩弧焊，保护气体采用大于99．9％纯氩气。
1.2球罐结构形式
球体采用的结构形式如图1为橘瓣式，大体分为四部分上下极、上下温带。
球体内径Φ392mm、外径Φ400mm。
球体由18片组成（2极板16个温带瓣）.
瓣片如图2.
图1
图2
二.铝锰球罐变形产生原因
在球罐制作过程中，每个瓣片的的几何尺寸（如弧度、环缝组对直径等）以及焊接过程中产生的变形，是影响球罐成形质量的主要因素。
在制作中这些部分也就是球罐成型好坏的关键因素。
2.1瓣片的制作
球体的瓣片是由一对模具压型而成的。
铝锰合金的塑韧性非常好，但在在压型过程中，还会出现一定的回弹,使瓣片的弧度变大。
在压型时由于压力过大使整个表面产生一定程度的延展。
球瓣采用近似展开下料，展开成近似平面，球体瓣片的压型前，板的尺寸大小不易确定。
2.2球体的装配焊接
在球罐整体焊接时，由于需要采用比较大的焊接电源，并且没有工装夹具，因此就使得球体极易发生变形，极易使球体外形尺寸发生变化。
2.2.1装配
若直接将1/16瓣片进行组焊就会出现如上所示的变形，焊接完后焊缝处下榻，两侧上翘，这样的变形会对下一步的装配焊接产生很大影响，下一步将使1/8瓣两两焊接时产生焊缝间隙过大，最终使得球体尺寸变大达不到要求。
在球瓣拼装时当半球尺寸达不到要求，就使得的球罐外形尺寸尺寸发生变化。
2.2.2焊接
在焊接时铝锰合金的热导率和比热容约为碳素钢和低合金钢的两倍多。
在焊接过程中，大量的热量能被迅速传导到除焊缝金属外的其他部分，因而焊接铝锰合金时，能量除消耗于熔化金属熔池外，还要有更多的热量无谓消耗。
为了获得高质量的焊接接头，应当尽量采用能量集中、功率大的能源，有时也需要采用预热等工艺措施。
凝固时的体积收缩率较大，焊件的变形和应力较大。
在焊接时若未采用合理的焊接顺序，也会产生很大变形。
问起叠加就会使球体发生很大的变形。
三.球罐制作防止措施
3.1瓣片制作变形控制
板料在弯曲成形前，展开料长都是先确定中性层，再通过作图和计算得出曲线长度。
铝锰合金塑韧性较好，回弹量比较小，因此将回弹余量留的小些，减小凹凸模弧度，并在压型完后用加工好的标准样板进行测量，若不合格进行校正。
校正方法：
将压完后的瓣片垫在模具上用木锤校正，弧度过大垫在凹模上进行校正，弧度太小垫在凸模上校正。
用木锤敲时要在模上垫实。
也可在一遍压完后，再用模具压一次。
3.2装配焊接变形控制
焊缝下榻，尺寸减小。
收缩变形，采用留余量法，在下料时将瓣片的尺寸适当加大，以补偿焊接的收缩。
单道焊缝的横向收缩量ΔB值比纵向收缩量要大得多。
其计算方法如下图。
ΔB=A·q·а∕c·γ·δ
ΔB--焊缝横向收缩量A--经验系数电弧焊1.0-1.2
q--焊接线能量а—材料线能量系数
c—材料比热容γ—材料密度δ—板厚
上翘。
无外力作用下，采用反变形法，根据变形的规律，焊接前预先将两球瓣向着与焊接变形的相反方向进行人为的变形（反变形量与焊接变形量相等）,使之达到抵消焊接变形的目的。
这样的方法很有效，但必须准确的估计焊后可能产生的变形方向和大小，并且根据我们在制作中球瓣为曲面，且要采用较大的焊接电源，所以更要灵活的运用。
3.3球罐焊接变形控制
3.3.1内部加支撑
球罐的外形尺寸控制在制作时，主要依靠在装配时用制作好的样板，在装配时进行卡位，利用这样一个标准尺寸的卡具在定位焊时将球体表面各处的弧度保持一致，我们在制作中基本将其个个面的弧度差值差控制在1-2mm.然后就是在整体装配前在球罐内加支撑条如图。
这样基本上使人在眼睛直观看时球面弧度保持一致。
3.3.2装配方法
装配采用样板定位和对称点固焊的方法。
具体步骤如下：
纵焊缝点固焊
A.用样板调节焊缝间隙至1～2mm，错边量≤1mm。
B.在焊缝外侧进行点固焊，点固焊缝长度为10～15mm，点固焊焊道间距为40mm。
C.每条焊缝点固焊完毕后，测焊缝两侧的弧度，若不正确进行校正。
D.点焊顺序为先点固焊缝两端，然后点固中间，再向两头逐个对称加密。
E.点固焊由两组人员以球罐中心轴线对称同时施焊，并按同方向旋转进行。
F.点固焊引弧熄弧均应在内侧坡口内，严禁在球壳板上引熄弧.
H.点固焊过程中，随时对焊缝间隙和错边量进行测量和调整。
环缝点固焊
环缝点固也采取样板定位与点固相结合的方案，具体如下：
A.环缝接头两侧用一对卡具固定。
B.环缝内侧坡口点固焊焊道的长度，相邻焊道距离均与纵缝点固焊相同。
C.环缝内侧坡口点固焊工艺方案及要求均与纵缝点固焊相同。
D．点固焊过程中，随时对焊缝间隙和错边量进行测量和调整。
3.3.3顺序焊接
焊接时变形的控制，在制作中主要是采用顺序焊接
焊接顺序的原则是先纵缝，后环缝。
为了使焊接过程中产生的应力分布均匀，要做到对称焊接，力求焊速一致。
顺序为：
上温带纵缝焊接——下温带纵缝焊接——赤道环缝焊接——上下级环缝焊接
焊接环缝时应控制线能量不小于最低极限，即在焊接电流、焊接电压一定时，焊接速度不能超过允许的最大值。
环缝焊接时，先点固两端，再分段焊中间，逐渐向两边加密，后连接成一条。
每层焊缝高度要基本相等，高出的地方用磨光机去除，低洼处应补焊平齐。
具体焊接顺序为：
先焊15再焊1′5′然后37再焊3′7′其他纵缝以此类推。
焊完纵缝后焊赤道环缝H2，H2可平均分为多个部分，然后也采用对称焊接。
最后焊接上下极板的环缝H1H3。
注:
在焊接时由于材料热导率高，因此在焊接几条焊缝后等冷却一段时间后再继续进行焊接，以防温度过高球面发生变形，同时也影响焊工操作。
四.检测
在焊接完后，进行检测。
先用目测观察球体表面是否发生变形，对不合适处进行打磨修复。
最后用样板进行测量，表面弧度差应在1-2mm之间。
经检测球体基本达到了设计的要求。
五.结论
在课题制作中我们运用了此控制变形的措施，在焊接完成后基本上达到了设计的要求，通过在球罐制作对焊接变形的控制，使我们纠正了对球罐焊接变形认识上的错误，也为以后这类似问题提供了一个可以借鉴的思路和方法。
参考文献
[1]邓红军，焊接结构生产[M]，北京：
机械工业出版社，2004.1（2007.8重印）
[2]陈丙森，焊接手册，焊接结构（第二版）[M]，北京：
机械工业出版社2001.8
[3]邱葭菲，焊接方法[M]，北京：
机械工业出版社, 1996版
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