淺析低合金鋼Q345與船體高強鋼EH36的焊接工藝

第1章緒論1.1本課題研究的目的與意義船體使用方面極為廣泛，作為工業(yè)運輸?shù)幕?，是運輸行業(yè)不可或缺的運輸設備。目前，這項技術已經(jīng)發(fā)展得相當成熟?？蓾M足產(chǎn)品運輸?shù)亩鄻踊枨蟆Ｔ诂F(xiàn)代運輸業(yè)中，各國的船體運輸業(yè)是生產(chǎn)力發(fā)展的主力軍，占總量的一半以上。通過利用夾具設計、加工和其他方面，現(xiàn)代技術可以增加船體的創(chuàng)新價值。這表明了船體在運輸業(yè)中的重要性。中國的船體與國外技術還有一定差距。基本上，中國只能通過模仿國外先進的船體來學習膚淺的知識，這與國外存在巨大差距。只要我們改進船體的設計，加強研發(fā)，提高設計先進船體的能力，我們就可以確保核心利益的逐步增長，而不是通過數(shù)量獲利。1.2發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢20世紀70年代，隨著焊接和制造技術的不斷發(fā)展，數(shù)控機床開始用于加工復雜零件。這是機械工程領域正在進行的一場革命。目前，數(shù)控機床正朝著更高質量的方向發(fā)展，主要發(fā)展趨勢如下：第一：智能化，隨著科技的不斷發(fā)展，計算機輔助軟件以及人工智能技術的不斷升級，使得數(shù)控機床實現(xiàn)智能化成為基礎；第二：模塊化，隨著分組越來越明確，人們對數(shù)控機床的要求也越來越多，專業(yè)化要求使得通用性機床得不到滿足，所以通過模塊化實施的機床將會得以大發(fā)展；第三：多軸化，目前使用較多的是三軸或者二軸機床，其只能加工某種類型的零部件，而采用多軸化能夠加工更為復雜的零部件表面。目前的五軸機床已經(jīng)出現(xiàn)，相信隨著時間的變化，其價格將會越來越低的。將會得到更大規(guī)模的利用。第2章焊接分析2.1技術分析2.1.1技術要求本設備的制造、試驗和驗收按照GBl50-1998《鋼制船體》的標準進行焊接的材料，對接式焊接接頭設計型式及連接尺寸均可按照行業(yè)標準GB985-80中相關規(guī)定(設計焊接接頭系數(shù)φ=1.0)確定,殼體焊縫還需先通過無損探傷檢驗,探傷寬度為100%。2.1.2設計溫度在本次設計中取設計溫度大小為50℃2.1.3焊縫系數(shù)按照新國家標準《船體安全技術監(jiān)察規(guī)程》規(guī)范中的其他相關條文規(guī)定,船體制造中常用的縱向焊接接頭和橫向封頭接頭等均是須要使用的雙面焊或者必須采用厚度相同于雙面焊厚的全鋼焊透體的橫向焊接接頭,所以取或常見。的選取按照下表選擇:表2.1焊接接頭系數(shù)12單面焊對接式的焊接接頭，焊接過程中沿焊縫的根部全板此船體焊接時殼體焊縫采用為完全無損探傷2.1.4材料選擇對于船體焊接的材料選擇需要考慮到介質的性質以及工作使用要求，考慮到船體要收到水的沖擊以及水具有腐蝕性，材料除了必備的強度要求還需要考慮到其制造性、成本問題，在本次的課題中對比市場上鋼材的價格以及鋼材的性質，選擇鋼材的材料為Q345或者EH36，這兩種材料不但性質能夠滿足設計要求，另外其成本較低。對于這兩種材料的選擇上，可以按照不同的選擇依據(jù)進行篩選，由于EH36的價格更低，所以但從節(jié)約成本的角度來說可以作為制造材料，但如果考慮到后期的使用壽命或者要求強度等性能更好，可以選擇Q235，雖然其價格較貴，但是其性能比EH36的要好，價格也相對便宜，一把可用作筒體和封頭的材料選擇。2.2接頭分析2.2.1接頭分類船體殼體上焊接的焊接接頭按其受力的工作狀態(tài)分類及受力所處焊接的焊接部位，壓力容器殼板上焊接的焊接接頭一般情況下可以分為以下4類,具體如下：第一類：船體最大處焊接的焊接接頭，這一類焊接的接頭，由于接頭尺寸相對較大，所以選擇一般的焊接方式是無法將其工作完成的，所以通常要求其對焊接方式采取雙面焊接工藝或者確保全面焊透的單面焊接工藝，一般這類焊接出現(xiàn)在船體比較多的地方主要是在主體筒焊接拼接處，封頭瓣片材的焊接和拼接縫、半球形的焊接及封頭與筒體連接的環(huán)焊縫處理等技術;第二類：當船體整體處于高頻率的工作狀態(tài)下，受到的船體工作應力量約為上述第一類焊接應力的1/2，對于這類的船體焊接接頭，焊接方式的統(tǒng)一采取方法包括帶襯墊的單面焊接工藝或者雙面焊接工藝。其成形工藝特點是一般采用有筒節(jié)間接相連所形成的環(huán)焊縫、橢圓形及蝶形封頭或與接管相接成形的環(huán)焊縫等型式;第三類：在船體焊接接頭中對于這類焊接接頭一般受力比較小，一般使用角焊接的方式即可滿足要求。第四類：第四類教前三類相比，其受力條件較差，并且此類一般都會有較大的應力集中。另外當對此類接頭焊接時，一般其剛性約束較大，而且當完成焊接后，焊接處存在的殘余應力也比較大，所以很容易產(chǎn)生缺陷，所以在對船體焊接時，這類接頭的焊接一般也都是使用全焊透的方法。2.2.2接頭焊接原則船體的接頭的選擇也是很重要的環(huán)節(jié)，對零件的整體焊接質量有著重要的意義，在本次設計課題中，主要按照以下幾個要求進行選擇：（1）選擇合適的接頭形式；（2）另外所選的接頭贏滿足后期所需金屬填充最??；（3）對船體的重要參數(shù)進行選擇，例如坡口的角度、鈍角、邊的高度、根部間隙等參數(shù)需要選擇大小合適、結構合理，這樣能夠避免后期的焊接缺陷。（4）根據(jù)國家標準中對中等規(guī)格船體焊接接頭的強度要求，接頭鋼材的焊接強度也要保證滿足且不小于焊接母材規(guī)定的強度范圍的最小值；（5）從整體層面要求，需要后期焊接的焊縫應該保持連續(xù)、圓滑且有較少的應力集中；目前，通過對船體的焊接接頭的觀察，焊接接頭的形式有很多種，其中常見的形式有對接、角接和搭接等。以下就這三種進行簡單的介紹：（1）對接容器內的一切重要部位結構，包括容器主體、封頭與筒體等構件的主要連接方式均須采用對接式接頭，因為采用對接式接頭方式才可使接頭處整體的受力比較的均勻，強度也可達到與所用焊接母材本身的標準最大強度基本相當（2）角接在船體的連接時，一般角接一般出現(xiàn)在接頭和殼體的連接處；（3）搭接搭接式接頭主要可用于各種非焊接受壓金屬部件接頭與金屬受壓材料連接處的連接。包括鞍座，裙座，補強項圈等。2.3焊接性分析根據(jù)國際焊接學會（IIW）所采用的碳當量（CE）計算公式：將EH36中碳的各化學成分數(shù)值分別相應的代入在上式中,通過公式計算后我們還可以由此得出,EH36中的碳當量CE=0.40%~0.46%。當CE=0.40%～0.60%，鋼材中的淬硬化越來越明顯，所以表示EH36是最有淬硬化傾向喜好的鋼材。但一般當CE含量不一定大于0.5%時,淬硬化效果表現(xiàn)出的差異并不明顯,焊接性可以體現(xiàn)出來的效果比較好,但此時也還需要考慮隨板厚逐漸增加而必須額外地采取更適當一些的預熱等措施。已知船體板片的最大厚徑公差為20mm,在船舶開始進行焊接操作之前,為了盡可能使得焊接中裂紋不會大量出現(xiàn)在船體鋼板的焊接處,可以要求提前一周對焊接用材料與焊接母體材料進行充分預熱,120~到140℃之間為焊接預熱階段的最一般溫度。2.4施焊環(huán)境焊接現(xiàn)場若出現(xiàn)以下特殊情況的環(huán)境的時候，而且來不及采取有效的防護措施的時候，禁止特殊情況的當場施焊。①雨天及雪天；②風速超過8m/s，相當于Ⅴ級風；③環(huán)境溫度在-5℃以下；④相對濕度在90%以上。特別要特別指出一點的情況是,焊接后的海水相對于環(huán)境濕度值和海水相對的環(huán)境溫度值都還應當要在焊縫距離船體表面長度的每500~或1000mm處進行測量以得到才可能更為合理標準。2.5預熱一般對船體進行焊接前，需要對焊接部位進行預熱，這樣做的目的可以有利改善焊接部位金屬內部組織，能夠有效防止后期冷裂紋的產(chǎn)生并且有利于氫的析出。熱源可使用未經(jīng)液化氣體處理后的液化生化石油氣,筒體焊縫一般考慮時采用到的方法是使用條狀加熱器,而且應盡可能放在焊縫小的坡口的一側處,定位焊口和臨時焊縫的則多采用點狀加熱器。一般對焊接部位預熱的時候，預熱溫度的選擇一般在130℃左右，不低于120℃。2.6焊接順序完全的大體焊接順序應當是：首先要焊接縱縫,然后才能焊接環(huán)縫;首先應焊接好大坡口面焊縫,然后再考慮焊接小坡口面焊縫。2.7焊接注意事項1、坡口處理。由于焊接處的雜質會影響焊接質量，所以在坡口焊接前，需要對其進行必要干燥和打掃處理，需要將四周的水分、油污、雜質進行處理干凈。另外還在焊之前還需要進行表面預熱處理。預熱的溫度需要達到130℃左右。2、本次實驗使用到的焊接方法一般采用電弧焊接的工作方式，此種電弧焊接工藝方式其工作弧電流均相對較大、而且焊接保溫時間都較長。為有效防止對現(xiàn)場其他重要設備帶來的直接影響和為防止現(xiàn)場其他設備對其的直接影響,現(xiàn)場需使用專用的供電輔助設備。3、層板間的溫度。在焊接工藝過程中，層板間溫度一般不應當?shù)陀?20℃。4、焊接線能量控制。根據(jù)焊接的工藝效果評定報告所示，應首先提出一個合理確定的焊接線能量應用的范圍，并相應的反映和體現(xiàn)在焊接工藝規(guī)程中。5、碳弧氣刨清根與打磨。一般正常情況下，對金屬零件表面進行焊接后，或多或少出現(xiàn)焊縫裂紋需要予以補焊和返修工作，這時還需涉及的工作就包括焊縫背面的清根工作和去除缺陷的工作，采取的處理方法通常為碳弧氣刨及機械去除缺陷的方法。另外這種方法一般需要使用直流電作為驅動電源，且使用反接的方法進行接線。壓縮空氣的具體參數(shù)要求一般為其流量范圍需要在180L/min，壓縮時空氣壓力要求范圍一般在0.4～0.6MPa，另外在這種裝置設備上均必須保證要附帶過濾裝置與水分離器，這樣做的目的是盡量大的減少壓縮空氣中的水分。6、消氫處理。為盡快達到目的使含氫元素被快速且充分有效的排除,為嚴格防止焊接縫處焊接出現(xiàn)的延遲性裂紋,船體焊縫以及嵌入式接管與船體殼部焊接的對接處焊縫,焊接開始后必須要先立即加熱進行焊接后的熱消去氫工藝,后熱的溫度一般約為攝氏200~或250℃,后熱冷卻時間一般約僅為攝氏0.5~至1h。加熱方式和預熱方式的處理方法基本上是大體相同的。2.8焊縫類型焊接處理方式包括焊條電弧焊處理和埋弧焊處理方式。筒體縱環(huán)焊接時，可以使用自動埋弧焊焊接方式。壓力容器焊接中的焊縫通過以上材料的介紹，可知焊接其最主要的分類依據(jù)是根據(jù)在容器上的受力情況和所處的位置進行的,對于工作條件、直徑、壁厚等截然不同的容器類型在同一位置處的焊縫,其類別一般均要求相同,各個類別的各類焊縫,規(guī)范應具有不同程度的針對性的安全技術要求規(guī)范和工藝質量標準;在連接硬度測定中其焊縫系數(shù)取值方法都具有一定的差別。第3章焊接工藝以及生產(chǎn)線工藝流程的制定3.1焊接的工藝流程分析整個船體系統(tǒng)在焊接專機的理論設計過程中，都應當重點注意焊接過程中減少焊接部件的變形，例如采取適當焊接速度進行焊接，選用適當?shù)闹圃旃に嚭透鞣N合適形式的焊接工藝和各種合適尺寸的焊接夾具，以盡可能的保證裝配尺寸的符合性和統(tǒng)一性3.2焊接方法實際工廠的一般生產(chǎn)工藝流程及焊接工作實際狀態(tài)環(huán)境下,采用到的常見焊接常用工藝方式主要就包括了氣冷保護焊、氬弧焊、點擠壓弧焊、氣焊法等的各種典型焊接實際操作與方法,我章將主要對以上這些常見焊接工作方法中的幾種具體技術應用原理與工作實例所作詳細分析,如下:3.2.1氬弧焊氬弧焊法用于船體外合縫工序。因船體結構的硬度系數(shù)相對不夠大，故當船體焊接時一般靠母材自熔即可，若在船體外合縫前在1mm以下，采用氬弧焊，可獲得穩(wěn)定且良好的焊縫，能很好地保證船體消音器良好穩(wěn)定的密封性。因此用于本類船體焊接專機可以采用氬弧焊，但在目前我們可達到的實際設計及應用中，還有幾個特別的方面需注意：①鎢極的形狀鎢極在焊接工藝開始操作前必須先經(jīng)過磨光工藝，因為鎢極的外觀形狀對船體電弧的穩(wěn)定性能等有影響，船體的硬度不夠大，因此采用尺寸小的鎢絲，這才能讓樣電弧愈加穩(wěn)定。如圖例1所示，大電流處的焊接要求鎢極電阻就會越高，原因不僅是由于它的尺寸大小還包括它的角度，尤其是帶有平頂?shù)腻F角（如圖3.1所示），這樣便可使焊接處更加安全穩(wěn)定，弧柱間的熱擴散才相對減少。末端呈尖錐角末端成平頂角圖3.1大電流焊接時鎢極末端形狀對弧態(tài)的影響②電流種類和極性的選擇鎢極氬弧焊焊接的電流類型主要有三參考下表3.1：○╳○△╳○╳○△鎂╳○○鐵○╳△銀△△○銅△╳○鈦△╳○╳╳○○╳△○╳○△╳△△○△△╳○表3.1材料與電源類別和極性選擇注：△—最佳；○—良好；╳—最差從表3.1中可以看出,對于船體外體的焊接,因其是由低碳鋼材焊接,故要選用直流正極性。③焊接工藝參數(shù)優(yōu)化為了保證獲得一個良好穩(wěn)定的船體焊接工藝且質量可靠的合格產(chǎn)品,在船體外體焊接生產(chǎn)工序規(guī)程中,我們采用最新的以下船體焊接工序規(guī)范:電流I=120A；氣體流量：10L/min;電弧電壓：8v；電弧長度：mm；焊接速度：00mm/min；鎢極直徑：1mm。3.2.2氣體保護焊原來我們大多采用純氣保護焊接工藝．但是由于船體屬于外觀件，其對焊縫外觀質量要求相對較高，而船體的材料大多在l～2mm之間，采用純焊接工藝，就容易產(chǎn)生燒穿等缺陷，所以，選取何種焊接工藝，用來克服這些缺點，就表現(xiàn)的尤為重要。3.2.3點焊在各種船體的焊接及生產(chǎn)加工中,點涂焊方法主要廣泛用于各種船體外體結構的焊接點涂襯塑工藝。由于其焊接基體材料大多為低碳鋼，因此具有良好的焊接性。采用普通點焊機，焊接周期簡單。除了應注意焊接零件內部的防銹工作外,無需特別采取什么特殊焊接工藝措施來獲得更令人滿意的焊接零件質量。3.2.4氣焊氣焊一般用于船體表面的補壓焊,工藝要求比較的簡單,由于成本太高所以使用較少。

總結經(jīng)過這段時間的努力，我終于完成了最后的項目。通過這項研究，我整合了過去兩年在大學學到的知識，這對未來的學習起到了連接作用。我還有很多問題要解決。學習永無止境，走到哪里我們就要學到哪里。參考文獻[1]分析船體設計中的熱處理問題[J].孫明英.科技創(chuàng)新導報.2019(35)[2]簡析應力分類和船體設計的發(fā)展[J].胡艷興.化工管理.2018(16)[3]化工船體設計中的熱處理問題分析[J].潘志鋒.化工設計通訊.2018(10)[4]2015年船體設計單位評審中存在問題綜述[J].王進杰，朱海鷹，段瑞君.中國化工裝備.2016(02)[5]船體設計中熱處理問題探索[J].鄂培宏.化工中間體.201