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过程装备制造与检测福州大学朱建风绪论一、课程内容：主要介绍过程装备（压力容器为主）的制造基本方法（手段及工艺）以及质量检测的基本方法。1、过程装备的制造特点：单件、非标、安全、压力、中空、腐蚀性、连续工作2、压力容器的制造方法：分单层、多层。3、例子二、学习方法讲授与实验。考试：书面。注重基本知识点，基本分析与计算。前续课程有必要回顾与复习（金属材料学）参考书：《化工机械制造工艺》，化工出版社，姚慧珠、郑海泉第一章钢制压力容器的焊接§1－1焊接基本知识一、电弧焊成形原理电弧放电产生热，造成局部高温，熔化电极（焊条）与工件连接处材料，冷却凝固后使被焊材料形成永久性连接。1、焊接电弧的产生电弧：在局部介质中有大量电子（高密度）流通过的导电现象。焊接电弧是在电极与工件间长时间、稳定存在的电弧。产生过程：短路－电流密度瞬间增大－焊条熔化并蒸发（爆断）－电极分离－电子向正极运动－并碰撞介质－电离（形成正反馈，造成雪崩式电离）－高能量使（局部）温度急剧升高（5000-8000K）－保证条件维持－稳定电弧二、焊接接头的组织与性能在焊接过程中，在局部高温作用下完成一次不同规范的热处理。各点线能量qv=q/v=h*I*U/v（可利用设置工艺参数）接头分为焊缝与热影响区。1、焊缝：加热及冷却速度快，晶粒比较细小；焊条中的合金成分以及药皮保护；焊缝性能不低于母材。焊缝形状影响组织性能2、热影响区（母材上）A、熔和区：与焊缝交界，部分熔化B、过热区：固相高温、奥氏体、晶粒大C、正火区：Ac3线以上、重结晶、正火D、部分相变区：部分重结晶、部分粗晶对于焊接接头来说，影响质量最大的是热影响区，尤其是过热区。3、改善减少热影响区宽度－增加速度、减少电流、预热4、易淬火钢正火区产生淬火三、焊接应力与变形1、应力的产生：局部高温－膨胀受限－塑性变形－冷却不均－收缩受限－“缝拉板压”防止：A、共同加热（HT）B、热处理2、变形的发生与防止形式：由于焊缝的收缩，造成各种变形收缩、角变形、弯曲、扭曲、波浪防止：A、消除原因：分散、均匀B、变形产生后矫正§1－2压力容器的焊接接头一、分类按受压部位不同，GB150－1998二、接头的基本形式与特点对接、T接、角接、搭接1、对接力学性能良好，承载力强，工艺性较好。最常用的接头形式。注意余高、应力集中2、T接焊缝形状角形，转折处应力集中。注意开坡口，焊透。工作焊缝与联系焊缝的区别。3、角接特殊位置（折角处），焊缝可灵活改变（角与直），工艺性不好。角接接头4、搭接连接不同平面，有附加弯矩。费料。工艺较简单，操作方便。不易焊透。有较大的应力集中。受力不大的结构、异种材料。三、坡口形式接头的连接处的形状。需要考虑板厚、质量、加工方法、焊接工艺，保证焊透。基本形态：§1－2各种熔化焊一、手工电弧焊：最基本的一种焊接方式。应用广泛、设备简单、成本低、操作条件容易达到（操作技术不低）。1、焊接设备：焊机（直流、交流）、焊钳、电缆、面罩、手套。2、焊条A、组成焊芯：焊缝材料的重要部分，一般与被焊材料相同，且标准高于被焊材料。药皮：有引导和稳定电弧的作用，同时产生气体及造渣，隔绝空气以保护熔池及凝固后的焊缝不被氧化或氮化；熔渣与液态金属形成冶金处理作用，去除有害杂质（如氧、氢、硫、磷等）；使飞溅减少。基本成分B、型号编制：分类号－最小抗拉强度－焊接位置－适用电源及药皮种类。C、酸、碱类焊条（按熔渣性质）酸性：焊接稳定性好、操作容易、条件低碱性：有益元素多、焊接质量好（脱氢、硫、磷能力强）、抗裂性好。工艺性较差。D、选用：在同种材料的基础上，主要以“等强”为原则。*3、焊接冶金：A、特点局部高温：氧化严重、烧损强烈。速度快：10S时间、反应不完全、不均匀；杂质、气体来不及浮出。空气环境：Fe的氧化、氮化。B、工艺措施隔绝空气、焊前清理。补充合金加入脱氧剂等，排出气体4、焊接规范（参数综合、变化）A.焊条直径：与工件厚度、方式等相关B.电流：大小直接影响焊接质量。主要通过热量造成接头组织性能变化。一般原则在保证质量情况下尽量小。原因重要焊接要先确定线能量再确定电流等参数C.电弧电压：主要电弧长度有关，弧长造成焊接面积扩大，缺陷增加。尽量用短弧。D.速度：尽量取大，保证效率以及小的线能量。E.焊接层数：焊缝每层厚度不能太厚，5mm，估算公式n=d/d,一层熔透深度最大为6～8多层焊有利于产生细密的晶体组织（？）F.焊接线能量：根据工艺参数判定，应使其范围尽量大，条件更易符合要求。G.焊接冷却时间t8/5:材料在800－500的冷却时间常用的焊接工艺参数。利用它可控制焊接接头处材料的相变。间接评判线能量的正确与否。注意它与温度、材料硬度之间的关系。图确定方法：公式计算、测定、图算（线算图）例：（p89）二、埋弧焊：在粒状焊剂覆盖下，金属由电弧熔化后凝固，焊丝电极由机械装置送进并移动形成焊缝。1、特点：保护好、熔深大、工作条件好，适应性差（平板、大圆环）。2、设备：电源、焊机（自动焊车）、辅助设备：工件变位、焊机变位、焊剂垫、夹具等，主要要满足大型工件及自动工作。3、焊丝及焊剂：4、焊接规范：注意对深度与宽度的影响电流H=KmI；B、a略为增加电压V对B影响较大；H、a略为下降速度对H、B影响较大，减少。5、例子：三、气体保护焊1、CO2气体保护焊利用CO2作为保护气体，焊丝产生电弧进行焊接。特点：热量集中、冷却好变形少、适应性好（位置、尺寸）、成本低，飞溅大（短路过渡）、氧化（补Mn、Si）用于低碳、低合金钢一般结构的焊接，重要焊接结构很少采用。2、钨极氩弧焊（TIG）高熔点钨棒作为电极（不熔化），另熔化焊丝做为补充材料，利用堕性气体－氩气作为保护气体，电弧产热进行焊接。A、特点：保护性好、电弧稳定、飞溅少，电流受电极限制、成本高。B、极性：直流正接：工件接正极。有利于提高电流使用范围。深窄焊缝直流反接：电流受限，少用交流：电流部份限制，但对工件表面有清理作用。存在直流分量、需配起弧辅助装置C、钨极与保护气：钨、铈、氩、氦、氢D、焊接规范电流、电压、速度（喷嘴）例：铝镁合金的焊接。3、熔化极氩弧焊（MIG）焊丝作为电极，电弧为热源，气体为保护介质。熔滴过渡问题（气体介质）A、过渡方式：自由过渡：滴状（轴向、非轴向）阻碍力如大于重力，无规则，不利于控制喷射（射滴、射流）过渡方向由电弧力决定，可控。条件合适可行成细小高速的连续过渡。短路过渡：熔滴接通两电极形成短路，造成电弧断续。混合过渡：B、影响过渡类型的因素电流大小电弧力逐渐加大，形成喷射过渡。焊丝材料与大小导热性好不易形成射流。气体成份发热大易产生射流C、焊接设备电源：加入脉冲电源维弧的基值电流＋峰值（脉冲）电流四、电渣焊利用熔渣的电阻作用，熔化填充金属及工件形成焊缝。五、窄间隙焊是在应用已有的焊接方法和工艺的基础上，加上特殊的焊丝、保护气、电极向狭窄的坡口内导入技术以及焊缝自动跟踪等特别技术而形成的一种专门技术。特点：坡口简单、厚壁、线能量小热影响少、内部裂纹少、方位广、成本低。技术复杂§1－3常用材料的焊接一、焊接材料的选择1、规定：JB/T4709-92，必须质量证明书。2、原则：同性能。（相同材料与不同材料）A、碳钢：力学性能。B、低合金钢：化学性能与力学性能。C、低温合金钢：力学性能的冲击韧性。D、高合金钢：力学性能与耐腐蚀性。E、不同材料按低强度一方。收缩不一致（奥氏体钢）注意抗裂。二、金属材料的焊接性包括工艺性与使用性，互相影响。1、评定方法A、实际焊接法B、模拟焊接法C、理论估算法2、工艺估算方法A、碳当量法：碳含量是对冷裂、脆化等影响最大的因素。一般C含量在0.25％以下。部份0.45％但在不同其他元素的含量下，含碳量的影响是不同的，故用碳当量表示，有不同条件。国际焊接学会CE(IIW)新CEN化学成份冷敏感指数Pcm（多合金元素）B、低合金钢冷裂敏感性估算P、T0（计算预热温度）、t100C、CCT法：利用冷却金相组织转变关系图，预测各种条件下性能的可能性。D、热影响区最高硬度法（HAZ）：间接3、使用性试验方法A、力学性能试验拉伸、弯曲、冲击、应变时效敏感性、硬度B、抗脆断性试验某温度下发生无塑性变形的完全断裂NDT。三、碳钢的焊接？哪些种类，哪种焊接性最好线能量大小是否预热四、低合金钢哪些种类、09MnCuPTi是哪种国产屈服强度为500MPa的高强钢牌号9％镍钢常用于什么工作环境耐热钢中重要的元素是什么五、奥氏体不锈钢晶间腐蚀温度对贫铬的影响添加什么元素能减少碳化铬，称为替铬让碳化铬中的碳重新分解溶入奥氏体是什么工艺处理热裂产生的主要因素有哪些六、铝合金高强铝合金最常见缺陷Al2O3与铝的熔点七、钛合金优点吸氧的条件、有何影响变形与校正八、不同金属的焊接1、以焊接材料为主，熔合被焊材料2、过渡层：（熔合比高）影响性能，3、保证化学成份（耐蚀性）4、对较弱一方表面加强保护过渡工艺规程编制示例§1－4焊后热处理整体或局部加热至金属材料相变温度以下，保温后均匀冷却。一、目的1、残余应力的释放—加热温度；保温时间2、稳定结构的形状与尺寸3、改善接头、母材力学性能二、参数规范1、加热温度、及速度2、保温时间3、冷却速度三、实施方法1、炉内加热（炉）：整体、分段2、炉外加热（电－热）：局部四、需要热处理的条件第二章壳体的制造准备预处理、划线§2－1预处理包括净化、矫形、涂保护漆一、净化1、作用：主要为耐腐蚀。内容为除锈、除氧化层、除油污。2、方法：A、喷砂B、抛丸C、化学净化（根据材料选择）酸洗：针对钢材，主要用稀盐酸与硫酸除油：有机溶液、碱溶液清理完成后的氧化、磷化、钝化（针对铝与不锈钢）3、设备的净化机械清洗：拆解、主要在干燥环境化学清洗：整体、废液问题二、矫形纠正前生成环节发生的超允许误差的变形1、钢材要求及常见偏差表6－13、6－142、方法机械式：常温（冷）下施加变形力。（表6－15）拉、压、辊式、型钢矫正火焰式：利用局部温度产生塑性变形后的冷却造成局部收缩改变材料整体形状。§2－2划线在坯料上划出下料、加工要切割的位置线包括展开计算与放样等。要考虑所有后续工序所需的尺寸要求（切割、坡口、焊缝、变形等）。一、展开计算1、可展形状A、圆筒中性层、板厚、公称直径、高、低压筒节B、圆锥2、不可展形状近似展开。等弧长、等面积、经验法。例：（板书）二、号料（放样）切割下料线尺寸=展开计算尺寸－卷制伸长＋焊缝收缩－焊缝坡口间隙＋边缘加工余量＋切割余量＋划线公差除以上因素，还必须考虑排料的合理。三、标记第三章成形加工板料弯卷、封头冲压、弯管§3－1弯卷钢板在卷板机上弯卷成圆筒（锥）形。有冷卷与热卷一、冷卷1、变形率、临界变形率（规定－热处理）2、最小半径二、热卷在再结晶温度（0.4T熔）以上进行的弯卷。要控制好最高温度与加热速度。三、卷板机与工艺1、三辊式（各种图形与调整计算板书）2、四辊式3、立式4、卷板机主要参数表7－1。最小直径Dmin=1.15~1.2d15、使用条件改变调整厚度A、材料B、宽度C、卷曲直径6、回弹估算计算Dn’、Dl7、减薄量§3－2封头制造一、封头形状与参数表7－4二、冲压分为冷、热冲压。条件为：材料、厚度与毛坯直径比d/D0加热、润滑、设备1、应力与变形A、径向力B、切向力sr=(sstlnD0/Dm+2lQ/pdDm)(1+1.6l)+dsst/(2r+d)st=-ss(1-lnD0/Dx)2、压边力Q1Q2Q33、冲压力P1、P2、P3三、旋压§3－3弯管一、受力分析外侧受拉并产生指向圆心的径向力，内侧受压并产生背向圆心的径向力。使得管孔受弯后发生径向压扁的椭圆变形。二、方法1、手动2、机动4、气焊用可然气体（乙炔）与助然气体（氧）混合燃烧产生的热量（火焰），熔化焊丝与被焊材料进行焊接。特点：设备简单、操作方便，热量分散、热影响大变形大、生产效率低。常用作加热源。5、焊接新技术A、等离子弧焊利用离子气压缩电弧，形成小面积内的极大电流密度，造成压缩电弧温度极高。三个压缩：水冷喷嘴、气流包围、磁场吸引。特点：焊接难焊接材料、单面双焊（小