储水筒筒体焊接工艺设计
一、任务描述
按给定的基本母材设计压力容器椭圆形型封头与设备筒体处的焊接接头型式及坡口型式,选择合适的焊接方法及焊接材料
二、焊接母材304不锈钢简介
304不锈钢是一种通用性的不锈钢材料，防锈性能比200系列的不锈钢材料要强。耐高温方面也比较好，一般使用温度极限小于650℃。304不锈钢具有优良的不锈耐腐蚀性能和较好的抗晶间腐蚀性能。对氧化性酸，在实验中得出：浓度≤65%的沸腾温度以下的硝酸中，304不锈钢具有很强的抗腐蚀性。对碱溶液及大部分有机酸和无机酸亦具有良好的耐腐蚀能力。
304不锈钢化学牌号为06cr19ni10
304不锈钢化学成份
C Si Mn P S Cr Ni Mo
≤0.08 ≤1.00 ≤2.00 ≤0.15 ≤0.03 18.00-20.00 8.00~10.50 -
物理性能：
抗拉强度 σb (MPa)≥520
条件屈服强度 σ0.2 (MPa)≥205
伸长率 δ5 (%)≥40
断面收缩率 ψ (%)≥60
硬度：≤187HB;≤90HRB;≤200HV
三、TIG焊工艺
TIG焊又称钨极氩弧焊，是一种非熔化极惰性气体保护焊，其工艺过程：在惰性气体保护下，通过钨极与薄壁不锈钢板之间产生电弧产生的热熔化钢板的对接而形成熔池来产生焊缝，属于自熔化焊接。不锈钢薄板采用钨极氩弧焊比其它焊接方法有非常好的优越性能：焊缝质量高；电弧热量集中，功率密度大，热影响区小；单面焊双面成型，明弧操作，便于对电弧熔池的观察；板材表面及焊缝质量好。
因此，采用TIG焊接方法对薄壁不锈钢板进行焊接适应了现代产品高质量的要求，是焊接生产由手工向自动化发展的标志。
焊接电流
焊接电流是钨极氩弧焊最主要的工艺参数，电弧热量正比于焊接电流，要改变电弧功率主要通过改变焊接电流的大小来实现。焊接时，增加焊接电流可以增加熔深和熔宽，即可焊的板厚增加。在焊接条件和其它工艺参数不变的情况下，一定厚度的薄壁不锈钢板的焊接电流只能在一定范围内调节，超出此范围，就会产生焊接缺陷。
焊接速度
焊接速度与线能量有关，线能量反比于焊接速度，焊接速度决定着对每单位长度焊缝所提供的能量，同时影响熔深和熔宽，焊接速度的快慢直接影响焊缝的质量。如果提高焊接速度，线能量将会降低，可避免金属过热，减少热影响区，熔深和熔宽也减小。因此在保证焊接质量的前提下，尽量提高焊接速度。但焊接速度过快会产生保护效果差，焊缝正反面不均匀和未焊透等缺陷。所以在钨极氩弧焊的时候，焊接速度比较才能保证焊接质量。
电弧电压和电弧长度
电弧的热量也正比与电弧电压，根据钨极氩弧焊的电弧静特性，焊接过程中电弧电压只与电弧的高度有关，而对焊接电流影响很小。因此，在焊接电流一定的情况下，改变电弧电压可以电弧的功率。电弧电压和弧长存在一个简单的线性函数关系，当弧长增加时，电弧电压成正比增加，电弧功率增加。但电弧长度超出一定的范围后，在弧长增加的同时，弧柱的截面积也增加，热效率降低，保护效果变差。焊接时电弧长度对热影响区有直接的影响。薄壁不锈钢板焊接时，钨极伸出喷嘴的长度一般在8-10mm左右，电弧的长度控制在2mm左右为最佳。
4、焊接电极
钨极氩弧时采用的电极材料一般为铈钨和钍钨，焊接时要求电极有发射电子能力强、容易引弧、电弧的稳定性好，尤其在高温的时候不易熔化，许用电流大等性能。目前被广泛使用的铈钨具有电子逸出功比钍钨电极低10%；弧束细长，热量集中，可提高电流密度5-8%；使用寿命长，是钍钨的一倍；引弧容易、方便、稳定优点。所以，铈钨的使用率更高。在选定电极材料后，要根据焊接电流的大小选择合适直径的电极，不同直径的电极有不同电流使用范围见表4.1。另外钨极的形状对焊接有一定的影响。电极端部的锥角α和端部平台直径对电弧的稳定和焊缝成形有重要的影响。端部角度如果太小，电流密度将提高，焊缝容易产生弧坑，所以不同直径的钨极α角和平台要求是不一样的，具体见表4.2。
表4.1
|
直径 电流 |
1 |
1.6 |
2.4 |
3.2 |
4.0 |
5.0 |
|
直流正接 |
15—80 |
70—150 |
150—250 |
250—400 |
400—500 |
500—750 |
|
直流反接 |
|
10—20 |
15—30 |
25—40 |
40—55 |
55—80 |
|
交流 |
20—60 |
60—120 |
100—180 |
160—250 |
200—320 |
290—390 |
表4.2
|
钨极直径l mm |
1.0 |
1.0 |
1.6 |
1.6 |
2.4 |
2.4 |
3.2 |
3.2 |
|
端部直径d mm |
0.125 |
1.25 |
0.5 |
0.8 |
0.8 |
1.1 |
1.1 |
1.5 |
|
端部角度 α° |
12° |
20° |
25° |
30° |
35° |
45° |
60° |
90° |
保护气体
TIG焊所采用的保护气体一般为氩气。氩气是一种单原子惰性气体，它即不与金属反应，也不熔于金属中，本身的导热系数小，高温时不分解。但用氩气作为保护气时焊接速度慢，生产效率低。
用Ar+H2混合气体可以提高电弧能量，增加焊接速度。在氩气中加入氢气，可以提高电弧电压，从而提高电弧热功率，增加熔深，提高焊接速度。表4.3是在其它工艺参数一定的情况下，分别用Ar和Ar+H2作为保护气时的焊接速度比较。
表4.3
|
保护气种类 |
板厚mm |
焊接电流A |
焊接速度mm/min |
|
Ar |
0.5 |
30 |
400 |
|
Ar |
1.0 |
60 |
300 |
|
Ar+ H2 |
0.5 |
30 |
800 |
|
Ar+ H2 |
1.0 |
60 |
800 |
可见，采用Ar+ H2混合气体可明显提高焊接速度。用Ar+ H2混合气体焊接1.6mm以下的不锈钢板对接接头，焊接速度比纯氩快50%，此外还有防止咬边和抑制CO气孔产生作用。因此，采用Ar+H2混合气体不仅可以获得优质焊缝而且还可以保证焊接生产效率，克服了氩弧焊速度慢的缺点，是逐渐被接受的保护气体。
四、焊接操作
在不锈钢薄板的TIG焊过程中，要获得高质量的焊缝，除板材、焊接设备、焊接专机外，操作技术和焊接工艺参数也很重要。据多年焊接经验，焊接不锈钢薄板时要注意以下几点：
工件在焊接之前，必须进行除油和除锈处理，保证工件被焊面无弯曲和毛刺。
工件在焊接过程中，会自动收缩变形，所以在工件装夹的时候，起焊位置不锈钢板要对紧，而在结束焊接的位置两不锈钢板对接面之间要留一定的间隙，来留给工件自动收缩。如果不留间隙，则在焊接过程中，会产生焊缝搭接现象，会造成未焊透的焊接缺陷。表4是不锈钢薄板焊接时焊接结束位置留有间隙大小。
表4.4
|
板厚/mm |
0.5 |
1.0 |
1.5 |
2.0 |
2.5 |
3.0 |
|
间隙/mm |
2 |
2 |
1 |
1 |
0.5 |
0.5 |
在焊接过程中，要保持电弧长度不变和电极始终在焊缝的中心位置。电弧长度的改变会影响电弧的热功率，使焊缝背面成型不均匀，严重的会造成焊穿或未焊透等缺陷；电极偏离焊缝中心会造成两板材受热不均，出现未焊透和焊穿缺陷。
下表是不锈钢薄板焊接的工艺参数：
表4.5
|
|
焊接电流/A |
焊接速度/mm/min |
电极直径 /mm |
正面保护气/Ar+H2 |
背面保护气/Ar |
托罩气/Ar |
电弧高度/mm |
|
0.5 |
30 |
800 |
1.6 |
12 |
3 |
10 |
1.5-2 |
|
1.0 |
60 |
800 |
2.4 |
12 |
3 |
10 |
1.5-2 |
|
1.5 |
115 |
700 |
2.4 |
12 |
3 |
10 |
1.5-2 |
|
2.0 |
155 |
500 |
2.4 |
12 |
3 |
10 |
1.5-2 |
|
2.5 |
180 |
300 |
2.4 |
12 |
3 |
10 |
1.5-2 |
|
3.0 |
215 |
200 |
2.4 |
12 |
3 |
10 |
1.5-2 |
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