【工程材料成型】过程装备制造课件.ppt

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1、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11 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

2、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）

3、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12 压力容器的焊接接头一、分类 按受压部位

4、不同，GB1501998二、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，保证焊透焊透。基本形态：12 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

5、、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

6、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、焊接规范焊接规范（参数综合、变化）（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

7、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68 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800500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、

8、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

9、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

10、定，可控。条件合适可行成细小高速的连续过渡。短路过渡短路过渡：熔滴接通两电极形成短路，造成电弧断续。混合过渡：混合过渡：B、影响过渡类型的因素 电流大小电流大小 电弧力逐渐加大，形成喷射过渡。焊丝材料与焊丝材料与大小大小 导热性好不易形成射流。气体成份气体成份 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

11、裂纹少、方位广、成本低。技术复杂13 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 包括工艺工艺性与使用使用性，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

12、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）、t100 C、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

13、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14 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

14、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21 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

15、误差的变形 1、钢材要求及常见偏差 表613、614 2、方法 机械式：常温（冷）下施加变形力。（表615）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。22 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

16、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31 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71。最小直径Dmin=1.151.2 d1 5、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、Dl 7、减薄量32 封头制造 一、封头形状与参数 表74二、冲压 分为冷、热冲压。条件为：材料、

17、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 Q1 Q2 Q3 3、冲压力 P1、P2、P3三、旋压33 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。

18、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（小孔效应）、电弧稳定、热量集中变形小、生产率高。6、激光焊 位置、深度准确 7、其他 超声波焊、爆炸焊六、压力焊 1、电阻焊：利用接触区产生的电阻热，使局部金属熔化后，在压力下焊接形成接头。A、对焊 电阻对焊：先压后电 闪光对焊：先电后压。小面积熔化 B、点焊：C、缝焊 2、摩擦焊 利用摩擦产生高温，使接触区熔化，在压力下焊接成形。特点：组织致密、可焊不同材料（固溶及扩散），氧化层、摩擦系数小不易焊。裂纹 热（高温）裂：晶

19、界间在熔合时受FeS的影响结合力较差，在内应力的作用下产生裂痕。冷裂：由于磷共晶物冷脆，在弹性状态下受拉或发生应力集中，产生裂纹。防止：P、S含量（内）、减低内应力过程装备的检测概述一、检测目的与范围 目的：提前消除影响安全的因素，保证可靠运行。范围：对原材料、设计、制造、安装、运行、维修所有各环节。二、方法1、标准：法规，包括要求与手段。2、分类41 定期检测一、外部检测（每年不少于一次）主要对设备外部与操作工艺进行检查。1、完整 2、变形、锈蚀 3、连接处泄漏 4、安全装置 5、支承 6、读数工作指标二、内外部检测（三年一次，腐蚀性调整）停止工作状态下，需确定能否继续使用。1、外部全部 2

20、、内壁完整 3、内壁缺陷三、全面检测（正常六年一次，1、内外部全部 2、焊缝探伤（抽检）、主螺栓探伤 3、耐压试验42 常规检测一、直观 感觉器官、放大打磨、照明、敲击二、工具 平直尺、样板、测厚（钻孔需补焊）、焊缝检测尺三、理化检测 检验材料及接头的力学性能、金相组织。常规无损检测方法有：超声检测 Ultrasonic Testing（缩写 UT）；射线检测 Radiographic Testing（缩写 RT）；磁粉检测 Magnetic particle Testing（缩写 MT）；渗透检验 Penetrant Testing（缩写 PT）；涡流检测 Eddy current Test

21、ing（缩写 ET）；非常规无损检测技术有：声发射 Acoustic Emission(缩写 AE)；泄漏检测 Leak Testing（缩写 UT）；光全息照相 Optical Holography；红外热成象 Infrared Thermography；微波检测 Microwave Testing 43 射线检测一、产生和性质 1、X射线 真空管内加热灯丝放出电子，高速撞击阳极，产生少量X射线（波）2、g射线 由物质衰变放出射线 3、性质 直线传播、能穿透金属材料（但会衰减）、不同材料界面处有反射、折射、干涉现象、能使胶片感光、能杀死生命细胞。二、检测原理 利用不同的衰减造成强度的变化,使

22、感光度变化（深）。三、条件 1、射线源（能量）能量尽可能低 2、胶片 3、象质计 成像度基准 灵敏度（分辨率）的计算例：书31 24 4、几何不清晰度 ug/dOD/OA ug=dL2/L1 焦距：F=L1+L2（F范围500-1000）控制ug按检测厚度分级 5、透照厚度比 KT/dT/T1.1（环缝、A级）控制横向裂纹检出角，防止漏检四、评定 1、要求：底片质量、观察条件、人员资格 2、焊缝分级：四级（多数与位置无关）评定时按 单位面积、形状、数量、大小五、过程六、防护 1、标准：器官分级、照射当量、时间 2、方法：时间、距离、屏蔽（密度大）3、损伤因素：射线的种类和能量、剂量及剂量率、照

23、射方式（多方向、多次、间隔时间）照射部位与面积44 超声波检测一、基本概念 频率高于20000Hz的波，频率高波长短 1、性质：指向性好，强度高，不同介质产生反射，穿透力强（现今最强的一种），对人体无害 2、分类 纵波 横波 A、声压分布 P在未扩散区有效，截面上中心最高。B、反射与折射 反射率g与介质的声阻抗差相关，钢大于气体，g接近100 透射率K与介质声阻相关，第二声阻增大 有利，故需有耦合剂。C、直探头（纵波）无缺陷时有两反射波 D、斜探头（横波）3、设备 A、探伤仪：按显示方式分为A类，B类。A类横坐标为传播时间，纵坐标为反射波幅度。按反射波出现的时间判断是否缺陷 B、探头 直探头：

24、纵波，用于检测钢板、轴等 斜探头：横波，检测焊缝 入射点、前沿长度、折射角K C、性能参数 D、耦合剂 E、试块 为校验探伤仪、探头等设计和制造的标准反射体。二、检测过程 1、准备：A、调节扫描速度 B、调节灵敏度 2、校正仪器：绘制距离波幅曲线，设定三线 3、工件参数 调定工件反射波在仪器的显示参数。4、检测 移动区跨度 P2Kd 即一个反射周期，保证能检测焊缝全高。K值的确定 用试块圆孔的反射波，找到试样刻线读出。厚板取小，薄板相反 定位：根据缺陷波出现时探头所在位置，可计算出缺陷实际位置。XLKd(ob/oc)Yd(ob/oc)定量：当量法、测长法、底波高度法 定性：根据波形确定缺陷是哪

25、种（如气孔、裂纹、夹渣、未焊透、未熔合等）5、评定 检测按难度（全面）分为A、B、C三级。结果分级：按反射波波幅达到波幅曲线的位置分为I、II、III、IV级。45 表面检测 对表面及近表面缺陷进行的检测一、磁粉检测 利用缺陷造成的漏磁磁场，形成磁粉在表面的磁痕。1、特点 适用能被磁化材料的表面或近表面缺陷，直观、灵敏度高，工艺简单。2、条件 A、磁化 通过各种形式产生磁场。B、灵敏度试片 C、磁粉 荧光（配黑光灯）、非荧光 D、退磁 3、评定二、渗透检测 利用液体的毛细现象检测材料表面细小开口裂痕。过程：机器制造的质量概念一、工艺过程 生产过程：原材料转变为成品的全过程。工艺是其中一部份。按

26、一定顺序改变生产对象形状、尺寸等。机械工艺过程则是通过机械加工方法实现的工艺过程。工序、安装、工位、工步 生产纲领（年产量）；工艺规程（规范）二、工件基准与定位1、基准：零件上确定其它几何要素的依据。设计基准、工艺基准（其中有定位基准）2、定位：使工件在加工前确定正确位置 6自由度概念。完全定位：6自由度全部被限制。实现：通过约束点的组合（例：长方体）夹紧三、加工方法选择1、经济精度（成本与精度关系图）2、工序分配模式 集中：只用少量的工序完成 分散：将加工内容尽可能分解成小的单元 例：封头的制造四、工序尺寸1、工艺尺寸链 封闭环、组成环；计算（例）五、机械加工精度与表面质量 误差影响精度。误

27、差的存在是必然的1、几何误差 原理、机床（主轴、导轨、传动）、装夹、刀具、调整等。（各三分之一）2、受力、受热变形误差（包括残余应力）3、表面质量 表面粗糙度与表面物理性能 影响及改善 六、装配精度 所有设备均由零件组合并形成一定关系而成，按要求将零件配合与连接即为装配。装配精度组成：尺寸、位置、运动、接触 装配尺寸链：由各零件相关尺寸组成。最后形成的尺寸即为封闭环，同样也存在增减。组成环最少原则 计算方法：极值法往往造成加工困难（因为同时出现概率小），故用概率算法机械连接方式焊接分类电弧焊电弧焊示意电弧形成药皮成分焊条分类及代号焊接热影响组织焊缝形状热影响区宽度焊接热变形过程各种变形反变形1反变形2反变形3CO2等离子摩擦焊1摩擦焊3 2、组织与性能 构造：阳极、阴极、弧柱 温度分布：阳极温度高于阴极 正接与反接 电弧特点：局部高温、条件简单。四、各种材料的焊接性能 在一定焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度 1、低碳钢：塑性好，冷裂倾向小。2、中、高碳钢：预热。高碳钢修补。3、铸铁：补焊。预热或靠焊条调整。4、铝合金：氧化严重。反接或交流电源CCT