焊接生产的材料加工工艺
文/凤巢
焊接生产过程可以归结为焊接生产由制造焊接结构的材料(包括基本金属材料和各种辅助、填充材料，外购毛坯和零件等)经设备(材料准备设备、装配焊接设备等)加工制成产品的过程。这个过程的主体是参加生产的工作人员，包括直接(基本生产工人、辅助工人、工程技术人员)和非直接(管理人员、服务人员)生产人员、检验人员。当然还需要开动机器的能源(即动力)和一定的生产空间(即生产的车间场地)才能进行这个生产过程。所以说焊接生产是由材料、设备、场地、动力和工作人员所组成的，它们就是焊接生产的组成部分。
今天小编就跟大家一起学习焊接生产的材料加工工艺及装配、焊接工艺。
1.材料加工工艺
包括钢材预处理在内的焊接生产的材料加工指装配焊接前的准备、加工，这是指对绝大多数焊接结构的基本材料—金属轧材的一系列加工，如包括矫正(校直)、清理、表面防护处理、预落料等的钢材预处理;划线(号料)、切割(下料)、边缘加工、成形(包括弯曲)及焊前的坡口整理等。它约占全部加工工作量的25 %~60 %。如果材料的加工工艺不良，即毛坯质量差，或是尺寸误差大，缺乏互换性，或是坡口加工不合适，或是零件不规矩、有变形等，这都使装配困难，焊接质量下降，有时根本不能装配，需要修整，从而大大降低了生产效率。采用机械化和自动化装配焊接技术，则要求更加严格，否则将产生焊接缺陷，故为获得稳定的焊接生产过程，保证优良的产品质量，制定合理的材料加工工艺是很重要的。下面分述几种主要的材料加工工艺：
(1)钢材的预处理
1)矫正：由于运输、储存及轧制、冷却等环节使轧制钢材发生波浪、整体弯曲、局部凸起、边缘折弯等不希望有的变形，还有些轧材，如5mm厚或更小厚度的钢材是成卷供货的，在投人焊接生产前必须展平矫正，否则将影响划线、号料、切割等工序的精确度。材料加工过程(如热切割)中产生的变形也需要矫正，这种矫正称为第二次矫正。据统计10%~100%的钢板和扁钢(依厚度不同而有差别)，10%~20%的型材需要矫正。矫正通常在冷态下进行。冷矫正(弯曲)过大，会使材料变脆，故为限制过大的塑性变形，对冷矫正和冷弯曲作出了限制，表5 -15所示是国家标准“钢结构工程施工质量验收规范”( GB 50205-2001)所作的规定，按此规定矫正的相对变形量不大于1%。为防止低温下冷矫正(和冷弯曲)钢材发生脆性断裂，规范规定碳素结构钢在-16℃、低合金结构钢在-12℃以下的环境温度下，不得冷矫和冷弯。超过表5-15规定范围矫正和弯曲需进行加热，加热一般不得超过900℃。加工或施焊过的毛坯进行二次矫形时应限制焊缝余高，或去除余高，目的也是防止接头区过大的塑性变形。现代焊接生产中多使用机床进行矫正，极少用手工矫正。使用钢板矫正机可矫正钢材厚度0. 5~50mm，它是利用多辊反复辗压的原理达到校正目的的。小的和中等截面的型材也可用多辊型材矫正机矫正，但工字钢、槽钢及大截面型钢则要用型钢调直压力机进行矫正。在一些情况下，特别是钢材二次矫正或焊件的矫形还常常使用火焰矫正，其原理是利用气焊或气割的焊、割矩或专用的火焰矫正加热枪，加热被矫正钢材或焊件的变形部位，如纤维伸长变形部位，使之产生压缩塑性变形，然后令其迅速冷却，伸长纤维缩短了，从而消除了变形。
矫正后的钢材表面，不应有明显的凹面或损伤，划痕深度不得大于0. 5 mm，且不应大于该钢材厚度负允许偏差的1/2。钢材矫正后的允许偏差也即转人下一步工序前钢材允许变形值，见表5 -16。
2)表面清理和表面防护处理:清除钢材和零件表面的锈、油污和氧化物等是焊接生产中常被忽视的一道工序。这样做的结果可能破坏正常的生产，如使数控切割的连续进行受阻；采用高效的焊接方法困难，甚至不能进行，如埋弧焊、窄间隙焊、电阻点焊和缝焊等。清理的方法主要有两类：机械法和化学法。前者包括喷砂或喷丸、手动风(电)砂轮或钢丝刷或砂布打磨、刮光或抛光等。后者即用溶剂进行清理，有较高效率，质量均匀且稳定，但成本较高，并可能对环境造成污染(如对废液和空气的处理不达标的话)，常用的方法是在稀硫酸(质量分数为2%~4%)槽浸泡，再到石灰液(质量分数为1%~2%)槽中中和，后进行干燥。
表面清理后如果没有及时投产，还会继续生锈。表面防护处理是在完成矫正和清理后的钢材表面喷涂底漆(可导电的)并烘干的工序。我国在造船、重机、锅炉和工程机械等行业中已经建设了20多条包括矫平、喷丸除锈、40℃预热、酸洗磷化、喷涂底漆和烘干(60 ℃ )等工序在内的由专用设备组成的钢材预处理生产线。
(2)放样、划线与号料 该工序用以检查设计图样的正确性，确定零件的毛坯下料尺寸，以及制样板等。将设计结构按1:1比例绘制出来(放大样)即称为放样。放样是精确、细致、技艺较高的工作，对以后加工有很大影响。一般放样在放样间进行，为提高放样效率和质量，现代焊接生产中采用光学放样和计算机放样。
将待加工零件或毛坯划在金属材料上，以便切割或装配，此工序称为划线，而用样板划线则称为号料。划线和号料都在专用的平台上进行，划线平台应在起重机活动范围内。当采用仿形样板下料或是采用数控切割机下料时，可不预先进行划线和号料。
(3)切割 焊接生产被称为金属裁缝，所以各种金属材料的切割下料是重要的工步。绪论中已经介绍了焊接生产中下料工艺的重大进步，主要指机械化和自动化的热切割工艺，加上热切割本身的进步，原先那种认为热切割生产效率低，切口质量差的概念发生了根本的改变。有的工厂厚6mm以上的全部或大部分钢材都采用机械化和自动化(数控)的热切割工艺下料，并且省去划线、号料工步，使切割质量大大提高，许多产品的边缘是机械化热切割的产物，切口光滑，零件尺寸正确，使产品质量大为提高。
另一类切割为剪切切割，这类切割相对于大量的手工热切割来讲称为机械切割。它通常是在常温下进行切割，常用剪床(龙门剪床)、圆盘剪、冲床、联合冲剪机等设备。它的动作和家用剪刀类似，在上、下刀之间的切口处，金属发生挤压、弯曲、剪切而分离，这种切口会发生冷作硬化，被切开的金属发生整体的扭曲塑性变形。大多剪切设备只能切割直线，极少的剪床可切出坡口。最大切割厚度对于龙门剪床不大于40mm，而切非直线切口的圆盘剪，则可切割的最大厚度为20~25 mm。对于型材，除可用联合冲剪机进行剪切外，还有使用圆盘无齿锯、工具钢带锯床或接触电弧火花锯加工的。采用上述剪切、锯切下料，由于设备多是固定的，常常配有单独的起重运输设备和辊道，并在车间的起重设备工作范围之内。即使如此，工人的劳动强度仍较大。
(4)弯曲及成形 焊接结构的制造中弯曲及成形工作占有很大比重，某些结构的金属材料80%~90%需经过弯曲及成形加工。例如长输管道结构、锅炉、压力容器、球形容器及其他化工石油设备都属于这一类结构。绝大多数弯曲及部分成形加工是在冷态下进行的，目的是为防止变形过大而引起冷作硬化，材料力学性能下降，故规范规定了冷弯的最小曲率半径和最大弯曲矢高，见表5 -15。超过此范围可采用加热至900~1000℃的热成形和弯曲(卷板)，在温度降至7000℃（碳钢）和800℃(低合金结构钢)之前应结束这种加工，并使工件自然冷却。同矫形一样规定了冬天加工的最低温度。目前弯曲加工仍采用辊式弯板机，又称为卷板机、辊床。弯板机常用三辊形式，也有采用四辊的弯板机。现代弯板机(如PSIO)可冷卷钢板最大厚度为190mm，热卷板厚可达380mm，板长达3. 6m，是一种下辊可作水平移动的三辊弯板机，主要用于卷制核反应堆厚壁压力容器。国内制造和使用的卷板机，冷卷钢板的厚度也都在60mm以上，长度分为1. 5~2m, 2. 5~3m, 8~13m等多种系列。三辊弯板机卷圆时钢板头上有一长为α的直边，如图5 -21 b所示，称为剩余直边。改善办法如图5 -21 c所示，利用厚板制成的模子进行预弯(预弯亦可在压力机上利用模子压制出来)；也可用四辊弯板机弯曲，如图5-21d、e所示；也可以先弯成带α直边的圆筒毛坯，焊完纵焊缝(不焊满)后，再套入辊床予以校正。图5-21f是两下辊可水平移动(或上辊作水平移动—相对两下辊水平移动)的三辊卷板机进行消除剩余直边的卷圆工艺的情形。板厚小于6mm的薄板，利用下辊带有聚氨醋制弹性外套的两辊卷板机也可完成没有剩余直边的卷圆(图5-21h) 。
实际上各种预弯方法都仍存有一些直边，只要是在卷圆圆度误差范围内，即容许，如板厚为δ，各种方法的剩余直边见表5 -17。
为防止卷圆时产生扭斜，卷圆开始时工件送进务必对中，对中使得工件的母线与辊子的轴线平行。三辊卷板机设有保证工件对中的挡板，也可用倾斜进料方法，让一个下辊起对中的挡板作用；四辊卷板时，可将一侧辊上升当作挡板。
卷圆工艺分一次进给和多次进给。取决于工艺限制条件和设备限制条件，即冷卷时不得超过允许的最大变形率和板、辊之间不打滑，不得超过辊子的允许应力与设备的最大功率。一次进给不能满足则可多次进给完成卷圆。卷板机设备说明书给出的最小弯曲半径系指一次进给卷制机器规定的名义规格板材时的最小弯曲半径，多次进给时最小弯曲半径可以接近上辊半径。卷圆进给次数越少，效率越高，而圆度误差相对大一些。卷圆时总是在工艺、设备条件和圆度误差允许范围内以最少、或一次进给完成卷圆，以求达到最高的生产率。
考虑到冷卷时钢材的回弹，卷圆时必须施加一定的过卷量，即使回弹后工件的直径为加工图要求的工件直径。故滚卷时应用回弹前工件直径决定各工艺参数。回弹前筒体半径R'依据加工件半径R(中径之半)、截面形状系数K1、钢材相对强化系数k0、板材厚度δ、钢材屈服限σs和弹性模量E，参考以下公式计算。
式中m——决定于R，δ的常量，
。
其他符号如前所述；K1——对于常进行卷板的矩形截面可取为1.5；钢材相对强化系数k}对于Q235-A可取11. 6；如Q345 (16Mn)可取14； 18MnMoNiR可取为17. 6等；而屈服极限σs。分别可取为240MPa, 350MPa和520 MPa等，而E取为2. 1 x 105MPa。则可利用上式根据图样要求的卷制筒体内径D、板厚δ计算出回弹前筒体内径d：
已知回弹前的筒体半径R'，利用几何关系可以求得对称和不对称的三辊卷板、四辊卷板时的几何参数。例如在对称三辊和四辊卷板时，已知下辊中心距、筒体壁厚、上下辊半径以及弹前的筒体半径为R'，则可确定滚卷时上下辊中心的合适距离。在不对称三辊卷板时，可确定滚卷时上辊左位置角与上辊相对位置角，上辊偏离两下辊中心距，上辊从最高位下压的距离，如图5 -21f中α、β、x和y等卷板参数。
不对称三辊卷板机上下辊之间最大距离设为H(这可查设备参数获得)，上下辊的直径分别为Da、Db，则可计算出上辊压紧工件的下移量y1：
因为不对称卷板，上辊将偏于一侧(如5 -21f中的中图)，将上辊施力线和筒体中心与偏离侧下辊中心之连线的夹角a称为左位置角，筒体垂直中心线也即两下辊的中心线和筒体中心与另侧下辊中心连线的夹角刀称为相对位置角，则可得:
式中B——剩余直边(即前设为α），在三辊不对称卷制条件下，B大大减小，B = kδ，此处
k为剩余直边系数，最小可取为1.5，δ为板厚；
l—为两下辊中心距(见图5-21f)，其余符号同前。
如用H'表示卷成回弹前筒体中心与两下辊中心距，则有：
相对此中心，在不对称卷板时，上辊垂直位置和水平位置y和x可由下式计算:
当计算结果y为正，表示卷成回弹前筒体中心向上；二为正，表示卷成回弹前筒体中心向右，有了这些参数，即可进行三辊不对称卷板。如果将其编程，则可供数控三辊卷板机进行数控自动卷板。
当需要热卷时，如前所述正确控制卷制的温度。加热炉应布置在卷板机附近，这一距离在6~10m左右，视加工工件和设备的尺寸确定。热卷没有回弹，因此不用过卷。对于不允许冷卷的薄板，若用热卷则因刚性太差，吊运困难，则可以采用温卷，所谓温卷，即加热温度在金属再结晶温度以下、蓝脆温度以上。
弯曲成形的零件采用弧形样板检查。当零件弦长小于或等于1500mm时，样板弦长不应小于零件弦长的2/3；弦长大于1500mm时，样板弦长不应小于1500mm。成形部位与样板的间隙不得大于2. 0mm除技术要求有单独规定外，卷曲筒体尺寸允差可参考表5 -18。
三辊卷板机上辊中心线与下辊中心线构成一角度时，则可加工圆锥形工件。此时，由于工件受到较大的轴向力，要进行打滑的验算，三辊卷板机都规定了本机可卷制的锥体最大锥顶角，图5 -21g为弯制锥形筒的情形。
复杂曲面形状的成形一般在压力机上利用模子压出来，如封头、球罐的球瓣、翻边的锥体、翻孔的筒体、翻边的管接头、弯头瓣等，如图5 -22所示。这种加工多需加热，但也可用冷压。焊接车间的压力机与锻造车间的压力机不同，前者尺寸大。口前封头还采用旋压方式加工，效率和质量都较好。特大或形状特别、加工数量小(或单件)的工件也可用爆炸方法成形。大批大量或薄板成形(如汽车)利用冲压机加工，特点是效率高，外形尺寸十分精确，成本低，有较高的技术经济指标。一些大型结构的平板构件，如集装箱、火车车箱、轮船的舱壁、化工石油设备中的板式换热器等。采用的冲压起棱板(波纹板，图5 -22)也是在大型冲压机上冲压成形的。
焊接结构中还时常遇到开孔，一种是栓焊结构(或铆焊结构)的螺栓(铆钉)孔，它大多采用钻床，也有用冲孔法完成的。另一种是锅炉和压力容器中的管孔、手孔、人孔、管节点相贯的孔等，少数用摇臂钻加工，大多用热切割加工，过去相贯孔精确的加工采用样板切割，但质量不理想，现代发展了数控切割，大大提高了切割的质量和效率。
