【正文】 礎(chǔ)建設(shè)的不斷發(fā)展，水泥需求量越來(lái)越大，水泥生產(chǎn)設(shè)備向大型化發(fā)展，特別是水泥磨機(jī)越做越大，結(jié)構(gòu)也有了新的發(fā)展。20世紀(jì)80年代國(guó)際上曾預(yù)測(cè)，認(rèn)為水泥磨機(jī)合理的最大規(guī)格直徑為5米，但世界上水泥磨機(jī)向大型化發(fā)展的步伐一直都未停止過(guò)。隨著水泥磨機(jī)大型化的趨勢(shì)，對(duì)水泥磨機(jī)各方面的要求也更為嚴(yán)格，例如對(duì)水泥磨機(jī)筒體焊接質(zhì)量的要求；對(duì)軸承可靠性、使用壽命；水泥磨機(jī)能耗等要求等都在不斷提高。就我國(guó)國(guó)內(nèi)水泥磨機(jī)的發(fā)展而言，雖然我國(guó)在水泥磨機(jī)大型化方面努力創(chuàng)新突破，但與國(guó)際水平還存在一定的差距，國(guó)外水泥磨機(jī)技術(shù)和設(shè)備一直在不斷發(fā)展。對(duì)于水泥磨機(jī)的一些高端技術(shù)不能把握。水泥磨機(jī)的除了想大型化發(fā)展外，另一個(gè)發(fā)展方向是降低電耗和鋼耗。老式磨機(jī)裝載量小，耗電高，產(chǎn)量低，粉磨效率低。目前大球磨機(jī)普遍采用液壓動(dòng)力和靜壓軸承、氣胎離合器、齒輪潤(rùn)滑使用噴油裝置等新技術(shù)，使磨機(jī)整體技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)效益得到較大提高，單位電耗平均下降20%，生產(chǎn)能力增加10%，鋼耗下降4%。167。水泥磨機(jī)筒體的筒身是用低碳鋼彎曲焊接成圓筒體，工藝上應(yīng)保證有足夠的圓度，中間開(kāi)加料、卸料或入孔的開(kāi)口。水泥球磨機(jī)主要由柱形筒體、襯板、隔倉(cāng)板（多倉(cāng)磨機(jī)才具備）、主軸承、進(jìn)出料裝置和傳動(dòng)系統(tǒng)等部分組成。 水泥球磨機(jī)的筒體是水泥球磨機(jī)主要工作部件之一。筒體工作時(shí)除承受研磨體的靜載荷外，還受到研磨體的沖擊，且筒體是回轉(zhuǎn)的，所以筒體上產(chǎn)生的是交變應(yīng)力。因此，它必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度。這就要求制造筒體的金屬材料的強(qiáng)度要高，塑型要好，具有較好的機(jī)械性能和工藝性能才能保證磨機(jī)筒體的安全運(yùn)行。 圖11水泥磨回轉(zhuǎn)部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖11為筒體與腹板組成的筒體部簡(jiǎn)圖其中筒節(jié)部分板厚為38mm，滑環(huán)部分板厚為47mm。167。本文主要對(duì)以下三方面進(jìn)行分析,從而確保水泥磨機(jī)筒體優(yōu)質(zhì)的焊接質(zhì)量。結(jié)構(gòu)用材的材料焊接性分析：本論文通過(guò)分析水泥磨機(jī)實(shí)際用材的焊接性，分析焊接過(guò)程中的常見(jiàn)缺陷及實(shí)際減輕缺陷的工藝，并與其他材料焊接性對(duì)比，了解在生產(chǎn)實(shí)際過(guò)程中焊接結(jié)構(gòu)用材的選取原則，并由此選擇合理焊接工藝。焊接結(jié)構(gòu)工藝分析：焊接本身不可避免的局部不均勻加熱的過(guò)程，不均勻的溫度場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力的產(chǎn)生，并由此造成殘余塑性變形和殘余應(yīng)力，以及結(jié)構(gòu)變形，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生接頭對(duì)應(yīng)力的集中敏感和接頭性能的不均勻。水泥磨機(jī)筒體由于須在交變載荷下工作，所以對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求更為嚴(yán)格。本次研究會(huì)對(duì)水泥磨機(jī)的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸要求進(jìn)行分析，進(jìn)一步對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則。結(jié)構(gòu)生產(chǎn)工藝過(guò)程分析：焊接工藝過(guò)程的合理與否直接關(guān)系著焊接結(jié)構(gòu)制造的質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)性上，同時(shí)對(duì)于提高生產(chǎn)效率具有重要作用。13m水泥磨機(jī)筒體生產(chǎn)工藝分析焊接結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)工藝是指由金屬材料經(jīng)過(guò)一系列加工工序、裝配焊接成焊接結(jié)構(gòu)成品的過(guò)程。焊接結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)工藝分析是編制焊接工藝過(guò)程、制定工藝文件、設(shè)計(jì)工藝裝備和組織焊接生產(chǎn)的前提和基礎(chǔ)。工藝分析就是對(duì)整個(gè)焊接所使用的材料、產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、加工方法和產(chǎn)品制造技術(shù)要求進(jìn)行研究，在根據(jù)生產(chǎn)條件提出最佳的制造方法。167。 筒體材料的焊接性分析金屬材料的焊接性是指金屬材料在一定的焊接條件下，通過(guò)焊接加工，能否獲得在使用條件下安全運(yùn)行的完整無(wú)缺的焊接接頭。材料的焊接性是材料對(duì)于焊接加工的適應(yīng)性，以及使用條件下的可靠性。所以材料的焊接性可以分為：工藝焊接性和使用焊接性兩個(gè)方面。工藝焊接性是指塔頂?shù)慕饘俨牧显诰唧w的焊接工藝條件下，形成焊接接頭及焊接結(jié)構(gòu)的結(jié)合性能，以及焊接過(guò)程中形成焊接缺陷的敏感性；使用焊接性是指特定的金屬材料在具體的焊接工藝條件下，形成焊接接頭及焊接結(jié)構(gòu)適應(yīng)使用要求的能力，這關(guān)系到焊接接頭及結(jié)構(gòu)的使用可靠性。 影響焊接性的材料因素不僅包括被焊母材本身，而且包括所使用的焊接材料，如焊條電弧焊時(shí)的焊條、埋弧焊時(shí)的焊絲和焊劑、氣體保護(hù)焊時(shí)的保護(hù)氣體等。母材和焊接材料在焊接過(guò)程中直接參與熔池或熔合區(qū)的冶金反應(yīng)，對(duì)焊接性和焊接質(zhì)量有重要影響。如果焊接材料和母材匹配不當(dāng)，則可能引起焊接區(qū)內(nèi)氣體、裂紋等缺陷，或者造成脆化、軟化及耐蝕耐磨等性能的變化。本次研究中所用到的材料是低碳鋼Q235C，以下是對(duì)材料焊接性進(jìn)行分析。碳鋼的焊接性的優(yōu)良主要取決于冷裂紋敏感性、熱裂紋敏感性和接頭塑韌性等。一、 冷裂紋 冷裂紋是焊后冷至較低溫度下產(chǎn)生的，由于拘束應(yīng)力、淬硬組織和氫的共同作用下產(chǎn)生的，主要發(fā)生在焊接熱影響區(qū)。 淬硬傾向。焊接時(shí)鋼種的淬硬傾向越大，越易產(chǎn)生裂紋。實(shí)際中常用碳當(dāng)量來(lái)確定淬硬傾向的大小。Q235C的成分如表21所示：成分CMnSiSP含（%）≤≤≤≤≤碳當(dāng)量是鋼中合金元素的含量按其作用換算成碳的相當(dāng)含量。國(guó)際焊接學(xué)會(huì)（IIW）推薦的碳當(dāng)量計(jì)算公式為：CE=C+Mn/6+（Cu+Ni）/15+（Cr+Mo+V）/5 （%） （2－1）式中，C、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V為各元素的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。碳當(dāng)量CE值越大，鋼材淬硬傾向越大，鋼的焊接性就越差。當(dāng)CE%時(shí)，鋼的淬硬傾向不大，焊接性良好；CE=%～%時(shí)，%時(shí)，鋼材易于淬硬，焊接性較差，焊接時(shí)必須預(yù)熱才能防止裂紋。CE%時(shí)，鋼的淬硬和冷裂傾向嚴(yán)重，焊接性很差，一般不用于生產(chǎn)焊接結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)計(jì)算可知Q235C的碳當(dāng)量CE%，所以通常情況下不會(huì)因焊接而產(chǎn)生嚴(yán)重的硬化組織或淬火組織，即使在快速冷卻，產(chǎn)生板條狀低碳馬氏體，尚有良好的韌性，不需要預(yù)熱來(lái)改善組織。 氫的作用焊縫金屬中的擴(kuò)散氫是延遲冷裂紋形成的主要影響因素。由于延遲裂紋時(shí)擴(kuò)散氫在三向應(yīng)力區(qū)聚集引起的，因而鋼材焊接接頭的氫含量越高，裂紋的敏感性越大，越易產(chǎn)生冷裂紋。焊接時(shí)，焊縫中的氫主要來(lái)源于焊接材料中的水分、油污、以及環(huán)境濕度等。在焊前，采用化學(xué)或物理的方法清理焊接母材表面，提高焊接材料的烘干溫度，選用低氫焊接材料，較少保護(hù)氣體含水量，降低焊接區(qū)濕度等，從而減少焊縫中氫的來(lái)源。而且通過(guò)控制適當(dāng)?shù)暮负罄鋮s速度，可以有效的控制殘余氫的含量。因?yàn)樵诤缚p冷卻的過(guò)程中，低碳鋼焊縫組織會(huì)從奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變，由于奧氏體中氫的溶解度較鐵素體中的氫的溶解度大所以會(huì)有部分氫從焊縫中逸出，較低的冷卻速度可以滿足氫逸出所需要的時(shí)間，因此焊后焊縫中的殘余氫不足以引起冷裂紋的產(chǎn)生。 拘束應(yīng)力焊接時(shí)的拘束情況決定了焊接接頭所處的應(yīng)力狀態(tài)，從而影響產(chǎn)生冷裂紋的敏感性。在焊接條件下主要存在不均勻加熱及冷卻過(guò)程引起的熱應(yīng)力、金屬相變前后不同組織的熱物理性質(zhì)變化引起的相變應(yīng)力、以及自身拘束條件所造成的應(yīng)力等。焊接拘束應(yīng)力的大小可以用拘束度R來(lái)表示，一般來(lái)講，板厚越大，則拘束度越大。對(duì)于母材板厚小于50mm時(shí)，可以粗略估計(jì)R=K1δ。公式中K1表示板厚拘束系數(shù)（N／(mm2．mm)），δ一板厚（mm）。當(dāng)板厚較大，一般大于40mm時(shí)，而且快速冷卻時(shí)，則會(huì)有冷裂紋的傾向。合理控制板厚，以及冷卻速度則可以有效控制冷裂紋的產(chǎn)生?？傊甉235含碳量較低，合金元素含量也很低，因此接頭中不會(huì)產(chǎn)生冷裂紋。只要焊接材料選擇適當(dāng)，便能得到滿意的焊接接頭。二、 熱裂紋焊接熱裂紋是在焊接過(guò)程中焊縫和熱影響區(qū)金屬冷卻到固相線附近的高溫區(qū)時(shí)產(chǎn)生的。 主要包括結(jié)晶裂紋、液化裂紋及多邊化裂紋。其中結(jié)晶裂紋的影響最為嚴(yán)重。結(jié)晶裂紋是指在結(jié)晶的固液階段，低熔點(diǎn)共晶被排擠在柱狀晶體交遇的中心部位，形成液態(tài)薄膜，在拉伸應(yīng)力的作用下形成裂紋。熱裂紋的敏感性與鋼中的成分尤其是S、P等雜質(zhì)的含量有關(guān)。在焊接S、P較高的碳鋼時(shí)，一方面，在焊接熱影響區(qū)的晶界上聚集的低熔點(diǎn)的S、P化物，引起熱影響區(qū)熔合線附近的液化裂紋，若鋼板的厚度較大，則會(huì)沿不同的偏析帶分布硫化物等。另一方面，當(dāng)母材稀釋率較高時(shí)，在進(jìn)入焊縫中的S、P也偏多，容易引起焊縫中的熱裂紋。Q235有較高的抗熱裂紋能力，只要在選擇焊接材料時(shí)嚴(yán)格控制S、P含量，避免窄而深的焊縫，便可以預(yù)防熱裂紋的產(chǎn)生。三、 再熱裂紋再熱裂紋時(shí)指在焊后再熱處理過(guò)程中，殘余應(yīng)力的松弛過(guò)程中，粗晶區(qū)應(yīng)力集中部位的晶界滑動(dòng)變形量超過(guò)了該部位的塑性變形能力產(chǎn)生的裂紋。但再熱裂紋的產(chǎn)生只有在鋼中含有Cr、Mo、V、Nb等強(qiáng)碳化物形成元素，以及存在一定的殘余應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生。由于Q235中強(qiáng)碳化物沉淀元素含量較少，所以再熱裂紋敏感性較小。四、 層狀撕裂層狀撕裂是指在厚板結(jié)構(gòu)焊接時(shí)，在強(qiáng)拘束條件下，焊縫收縮時(shí)會(huì)在母材厚度方向產(chǎn)生很大的拉伸應(yīng)力和應(yīng)變，當(dāng)應(yīng)變超過(guò)母材金屬的塑性變形能力時(shí)，夾渣物與金屬基體之間就會(huì)發(fā)生分離而產(chǎn)生微裂，在應(yīng)力的繼續(xù)作用下形成層狀撕裂特有的階梯形態(tài)。層狀撕裂在厚大件以及雜質(zhì)的存在，特別是在T型接頭和角接接頭時(shí)容易發(fā)生。所以只要選擇合適的板厚及合適的焊接工藝方法就可以避免層狀撕裂的發(fā)生。五、 脆化 粗晶脆化焊接過(guò)程中在焊接熱影響區(qū)過(guò)熱區(qū)將發(fā)生嚴(yán)重的晶粒粗化。此區(qū)的溫度是處在固相線以下到1100℃左右，金屬處于過(guò)熱狀態(tài)，奧氏體晶粒發(fā)生嚴(yán)重的長(zhǎng)大現(xiàn)象，冷卻之后便得到粗大組織即魏氏組織。對(duì)于Q235而言，當(dāng)線能量過(guò)大時(shí)，則會(huì)引起HAZ的組織粗大，造成粗晶脆化。因此，要合理控制線能量的大小，而且在焊后可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐嘶鹛幚韥?lái)消除粗晶脆化。 組織脆化組織脆化是焊接HAZ出現(xiàn)脆硬組織造成的，根據(jù)被焊鋼種的不同以及焊接時(shí)冷卻條件的不同，在HAZ出現(xiàn)不同的脆性組織。對(duì)于低碳鋼Q235來(lái)說(shuō)，含碳量低，在HAZ會(huì)出現(xiàn)的組織是鐵素體加珠光體，有利于改善HAZ的韌性。所以不會(huì)出現(xiàn)組織的脆化現(xiàn)象。 熱應(yīng)變時(shí)效脆化熱應(yīng)變失效脆化多發(fā)生于一些固溶氮含量較高的低碳鋼和低合金鋼中，主要是由于N、C原子在位錯(cuò)周?chē)奂?，?duì)位錯(cuò)產(chǎn)生釘扎作用。由于Q235中碳原子的含量較低，控制焊縫中的N的含量，可以降低熱應(yīng)變時(shí)效脆化敏感性。綜上可知Q235的焊接性較好，焊后焊接接頭塑性以及沖擊韌性較好，接頭裂紋的可能性較小，焊接性優(yōu)良。167。 筒體焊接的結(jié)構(gòu)工藝性分析結(jié)構(gòu)工藝性分析主要是從保證焊接結(jié)構(gòu)技術(shù)要求方面進(jìn)行分析，既要保證焊接結(jié)構(gòu)有準(zhǔn)確的外形尺寸，偏差符合要求，又要保證優(yōu)良的焊接接頭質(zhì)量，能適應(yīng)結(jié)構(gòu)工作要求水泥磨機(jī)筒體結(jié)構(gòu)工藝性分析主要從結(jié)構(gòu)類(lèi)型、尺寸大小、復(fù)雜程度、組成結(jié)構(gòu)，焊縫數(shù)量、焊縫分布、焊縫形狀、焊縫位置以及接頭形式和坡口形式。另外從焊接變形方面對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。筒體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖21所示。 圖21 筒體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖167。 結(jié)構(gòu)工藝性分析通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度、尺寸大小、組成結(jié)構(gòu)，以及焊縫的分布、焊縫的數(shù)量、焊縫的形狀、接頭的形式、坡口的形式、焊接的位置進(jìn)行分析可以得出以下幾點(diǎn)：1. 結(jié)構(gòu)重量大、尺寸大。，,筒體長(zhǎng)度為13m。2. 結(jié)構(gòu)件所采用的鋼板厚度不同，滑環(huán)處板厚為47mm，筒節(jié)處板厚為38mm，在進(jìn)行不同板厚之間焊接時(shí)容易產(chǎn)生較大的集中應(yīng)力。，包括縱焊縫和環(huán)焊縫兩種，在焊接過(guò)程中會(huì)遇見(jiàn)不同的焊接問(wèn)題，針對(duì)不同的焊縫采取不同的方法來(lái)防止焊接變形。，相對(duì)于角焊縫而言容易焊接，在板厚不太大的情況下焊接角變形不易產(chǎn)生?？傮w而言筒體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于焊接，一般不會(huì)出現(xiàn)太大的焊接問(wèn)題，但要確保焊接結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量，合理制定焊接工藝還是必不可少的。167。、控制及矯正焊接變形主要是由于焊接過(guò)程中焊接熱循環(huán)對(duì)金屬材料是一種不均勻的加熱和冷卻過(guò)程引起的。焊接時(shí)，焊縫和熱影響區(qū)溫度較高，金屬受熱膨脹受到常溫金屬的阻礙和制約，便產(chǎn)生了壓縮塑性變形，冷卻時(shí)由于收縮受限而產(chǎn)生拉伸塑性變形。最終的塑性變形量的大小由最大的壓縮塑性變形量與最大的拉伸塑性變形量的差值決定。結(jié)構(gòu)件的焊接變形程度與施焊時(shí)熱源的輸入能量成正比。其次就是殘余應(yīng)力引起的變形。結(jié)構(gòu)在使用中由于局部應(yīng)力達(dá)到或超過(guò)屈服極限以及自然時(shí)效等因素的影響會(huì)產(chǎn)生二次變形而影響結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確尺寸。殘余應(yīng)力主要包括焊接殘余應(yīng)力和成型加工殘余應(yīng)力。焊接后殘留在焊接結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力稱為焊接殘余應(yīng)力；成型加工殘余應(yīng)力主要是因?yàn)楣ぜ芄に囆酝饬Χ鸬?，如工件自由彎曲成形時(shí)方法不當(dāng)，鋼板校平碾壓次數(shù)太少；機(jī)加工吃刀量過(guò)大等[9]。一、 變形分析焊接殘余變形的表現(xiàn)形式可分為七類(lèi)，縱向、橫向收縮變形，擾曲變形，角變形，波浪變形，錯(cuò)邊，和扭曲變形。本次研究主要是針對(duì)筒體的焊接，焊縫主要是分為環(huán)焊縫和縱焊縫。在環(huán)焊縫中主要發(fā)生的是橫向收縮導(dǎo)致的過(guò)渡段長(zhǎng)度減小、縱向收縮導(dǎo)致焊縫處筒體直徑的減小焊縫處的凹變形等。橫向收縮表現(xiàn)為焊后構(gòu)件在垂直焊縫長(zhǎng)度方向上發(fā)生的收縮?？v向收縮變現(xiàn)為為焊后構(gòu)件沿焊縫長(zhǎng)度方向上發(fā)生的收縮。焊接過(guò)程要特別考慮筒體圓柱度的變形。在縱焊縫中主要發(fā)生的變形主要是對(duì)接接頭的橫向收縮引起筒體直徑由于焊接先后順序而不同，角變形引起的不圓以及焊接過(guò)程中的錯(cuò)邊變形。橫向收縮變形主要由于在熱源附近的金屬受熱膨脹，但將受周?chē)鷾囟容^低的金屬的約束而承受壓應(yīng)力，這樣就會(huì)在焊縫寬度方向產(chǎn)生壓縮塑性變形，從而產(chǎn)生橫向收縮。橫向收縮沿焊縫方向上的分布式不均勻的，這是因?yàn)橄群傅暮缚p的橫向收縮對(duì)后焊的焊縫產(chǎn)生擠壓作用，使后者的橫向收縮增大。所以橫向收縮的變化趨勢(shì)為：沿焊接方向由小到大。錯(cuò)邊變形的主要原因是:熱輸入的不平衡，包括夾具一側(cè)未將工件夾緊，使其導(dǎo)熱相對(duì)于另一側(cè)較慢；工件與夾具一側(cè)導(dǎo)熱好一側(cè)導(dǎo)熱差；焊接熱源偏離中心，使工件一側(cè)熱輸入比另一側(cè)大。焊縫兩側(cè)的工件剛度的差異也會(huì)引起錯(cuò)邊，剛度小的一側(cè)變形位移大，剛度大的一側(cè)變形位移小。角變形發(fā)生于中厚板的對(duì)接與角焊接中，這種變形的根本原因是橫向收縮在厚度方向上的不均勻分布所造成，焊縫正面的橫向收縮量大，背面的收縮量小。角變形的大小取決于熔化區(qū)的寬度和深度以及熔深與板厚之比、接頭類(lèi)型、焊道次序、材料性能、焊接過(guò)程參數(shù)等因素。隨熱輸入的增加或板厚的減少，角變形出現(xiàn)了先增加后減少的變化趨勢(shì)。這是因?yàn)?，板厚較大而熱輸入較少時(shí)，板材背面的溫度低，材料還處于彈性狀態(tài)，塑性變形區(qū)未能貫穿板厚，因此角變形較小；板厚較小熱輸入較大時(shí)，背面溫度會(huì)迅速升高而導(dǎo)致與正面溫度之差變小，因而也會(huì)減小角變形。二、 控制焊接變形的措施焊接變形的存在將直接影響構(gòu)件的精度和質(zhì)量，然而在焊接熱過(guò)程中，焊接應(yīng)力 與變形又是不可避免的，所以需要采取相應(yīng)的措施來(lái)將控制焊接變形控制在允許的范圍內(nèi)。 在設(shè)計(jì)階段控制焊接變形（1） 選擇合理的焊縫尺寸和形式焊縫尺寸直接關(guān)系到焊接工作量、焊接應(yīng)力和變形的大小。在保證結(jié)構(gòu)承載能力的前提下，應(yīng)遵循的原則是：盡可能使焊縫長(zhǎng)度最短；盡可能使板厚??；斷續(xù)焊與連續(xù)焊相比，優(yōu)先選用斷續(xù)焊縫。本次研究中由于筒體需承受交變載荷，所以采用連續(xù)焊。為控制錯(cuò)邊變形可以采用 對(duì)稱施焊的方