焊接工艺设计程序及步骤：详解方法和内容

焊接工艺过程设计是焊接生产设计（包括焊接车间设计）的核心内容。图9-2所示是焊接产品工艺工作程序图。

一方面，工艺过程设计贯穿于焊接生产设计的始终，如在可行性报告中，提出生产技术方案，制定相应的工艺原则；在初步设计阶段，拟定生产工艺过程、编制工艺文件；在施工图设计阶段则要彻底解决全部生产工艺技术问题，以达到试生产和试运转要求。

另一方，工艺过程设计又决定了车间设计和非标准工艺装备设计的水平和要求，是进行后者的依据。工艺设计的好坏直接影响产品的质量，决定着焊接生产设计的综合技术经济指标。

工艺方案的主要内容有：

1）对小批试制阶段工艺、工装验证情况的小结。

2）工艺关键件质量攻关措施意见和关键工件质量控制点设置意见。

3）工艺文件和工艺装备的进一步修改、完善意见。

4）专用设备或生产自动线的设计制造意见。

5）采用有关新材料、新工艺的意见。

6）对生产节拍的安排和投产方式的建议。

7）装配方案和车间平面布置的调整意见。

根据工艺方案设计的依据及工艺分析的结论，由主管工艺人员提出几种工艺方案，组织讨论，确定最佳方案，经工艺主管审核，最后交由总工艺师或总工程师批准。

1.焊接生产工艺过程设计的内容

总的说来，工艺过程设计就是根据生产任务的性质（由生产纲领所决定）、产品的图样及技术条件、工厂的条件（老厂新产品工艺设计）运用现代焊接技术及相应的金属材料加工和保护技术、无损检测技术等，来拟定产品的全部生产工艺，解决全部生产技术问题。这些问题是：

图9-2 焊接产品工艺工作程序图

注：使用计算机设计绘图。

①根据需要反馈到工艺方案、工艺路线、工艺规程和（或）工艺设备设计。

1）将产品分解成总成、部件、组件、零件，确定其加工方法、各工艺参数及相应的工艺措施。

2）确定产品的合理生产过程，包括各工艺工步的次序。

3）决定每一加工工序所需用的设备、装备的规格型号，对非标准设备，则应提出其结构原理图。

4）拟定生产流程的起重运输方式并选定其设备。

5）计算产品的工时定额，金属材料、辅助材料、填充材料的消耗，从而决定各工艺工序所需工人数量及等级、能源消耗等。这些也是进行车间设计的重要依据。

2.焊接生产工艺过程设计的步骤

（1）准备工作

1）首先，要研究将要生产的产品清单，该清单中按产品结构分成若干类、组，并注明产品的质量和年产量，这就是生产纲领的基本内容。如前所述，生产纲领决定了生产的性质，又是决定生产工艺技术水平的重要依据。

2）其次，要研究产品的图样和技术条件，全面了解产品的结构特点，弄清该产品为什么要这样设计？制造时有何困难？从焊接的角度品评能否有更好的设计或对其加以改进等，特别要注意产品各部分之间的连接（尤其是焊接那部分）、各焊接接头的设计及其重要程度。研究产品技术条件还应包括成品检验及各工艺工步的检验及成品最后验收的技术条件。

工艺设计师总是考虑是否有工艺性更强的、更完善的结构去代替原设计，当然在作这种改进的时候，不能降低其承载能力和其他工作性能，这就要求工艺设计师不仅熟悉生产工艺，而且有足够的结构设计知识，了解产品的使用条件。例如，油罐车的罐体（见本章第9.3节），原设计筒体的上板与底板为搭接形式，这种搭接接头的高低不平和筒体直径的差别影响了焊接工艺自动化的实现，如滚轮架无法平稳转动。当接头形式由搭接改为对接时，可以解决这个问题，使生产一台罐车节约钢材150kg；在提高了罐体的承载能力的同时（对接接头的强度系数高于搭接接头），还使自动化焊接的数量占到了油罐总焊接量的80%以上，焊接生产效率提高了2倍多。与此类似，将大型立式储罐的环缝设计成对接。由于施工方面的原因，对于工地建造的这种结构，仍采用搭接接头。当使用金属结构工厂预制立式储罐的筒体、罐顶和罐底时，预制件可在电磁平台上全部采用埋弧焊对接，然后卷成筒状运往工地，在现场进行展开并焊接最后的安装焊接缝。这无疑大大提高了结构制造的机械化和自动化程度，有很高经济效益，而且经过试验研究证明，卷曲罐体不会降低结构的承载能力。

工艺设计师除对新建工厂的产品进行生产工艺设计之外，还经常要对已建成工厂的新产品进行工艺设计，此时的准备工作还要包括对工厂生产条件和生产能力的调查。

（2）产品的工艺过程分析（即工艺方案设计的基础）在上述准备工作的基础上，可以对产品的制造工艺过程进行分析和计划，并制定出工艺原则。对一个设计可能要提出几个工艺方案，列出所有的利和弊，以供主管部门选择和批准。

在进行工艺分析时，首先要注意待制产品的结构和技术要求，工艺上有何特点，参考国内外类似产品的焊接生产工艺，依据所进行工艺设计的工厂的具体条件（如现有的生产设备、厂房条件、工人技术水平等），初步确定加工工艺和相应的技术水平。同时对重要的零部件和关键工艺工序进行深入的分析和比较，从保证焊接产品的质量、满足和超过其技术条件的要求、降低劳动量和成本（对采用现代化、机械化和自动化的先进工艺的可能性进行分析），提出几个方案。最后，根据经过选择批准的那个方案，制定出相应的工艺过程。

（3）制定焊接工艺过程 在所确定的最优工艺方案基础上，进行焊接工艺过程的编制。焊接的生产过程主要包括各种制造工艺（如钢材矫正、放样、划线和下料以及切割、弯曲成形、装配焊接和清理等）、检验工序和运输（物流）工步。在装配焊接车间（或叫做金属结构车间，或焊接结构车间，有的称作XXXX厂），产品的制造工艺过程往往包括非常不同的两个过程：其一是零件的加工制造；其二是零件、部件（由零件构成）及产品（所有零件和部件的有机组合）的装配和焊接。其中，对产品制造起主导和决定性作用的是装配焊接过程，而前一过程服务和服从于后一过程，其实质是提供达到质量和数量的零件毛坯。通常又称其为焊接生产的备料加工。它是在合格的原材料上进行的。首先进行材料预处理，包括矫正、除锈（如喷丸）、表面防护处理（如喷涂导电漆等）、预落料等。

在编制工艺过程时，总是要经过由初步的（粗略的）到详细的（最终的）设计过程。在现有工厂进行新产品工艺过程编制时，总是在工艺方案基础上，初步地制定工艺过程，主要包括：

1）按产品图样及技术要求将产品分为总成、部件、组件和零件，并确定其加工次序。

2）确定各零件、组件、部件和总成的合理的连续加工方法，包括零件的准备、装配焊接工艺、检验方法等，以及在各工艺工序上的要求，还要进一步拟定达到这些要求的工艺措施。

3）进行必要的经济活动分析和成本的初步核算。(www.xing528.com)

4）选择装配焊接下料及机加工所用设备、机床和装备的规格型号。

在编制过程中同时提供工艺技术路线图（参看图9-9罐车罐体的工艺路线图）和生产过程综合表。表9-3为生产过程一览表的格式示例。

工艺路线图主要表示零件、组件、部件和结构的装配焊接次序，有的还注明零件加工工艺次序等。

工艺过程一览表则记载了各加工工艺的简要说明，包括工位号、零件（或组件或部件）名称、材料、重量、人工、设备及装备，以及劳动量和消耗定额等内容。

表9-3 生产过程综合表（一览表）示例

在上述工作的基础上，在工厂的工艺技术部门、设计部门和劳动管理部门参与下，由生产车间组织产品的试生产。试生产过程中对产品的设计和技术条件进行全面检查，对工艺过程设计进行实践检验，不当之处进行修改，最后拟定出最终的（详细的）工艺方案和工艺规程。详细制定的工艺过程以工艺文件形式固定下来，经过会鉴和领导批准，作为以后组织生产的依据。最终的工艺文件还应包括工艺卡。工艺卡分为装配工艺卡和焊接工艺卡，它比一览表更详细地规定了每道工序的工步、加工次序、工艺方法、所用的生产设备、辅助设备、加工工艺参数、劳动量、延续时间、工人的工种等级和数量、材料（主要和辅助的）及其消耗、动力消耗等。工艺卡片上应该有工艺说明简图。装配工艺卡见表9-4，焊接工艺卡见表9-5。

表9-4 装配工艺卡示例

许多焊接结构由于非常重要，在选定焊接方法和制定焊接参数时，需要按国际或国家或行业或企业的有关标准（规程）进行工艺评定。

最终制定的工艺过程应该达到如下的目标：

1）全部生产工序和工步（包括装配、焊接以及机械和热加工过程）有最小的劳动量。这要通过合理地采用高生产率的、机械化和自动化的装配和焊接方法，应用现代化设备和装备，采用有效的防止焊接应力、变形及其他缺陷的措施来达到。

2）制造产品使用的时间最短，该产品的循环节拍应与其生产纲领相适应。

3）利用多面手、兼职等进行多工位、多机床管理操作，在提高机械化水平的同时，压缩工人数量到最低。

4）使设备、装备（包括起重运输）有最佳的负荷，使其总数最少、利用率最高。

5）降低废料率，使材料消耗最少。

6）使生产的能源消耗最低等。

3.焊接生产工艺过程分析

（1）焊接生产工艺分析的原则 焊接生产工艺分析一般应遵循：保证产品技术条件的前提下，取得最高经济效益的原则。在取得工艺设计全部原始资料并开始进行工艺分析时，首先要考虑的是采用何种工艺方法和措施，使产品达到设计技术条件的要求，产品质量是好的，而且工人的劳动条件应该是优越的，起码是可以接受的。另一方面，这些方法和措施应有较高的劳动生产率，低的劳动量、材料和能源消耗，使产品的成本较低，投入市场有较强的竞争力，从而取得高的经济效益。就是说要选择技术和经济效果都较好的措施。但这两方面常常是矛盾的，例如，工作在动载下的一些重型机械焊接结构，为了消除焊接残余应力，应该进行焊后退火处理。但热处理工艺会增大产品的成本。若不采用这个热处理工序，则结构使用一年到一年半左右，在靠近焊缝的基本金属中可能会出现裂纹，经修补后还会在临近的位置再度出现裂纹。许多结构经过再三修补，仍出现新的裂纹，只好拆下报废，使客户的利益受到损失的同时，也使企业本身的市场形象受到损害。所以，采用热处理工艺是提高这类产品质量的重要环节，它既能够提高产品的竞争力，又可以增加社会效益，非常值得。

当试图采取降低产品成本的措施时，须进行经济核算，如确实能达到预期效果，才能决定采用。在进行工艺分析的同时，还应贯彻国家当前的方针政策（如制造产品的重要性、迫切性、环保与安全等）。生产厂如是新设计的工厂，还应考虑工厂的投资及贷款偿还期、重点工程还是一般工程、建厂进度要求和生产纲领等。

表9-5 焊接工艺卡示例

（2）焊接生产工艺分析的方法 通常，焊接工艺分析方法与其他加工工艺分析方法相类似，主要从保证焊接产品或结构的技术条件和采用先进的加工工艺两个方面入手。

1）如何保证焊接产品或结构的技术条件？满足产品技术条件的要求是产品质量合格的前提，是对焊接生产工艺最起码的要求。要做到这一点，首先要根据对产品结构特点和工艺特点的研究，估计制造过程中可能遇到的困难，注意与技术条件要求有关的工艺工序，这些工艺或工序是工艺分析中的主要研究对象。

例如，桥式起重机桥架结构，属于工作在动载下的重要焊接结构，工作条件较为恶劣，结构破坏后会产生严重后果，故要求焊接接头有优良的质量。由于基本金属为焊接性优良的低碳钢和普通低合金钢，这方面困难不大。桥架技术条件中对其外形尺寸有较高要求，这也是强度和稳定性方面的要求，这是防止桥架结构整体失稳所必需的。鉴于产品尺寸大，焊缝分布上下不对称的特点，可以判断焊接应力变形是个关键问题。

对用焊接性较差的中碳钢、低合金结构钢及合金钢制造的焊接结构，工艺分析的关键问题往往是需获得所要求的接头性能（包括力学性能、高温或低温性能、耐腐蚀性能等），包括金相组织和焊缝化学成分等。

从以上简单的讨论可以看出，要保证产品的技术条件，必须做好两方面的工作，其一是焊接接头的质量；其二是，产品或结构外形尺寸是否满足要求，公差是否在规定的范围内，结构整体或主要部位是否有严重的残余应力等。影响接头质量的首先是焊接缺陷，在焊接原理、材料焊接性、焊接结构、焊接结构强度及断裂等专著中对缺陷的产生、影响及防止办法已进行了详细的讨论，因此进行工艺分析时，需要把这些理论与具体产品、具体结构、具体材料与使用的焊接方法及工艺结合起来，进行分析，做出判断并提出工艺措施。

关于影响结构外形尺寸问题，实质上，主要是控制焊接应力（它还促使产生裂纹）和变形的问题。焊接应力和变形的理论，以及控制焊接应力和变形的措施都在焊接结构学等专著中讨论过，工艺分析时要结合具体产品特点和生产条件，灵活地运用这些理论，提出适当的措施，保证产品技术条件的要求。

焊接工程师除了对产品结构设计应该提出减小应力与变形的修改意见外（这是对产品进行工艺审查时进行的），更多的是利用生产工艺过程来控制和减小焊接应力与变形。在生产中常用的工艺方法请参见第7章。

2）采用先进加工工艺的可能性？希望所设计的焊接生产工艺过程的每一工序工步都处在最佳的生产条件下，从而获得最佳的质量，并且大大节省劳动量，特别是手工体力劳动量，改善操作者的工作条件，获得最佳的经济指标，这是工艺分析时考虑采用先进工艺的出发点。

设计工艺过程首先要考虑的问题之一就是采用先进的焊接工艺方法的可能性问题。前提是必须了解目前和不远将来可用的先进的焊接方法和工艺。这不仅是因为焊接工作量往往要占整个产品总工作量的30%或更多，更主要的原因是焊接工艺在焊接生产中起的是主导作用。焊接前后对许多其他工序的要求在很大程度上决定于所使用的焊接工艺方法。如焊条电弧焊、埋弧焊、窄间隙焊和电渣焊等几种常用焊接工艺方法，焊接前材料的坡口尺寸（包括间隙、坡口角度和钝边尺寸）是不同的；对坡口加工、清理等的要求也不一样；使用的焊接材料不同以及焊前准备工作也不同，如焊条、焊丝、焊剂、保护气体等的烘干、除锈、提纯等；另外，配合这些工艺相适应的焊接设备和工艺装备亦不同。焊后，是否要进行消除应力热处理及其他处理，在一定程度上也决定于焊接工艺，如电渣焊的构件一般都要进行焊后正火+回火热处理。

由于焊接工艺在整个焊接生产中所占的份额是有限的，大量的工作包括准备工序、装配工序以及运输工序，特别是采用了先进的焊接工艺方法之后，要提高整个焊接生产率，极需考虑生产过程的综合机械化和自动化。这不仅包括基本生产工序，如毛坯准备、装配、焊接和涂饰工序机械化和自动化，而且还包括辅助工序，如质量检验和运输工序的机械化和自动化，还要设计与之相适应的生产组织和安排（工艺平面布置），即生产布置要更加合理化。

图9-3 板焊接结构︶压力容器︵的主要制造工艺流程