09Mn2V熱水罐外殼焊接工藝設計

1、1 前言本次課程設計主要是熱水罐的焊接生產(chǎn)工藝設計，包括材料的焊接性分析、 焊接工藝方案分析及工藝評定、確定焊接結構生產(chǎn)工藝流程、確定產(chǎn)品外殼主要 零件的加工工藝及檢驗、繪制焊接結構簡圖、確定部件的裝焊工藝等。通過設計,初步掌握根據(jù)產(chǎn)品圖樣及技術要求制定焊接工藝規(guī)程的方法、焊接工藝設計的步 驟，提高分析焊接生產(chǎn)實際問題、解決問題的能力。1.1焊接性結構審查焊接結構的工藝性，是指設計的焊接結構在具體的工藝條件下能否經(jīng)濟的制造出來，并采用最有效的工藝方法的可行性。 為了提高設計產(chǎn)品的工藝性，工 廠應對所有新設計的產(chǎn)品和改進設計的產(chǎn)品， 以及外來圖樣，在首次生產(chǎn)前進行 結構性工藝審查。1.1 （ 1

2、）產(chǎn)品說明熱水罐有壓縮氣體或液化氣體儲罐等，熱水罐按容器的容積變化與否可分為 固定容積儲罐和活動容積儲罐兩類， 大型固定容積熱水罐制成球形，小型的則制60MPa成圓筒形?；顒尤莘e儲罐又稱低壓儲氣罐，俗稱氣柜，其幾何容積可以改變, 閉嚴密，不致漏氣，并有平衡氣壓和調(diào)節(jié)供氣量的作用， 壓力一般不超過1.1（ 2）產(chǎn)品圖樣標準化審查產(chǎn)品圖樣的標準化審查完整性審查產(chǎn)品的設計圖樣應包括產(chǎn)品的總圖，總裝配圖，安裝圖，組件、分部件、 件的裝配圖及零件圖。除此之外還應包括與產(chǎn)品有關的附件 （裝配調(diào)試用的工裝 夾具）及更換件的設計圖樣。統(tǒng)一性審查產(chǎn)品圖樣的統(tǒng)一性審查，就是審查產(chǎn)品的全套設計圖樣與所屬的附件、 更

3、換 件設計圖樣及相關的技術文件的統(tǒng)一協(xié)調(diào)。正確性審查設計圖樣的正確性審查，就是審查設計圖樣是否正確采用了相關的現(xiàn)行有效 的標準、技術法規(guī)和技術規(guī)范。（ 3）產(chǎn)品的技術要求本設備按照JB741-80鋼制焊接壓力容器技術條件及壓力容器安全監(jiān)察制程，進行制造，試驗和驗收。焊接采用電焊，焊接材料為對接接頭形式及尺寸按JB/Z105-73鋼制焊接容器壓力規(guī)程中規(guī)定。其余按 GB985-80中規(guī)定。法蘭焊接按照相應標準。殼體焊縫應進行無損探傷檢查，檢查長度為相應焊縫總長的100%合格標準:超聲波探傷一級，射線探傷二級。連接液面計的上下接管法蘭其密封面應在同一垂直平面上，其垂直中心線偏差 1mm設備焊接完畢

4、后應進行消除應力熱處理。2焊接生產(chǎn)工藝性分析焊接結構工藝性審查2.1.1 產(chǎn)品圖樣結構審查 此次設計的設備為熱水罐殼體，筒體直徑2000mm容器總長5260mm壁厚12mm產(chǎn)品外觀圖樣如圖主要加工手段為焊接，此外還采用沖壓、卷彎、機加工等輔助工藝。焊接方法采 用埋弧自動焊，接頭形式為對接、角接。2.1.2產(chǎn)品技術特性及檢驗要求熱水罐外殼技術特性如表2-1所示:表2-1熱水罐殼體技術特性表容器類別-設計壓力Pa (Kg / cm 3)73.59 X 10審(7.5 )工作壓力Pa (Kg / cm 3)1.867X 10 斗(7)設計溫度C100工作溫度c80100物料名稱熱水壓縮空氣J操作容積

5、m腐蝕裕度1焊縫指數(shù)0.853全容積用13.6表2-2管口表符號公稱尺寸連接尺寸標準連接面形式用途或名稱a25HG5010-58 P g10Dg50平面排凈口500入孔c50HG5010-58 Pg10Dg50平面蒸汽入口d50HG5010-58 P g10Dg50平面進水口e50HG5010-58 P g10Dg50平面放空口f50HG5010-58 Pg10Dg50平面壓縮空氣入口g70HG5010-58 P g10Dg70平面出料口h25液面計氣相口m25溫度計口n100JB82-59 Pg40Dg100平面液面計液相口2.2母材的焊接工藝性分析09Mn2V 的特性其含碳量通常小于0.2

6、5%，比普通碳素結構鋼有較高的屈服點c s或屈服強度（T 0.2（3080kgf/mm2）和屈強比c s/ c b（0.650.95）,較好的冷熱加工成型性，良好的焊接性，較低的冷脆傾向、缺口和時效敏感性，以及有較好的抗大氣、海水等腐蝕能力。其合金元素含量較低，一般在2.5%以下，在熱軋狀態(tài)或經(jīng)簡單的熱處理（非調(diào)質(zhì)狀態(tài)）后使用；因此這類鋼能大量生產(chǎn)、廣泛使用。各發(fā)達工業(yè)國家的低合金高強度鋼產(chǎn)量約占鋼產(chǎn)量的10%化學成分（質(zhì)量分數(shù)）C、Si、Mn?？蓮V泛用于石油、化工、電站、鍋爐等行業(yè)，用于制造反應器、換熱器、分離器、球罐、油氣罐、液化氣罐、核反應堆 壓力殼、鍋爐汽包、液化石油氣瓶、水電站高壓水

7、管、水輪蝸殼等設備及構件。其化學成分和力學性能見表2-2和表2-3所示:板厚c bc smm(MP a)(MP a)12 490 343 16 36470610 305 36 60460600 290 20實驗溫度(C)熱處理狀態(tài)正火表 2-3 09Mn2V勺化學成分(GB 3531 1996)CSiMnVPS 0.120.2 0.51.4 1.8 0.10 0.030 0.025表 2-409Mn2V勺力學性能(GB 3531 1996)2.2.2 09Mn2V 的焊接性分析工作溫度等于或低于-20r的低碳素結構鋼和低合金鋼稱為低溫用鋼。對低溫用鋼的主要要求是應保證在使用溫度下具有足夠的塑性

8、及抵抗脆性破壞的 能力。低溫用鋼由于含碳量低，淬硬傾向和冷裂傾向小，所以焊接性良好。焊接時, 為避免焊縫金屬及熱影響區(qū)形成粗晶組織而降低低溫韌性，要求采用小的焊接線 能量，焊接電流不宜過大，宜用快速多道焊以減輕焊道過熱， 并通過多層焊的重 熱作用細化晶粒，多道焊時要控制層間溫度不得過高低溫用低合金鋼焊接低溫用低合金鋼時，除要保證焊縫的低溫韌性外還要保 證焊縫與母材等強。焊接材料中除了含有鎳1%3%外，還含有鉬0.2 %0.5 %, 有時還含有少量鉻。6 F%d:+|+N%O%C)氐鎳鋼焊接低鎳鋼時所用焊條的含鎳量應與母材相同或高于母材，但Ni %不應過高。焊態(tài)下焊縫中含鎳量超過2.5 %就 會

9、出現(xiàn)粗大的板條狀貝氏體或馬氏體， 使焊縫性下降。焊后不再進行調(diào)質(zhì)處理的 低鎳鋼，焊縫金屬含鎳量應低于 2.5 %。只有經(jīng)過焊后調(diào)質(zhì)處理，焊縫韌性才隨含Ni量增加而增加。焊縫除了盡量降低碳及硫、磷、氧的含量外還V%應對硅、錳的含量加以控制?？梢詠碛檬止ず浮⑷刍瘶O氣體保護焊及埋弧焊進行焊接。2.309M n2V旱接工藝要點1、對低溫鋼的認識：5%。組織為鐵素體加少量珠光體,用于制造-20-253 C低溫下工作的焊接結構的專用鋼材，稱為低溫鋼。 低溫鋼的分類：根據(jù)化學成分和組織特點，分為三大類： 低合金鐵素體型低溫鋼：含合金元素總量不超過在-40-110 C范圍內(nèi)使用。5-10%。組織與熱處理方法有

10、關：鐵素體及少量奧氏體；回火后的中合金低碳馬氏體型低溫鋼：合金元素含量大于淬火后的組織為低碳馬氏體；正火后的組織為低碳馬氏體、組織為含鎳鐵素體和少量富碳奧氏體。2、低溫鋼結構發(fā)生脆性斷裂的必要條件：必須具備由外載荷及殘余內(nèi)應力引起的一定應力水平；由結構、材料、制造缺陷引起的缺口效應，其中由焊接而引起的缺陷(幾何的 或冶金的)往往是脆斷的裂源。設備和管道的工作溫度低于材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度3、低合金低溫鋼的焊接特點：淬硬和冷裂傾向小,不含鎳低溫鋼：由于其含碳量低、其他合金元素也不高，具有良好的焊接性。一般可不采用預熱，但應避免在低溫下施焊。含鎳低溫鋼：由于添加了鎳，增大了鋼的淬硬性，但不顯著，冷裂傾

11、向不大。當板厚 較大或拘束較大時，應采用適當預熱。C、S、P含量，以及雖然鎳可能增大熱裂傾向，但是嚴格控制鋼及焊接材料中的采用合理的焊接工藝，增大焊縫成形系數(shù)，可以避免熱裂紋4、低溫鋼焊接接頭的低溫韌性保證措施：從結構設計上充分考慮焊透，避免結構不良而引起的人為缺陷。正確選擇焊材，保證焊縫足夠的沖擊韌性水平。正確制定焊接工藝，控制焊接線能量：采取小電流、快焊速、控制多層焊的層間溫度 等措施。避免工藝缺陷：防止焊接接頭產(chǎn)生各種應力集中源。采用錘擊工件等強制手段進行組裝會增加殘余應力，易導致發(fā)生低應力脆性斷裂破 壞。所以規(guī)定低溫鋼在組裝過程中不允許采用錘擊等強制手段進行組裝。因為缺口效應往往是脆斷

12、的裂源，所以不允許在受壓元件上刻劃或敲打材料標記和 焊工鋼印等導致產(chǎn)生缺口效應的劃痕。焊件表面的電弧擦傷是應力集中源，所以規(guī)定焊接時不得在焊件表面引弧、收弧和 試驗電流，嚴禁有電弧擦傷。對低溫鋼焊接實行表面退火焊道，對改善焊接接頭的韌性有相當有利的作用。這種 表面退火焊道通常可以用鎢極氬弧焊不填焊絲表面重熔來實現(xiàn)。為了消除表面層的柱狀組織，也可以最后多焊一層退火焊道，再把退火焊道加工掉。焊后消除應力熱處理可以降低低溫鋼焊接產(chǎn)品的脆斷危險性。5、低合金低溫鋼的焊條選用要點：低溫鋼焊接的主要矛盾是保證接頭的低溫韌性要求，防止接頭在使用過程中產(chǎn)生脆性 斷裂，其強度通常均能滿足要求。故應按以下原則選用

13、與母材的使用溫度相適應的焊條： 當?shù)蜏劁摻Y構的使用條件在-45C以上時，可選用低溫韌性好的Ti-B系或高韌性普通低合金鋼焊條。如 W507、J507RH。W607、W707Ni使用條件在-60 C以下的低溫鋼，一般均采用含鎳的低溫鋼焊條。如 等。 在-100 C左右使用的低溫鋼，通常均使用含3.5Ni或更高含鎳量并含一定量鉬的低溫 鋼焊條。如W907Ni。對于9Ni鋼的焊接，常用的焊接材料有三種，即：含 Ni約60%以上的Inconel型、含Ni約40%的Fe-Ni基型、含Ni13%-Cr16%的奧氏體不銹鋼改進型。女口：女0 ENiCrFe-2、ENiCrFe-4、 ENiCrMo-6 等焊

14、條。V型缺口沖擊吸收JB/T4709-2000規(guī)定：用于焊接低溫鋼的鎳鋼焊條的焊縫金屬夏比34J。功在相應低溫時應不小于低溫鋼焊條藥皮一般均采用低氫型。2.3.1低溫鋼焊接的主要問題含鎳較低的Ni2.5%和Ni3.5%鋼，雖然由于鎳的加入提高了剛才的淬透性,但由于含碳量限制的較低，因此冷裂紋傾向并不嚴重，焊接薄板時可以不預熱, 厚板焊接時需進行100C預熱。含鎳高的ni9%岡，淬透性很大，在超過臨界點的 熱硬性區(qū)內(nèi)得到的永遠是淬火組織。 但由于含碳量很低，并采用了奧氏體焊接材料，因此冷裂紋傾向并不大。實際經(jīng)驗表明，焊接厚度50mn一下的ni9%鋼時根本不需要預熱。此外，雖然鎳能提高鋼材的熱裂傾

15、向，但在低溫鋼中，由于含炭 量和雜質(zhì)硫，磷的含量控制很嚴格，所以液化裂紋在這類鋼中已基本解決。 含鎳 剛的另一問題是回火脆性，為此，要注意這類鋼焊后回火時的溫度和冷卻速度的 控制。1嚴格控制焊接線能量低溫鋼焊接時除了要防止裂紋外，關鍵是要保證焊縫和過熱區(qū)的低溫韌性,這是制定低溫用鋼焊接工藝的一個根本出發(fā)點。 解決熱影響區(qū)韌性問題主要是通 過控制焊接線能量。2正確選擇焊接材料焊縫韌性除了與線能量有關外，最根本的是取決于焊縫成分的選擇。由于焊縫金 屬是粗大的鑄造狀組織，因此韌性要低于同樣成分的木材，故焊縫成分不能與木 材完全一樣。如何正確選擇焊縫成分，是保證焊縫韌性的關鍵。由于對低溫條件 的要求不

16、同，故應針對不同類型低溫鋼來選擇不同的焊接材料和不同的線能量。232接頭與坡口型式設計焊縫布置與接頭的應力集中程度都對接頭質(zhì)量有明顯的影響。合理的接頭 設計應使應力集中系數(shù)盡可能的小，且具有好的可焊性，便于焊后檢驗。一般來說，對接焊縫比角焊縫更合理。同時便于進行射線或超聲波探傷, 坡口形式以U形為佳，單邊V形也可采用。但必須在工藝規(guī)程中注明要求兩個坡 口面必須完全焊透。為了降低焊接應力，可采用雙V或雙U坡口。無論采用何種 形式的接頭或坡口，都必須要求焊縫與母材交界處平滑過渡。本次設計，鋼板開V型坡口。坡口形式見下圖。2.4 母材的焊接性試驗對09Mn2V鋼的焊接性進行試驗，可用以下幾種方法來衡

17、量該鋼的焊接性。2.4.1插銷試驗采用插銷試驗方法，可以定量測定低溫鋼焊接熱影響區(qū)冷裂紋敏感性。 插銷試件和底板尺寸分別如圖2-3和圖2-4所示。ROf將被焊鋼材加工成圓柱形的插銷試棒，沿軋制方向取樣并注明插銷在厚度方向上的位置。試棒上端附近有環(huán)形缺口。將插銷試棒插入底板相應的孔中， 使帶 缺口一端與底板表面平齊。用選定的焊接輸入進行堆焊（垂直底板縱向，并通過 插銷頂端中心），焊道長度100-150mm為獲得焊接熱循環(huán)有關參數(shù)（18/5等）， 應事先將熱電偶旱在底板焊道下的盲孔中，其深度應與插銷試棒的缺口處一致,100C。測點最高溫度不低于1100C。當焊道冷至150-100 C時，給試棒逐漸

18、加載，規(guī)定 載荷應在1min內(nèi)加載完畢，此時試棒的溫度不應低于載荷保持16h或24h后卸載，若試棒未斷，而采用“斷裂準則”，應增加載 荷重復上述試驗，直至試棒發(fā)生斷裂，然后降低約10Mpa的載荷，而試棒未發(fā)生 斷裂，此值即為“斷裂準則”的“臨界應力”2.4.2焊接熱裂紋敏感性試驗方法壓板對接（FISCO）焊接裂紋試驗方法GB4675.4-84）,可用于評定焊條焊縫的熱裂紋敏感性。(1)準備試件試件材質(zhì)與焊件相同，采用原板厚，開I形坡口。采用機械加工方法1C 擔1O N一 200L 一 n圖2-4 FISCO試驗班尺寸試驗裝置如圖2-5所示。J _1|対圖2-5 FISCO試驗裝置(3)試驗步驟

19、把試件安裝在C形裝置中，調(diào)好坡口間隙。將螺栓旋緊,在水平、垂直方向頂緊試板。用待試焊條焊4條長約40mm勺試驗焊縫。10min后，取出試件，沿焊縫彎斷，觀察斷面有無裂紋。（4）計算裂紋率C C =（ 刀li / 刀Li ） X 100%?式中：刀li 4條試驗焊縫上的裂紋長度之和(mm；刀Li 4條焊縫的長度之和(mm)。2.4.3 接頭機械性能試驗(一)焊接接頭拉伸試驗板接頭板形拉伸試樣如圖3-1所示，至少1個。按GB228-87金屬拉伸試驗法，在拉力機上進行。圖3-1（二）焊接接頭彎曲試驗試樣種類和數(shù)量按相關標準制取。如無注明,可制取正彎、背彎、側(cè)彎試樣各不少于 1個，縱彎不少于2個。尺寸

20、按GB2649-89中的規(guī)定。試驗按GB232-88金屬彎曲試驗法，在拉力機上進行。3焊接工藝性評定3.1 焊接試件的制備采用刨邊機進行坡口加工。清除坡口附近的水、油污、銹漬等雜質(zhì)。對接焊縫試件的制備采用V形坡口，坡口型式如前圖所示。采用埋弧 自動焊，埋弧自動焊的規(guī)范參數(shù)包括電源極性、 焊絲直徑、電弧電壓、焊接電流、 焊接速度等。源極性 埋弧自動焊焊接09Mn2V鋼時應采用直流反接。焊絲直徑 埋弧自動焊的焊絲直徑一般可根據(jù)板厚選擇。銅液氨冷凝器 的壁厚為12mm可選4.0mm的焊絲。電弧電壓和焊接電流對于一定直徑的焊絲來說，在埋弧自動焊中，采 用較低的電弧電壓，較小的焊接電流焊接時，焊絲熔化所

21、形成的熔滴把母材和焊 絲連接起來，呈短路狀態(tài)稱為短路過渡。大多數(shù)埋弧自動焊工藝都采用短路過渡 焊接。當電弧電壓較高、焊接電流較大時，熔滴呈小顆粒飛落稱為顆粒過渡。綜上所述，其焊接工藝參數(shù)如表 3-1所示。表3-1 埋弧自動焊工藝參數(shù)焊接方法焊絲牌號及規(guī)格/mm焊接電流/A電弧電壓/V極性焊接速度/(m/h)SAWH08 Mn 2MoV4.0A 60036直流反接36(2)角接焊縫試件的制備采用埋弧自動焊焊接，如圖3-2所示。其工藝參數(shù)見表3-2。表3-2 埋弧自動焊工藝參數(shù)坡口形式焊絲直徑/mm焊接電流/A焊接電壓/V焊絲焊接速度m/h電流極性單邊V型4.056035H08 Mn 2MoVA3

22、0直流反接圖3-2角接試件及坡口設計3.2焊接試件試驗方法3.2.1拉伸試驗金屬拉伸實驗是測定金屬材料力學性能的一個最基本的實驗，是了解材料力 學性能最全面，最方便的實驗。按GB/T228-2002規(guī)定對試件進行拉伸強度試驗, 如圖3-3所示。圖3-3拉伸試件322沖擊試驗將試樣置于低溫槽的均溫區(qū)冷卻到-45 C后，保溫足夠長的一段時間，然后將試樣取出進行沖擊試驗。使用液體冷卻介質(zhì)，保溫時間不得少于5mi n。試樣移出冷卻介質(zhì)至打斷的時間不超過 5s，如超過5s則應將試樣放回冷卻介質(zhì)重新冷卻，保溫，再進行試驗。采用擺錘沖擊試驗，其示意圖如圖 3-4所示。4315310I觀機* 2皮帶ftT 3

23、4Hffic7試仔t a描示； 9一電開餐；loTfir示燈圖3-4 擺錘沖擊試驗3.2.3彎曲試驗將試件放在實驗機帶滾動軸的支座上，用規(guī)定的彎心直徑壓頭將試件彎曲到要求的角度，彎曲試件的中心應對準焊縫中心，當彎曲到規(guī)定角度后，焊縫拉伸面沿試件寬度方向上所允許出現(xiàn)的裂紋或缺陷不大于1.5，沿試件長度方向上為不大于3mm試件如圖3-5所示。圖3-5 彎曲試件3.3工藝評定試驗分析(1)(2)無損探傷 試驗試板焊后經(jīng)射線探傷，均末發(fā)現(xiàn)焊接缺陷。接頭力學性能 根據(jù)接頭力學性能試驗的結果，其接頭強度、塑性均 能滿足規(guī)定的標準值。接頭沖擊韌性 試驗結果表明，焊縫金屬的-45 C卻貝沖擊值可以達到規(guī)定標準

24、，熱影響區(qū)-45 C卻貝沖擊值比規(guī)定的標準值要高得多，其沖擊值完全可以滿足09Mn2v鋼的標準。熔合線的沖擊值所反映的是焊縫或熱影響區(qū)的沖擊韌性?？梢哉J為，只要是熱影響區(qū)尤其是焊縫金屬的沖擊韌性解決好了，熔合線 的沖擊韌性應該能獲得較為滿意的結果。根據(jù)試驗可以看出，焊接接頭無淬硬組織。接頭的硬度分布是正常的。調(diào)質(zhì)鋼焊接后，如不再進行調(diào)質(zhì)處理，則熱影響區(qū)的軟化將成為調(diào)質(zhì)鋼焊接的 個重要問題， 而09Mn2v鋼的焊接接頭并無軟化現(xiàn)象。3.4焊接工藝參數(shù)的選擇從防止冷裂紋出發(fā)，要求冷卻速度慢為佳，但對防止脆化來說，卻要求冷卻 較快為好，因此應該確定兼顧兩者的冷卻速度范圍。 這個范圍的上限取決于不產(chǎn)生

25、冷裂紋，下限取決于熱影響區(qū)不出現(xiàn)脆化的混合組織。但在焊接厚板時，即使 采用了大的線能量，冷卻速度往往還是超過了它的上限， 這就必須通過預熱來使 冷卻速度降到低于不出現(xiàn)裂紋的極限值。因此，正確選擇線能量和預熱這兩個參 數(shù)使保證不出現(xiàn)裂紋和脆化的關鍵。焊接線能量 如果焊接線能量較大，使得熱影響區(qū)的晶粒粗大，則焊縫中的柱狀晶也粗大，焊接線能量大，必然會引起結晶時的冷卻速度較慢， 最高加熱溫度Tm升高和AC3以上停留的時間長，從而導致焊縫金屬的晶粒就更粗大。線 能量較小，焊速過快，焊工操作困難，而且易產(chǎn)生夾渣等焊接缺陷，所以焊接線 能量一般應以812kJ/cm為宜。預熱溫度 預熱主要希望它能降低馬氏體轉(zhuǎn)變時的冷卻速度，通過馬氏體 的自回火作用來提高抗裂性能。由于殼體厚度僅 12mm所選用的鋼板厚度為 12mm所以不需要預熱。焊后熱處理：考慮到09Mn2v鋼調(diào)質(zhì)時的回火溫度為640660C，所以焊 后退火處理溫度，只能是600C左右。在此溫度范圍內(nèi)，焊縫-45 C沖擊韌性是