毕业设计（论文）-15MnNbR钢质储油罐本体设计及焊接.doc

河南机电高等专科学校毕业论文 绪 论1.1 焊接技术的发展及其工业地位今年来，随着国民经济的飞速发展，我国重型机械金属结构制造业取得了令人瞩目的成就。我国不仅是世界钢材消耗大国，也是一个世界机械制造业大国。据国际钢铁协会（iisi）统计，2004年世界钢产量首次达到10.3亿t，用钢量为9.35亿t。我国2004年钢产量为2.72亿t，约占全球钢产量的26，全年用钢量为3.12亿t，占全球钢产量的33，其中1.6亿t应用于焊接结构，约占用钢量的51左右。而欧美和原苏联焊接结构用钢占其用钢量的60左右，日本超过70。由此可见，我们与工业发达国家相比还有一定差距。根据有关调查，在1.6亿t焊接结构用钢中，机械制造业金属结构用钢量约占用钢量的45，钢铁工业的快速发展，给我国焊接行业，尤其是重型机械金属结构行业焊接技术的可持续发展创造了很大的发展空间。进入21世纪，我国重型机械行业面临新的挑战和机遇，应彻底改善耗能大、耗材高、效率低、工作环境差和自动化程度低的传统焊接产业，促进焊接技术与产业向着优质、高效、节能、低成本、环境友好方面和自动化方向发展，努力将相对人力资源优势转化为科技竞争优势，促进企业进步和产业升级。 行业焊接技术现状 1.国内外概况 焊接技术是重型机械金属结构设备制造与安装施工的关键工艺技术之一，在工业发达国家重型机械制造业中得到广泛应用。发展至今，我国的重型机械焊接技术与美国（如p&h公司等）、德国（如西马克公司等）、法国（如奥钢联公司等）、日本（如三菱重工、小松株式会社等）等发达国家间存在很大的差距。目前，这些国家及地区采用焊接结构件的比例日趋增大，其中自动化、机械化的气体保护焊及多丝埋弧焊等高效焊接工艺方法消耗的焊接金属材料约占全部焊材总量的5070，其焊接生产采用机械化、自动化、高效的焊接工艺方法，带来焊接生产效率高、焊接质量好的效果，国际竞争力强。 在我国重型机械金属结构行业，气体保护焊、双丝埋弧自动焊、龙门焊机、电渣焊等高效焊接工艺方法在大型金属结构制造企业中的应用日趋增多，高效焊接方法完成的金属结构件已占其总重量的5080左右，在中小型企业中，co2气体保护实芯焊丝、埋弧自动焊等方法也得到一定应用。但总体来说，我国重型机械制造中劳动工资低廉的优势正在被生产效率低下、质量成本高昂的巨大差距所抵消，这应引起我们的足够重视。 2.产品情况 重型机械金属结构行业主要为国家大型骨干企业和国家重点工程项目提供重型机械装备。行业制造骨干企业如第一重型机械集团有限公司、第二重型机械集团有限公司、太原重型机械集团有限公司、大连重工起重机集团有限公司、中信重型机械有限公司、郑州煤机厂、北京煤机厂、上海振华港口机械公司、齐齐哈尔第二机床厂等，主要制造大型桥式和门式起重机、435m3机械式挖掘机、16m3液压挖掘机、大型加压气化炉、加氢反应器、大型舞台设备、航天发射塔架、焦炉机械设备、螺旋焊管设备以及大型减速机、提升机、堆取料机、轧钢锻压设备、氧气瓶压机、水泥设备、粉磨、破碎机械、水利、工程机械、液压支柱、港口机械及环保设备等大型设备。 3.重型机械金属结构行业用钢 长期以来，我国重型机械金属结构行业大多采用国内外成熟钢种，如q235系列碳素钢，q345、q390系列低合金钢，20g、16mnr压力容器用钢等。近年来，随着国家重点工程的发展和产品结构的调整，焊接用钢的种类品种大幅度提高。常用钢板包括：q235、q345、q390、20、35、45、15mo3、15crmo、13mnnimonbr、wel-ten80c、a633d、16mnr、20g、15mnvr等；常用不锈钢板有：0cr18ni9、1cr18ni9ti、1cr13、2cr13、3cr13等；常用铝板有硬铝及铝合金板等；常用锻件有25、35、45、40cr、42crmo、40crnimo、40crni2mo、20mnmo、42crmnmo、34crni3mo等。板厚一般在1300mm之间。 随着钢材种类和品种的不断增多，焊接件的年产量大幅度提高。据不完全统计，2005年齐齐哈尔第二机床厂焊接件年产量约为1万吨；第二重型机械集团有限公司约为3万吨；太原重型机械集团有限公司为约5万吨；中信重型机械有限公司突破5万吨；上海振华港口机械公司焊接件年产量高达20万吨左右。焊接结构件以其独特的优势，已取代了铆接结构，替代了铸造结构，成为重型机械行业金属结构设备的主导结构。 4.焊接工艺方法 重型机械金属结构行业开始起步一般采用手工电弧焊工艺方法。20世纪50年代开始使用埋弧自动焊和电渣焊工艺方法，主要用于一些厚板对接、工型梁及筒体焊接。近年来，一些大型企业通过技术改造，相继应用双丝埋弧焊、双丝窄间隙埋弧自动焊、龙门式焊机、轧辊埋弧堆焊等先进的焊接工艺方法，以满足产品制造技术要求。 随着我国大型骨干企业焊接技术改造，气体保护焊工艺方法在重型机械金属结构行业得到广泛的应用。可以说气体保护焊工艺方法伴随着重型机械金属结构行业焊接技术的发展而壮大。在我国八十年代后期，为满足国家重点工程大型机械技术装备制造要求，引进国外先进的焊接技术和设备，对大型骨干重型机械企业进行技术改造，我国大型重型机械金属结构制造企业通过与美国、德国、日本等国家的跨国公司合作制造大型金属结构，批量购买国外气体保护焊设备、焊材等器材，并进行焊工培训。我国借助国外气体保护焊成熟技术和生产工艺，形成了我国大型金属结构行业以气体保护焊为主的生产能力，从根本上改变了重型机械金属结构行业的制造技术水平，推动了我国气体保护焊技术的发展。90年代初至今的近十几年时间，以第一届“全国co2焊接技术推广应用交流会”为契机，我国又分别于2001年和2004年连续举行两届全国co2焊接技术推广应用交流会，气体保护焊技术在重型机械金属结构行业中推广应用工作持续、稳定、蓬勃发展，气体保护焊技术开发应用能力增强，应用工作从大型机械企业推广到中小企业，而大型重型机械企业的气体保护焊应用也从合作制造产品的生产，推广到普通产品的生产中。气体保护焊设备、焊材、辅件基本实现国内供给，逐渐形成了我国气体保护焊产业。1.2焊接技术的新进展焊接技术自发明至今已有百余年的历史，工业生产中的一切重要产品，如航空、航天及核能工业中产品的生产制造都离不开焊接技术。当前，新兴工业的发展迫使焊接技术不断前进，如微电子工业的发展促进了微型连接工艺和设备的发展；陶瓷材料和复合材料的发展促进了真空钎焊、真空扩散焊、喷涂以及粘接工艺的发展。所以焊接技术将随着科学技术的进步而不断发展，主要体现在以下几个方面：1、能源方面目前，焊接热源已非常丰富，如火焰、电弧、电阻、超声、摩擦、等离于、电子束、激光束、微波等等，但焊接热源的研究与开发并未终止，其新的发展可概括为三个方面：首先是对现有热源的改善，使它更为有效、方便、经济适用，在这方面电子束和激光束焊接的发展较显著；其次是开发更好、更有效的热源，采用两种热源叠加以求获得更强的能量密度，例如在电子束焊中加入激光束等；第三是节能技术。由于焊接所消耗的能源很大，所以出现了不少以节能为目标的新技术，如太阳能焊、电阻点焊中利用电子技术的发展来提高焊机的功率因数等 2、计算机在焊接中的应用 弧焊设备微机控制系统，可对焊接电流、焊接速度、弧长等多项参数进行分析和控制，对焊接操作程序和参数变化等作出显示和数据保留，从而给出焊接质量的确切信息。目前以计算机为核心建立的各种控制系统包括焊接顺序控制系统、pid调节系统、最佳控制及自适应控制系统等。这些系统均在电弧焊、压焊和钎焊等不同的焊接方法中得到应用。计算机软件技术在焊接中的应用越来越得到人们的重视。目前，计算机模拟技术已用于焊接热过程、焊接冶金过程、焊接应力和变形等的模拟；数据库技术被用于建立焊工档案管理数据库、焊接符号检索数据库、焊接工艺评定数据库、焊接材料检索数据库等；在焊接领域中，cad/cam的应用正处于不断开发阶段，焊接的柔性制造系统也已出现。3、焊接机器人和智能化焊接机器人是焊接自动化的革命性进步，它突破了焊接刚性自动化的传统方式，开拓了一种柔性自动化新方式，焊接机器人的主要优点是：稳定和提高焊接质量，保证焊接产品的均一性；提高生产率，一天可24小时连续生产；可在有害环境下长期工作，改善了工人劳动条件；降低了对工人操作技术要求；可实现小批量产品焊接自动化；为焊接柔性生产线提供了技术基础。为提高焊接过程的自动化程度，除了控制电弧对焊缝的自动跟踪外，还应实时控制焊接质量，为此需要在焊接过程中检测焊接坡口的状况，如熔宽、熔深和背面焊道成形等，以便能及时地调整焊接参数，保证良好的焊接质量，这就是智能化焊接。智能化焊接的第一个发展重点在视觉系统，它的关键技术是传感器技术。虽然目前智能化还处在初级阶段，但有着广阔前景，是一个重要的发展方向。有关焊接工程的专家系统，近年来国内外已有较深入的研究，并已推出或准备推出某些商品化焊接专家系统。焊接专家系统是具有相当于专家的知识和经验水平，以及具有解决焊接专门问题能力范围的计算机软件系统。在此基础上发展起来的焊接质量计算机综合管理系统在焊接中也得到了应用，其内容包括对产品的初始试验资料和数据的分析、产品质量检验、销售监督等，其软件包括数据库、专家系统等技术的具体应用。 4、提高焊接生产率 焊接机器人是焊接自动化的革命性进步，它突破了焊接刚性自动化的传统方式，开拓了一种柔性自动化新方式，焊接机器人的主要优点是：稳定和提高焊接质量，保证焊接产品的均一性；提高生产率，一天可24小时连续生产；可在有害环境下长期工作，改善了工人劳动条件；降低了对工人操作技术要求；可实现小批量产品焊接自动化；为焊接柔性生产线提供了技术基础。为提高焊接过程的自动化程度，除了控制电弧对焊缝的自动跟踪外，还应实时控制焊接质量，为此需要在焊接过程中检测焊接坡口的状况，如熔宽、熔深和背面焊道成形等，以便能及时地调整焊接参数，保证良好的焊接质量，这就是智能化焊接。智能化焊接的第一个发展重点在视觉系统，它的关键技术是传感器技术。虽然目前智能化还处在初级阶段，但有着广阔前景，是一个重要的发展方向。有关焊接工程的专家系统，近年来国内外已有较深入的研究，并已推出或准备推出某些商品化焊接专家系统。焊接专家系统是具有相当于专家的知识和经验水平，以及具有解决焊接专门问题能力范围的计算机软件系统。在此基础上发展起来的焊接质量计算机综合管理系统在焊接中也得到了应用，其内容包括对产品的初始试验资料和数据的分析、产品质量检验、销售监督等，其软件包括数据库、专家系统等技术的具体应用。2 15mnnbr钢焊接的焊接性分析2.1 15mnnbr钢的成分及性能15mnnbr含碳量较低，含锰量较高，具有较好的抗热裂性能，不易产生热裂倾向。这种钢碳当量（ceq）为0.447，属于有淬硬倾向的钢，必须控制焊接热输入和采取预热等工艺措施，以防冷裂纹的产生。15mnnbr焊接性能与16mnr相近，但强度和韧度均高于16mnr,其强度指标较15mnvr钢板高6%，比16mnr钢高10%,并于1998年被列入国标，成为压力容器用低合金高强度正火钢板。其化学成分和力学性能见表1表2 表1 15mnnbr化学成分% c si mnps nb0.180.20-0.551.20-1.600.0250.0150.010-0.040表2 15mnnbr力学性能厚度/mm交货状态 拉力试验 冲击试验b/mpas/mpas/%温度/akv(横向)/j38-60正火520-64035020-2034续表 钢 号许用应力值/mpa-20冲击韧度值/j 许用应力值对比15mnnbr(wh530)173341.12.2 15mnnbr钢焊接性15mnnbr的含碳量一般不超过0.20，合金元素总量一般不超过5。正是由于15mnnbr含有一定量的合金元素，使其焊接性能与碳钢有一定差别，其焊接特点表现在：2.2.1焊接接头的焊接裂纹（1）冷裂纹 15mnnbr由于含使钢材强化的c、mn、v、nb等元素，在焊接时易淬硬，这些硬化组织很敏感，因此，在刚性较大或拘束应力高的情况下，若焊接工艺不当，很容易产生冷裂纹。而且这类裂纹有一定的延迟性，其危害极大。（2）再热（sr）裂纹再热裂纹是焊接接头在焊后消除应力热处理过程或长期处于高温运行中发生在靠近熔合线粗晶区的沿晶开裂。一般认为，其产生是由于焊接高温使haz附近的v、nb、cr、mo等碳化物固溶于奥氏体中，焊后冷却时来不及析出，而在pwht时呈弥散析出，从而强化了晶内，使应力松弛时的蠕变变形集中于晶界。15mnnbr焊接接头一般不易产生再热裂纹，如16mnr、15mnvr等。但对于mn-mo-nb和mn-mo-v系15mnnbr，如07mncrmovr，由于nb、v 、mo是促使再热裂纹敏感性较强的元素，因此这一类钢在焊后热处理时应注意避开再热裂纹的敏感温度区，防止再热裂纹的发生。2.2.2焊接接头的脆化和软化 （1）应变时效脆化 焊接接头在焊接前需经受各种冷加工(下料剪切、筒体卷圆等)，钢材会产生塑性变形，如果该区再经200 450的热作用就会引起应变时效。应变时效脆化会使钢材塑性降低，脆性转变温度提高，从而导致设备脆断。pwht可消除焊接结构这类应变时效，使韧性恢复。gb150-1998钢制压力容器作出规定，圆筒钢材厚度s符合以下条件：碳素钢、16mnr的厚度不小于圆筒内径di的3；其他低合金钢的厚度不不小于圆筒内径di的2.5。且为冷成形或中温成形的受压元件，应于成形后进行热处理。（2）焊缝和热影响区脆化 焊接是不均匀的加热和冷却过程，从而形成不均匀组织。焊缝(wm)和热影响区(haz)的脆性转变温度比母材高，是接头中的薄弱环节。焊接线能量对15mnnbrwm和haz性能有重要影响，15mnnbr易淬硬，线能量过小，haz会出现马氏体引起裂纹；线能量过大，wm和haz的晶粒粗大会造成接头脆化。低碳调质钢与热轧、正火钢相比，对线能量过大而引起的haz脆化倾向更严重。所以焊接时，应将线能量限制在一定范围。（3）焊接接头的热影响区软化 由于焊接热作用，低碳调质钢的热影响区(haz)外侧加热到回火温度以上特别是ac1附近的区域，会产生强度下降的软化带。haz区的组织软化随着焊接线能量的增加和预热温度的提高而加重，但一般其软化区的抗拉强度仍高于母材标准值的下限要求，所以这类钢的热影响区软化问题只要工艺得当，不致影响其接头的使用性能。3. 焊接工艺的拟定3.1 焊接方法的选择15mnnbr钢焊接时只可以用两种焊接方法焊接，不同的焊接方法对产品质量无显著的影响。通常是根据产品的结构特点、批量、生产条件及经济效益等综合效果来选择焊接方法。生产中常用的焊接方法有焊条电弧焊、埋弧焊等。手弧焊是各种电弧焊方法中发展最早、目前仍然应用最广的一种焊接方法。它是以外部涂有涂料的焊条作电极和填充金属，电弧是在焊条的端部和被焊工件表面之间燃烧。涂料在电弧热作用下一方面可以产生气体以保护电弧，另一方面可以产生熔渣覆盖在熔池表面，防止熔化金属与周围气体的相互作用。熔渣的更重要作用是与熔化金属产生物理化学反应或添加合金元素，改善焊缝金属性能。 手弧焊设备简单、轻便，操作灵活。可以应用于维修及装配中的短缝的焊接，特别是可以用于难以达到的部位的焊接。但是它主要是采用手工操作,焊工的劳动强度较大.埋弧焊是以连续送给的焊丝作为电极和填充金属。焊接时，在焊接区的上面覆盖一层颗粒状焊剂，电弧在焊剂层下燃烧，将焊丝端部和局部母材熔化形成焊缝。在电弧热的作用下，上部分焊剂熔化熔渣并与液态金属发生冶金反应。熔渣浮在金属熔池的表面，一方面可以保 护焊缝金属，防止空气的污染，并与熔化金属产生物理化学反应，改善焊缝金属的成分及性能；另一方面还可以使焊缝金属缓慢泠却。 埋弧焊可以采用较大的焊接电流。与手弧焊相比，其最大的优点是焊缝质量好，焊接速度高。因此，它特别适于焊接大型工件的直缝或环缝。而且多数采用机械化焊接。埋弧焊已广泛用于碳钢、低合金结构钢和不锈钢的焊接。由于熔渣可降低接头冷却速度，故某些高强度结构钢、 高碳钢等也可采用埋弧焊焊接.它的主要缺点是:1由于埋弧焊是依靠颗粒状焊剂堆积形成保护条件，因此主要适用于水平焊缝。2由于埋核焊焊剂的主要成分是氧化锰、二氧化硅等金属及非金属氧化物,难以用来焊接铝、钛等氧化性较强的金属及其合金。3只适用于长焊缝的焊接。4由于埋弧焊电弧的电场强度较大,电流小100a时，电弧的稳定性不好，因此不适合焊接厚度小于1mm的薄板。3.2 焊接材料的选择选择焊接材料最重要的原则就是确保焊缝金属的性能，使之满足产品的技术要求，从而保证产品在服役中正常运行。15mnnbr属于低合金钢,主要用于制造各类中低压压力容器等受力构件，要求焊接接头具有足够的强度，适当的屈服比，足够的韧性和低的时效敏感性，既具有与产品技术条件相适应的力学性能。因此，选择焊接材料时，必须保证焊缝金属的强度、塑性和韧性等力学性能指标不低于母材，同时还要满足产品的一些特殊要求。如中温强度、耐大气腐蚀等。并不要求焊缝金属的合金系统或化学成分与母材完全相同。一般来说，焊缝金属的强度是较易保证的，关键在于保证强度的同时获得良好的塑性和韧性。焊缝从高温快速冷却后得到不平衡组织，合金元素往往以过饱和状态固溶于基体中，从而使焊缝金属的强度上升，塑性、韧性下降。为了消除冷却速度高对性能带来的不利影响，必须调整焊缝的化学成分。一般情况下，希望焊缝的含碳量低于母材，合金元素含量也应比母材稍低，必要时对合金系统作些调整。熔敷金属中c低于母材即可保证焊缝与母材等强。可以估计，如果焊条熔敷金属的化学成分与母材完全相同，在快冷条件下，焊缝金属的强度必将上升，而塑性韧性下降。因此，在选择焊条时的主要依据是保证焊缝与母材的强度级别相匹配。埋弧焊时，选择焊丝还应该考虑熔合比和焊剂对焊缝成分的影响。15mnnbr钢焊接时一般选用焊丝h08mna焊剂hj404。通过焊剂中锰、硅还原向焊缝中过度锰和硅。在熔合比较大时，母材中部分mn、si进入焊缝，从而可保证焊缝金属的力学性能与母材相匹配。表3 15mnnbr钢常用焊接材料3.3 焊接准备工作焊前准备工作包括：接头和坡口设计、坡口加工、接头清理、焊接装配、工装及焊接设备调整、维护等内容.焊接接头开坡口的根本目的在于确保接头的焊接质量，同时方便焊接过程的进行，并有利于经济性的提高。坡口形式和尺寸的选择，主要根据被焊板材的厚度、焊接方法接头的力学和冶金性能要求，以及施工条件等。一般来说，在选择和设计焊接坡口时，应遵循以下原则：1.保证焊接质量 确保焊接质量是焊接结构生产的最根本的要求，也是焊接坡口选择和设计的根本出发点。2.焊接的可焊性 可焊性是选择坡口形式的重要原则之一。一般来说，要根据构件能否翻转、翻转的难易程度或内外两侧的焊接条件来定。对不能翻转的构件或内径较小的容器、转子及轴类零件的对接焊缝，为了避免大量的仰焊和不能或不便从内侧施焊，易采用v型或u型坡口。表3 15mnnbr钢常用焊接材料钢号焊条型号焊条牌号埋弧焊 电渣焊co2焊焊丝焊丝焊剂焊丝焊剂15mnnbre5516-g(gbt5118)e5515一g(gbt5118)j556rh j557-hj404一h08mna(gbt5293)-3.坡口易于加工 v型坡口和u型坡口均可用气割或等离子切割加工，也可用机械切削加工，但u型坡口和双u型坡口则需要用刨边机加工。因此，从坡口加工的难易程度出发，能采用v型坡口或双v型坡口就不易采用u型或双u型坡口等加工工艺较复杂的坡口类型。4.焊接效率和经济性 坡口的断面积尽可能小，这样可以降低焊接材料的消耗，减少焊接工作量，提高焊接效率，并节省能源和人工，有利于经济效益的提高。5.焊接变形易于控制 采用不适当的坡口形式容易产生较大的焊接变形，如果坡口形式适宜，工艺合理，则可有效地减小焊接变形。焊缝坡口的加工方法有很多,可以采用机械加工,其加工精度较高,也可采用火焰切割或碳弧气刨等热切割方法. 热切割边缘或坡口表面可直接进行焊接，焊前必需清理干净热切割熔渣和氧化皮，切割面缺口应用砂轮修磨成圆滑过渡，机械加工的边缘或坡口面焊前应清除油迹等污物。对焊缝质量要求较高的焊件，焊前最好用丙酮擦净坡口表面。为了防锈，许多钢板和焊丝表面都涂有油漆或某些涂料。这些油漆不一定要去除，要看对焊接质量有无影响，有影响的涂料一定要去除，没有影响的涂料可以不除掉。另外焊缝坡口及焊丝表面不易有水分,如果水分过多易出现气孔，最好焊前用气体火焰预热一下，以便去除水分。焊接材料在使用前应作适当的预处理。埋弧焊用光焊丝的表面要清理干净，镀铜焊丝应将表面积尘和污垢清理干净。焊条焊剂应妥善保管，在使用前，应严格按工艺规程的规定进行烘干这对保持焊缝金属的低氢含量至关重要的。3.4预热及层间温度的确定焊前预热是防止冷裂纹、降低焊缝和热影响区冷却速度、减小内应力和改善接头性能的重要措施。预热温度受母材强度、焊条类型、坡口形式、环境温度等因素的影响，并可利用其中有关经验公式进行初步估算。一般可采用氧-乙炔火焰或其他加热方式,但要求加热方式不影响母材性能.预热又可分为局部预热和整体预热.局部预热时加热范围应保证在焊缝两侧不少于80mm.当接头板厚很大或施工温度较低时，应适当提高预热温度；结构比较复杂、接头拘束度大时，亦应提高预热温度。3.5焊接参数的确定正确选择焊接工艺参数是获得高生产率和高质量焊缝的先决条件。各种工艺参数的选择是以生产率、焊接材料、焊缝位置和形状，设备情况等为基础的。本课题研究的材料是15mnnbr，主要采用的焊接方法是手弧焊和埋弧焊。它们的焊接工艺参数包括：焊条、焊丝的种类、牌号和直径；焊剂的种类和牌号；焊接电流的种类、极性和大小；焊接电压；焊接速度；焊道层数和每层焊道数目等。1.焊条种类和牌号和电源的种类实际工作中主要是根据母材的种类、强度指标、接头刚度和工作环境条件选择焊条。焊一般低合金钢主要按等强度原则选用强度等级相同或稍低的焊条, 重要结构选用低氢型碱性焊条。15mnnbr钢是压力容器专业用钢,它要求焊接接头具有一定的强度、塑性和韧性， 所以此处选用e5516-g焊条（j556rh）。e5516-g属于低氢钠型碱性焊条，具有良好的力学性能和抗裂性能，可全位置焊接。通常根据焊条类型决定焊接电源的种类，低氢钠型焊条应采用采用直流反接。表4和表5给出了选用焊条直径的推荐值和焊条的烘干工艺。当接头钝边较小，间隙较大，焊打底焊道时，按表中下限选用焊条直径。2.焊条及焊丝直径与电流的选择 为了提高生产率，应尽可能选用直径较大的焊条和焊丝。但选用大直径焊条或焊丝时需要的焊接电流较大，容易引起烧穿、焊缝成形不良等缺陷。通常根据工件厚度、焊道层次和焊缝的空间位置选用焊条直径。表4 焊条直径与焊件厚度的关系焊件厚( mm)234561213焊条直( mm)223.22.5422.53.26表5 焊条烘干工艺焊接材料 烘干温度/ 保温时间/h j556rh 400 1焊接电流是焊接工艺参数中最重要的参数，因为焊工在操作过程中需要经常调节的工艺参数大都是焊接电流，而焊接速度和电弧电压也是焊工根据实际情况随时调整的。焊接电流主要影响焊缝的熔深，对焊缝宽度和余高影响不大。焊接电流越大，熔深越大，焊条熔化速度越快，焊接效率越高。实验结果表明，在电弧热和电阻热的共同作用下，焊条剩余部分的温度与长度成反比，焊条剩余部分越短，温度越高。当焊条快用完时，药皮的温度在500600c时较好。如果焊接电流太大，在电阻热作用下，焊条剩余部分会发红，甚至成块脱落，保护效果变差，容易产生气孔，焊缝成形不好，还容易产生咬边、焊瘤、烧穿等缺陷，将严重影响焊接质量。故应根据焊条剩余部分的药皮温度确定焊接电流的上限。焊接电流的下限有工艺条件决定，若焊接电流太小，则引弧困难，焊条容易粘在工件上，电弧很不稳定，熔池温度低，熔合不好，焊缝窄而高，而且容易产生夹渣、未焊透等缺陷。选择焊接电流应考虑的因素很多，如焊条直径、药皮类型、工件厚度、接头形式、焊接位置和焊道层次等。实际生产过程中焊工都是根据试焊结果，结合自己的实际经验选择焊接电流的。可根据焊条直径先任选一个焊接电流进行试焊，在焊接过程中观察熔池的变化情况，液态熔渣和铁水的分离情况，飞溅的大小，焊条是否发红，焊缝成形是否良好，焊后脱渣性是否好等因素来选择焊接电流。手工电弧焊和埋弧自动焊焊条或焊丝直径与焊接电流和电流密度之间的关系如表6所示。3.焊接线能量的确定选择焊接线能量及其相关参数的基本原则是，在保证质量的前提下尽可能提高生产率，降低生产成本。线能量对焊接质量影响之大小与被焊金属的焊接性有关，主要取决于金属在焊接参数变化时对接头的性能及裂纹率影响的程度。15mnnbr钢主要靠固溶强化提高强度，线能量的变化对接头性能无明显的不利影响。在保证焊缝成型良好的情况下不必对线能量作过多的限制。表6 焊接参数匹配焊条（焊丝）直径（mm）手工电弧焊埋弧自动焊焊接电流(a)电流密度(a/m)焊接电流(a)电流密度(a/m)35065162520040063125480130111835060050855125200101650080040633.6 焊后热处理根据母材的化学成分、焊接性能、厚度、焊接接头的拘束程度、容器使用条件和有关标准综合确定是否需要进行焊后热处理.焊后热处理的目的是为了消除焊接内应力、提高构件尺寸的稳定性、增强抗应力腐蚀性能、改善接头组织及力学性能、提高结构长期使用的质量稳定性和工作的安全性等。15mnnbr钢常用的热处理制度有消除应力退火。15mnnbr的母材厚度为40mm，预热为100-150，焊后热处理为540580。退火常用热处理参数见表7。 3.7 焊接检验众所周知，焊接结构（件）在现代科学技术和生产中得到了广泛的应用。随着锅炉、压压力容器、化工机械、海洋构造物、航空航天器和原子能工程等向高参数及大型化方向发展，工作条件日益苛刻、复杂。显然，这些焊接结构（件）必须是高质量的，否则，运行中出现事故必将造成惨重的损失。诚然，迅速发展现代焊接技术，已能在很大程度上保证其产品质量，但由于焊接接头为一性能不均匀体，应力分布又复杂，制造过程中亦做不到绝对的不产生焊接缺陷，更不能排除产品在役 用和发展合理而先进的焊接检验技术。 表7 15mnnbr钢预热及焊后热处理参数 钢号 预热条件及温度焊后热处理规范 电弧焊电渣焊15mnnbr3050预热10050 预热 150540580退火焊接检验的主要作用如下：1.确保焊接结构（件）制造质量，保证其安全运行，用焊接检验控制缺陷和防止废品产生，避免不合格品出厂。并在使用过程中不断进行监测，使焊接产品能在规定的使用条件下和预期的使用寿命内，焊接接头都不会发生破损，避免危险事故的发生，这是实施焊接检验的根本目的。2.改进焊接技术，提高产品质量，焊接检验可以评定制造工艺正确与否。同时，在制定焊接工艺时也可预先制备试样，利用焊接检验技术选择最佳工艺程序，使焊缝达到规定的质量等级要求。3.降低产品成本，正确进行安全评定，由于焊接检验贯穿于焊接生产的全过程，这就可能避免出现产品最后报废的现象，大减少了原材料加工和工时的浪费，以及因拖延工期而带来的经济损失，无疑会带来显著的社会效益和经济效益。4.由于焊接检验的可靠保证，促使焊接技术的更广泛应用。尤其是15mnnbr的焊接，是工艺管道焊接的难点。根据一些企业提供的技术资料，我们对其进行焊接工艺评定，确定采用手弧焊，埋弧焊焊接工艺。焊后，经x射线探伤检验，质量一次合格率达98，对15mnnbr焊接，我们采取焊接前预热、焊后保温缓冷的质量控制措施，保证了焊缝质量符合设计文件的规定。为了保证金属焊接结构质量所采取的检验措施。可分三个阶段:焊前检验、焊接过程中检验和焊后成品检验。 3.7.1 焊接前的检验焊接前的检验包括原材料检验 、焊件备料检、焊件装配检查和其他工作的检查。原材料检验包括被焊金属质量检验和焊接材料检验。对于被焊金属，根据金属材料的型号、出厂质量检验证明书加以鉴定，同时还须作外部检验和抽样复核，以检查在运输过程中产生的外部缺陷和防止型号差错。对于没有出厂证或新使用的材料，必须进行化学成分分析、力学性能试验和焊接性试验后才能投产使用。对于焊丝，应进行化学成分校核、外部检查和直径测量。焊丝表面不应有氧化皮、锈和油污等。对干焊条，首先检查其外表质量，然后检验其熔教金属化学成分和力学性能是否符合要求，焊接性能是否合格。对于焊剂，检验其颗粒度、水分及焊接性能。焊剂要与焊丝配合使用才能保证焊缝金属的化学成分和力学性能，焊接不同种类的钢材，或不同的性能要求，要采用相应的焊剂配合。焊件备料是从投料开始，经过划线、标记移植、下料、坡口加工和坡口及其边缘清理，各工序均须检验合格。装配质量是决定焊接质量的重要环节，焊件装配检查包括：零件位置、焊缝位置、坡口形状和尺寸、坡口的清理质量、装配工艺(错边量、预热、装配顺序、定位焊缝质量、装配件材质)等。其他工作的检查包括焊工资格的检查、焊接电源的检查、焊接工具的检查、焊接环境的检查等。3.7.2 焊接过程中的检验1.焊接规范的检验 即焊接电流、焊接电压、焊接速度、电源的种类和极性、焊接顺序、焊接的道数和层数等正确与否。2.夹具夹紧情况的检查3.焊缝外观和尺寸的检查3.7.3 焊后成品检验1.直观检查 能够直观检查的焊接缺陷有咬边、焊瘤、烧穿、未焊透、表面气孔、未熔合和表面裂纹等。2.焊件无损探伤 常用的有射线探伤、超声波探伤、磁粉探伤、渗透探伤等。射线探伤和超声波探伤用来检查金属焊接接头内部缺陷，如裂纹、气孔、夹渣、未焊透和未熔合等。磁粉探伤用来检查铁磁性材料的表面微裂纹及浅表层缺陷。渗透探伤用来检查各种材料表面微裂纹。此外，无损探伤方法中还有声发射检测、中子探伤、全息探伤和液晶探伤等。3.密封性检验 检查接头有无漏水、漏气、漏油和渗油等现象。常用的有煤油试验、载水试验、气密性试验和水压试验等。4.耐压试验 将水、油、气等充入容器内徐徐加压，以检查其泄漏、耐压、破坏等情况，通常采用水压试验。5.焊接接头力学性能检验 常用的有焊缝和接头拉伸试验、冲击试验、弯曲试验和硬度试验等，测定焊缝和接头的强度、塑性、韧性和硬度等。6.焊接接头金相检验 包括宏观检验和微观检验两种。宏观检验可检查该断面上裂纹、气孔、夹渣、未熔合和未焊透等缺陷，微观检验可以确定焊接接头各部分的显微组织特征、晶粒大小、接头的显微缺陷(裂纹、气孔、夹渣等)和组织缺陷(如合金钢中的淬火组织、铸铁中的白口、 钢中的氧化物、氮化物夹杂和过烧现象等)。7.焊缝金属化学成分检验 检验焊缝金属化学成分是否符合设计要求。8.腐蚀试验对某些要求耐腐蚀的构件要进行抗腐蚀性试验。对于熔焊缺陷、压焊缺陷和钎坪缺陷等不同类型缺陷，应采用相应的检验内容和检验方法。焊接结构经检验发现缺陷后，应进行焊接结构安全评定，以确定结构是否可以使用。3.7.4 15mnnbr无损探伤根据15mnnbr钢焊接时易出现冷裂纹的性质，在检测上，对于壁厚s15.9mm的焊缝采用对裂纹检出最敏感的超声波仪器进行检测，同时对持疑点采用射线拍片进行抽查复验。对于壁厚s15.9mm的焊缝采用x光拍片检测。无损探伤 在不损伤构件性能和完整性的前提下，探出构件内部或表面的缺陷，并测定缺陷的性质、尺寸以及在构件中的位置的技术。通常包括射线探伤、超声波探伤、磁力 探伤、渗透探伤、涡流探伤、声发射及红外线检测等。声发射已处于实用阶段和红外线检测已广泛应用于输电线路和电气设备的故障探测。在火力发电厂使用最广泛的为射线探伤和超声波探伤。射线探伤适用于大多数工程材料，检查厚度较大(钢材可至soomm)，可检出构件内外各种缺陷，显示直观，在灵敏度范围内结果准确可靠.多数用于检查 焊接缺陷和铸件缺陷。但对较小裂纹、未熔合等危险性大的面状缺陷容易漏检。 超声波探伤适用于多孔多层以外的大多数材料，可检测内外部各种缺陷。钢材检查厚度可达sm左右，很容易检测出裂纹及未熔合等面状缺陷。特别适合检验运行部件的疲劳裂纹。但准确性与检验人员的经验及水平密切相关，检验不易留下记录。火电厂广泛采用无损探伤技术的目的在于提高发供电设备可靠性和安全性。如新装机组汽轮机转子中j心孔超声波探伤，主蒸汽管及水冷壁、过热器和省煤器管焊缝的射线照相检验，紧固螺栓不拆卸用超声波探伤或拆卸后磁力探伤，叶片的叶根及工作面不拆卸超声波裂纹检验，高压愉电线的接头的红外线检测等。这种种无损检验既可保证新装构件的质量，也可进行运行后的质量监督，从而保证电力设备安全运行。焊件无损探伤在不损伤焊件的情况下探测焊件内部或外部缺陷。这是检查焊件质量的常用方法，用得较普遍的有射线探伤、超声波探伤、磁粉探伤、渗透探伤等。射线探伤包括x射线探伤j射线探伤、中子射线探伤等。x射线探伤分为照相法和荧光屏观察法。x射线照相利用射线在金属中及其他介质中的衰减规律 不同进行探伤。当射线穿过工件时，不同截面的工件或不同的介质吸收不同量的射线，因此从工件射出来的射线束的强度就不同。用感光胶片记录下从工件射出 来的射线束，就可获得反映工件内部情况的底片。x射线照相可用来检测黑色和有色金属中的气孔、裂纹、夹渣、未焊透、未熔合和咬边等缺陷。如能正确使用，则能相当精确地确定缺陷的尺寸和形态，能鉴别的缺陷大小可达到工件厚度的2%。采用高能源(约imev)时，可检测小到工件厚度0.5%的缺陷。荧光屏观察法是将从工件射出来的射线束接收后，经过图像处理反映在荧光屏上。这种方法可及时地对流水线产品进行检验，从而克服x射线照相周期长的缺点。下射线探伤适用于厚板材料，或用于x射线探测不出的场合。中子射线探伤适用于检验金属中的残留杂质等。超声波探伤利用焊缝中的缺陷与正常组织具有不同的声阻抗和声波在不同声阻抗的异质界面上会产生反射的原理来发现缺陷。探伤时由探头中的压电换能器发射脉冲超声波，通过声祸合介质(水、油、甘油或掇糊等)传播到焊件中，遇到缺陷后产生反射波，然后再用另一个探头或同一个探头接收反射的声波，经换能器转换成电信号，放大后显示在荧光屏上或打印在纸带上。根据探头位置和声波的传播时间(荧光屏上回波位置)可求得缺陷位置，观察反射波的幅度可以近似地评估缺陷的大小。超声波探伤可用于探测焊件的裂纹、未熔合、气孔和夹渣等缺陷。3.7.5焊缝返修和合格焊缝对于无损探伤中发现超标缺陷需要返修时，应视缺陷性质及范围大小、现场实际情况来决定返修工艺。如果缺陷范围大，则应采用原材料、原工艺进行打磨修补；如果缺陷范围小，则可采用镍基焊接材料进行修补，修补后，可不再进行焊后热处理。焊缝修补必须经焊接工程师确认。焊接接头经热处理后，硬度符合规定要求，无损检测无发现超标缺陷，按din8563as/bs标准外观检查无异常，则即为合格焊缝。焊后检验【1】气孔及消除办法a气孔的分类气孔从其形状上分,有球状气孔、条虫状气孔;从数量上可分为单个气孔和群状气孔。群状气孔又有均匀分布气孔,密集状气孔和链状分布气孔之分。按气孔内气体成分分类,有氢气孔、氮气孔、二氧化碳气孔、一氧化碳气孔、氧气孔等。熔焊气孔多为氢气孔和一氧化碳气孔。b气孔的形成机理常温固态金属中气体的溶解度只有高温液态金属中气体溶解度的几十分之一至几百分之一,熔池金属在凝固过程中,有大量的气体要从金属中逸出来。当凝固速度大于气体逸出速度时,就形成气孔。c产生气孔的主要原因母材或填充金属表面有锈、油污等,焊条及焊剂未烘干会增加气孔量,因为锈、油污及焊条药皮、焊剂中的水分在高温下分解为气体,增加了高温金属中气体的含量。焊接线能量过小,熔池冷却速度大,不利于气体逸出。焊缝金属脱氧不足也会增加氧气孔。 d气孔的危害气孔减少了焊缝的有效截面积,使焊缝疏松,从而降低了接头的强度,降低塑性,还会引起泄漏。气孔也是引起应力集中的因素。氢气孔还可能促成冷裂纹。e防止气孔的措施a.清除焊丝,工作坡口及其附近表面的油污、铁锈、水分和杂物。b.采用碱性焊条、焊剂,并彻底烘干。c.采用直流反接并用短电弧施焊。d.焊前预热,减缓冷却速度。e.用偏强的规范施焊。 【2】夹渣夹渣是指焊后溶渣残存在焊缝中的现象 a 夹渣的分类a.金属夹渣:指钨、铜等金属颗粒残留在焊缝之中,习惯上称为夹钨、夹铜。b.非金属夹渣:指未熔的焊条药皮或焊剂、硫化物、氧化物、氮化物残留于焊缝之中。冶金反应不完全,脱渣性不好。 b 夹渣的分布与形状有单个点状夹渣,条状夹渣,链状夹渣和密集夹渣 c 夹渣产生的原因a.坡口尺寸不合理;b.坡口有污物;c.多层焊时,层间清渣不彻底;d.焊接线能量小;e.焊缝散热太快,液态金属凝固过快;f.焊条药皮,焊剂化学成分不合理,熔点过高；g.钨极惰性气体保护焊时,电源极性不当,电、流密度大,钨极熔化脱落于熔池中。h.手工焊时,焊条摆动不良,不利于熔渣上浮。可根据以上原因分别采取对应措施以防止夹渣的产生。 d 夹渣的危害点状夹渣的危害与气孔相似,带有尖角的夹渣会产生尖端应力集中,尖端还会发展为裂纹源,危害较大。 【3】裂纹焊缝中原子结合遭到破坏,形成新的界面而产生的缝隙称为裂纹。 a、.裂纹的分类根据裂纹尺寸大小,分为三类:(1)宏观裂纹:肉眼可见的裂纹。(2)微观裂纹:在显微镜下才能发现。(3)超显微裂纹:在高倍数显微镜下才能发现,一般指晶间裂纹和晶内裂纹。从产生温度上看,裂纹分为两类: (1)热裂纹:产生于ac3线附近的裂纹。一般是焊接完毕即出现,又称结晶裂纹。这种二裂纹主要发生在晶界,裂纹面上有氧化色彩,失去金属光泽。 (2)冷裂纹:指在焊毕冷至马氏体转变温度m3点以下产生的裂纹,一般是在焊后一段时间(几小时,几天甚至更长)才出现,故又称延迟裂纹。按裂纹产生的原因分,又可把裂纹分为:(1)再热裂纹:接头冷却后再加热至500700时产生的裂纹。再热裂纹产生于沉淀强化的材料(如含cr、mo、v、ti、nb的金属)的焊接热影响区内的粗晶区,一般从熔合线向热影响区的粗晶区发展,呈晶间开裂特征。 （2）层状撕裂主要是由于钢材在轧制过程中,将硫化物(mns)、硅酸盐类等杂质夹在其中,形成各向异性。在焊接应力或外拘束应力的使用下,金属沿轧制方向的杂物开裂。 (3)应力腐蚀裂纹:在应力和腐蚀介质共同作用下产生的裂纹。除残余应力或拘束应力的因素外,应力腐蚀裂纹主要与焊缝组织组成及形态有关。 b、裂纹的危害裂纹,尤其是冷裂纹,带来的危害是灾难性的。世界上的压力容器事故除极少数是由于设计不合理,选材不当的原因引起的以外,绝大部分是由于裂纹引起的脆性破坏。 c、热裂纹(结晶裂纹) (1)结晶裂纹的形成机理热裂纹发生于焊缝金属凝固末期,敏感温度区大致在固相线附近的高温区,最常见的热裂纹是结晶裂纹,其生成原因是在焊缝金属凝固过程中,结晶偏析使杂质生成的低熔点共晶物富集于晶界,形成所谓液态薄膜,在特定的敏感温度区(又称脆性温度区)间,其强度极小,由于焊缝凝固收缩而受到拉应力,最终开裂形成裂纹。结晶裂纹最常见的情况是沿焊缝中心长度方向开裂,为纵向裂纹,有时也发生在焊缝内部两个柱状晶之间,为横向裂纹。弧坑裂纹是另一种形态的,常见的热裂纹。热裂纹都是沿晶界开裂,通常发生在杂质较多的碳钢、低合金钢、奥氏体不锈钢等材料气焊缝中 (2)影响结晶裂纹的因素 a合金元素和杂质的影响碳元素以及硫、磷等杂质元素的增加,会扩大敏感温度区,使结晶裂纹的产生机会增多。 b.冷却速度的影响冷却速度增大,一是使结晶偏析加重,二是使结晶温度区间增大,两者都会增加结晶裂纹的出现机会； c.结晶应力与拘束应力的影响在脆性温度区内,金属的强度极低,焊接应力又使这飞部分金属受拉,当拉应力达到一定程度时,就会出现结晶裂纹。 (3)防止结晶裂纹的措施a.减小硫、磷等有害元素的含量,用含碳量较低的材料焊接。b.加入一定的合金元素,减小柱状晶和偏析。如铝、锐、铁、镜等可以细化晶粒。,c.采用熔深较浅的焊缝,改善散热条件使低熔点物质上浮在焊缝表面而不存在于焊缝中。d.合理选用焊接规范,并采用预热和后热,减小冷却速度。e.采用合理的装配次序,减小焊接应力。 d、再热裂纹 (1)再热裂纹的特征 a.再热裂纹产生于焊接热影响区的过热粗晶区。产生于焊后热处理等再次加热的过程中。 b.再热裂纹的产生温度:碳钢与合金钢550650奥氏体不锈钢约300 c.再热裂纹为晶界开裂(沿晶开裂) d.最易产生于沉淀强化的钢种中 e.与焊接残余应力有关 (2)再热裂纹的产生机理 a.再热裂纹的产生机理有多种解释,其中模形开裂理论的解释如下:近缝区金属在高温热循环作用下,强化相碳化物(如碳化铁、碳化饥、碳化镜、碳化错等)沉积在晶内的位错区上,使晶内强化强度大大高于晶界强化,尤其是当强化相弥散分布在晶粒内时,阻碍晶粒内部的局部调整,又会阻碍晶粒的整体变形,这样,由于应力松弛而带来的塑性变形就主要由晶界金属来承担,于是,晶界应力集中,就会产生裂纹,即所谓的模形开裂。 3)再热裂纹的防止a.注意冶金元素的强化作用及其对再热裂纹的影响。b.合理预热或采用后热,控制冷却速度。c.降低残余应力避免应力集中。d.回火处理时尽量避开再热裂纹