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压力容器制造焊接基础知识山东省安泰化工压力容器检验中心田洪成,一、压力容器制造工艺简介,压力容器筒体一般有三种加工制造型式：钢管（小直径）锻造（厚壁、超高压容器）卷焊,一、压力容器制造工艺简介,1、材料验收入库：金属结构材料、焊材、辅助材料2、材料的发放：核对领用单内容和材料标记，确认材料牌号、规格无误3、下料与坡口制备：标记移植：钢印、油漆书写、挂标签等。下料方法：机械剪切、手工热切割、机械热切割。坡口加工：机械加工（刨边机、铣边机、龙门刨床）、热切割加工4、成型加工：冲压、卷制、旋压5、装配与焊接：是决定产品最终质量的关键性工序（焊接工艺规程、培训考核合格的焊工是关键）6、焊后热处理7、总体质量验收检查：几何尺寸、外观质量、无损检测、焊接试板的试验和检查、整体结构的耐压检查,一、压力容器制造工艺简介,大型和重型制造工艺与技术简介锻焊式容器:加氢反应器、核电站的压力壳、人造水晶反应釜等。板焊式容器：尿素合成塔、氨合成塔等。,一、压力容器制造工艺简介,二、焊接概论,材料的连接方法常用连接方法简介焊接,焊接的定义及本质焊接的特点主要焊接方法分类焊接发展概况焊接技术的应用焊接技术的发展趋势,材料的连接方法,材料的连接可分为两类：可拆式连接：螺纹联接、摩擦联接不可拆式连接：焊接、粘接、铆接,粘结,用胶粘剂把两个零件连接在一起，并使接合处有足够强度的连接工艺。粘接的的特点：可用于多种不同形状的接头和各种不同材料（如各种金属、非金属以及金属与非金属）的连接。可实现大面积连接。接头的应力分布较均匀，耐疲劳性能好。接头的密封性能好，并具有耐腐蚀和绝缘等性能。工艺简便，无焊接的高温，又无螺纹连接和铆接所需的多种机械紧固件（如螺钉、螺母、垫圈、销钉等），生产率高。粘接的不足之处：粘接接头的强度不及焊接接头高。接头的耐热性较低(一般在300以下)。使用中胶粘层易发生老化，接头强度性能不稳定，影响结构使用寿命,铆接,采用铆钉将两个零件连接成一个整体的连接工艺。1)特点一般不需对接头加热，可保持材料原有的组织和性能，无热应力和变形等问题。可以对同种材料或导种材料进行连接。2)铆接的缺点铆接通常要加垫板，铆钉等附件，增加结构自重和钻孔、加工等工序；接头处截面增加，易形成较大的应力集中；较难实现接头的密封性连接。,螺纹连接,利用螺纹压紧力将分离的零件连接成一个整体的方法特点具有可拆御性；连接强度根据需要可在较大范围内调整。螺纹连接是各种机械、仪器、仪表中应用最广泛的可拆卸连接方法。,焊接焊接是利用加热或加压或二者并用的方法，将两种或两种以上的同种或异种材料，通过原子或分子之间的结合和扩散连接成一体的工艺过程。,金属焊接的本质原子之间距离（晶格）非常小形成牢固的结合力金属焊接的困难表面粗糙度和表面存在的氧化膜及其它污染物，阻碍不同构件表面金属原子之间接近到晶格距离并形成结合力。焊接过程的本质通过适当的物理化学过程克服上述困难，使两个分离的固态物体表面的原子接近到晶格距离（即0.3-0.5nm），产生原子（或分子）间结合而连接成一体的加工方法。,焊接的特点,优点：焊接结构产品的质量轻，生产成本低。整体性好，具有良好的气密性、水密性投资少、见效快适用于几何尺寸大而材料较分散的制品简化金属结构的加工工艺，缩短加工周期,不足：结构无可拆性。焊接时局部加热，焊接接头的组织和性能与母材相比发生变化，产生焊接残余应力和焊接变形。焊接缺陷的隐蔽性，易导致焊接结构的意外破坏。,焊接的分类,熔化焊将焊件接头加热至熔化状态，然后冷却结晶成一体的方法。熔化焊最容易实现原子结合，是金属焊接的最主要方法。固相焊接利用摩擦、扩散和加压等物理作用，克服表面不平度，除去氧化膜及其它污染物，使两个连接表面的原子相互接近到晶格距离，从而在固态条件下实现连接。钎焊采用熔点低于焊件(母材)的钎料与焊件一起加热，使钎料熔化(焊件不熔化)后，依靠钎料的流动充填接头预留空隙中，并与固态的母材相互扩散、溶解，冷却后实现焊接的方法。,焊接发展概况,公元前3000多年埃及出现了锻焊技术。公元前2000多年中国的殷朝采用铸焊制造兵器。公元前200年前，中国已经掌握了青铜的钎焊及铁器的锻焊工艺。1801年：英国H.Davy发现电弧。1881年：法国人DeMeritens发明了最早期的碳弧焊机。1888年：俄罗斯人H.C发明金属极电弧焊。18891890年：美国人C.L.Coffin首次使用光焊丝作电极进行了电弧焊接。1890年：英国人Brown第一次使用氧加燃气切割进行了抢劫银行的尝试。1900年：英国人Strohmyer发明了薄皮涂料焊条。1907年10月瑞典人O.Kjellberg完善了焊条,1930年：前苏联罗比诺夫发明埋弧焊。1956年：前苏联楚迪克夫发明了摩擦焊技术。1957年：法国施吉尔发明电子束焊。1957年：前苏联卡扎克夫发明扩散焊。1990年左右：逆变技术得到了长足的发展，其结果使得焊接设备的重量和尺寸大大的下降。1991年：英国焊接研究所发明了搅拌摩擦焊，成功的焊接了铝合金平板。1996年：以乌克兰巴顿焊接研所B.K.Lebegev院士为首的三十多人的研制小组，研究开发了人体组织的焊接技术。,焊接技术的应用,桥梁建造飞机制造航空航天汽车制造舰船制造房屋建造石油石化,焊接技术的发展趋势,提高生产率多丝多弧焊接新工艺,提高准备工序及焊接过程的机械化、自动化、智能化水平,热源的应用和开发,节能降耗,三、焊接方法与设备,手工焊条电弧焊埋弧自动焊气体保护电弧焊钨极氩弧焊熔化极氩弧焊CO2气体保护焊,-,手工焊条电弧焊,优点操作灵活，可达性好设备简单，使用方便应用范围广缺点焊接质量不够稳定劳动条件差生产效率低,手工焊条电弧焊,常用接头形式对接接头搭接接头角接接头形接头焊缝的空间位置平焊立焊横焊仰焊全位置焊,手工焊条电弧焊,、手工电弧焊设备：交流、直流电焊机（旋转式和硅整流式）。焊接重要结构时，通常选用低氢焊条以保证质量，一般要求用直流反接电源。、手工电弧焊焊接规范：电流、电压、焊条直径、焊接速度、焊接层数,埋弧自动焊,埋弧自动焊,优点生产效率高焊接质量好节省金属和电能在有风的环境中焊接时，埋弧焊的保护效果胜过其它焊接方法劳动条件好缺点主要适用于水平位置焊缝焊接难以用来焊接铝、钛等氧化性强的金属及其合金只适于长焊缝的焊接不适合焊接薄板不能直接观察电弧和坡口的对中，容易焊偏,埋弧自动焊,埋弧自动焊工艺焊前准备接头形式和坡口加工焊前清理装配埋弧焊工艺平板双面对焊悬空焊焊剂垫法临时工艺垫板法手弧焊封底法单面焊双面成形角焊缝,焊剂垫结构原理1-焊件；2-焊剂；3-橡皮帆布；4-橡皮帆布软管,临时垫双面焊(a)薄钢带垫；(b)石棉绳垫；(c)石棉板垫,气体保护电弧焊,优点与手弧焊、埋弧焊相比：不采用药皮焊条，容易实现自动化、半自动化提高生产率热量集中，热影响区小，焊接变形小明弧焊，电弧和熔池的加热熔化情况清晰可见，便于操作和控制焊缝表面没有渣，厚件多层焊时可节省大量的层间清渣工作，生产率高、产生夹渣等焊缝缺陷的可能性少容易实现全位置焊接焊接质量高适用范围广类型熔化极MIG、MAG、CO2气保焊非熔化极TIG、PAW,钨极氩弧焊,特点钨极不熔化适用于焊接厚度为6mm以下的薄板或打底焊一般不采用直流反接焊接铝、镁及其合金时，则采用交流电源或直流反接熔深浅，生产率低,熔化极氩弧焊,原理,熔化极氩弧焊,特点几乎可焊接所有金属，尤其适合铝、铜及其合金以及不锈钢等材料焊接时几乎没有氧化烧损，只有少量的蒸发损失，冶金过程比较简单劳动生产率高MIG焊可直流反接，焊接铝、镁等金属时有良好的阴极雾化作用成本比TIG焊低有可能取代TIG焊MIG焊焊接铝及铝合金时，可以采取亚射流熔滴过渡方式提高接头质量对焊丝及母材表面的油污、铁锈等较为敏感，容易产生气孔,CO2气体保护焊,CO2气体保护焊,CO2气体保护焊的特点优点生产效率高，节省能源焊接成本低适用范围广焊缝质量高焊后不用清渣，又是明弧，便于监视和控制。焊接变形小缺点飞溅大，焊缝成形差电弧气氛具有较强的氧化性，必须采取含有脱氧剂的焊丝CO2气体保护焊需要克服的问题氧化碳问题气孔问题飞溅问题,常用焊接方法的特点及应用范围,焊接材料,焊条焊条的组成焊芯作为电极，传导焊接电流，产生电弧作为填充金属，与熔化的母材金属共同组成焊缝金属添加合金元素药皮改善焊接工艺性能易于引弧和再引弧，稳弧性好，减少飞溅，使焊缝成形美观；机械保护作用气保护和渣保护冶金处理作用去除有害杂质（如O.H.S.P等），添加有益元素,四、焊接材料,焊条的选用原则总原则：尽可能使接头的使用性能与母材保持一致根据母材的物理、机械性能和化学成分根据母材工作条件和使用要求根据焊接结构的特点根据焊接现场设备条件根据劳动条件和生产效益,焊接材料,焊剂分类,焊接材料,焊丝实芯焊丝药芯焊丝药芯焊丝的特点：既有熔渣的保护和冶金作用，又能实现自动化焊接生产效率高，飞溅少、焊缝成形美观、调节焊缝合金成分方便和实芯焊丝相比，药芯焊丝也有烟尘量高的缺点,焊接材料,保护气体,焊接用保护气体及适用范围,五、焊接应力与变形,焊接应力和变形产生的原因焊接残余变形焊接残余变形的类型和产生原因预防焊接变形的措施矫正焊接变形的方法焊接残余应力焊接残余应力对结构的危害性减小焊接残余应力的措施消除残余应力的方法,几个基本概念,内应力在没有任何外力作用下，平衡于弹性体内的应力。残余应力当产生应力的各种因素的作用不复存在时，由于不均匀的塑性形变和不均匀的相变所致，在物体内部依然存在并自身保持平衡的应力温度应力（热应力）由于构件受热不均引起的应力。组织应力是金属发生固态相变所产生的应力。,几个基本概念,焊接瞬时应力和瞬时变形由于热源作用的集中性与瞬时性，使焊件局部受热不均匀而产生的内应力和变形，是暂时存在于焊件中的焊接残余应力和残余变形焊后冷却至室温残存于焊件中的内应力与变形通常所说的焊接应力与变形就是指焊接残余应力和残余变形,金属杆件的变形,焊接应力和变形产生的原因,加热时，纵向应力是塑性区以外的中部区域受压，两侧受拉同时板端向外伸长e随后冷却至室温，应力分布如下图压缩塑性变形引起残余应力，焊缝及其附近受拉，数值一般达S，两侧受压板端向内平移，即残余纵向收缩变形,平板对接焊的纵向残余应力与变形,焊接残余变形,纵向与横向收缩变形,焊接残余变形,角变形,波浪变形,角变形引起的波浪变形,焊接残余变形,弯曲变形(a)纵向收缩引起的弯曲(b)横向收缩引起的弯曲,焊接残余变形,焊接残余应力,焊接容器中，焊缝之间的最小距离,焊接残余应力,焊接残余应力,预防焊接变形与预防焊接应力的关系焊接变形和应力总是同时存在的在一定条件下，焊接变形和焊接应力可以互相转化,六、常见金属材料的焊接,金属材料的焊接性碳钢的焊接合金钢的焊接,焊接性概念,金属焊接性定义金属是否能适应焊接加工而形成完整的、具备一定使用性能的焊接接头的特性含义金属在焊接加工中是否容易形成缺陷焊成的接头在一定的使用条件下可靠运行的能力,工艺焊接性,焊接性概念,工艺焊接性定义某种金属在一定焊接条件下，能否获得优质致密、无缺陷焊接接头的能力分类热焊接性在焊接过程条件下，对HAZ组织性能及产生缺陷的影响程度评定被焊金属对热的敏感性，主要与被焊材质及焊接工艺条件有关冶金焊接性冶金反应对焊缝性能和产生缺陷的影响程度影响焊缝金属化学成分和性能的主要方面影响工艺焊接性的因素材料因素设计因素工艺因素使用因素,焊接性概念,使用焊接性指焊接接头或整体结构满足技术条件所规定的各种使用性能的程度力学性能低温韧性抗脆性断裂性能高温蠕变疲劳性能持久强度抗腐蚀性能,碳钢的焊接,低碳钢的焊接焊接性分析含碳及其他合金元素少，塑性、韧性好，一般无淬硬倾向，不易产生焊接裂纹等缺陷，焊接性能优良一般不需要采取预热和焊后热处理等特殊工艺措施不需要选用特殊和复杂的设备，对焊接电源无特殊要求焊接材料等强原则焊接工艺要点一般不需要预热、保持层间温度和后热处理在低温环境下焊接厚件时，应预热焊件，防止产生冷裂纹厚度超过50mm的焊件，应进行焊后热处理以消除应力电渣焊焊件焊后应正火以细化HAZ晶粒,碳钢的焊接,中碳钢的焊接焊接性热影响区易产生低塑性的淬硬组织焊缝金属易产生热裂纹焊缝区易产生气孔焊前经调质处理的中碳钢，在热影响区会出现回火软化区焊接材料最好采用低氢焊条以采用强度级别低的焊条不允许预热时，可以采用奥氏体不锈钢焊条焊接工艺要点设法减小焊件各部位之间的温度差以降低焊后冷速尽量减小母材在焊缝中的比例从而降低焊缝含碳量,合金结构钢,按成份低合金钢：合金元素总量10%，单一元素5%按用途强度用钢：合金化的目的是为了提高钢的强度并保证其具有一定的塑性和韧性特殊用钢：合金化的目的是使钢具有某些特殊性能,如：耐热、低温、耐腐蚀等,合金结构钢,强度用钢热轧及正火钢（非热处理强化钢）屈服强度为294491MPa的低合金高强钢低碳调质钢屈服强度为441980MPa，热处理强化钢中碳调质钢屈服强度高达8801176MPa以上，含碳量为0.250.45微合金化控轧钢60、65、X70级管线用钢,合金结构钢,特殊用钢珠光体耐热钢：具有较好高温强度和高温抗氧化性以铬、钼为基础的低、中合金钢温度为500600的高温设备低温钢具有足够高的低温韧性大部分是含的低碳、低合金钢低温（40196）装置和严寒地区,液化石油（45）和液化天然气（162）低合金耐蚀钢含Cu、Al、Cr制造石油、化工、造船、海上采油等设备能耐大气、海水及硫化氢等介质的腐蚀,合金结构钢,七、焊接接头质量检验的内容和方法,焊接质量检验的内容焊前检验焊接生产过程中的检验成品检验,焊接接头质量检验的内容和方法,焊前检验检验焊接基本金属、焊丝、焊条的型号和材质是否符合设计或规定要求检验其他焊接材料，如埋弧自动焊剂的牌号、气体保护焊保护气体的纯度和配比等是否符合工艺规程的要求对焊接工艺措施进行检验，以保证焊接能顺利进行检验焊接坡口的加工质量和焊接接头的装配质量是否符合图样要求检验焊接设备及其辅助工具是否完好，接线和管道联接是否合乎要求检验焊接材料是否按照工艺要求进行去锈、烘干、预热等对焊工操作技术水平进行鉴定检验焊接产品图样和焊接工艺规程等技术文件是否齐备,焊接接头质量检验的内容和方法,焊接生产过程中的检验检验在焊接过程中焊接设备的运行情况是否正常、施焊环境是否符合要求对焊接工艺规程和规范规定的执行情况焊接夹具在焊接过程中的夹紧情况是否牢固操作过程中