09Mn2V热水罐外壳焊接工艺设计

1、1 前言本次课程设计主要是热水罐的焊接生产工艺设计，包括材料的焊接性分析、 焊接工艺方案分析及工艺评定、确定焊接结构生产工艺流程、确定产品外壳主要 零件的加工工艺及检验、绘制焊接结构简图、确定部件的装焊工艺等。通过设计， 初步掌握根据产品图样及技术要求制定焊接工艺规程的方法、 焊接工艺设计的步 骤，提高分析焊接生产实际问题、解决问题的能力。1.1焊接性结构审查焊接结构的工艺性，是指设计的焊接结构在具体的工艺条件下能否经济的 制造出来，并采用最有效的工艺方法的可行性。 为了提高设计产品的工艺性，工 厂应对所有新设计的产品和改进设计的产品，以及外来图样，在首次生产前进行结构性工艺审查。1.1 （

2、1）产品说明热水罐有压缩气体或液化气体储罐等，热水罐按容器的容积变化与否可分为 固定容积储罐和活动容积储罐两类， 大型固定容积热水罐制成球形，小型的则制 成圆筒形。活动容积储罐又称低压储气罐，俗称气柜，其几何容积可以改变，密 闭严密，不致漏气，并有平衡气压和调节供气量的作用， 压力一般不超过60MPa1.1 （ 2）产品图样标准化审查 产品图样的标准化审查1. 完整性审查产品的设计图样应包括产品的总图，总装配图，安装图，组件、分部件、部 件的装配图及零件图。除此之外还应包括与产品有关的附件 （装配调试用的工装 夹具）及更换件的设计图样。2. 统一性审查产品图样的统一性审查，就是审查产品的全套设

3、计图样与所属的附件、 更换 件设计图样及相关的技术文件的统一协调。3. 正确性审查设计图样的正确性审查，就是审查设计图样是否正确采用了相关的现行有效 的标准、技术法规和技术规范。1.1 （ 3）产品的技术要求本设备按照JB741-80钢制焊接压力容器技术条件及压力容器安全监察 制程，进行制造，试验和验收。焊接采用电焊，焊接材料为对接接头形式及尺寸按JB/Z105-73钢制焊接容器压力规程中规定。其余按 GB985-80中规定。法兰焊接按照相应标准。 壳体焊缝应进行无损探伤检查，检查长度为相应焊缝总长的100%合格标准：超声波探伤一级，射线探伤二级。连接液面计的上下接管法兰其密封面应在同一垂直平

4、面上，其垂直中心线偏差w 1mm设备焊接完毕后应进行消除应力热处理。2焊接生产工艺性分析2.1 焊接结构工艺性审查2.1.1 产品图样结构审查此次设计的设备为热水罐壳体，筒体直径2000mm容器总长5260mm壁厚12mm图2-1热水灌壳体结构图主要加工手段为焊接，此外还采用冲压、卷弯、机加工等辅助工艺。焊接方法采 用埋弧自动焊，接头形式为对接、角接。2.1.2 产品技术特性及检验要求热水罐外壳技术特性如表2-1所示：表2-1热水罐壳体技术特性表容器类别-设计压力Pa (Kg / cm 3)73.59 X 104(7.5 )工作压力Pa (Kg / cm 3)1.867X 10+(7)设计温度

5、C100工作温度c80100物料名称热水压缩空气操作容积m腐蚀裕度1焊缝指数0.853全容积用13.6表2-2管口表符号公称尺寸连接尺寸标准连接面形式用途或名称a25HG5010-58 Pg10Dg50平面排净口500入孔c50HG5010-58 Pg10Dg50平面蒸汽入口d50HG5010-58 Pg10Dg50平面进水口e50HG5010-58 Pg10Dg50平面放空口f50HG5010-58 Pg10Dg50平面压缩空气入口g70HG5010-58 Pg10Dg70平面出料口h25液面计气相口m25温度计口n100JB82-59 Pg40Dg100平面液面计液相口2.2母材的焊接工艺

6、性分析2.2.1 09Mn2V 的特性其含碳量通常小于0.25%，比普通碳素结构钢有较高的屈服点(7 s或屈服强度 7 0.2(3080kgf/mm2)和屈强比7 s/ 7 b(0.650.95),较好的冷热加工成 型性，良好的焊接性，较低的冷脆倾向、缺口和时效敏感性，以及有较好的抗大 气、海水等腐蚀能力。其合金元素含量较低，一般在2.5%以下，在热轧状态或经简单的热处理(非调质状态)后使用；因此这类钢能大量生产、广泛使用。各 发达工业国家的低合金高强度钢产量约占钢产量的10%化学成分(质量分数)C、Si、Mn。可广泛用于石油、化工、电站、锅炉等 行业，用于制造反应器、换热器、分离器、球罐、油

7、气罐、液化气罐、核反应堆 压力壳、锅炉汽包、液化石油气瓶、水电站高压水管、水轮蜗壳等设备及构件。 其化学成分和力学性能见表2-2和表2-3所示：表 2-3 09Mn2V勺化学成分(GB 3531 1996)CSiMnVPS 0.120.2 0.51.4 1.8 0.10 0.030 490 343 20 -47正火 16 36470610 305 36 60460 600 2902.2.2 09Mn2V 的焊接性分析工作温度等于或低于-20r的低碳素结构钢和低合金钢称为低温用钢。对 低温用钢的主要要求是应保证在使用温度下具有足够的塑性及抵抗脆性破坏的 能力。低温用钢由于含碳量低，淬硬倾向和冷裂

8、倾向小，所以焊接性良好。焊接时， 为避免焊缝金属及热影响区形成粗晶组织而降低低温韧性，要求采用小的焊接线 能量，焊接电流不宜过大，宜用快速多道焊以减轻焊道过热， 并通过多层焊的重 热作用细化晶粒，多道焊时要控制层间温度不得过高低温用低合金钢焊接低温用低合金钢时，除要保证焊缝的低温韧性外还要保 证焊缝与母材等强。焊接材料中除了含有镍1 %3%外，还含有钼0.2 %0.5 %, 有时还含有少量铬。6 F%d:+|+N%O%C)氐镍钢焊接低镍钢时所用焊条的含镍量 应与母材相同或高于母材，但Ni %不应过高。焊态下焊缝中含镍量超过2.5 %就 会出现粗大的板条状贝氏体或马氏体， 使焊缝性下降。焊后不再

9、进行调质处理的 低镍钢，焊缝金属含镍量应低于 2.5 %。只有经过焊后调质处理，焊缝韧性才随 含Ni量增加而增加。焊缝除了尽量降低碳及硫、磷、氧的含量外还V%应对硅、锰的含量加以控制。可以来用手工焊、熔化极气体保护焊及埋弧焊进行焊接。2.309M n2V旱接工艺要点1、对低温钢的认识：用于制造-20-253 C低温下工作的焊接结构的专用钢材，称为低温钢。低温钢的分类：根据化学成分和组织特点，分为三大类：低合金铁素体型低温钢： 含合金元素总量不超过 5%。组织为铁素体加少量珠光体， 在-40-110 C范围内使用。中合金低碳马氏体型低温钢：合金元素含量大于5-10%。组织与热处理方法有关：淬火后

10、的组织为低碳马氏体；正火后的组织为低碳马氏体、铁素体及少量奥氏体； 回火后的组织为含镍铁素体和少量富碳奥氏体。2、低温钢结构发生脆性断裂的必要条件：(1) 必须具备由外载荷及残余内应力引起的一定应力水平；(2) 由结构、材料、制造缺陷引起的缺口效应，其中由焊接而引起的缺陷(几何的 或冶金的)往往是脆断的裂源。(3) 设备和管道的工作温度低于材料的脆性转变温度3、低合金低温钢的焊接特点：(1) 不含镍低温钢：由于其含碳量低、其他合金元素也不高，淬硬和冷裂倾向小，具有良好的焊接性。一般可不采用预热，但应避免在低温下施焊。(2) 含镍低温钢：由于添加了镍，增大了钢的淬硬性，但不显著，冷裂倾向不大。当

11、板厚 较大或拘束较大时，应采用适当预热。虽然镍可能增大热裂倾向，但是严格控制钢及焊接材料中的C、S、P含量，以及采用合理的焊接工艺，增大焊缝成形系数，可以避免热裂纹4、低温钢焊接接头的低温韧性保证措施：(1) 从结构设计上充分考虑焊透，避免结构不良而引起的人为缺陷。(2) 正确选择焊材，保证焊缝足够的冲击韧性水平。(3) 正确制定焊接工艺，控制焊接线能量：采取小电流、快焊速、控制多层焊的层间温度等措施。(4) 避免工艺缺陷：防止焊接接头产生各种应力集中源。采用锤击工件等强制手段进行组装会增加残余应力，易导致发生低应力脆性断裂破坏。所以规定低温钢在组装过程中不允许采用锤击等强制手段进行组装。因为

12、缺口效应往往是脆断的裂源，所以不允许在受压元件上刻划或敲打材料标记和焊工钢印等导致产生缺口效应的划痕。焊件表面的电弧擦伤是应力集中源，所以规定焊接时不得在焊件表面引弧、收弧和试验电流，严禁有电弧擦伤。对低温钢焊接实行表面退火焊道，对改善焊接接头的韧性有相当有利的作用。这种表面退火焊道通常可以用钨极氩弧焊不填焊丝表面重熔来实现。为了消除表面层的柱状组织，也可以最后多焊一层退火焊道，再把退火焊道加工掉。(5) 焊后消除应力热处理可以降低低温钢焊接产品的脆断危险性。5、低合金低温钢的焊条选用要点：低温钢焊接的主要矛盾是保证接头的低温韧性要求，防止接头在使用过程中产生脆性断裂，其强度通常均能满足要求。

13、故应按以下原则选用与母材的使用温度相适应的焊条：(1) 当低温钢结构的使用条件在 -45C以上时，可选用低温韧性好的Ti-B系或高韧性普通 低合金钢焊条。如 W507、J507RH。(2) 使用条件在-60 C以下的低温钢，一般均采用含镍的低温钢焊条。如W607、W707Ni 等。(3) 在-100 C左右使用的低温钢，通常均使用含3.5Ni或更高含镍量并含一定量钼的低温钢焊条。如W907Ni。(4) 对于9Ni钢的焊接，常用的焊接材料有三种，即：含 Ni约60%以上的Inconel型、含 Ni约40%的Fe-Ni基型、含 Ni13%-Cr16%的奥氏体不锈钢改进型。 女口：女口 ENiCrF

14、e-2、 ENiCrFe-4、 ENiCrMo-6 等焊条。JB/T4709-2000规定：用于焊接低温钢的镍钢焊条的焊缝金属夏比V型缺口冲击吸收功在相应低温时应不小于 34J。低温钢焊条药皮一般均采用低氢型。2.3.1低温钢焊接的主要问题含镍较低的Ni2.5%和Ni3.5%钢，虽然由于镍的加入提高了刚才的淬透性， 但由于含碳量限制的较低，因此冷裂纹倾向并不严重，焊接薄板时可以不预热， 厚板焊接时需进行100C预热。含镍高的ni9%冈，淬透性很大，在超过临界点的 热硬性区内得到的永远是淬火组织。但由于含碳量很低，并采用了奥氏体焊接材料，因此冷裂纹倾向并不大。实际经验表明，焊接厚度50mm-下的

15、ni9%钢时根本不需要预热。此外，虽然镍能提高钢材的热裂倾向，但在低温钢中，由于含炭 量和杂质硫，磷的含量控制很严格，所以液化裂纹在这类钢中已基本解决。含镍刚的另一问题是回火脆性，为此，要注意这类钢焊后回火时的温度和冷却速度的 控制。1严格控制焊接线能量低温钢焊接时除了要防止裂纹外，关键是要保证焊缝和过热区的低温韧性， 这是制定低温用钢焊接工艺的一个根本出发点。 解决热影响区韧性问题主要是通 过控制焊接线能量。2正确选择焊接材料焊缝韧性除了与线能量有关外，最根本的是取决于焊缝成分的选择。由于焊缝金 属是粗大的铸造状组织，因此韧性要低于同样成分的木材，故焊缝成分不能与木 材完全一样。如何正确选择

16、焊缝成分，是保证焊缝韧性的关键。由于对低温条件 的要求不同，故应针对不同类型低温钢来选择不同的焊接材料和不同的线能量。232 接头与坡口型式设计焊缝布置与接头的应力集中程度都对接头质量有明显的影响。合理的接头 设计应使应力集中系数尽可能的小，且具有好的可焊性，便于焊后检验。一般来说，对接焊缝比角焊缝更合理。同时便于进行射线或超声波探伤，坡口形式以U形为佳，单边V形也可采用。但必须在工艺规程中注明要求两个坡 口面必须完全焊透。为了降低焊接应力，可采用双V或双U坡口。无论采用何种 形式的接头或坡口，都必须要求焊缝与母材交界处平滑过渡。2.4 母材的焊接性试验对09Mn2V钢的焊接性进行试验，可用以

17、下几种方法来衡量该钢的焊接性。 2.4.1 插销试验采用插销试验方法，可以定量测定低温钢焊接热影响区冷裂纹敏感性。 插销试件和底板尺寸分别如图2-3和图2-4所示。图2-3插销试棒的形状尺寸卫0耳A图2-4底板的形状尺寸将被焊钢材加工成圆柱形的插销试棒，沿轧制方向取样并注明插销在厚度方 向上的位置。试棒上端附近有环形缺口。将插销试棒插入底板相应的孔中， 使带 缺口一端与底板表面平齐。用选定的焊接输入进行堆焊（垂直底板纵向，并通过 插销顶端中心），焊道长度100-150mm为获得焊接热循环有关参数（18/5等）， 应事先将热电偶旱在底板焊道下的盲孔中，其深度应与插销试棒的缺口处一致， 测点最高温

18、度不低于1100C。当焊道冷至150-100 C时，给试棒逐渐加载，规定 载荷应在1min内加载完毕，此时试棒的温度不应低于 100C。载荷保持16h或24h后卸载，若试棒未断，而采用“断裂准则”，应增加载 荷重复上述试验，直至试棒发生断裂，然后降低约10Mpa的载荷，而试棒未发生 断裂，此值即为“断裂准则”的“临界应力”。2.4.2焊接热裂纹敏感性试验方法压板对接（FISCO）焊接裂纹试验方法GB4675.4-84）,可用于评定焊条焊缝的 热裂纹敏感性。（1）准备试件 试件材质与焊件相同，采用原板厚，开I形坡口。采用机 械加工方法十200-图2-4 FISCO试验班尺寸（2）试验装置如图2-

19、5所示图2-5 FISCO试验装置（3） 试验步骤把试件安装在C形装置中，调好坡口间隙。将螺栓旋紧，在水平、垂直方向顶紧试板。用待试焊条焊4条长约40mm勺试验焊缝。10min 后，取出试件，沿焊缝弯断，观察断面有无裂纹。（4） 计算裂纹率C C =（ 刀li /刀Li） X 100%?式中：刀li 4条试验焊缝上的裂纹长度之和（mr）刀Li 4条焊缝的长度之和（mm）。2.4.3接头机械性能试验（一）焊接接头拉伸试验板接头板形拉伸试样如图3-1所示，至少1个。按GB228-87金属拉伸试验法，在拉力机上进行（二）焊接接头弯曲试验试样种类和数量按相关标准制取。如无注明，可制取正弯、背弯、侧弯试

20、样各不少于 1个，纵弯不少于2个。尺寸按 GB2649-89中的规定。试验按GB232-88金属弯曲试验法，在拉力机上进行。3焊接工艺性评定3.1 焊接试件的制备采用刨边机进行坡口加工。清除坡口附近的水、油污、锈渍等杂质。对接焊缝试件的制备采用V形坡口，坡口型式如前图所示。采用埋弧自动焊，埋弧自动焊的规范参数包括电源极性、 焊丝直径、电弧电压、焊接电流、 焊接速度等。源极性埋弧自动焊焊接09Mn2V钢时应采用直流反接。焊丝直径埋弧自动焊的焊丝直径一般可根据板厚选择。铜液氨冷凝器的壁厚为12mm可选4.0mm的焊丝。电弧电压和焊接电流对于一定直径的焊丝来说，在埋弧自动焊中，采用较低的电弧电压，较

21、小的焊接电流焊接时，焊丝熔化所形成的熔滴把母材和焊 丝连接起来，呈短路状态称为短路过渡。大多数埋弧自动焊工艺都采用短路过渡 焊接。当电弧电压较高、焊接电流较大时，熔滴呈小颗粒飞落称为颗粒过渡。综上所述，其焊接工艺参数如表 3-1所示。表3-1 埋弧自动焊工艺参数焊接方法焊丝牌号及规格/mm焊接电流/A电弧电压/V极性焊接速度/(m/h)SAWH08 Mn 2MoV4.0A 60036直流反接36(2)角接焊缝试件的制备采用埋弧自动焊焊接，如图3-2所示。其工艺参数见表3-2图3-2 角接试件及坡口设计表3-2 埋弧自动焊工艺参数坡口形式焊丝直径/mm焊接电流/A焊接电压/V焊丝焊接速度m/h电

22、流极性单边V型4.056035H08 Mn 2MoVA30直流反接3.2 焊接试件试验方法3.2.1拉伸试验金属拉伸实验是测定金属材料力学性能的一个最基本的实验，是了解材料力学性能最全面，最方便的实验。按GB/T228-2002规定对试件进行拉伸强度试验， 如图3-3所示。图3-3拉伸试件322 冲击试验将试样置于低温槽的均温区冷却到-45 C后，保温足够长的一段时间，然后 将试样取出进行冲击试验。使用液体冷却介质，保温时间不得少于5mi n。试样移出冷却介质至打断的时间不超过 5s，如超过5s则应将试样放回冷却介质重新 冷却，保温，再进行试验。采用摆锤冲击试验，其示意图如图 3-4所示。】一

23、电执,2皮带轮：3 揺杆；6搀悽：784”电海开餐；W 捋示訂图3-4 摆锤冲击试验3.2.3弯曲试验将试件放在实验机带滚动轴的支座上，用规定的弯心直径压头将试件弯曲到要求的角度，弯曲试件的中心应对准焊缝中心，当弯曲到规定角度后，焊缝拉伸面沿试件宽度方向上所允许出现的裂纹或缺陷不大于1.5，沿试件长度方向上为不大于3mm试件如图3-5所示。图3-5 弯曲试件3.3 工艺评定试验分析(1) 无损探伤 试验试板焊后经射线探伤，均末发现焊接缺陷。(2) 接头力学性能 根据接头力学性能试验的结果，其接头强度、塑性均 能满足规定的标准值。(3) 接头冲击韧性 试验结果表明，焊缝金属的-45 C却贝冲击值

24、可以达到规定标准，热影响区-45 C却贝冲击值比规定的标准值要高得多，其冲击值完全 可以满足09Mn2v钢的标准。熔合线的冲击值所反映的是焊缝或热影响区的冲击 韧性。可以认为，只要是热影响区尤其是焊缝金属的冲击韧性解决好了，熔合线的冲击韧性应该能获得较为满意的结果。(4) 根据试验可以看出，焊接接头无淬硬组织。接头的硬度分布是正常的。 调质钢焊接后，如不再进行调质处理，则热影响区的软化将成为调质钢焊接的一 个重要问题， 而09Mn2v钢的焊接接头并无软化现象。3.4焊接工艺参数的选择从防止冷裂纹出发，要求冷却速度慢为佳，但对防止脆化来说，却要求冷却 较快为好，因此应该确定兼顾两者的冷却速度范围

25、。 这个范围的上限取决于不产 生冷裂纹，下限取决于热影响区不出现脆化的混合组织。但在焊接厚板时，即使 采用了大的线能量，冷却速度往往还是超过了它的上限， 这就必须通过预热来使 冷却速度降到低于不出现裂纹的极限值。因此，正确选择线能量和预热这两个参 数使保证不出现裂纹和脆化的关键。 焊接线能量 如果焊接线能量较大，使得热影响区的晶粒粗大，则焊缝中 的柱状晶也粗大，焊接线能量大，必然会引起结晶时的冷却速度较慢， 最高加热 温度Tm升高和Ac3以上停留的时间长，从而导致焊缝金属的晶粒就更粗大。线能量较小，焊速过快，焊工操作困难，而且易产生夹渣等焊接缺陷，所以焊接线 能量一般应以812kJ/cm为宜。 预热温度 预热主要希望它能降低马氏体转变时的冷却速度，通过马氏体的自回火作用来提高抗裂性能。由于壳体厚度仅12mm所选用的钢板厚度为12mm所以不需要预热。 焊后热处理：考虑到09Mn2v钢调质时的回火温度为640660C，所以焊 后退火处理温度，只能是600C左右。在此温度范围内，焊缝-45 C冲击韧性是 可以满足所规定的要求的。