毕业设计(论文)-15MnNbR钢质储油罐本体设计及焊接.doc
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1、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
2、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
3、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,CO
4、2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
5、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
6、、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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,
14、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
15、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,
16、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
17、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
18、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
19、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
20、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1
21、5MnNbR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
22、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
23、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。15MnNb
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