毕业设计(论文)-高压锅炉的壳体焊接工艺设计.doc
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1、河南机电高等专科学校毕业论文1 绪 论所谓的焊接就是通过加热或加压,或两者并用,并且用或不用填充材料,使焊件达到结合的一种方法,别结合的两个物体可以事各种各类或不同类的金属、非金属(石墨、陶瓷、塑料等),也可以是一种金属与非金属,但是,目前工业中应用最普遍的还是金属之间的结合。焊接技术自20世纪初期以后,几十年来获得迅猛发展,目前焊接结构已经基本上取代了铆接结构,并部分代替铸造和锻造结构。焊接结构的用材量占钢产量的近50,已广泛地应用于航空、航天、原子能、化工、造船、海洋工程、电子技术、建筑、机械制造等工业部门。随着现代工业的发展和科学技术的进步,对焊接构件的性能提出了更高、更苛刻的要求,除需
2、满足通常的力学性能外,还要满足如耐磨性、高温强度、耐腐蚀性、低温韧性、导电性、导热性等多方面的性能要求。在这种情况下,任何一种金属材料都不可能完全满足整体焊接结构的使用要求,即使可能有某种金属材料相对比较理想一些,也常常由于十分稀缺、价格昂贵,而不能在工程中实际应用,而异种材料焊接的出现很好的解决了这一问题。特别是异种钢的焊接,最大限度的利用了各种钢的性能,做到了“物尽其用”的效果。压力容器在工业生产和日常生活中有重要的用途,但是它的工作环境经常十分恶劣,所以压力容器用钢需要具有良好的焊接性和力学性能。如13MnNiMoNbR钢是我国在80年代末引进外国的配方研制的。由于含碳量低(0.16)合
3、金配方合理,使这类钢具有较高的强度和韧性,并举有良好的焊接性。压力容器由于其温度、压力、结构、用途和介质的腐蚀程度等因素变化相当大,所以种类也非常之多。 1按压力容器技术特性分类 根据容器承受的压力(p)分为低压、中压、高压、超高压四类。具体划分如下: (1)低压容器:p157MPa(16kgfcm2) (2)中压容器:157MPa(16kgfcm2)p981MPa(100kgfcm2)(3)高压容器:981MPa(100kgcm2)p981MPa(1000kgfcm2) (4)超高压容器:p981MPa(1000kgfcm2) 2在国家压力容器安全监察规程中,把压力容器统一划分为受监察和不受
4、监察两类。凡同时具备下列三个条件的容器属于受监察容器:(1)最高工作压力(Pww)0.098MPa(kgfcm2)(不包括液体静压力); (2)容积(V)25L,且P。V196LMPa(200Lkgf/ cm2); (3)介质为气体、液化气体和最高工作温度高于标准沸点(指在一个大气压下的沸点)的液体。 依据受监察容器的压力高低、介质的危害程度以及生产过程中的重要作用,又将容器分为三类。 类容器: (1)非易燃或无毒介质的低压容器; (2)易燃或有毒介质的低压分离容器和换热容器。 类容器; (1) 高、超高压容器; (2) 剧毒介质的低压容器; (3)易燃或有毒介质的低压反应容器和贮运容器; (
5、4)内径小于lm的低压废热锅炉。 类容器: (1)高压、超高压容器; (2)剧毒介质且P。V196LMPa(2000Lkgfcm2)的低压容器或剧毒介质的中压容器; (3)易燃或有毒介质且P。V490LMPa(5000Lkgfcm2)的中压反应容器,或P。V4900LMPa(50000Lkgfcm2)的中压贮运容器; (4)中压废热锅炉或内径大于1m的低压废热锅炉。2 13MnNiMoNbR钢的焊接性分析2 13MnNiMoNbR 的化学成分焊接性刚的焊接性主要取决于化学成分,这类钢一般加入了0.5,Ni是固溶强化元素,Mo可以提高强度,细化组织,并提高钢的中温耐热性,但含Mo钢在正火后望望得
6、到上贝氏体和少量的铁素体,韧性和塑性指标都不高,必须在正火后进行回火才能获得良好的塑性和韧性。13MnNiMoNbR钢的化学成分见表2-1,力学性能见表2-2。 表2-1 母材的化学成分(质量分数)() C Si Mn S P Cr Ni Mo Nb Fe0.1440.4031.416 0.00390.0030.2980.8300.3450.0115余量表2-2 母材的力学性能抗拉强度 Rm/MPa屈服强度 Rc/MPa 断后伸长率 A() 冲击吸收功AK /J(常温) 649.5 461 26 142但随着合金元素的增加和强度的提高,焊接性也变差。焊接的问题主要来自两个方面:焊接裂纹和热影响
7、区母材性能下降。2.1 焊接裂纹2.1.1 焊接中的结晶裂纹 热轧及正火钢的含碳量比较低,并且含有一定的锰,Mn/S比值一般可以达到防止结晶裂纹的要求,13MnNiMoNbR钢的焊接时若碳和硫同时居上限或存在严重的偏析,则有产生结晶裂纹的可能。在这种情况下,应采取必要的防治措施。图2-1所示碳、硫和锰对结晶裂纹的影响曲线可知,为了防止结晶裂纹,应在提高焊接锰量的同时降低碳、硫的含量。具体措施可选用脱硫能力较强的低氢型焊条,埋弧焊时选用超低碳焊丝配合高锰高硅焊剂,并从工艺上降低融合比。 图2-1 C、S、Mn对焊接接头结晶裂纹的影响防止结晶裂纹的措施 主要从冶金和工艺两个方面着手,其中冶金方面更
8、重要一些。(1)控制焊缝中的硫、磷、碳等有害元素的含量;(2)对熔池进行变质处理 可细化晶粒,可提高力学性能和抗结晶能力;(3)调整熔渣的碱度 碱度越高,熔池中的脱硫、脱氧越完全;(4)调节焊接参数以得到抗裂能力较强的焊缝成形系数;(5)调整冷却速度;(6)调整焊接顺序,降低拘束应力。2.1.2 焊接冷裂纹国际焊接学会(W)碳当量计算公式:CE=C+Mn/6+ (Cr+Mn+V)/5+(Cr+Ni) /15()计算出13MnNiMoNbR 的含碳量为0.573说明有一定的冷裂倾向,需要采取必要的工艺措施。产生冷裂纹的三个基本因素如下:(1)氢的影响 导致接头产生冷裂纹的氢主要是扩散氢。实验证明
9、,随着焊缝中扩散氢含量的增加,冷裂纹率提高。例如,用含有较多有机物的焊条(如氧化钛纤维素型)进行焊接,出现了大量的焊道下裂纹;而用低氢型焊条焊接时,则出现或很少出现焊道裂纹。如图1-2所示在电弧气氛中加入不同量的氢实验的结果,焊道下裂纹率也随着焊氢量的增加而上升。 (2)钢的淬透性 一般来说钢的淬硬倾向越大,则接头中出现马氏体的可能性越大越易产生冷裂纹。特别是合金钢含有较多的合金元素增加了钢的淬透性,在焊接后冷速很大的时候易产生马氏体,马氏体含量对冷裂纹率的影响如图1-3所示,可以看出,冷却速度提使马氏体含量增加,导致裂纹率上升。这个规律对各种钢都是适用的,只是钢种的化学成分不同时,因马氏体的
10、形态不同而产生冷裂纹的临界马氏体含量不同。总之,钢种的淬硬倾向决定了接头中硬脆组织的数量,是促使冷裂纹形成的又一重要因素。图1-2 电弧气氛中含氢量对焊道下裂纹率的影响a)试件尺寸 b)裂纹率与气氛中的含碳量HAZ的组织及硬度错误!未指定书签。图 1-3 马氏体含量与冷却速度的关系及其对 热影响区冷率的影响RF拘束度(3)焊接接头的拘束应力 焊接接头的拘束应力包括接头在焊接过程中因加热不均匀所承受的热应力、相变力、结构自身几何因素所决定的内应力。上述三方面的应力都是不可避免,由于都与拘束条件有关而统称为拘束应力,拘束应力也是形成冷裂纹的重要因素之一。上述三个要素的作用是相互联系,相互制约的,不
11、同条件下起主要作用的因素不同。2.1.3 消除应力裂纹消除应力裂纹又称为再热裂纹。经研究确认,消除应力裂纹的产生是由于晶界优先滑动而导致微裂纹发生并扩展所致。即焊后再热时,在残余应力松弛过程中,粗晶区应力集中部位的晶界滑动变形量超过了该部位的塑性变形量超过了该部位的塑性变形能力,就会产生消除应力裂纹。理论上消除应力裂纹产生的条件可用下式表示 ee0式中 e粗晶区局部晶界的实际塑性应变; e0粗晶区局部晶界的塑性变形能力,即不产生开裂的临界应变量。图2-4 消除应力裂纹沿晶开裂情况 图2-5 13MnNiMoNbR钢消除应力裂纹的部位防止消除应力裂纹的措施:(1)选用对消除应力裂纹敏感性低的母材
12、;(2)选用低强高塑性的焊接材料;(3)控制结构刚性与焊接残余应力;(4)工艺方面的措施。1)预热:预热是防止消除裂纹的有力措施之一,在200450范围内预热可以取得较好效果,为防止消除裂纹,应将原定的预热温度适当的提高。2)焊后及时进行后热处理:后热可起到与预热相同的效果,并可降低预热温度。以18 MnNiMoNb钢为例,为防止冷裂纹及消除裂纹,则应将预热温度t0 提高到230。如果在焊后及时进行1802h的后热,则t0可降到4503)控制线能量:线能量对消除应力裂纹的影响比较复杂,与钢种的成分、热影响区的状态和残余应力的分布等因素有关。对于条件一定的具体结构而言,一般的规律是增大线能量,可
13、降低冷却速度,减小残余应力,使消除应力裂纹倾向减小。但是线能量过大,则会使热影响区奥氏体晶粒粗化,反而是消除应力裂纹倾向增大。低碳钢中大都含有Cr、Mo、V、Nb、Ti、B等提高消除应力裂纹敏感性的元素,其中作用最大的是V,其次是Mo,因而二者共存时情况最严重。一般认为Mo-V钢,特别是Cr-Mo-V钢对消除应力裂纹的敏感性最高,Mo-B钢、Cr-V钢也有一定的敏感性。不同成分的钢对消除应力裂纹敏感的温度不尽相同,焊接时可通过降低退火温度、进行适当预热或后热等措施,防止消除应力裂纹。2.1.4 层状撕裂层状撕裂产生的根本原因是钢中存在夹杂物 。钢在轧制过程中夹杂物被轧成片状,平行于钢板表面眼轧
14、制方向分布。这种片状夹杂物的存在,大大削弱钢板在厚度方向的力学性能,特别是断面收缩率(Ak)大大降低。防止层状撕裂的措施:(1)控制夹杂物,特别是硫化物 薄片状夹杂物相当于金属内部尖锐的缺口,使钢板的Z向力学性能大大降低,经实验证明,当钢种含硫量极低时,各个方向的 塑性指标均有提高,层状撕裂敏感性随之降低。(2)防止母材脆化 焊接中发生过热区粗晶脆化、应变时效脆化及氢脆等,母材层状撕裂的敏感性明显增加,在焊接中应采取预热、保温缓冷、控制层间温度等降低冷却速度。(3)设计和工艺上的措施:1)尽量采用双侧焊缝,避免单侧焊缝。可以缓和焊缝根部的应力分布并减小应力集中。2)在强度允许的条件下,尽量采用
15、焊接量小的对称角焊缝来代替焊接量大的全焊透焊缝,以减小应力。3)对于T形接头 可在横板上预堆焊一层强度低的金属,以防止出现焊根裂纹,可缓解作用在横板上Z向应力。2.2 热影响区性能的变化热轧及正火钢焊接时,热影响区性能的主要变化是过热区脆化和可能发生的热应变脆化。(1)过热区脆化 过热区的加热温度在1200固相温度范围内,高的加热温度造成奥氏体晶粒严重粗化及难熔质点(氮化物、碳化物)溶如固溶体,在这些都将明显影响过热区的性能。具体变化则随钢种成分不同而异,而且与焊接工艺(主要是线能量)有密切关系。正火钢的过热区催化的原因与魏氏组织无关,除晶粒粗化外,主要是由于在1200的高温下,起沉淀强化作用
16、的碳化物、氮化物质点分解并溶解于奥氏体中,而在随后的冷却过程中来不及在析出而固溶在基体中,结果使铁素体的硬度上升,韧性下降。所以正火钢过热区的韧性随线能量的增加而下降,并与沉淀强化元素的含量有关。其实质是由于焊接热源的高温作用,使母材焊前的正火效果消失的结果。当然,在钢中若含有较多的碳和合金元素时(如13MnNiMoNbR钢),也应注意快冷时发生马氏体转变而造成的脆化。(2)热应变脆化 热应变脆化是焊接过程中在热和应变同时作用下产生的一种应变时效,它是由于固溶的氮所引起的。它的形成机理虽有很多的论述,但至今尚未有明确、一致的结论,多数人认为,是碳、氮原子集聚在位错附近对位错产生钉扎作用而引起的
17、。一般认为在200400是最为明显,消除应变脆化的有效措施是进行焊后热处理,经600左右的消除应力退火后,材料的韧性可恢复到原来的水平。改善热影响区的性能的措施:(1)焊后热处理 焊后热处理(如正火或正火+回火)可以改善组织,有效的提高性能,是重要产品制造过程中常用的一种工艺方法。但是对于大型的、复杂的或在工地装配的结构即使采用局部热处理也很困难,因此焊后热处理的应用很有效。(2)合理制订焊接工艺 包括正确选择预热温度、合理控制焊接参数及后热等。3 高压锅炉常用的焊接方法及焊接工艺分析3.1 焊条电弧焊的简介及工艺分析3.1.1 焊条电弧焊原理、特点及应用用手工操作焊条进行焊接的电弧焊方法称为
18、焊条电弧焊(缩写SMAW,ISO代号为111)。它是利用焊条与焊件之间建立起来的稳定燃烧的电弧,使焊条和焊件熔化,从而获得牢固的焊接接头,原理如图3-1。图3-1 焊条电弧焊的原理1药皮 2焊心 3保护气 4电弧 5熔池 6母材 7焊缝 8渣壳 9熔渣 10熔池焊条电弧焊具有设备简单、操作方便、适应性强,对焊接头的装配要求低、能在空间任何位置焊接,但对焊工技术要求高、劳动条件差、生产效率低、焊接质量依赖程度高等的特点。所以被广泛应用于造船、锅炉及压力容器的制造、机械制造、建筑结构、化工设备制造等工业领域。3.1.2 焊前准备用气割或碳弧气刨加工坡口时,应保证加工面的质量,防止其表面凸凹不平,不
19、合格的予以修磨,坡口表面不得有裂纹、夹渣、分层等缺陷,否则予以去除或修补。清除坡口及其两侧1020mm范围内的油污、铁锈、氧化皮等赃物。焊条应按照规定的温度烘干,入炉和出炉的温度不应过高,以防药皮脆裂。3.1.3 焊接接头形式、坡口和焊缝(1)接头形式 用焊接方法连接的接头成为焊接接头常用的接头形式有:对接接头、搭接接头、角接接头、和T型接头。选择焊接接头形式主要根据产品的结构,并综合考虑受力条件、加工成本等因素。(2)坡口 坡口是根据设计或工艺需要,在焊件的待焊部位加工成一定几何形状并经装配后构成的沟槽。坡口形式取决于焊件接头形式、焊件厚度以及对接头质量的要求,国家标准GB/T985-198
20、8对此作了详细的规定。 对接接头是焊接结构中最常见的接头形式。根据板厚不同对接接头常用的坡口形式有I形,Y形,X形,带钝边U形等。角接接接头和T形接头的坡口形式可分为I形、带钝边的单边V形坡口和K形坡口等。(3)焊缝 焊缝是指焊件经焊接后所形成的结合部分。按空间位置可分为平焊缝、横焊缝、立焊缝及仰焊缝四种形式;按结合方式可分为对接焊缝、角焊缝及塞焊缝。按焊缝断续情况可分为连续焊缝和断续焊缝两种形式。3.1.4 焊接工艺参数及选择焊条电弧焊的焊接工艺参数包括:焊条直径、焊接电流、电弧电压、焊接速度、电源种类和极性、焊接层数等。焊接工艺参数选择的正确与否,直接影响焊缝形状、尺寸、焊接质量和生产率。
21、(1)焊条直径 焊条直径指焊芯直径。它是保证焊接质量和效率的重要因素。焊条直径的选择一般根据焊件厚度选择,还应考虑接头形式、施焊位置和焊接层数,对于重要的焊接结构还要考虑焊接热输入的要求,一般情况,焊条直径与焊件厚度之间关系的参考数据见表3-1。表3-1 焊条直径与工件厚度之间的关系焊件厚度mm2 3 45 612 13焊条直径mm 2 3.23.2445 46(2)焊接电源种类和极性的选择 用交流电源焊接时,电弧稳定性差。采用直流焊接时,电弧稳定、飞溅少,但电弧磁偏吹较交流严重。低氢型焊条稳弧性差,通常必须采用直流焊接电源,且一般来说用反接,因为反接的电弧比正接稳定。 (3)焊接电流的选择
22、选择焊接电流时,应根据焊条类型、焊件直径、焊件厚度、接头形式、焊接位置和层数等因素综合考虑。焊接电流选择不当易造成未焊透、夹渣或咬边、焊穿金属飞溅等。对于一定的直径的焊条有一个合适的电流范围,可参考表2-2。表3-2 焊接电流和焊条直径的关系焊接直径mm1.62.02.53.2456焊接电流A254040655080100130160210200270260300在相同焊条直径的条件下,平焊电流可大一些,其它位置焊接电流应小一些。相同条件下,碱性焊条的焊接电流比酸性焊条小10左右(4)焊缝层数的选择 在焊接厚度较大时,往往要进行多层焊,对于低碳钢和强度低的低合金钢的多层焊时,焊层厚度不能太大,
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