课程设计(论文)-00Cr19Ni13Mo3空气储罐外壳焊接生产工艺设计.doc
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1、中北大学课程设计说明书各专业全套优秀毕业设计图纸课程设计说明书 00Cr19Ni13Mo3空气储罐外壳 焊接生产工艺设计姓名:学 号:1003054316学院(系):材料科学与工程学院专业:材料成型及控制工程(焊接方向)高工 指导教师: 教授 2014年1月 10日目录1 前言12 母材的焊接工艺性分析12.1 00Cr19Ni13Mo3的特性12.2 00Cr19Ni13Mo3的焊接性分析12.3 00Cr19Ni13Mo3钢热处理43 焊接生产工艺性分析43.1 焊接结构工艺性审查43.2 00Cr19Ni13Mo3的焊接工艺要求53.21焊前准备532.2焊接方法选择6323拟用的焊接辅
2、助装置732.4焊接材料选择732.5焊接工艺要点84焊接工艺性评定94.1 焊接试件的制备94.2 焊接试件试验方法114.2.1 拉伸试验114.2.2 冲击试验114.3 工艺评定试验分析124.4 焊接工艺参数的选择124.5设计技术要求135 工艺方案的选择1351筒节的制造145.2 标准椭圆形封头的制造175.3 管法兰的制造185.4 接管的制造195.5 支座的制造206 各部件的装焊工艺226.1 筒体、封头与法兰的装焊226.2 筒体与接管的装焊236.3 封头与接管的装焊246.4 接管与法兰的装焊246.5 支座与筒体的装焊257焊接质量的控制方法和措施258.该产品
3、的质量检验方法和使用的标准269 结束语28参考文献291 前言储罐作为储存设备,主要是指用于储存或盛装气体、液体、液化气体等介质的设备,在化工、石油、能源、轻工、环保等领域得到广泛应用。空气储罐使用不锈钢制作的低压容器,虽然压力低,但是受力较大。如焊接中发生较大的错边,未焊透,裂纹,气孔,夹渣等缺陷,会引起较大的应力集中,导致结构损坏,甚至爆炸。本次课程设计主要是空气储罐外壳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
4、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。2 母材的焊接工艺性分析2.1 00Cr19Ni13Mo3的特性00Cr19Ni13Mo3是超低碳钢,具有良好的耐腐蚀性、塑形和高温性能。与其他类型的不锈钢相比具有良好的焊接性。其化学成分和见表2-1和表2-2力学性能所示:表2-1 00Cr19Ni13Mo3 的化学成分(GBT 12201992)化学成分质量分数(%)CSiMnPNiCrMoS0.031.002.000。03511.0-15.018.0-20.03.0-4.00.03表2-2 00Cr19Ni13Mo3的力学性能(GBT 1220-1992)拉伸
5、试验硬度试验b/Mpas/Mpa/%HBSHRBHV4801774060187902002.2 00Cr19Ni13Mo3的焊接性分析一般认为00Cr19Ni13Mo3的焊接性比较好,可是如果焊接的工艺规范不当,不采取正确的预防措施也会出现很多焊接性问题,这主要取决于母材和填充金属成分及杂质含量,特别是硫和磷的含量,以及热影响区或焊缝中应力集中处的应力腐蚀。容易产生的缺陷:1 .热裂纹产生焊接热裂纹的主要原因 :(1)在铬镍奥氏体不锈钢焊缝金属中,如果可能形成低熔点共晶的元素(如C,Si,S,P等)含量较高时,就可能在结晶后期以低熔点液膜的形式存在于奥氏体柱状晶体之间。当焊接熔池继续冷却而产生
6、收缩时,被液膜分隔的晶体边界就会被拉开而形成裂纹。(2)由于低熔点共晶液膜的存在,凝固时间越长,产生热裂纹的倾向越高。而焊接热输入决定焊缝金属在高温区停留的时间,所以,焊接热输入越大,产生热裂纹的倾向就越大。(3)由于奥氏体不锈钢的热导率小,线膨胀系数大,也延长了焊缝金属在高温区停留的时间,同时焊接区在冷却期间焊接接头必然承受较大的拉应力,从而导致热裂纹的产生。控制热裂纹的措施:(1)应选用优质的奥氏体不锈钢母材和焊接材料即严格控制其C,Si,P,S等杂质的含量。控制焊缝金属组织,尽量使焊缝金属呈双向组织,铁素体含量尽量控制在3%-5%以下。因为铁素体能大量溶解有害的S,P杂质。(2)选用适当
7、的焊条药皮类型。用低氢型焊条药皮焊条可以使焊缝晶粒细化,减少杂质偏析,提高抗裂性。用酸性药皮焊条氧化性强,使合金元素烧损多,抗裂性下降而且晶粒粗大,使热裂纹极易产生。(3)设计合适的坡口形式和尺寸,减小熔合比。保证装配间隙均匀一致,避免强制组装定位,以免产生过大的装配应力。(4)采用适当的焊接规范和冷却速度。采用小规范,即小电流、快速焊来减少焊接熔池过热,快速冷却以减少偏析,使抗裂性提高。多层焊接时,要控制层间温度。2 .晶间腐蚀产生晶间腐蚀的主要原因: 晶间腐蚀发生于晶粒边界,所以叫晶间腐蚀。它是奥氏体不锈钢最危险的一种破坏形式,它的特点是腐蚀沿晶界深入金属内部,并引起金属机械性能和耐腐蚀性
8、能的下降;奥氏体不锈钢在450850的敏化温度区间内停留一定时间后,就会使碳化铬沿奥氏体晶界析出,造成晶粒表层区域的cr含量下降到耐腐蚀所要求的极限值训fCr)12。即形成贫Cr区,从而导致晶间腐蚀。受到晶间腐蚀的不锈钢在表面上没有明显的变化,但在受力时会沿晶界断裂,几乎完全丧失强度。防止晶间腐蚀的措施:选用超低碳C0.03%,添加钛或铌等稳定元素的不锈钢焊条。采用小规范,目的就是为了减少危险温度范围停留时间,采用小电流、快焊速、短弧焊及不做横向摆动。焊缝可采用强制冷却(如铜垫板、水冷)方法加快焊接接头的冷却速度,减少热影响区。多层焊时,应控制层间温度,要前一道焊缝冷却至60以下再焊接。接触介
9、质的那面焊缝最后焊接。3 .应力腐蚀开裂应力腐蚀开裂的原因: 应力腐蚀开裂是焊接接头在特定的腐蚀环境下,受拉伸应力的作用是所产生的延迟开裂的现象。奥氏体不锈钢焊接接头的应力腐蚀开裂是焊接接头比较严重的失效形式,表现为无塑性的脆性破坏。防止应力腐蚀开裂的措施:a.合理制定成形加工和组装工艺,尽可能的减少冷却变形度,避免强制组装,防止组装过程中的各种伤痕。b.合理选择焊材。焊缝与母材应有良好的匹配,不产生任何不良组织,如晶粒粗化,及脆硬的马氏体等。c.采取合适的焊接工艺。保证焊缝成形良好,不产生任何应力集中或点蚀的缺陷,采取合适的焊接顺序,降低焊接残余应力。d.消除应力处理,焊接后进行热处理。4焊
10、缝成形不良焊缝成形不良的原因: 奥氏体不锈钢焊接的时候,由于焊缝中合金元素含量高,熔池的流动性差,易造成焊缝表面成形不良。主要表现在根部焊道背面成形恶化及盖面焊道表面粗糙。焊缝表面成形不良对焊缝性能的影响在常温或者高温下工作下表现不明显,但是在低温工作下,其成形不良所造成的应力集中,对焊缝的低温性能的影响不低于焊缝内部的质量的影响。防治措施: 对于焊缝成形不良及焊接热影响区的晶间腐蚀问题,可以通过焊接工艺加以解决。2.3 00Cr19Ni13Mo3钢热处理a固溶处理 这种热处理是将1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢零件加热到固溶温度(10501100),让所有碳化物及冷加工形成的马氏体全部溶入和
11、转变成奥氏体,然后快冷,在室温下保持单相高温组织。这种热处理可以得到最软而塑性最高的状态。b应力松驰处理 冷加工产生的内应力可以通过较低的温度退火(275450,0.52h)予以消除。经过这种处理后,力学性能可以改善;但延伸率没有改变。c稳定化处理 为了防止晶间腐蚀,在00Cr19Ni13Mo3奥氏体不锈钢中加入少量的钛或银,并进行所谓的稳定化处理。这种处理将样品加热至900,使大部分碳化铬溶解,而溶解了的碳与钛或银化合为比碳化铬稳定的TiC或NbC,使碳化铬不再在晶间析出。这种处理对力学性能没有明显影响。3 焊接生产工艺性分析3.1 焊接结构工艺性审查 3.1.1产品图样结构审查此次设计的设
12、备为空气储罐外壳体,筒体直径1800mm,容器总长4708mm,壁厚12mm。产品外观图样大体如图3-1所示:图3-1空气储罐壳体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,焊条电弧焊,接头形式为对接、角接。3.1.2产品技术特性及检验要求表3-1空气储罐壳体技术特性表序号名称指标1设计压力(MPa)0.882设计温度()1603物料名称空气4全容积(m3)10.45焊缝系数0.856腐蚀裕度(mm)1.57主要受压元件材料A38容器类别I3.2 00Cr19Ni13Mo3的焊接工艺要求3.21焊前准备:a下料方法的选择奥氏体不锈钢中有较多的铬,用一般的
13、氧乙炔切割有困难,可用机械切割、等离子弧切割及碳弧气刨等方法进行下料或坡口加工。b坡口的制备在设计奥氏体不锈钢焊件坡口形状和尺寸时,应充分考虑奥氏体不锈钢的线膨胀系数会加剧接头的变形,应适当减少V形坡口角度。c焊前清理为了保证焊接质量,焊前应将坡口两侧2030mm范围内的焊件表面清理干净,如有油污,可用丙酮或酒精等有机溶剂擦拭。对表面质量要求特别高的焊件,应在适当范围内涂上用白粉调制的糊桨,以防飞溅金属损伤表面。d表面防护在搬运、坡口制备、装配及定位焊过程中,应注意避免损伤钢材表面,以免使产品的耐蚀性降低。如不允许用利器划伤钢材表面,不允许随意到处引弧等。32.2焊接方法选择:奥氏体不锈钢具有
14、较好的焊接性,可以采用焊条电弧焊、埋弧焊等进行焊接。a焊条电弧焊焊条电弧焊是最常用的焊接方法,具有操作灵活、方便等优点。为提高焊缝金属抗裂纹能力,宜选择碱性药皮的焊条;对于耐蚀性要求高、表面成形要求好的焊缝,宜选用工艺性良好的钛钙型药皮的焊条。b埋弧焊埋弧焊是一种高效的焊接方法,特别是热输入大,熔池尺寸较大,冷却速度和凝固速度慢,因此焊接热裂纹敏感性增大。埋弧焊对母材稀释率变化范围大(10%75%),这就会对焊缝金属成分产生重大影响,关系到焊缝组织中铁素体含量的控制。本实验拟用的焊接方式:埋弧自动焊和焊条电弧焊1. 封头的焊接:封头的焊接是在专用胎架上,对装配点固定好的封头直接进行焊接,可大大
15、减少工件自重和工件搁置不当所产生的结构变形。为此需对工件开X型坡口,进行双面对称焊接。同时根据焊缝数量,由多名焊工同时分布在对称位置上焊接,采用逆向分段坡焊的焊接顺序,在胎架上焊完内壁焊缝,然后翻身放在平台上清根后,采用和内壁同样的焊接方法焊完所有焊缝。经检验合格后进行下道工序的装焊。2. 筒节纵缝焊接:采用焊条电弧焊打底的单面埋弧焊。先用焊条电弧焊打底,熔深为板厚的30%35%,然后用埋弧自动焊焊接正面焊缝。注意,采用此焊接工艺时,往往需要用碳弧气刨清理焊根后再进行埋弧焊。3. 容器环缝焊接:环缝埋弧焊技术与筒节纵缝埋弧焊技术类似。双面焊时,先在焊机垫上焊接内焊缝,然后再焊接外焊缝。如内焊缝
16、采用焊条电弧焊打底,焊接外焊缝前应清理焊根。此外,在该容器的制造中,为了改善表面焊缝及热影响区组织,降低硬度,提高冷弯角度,常在最终焊缝上堆焊正火焊道。正火焊道应高出母材表面1.53mm,焊后热处理后再磨去正火焊道。罐体上所有其它对接焊缝、组合焊缝、角接焊缝、返修焊缝等均采用焊条电弧焊焊接。323拟用的焊接辅助装置:1.专用胎具:如图3-2是封头在专用胎架上装配的示意图,构成胎架支撑的是模板,模板是通过放样得出实际形状后加工而成的,这样的胎架,只适用一种形状和尺寸的工件装配和焊接,故称之为专用胎具。2.焊接滚轮架:筒节的装配应在滚轮架上进行,如筒节的环缝焊接,见图3-3。图3-3:筒节环缝焊接
17、图3-2:封头在专用胎具上的装配与焊接32.4焊接材料选择:00Cr19Ni13Mo3奥氏体不锈钢焊接材料的选用原则,应使焊缝金属的合金成分与母材成分基本相同,并尽量降低焊缝金属中碳含量和S、P等杂质的含量。对于工作在高温条件下的奥氏体不锈钢,填充材料选择的原则是无裂纹的前提下保证焊缝金属的热强性与母材基本相同,这就要求其选材料成分大致与母材成分相匹配,同时应当考虑焊缝金属中铁素体含量的控制。对于长期在高温条件下运行的奥氏体不锈钢焊接接头,铁素体含量不应超过5%,以免出现脆化。在铬镍的质量分数均大于20%的奥氏体不锈钢中,为获得抗裂性高的纯奥氏体组织,选用WMn=6%8%的焊接材料是一种行之有
18、效且经济的解决方法。对在腐蚀介质中工作的奥氏体不锈钢,主要按腐蚀介质和腐蚀性要求来选择焊接材料,一般选用与母材成分相近或相同的焊接材料。由于含碳量对抗腐蚀性有很大影响,因此熔敷金属中碳的质量分数不能高于母材。腐蚀性弱或仅为避免锈蚀污染的设备,可选用含Ti或Nb等稳定化元素或超低碳焊接材料;对于要求耐酸腐蚀性能较高的工件,常选用含Mo的焊接材料。32.5焊接工艺要点:根据奥氏体不锈钢对抗裂性和耐蚀性的要求,焊接时要注意以下几点:a焊前不预热由于奥氏体不锈钢具有较好的塑性,冷裂纹倾向较小,因此焊前不必预热。多层焊时要避免道间温度过高,一般应冷却到100以下再焊下一层;否则接头冷却速度慢,将促使产生
19、碳化铬而造成耐晶间腐蚀性下降。在工件钢性极大的情况下,有时为了避免裂纹的产生,不得已进行焊前预热。b防止接头过热具体措施有:焊接电流比焊低碳钢时小10%20%,短弧快速焊,直线运条,减少起弧、收弧次数,尽量避免重复加热,强制冷却焊缝(加铜垫板,喷水冷却等)。c要保证焊件表面完好无损焊件表面损伤是产生腐蚀的根源,避免碰撞损伤,尤其避免在焊件表面进行引弧造成局部烧伤等。d焊后热处理奥氏体不锈钢焊接后,原则上不进行热处理。只有焊接接头产生了脆化或要进一步提高其耐蚀能力时,才根据需要选择固溶处理、稳定化处理或消除应力处理。e焊后清理不锈钢焊后,焊缝必须进行酸洗、钝化处理。酸洗的目的是去除焊缝及热影响区
20、表面的氧化皮;钝化的目的是使酸洗的表面重新形成一层无色的致密氧化膜,起到耐蚀作用。常用的酸洗方法有两种:酸液酸洗。分为浸洗法和刷洗法。浸洗法是将焊件在酸洗槽中浸泡2545min,取出后用清水冲净,适用于较小焊件。刷洗法是用刷子或抹布反复刷洗,直到呈白亮色后用清水冲净,适用于大型焊件。适用于大型结构,是将配制好的酸膏敷于结构表面,停留几分钟后,再用清水冲净。酸洗前必须进行表面清理及修补,包括修补表面损伤、彻底清除焊缝表面残渣及焊缝附近表面的飞溅物。钝化在酸洗后进行,用钝化液在部件表面揩一遍,然后用冷水冲洗,再用抹布仔细擦洗,最后用温水冲洗干净并干燥,经钝化处理后的不锈钢制品表面呈白色,具有较好的
21、耐蚀性。3.2.6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。本次设计,钢板开V型坡口。坡口形式见下图3-4。 图3-4 V型坡口4焊接工艺性评定4.1 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
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