16MnR缓冲罐焊接工艺课程设计 (2).doc

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沈阳理工应用技术学院焊接方法及工艺课程设计

第1章绪论

1.1焊接结构的概述

原料气缓冲罐，筒体尺寸为Φ2200mm×8mm×7500mm，材质为16MnR，制定其筒体纵环焊缝的焊接工艺。

图1.1原料气缓冲罐结构图

1.2焊接方法

原料气缓冲罐筒体的焊接有纵焊缝和环焊缝。

一般情况下，对于此类筒体纵焊缝的焊接选用对接接头的焊接。

其厚度为8mm，属于薄板或中厚板，下面是我手工电弧焊（SMAW）的一些介绍：

1.手工电弧焊是利用电弧局部熔化母材和焊条以形成焊缝的一种手工操作焊接方法。

2.SMAW的焊接过程：

焊接时电源的两极分别在导电嘴和焊件上，焊丝通过导电嘴与焊件接触，接通电源后，则电流经过导电嘴、焊丝与焊件构成焊接回路。

焊接时，引弧，焊接速度均由焊工自己手动操作。

1.2.1概述（原理、特点及应用）

SMAW：

1.工作原理：

焊条电弧焊时,焊件和焊条在电弧热量的作用下，焊件坡口边缘被局部熔化，焊条熔化形成熔滴向焊件过渡，熔化的金属形成焊接熔池。

随着焊接电弧向前移动，熔池后边缘的液态金属温度逐渐降低，液态金属以母材坡口处未完全熔化的晶粒为核心生长处焊缝金属的枝状晶体并向焊缝中心部位发展，直至彼此相遇而最后凝固。

与此同时，前面的焊件坡口边缘又开始局部熔化，使焊接熔池向前移动，当焊接过程稳定以后，一个形状和体积均不变化的熔池随焊接电弧向前移动，形成连续的焊缝。

2.特点:

焊条电弧焊设备简单，操作灵活方便，适应性强，不受场地和焊接位置的限制，在焊条能达到的地方一般都能施焊；可焊金属材料广，除难熔或极易氧化的金属外，大部分工业用金属均能采用焊条电弧焊进行焊接；焊接接头装配要求较低。

缺点：

劳动条件差，生产率低，每焊完一根焊条，必须更新焊条，并残留下一部分，而使焊条未被充分利用，焊后还须清渣，故生产率低。

3.应用:

手工电弧焊的应用虽因气体保护电弧焊和其他高效焊接方法的发展而有所减少，但仍然是各个工业部门常用的焊接方法，用于多品种、小批量的焊接件最为经济，在许多安装焊接和修补焊接中还不能为其他焊接方法所取代。

但焊工的操作技术水平对手工电弧焊质量影响很大，因此焊工必须接受严格培训，方能从事此种焊接工作。

1.2.2焊接设备

手工焊条电弧焊设备包括焊机和焊枪等，焊机是核心部分，由焊接电源和控制系统组成。

如图1.2所示：

图1.2手工电弧焊设备示意图

焊接选择ZX7-400

焊接电流/A20-400

焊接电压/V36

电流种类直流

性能特点及用途：

1.采用MOSFET逆变技术电路高频引弧设计。

2.具有电网电压波动补偿功能，抗电网波动强（V±15%）。

3.效率高、空载损耗小、比传统焊机节电40%以上。

4.具有体积小、重量轻、高空作业方便的优点。

5.起弧容易，飞溅小，噪音低，焊接稳定，焊缝成型美观。

6.内置过热、过流、过压、欠压等保护电路，使用安全可靠。

1.3母材的化学成分及性能

1.3.116MnR的力学性能

表1-120R的力学性能

σs∕MPa

σb∕MPa

δ（%）

αkv∕J/cm

340

450～655

19-21

≥31

1.3.216MnR的化学成分

表1-216MnR的化学成分（质量分数%）

C

Si

Mn

P

S

≤0.20

0.20～0.55

1.2～1.6

≤0.030

≤0.020

1.3.316MnR的焊接性

16MnR是普通低合金钢,是锅炉压力容器专用钢，锅炉压力容器的常用材料。

它的强度较高、塑性韧性良好。

常见交货状态为热轧或正火。

属低合金高强度钢，含Mn量较低。

性能与20G（412-540）近似，抗拉强度为（450-655）稍强，伸长率为19-21%，比20G的大于24%差。

标准来源GB6654，2010年该钢号逐渐被Q345R所取代。

16MnR钢是屈服强度为340MPa级的压力容器专用板，它具有良好的综合力学性能和工艺性能。

磷、硫含量略低于普16Mn钢，除抗拉强度、延伸率要求比普通16Mn钢有所提高外，还要求保证冲击韧性。

它是目前我国用途最广、用量最大的压力容器专用钢板。

低合金高强钢的含碳量一般不超过0.20％，合金元素总量一般不超过5％。

正是由于低合金高强钢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：

（1）冷裂纹 低合金高强钢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。

低合金高强钢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系低合金高强钢，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。

（二）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δs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。

焊接线能量对低合金高强钢WM和HAZ性能有重要影响，低合金高强钢易淬硬，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。

1.4.焊接材料的选择

1.4.1焊接材料的选择原则

选择焊接材料时必须考虑到两个方面的问题：

一是焊缝没有缺陷；二是满足使用性能的要求。

选择原则如下：

（1）根据产品对焊缝性能要求选择焊接材料高强钢焊接时，一般应选择与母材强度相当的焊接材料，必须综合考虑焊缝金属的韧性，塑性以及强度，只要焊缝强度或焊接接头的实际强度不低于产品要求即可。

焊缝金属强度过高，将导致焊缝韧性，塑性以及抗裂性能的下降从而降低焊接结构生产及使用的安全性，这对于焊接接头的韧性要求高且基材的焊接性的抗裂性差的低合金钢结构的焊接尤为重要。

海洋工程超高强钢壳体及压力容器选用的焊接材料，还应保证焊缝金属具有相应的低温高温及耐蚀等特殊性能。

（2）选择焊接材料时，还要考虑工艺条件的影响1）坡口和接头形式的影响采用同一焊接材料焊同一钢种时如果破口形式不同则焊缝性能各异2）焊后加工工艺的影响，对于焊后经受热卷或热处理的条件必须考虑焊缝金属经受高温热处理后对其性能的影响。

应保证焊缝热处理后仍具有所要求的强度、塑性和韧性，一般正火处理后的焊缝强度要比焊态时低对于在焊后要经受正火处理的焊缝应选用合金成分较高的焊接。

焊件焊后要进行消除应力热处理一般焊缝金属的强度将降低，这时也应选用合金成分较高的焊接材料。

对于焊后经受冷卷或冷冲压的焊件则要求焊缝具有较高的塑性。

（3）对厚板、拘束度大及冷裂倾向大的焊接结构应选用超低氢焊接材料，以提高抗裂性能降低预热温度。

厚板、大拘束度焊件第一层打底焊缝最容易产生裂纹此时可选用强度稍低、塑性、韧性良好的低氢或超低氢焊接材料。

（4）对于重要的焊接产品如海上采油平台、压力容器及船舶等，为确保产品使用的安全性，焊缝应具有高韧性焊接材料，如高碱度焊剂、高韧性焊丝、焊条、高纯度的保护气体并采用Ar+CO2混合气体保护焊等。

（5）为提高生产率可选用高效铁粉焊条、重力焊条、高熔敷率的药心焊丝及告诉焊剂等立角焊时可用力向下焊条大口径管接头可用高速焊剂，小口径管接头可用底层焊条。

（6）为改善卫生条件在通风不良的产品中焊接时（如船舱压力容器等），宜采用低尘低毒焊条。

SMAW焊条的选用

根据任务书要求及焊接材料的选择原则，用E5016（J506）作为低合金钢的的焊接用焊条。

J506

特点：

J506是低氢钾型药皮的碳钢焊条。

交直流两用，可进行全位置焊接。

具有良好的焊接工艺性能，电弧稳定，飞溅少，易脱渣，其熔敷金属具有优良的力学性能和抗裂性能，低温冲击韧性好。

用途：

用于焊接中碳钢和低合金钢结构，如16Mn、09Mn2Si和船舶用A、B、D、E级钢等，也用于厚板及可焊性较差的碳钢结构的焊接。

1.4.2焊条化学成分及力学性能

表1-3E5016熔敷金属的化学成分（质量分数%）

牌号

C

Si

Mn

S

P

E5016

≤0.12

0.40

1.2

≤0.035

≤0.040

表1-4E5016力学性能

牌号

σb∕MPa

σｓ∕MPa

δ（%）

aｋｖ∕J/cm

E5016

≥490

≥410

≥22

≥47

第2章焊接工艺的编制

2.1实验材料

16MnR:

16MnR是普通低合金钢，是锅炉压力容器专用钢，锅炉压力容器的常用材料。

它的强度较高、塑性韧性良好，具有良好的综合力学性能和工艺性能。

常见交货状态为热轧或正火。

属低合金高强度钢，含Mn量较低。

2.1.116MnR的性能

表2-116MnR的力学性能

σs∕MPa

σb∕MPa

δ（%）

αkv∕J/cm

340

450～655

19-21

≥31

表2-216MnR的化学成分（质量分数%）

C

Si

Mn

P

S

≤0.20

0.2～0.55

1.2～1.6

≤0.030

≤0.020

2.1.2焊接材料

表2-3