材料成型及控制工程焊接方向说明书

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1、材料成型及控制工程(焊接)课程设计说明书材料成型及控制工程（焊接）课程设计说明书 1 前言本次课程设计主要是尾气回收塔外壳 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 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 此次设计的设备为尾气回 收塔壳体，筒体直径 800mm，容器总长 9292m

2、m，壁厚 8mm。由图 2-1 可知：筒体之间 通过容器法兰螺栓连接，筒体左端接椭圆形封头， 筒体上有接管，筒体右端连接件整体参 与固定。 图 2-1 尾气回收塔壳体结构图 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 CO2 气体保护焊，接头形式为对接、角接。 2.1.2 产 品技术特性及检验要求 尾气回收塔壳体技术特性如表 2-1 所示：表 2-1 尾气回收塔壳体 技术特性表 设计压 力 常压 设计温 度 常温 物料名 称 碳化尾 氨、母 液 第 1 页 共 26 页 物料特 性 刺激性 焊缝系 数 0.7 试验压 力 盛水试 漏 容量/ m3 4.5 材料

3、 成型及控制工程（焊接）课程设计说明书 本设备按 NB/T 47003-2009钢制焊接常压容器 和 HG 20652-1998塔器设 计技术规定进行制造、试验及验收。焊缝进行 X 射线局部 无损探伤，探伤长度分 别不少于纵缝长度的 10%，质量评定按 JB/T 4730.2-2005承压 设备射线检测达 到级为合格。角焊缝按 JB/T 4730.1-2005 进行磁粉探伤。塔节两端 法兰密封面 与筒体轴线应垂直，偏差不大于 1mm。塔体总装后弯曲度小于 2/1000 塔高， 且总 弯曲度小于 8mm。设备制造完成后进行盛水试漏。 2.2 母材的焊接工艺性分析 2.2.1 WCF-62 的特性

4、 WCF-62 属于低合金结构钢，这类钢是在碳素钢的基础上添加少量 的合金元素 进行冶炼而成。它与普通的碳锰钢相比较，不仅强度高，而且焊接性能优良， 可作 为低温压力容器用钢 (尤其适用于大型球形储罐)。 该钢通过降低含碳、硫、磷量(C009 %)和 Pcm 值(PcmO02)，并有效 地利用低碳范围内硼和其它合金元素的 淬透性效果， 可以确保所希望的强度 （610 725MPa）和低温韧性（-40，40） 。 母材原始状态为调质状态，其回火温度约为 640660。其化学成分和力学性能见表 2-2 和表 2-3 所示： WCF- 的化学成分（ 713-2008） 表 2-2 WCF-62 的化

5、学成分（GB 713- 2008） 化学成分质量分数（%） C 0.09 Mn 1.1 1.5 Si 0.15 0.35 Mo 0.3 V 0.02 0.06 S 0.02 p 0.03 Ni 0.5 Cr 0.3 WCF- 的力学性能（ 713-2008） 表 2-3 WCF-62 的力学性能（GB 713-2008） 力学性能 s (MPa) 490 b (MPa) 610 725 (mm) 16 50 (%) 18 AKV (J ) 横向 -40 C ,40 o 2.2.2 WCF-62 的焊接性分析 冷 裂纹的形成是淬硬组织、 拘束应力及扩散氢三种因素第 2 页 共 26 页 冷裂纹及

6、影响 因素 材料成型及控制工程（焊接）课程设计说明书 综合作用的结果。从材料本身来考虑， 淬硬组织是引起冷裂纹的决定性因素。对于 WCF-62 钢来说，因其在低碳的基础上通过加 入多种提高淬透性的合金元素，保证 获得强度高、韧性好的低碳马氏体和部分下贝氏体的 混合组织。特点是马氏体含量 低，所以它的开始转变温度 Ms 点较高，缓慢冷却，则生 成的马氏体还能来得及进 行一次“自回火”处理。 热裂纹及其影响因素 这类钢作为高 强度的焊接结构用钢， 因此含碳量限制 得较低，在合金成分的设计上也都考虑到了焊接 性的要求。 再热裂纹及其影响因素 母材中引起再热裂纹的合金元素主要是 Mo、V。 其 中，V

7、 的影响最大，Mo 次之，而且当二者同时加入时就更严重。因此，在焊接时要 注意再热裂纹的问题。 热影响区液化裂纹及其影响因素 对液化裂纹而言，通常是含碳 量越高，要 求 MnS 比也越高。含碳量不超过 0.2%，MnS 小于 30，其液化裂纹敏感性大。 故避免这类裂纹的关键在于控制 C 和 S 的含量，保证高的 MnS 比。此外， 工艺因 素对液化裂纹的形成也起着很大的作用，首先是线能量。线能量越大，晶粒长得越 大，晶界熔化越严重，而且液态晶间层存在的时间也越长，液化裂纹产生的倾向也 越大。 因此，从工艺上可以采取小线能量的焊接方法、控制熔池形状、减少凹度等 措施。 热 影响区的性能变化 母材

8、中由于含有较多的固氮元素， 因此热影响区中不 会产生明显的热 应变脆化，其中过热区的脆化是主要问题。 （1）过热区的脆化：引起脆化的原因除了奥 氏体的晶粒粗化引起的脆化外， 主要原因是由于上贝氏体和 M-A 组元的形成。 （2） 焊接热影响区的软化： 热影响去内凡是加热温度高于母材回火温度至 Ac1 的区域，由于 碳化物的积聚长大而使钢材软化。此外，软化的程度和软化去的宽度 与焊接工艺也有很大 关系。对于 WCF62 钢而言，其强度级别不太高，但制定其焊接 工艺时必须考虑这一问 题。 WCF2.3 WCF-62 焊接工艺要点 2.3.1 焊接方法和焊接材料的选择 母材的含碳量低，因此淬火后的组

9、织是强度和韧性都较高 焊接方法的选择 的低碳马氏体和贝氏体， 这 对焊接非常有利。 在焊接这类钢时要注意两个基本问题：第 3 页 共 26 页 材料成型及 控制工程（焊接）课程设计说明书 一是要求在马氏体转变时的冷却速度不能太快，使马氏 体能有“自回火”作用，以 免冷裂纹的产生；二是要在 800500之间的冷却速度大于 产生脆性混合组织的 临界速度。 WCF-62 的 s 低于 980 Mpa，因此熔化极气体保护焊、 手弧焊、埋弧焊和钨极 氩弧焊等都能采用。本次设计采用 CO2 气体保护焊进行对接焊缝 和角焊缝的焊接。 焊接材料的选择 选择焊接材料时必须考虑两方面的问题： 一是不能 有裂纹 等

10、焊接缺陷产生；二是能满足使用性能要求。选择焊接材料的依据是保证焊缝金属 的强度、塑性和韧性等力学性能与母材匹配。WCF-62 钢选用 H08Mn2MoA 焊丝比较 合 适。 2.3.2 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

11、缝与母材交界处平滑过渡。 本次设计，壳体厚度小于 22mm，开 Y 形坡口。 低合金结构钢的坡口可用刨边机加工坡口。回收塔壳体厚度小于 100mm，不需 要预热。 坡口型式如图 2-2 所示。 图 2-2 坡口型式 2.4 母材的焊接性试验第 4 页 共 26 页 材 料成型及控制工程（焊接）课程设计说明书 对 WCF-62 钢的焊性进行试验，可用以下几 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，可以定量测定低合金钢 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 图 2-4 底板的形状尺寸 将被焊

12、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 （t8/5 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 度不低于 1100。当焊道冷至 150-100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 100。 载荷保持 16h 或 24h 后卸载，若试棒未断，而采用“断裂准则”

13、 ，应增加载荷第 5 页 共 26 页 材料成型及 控制工程（焊接）课程设计说明书 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 接头机械性能试验 考虑到 WCF-62 钢焊后要进行消除应力退火处理， 而退火后其接头的 强度是否 能满足与母材等强性的要求，这就需要选择不同热处理规范进行试验，如表 2-4 所 示。表 2-4 不同热处理规范对接头强度的影响 热处理 规范 b (MPa) 656 671 焊 态 6202 小时 退火 647 651 6102 小时 退火 647 647 线能量 1719

14、 kJcm 备 注 试验得出 WCF-62 钢配用 H08Mn2MoA 焊丝接头强度可满足与母材强度相匹配的 等强 性要求，即使焊后热处理温度达到母材回火温度(640)时， 接头强度仍不低 于 607MPa，最高可达 647MPa。 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。 （1）对接焊缝试件的制备 采用 Y 形 坡口，坡口型式如图 2-2 所示。采用 CO2 气体保护焊，CO2 气体保护焊的规范参数包 括电源极性、焊丝直径、电弧电压、焊 接电流、气体流量等。 (一)电源极性 CO2 气体 保护焊焊接一般材料时，采用直流反接；在

15、进行高速 焊接、堆焊和铸铁补焊时，应采用直 流正接。 (二)焊丝直径 二氧化碳气体保护焊的焊丝直径一般可根据板厚选择。回收塔 壳 体厚度 8mm，可选 1.01.6mm 的焊丝。 (三)电弧电压和焊接电流 对于一定直径的 焊丝来说，在二氧化碳气体保护焊 中，采用较低的电弧电压，较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 CO2 气 体保护焊工艺都采用 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 第 6 页 共 26 页 材料成型及控制工程（焊接）课程设计说明书 渡。16 或 20mm 的焊丝自动焊接中厚板时

16、，常采用这种过渡。 综上所述，其焊接工 艺参数如表 3-1 所示。表 3-1 板厚 /mm 坡口 形式 气体流 量 L/min 焊丝 直径 /mm 8 Y 型 2325 1.2 130 150 2022 H08Mn2MoA 22 CO2 气体保护焊工艺参数 焊接电 流 /A 焊接电 压/V 焊丝 焊接速 度 m/h 电 流 极 性 直 流 反 接 （2）角接焊缝试件的 制备 参数见表 3-2。 采用 CO2 气体保护焊焊接，如图 3-1 所示。其工艺 表 3-2 CO2 气体保护焊工艺参数 坡口 形式 气体流 量 L/min 焊丝 直径 /mm 单边 V 型 23 25 1.2 120 140 13 15 H08Mn2MoA 20 焊接电 流/A 焊接电 压/V 焊丝 焊接速 度 m/h 电 流 极 性 直 流 反 接 图 3-1 角接试件及坡口设计 3.2