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1、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9292mm，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
2、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设计温度物料名称物料特性焊缝系数试验压力容量/常压常温碳化尾氨、母液刺激性0.7盛水试漏4.5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/
3、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
4、它合金元素的淬透性效果，可以确保所希望的强度（610725MPa）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： 表2-2 WCF-62的化学成分（GB 713-2008）化学成分质量分数（%）CMnSiMoVSpNiCr0.091.11.50.150.350.30.020.060.020.030.50.3 表2-3 WCF-62的力学性能（GB 713-2008）力学性能s(MPa)b(MPa)(mm)(%)横向490610725165018-40,402.2.2 WCF-62的焊接性分析冷裂纹及影响因素 冷裂纹
5、的形成是淬硬组织、拘束应力及扩散氢三种因素综合作用的结果。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的影响最大，Mo次之，而且当二者同时加入时就更严重。
6、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
7、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。2.3 WCF-62焊接工艺要点2.3.1 焊接方法和焊接材料的选择焊接方法的选择 母材的含碳量低，因此淬火后的组织是强度和韧性都较高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：一是要求在马氏体转变时的冷却速度不能太快，使马
8、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
9、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，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
10、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
11、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”，应增加载荷重复上述试验，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焊 态6202小时退火6102小时退火备 注b(MPa)656671647651647647线能量1719kJcm试验得出WCF
12、-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
13、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渡。16或20mm的焊丝自动焊接中厚板时，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 CO2气体保护焊工艺参数 板厚/mm坡口形式气体流量L/min焊丝直径/mm焊接电流/A焊接电压/V焊丝焊接速度m/h电流极
14、性8Y型23251.21301502022H08Mn2MoA22直流反接（2）角接焊缝试件的制备 采用CO2气体保护焊焊接，如图3-1所示。其工艺参数见表3-2。 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焊接电流/A焊接电压/V焊丝焊接速度m/h电流极性单边V型23251.21201401315H08Mn2MoA20直流反接 图3-1 角接试件及坡口设计3.2 焊接试件试验方法3.2.1 拉伸试验金属拉伸实验是测定金属材料力学性能的一个最基本的实验，是了解材料力学性能最全面，最方便的实验。按GB/T 228-2002规定对试件进行拉伸强度试验，如图3-2所示。 图3-2 拉伸试件3.2.2 冲击试验将试样置于低温槽的均温区冷却到-40后，保温足够长的一段时间，然后将试样取出进行冲击试验。使用液体冷却介质，保温时间不得
