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1、1 前言本次课程设计主要是铜液氨冷凝器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铜液氨冷凝器壳体，筒体直径1400mm，容器总长6152mm，壁厚12mm。产品外观图样如图2-1所示。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
2、、卷弯、机加工等辅助工艺。焊接方法采用埋弧自动焊，接头形式为对接、角接。2.1.2 产品技术特性及检验要求铜液氨冷凝器外壳技术特性如表2-1所示：表2-1 液氨冷凝器壳体技术特性表名 称指 标补充说明壳径管径容器类别工作压力16/cm20.7 /cm2二类热设备设计压力176 /cm22 /cm2焊缝系数工作温度-50288=1设计温度-1040040工作介质液氨腐蚀程度2.2 母材的焊接工艺性分析2.2.1 15MnNiDR的特性15MnNiDR是低温压力容器钢板。“D”是低拼音的第一个字母“R”是容拼音的第一个字母15MnNiDR，交货状态：正火或正火+回火，45度低温冲击。产地：武钢、舞
3、钢、新钢。规格：钢板厚度4mm650mm，宽度1500mm4020mm，长度3000mm18800mm化学成分（质量分数）WT% C、Si、Mn、Ni、V、Nb、Als、P、S0.18、0.150.50、1.201.60、0.200.60、0.06、0.015、0.03、0.012。可广泛用于石油、化工、电站、锅炉等行业，用于制造反应器、换热器、分离器、球罐、油气罐、液化气罐、核反应堆压力壳、锅炉汽包、液化石油气瓶、水电站高压水管、水轮蜗壳等设备及构件。其化学成分和力学性能见表2-2和表2-3所示：表2-2 15MnNiDR的化学成分（GB 35311996）化学成分质量分数（%）CSiMnN
4、iVAlsPS0.180.150.501.201.600.200.600.060.0150.0300.025表2-3 15MnNiDR的力学性能（GB 35311996） 板厚 mmb(MPa)s(MPa) 45 AKV （横）J冷弯180b=3a6164906303252027d=3a163647061030536604606002902.2.2 15MnNiDR的焊接性分析 冷裂纹：冷裂纹一般是在焊后的冷却过程中，在Ms点附近或200300的温度区间出现。冷裂纹的起源多发生在具有缺口效应的焊接热影响区或有物理、化学性质不均匀的氢聚集的局部地带。Ni使钢的淬透性显著增大，但15MnNiDR钢
5、含碳量低，S、P也被严格控制，故低镍低温钢的冷裂倾向不大。薄板焊时不必预热，厚板则需预热100150。热裂纹：热裂纹是在高温下产生的，而且都是沿着原奥氏体晶界开裂。因为钢材不同，所以产生热裂纹的形态、温度区间和主要原因也各有不同，主要有结晶裂纹、高温液化裂纹。母材含杂质（S、P、C、Si）偏高时，特别是硫和磷偏高会使结晶温度区间明显加宽。但15MnNiDR钢含碳量低，S、P也被严格控制，故热裂纹敏感性也不高。回火脆性：由于回火处理时Ni使S在晶界富集和偏析，形成硫化物析出相，故含镍钢对回火脆性敏感。如果焊接材料或焊接工艺参数等选择不合理，焊接接头很容易出现气孔、夹渣等缺陷，且焊接接头（焊缝、热
6、影响区）的低温冲击吸收功很难达到要求。其防治措施主要有以下几种：a：严格控制焊接线能量和层间温度。目的是使不受过热的影响，避免热影响区晶粒长大，降低韧性。b：合理的选择焊接材料。根据钢种的温度级别和低温冲击韧性合理的选择焊条或焊丝。c：控制焊后热处理温度，避免产生回火脆性。板厚25mm的低温钢焊接结构，焊后应采用消除应力热处理。含有V、Ti、Nb、Cu、N等元素的钢种，在消除应力热处理时，当加热温度处于回火脆性敏感温度区时会析出脆性相，使低温韧性下降。应合理选择憨厚热处理工艺，以保证街头的低温韧性。d：防止焊接接头的应力集中。低温钢焊接，为保证焊缝质量，防止产生咬边、夹杂、未焊透、裂纹、弧坑、
7、焊瘤和电弧擦伤，表面焊道必须圆滑过渡，重要焊缝应将焊道表面余高磨平，尽量减少应力集中。2.3 15MnNiDR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。本次焊接15MnNiDR钢采用埋弧自动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
8、；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。a：焊丝的选择 在JB4709-2000钢制压力容器焊接规程中，未对15MnNiDR钢推荐任何焊材，从15MnNiDR钢的化学成分及性能来看，钢中Ni虽然增大了钢的淬硬度，但并不显著，冷冽倾向不大，但Ni可能增大热裂倾向，可从严格控制焊接材料中的C、P、S含量，以及采用合理的焊接工艺条件增大焊缝成形系数等方面来控制热裂纹。根据焊接手册的推荐，焊接低温钢可用中性熔炼焊剂配合Mn-Mo焊丝或碱性熔炼焊剂配合含Ni焊丝，也可用C-Mn钢焊丝配合碱性非熔炼焊剂。焊接15MnNiDR这种钢关键是要保证焊缝和
9、粗晶区的低温韧性，而影响低合金钢焊缝韧性的因素有很多，首先从淬透性方面来分析，焊缝金属的韧性随淬透性的变化而变化，当碳当量Wceq为0.35%0.40%时较适宜，高于此值金属因硬化而使硬度下降，低于此值因淬透性不足也使韧性下降。低合金钢的碳当量公式： Ceq（AWS）=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+（Cn/13+P/2） （%） 其次从合金元素方面来分析，碳是钢中最重要的化学成分，也是对钢材性能具有最重要影响的合金元素。当Wc0.1%时，Fe-c二元合金在平衡结晶状态下就不再发生包晶反应，可提高钢的韧性，但随钢中的含C量增加的同时，也可提高其韧性，应适当降低焊缝金属
10、中的含C量。Mn元素即可以溶入铁素体形成置换固溶体，起强化基体的作用，增加钢的强度，细化组织，提高韧性，又可以脱硫，因此选择含Mn量稍高的焊丝。此外，适量的Si可提高强度阻止某些元素的偏析，是焊接低温钢的关键。所以焊丝选择H08Mn2SiA。 b：焊剂的选择 此次设计选用的焊剂为Hj250。次焊剂属低锰中硅中氟熔炼型焊剂，具有弱氧化性，既有降低焊缝金属的含氧量，又可提高焊缝金属的低温韧性。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
11、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。2.4 母材的焊接性试验对15MnNiDR钢的焊接性进行试验，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，可以定量测定低温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
12、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”，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
13、裂准则”的“临界应力”。2.4.2焊接热裂纹敏感性试验方法压板对接（FISCO) 焊接裂纹试验方法GB4675.4-84),可用于评定焊条焊缝的热裂纹敏感性。（1）准备试件 试件材质与焊件相同，采用原板厚，开I形坡口。 采用机械加工方法图2-4 FISCO试验班尺寸（2）试验装置 如图2-5所示。 图2-5 FISCO试验装置（3）试验步骤 把试件安装在C形装置中，调好坡口间隙。将螺栓旋紧，在水平、垂直方向顶紧试板。用待试焊条焊4条长约40mm的试验焊缝。10min后，取出试件，沿焊缝弯断，观察断面有无裂纹。（4）计算裂纹率C C = (li / Li ) 100% 式中：li 4条试验焊缝上
14、的裂纹长度之和（mm）； Li 4条焊缝的长度之和（mm ）。2.4.3 接头机械性能试验（一）焊接接头拉伸试验 板接头板形拉伸试样如图3-1所示，至少1个。按GB228-87金属拉伸试验法，在拉力机上进行。 图3-1（二）焊接接头弯曲试验 试样种类和数量按相关标准制取。如无注明，可制取正弯、背弯、侧弯试样各不少于1个，纵弯不少于2个。尺寸按GB2649-89中的规定。试验按GB232-88金属弯曲试验法，在拉力机上进行。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。对接焊缝试件的制备 采用V形坡口，坡口型式如前图所示。采用埋弧自动焊，埋弧自动焊的规范参数包括电源极性、焊丝直径、电弧电压、焊接电流、焊接速度等。电源极性 埋弧自动焊焊接15MnNiDR钢时应采用直流反接。焊丝直径 埋弧自动焊的焊丝直径一般可根据板厚选择。铜液氨冷凝器的壁厚为12-14mm可选4.0mm的焊丝。电弧电压和焊接电流 对于一定直径的焊丝来说，在埋弧自动焊中，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
