銅液氨冷凝器外殼的焊接生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)

1、.銅液氨冷凝器外殼的焊接生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì) 1 前言 本次課程設(shè)計(jì)主要是銅液氨冷凝器外殼的焊接生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì),包括材料的焊接性分析、焊接工藝方案分析及工藝評(píng)定、確定焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)工藝流程、確定產(chǎn)品外殼主要零件的加工工藝及檢驗(yàn)、繪制焊接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖、確定部件的裝焊工藝等。通過(guò)設(shè)計(jì),初步掌握根據(jù)產(chǎn)品圖樣及技術(shù)要求制定焊接工藝規(guī)程的方法、焊接工藝設(shè)計(jì)的步驟,提高分析焊接生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。2 焊接生產(chǎn)工藝性分析2.1 焊接結(jié)構(gòu)工藝性審查2.1.1 產(chǎn)品圖樣結(jié)構(gòu)審查此次設(shè)計(jì)的設(shè)備為銅液氨冷凝器殼體,筒體直徑1400mm,容器總長(zhǎng)6152mm,壁厚12mm。產(chǎn)品外觀圖樣如圖2-1所示。圖2-1尾氣回收塔殼體

2、結(jié)構(gòu)圖主要加工手段為焊接,此外還采用沖壓、卷彎、機(jī)加工等輔助工藝。焊接方法采用埋弧自動(dòng)焊,接頭形式為對(duì)接、角接。2.1.2 產(chǎn)品技術(shù)特性及檢驗(yàn)要求 銅液氨冷凝器外殼技術(shù)特性如表2-1所示: 表2-1 液氨冷凝器殼體技術(shù)特性表 名 稱 指 標(biāo) 補(bǔ)充說(shuō)明 殼徑 管徑 容器類別 工作壓力 16?/cm2 0.7 ?/cm2 二類熱設(shè)備 設(shè)計(jì)壓力 176 ?/cm2 2 ?/cm2 焊縫系數(shù) 工作溫度 -50 288 1 設(shè)計(jì)溫度 -1040 040 工作介質(zhì) 液氨 腐蝕程度2.2 母材的焊接工藝性分析2.2.1 15MnNiDR的特性 15MnNiDR是低溫壓力容器鋼板。“D”是低拼音的第一個(gè)字母“

3、R”是容拼音的第一個(gè)字母15MnNiDR,交貨狀態(tài):正火或正火+回火,?45度低溫沖擊。產(chǎn)地:武鋼、舞鋼、新鋼。規(guī)格:鋼板厚度4mm?650mm,寬度1500mm?4020mm,長(zhǎng)度3000mm?18800mm 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))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。可廣泛用于石油、化工、電站、鍋爐等行業(yè),用于制造反應(yīng)器、換熱器、分離器、球罐、油氣罐、液化氣罐、核反應(yīng)堆壓力殼、鍋爐汽包、液化石油氣瓶、水電站高壓水管、水輪蝸殼等設(shè)備及構(gòu)件。其化學(xué)成分和力學(xué)性能見表2-2和

4、表2-3所示: 表2-2 15MnNiDR的化學(xué)成分(GB 3531?1996) 化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)CSiMnNiVAlsPS0.180.150.501.201.600.200.600.060.0150.0300.025 表2-3 15MnNiDR的力學(xué)性能(GB 3531?1996) 板厚 mmb MPasMPa ?45 AKV(橫)J 冷彎180 b3a6164906303252027d3a163647061030536604606002902.2.2 15MnNiDR的焊接性分析 冷裂紋:冷裂紋一般是在焊后的冷卻過(guò)程中,在Ms點(diǎn)附近或200300的溫度區(qū)間出現(xiàn)。冷裂紋的起源多發(fā)生在具

5、有缺口效應(yīng)的焊接熱影響區(qū)或有物理、化學(xué)性質(zhì)不均勻的氫聚集的局部地帶。Ni使鋼的淬透性顯著增大,但15MnNiDR鋼含碳量低,S、P也被嚴(yán)格控制,故低鎳低溫鋼的冷裂傾向不大。薄板焊時(shí)不必預(yù)熱,厚板則需預(yù)熱100150。 熱裂紋:熱裂紋是在高溫下產(chǎn)生的,而且都是沿著原奧氏體晶界開裂。因?yàn)殇摬牟煌?所以產(chǎn)生熱裂紋的形態(tài)、溫度區(qū)間和主要原因也各有不同,主要有結(jié)晶裂紋、高溫液化裂紋。母材含雜質(zhì)(S、P、C、Si)偏高時(shí),特別是硫和磷偏高會(huì)使結(jié)晶溫度區(qū)間明顯加寬。但15MnNiDR鋼含碳量低,S、P也被嚴(yán)格控制,故熱裂紋敏感性也不高。 回火脆性:由于回火處理時(shí)Ni使S在晶界富集和偏析,形成硫化物析出相,故

6、含鎳鋼對(duì)回火脆性敏感。 如果焊接材料或焊接工藝參數(shù)等選擇不合理,焊接接頭很容易出現(xiàn)氣孔、夾渣等缺陷,且焊接接頭(焊縫、熱影響區(qū))的低溫沖擊吸收功很難達(dá)到要求。 其防治措施主要有以下幾種: a:嚴(yán)格控制焊接線能量和層間溫度。目的是使不受過(guò)熱的影響,避免熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)大,降低韌性。 b:合理的選擇焊接材料。根據(jù)鋼種的溫度級(jí)別和低溫沖擊韌性合理的選擇焊條或焊絲。 c:控制焊后熱處理溫度,避免產(chǎn)生回火脆性。板厚25mm的低溫鋼焊接結(jié)構(gòu),焊后應(yīng)采用消除應(yīng)力熱處理。含有V、Ti、Nb、Cu、N等元素的鋼種,在消除應(yīng)力熱處理時(shí),當(dāng)加熱溫度處于回火脆性敏感溫度區(qū)時(shí)會(huì)析出脆性相,使低溫韌性下降。應(yīng)合理選擇憨厚熱

7、處理工藝,以保證街頭的低溫韌性。 d:防止焊接接頭的應(yīng)力集中。低溫鋼焊接,為保證焊縫質(zhì)量,防止產(chǎn)生咬邊、夾雜、未焊透、裂紋、弧坑、焊瘤和電弧擦傷,表面焊道必須圓滑過(guò)渡,重要焊縫應(yīng)將焊道表面余高磨平,盡量減少應(yīng)力集中。2.3 15MnNiDR焊接工藝要點(diǎn) 2.3.1 焊接方法和焊接材料的選擇 焊接方法的選擇:母材的含碳量低,因此淬火后的組織是強(qiáng)度和韌性都較高的低碳馬氏體和貝氏體,這對(duì)焊接非常有利。在焊接這類鋼時(shí)要注意兩個(gè)基本問(wèn)題:一是要求在馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)的冷卻速度不能太快,使馬氏體能有“自回火”作用,以免冷裂紋的產(chǎn)生;二是要在800500之間的冷卻速度大于產(chǎn)生脆性混合組織的臨界速度。本次焊接15M

8、nNiDR鋼采用埋弧自動(dòng)焊進(jìn)行對(duì)接焊縫和角焊縫的焊接。 焊接材料的選擇 選擇焊接材料時(shí)必須考慮兩方面的問(wèn)題:一是不能有裂紋等焊接缺陷產(chǎn)生;二是能滿足使用性能要求。選擇焊接材料的依據(jù)是保證焊縫金屬的強(qiáng)度、塑性和韌性等力學(xué)性能與母材匹配。 a:焊絲的選擇 在JB4709-2000鋼制壓力容器焊接規(guī)程中,未對(duì)15MnNiDR鋼推薦任何焊材,從15MnNiDR鋼的化學(xué)成分及性能來(lái)看,鋼中Ni雖然增大了鋼的淬硬度,但并不顯著,冷冽傾向不大,但Ni可能增大熱裂傾向,可從嚴(yán)格控制焊接材料中的C、P、S含量,以及采用合理的焊接工藝條件增大焊縫成形系數(shù)等方面來(lái)控制熱裂紋。根據(jù)焊接手冊(cè)的推薦,焊接低溫鋼可用中性熔

9、煉焊劑配合Mn-Mo焊絲或堿性熔煉焊劑配合含Ni焊絲,也可用C-Mn鋼焊絲配合堿性非熔煉焊劑。焊接15MnNiDR這種鋼關(guān)鍵是要保證焊縫和粗晶區(qū)的低溫韌性,而影響低合金鋼焊縫韌性的因素有很多,首先從淬透性方面來(lái)分析,焊縫金屬的韌性隨淬透性的變化而變化,當(dāng)碳當(dāng)量Wceq為0.35%0.40%時(shí)較適宜,高于此值金屬因硬化而使硬度下降,低于此值因淬透性不足也使韌性下降。 低合金鋼的碳當(dāng)量公式:Ceq(AWS)C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+(Cn/13+P/2) (%)其次從合金元素方面來(lái)分析,碳是鋼中最重要的化學(xué)成分,也是對(duì)鋼材性能具有最重要影響的合金元素。當(dāng)Wc0.1%

10、時(shí),Fe-c二元合金在平衡結(jié)晶狀態(tài)下就不再發(fā)生包晶反應(yīng),可提高鋼的韌性,但隨鋼中的含C量增加的同時(shí),也可提高其韌性,應(yīng)適當(dāng)降低焊縫金屬中的含C量。Mn元素即可以溶入鐵素體形成置換固溶體,起強(qiáng)化基體的作用,增加鋼的強(qiáng)度,細(xì)化組織,提高韌性,又可以脫硫,因此選擇含Mn量稍高的焊絲。此外,適量的Si可提高強(qiáng)度阻止某些元素的偏析,是焊接低溫鋼的關(guān)鍵。所以焊絲選擇H08Mn2SiA。b:焊劑的選擇此次設(shè)計(jì)選用的焊劑為Hj250。次焊劑屬低錳中硅中氟熔煉型焊劑,具有弱氧化性,既有降低焊縫金屬的含氧量,又可提高焊縫金屬的低溫韌性。2.3.2 接頭與坡口型式設(shè)計(jì) 焊縫布置與接頭的應(yīng)力集中程度都對(duì)接頭質(zhì)量有明顯

11、的影響。合理的接頭設(shè)計(jì)應(yīng)使應(yīng)力集中系數(shù)盡可能的小,且具有好的可焊性,便于焊后檢驗(yàn)。 一般來(lái)說(shuō),對(duì)接焊縫比角焊縫更合理。同時(shí)便于進(jìn)行射線或超聲波探傷,坡口形式以U形為佳,單邊V形也可采用。但必須在工藝規(guī)程中注明要求兩個(gè)坡口面必須完全焊透。為了降低焊接應(yīng)力,可采用雙V或雙U坡口。無(wú)論采用何種形式的接頭或坡口,都必須要求焊縫與母材交界處平滑過(guò)渡。 本次設(shè)計(jì),鋼板開V型坡口。坡口形式見下圖。 母材的焊接性試驗(yàn) 對(duì)15MnNiDR鋼的焊接性進(jìn)行試驗(yàn),可用以下幾種方法來(lái)衡量該鋼的焊接性。2.4.1 插銷試驗(yàn) 采用插銷試驗(yàn)方法,可以定量測(cè)定低溫鋼焊接熱影響區(qū)冷裂紋敏感性。插銷試件和底板尺寸分別如圖2-3和圖

12、2-4所示。 圖 2-3 插銷試棒的形狀尺寸 圖2-4底板的形狀尺寸 將被焊鋼材加工成圓柱形的插銷試棒,沿軋制方向取樣并注明插銷在厚度方向上的位置。試棒上端附近有環(huán)形缺口。將插銷試棒插入底板相應(yīng)的孔中,使帶缺口一端與底板表面平齊。用選定的焊接輸入進(jìn)行堆焊(垂直底板縱向,并通過(guò)插銷頂端中心),焊道長(zhǎng)度100-150mm。為獲得焊接熱循環(huán)有關(guān)參數(shù)(t8/5等),應(yīng)事先將熱電偶旱在底板焊道下的盲孔中,其深度應(yīng)與插銷試棒的缺口處一致,測(cè)點(diǎn)最高溫度不低于1100。當(dāng)焊道冷至150-100時(shí),給試棒逐漸加載,規(guī)定載荷應(yīng)在1min內(nèi)加載完畢,此時(shí)試棒的溫度不應(yīng)低于100。 載荷保持16h或24h后卸載,若試

13、棒未斷,而采用“斷裂準(zhǔn)則”,應(yīng)增加載荷重復(fù)上述試驗(yàn),直至試棒發(fā)生斷裂,然后降低約10Mpa的載荷,而試棒未發(fā)生斷裂,此值即為“斷裂準(zhǔn)則”的“臨界應(yīng)力”。2.4.2焊接熱裂紋敏感性試驗(yàn)方法壓板對(duì)接(FISCO 焊接裂紋試驗(yàn)方法GB4675.4-84,可用于評(píng)定焊條焊縫的熱裂紋敏感性。(1)準(zhǔn)備試件試件材質(zhì)與焊件相同,采用原板厚,開I形坡口。 采用機(jī)械加工方法 圖2-4 FISCO試驗(yàn)班尺寸 (2)試驗(yàn)裝置 如圖2-5所示。 圖2-5 FISCO試驗(yàn)裝置(3)試驗(yàn)步驟把試件安裝在C形裝置中,調(diào)好坡口間隙。將螺栓旋緊,在水平、垂直方向頂緊試板。用待試焊條焊4條長(zhǎng)約40mm的試驗(yàn)焊縫。10min后,取出試件,沿焊縫彎斷,觀察斷面有無(wú)裂紋。(4)計(jì)算裂紋率CC li / Li 100%?式中:li ?4條試驗(yàn)焊縫上的裂紋長(zhǎng)度之和