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液化气干燥器焊接工艺课程设计手工电弧焊+埋弧自动焊第一章绪论
1.1液化气干燥器结构的概述液化气干燥器,壁厚20mm,材料为16MnR尺寸长
1.6m直径1m作为储气压容器的要考虑抗爆问题,也就是强度问题,应控制焊缝成型和裂纹问题在焊接完成后,敲掉焊渣,然后进行热处理由于采用手工电弧焊和埋弧自动焊进行焊接,故焊接后应进行一定数量的X光片或超声波焊缝内部检查,并按设计规定级别评定
1.2焊接方法液化器干燥器的干燥室焊接属于环焊缝焊接通常来讲,环焊缝通常用手工电弧焊,埋弧自动焊等方法进行焊接其他的焊接方法起辅助作用,为了更好的完成本次任务,下面是我对手工电弧焊和埋弧自动焊的一些介绍
1、手工电弧焊的焊接技术使用不同的方法保护焊接熔池,防止和大气接触热能由电弧提供金属电极外由矿物质熔剂包覆,熔剂熔化时形成焊渣盖住焊接熔池此外,包覆的熔剂还释放出气体保护焊接熔池,而且,还含有合金元素用来补偿合金熔池的合金损失在有些情况下,包覆的熔剂内含有所有合金元素,中部的焊条仅是碳钢然而,在采用这些类型的焊条时,需要特别小心,因为所有飞溅都具有软钢性质,在使用过程中焊缝会锈蚀如果使用直流电弧,焊条连接到正极,但如果使用钛型焊条,也可以使用交流电弧电压一般为24伏,电流取决于焊接材料的厚度、焊条规格、焊接结构,范围在90--200安
3、埋弧自动焊焊丝与焊件之间燃烧的电弧使埋在颗粒状焊剂下面的电弧热将焊丝端部及电弧直接作用的母材和焊剂熔化并使部分蒸发,金属和焊剂所蒸发的气体在电弧周围形成一个封闭空腔,电弧在这个空腔中燃烧空腔被一层由熔渣所构成的渣膜所包围,这层渣膜不仅很好的隔绝了空气和电弧与熔池的接触,而且使弧光不能辐射出来被电弧加热熔化的焊丝以熔滴的形式落下,与熔融母材金属混合形成熔池密度较小的熔渣浮在熔池之上,熔渣除了对熔池金属的机械保护作用外,焊接过程中还与熔池金属发生冶金反应,从而影响焊缝金属的化学成分电弧向前移动,熔池金属逐渐冷却后结晶形成焊缝浮在熔池上的熔渣冷却后,形成渣壳可继续对高温下的焊缝起保护作用,避免被氧化
1.
2.1概述
1、工作原理1)手工电弧焊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)埋弧自动焊焊丝与焊件之间燃烧的电弧是埋在颗粒状焊剂下面的电弧热将焊丝端部及电弧直接作用的母材和焊剂熔化并使部分蒸发,金属和焊剂所蒸发的气体在电弧周围形成一个封闭空腔,电弧在这个空腔中燃烧空腔被一层由熔渣所构成的渣膜所包围,这层渣膜不仅很好的隔绝了空气和电弧与熔池的接触,而且使弧光不能辐射出来被电弧加热熔化的焊丝以熔滴的形式落下,与熔融母材金属混合形成熔池密度较小的熔渣浮在熔池之上,熔渣除了对熔池金属的机械保护作用外,焊接过程中还与熔池金属发生冶金反应,从而影响焊缝金属的化学成分电弧向前移动,熔池金属逐渐冷却后结晶形成焊缝浮在熔池上的熔渣冷却后,形成渣壳可继续对高温下的焊缝起保护作用,避免被氧化
2、应用1)手工电弧焊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1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2)埋弧自动焊分类及应用
1.3母材的化学成分及焊接性
1.
3.116MnR的化学成分
1.
3.216MnR的力学性能
1.
3.316MnR的焊接性分析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2
(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
(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3综合以上分析,用手工电弧焊和埋弧自动焊焊接16MnR时,选用焊丝为H10Mn2焊剂为HJ
4311.
4.2焊剂化学成分及性能表一HJ431化学成分(质量分数)(%)第2章焊接工艺的编制
2.1焊件材料
2.
1.2焊接材料前面分析,用手工电弧焊和埋弧自动焊进行焊接时,所选焊丝为H10Mn2,焊剂为HJ431表
2.3H10Mn2的化学成分
2.2焊接工艺及技术
2.
2.1手工电弧焊工艺参数的影响及选择
1.焊接参数对焊缝的影响
①焊接电流对焊缝成形的影响在其他条件一定的情况下,随着电弧焊接电流增加,焊缝的熔深和余高均增加,熔宽略有增加1)随着电弧焊焊接电流增加,作用在焊件上的电弧力增加,电弧对焊件的热输入增加,热源位置下移,有利于热量向熔池深度方向传导,使熔深增大2)电弧焊的药芯或焊丝的熔化速度与焊接电流成正比3)焊接电流增大后,弧柱直径增大,但是电弧潜入工件的深度增大,电弧斑点移动范围受到限制,因而熔宽的增加量减小
②电弧电压对焊缝成形的影响在其他条件一定的情况下,提高电弧电压,电弧功率相应增加,焊件输入的热量有所增加但是电弧电压增加是通过电弧长来实现的,电弧长度增加使得电弧热源半径增大,电弧散热增加,输入焊件的能量密度减小,因此熔深略有减小而熔宽增大同时,由于焊接电流不变,焊丝的熔化量基本不变,使得焊缝余高减小
③焊接速度对焊缝成形的影响在其他条件一定的情况下,提高焊接速度会导致焊接热输入减少,从而焊缝熔宽和熔深都减小由于单位长度焊缝上的焊丝金属熔敷量与焊接速度成反比,所以也导致焊缝余高减小4
④焊接电流的种类和极性对焊缝成形的影响熔化极电弧焊时,直流反接因为焊件阴极析出的能量较大,所以焊缝厚度和宽度都比直流正接时大,交流电焊接时介于两者之间直流反接时,焊缝厚度约比正接时大约大40%—50%
2.
2.2焊接工艺参数的选择方法焊接工艺参数的选择依据焊接工艺参数的选择是针对将要投产的焊接结构施工图上标明的具体焊接接头进行的
(1)焊件的形状和尺寸(直径、总长度);接头的钢材种类与板厚
(2)焊缝的种类(纵缝、环缝)和焊缝的位置(平焊、横焊、立焊)
(3)接头的形式(对接、角接、搭接)和坡口的形式(Y形X形U形坡口等)
(4)对接头性能的技术要求,其中包括焊后无损探伤方法,抽查比例以及对接头强度、冲击韧性、弯曲、硬度和其他理化性能的合格标准
(5)焊接结构(产品)的生产批量的进度要求
2.
2.3焊接工艺参数的选择原则焊条电弧焊选择工艺参数的原则是应保证电弧稳定燃烧,保证良好的成形及形状、尺寸符合要求,表面成形光洁整齐,内部无气孔、夹杂、裂纹、未焊透、夹钨等缺陷,焊缝及街头性能满足技术要求SMAW的焊接工艺参数主要包括焊条直径、焊接电流、电弧电压、焊接层数、电源种类及极性等手工电弧焊1焊条种类和牌号的选择主要根据母材的性能,接头的刚性和工作条件来选择焊条,焊接一般碳钢和低合金结构钢主要是按等强度原则选择焊条的强度级别,一般选用酸性焊条,重要结构选用碱性焊条2焊接电源种类和极性的选择通常根据焊条的类型选择焊接电源的种类,除低氢型焊条必须用直流反接外,所有酸性焊条通常采用交流或直流电源均可以进行焊接当选用直流电源时,焊接厚板用直流正接,焊薄板用直流反接3焊条直径的选择为提高生产效率,尽可能选用直径较大的焊条但用直径过大的焊条焊接,容易造成未焊透或焊缝成形不良的缺陷焊条直径的选择表2-54焊接电流的选择焊接电流是焊条电弧焊最重要的焊接参数,也可以说是唯一的独立参数,因为焊工在操作过程中需要调节的只有焊接电流,而焊接速度和电弧电压都是由焊工控制的,焊接电流越大,熔深越大,焊条熔化越快,焊接效率也高选择焊接电流时,要考虑的因素很多,如焊条直接,药皮类型、工件厚度、接头类型、焊道位置、焊道层次等但主要是由焊条直径、焊接位置和焊道层次决定的1)焊条直径焊条直径越粗,熔化焊条所需的热量越大,必须增大焊接电流,每种直径的焊条都有一个最合适的电流范围,2)焊接位置3)焊道层次通常焊接打底焊道时,特别是焊接单面焊双面成形的焊道时,使用的焊接电流较小,才便于操作和保证背面焊道的质量;焊填充焊道时,为提高效率,保证融合好,5通常都使较大的焊接电流;而焊盖面焊道时,为防止咬边和获得较美观的焊道,使用的电流稍小些4)注立、仰、横焊电流应比平焊小10%左右有近似的经验公式可供估算I=(30~55)d式中d——焊条直径,mm;I——焊接电流,A;5电弧电压电弧电压主要影响焊缝的宽窄,电弧电压越高,焊缝越宽,因为焊条电弧焊时,焊缝宽度主要靠焊条的横向摆动幅度来控制,因此电弧电压的影响不明显6焊接速度焊接速度就是单位时间内完成焊缝的长度,焊条电弧焊时,在保证焊缝具有所要求得尺寸和外形,保证熔合良好的原则下,焊接速度由焊工根据具体情况灵活掌握7焊接层数的选择在厚板焊接时,必须采用多层焊或多层多道焊,多层焊的前一条焊道对后一条焊道起预热作用,而后一条焊道对前一条焊道起热处理作用,有利于提高焊缝金属的塑性和韧性每层焊道厚度不能大于4~5mm
2.
2.4手工电弧焊的焊前准备
1、根据施焊结构钢材的强度等级,各种接头型式选择相反强度等给牌号焊条和合适焊条直径
2、当施工环境温度低于零度,或钢材的碳当量大于0·41%及结构刚性过大,构件较厚时应采用焊前预热措施,预热温度为80℃~l00℃,预热范围为板厚的5倍,但不小于100毫米
3、工件厚度大于6毫米对接焊时,为确保焊透强度,在板材的对接边沿应开切V型或X型坡口,坡口角度а为60°钝边P=0~1毫米,装配间隙б=0~1毫米;当板厚差4毫米≥4毫米时,应对较厚板材的对接边缘进行削斜处理,如图
4、焊条烘培酸性药皮类型焊条焊前烘焙150℃×2保温2小时;碱性药皮类焊条焊前必须进行300~350℃×2烘焙并保温川、时才能使用
5、焊前接头清洁要求,在坡口或焊接处两侧30毫米范围内影响焊缝质量的毛刺、油污、水、锈脏物,氧化皮必须清洁干净
6、在板缝两端如余量小于50毫米时,焊前两端应加引弧、熄弧板,其规格不小50×50mm
2.
2.5埋弧自动焊
1、埋弧自动焊的焊前准备焊前用磨光机把坡口两侧20mm内的铁锈打磨干净,露出金属光泽清除坡口附近的铁锈及污物最后用丙酮刷洗坡口附近的油污等丙酮完全挥发后才能焊接6焊前焊剂要按规定的温度进行烘干并保温下班前回收好焊剂放到焊剂保温箱里并保温,以免受潮焊剂要保持洁净,焊前把施焊部位清扫干净,切忌把铁锈等脏物混入焊剂中,影响焊缝质量保证工件的装配质量,切忌强行组对,造成应力过大焊前要定位焊好引弧板、焊接试板及收弧板,组对时一定注意对平对齐,同时间隙不宜过大,特别是带坡口时,引弧板(收弧板)和焊接试板一端也应割出一定坡口角度,与工件对好,防止焊件烧穿焊前应把地线接牢固,对好焊嘴和指针,并注意焊接工件倾斜角度不宜大于6°
2、焊接工艺参数的选择1)焊接电流的选择可在综合考虑以下因素后进行(1)要求的熔深大小一般每i00A的焊接电流熔深约为1mm,根据所需熔深大小可初步确定焊接电流(特别是封底焊缝的焊接电流)的大小;(2)坡口形式45°Y形坡口焊接时的电流应大于其它形式坡口焊接时的电流以保证焊透;(3)焊接层次开坡口多层焊时,打底焊的焊接电流应稍小以防焊穿;而封底焊的电流应稍大以保证焊透(当采用的是焊条电弧焊打底时,较大的电流还有助于将产生的气孔、夹渣等缺陷翻出和消除);(4)焊接方式I形坡口双面埋弧焊时,先焊侧的焊接电流应小于后焊侧的焊接电流;
(5)焊机容量、负载持续率及焊缝系数等2)焊丝直径一般根据焊接电流的取值范围而定中厚板压力容器纵、环缝埋弧焊焊丝直径一般为4mm和5mm3)焊接速度的选择和以下因素有关
(1)焊接电流在相同工艺条件下焊接速度应与焊接电流成正比,以保证焊透;
(2)焊接层次打底及封底层的焊接速度应稍慢,以保证焊透和合理的焊缝系数(
1.3--
2.0),同时有利于清除熔渣;过渡层焊缝的焊接速度应有利于盖面层焊缝的焊接,即使最后第二层焊缝低于焊件表面1~3mm;而盖面层的焊接速度应保证有良好的焊缝外观成形.4)埋弧焊其它工艺参数的选择(1)焊丝干伸长度L(mm)L=(5~8)d(d为焊丝直径(mm));(2)焊剂层厚度≥L,(mm);(3)环缝焊接偏移量30--80mm(与壳体直径、熔池大小及焊速等有关).综上,焊接工艺参数如下
2.
2.6手工电弧焊和埋弧自动焊的安全操作技术
1、手工电弧焊
(1)焊机的电源线必须有足够的导电截面积和良好绝缘焊机所有外露带电部分必须有完好的隔离防护装置.
(2)焊机的各接触点和连接件必须连接牢固在运行中不松动和脱落.7
(3)焊机接地回路应采用焊接电缆线且接地回路应尽量短软线绝缘应良好焊钳绝缘部分应完好.
(4)焊机的电源线不超过3米如确需使用较长的电源线时应采取架空高
2.5以上沿墙用绝缘子布设严禁将电源线拖在工作现场地面上.
(5)焊接电缆采取整根的中间不应有接头如需接长则接头不宜超过2个接头应用纯铜导体制成并且连接要牢靠绝缘要良好可采用KDJ系列电缆快速接头.
(6)操作行灯电压应采用36V以下的电源.
(7)在狭小舱室或容器内焊接舱室容器外应有人监视同时应加强绝缘和有效通风措施以防止有害气体和烟尘对人体的侵害.
(8)焊接作业处应离易燃易暴物10米以外严禁在有压力和有残留可燃液体和气体的容器管道上进行焊接作业.
(9)在场内或人多的场所焊接应放置遮光挡板以防他人受弧光伤害.
(10)雨天禁止露天作业.
(11)合理使用劳动保护用品扣好各种纽扣上装不应束在裤腰里.
(12)清除焊渣应带防护眼镜.
(13)对于存有残余油脂和可燃气体的容器焊接时应先用蒸气和热碱水冲洗并打开盖口确定容器清洗干净后方可进行焊接.
(14)登高作业时脚手架应牢固带好合格的安全带并扎在结实可靠的地方作业点下面不得有其他人员焊件下方须放遮板以防火星落下引起事故作业过程中禁止乱抛焊条头等物下面不得放置任何易燃易爆物.
(15)严禁利用厂房金属结构导轨管道暖气设施和其他金属物搭接起来作焊接接地回路使用.
(16)焊接电缆的绝缘应定期进行检验一般为每半年检查一次.
(17)工作结束后应及时切断电源将焊钳放在与线路绝缘的地方并卷好焊接电缆线检查周围场地.
2、埋弧自动焊1)选择工艺参数时应注意生产的实际情况,比如组对间隙过大(大于2mm时,应减小焊接电流或加快焊速,必要时在焊接背面用焊条电弧焊进行封底避免烧穿2)焊接过程中,应始终对准焊缝中心,发现偏移及时调节3)焊接过程中发现电弧在焊剂里燃烧不稳定,即出现“翻浆”现象时就会出现烧穿或造成气孔、夹渣等缺陷,应及时停焊,查明原因,经修补后再继续施焊4)为了使焊缝表面成形美观,要求盖面前道焊缝宽度不超过20mm深度不低于1~2mm为宜5)在保证焊缝质量的前提下,尽量减小焊接热输人应采取小电流多道焊并且要控制好层间温度小于150℃第一层焊接时尽量要提高焊速减小焊缝中母材所占的比例,通过采取以上措施,对提高焊接接头的力学性能,特别是低温冲击韧性大有好处
2.
2.7焊接成型的缺陷1)手工电弧焊常见的缺陷的产生及防止措施89埋弧焊常见缺陷产生原因及预防措施1011根据以上分析内容,编写工艺计划书详情见附录1附录2第3章焊接工艺评定
3.1焊接工艺评定报告详见附录3附录
43.2焊接工艺的确定根据焊接工艺评定报告,编写正式的焊接工艺规程参考文献【1】熔焊方法及设备王宗杰机械工业出版社
2006.12【2】机械设计手册徐灏工业出版社2003【3】机械设计濮良贵,纪明刚高等教育出版社2004【4】焊接冶金学张文钺机械工业出版社
1996.6【5】焊接工程师手册陈祝年机械工业出版社2002【5】焊接冶金学李亚江机械工业出版社
2006.10【6】材料力学苏翼林高等教育出版社198012。