换热器课程设计焊接

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课程设计(下料斗)
2007年03月26日星期一 12:40
1 前言
1.1 产品结构简介
本产品为下料斗，由12CrMo焊接而成，总长2000 mm，宽1029.6 mm，筒体内径700mm ,筒体长1000mm,壁厚6mm，一个椭圆型封头和一个锥型封头，五个接管和三个凹面法兰，两个平面法兰，三个支座。

1.2 产品结构简图
见图1-1
图1-1 产品简图
1—接管；2—平面法兰；3—锥形封头；4—筒体；
5—接管；6—凹面法兰；7—椭圆封头；8—接管；9—平面法兰；
10—接管；11—凹面法兰；12—测温接管；13—弹簧座；14—垫板
1．3 焊接工艺性审查
本设备为下料斗，按JB741-80《钢制焊接压力容器技术条件》进行制造和验收，并受《压力容器安全监察规程》的监察，产品主要材料为12CrMo珠光体耐热钢，可焊性好，基本上可适合各种焊接，筒身厚度6mm，主要零部件由焊接而成，两个封头冲压成型，法兰锻造而成，焊缝主要为对接和角接，破口Y形，主要采用埋弧焊和手工电弧焊，筒体焊缝应进行局部无损探伤检验，探伤长度不小于筒体对接焊缝的20%，不低于Ⅲ级为合格，焊缝布置合理，施焊与焊后检验方便。

1．4 技术要求
①本设备按JB741-80《钢制焊接压力容器技术条件》进行制造和验收，并受《压力容器安全监察规程》的监察；
②焊接采用埋弧焊和手工电弧焊；
③筒体的对接焊缝和接管焊缝见图样，法兰按相应的法兰焊接标准执行，其余焊缝按GB985-80规定；
④筒体焊缝按GB3323-87《钢熔化焊对接头射线照相和质量分级》进行局部无损探伤检查，探伤长度不得少于筒体对接焊缝总长度的20%，合格标准为III级；
⑤设备制造完毕后，进行3.0Mpa水压实验，并要求水的氯离子含量≤25ppm；
⑥水压实验合格后，进行气密性实验，实验压力2.5Mpa；
⑦设备管口方位按图1-1。

1．5 结构工艺性审查
该设备结构设计合理,除需使用冲压,卷弯等辅助工艺外,其他主要加工手段为焊接,焊缝接头形式只有对接和角接两种。

焊缝质量易于保证,而且焊缝布置合理精简。

施焊较为方便,有利于焊后检验和减少应力集中。

2 母材焊接性分析及试验方法
2.1 母材的特点
低合金钢是在碳素钢基础上加入一定量合金元素的合金钢。

其合金元素的总含量一般不超过5％，以提高钢的强度并保证其具有一定的塑性和韧性，或使钢具有某些特殊性能，如耐低温，耐高温或耐腐蚀性等。

焊接中常用的低合金钢，可以分为高强钢，低温用钢，耐蚀钢及珠光体耐热钢。

其中，耐热钢主要用于煤气化设备，加氢裂化设备及其他高状态下使用的化工设备等。

这类钢焊接接头应具有与母材相近的高温持久强度，高温氧化性，抗氢性，
组织稳定性，抗脆断性等。

珠光体耐热钢的主要成分见表2-1：
表2-1 珠光体耐热纲的成分
钢号 C Si Mn Cr Mo V Ti
12CrMo 0.08-0.15% 0.17 -0.37% 0.40-0.70% 0.40-0.70% 0.40-0.55% - - 2.2 母材的焊接性分析
焊接性的概念：金属材料在限定的施工条件下，焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。

分为工艺焊接性和使用焊接性。

焊接性通常表现为二方面的问题:一是焊接引起的各种缺陷，二是焊接时材料性能的变化。

母材为低合金耐热钢的焊接有以下特点：首先这些钢按合金含量具有不同程度的淬硬倾向，其次耐热钢中大多含有Cr、Mo、V、Nb和Ni等强碳化合物形成元素，从而使接头过热区具有不同程度的再热裂纹敏感性，最后某些耐热钢焊接接头当有害的残余元素总量超过极限时会出现回火脆性或长时脆变。

（1）焊缝中的热裂纹
从其成分看, 12CrMo珠光体耐热钢的含碳量很低,因此,它的具有较好的抗裂性能,正常情况下一般不会产生热裂纹。

（2）冷裂纹
冷裂纹时焊接时的一个重要问题,从材料本身考虑,淬硬组织时是引起冷裂纹的决定性因素,因此,焊接时能否形成对氢致裂纹敏感的淬硬组织是评定材料焊接性的一个重要指标。

淬硬性取决于碳含量，合金成分及其含量。

Cr、Mo都能显著的提高钢的淬硬性，成分一定的合金钢最高淬硬性取决于从奥氏体相的冷却速度。

合理的控制冷却速度是关键。

淬硬性的防止：采用低氢焊条，严格烘干焊材，认真清理坡口，焊后或中断焊接时马上作消氢处理等都能减少扩散氢的含量，也是防止这类钢产生冷裂纹的措施。

（3）再热裂纹
W(Cr)+W(Cn)+2W(Mo)+10W(V)+7W(Nb)+5W(Ti)-2
=0.7%+2×0.55%+0.2<0
再热裂纹的防止：
a) 严格控制母材和焊材的合金成分，特别是钒.钛.铌等元素应限制到最低的程度；
b) 选用高温塑性优于母材的焊接材料；
c) 将预热温度提高到250摄氏度以上，层间温度控制在300摄氏度左右；
d) 采用低线能量焊接工艺和方法，缩小焊接过热区宽度，细化晶粒；
e) 选择合理的热处理工序，避免在敏感区间停留较长时间。

（4）回火脆性
Cr、Mo钢及其焊接接头在370到565摄氏度温度区间长期运行发生渐进的脆变现象。

脆性指数：
J指数：不超过150
回火脆性的防止：为了防止母材和焊缝金属的回火脆性，降低其脆性转变温度，应对母材和焊材的P、Si、Sb、Sn、As及O等杂质含量严格控制，使其能保证脆性指数小于25ppm,J指数小于200%。

在母材和焊材采购时就应明确提出这些要
求。

2.3 母材的焊接工艺要点
焊接工艺包括焊接方法的选择，焊前准备，焊接材料的选配和管理，焊前预热和焊后热处理及焊接参数的选定。

a) 接头形式和坡口尺寸准备应根据工件厚度和焊接工艺方法来确定，坡口加工应尽量采用机械方法进行；
b) 埋弧焊以交流电源为宜；
c) 为减少母材的加热量，应在保证焊透的情况下，尽量采用小电流、大焊速、短弧施焊；
d) 焊接前应对坡口边缘、焊丝等，用丙酮或酒精擦洗，去除油污；
e) 焊接时不能乱引弧，碰伤母材。

焊缝两端应装配引弧和热弧板，避免焊缝始点和终点的产生；
f) 在保证焊缝不产生裂纹的条件下，可采用水冷或加铜垫板的方法，加速焊缝的冷却；
氩弧焊接场地无对流空气通过，以免影响氩气保护效果。

（1）焊接方法的选择
电弧焊是目前应用最广泛的焊接方法。

它包括：手弧焊、埋弧焊、钨极气体保护电弧焊、等离子弧焊、熔化极气体保护焊等。

电阻焊主要有点焊、缝焊、凸焊及对焊等。

是以电阻热为能源的一类焊接方法。

高能束焊主要包括：电子束焊和激光焊。

钎焊的能源可以是化学反应热，也可以是间接热能，是一种固相兼液相的焊接方法。

根据产品母材的特点，对焊接方法进行选择，选择结果如下：
筒身连接：埋弧焊其余连接：手工电弧焊
（2）焊前准备
内容：接缝边缘的切割下料，坡口加工，热切割边缘和坡口面的清理以及焊接材料的预处理。

a) 对于一般的低合金耐热钢焊件可采用各种热切割方法下料；
b) 热切割边缘或坡口加工如直接进行焊接，焊前必须清理干净热切割熔渣和氧化皮，切割面缺口应用砂轮修磨圆滑过渡，机械加工的边缘或坡口面焊前应清除油迹等污渍，对焊缝质量要求较高的焊件，焊前最好用丙酮擦净坡口表面；
c) 埋弧焊用光焊丝，应将表面防锈油清除干净，焊条电弧焊的药皮和埋弧焊的焊剂除妥善保管外，在使用之前，在严格按工艺规程的规定进行烘干。

见表2-2 表2-2 焊条烘干、保温制度
焊条牌号烘干温度(摄氏度) 烘干时间(小时) 保持温度(小时)
R202 150-200 1-2 50-80
R207 350-400 1-2 127-150
（3）焊接材料的选配
焊接材料的选配原则是焊缝金属的合金成分与强度性能应基本符合母材标准规定下限值或应达到产品技术条件规定的最低性能标准。

根据选择依据，作出如下选择：
手工电弧焊焊条用R202 R207（或E5503-B1 E5515-B1）
埋弧焊焊丝用H10MoCrA
焊剂用HJ350
（5）预热和焊后热处理
见表2-3
表2-3 热处理制度
材料热处理状态
12CrMo 900-930正火
680-730回火 410-560 ≥265 ≥21 ≥135
根据上表选择如下：
最低预热温度100℃
最低焊后热处理温度650℃
2.4 母材焊接性试验的内容、方法、步骤
工艺焊接性是指在一定焊接工艺条件下能否获得优质的，无损的焊接接头能力。

碳当量:
Pcm=W(C)+1/30W(Si)+1/20W(Mn+Cu+Cr)+1/60W(Ni)+1/15W(Mo)+1/10W(V)+5W(B) =0.15%+1/30*0.37%+1/20(0.7%+0.7%)+1/15*0.55%
=0.2693%
（1）焊接再热裂纹敏感性试验方法（斜Y形坡口裂纹试验）
试件的形状及尺寸如图2-1,其坡口经机械加工,试验用焊条原则上与试验钢板
相匹配，试验所用的焊条应严格烘干。

焊接工艺参数为:焊接直径4mm,焊接电流170±10A左右,电弧电压24±2V,焊接速度150±10mm/min。

图2-1 斜Y形坡口裂纹试验用试件形状及尺寸
试验前先焊拘束焊缝，拘束焊缝采用双面焊接,注意防止角变形和未焊透。

试验焊缝采用手弧焊和采用自动送进焊条电弧焊时应分别按图2-2进行。

图2-2 试验焊缝的焊接方式
试验焊缝可在各种不同温度下施焊,焊后静置24h再检测和解剖。

检测裂纹可采用肉眼和放大镜观测焊接接头的表面和断面上是否存在裂纹,并用下述计算方法分别计算出表面裂纹率,根部裂纹率和断面裂纹率。

试验上裂纹的长度计算的示意图见图2-3
图2-3 试样上裂纹长度计算
a)表面裂纹 b)根部裂纹 c)断面裂纹
表面裂纹率:
式中 :表面裂纹率(%)
:表面裂纹长度之和(mm)
:试验焊缝裂纹
根部裂纹率:
试样先经着色检验,然后拉断.
式中 :根部裂纹率
:根部裂纹长度之和
断面裂纹率:
在试验焊缝上切下4-6块试片,检查5个断面上的裂纹深度
式中 :断面裂纹率
:5个断面上裂纹深度之和
:5个断面焊缝最小厚度之和
（2）焊接热裂纹敏感性试验方法（T型接头焊接裂纹试验法）
评价碳素钢和低合金钢角焊缝的热裂纹敏感性，也可以测定焊条及工艺参数对热裂纹的影响。

试件的尺寸和形状如图所示，试验步骤如图2-4所示， S1为拘束焊缝，S2为试验焊缝，二者均采用船形位置进行焊接，焊前试件的底板与立板应紧密接触，两端要用定位焊缝固定，在焊完拘束焊缝S1后，立即焊一道比S1焊缝小的试验焊缝S2，两道焊缝的间隔时间不大于20秒，其焊接方向相反，试验焊缝S2的平均厚度应比拘束焊缝S1小20%。

待试件冷却后，检查试验焊缝S2有无裂纹，如有裂纹，测量裂纹长度，按下面公式计算：
C=
式中：C—表面裂纹率（%）
ΣL—表面裂纹长度之和（mm）
图2-4 焊缝形状及尺寸
（3）焊接接头高温性能试验
对于在高温下工作的接头都要进行高温试验，焊接构件在高温下工作时，焊接接头的力学性能与常温下有很大不同，因此要进行不同高温性能试验。

①焊接接头短时高温拉伸强度试验
根据焊接接头的高温工作条件进行高温短时拉伸试验时，按标准GB4338-84的规定进行，以求得不同温度的抗强度，屈服点，拉伸率及断面收缩率等。

②焊接接头高温持久强度试验
材料的高温持久强度可按GB6395-85的规定进行，试验时测定试样在给定温度和规定进行，试验时测定试样在给定温度和规定应力作用下的断裂时间，然后用外推法求出数万小时甚至数十万小时的持久温度，同时还可以还可测定出高温时的持久塑性、伸长率及断面收缩率。

2.5 焊接工艺评定
（1）筒体对接直焊缝椭圆封头和锥型封头与筒体对接环焊缝
焊缝采用对接接头，焊缝长度1000mm。

材料：12CrMo
坡口形式及尺寸：如图2-5所示
图2-5 坡口形式及尺寸
焊接位置：平焊
焊接方法：埋弧焊
焊接材料：焊丝（H10MoCrA）焊剂（HJ350）
焊接参数：焊接电流（600~650A）焊接电压（28~32）焊接速度（67.5cm/min）焊丝直径（4mm）
设备型号：见下表2-4
表2-4 焊机设备参数
型号送丝方式焊机结构特点焊接电流焊丝直径送丝速度焊接速度焊接电流种类
MZ2-1500 等速悬挂式自动接头 400~1500A 3~6 mm 47.5~375cm/min
22.5~187cm/min 直流或交流
工艺条件：预热、单面焊成型，在具有焊剂垫的电磁平台上焊接（焊剂垫软管中的空气压力为101~152Kpa）
（2）70度锥形封头的接管的角焊缝焊接
坡口形式及尺寸：如图2-6所示
图2-6 焊接坡口及尺寸
焊接位置：平焊
焊接方法：手工电弧焊
焊接材料：焊条（E5515-B1）
焊接参数：焊接电流（120~150A）焊条直径（4mm）
设备型号：直流弧焊机
辅助设备和工具：焊钳(型号G352) 焊接电缆(YHH型电焊橡皮套电缆) 面罩工艺条件：焊前清理工件坡口两侧20 mm范围内的锈，水，油污，油漆等。