綜合性實驗報告壓力容器焊接結(jié)構(gòu)及工藝設(shè)計

1、 綜合性實驗報告壓力容器焊接結(jié)構(gòu)及工藝設(shè)計 實 驗 者： 指導(dǎo)老師溜達 班 級：o8hanie 學(xué) 號：10目 錄摘要2關(guān)鍵字2前言1 概述31.1壓力容的分類31.2 壓力容器的結(jié)構(gòu)特點 42 實驗方案及方法 42.1 材料的選則 4 2.2 焊接性能分析 6 2.2.1 裂紋問題 6 2.2.2 脆化問題 72.3 焊接方法及參數(shù)的確定 7 2.3.1 焊接接頭形式 8 2.3.2 焊縫坡口的選擇82.3.4 焊接方法的選擇10 2.3.4 焊接材料的選擇 123 實驗過程 12 3.1 焊前準備 133.2 焊接操作 13 3.3 焊后熱處理 13 3.3 焊縫機械性能檢驗 134 實驗

2、結(jié)果與分析 14 4.1 焊接接頭硬度分析 15 4.2 焊接接頭機械性能分析 15 4.3 焊接接頭金相圖 165 結(jié)論 186 總結(jié) 187 致謝 188 參考文獻 19 摘 要目前中國生產(chǎn)的電站鍋爐、工業(yè)鍋爐和各種石油化工容器均為焊接結(jié)構(gòu)，其焊接工作量之大，對焊接質(zhì)量要求之高居整個焊接結(jié)構(gòu)制造業(yè)之首位。目前中國的壓力容器制造行業(yè)已經(jīng)能夠制造大型、超重型、高壓和超高壓容器。本文主要介紹壓力容器的結(jié)構(gòu)、使用性能、材料的選擇、焊接結(jié)構(gòu)與工藝的設(shè)計、憨厚的熱處理、失效形式等。通過多步驟的實驗得出了硬度數(shù)據(jù)、拉伸圖、金相圖片等資料，并就實驗中出現(xiàn)的問題做了整理和分析，以供參考。 根據(jù)工件的工作環(huán)境

3、、使用性能可知道工件的力學(xué)性能有高強度、好的塑性、韌性和焊接性。根據(jù)其工作要求、性能要求、服役條件和經(jīng)濟狀況決定零件素需要的材料為16mnr鋼。并根據(jù)工件的結(jié)構(gòu)、性能要求以及材料確定工件的熱處理工藝。關(guān)鍵詞：壓力容器、手工電弧焊、坡口、金相圖 前 言壓力容器一般是指用于一定壓力流體的貯存、運輸或者是傳質(zhì)、傳熱、反應(yīng)的密閉容器。廣泛應(yīng)用于采礦、煉油、冶金、化工、醫(yī)藥等行業(yè)以及人民生活的很多方面。1.概述1.1壓力容器的分類壓力容器的設(shè)計、制造、安裝、使用、檢驗、改造和修理都要受到國家壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程的監(jiān)察。壓力容器的焊接工作有嚴格的參數(shù)，必須遵循國家有關(guān)標準、行業(yè)標準和專業(yè)標準。按壓力容

4、器的工作壓力p,壓力容器可分為低壓、中壓、高壓和超高壓容器四類。這四類容器的壓力范圍規(guī)定如下：a. 低壓容器（l），0.1p1.6mpa;b. 中壓容器（m），1.6p10mpa;c. 高壓容器（h），10p100mpa;d. 超高壓容器（u）,p100mpa。按照壓力容器安全技術(shù)的角度可將容器分為固定式容器和移動式容器。從壓力容器的用途和化工工藝過程的性質(zhì)，可將壓力容器分為反應(yīng)容器、換熱容器、分離容器和貯運容器。鑒于各種容器的工作壓力和介質(zhì)差別較大，容器按工作壓力、溫度的高低以及在運行過程中的危害程度可以分為一類容器、二類容器和三類容器。一類容器是指裝有非易燃或無毒介質(zhì)的低壓容器，或者是裝有

5、易燃或有毒介質(zhì)的低壓分離器和換熱器。二類容器包括中壓容器，或者裝有劇毒介質(zhì)的低壓容器和裝有易燃或有毒介質(zhì)的低壓反應(yīng)器和貯運容器。三類容器是指高壓或超高壓容器。或者裝有劇毒介質(zhì)的大型低壓和中壓容器，或者裝有劇毒介質(zhì)的低壓容器和裝有易燃或有毒介質(zhì)的中壓反應(yīng)器和貯運容器。1.2壓力容器的結(jié)構(gòu)特點壓力容器最常見的結(jié)構(gòu)形式為圓柱形、球形和圓錐形三種。大多數(shù)壓力容器是由封頭、端蓋、筒體和接管等部件組成。壓力容器的封頭按其外形可分為橢圓形，蝶形和球形三種。厚度在20mm以下的薄壁封頭可采用冷沖壓或旋壓成形制造。20mm以上的壁厚封頭一般采用熱沖壓成型制造。大直徑封頭可由瓜瓣片和圓頂蓋拼焊而成。厚壁容器的頂蓋

6、以及熱交換器的管板大部分采用大型鍛件加工而成。圓柱形筒體和椎體可采用冷卷或熱卷成形，也可采用壓制成形工藝制造。封頭、端蓋、筒體（椎體）和接管之間幾乎全部用焊接而成。2 實驗方案及方法2.1 材料選擇 壓力容器所用的材料一般為碳鋼、低合金鋼和合金鋼，含碳量一般規(guī)定0.25%。壓力容器用鋼必須滿足使用條件下的力學(xué)性能要求，主要包括強度和塑韌性的要求。壓力容器用鋼要求室溫下的沖擊韌性60-70j/cm2 ,-40時的沖擊韌性為35-40j/cm2 （u型缺口）。壓力容器所用的材料都應(yīng)有供應(yīng)廠商完整的質(zhì)量證明書。初步選擇q235和16mn進行對比。q235：普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，是一種鋼材的材質(zhì)。q代表的是

7、這種材質(zhì)的屈服度，后面的235就是這種材質(zhì)的屈服值，在235左右。并會隨著材質(zhì)的厚度的增加而使其屈服值減小。由于含碳量適中，綜合性能較好，強度、塑性和焊接等性能得到較好的配合，用途廣泛。常用于制作鋼筋或廠房房架、高壓輸電鐵塔、橋梁、車輛、鍋爐、容器、船舶等，也大量用作對性能要求不高的機械零件。化學(xué)成分見下表2-1與力學(xué)性能見下表2-2 表2-1牌號等級化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）（%）cmnsispq235a0.140.220.300.650.300.0500.045b0.120.200.300.700.045c0.180.350.800.0400.040d0.170.0350.035 表2-2 牌號

8、拉力強度mpa屈服點mpa伸長率（%）q2353755002352616mnr：強度級別為343mpa，在熱軋或正火狀態(tài)下使用。綜合力學(xué)性能、焊接性及低溫韌性、冷沖壓及切削性均好，與q235相比，強度提高50%，耐大氣腐蝕性能提高20%-38%,低溫沖擊韌性也比q235鋼優(yōu)越，價廉，應(yīng)用廣泛。用于各種大型船舶、車輛、橋梁、管道、鍋爐、壓力容器、石油貯藏、礦山機械、電站設(shè)備、廠房鋼架等承受動載荷的焊接結(jié)構(gòu)?；瘜W(xué)成分見下表2-3與力學(xué)性能見下表2-4 表2-3牌號化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))(%)csimnpscrmov16mnr0.12-0.200.20-0.601.20-1.600.0300.030-

9、 表2-4牌號拉力強度mpa屈服點mpa伸長率(%)16mnr490-67032021q235和16mnr都具有良好的綜合性能和焊接性能，但16mn的強度比q235的高、沖擊韌性也比q235的優(yōu)越、耐大氣腐蝕性也好。價格也便宜。綜合考慮，選擇16mnr。16mnr的性能參數(shù)見表2-5 表2-5鋼號拉伸性能沖擊性能板厚/mm狀態(tài)s/mpab/mpa5/%彎曲180溫度/沖擊功aku/j時效沖擊16mnr6-16熱軋或熱處理345510-65521d=2a室溫272.2壓力容器焊接性能分析2.2.1 裂紋問題（1）熱裂紋：熱軋鋼一般含碳量較低，而含錳量較高，因此它們mn/s比較大，具有良好的抗熱裂

10、性能。正常情況下焊縫中不會出現(xiàn)熱裂紋，但當材料成分不合格或有嚴重偏析，使碳、硫含量偏高，mn/s比偏低，易出現(xiàn)熱裂紋。錳在鋼種可與硫形成硫化錳，減少了硫的有害影響，增強了鋼的抗熱裂性能。 （2） 冷裂紋：鋼材冷裂紋主要取決于鋼材的淬硬傾向，而剛才的淬硬傾向又主要取決于它的化學(xué)成分。熱軋鋼由于含有少量合金元素，其碳當量比低碳鋼碳當量略高些，所以這種鋼淬硬傾向比低碳鋼要大些，而且隨鋼材強度級別的提高，合金元素的增加，它的淬硬傾向逐漸增大，應(yīng)根據(jù)接頭形式和鋼材厚度來調(diào)整線能量、預(yù)熱和后熱溫度，以控制熱影響區(qū)的冷卻速度，同時降低焊縫金屬的含氫量等措施，防止冷裂紋的產(chǎn)（3） 再熱裂紋：從鋼材的化學(xué)成分考

11、慮，由于熱軋鋼中不含強碳化物形成元素，因此對再熱裂紋不敏感，而且還可以通過提高預(yù)熱溫度和焊后立即后熱等措施來防止再熱裂紋的產(chǎn)生。2.2.2 脆化問題（1） 過熱區(qū)脆化：熱軋鋼焊接時近縫區(qū)中被加熱到100以上粗晶區(qū)，易產(chǎn)生晶粒長大現(xiàn)象，是焊接接頭中塑性最差的部位，往往會承受不住應(yīng)力的作用而破壞。防止過熱區(qū)脆化的措施是提高冷卻速度，尤其是提高奧氏體最小穩(wěn)定性范圍內(nèi)的冷卻速度，縮短在這一溫度區(qū)間停留時間，減少或防止奧氏體組織的出現(xiàn)，以提高鋼的沖擊韌度，而且為防止過熱區(qū)粗晶脆化，也不宜采用過大線能量。 （2）熱應(yīng)變脆化：熱應(yīng)變脆化是由于焊接過程中熱應(yīng)力產(chǎn)生塑性變形使位錯增殖，同時誘發(fā)氮碳原子快速擴散聚

12、集在位錯區(qū)，出現(xiàn)熱應(yīng)變脆化。16mn和15mnv這兩類鋼具有一定得熱應(yīng)變脆化傾向，焊接時消除熱應(yīng)變脆化的有效措施是焊后退火處理。2.3 焊接方法及參數(shù)的確定（筒體的焊接）研究對象選擇厚度為6mm的鋼板焊接低壓容器的筒體2.3.1 焊接接頭形式（1）對接兩件表面構(gòu)成大于或等于1350,小于或等于1800夾角的接頭。在各種焊接結(jié)構(gòu)中它是采用最多的一種接頭形式。(2) 交接接頭 兩焊件端面間構(gòu)成大于300、小于1350夾角的接頭，這種接頭受力狀況不好，常用于不重要的結(jié)構(gòu)中。（3) t形接頭 一件之端面與另一件表面構(gòu)成直角或近似直角的接頭。（4） 搭接接頭兩件部分重疊構(gòu)成的接頭。經(jīng)綜合分析考慮，應(yīng)采用

13、對接接頭。因為這種接頭的強度可以達到與母材相等，受力也比較均勻。2.3.2焊縫坡口的選擇當壓力容器的板厚超過一定厚度時，為了保證壓力容器的焊縫全部焊透又無缺陷，應(yīng)將鋼板接頭處開各種形狀的坡口。破口的形狀和尺寸取決于被焊材料和所采用的焊接方法。 表2-6名稱接頭形式基本尺寸適用范圍標注代號備注對接接頭手工電弧焊d234b0+11+1薄板拼接,筒體縱、環(huán)焊縫d340a605b用于根部間隙較大且無法用機械方法加工坡口的容器環(huán)焊縫d6101226a455355b7+18+1p112-1筒體內(nèi)無法焊接，但是允許襯墊板的焊縫注：一般不推薦使用墊板尺寸由施焊者自定d1660a555b2+1p21鋼板拼接，筒

14、體的縱焊縫d309092150b6242b1+1p2+1r6+1鋼板拼接，筒體的縱焊縫d3060a655b102b2+1p21h10+2厚壁筒體的環(huán)焊縫，多用于筒體內(nèi)徑dn600mm的單面焊接壓力容器的筒體內(nèi)壁焊接起來比較困難，且因為要裝液體或氣體所以必須保證內(nèi)壁的光滑無毛刺來保證所裝東西的純凈。經(jīng)分析，為了得到更好的焊縫質(zhì)量和更好的操作方便選用單面v型坡口。2.3.3焊接方法的選擇 在壓力容器制造中，焊接方法主要根據(jù)被焊材料、接頭厚度、焊縫位置和坡口形式選擇。目前，常用的焊接方法有手工電弧焊、埋弧自動焊、電渣焊、氣體保護焊及等離子弧焊等。埋弧焊：1.生產(chǎn)效率高這是因為，一方面焊絲導(dǎo)電長度縮短

15、，電流和電流密度提高，因此電弧的溶深和焊絲溶敷效率都大大提高。（一般不開坡口單面一次溶深可達20mm）另一方面由于焊劑和溶渣的隔熱作用，電弧上基本沒有熱的輻射散失,飛濺 也少，雖然用于熔化焊劑的熱量損耗有所增大，但總的熱效率仍然大大增加。2.焊縫質(zhì)量高 熔渣隔絕空氣的保護效果好，焊接參數(shù)可以通過自動調(diào)節(jié)保持穩(wěn)定，對焊工技術(shù)水平要求不高,焊縫成分穩(wěn)定，機械性能比較好。3.勞動條件好 除了減輕手工焊操作的勞動強度外，它沒有弧光輻射，這是埋弧焊的獨特優(yōu)點。co2保護焊： 焊接成本低 co2氣體是釀造廠和化工廠的副產(chǎn)品，來源廣，價格低，其綜合成本大概是手工電弧焊的1/2。生產(chǎn)效率高 co2氣體保護焊使

16、用較大的電流密度（200a/mm2左右），比手工電弧焊（10-20a/mm2左右）高得多，因此熔深比手弧焊高2.2-3.8倍，對10mm以下的鋼板可以不開坡口，對于厚板可以減少坡口加大鈍邊進行焊接，同時具有焊絲熔化快，不用清理熔渣等特點，效率可比手弧焊提高2.5-4倍。 焊后變形小 co2氣體保護焊的電弧熱量集中，加熱面積小，co2氣流有冷卻作用，因此焊件焊后變形小，特別是薄板的焊接更為突出。 抗銹能力強 co2氣體保護和埋弧焊相比，具有較高的抗銹能力，所以焊前對焊件表面的清潔工作要求不高，可以節(jié)省生產(chǎn)中大量的輔助時間。 缺點：由于co2氣體本身具有較強的氧化性，因此在焊接過程中會引起合金元素

17、燒損，產(chǎn)生氣孔和引起較強的飛濺，特別是飛濺問題，雖然從焊接電源、焊絲材料和焊接工藝上采取了一定的措施，但至今未能完全消除，這是co2焊的明顯不足之處。手工電弧焊： 設(shè)備簡單，可用成本較低的交流或直流焊接電源。1. 靈活方便，可用焊接各種位置、各種厚度和形狀的焊件。2. 焊條品種齊全，可供焊接不同的鋼材選用。3. 焊接質(zhì)量主要取決于焊工的熟練程度和焊條的質(zhì)量。焊接方法應(yīng)根據(jù)焊接結(jié)構(gòu)、制造要求以及對焊接接頭質(zhì)量的影響及所具有的焊接設(shè)備條件靈活選擇，通過綜合考慮，采用手工電弧焊。電源種類：交流（交流比較普遍，增強了實際操作中的靈活性） 2.3.4 焊接材料的選擇 壓力容器的焊接材料的選用必須保證焊縫

18、性能不低于母材，尤其是焊縫的韌性指標是選材考慮的重點。根據(jù)各項查的應(yīng)選j427或j426 型焊條（交流電源）j506或j507（直流電源）。此處我們用j426型焊條。焊接工藝參數(shù)如下表2-7和表2-8所示： 表2-7焊縫空間位置坡口形式焊件厚度（mm) 第一條焊縫 其他各層焊縫 封底焊縫平對接焊縫單面v 形56焊條直徑（mm)焊接電流（a)焊條直徑（mm)焊接電流（a)焊條直徑（mm)焊接電流（a)4200-2204200-2204200-220表2-8電源焊條焊接位置前傾/(）側(cè)傾/(）交流j406平焊10-1580-90 3 實驗過程本實驗采用兩個工件，工件一進行焊后熱處理，工件二不進行焊

19、后熱處理。并對實驗結(jié)果加以比較。3.1焊前準備 （1）坡口加工采用熱切割時應(yīng)注意防止母材邊緣會形成一定深度的淬硬層，這種低塑性的淬硬層往往成為冷加工的開裂源。（2）焊前必須消除焊接區(qū)鋼板表面的水分，坡口表面的氧化皮、銹斑、油脂以及其他污物。（3）焊接材料在使用前應(yīng)按生產(chǎn)廠推薦的規(guī)范進行烘干。（4）裝配定位焊縫必須采用與正式焊縫同一類型的焊條。3.2 焊接操作(1) 起弧：現(xiàn)在試板上調(diào)好電流，直至所需電流為止。一切正常后在壓板上劃擦引弧，待電弧穩(wěn)定燃燒后引至坡口處中心盡量壓低電弧，并穩(wěn)弧1-2秒，當管口發(fā)出電弧擊穿后立即進行正常運條。（2）運條：采用直線運條法。3.3 焊后熱處理 為改善壓力容器

20、焊接區(qū)的性能和消除焊接殘余應(yīng)力等有害影響，對焊接區(qū)及其有關(guān)部位在金屬相變溫度點以下充分均勻加熱，然后又均勻冷卻以進行消除應(yīng)力退火。焊后熱處理是保證壓力容器焊接接頭性能的一個非常重要的環(huán)節(jié)。本實驗采用600-640回火，保溫40分鐘來消除應(yīng)力。3.4焊縫機械性能檢驗（1）根據(jù)gb2649-1989焊接接頭試樣標準取樣，把工件一和二制成拉伸式樣一、二（如圖3-1和3-2）。（2）加工成無余高的拉伸試樣后，分別在洛氏硬度機上從焊縫中心相熱影響區(qū)打硬度，并記錄相應(yīng)數(shù)值，并分析.（3）分別在萬能拉伸機上進行拉伸試驗。觀察宏觀斷口，并對拉伸數(shù)據(jù)進行比較，看是否復(fù)合要求。（4）制取焊縫區(qū)的金相，并用金相顯微

21、鏡對焊接接頭進行金相觀察。圖3-1 圖3-24 實驗結(jié)果與分析4.1焊接接頭硬度分析（熱處理工件） 表4-1如上表4-1為焊縫到焊接熱影響區(qū)的硬度走勢圖?？梢钥闯鲞^熱區(qū)是硬度最高區(qū)域。焊縫和母材的硬度相差不大，一般是相近的。熔合線外側(cè)過熱區(qū)組織粗大，奧氏體晶粒最粗，顯微硬度也最高。所以在過熱區(qū)出現(xiàn)了硬度的峰值。熱影響區(qū)的硬度在過熱區(qū)會突然上升，然后再很快將下來，對應(yīng)高硬度的過熱區(qū)韌性恰好是個最低值。所以，在熔合線外側(cè)過熱區(qū)的高硬度是造成熱影響區(qū)裂縫的必要條件。所以測定熱影響區(qū)的硬度分布是極為重要的。4.2焊接接頭機械性能分析（1）宏觀斷口觀察。如圖4-1（熱處理）和4-2（未熱處理）。肉眼觀察

22、可看出經(jīng)過熱處理的式樣為韌性斷口，而未處理過的則為脆性斷口。所以焊后熱處理可提高焊縫的韌性。斷口在焊接接頭處，說明，焊接接頭還是整個工件最薄弱的地方。正所謂組織影響性能，因為焊接熱影響區(qū)組織粗大，不均勻，所以此處的強度和韌性都不如工件的其他區(qū)域。外加焊接時突然加熱，冷卻，是工件內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，有可能產(chǎn)生熱裂，微觀裂紋等缺陷。是此處更加薄弱。（2）力學(xué)性能比較拉斷后的的數(shù)據(jù)可查附表1式樣二最大載荷43154.2 n，抗拉強度431.542mpa,斷裂強度398.312mpa。工件在焊縫區(qū)斷裂，此數(shù)值已達到所規(guī)定數(shù)值，所以滿足要求。式樣一比二性能更好，力學(xué)性能指數(shù)更高，所以式樣二也滿足要求?？梢?，焊

23、后熱處理對焊縫性能是會有一定影響的。所以，做好焊后熱處理很重要。 圖4-1 圖4-24.3焊接接頭金相圖分(熱處理工件) 侵蝕劑：4%的硝酸酒精。1-3圖放大倍數(shù)均為500倍。圖1焊縫組織圖中白條狀為先共析鐵素體，描繪出焊縫柱狀晶原奧氏體晶界。晶體內(nèi)部為針狀鐵素體圖2：熔合區(qū)組織。焊縫與母材過熱區(qū)交界。圖3（左）：母材組織 珠光體和鐵素體圖4（右）：焊接接頭整體樣貌（放大50倍）以上圖片為所拍金相圖。對焊接接頭進行了分析。從宏觀上看，16mn熱影響區(qū)是一個即與母材不同又與焊縫不同的組織區(qū)域。這部分區(qū)域的組織就是珠光體在熱循環(huán)過程中形成的細小鐵素體與珠光體和原來未發(fā)生相變較粗大的鐵素體構(gòu)成的組織

24、。由于有未轉(zhuǎn)變的鐵素體，即使發(fā)生部分重結(jié)晶過程，仍然能看出組織的帶狀特征。過熱粗晶區(qū)的性能尤其是沖擊韌性最差，韌性差主要歸因于奧氏體晶粒粗大的結(jié)果。16mn的過熱區(qū)組織是先共析鐵素體沿晶分布，同時靠近先共析鐵素體的三角形黑色組織小區(qū)是索氏體組織，從晶界先共析鐵素體近處伸展于晶體內(nèi)的粗大鐵素體片為魏氏組織鐵素體。晶體內(nèi)部細小的點狀組織為粒狀貝氏體組織。16mn的熔合區(qū)是靠近焊縫金屬過度區(qū)域，與焊縫組織和過熱粗大晶粒間也沒有明顯的界線這個區(qū)域溫度是金屬局部局部熔化溫度，化學(xué)成分和組織極不均勻，使這個區(qū)域易產(chǎn)生裂縫，夾雜物的熔化再重新分配也造成極不利的的影響，是易于造成脆性破壞的發(fā)源地。16mn的正火區(qū)也稱相變重結(jié)晶