16MnR缓冲罐焊接工艺课程设计

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沈阳工业大学材料成型工艺课程设计

第1章绪论

1.1 焊接结构的概述

原料气缓冲罐，筒体尺寸为Φ2200mm×8mm×7500mm，材质为16MnR，制定其筒体纵环焊缝的焊接工艺。

图1.1 原料气缓冲罐结构图

1.2 焊接方法

原料气缓冲罐筒体的焊接有纵焊缝和环焊缝。一般情况下，对于此类筒体纵焊缝的焊接选用对接接头的焊接。其厚度为8mm，属于薄板或中厚板，下面是我手工电弧焊(SMAW)的一些介绍：

1.手工电弧焊是利用电弧局部熔化母材和焊条以形成焊缝的一种手

工操作焊接方法。

2.SMAW的焊接过程：焊接时电源的两极分别在导电嘴和焊件上，焊丝通过导电嘴与焊件接触，接通电源后，则电流经过导电嘴、焊丝与焊件构成焊接回路。焊接时，引弧，焊接速度均由焊工自己手动操作。

1.2.1概述（原理、特点及应用）

SMAW：

1.工作原理：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

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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.特点:焊条电弧焊设备简单，操作灵活方便，适应性强，不受场地和焊接位置的限制，在焊条能达到的地方一般都能施焊；可焊金属材料广，除难熔或极易氧化的金属外，大部分工业用金属均能采用焊条电弧焊进行焊接；焊接接头装配要求较低。

缺点：劳动条件差，生产率低，每焊完一根焊条，必须更新焊条，并残留下一部分，而使焊条未被充分利用，焊后还须清渣，故生产率低。

3.应用: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。

1.2.2 焊接设备

手工焊条电弧焊设备包括焊机和焊枪等，焊机是核心部分，由焊接电源和控制系统组成。如图1.2所示：

图1.2手工电弧焊设备示意图

焊接选择 ZX7-400

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焊接电流/A 20-400

焊接电压/V 36

电流种类直流

性能特点及用途：

1.采用MOSFET逆变技术电路高频引弧设计。

2.具有电网电压波动补偿功能，抗电网波动强（V±15%）。

3.效率高、空载损耗小、比传统焊机节电40%以上。

4.具有体积小、重量轻、高空作业方便的优点。

5.起弧容易，飞溅小，噪音低，焊接稳定，焊缝成型美观。

6.内置过热、过流、过压、欠压等保护电路，使用安全可靠。

1.3 母材的化学成分及性能

1.3.1 16MnR的力学性能

1.3.2 16MnR的化学成分

1.3.3 16MnR的焊接性

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M n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 2

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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、M n、V、N b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、N b、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M n-Mo-N b和M n-Mo-V系低合金高强钢，如07MnCrMoVR，由于N b、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

（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。

PWHT可消除焊接结构这类应变时效，使韧性恢复。GB150-1998《钢制压力容器》作出规定，圆筒钢材厚度δ s符合以下条件：碳素钢、16MnR 的厚度不小于圆筒内径D i的3％；其他低合金钢的厚度不不小于圆筒内径D i的2.5％。且为冷成形或中温成形的受压元件，应于成形后进行热处理。

（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

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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

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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。

SMAW焊条的选用

根据任务书要求及焊接材料的选择原则，用E5016(J506)作为低合金钢的的焊接用焊条。

J506

特点：J506是低氢钾型药皮的碳钢焊条。交直流两用，可进行全位置焊接。具有良好的焊接工艺性能，电弧稳定，飞溅少，易脱渣，其熔敷金属具有优良的力学性能和抗裂性能，低温冲击韧性好。

用途：用于焊接中碳钢和低合金钢结构，如16Mn、09Mn2Si和船舶用

A、B、D、E级钢等，也用于厚板及可焊性较差的碳钢结构的焊接。

1.4.2 焊条化学成分及力学性能

表1-3 E5016 熔敷金属的化学成分(质量分数%)

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表1-4 E5016 力学性能

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第2章焊接工艺的编制

2.1 实验材料

16MnR: 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，具有良好的综合力学性能和工艺性能。常见交货状态为热轧或正火。属低合金高强度钢，含M n量较低。

2.1.1 16MnR的性能

2.1.2 焊接材料

表 2-4 E5016 力学性能

2.2 SMAW焊的工艺及技术

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2.2.1 SMAW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. SMAW焊接参数的选择方法

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。

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（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。

2.2.2 SMAW焊技术

SMAW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50×50毫米

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。

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SMAW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。

4)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，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。

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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 SMAW的安全操作技术

焊条电弧焊：

1.防止触电：弧焊机外壳应接地，焊把与焊钳间应绝缘良好。

2.避免弧光烧伤：电弧中较强的紫外线与红外线对人体有害，操作者应穿好工作服，戴好面罩和手套后方可施焊。

3.防止烫伤：焊件在焊后必须用钳子夹持，应注意敲渣方向，避免熔渣烫伤。 11 沈阳理工应用技术学院焊接方法及工艺课程设计

4.注意通风：施焊场地要通风良好，防止或减少焊接时从焊条药皮中分解出来的有害气体。

5.保护焊机：焊钳切不可放置在工作台上、停止焊接时，应关闭电源。

2.2.5 焊接工艺设计书

在石油、化工、电站装置中，工艺管道和石油化工管式炉及锅炉的炉管绝大部分是低碳钢管，由于这些装置工艺条件苛刻，对焊缝质量和管道清洁度都有较高要求，在现场施工中，我们常采用手工钨极氩弧焊(TIG)打底和手工电弧焊(SMAW)填充、盖面的焊接工艺焊接较为重要的碳钢管。在焊接过程中要严格要求，确保焊接质量。按照焊接工艺规程进行操作。

焊接工艺规程一般包括的内容：

1、产品或者部件名称

2、母材的牌号和规格

3、焊接方法

4、接头坡口形式及尺寸

5、焊接材料（焊丝的牌号、规格、气体的种类）

6、焊接温度（预热温度、层间温度、焊后热处理温度)

7、焊接参数(焊接电流、焊接电压、焊接速度）

8、焊接设备型号

9、焊接工装编号

10、操作技术

11、焊后检查

焊接工艺规程一般都是由施工单位的焊接工艺师编制。根据实际情况的不同。参数必须经过焊接试板的检验，验证其按此工艺规程焊接的接头是否能够满足产品技术条件的相应要求。最后制定工艺参数卡，编写焊接工艺设计书

。

2.2.6 焊接成形缺陷

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第3章焊接工艺的评定

3.1 焊接工艺评定设计书

见附录1

3.2 焊接工艺评定报告

见附录2

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参考文献

【1】《金属熔焊原理及工艺》主编：张文钺，北京机械工业出版社。1980

【2】《金属焊接材料手册》主编：吴树雄尹士科李春范，化学工业出版社。2008

【3】《新编高级焊工简明读本》主编：胡宝良，上海科学技术出版社。2006

【4】《低合金结构钢焊接技术》主编：陈裕川，机械工业出版社。2008

【5】《金属材料焊接性》主编：张连生，机械工业出版社。2004 16

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附录1 焊接工艺设计书

编号HSJ06135208-01 工艺评定编号

HPD06135208-01

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试板经上述参数焊接，符合规定的要求，焊接工艺合格。

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附录2 焊接工艺评定报告

编号091351009-09 工艺评定编号09135109-09

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试板经上述参数焊接，符合规定的要求，焊接工艺合格。

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