厚壁容器制造工艺特点模板.doc
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1、目 录1 绪 论12 16MnR钢组织性能和焊接性22.116MnR钢介绍22.216MnR钢组织性能22.316MnR钢焊接性32.4材料介绍43 16MnR钢焊接过程中存在问题及产生原因73.116MnR钢焊接裂纹关键是冷裂纹。73.2消除应力裂纹83.3结晶裂纹83.4层状撕裂93.5热影响区性能改变103.6影响低碳钢焊接性其它原因104 制订焊接工艺及填写焊接工艺卡片124.1编制焊接工艺124.1.1接头和坡口设计124.1.2坡口制备134.1.3焊接方法选择134.1.4焊材选择134.1.4焊接工艺参数144.1.5 焊接次序154.1.6 焊前预热154.1.7 焊后热处理
2、164.1.8 焊后检验175 焊接性试验185.1 母材化学成份分析1852 焊缝成份分析1953 焊缝断口分析19531 宏观分析20532 微观分析20532结果分析22533夹杂物引发焊缝冲击值偏低机理分析22534 夹杂物形成机理235.5总结236 焊接工艺评定25结 论26致 谢27参考文件281 绪 论近几年,很多工程和成套设备中,会碰到较多厚板焊接结构件制作,比如钢厂台上设备中回转台、轧制线上大型梁、柱,锻压设备中横梁、滑块、工作台等,大量板厚全部在100300之间,材质为16MnR或Q235,这些厚板结构件现场使用环境恶劣,要承受很大冲击载荷,有工作环境温度较高,还要求承受
3、一定热疲惫。为了提升经济效益,加强生产进度和降低成本,经过分析和研究焊接方法和工艺。厚板焊接能够采取焊接方法有很多。CO2 气保焊、电渣焊、窄间隙焊,还有埋弧自动焊等等。电渣焊即使焊接效率高,不过其焊缝金属晶粒粗大,焊接接头轻易脆化,所以在质量上难以满足要求 。窄间隙焊使用设备复杂,对装配质量要求高,对焊工素质、工艺要求严格,其变形控制量难以掌握。埋弧自动焊在打底层焊接上存在清渣较难,焊前准备工作时间较长,焊接过程中焊缝对中难度大,,而且对平位置、长直焊缝才能表现它高效率 。对于形状复杂焊缝,需要全位置焊接焊缝,埋弧自动焊无法施焊 。CO2焊因为熔池小、热影响区窄,所以焊后工件变形小,焊缝质量
4、好,而且焊道整齐,焊道接头少。焊丝熔化速度快,生产效率高(焊接速度通常大于30m/h),操作简单,成本较低,而且二氧化碳气体起源广,价格低 。另外,因其为明弧焊能够看清电弧和熔池情况,便于掌握和调整,而且抗氢气孔能力强,对油锈敏感低,操作性能很强。16MnR钢是中国现在制造压力容器中采取最多钢号。最常见于制造中低压压力容器中、型高压容器,尤其是广泛用于制造液化石油气、天然气、液氨、氧气、氮气等球形储罐。16MnR含有良好机械性能、可焊性和加工工艺性能。通常认为16MnR钢是屈服点为350MPa级低合金中等强度钢,其可焊性是多个低合金钢压力容器专用钢中最好一个。所以,用CO2焊接16MnR厚板结
5、构件前景很大,很使用。2 16MnR钢组织性能和焊接性2.1 16MnR钢介绍在板材里,属低合金系列。在低合金材质里,此种材质为最一般。Q345过去一个叫法为:16Mn。Q345是一个钢材材质。它是低合金钢(C0.2%),广泛应用于桥梁、车辆、船舶、建筑、压力容器等。Q代表是这种材质屈服,后面345,就是指这种材质屈服值,在345左右。并会伴随材质厚度增加而使其屈服值减小。Q345A级,是不做冲击;Q345B级,是20度常温冲击;Q345C级,是0度冲击;Q345D级,是20度冲击;Q345E级,是40度冲击。在不一样冲击温度,冲击数值也有所不一样。Q345外部实施标准为:GB709,内部实施
6、标准为:GB/T1591-9因为实施标准原因,此种钢板许可负公差交货。2.216MnR钢组织性能Q345钢属于低合金高强度结构钢,这种钢含有高强度,高韧性、良好耐蚀性及良好焊接性能和冷成型能力,其成份如表l所表示。Q345钢通常在热轧状态下使用,它含有良好综协力学性能、Q345低温时韧性很好,一40时冲击功大干等于2 7 J。在有特殊需要时,如为了改善焊接区性能,可进行一次正火处理。Q345钢属16Mn系列钢种,AA-有良好综协力学性能,低温冲击韧性,冷冲压性及切削性均好,能够制造大型船舶,铁路车辆,桥梁,管道等承受负荷焊接结构,这就要求其不仅有好力学性能,还要有好焊接性。Q 3 4 5钢焊接
7、后焊缝化学成份及焊接接头力学性能见表2,从表中能够看出,焊缝化学成份和母材相近,焊接接头抗拉强度较高,但韧性较低,硬度高于母材。其焊缝金属显微组织呈柱状晶分布,晶界处为铁素体,晶内为素氏体和针、块状分布铁素体。冷却时,因为向外散热,故使焊缝熔融金属沿热扩散方向结晶而取得柱状晶,此时,先共析铁素体沿柱状品界析出,因为温度较高,且冷速又稍快,所以组织呈过热特征,但随即冷却过程中,奥氏体因过冷度较大,而转变为索氏体组织。焊缝组织下方为融合区,此处融合情况良好;过热区显微组织为针状或块状分布铁素体和素氏体,此处品粒粗大,呈魏氏组织。这是该区加热温度高,奥氏体晶粒显著长大,冷却后得到粗大过热组织,使冲击
8、韧性降低;重结晶区组织为晶粒细小铁素体和珠光体,因为加热温度超出了A C 3,所以铁素体和珠光体已全部转化为奥氏体,又因为加热温度较低,奥氏体晶粒未显著长大,所以在空气中冷却以后会得到均匀细小铁素体和珠光体;母材显微组织为铁素体和珠光体呈带状分布。Q 3 4 5钢无热裂纹倾向,其焊接接头热影响区没有出现裂纹,其焊缝化学成份和母材相近,焊接接头抗拉强度、硬度较高,但韧性较低,其焊接接头过热区形成了魏氏组织,轻易产生脆化,组成了接头微弱步骤,这时易以小线能量焊接,在过热区获取板条马氏体,韧性会达成改善。2.3 16MnR钢焊接性16MnR钢是实际工业设计和生产中应用很广泛机械结构之一,关键用于工程
9、结构焊接。经过对Q 3 4 5钢焊接工艺分析,在焊接过程中应依据实际应用场所选择适宜焊接材料、焊接工艺和焊接方法。同时还应注意在焊接过程中轻易出现问题,应考虑到各方面原因做好预防方法,正确施焊,确保优良焊接质量。全部这些全部对我们愈加好地利用Q 3 4 5工程结构钢提供了现实依据。16MnR钢热切割性能和低碳钢相近,气割边缘淬硬层很(1mm),电弧气刨切口边缘没有显著增碳层,切割后无须加工而直接焊接。16MnR钢能够顺利地进行冷弯和机械切割,因为屈服点比低碳钢高,冷压成型时回弹力较大,在冷弯、冷剪、冷矫时,压力应选大些,同时弯曲半径不能过小。 16MnR钢加热到800以上能够进行多种压热成型,
10、通常加热温度为10001100,终压温度为750850。经热压后力学性能无显著改变,通常不再需要进行热处理。16MnR钢也能够用加热矫正变形。实践表明,火焰矫正加热温度最好控制在700800之间,不宜超出900。火焰矫正后能够空冷也能够水冷,性能无显著差异。 16MnR钢焊接性很好,通常不需要预热。因为钢中有一定量合金元素,碳当量高于Q235钢,但通常不超出0.40%;另外,淬硬性应大于Q235钢所以当结构刚性较大或在低温下施工时,应合适预热,预热温度见表1。表1 16MnR钢预热温度钢牌号板厚/mm不一样气温下预热温度/16MnR16一下-10以上不预热;-10以下 100150 1624-
11、5以上不预热;-5以下 100150 2510以400以上不预热; 0以下10015040以上一律预热 100150 16MnR钢采取焊条电弧焊时,通常选择E50XX型焊条。焊接关键结构(如压力容器),应选择碱性焊条(E5015,E5016)。对小厚度和坡口角度小或要求不高产品,也可选择E42XX型碳钢焊条(E4215,E4216)。16MnR:合金元素总量在5%以下,屈服强度在275Mpa以上,含有良好焊接性、耐蚀性和成形性低合金高强度结构钢。16MnR钢通常全部是热轧状态供货、不需要热处理,尤其是厚度小于20mm钢板,其机械性能全部很高,故通常全部是热压以后直接使用。对于较厚板材为了改善钢
12、材塑性、低温冲击韧性或冷压成型等加工性能。有时也采取正火处理后使用从而提升了钢材屈服强度和低温冲击韧性,降低了临界转变温度,同时也改变了加工成型及可焊性。2.4材料介绍 16MnR化学成份如表2(%):表2 16MnR化学成份元素CMnSiPSAlVNbTi含量0.21.0-1.60.550.0350.0350.0150.02-0.150.015-0.060.02-0.216MnR力学性能如表3(%):表3 16MnR力学性能机械性能指标伸长率(%)试验温度0抗拉强度MPa屈服点MPa数值522J34b(470-650)s(324-259)16MnR机械性能如表4:表4 16MnR机械性能钢材
13、厚度或至直径(mm)屈服强度s(MPa)抗拉强度b(MPa)延伸率s(%)冷淬试验180大于16355221d=2a1725335019d=3a2636314819d=3a3850294819d=3a55100方、圆板284819d=3a16MnR刚可焊性含碳量为0.12%、锰1.31.6%、硅0.40.6%属于低碳硅钢。16MnR钢可焊性试验结果(分为4点):a、用手弧焊和自动焊在常温下焊接16MnR钢对接接头焊接热影响区通常不出现淬硬组织。b、常温下焊接T型接头,当焊脚大于6,且为连接焊缝时,焊接热影响区通常均不出现马氏体组织而是少许贝氏体、珠光体和铁素体混合组织、综合性能良好。最高硬度小
14、于HV350,其中焊脚愈大,最高硬度值愈底。c、常温下焊接16MnR钢T型接头小焊脚短焊缝(如焊脚4mm,焊缝长度小于100mm),当板厚大于16mm时,焊接热影响区通常将出现马氏体,即淬硬组织。d、相同焊接温度下,增大焊接电流时,冷却速度慢,则组织很好,硬度较低。3 16MnR钢焊接过程中存在问题及产生原因钢焊接性关键取决于化学成份,钢中元素对焊接性影响最大是碳。热轧及正火钢属于非热处理强化钢,碳及合金元素含量全部比较低,总体来看焊接性很好。但伴随合金元素增加和强度提升,焊接性变差。焊接问题关键来自两方面:焊接裂纹和热影响区母材性能下降。3.1 16MnR钢焊接裂纹关键是冷裂纹大量研究结果表
15、明,对钢材来说冷裂纹形成温度大致在100-100之间,具体温度随母材和焊接条件而不一样。冷裂纹多产生于有淬硬倾向低合金高强度钢和中、高碳钢焊接接头。裂纹大多在热影响区,通常起源于熔合区,有时也出现在高强度钢和钛合金焊缝中。形成冷裂纹三个基础原因:(1)氢影响 造成接头产生冷裂纹氢关键是扩散氢。试验证实,伴随焊缝中扩散氢含量增加,冷裂纹率较高。比如,用含有较多有机物焊条进行焊接,出现大量焊道下裂纹;而用低氢型焊条焊接时,则未出现或极少出现焊道下裂纹。多年来,部分学者在显微镜下观察弯曲试件断裂情况时,还观察到在裂缝尖端周围有氢气泡析出。扩散氢含量还影响延迟裂纹延时长短,扩散氢含量越高,延时越短。
16、(2)钢种淬硬倾向 通常来说,钢种淬硬倾向越大,则接头中出现马氏体可能性越大,则越轻易产生冷裂纹。当材料一定时,随冷却速度不一样,接头组织将对应改变,冷速越高,马氏体含量越高,造成裂纹率上升。 (3)焊接接头拘束应力 焊接接头拘束应力,包含接头在焊接过程中因加热不均匀所承受热应力、相变应力、结构本身几何原因所决定内应力。三个方面应力全部是不可避免,因为全部和拘束条件相关而统称为拘束应力。拘束应力作用是形成冷裂纹关键原因之一,在其它条件一定时,拘束应力达成一定数值就会产生开裂。低碳钢中加入了较多提升淬透性合金元素,提升过冷奥氏体稳定性,所以在焊接条件下,通常不会发生珠光体转变,轻易得到马氏体和贝
17、氏体。马氏体属淬火组织,但因为含碳量低,仍保持较高韧性。而且这类钢Ms点比较高,假如在Ms点周围冷速比较低,Ms点后就形成一次“自回火”过程,使韧性得到改善,而且避免产生冷裂纹。反之,若在Ms点周围冷速较高,比能实现“自回火”,在焊接应力作用下就很可能产生冷裂纹。所以,从预防冷裂纹角度考虑,焊接低碳钢时,期望高温时冷速较高,而在Ms点周围冷速要低些。低碳钢对扩散H比较敏感,当对H控制不严时,冷裂纹敏感性还是相当高。3.2消除应力裂纹焊后焊件在一定温度范围内再次加热时,因为高温和残余应力共同作用而产生晶间裂纹,称为消除应力裂纹,又叫再热裂纹。经大量试验研究确定,消除应力裂纹产生是因为晶界优先滑动
18、而造成微裂发生并扩展所致。即焊后再热时,在残余应力松弛过程中,粗晶区应力集中部位晶界滑动变形量超出了该部位塑性变形能力,就会产生消除应力裂纹。预防消除应力裂纹方法:(1)选择对消除应力裂纹敏感性低母材;(2)选择低强高塑性焊接材料;(3)控制结构钢性和焊接残余应力;(4)工艺方面方法:预热 焊后立即进行后热 控制焊接线能量低碳钢中大全部含有Cr、Mo、V、Nb、Ti、B等提升消除应力裂纹敏感性元素,其中作用最大是V,其次是Mo,所以二者共存时情况最严重。通常认为Mo-V钢,尤其是Cr-Mo-V钢对消除应力裂纹敏感性最高,Mo-B钢、Cr-V钢也有一定敏感性。不一样成份钢对消除应力裂纹敏感温度不
19、尽相同,焊接时可经过降低退火温度、进行合适预热或后热等方法,预防消除应力裂纹。低碳钢通常采取优异技术冶炼,对杂质控制严格,抗层状撕裂能力很好,现在还未发觉层状撕裂报导。3.3结晶裂纹结晶裂纹又叫凝固裂纹,关键产生于焊缝凝固过程中。当冷却到固相温度周围时,因为凝固金属收缩,残余液体金属不足而不能立即填充,在应力作用下发生沿晶界开裂。结晶裂纹关键产生在含杂质(S、P、C、Si)偏高碳钢、低合金钢和单相奥氏体钢、镍基合金和一些铝合金焊缝中。通常沿焊缝树枝状晶交界处发生和扩展。常见于焊缝中心沿焊缝长度扩展纵向裂纹,有时也分布在两个树枝晶粒之间。结晶裂纹表面无金属光泽,带有氧化颜色,焊缝表面宏观裂纹中往
20、往填满焊渣。 16MnR中含碳量较低,并含有一定锰,MnS比值通常能够达成预防结晶裂纹要求。在若母材化学成份反常,如碳和硫同时居上限或严重偏析,则有产生结晶裂纹可能。在这种情况下,应采取必需预防方法。依据图1-1所表示碳、硫和锰对结晶裂纹影响曲线可知,为了预防结晶裂纹,(1)应提升焊缝含锰同时降低碳、含量,(2)调整焊接参数已得到抗裂能力较强焊缝成形系数,(3)焊接时选择超低碳焊丝,并从工艺上降低熔合比。(4)调整冷却速度,(5)调整焊接次序,降低拘束应力。 图1-1焊缝中C、Mn、S含量对结晶裂纹影响3.4层状撕裂 层状撕裂关键和钢冶金质量、板厚、焊接接头形式和Z向应力相关,和钢强度并无直接
21、关系。通常认为,钢中含硫量和断面收缩率是衡量抗层状撕裂能力关键判定依据。当冷却到固相温度周围时,因为凝固金属收缩,残余液体金属不足而不能立即填充,在应力作用下发生沿晶界开裂。3.5热影响区性能改变(1)过热区脆化 16MnR过热区脆化程度和含碳量相关,当含碳量在下限(c=0.12%0.14%)时,过热区韧性随线能量E增加而下降。这是因为线能量增加,时奥氏体晶粒粗化更严重,冷却后会出现魏氏组织,所以,合适降低线能量有利于提升韧性。这时,即使冷速较大而出现淬火组织。但低碳马氏体仍有较高韧性。造成脆化关键原因是因为出现马氏体,应控制线能量,降低冷速。(2)热应变脆化 它是由固溶氮引发。16MnR钢焊
22、接厚韧脆转变温度比焊前提升53,消除热应变脆化有效方法时进行焊后热处理。3.6影响低碳钢焊接性其它原因低碳钢中含碳较低。含锰、硅又少,所以,通常情况不会因焊接而引发严重硬化组织和淬火组织,这种钢材塑性和冲击韧性度优良,焊成接头韧性和冲击韧度也很好,焊接时通常不需要预热。控制层间温度和后热,焊后也无须采取热处理改善组织,能够说整个焊接过程不需要特殊工艺方法,其焊接性良好,能够采取多种焊接方法焊接,但碰到下述情况,低碳钢焊接性也会不好,焊接时出现困难。 1)低碳钢母材不合格,含碳、硫过高,焊接时可能出现裂纹,尤其是碰到下列情况,如角焊缝、对接多层焊第一道焊道、整个板面采取单面焊单层焊缝和大间隙对接
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