工藝技術(shù)_厚壁容器制造工藝特點(diǎn)

目 錄1 緒 論12 16MnR鋼的組織性能和焊接性22.116MnR鋼的簡介22.216MnR鋼的組織性能22.316MnR鋼的焊接性32.4材料介紹43 16MnR鋼焊接過程中存在的問題及產(chǎn)生的原因73.116MnR鋼的焊接裂紋主要是冷裂紋。73.2消除應(yīng)力裂紋83.3結(jié)晶裂紋83.4層狀撕裂93.5熱影響區(qū)性能的變化103.6影響低碳鋼焊接性的其他因素104 制定焊接工藝及填寫焊接工藝卡片124.1編制焊接工藝124.1.1接頭與坡口的設(shè)計124.1.2坡口制備134.1.3焊接方法的選擇134.1.4焊材的選用134.1.4焊接工藝參數(shù)144.1.5 焊接順序154.1.6 焊前預(yù)熱154.1.7 焊后熱處理164.1.8 焊后檢驗(yàn)175 焊接性試驗(yàn)185.1 母材的化學(xué)成分分析1852 焊縫成分分析1953 焊縫斷口分析19531 宏觀分析20532 微觀分析20532結(jié)果分析22533夾雜物引起焊縫沖擊值偏低的機(jī)理分析22534 夾雜物的形成機(jī)理235.5總結(jié)236 焊接工藝評定25結(jié) 論26致 謝27參考文獻(xiàn)28我們總羨慕別人的幸福，卻常常忽略自己生活中的美好。其實(shí)，幸福很平凡也很簡單，它就藏在看似瑣碎的生活中。幸福的人，并非拿到了世界上最好的東西，而是珍惜了生命中的點(diǎn)點(diǎn)滴滴，用感恩的心態(tài)看待生活，用樂觀的態(tài)度闖過磨難。1 緒 論近幾年，許多工程和成套設(shè)備中，會遇到較多厚板焊接結(jié)構(gòu)件的制作，例如鋼廠臺上設(shè)備中的回轉(zhuǎn)臺、軋制線上的大型梁、柱，鍛壓設(shè)備中橫梁、滑塊、工作臺等，大量的板厚都在100300之間，材質(zhì)為16MnR或Q235，這些厚板結(jié)構(gòu)件現(xiàn)場使用環(huán)境惡劣，要承受很大的沖擊載荷，有的工作環(huán)境溫度較高，還要求承受一定的熱疲勞。為了提高經(jīng)濟(jì)效益，加強(qiáng)生產(chǎn)進(jìn)度以及降低成本，通過分析和研究焊接方法和工藝。厚板焊接可以采用的焊接方法有很多。CO2 氣保焊、電渣焊、窄間隙焊，還有埋弧自動焊等等。電渣焊雖然焊接效率高，但是其焊縫金屬晶粒粗大，焊接接頭容易脆化，因此在質(zhì)量上難以滿足要求 。窄間隙焊使用設(shè)備復(fù)雜，對裝配質(zhì)量要求高，對焊工素質(zhì)、工藝要求嚴(yán)格，其變形控制量難以掌握。埋弧自動焊在打底層焊接上存在清渣較難，焊前準(zhǔn)備工作時間較長，焊接過程中焊縫對中難度大，,而且對平位置、長直焊縫才能體現(xiàn)它的高效率 。對于形狀復(fù)雜的焊縫，需要全位置焊接的焊縫，埋弧自動焊無法施焊 。CO2焊由于熔池小、熱影響區(qū)窄，因此焊后工件變形小，焊縫質(zhì)量好，并且焊道整齊，焊道接頭少。焊絲熔化速度快，生產(chǎn)效率高(焊接速度一般大于30m/h),操作簡單，成本較低，并且二氧化碳?xì)怏w來源廣，價格低 。另外，因其為明弧焊可以看清電弧和熔池情況，便于掌握和調(diào)整，并且抗氫氣孔能力強(qiáng)，對油銹敏感低，操作性能非常強(qiáng)。16MnR鋼是我國目前制造壓力容器中采用最多的鋼號。最常用于制造中低壓的壓力容器中、型的高壓容器，特別是廣泛用于制造液化石油氣、天然氣、液氨、氧氣、氮?dú)獾惹蛐蝺蕖?6MnR具有良好的機(jī)械性能、可焊性和加工工藝性能。一般認(rèn)為16MnR鋼是屈服點(diǎn)為350MPa級的低合金中等強(qiáng)度鋼，其可焊性是幾種低合金鋼壓力容器專用鋼中最好的一種。因此，用CO2焊接16MnR厚板結(jié)構(gòu)件的前景很大，非常使用。2 16MnR鋼的組織性能和焊接性2.1 16MnR鋼的簡介在板材里，屬低合金系列。在低合金的材質(zhì)里，此種材質(zhì)為最普通的。Q345過去的一種叫法為：16Mn。Q345是一種鋼材的材質(zhì)。它是低合金鋼（C0.2%)，廣泛應(yīng)用于橋梁、車輛、船舶、建筑、壓力容器等。Q代表的是這種材質(zhì)的屈服，后面的345，就是指這種材質(zhì)的屈服值，在345左右。并會隨著材質(zhì)的厚度的增加而使其屈服值減小。Q345A級，是不做沖擊;Q345B級，是20度常溫沖擊;Q345C級，是0度沖擊;Q345D級，是20度沖擊;Q345E級，是40度沖擊。在不同的沖擊溫度，沖擊的數(shù)值也有所不同。Q345的外部執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為：GB709，內(nèi)部執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為：GB/T1591-9由于執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的原因，此種鋼板允許負(fù)公差交貨。2.216MnR鋼的組織性能Q345鋼屬于低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，這種鋼具有高強(qiáng)度，高韌性、良好的耐蝕性及良好的焊接性能和冷成型能力，其成分如表l所示。Q345鋼一般在熱軋狀態(tài)下使用，它具有良好的綜合力學(xué)性能、Q345低溫時的韌性較好，一40時的沖擊功大干等于2 7 J。在有特殊需要時，如為了改善焊接區(qū)性能，可進(jìn)行一次正火處理。Q345鋼屬16Mn系列鋼種，AA-有良好的綜合力學(xué)性能，低溫沖擊韌性，冷沖壓性及切削性均好，可以制造大型船舶，鐵路車輛，橋梁，管道等承受負(fù)荷的焊接結(jié)構(gòu)，這就要求其不僅有好的力學(xué)性能，還要有好的焊接性。Q 3 4 5鋼焊接后焊縫的化學(xué)成分及焊接接頭的力學(xué)性能見表2，從表中可以看出，焊縫的化學(xué)成分與母材的相近，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度較高，但韌性較低，硬度高于母材。其焊縫金屬的顯微組織呈柱狀晶分布，晶界處為鐵素體，晶內(nèi)為素氏體和針、塊狀分布的鐵素體。冷卻時，由于向外散熱，故使焊縫的熔融金屬沿?zé)釘U(kuò)散方向結(jié)晶而獲得柱狀晶，此時，先共析的鐵素體沿柱狀品界析出，由于溫度較高，且冷速又稍快，因此組織呈過熱特征，但隨后的冷卻過程中，奧氏體因過冷度較大，而轉(zhuǎn)變?yōu)樗魇象w組織。焊縫組織下方為融合區(qū)，此處融合情況良好；過熱區(qū)的顯微組織為針狀或塊狀分布的鐵素體和素氏體，此處品粒粗大，呈魏氏組織。這是該區(qū)加熱溫度高，奧氏體晶粒顯著長大，冷卻后得到粗大的過熱組織，使沖擊韌性降低；重結(jié)晶區(qū)組織為晶粒細(xì)小的鐵素體和珠光體，由于加熱溫度超過了A C 3，所以鐵素體和珠光體已全部轉(zhuǎn)化為奧氏體，又由于加熱溫度較低，奧氏體晶粒未顯著長大，因此在空氣中冷卻以后會得到均勻細(xì)小的鐵素體和珠光體；母材的顯微組織為鐵素體和珠光體呈帶狀分布。Q 3 4 5鋼無熱裂紋傾向，其焊接接頭熱影響區(qū)沒有出現(xiàn)裂紋，其焊縫的化學(xué)成分與母材的相近，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度、硬度較高，但韌性較低，其焊接接頭的過熱區(qū)形成了魏氏組織，容易產(chǎn)生脆化，構(gòu)成了接頭的薄弱環(huán)節(jié)，這時易以小線能量焊接，在過熱區(qū)獲取板條馬氏體，韌性會達(dá)到改善。2.3 16MnR鋼的焊接性16MnR鋼是實(shí)際工業(yè)設(shè)計和生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛的機(jī)械結(jié)構(gòu)之一，主要用于工程結(jié)構(gòu)焊接。通過對Q 3 4 5鋼的焊接工藝分析，在焊接過程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場合選擇合適的焊接材料、焊接工藝以及焊接方法。同時還應(yīng)注意在焊接過程中容易出現(xiàn)的問題，應(yīng)考慮到各方面的因素做好防止措施，正確施焊，確保優(yōu)良的焊接質(zhì)量。所有這些都對我們更好地利用Q 3 4 5工程結(jié)構(gòu)鋼提供了現(xiàn)實(shí)依據(jù)。16MnR鋼的熱切割性能與低碳鋼相近，氣割邊緣淬硬層很（1mm）,電弧氣刨切口邊緣沒有明顯的增碳層，切割后不必加工而直接焊接。16MnR鋼可以順利地進(jìn)行冷彎與機(jī)械切割，由于屈服點(diǎn)比低碳鋼高，冷壓成型時回彈力較大，在冷彎、冷剪、冷矯時，壓力應(yīng)選的大些，同時彎曲半徑不能過小。 16MnR鋼加熱到800以上可以進(jìn)行各種壓熱成型，一般加熱溫度為10001100，終壓溫度為750850。經(jīng)熱壓后力學(xué)性能無明顯的變化，一般不再需要進(jìn)行熱處理。16MnR鋼也可以用加熱矯正變形。實(shí)踐表明，火焰矯正的加熱溫度最好控制在700800之間，不宜超過900?；鹧娉C正后可以空冷也可以水冷，性能無明顯的差別。 16MnR鋼的焊接性較好，一般不需要預(yù)熱。由于鋼中有一定量的合金元素，碳當(dāng)量高于Q235鋼，但一般不超過0.40%；另外，淬硬性應(yīng)大于Q235鋼因此當(dāng)結(jié)構(gòu)剛性較大或在低溫下施工時，應(yīng)適當(dāng)預(yù)熱，預(yù)熱溫度見表1。表1 16MnR鋼的預(yù)熱溫度鋼牌號板厚/mm不同氣溫下的預(yù)熱溫度/16MnR16一下-10以上不預(yù)熱；-10以下 100150 1624-5以上不預(yù)熱；-5以下 100150 2510以400以上不預(yù)熱； 0以下10015040以上一律預(yù)熱 100150 16MnR鋼采用焊條電弧焊時，一般選用E50XX型焊條。焊接重要結(jié)構(gòu)（如壓力容器），應(yīng)選用堿性焊條（E5015，E5016）。對小厚度和坡口角度小或要求不高的產(chǎn)品，也可選用E42XX型的碳鋼焊條（E4215，E4216）。16MnR：合金元素總量在5%以下，屈服強(qiáng)度在275Mpa以上，具有良好的焊接性、耐蝕性和成形性的低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。16MnR鋼一般都是熱軋狀態(tài)供貨、不需要熱處理，特別是厚度小于20mm的鋼板，其機(jī)械性能都很高，故一般都是熱壓以后直接使用。對于較厚的板材為了改善鋼材的塑性、低溫沖擊韌性或冷壓成型等加工性能。有時也采用正火處理后使用從而提高了鋼材的屈服強(qiáng)度和低溫沖擊韌性，降低了臨界轉(zhuǎn)變溫度，同時也改變了加工成型及可焊性。2.4材料介紹 16MnR化學(xué)成分如表2（%）：表2 16MnR化學(xué)成分元素CMnSiPSAlVNbTi含量0.21.0-1.60.550.0350.0350.0150.02-0.150.015-0.060.02-0.216MnR力學(xué)性能如表3（%）：表3 16MnR力學(xué)性能機(jī)械性能指標(biāo)伸長率（%）試驗(yàn)溫度0抗拉強(qiáng)度MPa屈服點(diǎn)MPa數(shù)值522J34b（470-650）s（324-259）16MnR機(jī)械性能如表4：表4 16MnR機(jī)械性能鋼材厚度或至直徑（mm）屈服強(qiáng)度s(MPa)抗拉強(qiáng)度b(MPa)延伸率s(%)冷淬實(shí)驗(yàn)180不小于16355221d=2a1725335019d=3a2636314819d=3a3850294819d=3a55100方、圓板284819d=3a16MnR剛的可焊性含碳量為0.12%、錳1.31.6%、硅0.40.6%屬于低碳硅鋼。16MnR鋼可焊性實(shí)驗(yàn)結(jié)果(分為4點(diǎn))：a、用手弧焊和自動焊在常溫下焊接的16MnR鋼對接接頭焊接熱影響區(qū)一般不出現(xiàn)淬硬組織。b、常溫下焊接的T型接頭，當(dāng)焊腳不小于6，且為連接焊縫時，焊接熱影響區(qū)一般均不出現(xiàn)馬氏體組織而是少量的貝氏體、珠光體和鐵素體的混合組織、綜合性能良好。最高硬度小于HV350，其中焊腳愈大，最高硬度值愈底。c、常溫下焊接16MnR鋼T型接頭的小焊腳短焊縫（如焊腳4mm，焊縫長度小于100mm），當(dāng)板厚大于16mm時，焊接熱影響區(qū)一般將出現(xiàn)馬氏體，即淬硬組織。d、相同焊接溫度下，增大焊接電流時，冷卻速度慢，則組織較好，硬度較低。3 16MnR鋼焊接過程中存在的問題及產(chǎn)生的原因鋼的焊接性主要取決于化學(xué)成分，鋼中元素對焊接性影響最大的是碳。熱軋及正火鋼屬于非熱處理強(qiáng)化鋼，碳及合金元素的含量都比較低，總體來看焊接性較好。但隨著合金元素的增加和強(qiáng)度的提高，焊接性變差。焊接問題主要來自兩方面：焊接裂紋與熱影響區(qū)母材性能下降。3.1 16MnR鋼的焊接裂紋主要是冷裂紋大量研究結(jié)果表明，對鋼材來說冷裂紋形成的溫度大體在100-100之間，具體溫度隨母材與焊接條件而不同。冷裂紋多產(chǎn)生于有淬硬傾向的低合金高強(qiáng)度鋼和中、高碳鋼的焊接接頭。裂紋大多在熱影響區(qū)，通常發(fā)源于熔合區(qū)，有時也出現(xiàn)在高強(qiáng)度鋼和鈦合金的焊縫中。形成冷裂紋的三個基本因素：(1)氫的影響 導(dǎo)致接頭產(chǎn)生冷裂紋的氫主要是擴(kuò)散氫。實(shí)驗(yàn)證明，隨著焊縫中擴(kuò)散氫含量的增加，冷裂紋率較高。例如，用含有較多有機(jī)物的焊條進(jìn)行焊接，出現(xiàn)大量的焊道下裂紋；而用低氫型焊條焊接時，則未出現(xiàn)或很少出現(xiàn)焊道下裂紋。近年來，一些學(xué)者在顯微鏡下觀察彎曲試件的斷裂情況時，還觀察到在裂縫尖端附近有氫氣泡析出。擴(kuò)散氫含量還影響延遲裂紋延時的長短，擴(kuò)散氫含量越高，延時越短。 (2)鋼種的淬硬傾向 一般來說，鋼種淬硬傾向越大，則接頭中出現(xiàn)馬氏體的可能性越大，則越容易產(chǎn)生冷裂紋。當(dāng)材料一定時，隨冷卻速度不同，接頭的組織將相應(yīng)改變，冷速越高，馬氏體的含量越高，導(dǎo)致裂紋率上升。 (3)焊接接頭的拘束應(yīng)力 焊接接頭的拘束應(yīng)力，包括接頭在焊接過程中因加熱不均勻所承受的熱應(yīng)力、相變應(yīng)力、結(jié)構(gòu)自身幾何因素所決定的內(nèi)應(yīng)力。三個方面的應(yīng)力都是不可避免的，由于都與拘束條件有關(guān)而統(tǒng)稱為拘束應(yīng)力。拘束應(yīng)力的作用是形成冷裂紋的重要因素之一，在其他條件一定時，拘束應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值就會產(chǎn)生開裂。低碳鋼中加入了較多的提高淬透性的合金元素，提高過冷奧氏體的穩(wěn)定性，因此在焊接條件下，一般不會發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，容易得到馬氏體和貝氏體。馬氏體屬淬火組織，但由于含碳量低，仍保持較高的韌性。而且這類鋼的Ms點(diǎn)比較高，如果在Ms點(diǎn)附近的冷速比較低，Ms點(diǎn)后就形成一次“自回火”過程，使韌性得到改善，而且避免產(chǎn)生冷裂紋。反之，若在Ms點(diǎn)附近的冷速較高，比能實(shí)現(xiàn)“自回火”，在焊接應(yīng)力的作用下就很可能產(chǎn)生冷裂紋。因此，從防止冷裂紋的角度考慮，焊接低碳鋼時，希望高溫時冷速較高，而在Ms點(diǎn)附近的冷速要低些。低碳鋼對擴(kuò)散H比較敏感，當(dāng)對H控制不嚴(yán)時，冷裂紋敏感性還是相當(dāng)高的。3.2消除應(yīng)力裂紋焊后焊件在一定溫度范圍內(nèi)再次加熱時，由于高溫與殘余應(yīng)力的共同作用而產(chǎn)生的晶間裂紋，稱為消除應(yīng)力裂紋，又叫再熱裂紋。經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)研究確認(rèn)，消除應(yīng)力裂紋的產(chǎn)生是由于晶界優(yōu)先滑動而導(dǎo)致微裂發(fā)生并擴(kuò)展所致。即焊后再熱時，在殘余應(yīng)力松弛過程中，粗晶區(qū)應(yīng)力集中部位的晶界滑動變形量超過了該部位的塑性變形能力，就會產(chǎn)生消除應(yīng)力裂紋。防止消除應(yīng)力裂紋的措施：（1）選用對消除應(yīng)力裂紋敏感性低的母材；（2）選用低強(qiáng)高塑性的焊接材料；（3）控制結(jié)構(gòu)鋼性與焊接殘余應(yīng)力；（4）工藝方面的措施：預(yù)熱 焊后及時進(jìn)行后熱 控制焊接線能量低碳鋼中大都含有Cr、Mo、V、Nb、Ti、B等提高消除應(yīng)力裂紋敏感性的元素，其中作用最大的是V，其次是Mo，因而二者共存時情況最嚴(yán)重。一般認(rèn)為Mo-V鋼，特別是Cr-Mo-V鋼對消除應(yīng)力裂紋的敏感性最高，Mo-B鋼、Cr-V鋼也有一定的敏感性。不同成分的鋼對消除應(yīng)力裂紋敏感的溫度不盡相同，焊接時可通過降低退火溫度、進(jìn)行適當(dāng)預(yù)熱或后熱等措施，防止消除應(yīng)力裂紋。低碳鋼一般采用先進(jìn)的技術(shù)冶煉，對雜質(zhì)控制嚴(yán)格，抗層狀撕裂能力較好，目前尚未發(fā)現(xiàn)層狀撕裂的報導(dǎo)。3.3結(jié)晶裂紋結(jié)晶裂紋又叫凝固裂紋，主要產(chǎn)生于焊縫凝固過程中。當(dāng)冷卻到固相溫度附近時，由于凝固金屬的收縮，殘余液體金屬不足而不能及時填充，在應(yīng)力作用下發(fā)生沿晶界開裂。結(jié)晶裂紋主要產(chǎn)生在含雜質(zhì)（S、P、C、Si）偏高的碳鋼、低合金鋼以及單相奧氏體鋼、鎳基合金與某些鋁合金焊縫中。一般沿焊縫樹枝狀晶的交界處發(fā)生和擴(kuò)展。常見于焊縫中心沿焊縫長度擴(kuò)展的縱向裂紋，有時也分布在兩個樹枝晶粒之間。結(jié)晶裂紋表面無金屬光澤，帶有氧化顏色，焊縫表面的宏觀裂紋中往往填滿焊渣。 16MnR中含碳量較低，并含有一定的錳，MnS比值一般可以達(dá)到防止結(jié)晶裂紋的要求。在若母材化學(xué)成分反常，如碳和硫同時居上限或嚴(yán)重偏析，則有產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的可能。在這種情況下，應(yīng)采取必要的防止措施。根據(jù)圖1-1所示碳、硫和錳對結(jié)晶裂紋的影響曲線可知，為了防止結(jié)晶裂紋，（1）應(yīng)提高焊縫含錳的同時降低碳、的含量，（2）調(diào)整焊接參數(shù)已得到抗裂能力較強(qiáng)的焊縫成形系數(shù)，（3）焊接時選用超低碳焊絲，并從工藝上降低熔合比。（4）調(diào)整冷卻速度，（5）調(diào)整焊接順序，降低拘束應(yīng)力。 圖1-1焊縫中C、Mn、S含量對結(jié)晶裂紋的影響3.4層狀撕裂 層狀撕裂主要與鋼的冶金質(zhì)量、板厚、焊接接頭形式和Z向應(yīng)力有關(guān)，與鋼的強(qiáng)度并無直接的關(guān)系。一般認(rèn)為，鋼中的含硫量與斷面收縮率是衡量抗層狀撕裂能力的主要判斷依據(jù)。當(dāng)冷卻到固相溫度附近時，由于凝固金屬的收縮，殘余液體金屬不足而不能及時填充，在應(yīng)力作用下發(fā)生沿晶界開裂。3.5熱影響區(qū)性能的變化（1）過熱區(qū)脆化 16MnR的過熱區(qū)脆化程度與含碳量有關(guān)，當(dāng)含碳量在下限（c=0.12%0.14%）時，過熱區(qū)韌性隨線能量E的增加而下降。這是因?yàn)榫€能量的增加，時奧氏體晶粒的粗化更嚴(yán)重，冷卻后會出現(xiàn)魏氏組織，因此，適當(dāng)降低線能量有助于提高韌性。這時，即使冷速較大而出現(xiàn)淬火組織。但低碳馬氏體仍有較高的韌性。造成脆化的主要原因是因?yàn)槌霈F(xiàn)馬氏體，應(yīng)控制線能量，降低冷速。（2）熱應(yīng)變脆化 它是由固溶的氮引起的。16MnR鋼焊接厚韌脆轉(zhuǎn)變溫度比焊前提高53，消除熱應(yīng)變脆化的有效措施時進(jìn)行焊后熱處理。3.6影響低碳鋼焊接性的其他因素低碳鋼中含碳較低。含錳、硅又少，所以，通常情況不會因焊接而引起嚴(yán)重硬化組織和淬火組織，這種鋼材的塑性和沖擊韌性度優(yōu)良，焊成的接頭韌性和沖擊韌度也很好，焊接時一般不需要預(yù)熱?？刂茖娱g溫度和后熱，焊后也不必采用熱處理改善組織，可以說整個焊接過程不需要特殊的工藝措施，其焊接性良好，可以采用各種焊接方法焊接，但遇到下述情況，低碳鋼的焊接性也會不好，焊接時出現(xiàn)困難。 1）低碳鋼母材不合格，含碳、硫過高，焊接時可能出現(xiàn)裂紋，尤其是遇到下列情況，如角焊縫、對接多層焊第一道焊道、整個板面采用單面焊單層焊縫和大間隙對接第一道焊縫等。 2）采用舊冶煉方法生產(chǎn)的低碳轉(zhuǎn)爐鋼。因含氮高，雜質(zhì)較多，冷脆性和實(shí)效敏化感性大，焊接接頭質(zhì)量低，焊接性較差。因此，轉(zhuǎn)爐冶煉低碳鋼不能用于重要的結(jié)構(gòu)件。國內(nèi)目前生產(chǎn)轉(zhuǎn)爐用鋁.鈦脫氧，鋼的質(zhì)量大為改善。即使這樣，這種鋼作重要結(jié)構(gòu)之前應(yīng)對焊接性特別是實(shí)效敏感性.冷脆敏感性進(jìn)行評估，以保證焊接結(jié)構(gòu)質(zhì)量。 3）低碳沸騰鋼。由于沸騰鋼脫氧不完全，局部硫磷偏析大，實(shí)效敏感性.冷脆敏感性大，焊接熱裂紋傾向較大，所以這種鋼不宜做承受動載或嚴(yán)寒條件下工作的重要結(jié)構(gòu)。鎮(zhèn)靜鋼脫氧完全，含氧量低，雜質(zhì)分布較均勻，可用于制造焊接結(jié)構(gòu)。焊接沸騰鋼在工藝上應(yīng)采取必要措施，防止裂紋。 4）焊接方法不當(dāng)，如埋弧焊熱輸入大，會使焊接熱影響區(qū)出現(xiàn)粗晶組織，使熱影響區(qū)韌性降低；電渣焊的熱輸入比埋弧焊還要大，熱影響區(qū)晶粒更加粗大，韌性降低明顯，所以低碳鋼電渣焊接頭焊后通常要經(jīng)正火處理，細(xì)化晶粒，以提高其韌性。4 制定焊接工藝及填寫焊接工藝卡片16MnR鋼是在正火狀態(tài)下使用的，綜合力學(xué)性能和焊接性都比較好。焊接接頭的抗拉強(qiáng)度較高，但韌性較低，硬度高于母材其焊縫金屬的顯微組織呈柱狀晶分布，晶界處為鐵素體，晶內(nèi)為索氏體和針、塊狀分布的鐵素體。冷卻時，由于向外散熱，故使焊縫的熔融金屬沿?zé)釘U(kuò)散方向結(jié)晶而獲得柱狀晶，此時，先共析的鐵素體沿柱狀晶界析出，由于溫度較高，且冷速又稍快，因此組織呈過熱特征，但隨后的冷卻過程中，奧氏體因過冷度較大，而轉(zhuǎn)變?yōu)樗魇象w組織。焊縫組織下方為融合區(qū)，此處融合情況良好；過熱區(qū)的顯微組織為針狀或塊狀分布的鐵素體和索氏體。此處晶粒粗大，呈魏氏組織這是該區(qū)加熱溫度高，奧氏體晶粒顯著長大，冷卻后得到粗大的過熱組織，使沖擊韌性降低；重結(jié)晶區(qū)組織為晶粒細(xì)小的鐵素體和珠光體。由于加熱溫度超過了Ac3，所以鐵素體和珠光體已全部轉(zhuǎn)化為奧氏體，又由于加熱溫度較低，奧氏體晶粒未顯著長大因此在空氣中冷卻以后會得到均勻細(xì)小的鐵素體和珠光體；母材的顯微組織為鐵素體和珠光體呈帶狀分布。16MnR鋼無熱裂紋傾向，其焊接接頭熱影響區(qū)沒有出現(xiàn)裂紋,其焊縫的化學(xué)成分與母材的相近，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度、硬度較高，但韌性較低,其焊接接頭的過熱區(qū)形成了魏氏組織，容易產(chǎn)生脆化，構(gòu)成了接頭的薄弱環(huán)節(jié),這時易以小線能量焊接,在過熱區(qū)獲取板條馬氏體,韌性會達(dá)到改善。為了保證焊接質(zhì)量，防止焊接裂紋或熱影響區(qū)性能下降，從焊前準(zhǔn)備到焊后熱處理的各個環(huán)節(jié)都需要進(jìn)行嚴(yán)格控制。4.1編制焊接工藝4.1.1接頭與坡口的設(shè)計 合理的接頭設(shè)計應(yīng)使應(yīng)力集中系數(shù)盡可能小，且具有好的可焊到性，并便于焊后檢驗(yàn)。為此，應(yīng)避免將焊縫布置在斷面突然變化的部位，并考慮施焊方便，一般來說，對接焊縫比角焊縫更合理，因?yàn)楹笳邞?yīng)力集中系數(shù)大，并有明顯的缺口效應(yīng)。同時對接焊縫更便于進(jìn)行射線或超聲波探傷。坡口形式以U形或V形為佳，且應(yīng)保證焊縫與母材交界處平滑過渡?？紤]到V坡口由于焊接填充量大，焊接效率低，并且焊后將產(chǎn)生應(yīng)力集中和邊緣應(yīng)力，板厚=100mm，所以一般不用雙V形坡口，而采用雙Y形坡口。坡口形式如圖2所示：圖2 坡口形式4.1.2坡口制備當(dāng)采用火焰切割16MnR鋼時,應(yīng)預(yù)熱100,切割邊緣進(jìn)行表面磁粉探傷。采用碳弧氣刨清根或清理缺陷時,應(yīng)將工件預(yù)熱150以上,并清除坡口及兩側(cè)各2030mm范圍內(nèi)的油污、鐵銹、氧化物、熔渣和水分等有害物質(zhì)。角向磨光機(jī)修磨焊口表面的焊渣以及飛濺物。坡口表面進(jìn)行PT檢查。組焊環(huán)焊縫時，對丁字口處進(jìn)行PT探傷檢查，確定無缺陷方可進(jìn)行焊接。4.1.3焊接方法的選擇 厚壁壓力容器的焊接一般不采用手工電弧焊，多采用單絲或雙絲埋弧焊，有時也采用窄間隙焊。用氣保焊打底，雖然成本是高了一點(diǎn)，但是它不用清渣，節(jié)省了勞動力，也不會產(chǎn)生夾渣等缺陷，所以還是比較劃算的。由于埋弧焊生產(chǎn)率高、焊接質(zhì)量好、焊接成本低，勞動條件好，能很好的焊接厚鋼板。4.1.4焊材的選用選擇焊接材料最重要的原則就時保證焊縫金屬的性能，使之滿足產(chǎn)品的技術(shù)要求，從而保證產(chǎn)品在服役中正常運(yùn)行。熱軋及正火鋼主要用于制造受力構(gòu)件，要求焊接接頭具有足夠的強(qiáng)度，適當(dāng)?shù)那鼜?qiáng)比，足夠的韌性和低的時效敏感性，即具有與產(chǎn)品技術(shù)條件相適應(yīng)的力學(xué)性能。采用手工電弧焊打底、填充，焊條J507 3.2mm；埋弧焊時，選擇焊絲還應(yīng)考慮融合比和焊劑對焊縫成分的影響，用埋弧焊繼續(xù)進(jìn)行填充、蓋面，焊絲H10MnSiA 6mm，焊劑SJ101。埋弧焊用的焊絲要嚴(yán)格清理，焊絲表面的油、銹及拔絲用的潤滑劑都要清理干凈，以免污染焊縫產(chǎn)生氣孔。一般焊劑須在250溫度下烘干，并保溫12h。不同的焊接方法的配合見表5。表5 不同的焊接方法的配合鋼號焊條型號焊條牌號埋弧焊電渣焊CO2氣體保護(hù)焊焊絲焊劑焊絲焊劑16MnRE50型J50不開坡口對接H08A中板開坡口對接H08MnA,H10Mn2厚板深坡口對接 H10Mn2HJ431H08MnMoAHJ431HJ360H08Mn2SiAHJ3504.1.4焊接工藝參數(shù) 在焊接時，焊接參數(shù)的選用直接影響到接頭的性能。為了防止熱影響區(qū)脆化和產(chǎn)生冷裂紋，所選線能量應(yīng)保證冷卻速度在最佳范圍內(nèi)。實(shí)際生產(chǎn)中確定線能量的步驟是，首先通過實(shí)驗(yàn)確定所焊鋼材保證韌性的最大線能量，然后根據(jù)用此線能量焊接時的冷裂紋傾向確定是否需要預(yù)熱。焊接工藝具體參數(shù)如下：（1）打底焊手工電弧焊的焊接參數(shù)：焊條直徑3.2mm，焊接電壓2325V，焊接電流90105A，焊接速度911m/h。（2）填充焊埋弧焊的焊接參數(shù)：第一、二層焊接時：焊絲直徑6mm，焊接電流10501150A，焊接電壓3840 V，焊接速度2225 m/h。中間層焊接時：焊絲直徑6mm，焊接電流10001100A，焊接電壓3840 V，焊接速度1620 m/h。蓋面焊接時：焊絲直徑5mm，焊接電流800840A，焊接電壓3638V，焊接速度2428 m/h。4.1.5 焊接順序焊接時，應(yīng)先焊完里側(cè)，由于用CO2焊打底所以不用清根，然后再焊外側(cè)，應(yīng)保證焊接時的層間溫度在150250范圍內(nèi)，然后按照焊接工藝卡片上的順序進(jìn)行焊接，并保證焊縫的致密性和全焊性。4.1.6 焊前預(yù)熱 焊前預(yù)熱是防止冷裂紋，改善接頭性能的主要措施。預(yù)熱溫度受母材強(qiáng)度、焊條類型、坡口形式、環(huán)境溫度等因素的影響，并可利用其中有關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行初步估算。對于此設(shè)計預(yù)熱溫度應(yīng)大于150,預(yù)熱范圍要大于焊接區(qū)150 mm以上,層間溫度150250。預(yù)熱主要是防止裂紋，同時還具有一定的改善性能作用。預(yù)熱溫度的確定是比較復(fù)雜的，取決于以下因素：A:材料的化學(xué)成分。如果CE0.4時,基本無淬硬傾向,一般情況下不必預(yù)熱。由于鋼中有一定的合金元素，碳當(dāng)量高于Q235鋼，但一般不超過0.40%；另外淬硬傾向大于Q235鋼，因此當(dāng)結(jié)構(gòu)剛性較大或在低溫下施工時，應(yīng)適當(dāng)預(yù)熱，預(yù)熱溫度見表6。表6 預(yù)熱溫度板厚mm不同氣溫下的預(yù)熱溫度板厚mm不同氣溫下的預(yù)熱溫度16以下-10以上不預(yù)熱；-10以下10015025400以上不預(yù)熱0以下1001501624-5以上不預(yù)熱-5以下10015040以上一律預(yù)熱100150而利用下面的公式也可以對預(yù)熱溫度進(jìn)行一下估算： T0(預(yù)熱溫度)=1400Pc-392B:與含氫量有關(guān)。含氫量越高,裂紋產(chǎn)生的傾向越大，要求預(yù)熱溫度也越高所以酸性焊條所需的預(yù)熱溫度比低氫型的高。即使同樣是低氫型焊條，還與它的烘干溫度有關(guān)。4.1.7 焊后熱處理焊后熱處理是壓力容器制造工藝過程中重要的工藝環(huán)節(jié),對厚壁壓力容器更是如此。焊后熱處理的目的是: 1)松弛焊接殘余應(yīng)力及穩(wěn)定結(jié)構(gòu)形狀和尺寸;2)軟化熱影響區(qū),提高焊縫金屬的塑性及斷裂韌性;3)提高抗應(yīng)力腐蝕的能力; 4)釋放焊縫金屬中的有害氣體氫氣,防止延遲裂紋的產(chǎn)生。16MnR鋼的熱切割性能與低碳鋼相近，氣割邊緣淬硬層很窄（1mm），電弧氣刨切口邊緣沒有明顯的增碳曾，切割后可不必加工而直接焊接。16MnR鋼可以順利地進(jìn)行冷彎與機(jī)械切割，由于屈服點(diǎn)比低碳鋼高，冷壓成形時回彈力較大，在冷彎、冷剪、冷矯時，壓力應(yīng)選的大些，同時彎曲半徑不能過小。筒節(jié)冷彎時，若D140，為消除冷作硬化，觀后應(yīng)進(jìn)行600650的消除應(yīng)力退火。16MnR鋼加熱到800以上可以進(jìn)行各種熱壓成形，一般加熱溫度為10001100，終壓溫度為750850.經(jīng)熱壓后力學(xué)性能無明顯變化，一般不進(jìn)行熱處理。16MnR鋼也應(yīng)用加熱矯正變形。實(shí)踐表明?；鹧娉C形的加熱溫度最好控制在700800之間，不易超過900.火焰矯正厚可以空冷，也可以水冷，性能無明顯差別。焊后熱處理規(guī)范見表7。表7 焊后熱處理規(guī)范鋼號焊后熱處理規(guī)范電弧焊電渣焊16MnR600650退火900930正火600650回火具體措施： （1）焊后工件立即進(jìn)行后熱處理,其溫度為300450,保溫時間4 h6 h。（2）壓力容器主體結(jié)構(gòu)在消除應(yīng)力熱處理后,進(jìn)行580620保溫,保溫時間6 h8 h。4.1.8 焊后檢驗(yàn)對焊縫進(jìn)行100%超聲波探傷檢查,要求達(dá)到級標(biāo)準(zhǔn),并進(jìn)行25%的射線復(fù)探,達(dá)到級標(biāo)準(zhǔn)。管板接頭應(yīng)進(jìn)行磁粉探傷。合格后修磨至焊縫圓滑。產(chǎn)品試板各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)指標(biāo)應(yīng)符合16MnR鋼母材的保證值或圖紙的技術(shù)要求。5 焊接性試驗(yàn)5.1 母材的化學(xué)成分分析 以16MnR鋼作為試板母材，母材的化學(xué)成分如表1所示。首先對試板進(jìn)行埋弧自動焊，焊后按國家標(biāo)準(zhǔn)GB26491 989，從每塊試板上取3個沖擊試樣，組成一組，如圖l所示，共做5組；然后按國家標(biāo)準(zhǔn)GBT 26501989，對焊縫進(jìn)行常溫V型缺口夏比沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示國家標(biāo)準(zhǔn)要求焊縫常溫沖擊吸收功大于27 J，而由表2可知，5組試樣中的第3組和第5組試樣的沖擊平均值達(dá)不到國家標(biāo)準(zhǔn)要求。16MnR的化學(xué)成分見表8。 表8 16MnR的化學(xué)成分圖3 沖擊式樣的取樣方法表 9 試件沖擊吸收功52 焊縫成分分析從焊接的角度分析，影響沖擊韌性的因素很多，如母材、焊絲與焊劑的成分、焊接工藝參數(shù)(包括電流、電壓 、焊速 、熱輸入等)、焊縫中的氣孔與夾雜，以及焊后熱處理是否合適等1。由表1可見，母材的化學(xué)成分基本符合國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定；為分析沖擊值與焊接工藝參數(shù)的關(guān)系，適當(dāng)改變焊接時的，I、U、 等參數(shù)，發(fā)現(xiàn)對焊縫沖擊值的影響不是很大；通常焊接環(huán)境不同，焊縫的質(zhì)量也會有很大差異，如當(dāng)環(huán)境潮濕時，焊縫中會增氫，使沖擊韌性降低，為此，對焊縫斷口做測氫試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)焊縫中氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)并未超標(biāo)。在特定的焊接工藝下，焊縫的力學(xué)性能在一定程度上取決于焊縫的化學(xué)成分。對試樣焊縫進(jìn)行化學(xué)成分分析，由表3可見，除了第5組試樣的w(C)較高外，其他元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本符合焊縫成分要求；計算焊縫的碳當(dāng)量，見表3，發(fā)現(xiàn)差別不大，故碳當(dāng)量也不是主要原因。因此，僅從焊縫成分分析，不能找出引起沖擊值偏低的真正原因。焊縫化學(xué)成分及碳當(dāng)量見表10。表10 焊縫化學(xué)成分及碳當(dāng)量53 焊縫斷口分析531 宏觀分析用肉眼和放大鏡觀察各組試樣斷口特征，可以發(fā)現(xiàn)：第1、2組試樣斷口顏色較灰暗，呈凹凸不平狀，邊緣剪切唇非常明顯；第4組試樣斷口顏色較第1組的白亮，斷口四周同樣存在剪切唇；第3、5組試樣宏觀斷口較其他組試樣平整，顏色也更亮一些，邊緣剪切唇較小，圖2為典型斷口宏觀照片。532 微觀分析從宏觀的角度只能觀察其斷裂方式，仍不能得出造成沖擊值偏低的原因。為此，采用掃描電鏡對斷口進(jìn)行微觀分析。a電鏡掃描形貌分析用XL30掃描電鏡分析斷口微觀形貌。從斷口SEM低倍照片可以看出，各組試樣在纖維區(qū)均為韌窩狀斷口，但第1、2、4組試樣的斷口韌窩面積要大于第3、5組試樣的。因此就可從斷口形貌上解釋不合格試樣沖擊值低于合格試樣的原因：韌窩面積大時，裂紋在擴(kuò)展過程中沿曲折的路徑擴(kuò)展，耗費(fèi)的能量較大。比較第2組合格試樣與第3組不合格式樣的SEM高倍照片(見圖3)，可以看出，兩者的斷口都是由韌窩和解理組成，即為準(zhǔn)解理斷裂。但前者斷口上的韌窩面積較大，后者韌窩面積較小。從不合格試樣的斷口SEM照片可以看出，斷口中含有明顯的河流花樣，沿著河流的流向可以找到裂紋起始于晶粒內(nèi)部，這與文獻(xiàn)2中指出的：“通常，準(zhǔn)解理斷裂源于晶粒內(nèi)部的空洞、夾雜物、第二相粒子等”相符。圖4 端口宏觀照片20（a） 第二組合格試樣 （b） 第三組不合格試樣圖5 試樣斷口SEM照片400b金相分析圖4所示為上述不合格的焊縫試樣剖面，經(jīng)打磨、拋光后在顯微鏡下拍攝的試樣焊縫區(qū)照片。從圖中可以非常明顯觀察到夾雜物的存在，且夾雜物的形狀主要呈三角或尖角狀，表現(xiàn)出顯著的聚集氧化物的特征2故可初步斷定造成16MnR鋼埋弧焊焊縫沖擊韌性偏低的原因是焊縫中存氧化物夾雜。c夾雜物能譜分析為進(jìn)一步分析夾雜物的來源及其產(chǎn)生機(jī)理，對夾雜物的成分進(jìn)行能譜分析將不合格試樣置于掃描電鏡下，選擇圖4中A、 、C三處的夾雜物，用EDAX能譜儀對試樣中的夾雜物進(jìn)行定量分析表4所示為A、B、C三處夾雜物的化學(xué)成分，由表4可知，夾雜物的主要化學(xué)成分為O、AI、Mg、Ca、Fe等元素，三處的w(O)都達(dá)到40左右，除此以外w(A1)最高，其次是w(Ca)、w(Mg)、w(Fe)、w(Si)。由此可知，斷口中所含夾雜物為氧化物或復(fù)合型氧化物。圖6 不合格試樣焊縫夾雜物分布400表11 夾雜物成分分析532結(jié)果分析通常，焊絲、焊劑及母材夾層在冶金反應(yīng)過程中生成的氧化物等，在熔池快速凝固條件下會殘留在焊縫金屬中形成夾雜物。有些細(xì)小、均勻分布的夾雜物如TiO等在鋼鐵焊縫中作為固態(tài)相變形核劑可以促進(jìn)焊縫金屬中針狀鐵素體的形成，細(xì)化組織，改善焊縫金屬的韌性和塑性3 ；但當(dāng)夾雜物以大顆粒方式存在時，則會降低焊縫金屬的塑性和韌性。由以上分析可知，造成16MnR焊縫試樣沖擊值偏低的原因很有可能是焊縫中存在大顆粒氧化物夾雜。533夾雜物引起焊縫沖擊值偏低的機(jī)理分析埋弧焊時，焊速很快，熔池凝固時間很短，母材本身存在的或母材與焊接材料發(fā)生冶金反應(yīng)時產(chǎn)生的夾雜物不能及時浮出熔池殘留在焊縫內(nèi)部，成為焊縫中潛在的裂源。夾雜物與焊縫基體之間的熱收縮系數(shù)相差很大，隨著焊縫的冷卻，收縮率小的夾雜物與收縮率大的焊縫基體之問就會出現(xiàn)問隙M。夾雜物的存在減小了焊縫的有效受力面積，使焊縫在較小的外力下發(fā)生斷裂；同時，基體變形與夾雜物變形之間的差異，會在夾雜物與焊縫基體的交界面處產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致基體微裂紋產(chǎn)生。因此，當(dāng)焊縫中存在比較多的大粒徑夾雜物時，會增加焊縫的脆性，降低焊縫的沖擊值。534 夾雜物的形成機(jī)理從夾雜物的成分分析可以看出，夾雜物主要由AI：O 等氧化物組成，產(chǎn)生氧化物的主要原因是焊縫中氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏高5。根據(jù)具體的試驗(yàn)條件分析可知，氧主要來源于焊劑。例如，焊劑HJ431，其化學(xué)成分一般為：W(SiO2)=4044，W(MnO)3438，W(AI2O3)4 W(O)=3438，W(CaO)6 ，w(MgO)=5 8，W(CaF )=3 7，W(FeO)18。焊劑HJ431中較多的SiO 和MnO，會使焊縫增氧。16MnR在冶煉時一般采用Al作脫氧劑，Al的活性比較高，母材和焊絲中過剩的Al會與焊劑中的SiO 、MnO等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成熔點(diǎn)很高的AI 0 ，往往以固態(tài)存在于金屬溶液中。由結(jié)晶動力學(xué)可知，在熔池凝固后期，往往會聚集大量的夾雜物，A1：0，容易聚集成大顆粒狀同理，對于Mg、Ca等元素，也會有類似情況發(fā)生。夾雜物除了可能來源于以上反應(yīng)外，還可能直接來源于焊劑。因?yàn)樗捎玫腍J431型熔煉焊劑，本身就含有A1：0，、CaO、MgO等氧化物，因不易熔化而直接進(jìn)入焊縫金屬中，成為焊縫中的夾雜物。4.4.無損檢測、熱處理、壓力試驗(yàn)、油漆、包裝和運(yùn)輸（1）由于產(chǎn)品厚度較大，射線探傷需采用銥192或鈷6O等放射源。（2）按圖樣、技術(shù)條件及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行油漆、 包裝和運(yùn)輸，若非臥式容器，熱處理時制作的支撐鞍座可用于運(yùn)輸鞍座。當(dāng)產(chǎn)品直徑或長度過大時，應(yīng)考慮分段運(yùn)輸，并到現(xiàn)場進(jìn)行組焊、探傷、熱處理、壓力試驗(yàn)和油漆。5.5總結(jié)厚壁結(jié)構(gòu)件制造的關(guān)鍵在于焊接，圍繞焊接，現(xiàn)將厚板結(jié)構(gòu)件制造的幾個要點(diǎn)總結(jié)如下：(1)合理周密的制造方法。 (2)科學(xué)可行的焊接工藝。 (3)質(zhì)量優(yōu) 良的板材 、焊材。(4)性能穩(wěn)定的焊接設(shè)備及輔助設(shè)備。 (5)技能過硬 、責(zé)任心強(qiáng)的生產(chǎn)人員。 (6) 良好的下料、坡口加工及縱焊縫的組對質(zhì)量。焊接質(zhì)量提高，產(chǎn)品制造周期可大幅提高，否則每出現(xiàn)一次質(zhì)量缺陷，返修所需工時約24h，(其中包括預(yù)熱、清除缺陷、打磨坡口、PT檢測、清理坡口、預(yù)熱、 焊接、消氫，以及重新無損檢測 UT、RT)；坡口角度增 大或間隙增大時，焊縫填充金屬量大大增加，制造工時 及成本增加的同時也加大了出現(xiàn)焊接缺陷的隱患；所以在厚壁結(jié)構(gòu)件造過程中，切不可急于求成，“以質(zhì)量保進(jìn)度”的方針必須貫徹。6 焊接工藝評定筒體材質(zhì)為16MnR，采用雙Y形坡口，采用手工電弧保護(hù)焊打底、填充，焊條J507 3.2mm；埋弧焊時，選擇焊絲還應(yīng)考慮融合比和焊劑對焊縫成分的影響，用埋弧焊繼續(xù)進(jìn)行填充、蓋面，焊絲H10MnSiA