高压锅炉的壳体焊接工艺设计Word文档下载推荐.docx
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Ⅱ类容器；
（1）高、超高压容器；
（2）剧毒介质的低压容器；
（3）易燃或有毒介质的低压反应容器和贮运容器；
（4）内径小于lm的低压废热锅炉。
Ⅲ类容器：
（1）高压、超高压容器；
（2）剧毒介质且P。
V≥196L·
MPa（2000L·
kgf／cm2）的低压容器或剧毒介质的中压容器；
（3）易燃或有毒介质且P。
V≥490L·
MPa（5000L·
kgf／cm2）的中压反应容器，或P。
V≥4900L·
MPa（50000L·
kgf／cm2）的中压贮运容器；
（4）中压废热锅炉或内径大于1m的低压废热锅炉。
213MnNiMoNbR钢的焊接性分析
213MnNiMoNbR的化学成分焊接性
刚的焊接性主要取决于化学成分，这类钢一般加入了
≤0.5﹪，Ni是固溶强化元素，Mo可以提高强度，细化组织，并提高钢的中温耐热性，但含Mo钢在正火后望望得到上贝氏体和少量的铁素体，韧性和塑性指标都不高，必须在正火后进行回火才能获得良好的塑性和韧性。
13MnNiMoNbR钢的化学成分见表2-1,力学性能见表2-2。
表2-1母材的化学成分（质量分数）（﹪）
C
Si
Mn
S
P
Cr
Ni
Mo
Nb
Fe
0.144
0.403
1.416
0.0039
0.003
0.298
0.830
0.345
0.0115
余量
表2-2母材的力学性能
抗拉强度Rm/MPa
屈服强度Rc/MPa
断后伸长率A（﹪）
冲击吸收功
AK/J（常温）
649.5
461
26
142
但随着合金元素的增加和强度的提高，焊接性也变差。
焊接的问题主要来自两个方面：
焊接裂纹和热影响区母材性能下降。
2.1焊接裂纹
2.1.1焊接中的结晶裂纹
热轧及正火钢的含碳量比较低，并且含有一定的锰，Mn/S比值一般可以达到防止结晶裂纹的要求，13MnNiMoNbR钢的焊接时若碳和硫同时居上限或存在严重的偏析，则有产生结晶裂纹的可能。
在这种情况下，应采取必要的防治措施。
图2-1所示碳、硫和锰对结晶裂纹的影响曲线可知，为了防止结晶裂纹，应在提高焊接锰量的同时降低碳、硫的含量。
具体措施可选用脱硫能力较强的低氢型焊条，埋弧焊时选用超低碳焊丝配合高锰高硅焊剂，并从工艺上降低融合比。
图2-1C、S、Mn对焊接接头结晶裂纹的影响
防止结晶裂纹的措施主要从冶金和工艺两个方面着手，其中冶金方面更重要一些。
（1）控制焊缝中的硫、磷、碳等有害元素的含量；
（2）对熔池进行变质处理可细化晶粒，可提高力学性能和抗结晶能力；
（3）调整熔渣的碱度碱度越高，熔池中的脱硫、脱氧越完全；
（4）调节焊接参数以得到抗裂能力较强的焊缝成形系数；
（5）调整冷却速度；
（6）调整焊接顺序，降低拘束应力。
2.1.2焊接冷裂纹
国际焊接学会（ⅡW）碳当量计算公式：
CE=C+Mn/6+（Cr+Mn+V）/5+（Cr+Ni）/15（％）计算出13MnNiMoNbR的含碳量为0.573％说明有一定的冷裂倾向，需要采取必要的工艺措施。
产生冷裂纹的三个基本因素如下：
（1）氢的影响导致接头产生冷裂纹的氢主要是扩散氢。
实验证明，随着焊缝中扩散氢含量的增加，冷裂纹率提高。
例如，用含有较多有机物的焊条（如氧化钛纤维素型）进行焊接，出现了大量的焊道下裂纹；
而用低氢型焊条焊接时，则出现或很少出现焊道裂纹。
如图1-2所示在电弧气氛中加入不同量的氢实验的结果，焊道下裂纹率也随着焊氢量的增加而上升。
（2）钢的淬透性一般来说钢的淬硬倾向越大，则接头中出现马氏体的可能性越大越易产生冷裂纹。
特别是合金钢含有较多的合金元素增加了钢的淬透性，在焊接后冷速很大的时候易产生马氏体，马氏体含量对冷裂纹率的影响如图1-3所示，可以看出，冷却速度提使马氏体含量增加，导致裂纹率上升。
这个规律对各种钢都是适用的，只是钢种的化学成分不同时，因马氏体的形态不同而产生冷裂纹的临界马氏体含量不同。
总之，钢种的淬硬倾向决定了接头中硬脆组织的数量，是促使冷裂纹形成的又一重要因素。
图1-2电弧气氛中含氢量对焊道下裂纹率的影响
a）试件尺寸b）裂纹率与气氛中的含碳量
HAZ的组织及硬度错误！
未指定书签。
图1-3马氏体含量与冷却速度的关系及其对热影响区冷率的影响
RF—拘束度
（3）焊接接头的拘束应力焊接接头的拘束应力包括接头在焊接过程中因加热不均匀所承受的热应力、相变力、结构自身几何因素所决定的内应力。
上述三方面的应力都是不可避免，由于都与拘束条件有关而统称为拘束应力，拘束应力也是形成冷裂纹的重要因素之一。
上述三个要素的作用是相互联系，相互制约的，不同条件下起主要作用的因素不同。
2.1.3消除应力裂纹
消除应力裂纹又称为再热裂纹。
经研究确认，消除应力裂纹的产生是由于晶界优先滑动而导致微裂纹发生并扩展所致。
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的晶界滑动变形量超过了该部位的塑性变形量超过了该部位的塑性变形能力，就会产生消除应力裂纹。
理论上消除应力裂纹产生的条件可用下式表示
e＞e0
式中e—粗晶区局部晶界的实际塑性应变；
e0—粗晶区局部晶界的塑性变形能力，即不产生开裂的临界应变量。
图2-4消除应力裂纹沿晶开裂情况图2-513MnNiMoNbR钢消除应力裂纹的部位
防止消除应力裂纹的措施：
（1）选用对消除应力裂纹敏感性低的母材；
（2）选用低强高塑性的焊接材料；
（3）控制结构刚性与焊接残余应力；
（4）工艺方面的措施。
1）预热：
预热是防止消除裂纹的有力措施之一，在200～450℃范围内预热可以取得较好效果，为防止消除裂纹，应将原定的预热温度适当的提高。
2）焊后及时进行后热处理：
后热可起到与预热相同的效果，并可降低预热温度。
以18MnNiMoNb钢为例，为防止冷裂纹及消除裂纹，则应将预热温度t0提高到230℃。
如果在焊后及时进行180℃×
2h的后热，则t0可降到450℃
3）控制线能量：
线能量对消除应力裂纹的影响比较复杂，与钢种的成分、热影响区的状态和残余应力的分布等因素有关。
对于条件一定的具体结构而言，一般的规律是增大线能量，可降低冷却速度，减小残余应力，使消除应力裂纹倾向减小。
但是线能量过大，则会使热影响区奥氏体晶粒粗化，反而是消除应力裂纹倾向增大。
低碳钢中大都含有Cr、Mo、V、Nb、Ti、B等提高消除应力裂纹敏感性的元素，其中作用最大的是V，其次是Mo，因而二者共存时情况最严重。
一般认为Mo-V钢，特别是Cr-Mo-V钢对消除应力裂纹的敏感性最高，Mo-B钢、Cr-V钢也有一定的敏感性。
不同成分的钢对消除应力裂纹敏感的温度不尽相同，焊接时可通过降低退火温度、进行适当预热或后热等措施，防止消除应力裂纹。
2.1.4层状撕裂
层状撕裂产生的根本原因是钢中存在夹杂物。
钢在轧制过程中夹杂物被轧成片状，平行于钢板表面眼轧制方向分布。
这种片状夹杂物的存在，大大削弱钢板在厚度方向的力学性能，特别是断面收缩率（Ak）大大降低。
防止层状撕裂的措施：
（1）控制夹杂物，特别是硫化物薄片状夹杂物相当于金属内部尖锐的缺口，使钢板的Z向力学性能大大降低，经实验证明，当钢种含硫量极低时，各个方向的塑性指标均有提高，层状撕裂敏感性随之降低。
（2）防止母材脆化焊接中发生过热区粗晶脆化、应变时效脆化及氢脆等，母材层状撕裂的敏感性明显增加，在焊接中应采取预热、保温缓冷、控制层间温度等降低冷却速度。
（3）设计和工艺上的措施：
1）尽量采用双侧焊缝，避免单侧焊缝。
可以缓和焊缝根部的应力分布并减小应力集中。
2）在强度允许的条件下，尽量采用焊接量小的对称角焊缝来代替焊接量大的全焊透焊缝，以减小应力。
3）对于T形接头可在横板上预堆焊一层强度低的金属，以防止出现焊根裂纹，可缓解作用在横板上Z向应力。
2.2热影响区性能的变化
热轧及正火钢焊接时，热影响区性能的主要变化是过热区脆化和可能发生的热应变脆化。
（1）过热区脆化过热区的加热温度在1200℃～固相温度范围内，高的加热温度造成奥氏体晶粒严重粗化及难熔质点（氮化物、碳化物）溶如固溶体，在这些都将明显影响过热区的性能。
具体变化则随钢种成分不同而异，而且与焊接工艺（主要是线能量）有密切关系。
正火钢的过热区催化的原因与魏氏组织无关，除晶粒粗化外，主要是由于在1200℃的高温下，起沉淀强化作用的碳化物、氮化物质点分解并溶解于奥氏体中，而在随后的冷却过程中来不及在析出而固溶在基体中，结果使铁素体的硬度上升，韧性下降。
所以正火钢过热区的韧性随线能量的增加而下降，并与沉淀强化元素的含量有关。
其实质是由于焊接热源的高温作用，使母材焊前的正火效果消失的结果。
当然，在钢中若含有较多的碳和合金元素时（如13MnNiMoNbR钢），也应注意快冷时发生马氏体转变而造成的脆化。
（2）热应变脆化热应变脆化是焊接过程中在热和应变同时作用下产生的一种应变时效，它是由于固溶的氮所引起的。
它的形成机理虽有很多的论述，但至今尚未有明确、一致的结论，多数人认为，是碳、氮原子集聚在位错附近对位错产生钉扎作用而引起的。
一般认为在200～400℃是最为明显，消除应变脆化的有效措施是进行焊后热处理，经600℃左右的消除应力退火后，材料的韧性可恢复到原来的水平。
改善热影响区的性能的措施：
（1）焊后热处理焊后热处理（如正火或正火+回火）可以改善组织，有效的提高性能，是重要产品制造过程中常用的一种工艺方法。
但是对于大型的、复杂的或在工地装配的结构即使采用局部热处理也很困难，因此焊后热处理的应用很有效。
（2）合理制订焊接工艺包括正确选择预热温度、合理控制焊接参数及后热等。
3高压锅炉常用的焊接方法及焊接工艺分析
3.1焊条电弧焊的简介及工艺分析
3.1.1焊条电弧焊原理、特点及应用
用手工操作焊条进行焊接的电弧焊方法称为焊条电弧焊（缩写SMAW，ISO代号为111）。
它是利用焊条与焊件之间建立起来的稳定燃烧的电弧，使焊条和焊件熔化，从而获得牢固的焊接接头，原理如图3-1。
图3-1焊条电弧焊的原理
1—药皮2—焊心3—保护气4—电弧5—熔池6—母材7—焊缝8—渣壳9—熔渣10—熔池
焊条电弧焊具有设备简单、操作方便、适应性强，对焊接头的装配要求低、能在空间任何位置焊接，但对焊工技术要求高、劳动条件差、生产效率低、焊接质量依赖程度高等的特点。
所以被广泛应用于造船、锅炉及压力容器的制造、机械制造、建筑结构、化工设备制造等工业领域。
3.1.2焊前准备
用气割或碳弧气刨加工坡口时，应保证加工面的质量，防止其表面凸凹不平，不合格的予以修磨，坡口表面不得有裂纹、夹渣、分层等缺陷，否则予以去除或修补。
清除坡口及其两侧10～20mm范围内的油污、铁锈、氧化皮等赃物。
焊条应按照规定的温度烘干，入炉和出炉的温度不应过高，以防药皮脆裂。
3.1.3焊接接头形式、坡口和焊缝
（1）接头形式用焊接方法连接的接头成为焊接接头常用的接头形式有：
对接接头、搭接接头、角接接头、和T型接头。
选择焊接接头形式主要根据产品的结构，并综合考虑受力条件、加工成本等因素。
（2）坡口坡口是根据设计或工艺需要，在焊件的待焊部位加工成一定几何形状并经装配后构成的沟槽。
坡口形式取决于焊件接头形式、焊件厚度以及对接头质量的要求，国家标准GB/T985-1988对此作了详细的规定。
对接接头是焊接结构中最常见的接头形式。
根据板厚不同对接接头常用的坡口形式有I形，Y形，X形，带钝边U形等。
角接接接头和T形接头的坡口形式可分为I形、带钝边的单边V形坡口和K形坡口等。
（3）焊缝焊缝是指焊件经焊接后所形成的结合部分。
按空间位置可分为平焊缝、横焊缝、立焊缝及仰焊缝四种形式；
按结合方式可分为对接焊缝、角焊缝及塞焊缝。
按焊缝断续情况可分为连续焊缝和断续焊缝两种形式。
3.1.4焊接工艺参数及选择
焊条电弧焊的焊接工艺参数包括：
焊条直径、焊接电流、电弧电压、焊接速度、电源种类和极性、焊接层数等。
焊接工艺参数选择的正确与否，直接影响焊缝形状、尺寸、焊接质量和生产率。
（1）焊条直径焊条直径指焊芯直径。
它是保证焊接质量和效率的重要因素。
焊条直径的选择一般根据焊件厚度选择，还应考虑接头形式、施焊位置和焊接层数，对于重要的焊接结构还要考虑焊接热输入的要求，一般情况，焊条直径与焊件厚度之间关系的参考数据见表3-1。
表3-1焊条直径与工件厚度之间的关系
焊件厚度∕mm
2
3
4～5
6～12
﹥13
焊条直径∕mm
2
3.2
3.2～4
4～5
4～6
（2）焊接电源种类和极性的选择用交流电源焊接时，电弧稳定性差。
采用直流焊接时，电弧稳定、飞溅少，但电弧磁偏吹较交流严重。
低氢型焊条稳弧性差，通常必须采用直流焊接电源，且一般来说用反接，因为反接的电弧比正接稳定。
（3）焊接电流的选择选择焊接电流时，应根据焊条类型、焊件直径、焊件厚度、接头形式、焊接位置和层数等因素综合考虑。
焊接电流选择不当易造成未焊透、夹渣或咬边、焊穿金属飞溅等。
对于一定的直径的焊条有一个合适的电流范围，可参考表2-2。
表3-2焊接电流和焊条直径的关系
焊接直径∕mm
1.6
2.0
2.5
3.2
4
5
6
焊接电流∕A
25～40
40～65
50～80
100～130
160～210
200～270
260～300
在相同焊条直径的条件下，平焊电流可大一些，其它位置焊接电流应小一些。
相同条件下，碱性焊条的焊接电流比酸性焊条小10％左右
（4）焊缝层数的选择在焊接厚度较大时，往往要进行多层焊，对于低碳钢和强度低的低合金钢的多层焊时，焊层厚度不能太大，对于质量要求高的焊缝，每层厚度不超过4～5mm。
焊层厚度主要依据焊件厚度、焊条直径、坡口形式和装配间隙等来确定，可按下面公式估算：
n=δ∕d
式中,n为焊接层数:
δ为焊接厚度（mm）:
d为焊条直径（mm）。
（5）电弧电压与焊接速度焊条电弧焊的电弧电压主要由电弧长度来决定:
电弧越长,电弧电压越大；
电弧越短，电压越小。
在焊接的过程中应尽量使用短弧焊接。
立焊、仰焊时，焊接电弧应比平时更短，以利于溶滴的过渡。
3.1.5焊接
应严格按照焊接工艺或焊接文件的要求进行。
焊接过程中，焊接速度应该均匀适当，既要保证焊透又要保证不焊穿，同时还要使焊缝宽度和余高符合设计的要求。
3.2埋弧焊的简介及工艺分析
埋弧焊是目前广泛使用的一种生产效率较高的机械焊接方法。
它与焊条电弧焊相比，虽然灵活性差一些，但焊接质量好、效率高、成本低，劳动条件好。
3.2.1埋弧焊的原理及特点
埋弧焊（英文缩写SAW，ISO代号为12），是电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法。
是利用焊丝和焊件之间燃烧的电弧产生热量，熔化焊丝、焊剂和母材而形成焊缝的。
焊接过程如图3-2
图3-2埋弧焊焊接过程
1—V型坡口2—焊道3—焊渣4—焊剂挡板5—接电源6—接自动送丝装置7—接焊剂漏斗8—焊剂输入导管9—焊剂10—接电源11—母材12—电极（焊丝或焊带）13—引弧板14—衬垫
埋弧焊主要有生产率高、焊缝质量好、焊接成本低、劳动条件好的优点，有难以在空间位置施焊、对焊件装配质量要求高、不适合焊接薄板和短焊缝。
它广泛用于造船、锅炉、化工容器、大型金属结构和工程机械等工业制造部门，是当今焊接生产中普遍使用的焊接方法之一。
3.2.2焊前准备
检查焊件坡口角度、钝边尺寸是否符合工艺文件的要求坡口面凸凹不平处应打磨修补，有裂纹、分层等缺陷应予清除。
并清除破口及两侧各20～30mm范围内的油污、铁锈、氧化物、熔渣和水分等有害物质。
也应保证焊剂清洁粒度均匀，焊丝应清除表面的油渍和锈斑等。
3.2.3坡口的选择
由于焊件的厚度为40mm，厚度较大，坡口应选择双V形、双U形，双Y形，必须保证能够焊透。
本设计所选的坡口形式如图3-3。
图3-3双Y形坡口
3.2.4焊接工艺参数及选择
埋弧焊工艺参数分为主要参数和次要参数。
主要参数是指那些直接影响焊缝质量和生产效率的参数，它们是焊接电流、电弧电压、焊接速度、焊丝和焊剂的成分与配合、电流的种类及极性和预热温度等。
对焊缝质量产生有限或无多大的影响的参数称为次要参数。
厚板的工艺参数如下表3-3所示。
表3-3厚板多层焊接工艺参数
焊接层数
焊丝直径（mm）
焊接电流（A）
电弧电压（V）
焊接速度（m/h）
第一、二层
600～700
35～37
28～32
中间各层
700～800
36～38
25～30
盖面层
650～750
38～42
焊接工艺方法确定后，即可按照钢材、板厚、和对接接头的要求，选择合适的焊剂和焊丝牌号，对于厚板或窄间隙埋弧焊接头，应选择能满足接头性能要求又具有良好工艺性和脱渣性的焊剂。
常用埋弧焊焊剂与匹配的焊丝牌号如表3-4。
表3-4常用埋弧焊焊剂的用途及配用的焊丝
焊剂类型
焊剂型号
成分类型
用途
配用焊丝
适用电流类型
使用前焙烘（b℃）
熔炼型
HJ130
无Mn高Si低F
低碳钢低合金钢
H10Mn2
交直流
2×
250
HJ131
Ni基合金
Ni基焊丝
HJ150
无Mn中Si中F
轧辗堆焊
H2Cr13
直流
HJ151
奥氏体不锈钢
相应钢种的焊丝
300
HJ172
无Mn低Si高F
含Nb、Ti不锈钢
400
HJ173
Mn、Al高合金
HJ230
低Mn高Si低F
H08MnAH10Mn2
HJ250
低Mn中Si中F
低合金高强钢
350
HJ251
珠光体钢
CrMo钢焊丝
HJ252
15MnV
H08MnMoA
HJ260
低Mn高Si中F
不锈钢
不锈钢焊丝
HJ330
中Mn高Si低F
HJ350
中Mn中Si中F
MnMoMnSi焊丝
HJ351
MnMo合金钢
HJ430
高Mn高Si低F
H08A
H08MnA
HJ431
HJ432
HJ433
低碳钢
烧结型
SJ101
碱性
重要的低合金钢
H08MnAH08MnMoA
SJ301
中性
锅炉钢
SJ401
酸性
低合金钢
SJ501
SJ502
由于埋弧焊的电弧热效率较高，焊缝及热影响区的冷却速度较慢，因此对于一般焊件结构，板厚40mm以下的接头可不预热；
厚度50mm以下的普通低合金钢，如施工现场的环境温度在10℃以上，焊前也不必预热；
强度极限600MPa以上的高强钢或其他低合金钢，板厚20mm以上的接头应预热100～150℃。
后热焊后热处理通常只用于低合金钢厚板的焊接接头。
综上所述，本设计将选择埋弧焊工艺。
3.3二氧化碳气体保护电弧焊的简介及工艺分析
二氧化碳气体保护电弧焊（简称CO2焊，ISO代号为135），是利用CO2作为保护气的熔化极电弧焊方法。
它以CO2气体作为保护介质，使电弧及熔池与周围空气隔离，防止空气中的氧
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