西安工大焊接工艺课程设计.docx
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西安工大焊接工艺课程设计
课程设计论文
课程：
焊接工艺学课程设计
题目：
09MnNiD钢焊接工艺评定试验设计
院、系：
材化学院
学科专业：
金属材料工程
学生：
邓紫棋
班级：
邓紫棋
校对：
邓紫棋
指导教师：
邓紫棋
2015年12月
1前言
09MnNiD属于含镍低温钢，由于含镍，使脆性转变温度降低，相对于无镍09MnD钢可以在更低的温度下保持较高的冲击韧性。
常用于低温钢锻件，锅炉，低温压力容器等。
本实验主要探索混合气体保护焊，母料为09MnNiD，选用直径为1.2mm的H09MnNiDR焊丝。
试验中先进行了09MnNiD的焊接性及焊接特点分析，进而根据实验板材厚度确定坡口类型、坡口角度、焊接电流、焊接电压、焊接材料、焊接设备等。
在制出实验试板后，根据国家的一系列标准对此次焊接工艺进行力学性能实验评定，进而证明这一焊接工艺是否获得力学性能要求的焊接接头，进而指导生产。
209MnNiD钢焊接性及焊接特点
2.109MnNiD概述及性能特点
实验材料09MnNiD是常用的低温压力容器锻钢件，用于制造使用温度在-70℃的压力容器构件、重要锻件，主要用于石油化工中的压力容器。
其化学成分如表1，其机械性能如表2。
表109MnNiD的化学成分
牌号
化学成分（质量分数）（%）
C
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
Mo
Fe
09MnNiD
0.075
0.29
1.4
0.016
0.0063
0.12
0.63
0.18
剩余
表209MnNiD的机械性能
牌号
抗拉强度/MPa
屈服强度/MPa
伸长率（%）
冲击功/J
09MnNiD
440-570
≥300
≥23
≥31
2.209MnNiD的焊接性分析
作为含Ni低温钢的09MnNiD，其含碳量低，具有细晶粒的铁素体集体，塑性和韧性好，淬硬冷裂倾向小，故具有很好的焊接性。
但由于添加了镍，虽然对冷裂纹倾向影响不显著，但却增大了热裂纹的倾向，必须严格控制钢及焊丝中的碳硫磷含量，同时采用合适的焊接规范，使焊缝有较大的焊缝成形系数，即避免形成窄而深的焊道成形截面，就可以有效地避免热裂纹的产生。
总之，低温钢的焊接重点是保证焊缝和热影响区的低温冲击韧性。
2.309MnNiD的焊接特点
焊接材料的选择应保证接头与母材有同样的低温性能，所选用的焊材必须保证焊缝含有最少的有害杂质（S、P、O、N等），对于含镍低温钢尤其要严格控制。
焊接时为了最大限度地减小过热程度，防止出现粗大的铁素体或粗大的马氏体组织，应尽可能采用小线能量进行快速多层、多道焊，以减少焊缝的过热，并通过多层焊的重热作用细化晶粒而提高韧性。
多道焊时应尽可能降低层间温度，不要连续施焊，层间温度应控制在180℃以下。
快速多层多道焊的生产效率较低，当采用大功率的自动焊时，应防止生成柱状晶组织（因为焊道间得到细化的部分只是一薄层）。
焊丝焊剂使用前必须按规定严格烘干，焊丝应去除油锈。
焊接过程中尽量防止接头组织的过热和焊接部位应力集中。
避免弧坑、未焊透及咬边等缺陷，这些缺陷在低温条件下，在应力作用时，都会造成较大的应力集中而引起脆性破坏，尤其对于低温压力容器而言，不允许有任何尺寸的咬边缺陷存在。
3焊接工艺设计
3.1焊接方法及焊丝的确定
低温钢的焊接方法可选焊条电弧焊、埋弧焊及熔化极气体保护焊。
采用含Ni低温焊条焊条电弧焊，虽可保证低温韧性，但成本高、生产效率低且焊缝成形差。
本次选用与母材材质相匹配的H09MnNiDR焊丝，保护气体为80%Ar+20%CO2的混合气体保护焊进行焊接。
焊材选择如表3,焊丝成分如表4,焊丝对应焊缝力学性能如表5。
表309MnNiD焊接材料的选用
牌号
状态
混合气体保护焊
焊丝
气体
09MnNiD
正火，正火+回火
H09MnNiDR
80%Ar+20%CO2
表4焊丝成分
牌号
类型
焊丝化学成分/%
C
Mn
Si
Cu
Ni
P
S
H09MnNiDR
气体保护焊焊丝
≤0.12
≤1.25
0.40-0.80
≤0.35
3.00-3.75
≤0.020
≤0.010
表5对应焊缝金属力学性能
牌号
焊缝金属力学性能
抗拉强度/MPa
屈服强度/MPa
伸长率（%）
冲击功/J
H09MnNiDR
≥550
≥470
≥24
-70℃
≥47
3.2焊接接头、坡口及焊缝位置确定
3.2.1焊接接头确定
a接头形式：
对接接头、角接接头及T字形接头、搭接接头。
如下图1：
图1
b接头形式确定：
由于此次实验是压力容器焊接，一般采用对接接头，在某些特殊部位，如接管、法兰、夹套、管板和凸缘处，接头呈直角或一定角度时采用角接接头和T形接头。
3.2.2坡口类型选择：
坡口类型主要有I形、V形、Y形、U形和X形等。
I形坡口主要用于厚度为1mm-6mm钢板的焊接，为了保证焊透件，接口处要留0-2.5mm的间隙；V形坡口主要用于厚度为6mm-30mm钢板的焊件，该坡口加工方便；X形坡口主要用于厚度为12mm-40mm钢板的焊接；U形坡口主要用于厚20mm-50mm钢板的焊接。
由于此次实验选用板厚为4mm，厚度比较小，而且是用熔化极气体保护焊焊机进行焊接试验，所以不选择开坡口，只留1mm间隙。
3.2.3焊缝的位置：
为便于装配和施焊，焊缝位置必须具有足够的操作空间以满足焊接时运条的需要；要有利于减少焊接应力与变形，尽量减少焊缝数量，简化焊接工艺和提高结构的强度和刚度。
同时，焊缝布置应尽可能对称布置，以减小变形；焊缝的布置应避免密集、交叉，焊缝交叉或过分集中会造成接头部位过热，增大热影响区，使组织恶化，性能严重下降。
两条焊缝间距一般要求大于3倍板厚；还要便于焊接和检验。
3.3焊接条件
（1）焊接设备：
采用NBC-250型CO2半自动化焊机，直流反接。
气路系统由气瓶、减压阀、预热干燥器、流量计、QP-1型气体配比器组成，采用全熔透焊接工艺设计。
（2）焊接材料：
焊丝选用H09MnNiDR，直径1.2mm；保护气体为80%Ar+20%CO2。
（3）焊接规范：
焊接低温钢时为避免焊缝及近缝区形成粗晶组织而降低低温韧性，要求采用小线能量。
焊接电流不宜过大，宜用快速多道焊以减轻焊道过热，并通过多层焊的重热作用细化晶粒，控制层间温度100℃.焊接规范参数见表6
表609MnNiD钢焊接工艺规范
工艺参数
工艺要点
电压（V）
24-28
（1）在0℃以上焊接时不需预热。
（2）焊件在焊接前要认真清理坡口及两侧范围内的油、锈等污物，防止因此产生的气孔等焊接缺陷。
（3）焊接过程中，焊道间温度控制在100℃左右。
（4）为防止焊接接头处晶粒粗大，塑韧性下降。
焊接热输入量控制在25KJ/mm以下，尽量采用多层多道，焊道要稍薄一些
电流（A）
150-200
电源极性
直流反接
层间温度（℃）
100左右
焊接速度（cm/min）
25
保护气体
80%Ar+20%CO2
焊丝伸出长度（mm）
15-20
气体流量（L/min）
25
（4）由焊接技术满足要求的焊工进行焊接操作。
409MnNiD钢焊接工艺评定
4.1无损检测
在切割试板前进行。
4.1.1焊缝外观检验
外观检查是一种手续简便而又应用广泛的检验手法，是成品检验的一个重要内容。
外观检查也是零件及在焊接过程中使用的一种检验方法。
外观检验主要发现焊缝外形尺寸上的偏差、焊缝表面的缺陷及焊后的清理情况。
外观检查是用肉眼、借助检查工具或低倍放大镜（不大于5倍）观察焊接工件，以发现未熔合、裂纹、表面气孔、夹渣、咬边、焊瘤等表面缺欠，以及观测焊缝外形和尺寸的检查方法，在进行外观检查前，必须将焊道表面及附近清理干净。
（1）外观检查的分类
①直接外观检查即用眼睛尽可能地接触焊接件，直接观察和分辨缺欠的外貌。
一般目视距离为400-600mm.在检查过程中，可以采用适当的照明，利用反光镜调节照射角度和观察角度，或借助于低倍放大镜进行观察和分辨缺欠。
②间接外观检查当眼睛不能充分接近被焊构件时，可以采用间接地外观检查方法，比如，在检查直径比较小的管子及焊制的小直径容器内表面的焊缝时，就必须借助工业内窥镜进行观察检验，这些设备的分辨能力至少应具备相当于直接外观检查所获得检查效果的能力。
（2）焊缝外形尺寸的检查钢结构焊缝的外形尺寸是保证接头强度和质量的重要指标；焊缝的外观成形、焊缝的宽度及余高、焊缝的宽度差、焊缝的直线度、焊缝表面凹凸差等都影响着焊缝的尺寸要求。
（3）焊缝缺欠的检查进行外观检查前，必须将焊缝附近母材上所有的飞溅及其它污物清理干净。
在清除熔渣时，要注意熔渣的覆盖情况及分布。
由这两种情况基本能确定缺欠的位置及性质。
所有的焊缝及热影响区附近应无裂纹、焊瘤、夹渣等缺欠，气孔、咬边应符合相关规定，尤其是多层多道焊根部焊道的外观检查尤为重要。
对于低合金高强钢焊缝，外观检查常需要进行两次，即焊后检查一次，经15-30天以后再检查一次，目的在于检查是否产生延迟裂纹。
对于未填满的弧坑也应特别注意仔细检查，以发现可能出现的弧坑裂纹。
4.1.2表面裂纹检验
此次试件表面裂纹检查采用渗透检测
渗透探伤是以毛细管作用原理为基础的检查表面开口缺陷的一种常规的无损检测方法。
其原理是：
零件表面被施加含有荧光染料或着色染料的渗透液后，在毛细管作用下，经过一定时间的渗透，渗透液可以渗进表面开口缺陷中；经去除零件表面多余的渗透液和干燥后；再在零件表面施加显象剂；同样，在毛细管作用下，显象剂将吸引缺陷中的渗透液，即渗透液回渗到显象剂中；在一定的光源下（黑光或白光），缺陷处的渗透液痕迹被显示（黄绿色荧光或红色），从而探测出缺陷的形貌及分布状态。
4.1.3射线检测
原理：
X射线照相法探伤是利用X射线在物资中的衰减规律和射线能使某些物质产生荧光、光化作用的特点，将射线穿过被探工件照射到X射线胶片上使胶片感光，再经过暗室处理，得到反映工件内部情况的照相底片，利用这种底片在强光灯上分析，从而判断被探工件内部质量。
验收标准为JB/T4730-2005II级。
4.2焊接接头综合力学性能试样制备
按照此前的焊接方法焊接材料制取焊接板材试样，对焊接试板试样进行必要的处理，对焊接试样进行划分，具体划分位置如下图，按照图中的划分进行焊接力学性能评定分析。
板材大小为44mm*30mm*4mm（除去表层毛边，平整光滑后的尺寸）。
长度方向上首末两端舍弃，侧弯试样大小为80mm*20mm*4mm，由于整个板材宽度为30mm，所以截下的试样用砂轮进行表面打磨，使得宽度变为20mm。
同法取冲击试样，弯曲试样，硬度试样，金相试样，拉伸试样。
4.3焊接接头综合力学性能试验
4.3.1拉伸试验
按照标准要求，需要做两个横向拉伸，根据标准上的位置取样制样，按照GB/T228规定的方法试验。
4.3.2弯曲试验
按照标准要求，需要做四个测弯试验，根据标准上的位置取样制样，按照标准GB/T2653-2008进行试验。
（1）试样的余高以机械方法去除，保持母材原始表面，咬边和焊根缺口不允许去除。
（2）横向侧弯表面存在缺陷时，应以较严重一侧为拉伸面。
（3）影响弯曲试验的三个主要因素是：
试样的宽与厚之比，弯曲角度和弯轴直径。
（4）试样弯曲到规定角度后，每片试样的拉伸面上，在焊缝和热影响区内任何方向上都不得有长度超过3mm的开裂缺陷，棱角上的裂纹除外，但由于夹渣或其他内部缺陷所造成的开裂应计入。
4.3.3冲击试验
冲击试验分别取六组试样，焊缝、热影响区、母材分为三组，按GB/T2650-2008分别做冲击试验。
4.3.4硬度试验
按GB/T2654-2008进行，从焊缝到母材区依次打取硬度HRB，每个区域打两个硬度，算出各区域HRB的平均值，与标准值作比较看硬度是否达到标准。
4.3.5宏观金相检验
按GB/T19869.1-2005进行，使用4%的硝酸酒精溶液作腐蚀液，在金相显微镜下进行观察检验。
5小结
本文主要进行了对含镍低温钢09MnNiD的焊接试验设计，通过对焊接方法、焊接接头、焊接坡口，试验方案等设定，同时设计焊后检验工艺，同相关标准对比，用以综合评定含镍低温钢09MnNiD的焊接性能。
参考文献：
1.李亚江，《焊接冶金学》，机械工业出版社，2006.10；
2.李亚江，《低合金钢焊接及工程应用》，化学工业出版社，2003.8；
3.北京市技术协作委员会，《实用焊接手册》，水利电力出版社，1983.11；
4.王晓敏，《工程材料学》（修订版），哈尔滨工业大学出版社2005.3；
5.尹士科，《焊接接头性能调控与应用》，兵器工业出版社1993.9；
6.杨富《电力工业常用钢材焊接工艺评定》，中国电力出版社2008.3。
7.凌星中，《石油化工厂设备检修手册.焊接》，中国石化出版社，2010.12
课程名称：
焊接工艺学
西安工业大学课程设计任务书
院（系）：
材化学院专业：
金属材料工程（焊接方向）班级：
邓紫棋
学生姓名：
邓紫棋
一、课程设计题目：
09MnNiD焊接工艺评定实验设计
二、课程设计工作自2015年11月23日起至2015年12月4日止
三、课程设计进行地点：
教2-202
四、课程设计的内容：
1、课题背景和意义：
本次对09MnNiD钢采用混合气体保护焊，选用直径为1.2mm的H09MnNiDR焊丝，保护气体为80%Ar+20%CO2对板厚为4mm的09MnNiD钢焊接性进行评定，评定标准为NB/T47014-2011承压设备焊接工艺评定规程。
2、设计的主要内容及技术指标：
（1）详细工艺方案制定
（2）焊接参数
（3）相关工艺措施
3、设计的基本要求及进度安排：
（1）11月23日焊接设计主要内容及方法，进度安排（4课时）
（2）11月23日～12月1日查找资料，独立完成方案，老师答疑。
（3）12月1日～12月4日详细设计及撰写论文（说明书）
（4）12月4日答辩
4、课程设计（论文）的工作量要求：
①论文字数：
2000～4000
②参考文献篇数：
7
5、参考文献书名或期刊、期号：
《焊接手册》1～3卷北京：
机械工业出版社，2001
《焊接数据资料手册》北京：
机械工业出版社，1994
指导教师：
邓紫棋
学生签名：
升级会员 