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16MnR筒体制造工艺研究
学号_1010131035_
毕业论文（设计）
课题16MnR筒体制造工艺研究
学生姓名马晓冬
院部机械工程学院
专业班级10金属材料工程一班
指导教师杨付双
二○一四年六月
插图清单
表格清单
插图清单
图3-1筒体结构..............................................................................................................................8
图3-2可调式筒体圆度校正及保持装置......................................................................................9
图3-3筒节纵向接头图示............................................................................................................11
图3-4筒体环焊缝图示................................................................................................................12
图3-5筒体与封头的焊缝图示....................................................................................................12
图3-6热处理工艺........................................................................................................................13
表格清单
表1-116MnR的化学成分..............................................................................................................1
表1-216MnR的力学性能..............................................................................................................2
表3-1焊缝收缩余量....................................................................................................................10
表3-2错边量偏差表（mm）.......................................................................................................10
16MnR筒体制造工艺研究
摘要
通过对16MnR筒体的化学成分、力学性能、焊接性能以及其结构特征方面进行了解，研究了16MnR筒体的焊接工艺。
文章主要从筒体板的备料和成形工艺、筒体的焊接两个方面进行研究。
从16MnR筒体板的备料、预处理、下料以及其成形工艺方面进行阐述，16MnR筒体的加工制造工艺，焊接工艺方面进行分析。
在此基础上进行总结：
（1）筒体板的成形工艺包括：
筒体板的备料—材料的复验、入库—钢材的热处理—筒体板的成形；
（2）筒体板的成形包括：
一次号料、一次下料、筒体板的压形、二次号料、二次下料、筒体板的修形。
同时研究了筒节的制造工艺，并得出了筒体焊前的预热温度为120-140℃，焊接方法为焊条电弧焊和采用E5015焊条。
并制定了焊缝裂纹的预防措施。
关键词：
16MnR筒体；筒体板；焊接工艺；
16MnRTubeManufacturingTechnologyWasStudied
Abstract
Theweldingtechnologyofwhichwasinvestigatedbylearningthechemicalcomposition,mechanicalproperties,andthestructuralfeaturesof16MnR.
Theformingprocessandfeedpreparationofshellplate,theweldingofcylinderisinvestigated.Feedpreparation,thepretreatment,blankingaswellasotherformingprocessesaredescribed.Themanufacturingtechnologyandtheweldingtechnologyof16MnRcylinderareanalyzed.Theresultsshowthat,
（1）theformingtechnologyoftheshellplatecontains:
thefeedpreparation-thematerialsrecheckandstorage–heattreatment-theformingoftheshellplate;
（2）theformingoftheshellplatecontains:
a?
marking-off,ablanking,andtheformingofshellplate,secondarymarking-off,secondaryblanking,andmodification?
ofshellplate.
Themanufacturingtechnologyofthetubesectionisinvinvestigatedaswell.Andthepreheatingtemperatureofthecylinderis120-140℃beforeitswelding.Weldingmethodisshieldedmetal?
arc?
weldingandE5015electrodeisadopted.Andprevention
Measuresoftheweldcrackaremade.
Keywords:
16MnRcylinder；shellplate；weldingtechnology；
第1章绪论
1.116MnR概述
16MnR钢是一种优质低合金的钢，具有良好的综合力学性能和加工工艺性能，是制造压力容器的首选材料之一。
我国所用的薄壁容器，特别是储罐类容器，大部分均采用16MnR制作[1]。
16MnR是用来制造压力容器的钢种，16MnR结构钢也是拥有比较理想的强度以及韧性的钢种之一，它的屈服强度为350兆Pa，16MnR拥有优质的力学性能、焊接工艺性能以及加工工艺性能，并且有良好的低温冲击韧性。
作为一个普通的含合金元素少但是强度比较高的钢种，16MnR相较于正常的的低碳钢，它的屈服强度增加了百分之五十上下，构造质量同时降低了20-30%。
所以由于它非常优秀的性能，广泛应用于各种大型造船的承重结构，桥梁的承载结构，管道行业，锅炉，压力容器，采矿业，机械加工行业，水电站设备，建筑钢结构等焊接产品[2]。
16MnR钢的裂纹（层状撕裂、热裂纹和再热裂纹）是不敏感的，只是当板的厚度太大，和冷却太迅速的情况下，冷裂纹比较敏感[3]。
16MnR钢的热应变脆化现象在一定程度上是拥有的，它的脆化现象在过热区是不灵敏的，在个别情况下发生终端裂纹[4]。
总的来说，16MnR具有优良的焊接性，所以它常用在各种焊接结构产品中[5]。
1.216MnR筒体的应用范围和发展前景
在化学工业、石油工业、机械加工工业、冶炼金属行业、核能、航空航天等高新技术等许多部门，金属制作的压力容器扮演着重要的角色，是一个不可缺少的设备，在生产加工过程中。
在冶金工业，机械加工，焊接技术和无损检测技术的不断进步下，尤其是计算机技术的发展为代表的信息技术革命，极大的推动了相关产业的发展，全球中每一个国家在人力物力的大规模投资来举行大范围研究的情况下，也是大大的提高了生产金属压力容器的水准。
因此16MnR筒体作为压力容器的重要结构组成部分，产值一直保持着持续迅速的增长之势。
1.316MnR的化学成分和力学性能
作为一种低碳低合金钢，16MnR的化学成分如表1-1[2]所示，机械性能性能如表1-2[2]所示。
表1-116MnR的化学成分
表1-216MnR的力学性能
1.416MnR的焊接性能分析
1.4.116MnR的焊接性能
16MnR属于有淬硬倾向的钢，碳当量（CE）能够测试钢淬硬性能如何，根据国际焊接学会选用的CE公式：
CE=C+Mn/6+Ni/15+Cr/5+Cu/15+Mo/5+V/5（1-1）
把16MnR化学成分的对应数值带入式1-1，计算其碳当量，经计算能够知道，16MnR的CE=0.4%-0.6%。
当CE=0.4%~0.6%时，它将会越来越容易发生淬硬倾向；当CE不高于0.5%时，淬硬的倾向不明显，裂纹敏感性小，此时的16MnR焊接性较好。
1.4.216MnR的焊接性影响因素
钢的焊接工艺性能主要决定于钢材本身地化学元素的含量，包括材料中的碳含量以及每一种合金元素，当然此种对焊接工艺性能有决定性因素的依然是碳含量。
金属焊接性主要包括两个方面的情况：
一方面为材料在焊接加工时对缺陷的灵敏程度；另一方面是接头在焊好后具有非常可靠的运作执行能力。
焊接性要考虑金属的很多性能，比如金属结合的性能以及焊接之后的适用性能等。
主要受材料、设计、工艺及使用等因素的影响[6]。
选料方面影响情况有母、焊材的化学合金量、冶炼轧制状况、热处理状态、组织状态和力学性能等。
化学成分作为此中最重要的决定性因素，其中的碳含量最能决定钢的焊接性，因为16MnR钢种中的碳含量非常少，于是乎几乎没有焊接热影响区的淬硬倾向和产生焊接裂纹的倾向，具有优良的焊接性能。
这种钢里的微量杂质磷、硫和比较常用的合金元素硅、锰会对钢的焊接性影响较小。
材料因素对焊接性的影响主要是在它的焊接夹缝的裂纹灵敏性等方面，凝固裂纹出现在焊缝金属里而冷裂纹多出现在HAZ中。
焊缝金属凝固时，随着固态金属的生长，液态焊缝中的元素重新分布。
杂质元素如硫和磷容易溶解到晶界处的液态金属中，因此，当液态金属的尺寸减小时，这些元素的含量将增加，从而促进形成凝固裂纹[7]。
焊接结构在日常使用的过程中的安全可靠性不仅仅取决于焊接材料的影响，而且在非常大的程度上还是会受到结构形式的影响，结构设计的不合理会不同程度大小的导致应力集中，导致多方向应力状态造成构造或者焊接接头脆断灵敏性增加。
工艺因素包括有施焊方法因素、焊接工艺因素以及焊后热处理等因素，在材料构造、选取合适的焊材、科学的结构设计的情况下，焊接工艺的参数对构造焊接质量起重要性的作用。
在不同的工艺措施中，焊接前的预热和焊接后的热处理十分重要，这些方法能够使焊接后的材料内部的残余应力下降，并且通过热处理阻止了淬硬脆化发生在热影响区域，从而避免焊缝热裂纹或冷裂纹。
此外，严格烘干焊条、焊剂、清理焊条和坡口，安排合理的焊接顺序，控制焊接前材料的冷变形程度，确保坡口的尺寸和外形以及个单节装配的间隙等工艺措施，在生产中都是非常重要的。
使用因素是指焊接部位的焊接温度、环境影响和载荷条件。
正常情况下，外界的温度越冷，钢材的结构产生脆性破坏的可能性就越大，焊接的结构中承受交变载荷的部位产生疲劳破坏的可能性就越大；它对使用条件与接头质量的需求是成正比，更加应该重视焊接工艺。
总之，焊接工艺性能及工艺，材料，使用条件和结构等各方面都拥有密切的联系，不是简单的从16MnR自身的属性来判断的[8]。
1.5筒体制造质量的控制措施
1、合理选择筒体钢板材料；2、严格进行筒体钢板的检验：
外观检验、超声波检验、筒体进口钢板的理化检验；3、合理安排工序，保证筒体卷制质量；4、
（1）喷砂防腐，对商检合格的钢板进行喷砂，并涂刷上一层防锈漆；
（2）钢板刨边，对筒体钢板单边进行刨边，当做弯制的标准；（3）压弯头，在立式弯板机上的筒体钢板两端各压出内径为2900mm，弧的长度大概是113~115m的弯头，并且使用样板来测量；（4）拒掉留头，用半自动切割机把钢板一端的留头切到位，并切出坡口，用砂轮机把坡口打磨光滑，筒体钢板的另一端切割掉大部分留头，留下30~50mm的余量，待钢板弯制成弧形后，吊下钢板，在保证公差要求的情况下切去余量，并打磨光滑；（5）弯制筒体，弯制时钢板留出拉伸余量12~24mm不等，控制卷板机压头速度，并经常用样板进行测量，以便及时校正；（6）二次校正弯制，对已弯制好的筒体进行测量，对误差小的把弯头余量切除，坡口打磨光滑；对误差大的进行二次校正弯制，直至达到技术要求；（7）弯好后校正，弯好的筒体，放在平台上进行校正。
校正可用火焰法，根据筒体凹凸情况加热筒体的外部或内部，直至达到要求；（8）焊前预热，筒体焊接前用电极板预热，温度达到150℃；（9）筒体纵焊缝焊接，用广式自动埋弧焊机，装好焊丝和焊药，并把焊药用刷子刷到焊枪周围，连续焊接。
先焊筒体外部焊缝，再焊内部焊缝；（10）焊后校正，首先对筒体内径进行测量，然后根据实测数据与被测部位情况，采用机械法或火焰法进行校正，直至达到技术要求。
1.6研究意义
筒体是由等内径不同壁厚的多段筒节组焊一体的结构，诸筒节的圆度、同轴度精度是关系运转负加载荷和运行平稳性的最基本技术条件。
由于其结构的特殊性，筒体部件加工工艺最为复杂，制造难度最大，筒体制造时整台机器最关键的部位。
[9]
筒体应用广泛，主要应用于核电、石化等重大领域。
筒体制造工艺是焊接技术与材料工程技术的结合，当前，我国的筒体制造业虽然发展较快，不过，其总体制造水平较低，某些加工手段及工艺措施仍相对比较保守，但是，由于其基本制造工艺比较稳定，所以筒体的制造技术应被广泛运用，并在原基础上有所突破以及创新，这亦是我国需要快速发展的技术。
本文通过对16MnR筒体性能的了解，思考分析16MnR钢的焊接性，并在此基础上分析并选择合理的焊接工艺参数，这对其实际的运用有着一定的指导意义。
第2章筒体板的备料和成形工艺
2.1筒体板的备料工艺
2.1.1筒体板的备料
根据所提供的设计图纸，用计算机对每块实验筒体板进行放大，根据放大后的实样，提出筒体板的备料计划，在要求备料筒体板的同事，还需要考虑到筒体焊接样品的试板用量、需复验的材质要求、安装用胎具用量、筒体板所需的工艺余量和加工余量等，同时还应尽量节省材料用量。
筒体板的备料的外形尺寸必须准确无误，同时，各项技术参数需写清楚以便购料。
对于筒体附件的备料，各项技术参数需参照技术标准，相关图纸号以及数量等须明确、清晰。
对于筒体的其他一些标准附件，如开口销和垫圈等，在选购时，需要购买的数量应多于图纸上的规定数量，以便互换使用和维修。
2.1.2材料的复验、入库
筒体用钢板、外购件和焊接材料等也一定要依图纸和相关标准来进行原材料的第二次检验，亦或是外购物品实行进场检验，用来确定原材料的每一种性能都能够满足所需的条件。
筒体壳钢板的外形尺寸数据一定要满足计划需要，每块筒体壳板不能够拼接。
2.2钢材的预处理
钢材的表面预先处理囊括钢板的拉伸矫直以及钢板表面的除灰除锈。
划线、下料钱必须对钢板进行矫平。
可能因为钢本身的质量，放的位置不合理等因素致使在制造以及运输和放置过程中，钢板会发生曲折、浪纹以及表层一些可能的改变，如果改变量大到一定的变形量时，会造成尺寸的测量、拉线、裁剪和其他的加工更加困难，并且可能影响到成型零件的尺寸和外表形状的精确度，进而影响到装配、焊接以及整个产品的质量。
钢板的表面除锈采用喷丸的方法，喷丸是用高速喷出的压缩空气流带出来的高速运动沙粒冲击工件表面，打落铁锈，使得金属表面形成均匀且较光洁的表面，并进一步释放在钢板中的参与营利。
钢材经过喷丸清理，并经喷涂保护底漆、烘干处理等工序后，既可以保护钢材在生产使用过程中不再生锈，也不影响机械加工和焊接质量[10]。
2.3筒体板的成形工艺
2.3.1一次号料
由于筒体为双曲面，其不可能在平面上精确展开，所以筒体板一次精确下料困难较大，只能先下荒料，在压制成形后再进行二次切割。
号料时要求沿净尺寸向四周内打检查线，距净尺线一定距离。
一次号料时，将所制作划线样板放于制作球壳板的胚料上，在样板轮廓的基础上，向四周分别扩展一定距离，打上下料线。
2.3.2一次下料
利用气割机依钢板坯子上的下料标记线来切割。
第一次下料之前必须要经过自检、互检、专检三方确认通过之后才能够施工，然后记录下来以方便之后的使用。
2.3.3筒体板的压形
使用油压机首先去除剩下的的球壳板进线进行挤压使之改变形状。
压形采取局部成形的方法，局部成形是冷压的成形，坯料每次下压之后必须往前移动一定量的距离，并且每次下压都要保证压延重叠面积的大小适量，确保球壳的曲率都是相同的，均匀的，和下压型的确保压力不能过大，应减少的曲率要求，禁止快速处理的使用过程中，使用内卡样板检查筒体板，检查通过后才能够下胎[11]。
2.3.4二次号料
在筒体板下胎经过压制达标后，对它进行第二次号料。
两次材料制作模型模拟已经形成。
一部分筒体板需要进行钻孔，为了确定它的准确位置和保证期正确的孔形，需要同时进行入孔的划线号料。
2.3.5二次下料
在自检、互检和专检三项检测都合格通过之后才可以进行二次号料之后的筒体板下料切割。
净尺的同时将坡口开好，然后在加工好之后，测量坡口的表面质量以及曲率，并检查是否满足要求。
凹槽表面具有一定的平整度，凹槽表面锈渣和氧化皮必须清理，利用X射线探伤实验，无裂纹，夹渣，分层缺陷才算是通过。
在筒体板周围一定范围内利用磁粉和超声波检测，焊接坡口表面和内，外外围必须在测试的合理范围后立即申请焊接坡口防锈涂料涂层焊接，这种可以不用消掉[12]。
2.3.6筒体板的修形
为了满足使用条件，必须用增减填板的形式去修形筒体板的形状，确保能够达到设计图纸的需求，并且操作上一定要正规。
当塑性变形大于百分之三的筒体板形成后，热处理必须在焊后热处理规范的要求下进行，根据以下公式计算：
2.4小结
筒体板下料的环节主要是控制和保证板料的切割尺寸以及焊接坡口的形式要求，须注意一下几点：
（1）尽量成套下料，以保证不影响伺候小拼装工序的进程；
（2）每张板料必须做好相应的筒节编号，标记应简易、清晰、牢固。
（3）板料坡口的尺寸及其类型必须按照焊接工艺指导书的要求进行，控制焊接填充量、焊接层数以及焊接次序。
第3章筒体的焊接工艺
3.1筒体的制造工艺
筒体由一定壁厚的两段锻造滚圈和不同厚度的多段等内径筒节拼焊构成的组合体结构，基于这种组合结构的特征，决定了它的分段制造、焊接组合、最终精整加工的总体工艺方案，见图3-1。
图3-1筒体结构
筒体由滚圈和钢板制成的圆筒对焊而成，滚圈为整体锻造，滚圈为筒体的一部分。
这种结构易于制造，安装简单，筒体刚度大，避免滚圈与筒体之间在运转时产生滑动现象，且滚圈寿命长。
其断面则采用实心矩形，形状简单，便于制造，但对滚筒精度要求很高，滚筒直接影响设备的安装和运转要求。
设计的高要求必须在制造中采取先进的工艺措施来实现，特别是为保证滚筒各段的同心度要求在组焊前各段在接头处设“定中心块”的方法定中心，调整好同心度后用螺栓联接固定后再进行焊接，这样可以保证滚圈、齿圈的同心度要求，使端摆、径跳达到最小范围。
筒体加工顺序为坡口加工—纵缝拼接—焊接基层—基层射线检验—堆焊过渡层—表面渗透检查—堆焊覆层—检测—校圆成型。
3.2筒节制造成形
3.2.1卷筒
选取U型和V型坡口在一起焊接的形式，作为坡口的焊接方式，钢板的厚度要求小于等于三十六毫米时，选取V型坡口，钢板厚度大于三十六毫米时，选取U型坡口。
所有焊缝均要作探伤检查。
根据筒体的直径、厚度和设备的相关参数确定卷制次数和进给量。
卷筒工序主要是保证筒体的圆度，由于钢板卷制的变形率大于3%，冷卷后应进行消除应力热处理，卷板时还应注意及时清扫钢板上的锈渣及其他渣物。
筒节的展开长度按筒体中径确定，要求长度公差小于
3mm、宽度公差小于
2mm、对角线公差小于
2mm、单头需留预弯料350mm，板头预弯后割去，环焊缝坡口在刨边机上加工，在经过卷板机直边段预弯后的钢板，进行样板检查，满足要求之后将直边割掉，用半自动切割机气割纵焊缝X型坡口，再进行人工打磨。
卷制成形后，纵焊缝的棱角度实测小于3mm，筒体的圆度应符合要求。
因此我们可以使用能够调节的筒体圆度矫正，并且使装置保持精教圆的进行，通过百分表检测，确定筒节调整范围。
纵、环焊缝坡口处进行磁粉检测，并且把纵焊缝焊接好，然后校圆，确保筒体圆度能够达到需求值，纵焊缝100%X射线探伤，划开孔线，气割开孔（单边留加工余量5mm），开孔及开孔坡口撞孔加工，开孔坡口处磁粉检测，加工后组对环焊缝，焊接环焊缝并进行100%的X射线探伤[13]。
可调式筒体圆度校正及保持装置如图3-2[9]所示：
图3-2可调式筒体圆度校正及保持装置
许多的筒节焊接在一块就能形成筒体，因此为了防止因为施焊中缝隙的收缩造成的筒体规模上的缩短，我们一般情况下会空出能够满足收缩的分量，其值可以依照经验公式计算得到，根据不同板厚得出的焊缝收缩余量如表3-1[4]所示。
表3-1焊缝收缩余量
经验公式为:
（3-1）
式中
—对接接头的横向收缩量（mm）；
Aj—焊缝的横截面积（mm2）；
—板厚（mm）。
3.2.2组拼单元筒节及法兰
确保法兰的平面度和角变形达到工艺的需求，是单元筒节及法兰的组拼工艺的重中之重在此项工序进行时，所以要留心以下几点：
（1）要依照技术文件的要求制定纵缝的交错工艺，挨着的两筒节的纵焊缝要尽可能的相错180°左右，但是如果需求的板材规格达不到目标值时，它的相错量大于等于九十度，并且，纵缝必须尽可能的不处于爬梯的地方；
（2）各筒节及法兰拼装时，环缝见习应均匀，间隙尺寸应满足焊接工艺及相关技术文件要求；不可强行组对单元筒节，以尽量减少内应力集中现象的发生；
（3）使用外边对齐的方法来保证两筒节之间的对接，没有对齐的错边量的偏差值必须要满足表3-2[4]的要求。
表3-2错边量偏差表（mm）
t
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
dx
1.5
1.5
1.5
1.5
2.0
2.0
2.5
3.0
3.0
3.0
3.3焊接工艺制定
3.3.1焊接方法的选择
16MnR钢具体选用何种焊接方法取决于所焊产品的结构、板厚、对性能的需求以及能提供的生产条件之类，其中较为常用的焊接方法有焊条电弧焊、埋弧焊、实心焊丝及药芯焊丝气体保护
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