油罐车罐体加工工艺设计焊接专业课程设计 精品.docx
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油罐车罐体加工工艺设计焊接专业课程设计精品
专业课程设计（说明书）
题目：
油罐车罐体加工工艺设计
学生姓名：
院（系）：
材料科学与工程
专业班级：
指导教师：
完成时间：
2013年9月16日
题目
油罐车罐体加工工艺设计
学生姓名
学号
专业班级
设
计
内
容
与
要
求
包括：
原始数据，技术参数，设计要求，说明书、图纸、实物样品的要求等
1．设计参数：
（设计原始资料见附件）
（1）产品主体尺寸：
Φ2600×10026mm；
（2）主体板厚：
δ=9mm；
（3）容器类别：
Ⅱ
（4）工作压力：
0.1Mpa
（5）主体材质：
15MnV
（6）焊接方法：
手工电弧焊；埋弧焊；TIG焊；CO2气体保护焊；
2．依据标准
（1）GB150-1998《钢制压力容器》；
（2）JB/T4709-2000《钢制压力容器焊接规程》；
（3）GB985-88《气焊、手弧焊及气体保护焊焊缝坡口的基本型式尺寸》；
（4）GB986-88《埋弧焊焊缝坡口的基本型式》；等
3．课程设计内容及要求
（1）编写油罐车罐体的加工工艺流程图；
（2）绘制油罐车罐体的焊缝定位编号图；
（3）编写油罐车罐体8、17、18号焊缝的焊接工艺卡；
（4）撰写报告。
课程设计报告应用A4规格纸打印，也可用蓝色或黑色墨水手写；具体格式参照《西安石油大学本科毕业设计（论文）撰写规范》。
设计报告文字说明部分主要有以下内容：
①资料综述；②设计思路；③相应的国家或行业标准；④焊接工艺的说明，如：
焊接方法的选择、焊接材料的选择、坡口型式的设计、焊缝层数和焊接顺序的设计，以及焊前焊后热处理工艺的说明；⑤在设计中遇到的问题、解决方法、体会等；⑥参考文献不少于5篇。
4．时间安排
根据本专业的培养计划，本专业课程设计共三周。
自8月30日起至9月19日止，第一周查阅资料和熟悉课题设计任务；第二周拟定设计方案；第三周撰写课程设计报告并进行答辩，设计内容及报告应在9月15日之前完成，9月18日答辩。
起止时间
2013年9月2日至2013年9月22日
指导教师签名
年月日
系（教研室）主任签名
年月日
学生签名
年月日
目录
1压力容器1
1.1压力容器的概述和用途1
1.2压力容器分类1
1.3压力容器组成及结构2
1.4压力容器的结构形式2
1.5压力容器焊接接头分类3
2坡口选择与设计5
2.1坡口设计一般遵循以下设计原则5
2.2坡口选择标准6
3焊接选择与设计7
3.1焊接方法7
3.1.1手工电弧焊特点7
3.1.2CO2气体保护焊的特点7
3.1.3埋弧焊的特点7
3.1.4钨极氩弧焊的特点8
3.2焊接材料8
3.2.1标准与选择8
3.2.2所选焊材的成分9
4工艺参数的选择10
4.1手工焊条电弧焊接工艺参数10
4.1.1焊条直径10
4.1.2焊接电流10
4.1.3电弧电压10
4.1.4焊接速度10
4.1.5焊接层数及焊接顺序的设计11
4.1.6参数选择结果11
4.2埋弧焊工艺参数11
4.2.1焊丝直径11
4.2.2焊接电流11
4.2.3电弧电压11
4.2.4焊接速度12
4.2.5焊丝与焊剂的匹配12
4.2.6电流极性12
4.2.7参数选择结果12
5焊后处理和质量检验13
5.1焊后热处理13
5.3坡口加工及清根14
5.4工艺卡选择相关标准15
总结16
参考文献17
附录一18
附录二19
附录三20
附录四22
1压力容器
1.1压力容器的概述和用途
压力容器广泛地用于化工、炼油、机械、动力、轻工、纺织、冶金、核能及运输等工业部门，是生产过程中必不可少的重要设备。
如化工生产中的反应装置、换热装置、分离装置的外壳，流体贮罐，核压力反应堆的压力壳，电厂锅炉系统中的汽包等，都是压力容器。
不仅如此，在人们的家庭中，也要用压力容器，如民用液化石油气瓶等。
因此，压力容器和工业生产和人民生活有着十分密切的关系。
设计好、制造好、使用好、管理好压力容器就显得十分重要。
随着科学技术的发展和工业生产规模的扩大，压力容器的尺寸越来越大，操作压力越来越高，操作温度也越来越高（或低），结构形式也越来越复杂。
同时，生产中压力容器所处理的介质往往是易燃易爆或有毒的，这些条件很自然地对压力容器的安全可靠性提出了更严格的要求。
可以想象，当压力容器一旦发生破坏事故，将对国家财产和人民的生命带来不可估量的损失。
因此，要求压力容器的监察管理、设计、制造、和检验人员，必须十分重视压力容器的质量和安全问题，确保容器安全运行。
压力容器是焊接结构典型产品,是一种承受气压,液压线气压,液压的重要受压元件，不锈钢容器要承受腐蚀介质的侵入.很多容器是在极其苛刻的条件下运行,工作条件十分恶劣,一旦发生失效破坏造成的事故是灾难性的,会造成重大伤亡与经济损失.所以对压力容器的制造、安装与使用,国家颁发了《压力容器安全技术监察教程》进行严格控制。
规定最高工作压力≥0.1Mpa，内直径≥0.15m,且容积≥0.025m3,工作介质为气体，液化气体，或最高温度高于等于盛装液体标准沸点的容器。
同时具备这三个条件，但不应该是核能容器、船舶上的专用容器和直接受火加热的容器（如锅炉），这些例外情况另有相应适用规程。
1.2压力容器分类
压力容器的分类方法很多，从使用、制造和监检的角度分类，有以下几种。
（1）按工作压力大小分：
低压，中压，高压和超高压四类。
（2）按容器的设计温度分：
低温容器，常温容器及高温容器。
（3）按在生产工艺所起的作用分：
①反应压力容器：
用于完成介质的物理化学反应。
②换热压力容器：
用于完成介质的热量交换。
③分离压力容器：
用于完成介质的液体压力平衡缓冲和气体的净化分离等。
④储运压力容器：
用于盛装生产用原料或成品气体，液体和液化气体等。
（4）为了更有效地实施科学管理和安全监检，我国《压力容器安全监察规程》中根据工作压力、介质危害性及其在生产中的作用将压力容器分为三类。
并对每个类别的压力容器在设计、制造过程，以及检验项目、内容和方式做出了不同的规定。
压力容器已实施进口商品安全质量许可制度，未取得进口安全质量许可证书的商品不准进口。
1.3压力容器组成及结构
焊接压力容器的结构形式有多种多样的，其中以单层锻焊式和钢板卷焊式常见，其基本组成如下：
筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管、支座等六大部分构成容器本体。
此外，还配有安全装置、表计及完成不同生产工艺作用的内件。
（1）筒体：
是压力容器重要的组成部分，包括筒体端部、内筒、板层等，是储存物料或完成化学反应所需的空间。
（2）封头：
也是压力容器的重要组成部分，有球形、椭圆形、碟形等形状
（3）法兰：
通过螺栓连接筒体和外接的各种管道，并通过拧紧螺栓是垫片压紧而保证容器密封。
（4）密封元件：
置于两个接触面之间，借助于螺栓的压力使压力容器内的液体或气体密封在容器内不致泄露。
（5）开孔与接管：
由于工艺要求和检修需要，常在筒体或封头上开孔或安装接管，如物料进出接管等。
（6）支座：
支承并固定压力容器，有立式和卧式两种形式。
压力容器由于密封、承压及介质等原因，容易发生爆炸、燃烧起火而危及人员、设备和财产的安全及污染环境的事故。
目前，世界各国均将其列为重要的监检产品，由国家指定的专门机构，按照国家规定的法规和标准实施监督检查和技术检验。
1.4压力容器的结构形式
压力容器按结构形式分为整体式和组合式两大类。
整体式容器亦称单层容器，包括钢板卷焊式，整体锻造式，电渣成形堆焊式，铸焊和锻焊式等容器。
在石油化工设备中，钢板卷焊式结构应用最广泛。
薄壁容器（≤50mm）的筒体可在普通卧式卷板机上卷制；容器两端的封头可根据封头的形状，直径，板厚和钢材的强度等级等，将预先切割好的圆形钢板坯料，在液压机或旋压机上以冷成形或热成形的方法制成所要求形状的封头。
筒节按其直径大小，可由一条或多条纵缝拼焊，筒节之间由环缝连接成筒体，封头和筒体亦由环缝相接。
容器上的各种接管和加强圈可采用无缝钢管或锻件以角接环缝的形式与筒体和封头相焊。
钢板卷焊式结构容器的优点是制造工艺简单，设备投资费用较低，材料利用率高，生产成本较低，与单层锻焊结构容器和组合式容器相比，制造周期可大大缩短。
这类容器的缺点是焊接工作量较大，焊缝无损探伤检验周期较长，同时焊缝缺陷产生的几率相对较大。
综上此设计选用钢板卷焊式结构。
1.5压力容器焊接接头分类
根据国标GB150—1998《钢制压力容器》，压力容器的焊接接头分成六类，目的是在设计、制造、维修、管理时可以分别对待，从而保证质量。
（1）圆筒部分的纵向接头（多层包扎容器层板层纵向接头除外），球形封头与圆筒连接的环向接头，各类凸形封头中的所有拼焊接头以及嵌入式接管与壳体对接连接的接头，均属A类焊接接头。
（2）壳体部分的环向焊缝接头，锥形封头小端与接管连接的接头，长颈法兰与接管连接的接头，均属B类焊接接头，但已规定为A类的焊接接头除外。
（3）平盖、管板与圆筒非对接连接的接头，法兰与壳体、接管连接的接头内封头与圆筒的搭接接头以及多层包扎容器层板层纵向接头，均属C类焊接接头。
（4）人孔、凸缘、补强圈等与壳体连接的接头，均属D类焊接接头,但已规定A,B类接头除外。
（5）E类接头包括吊耳，支撑，支座及各种内件与筒体火凤投内外表面相接的接头。
（6）F类接头系在筒体，封头，接管，法兰和管板表面上的堆焊接头。
此设计为油罐车罐体，只涉及前四类接头。
A类焊缝是容器中受力最大的接头，因此一般要求采用双面焊或保证全焊透的单面焊缝；
B类焊缝的工作应力一般为A类的一半。
除了可采用双面焊的对接焊缝以外，也可采用带衬垫的单面焊；
在中低压焊缝中，C类接头的受力较小，通常采用角焊缝联接。
对于高压容器，盛有剧毒介质的容器和低温容器应采用全焊透的接头；
D类焊缝是接管与容器的交叉焊缝。
受力条件较差，且存在较高的应力集中。
在后壁容器中这种焊缝的拘束度相当大，残余应力亦较大，易产生裂纹等缺陷。
因此在这种容器中D类焊缝应采取全焊透的焊接接头。
对于低压容器可采用局部焊透的单面或双面角焊。
接头的基本形式有对接接头、T形（十字形）接头、角接头和搭接接头。
对接接头是最基本的一种接头形式，其强度可以达到与母材相同，受力均匀，筒体与封头等重要部件的连接均采用对接接头。
厚度小时不开坡口，当厚度超过8mm是要有坡口。
T型接头焊缝向母材过渡部分形状变化大,过渡急,在应力作用下力线扭曲很大,应力分布很不均匀,应避免采用单面角焊缝,因为这种接头形式的焊缝根部往往有很深的缺口,承载能力较低。
搭接接头形状变化比较大,应力集中比对接接头的情况复杂的多，特别是对于大直径厚壁接管，不合理的接头形式往往成为压力容器提前失效的原因。
2坡口选择与设计
2.1坡口设计一般遵循以下设计原则
（1）焊缝中填充的材料要少，节省材料。
（2）具有好的可达性（即可操作性），这是选择坡口形式的重要条件之一
（3）坡口的形状应容易加工。
（4）便于调节焊接变形，采用不适当的坡口形式容易产生较大的焊接变形。
表2-1常见坡口比较【1】
Ｙ型坡口
带钝边Ｕ型坡口
双Y形坡口
坡口面加工简单
可单面焊接,焊件不用翻身
双面焊,因此焊接焊件须翻身,变形小
可单面焊接,焊件不用翻身
焊接坡口面积大,填充料少,焊件厚度较大时生产率比Y型高
坡口面加工比Y型复杂,但比带钝边的U型坡口简单
焊接坡口空间面积大,填充料多,焊件厚度大时,生产率底
变形较大
坡口面积介于Y与U型之间,因此生产率高于Y型,填料比Y型少
焊接变形大
坡口面根部加工困难,因此限制了此坡口的推广应用
2.2坡口选择标准
表2-2手弧焊、气焊坡口选择标准
GB985-88
序号
工件厚度
δ/mm
名称
符号
坡口形式
焊缝形式
4
3~26
Y
型
坡
口
序号
坡口尺寸mm
α°（β°）
b
P
H
R
18
40~60
0~3
1~4
——
——
综上8、18号焊缝选用Y型坡口，17号焊缝不开坡口。
3焊接选择与设计
3.1焊接方法
应根据被焊金属的焊接性，压力容器的结构形式以及焊接生产效率等因素选择与之相适应的焊接方法。
表3-1各类焊接方法特点【1】
焊接方法
手工电弧焊
埋弧自动焊
氩弧焊
CO2气体保护焊
特点
1焊接质量好
2焊接变形小
3生产率高
4设备简单
5使用性强，可焊各种位置和短、曲焊缝
1生产率高，成本低
2质量稳定，成形美观
3对焊工操作技术要求低
4劳动条件好
5适用性差，只焊平焊
6设备较复杂
1焊接质量优良
2小电流时，电弧也很稳定，容易控制背面成行
3能全位置焊接
4氩气贵，成本高
1成本低
2生产率高
3焊薄板时变形小
4可全位置焊
5有氧化性
6成行较差，飞溅大
7设备使用，维修不变
应用
1单件小批生产
2全位置焊
3短、曲焊缝
4板厚≥1mm
成批生产，能焊长直焊缝和环缝中厚板，平焊
1铝及钛合金，不锈钢等合金
2打底焊
3管子焊接
4薄板
1碳钢和强度级别不高的普通低合金钢
2宜焊薄、中板
3.1.1手工电弧焊特点
它是利用电弧产生的热量来熔化被焊金属的一种手工操作的焊接方法。
它所需要的设备简单，操作灵活，对空间不同位置采用不同接头形式，各种焊缝均能方便的进行焊接。
但它采用手工操作，故生产效率低，劳动强度大。
3.1.2CO2气体保护焊的特点
CO2电弧的穿透力强，熔深大而且焊丝的熔化率高，所以熔敷速度快，生产率可比手工焊高1～3倍。
它的焊接成本低，能耗低并且它的适用范围广，不论何种位置都可以进行焊接。
薄板可焊到1mm左右，最厚几乎不受限制（采用多层焊）。
而且焊接厚板时较之气焊速度快、变形小，并且CO2焊抗锈能力强，抗裂性好，焊后也不需清渣，有利于实现焊接过程的机械化和自动化。
3.1.3埋弧焊的特点
埋弧焊的生产率高，一方面因为焊丝导电长度缩短，电流和电流密度提高，因此电弧的熔深能力和焊丝熔敷效率都大大提高；另一方面由于焊剂和熔渣隔热作用，电弧上基本没有热的辐射散失，飞溅也小，因而使埋弧焊的焊接速度大大提高。
其次，埋弧焊焊出的焊缝质量高。
因为熔渣隔绝空气的保护效果好。
再次，它的劳动条件好，冶金反应比较充分，组织稳定。
但一般仅适用于平焊。
3.1.4钨极氩弧焊的特点
钨极氩弧焊是气体保护焊的一种，它的电极是用难熔金属钨或钨的合金棒。
电弧燃烧过程中，电极是不熔化的，故易维持恒定的电弧长度，焊接过程稳定。
焊接时，电极和电弧区及熔化金属都处在氩气保护之中，使之与空气隔绝。
目前钨极氩弧焊广泛应用于飞机制造、原子能、化工、纺织等工业中。
由于氩气的保护作用，隔离了空气对熔化金属的有害作用，可焊接易氧化的有色金属及其合金、不锈钢、高温合金、钛和钛合金以及难熔的活性金属（如钼、铌、锆）等等。
但是，由于钨电极的载流能力有限，电弧功率受到限制，致使焊缝熔深浅，焊接速度低，所以钨极氩弧焊一般只适于焊接厚度小于6mm的工件。
此设计中，18号焊缝（接管与封头环缝）选用手工电弧焊，17号焊缝（接管与法兰角接缝）选用手工电弧焊，8号焊缝（筒体环缝）选用埋弧焊。
3.2焊接材料
3.2.1标准与选择
此设计的焊缝18、17、8涉及的钢材是15MnV,Q235A（管），查表均属Ⅰ类钢。
图表3~6均出自JB/T4709-2000《钢制压力容器焊接规程》。
表3-2常用钢号推荐选用的焊接材料【3】
钢号
焊条电弧焊
埋弧焊
焊条
焊丝牌号（标准号）
焊剂
型号
（标准号）
牌号示例
15MnV
E5515-B2
R307
H08CrMoA
HJ350
Q235A
E4316
J426
H08A
HJ431
JB/T4709-2000
此设计的焊缝8、17、18涉及的钢材是15Mnv,Q235A（管），查表均属Ⅰ类钢，性能良好。
对于焊条、焊丝、焊剂的选择,应从工艺性能、焊接质量方面来选择焊接材料。
酸性焊条工艺性能好,焊缝外表成形美观,波纹细密；碱性焊条焊接焊缝含氢低于碱性焊条,质量较高。
E4303（酸性焊条）和E4316（碱性焊条）的对比：
碱性焊条（低氢型焊条）的特点是焊缝含氢量极低，焊缝金属的塑性，韧性较高，它适用于焊接各种重要的焊接结构和大多数的低合金钢。
由于此设计是压力容器所以需选择塑性较好的熔敷金属的焊条，所以选择碱性焊条。
手工焊焊条选择J426（E4316）。
埋弧焊焊丝选择H08CrMoA，焊剂HJ350。
3.2.2所选焊材的成分
表3-3母材强度标准【3】
母材类型
标准
类别
厚度mm
抗拉强度下限值MPa
碳素钢
GB713-2008
Q235A（管）
5
370
GB713-2008
15MnV（板）
9
490
型号E4316（GE/T5117）牌号J426的焊条：
熔敷金属抗拉强度≥420Mpa,低氢钾型,适合全位置焊接，采用直流反接。
满足其母材的强度标准。
手工电弧焊选用焊条：
型号E4316（GE/T5117）牌号J426；埋弧焊选用焊丝钢号为H08CrMoA。
表3-4手工电弧焊用焊条J426的化学成分和用途【7】
化学成分
合金元素（%）
C
Si
Mn
S
P
Ni
Cr
Mo
用途
J426
--
0.90
1.25
0.035
0.040
0.30
0.20
0.30
焊接低碳钢，低合金钢。
表3-5埋弧焊用焊丝H08CrMoA的化学成分和用途【3】
焊丝牌号
合金元素（%）
C
Si
Mn
Cr
Ni
Mo
S
不大于
P
不大于
用途
H08CrMoA
0.10
0.15~0.35
0.4~0.7
0.8~1.1
≤0.30
0.4~0.6
0.030
0.040
焊接低碳钢，低合金钢。
4工艺参数的选择
4.1手工焊条电弧焊接工艺参数
4.1.1焊条直径
焊条直径的选择见表4-1和表4-2，表4-1和表4-2如下所示。
表4-1焊件厚度与焊条直径的关系【1】
焊件厚度/mm
≤1.5
2
3
4～5
6～12
＞12
焊条直径/mm
1.6
2
3.2
3.2～4
4～5
4～5
表4-2焊条直径与焊接电流的关系【1】
焊条直径/mm
2
2.5
3.2
4
5
6
焊接电流/A
40～70
70～90
90～130
140～210
220～270
270～320
4.1.2焊接电流
焊接电流是焊条电弧焊的主要参数，焊工在操作中需要调节的只有焊接电流，而焊接速度和电弧电压都是由焊工控制的。
一般情况下，增加电流，可以增加熔深，提高生产效率，但是电流过大会造成咬边、烧穿和严重飞溅，电流过小则电弧不稳定，焊条易粘住焊件或不容易焊透。
4.1.3电弧电压
电弧电压主要是由电弧长度来决定的。
电弧长时电压高，反之则低。
手工电弧焊掌握适当的弧长对于焊接优质的焊缝是相当重要的。
缩短电弧长度可提高焊接电流，拉长电弧会减小电弧的挺度，增大电弧热量的散失，降低熔敷速度，出现未焊透等缺陷。
因此焊接时，应在保证不短路时，力求采用短弧。
一般情况下为好，且相应的电弧电压范围为20~22V。
4.1.4焊接速度
合适的焊接速度主要取决与焊条的熔化速度、所要求的焊缝尺寸等。
手工电弧焊接的速度通常都不超过10m/h，工件越薄，焊接速度越大。
4.1.5焊接层数及焊接顺序的设计【1】
焊缝层数：
n=δ/d
式中：
δ─焊板材的厚度，mm；d─焊条直径，mm
4.1.6参数选择结果
工件材料
板厚
焊条直径
焊接电压
焊接电流
焊接速度
电流极性
坡口形状
15MnV/Q235
9mm
4mm
20~22V
160~180A
＜17
cm/min
直流反接
Y型坡口
表4-4手工电弧焊工艺参数【4】
4.2埋弧焊工艺参数
4.2.1焊丝直径
根据焊件的情况，首先应选择合适直径的焊丝。
细焊丝用于较小的电流，而粗焊丝用于较大的电流。
见表如下
表4-5焊丝直径与焊接电流范围【3】
焊丝直径/mm
1.6
2.0
2.5
3.0
4,.0
5.0
6.0
推荐电流/A
115~500
125~600
150~700
200~1000
340~1100
400~1300
600~1600
直径小于1.2mm的细丝主要的熔滴过渡形式为短路过渡，适合于薄板，打底焊和全位置焊。
直径大于1.2mm的粗焊丝主要的熔滴过渡形式为潜弧射滴过渡，适用于厚板和填充金属。
4.2.2焊接电流
焊接电流是重要的焊接参数，电流大小主要决定于送丝速度，随着送丝速度的增加，焊接电流也增加，大致成比例关系，在其他参数不变的情况下，随焊接电流提高，熔深和余高同时增大，焊缝形状系数变小。
为防止产生焊缝烧穿和裂纹，焊接电流不宜选的过大，但电流过小也会使焊接过程不稳定并造成未焊透或未融合。
因此，对于直边对接接头，焊接电流按所要求的最低融透深度来选择。
而对于开坡口接头的填充层，焊接电流主要按焊缝最佳成形的原则来选定。
4.2.3电弧电压
电弧电压与电弧长度成正比关系。
在其他参数不变的情况下，随电弧电压的提高，焊缝宽度明显增大，而熔深和余高则略有减小。
电弧电压过高时，形成宽而窄的焊道，从而导致未焊透和咬边等缺陷的产生。
此外，焊剂的融化量增多，使焊波表面粗糙，脱渣困难，降低电弧电压，能提高电弧的挺度，增大熔隙。
但电弧电压过低会形成高而窄的焊道，使边缘融合不良。
当焊接电流增大时应适当的提高电弧电压。
4.2.4焊接速度
焊接速度决定了每单位焊缝长度上的热输入。
在其他参数不变的条件下，提高焊接速度，单位长度上焊缝的热输入和填充金属量减少，使熔深，熔宽和余高都相应减小，焊接速度太快，会产生咬边和气孔等缺陷，焊道外形变差，如焊接速度太慢，可能引起焊缝烧穿。
焊接速度应与所选定的焊接电流，电弧电压适当匹配
4.2.5焊丝与焊剂的匹配
在焊接低碳钢和强度等级较低的低合金钢时，应按照等强度原则选用与母材相匹配的焊接材料。
在焊接低合金高强钢时，除要使焊缝与母材等强度外，还要特别注意保证焊缝的韧性和塑性，可选用中锰中硅或低锰中硅型焊剂，配合相应的合金钢焊丝。
在焊接耐热钢，低温耐腐蚀钢时，可选用中硅或低硅型焊剂。
4.2.6电流极性
埋弧焊时，采用直流电比交流电能更好的控制焊道形状和熔深，且引弧容易，以直流反接【3】焊接时，可以获得最大的熔深和最佳的焊缝表面。
4.2.7参数选择结果
表4-6埋弧焊工艺参数【3】
工件材料
板厚
焊丝直径
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