厚壁容器制造工艺特点

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1、1 绪论12 16MnR钢的组织性能和焊接性22. 116MnR钢的简介22. 216MnR钢的组织性能22. 316MnR钢的焊接性32. 4材料介绍43 16MnR钢焊接过程中存在的问题及产生的原因73. U6MnR钢的焊接裂纹主要是冷裂纹。73.2消除应力裂纹83. 3结晶裂纹93.4层状撕裂103. 5热影响区性能的变化103.6影响低碳钢焊接性的其他因素104 制定焊接工艺及填写焊接工艺卡片124. 1编制焊接工艺124. 1.1接头与坡口的设计134. 1.2坡口制备134. 1.3焊接方法的选择134. 1.4焊材的选用144. 1.4焊接工艺参数144. 1.5焊接顺序154.

2、 1.6焊前预热154. 1.7焊后热处理164. 1.8焊后检验175 焊接性试验185. 1母材的化学成分分析185. 2焊缝成分分析195. 3焊缝断口分析205. 3. 1宏观分析20 拘束应力。拘束应力的作用是形成冷裂纹的重要因素之一，在其他条件 一定时，拘束应力达到一定数值就会产生开裂。低碳钢中加入了较多的提高淬透性的合金元素，提高过冷奥氏体的稳 定性，因此在焊接条件下，一般不会发生珠光体转变，容易得到马氏体 和贝氏体。马氏体属淬火组织，但由于含碳量低，仍保持较高的韧性。 而且这类钢的Ms点比较高，如果在Ms点附近的冷速比较低，Ms点后就 形成一次“自回火”过程，使韧性得到改善，而

3、且避免产生冷裂纹。反 之，若在Ms点附近的冷速较高，比能实现“自回火”，在焊接应力的作 用下就很可能产生冷裂纹。因此，从防止冷裂纹的角度考虑，焊接低碳 钢时，希望高温时冷速较高，而在Ms点附近的冷速要低些。低碳钢对扩散H比较敏感，当对H控制不严时，冷裂纹敏感性还是 相当高的。3.2消除应力裂纹焊后焊件在一定温度范围内再次加热时，由于高温与残余应力的共同 作用而产生的晶间裂纹，称为消除应力裂纹，又叫再热裂纹。经大量实验研究确认，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能力，就会

4、产生消除应力裂纹。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) 控制结构钢性与焊接残余应力；(4) 工艺方面的措施：预热 焊后及时进行后热 控制焊接线能量低碳钢中大都含有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。低碳钢一般采

5、用先进的技术冶炼，对杂质控制严格，抗层状撕裂能力 较好，目前尚未发现层状撕裂的报导。3.3结晶裂纹结晶裂纹又叫凝固裂纹，主要产生于焊缝凝固过程中。当冷却到固相 温度附近时，由于凝固金属的收缩，残余液体金属不足而不能及时填充， 在应力作用下发生沿晶界开裂。结晶裂纹主要产生在含杂质（S、P、C、Si）偏高的碳钢、低合金钢 以及单相奥氏体钢、镣基合金与某些铝合金焊缝中。一般沿焊缝树枝状 晶的交界处发生和扩展。常见于焊缝中心沿焊缝长度扩展的纵向裂纹， 有时也分布在两个树枝晶粒之间。结晶裂纹表面无金属光泽，带有氧化 颜色，焊缝表面的宏观裂纹中往往填满焊渣。16MnR中含碳量较低，并 含有一定的镒，Mn/

6、S比值一般可以达到防止结晶裂纹的要求。在若母材 化学成分反常，如碳和硫同时居上限或严重偏析，则有产生结晶裂纹的 可能。在这种情况下，应采取必要的防止措施。根据图1-1所示碳、硫 和镒对结晶裂纹的影响曲线可知，为了防止结晶裂纹，（1）应提高焊缝 含镒的同时降低碳、的含量，（2）调整焊接参数已得到抗裂能力较强的 焊缝成形系数，（3）焊接时选用超低碳焊丝，并从工艺上降低熔合比。（4） 调整冷却速度，（5）调整焊接顺序，降低拘束应力。图11焊缝中c、Mn、S含量对结晶裂纹的影响3. 4层状撕裂层状撕裂主要与钢的冶金质量、板厚、焊接接头形式和Z向应力有 关，与钢的强度并无直接的关系。一般认为，钢中的含硫

7、量与断面收缩 率是衡量抗层状撕裂能力的主要判断依据。当冷却到固相温度附近时，由于凝固金属的收缩，残余液体金属不 足而不能及时填充，在应力作用下发生沿晶界开裂。3.5热影响区性能的变化(1) 过热区脆化 16MnR的过热区脆化程度与含碳量有关，当含碳 量在下限(3 c = 0. 12%0. 14%)时，过热区韧性随线能量E的增加而下 降。这是因为线能量的增加，时奥氏体晶粒的粗化更严重，冷却后会出 现魏氏组织，因此，适当降低线能量有助于提高韧性。这时，即使冷速 较大而出现淬火组织。但低碳马氏体仍有较高的韧性。造成脆化的主要 原因是因为出现马氏体，应控制线能量，降低冷速。(2) 热应变脆化 它是由固

8、溶的氮引起的。16MnR钢焊接厚韧脆转 变温度比焊前提高53C，消除热应变脆化的有效措施时进行焊后热处理。3.6影响低碳钢焊接性的其他因素低碳钢中含碳较低。含镒、硅又少，所以，通常情况不会因焊接而 引起严重硬化组织和淬火组织，这种钢材的塑性和冲击韧性度优良，焊 成的接头韧性和冲击韧度也很好，焊接时一般不需要预热。控制层间温 度和后热，焊后也不必采用热处理改善组织，可以说整个焊接过程不需 要特殊的工艺措施，其焊接性良好，可以采用各种焊接方法焊接，但遇 到下述情况，低碳钢的焊接性也会不好，焊接时出现困难。1) 低碳钢母材不合格，含碳、硫过高，焊接时可能出现裂纹，尤其是 遇到下列情况，如角焊缝、对接

9、多层焊第一道焊道、整个板面采用单面 焊单层焊缝和大间隙对接第一道焊缝等。2) 采用旧冶炼方法生产的低碳转炉钢。因含氮高，杂质较多，冷脆性 和实效敏化感性大，焊接接头质量低，焊接性较差。因此，转炉冶炼低 碳钢不能用于重要的结构件。国内目前生产转炉用铝.钛脱氧，钢的质量 大为改善。即使这样，这种钢作重要结构之前应对焊接性特别是实效敏 感性.冷脆敏感性进行评估，以保证焊接结构质量。3）低碳沸腾钢。由于沸腾钢脱氧不完全，局部硫磷偏析大，实效敏感 性.冷脆敏感性大，焊接热裂纹倾向较大，所以这种钢不宜做承受动载或 严寒条件下工作的重要结构。镇静钢脱氧完全，含氧量低，杂质分布较 均匀，可用于制造焊接结构。焊

10、接沸腾钢在工艺上应采取必要措施，防 止裂纹。4）焊接方法不当，如埋弧焊热输入大，会使焊接热影响区出现粗晶组 织，使热影响区韧性降低；电渣焊的热输入比埋孤焊还要大，热影响区 晶粒更加粗大，韧性降低明显，所以低碳钢电渣焊接头焊后通常要经正 火处理，细化晶粒，以提高其韧性。4 制定焊接工艺及填写焊接工艺卡片16MnR钢是在正火状态下使用的，综合力学性能和焊接性都比较好。 焊接接头的抗拉强度较高，但韧性较低，硬度高于母材其焊缝金属的显 微组织呈柱状晶分布，晶界处为铁素体，晶内为索氏体和针、块状分布 的铁素体。冷却时，由于向外散热，故使焊缝的熔融金属沿热扩散方向 结晶而获得柱状晶，此时，先共析的铁素体沿

11、柱状晶界析出，由于温度 较高，且冷速又稍快，因此组织呈过热特征，但随后的冷却过程中，奥 氏体因过冷度较大，而转变为索氏体组织。焊缝组织下方为融合区，此 处融合情况良好；过热区的显微组织为针状或块状分布的铁素体和索氏 体。此处晶粒粗大，呈魏氏组织这是该区加热温度高，奥氏体晶粒显著 长大，冷却后得到粗大的过热组织，使冲击韧性降低；重结晶区组织为 晶粒细小的铁素体和珠光体。由于加热温度超过了 Ac3,所以铁素体和珠 光体己全部转化为奥氏体，又由于加热温度较低，奥氏体晶粒未显著长 大因此在空气中冷却以后会得到均匀细小的铁素体和珠光体；母材的显 微组织为铁素体和珠光体呈带状分布。16MnR钢无热裂纹倾向

12、，其焊接接 头热影响区没有出现裂纹，其焊缝的化学成分与母材的相近，焊接接头的 抗拉强度、硬度较高，但韧性较低，其焊接接头的过热区形成了魏氏组织， 容易产生脆化，构成了接头的薄弱环节，这时易以小线能量焊接，在过热 区获取板条马氏体，韧性会达到改善。为了保证焊接质量，防止焊接裂纹或热影响区性能下降，从焊前准 备到焊后热处理的各个环节都需要进行严格控制。4. 1. 1接头与坡口的设计合理的接头设计应使应力集中系数尽可能小，且具有好的可焊到性， 并便于焊后检验。为此，应避免将焊缝布置在断面突然变化的部位，并 考虑施焊方便，一般来说，对接焊缝比角焊缝更合理，因为后者应力集 中系数大，并有明显的缺口效应。

13、同时对接焊缝更便于进行射线或超声 波探伤。坡口形式以U形或V形为佳，且应保证焊缝与母材交界处平滑过渡。 考虑到V坡口由于焊接填充量大，焊接效率低，并且焊后将产生应力集 中和边缘应力，板厚8 =100mm,所以一般不用双V形坡口，而采用双Y 形坡口。坡口形式如图2所示：图2 坡口形式4. 1.2坡口制备当采用火焰切割16MnR钢时，应预热10CTC，切割边缘进行表面磁粉 探伤。采用碳弧气刨清根或清理缺陷时，应将工件预热150C以上，并清除 坡口及两侧各2030mm范围内的油污、铁锈、氧化物、熔渣和水分等有 害物质。角向磨光机修磨焊口表面的焊渣以及飞溅物。坡口表面进行PT 检查。组焊环焊缝时，对丁

14、字口处进行PT探伤检查，确定无缺陷方可进 行焊接。4. 1. 3焊接方法的选择厚壁压力容器的焊接一般不采用手工电弧焊，多采用单丝或双丝埋 孤焊，有时也采用窄间隙焊。用气保焊打底，虽然成本是高了一点，但 是它不用清渣，节省了劳动力，也不会产生夹渣等缺陷，所以还是比较 划算的。由于埋弧焊生产率高、焊接质量好、焊接成本低，劳动条件好， 能很好的焊接厚钢板。4. 1.4焊材的选用选择焊接材料最重要的原则就时保证焊缝金属的性能，使之满足产 品的技术要求，从而保证产品在服役中正常运行。热轧及正火钢主要用 于制造受力构件，要求焊接接头具有足够的强度，适当的屈强比，足够 的韧性和低的时效敏感性，即具有与产品技

15、术条件相适应的力学性能。采用手工电弧焊打底、填充，焊条J507中3. 2mm；埋孤焊时，选择 焊丝还应考虑融合比和焊剂对焊缝成分的影响，用埋弧焊继续进行填充、 盖面，焊丝HlOMnSiA O 6mm,焊剂SJ1O1。埋弧焊用的焊丝要严格清理， 焊丝表面的油、锈及拔丝用的润滑剂都要清理干净，以免污染焊缝产生 气孔。一般焊剂须在250C温度下烘干，并保温12h。不同的焊接方法 的配合见表50表5 不同的焊接方法的配合钢号焊条型号焊条牌号埋弧焊电渣焊C02气体保护焊焊丝焊剂焊丝焊剂16MnRE50XX型J50X不开坡口对接H08A中板开坡口对接H08MnA,H10Mn2厚板深坡口对接H10Mn2HJ

16、431H08MnMoAHJ431HJ360H08Mn2SiAHJ3504. 1.4焊接工艺参数在焊接时，焊接参数的选用直接影响到接头的性能。为了防止热影响 区脆化和产生冷裂纹，所选线能量应保证冷却速度在最佳范围内。实际 生产中确定线能量的步骤是，首先通过实验确定所焊钢材保证韧性的最 大线能量，然后根据用此线能量焊接时的冷裂纹倾向确定是否需要预热。 焊接工艺具体参数如下：(1) 打底焊手工电弧焊的焊接参数：焊条直径o 3. 2mm,焊接电压2325V,焊接电流90105A,焊接速 度 9 1 lm/h。(2) 填充焊埋孤焊的焊接参数：第一、二层焊接时：焊丝直径焊接电流10501150A,焊接 电

17、压3840 V,焊接速度2225 m/h。中间层焊接时：焊丝直径O 6mm,焊接电流10001100A,焊接电压 3840 V,焊接速度1620 m/ho盖面焊接时：焊丝直径中5mm,焊接电流800840A,焊接电压36 38V,焊接速度2428 m/ho4. 1. 5焊接顺序焊接时，应先焊完里侧，由于用C02焊打底所以不用清根，然后再 焊外侧，应保证焊接时的层间温度在150250C范围内，然后按照焊接 工艺卡片上的顺序进行焊接，并保证焊缝的致密性和全焊性。4. 1. 6焊前预热焊前预热是防止冷裂纹，改善接头性能的主要措施。预热温度受母 材强度、焊条类型、坡口形式、环境温度等因素的影响，并可利

18、用其中 有关经验公式进行初步估算。对于此设计预热温度应大于150C，预热范 围要大于焊接区150 mm以上，层间温度150250C。预热主要是防止裂纹，同时还具有一定的改善性能作用。预热温度 的确定是比较复杂的，取决于以下因素：A:材料的化学成分。如果CE1 / 40,为消除冷作硬化，观 后应进行600650C的消除应力退火。16MnR钢加热到800C以上可以进行各种热压成形，一般加热温度为 1000- 1100C ,终压温度为750850C .经热压后力学性能无明显变化， 一般不进行热处理。16MnR钢也应用加热矫正变形。实践表明。火焰矫形 的加热温度最好控制在700800 C之间，不易超过

19、900C .火焰矫正厚可 以空冷，也可以水冷，性能无明显差别。焊后热处理规范见表7。表7 焊后热处理规范钢号焊后热处理规范电弧焊电渣焊16MnR60()65() C 退火900930C正火600650C回火具体措施:(1) 焊后工件立即进行后热处理，其温度为300450C，保温时间4 h6 h o(2) 压力容器主体结构在消除应力热处理后，进行580620C保温， 保温时间6 h8 h。4. 1. 8焊后检验对焊缝进行100W超声波探伤检查，要求达到I级标准，并进行25%的 射线复探，达到II级标准。管板接头应进行磁粉探伤。合格后修磨至焊缝 圆滑。产品试板各项技术参数指标应符合16MnR钢母材

20、的保证值或图纸 的技术要求。5. 3.2微观分析205. 3.2结果分析225. 3.3夹杂物引起焊缝冲击值偏低的机理分析235. 3.4夹杂物的形成机理235. 5总结246 焊接工艺评定25结论26致谢27参考文献285 焊接性试验5. 1母材的化学成分分析以16MnR钢作为试板母材，母材的化学成分如表1所示。首先对试板 进行埋弧自动焊，焊后按国家标准GB2649- 1 989,从每块试板上取3个 冲击试样，组成一组，如图1所示，共做5组；然后按国家标准GB/ T 2650 - 1989,对焊缝进行常温V型缺口夏比冲击试验。试验结果如表2所示.国 家标准要求焊缝常温冲击吸收功大于27 J,

21、而由表2可知，5组试样中的 第3组和第5组试样的冲击平均值达不到国家标准要求。16MnR的化学成分 见表8。表8 16MnR的化学成分般碰 (0.20OM55 血伽 倾50.1R170.00140150M02155H 10IZH EI3-08 血27.5 图3 冲击式样的取样方法表9 试件冲击吸收功机种他姗229/18/19/N31/23/195. 2焊缝成分分析从焊接的角度分析，影响冲击韧性的因素很多，如母材、焊丝与焊 剂的成分、焊接工艺参数（包括电流、电压、焊速、热输入等）、焊缝 中的气孔与夹杂，以及焊后热处理是否合适等1。由表1可见，母材的 化学成分基本符合国家标准规定；为分析冲击值与焊

22、接工艺参数的关系， 适当改变焊接时的，I、U、等参数，发现对焊缝冲击值的影响不是很大; 通常焊接环境不同，焊缝的质量也会有很大差异，如当环境潮湿时，焊 缝中会增氢，使冲击韧性降低，为此，对焊缝断口做测氢试验，发现焊 缝中氢的质量分数并未超标。在特定的焊接工艺下，焊缝的力学性能在一定程度上取决于焊缝的 化学成分。对试样焊缝进行化学成分分析，由表3町见，除了第5组试样 的w(C)较高外，其他元素的质量分数基本符合焊缝成分要求；计算焊缝 的碳当量，见表3,发现差别不大，故碳当量也不是主要原因。因此，仅 从焊缝成分分析，不能找出引起冲击值偏低的真正原因。焊缝化学成分 及碳当量见表10。表10 焊缝化学

23、成分及碳当量试勒别u(Fe)/%w(Mn)/%w(Si)/%w(C)/%焊撅缅198.351.100.380.170.238298.271.110.420.200.270398.201.120.480.200.272498.301.040.460.200.267598.271.060.360.310.3755. 3焊缝断口分析5. 3. 1宏观分析用肉眼和放大镜观察各组试样断口特征，可以发现：第1、2组试样 断口颜色较灰暗，呈凹凸不平状，边缘剪切唇非常明显；第4组试样断口 颜色较第1组的白亮，断口四周同样存在剪切唇；第3、5组试样宏观断口 较其他组试样平整，颜色也更亮一些，边缘剪切唇较小，图2

24、为典型断口 宏观照片。5. 3. 2微观分析从宏观的角度只能观察其断裂方式，仍不能得出造成冲击值偏低的 原因。为此，采用扫描电镜对断口进行微观分析。a. 电镜扫描形貌分析用XL30扫描电镜分析断口微观形貌。从断口 SEM低倍照片可以看出， 各组试样在纤维区均为韧窝状断口，但第1、2、4组试样的断口韧窝面积 要大于第3、5组试样的。因此就可从断口形貌上解释不合格试样冲击值 低于合格试样的原因：韧窝面积大时，裂纹在扩展过程中沿曲折的路径 扩展，耗费的能量较大。比较第2组合格试样与第3组不合格式样的SEM高倍照片（见图3）,可以看出，两者的断口都是由韧窝和解理组成，即为准 解理断裂。但前者断口上的韧

25、窝面积较大，后者韧窝面积较小。从不合 格试样的断口 SEM照片可以看出，断口中含有明显的河流花样，沿着河流 的流向可以找到裂纹起始于晶粒内部，这与文献2中指出的：“通常， 准解理断裂源于晶粒内部的空洞、夹杂物、第二相粒子等相符。图4 端口宏观照片X 20（a）第二组合格试样（b）第三组不合格试样图5 试样断口 SEM照片X400b. 金相分析图4所示为上述不合格的焊缝试样剖面，经打磨、抛光后在显微镜下 拍摄的试样焊缝区照片。从图中可以非常明显观察到夹杂物的存在，且 夹杂物的形状主要呈三角或尖角状，表现出显著的聚集氧化物的特征2 .故可初步断定造成16MnR钢埋弧焊焊缝冲击韧性偏低的原因是焊缝

26、中存氧化物夹杂。c. 夹杂物能谱分析为进一步分析夹杂物的来源及其产生机理，对夹杂物的成分进行能谱分 析.将不合格试样置于扫描电镜下，选择图4中A、 、C三处的夹杂物， 用EDAX能谱仪对试样中的夹杂物进行定量分析.表4所示为A、B、C三处 夹杂物的化学成分，由表4可知，夹杂物的主要化学成分为0、AK Mg、 Ca、Fe等元素，三处的w(0)都达到40%左右，除此以外w(Al)最高，其次 是w(Ca)、w(Mg) w(Fe) w(Si)o由此可知，断口中所含夹杂物为氧化 物或复合型氧化物。1f C. I R、图6 不合格试样焊缝夹杂物分布X400表11夹杂物成分分析70此敝 w(AI) w(0)

27、 w(Ca) w(Mg) w(Fe)姻A35.42粕 2127810.745.181.16857.2942.71000C44.7339.441W005. 3. 2结果分析通常，焊丝、焊剂及母材夹层在冶金反应过程中生成的氧化物等， 在熔池快速凝固条件下会残留在焊缝金属中形成夹杂物。有些细小、均 匀分布的夹杂物如TiO等在钢铁焊缝中作为固态相变形核剂可以促进焊 缝金属中针状铁素体的形成，细化组织，改善焊缝金属的韧性和塑性3 ； 但当夹杂物以大颗粒方式存在时，则会降低焊缝金属的塑性和韧性。由 以上分析可知，造成16MnR焊缝试样冲击值偏低的原因很有可能是焊缝中 存在大颗粒氧化物夹杂。5. 3. 3夹

28、杂物引起焊缝冲击值偏低的机理分析埋弧焊时，焊速很快，熔池凝固时间很短，母材本身存在的或母材 与焊接材料发生冶金反应时产生的夹杂物不能及时浮出熔池残留在焊缝 内部，成为焊缝中潜在的裂源。夹杂物与焊缝基体之间的热收缩系数相 差很大，随着焊缝的冷却，收缩率小的夹杂物与收缩率大的焊缝基 体之问就会出现问隙M。夹杂物的存在减小了焊缝的有效受力面积，使 焊缝在较小的外力下发生断裂；同时，基体变形与夹杂物变形之间的差 异，会在夹杂物与焊缝基体的交界面处产生应力集中，导致基体微裂纹 产生。因此，当焊缝中存在比较多的大粒径夹杂物时，会增加焊缝的脆 性，降低焊缝的冲击值。5. 3. 4夹杂物的形成机理从夹杂物的成

29、分分析可以看出，夹杂物主要由AI： 0等氧化物组成， 产生氧化物的主要原因是焊缝中氧的质量分数偏高5。根据具体的试验 条件分析可知，氧主要来源于焊剂。例如，焊剂HJ431,其化学成分一般 为：W(SiO2)=4O% 44% , W (MnO) W 34 % 38 % , W(AT2O3)W4%W (0)=34 % 38 % , W(CaO)W6% , w(MgO)=5% 8%, W(CaF )=3% 7% , W(FeO)Wl. 8%。焊剂HJ43 1中较多的SiO和MnO,会使焊缝增氧。 16MnR在冶炼时一般采用A1作脱氧剂，A1的活性比较高，母材和焊丝中过 剩的A1会与焊剂中的SiO、M

30、nO等发生化学反应，生成熔点很高的AI0 , 往往以固态存在于金属溶液中。由结晶动力学可知，在熔池凝固后期， 往往会聚集大量的夹杂物，A1： 0,容易聚集成大颗粒状.同理，对于Mg、 Ca等元素，也会有类似情况发生。夹杂物除了可能来源于以上反应外，还可能直接来源于焊剂。因为 所采用的HJ431型熔炼焊剂，本身就含有A1： 0,、CaO. MgO等氧化物， 因不易熔化而直接进入焊缝金属中，成为焊缝中的夹杂物。4.4.无损检测、热处理、压力试验、油漆、包装和运输(1)由于产品厚度较大，射线探伤需采用钛192或钻60等放射源。(2)按图样、技术条件及相关标准要求进行油漆、包装和运输，若非 卧式容器，

31、热处理时制作的支撑鞍座可用于运输鞍座。当产品直径或长度 过大时，应考虑分段运输，并到现场进行组焊、探伤、热处理、压力试验 和油漆。5. 5总结厚壁结构件制造的关键在于焊接，围绕焊接，现将厚板结构件制造的 几个要点总结如下：(1) 合理周密的制造方法。(2) 科学可行的焊接工艺。(3) 质量优良的板材、焊材。(4) 性能稳定的焊接设备及辅助设备。(5) 技能过硬、责任心强的生产人员。(6) 良好的下料、坡口加工及纵焊缝的组对质量。焊接质量提高，产品制造周期可大幅提高，否则每出现一次质量缺陷， 返修所需工时约24h,(其中包括预热、清除缺陷、打磨坡口、PT检测、清 理坡口、预热、焊接、消氢，以及重

32、新无损检测UT、RT)；坡口角度增 大 或间隙增大时，焊缝填充金属量大大增加，制造工时及成本增加的同时也 加大了出现焊接缺陷的隐患；所以在厚壁结构件造过程中，切不可急于求 成，“以质量保进度”的方针必须贯彻。6 焊接工艺评定筒体材质为16MnR,采用双Y形坡口，采用手工电弧保护焊打底、填 充，焊条J507 0 3. 2mm；埋弧焊时，选择焊丝还应考虑融合比和焊剂对 焊缝成分的影响，用埋孤焊继续进行填充、盖面，焊丝HlOMnSiA 0 6mm, 焊剂SJ10U 焊前进行200C预热及相应后热，焊后经过580C X4h退火 处理。并对焊缝进行100%超声波探伤检查，要求达到I级标准，并进行25%

33、的射线复探，达到II级标准。管板接头应进行磁粉探伤。合格后修磨至焊 缝圆滑。产品试板各项技术参数指标应符合16MnR钢母材的保证值或图 纸的技术要求。其焊接接头力学性能实验结果见表12,筒体对接焊缝性 能达到16MnR钢的设计要求。表12焊接接头力学性能试验结果拉伸试验冲击试验冷弯实验d = 3s ,a =100(Th /MPa必/MPa断裂位置焊缝热影响区表层666, 669507, 511母材68, 68,66, 92,4件侧弯88112合格中层697, 696513, 504母材75, 81,9655, 62,66结束语我国的焊接技术在改革开放的30年来，取得了巨大的发展，成功地 焊接了

34、许多具有标志性意义的重大产品，在国民经济建设中发挥了重要 的作用。我国已经成为世界焊接大国，但是还远不是焊接强国。我国焊 接生产技术的发展由于缺乏全面统一的规划，在不同行业中还很不均衡, 面上存在的矛盾仍很突出。别进定成特将制形我国要在2020年前完成全面建设小康社会，要振兴制造业， 是装备制造业，完成工业化过程，焊接将发挥更加关键的作用，3 入一个新的高水平发展阶段，趁国家正在制定长期发展规划之机， 一个完整全面的焊接生产技术发展规划是势在必行。完善人才教育与培养体系，重视吸引优秀人才从事焊接工作， 强大的焊接材料、工艺、装备的研究、开发、设计、制造队伍，是我国 焊接生产持续发展的重中之重。

35、发挥焊接协会/学会在行业中的龙头作用，赋予职权，做好规划；扶 持几个焊接研究所/室，发挥它们在焊接共性技术研究与开发中的主导作 用，并强化对焊接协会/学会以及焊接研究所/室绩效的考核。加强国际交流，参与国际市场竞争；重视标准的制定，并枳极参与 国际焊接标准的编制工作，与国际接轨。今后20年是我国焊接技术大发展的最好时机，政府与企业界、教育 界、焊接界都应高度重视，为把我国建设成世界最大的焊接强国而共同 努力奋斗。致谢首先感谢本人的导师马天凤老师，他对我的仔细审阅了本文的全部 内容并对我的毕业设计内容提出了许多建设性建议。马天凤老师渊博的 知识，诚恳的为人，使我受益匪浅，在毕业设计的过程中，特别

36、是遇到 困难时，他给了我鼓励和帮助，在这里我向他表示真诚的感谢！感谢母校一一河南机电高等专科学校的辛勤培育之恩！感谢材料工 程系给我提供的良好学习及实践环境，使我学到了许多新的知识，掌握 了一定的操作技能。感谢和我在一起进行课题研究的同窗郝金勇同学，和他在一起讨 论、研究使我受益非浅。最后，我非常庆幸在三年的的学习、生活中认识了很多可敬的老师 和可亲的同学，并感激师友的教诲和帮助！1 绪论近几年，许多工程和成套设备中，会遇到较多厚板焊接结构件的制 作，例如钢厂台上设备中的回转台、轧制线上的大型梁、柱，锻压设备 中横梁、滑块、工作台等，大量的板厚都在100300之间，材质为16MnR 或Q235

37、,这些厚板结构件现场使用环境恶劣，要承受很大的冲击载荷， 有的工作环境温度较高，还要求承受一定的热疲劳。为了提高经济效益， 加强生产进度以及降低成本，通过分析和研究焊接方法和工艺。厚板焊接可以采用的焊接方法有很多。C02气保焊、电渣焊、窄间隙 焊，还有埋弧自动焊等等。电渣焊虽然焊接效率高，但是其焊缝金属晶粒粗大，焊接接头容易 脆化，因此在质量上难以满足要求。窄间隙焊使用设备复杂，对装配质量要求高，对焊工素质、工艺要 求严格，其变形控制量难以掌握。埋弧自动焊在打底层焊接上存在清渣较难，焊前准备工作时间较长， 焊接过程中焊缝对中难度大，而且对平位置、长直焊缝才能体现它的高 效率。对于形状复杂的焊缝

38、，需要全位置焊接的焊缝，埋弧自动焊无法 施焊。C02焊由于熔池小热影响区窄，因此焊后工件变形小，焊缝质量好， 并且焊道整齐，焊道接头少。焊丝熔化速度快，生产效率高（焊接速度一 般大于30m/h）,操作简单，成本较低，并且二氧化碳气体来源广，价格低。 另外，因其为明孤焊可以看清电孤和熔池情况，便于掌握和调整，并且 抗氢气孔能力强，对油锈敏感低，操作性能非常强。16MnR钢是我国目前制造压力容器中采用最多的钢号。最常用于制造 中低压的压力容器中、型的高压容器，特别是广泛用于制造液化石油气、 天然气、液氨、氧气、氮气等球形储罐。16MnR具有良好的机械性能、可 焊性和加工工艺性能。一般认为16MnR

39、钢是屈服点为350MP&级的低合金中 等强度钢，其可焊性是几种低合金钢压力容器专用钢中最好的一种。因此，用C02焊接16MnR厚板结构件的前景很大，非常使用。参考文献1 周振丰，张文钺.焊接冶金与金属焊接性【M】北京：机械工 业出版社.1998. 92 DL 5017-1993,压力钢管制造安装及验收规范【S】.1993. 73 JB 4708- 2000,钢制压力容器焊接工艺评定【S】2000. 54 GB/ T 13148-1991,不锈钢复合钢板焊接技术条件.1991. 65 GB / T 4709-2000,钢制压力容器焊接工艺指导书.2000. 8【6】英若采.熔焊原理及金属材料焊接

40、.北京：机械工业出版社.2005. 5 71T仁亮，赵忠.金属材料及热处理.北京：机械工业出版社.2007. 6【8】雷世明.焊接方法与设备.北京：机械工业出版社.2007. 10【9】陈茂爱，陈俊华.复合材料的焊接.北京：化学工业出版社.2005.6 【10】李亚江.焊接材料的选用.北京：化学工业出版社.2004. 3111孙爱芳，吴金杰.焊接结构制造.北京：北京理工大学出社.2007.8【12】戴建树.焊接生产管理与检测.北京：机械工业出版社.2007. 22 16MnR钢的组织性能和焊接性2. 1 16MnR钢的简介在板材里，属低合金系列。在低合金的材质里，此种材质为最普通的。 Q345

41、过去的一种叫法为：16Mn。Q345是一种钢材的材质。它是低合金钢（*0.2%）,广泛应用于桥梁、 车辆、船舶、建筑、压力容器等。Q代表的是这种材质的屈服，后面的 345,就是指这种材质的屈服值，在345左右。并会随着材质的厚度的增 加而使其屈服值减小。Q345A级，是不做冲击；Q345B级，是20度常温冲击；Q345C级，是0 度冲击；Q345D级，是一 20度冲击；Q345E级，是一 40度冲击。在不同的 冲击温度，冲击的数值也有所不同。Q345的外部执行标准为：GB709,内部执行标准为：GB/T1591-9由 于执行标准的原因，此种钢板允许负公差交货。2. 216MnR钢的组织性能Q3

42、45钢属于低合金高强度结构钢，这种钢具有高强度，高韧性、良 好的耐蚀性及良好的焊接性能和冷成型能力，其成分如表1所示。Q345钢 一般在热轧状态下使用，它具有良好的综合力学性能、Q345低温时的韧 性较好，一 40C时的冲击功大干等于2 7 Jo在有特殊需要时，如为了改 善焊接区性能，可进行一次正火处理。Q345钢属16Mn系列钢种，AA- 有良好的综合力学性能，低温冲击韧性，冷冲压性及切削性均好，可以 制造大型船舶，铁路车辆，桥梁，管道等承受负荷的焊接结构，这就要 求其不仅有好的力学性能，还要有好的焊接性。Q 3 4 5钢焊接后焊缝的 化学成分及焊接接头的力学性能见表2,从表中可以看出，焊缝

43、的化学成 分与母材的相近，焊接接头的抗拉强度较高，但韧性较低，硬度高于母 材。其焊缝金属的显微组织呈柱状晶分布，晶界处为铁素体，晶内为素 氏体和针、块状分布的铁素体。冷却时，由于向外散热，故使焊缝的熔 融金属沿热扩散方向结晶而获得柱状晶，此时，先共析的铁素体沿柱状 品界析出，由于温度较高，且冷速又稍快，因此组织呈过热特征，但随 后的冷却过程中，奥氏体因过冷度较大，而转变为索氏体组织。焊缝组 织下方为融合区，此处融合情况度好；过热区的显微组织为针状或块状 分布的铁素体和素氏体，此处品粒粗大，呈魏氏组织。这是该区加热温 度高，奥氏体晶粒显著长大，冷却后得到粗大的过热组织，使冲击韧性 降低；重结晶区

44、组织为晶粒细小的铁素体和珠光体，由于加热温度超过 了 A C 3,所以铁素体和珠光体已全部转化为奥氏体，又由于加热温度较 低，奥氏体晶粒未显著长大，因此在空气中冷却以后会得到均匀细小的 铁素体和珠光体；母材的显微组织为铁素体和珠光体呈带状分布。Q3 4 5钢无热裂纹倾向，其焊接接头热影响区没有出现裂纹，其焊缝的化学成 分与母材的相近，焊接接头的抗拉强度、硬度较高，但韧性较低，其焊 接接头的过热区形成了魏氏组织，容易产生脆化，构成了接头的薄弱环 节，这时易以小线能量焊接，在过热区获取板条马氏体，韧性会达到改 善。2. 3 16MnR钢的焊接性16MnR钢是实际工业设计和生产中应用非常广泛的机械结

45、构之一，主 要用于工程结构焊接。通过对Q 3 4 5钢的焊接工艺分析，在焊接过程中 应根据实际应用场合选择合适的焊接材料、焊接工艺以及焊接方法。同 时还应注意在焊接过程中容易出现的问题，应考虑到各方面的因素做好 防止措施，正确施焊，确保优良的焊接质量。所有这些都对我们更好地 利用Q 3 4 5工程结构钢提供了现实依据。16MnR钢的热切割性能与低碳钢相近，气割边缘淬硬层很（Wlmm）, 电弧气刨切口边缘没有明显的增碳层，切割后不必加工而直接焊接。 16MnR钢可以顺利地进行冷弯与机械切割，由于屈服点比低碳钢高，冷压 成型时回弹力较大，在冷弯、冷剪、冷矫时，压力应选的大些，同时弯 曲半径不能过小

46、。16MnR钢加热到800C以上可以进行各种压热成型，一般加热温度为 1000110CTC,终压温度为750850C。经热压后力学性能无明显的变 化，一般不再需要进行热处理。16MnR钢也可以用加热矫正变形。实践表 明，火焰矫正的加热温度最好控制在70080CTC之间，不宜超过900C。 火焰矫正后可以空冷也可以水冷，性能无明显的差别。16MnR钢的焊接性较好，一般不需要预热。由于钢中有一定量的合金 元素，碳当量高于Q235钢，但一般不超过0. 40%；另外，淬硬性应大于Q235钢因此当结构刚性较大或在低温下施工时，应适当预热，预热温度见表1。表1 16MnR钢的预热温度钢牌号板厚/mm不同气

47、温下的预热温度/c16-T-】0C以上不预热；-10C以下10015016MnR1624-5 C以上不预热；-5 C以下 10 ()1 5 02510C 以 400C以上不预热：0C以下10015040以上一律预热 10015016MnR钢采用焊条电孤焊时，一般选用E50XX型焊条。焊接重要结构 (如压力容器)，应选用碱性焊条(E5015, E5016)o对小厚度和坡口角 度小或要求不高的产品，也可选用E42XX型的碳钢焊条(E4215, E4216)。16MnR：合金元素总量在5%以下，屈服强度在275Mpa以上，具有良 好的焊接性、耐蚀性和成形性的低合金高强度结构钢。16MnR钢一般都是

48、热轧状态供货、不需要热处理，特别是厚度小于20mm的钢板，其机械性 能都很高，故一般都是热压以后直接使用。对于较厚的板材为了改善钢 材的塑性、低温冲击韧性或冷压成型等加工性能。有时也采用正火处理 后使用从而提高了钢材的屈服强度和低温冲击韧性，降低了临界转变温 度，同时也改变了加工成型及可焊性。2.4材料介绍16MnR化学成分如表2 (%)：表2 16MnR化学成分元素CWMnSiWPWSWAINVNbTi含；0.1. 0-1.0. 50. 030. 030. 010. 02-0. 10. 015-0. 00. 02-0.量26555556216MnR力学性能如表3 (%):表3 16MnR力学

49、性能机械性能指 标伸长率(%)试验温度oc抗拉强度MPa屈服点MPaN数值8 5N22J334o b(470-650)o s(324-259)16MnR机械性能如表4：表4 16MnR机械性能钢材厚度或至直径(mm )屈服强度0K(MPa)抗拉强度0b(MPa)延伸 率8s(%)冷淬实验180不小于W 16355221d = 2a1725335019d = 3a2636314819d = 3a38飞0294819d = 3a55100方、圆板284819d = 3a16MnR刚的可焊性含碳量为0. 12%、镒1.31.6%、硅0. 40. 6%属于 低碳硅钢。16MnR钢可焊性实验结果（分为4

50、点）：a、用手弧焊和自动焊在常温下焊接的16MnR钢对接接头焊接热影响区一 般不出现淬硬组织。b、常温下焊接的T型接头，当焊脚不小于6 nun,且为连接焊缝时，焊接 热影响区一般均不出现马氏体组织而是少量的贝氏体、珠光体和铁素体 的混合组织、综合性能良好。最高硬度小于HV350,其中焊脚愈大，最高 硕度值愈底。c、常温下焊接16MnR钢T型接头的小焊脚短焊缝（如焊脚4mm,焊缝长度小于100mm）,当板厚大于16mm时，焊接热影响区一般将出现马氏体，即淬硬组织。d、相同焊接温度下，增大焊接电流时，冷却速度慢，则组织较好，硬度3 16MnR钢焊接过程中存在的问题及产生的原因钢的焊接性主要取决于化

51、学成分，钢中元素对焊接性影响最大的是 碳。热轧及正火钢属于非热处理强化钢，碳及合金元素的含量都比较低， 总体来看焊接性较好。但随着合金元素的增加和强度的提高，焊接性变 差。焊接问题主要来自两方面：焊接裂纹与热影响区母材性能下降。3. 1 16MnR钢的焊接裂纹主要是冷裂纹大量研究结果表明，对钢材来说冷裂纹形成的温度大体在100-100 之间，具体温度随母材与焊接条件而不同。冷裂纹多产生于有淬硬倾向 的低合金高强度钢和中、高碳钢的焊接接头。裂纹大多在热影响区，通 常发源于熔合区，有时也出现在高强度钢和钛合金的焊缝中。形成冷裂纹的三个基本因素：(1) 氢的影响导致接头产生冷裂纹的氢主要是扩散氢。实

52、验证明， 随着焊缝中扩散氢含量的增加，冷裂纹率较高。例如，用含有较多有机 物的焊条进行焊接，出现大量的焊道下裂纹；而用低氢型焊条焊接时， 则未出现或很少出现焊道下裂纹。近年来，一些学者在显微镜下观察弯 曲试件的断裂情况时，还观察到在裂缝尖端附近有氢气泡析出。扩散氢 含量还影响延迟裂纹延时的长短，扩散氢含量越高，延时越短。(2) 钢种的淬硬倾向 一般来说，钢种淬硬倾向越大，则接头中出 现马氏体的可能性越大，则越容易产生冷裂纹。当材料一定时，随冷却 速度不同，接头的组织将相应改变，冷速越高，马氏体的含量越高，导 致裂纹率上升。(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、相变应力、结构自身儿何因素所 决定的内应力。三个方面的应力都是不可避免的，由于都与拘束条件有关而统称为