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铸钢材料锅炉筒体焊接工艺

长春职业技术学院

毕业设计

题目铸钢材料锅炉筒体焊接工艺

系别工程技术分院

专业焊接技术及自动化

班级110224

姓名

学号11022426

毕业设计任务书

专业：

焊接技术及自动化班级：

1124学生：

闫世伟

一：

设计题目：

铸钢材料锅炉筒体焊接制造（材质20g筒体材料厚度30mm）

二：

设计内容：

分析材料特点、焊缝布置、采用的焊接方法、工艺评定、注意事项

三：

原始资料（设计所用材料、设备等）：

现场参观、咨询

查阅制造焊接等书籍

一、前言·········································4

二、材料特点······································5

三、焊缝布置······································6

四、焊接方法及焊材的选择···························7

五、焊接工艺评定··································11

六、操作技术····································14

七、焊接工艺指导书································17

八、焊后检验·····································20

九、注意事项·····································21

十、参考资料····································22

十一、结语·····································23

前言

锅炉压力容器是工业生产和人民生活中必不可少的设备,它可分为以下几类：

低压容器（代号L）0.1MPa≤P≤1.6MPa

中压容器（代号M）1.6MPa≤P＜10MPa

高压容器（代号H）10MPa≤P＜100MPa

超高压容器（代号U）P≥100MPa

作为承压类特种设备，锅炉压力容器比较容易发生事故，而且事故的后果经常比较严重。

当前，国家越来越重视对特种设备的安全管理，并将一些事故后果非常严重的压力容器（如承受高压、盛装有毒或易燃易爆介质等）列为重大危险源。

因此，锅炉压力容器在设计及制造过程中应严格按照《钢制压力容器》（GB150——1998）的规定，从材料的选择，到生产加工，再到最后的产品检验，务必严格遵守相关标准，确保锅炉压力容器的质量符合国家标准，并安全服役。

锅炉压力容器的制造流程为：

下料→成型→焊接→无损检测→组对焊接→无损检测→热处理→压力试验。

这里主要介绍了锅炉筒体的焊接生产加工，其中包括了材料性能的分析、焊接方法及焊材的选择焊缝位置的布置、焊接工艺评定、焊接工艺操作规程、焊后检验以及注意事项等内容。

锅炉筒体（材质20g）制造

1、材料特点

锅筒是锅炉中最重要的受压元件，对锅筒用钢有一些要求，钢材应具有较高的室温及中温强度，设计锅筒时以钢材的屈服极限和强度极限值为依据，由于锅筒直径较大，随着压力的增高，壁厚不断增加，给制造工艺（卷板、压制、焊接等）带来许多困难，也使重量明显增加。

钢板应具有良好的塑性、加工工艺性能和焊接性能，而钢材的力学性能及焊接性是由其化学成分决定的，不同元素对钢材的影响也不同。

碳碳是钢中提高强度性能不可缺少的合金元素之一。

在碳素结构钢中，一部分碳原子溶解于钢的基体中，形成固溶体，一部分与铁形成碳化铁（Fe3C）。

随着钢中碳含量的增加，Fe3C量也会增加，淬硬性也随之提高，钢的抗拉强度和屈服强度相应增高，而塑韧性则下降。

碳当量每增加0.1%，则抗拉强度约可提高90MPa，屈服点约提高40至50MPa。

但是在焊接含碳量较高的钢种时，焊接热影响区会出现淬硬现象，硬度显著提高，加剧了冷裂纹倾向。

锰锰是一种固溶强化钢材基体最常见的合金元素之一，可同时提高钢的抗拉强度和屈服点。

而且不降低钢材的塑性。

钢种的锰含量在一定的范围内具有细化组织的作用。

增加锰含量可降低缺口冲击的脆性转变温度，提高其抗脆断能力。

锰在铁中的固溶强化极限值为1.6%，当锰的含量超过此极限值，抗拉强度和屈服点进一步提高，而此时冲击韧度开始下降。

因此，从韧性角度考虑，锅炉用钢的锰含量不应超过1.6%。

在焊接冶金过程中，锰能起脱硫的作用。

在高温下，锰与硫结合形成硫化锰，部分进入熔渣，残留部分均匀布于晶内，不会在晶界析出，并阻止低熔点硫化物，提高了焊缝金属的抗热裂纹能力。

因此在锅炉用钢中保持适量的锰含量是十分必要的。

硅也是一种固溶强化的合金元素，而且其强化作用比锰还要高，因此，过高的含量同样会造成冲击韧度的下降，一般优质钢的硅含量应该控制在0.15%～0.35%之间较为适宜。

钼其固溶强化作用强于Mn、Cr等元素，钼不仅能提高钢的常温强度还能提高高温持久强度和高温蠕变强度，是低合金耐热钢不可缺少的合金元素，钼也是增强抗氢能力而成为抗氢钢中不可缺少的合金元素。

在Cr、Ni不锈钢中加入2%~3%的Mo可进一步提高其耐蚀性并同时降低焊缝金属热裂纹的敏感性，在低合金钢中加入少量的钼（0.3%左右），可提高焊缝金属的冲击韧度。

从焊接性能角度看，钼提高了低合金钢的淬硬性和焊接冷裂敏感性，当其含量大于0.4%时就应预热，以防止冷裂纹的形成。

铬强化作用与钼相似，是低合金耐热钢中最重要的合金元素之一，其能提高钢的高温强度和增强钢的抗氢能力，当钢中同时加入合金元素铬和钼时，钢的热强性和抗氢能力成倍提高。

铬是不锈钢中最重要的合金元素，其含量超过12%时，在一般的腐蚀介质中具有耐蚀性，含量超过17%的铬钢和铬镍钢具有相当高的耐蚀性。

从焊接性能角度看，当含量超过5%时，则可提高钢的淬硬性和冷裂倾向，超过5%时冷裂倾向加剧，Cr含量超过8%的铬钢其原始组织为全马氏体，必须采取特殊工艺才能提高焊接质量。

钒钒是一种强烈的碳化物形成元素，也是固溶强化合金元素，主要以细化晶粒和碳化物的形式起强化作用。

过量的钒可恶化钢材的塑性和韧性，当钢中同时存在Cr、Mo、V三种元素时，焊接在回火过程中会形成复杂的碳化物而降低了焊接接头的韧性和塑性。

除一些特殊耐热钢外，低合金钢焊缝金属中的V最好限制在0.1%以下，对于大于0.2%的低合金钢焊件焊后热处理时，必须严格控制热处理的温度，以保证焊接接头具有足够的韧性，以防止消除应力裂纹的形成。

硫硫会降低钢材的高温韧性，加剧钢材熔焊时产生的热裂纹敏感性且其具有易于偏析的特点，厚钢板中还有促使产生层状撕裂。

磷易于形成低熔点共晶体，分布于晶界而加剧热裂倾向，这些低熔点共晶体还会消弱晶间结合力提高钢的冷脆性，会使钢在常温和低温下的冲击韧度明显下降。

20g是钢板中常用的容器板，具有特殊的成分与性能，其碳当量低，焊接性能、加工工艺性能以及塑韧性良好，而且价格合理，常用于中低压压力容器的制造。

下表为20g的成分及力学性能表。

表120g化学成分

牌号

化学元素质量分数/%

20g

Alt

≤0.20

≤0.35

0.50-1.00

≤0.025

≤0.015

≥0.020

表220g的力学性能

钢板公称厚度/mm

抗拉强度R/（N/㎡）

屈服强度R/（N/㎡）

伸长率A/%

温度/℃

冲击吸收能量KV2/J

180°弯曲试验弯曲直径（b≥35mm）

3-16

400-520

≥245

≥25

≥31

d=1.5a

>16-36

400-520

≥235

≥25

≥31

d=1.5a

>36-60

400-520

≥225

≥25

≥31

d=1.5a

>60-100

390-510

≥205

≥24

≥31

d=2a

>100-150

380-500

≥185

≥24

≥31

d=2a

2、焊缝布置

焊缝布置一方面要考虑结构强度和工作条件等性能的要求，另一方面还要考虑到焊接工艺过程的特点，以利于用简便可靠的工艺来进行成产，并获得优质的产品。

在设计锅筒焊缝位置时，应注意以下几点：

1、应将纵焊缝错开，即不安排在同一轴线上，避免焊缝有十字交叉的情况，这样可以减小焊接变形和焊接残余应力。

2、焊缝应布置在与结构截面中性轴重合或对称的位置。

3、焊缝应布置在对工作最有效的地方，用最少的焊接量得到最佳的效果吗。

且便于焊接及检验。

自动焊时，焊缝位置应使焊接设备是调整次数及焊件的翻转次数最少。

4、尽量减少结构和接头处的应力集中。

在焊缝的连接板端部应有较缓和的过渡。

焊缝不应过分密集，对于加强筋等端部的锐角应切除。

5、工作焊缝受弯曲作用的焊缝未焊侧不应位于受拉应力处，避免将焊缝布置在工作应力最大处。

具体布置如下图1。

图1焊缝分布图

3、焊接方法及焊材的选择

3.1焊接方法的选择

本次设计锅筒的壁厚30mm，属中厚板。

生产中比较常用的几种焊接方法有，手工电弧焊（SMAW），埋弧焊（SAW），二氧化碳气体保护焊（GMAW），氩弧焊（GTAW），其中不同焊接方法的适用性不同。

3.1.1手工电弧焊：

设备简单价格便宜；操作灵活方便；能进行全位置焊接，适合不同材料的焊接；但是其缺点是效率太低，劳动强度大，多焊工的技术要求较高。

因此在压力容器制造中，焊条电弧焊仍占有一定的应用比率，特别是容器接管的焊缝、内件、附件焊缝以及难焊位置的焊缝大都采用焊条电弧焊。

3.1.2埋弧焊：

埋弧焊是当今生产效率较高的机械化焊接方法之一。

其主要优点有：

1、生产效率高

这是因为，一方面焊丝导电长度缩短，电流和电流密度提高，因此电弧的熔深和焊丝熔敷效率都大大提高。

（一般不开坡口单面一次溶深可达20mm）另一方面由于焊剂和熔渣的隔热作用，电弧上基本没有热的辐射散失,飞溅也少，虽然用于熔化焊剂的热量损耗有所增大，但总的热效率仍然大大增加。

2、焊缝质量高

　　熔渣隔绝空气的保护效果好，焊接参数可以通过自动调节保持稳定，对焊工技术水平要求不高,焊缝成分稳定，机械性能比较好。

3、劳动条件好

除了减轻手工焊操作的劳动强度外，它没有弧光辐射，减轻了对焊接操作者的伤害，这是埋弧焊的独特优点。

4、埋弧焊常用于中厚板的焊接。

以上诸多特点决定了埋弧焊的应用范围，目前主要用于焊接各种钢板结构。

可焊接的钢种包括碳素结构钢，不锈钢，耐热钢及其复合钢材等。

埋弧焊在造船，锅炉，化工容器，桥梁，起重机械及冶金机械制造业中应用最为广泛，压力容器壳体纵、环焊缝几乎都采用埋弧焊方法焊接。

3.1.3二氧化碳气体保护焊：

CO2气体保护焊是利用CO2保护气体的熔化极气体保护焊方法，简称为CO2焊。

CO2焊是目前焊接钢铁材料的重要方法之一，在许多金属结构的生产中已逐渐取代了焊条电弧焊。

优点：

1、焊接成本低。

　　2、生产效率高。

其生产率是焊条电弧焊的1至4倍。

　　3、操作简便。

明弧，对工件厚度不限，可进行全位置焊接而且可以向下焊接。

　　4、焊缝抗裂性能高。

焊缝低氢且含氮量也较少。

5、焊后变形较小。

6、焊接飞溅小。

当采用超低碳合金焊丝或药芯焊丝，或在CO2中加入Ar，都可以降低焊接飞溅。

缺点：

机械化程度低，焊缝成形受焊工操作的限制，在焊接厚板长焊缝时效率和焊缝成形都不如埋弧焊好。

3.1.4氩弧焊：

氩弧焊可焊金属多，除黑色金属外，可用于焊接不锈钢、铝、铜等有色金属及合金钢。

但氩弧焊成本高；而且氩气电离势高，引弧困难；氩弧焊产生紫外线强度高于手工焊条电弧焊5—30倍；另外，钨极有一定放射性，对焊工也有一定的危害氩弧焊适合焊接薄板，完成的焊缝性能较差。

综合来看，锅炉筒体的纵焊缝和环焊缝选择埋弧焊是比较高效、合理而且经济的，其附件（如底座、法兰、耳板等）使用手工电弧焊。

3.2焊材的选择

焊材对压力容器焊缝金属性能的基本要求：

压力容器与其他的焊接结构不同，是一种特殊的全焊结构，其焊接接头承受着与容器壳体相同的各种载荷、温度和工作介质的物理、化学作用。

对焊缝金属不仅要求具有与壳体材料基本相等的静载强度，而且还要求具有足够的塑性和韧性，以防止受压部件焊接接头在加工过程中以及在运行过程中，由于在各种应力和沮度的共同作用下，提前失效或产生脆性破裂。

此外，在某些应用场合，还要求焊缝金属具有扰丁作介质腐蚀的性能。

因此，对压力容器焊缝金属的性能要求应遵循等强度、等塑性、等韧性和等耐蚀性的原则.。

3.2.1等强度原则

压力容器焊接接头的等强度应理解为其强度性能不低于母材标准规定的下限值。

强度性能包括常温，高温短时强度。

实际上，焊接接头的强度值与母材相应强度值的绝对等同是不可能的，而且也无此必要。

另外，母材和焊缝金属由于金相组织的差异，屈强比也不尽相同。

很难使焊缝金属的抗拉强度和屈服强度同时达到母材标准的规定值。

按GB150-1998《钢制压力容器》设计标准，压力容器的强度计算中，按钢材抗拉强度选取的许用应力，通常低于按屈服点选取的许用应力。

因此，按抗拉强度指标考核焊缝金属和焊接接头的强度较为合理。

对于高温压力容器，焊接接头的强度指标应该是最高工作温度下的高温暂时抗拉强度，而不必强求同时达到常温强度的规定指标。

3.2.2等塑性和等韧性原则

压力容器焊接接头等塑性和等韧性是指其塑性和韧性不低于母材标准规定的塑性和韧性指标的下限值，或不低于容器制造技术条件的规定值。

这里所讨论的塑性和韧性的含义应包括低温塑性和韧性，高温塑性和韧性以及在加工过程中接头应具有的变形能力，并保证多次热处理和长期高温运行后的塑性和韧性。

焊接接头或焊缝金属的塑性通常以横向弯曲或纵向弯曲试验来测定。

按我国《压力容器安全技术监察规程》的规定焊接接头弯曲试验的合格标准见表3-1所列。

即按钢种和接头形式规定了不同的合格指标。

这种分等的合格指标不尽合理，作为压力容器用钢，无论是碳钢，还是合金钢，在压力容器制作过程中，都要经过相同的加工工艺，都应具有符合要求的塑性变形能力，应当对其规定相同的最低合格标准。

在这方面可以借鉴美国ASME《锅炉与压力容器法规》第九卷的有关规定，对于碳钢，低合金钢和奥氏体不锈钢焊接接头。

取弯心直径为4倍试样厚度、合格弯曲角均为180°。

按现行有关标准，压力容器焊接接头或焊缝金属的冲击韧度，通常采用夏比V形缺口冲击试验来侧定，并以冲击吸收功（J）来表征。

检查焊接材料和产品见证件试板时冲击式样的缺口开在焊缝金属的中心。

而在新钢种的焊接性试验和焊接工艺评定试验中，冲击试验的缺口分别开在焊缝金属、熔合区和热影响区。

各区的缺口冲击韧度均不低于钢材标准规定的下限值。

表3压力容器焊接接头弯曲试验合格标准

焊接工艺

钢种

弯心直径d/mm

支点距离/mm

弯曲角度/（°）

双面焊

碳钢、奥氏体钢

3δ

5.2δ

180

其他合金钢

100

单面焊

碳钢、奥氏体钢

其他合金钢

注：

δ表示试件厚度。

3.2.3等耐蚀性原则

压力容器焊接接头的等耐蚀性原则可以理解为其耐蚀性，抗氢性和抗氧化性不低于母材标准规定的指标或产品制造技术条件相应的规定值。

为满足这一要求，焊缝金属的合金成分不低于母材标准规定值，考虑到焊接热过程对接头的耐蚀性可能产生不利的影响，应选择主要合金成分略高于母材，而含碳量低于母材的焊接材料。

根据以上对焊接材料的要求，可以确定使用的焊材，埋弧焊焊丝可选用H08MnA焊丝配HJ431焊剂，焊条可选用E5015低氢焊条。

4、焊接工艺评定

工艺评定报告表

（二）

单位名称：

安徽机电职业技术学院

焊接工艺评定报告编号：

PQR-01焊接工艺指导书编号WPS-1

焊接方法：

埋弧焊机械化程度：

（手工、半自动、自动）自动

接头简图：

（破口形式、尺寸、衬垫、每种焊接方法或焊接工艺、焊缝金属厚度）

焊接接头：

对接接头（长度>=200mm有或无钝边坡口间隙1~2）简图：

（接头形式、坡口形式与尺寸、焊层、焊道布置及顺寻）

破口形式：

U型

衬垫（材料及规格）：

无

其他：

反变形量3º~4º

母材：

20g

材料标准：

JB4708

钢号：

20g与钢号：

20g相焊

类、组别号：

Ⅰ﹣1与类、组别号：

Ⅰ﹣1相焊厚度：

30mm

直径：

其他：

焊后热处理：

热处理温度（oC）：

610~635oC

保温时间（h）：

4~10

气体：

气体混合种类混合比流量（L/min）

保护气///

尾部保护气///

背面保护气///

填充金属：

焊材标准：

GB∕T5293—1999

焊材牌号：

H08MnA

焊材规格：

Φ5

焊缝金属厚度：

30~33mm

其他：

电特性：

电流种类：

直流

极性：

反接

钨极尺寸：

焊接电流（A）：

650～700

电弧电压（V）：

38～40

其他：

焊接位置：

对接焊缝位置：

向下方向：

（向上、向下）

角焊缝位置：

向下方向：

（向上、向下）

技术错数：

焊接速度（m/h）：

25～30

摆动焊或不摆动焊：

不摆动焊

摆动参数：

2º~3º

单道焊或多单焊（每面）：

多层多道焊

单丝焊或多丝焊：

单丝焊

其他：

预热：

预热温度（oC）：

层间温度（oC）：

450oC

（续）

拉伸试验编号：

2011B-D0022实验报告编号：

2011B-D0022

试样编号

试样宽度（mm）

试样厚度（mm）

横断面积（cm2）

断裂载荷（kN）

抗拉强度（MPa）

断裂部位和特征

Ⅱ-10

25X30

600

母材断

Ⅱ-11

24X30

580

母材断

Ⅱ-12

26X30

620

母材断

弯曲试验实验报告编号：

Ⅱ

试验编号

试样类型

试样厚度（mm）

弯心直径（mm）

弯曲角度（o）

实验结果

Ⅱ-20

侧弯

180

合格

Ⅱ-21

侧弯

180

合格

Ⅱ-22

侧弯

180

合格

Ⅱ-23

侧弯

180

合格

冲击试验实验报告编号：

Ⅱ

试样编号

试样尺寸

缺口位置

试验温度（oC）

冲击吸收功（J）

缺口类型

备注

Ⅱ-40

10x10x55

焊缝区

合格

Ⅱ-41

10x10x55

焊缝区

合格

Ⅱ-42

10x10x55

焊缝区

合格

Ⅱ-43

10x10x55

热影响区

合格

Ⅱ-44

10x10x55

热影响区

合格

Ⅱ-45

10x10x55

热影响区

合格

Ⅱ-46

10x10x55

熔合区

合格

Ⅱ-47

10x10x55

熔合区

合格

Ⅱ-48

10x10x55

熔合区

合格

无损检验实验报告编号：

Ⅱ

金相检验（对接焊缝）：

根部：

（焊透、未焊透）焊透，焊缝：

（熔合、未熔合）熔合

焊缝、热影响区：

（有裂纹、无裂纹）无裂纹。

检测截面

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

Ⅴ

无损检验：

RT：

一级焊缝UT：

MT：

合格PT：

其他：

耐蚀堆焊金属化学成分（重量%）

0.09

1.05

1.5

0.005

0.015

0.01

0.05

.08

分析表面或取样开始表面之熔合线的距离（mm）：

附加说明：

根据GB713-2008附录A《新旧标准牌号对照》GB6654-1996中16MnR对应GB713-2008中的

Q345R，经查原PQR22-2007中的试验数据均满足GB713-2008中对材料Q345R的要求，本次按质检特函

（2008）64号第一条第三款规定要求，由焊评PQR22-2007直接转换，原焊评PQR22-2007有效期至

2009年8月31日24时终止。

相关原始数据记录见原PQR22-2007。

结论：

本评定按JB4708-2000规定焊接试件、检验试样，测定能力，确认试验记录正确

评定结果：

合格

焊工姓名

焊工代号

施焊日期

编编制

日期

审核

日期

批准

日期

第第三方检验

5、操作技术

焊前准备焊前准备包括坡口的制备、清理、焊剂的烘干、焊丝的清理、缠绕以及接头的组装、定位、夹紧或打底焊等。

焊接坡口的准备埋弧焊时坡口的制备对焊缝质量起着至关重要的作用。

因为焊机行走小车或焊件转动是等速的，对坡口角度、钝边或间隙的误差不能自适应调整焊接速度或其他焊接参数加以弥补。

因此特别要严格控制钝边和间隙尺寸。

对于主焊缝坡口最好用机械加工方法制备，对于某些暂不能用机械加工制备坡口的受压部件，也应采用自动热切割机或靠模切割机或靠模切割机加工坡口。

根据资料知，不同板厚所开坡口不同，一般可依据下表。

表4坡口形式与焊接参数的关系

焊缝坡口表面状态对焊缝质量也有重要的影响。

焊前必须将残留在坡口表面的锈斑、氧化皮、气割残渣、潮气和油污等清除干净。

在低合金钢和不锈钢埋弧焊时，焊缝坡口的清理更为重要。

坡口表面的锈蚀、水分和油污等不但会引起气孔，而且可能促使产生氢裂纹、增碳，甚至降低不锈钢焊接接头的耐蚀性和低合金钢焊缝的力学性能。

焊材的准备碳钢埋弧焊用焊剂焊前应在200~300oC下进行烘干，消除焊剂的水分，防止焊缝中气孔的形成。

低合金钢埋弧焊时，碱性焊接应在400~500oC温度下烘干，防止白点、氢致裂纹等缺陷，在湿度较大（相对湿度85%以上）的工作环境下，熔炼焊剂在大气中存放24h，烧结焊剂在大气中存放8h后要重新烘干。

碳钢和低合金钢焊丝表面的油、锈和其他有害涂料焊前应清除干净，避免器口的产生。

不锈钢的焊丝表面应用丙酮等清除油污，以防止焊缝金属增碳。

焊接的组装在同一焊缝上装配间隙的误差不应超过1.0mm,否则很难保证焊缝背面的均匀熔透和成形，如下图2。

错变量超标不仅影响焊缝外形，而且还会引起咬边，夹渣等缺陷，其应控制在不超过板厚的10%，最大不应超过3.0mm。

需用焊条电弧焊封底的埋弧焊接头，推荐选用E5015或E5016等低氢型碱性焊条而不是E4313或E4303等酸性焊条，因埋弧焊焊缝与酸性药皮焊条焊缝金属混合后往往会出现气孔。

图2锅筒环焊缝的组装与焊接

焊接电流焊接电流对熔透深度的影响

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