1Cr18Ni9Ti不锈钢发酵罐釜体的焊接工艺设计.docx
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1Cr18Ni9Ti不锈钢发酵罐釜体的焊接工艺设计
哈尔滨理工大学
焊接课程设计
1Cr18Ni9Ti不锈钢发酵罐釜体的焊接工艺设计
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指导教师
2012年12月19日
1Cr18Ni9Ti不锈钢发酵罐釜体的焊接工艺设计
一、工艺性综述
（一）产品简介（定义、分类、）
发酵罐，指工业上用来进行微生物发酵的装置。
其主体一般为用不锈钢板制成的主式圆筒，其容积在1立方至数百立方大小。
在设计和加工中应注意结构严密，合理。
能耐受蒸汽灭菌、有一定操作弹性、内部附件尽量减少（避免死角）、物料与能量传递性能强，并可进行一定调节以便于清洗、减少污染，适合于多种产品的生产以及减少能量消耗。
（二）常用的制造钢材
0Cr18Ni9、00Cr18Ni10、0Cr17Ni12MO2和00Cr17Ni14MO2
00Cr19Ni10是一种通用性的不锈钢，它广泛地用于制作要求良好综合性能（耐腐蚀和成型性）的设备和机件。
00Cr17Ni12Mo2添加Mo（2~3%），优秀的耐点蚀性，耐高温、抗蠕变性能优秀。
均属于奥氏体型不锈钢，这类不锈钢焊接的主要问题是焊接接头
容易出现热裂纹、晶间腐蚀、应力腐蚀开裂以及焊接变
（三）焊接材料
在焊接材料的选择方面，宜选用超低碳的焊条和焊丝
焊条电弧焊，焊条E308-16（A102），氩弧焊焊丝HOCr21Ni10，氩气纯度应在99.6%以上，埋弧焊焊丝是H0Cr21Ni10，焊剂HJ260，焊丝伸出长30~40mm。
为防烧穿最好在背面衬焊剂垫，埋弧焊、气体保护焊的焊丝中Cr、Mn含量比母材要高，焊厚板宜用Mo、Si含量高的焊丝，可形成α+F组织。
（四）焊接方法
1.氩弧焊（MIG或TIG）:
又称氩气体保护焊。
是在普通电弧焊的原理的基础上，利用氩气对金属焊材的保护，通过高电流使焊材在被焊基材上融化成液态形成溶池，使被焊金属和焊材达到冶金结合的一种焊接技术，由于在高温熔融焊接中不断送上氩气，使焊材不能和空气中的氧气接触，从而防止了焊材的氧化，因此可以焊接铜、铝、合金钢等有色金属。
氩弧焊按照电极的不同分为熔化极氩弧焊和非熔化极氩弧焊两种。
采用氩弧焊打底工艺，可以得到优质的焊接接头。
氩弧焊打底焊接工艺在锅炉的水冷壁、过热器、省煤器等焊接中，接头质量优良，经射线探伤，焊缝级别均在Ⅱ级以上。
2.埋弧焊:
弧焊（含埋弧堆焊及电渣堆焊等）是一种电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法。
其固有的焊接质量稳定、焊接生产率高、无弧光及烟尘很少等优点，使其成为压力容器、管段制造、箱型梁柱等重要钢结构制作中的主要焊接方法。
埋弧焊已广泛应用于碳钢、低合金结构钢和不锈钢的焊接。
由于焊渣可降低接头冷却速度，故某些高强度结构钢、高碳钢等也可采用埋弧焊焊接。
但由于埋弧焊是依靠颗粒状焊剂堆积形成保护条件，因此主要适应于水平焊缝。
3.焊条电弧焊:
是指用手工操作焊条进行焊接的电弧焊方法.电弧焊是指利用电弧作为热源的熔焊方法.焊条电弧焊是目前生产中应用最多、最普遍的一种金属焊接方法。
由于埋弧焊焊剂的主要成分是氧化锰、二氧化硅等金属及非金属氧化物，难以用于焊接铝、钛等氧化性较强的金属极其合金；只适用于长焊缝的连接。
由于埋弧焊电弧的电场强度较大，电流小于100A时，电弧稳定性不好，因此不适合焊接厚度小于1mm的薄板。
4.熔化极混合气体保护焊:
熔化极混合气体保护焊是采用在惰性气体中加入一定量的活性气体，如氩气加二氧化碳气体，氩气加氧气，氩气加氧气和二氧化碳气等作为保护气体的一种熔化极气体保护电弧焊方法。
其优点是效率高；焊接工艺适应性强，选用适当的焊接参数可完成任何空间位置的焊接；焊缝表面无熔渣覆盖，省略了多道焊缝去熔渣程序，减少了焊缝中产生夹渣的危险；焊缝金属氢含量低。
但焊接设备复杂，投资费用较高，焊枪需经常清理；焊接参数较多，且需严格匹配，焊工必须经过专门的培训；气体保护焊的保护效果易受外界干扰，在现场施工作业时必须采取防风措施。
（五）产品检验
焊后成品检验分为破坏性检验和非破坏性检验。
1.破坏性检验
一般包括焊接接头力学性能的检验、焊缝金属的化学成分分析、焊接接头金相组织的检查、铁素体含量的测定、耐蚀性的测定
2.非破坏性检验
一般包括焊件外观检测、焊缝的无损检测、焊缝的致密性实验等
二、产品使用性能要求及对材料的性能要求
（一）产品设计参数
根据设计要求该发酵罐的设计参数如表1所示：
表1车用槽罐设计参数
发酵罐名称
不锈钢发酵罐
公称容积/（m³）
500
设计压力/（KPa）
0.09MPA
设计温度/（℃）
25
板厚/（mm）
8
材料
1Cr18Ni9Ti
（二）不锈钢发酵罐结构图
不锈钢发酵罐釜体主要包括釜体，釜体封头，反应釜夹套等几部分构成。
图1：
不锈钢发酵罐示意图
（三）产品制作工艺流程图
三、优选材料，分析所选材料性能特点
（一）成分
1Cr18Ni9Ti的化学成分如表2所示：
表2所选材料的化学成分
类型
钢
号
化学成分（ωt/%）
C
Si
Mn
S
P
Cr
Ni
Ti
奥
氏体不锈钢
1Cr18Ni9Ti
≤0.12
≤1.00
≤2.00
≤0.030
≤0.035
17.00-19.00
8.00-11.00
5（C%-0.02）～0.80
（二）组织
1Cr18Ni9Ti属奥氏体型不锈耐酸钢。
由于含钛，使钢具有较高的抗晶间腐蚀性能。
在不同浓度，不同温度的一些有机酸和无机酸中、尤其是在氧化性介质中都有良好的耐腐蚀性能。
这种钢经过热处理（1050～1100℃在水中或空气中淬火）后，呈单相奥氏体组织，在强磁场中不产生磁感应，该钢适于制作无磁模具和要求高耐腐蚀性能的塑性模具。
（三）性能
1Cr18Ni9Ti的热处理规范及机械性能如表3所示：
表3所选材料热处理和机械性能
类
型
钢
号
热处理
机械性能（不小于）
固溶处理/℃
冷却剂
σbMPa
σ0.2/MPa
δ/%
φ/%
奥氏体不锈钢
1Cr18Ni
9Ti
1100-1150
水
550
200
45
50
（四）焊接性分析
由于奥氏体不锈钢含有较高的铬，形成致密的氧化膜，所以具有良好的耐蚀性。
当含铬18%，含镍8%时，基本上可以获得单一的奥氏体组织，故奥氏体不锈钢有较好的耐蚀性、塑性、高温性能和焊接性能。
但为了全面保证焊接接头的质量，往往需要解决一些特殊的问题，如接头各种形式的腐蚀、焊接热裂纹、铁素体含量控制及δ相脆化等。
1.在腐蚀介质的作用下，在晶粒之间会产生晶间腐蚀
奥氏体不锈钢在450—850℃时，过饱和的碳会向奥氏体晶粒边界扩散，并与晶界的铬化合形成碳化铬，由于铬在奥氏体中的扩散速度小于碳的扩散速度，使晶界的铬得不到补充，造成奥氏体晶界贫铬，当晶界附近的铬低于12%时，就失去了抗腐蚀性能，在腐蚀介质的作用下，形成了晶间腐蚀。
收到晶间腐蚀的不锈钢，表面上看没有痕迹，但在受到应力时，会沿晶界断裂，几乎完全丧失强度。
2.应力腐蚀开裂
不锈钢在使用条件下产生应力腐蚀开裂的原因有很多，包括钢的成分、组织和状态、介质的种类、温度、浓度、应力性质、大小及结构特点等。
拉应力的存在是应力腐蚀开裂的必要条件。
3.焊接接头的热裂纹问题
焊缝金属凝固期间存在较大拉应力是产生热裂纹的必要条件。
奥氏体钢易于联生结晶形成方向性极强的柱状晶的焊缝组织，有利于有害杂质的偏析，而促使形成晶界液膜，显然易于促使产生凝固裂纹。
奥氏体钢及焊缝的合金组成复杂，不仅S、P、Sn、Sb之类杂质可形成易溶液膜，一些低合金元素因为溶解度有限，也会产生易溶共晶。
这样焊缝及近缝区都会产生热裂纹。
4.铁素体含量控制的问题
奥氏体钢焊缝金属中铁素体含量的多少直接关系到抗热裂性、δ相脆变和热强性。
从抗热裂性出发，要求焊缝金属内含有一定量的铁素体。
但从δ相脆变和热强性来考虑，要求铁素体含量越低越好。
因此对于高温强度要求较高的焊接接头，必须严格控制铁素体含量，在某些场合下，必须采用奥氏体焊缝金属。
为了保证焊接质量，了解以上奥氏体钢的焊接性能，在焊接过程中加以预防，就会获得优质焊件。
四、根据选定材料，确定焊接方法
（一）焊接方法选择的合理性
根据奥氏体不锈钢的焊接特点，这类钢可采用传统的弧焊方法进行焊接，其中包括焊条电弧焊、熔化极气体保护焊、药芯焊丝电弧焊、钨极氩弧焊、等离子弧焊和埋弧焊等。
同时应当优先采用焊接热输入低的焊接方法和焊接变形小的特种焊接工艺，如窄间隙氩弧焊和窄间隙熔化极气体保护焊等。
选择焊接方法时限于具体条件，可能只选某一种。
但必须充分考虑到质量、效率和成本及自动化程度等因素，以获得最大效益。
（二）优点
埋弧焊的主要优点：
生产效率高，焊接金属的品质良好、稳定，焊缝外观非常完美，焊接成本低，操作环境好。
焊条电弧焊的主要优点：
工艺灵活、适应性强，应用范围广，易于分散焊接应力和控制焊接变形，设备简单、成本较低。
钨极氩弧焊（TIG焊）的优点：
1）氩气能有效地隔绝周围空气，本身又不熔于金属，不和金属反应，施焊过程中电弧还有自动清除熔池表面氧化膜的作用，因此，可成功地焊接易氧化、化学活泼性强的强的有色金属、不锈钢和各种合金。
2）钨极电弧稳定，即使在很小的焊接电流（<10A）下仍可稳定地燃烧，特别适合于薄板、超薄板材料的焊接。
3）热源和填充焊丝可分别控制，因而热输入容易调节，可进行各种位置的焊接，也是实现单面焊双面成形的理想方法。
4）由于填充焊丝熔滴不通过电弧，故不会产生飞溅，焊缝成形美观。
由于埋弧焊的热输入大，熔池体积大，冷却速度小，使得焊接接头高温停留时间长，这给抗热裂纹和耐晶间腐蚀能力带来不利影响，所以，应采用较小的焊接热输入并配合冷措施。
选用的双人钨极氩弧焊打底、埋弧焊盖面的焊接方法。
（三）坡口设计
1.压力容器焊接结构设计的基本原则
1）尽量采用对接接头
易于保证焊接质量，所有的纵向及环向焊接接头、凸形封头上的拼接焊接接头，必须采用对接接头外，其它位置的焊接结构也应尽量采。
用对接接头。
举例：
角焊缝，改用对接焊缝，减小了应力集中，方便了无损检测，有利于保证接头的内部质量。
2）尽量采用全熔透的结构，不允许产生未熔透缺陷
未熔透：
指基体金属和焊缝金属局部未完全熔合而留下空隙的现象。
未熔透导。
致脆性破坏的起裂点，在交变载荷作用下，它也可能诱发疲劳破坏。
改进：
选择合适的坡口形式，如双面焊；当容器直径较小，且无法从容器内部清根时，应选用单面焊双面成型的对接接头，如用氩弧焊打底，或采用带垫板的坡口等。
3）尽量减少焊缝处的应力集中
接头常常是脆性破坏和疲劳破坏的起源处，因此，在设计焊接结构时必须尽量减少应力集中。
2.坡口设计
1）主要内容
选择合适的焊缝坡口，方便焊材（焊条或焊丝）伸入坡口根部，以保证全熔透。
2）坡口选择因素
①尽量减少填充金属量；
②保证熔透，避免产生各种焊接缺陷；
③便于施焊，改善劳动条件；
④减少焊接变形和残余变形量，对较厚元件焊接应尽量选用沿厚度对称的坡口形式，如X形坡口等。
3）筒体、封头及其相互间连接的焊接结构纵、环焊缝必须采用对接接头。
4）对接接头的坡口形式
坡口形式可分为不开坡口（又称齐边坡口）、V形坡口、X形坡口、单U形坡口和双U形坡口等数种，应根据筒体或封头厚度、压力高低、介质特性及操作工况选择合适的坡口形式。
综合以上所述，选择坡口如图2所示，其中厚度为8mm。
图2对接接头坡口形式及尺寸
五、优选焊材
（一）焊接材料的选择
焊接材料的选择首先取决于焊接方法的选择。
最基本的原则是使焊缝金属的成分与母材相同或接近。
焊材为了达到一定的强度和韧性，要比母材低碳，适量合金化，以保证与母材保持同样的特殊性能。
综合考虑了焊接接头与母材等强度、抗热裂纹、抗晶间腐蚀能力、焊剂中有害元素的渗入对焊缝抗腐蚀性能的影响和提高焊接接头的力学性能等因素，决定选用焊丝H0Cr21Ni10，直径为φ4.0mm。
一般埋弧焊焊接不锈钢时都采用低锰高硅中氟型熔炼焊剂HJ260。
但采用熔炼焊剂HJ260焊接时，焊道表面熔渣扒渣现象严重，焊后需用砂轮修磨焊缝表面，直接影响焊缝外观质量，所以决定采用烧结焊剂SJ601。
选用纯度为99.9％的氩气。
（二）焊材的性能特点：
1.成分
H0Cr21Ni10焊丝的成分如表4所示：
表4焊丝的化学成分
焊材
H0Cr21Ni10的化学成分（%）
焊丝
C
Si
Mn
P
S
Ni
Cr
≤0.06
≤0.60
1.00—2.50
≤0.030
≤0.020
9.00—11.00
19.50—22．00
2.焊后组织
1Crl8Ni9Ti焊接时的结晶模式有两种．一一种是先析出相为δ的δγ模式，另一种是先析出相为γ的γδ模式。
这两种模式对阻止热能有效阻止热裂纹。
；
1Crl8Ni9Ti不锈钢焊接材料的选择，焊剂应尽量少参与冶金反应，选用中性或碱性渣。
焊丝选择应保证焊缝成分中Creq/Ni≥1．5才能有救减少偏析防止热裂纹
3.性能
试验结果表明，1Crl8Ni9Ti钢埋弧焊焊材选用H0Cr21Nil0和HJ641经X—Ray探伤、拉力及硬度试验和腐蚀试验均符合性能要求。
（三）焊材的焊接工艺性分析
H0Cr21Ni10的有以下特性：
焊接飞溅小，焊缝成形美观，熔敷速度高于实心焊丝，可进行全位置焊接，并可以采用较大的焊接电流。
其作用有一下几点：
保护电弧、稳定电弧、对焊缝成形、向焊缝金属中补充合金元素、针对特殊姿势。
烧结焊剂的特点是碱度高，有利于提高焊接接头抗裂性和焊缝金属的力学性能。
易于获得低氢高韧的焊缝金属。
焊缝表面的外观质量也很好。
使用前对焊剂进行350℃*2h烘干。
1Crl8NigTi不锈钢埋弧焊选用H0Cr21Nil0和HJ641能获得更好的接头性能。
六、制定焊接工艺参数及规范
（一）焊接工艺参数
工艺参数见表5：
表5双人钨极氩弧焊打低、埋弧焊盖面的工艺参数
焊接层数
焊接方法
电源极性
焊丝直径/mm
焊接电流/A
焊接电压/v
焊接速度/m/h
氩气流量/Lmin-1
第一层
（打底层）
主焊枪手工TIG焊
直流正接
2.5
110—120
14—16
—
8—12
副焊枪手工TIG焊
100—110
6—10
第二层
埋弧焊
直流反接
4.0
360—380
26—28
36—38
—
第三层
（盖面层）
400—420
30—32
36—38
—
（二）预热
压力容器焊前预热与母材交货状态、化学成分、力学性能、厚度及焊件的拘束程度有关。
所以，奥氏体不锈钢焊前预热的温度一般为100℃——200℃，最高层间温度不超过150℃，并且整个焊接过程中的焊接温度不应低于预热温度。
（三）后热及焊后热处理
后热应在焊后立即进行，温度一般为200—350℃，保温时间与后热温度有关，一把不低于30分钟。
由于母材的特性，焊后一般不进行热处理。
七、焊接辅助机械选择
（一）操作机
选用门架式焊接操作机，这中操作机主要由横梁、滑架及其行走机构、立柱、底座及其移动机构组成。
按照所焊容器的规格，横梁可制成固定式或升降式。
滑架由电动机驱动齿轮齿条传动，连同焊头可在横梁上以所要求的焊接速度做直线移动。
滑架的调整机构可以是电动的也可以是手动的。
门架式操作机底座上装有两对走轮，可在地轨上做纵向移动。
（二）变位器
变位器是用于工程中的夹具的一种，主要是为了加工的方便将工件固定在变位器上，使工件随变位器一起运动，便于加工的焊接用机械使工件旋转,使焊接保持在平焊位置,为压力容器环缝焊接所不可少的设备。
根据焊件结构和大小，宜使用座式变位器
（三）滚轮架
焊接滚轮架通常由一副主动滚轮架和一副被动滚轮架组成。
主动滚轮架按照转矩要求，可以采用单驱动或双驱动。
一般采用交流电动感应机和变频器调速。
八、产品检验
（一）检验方法
对焊接好的产品进行水压试验，其过程如下所述。
用水将容器灌满，并堵好容器上所有的孔，用水泵将容器内的水压提高至容器的工作压力的1.25~1.5倍，然后进行强度试验。
在此压力持续一段时间（一般为5分钟）后，再把压力降至工作压力进行致密性检验。
此时，工作人员用重量为1~1.5Kg左右的圆头小锤，在焊缝两侧15—20mm处轻轻敲打，检验有无渗漏。
（二）执行标准
GB150《钢制压力容器》
九、返修
（一）焊接缺陷类型
焊接中的缺陷有气孔、晶间腐蚀、热裂纹等。
（二）焊接修复
焊接结构存在不允许的焊接缺陷时，应予以返修，对重大的质量问题应进行质量分析，订出返修工艺措施，进行焊接工艺评定，评定合格后，方可返修。
补焊程序要点如下：
1．对检修中发现的缺陷，首先应进行全面分析，以确定是否应该补焊。
2．已决定补焊时，要制定出合理的方案。
3．进行补焊工艺试验。
4．准备必要的补焊工艺装备。
5．缺陷的消除要彻底，并防止裂纹扩展。
6．补焊完成后，对于高出母材的部分，要用砂轮磨去，使之与母材齐平，然后进行无损探伤，以检验焊缝内部的质量。
7．容器修复后，放置一段时间（24小时以上），重新进行水压试验，合格后方可投入使用。
参考文献
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2JB\T4731-2005．钢制压力容器．中国标准出版社
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6徐文晓、徐文慧．奥氏体不锈钢容器的焊接
7焊接工艺学．哈尔滨船舶工程学院出版社1987
8JB/T4709—2007．钢制压力容器焊接规程
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