水泥罐焊接工艺16Mn手工电弧焊技术.docx

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水泥罐焊接工艺16Mn手工电弧焊技术

第1章绪论

1.1焊接结构的概论

400吨水泥罐，罐体纵焊缝和环焊缝的焊接工艺。

材质为16Mn

图1.1罐体结构示意图

1.2焊接方法的选择

如图纵焊缝用埋弧焊水平位置焊接。

环焊缝用悬挂式埋弧焊机焊接。

通常来讲，厚板环焊缝和长度较长的纵焊缝多采用埋弧焊进行焊接。

罐体支架等部位多采用手工电弧焊进行焊接。

下面是对埋弧焊和手工电弧焊的一些介绍：

1.2.1埋弧焊原理及应用

1、埋弧焊工作原理

埋弧焊是以连续送进的焊丝作为电极和填充金属。

焊接时，在焊接区域的上面覆盖一层颗粒状焊剂，电弧在焊剂层下面燃烧，将焊丝端部和局部母材熔化形成焊缝。

埋弧焊机结构如图1-2所示。

图1.2埋弧焊示意图

型号                                      MZ-1000

电源电压                              380V 50Hz

次级受载电压                       初级69～86V

焊接电流                              400～1200A

焊丝直径                              3～6mm

焊丝输送速度（电弧电压30伏时）       0.5～2m/min

焊接速度                              15～70m/h

自动焊机装置                       可移式

焊机头以小车垂直轴可旋转   ±90°

焊机头横向位移                     0～60mm

焊机头在焊缝垂直面上的向前倾斜角     45°

焊机头在焊缝垂直面上的侧面倾斜角    45°   

焊机头在垂直方向的位移         65mm

焊接电流的调节方法              远距离控制

焊缝平面的最大允许倾斜角      10°

焊丝盘可容纳焊丝重量            12kg

焊剂斗可容纳焊剂容量             12L

焊车重量 （不包括焊丝及焊剂）      65kg

BX2-1000型焊接变压器

初级电压                                   380V    50Hz      1

额定负载持续率                           60%

额定输入容量                             76KVA

额定初级电流                             196A

额定焊接电流                              1000A

次级空载电压                              69-78V

额定工作电压                              44V

重量                                            560kg

MZ-1000自动埋弧焊机系熔剂层下自动焊接的设备，它配用交流焊机作为电弧电源，它适用于水平位置或与水平位置倾斜不大于10度的各种有、无坡口的对接焊缝、搭接焊缝和角焊缝。

与普通手工弧焊相比，具有生产效率高、焊缝质量好，节省焊接材料和电能，焊接变形小及改善劳动条件等突出优点。

焊剂的作用：

埋弧焊焊剂的作用与焊条药皮相似，埋弧焊过程中，熔化焊剂产生的渣和气，一方面可以保护焊缝金属，防止空气污染；另一方面还可以起到脱氧和掺合金的作用，与焊丝配合改善焊缝金属的化学成分和力学性能；再则还可以使焊缝金属缓慢冷却。

1、埋弧焊的特点

（1）埋弧焊的主要优点

1）所用的焊接电流大，比手工电弧焊要大4～6倍，具体比较如表1-3所示。

加上焊剂和熔渣的隔热作用，热效率较高，熔深大，工件的坡口可小一点，减少了填充金属量。

单丝埋弧焊在工件不开坡口的情况下，一次可熔透20㎜；

表1.1焊条电弧焊与埋弧焊的焊接电流、电流密度比较

焊条

（焊丝）

直径（mm）

焊条电弧

埋弧焊

焊接电流（A）

电流密度（A/mm2）

焊接电流（A）

电流密度（A/mm2）

2

50～65

16～25

200～400

63～125

3

80～130

11～18

350～600

50～85

4

125～200

10～16

500～800

40～63

5

190～250

10～18

700～1000

30～50

2）由于焊接电流大，所以焊接速度就可以快，以厚度8～10㎜的钢板对接焊为例，单丝埋弧焊速度可达50～80㎝/min，而手工电弧焊则不超过10～13㎝/min；

3）焊剂的存在不仅能隔开熔化金属与空气的接触，而且使熔池的金属凝固变慢，液体金属与熔化的焊剂间有较多时间进行冶金反应，使焊缝中气孔与裂纹等可能的缺陷减少，焊剂还可以向焊缝金属补充一些合金元素，提高焊缝金属的力学性能；

4）在有风的环境中焊接时，埋弧焊的保护效果比其它电弧焊方法好；

5）在自动焊时，焊接行走速度、焊丝的送进速度及电流大小等焊接参数可通过自动调节保持稳定，减少了焊接质量对焊工技术水平的依赖程度；

6）劳动条件较好，没有电弧光辐射。

（2）埋弧焊的主要缺点

1）由于采用颗粒状焊剂进行保护，故一般只适用于平焊和角焊位置；

2）不能直接观察电弧与坡口的相对位置，需要采用焊缝自动跟踪装置，否则容易焊偏；

3）埋弧焊使用电流较大，电弧的电场强度较高，电流小于100A时电弧稳定性较差，因此不适于焊厚度小于1㎜的薄板。

1.2.2埋弧焊的应用

由于埋弧焊熔深大、生产率高、机械化操作的程度高，因而适于焊接中厚板结构的长焊缝。

在造船、锅炉与压力容器、桥梁、起重机械、铁路车辆、工程机械、重型机械、冶金机械、核电站结构、海洋钻探、重武器制造等各种部门有着广泛的应用，也是当今焊接生产中最普遍使用的焊接方法之一。

随着焊接冶金技术和焊接材料生产的发展，埋弧焊已广泛应用于碳钢、低合金结构钢和不锈钢的焊接。

由于熔渣可以降低接头的冷却速度，故某些高强度结构钢、高碳钢等也可采用埋弧焊。

1.2.3手工电弧焊的特点：

设备简单，可用成本较低的交流或直流焊接电源。

（1）.灵活方便，可用焊接各种位置、各种厚度和形状的焊件。

（2）.焊条品种齐全，可供焊接不同的钢材选用。

（3）.焊接质量主要取决于焊工的熟练程度和焊条的质量。

1.3母材的化学成分及焊接性

所选母材为16Mn，属于热轧钢，其组织为铁素体+珠光体，主要通过Mn，Si的固溶强化作用提高强度。

1.3.116Mn力学性能

表1.216Mn力学性能

牌号

拉力强度MPa

屈服点MPa

伸长率（%）

16Mn

490-670

320

21

由表1.2可知，16Mn韧性和塑性较好，具有良好的加工性。

1.3.216Mn的化学性能

表1.316Mn的化学成分

牌号

化学成分（质量分数）（%）

C

Si

Mn

P≤

S≤

Cr

Mo

V

16Mn

0.12-0.20

0.20-0.60

1.20-1.60

0.030

0.030

-

-

-

1.3.316Mn的焊接性分析

㈠焊接裂纹

（1）焊接冷裂纹

大量的生产实践和理论研究表明。

钢种的淬硬倾向一定的含氢量和足够的拘束应力是焊接时产生冷裂纹的三大主要因素。

下面也从这三方面分析16Mn的冷裂纹倾向。

①淬硬倾向16Mn由于其含碳量低，故在淬硬时，如冷却速度不是太快，就会得到低碳马氏体组织，或者是铁素体+珠光体组织，由于这些组织硬度不高，因而其淬硬倾向小，只有在冷却速度较快时，才会得到高碳马氏体组织，则有一定的淬硬倾向。

②含氢量焊接时，焊缝中的氢主要来源于焊接材料中的水分、焊件坡口处的铁锈、油污以及环境湿度等。

对16Mn来说，只要板厚不太大且冷却速度控制得当，由于焊接温度高，增强了氢的活动能力，使大部分氢会从焊缝中扩散逸出；同时，当焊缝冷却时，其组织会从奥氏体向铁素体转变，由于氢在奥氏体中的溶解度大大高于在铁素体中的溶解度，又会有部分氢逸出。

因而到最后，焊缝中的残余氢量就不足于形成冷裂纹。

③拘束应力焊接时，焊缝中的应力主要包括热应力、组织应力和由于自身拘束条件所造成的应力。

目前，普遍采用拘束度（R）综合表达这三种应力的大小，拘束度的计算可采用如下公式：

R=K1

式中：

1---板厚拘束度系数，N/（㎜2.㎜

）；

--板厚，mm.

由上式可见，拘束度与材料板厚有很的关系，板厚越大，所造成的拘束度也越大，则拘束应力也就越大，因而我们只要选择合适的板厚，就可以控制拘束应力。

综上所述，16Mn钢在板厚不是太大，冷却速度适当的情况下是不会出现冷裂纹的，只有在板厚（40mm以上）太大、冷却速度较快的情况下，才会出现冷裂纹倾向，不过，我们可以通过焊前适当预热等措施来预防。

（2）焊接热裂纹

焊接热裂纹是在焊接高温下产生的，其中危害最严重的是结晶裂纹由于结晶裂纹是在结晶后期，有低熔点物质所形成的也太薄膜而引发的。

它与焊缝金属的成分，主要是碳、硫、镍、锰等元素有密切关系。

从表2-3得知，16Mn含碳量低，含锰量高，硫和磷控制严格，它的Mn/S较高，因而具有良好的抗结晶裂纹性能。

所以在正常情况下，16Mn钢是不会出现结晶裂纹的。

（3）消除应力裂纹（再热裂纹）

再热裂纹是由于钢中含有Mo、Cr、V、Nb等强碳化物形成元素，以及存在一定的残余应力，并在焊后再次进行加热的情况下产生的。

由表2-3可知，16Mn不含强碳化物形成元素，在热轧状态下供货焊后一般不进行热处理，因而对再热裂纹不敏感。

（4）层状撕裂

层状撕裂的产生，与钢材的合金成分没有直接关系紧与冶炼、轧制工艺及杂质的含量和分布有关。

从Z向拘束力考虑，撕裂与板厚有关，一般板厚在16mm以下就不容易产生层状撕裂；从钢材本身来说钢中的片状硫化物与层状硅酸盐或大量成片地密集于同一平面的氧化铝夹杂物都能导致Z向塑性的降低和层状撕裂的产生。

而对于16Mn来说，其本身杂质与有害元素含量控制严格，所以我们只要控制其板材厚度与选择合适焊接工艺，层次撕裂是可以减少或避免的。

㈡脆化问题

（1）过热区脆化

过热区脆化主要产生在被加热到1100℃以上区域它的产生原因与钢材成分及强化方式有关。

对16Mn钢来说，当碳含量偏于下限（0.12%～0.14%）时，由于其本身含碳量少，又是通过固溶强化方式来获得较好的强度和韧性的，因而其脆化倾向小。

只有当焊接线能量过大时，会导致过热区奥氏体晶粒严重粗化，冷却时产生氏组织，这时才会出现脆化现象。

而当含碳量偏于上限（0.2%）时，此时不仅线能量过大会因此形成氏组织而脆化因而只要我们控制16Mn钢的成分与线能量，其过热区脆化也是可以减少或避免的。

（2）热应变脆化

一般认为热应变脆化发生于一些固溶氮含量高的低碳钢和强度级别不高的低合金钢中，主要是由于氮，碳原子聚集在位错周围，对位错造成钉扎作用引起的，特别易于在200～400℃加热温度围的亚临界热影响区产生，如焊前已经存在缺口时，这种脆化就变得更加严重。

对于16Mn来说，其本身含有一定的固溶氮，化学成分中又没有强氮化物形成元素可与氮结合为氮化物，因而具有一定的热应变脆化倾向。

综合以上分析，我们知道在裂纹方面，16Mn对热裂纹、再热裂纹和层段撕裂不敏感，只有当板材厚度过大，且冷却过快时对冷裂纹有一定的敏感性；在脆化方面，16Mn有一定的热应变脆化现象，对过热区脆化不敏感。

在实际生产中，我们只要通过一些简单的焊接工艺就可以解决16Mn中由于部分原因对焊接性带来的不利影响。

因而，总的来说，16Mn具有优良的焊接性，这正是它广泛用于各种焊接结构中的一个重要原因。

经过对16Mn钢的焊接性进行分析，得出以下结论：

①16Mn钢板可装配成各种不同的焊接接头，适合不同位置焊接，且焊接工艺和技术要求相对简单。

②焊前一般不需要预热。

③塑性和冲击韧性良好，焊接接头产生冷裂纹或热裂纹的倾向小，适合各类大型结构和受压容器。

④16Mn钢，对焊接电源设备没有特殊要求，交直流弧焊机都可以焊接；对焊接材料也无特殊要求，酸性、碱性焊条和焊剂都可以使用。

第2章焊接工艺的制定

2.1焊接方法的选择

在压力容器制造中，焊接方法主要根据被焊材料、接头厚度、焊缝位置和坡口形式选择。

目前，常用的焊接方法有手工电弧焊、埋弧自动焊等。

下面就对这几种焊接方法进行比较，选出最适合16Mn的焊接方法。

1.埋弧焊：

（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熔深可达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和飞溅，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而且焊缝成分稳定，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，这是埋弧焊的独特优点。

2.手工电弧焊：

设备简单，可用成本较低的交流或直流焊接电源。

（1）灵活方便，可用焊接各种位置、各种厚度和形状的焊件。

（2）焊条品种齐全，可供焊接不同的钢材选用。

（3）焊接质量主要取决于焊工的熟练程度和焊条的质量。

焊接方法应根据焊接结构、制造要求以及对焊接接头质量的影响及所具有的焊接设备条件灵活选择，通过综合考虑，16Mn的焊接采用手工电弧焊+埋弧自动焊。

手工电弧焊用于就平对接焊缝和支架等部位。

埋弧自动焊用于焊接罐体纵焊缝和环焊缝。

图2.1手工电弧焊示意图

2.1.1焊缝坡口的选择

当压力容器的板厚超过一定厚度时，为了保证压力容器的焊缝全部焊透又无缺陷，应将钢板接头处开各种形状的坡口。

坡口的形状和尺寸取决于被焊材料和所采用的焊接方法。

压力容器的筒体壁焊接起来比较困难，因为要装液体或气体，所以必须保证壁的光滑和无毛刺，从而保证所装物质的纯净。

经分析，为了得到更好的焊缝质量和更方便的操作，宜选用单面V型坡口进行焊接。

图2.2坡口示意图

电源种类：

交流电（交流电比较普遍，增强了实际操作中的灵活性）。

2.1.2焊接材料的选择

焊接材料的选用必须保证焊缝性能不低于母材，尤其是焊缝的韧性指标是选材考虑的重点。

手工电弧焊应选J427或J426型焊条（交流电源）J506或J507（直流电源）。

此处我们用J426型焊条。

焊接工艺参数如下表2-1和表2-2所示：

表2.1平对接各层焊缝的焊接工艺参数

焊缝空间位置

坡口

形式

焊件厚度（mm）

第一条焊缝

其他各层焊缝

封底焊缝

平对接焊缝

单面V形

5—6

焊条直径（mm）

焊接电流（A）

焊条直径（mm）

焊接电流（A）

焊条直径（mm）

焊接电流（A）

4

200---220

4

200---220

4

200---220

表2.2交流电源焊接时的焊接工艺参数

电源

焊条

焊接位置

前倾/（°）

侧倾/（°）

交流

J426

平焊

10--15

80--90

埋弧自动焊所选焊丝为H08MnA,焊剂为HJ431

表2.3H08MnA的化学成分（质量分数%）

C

Si

Mn

S

P

《0.11

0.65-0.95

1.70-2.10

《0.040

《0.040

表2.4HJ431的化学成分（质量分数%）

牌号

Mno

SiO2

MgO

CaF2

CaO

FeO

S

P

HJ431

34-38

40-44

5-8

3-7

6

4

1.8

0.06

0.08

表2.5HJ431的力学性能

抗拉强度（MPa）

屈服强度（MPa）

伸长率（MPa）

冲击吸收功Kv

415-550

≥330

≥22

≥27

2.1.3埋弧焊实施方法及工艺参数选择

（1）焊前准备

    1）坡口设计及加工同其他焊接方法相比，埋弧焊接母材稀释率较大，母材成分对焊缝性能影响较大，埋弧焊坡口设计必须考虑到这一点。

依据单丝埋弧焊使用电流围，当板厚小于14mm，可以不开坡口，装配时留有一定间隙：

板厚为14～22mm，一般开V形坡口；板厚22-50mm时开X形坡口。

对于锅炉汽包等压力容器通常采用U形或双U形坡口，以确保底层熔透和消除夹渣。

    埋弧焊焊缝坡口的基本形式和尺寸设计时，请查阅GB／T986～1988。

坡口加工方法常采用刨边机和气割机，加工精度有一定要求。

    2）装配点固埋弧焊要求接头间隙均匀无错边，装配时需根据不同板厚进行定间距、定位焊。

另外直缝接头两端尚需加引弧板和熄弧板，以减少引弧和引出时产生缺陷。

3）焊前清理坡口水锈、夹杂铁末，点焊后放置时间较长而受潮氧化等焊接时容易产生气孔，焊前需提高工件温度或用喷砂等方法进行处理。

     4）焊接速度    焊接速度对熔深和熔宽都有影响，通常焊接速度小，焊接熔池大，焊缝熔深和熔宽均较大，随着焊接速度增加，焊缝熔深和熔都将减小，即熔深和熔宽与焊接速度成反比。

焊接速度对焊缝断面形状的影响。

焊接速度过小，熔化金属量多，焊缝成形差：

焊接速度较大时，熔化金属量不足，容易产生咬边。

实际焊接时，为了提高生产率，在增加焊接速度。

 5）焊丝直径   焊接电流、电弧电压、焊接速度一定时，焊丝直径不同，焊缝形状会发生变化。

电流密度对焊缝形状尺寸的影响，从表中可见，其他条件不变，熔深与焊丝直径成反比关系，但这种关系随电流密度的增加而减弱，这是由于随着电流密度的增加，熔池熔化金属量不断增加，熔融金属后排困难，熔深增加较慢，并随着熔化金属量的增加，余高增加焊缝成形变差，所以埋弧焊时增加焊接电流的同时要增加电弧电压，以保证焊缝成形质量。

（2）工艺条件对焊缝成形的影响

    1）对接坡口形状、间隙的影响   在其他条件相同时，增加坡口深度和宽度，焊缝熔深增加，熔宽略有减小，余高显著减小。

在对接焊缝中，如果改变间隙大小，也可以调整焊缝形状，同时板厚及散热条件对焊缝熔宽和余高也有显著影响。

   2）焊丝倾角和工件斜度的影响  焊丝的倾斜方向分为前倾和后倾两种。

倾斜的方向和大小不同，电弧对熔池的吹力和热的作用就不同，对焊缝成形的影响也不同。

3）焊剂堆高的影响  埋弧焊焊剂堆高一般在25～40mm，应保证在丝极周围埋住电弧。

当使用粘结焊剂或烧结焊剂时，由于密度小，焊剂堆高比熔炼焊剂高出20％～50％。

焊剂堆高越大，焊缝余高越大，熔深越浅。

  （3）焊接工艺条件对焊缝金属性能的影响

  当焊接条件变化时，母材的稀释率、焊剂熔化比率（焊剂熔化量／焊丝熔化量）均发生变化，从而对焊缝金属性能产生影响，其中焊接电流和电弧电压的影响较大。

由于焊剂熔化比率的变化，焊缝金属的化学成分、力学性能均发生变化，特别是烧结焊剂中合金元素的加入对焊缝金属化学成分的影响最大。

2.2焊接接头中常见工艺缺陷产生的原因及防止方法

一、裂纹

焊接裂纹，按照产生的机理可分为：

冷裂纹、热裂纹、再热裂纹和层状撕裂裂纹几大类。

（一）冷裂纹

冷裂纹是在焊接过程中或焊后，在较低的温度下，大约在钢的马氏体转变温度（即Ms点）附近，或300~200℃以下（或T＜0.5Tm，Tm为以绝对温度表示的熔点温度）的温度区间产生的，故称冷裂纹。

冷裂纹又可分为：

延迟裂纹、淬火裂纹和低塑性脆化裂纹。

延迟裂纹，也称氢致裂纹，可以延至焊后几小时、几天、几周甚至更长的时间再发生，会造成预料不到的重大事故，所以具有重大的危险性。

1、产生的条件：

①焊接接头形成淬硬组织。

由于钢的淬硬倾向较大，冷却过程中产生大量的脆、硬，而且体积很大的马氏体，形成很大的应力。

接头的硬化倾向：

碳的影响是关键，含碳和铬量越多、板越厚、截面积越大、热输入量越小，硬化越严重。

②钢材及焊缝中含扩散氢较多，氢原子在缺陷处（空穴、错位）聚积（浓集）形成氢分子，氢分子体积较氢原子大，不能继续扩散，不断聚积，产生巨大的氢分子压力，甚至会达到几万个大气压，使焊接接头开裂。

许多情况下，氢是诱发冷裂纹最活跃的因素。

③焊接拉应力及拘束应力较大（或应力集中）超过接头的强度极限时产生开裂。

２、产生的原因：

可分为选材和焊接工艺两个方面。

①选材方面：

ａ、母材与焊材选择匹配不当，造成悬殊的强度差异；

ｂ、材料中含碳、铬、钼、钒、硼等元素过高，钢的淬硬敏感性增加。

②焊接工艺方面：

ａ、焊条没有充分烘干，药皮中存在着水分（游离水和结晶水）；焊材及母材坡口上有油、锈、水、漆等；环境湿度过大（＞90%）；有雨、雪污染坡口。

以上的水分及有机物，在焊接电弧的作用下分解产生H，使焊缝中溶入过饱和的氢。

ｂ、环境温度太低；焊接速度太快；焊接线能量太少。

会使接头区域冷却过快，造成很大的应力。

ｃ、焊接结构不当，产生很大的拘束应力。

ｄ、点焊处已产生裂纹，焊接时没有铲除掉；咬边等应力集中处引起焊趾裂纹；未焊透等应力集中处引起焊根裂纹；夹渣等应力集中处引起焊缝中裂纹。

3、防止方法：

可以从选材和焊接工艺两个方面着手。

①正确地选材。

选用碱性低氢型焊条和焊剂，减少焊缝金属中扩散氢的含量；搞好母材和焊材的选择匹配；在技术条件许可的前提下，可选用韧性好的材料（如低一个强度等级的焊材），或施行“软”盖面，以减小表面残余应力；必要时，在制造前对母材和焊材进行化学分析、机械性能及可焊性、裂纹敏感性试验。

②焊接工艺方面。

a、严格地按照试验得出的正确工艺规进行焊接操作。

主要包括：

严格地按规进行焊条烘干；选择合适的焊接规及线能量，合理的电流、电压、焊接速度、层间温度及正确的焊接顺序；对点焊进行检查处理；搞好双面焊的清根等；仔细清理坡口和焊丝，除去油、锈和水分。

b、选择合理的焊接结构，避免拘束应力过大；正确的坡口形式和焊接顺序；降低焊接残余应力的峰值。

c、焊前预热、焊后缓冷、控制层间温度和焊后热处理，是可焊性较差的高强度钢和不可避免的高拘束结构形式，防止冷裂纹行之有效的方法。

预热和缓冷可减缓冷却速度（延长△t800~500℃停留时间），改善接头的组织状态，降低淬硬倾向，减少组织应力；焊后热处理可消除焊接残余应力，减少焊缝中扩散氢的含量。

在多数情况下，消除应力热处理应在焊后立即进行。

d、焊后立即锤击，使残余应力分散，避免造成高应力区，是局部补焊时防止冷裂纹行之有效的方法之一。

e、在焊缝根部和应力比较集中的焊缝表面，（热影响区受到的拘束应力较低），采用强度级别较低的焊条，往往在高拘束度下取得良好的效果。

f、采用惰性气体保护焊，能最控制焊缝含氢量，降低冷裂纹敏感性，所以，应大力推广TIG、MIG焊接。

（二）层状撕裂

层状撕裂是冷裂纹的一种特殊形式。

主要是由于钢板存在着分层（沿轧制方向）的夹杂物（特别是硫化物），在焊接时产生的垂直于轧制方向（板厚方向）的拉