換熱器的焊接性分析與工藝過程設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書

1、目錄摘要.3abstract.41 前言.51.1 壓力容器用鋼的發(fā)展.5 1.2 壓力容器焊接工藝方法的新發(fā)展.6 1.2.1 厚壁殼體窄間隙埋弧焊技術(shù).6 1.2.2 接管、法蘭藥芯焊絲氣體保護(hù)堆焊技術(shù).7 1.2.3 殼體內(nèi)壁帶極堆焊技術(shù).7 1.3 焊接機(jī)械化與自動(dòng)化的發(fā)展.7 1.3.1 厚壁壓力容器對(duì)接接頭的全自動(dòng)焊接裝備.82 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及材料性能分析.8 2.1 產(chǎn)品介紹.8 2.2 母材性能分析.9 2.2.1 16mnr的焊接性分析.9 2.2.2 20g的焊接性分析.11 2.2.3 10mowvnb的焊接性分析.113 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析.12 3.1 ansys軟件模擬步

2、驟.12 3.2 產(chǎn)品強(qiáng)度校核.134 焊接工藝方案的選擇.14 4.1 焊接方法的比較.14 4.1.1 埋弧焊的特點(diǎn).14 4.1.2 co2保護(hù)焊的特點(diǎn).15 4.1.3 手工電弧焊的特點(diǎn).15 4.2 焊接工藝方案的選擇.16 4.2.1 環(huán)焊縫焊接工藝方案的選擇.16 4.2.2 筒節(jié)縱焊縫焊接工藝方案的選擇.17 4.2.3 浮頭蓋與斧頭法蘭環(huán)焊縫的焊接工藝方案的選擇.17 4.2.4 管板堆焊的焊接工藝方案的選擇.17 4.2.5 管板與換熱管的焊接工藝方案的選擇.185 焊接工藝評(píng)定.186 產(chǎn)品制造規(guī)程的設(shè)計(jì).19 6.1 裝焊工藝流程圖的編制.19 6.2 產(chǎn)品零件加工工藝

3、過程設(shè)計(jì).19 6.2.1 封頭加工工藝過程設(shè)計(jì).19 6.2.2 筒體加工工藝過程設(shè)計(jì).22 6.3 裝焊工藝過程設(shè)計(jì).267 焊接工序卡的編制.26 7.1 焊工資格的確定.27 7.2 焊材用量的確定.27結(jié)語.27謝辭.28參考文獻(xiàn).29附錄1-產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖.30附錄2-焊接工藝評(píng)定一覽表.31附錄3-焊接工藝評(píng)定說明書.33附錄4-裝焊工藝流程圖.37附錄5-封頭制造工序過程卡.38附錄6-筒體制造工序過程卡.42附錄7-總裝工序過程卡.47附錄8-焊接工序卡.51換熱器的焊接性分析與工藝過程設(shè)計(jì)摘要：本文對(duì)三類壓力容器浮頭式換熱器的制造工藝過程進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先使用計(jì)算機(jī)繪圖軟件（a

4、utocad）繪制出產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖和總裝工藝流程圖。運(yùn)用ansys分析軟件對(duì)主要受壓元件封頭和筒節(jié)的內(nèi)壁施加工作應(yīng)力載荷，分析元件中的應(yīng)力高低及其內(nèi)主要焊縫附近的應(yīng)力分布規(guī)律。對(duì)換熱器的制造工藝性能進(jìn)行分析，重點(diǎn)對(duì)換熱器主要接頭的焊接工藝過程進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上確定合理的焊接方法、焊條種類、坡口形式、預(yù)熱溫度、焊后熱處理溫度、焊后檢測(cè)方法等焊接工藝方案。確定了焊接工藝評(píng)定項(xiàng)目，編制了部分項(xiàng)目的焊接工藝評(píng)定說明書。對(duì)產(chǎn)品制造過程中的主要工藝文件進(jìn)行編制，包括所有結(jié)點(diǎn)的焊接工序卡、封頭與筒節(jié)加工工藝過程卡、換熱器的總裝工序過程卡。本次設(shè)計(jì)符合jb/t 4708承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定和jb/t 4709壓

5、力容器焊接規(guī)程中的相關(guān)規(guī)定，并且符合圖紙中的相關(guān)技術(shù)要求，可以用以相關(guān)產(chǎn)品的制造過程參考。關(guān)鍵詞: 浮頭式換熱器 應(yīng)力分析 焊接性 焊接方法 工藝過程abstract:in this paper, three types of pressure vessels floating head heat exchanger manufacturing process design. first to use computer graphics software (autocad) to map out the product design and assembly process flow diag

6、ram. the use of ansys software stress load on the main pressure parts head and the inner wall of the tube section is applied to analyze the components of the stress level of their weld near the stress distribution. analyze the performance of the manufacturing process of the heat exchanger, focus on

7、the main joints of the heat exchanger welding process analysis, determined on the basis of a reasonable method of welding, electrode type, the form of a groove, preheating temperature, post weld heat treatment temperature detection methods such as welding after welding technology program. identified

8、 the project of welding procedure qualification, welding procedure qualification manual compiled some of the projects. prepared in the manufacturing process technology file, including all nodes in the welding process card, head tube section machining process card, heat exchangers, the assembly proce

9、ss process card. the design complies with the relevant provisions of the jb / t 4708 pressure equipment, welding procedure qualification and jb / t 4 709 pressure vessel welding code and in line with the relevant technical requirements in the drawings, and related products can be used for the manufa

10、cturing process reference .key words：floating head heat exchanger stress analysis weldability welding method technical process1 前言換熱器是壓力容器的一種，由于壓力容器的工作條件、工作地點(diǎn)和它使用的廣泛性等等因素導(dǎo)致了我們對(duì)其進(jìn)行了深入的研究。近10年來，國(guó)內(nèi)外壓力容器的焊接技術(shù)取得了引人注目的新發(fā)展。隨著壓力容器工作參數(shù)的大幅度提高及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，對(duì)焊接技術(shù)提出了越來越高的要求。所選用的焊接方法、焊接工藝、焊接材料和焊接設(shè)備相比以前都有大幅度的改變。鑒于壓力容

11、器涉及到許多重要的工業(yè)部門，包括石油化工裝置、煤液化裝備、輸油、輸氣管線、液化氣儲(chǔ)藏和運(yùn)輸設(shè)備等，同時(shí)壓力容器的成型特點(diǎn)和技術(shù)要求決定了焊接技術(shù)的知識(shí)在此方面應(yīng)用相當(dāng)廣泛。由于知識(shí)容量所限，本文僅從壓力容器用鋼、先進(jìn)的焊接工藝方法以及焊接過程機(jī)械化和自動(dòng)化三方面的新發(fā)展和產(chǎn)品的焊接工藝過程設(shè)計(jì)步驟做概括的介紹。1.1 壓力容器用鋼的發(fā)展近年來，壓力容器用鋼的發(fā)展與鍋爐用鋼不同，其主要的發(fā)展方向是提高鋼的純凈度1，即采用各種先進(jìn)的冶煉技術(shù)，最大限度地降低鋼中的有害雜質(zhì)元素，如硫、磷、氧、氫和氮等的含量。這些冶金技術(shù)的革新，不僅明顯地提高了鋼的沖擊韌性，而且可大大改善其加工性能，包括焊接性和熱加工

12、性能。下表對(duì)比了采用常規(guī)冶煉方法和現(xiàn)代熔煉方法軋制的q345(16mnr)鋼板的化學(xué)成分、不同溫度下的缺口沖擊韌度和應(yīng)變時(shí)效后的沖擊韌度。表中所示數(shù)據(jù)表明，超低級(jí)的硫、磷、氮含量顯著地提高了普通低合金鋼的低溫沖擊韌度和抗應(yīng)變時(shí)效性。表1.1 不同條件下16mnr的沖擊韌度2板厚及狀態(tài)/mm化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）不同溫度下的沖擊功csimnpsn200-20-40-6024正火0.170.441.340.0190.0100.0486235-3610-40正火0.140.431.410.0110.0030.0123253235236218224212171150145126近期的大量研究證明，鉻

13、鉬鋼的回火脆性主要起因于鋼中的p、sn、sb和as等微量雜質(zhì)，合金元素si和mn也對(duì)鋼的回火脆性起一定的促進(jìn)作用。因此必須通過現(xiàn)代的冶金技術(shù)，把鋼中的這些雜質(zhì)降低到最低水平。目前，許多國(guó)外鋼廠已提出嚴(yán)格控制鋼中雜質(zhì)含量的供貨技術(shù)條件。下表列出了現(xiàn)代煉鋼技術(shù)能夠達(dá)到的最低雜質(zhì)含量的上限，可大大降低225crlmo和3crlmo鋼的回火脆性敏感性，其回火脆性指數(shù)，j低于lo0，而普通的225crlmo鋼的j指數(shù)高達(dá)300。表1.2 2.25cr1mo和3cr1mo鋼雜質(zhì)含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的控制要求sinicusbassnsp0.100.300.200.0020.0080.0100.0080.010由

14、此可見，壓力容器用鋼的純凈化是一種必然的發(fā)展趨勢(shì)。隨著當(dāng)今冶金技術(shù)的迅猛發(fā)展，許多先進(jìn)技術(shù)如氧氣吹煉、爐外精煉和電渣重熔的應(yīng)用，使得鋼中硫、磷、氫、氧等各種有害雜質(zhì)元素的含量降低到最低水平，從而冶煉出高純度的鋼材。純凈的壓力容器鋼，不僅可改善壓力容器的制造工藝性，如使焊接性良好，防止在鋼的焊接過程中生成冷裂紋、熱裂紋與層狀撕裂的缺陷，更重要的是可顯著改善壓力容器鋼的使用性能，從而大大提高壓力容器的使用安全性。1.2 壓力容器焊接工藝方法的新發(fā)展壓力容器為全焊結(jié)構(gòu)，焊接工作量相當(dāng)大，質(zhì)量要求十分高。為了能夠提高焊件的質(zhì)量，世界各國(guó)的研究者們總是在不斷探索優(yōu)質(zhì)、高效、經(jīng)濟(jì)的焊接方法，并取得了引人注

15、目的進(jìn)步。1.2.1 厚壁殼體窄間隙埋弧焊技術(shù)窄間隙埋弧自動(dòng)焊4作為一種優(yōu)質(zhì)、高效、低消耗的焊接技術(shù)在厚板焊接方面日趨成熟，國(guó)內(nèi)一些大型鍋爐和壓力容器制造廠率先進(jìn)行使用。該方法的最大優(yōu)點(diǎn)是：可移動(dòng)立柱式焊接操作架，使用方便，適用性強(qiáng)，能進(jìn)行各種直徑筒體的縱、環(huán)縫的焊接操作，克服了固定式埋弧自動(dòng)焊裝置功能單一和占地面積大等缺點(diǎn)；最小焊縫金屬填充量和自動(dòng)分道（每層兩道）焊技術(shù)，可獲得性能優(yōu)良、致密性高的焊縫接頭；采用帶有側(cè)壁光電跟蹤和自動(dòng)防偏的焊接轉(zhuǎn)胎，能提供最佳焊接操作和產(chǎn)品焊接質(zhì)量的可重復(fù)性，因此該方法在大型鍋爐和壓力容器產(chǎn)品生產(chǎn)中越來越廣泛地得以應(yīng)用。1.2.2 接管、法蘭藥芯焊絲氣體保護(hù)堆

16、焊技術(shù)藥芯焊絲氣體保護(hù)焊，由于芯部焊劑的作用，焊縫表面生成薄層渣殼，使焊縫光滑平整，成型不亞于埋弧焊。在富氬混合氣體保護(hù)下，電弧能量高，熔深大，即使焊道搭接量50也能保證道間和層間熔合良好。藥芯焊絲焊接時(shí)，電流通過藥芯周圍的薄層鐵皮導(dǎo)電，電流密度大，熔敷效率比實(shí)芯焊絲高。此外藥芯焊絲焊接可以連續(xù)送絲不斷弧，無飛濺，無需特殊清理，適合多道、自動(dòng)和半自動(dòng)焊接作業(yè)，因此近年來已被廣泛用于不銹鋼堆焊，特別是接管內(nèi)壁及法蘭密封面不銹鋼堆焊結(jié)構(gòu)。1.2.3 殼體內(nèi)壁帶極堆焊技術(shù)在石化行業(yè)的一些臨氫設(shè)備和核容器及尿素設(shè)備中，內(nèi)壁往往要求堆焊奧氏體不銹鋼。對(duì)于大面積堆焊而言，手工電弧焊和絲極自動(dòng)堆焊不但效率低

17、、堆焊層內(nèi)部和表面質(zhì)量差，而且在堆焊層與基層母材結(jié)合處往往易產(chǎn)生缺陷，因此帶極自動(dòng)堆焊技術(shù)4應(yīng)運(yùn)而生，被廣泛地用于容器內(nèi)壁大面積堆焊之中。帶極自動(dòng)堆焊具有效率高、堆焊層內(nèi)部質(zhì)量均勻、堆焊表面平整光滑等特點(diǎn)，而且由于稀釋率較低，堆焊金屬與基體母材之間的結(jié)合面處不易產(chǎn)生焊接缺陷和發(fā)生質(zhì)量問題。容器內(nèi)壁堆焊層一般采用過渡層加表層的雙層或多層堆焊，但對(duì)某些容器，根據(jù)需要，也已成功開發(fā)出單層淺熔深電渣堆焊技術(shù)。堆焊用的材料大多使用進(jìn)口焊帶和焊劑，現(xiàn)在國(guó)產(chǎn)焊帶和焊劑的質(zhì)量也在逐步提高，已接近進(jìn)口堆焊焊材的質(zhì)量水平，并在一些容器制造廠廣泛應(yīng)用。焊接是壓力容器制造中的一種主要加工方法之一, 如平板拼接、筒節(jié)與

18、筒節(jié)、筒節(jié)與封頭、人孔短節(jié)、接管與殼體及法蘭的連接, 內(nèi)件的組焊、以及支座與殼體的連接等等, 大多由焊接的方法完成。同時(shí)通過分析大量的質(zhì)量事故使人們認(rèn)識(shí)到壓力容器的安全性與焊接工藝過程有很大的關(guān)系。通過不斷改進(jìn)焊接工藝，在實(shí)踐中逐步應(yīng)用新的焊接工藝，不僅可以提高焊接的效率，而且可以有效的改善焊接工作者的操作環(huán)境，更加重要的是可以使焊件的質(zhì)量有著大幅度的提高。所以焊接工藝的發(fā)展有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.3 焊接過程機(jī)械化和自動(dòng)化焊接機(jī)械化是指焊接機(jī)頭的運(yùn)動(dòng)和焊絲的給送由機(jī)械完成，焊接過程中焊頭相對(duì)于接縫中心位置和焊絲離焊縫表面的距離仍須由焊接操作工監(jiān)視和手工調(diào)整。焊接自動(dòng)化是指焊接過程自啟動(dòng)至

19、結(jié)束全部由焊機(jī)的執(zhí)行自動(dòng)完成。無需操作工作任何調(diào)整，即焊接過程中焊頭的位置的修正和各焊接參數(shù)的調(diào)整是通過焊機(jī)的自適應(yīng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。而自適應(yīng)控制系統(tǒng)通常由高靈敏傳感器，人工智能軟件、信息處理器和快速反應(yīng)的精密執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。在我國(guó)壓力容器制造行業(yè)中，各大中型企業(yè)的焊接機(jī)械化和自動(dòng)化程度相對(duì)較高，但是相比國(guó)際上，我國(guó)的焊接自動(dòng)化的還有許多地方需要改進(jìn)。尤其是目前國(guó)際上對(duì)焊接機(jī)械化和自動(dòng)化作了重新定義。按照此標(biāo)準(zhǔn)來衡量，我國(guó)壓力容器焊接的自動(dòng)化率是相當(dāng)?shù)偷?。極大多數(shù)僅實(shí)現(xiàn)了焊接生產(chǎn)的機(jī)械化。因此，為加速本行業(yè)焊接生產(chǎn)現(xiàn)代化的進(jìn)程，增強(qiáng)企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，應(yīng)盡快提高焊接自動(dòng)化的程度。下面將列舉一個(gè)實(shí)例

20、來說明其基本結(jié)構(gòu)和功能以及在焊接生產(chǎn)中所發(fā)揮的作用。1.3.1 厚壁壓力容器對(duì)接接頭的全自動(dòng)焊接裝備德國(guó)某壓力容器制造公司與瑞典esab公司合作，于1997年開發(fā)了一臺(tái)大型龍門式全自動(dòng)自適應(yīng)控制埋弧焊裝備。專用于厚壁容器筒體縱縫和環(huán)縫的焊接。自1998年正式投運(yùn)至今使用狀況良好，為大型厚壁容器對(duì)接縫的埋弧焊開創(chuàng)了成功的先例。該裝備配置了串列電弧雙絲埋弧焊焊頭、由計(jì)算機(jī)軟件控制的abw系統(tǒng)(adaptive butt welding)和激光圖像傳感器。在焊接過程中，激光圖像傳感器連續(xù)測(cè)定接頭的外形尺寸，并將測(cè)量數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)由智能軟件快速處理，從而確定所要求的焊接參數(shù)和焊頭的位置。也就是說，每一

21、焊道的尺寸和焊道的排列是由系統(tǒng)的軟件以自適應(yīng)的方式控制的。系統(tǒng)軟件可調(diào)整每一填充焊道的4個(gè)焊接參數(shù)：焊接速度、焊接電流、焊道的排列和各填充層和蓋面層的焊道數(shù)。因此，該系統(tǒng)可使實(shí)時(shí)焊接參數(shù)自動(dòng)適應(yīng)接頭整個(gè)長(zhǎng)度上橫截面和幾何尺寸的偏差。焊接速度是控制不同區(qū)域內(nèi)的熔敷金屬量，而焊接電流是控制焊道的高度和熔敷金屬量。焊道的排列決定每層焊道間的搭接量，而每層的焊道數(shù)則取決于每層的坡口寬度。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各企業(yè)越來越重視勞動(dòng)者的工作環(huán)境水平，同時(shí)當(dāng)前政府按提出了“以人為本”的理念，焊接自動(dòng)化就具有更深刻的意義了。它不僅僅是提高了焊接生產(chǎn)率和穩(wěn)定的焊接質(zhì)量，而更重要的是使焊工遠(yuǎn)離了有害的工作環(huán)境，

22、減輕或消除了職業(yè)病的危害。2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及材料性能2.1 產(chǎn)品介紹該換熱器屬于類壓力容器，總長(zhǎng)為6275mm，內(nèi)徑為1400mm，工作溫度292，工作壓力為0.232mpa，工作原理是通過管程中的循環(huán)水將殼程中工藝介質(zhì)的熱量傳輸?shù)綁毫θ萜髦?。下圖是該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)圖紙見附錄1。圖2.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖2.2 母材性能分析該換熱器的主體材料是16mnr，法蘭材料為16mn，接管材料為20g，換熱管材料為 sb622 n10276,這是一種鎳基合金，管板的材料為10mowvnb。在換熱器的焊接過程中涉及到了同種材料的對(duì)接焊，包括筒體的縱焊縫和環(huán)焊縫；也涉及到了異種材料之間的焊接，包括筒體

23、和接管的焊接以及管板的焊接。2.2.1 16mnr的焊接性分析16mnr的化學(xué)成分見下表2.1。表2.1 16mnr的化學(xué)成分5牌號(hào)化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）csimnpscrmov16mnr0.12-0.200.20-0.601.20-1.600.0300.030-16mnr的機(jī)械性能參數(shù)見表2.2。表2.2 16mnr的機(jī)械性能參數(shù)牌號(hào)抗拉強(qiáng)度mpa屈服點(diǎn)mpa伸長(zhǎng)率（%）沖擊功j16mnr490-670320213116mnr的碳當(dāng)量 ce(%)=c+mn/6+(cr+mo+v)/5+(ni+cu)/15 =0.15+1.4/6 =0.38%當(dāng)ce(%)0.40%時(shí)，鋼材淬硬傾向不大，焊接性

24、良好，不需預(yù)熱；ce(%)=0.40%0.60%，特別當(dāng)大于0.5%時(shí)，鋼材易于淬硬，焊接前需預(yù)熱，由此可知16mnr的焊接性較好，焊前不需要預(yù)熱。我將通過以下幾個(gè)方面來分析其的焊接性6。16mnr是普通低合金鋼,是鍋爐等壓力容器的常用材料。它的強(qiáng)度較高、塑性韌性良好。常見交貨狀態(tài)為熱軋或正火，屬低合金結(jié)構(gòu)鋼。（1）熱裂紋 熱軋鋼一般含碳量較低，而含錳量較高，因此它們mn/s比較大，具有良好的抗熱裂性能?？芍?6mnr的抗熱裂性能較好，這是因?yàn)殄i在鋼中可與硫形成硫化錳，減少了硫的有害影響，增強(qiáng)了鋼的抗熱裂性能。 （2）冷裂紋 鋼材冷裂紋主要取決于鋼材的淬硬傾向，而鋼材的淬硬傾向又主要取決于它的

25、化學(xué)成分。16mnr由于含有少量合金元素，其碳當(dāng)量比低碳鋼碳當(dāng)量略高些，所以這種鋼淬硬傾向比低碳鋼要大些，應(yīng)根據(jù)接頭形式和鋼材厚度來調(diào)整線能量、預(yù)熱和后熱溫度，以控制熱影響區(qū)的冷卻速度，同時(shí)降低焊縫金屬的含氫量等措施，防止冷裂紋的產(chǎn)（3）再熱裂紋 從鋼材的化學(xué)成分考慮，由于16mnr中不含強(qiáng)碳化物形成元素，因此對(duì)再熱裂紋不敏感，而且還可以通過進(jìn)行焊后立即熱處理等措施來防止再熱裂紋的產(chǎn)生。（4）過熱區(qū)脆化 16mnr鋼焊接時(shí)近縫區(qū)中被加熱到100以上粗晶區(qū)，易產(chǎn)生晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象，是焊接接頭中塑性最差的部位，往往會(huì)承受不住應(yīng)力的作用而破壞。防止過熱區(qū)脆化的措施是提高冷卻速度，尤其是提高奧氏體最小穩(wěn)定

26、性范圍內(nèi)的冷卻速度，縮短在這一溫度區(qū)間停留時(shí)間，減少或防止奧氏體組織的出現(xiàn)，以提高鋼的沖擊韌度，而且為防止過熱區(qū)粗晶脆化，也不宜采用過大線能量。 （5）熱應(yīng)變脆化 熱應(yīng)變脆化是由于焊接過程中熱應(yīng)力產(chǎn)生塑性變形使位錯(cuò)增殖，同時(shí)誘發(fā)氮碳原子快速擴(kuò)散聚集在位錯(cuò)區(qū)，出現(xiàn)熱應(yīng)變脆化。16mnr具有一定得熱應(yīng)變脆化傾向，焊接時(shí)消除熱應(yīng)變脆化的有效措施是焊后退火處理。2.2.2 20g的焊接性分析20g的化學(xué)成分和機(jī)械性能見表2.3。表2.3 20g的化學(xué)成分牌號(hào)化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）csimnpscrmov20g0.200.15-0.300.50-0.900.0350.035-表2.4 20g的機(jī)械性能牌

27、號(hào)抗拉強(qiáng)度mpa屈服點(diǎn)mpa伸長(zhǎng)率（%）20g18538025碳鋼的焊接性主要取決于含碳量，隨著含碳量的增加，焊接性逐漸變差。20g鋼材中碳、硅、錳含量少，所以，通常情況下不會(huì)因焊接而引起嚴(yán)重硬化組織和淬硬組織。這種鋼的塑性和韌性優(yōu)良，焊接接頭的塑性和韌性也好。通常情況下，焊接時(shí)一般不需要預(yù)熱、控制層間溫度和后熱，焊后也不必采用熱處理改善組織，既整個(gè)焊接過程中不需要特殊的工藝措施。特殊情況下，進(jìn)行預(yù)熱和焊后熱處理能提高其力學(xué)性能要求。2.2.3 10mowvnb的焊接性分析10mowvnb 是合金結(jié)構(gòu)鋼,其金相組織為鐵素體+ 少量彌散碳化物,晶粒度小,碳當(dāng)量為 ce = 0.3240.557

28、,其化學(xué)成分和機(jī)械性能如表2.5所示。表2.5 10mowvnb的化學(xué)成分牌號(hào)化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）csimnpswmovnb10mowvnb0.07-0.130.50-0.800.50-0.800.0400.0300.50-0.800.60-0.900.30-0.500.06-0.12表2.6 10mowvnb的機(jī)械性能牌號(hào)抗拉強(qiáng)度mpa屈服點(diǎn)mpa伸長(zhǎng)率%20g30048019由于鉬、鎢、釩、鈮元素的存在,易引起氮化物的形成及可焊性降低;在焊縫及熱影響區(qū)易出現(xiàn)淬硬組織;焊接過程有氫的擴(kuò)散,附有較大的應(yīng)力;特別是釩元素的存在,使其產(chǎn)生再熱裂紋傾向。所以,為了得到焊縫合理的合金組織,以保證焊縫

29、在高溫、高壓條件下,及氮、氫、氨介質(zhì)腐蝕條件下的使用性能,是確定焊接工藝及熱處理工藝必須考慮的問題。3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析3.1 ansys軟件模擬步驟在ansys軟件模擬時(shí)，我選取了產(chǎn)品中比較典型的零件-橢圓封頭進(jìn)行分析。首先使用ug造型軟件對(duì)橢圓封頭進(jìn)行實(shí)體造型（見圖3.1）。造型之后，將模型導(dǎo)入模擬軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分（見圖3.2），然后添加相應(yīng)的約束條件，即在法蘭端面施加y方向位移約束，約束效果圖見圖3.3。最后在模型內(nèi)壁施加工作應(yīng)力載荷，進(jìn)行工作應(yīng)力分析。模擬出封頭中的等效工作應(yīng)力結(jié)果見圖3.4。圖3.2 網(wǎng)格劃分圖3.1 實(shí)體模型圖3.4 等效應(yīng)力圖圖3.3 位移約束從圖3.4中可以看出

30、，在封頭的彎曲部位應(yīng)力發(fā)生了集中，由此可以得出的結(jié)論是在選擇封頭與筒體的環(huán)焊縫時(shí)要注意避開這個(gè)位置，以免發(fā)生更大的應(yīng)力集中而導(dǎo)致產(chǎn)品使用壽命縮短。3.2 產(chǎn)品強(qiáng)度校核圖3.5是通過模擬而得出的封頭頂部的應(yīng)力分布和應(yīng)力值。由圖可知，工作載荷作用下，在橢圓封頭的頂部工作應(yīng)力最高，故選取此處來進(jìn)行產(chǎn)品的強(qiáng)度校核。圖3.5 封頭頂端應(yīng)力分布圖查表得16mnr在溫度292時(shí)的屈服強(qiáng)度s為283mpa，抗拉強(qiáng)度為576mpa。所以根據(jù)結(jié)果進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定：查表得在該溫度下安全系數(shù)取2，則該溫度下許用應(yīng)力值為： sm =【 s】/n = 283/2=141.5mpa局部薄膜應(yīng)力值為： 1.5sm = 212.3

31、mpa薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力和的限制值為： 3sm = 424.5mpa評(píng)定結(jié)果如表3.1所示。表3.1 強(qiáng)度校核結(jié)果（應(yīng)力單位全部為mpa）評(píng)定線局部薄膜應(yīng)力彎曲應(yīng)力薄膜+彎曲峰值應(yīng)力總應(yīng)力路徑16.30.5716.50.01616.5限制值141.5212.3424.5結(jié)果通過通過通過 根據(jù)上表的結(jié)果可以判定16mnr完全能夠作為此種換熱器的制造材料。4 焊接工藝方案的選擇4.1 焊接方法的比較下面將通過對(duì)埋弧焊等幾種常用的焊接方法進(jìn)行比較，從而確定該產(chǎn)品在焊接過程中所采用的焊接方法。4.1.1 埋弧焊的特點(diǎn)（1）生產(chǎn)效率高這是因?yàn)椋环矫婧附z導(dǎo)電長(zhǎng)度縮短，電流和電流密度提高，因此電弧的溶深和

32、焊絲溶敷效率都大大提高。（一般不開坡口單面一次溶深可達(dá)20mm）另一方面由于焊劑和溶渣的隔熱作用，電弧上基本沒有熱的輻射散失,飛濺 也少，雖然用于熔化焊劑的熱量損耗有所增大，但總的熱效率仍然大大增加。（2）焊縫質(zhì)量高 熔渣隔絕空氣的保護(hù)效果好，焊接參數(shù)可以通過自動(dòng)調(diào)節(jié)保持穩(wěn)定，對(duì)焊工技術(shù)水平要求不高,焊縫成分穩(wěn)定，機(jī)械性能比較好。（3）勞動(dòng)條件好 除了減輕手工焊操作的勞動(dòng)強(qiáng)度外，它沒有弧光輻射，這是埋弧焊的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。4.1.2 co2保護(hù)焊的特點(diǎn) （1）焊接成本低 co2氣體是釀造廠和化工廠的副產(chǎn)品，來源廣，價(jià)格低，其綜合成本大概是手工電弧焊的1/2。（2）生產(chǎn)效率高 co2氣體保護(hù)焊使用較大

33、的電流密度（200a/mm2左右），比手工電弧焊（10-20a/mm2左右）高得多，因此熔深比手弧焊高2.2-3.8倍，對(duì)10mm以下的鋼板可以不開坡口，對(duì)于厚板可以減少坡口加大鈍邊進(jìn)行焊接，同時(shí)具有焊絲熔化快，不用清理熔渣等特點(diǎn)，效率可比手弧焊提高2.5-4倍。 （3）焊后變形小 co2氣體保護(hù)焊的電弧熱量集中，加熱面積小，co2氣流有冷卻作用，因此焊件焊后變形小，特別是薄板的焊接更為突出。 （4）抗銹能力強(qiáng) co2氣體保護(hù)焊和埋弧焊相比，具有較高的抗銹能力，所以焊前對(duì)焊件表面的清潔工作要求不高，可以節(jié)省生產(chǎn)中大量的輔助時(shí)間。co2氣體保護(hù)焊的缺點(diǎn)是本身具有較強(qiáng)的氧化性，因此在焊接過程中會(huì)引

34、起合金元素?zé)龘p，產(chǎn)生氣孔和引起較強(qiáng)的飛濺，特別是飛濺問題，雖然從焊接電源、焊絲材料和焊接工藝上采取了一定的措施，但至今未能完全消除，這是co2焊的明顯不足之處。4.1.3 手工電弧焊的特點(diǎn) （1）設(shè)備簡(jiǎn)單，可用成本較低的交流或直流焊接電源。（2）靈活方便，可用焊接各種位置、各種厚度和形狀的焊件。（3）焊條品種齊全，可供焊接不同的鋼材選用。（4）焊接質(zhì)量主要取決于焊工的熟練程度和焊條的質(zhì)量。焊接方法應(yīng)根據(jù)焊接結(jié)構(gòu)、制造要求以及對(duì)焊接接頭質(zhì)量的影響及所具有的焊接設(shè)備等條件進(jìn)行靈活選擇。通過綜合考慮，采用手工電弧焊和埋弧焊這兩種焊接方法來完成該產(chǎn)品的主體焊縫的焊接。4.2 焊接工藝方案的選擇換熱器中

35、的焊縫分布見圖4.1。gb150將壓力容器中的焊縫按照接頭類型與工作載荷性質(zhì)分為a、b、c、d四類，其中對(duì)a類焊縫的質(zhì)量要求最為嚴(yán)格。下面對(duì)各個(gè)焊接處進(jìn)行分析，以便確定合理的焊接方法和焊接工藝。由于焊縫較多，我只選取了幾個(gè)典型的焊縫進(jìn)行分析7。4.2.1 環(huán)焊縫焊接工藝方案選擇a-1是橢圓封頭與筒節(jié)的環(huán)焊縫，采用對(duì)接接頭，選擇y形內(nèi)坡口，內(nèi)側(cè)用手工電弧焊打底并焊滿，外側(cè)用埋弧焊焊接。在這里外側(cè)不選用手工電弧焊來焊滿主要圖4.1 換熱器的焊縫分布圖是因?yàn)橥补?jié)的直徑為1520mm，尺寸有點(diǎn)大，從提高生產(chǎn)效率出發(fā)，故選用埋弧焊。母材：16mnr(fe-1-2)焊材：焊條型號(hào)e5015，焊條牌號(hào)j50

36、7（低氫型），焊劑型號(hào)f5a0-h10mn2,焊劑牌號(hào)或焊絲牌號(hào)hj350-h10mn2（jb/t 4709）焊接參數(shù)：焊條直徑為4.0mm，焊接電流為160-210a，焊接電壓為21-22v。埋弧焊的焊絲直徑為4mm，裝配間隙為4mm，焊接電流為780-820a，焊接電壓為38-40v，焊接速度為27.5m/h預(yù)熱：雖然它的抗拉強(qiáng)度達(dá)到490mpa，但是由于它的碳當(dāng)量較低，淬硬傾向小，而且壁厚較薄，故不需要預(yù)熱。（jb/t 4709 p104）后熱：由于16mnr是低合金鋼，且淬硬傾向較小，故不需要后熱。焊后熱處理：由于使用埋弧焊焊滿，焊接熱輸入較大，焊接區(qū)冷卻速度較慢，而且接頭壁厚為10m

37、m，故不需要進(jìn)行焊后熱處理。4.2.2 筒節(jié)縱焊縫焊接工藝方案選擇a-2是筒節(jié)的一個(gè)縱焊縫，采用對(duì)接接頭，y形坡口，在焊縫外側(cè)加一個(gè)襯墊，在內(nèi)側(cè)用埋弧焊焊滿。將襯墊去掉，外側(cè)用埋弧焊焊滿。焊接順序是先焊內(nèi)焊縫，再焊外焊縫。母材：16mnr(fe-1-2)焊材：焊劑型號(hào)f5a0-h10mn2,焊劑牌號(hào)或焊絲牌號(hào)hj350-h10mn2（jb/t 4709）焊接參數(shù)：埋弧焊的焊絲直徑為5mm，裝配間隙為3-4mm，焊接電流為700-750a，焊接電壓為34-36v，焊接速度為30m/h預(yù)熱：雖然它的抗拉強(qiáng)度達(dá)到490mpa，但是由于它的碳當(dāng)量較低，淬硬傾向小，而且壁厚較薄，故不需要預(yù)熱。（jb/t

38、 4709 p104）后熱：由于16mnr是低合金鋼，且淬硬傾向較小，故不需要后熱。焊后熱處理：由于使用埋弧焊焊滿，焊接熱輸入較大，焊接區(qū)冷卻速度較慢，而且接頭壁厚為10mm，故不需要進(jìn)行焊后熱處理。4.2.3 浮頭蓋與浮頭法蘭的環(huán)焊縫焊接工藝方案選擇c-1焊縫是浮頭蓋和浮頭法蘭之間的焊縫，采用角接接頭，使用手工電弧焊進(jìn)行焊接。母材：16mnr與16mnr(fe-1-2)焊材：焊條型號(hào)e5015，焊條牌號(hào)j507（低氫型）。焊接參數(shù)：第一層：焊條直徑為4.0mm，焊接電流為160-210a，焊接電壓為21-22v。以后各層：焊條直徑為5.0mm，焊接電流為220-280a，焊接電壓為24-26

39、v。預(yù)熱：由于此處彎曲應(yīng)力較大，同時(shí)為了防止淬硬傾向變大，所以要進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為120-130。同時(shí)焊接時(shí)還要保持適合的層間溫度，使焊縫在冷卻過程中不至于出現(xiàn)大的應(yīng)力，層間溫度保持在150左右，但不能低于預(yù)熱溫度。后熱：由于16mnr和16mn是低合金鋼，且淬硬傾向較小，故不需要后熱。焊后熱處理：由于這里是應(yīng)力集中的部位，這將會(huì)導(dǎo)致各種焊接缺陷在這里產(chǎn)生，所以焊后一定要進(jìn)行熱處理，熱處理溫度為620，保溫時(shí)間為2h。4.2.4 管板堆焊的焊接工藝方案的選擇c-18是管板是的堆焊焊縫，采用手工電弧焊進(jìn)行施焊母材：10mowvnb（fe-3-2）焊材：過渡層為a302，耐腐蝕層為a132。焊接

40、參數(shù)：過渡層焊2層，焊條直徑為4mm,焊接電流為130-150a，焊接電壓為22-24v，焊接速度為8-10cm/min。耐蝕層焊2-4層，焊條直徑為4mm，焊接電流為140-170a，焊接電壓為22-24v,焊接速度為10-12cm/min。預(yù)熱：預(yù)熱溫度為100，層間溫度為150。焊后熱處理：堆焊到2-3mm時(shí)進(jìn)行熱處理，熱處理溫度為620，處理時(shí)間為3h。堆焊完之后不用進(jìn)行熱處理，主要是為了保持耐腐蝕層的耐蝕性。4.2.5 管板與換熱管的焊接工藝方案的選擇d-3是管板與換熱管的角接焊縫，采用i形接頭，并采用鎢極氬弧焊進(jìn)行焊接母材：鎳基合金(fe-3-3)與a-302（00cr19ni10

41、）（fe-8-1）焊材：焊絲采用h12cr26ni21焊接參數(shù)：焊絲直徑為2.5mm，焊接電流約160a，電弧電壓約16v，焊接速度為1-2m/h，氣體流量為1200l/h。預(yù)熱：為了保證管子管板的焊縫質(zhì)量，在焊前進(jìn)行預(yù)熱時(shí)一種好的方法，由于管壁較薄，此處無需預(yù)熱。各個(gè)焊縫的焊接工藝方案的選擇都是在查閱了許多相關(guān)的文獻(xiàn)資料后確定的，并且符合jb/t4709-2000鋼制壓力容器焊接規(guī)程和gb151-1999管殼式換熱器中的相關(guān)規(guī)定。5 焊接工藝評(píng)定焊接工藝評(píng)定是為驗(yàn)證所擬定的焊件焊接工藝方案的正確性而進(jìn)行的試驗(yàn)過程及結(jié)果評(píng)價(jià)。焊接工藝評(píng)定有著重要的意義，焊接工藝是保證焊接質(zhì)量的重要措施，它能確

42、認(rèn)為各種焊接接頭編制的焊接工藝指導(dǎo)書的正確性和合理性。通過焊接工藝評(píng)定，檢驗(yàn)按擬訂的焊接工藝指導(dǎo)書焊制的焊接接頭的使用性能是否符合設(shè)計(jì)要求，并為正式制定焊接工藝指導(dǎo)書或焊接工藝卡提供可靠的依據(jù)。通過仔細(xì)分析，本文將所有的焊縫歸納為封頭環(huán)焊縫、筒體縱焊縫、浮頭蓋環(huán)焊縫、管板焊接、接管法蘭角焊縫、接管筒體角焊縫等八種類型。對(duì)于筒體縱焊縫來說，由于所有筒節(jié)的壁厚都是10mm，評(píng)定時(shí)選擇20mm壁厚的試件，根據(jù)nb/t 47014-2011承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定的相關(guān)規(guī)定,其覆蓋焊件的厚度范圍5-40mm。筒體對(duì)接用雙面焊，評(píng)定時(shí)開x形坡口雙面焊。a1、a2、a3、a4等接頭在母材類別、組別，焊接工藝方

43、案等主要因素上均相同，坡口形式及尺寸等次要因素也相同，因此可以將這幾個(gè)接頭歸為一類做一個(gè)評(píng)定，評(píng)定序號(hào)為1，焊接工藝參數(shù)則根據(jù)焊接工藝方案作相應(yīng)選擇。這樣便完成了一個(gè)工藝評(píng)定。具體的評(píng)定內(nèi)容見焊接工藝評(píng)定一覽表（附錄2）。工藝評(píng)定結(jié)束后編制了焊接工藝評(píng)定所明書（附錄3）。本次評(píng)定符合nb/t 47014-2011承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定中的相關(guān)規(guī)定，可以用以指導(dǎo)相關(guān)類型焊縫的焊接。6 產(chǎn)品制造規(guī)程的設(shè)計(jì)6.1 裝焊工藝流程圖的編制在進(jìn)行設(shè)計(jì)各零件加工工藝方案之前，先編制了產(chǎn)品的裝焊工藝流程圖，作為指導(dǎo)整個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)的說明。具體內(nèi)容詳見附錄4。6.2 產(chǎn)品零件加工工藝過程設(shè)計(jì)6.2.1 封頭加工工藝過

44、程設(shè)計(jì)圖6.1 橢圓封頭尺寸下圖是該產(chǎn)品橢圓封頭的結(jié)構(gòu)示意圖：1、封頭坯料尺寸計(jì)算： 在劃線下料前應(yīng)先對(duì)封頭的坯料進(jìn)行計(jì)算。因?yàn)榉忸^在壓制成形過程中，封頭在曲率半徑最小處變薄，為了保證其最薄處與容器壁厚相同，所選的毛坯料厚度比容器壁厚度厚約10%，由于封頭厚度為10mm，所以選取11mm厚的毛坯料板。根據(jù)經(jīng)圖6.2 坯料尺寸示意圖驗(yàn)公式可知：封頭的展開公式：k 為影響系數(shù)1.2 為容器壁厚（mm）dg為筒體內(nèi)徑（mm） h為封頭直邊高度（mm）100二次切割余量（mm）將數(shù)據(jù)帶入公式可得：dp=1.2（1500+11）+225+100=1963mm。通常下料的板材的標(biāo)準(zhǔn)寬度只有1500,200

45、0,2200mm等，所以根據(jù)以上計(jì)算，選擇制作封頭的板材為10mm1500mm2000mm。一塊坯料展開圖如圖6.2所示。2、下料方式的選擇下料是封頭制作的首道工序，下料下的好不好是一個(gè)封頭質(zhì)量最后是否過關(guān)的前提。在下料的同時(shí)也要考慮到怎么樣排列下料才會(huì)使用料最省，達(dá)到成本最低，并且在切割圓片的時(shí)候要考慮下料圓片公差-5+5mm。查找文獻(xiàn)可知不銹鋼切割的時(shí)候用的是等離子切割，而碳鋼則是用乙炔氣割，如果是比較薄的碳鋼也是可以用等離子切割的。在此考慮到經(jīng)濟(jì)因素，我們選擇乙炔氣割的方式來進(jìn)行下料。由于鋼板材料是16mnr，所以不存在淬硬傾向過大的可能。3、封頭的沖壓（1）坯料加熱在封頭沖壓過程中，板

46、料的變形很大，若在冷態(tài)下沖壓，不僅需要較大功率的壓力機(jī)，而且會(huì)使成形后的封頭產(chǎn)生嚴(yán)重的冷作硬化，甚至形成裂紋。為保證封頭的質(zhì)量，提高材料的變形能力，多采用熱沖壓。熱沖壓時(shí)鋼板的加熱溫度在9501050之間，這取決于坯料出爐裝料過程的時(shí)間長(zhǎng)短、壓力機(jī)的能力大小、過高溫度對(duì)材料性能的影響等因素。（2）壓延力的計(jì)算壓延力的計(jì)算公式為：其中：e-壓邊力影響系數(shù)，有壓邊時(shí)e=1.2； k-封頭形狀影響系數(shù)，橢圓形封頭k=1.2；-坯料直徑（mm） -材料的高溫抗拉強(qiáng)度（mpa） s-坯料板厚（mm） -公稱直徑（mm）將數(shù)據(jù)帶入公式可得：f1.21.23.14（1963-1500）11200460.6(

47、t) (3)沖壓設(shè)備的選擇 沖壓設(shè)備可采用大型四柱立式水壓機(jī)或油壓機(jī)。一般300t壓力機(jī)可沖壓直徑為1m左右的封頭；500800t壓力機(jī)可沖壓直徑為2m以上的封頭；1000t壓力機(jī)中、低壓容器所需封頭均可沖壓。根據(jù)沖壓力，本設(shè)計(jì)選用500噸四柱式油壓機(jī)來壓制封頭。 （4）壓邊圈的選擇 當(dāng)所沖壓的風(fēng)頭展開毛坯下料直徑與厚度比值達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，為確保所成形封頭的質(zhì)量，應(yīng)該在沖壓模具結(jié)構(gòu)上采用壓邊裝置。否則在封頭沖壓過程中在上口邊就會(huì)產(chǎn)生褶皺，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量，甚至造成廢品。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，當(dāng)dpdg18s時(shí)，沖壓模具可不用壓邊裝置。對(duì)于該封頭，dpdg1963-1500463mm，而18s18111

48、98mm，所以要采用壓邊裝置。 （5）二次切割封頭在制作過程中為了防止因壓偏而造成產(chǎn)品的報(bào)廢，在下料的時(shí)候多留出一些余量，封頭沖壓完成之后需將多余部分切掉。把沖壓好的封頭放在焊接回轉(zhuǎn)臺(tái)上，找出封頭的中心，將封頭定位進(jìn)行二次劃線，然后進(jìn)行切割，并開出坡口。5、開坡口將橢圓封頭放在立式車床上進(jìn)行環(huán)縫坡口加工，坡口型式如圖6.3所示。圖6.3 封頭坡口型式開完坡口后，坡口段會(huì)出現(xiàn)氧化皮，折皺等缺陷，所以要使用研磨工序來加工坡口，使坡口更加光潔。研磨之后，就要進(jìn)行酸洗，酸洗是為了能夠?qū)⒊尚头忸^表面的油污、氧化皮等污物清洗干凈。在分析封頭加工工藝方案時(shí)，也通過查閱相關(guān)資料編制了封頭制造工序過程卡，具體內(nèi)容詳見附錄5。6.2.2 筒體加工工藝過程設(shè)計(jì)（1）板材的復(fù)