1Cr18Ni9Ti不銹鋼發(fā)酵罐釜體的焊接工藝設(shè)計(jì)

哈爾濱理工大學(xué)焊接課程設(shè)計(jì)1Cr18Ni9Ti不銹鋼發(fā)酵罐釜體的焊接工藝設(shè)計(jì)班級(jí)學(xué)號(hào)姓名指導(dǎo)教師1Cr18Ni9Ti不銹鋼發(fā)酵罐釜體的焊接工藝設(shè)計(jì)工藝性綜述產(chǎn)品簡介（定義、分類、）發(fā)酵罐，指工業(yè)上用來進(jìn)行微生物發(fā)酵的裝置。其主體一般為用不銹鋼板制成的主式圓筒，其容積在1立方至數(shù)百立方大小。在設(shè)計(jì)和加工中應(yīng)注意結(jié)構(gòu)嚴(yán)密，合理。能耐受蒸汽滅菌、有一定操作彈性、內(nèi)部附件盡量減少（避免死角）、物料與能量傳遞性能強(qiáng)，并可進(jìn)行一定調(diào)節(jié)以便于清洗、減少污染，適合于多種產(chǎn)品的生產(chǎn)以及減少能量消耗。常用的制造鋼材0Cr18Ni9、00Cr18Ni10、0Cr17Ni12MO2和00Cr17Ni14MO200Cr19Ni10是一種通用性的不銹鋼，它廣泛地用于制作要求良好綜合性能（耐腐蝕和成型性）的設(shè)備和機(jī)件。00Cr17Ni12Mo2添加Mo(2~3%)，優(yōu)秀的耐點(diǎn)蝕性，耐高溫、抗蠕變性能優(yōu)秀。均屬于奧氏體型不銹鋼，這類不銹鋼焊接的主要問題是焊接接頭容易出現(xiàn)熱裂紋、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕開裂以及焊接變焊接材料在焊接材料的選擇方面，宜選用超低碳的焊條和焊絲焊條電弧焊，焊條E308-16（A102），氬弧焊焊絲HOCr21Ni10，氬氣純度應(yīng)在99.6%以上，埋弧焊焊絲是H0Cr21Ni10，焊劑HJ260，焊絲伸出長30~40mm。為防燒穿最好在背面襯焊劑墊，埋弧焊、氣體保護(hù)焊的焊絲中Cr、Mn含量比母材要高，焊厚板宜用Mo、Si含量高的焊絲，可形成α+F組織。焊接方法氬弧焊（MIG或TIG）:又稱氬氣體保護(hù)焊。是在普通電弧焊的原理的基礎(chǔ)上，利用氬氣對(duì)金屬焊材的保護(hù)，通過高電流使焊材在被焊基材上融化成液態(tài)形成溶池，使被焊金屬和焊材達(dá)到冶金結(jié)合的一種焊接技術(shù)，由于在高溫熔融焊接中不斷送上氬氣，使焊材不能和空氣中的氧氣接觸，從而防止了焊材的氧化，因此可以焊接銅、鋁、合金鋼等有色金屬。氬弧焊按照電極的不同分為熔化極氬弧焊和非熔化極氬弧焊兩種。采用氬弧焊打底工藝，可以得到優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。氬弧焊打底焊接工藝在鍋爐的水冷壁、過熱器、省煤器等焊接中，接頭質(zhì)量優(yōu)良，經(jīng)射線探傷，焊縫級(jí)別均在Ⅱ級(jí)以上。埋弧焊:弧焊（含埋弧堆焊及電渣堆焊等）是一種電弧在焊劑層下燃燒進(jìn)行焊接的方法。其固有的焊接質(zhì)量穩(wěn)定、焊接生產(chǎn)率高、無弧光及煙塵很少等優(yōu)點(diǎn)，使其成為壓力容器、管段制造、箱型梁柱等重要鋼結(jié)構(gòu)制作中的主要焊接方法。埋弧焊已廣泛應(yīng)用于碳鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼和不銹鋼的焊接。由于焊渣可降低接頭冷卻速度，故某些高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼、高碳鋼等也可采用埋弧焊焊接。但由于埋弧焊是依靠顆粒狀焊劑堆積形成保護(hù)條件，因此主要適應(yīng)于水平焊縫。焊條電弧焊:是指用手工操作焊條進(jìn)行焊接的電弧焊方法.電弧焊是指利用電弧作為熱源的熔焊方法.焊條電弧焊是目前生產(chǎn)中應(yīng)用最多、最普遍的一種金屬焊接方法。由于埋弧焊焊劑的主要成分是氧化錳、二氧化硅等金屬及非金屬氧化物，難以用于焊接鋁、鈦等氧化性較強(qiáng)的金屬極其合金；只適用于長焊縫的連接。由于埋弧焊電弧的電場(chǎng)強(qiáng)度較大，電流小于100A時(shí)，電弧穩(wěn)定性不好，因此不適合焊接厚度小于1mm的薄板。熔化極混合氣體保護(hù)焊:熔化極混合氣體保護(hù)焊是采用在惰性氣體中加入一定量的活性氣體，如氬氣加二氧化碳?xì)怏w，氬氣加氧氣，氬氣加氧氣和二氧化碳?xì)獾茸鳛楸Ｗo(hù)氣體的一種熔化極氣體保護(hù)電弧焊方法。其優(yōu)點(diǎn)是效率高；焊接工藝適應(yīng)性強(qiáng)，選用適當(dāng)?shù)暮附訁?shù)可完成任何空間位置的焊接；焊縫表面無熔渣覆蓋，省略了多道焊縫去熔渣程序，減少了焊縫中產(chǎn)生夾渣的危險(xiǎn)；焊縫金屬氫含量低。但焊接設(shè)備復(fù)雜，投資費(fèi)用較高，焊槍需經(jīng)常清理；焊接參數(shù)較多，且需嚴(yán)格匹配，焊工必須經(jīng)過專門的培訓(xùn)；氣體保護(hù)焊的保護(hù)效果易受外界干擾，在現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)時(shí)必須采取防風(fēng)措施。產(chǎn)品檢驗(yàn)焊后成品檢驗(yàn)分為破壞性檢驗(yàn)和非破壞性檢驗(yàn)。破壞性檢驗(yàn)一般包括焊接接頭力學(xué)性能的檢驗(yàn)、焊縫金屬的化學(xué)成分分析、焊接接頭金相組織的檢查、鐵素體含量的測(cè)定、耐蝕性的測(cè)定非破壞性檢驗(yàn)一般包括焊件外觀檢測(cè)、焊縫的無損檢測(cè)、焊縫的致密性實(shí)驗(yàn)等產(chǎn)品使用性能要求及對(duì)材料的性能要求產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)要求該發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示：表1車用槽罐設(shè)計(jì)參數(shù)發(fā)酵罐名稱不銹鋼發(fā)酵罐公稱容積/(m3)500設(shè)計(jì)壓力/(KPa)0.09MPA設(shè)計(jì)溫度/(℃)25板厚/(mm)8材料1Cr18Ni9Ti不銹鋼發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)圖不銹鋼發(fā)酵罐釜體主要包括釜體，釜體封頭，反應(yīng)釜夾套等幾部分構(gòu)成。圖1：不銹鋼發(fā)酵罐示意圖產(chǎn)品制作工藝流程圖缺陷返修探傷磨光焊環(huán)縫裝焊各筒體節(jié)缺陷返修探傷磨光焊環(huán)縫裝焊各筒體節(jié) 封頭總裝焊環(huán)縫磨光探傷缺陷封頭總裝焊環(huán)縫磨光探傷缺陷修復(fù)焊管接頭割孔裝管接頭鉆孔劃管孔線焊管接頭割孔裝管接頭鉆孔劃管孔線磨光探傷缺陷返修裝下磨光探傷缺陷返修裝下降管焊下降管包裝全面清理焊內(nèi)件裝配包裝全面清理焊內(nèi)件裝配內(nèi)件水壓試驗(yàn)優(yōu)選材料，分析所選材料性能特點(diǎn)成分1Cr18Ni9Ti的化學(xué)成分如表2所示：表2所選材料的化學(xué)成分類型鋼號(hào)化學(xué)成分（ωt/%）CSiMnSPCrNiTi奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti≤0.12≤1.00≤2.00≤0.030≤0.03517.00-19.008.00-11.005(C%-0.02)～0.80組織1Cr18Ni9Ti屬奧氏體型不銹耐酸鋼。由于含鈦，使鋼具有較高的抗晶間腐蝕性能。在不同濃度，不同溫度的一些有機(jī)酸和無機(jī)酸中、尤其是在氧化性介質(zhì)中都有良好的耐腐蝕性能。這種鋼經(jīng)過熱處理（1050～1100℃在水中或空氣中淬火）后，呈單相奧氏體組織，在強(qiáng)磁場(chǎng)中不產(chǎn)生磁感應(yīng)，該鋼適于制作無磁模具和要求高耐腐蝕性能的塑性模具。性能1Cr18Ni9Ti的熱處理規(guī)范及機(jī)械性能如表3所示：表3所選材料熱處理和機(jī)械性能類型鋼號(hào)熱處理機(jī)械性能（不小于）固溶處理/℃冷卻劑σbMPaσ0.2/MPaδ/%φ/%奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti1100-1150水5502004550焊接性分析由于奧氏體不銹鋼含有較高的鉻，形成致密的氧化膜，所以具有良好的耐蝕性。當(dāng)含鉻18%，含鎳8%時(shí)，基本上可以獲得單一的奧氏體組織，故奧氏體不銹鋼有較好的耐蝕性、塑性、高溫性能和焊接性能。但為了全面保證焊接接頭的質(zhì)量，往往需要解決一些特殊的問題，如接頭各種形式的腐蝕、焊接熱裂紋、鐵素體含量控制及δ相脆化等。在腐蝕介質(zhì)的作用下，在晶粒之間會(huì)產(chǎn)生晶間腐蝕奧氏體不銹鋼在450—850℃時(shí)，過飽和的碳會(huì)向奧氏體晶粒邊界擴(kuò)散，并與晶界的鉻化合形成碳化鉻，由于鉻在奧氏體中的擴(kuò)散速度小于碳的擴(kuò)散速度，使晶界的鉻得不到補(bǔ)充，造成奧氏體晶界貧鉻，當(dāng)晶界附近的鉻低于12%時(shí)，就失去了抗腐蝕性能，在腐蝕介質(zhì)的作用下，形成了晶間腐蝕。收到晶間腐蝕的不銹鋼，表面上看沒有痕跡，但在受到應(yīng)力時(shí)，會(huì)沿晶界斷裂，幾乎完全喪失強(qiáng)度。應(yīng)力腐蝕開裂不銹鋼在使用條件下產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的原因有很多，包括鋼的成分、組織和狀態(tài)、介質(zhì)的種類、溫度、濃度、應(yīng)力性質(zhì)、大小及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等。拉應(yīng)力的存在是應(yīng)力腐蝕開裂的必要條件。焊接接頭的熱裂紋問題=1\*GB3①焊縫金屬凝固期間存在較大拉應(yīng)力是產(chǎn)生熱裂紋的必要條件。=2\*GB3②奧氏體鋼易于聯(lián)生結(jié)晶形成方向性極強(qiáng)的柱狀晶的焊縫組織，有利于有害雜質(zhì)的偏析，而促使形成晶界液膜，顯然易于促使產(chǎn)生凝固裂紋。=3\*GB3③奧氏體鋼及焊縫的合金組成復(fù)雜，不僅S、P、Sn、Sb之類雜質(zhì)可形成易溶液膜，一些低合金元素因?yàn)槿芙舛扔邢?，也?huì)產(chǎn)生易溶共晶。這樣焊縫及近縫區(qū)都會(huì)產(chǎn)生熱裂紋。鐵素體含量控制的問題奧氏體鋼焊縫金屬中鐵素體含量的多少直接關(guān)系到抗熱裂性、δ相脆變和熱強(qiáng)性。從抗熱裂性出發(fā)，要求焊縫金屬內(nèi)含有一定量的鐵素體。但從δ相脆變和熱強(qiáng)性來考慮，要求鐵素體含量越低越好。因此對(duì)于高溫強(qiáng)度要求較高的焊接接頭，必須嚴(yán)格控制鐵素體含量，在某些場(chǎng)合下，必須采用奧氏體焊縫金屬。為了保證焊接質(zhì)量，了解以上奧氏體鋼的焊接性能，在焊接過程中加以預(yù)防，就會(huì)獲得優(yōu)質(zhì)焊件。根據(jù)選定材料，確定焊接方法焊接方法選擇的合理性根據(jù)奧氏體不銹鋼的焊接特點(diǎn)，這類鋼可采用傳統(tǒng)的弧焊方法進(jìn)行焊接，其中包括焊條電弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊、藥芯焊絲電弧焊、鎢極氬弧焊、等離子弧焊和埋弧焊等。同時(shí)應(yīng)當(dāng)優(yōu)先采用焊接熱輸入低的焊接方法和焊接變形小的特種焊接工藝，如窄間隙氬弧焊和窄間隙熔化極氣體保護(hù)焊等。選擇焊接方法時(shí)限于具體條件，可能只選某一種。但必須充分考慮到質(zhì)量、效率和成本及自動(dòng)化程度等因素，以獲得最大效益。優(yōu)點(diǎn)=1\*GB3①埋弧焊的主要優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)效率高，焊接金屬的品質(zhì)良好、穩(wěn)定，焊縫外觀非常完美，焊接成本低，操作環(huán)境好。=2\*GB3②焊條電弧焊的主要優(yōu)點(diǎn)：工藝靈活、適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣，易于分散焊接應(yīng)力和控制焊接變形，設(shè)備簡單、成本較低。=3\*GB3③鎢極氬弧焊（TIG焊）的優(yōu)點(diǎn)：1）氬氣能有效地隔絕周圍空氣，本身又不熔于金屬，不和金屬反應(yīng)，施焊過程中電弧還有自動(dòng)清除熔池表面氧化膜的作用，因此，可成功地焊接易氧化、化學(xué)活潑性強(qiáng)的強(qiáng)的有色金屬、不銹鋼和各種合金。2）鎢極電弧穩(wěn)定，即使在很小的焊接電流(<10A)下仍可穩(wěn)定地燃燒，特別適合于薄板、超薄板材料的焊接。3)熱源和填充焊絲可分別控制，因而熱輸入容易調(diào)節(jié)，可進(jìn)行各種位置的焊接，也是實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形的理想方法。4)由于填充焊絲熔滴不通過電弧，故不會(huì)產(chǎn)生飛濺，焊縫成形美觀。由于埋弧焊的熱輸入大，熔池體積大，冷卻速度小，使得焊接接頭高溫停留時(shí)間長，這給抗熱裂紋和耐晶間腐蝕能力帶來不利影響，所以，應(yīng)采用較小的焊接熱輸入并配合冷措施。選用的雙人鎢極氬弧焊打底、埋弧焊蓋面的焊接方法。坡口設(shè)計(jì)壓力容器焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則盡量采用對(duì)接接頭易于保證焊接質(zhì)量，所有的縱向及環(huán)向焊接接頭、凸形封頭上的拼接焊接接頭，必須采用對(duì)接接頭外，其它位置的焊接結(jié)構(gòu)也應(yīng)盡量采。用對(duì)接接頭。舉例：角焊縫，改用對(duì)接焊縫，減小了應(yīng)力集中，方便了無損檢測(cè)，有利于保證接頭的內(nèi)部質(zhì)量。盡量采用全熔透的結(jié)構(gòu)，不允許產(chǎn)生未熔透缺陷未熔透：指基體金屬和焊縫金屬局部未完全熔合而留下空隙的現(xiàn)象。未熔透導(dǎo)。致脆性破壞的起裂點(diǎn)，在交變載荷作用下，它也可能誘發(fā)疲勞破壞。改進(jìn)：選擇合適的坡口形式，如雙面焊；當(dāng)容器直徑較小，且無法從容器內(nèi)部清根時(shí)，應(yīng)選用單面焊雙面成型的對(duì)接接頭，如用氬弧焊打底，或采用帶墊板的坡口等。盡量減少焊縫處的應(yīng)力集中接頭常常是脆性破壞和疲勞破壞的起源處，因此，在設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)時(shí)必須盡量減少應(yīng)力集中。坡口設(shè)計(jì)主要內(nèi)容選擇合適的焊縫坡口，方便焊材(焊條或焊絲）伸入坡口根部，以保證全熔透。坡口選擇因素①盡量減少填充金屬量；②保證熔透，避免產(chǎn)生各種焊接缺陷；③便于施焊，改善勞動(dòng)條件；④減少焊接變形和殘余變形量，對(duì)較厚元件焊接應(yīng)盡量選用沿厚度對(duì)稱的坡口形式，如X形坡口等。筒體、封頭及其相互間連接的焊接結(jié)構(gòu)縱、環(huán)焊縫必須采用對(duì)接接頭。對(duì)接接頭的坡口形式坡口形式可分為不開坡口（又稱齊邊坡口）、V形坡口、X形坡口、單U形坡口和雙U形坡口等數(shù)種，應(yīng)根據(jù)筒體或封頭厚度、壓力高低、介質(zhì)特性及操作工況選擇合適的坡口形式。綜合以上所述，選擇坡口如圖2所示，其中厚度為8mm。圖2對(duì)接接頭坡口形式及尺寸優(yōu)選焊材焊接材料的選擇焊接材料的選擇首先取決于焊接方法的選擇。最基本的原則是使焊縫金屬的成分與母材相同或接近。焊材為了達(dá)到一定的強(qiáng)度和韌性，要比母材低碳，適量合金化，以保證與母材保持同樣的特殊性能。綜合考慮了焊接接頭與母材等強(qiáng)度、抗熱裂紋、抗晶間腐蝕能力、焊劑中有害元素的滲入對(duì)焊縫抗腐蝕性能的影響和提高焊接接頭的力學(xué)性能等因素，決定選用焊絲H0Cr21Ni10，直徑為φ4.0mm。一般埋弧焊焊接不銹鋼時(shí)都采用低錳高硅中氟型熔煉焊劑HJ260。但采用熔煉焊劑HJ260焊接時(shí)，焊道表面熔渣扒渣現(xiàn)象嚴(yán)重，焊后需用砂輪修磨焊縫表面，直接影響焊縫外觀質(zhì)量，所以決定采用燒結(jié)焊劑SJ601。選用純度為99.9％的氬氣。焊材的性能特點(diǎn)：成分H0Cr21Ni10焊絲的成分如表4所示：表4焊絲的化學(xué)成分焊材H0Cr21Ni10的化學(xué)成分（%）焊絲CSiMnPSNiCr≤0.06≤0.601.00—2.50≤0.030≤0.0209.00—11.0019.50—22．00焊后組織1Crl8Ni9Ti焊接時(shí)的結(jié)晶模式有兩種．一一種是先析出相為δ的δγ模式，另一種是先析出相為γ的γδ模式。這兩種模式對(duì)阻止熱能有效阻止熱裂紋。；1Crl8Ni9Ti不銹鋼焊接材料的選擇，焊劑應(yīng)盡量少參與冶金反應(yīng)，選用中性或堿性渣。焊絲選擇應(yīng)保證焊縫成分中Creq/Ni≥1．5才能有救減少偏析防止熱裂紋性能試驗(yàn)結(jié)果表明，1Crl8Ni9Ti鋼埋弧焊焊材選用H0Cr21Nil0和HJ641經(jīng)X—Ray探傷、拉力及硬度試驗(yàn)和腐蝕試驗(yàn)均符合性能要求。焊材的焊接工藝性分析H0Cr21Ni10的有以下特性：焊接飛濺小，焊縫成形美觀，熔敷速度高于實(shí)心焊絲，可進(jìn)行全位置焊接，并可以采用較大的焊接電流。其作用有一下幾點(diǎn)：保護(hù)電弧、穩(wěn)定電弧、對(duì)焊縫成形、向焊縫金屬中補(bǔ)充合金元素、針對(duì)特殊姿勢(shì)。燒結(jié)焊劑的特點(diǎn)是堿度高，有利于提高焊接接頭抗裂性和焊縫金屬的力學(xué)性能。易于獲得低氫高韌的焊縫金屬。焊縫表面的外觀質(zhì)量也很好。使用前對(duì)焊劑進(jìn)行350℃*2h烘干。1Crl8NigTi不銹鋼埋弧焊選用H0Cr21Nil0和HJ641能獲得更好的接頭性能。制定焊接工藝參數(shù)及規(guī)范焊接工藝參數(shù)工藝參數(shù)見表5：表5雙人鎢極氬弧焊打低、埋弧焊蓋面的工藝參數(shù)焊接層數(shù)焊接方法電源極性焊絲直徑/mm焊接電流/A焊接電壓/v焊接速度/m/h氬氣流量/Lmin-1第一層（打底層）主焊槍手工TIG焊直流正接2.5110—12014—16—8—12副焊槍手工TIG焊100—1106—10第二層埋弧焊直流反接4.0360—38026—2836—38—第三層（蓋面層）400—42030—3236—38—（二）預(yù)熱壓力容器焊前預(yù)熱與母材交貨狀態(tài)、化學(xué)成分、力學(xué)性能、厚度及焊件的拘束程度有關(guān)。所以，奧氏體不銹鋼焊前預(yù)熱的溫度一般為100℃——200℃，最高層間溫度不超過150℃（三）后熱及焊后熱處理后熱應(yīng)在焊后立即進(jìn)行，溫度一般為200—350℃，保溫時(shí)間與后熱溫度有關(guān)，一把不低于30分鐘。由于母材的特性，焊后一般不進(jìn)行熱處理。焊接輔助機(jī)械選擇操作機(jī)選用門架式焊接操作機(jī)，這中操作機(jī)主要由橫梁、滑架及其行走機(jī)構(gòu)、立柱、底座及其移動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。按照所焊容器的規(guī)格，橫梁可制成固定式或升降式?；苡呻妱?dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條傳動(dòng)，連同焊頭可在橫梁上以所要求的焊接速度做直線移動(dòng)?；艿恼{(diào)整機(jī)構(gòu)可以是電動(dòng)的也可以是手動(dòng)的。門架式操作機(jī)底座上裝有兩對(duì)走輪，可在地軌上做縱向移動(dòng)。變位器變位器是用于工程中的夾具的一種，主要是為了加工的方便將工件固定在變位器上，使工件隨變位器一起運(yùn)動(dòng)，便于加工的焊接用機(jī)械使工件旋轉(zhuǎn),使焊接保持在平焊位置,為壓力容器環(huán)縫焊接所不可少的設(shè)備。根據(jù)焊件結(jié)構(gòu)和大小，宜使用座式變位器滾輪架焊接滾輪架通常由一副主動(dòng)滾輪架和一副被動(dòng)滾輪架組成。主動(dòng)滾輪架按照轉(zhuǎn)矩要求，可以采用單驅(qū)動(dòng)或雙驅(qū)動(dòng)。一般采用交流電動(dòng)感應(yīng)機(jī)和變頻器調(diào)速。產(chǎn)品檢驗(yàn)檢驗(yàn)方法對(duì)焊接好的產(chǎn)品進(jìn)行水壓試驗(yàn)，其過程如下所述。用水將容器灌滿，并堵好容器上所有的孔，用水泵將容器內(nèi)的水壓提高至容器的工作壓力的1.25~1.5倍，然后進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)。在此壓力持續(xù)一段時(shí)間（一般為5分鐘）