1、沈阳理工大学课程设计专用纸课程设计任务书学 院 材料科学与工程 专 业 材料成型及控制工程学生姓名 班级学号课程设计题目 5000m球罐工艺设计实践教学要求与任务:1 写出该焊接方法的几种设计方案2 确定合适的焊接参数3 选择合适的破口形式4 撰写焊接工艺工作计划与进度安排:1 熟悉设计内容 2 天2 查阅相关资料，提出可行方案 2 天3 上机画各类焊缝图 1 天4 书写说明书 3 天5 整理工艺卡 3 天6 答辩指导教师：201 年 月 日专业负责人：201 年 月 日学院教学副院长：201 年 月 日沈阳理工大学课程设计专用纸成 绩 评 定 表学生姓名 班级学号专 业材料成型及控制工程 课
2、程设计题目5000m球罐工艺设计评语组长签字：成绩日期 20 年 月 日沈阳理工大学课程设计专用纸I目录1 绪论 .1材料的焊接性分析 .11.1 16MnDR 的学成分和力学性能 .11.2 16MnDR 的焊接性分析 .21.3 焊接方法与填充材料的选择 .32 焊接结构制造工艺设计 .42.1 球壳各带的厚度计算 .52.2 焊缝的分类 .52.3 焊接工艺参数 .62.4 球罐的焊接 .102.4.1 施焊环境 .102.4.2 焊工资格 .102.4.3 焊前准备 .102.4.4 焊接工艺 .113 焊接结构质量检验 .133.1 焊缝外观质量检查要求 .133.2 无损检测 .1
3、33.3 焊后修补 .133.4 焊后整体热处理 .143.5 水压试验和气密性试验 .143.5.1 水压试验 .143.5.2 气密性试验 .143.6 去锈、涂装 .163.7 球罐成品验收 .16参考文献 .17沈阳理工大学课程设计专用纸11 绪论材料的焊接性分析1.1 16MnDR 的化学成分和力学性能16MnDR 钢是细晶粒的铁素体型低温钢，细晶粒钢通过正火或调质处理后获得良好的综合性能，属低合金系统，温度等级为- 40 ，热轧热处理状态，其中碳及其它合金元素含量较低. (1)16MnDR 钢的化学成分见表 1-1。钢板以热轧、控轧或正火状态交货 1。表 1.1 16MnDR 钢板
4、的化学成分化学成分（质量分数）P S牌号C Si Mn Ni V Nb Als不大于16MnDR0.20 0.150.50 1.201.60 0.0200.025 0.012根据国际焊接学会（IIW）所采用的碳当量（CE）计算公式：（%） 516VMoCruNinCE将 16MnDR 所含化学成分的相应数值代入上式，计算其碳当量。通过计算得出，16MnDR 的碳当量 CE=0.40%0.47%。当 CE=0.40%0.60%，钢的淬硬倾向逐渐增加，所以 16MnDR 属于有淬硬倾向的钢。但是，当 CE 不超过 0.5%时，淬硬倾向尚不严重，焊接性较好，但随板厚增加需要采取一定的预热措施。650
5、m 3 液体二氧化碳球罐的球壳板厚为38mm，所以在焊接前，为避免出现裂纹，应对其进行预热，预热温度为100150。沈阳理工大学课程设计专用纸216MnDR 钢碳当量不高，淬硬倾向小，室温下焊接一般不易产生冷裂纹。钢在轧制中，硫、磷含量控制较低，所以也不易产生热裂纹(2)16MnDR 钢的力学性能见表 1-21表 1-2 16MnDR 钢板的力学性能和工艺性能拉伸试验 冲击试验屈服强度ReL/(N/mm2)伸长率A/%冲击吸收能量KV2/J牌号 钢板公称厚度/mm 抗拉强度Rm/(N/mm2)不小于温度/不小于180弯曲试验弯心直径(b35mm)616 490620 315 d=2a1636
6、470600 2953660 460590 285-40 3460100 450580 27516MnDR100120 440570 26521-30 34 d=3a1.2 16MnDR 的焊接性分析16MnDR 钢在焊接时，不需要采取特殊的工艺措施，当钢板厚度较大，焊接接头刚性拘束较大或环境温度过低时，可在焊接前进行合理的预热。有关资料表明，除了面心立方点阵的金属材料(奥氏体钢、铝、铜等) 外，一切体心立方点阵或六方点阵的金属材料均有低温转脆的现象，而低温钢必须具备的，最主要的性能就是低能韧性。因此，必须在焊接过程中通过细化晶粒，合金化和提高纯净度等措施来对其焊接接头的组织和性能加以改善。特
7、别是以铁素体为基的16MnDR 钢，铁素体晶粒尺寸越细小，钢的脆性转变温度将越向低温方向移动，一定低温下的韧性值相应提高。通过上述分析，可以清楚地认识到：通过细化晶粒来保证16MnDR 钢焊接接头的低温韧性，这是制定16MnDR 钢焊接工艺的一个根本出发点。沈阳理工大学课程设计专用纸31.3 焊接方法与填充材料的选择低温钢 16MnDR 的主要焊接方法有焊条电弧焊、埋弧焊和气体保护焊。对球罐焊接来说主要采用焊条电弧焊。细晶粒低温钢焊条的选用原则是强度与使用温度。焊条：型号 E5015-G（牌号示例 J507RH） 。焊条电弧焊是手工操纵焊条进行焊接的一种电弧焊方法，俗称手工电弧焊，属于传统的焊
8、接工艺方法。其特点是电弧柱的温度高于 3000，且热量集中，与气焊方法相比，热效率较高。该方法有所需焊接设备简单、易于操作、灵活性好等优点 22。J507RH 是低氢钠型药皮的高韧性超低氢低合金钢焊条,采用直流反接。具有良好的焊接工艺，电弧稳定，脱渣容易，焊缝金属有优良的塑性、韧性和抗裂性能。可进行全位置焊接。适用于 E36、D36、A537 等低合金钢的重要结构焊接。如海洋平台、船舶、压力容器等。利用 J507RH 焊条焊接时的参考电流：焊条直径为 4.0mm 时，焊接电流为130180A；焊条直径为 5.0mm 时，焊接电流为 170240A。沈阳理工大学课程设计专用纸42 焊接结构制造工
9、艺设计焊接结构制造即焊接结构生产，简称焊接生产。球罐的焊接结构制造工艺流程与其他焊接产品的制造流程大致相同，主要包括：生产的准备工作、备料加工工艺、装配焊接工艺以及焊后成品的热处理、质量检验、耐压试验、成品的涂装入库等 6。在球罐的整个制造过程中，其制造难点是：瓣片的成形及其尺寸和形状精度的控制、罐体的装配技术及瓣片位置精度、装配焊接顺序、夹具的合理使用、焊缝质量及其密封性、罐体焊接变形的控制等。5000m球罐的焊接结构制造工艺流程见图 2.1。沈阳理工大学课程设计专用纸5图 2.1 5000m球罐的焊接结构制造工艺流程2.1 球壳各带的厚度计算计算各带压力：P =1.6MPa1P =1.6+
10、0.6610(5.4-2.44)10 =1.6195MPa (2.1)2 3P =1.6195+0.6610(3.54+3.54)10 =1.6662MPa (2.2)3P =1.6662+0.66105.410 =1.70184MPa (2.3)4 3P =1.70184+0.66101.6610 =1.7128MPa 5球壳材料采用 16MnDR， s=275MPa,常温下许用应力为 t=157MPa取焊缝系数：=1.0腐蚀裕量 C =2mm，钢板厚度负偏差 C =2mm，故厚度附加量2 1C=C +C =2mm612液柱高度 H： H=K1R=1.608410600=17100mm (2
11、.4)液体的静压力 P=gH = 6649.81710010-9 =1.113MPa (2.5)(2.6) CpDctid4将（2.1） （2.2） （2.3）D i 及 、C 分别带入（2.6）并圆整后得到名义t厚度=57mm =57mm =59mm =63mm =60mm123452.2 焊缝的分类根据国标 GB1998钢制压力容器对压力容器主要受压部件焊接接头要分为A，B，C，D，E, F 六类。A 类焊缝（对接缝或搭接焊缝，不包括角接焊缝）A 类焊缝的结构形式可以是对接焊缝或搭接焊缝，不包括角接焊缝。具体包括：圆筒、管子或圆锥壳上的纵向焊缝；球壳、成型封头、平封头、或平板、矩形截面容器
12、各侧板等上的任何焊缝，此处所说的任何焊缝指在上述各部件的任何方向、但属 A 类的任何焊缝结构形式； 球形封头与圆筒、圆锥壳等相连接的环向焊缝。B 类焊缝 （对接缝或搭接焊缝，不包括角接焊缝）B 类焊缝的结构形式可以是对接焊缝或搭接焊缝，但不包括角接焊缝。具沈阳理工大学课程设计专用纸6体包括：圆筒、圆锥壳或接管上的环向焊缝；成型封头（半球形封头除外）与圆筒、圆锥壳或管子想连接的环向焊缝。C 类焊缝（对接缝或搭接焊缝或角接焊缝）C 类焊缝的结构形式包括法兰、平封头、端盖、管板与壳体间的搭接接头。D 类焊缝的结构形式是指接管、人孔圈、手孔盖、加强圈、法兰与壳体或封头相连的 T 形和角接接头。E 类接
13、头包括吊耳、支撑、支座、及各种内件与壳体或封头内外表面相接的角接接头。F 类接头系在筒体、封头、接管、法兰和管板上的堆焊接头 1。2.3 焊接工艺参数2.3.1 焊接方法的选择16MnDR 的主要焊接方法有焊条电弧焊、埋弧焊和气体保护焊。对球罐焊接来说主要采用焊条电弧焊。2.3.2 焊条的选择对于大厚度的焊件来说，焊条直径应在 45mm。对于背面难以清根的焊缝单面焊缝的打底焊以及封底焊道的焊接，宜采用直径不超过 4mm 的焊条，以保焊透；而立焊、横焊及仰焊的焊条直径不超过 5mm3。焊条型号 E5015 牌号J507，烘干温度为 350，保持时间 1h22.3.3 钢号分类分组由球形储罐焊接工
14、程技术可知，16MnDR 类别为 Fe-1 类，组别为 2 组 2。2.3.4 焊前预热焊前对球壳板进行预热，预热的目的是：减缓焊接接头加热时温度梯度及冷却速度，适当延长在 800500区间的冷却时间，改善焊缝金属和热影响区的显微组织，从而减少和避免产生淬硬组织，有利于氢的逸出，可防止冷裂纹的产生。热源采用液化石油气，定位焊和临时焊缝采用点状加热器，球壳焊缝采用条状加热器，且应放在焊缝小坡口的一侧。注意应保证加热的均匀性，预热温沈阳理工大学课程设计专用纸7度为 100150，实测层间温度不得低于 100。温度的测量点在距焊缝中心50mm 处，两侧对称测量。在整个焊接过程中应保持此温度。预热宽度
15、为焊缝中心线两侧各 3 倍板厚，为 114120mm。预热长度须在施焊长度两端各延伸150mm 以上。拘束度较高的焊缝节点（如人孔、接管）或环境温度低于 5时，应采用较高的预热温度，且适当扩大预热范围。2.3.5 电源种类及极性的选择 2对于像 J507 这样的碱性焊条一般应采用直流电源且反极性焊接。2.3.6 焊接电流的选择 2焊接电流的选择一般根据焊条的直径来选择，在平焊时焊接电流与焊条直径之间的关系见表 2-1。表 2-1 焊条电弧焊焊条直径与焊接电流的关系焊条直径 mm 2.5 3.2 4.0 5.0焊接电流 A 5080 100130 160200 200250立焊、横焊和仰焊的电流
16、一般比平焊电流小 10%左右。2.3.7 焊接层数与焊接道数焊接层数与坡口深度、焊接直径及焊接速度有关 2，即n=S1/(0.81.2)dn 为焊接层数 S1 为坡口深度 (mm) d 为焊条直径（ mm)2.3.8 坡口加工方法及清除坡口加工采用机械加工，其加工精度高，也可以采用火焰切割或碳弧气刨清根。对强度级别高、厚度较大的钢材，为防止其格式产生裂纹，应按焊接的预热工艺进行预热。碳弧气刨的坡口应仔细清除余碳，在坡口两侧约 10mm 内，应严格除去水、油、锈及脏污等。 1。2.3.9 坡口型式坡口是用来使电弧沿板厚熔入一定的深度，保证焊接接头的焊透，坡口形式应根据母材的结构形状，板材厚度及对焊接质量要求来设计，条件不同其接头及坡口形式也不同。在选择坡口形式时主要考虑一下因素：
