焊接技术及自动化专业毕业设计(全)

XXXX工程学院毕业设计锅炉筒体（材质20g）制造系别专业班级姓名学号2012 ～ 2013 学年第一学期毕业设计任务书专业：焊接技术及自动化班级：学生：一：设计题目：锅炉筒体制造（材质20g 筒体材料厚度30mm）二：设计内容：分析材料特点、焊缝布置、采用的焊接方法、工艺评定、注意事项三：原始资料（设计所用材料、设备等）：现场参观、咨询查阅制造焊接等书籍四：完成日期：2012 年12月31日指导教师：2012年11月 3 日签发目录一、前言 (4)二、材料特点 (5)三、焊缝布置 (6)四、焊接方法及焊材的选择 (7)五、焊接工艺评定 (11)六、操作技术 (14)七、焊接工艺指导书 (17)八、焊后检验 (20)九、注意事项 (21)十、参考资料 (22)十一、结语 (23)前言锅炉压力容器是工业生产和人民生活中必不可少的设备,它可分为以下几类：低压容器（代号L）0.1 MPa≤P≤1.6MPa中压容器（代号M） 1.6 MPa≤P＜10MPa高压容器（代号H）10 MPa≤P＜100MPa超高压容器（代号U）P≥100MPa作为承压类特种设备，锅炉压力容器比较容易发生事故，而且事故的后果经常比较严重。

当前，国家越来越重视对特种设备的安全管理，并将一些事故后果非常严重的压力容器（如承受高压、盛装有毒或易燃易爆介质等）列为重大危险源。

因此，锅炉压力容器在设计及制造过程中应严格按照《钢制压力容器》（GB150——1998）的规定，从材料的选择，到生产加工，再到最后的产品检验，务必严格遵守相关标准，确保锅炉压力容器的质量符合国家标准，并安全服役。

锅炉压力容器的制造流程为：下料→成型→焊接→无损检测→组对焊接→无损检测→热处理→压力试验。

这里主要介绍了锅炉筒体的焊接生产加工，其中包括了材料性能的分析、焊接方法及焊材的选择焊缝位置的布置、焊接工艺评定、焊接工艺操作规程、焊后检验以及注意事项等内容。

锅炉筒体（材质20g）制造1、材料特点锅筒是锅炉中最重要的受压元件，对锅筒用钢有一些要求，钢材应具有较高的室温及中温强度，设计锅筒时以钢材的屈服极限和强度极限值为依据，由于锅筒直径较大，随着压力的增高，壁厚不断增加，给制造工艺（卷板、压制、焊接等）带来许多困难，也使重量明显增加。

钢板应具有良好的塑性、加工工艺性能和焊接性能，而钢材的力学性能及焊接性是由其化学成分决定的，不同元素对钢材的影响也不同。

碳碳是钢中提高强度性能不可缺少的合金元素之一。

在碳素结构钢中，一部分碳原子溶解于钢的基体中，形成固溶体，一部分与铁形成碳化铁（Fe3C）。

随着钢中碳含量的增加，Fe3C 量也会增加，淬硬性也随之提高，钢的抗拉强度和屈服强度相应增高，而塑韧性则下降。

碳当量每增加0.1%，则抗拉强度约可提高90MPa，屈服点约提高40至50 MPa。

但是在焊接含碳量较高的钢种时，焊接热影响区会出现淬硬现象，硬度显著提高，加剧了冷裂纹倾向。

锰锰是一种固溶强化钢材基体最常见的合金元素之一，可同时提高钢的抗拉强度和屈服点。

而且不降低钢材的塑性。

钢种的锰含量在一定的范围内具有细化组织的作用。

增加锰含量可降低缺口冲击的脆性转变温度，提高其抗脆断能力。

锰在铁中的固溶强化极限值为1.6%，当锰的含量超过此极限值，抗拉强度和屈服点进一步提高，而此时冲击韧度开始下降。

因此，从韧性角度考虑，锅炉用钢的锰含量不应超过1.6%。

在焊接冶金过程中，锰能起脱硫的作用。

在高温下，锰与硫结合形成硫化锰，部分进入熔渣，残留部分均匀布于晶内，不会在晶界析出，并阻止低熔点硫化物，提高了焊缝金属的抗热裂纹能力。

因此在锅炉用钢中保持适量的锰含量是十分必要的。

硅也是一种固溶强化的合金元素，而且其强化作用比锰还要高，因此，过高的含量同样会造成冲击韧度的下降，一般优质钢的硅含量应该控制在0.15%～0.35%之间较为适宜。

钼其固溶强化作用强于Mn、Cr等元素，钼不仅能提高钢的常温强度还能提高高温持久强度和高温蠕变强度，是低合金耐热钢不可缺少的合金元素，钼也是增强抗氢能力而成为抗氢钢中不可缺少的合金元素。

在Cr、Ni不锈钢中加入2%~3%的Mo可进一步提高其耐蚀性并同时降低焊缝金属热裂纹的敏感性，在低合金钢中加入少量的钼（0.3%左右），可提高焊缝金属的冲击韧度。

从焊接性能角度看，钼提高了低合金钢的淬硬性和焊接冷裂敏感性，当其含量大于0.4%时就应预热，以防止冷裂纹的形成。

铬强化作用与钼相似，是低合金耐热钢中最重要的合金元素之一，其能提高钢的高温强度和增强钢的抗氢能力，当钢中同时加入合金元素铬和钼时，钢的热强性和抗氢能力成倍提高。

铬是不锈钢中最重要的合金元素，其含量超过12%时，在一般的腐蚀介质中具有耐蚀性，含量超过17%的铬钢和铬镍钢具有相当高的耐蚀性。

从焊接性能角度看，当含量超过5%时，则可提高钢的淬硬性和冷裂倾向，超过5%时冷裂倾向加剧，Cr含量超过8%的铬钢其原始组织为全马氏体，必须采取特殊工艺才能提高焊接质量。

钒钒是一种强烈的碳化物形成元素，也是固溶强化合金元素，主要以细化晶粒和碳化物的形式起强化作用。

过量的钒可恶化钢材的塑性和韧性，当钢中同时存在Cr、Mo、V三种元素时，焊接在回火过程中会形成复杂的碳化物而降低了焊接接头的韧性和塑性。

除一些特殊耐热钢外，低合金钢焊缝金属中的V最好限制在0.1%以下，对于大于0.2%的低合金钢焊件焊后热处理时，必须严格控制热处理的温度，以保证焊接接头具有足够的韧性，以防止消除应力裂纹的形成。

硫硫会降低钢材的高温韧性，加剧钢材熔焊时产生的热裂纹敏感性且其具有易于偏析的特点，厚钢板中还有促使产生层状撕裂。

磷易于形成低熔点共晶体，分布于晶界而加剧热裂倾向，这些低熔点共晶体还会消弱晶间结合力提高钢的冷脆性，会使钢在常温和低温下的冲击韧度明显下降。

20g是钢板中常用的容器板，具有特殊的成分与性能，其碳当量低，焊接性能、加工工艺性能以及塑韧性良好，而且价格合理，常用于中低压压力容器的制造。

下表为20g 的成分及力学性能表。

表2 20g的力学性能2、焊缝布置焊缝布置一方面要考虑结构强度和工作条件等性能的要求，另一方面还要考虑到焊接工艺过程的特点，以利于用简便可靠的工艺来进行成产，并获得优质的产品。

在设计锅筒焊缝位置时，应注意以下几点：1、应将纵焊缝错开，即不安排在同一轴线上，避免焊缝有十字交叉的情况，这样可以减小焊接变形和焊接残余应力。

2、焊缝应布置在与结构截面中性轴重合或对称的位置。

3、焊缝应布置在对工作最有效的地方，用最少的焊接量得到最佳的效果吗。

且便于焊接及检验。

自动焊时，焊缝位置应使焊接设备是调整次数及焊件的翻转次数最少。

4、尽量减少结构和接头处的应力集中。

在焊缝的连接板端部应有较缓和的过渡。

焊缝不应过分密集，对于加强筋等端部的锐角应切除。

5、工作焊缝受弯曲作用的焊缝未焊侧不应位于受拉应力处，避免将焊缝布置在工作应力最大处。

具体布置如下图1。

图1 焊缝分布图3、焊接方法及焊材的选择3.1焊接方法的选择本次设计锅筒的壁厚30mm，属中厚板。

生产中比较常用的几种焊接方法有，手工电弧焊（SMAW），埋弧焊（SAW），二氧化碳气体保护焊（GMAW），氩弧焊（GTAW），其中不同焊接方法的适用性不同。

3.1.1手工电弧焊：设备简单价格便宜；操作灵活方便；能进行全位置焊接，适合不同材料的焊接；但是其缺点是效率太低，劳动强度大，多焊工的技术要求较高。

因此在压力容器制造中，焊条电弧焊仍占有一定的应用比率，特别是容器接管的焊缝、内件、附件焊缝以及难焊位置的焊缝大都采用焊条电弧焊。

3.1.2埋弧焊：埋弧焊是当今生产效率较高的机械化焊接方法之一。

其主要优点有：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溶深可达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,飞溅也少，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,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，减轻了对焊接操作者的伤害，这是埋弧焊的独特优点。

4、埋弧焊常用于中厚板的焊接。

以上诸多特点决定了埋弧焊的应用范围，目前主要用于焊接各种钢板结构。

可焊接的钢种包括碳素结构钢，不锈钢，耐热钢及其复合钢材等。

埋弧焊在造船，锅炉，化工容器，桥梁，起重机械及冶金机械制造业中应用最为广泛，压力容器壳体纵、环焊缝几乎都采用埋弧焊方法焊接。

3.1.3二氧化碳气体保护焊：CO2气体保护焊是利用CO2保护气体的熔化极气体保护焊方法，简称为CO2焊。

CO2焊是目前焊接钢铁材料的重要方法之一，在许多金属结构的生产中已逐渐取代了焊条电弧焊。

优点：1、焊接成本低。

2、生产效率高。

其生产率是焊条电弧焊的1至4倍。

3、操作简便。

明弧，对工件厚度不限，可进行全位置焊接而且可以向下焊接。

4、焊缝抗裂性能高。

焊缝低氢且含氮量也较少。

5、焊后变形较小。

6、焊接飞溅小。

当采用超低碳合金焊丝或药芯焊丝，或在CO2中加入Ar，都可以降低焊接飞溅。

缺点：机械化程度低，焊缝成形受焊工操作的限制，在焊接厚板长焊缝时效率和焊缝成形都不如埋弧焊好。

3.1.4氩弧焊：氩弧焊可焊金属多，除黑色金属外，可用于焊接不锈钢、铝、铜等有色金属及合金钢。

但氩弧焊成本高；而且氩气电离势高，引弧困难；氩弧焊产生紫外线强度高于手工焊条电弧焊5—30倍；另外，钨极有一定放射性，对焊工也有一定的危害氩弧焊适合焊接薄板，完成的焊缝性能较差。

综合来看，锅炉筒体的纵焊缝和环焊缝选择埋弧焊是比较高效、合理而且经济的，其附件（如底座、法兰、耳板等）使用手工电弧焊。

3.2焊材的选择焊材对压力容器焊缝金属性能的基本要求：压力容器与其他的焊接结构不同，是一种特殊的全焊结构，其焊接接头承受着与容器壳体相同的各种载荷、温度和工作介质的物理、化学作用。

对焊缝金属不仅要求具有与壳体材料基本相等的静载强度，而且还要求具有足够的塑性和韧性，以防止受压部件焊接接头在加工过程中以及在运行过程中，由于在各种应力和沮度的共同作用下，提前失效或产生脆性破裂。

此外，在某些应用场合，还要求焊缝金属具有扰丁作介质腐蚀的性能。

因此，对压力容器焊缝金属的性能要求应遵循等强度、等塑性、等韧性和等耐蚀性的原则.。

3.2.1等强度原则压力容器焊接接头的等强度应理解为其强度性能不低于母材标准规定的下限值。

强度性能包括常温，高温短时强度。

实际上，焊接接头的强度值与母材相应强度值的绝对等同是不可能的，而且也无此必要。

另外，母材和焊缝金属由于金相组织的差异，屈强比也不尽相同。