壓力容器焊接結(jié)構(gòu)及工藝探究

康志東

(荊門技師學(xué)院，湖北 荊門 448000)

壓力容器焊接結(jié)構(gòu)及工藝探究

康志東

(荊門技師學(xué)院，湖北 荊門 448000)

主要從介紹壓力容器的結(jié)構(gòu)、使用性能、材料的選擇、焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行工藝探究，對可能出現(xiàn)的問題做了整理和分析，根據(jù)工件的工作環(huán)境、使用性能可知道工件的力學(xué)性能有高強(qiáng)度、好的塑性、韌性和焊接性，從而根據(jù)壓力容器的結(jié)構(gòu)、性能來確定壓力容器的熱處理工藝，達(dá)到最佳效果。

壓力容器；焊接結(jié)構(gòu)；工藝

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國工業(yè)發(fā)展也取得了一定的成績，與此同時(shí)，國內(nèi)壓力容器的生產(chǎn)工藝受到了越來越多的重視。在壓力容器生產(chǎn)過程中，最為重要的環(huán)節(jié)就是壓力容器的焊接工藝，其對于壓力容器本身的焊接質(zhì)量有著重要的影響。當(dāng)前國內(nèi)焊接工藝的水平不斷提升，在焊接設(shè)備和焊接方法方面都在不斷的改進(jìn)從而提高焊接質(zhì)量。

1 壓力容器焊接結(jié)構(gòu)分析

1.1 裂紋問題

（1）高熱裂紋：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。正常情況下焊縫中不會出現(xiàn)熱裂紋，但當(dāng)材料成分不合格或有嚴(yán)重偏析，使碳、硫含量偏高，Mn/S比偏低，易出現(xiàn)熱裂紋。

（2）遇冷裂紋：鋼材冷裂紋主要取決于鋼材的淬硬傾向，而剛才的淬硬傾向又主要取決于它的化學(xué)成分。熱軋鋼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，而且隨鋼材強(qiáng)度級別的提高，合金元素的增加，它的淬硬傾向逐漸增大，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，防止冷裂紋的產(chǎn)生。

（3）再熱裂紋：從鋼材的化學(xué)成分考慮，由于熱軋鋼中不含強(qiáng)碳化物形成元素，因此對再熱裂紋不敏感，而且還可以通過提高預(yù)熱溫度和焊后立即后熱等措施來防止再熱裂紋的產(chǎn)生。

1.2 脆化問題

（1）過熱區(qū)脆化：熱軋鋼焊接時(shí)近縫區(qū)中被加熱到100℃以上粗晶區(qū)，易產(chǎn)生晶粒長大現(xiàn)象，是焊接接頭中塑性最差的部位，往往會承受不住應(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。

（2）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。16Mn和15MnV這兩類鋼具有一定得熱應(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。

1.3 工藝探究及參數(shù)的確定（筒體的焊接）

本次研究對象選擇厚度為6mm的鋼板焊接低壓容器的筒體。

1.3.1 焊接接頭形式

（1）對接，即兩件表面構(gòu)成大于或等于135°，小于或等于180°夾角的接頭。在各種焊接結(jié)構(gòu)中它是采用最多的一種接頭形式。

（2）交接接頭，即兩焊件端面間構(gòu)成大于30°、小于135°夾角的接頭，這種接頭受力狀況不好，常用于不重要的結(jié)構(gòu)中。

（3）T形接頭，即一件之端面與另一件表面構(gòu)成直角或近似直角的接頭。

（4）搭接接頭，即兩件部分重疊構(gòu)成的接頭。經(jīng)綜合分析考慮，應(yīng)采用對接接頭。因?yàn)檫@種接頭的強(qiáng)度可以達(dá)到與母材相等，受力也比較均勻。

1.3.2焊接方法的選擇

在壓力容器制造中，焊接方法主要根據(jù)被焊材料、接頭厚度、焊縫位置和坡口形式選擇。目前，常用的焊接方法有手工電弧焊、埋弧自動焊、電渣焊、氣體保護(hù)焊及等離子弧焊等。

（1）埋弧焊。焊縫質(zhì)量高，熔渣隔絕空氣的保護(hù)效果好，焊接參數(shù)可以通過自動調(diào)節(jié)保持穩(wěn)定，對焊工技術(shù)水平要求不高,焊縫成分穩(wěn)定，機(jī)械性能比較好。

（2）CO2保護(hù)焊。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。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。抗銹能力強(qiáng)，CO2氣體保護(hù)和埋弧焊相比，具有較高的抗銹能力，所以焊前對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。

1.3.3 焊接材料的選擇

壓力容器的焊接材料的選用必須保證焊縫性能不低于母材，尤其是焊縫的韌性指標(biāo)是選材考慮的重點(diǎn)。根據(jù)各項(xiàng)查的應(yīng)選J427或J426型焊條（交流電源）J506或J507（直流電源）。此處我們用J426型焊條。焊接工藝參數(shù)如下表1和表2所示。

表1 常用焊接工藝參數(shù)

表2 焊接角度工藝參數(shù)

2 焊接操作

（1）起弧：現(xiàn)在試板上調(diào)好電流，直至所需電流為止。一切正常后在壓板上劃擦引弧，待電弧穩(wěn)定燃燒后引至坡口處中心盡量壓低電弧，并穩(wěn)弧1～2秒，當(dāng)管口發(fā)出電弧擊穿后立即進(jìn)行正常運(yùn)條。

（2）運(yùn)條：采用直線運(yùn)條法。

2.1 焊前準(zhǔn)備

（1）坡口加工采用熱切割時(shí)應(yīng)注意防止母材邊緣會形成一定深度的淬硬層，這種低塑性的淬硬層往往成為冷加工的開裂源。

（2）焊前必須消除焊接區(qū)鋼板表面的水分，坡口表面的氧化皮、銹斑、油脂以及其他污物。

（3）焊接材料在使用前應(yīng)按生產(chǎn)廠推薦的規(guī)范進(jìn)行烘干。

（4）裝配定位焊縫必須采用與正式焊縫同一類型的焊條。

2.2 焊后熱處理

為改善壓力容器焊接區(qū)的性能和消除焊接殘余應(yīng)力等有害影響，對焊接區(qū)及其有關(guān)部位在金屬相變溫度點(diǎn)以下充分均勻加熱，然后又均勻冷卻以進(jìn)行消除應(yīng)力退火。焊后熱處理是保證壓力容器焊接接頭性能的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。本實(shí)驗(yàn)采用600～640℃回火，保溫40分鐘來消除應(yīng)力。

2.3 焊縫機(jī)械性能檢驗(yàn)

（1）根據(jù)GB2649--1989焊接接頭試樣標(biāo)準(zhǔn)取樣，把工件一和二制成拉伸式樣一、二（如圖1和2）。

圖1 熱處理

圖2 未熱處理

（2）制取焊縫區(qū)的金相，并用金相顯微鏡對焊接接頭進(jìn)行金相觀察。

3 焊接接頭硬度分析（熱處理工件）

從以上操作可以看出過熱區(qū)是硬度最高區(qū)域。焊縫和母材的硬度相差不大，一般是相近的。熔合線外側(cè)過熱區(qū)組織粗大，奧氏體晶粒最粗，顯微硬度也最高。所以在過熱區(qū)出現(xiàn)了硬度的峰值。熱影響區(qū)的硬度在過熱區(qū)會突然上升，然后再很快降下來，對應(yīng)高硬度的過熱區(qū)韌性恰好是個(gè)最低值。

3.1 焊接接頭機(jī)械性能分析

（1）宏觀斷口觀察。如圖1（熱處理）和圖2（未熱處理）所示，用肉眼觀察可看出經(jīng)過熱處理的式樣為韌性斷口，而未處理過的則為脆性斷口。所以焊后熱處理可提高焊縫的韌性。斷口在焊接接頭處，說明焊接接頭還是整個(gè)工件最薄弱的地方。外加焊接時(shí)突然加熱，冷卻，使工件內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，有可能產(chǎn)生熱裂，微觀裂紋等缺陷，使此處更加薄弱。

（2）力學(xué)性能比較。式樣二最大載荷43 154.2N，抗拉強(qiáng)度431.542MPa，斷裂強(qiáng)度398.312MPa。工件在焊縫區(qū)斷裂，此數(shù)值已達(dá)到所規(guī)定數(shù)值，所以滿足要求。式樣一比二性能更好，力學(xué)性能指數(shù)更高，所以式樣二也滿足要求。

4 結(jié)束語

綜上分析，我們得出以下結(jié)論：

（1）在正確的工藝措施和焊接工藝條件下，對16Mn進(jìn)行手工電弧焊可獲得性能良好的焊接接頭。

Tube Plate Plate Machining Milling Machine Design,Manufacturing and Verification

LIUChang-zheng，ZHANG Tao
(Fuyang AnGu Boiler Pressure VesselManufacturing Co.，Ltd.，Anhui fuyang 236055，China)

The article introduces the shell side of the large diameter double,double tube side and tube side heat exchanger baffle slot difficulties and solve the difficulties in the process of the ideas and methods.Introduce the structure characteristics of tube sheet partition groovemachiningmillingmachine,working principle,operation points and usingeffect.

large sizeheatexchanger tube plate plate groove processing；specialmillingmachine

TG457.5

B

1672-545X（2014）03-0270-03

2014-01-08

康志東（1971—），男，湖北人，一級實(shí)習(xí)指導(dǎo)教師，大專學(xué)歷，研究方向：焊接工藝。