毕业设计（论文）-压力容器焊接接头探伤检验的工艺分析.doc

河南机电高等专科学校毕业论文毕业设计说明书毕业设计题目：压力容器焊接接头探伤检验的工艺分析系 部：专 业：班 级：学生姓名：学 号：指导老师：2011年5月1日摘 要 通过对16MnR焊接性的实验分析，发现其在焊接过程中极易产生结晶裂纹，严重影响了焊接质量。通常，我们通过对焊缝金属化学成分的控制和减小焊接应力的作用两大方面来防止结晶裂纹的产生。我们通过开不对称X形坡口等工艺措施来尽量防止结晶裂纹的产生。 焊后，我们须要对焊缝进行探伤检验分析，综合各个探伤方法的特点以及被检焊缝的特点，我们决定采用超声波来检验焊缝质量，为了保证良好的声学接触、提高检测的准确性，在检验之前，我们须要对焊缝表面进行一些处理，处理合格后方可进行探伤。 通过选择合适的K值、频率、耦合剂检测出焊缝的缺陷位置和缺陷大小，按照缺陷的等级分类来对焊缝质量进行评定。通过实验检测，本工艺是合格的。Abstract Based on the experimental analysis of 16MnR weldability, we finds the welding process of susceptible can easily produce solidification cracking, seriously affected the quality of welding. Usually, by controlling the chemical composition of weld metal or reducing the welding stress cracks to prevent crystallization. By asymmetric X-shaped groove opening such technological measures to try to prevent crystallization cracksAfter welding, weld testing we need to test for analyzing, synthesizing the characteristics of various testing methods and characteristics of welds was seized, we decided to use ultrasound to examine the weld quality, in order to ensure good acoustic contact, to improve detection accuracy, In the test, we need to do some processing on the weld surface, treatment can be carried out after passing inspection.K value by selecting the appropriate frequency, the coupling agent to detect weld defects in the defect location and size of defect classification according to the quality of the welds were assessed. Through experimental testing, the process is qualified.目录1绪论42 16MnR焊接性分析52.1化学成分52.2力学性能52.3特性52.4焊接过程中容易出现的问题及解决办法53制定焊接工艺评定指导书114 焊接探伤检验工艺分析174.1超声波探伤特点 174.2 超声波探伤操作 184.3 缺陷等级评定 225 评定报告236 结论26致谢27参考文献281 绪论焊接是通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件达到结合的一种方法。在金属加工工艺领域中，焊接属于连接方法之一。焊接工艺虽然发展历史不长，但近年来发展十分迅速。现代焊接技术的发展始于19世纪80年代末。科学技术的进步，为焊接的发展提供了理论基础。随着新焊接能源的开发与应用，新的焊接方法不断涌现，推动了焊接技术的发展。迄今为止，焊接已发展为一门独立的科学，在能源、交通、建筑，特别是在机械制造部门中，已成为不可缺少的工艺方法，并将发挥越来越大的作用。目前，在工业发达国家，焊接结构的用钢量已占工业用钢量的50左右，焊接结构产量及用钢量的比例一个国家工业发展水平的重要标志。我国在2004年焊接结构的用钢量已经突破一亿吨，成为世界上最大的焊接制造国。目前，在我国许多行业的制造工厂，如造船厂、车辆厂、矿山机械厂、石化机械厂、起重机厂等都建有专门的焊接生产车间，负责本企业有关焊接结构的制造工作。自改革开放以来，我国利用焊接技术完成了许多具有标志性的重大产品，在国民经济建设中发挥着不可代替的作用。焊接结构之所以得到如此广泛的应用，是因为用焊接方法制造的金属结构与其他方法相比具有一定的优点。首先是节省材料，于铆接相比，焊接结构可以节省材料1030，这是由于焊接结构不必打铆钉孔，材料截面得到充分的利用。第二是生产周期短，与铸造相比，焊接结构焊接结构生产不需要制模和造型，也不需要熔炼和浇注，工序简单，生产周期短，这一点对于单件小批生产尤为明显。第三，通过焊接，可以很方便地实现多种不同形状和不同厚度的钢板的连接，甚至可以将不同种类的金属材料连接起来。第四，焊接结构的刚性打、质量轻，焊接是一种金属原子之间的永久连接方式，焊接结构中各部分是直接连接，与其他的连接方式相比，不需要附加的连接件。第五，焊接结构生产一般不需要大型和贵重的机器设备，投建焊接制造车间所需设备和厂房的投资少、见效快。第六，有些结构，利用焊接结构比轧制更方便和经济。第七，焊接准备工作简单。第八，焊接接头的强度高，于铆接或螺栓结构的接头相比，焊接接头的强度高。第九，焊接结构设计的灵活性大，适合各种形状的焊接。既然有优点当然也有缺点。第一，很多材料由于焊接工艺性差，不适宜制造焊接结构，这就限制了焊接取材。第二，焊接结构具有较大的性能不均匀性，这种性能不均匀性直接影响焊接结构的使用性能和寿命。第三，焊接结构具有较大的焊接变形的应力集中，直接影响到焊接结构的力学性能。第四，焊接结构的整体刚度大，由于焊接结构具有整体性，所以刚度大。对于焊接结构优点，应充分利用和发挥；而对于焊接结构容易出现的问题，必须十分重视和认真对待。目前的焊接技术发展水平，对这些问题是足以克服和解决的。2 16MnR焊接性分析16MnR是普通低合金钢，16MnR系列压力容器板具有良好的综合性能和低温冲击韧性，时效敏感性、缺口敏感性低，焊接性能优能优良（厚度在30mm以下时，焊前一般不预热，焊后可不热处理）。适用于制作中、常温及中、低压容器的受压元件，也可用于制作其他非压力容器元件。2.1化学成分化学成分 C Mn Si S P 国家标准 0.20 1.21.6 0.200.55 0.030 0.035 2.2力学性能板厚（mm）抗拉强度 b (MPa）屈服强度 s (MPa）伸长率（%）冲击韧性值 kv (J/cm2冷弯试验1806-16510-6403452131d=2a16-36490-6203252131d=3a36-60470-6003052131d=3a60-100460-5902852031d=3a100-120450-5802752031d=3a2.3特性 塑性、韧性、焊接性和冷冲性能都好强度较低，经冷拉或热处理增加热度后，能改善切削加工性能。2.4焊接过程中容易出现的问题及解决办法 作为压力容器生产中应用最为广泛的16MnR钢板，在埋弧焊焊接中经常会产生焊接裂纹。焊接裂纹是焊接结构中最危险的一种缺陷，在焊接过程中药尽量避免焊接裂纹的产生。2.4.1 16MnR钢板埋弧焊焊接裂纹的性质及特点图 1中的裂纹是16MnR 6=20mm钢板筒节纵缝对接正面第一遍焊接完毕后，清除掉焊剂药皮发现的，焊接材料为焊丝 H10MnS i 焊剂HJ431。图中的裂纹具有一定的代表性，该裂纹产生在焊缝金属中，并沿焊缝纵向开裂，即裂纹与焊缝的波纹线相垂直，露在焊缝表面的有明显的锯齿形状，这些特征都是结晶裂纹的表现，可以确定该裂纹是结晶裂纹，即典型的热裂纹。除结晶裂纹之外，其它类型的裂纹在16MnR钢板自动埋弧焊时极为少见。在生产中我们发现 1 6 Mn R钢板自动埋弧焊结晶裂纹的产生有以下几个特点 ：( 1 ) 多出现在第一遍焊接时。( 2 ) 厚度小于2 0mm的钢板的筒节纵缝在熄弧板处易产生结晶裂纹；而厚度大于2 0 mm 的1 6 Mn R钢板在纵缝 和环缝 中都 有可能无规律地出现裂纹 。( 3 ) 在钢板和焊剂的化学成分中碳及其它易产生热裂纹的有害合金成分偏上限或超过规定含量上限时易产生裂纹 。2.4.2 结晶裂纹产生的原因 在焊缝结晶的后期，低熔点共晶体被排挤到柱状晶体的交遇中心部位，形成一种所谓“ 液态薄膜”，此时由于焊缝收缩而受到了拉应力，焊缝中的液态薄膜就成了薄弱地带，在拉应力的作用下，就有可能在这个薄弱地带开裂而形成裂纹。因为此裂纹是在焊缝结晶时产生 的，因此叫做结晶裂纹。由此可见结晶裂纹的产生是低熔点共晶体和焊接拉应力共同作用的结果，二者缺一不可。低熔点共晶体是产生结晶裂纹的内因，焊接拉应力是产生结晶裂纹的外因。 2.4.3 防止 1 6 Mn R钢板自动埋弧焊结晶裂纹的措施既然结晶裂纹是低熔点共晶体和焊接拉应 力共同作用的结果，那么在实际生产中就要从解决这两方面的影响人手。一是从冶金因素方面降低低熔点共晶体的存在以及其危害性，二是从力学因素方面减小焊接拉应力，从而从根本上解决焊接结晶裂纹的问题 。 （1）焊缝金属化学成分的控制 低熔点共晶体的出现是与焊缝的化学成分密切相关的，焊缝中有几种元素会直接导致低熔 点共晶体的产生。其中 S和P是很有害的元素，能够在焊接熔池中形成多种低熔点共晶体。碳含量的升高，能够使焊缝金属的淬硬性增加，因而促使焊缝中组织应力增加，另一方面 ， 碳元素极易与钢中的其它元素形成低熔点共晶体 。s i 对焊缝金属抗热裂纹的影响与C相 似，s i 与 F e也能形成低熔点共晶体，同时S i也能降低S在F e中的溶解度，增加了产生结晶裂纹的倾向。Mn对抑制结晶裂纹的产生非常有利，锰的作用主要是它与F e S作用后生成Mn S，Mn S本身的熔点比较高，又不会与其它元素形成低熔点共晶体， 所以可降低 S的有害作用。 一般在含锰量低于2 .5 时，锰均起有利作用。在实际生产中 ，每当1 6 Mn R钢板中 C， S i 含量偏上限，Mn的含量偏下限，且焊剂中有害杂质S，P含量较高时，结晶裂纹的出现最为频繁。由于压力容器生产中，1 6 Mn R钢板自动埋弧焊所用的焊丝一般为 J B T 4 7 0 9 - -1 9 9 2 ( ( 钢制压力容器焊接规程 推荐使用的H1 0 Mn S i或H1 0 Mn 2等，其中的有害杂质含量控制的都较低，因此，焊丝成分对结晶裂纹的产生影响较小 。要控制焊缝金属中有害成分的含量，减少低熔点共晶体的出现，必须做好以下两方面的工作： 1.母材金属化学成分的控制。用于压力容器生产的1 6 Mn R钢板，首先对其质量证明书进行审查，对C，S ，P，S i等元素的含量接近上限的钢板，要尽量避免采用自动埋弧焊进 行焊接。 2.焊剂化学成分的控制。焊剂成分对最终的焊缝金属化学成分影响非常大，生产中常有因焊剂S，P超标而造成焊接裂纹的情况发生。因此，在焊剂入厂前，同样要对其质量证明书进行审查，条件允许的话要对其S，P含量进行化验，防止因焊剂S，P含量超标而产生结晶裂纹或增加其倾向。 （2）减小焊接拉应力的作用1.合理的坡口形式。在对接焊缝坡口的选择时，要着重考虑减少焊接应力的作用，采用尽量小的坡口间隙。因为较大的坡口间隙，会使焊缝熔池收缩时产生较大的收缩，增大了焊接拉应力。要控制坡口间隙就要从钢板划线开始就严格控制板料的棱角度，在板材的下料、 坡口加工、卷制成形、组对等各环节都要严格把关，避免出现局部间隙太大的问题。 2.在保证焊接时不至于烧穿的情况下，应尽量减少背面点固焊的点数及长度，以减少坡 口的局部横向刚度，从而达到减少焊接拉应力的目的。 3.改善熄弧板的形式。由于通常的熄弧板与筒节纵缝的端部点固的非常牢固，增加了局 部刚度，因而加大了焊缝凝固时所受的拉压力，使横向应力在此处达到了整条焊缝的最大值。见图2因此焊缝在此处最容易开裂。要解决这个问题，可采用一种减应弧板e。图2熄弧板处焊缝横向动态应力分布图力熄弧板，见图3 。该熄弧板在两侧割开2个减应力缺口，并且在点固时只点固熄弧板的两侧，这种结构，可利用缺口来补偿焊接时的横向焊接变形量， 减小坡口端部的刚度，定位焊熄弧板力缺口，从而减小端部的横向拉应力。4.焊件的预热。预热也是防止结晶裂纹的有效措施，它的作用主要是使焊接接头处的金属加热比较均匀，焊接时沿焊缝纵向的温度变化程度减缓，有利于减小内应力，尤其是当环境温度较低 (2 0 mm) 的情况下，更要进行预热，预热的温度考虑到人员的施工条件可控制在 3 04 0 。 5.合理的焊接工艺。焊接参数直接影响到焊缝的成形，而焊缝的成形形状又将直接决定着焊缝凝固后的晶粒分布和低熔点共晶体的存在位置及受力情况，因而对结晶裂纹产生与否影 响较大。根据焊缝的结晶特点，杂质最容易集中在焊缝的中间，如果焊缝成形窄而深，见图4（a），杂质正好集中在树枝晶体对接的部位，焊缝抵抗拉应力的能力特别弱，稍有应力作用，就有可产生裂纹，见图（b）焊缝成形的宽度和深度比例适当，则焊缝的散热方向改变，树枝状晶体有向上生长的倾向，低熔点共晶体大部分被挤向表面，拉应力对它的作用显著减弱，焊缝的抗热裂纹能力就大大提高。要控制并改善焊缝的成形形状，我们就要从自动埋弧焊焊接参数的匹配现场操作上人手，生产中可采用以下3种方法，其中第1、2种方法首先要有焊接工艺评定的支持。能量不变的情况下，适当提高电弧电压值，减小焊接电流值，提高焊接速度，以增加焊缝的成形宽度，减少焊缝的熔深，改善焊缝的成形。增大焊丝的直径。在焊接电流不变时，焊丝直径增大，电流的密度减小，电弧的吹力减小，电弧的摆动作用随之加强，焊缝的熔宽增加，而熔深则稍有下降，对焊缝的成形有利。焊接环缝时，改变焊丝与焊件之间的相对位置。通常情况下，在焊接内、外环焊缝时，都要求焊丝与圆筒的垂直中心有一个偏移量。2.4.4 坡口加工及焊接方法16MnR中厚板双面埋弧焊时，后焊侧根部焊缝最易产生热裂纹，一般情况下人们多从材料和应力（即冶金因素）方面着手控制，而常常忽略了焊接工艺本身（即力的因素）而从工艺上防止根部焊缝热裂纹的关键是如何从工艺上保证根部焊缝的形状系数有较高值坡口形状和焊接顺序16MnR中厚板埋弧焊通常采用Y形和X形两种坡口形式，从理论上分析可知，X形坡口较Y形坡口具有角变形小和根部应力集中系数小的优点，因而广泛使用。经过几年来的实践又倾向使用非对称X坡口，即破口角度和深度均不对称的X形坡口（见图5）。HH1 b=02.6mm图5 不对称的X形坡口 内侧坡口小并且作为首焊侧，其优点是既可以使用较大的电流保证焊透，又可以避免焊穿，同时角变形也小，而外侧坡口大，作为后焊侧，因其根部焊缝形状系数值较高，即使在较大刚度条件下成形，也可避免热裂纹的产生。 同时因内侧坡口角度小，其坡口高度就应较外侧增大，这样能使填充金属量减小，热输入减少，改善接头性能，通常随板厚的增加取H-H1=24mm 规范参数 外侧根部焊缝通常是在清跟后进行焊接的，按照埋弧焊每100A电流熔深1mm计算，根部焊缝只需要较小的电流即可保证焊透，但此时应注意要适当降低焊接速度，通过实践我们认为这样一方面有利于改善焊缝形状，另一方面焊速的降低较电流的增加（都能够提高热输入）更能有效的降低冷却速度，减小应力，根部焊缝的规范通常取：焊丝直径5mm，电流700750A，焊速2024m/h。3 制定焊接工艺评定指导书单位名称:河南机电高等专科学校焊接工艺评定报告编号:GP0603焊接工艺指导书编号: 焊接方法自动焊机械化程度(手工、半自动、自动)接头简图:(坡口形式、尺寸、衬垫,每种焊接方法或焊接工艺、焊缝金属厚度)母材原始数据材料标准GB6654-1996材质16MnR规格生产厂厚度20直径/厂内标记材料标准材质规格生长厂厚度直径厂内标记母材化学成份%CSiMnSP备注0.160.281.360.0220.011母材机械性能抗拉强度b屈服强度b延升率冲击值ak备注57040027505446其他15焊接材料原始数据焊材标准GB/T47091992焊材牌号H10Mn2焊材规格5.0焊材标准焊材牌号焊材规格生产厂厂内标记其他生产厂厂内标记其他焊接材料化学成份%CSiMnSPCrNiCu备注0.0770.0251.700.0240.0180.0160.0180.122H0602/0.0170.021焊接材料机械性能抗拉强度b屈服强度s延伸率冲击值ak备注54045828.640H0602123118120580/29H0611焊材及焊接工艺参数焊接顺序焊材牌号焊丝焊条规格()焊接位置及方向电流极性电流(A)电压(V)预热()层间()焊速(cm/min)1H10Mn25.0平向右直反740402024反1H10Mn25.0平向右直反740402024焊后处理 / 温度 / 保温时间 / h摆动参数 / 其他措施 / 焊缝外观结果: 正反两面成型尚可,无肉眼可见表面缺陷,余高为1.72.3检查结果合格 河南机电高等专科学校毕业设计说明书拉伸试验试验报告编号试样编号试样宽度()试样厚度()横截面积(2)断裂载荷KN抗拉强度MPa断裂部位和特征弯曲试验试验报告编号试样编号试样类型试样厚度()弯心直径()弯曲角度()试验结果冲击试验试验报告编号试样编号试样尺寸缺口类型缺口位置试验温度冲击吸引力J备注金相检验（角焊缝）根部（焊透、未焊透） 焊缝（熔合、未熔合） 焊缝热影响区（有裂纹、无裂纹） 检验截面焊角差（）无损检测：RT： UT： MT PT： 其他： 附加说明：结论：本评定按JB47082000规定焊接试件，检验试样，测定性能，确认试样记录正确。评定结果： 焊工姓名焊工代号施焊日期编制日期审核日期批准日期第三方检验4 焊接探伤检验工艺分析为了保证产品符合质量要求，防止废品的产生，我们须要对焊后的焊缝进行焊接检验分析。焊接生产质量检验简称焊接检验，它是根据产品的有关标准和技术要求，对焊接生产过程中的原材料、半成品、成品的质量以及工艺过程进行检查和验证，以保证产品符合质量要求，防止废品的产生。根据各个探伤方法的优缺点以及本焊接生产的特点，采用超声波探伤方法进行探伤检验分析。4.1超声波探伤特点4.1.1超声波探伤方法的物理基础 1.超声在弹性介质中能传播； 2.传播中具有指向性、反射性、折射性、散射性及衰减等特性。4.1.2超声波探伤方法的基本原理 根据被检工件中定向辐射的超声波束在材料中的声能（声压）的衰减或缺陷界面上反射等原理，通过测量透过超声波的强度及回波信号的位置，探测材料的组织或缺陷。4.1.3超声波探伤方法的优点 设备简单、便于自动化、检测速度可高、消耗低、可测厚度大（一般可达数米，是所有探伤法中最高者），可单面探测，表面、内部缺陷均可探测。4.1.4超声波探伤方法的缺点 缺陷分折困难，人员培训要求高，定量精度差，重复性差，粗晶材料探测困难，探测面要求较高，对几何形状复杂的工件探测困难，原则上不能定性。4.1.5缺陷定位1.点状缺陷 可测出空间的三个座标2.条状缺陷 可测出两端的两个座标3.面状缺陷 可测出边界上几个点的三个座标4.1.6缺陷定量1.点状缺陷 指小于探头直径的缺陷，一般采用当量法或曲线法。2.条状缺陷 指小于探头直径的长形缺陷，一般采用当量法或d法。4.1.7定位、定量（从仪器性能角度谈） 超声波探伤仪本身只能提供“定位、定量”的功能，而不能提供定性的功能，“定性”只能依靠操作者进行。4.1.8超声波探伤方法的适用对象及能力能检测锻件、铸件、型材、焊缝等材料表面及内部的裂纹、白点、分层、夹渣、未焊透、未熔合、气孔、疏松、缩孔等缺陷的位置及相对尺寸。4.1.9超声波探伤方法的不适用对象1.粗晶材料、如奥氏体钢的铸件和焊缝2.形状复杂或表面粗糙的工件4.2超声波探伤操作4.2.1电渣焊的探伤应在正火后进行4.2.2探伤表面应清楚探头移动区域的飞溅、锈蚀、油垢及其它污物。探头移动区的深坑应补焊，然后打磨平滑，露出金属光泽，以保证良好的声学接触4.2.3焊缝外观及探伤表面经检查合格后，方可进行探伤4.2.4耦合剂：工业甘油、浆糊、机油等4.2.5采用的斜探头K值见表1。在允许的条件下，应尽量采用大K值探头表1 采用斜探头的K值4.2.6 探测频率一般采用2.5MHz，板厚较薄时，可采用5MHz4.2.7探伤面和探头移动区1.厚度846mm的焊缝探伤面为筒体外壁或内壁焊缝的两侧（见图6）.探头移动区为：P12TK+50mm 式中：P1-探头移动区； T-被探伤件厚度。图6 846mm焊缝的探头移动区2.对于厚板焊缝如因条件限制，只能从一面或者一侧探伤时，还应该增大K值。3.如需检验横向缺陷，应将焊缝磨平后探测。4.2.8 探头移动方式1.每次前进尺距d不得超过探头晶片直径，在保持探头与焊缝中心线垂直的同时做大致10度到15度得摆动（见图7）。图7 探头移动方式2.为了发现焊缝或热影响区的横向缺陷，对于磨平的焊缝可将斜探头直接放在焊缝上做平行移动，对于有加强层的焊缝可在焊缝两侧边缘，使探头与焊缝成一定夹角（10度到45度）作平行或斜平行移动（见图8）。但灵敏度要适当提高。图8 探头平行或斜平行移动3.为了确定缺陷的位置、方向或区分缺陷波与伪缺陷波，可采用前后、左右、转角、环绕运动等四种探头移动方式（如图9）。图9 四种探头移动方式4.2.9距离波幅曲线距离波幅曲线以所用探头和仪器在CSK-A或CSK-A试块上实测的数据绘制而成的。该曲线簇有定量线、判废线和测长线组成的。定量线与判废线之间称为区，判废线以上称为区。如图10所示，不同板厚范围的距离波幅曲线的灵敏度见表2。图10 距离波幅曲线示意图表2 距离波幅曲线的灵敏度4.2.10缺陷的定量；将探头置于出现最大缺陷反射波的位置，读出该波幅所在的区1.缺陷的幅度测定：将探头置于出现最大缺陷反射波得位置，读出该波幅所在的区。2.缺陷指示长度的测定（1）当缺陷反射波只有一个高点时，用半波高度法测其指示长度。（2）当缺陷反射波有多个高点时，端部反射波高在定量线上及区时，用端点半波高度法测其指示长度，而当缺陷端部反射波高位于区，操作者认为有必要记录时，可将探头向左右两个方向移动，且均移至波幅降到侧长线指示长度的一点，一次两点间的距离表示指示长度。4.2.11现场探伤时允许用携带型试块对扫描线及灵敏度进行校检。4.3缺陷等级评定缺陷的大小测定以后，要根据缺陷的当量和指示长度结合标准的规定评定焊缝的质量级别。GB/T11345-1989标准将焊缝质量分为、四级，其中级质量最高，级质量最低。具体的等级分类如下：1.最大反射波幅位于区得缺陷，根据缺陷的指示长度按表3的规定予以评级；表3 缺陷的等级分类检验等级与板厚/mmABC85083008300评定等级2/3；最小121/3；最小10，最大201/3；最小10，最大203/4；最小122/3；最小12，最大501/2；最小10，最大30；最小203/4；最小16，最大752/3；最小12，最大50超过级者2.最大反射波幅不超过平定线的缺陷，均评为级；3.最大反射波幅超过评定线的缺陷，检验者判定为裂纹等危害性缺陷时，无论其波幅和尺寸如何，均评为级；4