【文章內容簡介】 料為 SB622 N10276,這是一種鎳基合金，管板的材料為 10MoWVNb。在換熱器的焊接過程中涉及到了同種材料的對接焊，包括筒體的縱焊縫和環(huán)焊縫；也涉及到了異種材料之間的焊接，包括筒體和接管的焊接以及管板的焊 接。 16MnR 的焊接性分析 16MnR 的化學成分見下表 。 表 16MnR的化學成分 [5] 牌號 化學成分（質量分數 %） C Si Mn P≤ S≤ Cr Mo V 16MnR 16MnR 的機械性能參數 見表 。 圖 產品設計圖 10 表 16MnR的機械性能參數 牌號 抗拉強度 MPa 屈服點 MPa 伸長率（ %） 沖擊功 J 16MnR 490670 320 21 31 16MnR 的碳當量 CE(%)=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 =+ =% 當 CE(%)＜ %時，鋼材淬硬傾向不大，焊接性良好，不需預熱； CE(%)=%～%，特別當大于 %時，鋼材易于淬硬，焊接前需預熱，由此可知 16MnR 的 焊接性較好， 焊前不需要預熱。 我將通過以下幾個方面來分析其的焊接性 [6]。 16MnR 是 普通低合金鋼 ,是鍋爐 等壓力容器的常用材料。它的強度較高、塑性韌性良好。常見交貨狀態(tài)為熱軋或正火 ，屬 低合金 結構 鋼 。 （ 1） 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。 可知 16MnR 的抗熱裂性能較好，這是因為 錳在鋼 中 可與硫形成硫化錳，減少了硫的有害影 響，增強了鋼的抗熱裂性能。 （ 2）冷裂紋 鋼材冷裂紋主要取決于鋼材的淬硬傾向，而 鋼材 的淬硬傾向又主要取決于它的化學成分。 16MnR 由于含有少量合金元素，其碳當量比低碳鋼碳當量略高些，所以這種鋼淬硬傾向比低碳鋼要大些，應根據接頭形式和鋼材厚度來調整線能量、預熱和后熱溫度，以控制熱影響區(qū)的冷卻速度，同時降低焊縫金屬的含氫量等措施，防止冷裂紋的產 （ 3）再熱裂紋 從鋼材的化學成分考慮，由于 16MnR 中不含強碳化物形成元素，因此對再熱裂紋不敏感， 而且還可以通過 進行 焊后立即 熱處理 等措施來防止再熱裂紋的產生。 （ 4） 過熱區(qū)脆化 16MnR 鋼焊接時近縫區(qū)中被加熱到 100℃ 以上粗晶區(qū)，易產生晶粒長大現象，是焊接接頭中塑性最差的部位，往往會承受不住應力的作用而破壞。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)定性范圍內的冷卻速度，縮短在這一溫度區(qū)間停留時間，減少或防止奧氏體組織的出現，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。 （ 5） 熱應變脆化 熱應變脆化是由于焊接過程中熱應力產生塑性變形使位錯增殖，同時誘 發(fā)氮碳原子快速擴散聚集在位錯區(qū)，出現熱應變脆化。 16MnR 具有一定得 11 熱應變脆化傾向，焊接時消除熱應變脆化的有效措施是焊后退火處理。 20g 的焊接性分析 20g 的化學成分 和 機械性能 見表 。 表 20g的化學成分 牌號 化學成分（質量分數 %） C≤ Si Mn P≤ S≤ Cr Mo V 20g 表 20g的機械性能 牌號 抗拉強度 MPa 屈服點 MPa 伸長率（ %） 20g ≥ 185 380 25 碳鋼的焊接性主要取決于含碳量，隨著含碳量的增加，焊接性逐漸變差。 20g 鋼材中碳、硅、錳含量少，所以，通常情況下不會因焊接而引起嚴重硬化組織和淬硬組織。這種鋼的塑性和韌性優(yōu)良，焊接接頭的塑性和韌性也好。通常情況下，焊接時一般不需要預熱、控制層間溫度和后熱，焊后也不必采用熱處理改善組織，既整個焊接過程中不需要特殊的工藝措施。特殊情況下，進行預熱和焊后熱處理能提高其力學性能要求。 10MoWVNb 的焊接性分析 10MoWVNb 是合金結構鋼 ,其金相組織為鐵素體 + 少量彌散碳化物 ,晶粒度小 ,碳當量為 CE = ～ ,其化學成分和機械性能如表 。 表 10MoWVNb的 化學成分 牌號 化學成分（質量分數 %） C Si Mn P≤ S≤ W Mo V Nb 10MoWVNb .13 .80 .80 40 30 .80 .90 .50 .12 表 10MoWVNb的 機械性能 牌號 抗拉強度 MPa 屈服點 MPa 伸長率 % 20g ≥ 300 480 19 由 于鉬、鎢、釩、鈮元素的存在 ,易引起氮化物的形成及可焊性降低 。在焊縫及 12 熱影響區(qū)易出現淬硬組織 。焊接過程有氫的擴散 ,附有較大的應力 。特別是釩元素的存在 ,使其產生再熱裂紋傾向。所以 ,為了得到焊縫合理的合金組織 ,以保證焊縫在高溫、高壓條件下 ,及氮、氫、氨介質腐蝕條件下的使用性能 ,是確定焊接工藝及熱處理工藝必須考慮的問題。 3 產品結構應力分析 ANSYS 軟件模擬步驟 在 ANSYS 軟件模擬時，我選取了產品中比較典型的零件 橢圓封頭進行 分析。首先使用 UG 造型軟件對橢圓封頭進行實體造型（見圖 ） 。造型之后， 將模型導入模擬軟件進行網格劃分（見圖 ），然后添加相應的約束條件， 即在 法蘭 端 面 施加Y 方向位移 約束 ，約束效果圖見圖 。 最后 在模型內壁施加工作應力載荷 ， 進行 工作應力分析。 模擬 出封頭中 的等效 工作 應力結果見圖 。 圖 實體模型 圖 網格劃分 圖 位移約束 圖 等效應力圖 13 從圖 中可以看出，在封頭的彎曲部位應力發(fā)生了集中，由此可以得出的結論是在選擇 封頭與筒體 的環(huán)焊縫時要注意避開這個位置，以免發(fā)生更大的應力集中而導致產品使用壽命縮短。 產品強度校核 圖 是通過模擬而得出的封頭頂部的應力分布和應力值。由圖可知，工作載荷作用下，在 橢圓封頭的頂 部工作應力最高 ，故選取此處來進行產品的強度校核。 查表得 16MnR 在溫度 292℃時的屈服強度σ s 為 283MPa，抗拉強度為 576MPa。所以根據結果進行強度評定：查表得在該溫度下安全系數取 2，則該溫度下許用應力值為： Sm =【 σs】 /n = 283/2= 局部薄膜應力值為 ： = 薄膜應力和彎曲應力和 的 限制值為： 3Sm = 評定結果如表 所示 。 圖 封頭頂端應力分布圖 14 表 強度校核結果 （ 應力單位 全部為 MPa） 評定線 局部薄膜應力 彎曲應力 薄膜 +彎曲 峰值應力 總應力 路徑 限制值 結果 通過 通過 通過 根據上表的結果可以判定 16MnR 完全能夠作為此種換熱器的制造材料。 4 焊接工藝方案的選擇 焊接方法 的比較 下面將通過對埋弧焊等幾種常用的焊接方法進行比較，從而確定該產品在焊接過程中所采用的焊接方法。 埋弧焊 的特點 （ 1） 生產效率高 這是因為，一方面焊絲導電長度縮短，電流和電流密度提高，因此電弧的溶深和焊絲溶敷效率都大大提高。（一般不開坡口單面一次溶深可達 20mm）另一方面由于焊劑和溶渣的隔熱作用，電弧上基本沒有熱的輻射散失 ,飛濺 也少，雖然用于熔化焊劑的熱量損耗有所增大，但總的熱效率仍然大大增加。 （ 2） 焊縫質量高 熔渣隔絕空氣的保護效果好，焊接參數可以通過自動調節(jié)保持穩(wěn)定，對 焊工 技術水平 要求不高 ,焊縫成分穩(wěn)定，機械性能比較好。 （ 3） 勞動條件好 除了減輕手工焊操作的勞動強度外，它沒有弧光輻射，這是埋弧焊的獨特優(yōu)點。 CO2保護焊的特點 （ 1） 焊接成本低 CO2氣體是釀造廠和化工廠的副產品，來源廣，價格低，其綜合成本大概是手工電弧焊的 1/2。 （ 2） 生產效率高 CO2氣體保護焊使用較大的電流密度（ 200A/mm2左右），比手工電弧焊（ 1020A/mm2 15 左右）高得多，因此熔深比手弧焊高 ，對 10mm以下的鋼板可以不開坡口，對于厚板可以減少坡口加大鈍 邊進行焊接，同時具有焊絲熔化快，不用清理熔渣等特點，效率可比手弧焊提高 。 （ 3） 焊后變形小 CO2氣體保護焊的電弧熱量集中，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。 （ 4） 抗銹能力強 CO2氣體保護 焊 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)省生產中大量的輔助時間。 CO2氣體 保護焊的缺點是 本身具有較強的氧化性，因此在焊接過程中會引起合金元素燒損，產生氣孔和引起較強的飛濺，特別是飛濺問題，雖然從焊 接電源、焊絲材料和焊接工藝上采取了一定的措施，但至今未能完全消除，這是 CO2焊的明顯不足之處。 手工電弧焊的特點 （ 1） 設備簡單，可用成本較低的交流或直流焊接電源。 （ 2） 靈活方便，可用焊接各種位置、各種厚度和形狀的焊件。 （ 3） 焊條品種齊全，可供焊接不同的鋼材選用。 （ 4） 焊接質量主要取決于焊工的熟練程度和焊條的質量。 焊接方法應根據焊接結構、制造要求以及對焊接接頭質量的影響及所具有的焊接設備 等 條件 進行靈活選擇。 通過綜合考慮，采用手工電弧焊和埋弧焊這兩種焊接方法來完成該產品 的主體焊縫 的焊接。 焊接工藝方案的選擇 換熱器中的焊縫分布見圖 。 GB150 將 壓力容器 中的焊縫按照接頭類型與工作載荷性質分為 A、 B、 C、 D四類， 其中對 A類焊縫的質量要求最為嚴格。 下面對各個焊接處進行分析， 以便確定 合理的焊接方法和焊接工藝。 由于焊縫較多，我只選取了幾個典型的焊縫進行分析 [7]。 環(huán)焊縫焊接工藝方案選擇 A1是橢圓封頭與筒節(jié)的環(huán)焊縫，采用對接接頭，選擇 Y形內坡口，內側用手工電弧焊打底并焊滿，外側用埋弧焊焊接。在這里外側不選用手工電弧焊來焊滿主要 16 是因為筒節(jié)的直徑為 1520mm，尺寸有點大 ，從提高生產效率出發(fā)，故選用埋弧焊。 母材： 16MnR(Fe12) 焊材：焊條型號 E5015，焊條牌號 J507（低氫型），焊劑型號 F5A0H10Mn2,焊劑牌號或焊絲牌號 HJ350H10Mn2（ J