CN101209508A - 低温钢焊接机壳的焊接工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及装备制造业中的焊接技术,是MCL型水平剖分离心压缩机焊接机壳的焊接专业技术,具体地说,是-70℃低温钢09MnNiDR材料的离心压缩机焊接机壳的的焊接工艺。采用气体保护焊,所采用的焊丝牌号:HS09MnNiDR;焊丝直径:φ1.2mm;电源极性:直流反接;包括焊前处理、焊接过程以及焊后处理,其中焊接过程工艺参数为:焊接电流150~200A;焊接电压:24~28V;保护气体:按体积百分比,80%Ar和20%CO2的混合气体;焊接速度:250~280mm/min;干伸长:10~15mm;气体流量:20~25L/min。本发明气体保护焊的焊丝不用烘干处理,焊接过程中焊丝自动送给、不用换焊条;由于MAG熔化极气体保护焊的热量集中,具有热影响区窄、变形小、成形美观、质量好、成本低、焊接速度快、焊接效率高等优点。
Description
技术领域:
本发明涉及装备制造业中的焊接技术,是MCL型水平剖分离心压缩机焊接机壳的焊接专业技术,具体地说,是-70℃低温钢09MnNiDR材料的离心压缩机焊接机壳的焊接工艺。
背景技术:
在化肥油改煤工程氨压缩机组、合成氨改造氨冰机组工程中,压缩机的介质为氨气、氨冰,压缩机在低温状态下运行,为满足市场的需要,压缩机的焊接机壳材质采用了09MnNiDR(-70℃)低温材料,无论是此钢材还是焊材,都是首次在压缩机焊接机壳上应用。为保证低温压缩机的焊接机壳焊接成功,有待于对焊接工艺进行开发和应用。
发明内容:
本发明的目的是提供一种09MnNiDR低温(-70℃)钢焊接机壳的焊接工艺,解决焊接变形、焊接效率等问题,通过选择与焊接机壳材质的化学成分相近、强度匹配的MAG气体保护焊的焊接材料,可以保证焊缝强度。
本发明的技术解决方案是:
一种低温钢焊接机壳的焊接工艺,采用气体保护焊,焊接09MnNiDR低温钢焊接机壳;所采用的焊丝牌号:HS09MnNiDR;焊丝直径:φ1.2mm;电源极性:直流反接;包括焊前处理、焊接过程以及焊后处理,其中焊接过程工艺参数为:
焊接电流150~200A;焊接电压:24~28V;保护气体:按体积百分比,80%Ar和20%CO2的混合气体;焊接速度:250~280mm/min;干伸长:10~15mm;气体流量:20~25L/min。
所述的低温钢焊接机壳的焊接工艺,按重量百分比计,焊丝HS09MnNiDR的化学成分如下:C≤0.12;Si 0.40~0.80;Mn≤1.25;Ni 3.0~3.75;S≤0.025;P≤0.025;Cu≤0.35。
所述的低温钢焊接机壳的焊接工艺,气体保护焊适用于焊接机壳的全过程。
所述的低温钢焊接机壳的焊接工艺,气体保护焊的焊前进行如下处理:
1)清理焊件坡口及距坡口两侧30~50mm两侧范围内的污物;
2)室内温度低于-5℃时,将机壳各组、部进行预热80~100℃,保证预热温度均匀;
气体保护焊的焊接过程中,层间温度控制在150~200℃范围内,焊接线能量控制在20~25kJ/cm,每层焊接厚度在2~3mm范围内;
气体保护焊的焊后进行如下处理:
1)焊接收尾时,填满弧坑;
2)焊后立即进炉消除焊接应力,炉温不低于300℃时进炉,达到630℃±10℃保温5~6小时缓冷,300℃出炉。
所述的低温钢焊接机壳的焊接工艺,焊接机壳采取如下焊接顺序:
(1)拼装机壳中分面上机壳的法兰与密封体进行焊接,焊后组成上法兰;拼装机壳中分面下机壳的法兰与密封体进行焊接,焊后下法兰;
(2)拼装机壳中上机壳的上法兰与外壳板、两侧端板进行焊接,焊后组成上壳体;拼装机壳中下机壳的下法兰与外壳板、两侧端板进行焊接,焊后组成下壳体;
(3)拼装机壳中上机壳的上壳体、支撑环、分流板、蜗室挡板、筋板进行焊接,上机壳焊接完成,焊后消应力处理;
(4)拼装机壳中下机壳的下壳体、支撑环、分流板、筋板、导向键板进行焊接,继续拼装进风筒、出风筒进行焊接,下机壳焊接完成,焊后消应力处理。
所述的低温钢焊接机壳的焊接工艺,还包括手工电弧焊,所采用的焊条牌号:W707DR;焊条直径:φ4mm;电源极性:直流反接;包括焊前处理、焊接过程以及焊后处理,其中焊接过程工艺参数为:
焊接电流120~150A;焊接电压20~22V;焊接速度200~240mm/min。
所述的低温钢焊接机壳的焊接工艺,手工电弧焊适用于拼装点焊,焊壳中不规则的短焊缝以及气体保护焊受局限之处。
所述的低温钢焊接机壳的焊接工艺,手工电弧焊的焊前进行如下处理:
1)将焊条进行300~350℃烘干处理,烘干温度达到后进行保温1~2小时,放入100~150℃的焊条保温筒中,随取随用;
2)清理焊件坡口及距坡口两侧30~50mm两侧范围内的污物;
3)室内温度低于-5℃时,将机壳各组、部进行预热80~100℃,保证预热温度均匀;
焊接过程中,层间温度控制在150~200℃范围内,焊接线能量控制在20~25kJ/cm,每层焊接厚度在2~3mm范围内;
手工电弧焊的焊后进行如下处理:
1)焊接收尾时,填满弧坑;
2)焊后立即进炉消除焊接应力,炉温不低于300℃时进炉,达到630℃±10℃保温5~6小时缓冷,300℃出炉。
所述的低温钢焊接机壳的焊接工艺,采用手工电弧焊和气体保护焊结合使用时,先采用手工电弧焊打底焊,再采用气体保护焊填充和封面。
所述的低温钢焊接机壳的焊接工艺,当板厚超过30mm时,开X型焊接坡口,采用双面对称焊接。
本发明的有益效果为:
1、本发明MAG焊是熔化极气体保护焊的一种焊接方法,气体保护焊的焊丝不用烘干处理,焊接过程中焊丝自动送给、不用换焊条;由于MAG熔化极气体保护焊的热量集中,具有热影响区窄、变形小、成形美观、质量好、成本低、焊接速度快、焊接效率高等优点,焊接效率是手工电弧焊的5~6倍;而且,焊后不需清渣、打药皮,熔敷率高;根据车间生产实际情况,焊接09MnNiDR低温(-70℃)机壳,最理想的焊接方法是MAG气体保护焊,采用MAG气体保护焊,不仅可以解决焊接变形、焊接效率等问题,同时可大大缩短机壳的焊接周期,保证了离心压缩机的交货期。
2、本发明09MnNiDR低温-70℃级低温焊接机壳成功,可以满足市场、用户的需求,开发解决低温钢焊接材料是实施MAG焊接方法的关键,将MAG焊应用于焊接机壳的全过程,不仅保证了焊接质量同时缩短了焊接周期,不仅拓宽了风机市场同时给社会带了了巨大的效益。
3、本发明利用国内现有的09MnNiDR低温(-70℃)低温焊条;在埋弧自动焊焊丝的基础上进行研制、开发,解决欲采用MAG气体保护焊无焊丝的关键问题。
4、本发明通过对手工电弧焊SMAW(焊条)、手工电弧焊和气体保护电弧焊结合(SMAW焊条+MAG焊丝)、MAG气体保护(电弧)焊分别进行工艺评定,三种焊接方法的金属组织基本一致,均可保证低温焊接机壳的焊接质量。
附图说明:
图1a-b为本发明上机壳示意图。其中,图1a为主视图;图1b为图1a的A向视图。
图2a-b为本发明下机壳示意图。其中,图2a为主视图;图2b为图1a的B向视图。
图中,1上机壳分流板;2上机壳端板;3上机壳外壳板;4上机壳支撑环;5上机壳蜗室挡板;6上机壳筋板;7上机壳上法兰;8上机壳密封体;9下机壳筋板;10下机壳导向键板;11下机壳端板;12下机壳进风筒;13下机壳分流板;14下机壳支撑环;15下机壳外壳板;16下机壳拉筋板;17下机壳出风筒;18下机壳端板;19下机壳下法兰;20下机壳密封体。
具体实施方式:
以下结合实施的实例对本发明作出进一步的详细说明。
1、焊接机壳的结构设计
压缩机的焊接机壳由上机壳、下机壳组成,其上、下机壳均为焊接结构。MCL807上机壳由上机壳上法兰7、上机壳密封体8、上机壳外壳板3、上机壳端板2、上机壳支撑环4、上机壳分流板1、上机壳蜗室挡板5、上机壳筋板6等部件组成,其中上法兰厚度达140~250mm,机壳中最薄板为40mm,上壳重达13.5吨,如图1a-b所示。
下机壳由下机壳下法兰19、下机壳密封体20、下机壳外壳板15、下机壳端板18、下机壳支撑环14、下机壳分流板13、下机壳进风筒12、下机壳出风筒17、下机壳筋板9、下机壳导向键板10、下机壳拉筋板16等部件组成,其中下法兰厚度达140~220mm,机壳中最薄板为40mm,下壳重达17.4吨,如图2a-b所示。
上机壳、下机壳组合成压缩机焊接机壳,焊接机壳整体重达30多吨。
2、钢材和焊材的化学成分和机械性能
09MnNiDR钢板由舞阳钢铁公司供货,供货状态为正火,组织为铁素体+少量珠光体。其化学成分及机械性能见表1、表2。
表1 09MnNiDR钢板的化学成分
C | Si | Mn | Ni | Nb | Al | P | S | |
GB3531标准 | ≤0.12 | 0.15~0.50 | 1.2~1.6 | 0.3~0.8 | ≤0.04 | ≤0.15 | ≤0.025 | ≤0.020 |
钢板实际 | 0.09 | 0.39 | 1.42 | 0.46 | 0.024 | 0.048 | 0.012 | 0.009 |
表2 09MnNiDR机械性能
钢板厚度(mm) | 抗拉强度(σb/MPa) | 屈强度度(σs/MPa) | 延伸率(δ%) | 冷弯试验(d=2a.180°) | 冲击试验(-70℃ Akv/J) |
6~60 | 430~560 | 260 | 23 | d=2a | ≥27 |
本发明按照设计条件和钢板焊接特点,焊材选择相应的W707DR焊条以及混合气体保护焊HS09MnNiDR焊丝,W707DR焊条和HS09MnNiDR焊丝的化学成分及机械性能见表3、表4。
表3 W707DR焊条的化学成分及机械性能
C | Si | Mn | Ni | S | P | 抗拉强度(MPa) | 屈强强度(MPa) | 延伸率(%) | 冲击功-70℃(J) | |
标准值 | ≤0.10 | ≤0.60 | ≤1.25 | ≤3.0 | ≤0.008 | ≤0.015 | ≥450 | ≥280 | ≥22 | ≥27 |
实测值 | 0.051 | 0.20 | 0.85 | 2.22 | 0.0042 | 0.0086 | 578 | 486 | ≥26 | 78,118,127 |
表4 HS09MnNiDR焊丝的化学成分
C | Si | Mn | Ni | S | P | Cu | |
标准值 | ≤0.12 | 0.40~0.80 | ≤1.25 | 3.0~3.75 | ≤0.025 | ≤0.025 | ≤0.35 |
实测值 | 0.021 | 0.56 | 0.97 | 3.58 | ≤0.0032 | ≤0.0049 | 0.02 |
3、09MnNiDR低温钢的焊接特点
09MnNiDR钢为铁素体+少量珠光体型低温用钢,镍在钢中可强化铁素体基体并细化珠光体,在提高材料强度的同时而不降低其塑性和韧性。也就是说对相同强度的材料,如提高含镍量,则其含碳当量可以适当降低。并且镍还可以降低钢材的低温脆性转变温度。由于含碳量低,其碳当量≤0.44,淬硬倾向小,不易形成冷裂纹,焊缝具有较好的塑性和韧性,一般不需预热。当板厚超过一定的厚度或接头刚性拘束较大或碳当量偏高时,应考虑预热,但预热温度不要过高,否则会使热影响区晶粒长大,所以焊接时应控制焊接线能量和层间温度。焊后要进行消除应力热处理。
4、焊接工艺参数
(1)手工电弧焊(SMAW)焊接工艺参数,手工电弧焊主要用于拼装、点焊、焊后修补。如:焊壳中不规则的短焊缝以及当用MAG焊枪无法正常焊接时,焊不到的犄角旮旯之处。
焊条牌号:W707DR;φ4mm焊条;电源极性:直流反接;焊接电流:120~150(A);焊接电压:20~22(V);焊接速度:200~240mm/min;
(2)气体保护焊(MAG)焊接工艺参数,MAG熔化极气体保护焊应用于焊接机壳的全过程。
焊丝牌号:HS09MnNiDR;焊丝直径:φ1.2mm;电源极性:直流反接;焊接电流:150~200(A);焊接电压:24~28(V);气体保护:80%Ar+20%CO2(体积百分比);焊接速度:250mm/min;干伸长:10~15mm;气体流量:20~25L/min。
5、机壳的焊接顺序
合理的焊接顺序对控制焊后变形,减少焊接应力,使应力合理分布,防止焊件在低温应力下的脆性破坏,保证机壳在低温条件下工作的可靠性都是非常必要的。焊接机壳采取如下焊接顺序:
(1)拼装机壳中分面的上机壳上法兰7(两个)与上机壳密封体8(两个)进行预热、焊接,焊后组成上法兰;经过整型、检查合格后进行消应力处理;拼装机壳中分面的下机壳下法兰19(两个)与下机壳密封体20(两个)进行预热、焊接,焊后组成下法兰;经过整型、检查合格后进行消应力处理。
(2)拼装机壳中上机壳的上法兰与上机壳外壳板3、两侧上机壳端板2进行预热、焊接,焊后组成上壳体;拼装机壳中下机壳的下法兰与下机壳外壳板15、两侧下机壳端板11进行预热、焊接,焊后组成下壳体;经过整型、检查合格后转下序。
(3)拼装机壳中上机壳的上壳体、上机壳支撑环4、上机壳分流板1、上机壳蜗室挡板5、上机壳筋板6进行焊接,上机壳焊接完成,经过整型、检查合格后,立即进炉消除焊接应力。以温升速度为≤50℃/小时,炉温不低于300℃时进炉,达到630℃±10℃保温5~6小时缓冷,冷却速度为≤50℃/小时,300℃出炉。
(4)拼装机壳中下机壳的下壳体、下机壳支撑环14、下机壳分流板13、下机壳筋板16、下机壳导向键板10进行焊接,继续拼装下机壳进风筒12、下机壳出风筒17进行焊接,下机壳焊接完成,经过整型、检查合格后,立即进炉消除焊接应力。以温升速度为≤50℃/小时,炉温不低于300℃时进炉,达到630℃±10℃保温5~6小时缓冷,冷却速度为≤50℃/小时,300℃出炉。
6、焊接工艺要点
(1)由于低温钢焊接材料碳当量≤0.44,在0℃以上温度焊接时一般不需预热;室内温度低于-5℃时,将机壳各部分预热80~100℃,保证预热温度均匀。
(2)焊件在焊接前,要认真清理坡口及距坡口两侧30~50mm两侧范围内的油、锈等污物。
(3)对于手工电弧焊,焊条进行300~350℃烘干处理,烘干温度达到后进行保温1~2小时,随用随烘,焊工领用时放入10~150℃的焊条保温筒中,随取随用。
(4)焊接过程中,必须控制层间温度,层间温度控制在150~200℃范围内之内,注意层间必须清理干净后,方可焊接下一道焊缝。
(5)为防止焊接接头处晶粒粗大,塑韧性下降,焊接线能量控制在25kJ/cm以下,尽量采用多层多道焊,焊道要薄,利用后一道对前一道的回火处理作用以细化晶粒,同时可消除前一道焊缝的部分缺陷,每层焊接厚度在2~3mm范围内。
(6)由于是大厚度钢板对接(厚度在140~250mm范围内),为防止变形,要对称焊。双面焊背面清根时,用角向砂轮机和碳弧气刨清根。
(7)焊接收尾时,注意必须填满弧坑,避免弧坑裂纹。
(8)焊后尽快消除焊接应力。
7、检验
机壳各组部焊接后进行外观检查,在外观质量检验合格的基础上进行射线、超声、渗透检查。
(1)机壳壳体的纵焊缝、环焊缝,进出风筒的纵焊缝、环焊缝,均进行100%射线探伤检查,焊缝质量符合JB4730III级。
(2)中分面法兰与外壳板、端板与外壳板连接的焊缝;中分面法兰与轴端密封体与轴端密封体端板连接的焊缝及各部件之间连接的角焊缝均进行100%的渗透检测,均符合JB4730II级,并用超声波进行局部抽查。
8、焊接工艺评定
(1)手工电弧焊(SMAW)选用W707DR,φ4mm焊条,试件板厚16mm的板单侧V形45°坡口对接;目的主要用于拼装点焊、不规则焊缝。
(2)手工电弧焊+气体保护焊MAG(焊条+焊丝),采用手工电弧焊W707DR,φ4mm焊条,试件板厚40mm,双面X形60°坡口,先用φ4mm焊条打底,焊至一半时用HS09MnNiDR,直径φ1.2mm焊丝填充、封面,对称焊;目的是考虑坡口太深(法兰与密封体焊口最深达250mm),MAG气体保护焊时够不到底,焊条打底后再用MAG气体保护焊。
(3)气体保护焊(MAG)采用HS09MnNiDR,φ1.2mm焊丝,试件板厚40mm的双面X形60°坡口对接主要目的是机壳大部分都要靠MAG气体保护焊来完成。
试板焊后经过X光射线探伤,按JB4730-94标准评定,符合II级标准,低温钢焊接材料的力学性能,-70℃低温冲击按GB/228-2002;GB/T229-94;GB/T232-99标准评定,完全符合国家标准。低温钢焊接材料工艺评定机械性能试验结果见表5。
表5 09MnNiDR钢板焊接工艺评定机械性能试验结果
9、焊接应用
利用上述焊接工艺,采MAG气体保护焊,可一次焊接成功。
Claims (10)
1.一种低温钢焊接机壳的焊接工艺,其特征在于:采用气体保护焊,焊接09MnNiDR低温钢焊接机壳;所采用的焊丝牌号:HS09MnNiDR;焊丝直径:φ1.2mm;电源极性:直流反接;包括焊前处理、焊接过程以及焊后处理,其中焊接过程工艺参数为:
焊接电流150~200A;焊接电压:24~28V;保护气体:按体积百分比,80%Ar和20%CO2的混合气体;焊接速度:250~280mm/min;干伸长:10~15mm;气体流量:20~25L/min。
2.按照权利要求1所述的低温钢焊接机壳的焊接工艺,其特征在于按重量百分比计,焊丝HS09MnNiDR的化学成分如下:C≤0.12;Si 0.40~0.80;Mn≤1.25;Ni 3.0~3.75;S≤0.025;P≤0.025;Cu≤0.35。
3.按照权利要求1所述的低温钢焊接机壳的焊接工艺,其特征在于:气体保护焊适用于焊接机壳的全过程。
4.按照权利要求1所述的低温钢焊接机壳的焊接工艺,其特征在于,
气体保护焊的焊前进行如下处理:
1)清理焊件坡口及距坡口两侧30~50mm两侧范围内的污物;
2)室内温度低于-5℃时,将机壳各组、部进行预热80~100℃,保证预热温度均匀;
气体保护焊的焊接过程中,层间温度控制在150~200℃范围内,焊接线能量控制在20~25kJ/cm,每层焊接厚度在2~3mm范围内;
气体保护焊的焊后进行如下处理:
1)焊接收尾时,填满弧坑;
2)焊后立即进炉消除焊接应力,炉温不低于300℃时进炉,达到630℃±10℃保温5~6小时缓冷,300℃出炉。
5.按照权利要求1所述的低温钢焊接机壳的焊接工艺,其特征在于焊接机壳采取如下焊接顺序:
(1)拼装机壳中分面上机壳的法兰与密封体进行焊接,焊后组成上法兰;拼装机壳中分面下机壳的法兰与密封体进行焊接,焊后下法兰;
(2)拼装机壳中上机壳的上法兰与外壳板、两侧端板进行焊接,焊后组成上壳体;拼装机壳中下机壳的下法兰与外壳板、两侧端板进行焊接,焊后组成下壳体;
(3)拼装机壳中上机壳的上壳体、支撑环、分流板、蜗室挡板、筋板进行焊接,上机壳焊接完成,焊后消应力处理;
(4)拼装机壳中下机壳的下壳体、支撑环、分流板、筋板、导向键板进行焊接,继续拼装进风筒、出风筒进行焊接,下机壳焊接完成,焊后消应力处理。
6.按照权利要求1所述的低温钢焊接机壳的焊接工艺,其特征在于:还包括手工电弧焊,所采用的焊条牌号:W707DR;焊条直径:φ4mm;电源极性:直流反接;包括焊前处理、焊接过程以及焊后处理,其中焊接过程工艺参数为:焊接电流120~150A;焊接电压20~22V;焊接速度200~240mm/min。
7.按照权利要求6所述的低温钢焊接机壳的焊接工艺,其特征在于:手工电弧焊适用于拼装点焊,焊壳中不规则的短焊缝以及气体保护焊受局限之处。
8.按照权利要求6所述的低温钢焊接机壳的焊接工艺,其特征在于,
手工电弧焊的焊前进行如下处理:
1)将焊条进行300~350℃烘干处理,烘干温度达到后进行保温1~2小时,放入100~150℃的焊条保温筒中,随取随用;
2)清理焊件坡口及距坡口两侧30~50mm两侧范围内的污物;
3)室内温度低于-5℃时,将机壳各组、部进行预热80~100℃,保证预热温度均匀;
焊接过程中,层间温度控制在150~200℃范围内,焊接线能量控制在20~25kJ/cm,每层焊接厚度在2~3mm范围内;
手工电弧焊的焊后进行如下处理:
1)焊接收尾时,填满弧坑;
2)焊后立即进炉消除焊接应力,炉温不低于300℃时进炉,达到630℃±10℃保温5~6小时缓冷,300℃出炉。
9.按照权利要求6所述的低温钢焊接机壳的焊接工艺,其特征在于:采用手工电弧焊和气体保护焊结合使用时,先采用手工电弧焊打底焊,再采用气体保护焊填充和封面。
10.按照权利要求1或6所述的低温钢焊接机壳的焊接工艺,其特征在于:当板厚超过30mm时,开X型焊接坡口,采用双面对称焊接。
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