金属材料焊接工艺电子教案32

特殊性能钢9Ni：平均含碳量小于0.10%，Ni的平均含量为9%；3.5Ni：平均含碳量小于0.14%，Ni的平均含量为3.5%；补充低温钢的焊接低温钢是指工作在-10～-196℃温度范围的钢，低于-196℃（直到-273℃）的钢称为超低温钢。主要性能特点是在低温工作条件下具有足够的强度、塑性和韧性，同时具有良好的加工性。主要用于制造石油化工业中的低温设备，如液化石油气和液化天然气等的储存和运输的容器、管道等。一、低温钢的分类、成分与性能1．低温钢的分类（1）按使用温度等级分类分为-10～-40℃、-50～-90℃、-100～-120℃和-196～-273℃等级的低温钢。（2）按合金元素含量和组织分类分为低合金铁素体型低温钢（16MnR、06AlCu）、中合金低碳马氏体型低温钢(9Ni、5Ni）和高合金奥氏体型低温钢（Gr18Ni9Ti，合金含量大于10%)。一、低温钢的分类、成分与性能1．低温钢的分类（3）按有无Ni、Cr元素分类分为无Ni、Cr低温钢和含Ni、Cr低温钢。（4）按热处理方法分类分为非调质低温钢和调质低温钢。常用低温钢的类型及适用温度范围见图3-5。图常用低温钢的类型及适用温度范围2．低温钢的成分、组织和性能低温钢的钢种很多，包括从低碳铝镇静钢、低合金高强度钢、低Ni钢，直到Ni含量为9%的钢。2．低温钢的成分、组织和性能低温钢大部分是接近铁素体型的低合金钢，其含碳量较低，主要通过加入Al、V、Nb、Ti和稀土（RE）等元素固溶强化和细化晶粒，再经过正火、回火处理获得晶粒细而均匀的组织，以得到良好的低温韧性。如果在钢中加入Ni，可提高钢的强度，同时又可进一步改善低温韧性，但在提高Ni的同时要相应降低含碳量和严格控制S、P含量，以充分发挥Ni的有利作用。（1）铁素体型低温钢显微组织为铁素体+少量珠光体使用温度范围-40～-100℃，如16MnDR、09Mn2VDR、06MnNbDR、3.5Ni和06MnVTi等有“DR”标示的为低温容器专用钢，一般在正火状态下使用。（1）铁素体型低温钢16MnDR是制造-40℃低温设备用的细晶粒钢；09Mn2VDR也属细晶粒钢，主要用于制造-70℃的低温设备，如冷冻设备、液化气储罐、石油化工低温设备等；06MnNbDR是具有较高强度的-90℃用细晶粒钢，主要用于制造-60～-90℃的制冷设备、容器和储罐。3.5Ni钢一般经过870℃正火和635℃、1h消除应力回火，其最低使用温度达-100℃；调质处理可提高其强度、改善韧性和降低脆性转变温度，其最低使用温度可达-129℃。（2）低碳马氏体型低温钢含Ni较高的钢如9Ni钢，淬火后组织为低碳马氏体，正火后的组织除低碳马氏体外，还有少量铁素体和少量奥氏体，具有较高的强度、塑性和低温韧性，5Ni钢(-162℃~-196℃)能用于-196℃的低温，适于制造储存液化气的大型储罐。（3）奥氏体型低温钢具有很好的低温性能，其中以18-8型铬镍奥氏体不锈钢应用最广泛，25-20型可用于超低温条件。我国为了节约铬、镍贵重金属而研制了以铝代镍的15Mn26Al4(-253℃)的奥氏体不锈钢。15Mn26Al4:平均含碳量小于0.15%，Mn的平均含量为26%，Al的平均含量为4%。二、低温钢的焊接性（一）无Ni低温钢的焊接性无Ni低温钢即铁素体型低温钢其中wc=0.06%～0.20%，合金元素总量≤5%，碳当量为0.27%～0.57%，焊接性良好。在室温下焊接不易产生冷裂纹，在板厚小于25mm时焊前不需预热；板厚超过25mm或接头刚性拘束较大时，应预热100～150℃，注意预热温度（不可超过200℃）过高会引起热影响区晶粒长大而降低韧性。（二）含Ni低温钢的焊接性含Ni较低的低温钢如2.5Ni和3.5Ni钢，虽然加入Ni提高了钢的淬透性，但由于含碳量（0.14%以下）限制的较低，冷裂倾向并不严重，薄板焊接时可不预热；厚板焊接时须进行100℃预热。（二）含Ni低温钢的焊接性含Ni高的低温钢如9Ni钢，淬硬性很大，焊接时热影响区产生马氏体组织是不可避免的，但由于含碳量低，并采用奥氏体焊接材料，因此冷裂倾向不大。但焊接时应注意以下几个问题：（1）正确选择焊接材料9Ni具有较大的线胀系数，选择的焊接材料必须使焊缝与母材线胀系数大致相近，以免因线胀系数差别太大而引起焊接裂纹。通常选用镍基合金焊接材料，焊后焊缝组织为奥氏体组织，低温韧性好，且线胀系数与9Ni钢接近。（2）避免磁偏吹现象9Ni钢具有强磁性，采用直流电源焊接时会产生磁偏吹现象，影响焊接质量。防治措施是焊前避免接触强磁场；尽量选用可以采用交流电源的镍基焊条。（3）焊接热裂纹Ni能提高钢材的热裂纹倾向，焊接含Ni钢时要注意焊接热裂纹。因此应该严格控制钢材及焊接材料中的S、P含量，以免因S、P含量偏高在焊缝结晶过程中形成低熔点共晶，而导致形成结晶裂纹。(Ni-Ni3S2664℃)、(Ni-Ni3P2880℃)含Ni钢的另一个问题是具有回火脆性，因此应注意这类钢焊后回火的温度和控制冷却速度。9Ni钢是典型的低碳马氏体低温钢，淬硬性较大。焊前应进行正火+高温回火或900℃水淬+570℃回火处理，其组织为低碳板条状马氏体，具有较高的低温韧性，其焊接性也优于一般低合金高强钢，板厚小于50mm的焊接结构焊接时不需预热，焊后可不进行消除应力热处理。对这类易淬火的低温钢通常采用控制道间温度及焊后缓冷等工艺措施，以降低冷却速度，避免淬硬组织；采用较小的焊接热输入，避免热影响区晶粒过分长大，达到防止冷裂和改善热影响区低温韧性的目的。三、低温钢的焊接工艺特点1．焊接方法焊接低温钢时，焊条电弧焊和氩弧焊应用广泛，埋弧焊的应用受到限制，而气焊和电渣焊一般不用。三、低温钢的焊接工艺特点为避免焊缝金属和热影响区形成粗大组织而使接头韧性降低，焊接热输入不能过大，多层焊要控制道间温度不可过高，例如焊接06MnNbDR低温钢时，道间温度不可超过300℃。2．焊接材料焊条电弧焊焊接低温钢时一般选用高韧性焊条;低温钢焊条，W607，W707Ni(-70℃,2.5Ni),W107Ni(-100℃,3.5Ni)；焊接含Ni的低温钢所用焊条的含Ni量应与母材相当或稍高；2．焊接材料国内研制的低温钢焊条牌号以W×××表示，其具体内容如下：W×××药皮的类型与电流种类焊条工作的温度等级低温用钢焊条常用低温钢焊接材料的选用见表3-23。表3-23常用低温钢焊接材料的选用钢号状态焊条电弧焊埋弧焊型号牌号焊丝焊剂16MnDR正火E5016-GE5015-GJ506RHJ507RHH10Mn2AYD504A09Mn2VDR正火E5015-GE5515-C1W607AW707NiH08Mn2MoVAHJ25006MnNbDR正火800～900℃空冷E5515-C2W907Ni--15MnNiDR正火E5015-GW507R--09MnNiDR正火或正火+回火E5015-GW707RH10Mn2A或含Ni药芯焊丝YD507A3．低温钢焊接操作要点减小热输入，焊条电弧焊通常采用小直径焊条（一般不大于4mm）、用尽量小的焊接电流，采用多层多道焊，每一焊道焊接时采用快速不摆动的操作方法。快速多道焊可避免焊道过热，多层焊时后续焊道对前焊道的再次加热作用可细化晶粒。3．低温钢焊接操作要点低温钢焊条电弧焊平焊时的焊接参数见表3-24。其他位置焊接时焊接电流应减小10%。在横焊、立焊和仰焊时，为保证焊缝成形并与母材充分熔合，可作必要的摆动，例如采用“之”字形运条方法，但应控制电弧在坡口两侧的停留时间，收弧时要将弧坑填满。焊缝金属类型焊条直径/mm焊接电流/A焊接电压/V铁素体-珠光体型3.290～12023～244.0140～18024～26Fe-Mn-Al奥氏体型3.280～10023～244.0100～12024～25表3-24低温钢焊条电弧焊平焊时的焊接参数四、典型钢种的焊接工艺板厚15mm的9Ni钢大型储罐，工作温度为-190℃。储罐平板对接的立焊焊缝，采用单面自动TIG焊，且背面不清根。选用镍基焊丝70Ni-Mo-W，直径为1.2mm。焊接电流200～240A、焊接电压11～13V、焊接速度4.3～5cm/min、氩气流量20～30L/min，焊后不进行消除应力热处理。补充耐热钢及其焊接工艺模块一耐热钢的类型和性能模块二低、中合金耐热钢的焊接模块三高合金耐热钢的焊接模块四珠光体与奥氏体不锈钢的焊接综合训练模块一耐热钢的类型和性能耐热钢的类型在高温下工作，并具有一定强度和抗氧化、耐蚀能力的铁基合金称之为耐热钢。耐热钢广泛用于石油化工工业中的高温管线、反应塔和加热炉、热电站的锅炉和汽轮机、汽车和船舶的内燃机、航空航天工业的喷气发动机、核能动力装置等高温装置。耐热钢分为:（按特性分）热稳定钢--在高温状态下具有抗氧化或耐气体介质腐蚀的一类钢，如常用的铬镍钢（Cr25Ni20、Cr25Ni20Si2等）和高铬钢（Cr17、Cr25Ti等）；热强钢--在高温状态下既具有抗氧化或耐气体介质腐蚀，又必须具有一定的高温强度的一类钢，主要有高铬镍钢（1Cr18Ni9Ti、4Cr25Ni20等）以及多元合金化的以Cr12为基的马氏体不锈钢（1Cr12MoWV）等。按合金元素质量分数分类分为低合金耐热钢，其合金系有Mo、Cr-Mo、Mo-V、Cr-Mo-V、Mn-Mo-V、Mn-Ni–Mo和Cr-Mo-Ti-B等；中合金耐热钢，其合金系有Cr-Mo、Cr-Mo-V、Cr-Mo-Nb和Cr-Mo-W-V-Nb等；高合金耐热钢，其合金系有Cr-Ni、Cr-Ni-Ti、Cr-Ni-Mo、Cr-Ni-Nb、Cr-Ni-Mo-Nb、Cr-Ni-Mo-V-Nb和Cr-Ni-Si等。按组织分类分为珠光体耐热钢、马氏体耐热钢、铁素体耐热钢和奥氏体耐热钢。2耐热钢的性能1．高温化学稳定性高温化学稳定性主要是指高温抗氧化性，有时还要求具有抗氢腐蚀性。2．高温力学性能高温力学性能主要指热强性。提高热强性的措施：（1）利用Mo、W固溶强化，提高原子间结合力；（2）形成稳定的第二相，主要是碳化物相（WC等）。（3）强化晶界，如控制晶粒度，加入微量细化晶粒的合金元素（B、Re）等。3对耐热钢焊接接头性能的基本要求1．等热强性2．焊接接头的抗氧化性3．焊接接头组织的稳定性4．焊接接头的物理均一性模块二低、中合金耐热钢的焊接1低、中合金耐热钢的成分与性能特点成分是以Cr、Mo为主要合金元素铬的质量分数在0.5％～12.5％之间，钼的质量分数为0.5％或1％，室温组织以珠光体为主，因此又称为珠光体耐热钢。具有良好的抗氧化性和热强性，还具有一定的抗硫和氢腐蚀的能力，同时具有很好的冷热加工性能。主要应用于在600℃以下工作的动力、石油化工等工业设备中。按合金化方式可将低碳低合金耐热钢分为以下三类：（1）Mo钢Mo钢是最早使用的低合金耐热钢，Mo的质量分数为0.5％。Mo的主要作用是固溶强化，提高钢的热强性。现在应用很少。（2）Cr-Mo钢为了改善Mo钢的石墨化问题，提高钢的组织稳定性，进而提高热强性，在Mo钢中加入一定量的Cr，Cr能使碳化物具有一定的热稳定性，阻止石墨化。Cr-Mo钢的使用温度可以提高到550℃。按合金化方式可将低碳低合金耐热钢分为以下三类：（3）多元复合合金化的低合金耐热钢除固溶强化外，钢中加入了Ｖ、Ｔi、Ｂ等微量元素进行时效强化和晶界强化，进一步提高钢的热强性和高温组织的稳定性。其合金系统有Cr-Mo-V，Cr-Mo-W-V，Cr-Mo-W-V-B，Cr-Mo-V-Ti-B等。表5-1常用低合金耐热钢的化学成分（质量分数％）钢号CMnSiCrMoVW其他12CrMo≤0.150.4～0.70.2～0.40.4～0.70.4～0.55---15CrMo0.12～0