几种特殊材料的焊接课件

几种特殊材料的焊接几种特殊材料的焊接1一.奥氏体不锈钢的焊接1.不锈钢概述（1）不锈钢的概念1）定义:主加元素铬含量高于12%，能使钢处于钝化状态又具有不锈特性的钢称之为不锈钢。2）通常所说的不锈钢实际上是不锈钢和耐酸钢的总称。不锈钢：一般是指在大气、水等弱腐蚀介质中耐蚀的钢。耐酸钢：是指在酸、碱、盐等强腐蚀介质中耐蚀的钢。不锈钢不一定耐酸，而耐酸钢一般都具有良好的不锈性能。一.奥氏体不锈钢的焊接1.不锈钢概述2不不锈钢和耐酸和耐酸钢的共同点：含的共同点：含r量都在量都在12%以上。以上。按照按照习惯叫法，下文中将不叫法，下文中将不锈钢和耐酸和耐酸钢统称称为不不锈钢。2.不不锈钢的分的分类及用途及用途按金相按金相组织分：可分分：可分为五五类奥氏体不奥氏体不锈钢：如：如：304，316 L，在氧化性、中性以及弱，在氧化性、中性以及弱还原性介原性介质中均具有良好的耐中均具有良好的耐蚀性，性，应用最用最为广泛广泛。不锈钢和耐酸钢的共同点：含r量都在12%以上。3铁素体不素体不锈钢：如：如：00Cr12，1Cr17，主要，主要应用于用于腐腐蚀环境不十分苛刻的境不十分苛刻的场合，如室内装合，如室内装饰、厨房、厨房设备、家用器具。主要用它的不、家用器具。主要用它的不锈性能。性能。马氏体不氏体不锈钢：如：如：0Cr13，1Cr13，主要用于硬，主要用于硬度、度、强度要求度要求较高而耐腐高而耐腐蚀性要求不太高的性要求不太高的场合，合，如量具、刀具、餐具等。主要用它的不如量具、刀具、餐具等。主要用它的不锈和高和高强度。度。铁素体素体-奥氏体型不奥氏体型不锈钢（双相不（双相不锈钢）：）：如：如：UNS S31803，UNS S32750,韧性良好，性良好，强度度较高，耐高，耐氯化物化物应力腐力腐蚀和抗点腐和抗点腐蚀能力能力强。在石。在石化化领域、海水域、海水处理理设备中中应用广泛。用广泛。沉淀硬化不沉淀硬化不锈钢：0Cr17Ni7Al，0Cr17Ni4Cu4Nb，通常用作耐磨、耐通常用作耐磨、耐蚀的高的高强度度结构件。如构件。如轴、齿轮、螺栓等。螺栓等。铁素体不锈钢：如：00Cr12，1Cr17，主要应用于腐蚀43.奥氏体不奥氏体不锈钢焊接特点接特点 易易产生生焊接接热裂裂纹，这主要由于奥氏体不主要由于奥氏体不锈钢导热系数小，系数小，线膨膨胀系数大，接系数大，接头在高温停留在高温停留时间长，在在热应力作用下易力作用下易产生生热裂裂纹，同，同时由于由于单相奥氏相奥氏体体组织易形成粗大的方向性很易形成粗大的方向性很强的柱状晶的柱状晶组织，在，在凝固凝固过程中，一些程中，一些杂质元素易在晶元素易在晶间形成低熔点的形成低熔点的液液态膜，在拉膜，在拉应力作用下形成凝固裂力作用下形成凝固裂纹。3.奥氏体不锈钢焊接特点5易易产生晶生晶间腐腐蚀倾向，在向，在500800温度区温度区间停停留留时间过长时，晶内的碳就会析出于晶界，与晶界，晶内的碳就会析出于晶界，与晶界处的的Cr结合形成合形成Cr23C6，从而使晶界，从而使晶界发生生贪Cr现象，象，当晶界的当晶界的Cr低于低于12%时，就会使晶，就会使晶间的耐的耐蚀性性严重重降低，不耐腐降低，不耐腐蚀，这就造成晶就造成晶间腐腐蚀倾向。向。易产生晶间腐蚀倾向，在500800温度区间停留时间过长64.工工艺要点：要点：选择合适的合适的焊材，保材，保证焊缝的的Cr、Ni含量含量尽量尽量选用偏小用偏小电流、快速流、快速焊，使高温停留，使高温停留时间短短严格控制格控制层间温度，一般低于温度，一般低于100选用超低用超低C和和S、P含量低的含量低的焊材。但材。但对于于连续重整重整装置中的再生器，装置中的再生器，应保保证C=0.040.08%，以确保，以确保高温蠕高温蠕变强度。度。4.工艺要点：7二.抗氢诱导裂纹用钢（HIC钢）的焊接1.HIC钢的由来的由来 随着我国石化行随着我国石化行业的的飞速速发展，原油需求量越来越大，展，原油需求量越来越大，且且进口原油多占得比例越来越大，口原油多占得比例越来越大，进口油大部分是高口油大部分是高S，而，而 S在有水的条件下就会形成在有水的条件下就会形成H2S，设备在湿在湿H2S条件下使用条件下使用就会由此而引起裂就会由此而引起裂纹，从而，从而发生生损坏或破裂事故。近年来坏或破裂事故。近年来 在石化行在石化行业由于由于H2S的存在引起的破坏事故越来越多。的存在引起的破坏事故越来越多。如何提高如何提高钢材的品材的品质，采用具有能抵抗，采用具有能抵抗诱导裂裂纹能力能力的的钢，这是解决是解决问题的关的关键，为此抗此抗诱导裂裂纹用用钢就就应运运而生，我国已而生，我国已经成功地研制出成功地研制出Q345R（HIC）钢。二.抗氢诱导裂纹用钢（HIC钢）的焊接1.HIC钢的由来8 德国迪林根德国迪林根钢厂依照美国工程材料厂依照美国工程材料标准准（ASTM/ASME）SA516Gr60、65、70所生所生产的的DICREST系列系列钢材是具有良好抗材是具有良好抗HIC性能的性能的压力容器用力容器用钢板板,SA516Gr.70（HIC）钢不是一不是一个新的个新的钢号，只是在号，只是在SA516Gr.70钢板板规定的范定的范围内增加了一些附加要求，以提高内增加了一些附加要求，以提高钢材抗材抗氢诱导开开裂（裂（HIC）的能力。）的能力。“HIC”的英文全称的英文全称为“Hydrogen Included Cracking”，中文含，中文含义为“氢诱导裂裂纹”。所以无所以无论从从焊工工资格、格、焊接接规范等方范等方面，均可按面，均可按SA516Gr.70钢来来对待，只是由于待，只是由于焊材材选择和力学性能（和力学性能（-30冲冲击要求）、要求）、焊缝化学成分有特殊要化学成分有特殊要求，故求，故焊接工接工艺评定必定必须单独独进行。行。德国迪林根钢厂依照美国工程材料标准（AST92.抗抗HIC钢的特点的特点严格控制其含格控制其含Mn量和量和S、P含量含量 Mn从从1.20-1.601.20-1.35 S0.004 P0.010对钢的冶的冶炼过程中程中进行行喷钙处理，以改善理，以改善夹杂物的形状。物的形状。控制其硬度控制其硬度200HB焊后后应该进行消行消应力力热处理理应能能够通通过抗抗氢诱导裂裂纹的腐的腐蚀试验 具体的具体的讲，美国，美国NACE TM-0284-2003标准准 我国我国GB/8650-2006试验标准准2.抗HIC钢的特点103.抗抗氢诱导裂裂纹的腐的腐蚀试验A溶液：溶液：试验溶液含溶液含5%氯化化钠和和0.5%醋酸，在硫化醋酸，在硫化氢饱和之后的和之后的PH值约为3。B溶液：人造海水，在硫化溶液：人造海水，在硫化氢饱和之后的和之后的PH值约为4.85.4。图一HIC试验方法3.抗氢诱导裂纹的腐蚀试验图一 HIC试验方法11图二试样截取示意图图三裂纹的计算示意图图二 试样截取示意图图三 裂纹的计算示意图12裂纹长度比：CLR=a/W 100%裂纹厚度比：CTR=b/T 100%裂纹敏感性比：CSR=（ab）/（WT）100%其中：a裂纹长度，b裂纹宽度，T试样厚度W试样宽度（W=200.5mm）裂纹长度比：CLR=a/W 100%134.HIC钢对焊接的特殊要求接的特殊要求焊缝的的S、P含量要求含量要求 S0.010 P0.015焊接接接接头的硬度的硬度 HB200接接头冲冲击试验：A-30kv 34J 单个个值24J焊后后应该进行消行消应力力热处理。理。推荐使用温度推荐使用温度为620144.HIC钢对焊接的特殊要求14三.低温钢的焊接定定义：凡用来制造低于或等于：凡用来制造低于或等于-20的低温的低温设备，在相在相应的低温条件下仍具有良好的低温冲的低温条件下仍具有良好的低温冲击韧性性和抗脆断能力的和抗脆断能力的钢称之称之为低温低温钢。1.影响低温影响低温韧性的主要因素性的主要因素(1)化学成分化学成分 C、S、P都会使都会使韧脆脆转变温度升高，温度升高，尽量降低尽量降低含含C量量,严格限制格限制S、P含量。含量。V、Ti、Nb及及RE(稀土稀土)可以可以细化晶粒，提高低化晶粒，提高低温温韧性。性。三.低温钢的焊接定义：凡用来制造低于或等于-20的低温设备15Mn、Ni会降低会降低钢材的材的韧脆脆转变温度。特温度。特别是是Ni可以可以显著改善著改善钢的低温的低温韧性。性。（2）金属的）金属的组织和晶粒、晶格状和晶粒、晶格状态 奥氏体奥氏体钢具有面心立方晶格，其具有面心立方晶格，其韧性随温度性随温度降低降低变化极小，故在很低的温度下仍具有化极小，故在很低的温度下仍具有较高的高的韧性。凡具有面心立方晶格的金属，如性。凡具有面心立方晶格的金属，如铁、铝、铜及及镍等都不会等都不会产生冷脆性。此外，生冷脆性。此外，钢的晶粒越的晶粒越细，低温冲，低温冲击韧性越好，所以凡是可以性越好，所以凡是可以细化晶粒化晶粒的合金元素或通的合金元素或通过正火正火热处理等工理等工艺措施，均能措施，均能改善改善钢的低温的低温韧性。性。2.低温低温钢的分的分类按按钢的的组织分：可分分：可分为铁素体型低温素体型低温钢和奥氏和奥氏 体型低温体型低温钢。按合金体系分：可分按合金体系分：可分为不含不含 Ni钢和含和含Ni钢。Mn、Ni会降低钢材的韧脆转变温度。特别是Ni可以显著改善16a）不含）不含 Ni钢：一般最低使用温度在：一般最低使用温度在-40以上，属以上，属于于铁素体型低温素体型低温钢。这类钢主要通主要通过严格控制格控制C、S、P含量或添加少量的含量或添加少量的V、Al、Nb、Ti等微合金化元素，等微合金化元素，通通过合金元素的固溶合金元素的固溶强化、晶粒化、晶粒细化并化并进行正火、行正火、正火正火+回火、淬火回火、淬火+回火的回火的热处理来得到良好的低温理来得到良好的低温韧性。如：性。如：SA350 LF6Cl.2、SA333Gr.6。b）含）含 Ni钢：根据：根据Ni含量的高低，其使用温度也不含量的高低，其使用温度也不同，一般来同，一般来说，随着，随着Ni含量的增加，使用温度也越含量的增加，使用温度也越低。含低。含 Ni钢中，当中，当Ni含量含量较低低时，属于，属于铁素体型低素体型低温温钢；当；当Ni含量含量较高高时，则属于奥氏体型低温属于奥氏体型低温钢。对于于铁素体型含素体型含Ni低温低温钢，按含，按含Ni量不同，可分量不同，可分为0.5Ni钢、1.5Ni钢、2.5Ni钢、3.5Ni钢、5 Ni钢和和9 Ni钢。按最低使用温度分：按最低使用温度分：-40、-70、-90 a）不含 Ni钢：一般最低使用温度在-40以上，属于铁素17 -101、-170、-196等几个温度等几个温度级别用用钢。如：如：SA203GrA、B等均属于等均属于2.5Ni钢，使用温度，使用温度 在在-60，SA SA203GrD、E、F等均属于等均属于3.5Ni 钢，使用温度在，使用温度在-101。3.焊接工接工艺要点要点 选择合适的合适的焊接材料。要接材料。要选择与与钢的最低使用温的最低使用温度相匹配的度相匹配的焊接材料，必要接材料，必要时，要，要选用能保用能保证比比钢的最低使用温度更低的的最低使用温度更低的焊材。要从材。要从焊缝的化学成分的化学成分组成上保成上保证焊缝的低温冲的低温冲击韧性。如添加性。如添加Ni和和细化化晶粒的晶粒的Ti、B等微合金化元素，等微合金化元素，严格控制其格控制其C、S、P含量。含量。严格控制格控制预热温度和温度和层间温度不可温度不可过高，一般控高，一般控制在制在100-150。-101、-170、-196等几18采用采用较小的小的焊接接热输入量，入量，这是避免是避免焊缝和和热影响区不会影响区不会形成粗大的形成粗大的结晶晶组织而使低冲而使低冲严重降低的关重降低的关键工工艺措施，具措施，具体要求是：体要求是：（a）焊接接电流不易流不易过大大（b）尽量采用窄）尽量采用窄焊道，不道，不摆动的多道多的多道多层焊（c）宜采用快速多道）宜采用快速多道焊，以减，以减轻焊道道过热，并通，并通过薄薄层多多道道焊的重的重热作用作用细化晶粒。化晶粒。要避免弧坑、未要避免弧坑、未焊透及咬透及咬边等缺陷。等缺陷。这些缺陷造成些缺陷造成应力集力集中，是引起低温条件下造成脆性破坏的源泉，所以低温容器中，是引起低温条件下造成脆性破坏的源泉，所以低温容器不允不允许任何咬任何咬边缺陷存在。缺陷存在。采用较小的焊接热输入量，这是避免焊缝和热影响区不会形成粗大194.焊后后热处理理焊后消除后消除应力力热处理理对于低温容器而言，是确保于低温容器而言，是确保焊接接接接头低低温冲温冲击韧性合格的重要工性合格的重要工艺措施之一。措施之一。虽然然GB150附附录C低低温温压力容器力容器规定，只有定，只有16mm的碳的碳钢、低合金、低合金钢制低温制低温容器或元件容器或元件应进行行焊后后热处理，但一般理，但一般对于低温容器而言，于低温容器而言，要慎重考要慎重考虑其其热处理理问题，因，因为焊后后热处理可以降低其脆断理可以降低其脆断的危的危险性。性。一般低温一般低温钢容器的容器的焊后后热处理温度不宜超理温度不宜超过620。4.焊后热处理20四.双相不锈钢的焊接1.双相不双相不锈钢定定义：指金相：指金相组织由由铁素体和奥氏体两相素体和奥氏体两相组成的成的不不锈钢，其中，其中铁素体和奥氏体各占一半，且一般素体和奥氏体各占一半，且一般较少相的含量少相的含量至少也要在至少也要在30%以上，以上，这种不种不锈钢称称为铁素体素体-奥氏体双相不奥氏体双相不锈钢。铁素体含量低于素体含量低于10%，这种不种不锈钢不属于双相不不属于双相不锈钢之列，之列，一般仍称之一般仍称之为奥氏体不奥氏体不锈钢。四.双相不锈钢的焊接1.双相不锈钢定义：指金相组织由铁素体212.双相双相钢的特性的特性具有良好的耐具有良好的耐蚀性，特性，特别是其耐点是其耐点蚀，缝隙腐隙腐蚀和和应力腐力腐蚀的能力比的能力比传统的奥氏体不的奥氏体不锈钢优越的多。越的多。综合性能好，不但有合性能好，不但有较高的屈服高的屈服强度和疲度和疲劳强度，度，同同时具有良好的具有良好的韧性，其性，其Rp0.2可达可达400-550MPa，是，是普通不普通不锈钢（Rp0.2205MPa）的两倍，具有良好）的两倍，具有良好韧性的原因：主要是奥氏体相的存在性的原因：主要是奥氏体相的存在。2.双相钢的特性223.焊接特点：接特点：焊接性良好，与奥氏体不接性良好，与奥氏体不锈钢比有比有较低的低的热裂裂纹倾向，与向，与铁素体不素体不锈钢相比有相比有较低低热脆脆化化倾向。向。4.焊接工接工艺要点：要点：焊缝和和热影响区都影响区都应保持相平衡，保持相平衡，得到得到满意的相比例意的相比例组织是关是关键，一般一般铁素体在素体在30-60%，最好在，最好在30-45%。3.焊接特点：焊接性良好，与奥氏体不锈钢比有较低的热裂纹23严格控制格控制热输入量，入量，过大或大或过小都不利，最好在小都不利，最好在5-15KJ/cm。过大大时，冷却速度慢，会使，冷却速度慢，会使量多，量多，结果使果使过少；少；过小小时，冷却速度快，会使，冷却速度快，会使量少，量少，结果使果使过高，高，要要绝对避免十分快速的冷却。避免十分快速的冷却。提高提高焊材的材的Ni含量，一般要含量，一般要 焊材中材中Ni含量要比母材含量要比母材 高高2-4%，所以在，所以在焊2205双相双相钢时要用要用E2209焊条。条。尽量采用多尽量采用多层多道多道焊。一般不需要一般不需要预热焊接，接，层间温度控制在温度控制在150以下。以下。TIG焊时不推荐采用自熔不推荐采用自熔焊。严格控制热输入量，过大或过小都不利，最好在5-15KJ/c24（5）使用：）使用：双相双相钢的极限使用温度，的极限使用温度，EN标准定准定为250。2205、2207是瑞典双相是瑞典双相钢的的焊条，作条，作为通用型号通用型号 应 成成UNSS31803和和UNSS32750。焊材材选用：用：焊条条 AWS A5.4 E2209 E2594 焊丝 AWS A5.9 E2209 ER2594（5）使用：255镍基合金1.什么是什么是镍基耐基耐蚀合金合金 Ni含量在含量在30%以上的合金通常称以上的合金通常称为Ni基合金，它属基合金，它属于有色合金之列，其于有色合金之列，其显微微组织为单一的奥氏体一的奥氏体组织。镍基合金固基合金固态下没有相下没有相变，母材和，母材和焊缝金属的晶粒金属的晶粒不能通不能通过热处理理细化，固化，固态具有面心立方晶格具有面心立方晶格结构，构，化学活化学活泼性低，在性低，在2001090能耐各种腐能耐各种腐蚀介介质的的侵侵蚀，同，同时具有良好的高温和低温力学性能。具有良好的高温和低温力学性能。5镍基合金1.什么是镍基耐蚀合金262.为什么什么镍基合金运用的越来越好：基合金运用的越来越好：石化行石化行业中所用中所用设备的工作介的工作介质环境越来越苛刻，境越来越苛刻，各种腐各种腐蚀日益日益严重，需要用耐重，需要用耐蚀性好的材料来做性好的材料来做设备。Ni基合金具有独特的物理、力学和耐基合金具有独特的物理、力学和耐蚀性能，能性能，能解决一般不解决一般不锈钢和其他金属、非金属材料无法解决和其他金属、非金属材料无法解决的工程腐的工程腐蚀，是各行各，是各行各业中耐高温、高中耐高温、高压、高、高浓度度或混有不或混有不纯物物质各种苛刻腐各种苛刻腐蚀环境的比境的比较理想的金理想的金属材料。属材料。2.为什么镍基合金运用的越来越好：273.常用的常用的镍基合金分基合金分类纯Ni，如，如镍200、镍201Ni-Cu合金：蒙乃合金：蒙乃尔合金，合金，Monel 400Ni-Cr-Fe合金：称因康合金：称因康镍合金合金,Inconel 600 Ni-Cr-MO-Nb合金：称因康合金：称因康镍Inconel 625Ni-Fe-Cr合金：称因科洛依合金，合金：称因科洛依合金，Incoloy 800 Ni-Fe-Cr-Mo-Cu合金合金:称因科洛依称因科洛依Incoloy 825Ni-Mo-Cr合金：称哈斯特洛依合金合金：称哈斯特洛依合金,如如C-2763.常用的镍基合金分类28常用常用镍基合金推荐基合金推荐选用的用的焊材材合金材料 牌号焊条牌号TIG、MIG焊丝牌号SAW焊材焊丝牌号焊剂镍200镍201镍141镍61镍61INCO FLUX6号焊剂Monel 400蒙乃尔190蒙乃尔60蒙乃尔605号焊剂Inconel 600因康镍182因康镍82因康镍824号焊剂Inconel 625因康镍112因康镍625因康镍6254号焊剂Incoloy 800因康镍182因康镍82因康镍824号焊剂Incoloy 825因康镍112因康镍625因康镍6254号焊剂哈氏合金C-276哈氏合金C-276哈氏合金C-276常用镍基合金推荐选用的焊材合金材料 牌号焊条TIG294.焊接特点接特点具有高的具有高的热裂裂纹敏感性，凝固裂敏感性，凝固裂纹和多和多边 化裂化裂纹易易产生气孔，未融合，未生气孔，未融合，未焊透且熔透且熔 深浅深浅焊前清理是保前清理是保证成功成功焊接的一个极其重要的措施接的一个极其重要的措施4.焊接特点305.焊接工接工艺要点要点正确正确选择合适的合适的焊材材严格限制格限制热输入量，使入量，使焊道具有略道具有略为突起的外形，突起的外形，层间温度温度100，填，填满弧坑弧坑焊件清理极其重要件清理极其重要熔深浅，流熔深浅，流动性差不能用增大性差不能用增大电流克服，只有增流克服，只有增大坡口角度，适当大坡口角度，适当摆动预热和和热处理：理：焊前不前不预热，不推荐，不推荐焊后后热处理理5.焊接工艺要点31六.稀有金属（Ti、锆Zr、Mg及其合金）的焊接主要工主要工艺要点要点:焊接方法：等离子接方法：等离子焊、电子束子束焊、Ar弧弧焊焊件及件及焊材清理材清理严格格保保护气体要用高气体要用高纯的的六.稀有金属（Ti、锆Zr、Mg及其合金）的焊接主要工艺要点32