金属的焊接性能2课稿ppt课件

过程装备制造工艺,1,十二 金属的 焊接性能,2,4 金属的焊接性分析,4.1 碳素钢 4.2 低合金高强钢 4.3 低温用钢 4.4 低合金耐蚀钢 4.5 珠光体耐热钢 4.6 奥氏体不锈钢 4.7 有色金属及合金 4.8 奥氏体不锈钢与普通钢,3,4.1碳素钢的焊接 低碳钢的焊接 焊接性分析 含碳量0.25 塑性好，变形能力强，热导率合适，对热过程不敏感 硫、磷杂质控制严，一般不会产生热裂纹； 没有淬硬倾向，对冷裂纹也不敏感,4,焊接工艺 焊条电弧焊、埋弧自动焊、电渣焊、气体保护焊 应保证焊接接头与母材等强度 手工电弧焊，一般低碳钢结构，选用与母材等强度的酸性焊条 压力容器等重要结构或结构复杂的厚板结构，选用与母材等强度的碱性焊条 应用埋弧自动焊时，一般采用H08A或H08MnA焊丝配焊剂431进行焊接,5,厚度大于50mm的低碳钢结构，焊接接头拘束度大 用大电流多层焊，焊后进行消除应力退火 环境温度低于0以下较大刚度结构，焊前预热,6,中碳钢的焊接 焊接性分析 含碳在0.250.6% 含碳量增加，强度增加，塑性降低，变形能力变差，热扩散能力低，线膨胀系数增大 实际生产，焊接中碳钢的铸钢件与锻件 热影响区易产生淬硬组织和冷裂纹 属于易淬火钢，冷裂缝 热裂缝倾向大 碳还使焊缝金属过热并使硫、磷等低熔点杂质的偏析加剧,7,由于中碳钢热扩散能力低，线膨胀系数增大 焊缝及过热区过热倾向大 焊接接头焊接应力增大 进一步热裂纹和冷裂纹的敏感性,8,焊接工艺要点 焊前必须进行预热 减慢热影响区的冷却速度，避免产生淬硬组织 35号钢和45号钢的预热温度为150250 低氢型焊条 焊缝与母材等强度时 根据钢材强度选用结506、结507或结606、结607焊条,9,用细焊条小电流，开坡口进行多层焊，防止母材过多的溶入焊缝，同时减小焊接热影响区的宽度 一般采用手工电弧焊，焊后立即消除应力热处理 回火温度一般为 500650. 厚件用电渣焊,10,4.2 低合金高强钢 含碳量低，强度高、塑性、韧性好 广泛用于制造压力容器、船舶等装备 中国低合金高强钢按其屈服强度可以分为九级300、350、400、450、500、550、600、700、800MPa,11, 焊接性分析 热裂纹倾向 结晶裂纹问题并不突出 正常情况下焊接时不会产生结晶裂纹 如果母材成分不合格或存在严重偏析，使局部C， S含量偏高时，Mn/S比可能达不到要求，产生结晶裂纹 低碳调质钢结晶裂纹敏感性较小 中碳调质钢结晶裂纹敏感性较大，尤其在弧坑及焊缝的凹陷部位更易出现裂纹,12,热影响区的淬硬倾向 强度级别较低的低合金钢，含合金量较少，碳当量低，具有良好的可焊性 随着强度级别的提高，碳及合金元素增加，热影响区的淬硬倾向也越大 焊接大厚度的钢结构或施工温度较低时，预热,13,Q345(16Mn) Q345钢是老牌号12MnV、14MnNb、18Nb、16MnRE、16Mn等多个钢种的替代 焊接性良好，常用的熔焊方法都可焊接，用的最广的是手工电弧焊、埋弧自动焊、电渣焊、气体保护焊。 脆硬倾向比低碳钢稍大，尤其是较低温度下或厚壁结构,采用焊条电弧焊时一般都用抗裂性较好的碱性焊条，对锅炉、受压容器等重要工件，厚度大于20mm时，焊后必须进行退火消除应力,14,常用普通低合金结构刚的焊接材料、预热温度选用表,15, 不锈钢复合钢板 不锈钢复合钢板是较厚的普通钢与较薄的奥氏体不锈钢复合轧制而成的双金属板 坡口 常见V型，坡口开在基层一侧，普通钢基层的钝边尺寸p常取2mm 注意：打底焊不能在复层或太靠近复层，否则合金元素掺入而形成淬火组织，严重时出现横向裂纹 焊接装配以复层为基准，防止错边过大 采用涂保护涂料等方法尽量避免焊接过程中熔滴、焊渣等溅落到复层坡口上，焊接过渡层时，为减少合金稀释率，在保证焊透的条件下应尽可能用低线能量施焊,16,17,不锈钢复合钢板的焊接工艺 复层为0Cr18Ni9Ti，基层为Q235的复合钢板 焊接顺序:先焊基层1、2、3，清理焊根后选用奥氏体化能力较强的焊接材料25-13型钢或25-20型钢焊第4层 (过渡层)，最后焊第5层(复层),18, 奥氏体不锈钢与普通钢焊接 奥氏体不锈钢与普通钢焊接在装备制造很普遍 在非奥氏体钢一侧的坡口表面用比母材高12级的奥氏体不锈钢焊条堆敷奥氏体过渡层，弥补Q235对过渡层主要合金元素的稀释 然后焊满整个焊缝，使焊缝与母材OCr18Ni9Ti相近，达到耐腐蚀要求,19,毗邻普通钢一侧熔合线的焊缝金属中，可形成和焊缝金属成分不同的过渡层 在过渡层中，普通钢稀释作用很强烈，铬、镍合金成分减少，含碳量增加，过渡层将由奥氏体+马氏体组织区和马氏体组织区组成 性能上，过渡层硬度高，可到HV500左右，脆性很大，可能导致熔合线的破坏,20, 焊接材料的选择 焊缝中的含镍量对马氏体脆性层的宽度有重大的影响， 研究及实践证明，脆性层宽度与焊缝中的含镍量成反比 焊接材料是18-8型钢时，脆性层宽度较大 选用奥氏体化能力较强的焊接材料25-13型钢或25-20型钢，脆性层宽度显著缩小 使用镍基焊接材料时，脆性层会完全消失 焊接时，为了减小或防止脆性层，常选用奥氏体化能力较强的焊接材料,21,4.3低温用钢的焊接 性能要求：保证在使用温度下具有足够的韧性及抵抗脆性破坏的能力 无Ni低温用钢是低合金高强钢，通过合金元素固溶强化细化晶粒，通过正火、回火处理细化晶粒、均化组织，获得良好的低温性能 在钢中加入合金元素Ni可显著改善钢的低温韧性，含镍的低温用钢最低使用温度-70-170,22,中国标准中，薄板的最低冲击温度可比厚板低1020 a无Ni低温用钢 由于含碳量低，淬硬倾向和冷裂倾向小，焊接性良好 应关注焊缝和粗晶区的低温脆性 宜用快速多道焊的方法以减轻过热，并通过多层焊的重热作用细化晶粒 焊接16MnDR (用于-40)低温用钢时，可采用E5015-G或E5016-G高韧性焊条 埋弧自动焊，中性熔炼焊剂配合Mn-Mo焊丝，碱性熔炼焊剂配合含Ni焊丝，碱性非熔炼焊剂配合C-Mn焊丝，由焊剂向焊缝渗入微量Ti、B元素。,23,b3.5镍低温用钢 国外低温钢以镍为主要合金元素，2.25镍钢、3.5镍钢、5镍钢及9镍钢 镍含量增加，最低使用温度逐渐降低 9镍钢可用于制造液化氟(液化温度为196)的装备 3.5镍钢广泛用于乙烯、化肥、橡胶、液化石油气及煤气等工程中低温装备的制造，一般为正火或正火十回火状态使用，其最低使用温度为101 3.5镍钢经淬火、固火调质处理后，组织和低温韧性得到改善，3.5镍钢是依靠降低C、P、S含量，加入Ni等合金成分，并利用热处理细化晶粒，确保低温韧性,24,3.5镍钢有应变时效倾向，冷加工变形量5以上时要进行消除应力热处理以保证低温则性 由于Ni与S能生成低熔点共晶体，故要极严限制C、S、S含量，防止其热烈倾向 3.5镍钢可以用手工电弧焊、熔化极气体保护电弧焊及埋弧自动焊进行焊接。为保证焊接产品的低温韧性，应注意控制焊接线能量：手工电弧焊在20kJcm以下；熔化极气体保护电弧焊在25kJcm左右。 3.5镍钢的含碳量较低，所以其淬硬倾向不大。但板厚在25mm以上，且刚性较大时，焊前要预热150左右，层间温度也要保持相同。,25,3.5镍钢焊接所用焊接材料,注：l.焊条牌号前加”w”，表示低愠用钢焊条。 2.焊条牌号第一、第二位数字，表示低温用钢焊条的工作温度等级， 如w707的低温温度等级为-70。 3.表中焊条为低氢钠型药皮，采用直流电源。,26,NB-3N焊条焊接时，焊后进行600650热处理，有利于改善焊接接头的低温韧性,提示：低温用钢焊接尽可能小的线能量规范，尽快完成焊接热过程，避免出现粗晶组织。严格避免产生应力集中的缺陷,以免在低温时成为脆断的裂源。 必要时，振动焊接熔池以细化晶粒，焊接完成的焊缝表面再用钨极氢孤焊重熔一次,有助于消除表面焊缝的柱状结晶,能收到细化组织的效果。,27,28,4.4 低合金耐蚀钢的焊接 用做抗潮湿、耐海水腐蚀的钢材 国产耐蚀钢如16CuCr、12MnCuCr、 9MnCuPTi等 耐蚀钢虽含有铜、磷等合金元素，但含量较低，焊接时不会产生热裂纹，冷脆倾向也不大，焊接性仍较好 耐蚀钢的焊接工艺与强度级别较低（350400MPa级）的热轧钢相同，在设计和制造时，要严格遵守减小焊接应力的规定，以避免产生裂纹和脆性,29,4.5 珠光体耐热钢的焊接 耐热钢按合金成分含量分为低合金、中合金、高合金耐热钢。 合金元素总含量在2.5以下的低合金耐热钢，供货状态下具有珠光体+铁素体组织，如12CrMo、15CrMo等 主要用于制造锅炉装备受热部件和高压加氢装备 焊接性与低碳调质钢类似，突出问题是淬火倾向大，热影响区容易生成脆硬组织，易引起冷裂纹，焊后热处理会有再热裂纹问题，焊接性较差,30,珠光体耐热钢一般在热处理状态（正火）下焊接 手工电弧焊，埋弧焊时，焊前应预热防止低合金耐热钢焊接冷裂纹和消除应力裂纹 电渣焊时，由于其加热、冷却比较缓慢，可降低预热温度或不预热 焊后热处理可以消除焊接残余应力，又可改善组织、提高接头的综合力学性能，包括提高高温蠕变强度和组织稳定性、降低焊缝及热影响区的硬度等,31,实例：某企业制造的加氢反应器，筒体材料2.25Cr-1Mo，并堆焊不锈钢耐腐层,32,突出问题：淬火倾向大，热影响区易生成脆硬组织，易引起冷裂纹，手工电弧焊，埋弧焊时，焊前应进行较高温度的预热，防止焊接冷裂纹的产生。,33,4.6 奥氏体不锈钢 合金钢的主要元素铬超过12时，具有不锈的特性，对某些介质具有耐腐蚀性。 不锈钢一般多为单相组织：铁素体不锈钢，如0Crl3、1Cr17等；马氏体不锈钢，如1Crl3、2Crl3等；奥氏体不锈钢如0Crl8Ni9、0Crl8Ni9Ti、00Crl8Nil0等(又常称为18-8型奥氏体不锈钢)。,34,奥氏体不锈钢应用较广泛 不但能抗很多介质(主要是氧化性)腐蚀，而且高温、低温的力学性能均较好， -196仍具有相当的塑性和韧性、较好的焊接性。 实际焊接生产中，这类钢易产生晶间腐蚀和热裂纹,35,(1)晶间腐蚀 多种解释，晶界附近的“贫铬”的解释比较有说服力 18-8型奥氏体不锈钢中碳在常温以过饱和状态存在 含碳量一般平均为0.10左右 上限可达0.25，下限也为0.03(超低碳奥氏体不锈钢) 而碳的溶解值只有0.02。,36,焊接热作用下，过饱和的碳就会在晶界处析出，并与铬结合形成碳化铬，如Cr23C6等。 碳化铬中铬的含量很高，远远超出18-8型钢中铬的含量(要求铬的含量在12以上) 因此，碳化铬析出的晶界处附近，形成了铬的含量下降 当铬的含量降到不锈钢所需最低含量(12)以下时，则产生了贫铬现象。 晶界处产生的贫铬现象会加速腐蚀，发生晶间腐蚀,37, 晶界处化学成分的重新分布、温度、时间是晶间腐蚀的影响因素,温度较高，碳可扩散到晶界附近，碳化铬化合物析出，而铬扩散速度不如碳快，不能补充晶界处的铬，因此产生了晶间腐蚀。 温度较低，碳原子不能扩散，也就不存在碳化物在晶界的析出，也就不会产生晶间腐蚀。,38,温度较高时（如超过1000）碳化物不稳定，析出来也会重新溶入到奥氏体中去，不会造成晶间贫铬。 18-8奥氏体不锈钢在一定温度范围内时，产生晶间贫铬现象，称这个最容易产生晶间腐蚀的温度区间为敏化温度区。 焊接接头的敏化温度区为4501000，其中最为敏感的温度范围为600650,39,预防晶间腐蚀的措施 A 控制焊缝的化学成分 降低焊缝含碳量，使之低于母材含碳量 .添加稳定化元素在被焊母材和焊接材料中 双相组织法 最经济的措施是使焊缝中形成少量铁素体组织，与奥氏体一起呈现双相组织，可以提高抗晶间腐蚀的能力。 这是因为铬在铁素体中溶解度大、扩散能力强 铁素体的含量一般控制在510% 铁素体组织含量过高，双相组织将会由于原电池原理使总抗腐蚀能力下降，力学性能也要降低。,40,B. 焊接工艺 i以快焊快冷为原则，尽量采用大的焊接速度，短弧焊，不横向摆动 .采用小电流、直流反接为宜 .不要在焊接接头附近引弧，不要敲打工件。 iv与腐蚀介质接触侧焊缝尽量安排在最后焊接 . 存在晶间腐蚀倾向时，采用焊后热处理工艺,41,稳定化退火 加热到850保温2h后空冷，使碳化物充分析出，铬得到充分扩散以补充贫铬区的铬 固溶处理 加热到10501150，使焊接时析出的碳化铬重新分解溶人奥氏体内，经淬火即进入未贫铬区。此工艺较复杂，仅适用于小件。 经固溶处理的焊缝若再度加热到敏化温度区，仍有出现晶间腐蚀的可能。,42,(2)热裂纹 原因 低熔点共晶体的存在 奥氏体不锈钢中的镍等元素及钢中的有害元素硫、磷，都是生成低熔点共晶的合金元素 如生成的Ni+Ni3S2共晶的熔点为645，Ni+Ni3P共晶的熔点为880 18-8型奥氏体不锈钢导热系数小，线胀系数大为低碳钢的1.5倍 焊接应力、焊接变形大，焊缝金属及过热区过热倾向大，增加了对热裂纹的敏感性,43,预防措施 严格限制焊缝中的硫、磷等有害元素的含量。 控制焊缝成分 使其形成由奥氏体与铁素体组成的双相组织，并控制铁素体的含量不宜过高了，双相组织焊缝具有较高的抗裂性 用碱性焊接材料，低线能量，快焊快冷，防止过热 尽量减少焊接残余应力,44,4.7 有色金属及合金,45,铝及铝合金的焊接 较好的耐腐蚀性能，而且低温性能也较好，常用做压力较低的换热装备和储存装备 铝很活泼，在空气中就会与氧结合，在表面生成一层致密的Al2O3薄膜，可防止硝酸、乙酸的腐蚀，但在碱类和含有氯离子的盐类溶液中，Al2O3薄膜很容易被破坏，引起纯铝的强烈腐蚀。 在铝中加入铜、镁、锰等合金元素 工业纯铝有Ll、L2、L3等；防锈铝合金有LF1、LF2、LF3等其强度适中，塑性、耐腐蚀性好，是目前铝合金焊接结构中应用最广的。,46,(1) 焊接特点 焊接过程中，表面极易形成Al2O3氧化膜，熔点高(达2050)，不熔化，容易造成不融合现象 由于氧化膜比重同铝极其接近，容易成为焊缝中夹渣物 铝及铝合金的导热系统比热容很大(比钢大一倍多) 气孔是容易产生的缺陷 氢 铝及铝合金液体在高温下很容易吸收大量气体，焊接后冷却凝固过程中来不及析出，聚集在焊缝中形成气孔,47,铝及铝合金的热裂纹倾向性大 线膨胀系数约为钢的两倍，凝固收缩时的体积收缩率达6.5左右，过大的内应力而在脆性温度区间内产生热裂纹！,48,(2) 焊接过程 焊前必须认真清理铝及铝合金与焊接材料表面的氧化物及污物，并防止焊接过程中再氧化 钨极氩弧焊，熔化极氩弧焊可获得满意的焊接接头 焊接材料要烘干，并要严格保管、发放 高温焊接时强度很低，液态金属及附近金属容易塌陷。为了保证焊透而又不致塌陷，焊接时常采用垫板托住熔化金属及附近金属，垫板可用石墨、钢材,49,钛及钛合金的焊接 钛(Ti)熔点1668、密度4.51gcm3(约为铁的一半)。在退火状态下工业钝钛的抗拉强度为350700MPa，延伸率为2030，冷弯角为80-130 钛合金的最大优点是比强度(抗拉强度密度)大，而且有较好的韧性、焊接性、良好的耐腐蚀性。 在氧化性、中性及有氯离子的介质中，其耐腐蚀性均优于不锈钢，甚至超过lCr18Ni9Ti钢的十倍。 在还原性介质如稀盐酸和稀硫酸中，钛的耐腐蚀性较差，但经过氮化处理后，耐腐蚀性大大提高。 钛在高温和低温下都具有良好的性能， 例如，铝在150、不锈钢在310时就会失去原有的性能，而钛在550时，性能还保持不变。钛在超低温下(如-253)也能保持良好的性能。,50,(1)钛及钛合金的分类 钛合金退火状态的室温平衡组织分 钛合金 钛合金 +钛合金 分别用TA、TB和TC表示,51,(2) 焊接特点 钛活泼 钛在常温下能与氧生成致密的氧化膜而保持高的稳定性和耐腐蚀性，在540以上生成的氧化膜则不致密。 300以上即可快速吸氢，600以上快速吸氧，700以上快速吸氮，另外，钛易与碳形成硬而脆的TiC，易引起裂纹。 钛的熔点高(1668) 导热性差，接头易产生晶粒长大倾向(特别是钛合金)，产生过热组织，使接头塑性降低。 钛的弹性模量是钢的一半 焊接后变形较大，而且校正较困难,52,(3)钛及钛合金的焊接 用惰性气体保护焊(如氩气保护电弧焊)、真空电子束焊等，在焊接前就进入保护状态，注意焊接接头周围的保护。 表面清理 严格防止铁离子对焊缝的污染 切割下料用机械加工方法 尽量选用低的焊接线能量,53,4.8 奥氏体不锈钢与普通钢 奥氏体不锈钢与普通钢的焊接 不锈钢与普通钢复合板的焊接 普通钢表面堆焊不锈钢耐腐层 异种金属焊接的最大问题是焊缝的稀释及过渡层的形成,54,焊缝稀释 奥氏体不锈钢与普通钢焊接普遍选用不锈钢焊条或焊丝 由于普通钢合金元素含量很低，它对由焊接材料以及两种不同类型的母材金属融合而成的整个焊缝金属的合金成分具有冲淡作用 过渡层形成 事实上焊缝是不可能完全均匀混合，在熔池边缘液态金属温度较低，流动性较差，液态停留时间短，母材与填充金属不能充分地混合,55,5 焊后热处理 5.1 目的和规范 (1) 目的 a松弛焊接残余应力 b稳定结构形状和尺寸 c改善母材、焊接接头和结构件的性能 软化焊接热影响区 提高焊缝的延性 提高断裂韧性 利于焊接接头氢等有害气体扩散、逸出 提高蠕变性能,56,(2)焊后热处理规范 a加热温度 b保温时间 c升温速度 d冷却速度 e进、出炉温度 推荐规范详见JB/T470992钢制压力容器焊接规范,57,5.2 焊后热处理方法 炉内整体热处理 炉内分段加热处理 炉外整体焊后处理 炉外局部焊后热处理,58,5.3 钢制压力容器应进行焊后热处理的条件 中国GB 150一98钢制压力容器 i 钢材厚度符合以下条件者应进行焊后热处理 碳素钢、07MnCrMoVR厚度大于32mm(如焊前预热100以上时，厚度大于38mm)；16MnR厚度大于30mm (如焊前预热100以上时，厚度大于34mm)；15MnVR厚度大于28mm(如焊前预热100以上时，厚度大于32mm)；任意厚度的15MnVNR、18MnMoNbR、13MnNiMoNbR、15CrMoR、14CrlMoR、12Cr2MolR、20MnMo、20MnMoNb、15CrMo、12CrlMoV、12Cr2Mol和1Cr5Mo。 除图样另有规定，奥氏体不锈钢焊接接头可不进行热处理。,59,图样注明盛装毒性为极度或高度危害介质的容器。 图样注明有应力腐蚀的容器，如盛装液化石油气、液氨等的容器。 需要焊后进行消氢处理的容器如免做消氢处理。则焊后应随即进行焊后热处理。,60,十三 焊接方法,61,