过程装备制造与检测-4焊接

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1、第二篇 过程装备制造工艺,三 常用钢材的焊接 1 金属材料的焊接性 金属材料的焊接性是指材料在一定的焊接工艺条件下(包括焊接方法、焊接材料、焊接工艺参数和结构形式等)，能否获得优质焊接接头的难易程度和该焊接接头能否在使用 条件下可靠运行。因此，材料的焊接性可分为工艺焊接性和使用焊接性。,第二篇 过程装备制造工艺,工艺焊接性是指在一定焊接工艺条件下，能否获得组织、性能均匀一致，无缺陷的焊 接接头的能力。即复杂的焊缝冶金反应对焊缝性能和产生缺陷的影响程度，以及焊接热源对热影响区组织性能及产生缺陷的影响程度。压力容器要求评定工艺缺陷的内容主要是抗裂性试验，对于有色金属还包括抗气孔试验。 使用焊接性是

2、指焊接接头或整体结构满足技术条件所规定的各种使用性能的程度。包括常规的力学性能及特定条件下的性能，如抗脆性断裂性能，蠕变、疲劳性能，持久强度，耐腐蚀性能等。使用条件下的性能较为复杂、严格。,第二篇 过程装备制造工艺,(2)工艺焊接性的试验方法 碳当量法 影响焊接性的因素很多，碳当量法就是把钢材化学成分中的碳和其他金元素的含量多少对焊后淬硬、冷裂及脆化等的影响折合成碳的相当含量，并据此含量的多少来判断材料的工艺焊接性和裂纹的敏感性。国际焊接协会(IIW) 式中,化学成分中的元素含量均取上限,表示在钢中的质量分数。,适用于中、高强度的非调质低合金高强钢（b=500900MPa);也适用于含碳量偏高

3、的钢种（C0.18);（低碳钢C0.25%)CE值越大，被焊材料的淬硬倾向越大 ，热影响区就容易产生冷裂纹，工艺焊接性越不好。根据经验： CE0.4时，钢材塑性良好，淬硬倾向不明显，焊接性良好。一般焊接工艺条件下，焊件不会产生裂纹。但厚大工件或在低温下焊接时，应考虑预热。, CE0.40.6时，钢材塑性下降，淬硬倾向明显，焊接性能相对较差。焊前工件需要适当预热，焊后要缓冷。要采取一定的工艺措施才能防止裂纹。 CE0.6时，钢材塑性较低，淬硬倾向明显，焊接性不好，焊前必须预热到较高的温度，焊接时要采取减少焊接应力和防止开裂的工艺措施，焊后要进行适当的热处理。注意，当量法估算是粗略的，因为钢材的焊

4、接性还受结构刚度、焊后应力条件、环境温度等因数影响，实际工作中根据实际情况进行抗裂试验及焊接接头使用焊接性的试验。,第二篇 过程装备制造工艺,CEN碳当量公式：目前应用范围较广的碳当量公式 式中A（C）碳的适用系数； 该公式适用于评价0.034%0.245%的碳钢，同时反映了碳当量与钢材冷裂纹倾向性之间的关系。当C%0.17时与CE接近；当C%0.17时与Pcm接近。 目前应用范围较广的碳当量公式 ，对于确定防止冷裂的预热温度比其他碳当量公式更为可靠。化学成分的冷裂敏感指数Pcm，日本人伊藤等通过对200多个钢种的大量试验提出的：,第二篇 过程装备制造工艺,(3)使用焊接性的试验方法 a.常规

5、力学性能法 主要是测定焊接接头（包括母材焊缝金属和热影响区）在不同载荷下的强度、塑性和韧性。由于焊接接头的金相组织和化学成分的不均匀性，从而导致了接头存在力学性能的不均匀性，因此有以下试验项目：,第二篇 过程装备制造工艺,焊接接头的拉伸试验 一般采用横向试样。如果焊缝金属强度超过母材金属强度，大部分的塑性变形将在母材金属内产生，从而造成在焊缝区域以外的颈缩和破坏，说明焊缝金属强度超过母材，但不能说明焊缝的塑性。当焊缝金属强度远远低于母材时，塑性应变集中在焊缝内发生。所以横向焊接接头拉伸试验可以作为接头抗拉强度的尺度，但不能评价接头的屈服点与伸长率。,第二篇 过程装备制造工艺,焊接接头的冲击试验

6、 有带V形缺口或U形缺口两种试样。V形试样缺口较尖锐，它对材料脆性转变反应灵敏，断口分析比较清晰，目前国际上应用比较广泛。U形缺口的冲击试样，对于材料脆性转变反应不灵敏，目前正逐步被淘汰。击试验冲断试样时，试样经历弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。焊接接头的弯曲试验 主要用来评定焊接接头的塑性和致密性。接头弯曲试样可以与焊缝轴线平行或垂直，并有横弯、侧弯、纵弯三种弯曲方法。,第二篇 过程装备制造工艺,焊接接头应变时效敏感性试验 焊接构件在制造与服役过程中，某些工序或工况条件使接头承受不同程度的塑性变形，例如焊后冷作成形、矫正等。随着时间的延长，有的焊接接头的冲击韧性有下降的趋势，甚至发生脆化，

7、这种现象称为冷作时效脆化。焊接接头及堆焊金属硬度试验法 焊接接头及堆焊金属的强度、塑性、韧性、耐磨性以至抗裂性均与硬度相关。,第二篇 过程装备制造工艺,2 碳钢的焊接 （1）碳钢的分类按含碳量分类： 低碳钢C0.25; 中碳钢 0.25 C0.60%; 高碳钢 C0.60%;按钢材脱氧程度的不同分类： 沸腾钢（F）；半镇静钢（b）； 镇静钢（Z）；特殊镇静钢（TZ）,第二篇 过程装备制造工艺,按用途分类： 结构钢，用来制造各种金属构件和机器零件； 工具钢，用来制造各种工具（量具、刃具、模具）。按质量钢中有害元素、硫和磷的含量分类： 普通碳素钢S0.050， P0.045； 优质碳素钢S0.03

8、5， P0.035； 高级优质碳素钢S0.030， P0.035；,固容规对材料的有关规定,2.3.1 用于焊接的碳素钢和低合金钢 C0.25%，P0.035% ，S0.035% 2.3.2 压力容器专用钢中的碳素钢和低合金钢（1）碳素钢和低合金钢基本要求：P0.030% S0.020% （2） b540MPa ：P0.025% ，S0.015%（3）-20以下，b540MPa ：P0.025% ，S0.012%（4）-20以下，b540MPa ：P0.020% ，S0.010%,第二篇 过程装备制造工艺,（2）低碳钢的焊接 因低碳钢含碳量低，硅、锰含量又少，一般情况下不会因焊接而引起严重硬化

9、或淬火组织。焊后的焊接接头塑性和冲击韧性也很好，因此焊接时可以采用常用的所有焊接方法，且不需要预热和后热，整个焊接过程不需要特殊的工艺措施。但要注意焊接线能量不宜过大，特别是埋弧焊时；同时在北方地区冬季露天施工时，可以考虑适当的预热。,第二篇 过程装备制造工艺,（3）中碳钢的焊接 随着含碳量的增加，焊接性逐渐变差。当含碳量达到0.50%左右仍按焊接低碳钢工艺施焊时，则热影响区可能产生硬脆的马氏体组织，和冷裂纹。 焊接时母材熔化进入焊缝，使其含碳量增高，容易产生热裂纹，若含硫的杂质含量增加，热裂纹产生的可能性也大大增加，在弧坑处更为敏感。,第二篇 过程装备制造工艺,中碳钢焊接时应注意以下几点：

10、大多数情况下需要预热和控制层间温度，以降低冷却速度，防止产生马氏体组织。 预热温度：35和45钢可为150250；含碳量再高、厚板、拘束大等条件下，可为250400。 层间温度：多层焊时，在施焊后继焊道之前，其相邻焊道应保持的最低温度。 焊后最好立即进行消除残余应力热处理，特别是在厚大件、刚性大的结构或工作； 条件较苛刻(如动载荷、冲击载荷等)的情况下，更应考虑。清除残余应力回火温度一般为600650。,第二篇 过程装备制造工艺,如果不可能立即消除残余应力，也应采用后热工艺，以便使扩散氢逸出。后热温度可视具体情况而定，后热保温时间大约每l0mm厚度为lh左右。 焊接沸腾钢时注意向焊缝过渡锰、硅

11、、铝等脱氧剂元素，以防止减少气孔的产生。 应选低氢焊接材料。特殊情况下可以选用铬镍不锈钢焊条焊接，不需预热、焊缝奥氏体金属塑性好，可以减小焊接接头残余应力，避免热影响区冷裂纹产生。,第二篇 过程装备制造工艺,可选的铬镍不锈钢焊条牌号有奥102、奥107、奥302、奥307、奥402、奥407等。 如果选用碳钢或低合金钢焊条，而焊缝与母材不要求等强度时，可以选用强度等级比母材低一挡的低氢焊条。例如，母材为490MPa级，则焊条可选用J426或J427，代替 J506或J507。若母材与焊缝强度要求相等时 ， 35钢可选J506，J507；45钢可选J556， J557；55钢可选J606，J60

12、7。,第二篇 过程装备制造工艺,3 低合金钢的焊接 低合金钢是在碳素钢基础上加入一定量合金元素的合金钢。合金元素的总含量般不超过5，以提高钢的强度，同时保证其具有一定的塑性和韧性；或者是为了达到某些特殊性能要求，如耐低温、耐高温或耐腐蚀性等。 在焊接结构中常用的低合金钢有强度用钢(高强钢)、低温用钢、耐蚀钢及珠光体耐热钢四类。,第二篇 过程装备制造工艺,（1）强度用钢（高强钢）的焊接 这类钢的主要特点是强度高，塑性、韧性也较好，广泛用于压力容器、桥梁、船舶、飞机和其他装备。中国低合金高强度钢是以屈服强度来划分强度级别的，目前常用高强钢大致如下： 屈服强度在400MPa的低合金钢，一般都在热轧或

13、正火状态下使用，基体组织为铁素体珠光体，如16Mn钢等。这是低合金高强钢中应用最广泛的钢，是制造中低压容器和一般钢结构的代表材料，焊接性很好。,第二篇 过程装备制造工艺,16Mn钢的屈服强度为294343MPa，基本属于热轧的低合金钢。其综合性能、焊接性及加工工艺性能均优于普通碳素钢，且质量稳定，与碳素钢相比，使用16Mn钢可节省钢材2030。其使用温度在40 450范围内。 当16Mn钢作为低温压力容器或厚板结构用钢时，为改善低温韧性，也可以在正火处理后使用。热轧、正火钢按其用途可以分为压力容器用钢、锅炉用钢、焊接气瓶用钢及桥梁用钢等，分别在钢牌号后标以R、g、HP及q等，如16MnR、16

14、Mng等。,第二篇 过程装备制造工艺,16Mn钢是在低碳钢的基础上加入了少量合金，其加工性能与低碳钢相似，具有较好的塑性和焊接性。由于加入了少量合金元素，其强度增加，淬硬倾向比低碳钢稍大，所以在较低温度下或刚性大、厚壁结构的焊接时，需要考虑采取预热措施，预防冷裂纹的产生。 常温下焊接板厚大于30mm时需要预热。屈服强度在500MPa的低合金钢： 中国典型代表钢种为18MnMoNb钢，以正火回火状态供货。是中温、中高压、厚壁压力容器的主要用钢。具有良好的综合力学性能，可在450以下使用。,第二篇 过程装备制造工艺,（2）低温用钢的焊接 低温用钢主要用于20 低温以下工作的容器、管道等设备的钢，可

15、分为无镍和含镍为主，代表钢种16MnDR、A203-72。 低温用钢主要性能要求是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。一般通过合金元素的固溶强化细化晶粒，并通过正火、回火处理细化晶粒、均化组织，从而获得良好的低温性能。无镍的使用范围-30-90 ;含镍的-70-170 ，基本上进口的，在钢中加入合金元素Ni可以显著改善钢的低温韧性。 焊接时采用小的焊接线能量，焊接电流不宜过大，宜用快速多焊道方法，多焊道要控制层间温度不宜过高。,第二篇 过程装备制造工艺,（4）耐热钢的焊接 耐热钢是长期在高温条件下工作，仍具备有高温持久强度、蠕变强度和抗氧化性、抗脆断能力、耐蚀性等性能的用钢。 按其合金成分的含量可分为低合金（5）、中合金（512）、高合金耐热钢（高于13）。 耐热钢中Cr和Mo是重要合金元素，其中Cr主要有抗氧化作用，在高温下与氧结合强，在金属表面形成Cr2O3稳定化合物包围金属，阻止了金属继续氧化；耐热钢在温度较高下的金属原子活动能较强，由于金属再结晶的结果，使金属性能软化，而Mo可以提高再结晶温度，阻碍高温下原子的活动能力，提高热强性。碳易于和铬结合，降低了抗氧化性，因此碳含量应小于0.25。,