加热器的焊接工艺设计

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1、河南机电高等专科学校毕业论文1 1 绪论随着社 会活动和 生产活 动的飞 速发展， 各领域 中的科学 技术水 平不断提 高，从而推动各 行各业 的进步。 工业是 国民经济 的基础 ，而重工 业又是 工业的重 中之重，交通运 输业则 是发展各 行各业 的先导， 石油化 学工业又 是尖端 科学技术 的发展对金属材 料提出 越来越高 的要求 。1.1 不锈钢 的发展 历史近两 年随着我 国钢铁 工业的迅 猛发展 ，我国不 锈钢工 业也取 得令人瞩 目的 成绩， 2006年 开始我 国一些不 锈钢项 目陆续投 产，国 内产量突 飞猛进 ，在替代 进口的同时，由 于品种 和质量的 提高， 出口份额 也在

2、明 显增多。 不锈钢 供需状况 发生较大的转变 ，冷轧 不锈钢薄 板自给 率开始明 显提升 ，并伴有 大量的 产品出口 ，进口量迅速下 滑。 2006年我国 不锈钢 粗钢产量 达到 561 万吨， 是产量 增幅最大 的一年，使中国 成为全 球最大的 不锈钢 生产国和 消费国 。国内不 锈钢产 能已占全 球不锈钢产能的 四分之 一，从根 本上改 变了世界 不锈钢 产业的格 局。随 着近两年 不锈钢产量的快 速释放 ，中国将 由世界 上最大的 不锈钢 净进口国 转变为 不锈钢净 出口国。不锈 钢自本世 纪问世 以来，到 现在已 有 80年的 历史。 不锈钢 的发展是 冶金 史上的一项重 大成就 ，

3、不锈钢 的发展 为近代工 业发展 和科技进 步奠定 了重要的 物质技术基础。 他在发 展过程中 逐渐形 成了马氏 体不锈 钢（也包 括沉淀 硬化不 锈钢 ） ， 铁素 体不锈 钢，奥氏 体不锈 钢和奥氏 体 + 铁素体不锈 钢等四 类。目前 ，世界上不锈钢 年产量 已近 1150万吨， 约占全世 界年产 量的 1.5%。中国 不锈钢的 科研和 大量生产 以及广 泛应用已 有40年 以上的 历史，不 锈钢 年产量最高已 达40万吨，没年 还大量 进口不锈 钢材。 据统计， 连同国 外进口的 数量在内，我国 每年不 锈钢的耗 量约占 我国钢产 量的 0.7%0.8% 。由于 不锈钢号 多，品种，规

4、格 齐全， 性能适应 性广泛 ，因而不 锈钢的 应用范围 极广。 主要用于 化工，石油， 湿法冶 金，航天 ，航空 ，核工业 ，交通 运输，轻 工业， 纺织，电 子等工业部门中 ，同时 也大量用 于日常 生活。不 锈钢虽 然主要是 作为耐 蚀材料， 但也可作为耐热 材料， 低温材料 ，无磁 材料，耐 磨材料 和功能材 料等。河南机电高等专科学校毕业论文2 1.2 奥氏体 不锈钢 的重要作 用奥氏 体不锈钢 是不锈 钢中最重 要的钢 类，其生 产量和 使用量 约占不锈 钢总 产量的 70%。 钢号也 最多，当 今我国 常用奥氏 体不锈 钢的牌号 就有 40多个，并 已有33个牌号纳 入国家 标准

5、。按照 维持合金 奥氏体 基体所采 用的合 金化方式 ，奥氏 体不锈 钢可分为 铬镍 不锈钢和铬锰 不锈钢 两大系列 。前者 以镍为主 要奥氏 体化元素 ，是奥 氏体不锈 钢的主体。后者 的奥氏 体化元素 除锰以 外，还有 氮，并 常常含有 适量的 镍，因此 这一系列多被称 为铬锰 氮不锈钢 或铬锰 镍氮不锈 钢。与 铁素体， 马氏体 不锈钢及 铁素体 - 奥氏体 双向不 锈钢相比 ，铬镍 奥氏体不 锈钢在 多种腐蚀 介质中 具有优秀 的耐蚀性，并且 综合力 学性能良 好，同 时工艺性 能和可 焊性等优 良，因 而在多种 化学加工及轻工 等领域 或得了最 广泛的 应用。奥 氏体不 锈钢的非 铁

6、磁性 和良好的 低温韧性也进一 步扩大 了应用范 围。但 是铬镍奥 氏体不 锈钢强度 ，硬度 偏低，不 宜用于承受较重 载荷及 对硬度及 耐磨性 有要求的 设备和 部件。而 铬镍氮 奥氏体不 锈钢由于氮的固 熔强化 可以达到 相当高 的强度， 适宜用 于承受较 重负荷 而耐蚀性 要求不太高的设 备构件 。因奥氏 体不锈 钢在任何 温度下 都不发生 相变 , 无淬硬倾 向 ,对氢也不敏 感 , 焊接接头在 焊态下 具有较好 的塑性 和韧性, 所以与 其他类型 的不锈钢相比其 焊接性 良好。1.3 不锈钢 在焊接 时需要注 的问题由于 焊接技术 的迅速 发展，现 代锅炉 、压力容 器与管 道已演

7、变成典型 的全 焊结构，因此 ，在设 计这些装 备时应 充分考虑 从焊接 技术角度 提出的 基本要求 。例如在选材时 ，应选 用焊接性 良好的 材料。在 强度计 算和结构 设计时 应注意合 理选取焊缝强度 系数， 开孔补强 形式。 接头形式 的设计 应保证焊 缝的强 度性能， 应避免应力集中 。焊缝 的布置应 有良好 的可达性 和可检 验性。鉴 于锅炉 和压力容 器可能经受各种 形式的 载荷和恶 劣的工 作环境， 故对有 些受压部 件及其 焊接接头 应着重分析其抗 断裂性 、抗疲劳 性并考 虑焊接热 影响区 性能的变 化和焊 接残余应 力对其不利的影 响。对 于在氢介 质和腐 蚀介质下 工作的

8、 容器应仔 细分析 氢脆、应 力腐蚀、腐蚀疲 劳可能 产生的后 果，并 从选材和 结构设 计上采取 乡音个 的防范措 施。河南机电高等专科学校毕业论文3 2 304 奥氏体不锈钢的焊接性分析2.1 奥氏体 不锈钢 的成分及 性能2.1.1 母 材 成分牌号： 0Cr18Ni9标准： GB/T 1220-1992特性及 适用范围 ：作为不 锈钢耐热 钢使用 最广泛， 食品用 设备，一 般化工 设备，原 子能用 工业设备。化学 成分见 表 2-1 。表2-1 0Cr18Ni9的 化 学 成 分CSi Mn SPCr Ni 0.07 1.00 2.00 0.030 0.035 17.00 19.00

9、8.00 11.002.1.2母 材性 能一 、力 学性能0Cr18Ni9 奥 氏体不锈钢 的力学 性能见表2-2 。表2-2 0Cr18Ni9的 力 学 性 能抗 拉 强 度 b (MPa)条 件 屈 服 强度 0.2 (MPa)伸 长 率5 ( )断 面 收 缩 率( )硬 度HBHRBHV520205 40 60187HB90 HRB200HV铬镍 奥氏体不 锈钢具 有较好的 塑性和 韧性，无 淬硬倾 向，易 于采用各 种熔 焊方法焊接。 焊接接 头在焊后 状态具 有较高的 力学性 能，通常 焊后无 需热处理 ，焊接工艺较简 单。但 因奥氏体 钢不发 生二次相 变，焊 缝金属初 生柱状

10、晶体比较 发河南机电高等专科学校毕业论文4 达，对焊接 热裂纹 比较敏感 ，尤其 是当采用 高热输 入量焊接 时，热 裂纹问题 更为突出，必须 杂焊接 材料的选 配和焊 接工艺上 采用相 应的措施 。二、 耐蚀性分 析1 晶 间腐蚀晶 间 腐蚀起源 于金属 表面沿金 属晶界 发生的有 选择的 溶入金 属内部的 腐蚀 。该种腐蚀是 种局部 腐蚀 , 能 够导致 晶粒间的 结合力 丧失 , 材 料强度 几乎消失 。所以在所有的 腐蚀形 式中 , 晶 间腐蚀 的危害性 最大 , 容易造成 设备突 然破坏 , 而在金属外形上 没有任 何变化。 奥氏体 不锈钢和 铁素体 不锈钢均 会产生 晶间腐蚀 。奥

11、氏体不锈 钢焊缝 和热影响 区敏化 区的晶间 腐蚀， 都与敏化 处理使 晶界形成 贫铬层有关。焊 缝产生 晶间腐蚀 可能有 两种情况 ：一种 是焊态下 已有 Cr23C6析出 ，如多层焊缝的 重复加 热区域； 另一种 为接头在 焊态下 无贫铬层 ，焊后 经过了敏 化处理，因而具 有晶间 腐蚀倾向 。“贫 铬理论” 角度看 奥氏体不 锈钢在 固熔状态 下，碳 以过饱 和形式溶 解于 固溶体中。 加热时 ，过饱和 的碳以 Cr23C6的 形式沿 晶界析出 。 Cr23C6析出消 耗大量的铬，因 而使晶 界附近的 铬含量 降到低于 钝化所 需的最低 含铬量 ，则在晶 界表面形成了贫 铬层。 贫铬层的

12、 电极电 位比晶粒 内低的 多，当金 属与腐 蚀介质接 触时，就形成 了微电 池，电极 电位低 的晶界成 为阳极 ，则被腐 蚀溶解 。奥氏体不 锈钢在加 热到 400-800 时，对 晶间腐蚀 最敏感 ，此温度 区间称 为敏化温度区 。由于 奥氏体不 锈钢焊 接接头处 在焊接 的快速连 续加热 过程中 ，Cr23C6析出 需要在 更高的温 度下才 能充分进 行，所 以焊接接 头的敏 化温度范 围为600-1000 ，高于 平衡条件 下的敏 化温度。 在焊接 接头的敏 化温度 区间时， 金属晶粒内部过 饱和的 碳原子会 逐步向 晶粒边缘 扩散， 与晶粒边 缘层的 铬原子结 合成Cr23C6，并

13、沿晶界 沉淀析出 。这是 由于铬原 子的扩 散速率比 碳原子 慢的多， 晶粒内部的铬原 子来不 及扩散到 晶粒表 面，补充 形成 Cr23C6所消 耗的铬 ，故晶粒 边缘层的铬含量 低于耐 蚀所需铬 的极限 值。有腐 蚀介质 作用时， 缺铬区 域将明显 腐蚀，即产生 了焊接 接头的晶 间腐蚀2 结 晶裂纹铬镍 奥氏体不 锈钢焊 缝金属中 结晶裂 纹的形成 ，首先 与结晶 过程中低 熔点 液膜的存在有 关。这 些低熔点 液膜通 常分布于 奥氏体 柱状晶体 之间， 当焊缝金 属冷却过程中经 受的应 变速率高 于低熔 点共晶体 的凝固 速度，则 就必然 产生裂纹 。其河南机电高等专科学校毕业论文5

14、次，焊接熔 池初生 晶体的长 大方向 与残留低 熔共晶 液膜的分 布位置 之间的关 系也是一个重要 因素， 下图示出 了三种 典型的焊 缝金属 结晶方式 。如焊 缝金属按 图 2-2 和图 2-3 孪生结 晶方式凝 固，则 低熔点 液膜将被 夹在 正长大的柱状 晶体之 间，或夹 在从两 侧相对增 长的晶 面之间。 在这种 情况之下 ，初生柱状晶体 很容易 被焊缝收 缩应力 拉开而形 成裂纹 。如果熔 池按图 2-1 的共 生结晶方式凝固 ，则低 熔点液膜 将被正 长大的晶 体推向 熔池顶部 ，而不 会嵌楔于 柱状晶体或晶面 之间， 这样即使 焊缝收 缩应力较 高，亦 不易产生 结晶裂 纹。铬镍

15、 奥氏体不 锈钢焊 缝金属的 结晶模 式，对结 晶裂纹 的形成 亦起重要 的作用。铬镍奥 氏体不 锈钢焊缝 金属按 其合金成 分，可 能有三种 结晶模 式：第一 种是全奥氏体结 晶模式 ；第二种 是先奥 氏体 + - 铁素 体结晶模 式，即 先结晶奥 氏体晶粒后，在 晶界处 形成 - 铁素体 ；第三种 是先 - 铁素体 + 奥氏 体结晶模 式，即先析出 - 铁素 体，后形 成奥氏 体 + - 铁素体 。在这三 种结晶 模式中， 按先 - 铁素体 + 奥氏 体结晶模 式结晶 的焊缝金 属抗裂 性最高， 而按全 奥氏体结 晶模式结晶的焊 缝金属 抗热裂性 最低。铬镍 奥氏体不 锈钢焊 缝金属的 结

16、晶模 式，主要 取决于 其合金 成分的铬 镍当 量Cr/Nieq。 当 Cr/Nieq 1.471.58 时 ，焊 缝金属 以先 - 铁素体 模式结晶 。当Cr/Nieq 1.4 时， 则以全 奥氏体 模式结晶 。当此 比值处于 中间值 时，则以 先奥氏体 + - 铁素体 模式结晶 。而 0Cr18Ni9 奥 氏体不 锈钢的铬 镍当量 Cr/Nieq1.471.58 ，所以 它的焊缝 金属抗 裂性最高 。3 点 蚀点蚀 是指在金 属表面 产生的尺 寸约小 于 1 。 0mm 的穿 孔性或 蚀孔性的 宏观 腐河南机电高等专科学校毕业论文6 蚀。这是以 腐蚀破 坏形貌特 征命名 的。其主 要是由 材料表面 钝化膜 的局部破 坏所引起的 , 经 实验研 究表明 , 材料的 阳极电位 值越高 , 抗点蚀 能力越 好。超低 碳高铬镍含钼奥 氏体不 锈钢和超 高纯度 含高铬铁 素体不 锈钢均有 较高的 耐点蚀能 力。4 缝 隙腐蚀缝隙 腐蚀是金 属构件 缝隙处发 生的斑 点状或溃