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焊接工艺问答之常用金属材料的焊接(1)
双击自动滚屏 发布者:chinaweld 发布时间:9/4/2006 阅读:14492

 

        

 

 

六、常用金属材料的焊接

 

1  什么是焊接性?试述碳钢的焊接性。

焊接性是指材料在限定的施工条件下焊接成按规定设计要求的构件,并满足预定服役要求的能力。焊接性受材料、焊接方法、构件类型及使用要求四个因素的影响。

碳钢是以铁元素为基础的,铁碳合金,碳为合金元素,其碳的质量分数不超过1%,此外,锰的质量分数不超过1.2%,硅的质量分数不超过0.5%,后两者皆不作为合金元素。其它元素如NiCrCu等均控制在残余量的限度以内,更不作为合金元素。杂质元素如SPON等,根据钢材品种和等级的不同,均有严格限制。因此,碳钢的焊接性主要取决于含碳量,随着含碳量的增加,焊接性逐渐变差,其中以低碳钢的焊接性最好,见表1

1  碳钢焊接性与含碳量的关系

 

碳的质量分数(%

典型硬度

典型用途

焊接性

低碳钢

0.15

60HRB

特殊板材和型材薄板、带材、焊丝

0.150.25

90HRB

结构用型材、板材、棒材

中碳钢

0.250.60

25HRC

机器部件和工具

  中(需预热、后热,推荐使用低氢焊接方法)

高碳钢

0.60

40HRC

弹簧,模具,钢轨

  劣(需预热、后热,必需使用低氢焊接方法)

2  什么是碳当量?碳钢的碳当量如何计算?

把钢中合金元素(包括碳)的含量按其作用换自成碳的相当含量,称为该种钢材的碳当量,可作为评定钢材焊接性的一种参考指标。

碳钢中的元素除C外,主要是MnSi,它们的含量增加,焊接性变差,但其作用不及碳强烈。国际焊接学会推荐的碳当量公式为

 

 

                       Mn        Cu+Ni         Cr+Mo+V

        CEIIW= C + ──  + ──── + ────── (质量分数)(%

                        6          15             5

 

随着碳当量值的增加,钢材的焊接性会变差。当CE值大于0.4%0.6%时,冷裂纹的敏感性将增大,焊接时需要采取预热、后热及用低氢型焊接材料施焊等一系列工艺措施。

3  利用碳当量值评价钢材焊接性有何局限性?

碳当量值只能在一定范围内,对钢材概括地、相对地评价其焊接性,这是因为:

1)如果两种钢材的碳当量值相等,但是含碳量不等,含碳量较高的钢材在施焊过程中容易产生淬硬组织,其裂纹倾向显然比含碳量较低的钢材来得大,焊接性较差。因此,当钢材的碳当量值相等时,不能看成焊接性就完全相同。

2)碳当量计算值只表达了化学成分对焊接性的影响,没有考虑到冷却速度不同,可以得到不同的组织,冷却速度快时,容易产生淬硬组织,焊接性就会变差。

3)影响焊缝金属组织从而影响焊接性的因素,除了化学成分和冷却速度外,还有焊接循环中的最高加热温度和在高温停留时间等参数,在碳当量值计算公式中均没有表示出来。

因此,碳当量值的计算公式只能在一定的钢种范围内,概括地、相对地评价钢材的焊接性,不能作为准确的评定指标。

4  试述低碳钢的焊接性。

由于低碳钢含碳量低,锰、硅含量也少,所以,通常情况下不会因焊接而产生严重硬化组织或淬火组织。低碳钢焊后的接头塑性和冲击韧度良好,焊接时,一般不需预热、控制层间温度和后热,焊后也不必采用热处理改善组织,整个焊接过程不必采取特殊的工艺措施,焊接性优良

但在少数情况下,焊接时也会出现困难:

1)采用旧冶炼方法生产的转炉钢含氮量高,杂质含量多,从而冷脆性大,时效敏感性增加,焊接接头质量降低,焊接性变差。

2)沸腾钢脱氧不完全,含氧量较高,P等杂质分布不均,局部地区含量会超标,时效敏感性及冷脆敏感性大,热裂纹倾向也增大。

3)采用质量不符合要求的焊条,使焊缝金属中的碳、硫含量过高,会导致产生裂纹。如某厂采用酸性焊条焊接Q235A钢时,因焊条药皮中锰铁的含碳量过高,会引起焊缝产生热裂纹。

4)某些焊接方法会降低低碳钢焊接接头的质量。如电渣焊,由于线能量大,会使焊接热影响区的粗晶区晶粒长得十分粗大,引起冲击韧度的严重下降,焊后必需进行细化晶粒的正火处理,以提高冲击韧度。

总之,低碳钢是属于焊接性最好、最容易焊接的钢种,所有焊接方法都能适用于低碳钢的焊接。

5  低碳钢焊接时,如何正确地选用焊接材料?

⑴手弧焊焊条的选用  常用低碳钢Q235的抗拉强度平均值为417.5MPa,根据等强度原则,与之匹配的焊条应为E43系列。几种不同钢号的低碳钢手弧焊时焊条的选用,见表2

2  低碳钢手弧焊时焊条的选用

   

一般结构选用的

焊条型号

动载荷、复杂、厚板结构,锅炉受压容器,低温焊接

选用的焊条型号

     

Q235

E4313E4303E4301E4320E4311

E4316E4315

E5016E5015

一般不预热

Q255

一般不预热

Q275

E4316E4315

E5016E5015

厚板结构预热150以上

08101520

E4303E4301E4320E4311

E4316E4315

E5016E5015

一般不预热

25

E4316E4315

E5016E5015

厚板结构预热150以上

20g22g

E4303E4301

E4316E4315

E5016E5015

厚板结构预热100150

20R

E4303E4301

E4316E4315

E5016E5015

一般不预热

注:表中括弧内的焊条型号表示可以代用。

 

⑵埋弧焊焊丝和焊剂的匹配选用  低碳钢埋弧焊时焊丝和焊剂的匹配选用,见表3

3  低碳钢埋弧焊焊丝与焊剂的匹配选用

  

                 

   

Q234

H08A

HJ430

HJ431

Q255

H08A

Q275

H08MnA

1520

H08AH08MnA

HJ430

HJ431

HJ330

25

H08MnAH10Mn2

20g22g

H08MnAH08MnSih10Mn2

20R

H08MnA

CO2焊丝的选用  实芯焊丝选用牌号为H08Mn2SiH08Mn2SiA两种,焊后熔敷金属强度偏高。药芯焊丝选用牌号为YJ502-1YJ506-2YJ506-3YJ506-4

⑷电渣焊焊丝和焊剂的匹配选用  电渣焊熔池温度比埋弧焊低,所以焊剂中的硅、锰还原作用弱,应选用含锰、含硅量较高的焊丝。常选用H10Mn2H10MnSi焊丝配合焊剂HJ360H10MnSi焊丝配合焊剂HJ431

6  低碳钢在低温下如何施焊?

严冬条件下焊接低碳钢结构时,由于焊接接头的冷却速度快,使裂纹倾向增大,特别是厚大结构的第一道焊缝容易开裂,为此必需采取如下工艺措施:

1)焊前预热,焊接过程中严格保持层间温度不应低于预热温度。

2)采用低氢或超低氢焊接材料。

3)定位焊时加大焊接电流,减慢焊接速度,适当增加定位焊缝的截面积和长度,必要时进行预热。

4)整条焊缝应尽量连续焊完,避免中断。

5)不应坡口面以外的母材上进行引弧,熄弧时需填满弧坑。

6)尽可能不在低温条件下进行弯板、矫正和装配焊件。

各种金属结构低温焊接时的预热温度见表4。管道、压力容器低温焊接时的预热温度见表5

4  低碳钢金属结构低温焊接的预热温度

焊件厚度(mm

在各种气温下的预热温度

30

3150

5170

不低于-30时不预热;低于-30时预热100150

不低于-10时不预热;低于-10时预热100150

不低于0时不预热;低于0时预热100150

5  低碳钢管道、压力容器低温焊接的预热温度

焊件厚度(mm

在各种气温下的预热温度

16

1730

3140

4150

不低于-30时不预热;低于-30时预热100150

不低于-20时不预热;低于-20时预热100150

不低于-10时不预热;低于-10时预热100150

不低于0时不预热;低于0时预热100150

7  试述中碳钢的焊接性。

中碳钢的碳的质量分数为0.25%0.60%。当碳的质量分数接近0.25%而含锰量不高时,焊接性良好。随着含碳量的增加,焊接性逐渐变差。如果碳的质量分数为0.45%左右而仍按焊接低碳钢常用的工艺施焊时,在热影响区可能会产生硬脆的马氏体组织,易于开裂,即形成冷裂纹。

焊接时,相当数量的母材被熔化进入焊缝,使焊缝的含碳量增高,促使在焊缝中产生热裂纹,特别是当硫的杂质控制不严时,更易出现。这种裂纹在弧坑处更为敏感,分布在焊缝中的热裂纹于是与焊缝的鱼鳞状波纹线相垂直,见图1

8  中碳钢焊接时,如何正确地选用焊条?

中碳钢的焊接目前大都采用手弧焊。为提高焊接接头的抗裂性,应选用低氢型焊条。个别情况下,也可采用钛钙型和钛铁矿型酸性焊条,但此时应采取严格的工艺措施,如焊前预热、减少熔合比(降低焊缝含碳量)等。

中碳钢手弧焊时焊条的选用,见表6

6  中碳钢手弧焊时焊条的选用

 

焊件含碳量(%

焊接件

焊件力学性能(≥)

选用焊条型号

σs

MPa

σb

MPa

δ

%

ф

%

αK

J

不要求等强度

要求等强度

35

ZG270500

0.32

0.40

0.310.40

一般

 

一般

315

 

270

530

 

500

20

 

18

45

 

25

55

 

22

 

E4303E4301

 

E4316E4315

E5016

E5015

45

ZG310570

0.420.50

0.410.50

较差

 

较差

355

 

310

600

 

570

16

 

15

40

 

21

39

 

15

E4303E4301

E4316E4315

E5016E5015

E5016

E5015

55

ZG340340

0.520.60

0.510.60

很差

 

很差

380

 

340

645

 

640

13

 

10

35

 

18

 

10

E4303E4301

E4316E4315

E5016E5015

E5016

E5015

特殊情况下,中碳钢焊接时可采用铬镍不锈钢焊条,如E0-19-10-16A102)、E0-19-10-5A107)、E1-23-13-16A302)、E1-23-13-15A307)、E2-26-21-16A402)、E2-26-21-15A407)等,因奥氏体焊缝金属的塑性良好,可以减小焊接接头应力,即使焊件焊前不预热,也可避免热影响区产生冷裂纹。

9  试述中碳钢的焊接工艺要点。

⑴预热  预热有利于减低中碳钢热影响区的最高硬度,防止产生冷裂纹,这是焊接中碳钢的主要工艺措施,预热还能改善接头塑性,减小焊后残余应力。通常,3545钢的预热温度为150250℃含碳量再高或者因厚度和刚度很大,裂纹倾向大时,可将预热温度提高至250400℃。

若焊件太大,整体预热有困难时,可进行局部预热,局部预热的加热范围为焊口两侧各150200mm

⑵焊条  条件许可时优先选用碱性焊条。

⑶坡口形式  将焊件尽量开成U形坡口式进行焊接。如果是铸件缺陷,铲挖出的坡口外形应圆滑,其目的是减少母材熔入焊缝金属中的比例,以降低焊缝中的含碳量,防止裂纹产生。

⑷焊接工艺参数  由于母材熔化到第一层焊缝金属中的比例最高达30%左右,所以第一层焊缝焊接时,应尽量采用小电流、慢焊接速度,以减小母材的熔深。

⑸焊后热处理  焊后最好对焊件立即进行消除应力热处理,特别是对于大厚度焊件、高刚性结构件以及严厉条件下(动载荷或冲击载荷)工作的焊件更应如此。消除应力的回火温度为600650℃。

若焊后不能进行消除应力热处理,应立即进行后热处理。

10  试述高碳钢的焊接工艺要点。

⑴焊接性  当高碳钢的碳的质量分数大于0.60%时,焊后的硬化、裂纹敏感倾向更大,因此焊接性极差,不能用于制造焊接结构。常用于制造需要更硬度或耐磨的部件和零件,其焊接工作主要是焊补修复。

⑵焊条选用  由于高碳钢的抗拉强度大都在675MPa以上,所以常用的焊条型号为E7015E6015,对构件结构要求不高时可选用E5016E5015焊条。此外,亦可采用铬镍奥氏体钢焊条进行焊接。

⑶焊接工艺

1)由于高碳钢零件为了获得高硬度和耐磨性,材料本身都需经过热处理,所以焊前应先进行退火,才能进行焊接。

2)焊件焊前应进行预热,预热温度一般为250350以上,焊接过程中必需保持层间温度不低于预热温度。

3)焊后焊件必需保温缓冷,并立即送入炉中在650进行消除应力热处理。

11  低合金高强钢的碳当量如何计算?

低合金高强钢碳当量的计算公式目前以国际焊接学会(IIW)所推荐的CE和日本JIS标准所规定的Ceq应用最为广泛,其计算公式为

 

 

Mn       Cr+Mo+v      Cu+Ni

        CEIIW=C + ── + ───── + ─── (质量分数)(%

6           5          15

 

 

                         Mn       Si       Ni       Cr       Mo        V

         CeqJIS=C + ─── + ─── + ─── + ─── + ─── + ─── (质量分数)(%

                          6       24       40        5        4        14

 

式中,化学元素都表示该元素在钢中的质量分数,计算时,元素含量均取其成分范围的上限。CE主要适用于文艺报非调质量低合金高强钢(σb=500900MPa)焊接性的估算;Ceq主要适用于低碳钢调质钢和低合金高强钢(σb=5001000MPa),但均适用于含碳量偏高的钢种(C的质量分数≥0.18%),这类钢化学成分的范围如下

C的质量分数为≤0.2%Si0.55%Mn1.5%Cu0.5%Ni2.5%Cr1.25%Mo0.7%V0.1%B0.006%

12  试述低合金高强钢的焊接性。

强度级别较低的低合金高强钢,如300400MPa级,由于钢中合金元素含量较少,其焊接性良好,接近于低碳钢。随着钢中合金元素的增加,强度级别提高,钢的焊接性也逐渐变差,出现的主要问题是:

⑴热影响区的淬硬倾向  含碳时较少、强度级别较低的钢种,如09Mn209Mn2Si09MnV钢等,淬硬倾向很小。随着强度级别的提高,淬硬倾向也开始加大,如16Mn15MnV钢焊接时,快速度冷却会导致在热影响区出现马氏体组织。

⑵冷裂纹  低合金高强钢焊接时,热影响区的冷裂纹倾向加大,并且这种冷裂纹往往具有延迟的性质,危害性很大。例如,材料为18MnMoNb钢壁厚115mm的一大型容器,由于预热温度不够,焊后在热影响区形成大量冷裂纹。

低合金高强钢的定位焊缝很容易开裂,其原因是由于焊缝尺寸小、长度短、冷却速度快,这种开裂属于冷裂纹性质。

⑶热裂纹  一般情况下,强度等级为294392MPa的热轧、正火钢,热裂倾向较小,但在厚壁压力容器的高稀释率焊道(如根部焊道或靠近坡口边缘的多层埋弧焊焊道)中也会出现热裂纹。电渣焊时,若母材的含碳量偏高并含镍时,电渣焊缝中可能会出现呈八字形分布的热裂纹。

强度等级为8001176MPa的中碳调质钢(如30CrMnSiA钢),焊接时热裂的敏感性较大。

⑷粗晶区脆化  热影响区中被加热至1100以上的粗晶区,当焊接线能量过大时,粗晶区的晶粒将迅速长大或出现魏氏组织而使韧性下降,出现脆化段。

13  试述低合金高强钢焊接时的主要工艺措施。

⑴预热  预热是防止裂纹的有效措施,并且还有助于改善接头性能。但预热会恶化劳动条件,使生产工艺复杂化,过高的预热温度还会降低接头韧性。因此,焊前是否需要预热以及预热温度的确定应根据钢材的成分(碳当量)、板厚、结构形状、刚度大小以及环境温度等决定。

⑵焊接线能量的选择  含碳低的热轧钢(09Mn209MnNb钢等)以及含碳量偏下限的16Mn钢焊接时,因为这些钢的冷裂淬硬、脆化等倾向小,所以对焊接线能量没有严格的限制。焊接含碳量偏高的16Mn钢时,为降低淬硬倾向,焊接线能量应偏大一点。对于含VNbTi的钢种,为降低热影响区粗晶脆化所造成的不利影响,应选择较小的焊接线能量。如15MnVN钢的焊接线能量应控制在4045kJ/cm以下。

对于碳及合金元素含量较高而屈服点为490MPa的正火钢(如18MnMoNb钢等),因淬硬倾向大,应选择较大的焊接线能量,但当采用焊前预热时,为了避免过热倾向,可以适当地减少线能量。

⑶后热及焊后热处理  后热是指焊接结束或焊完一条焊缝后,将焊件立即加热至150250℃范围内,并保温一段时间,使接头中的氢扩散逸出,防止延迟裂纹产生。

对于厚壁容器、高刚性的焊接结构以及一些在低温、耐蚀条件下工作的构件,焊后应及时进行消除应力的高温回火,其目的是消除焊接残余应力,改善组织。

焊后立即进行高温回火的焊件,无需再进行后热处理。

14  低合金高强钢焊接时,如何正确地选用焊接材料?

总的原则是根据等强度的要求,即熔敷金属的强度等级应与母材在同一档次来选用焊接材料,具体选用,见表7

7  低合金高强钢焊接材料的选用

 

强度级别

MPa

手弧焊

   

   

CO2焊焊丝

焊条

焊剂

焊丝

焊剂

焊丝

09Mn2

09Mn2Si

09MnV

294

E43

HJ430

HJ431

SJ301

H08A

H08MnA

 

 

H10MnSi

H08Mn2Si

H08Mn2SiA

16Mn

16MnCu

14MnNb

343

E50

SJ501

薄板:H08A

   H08MnA

HJ431

HJ360

H08MnMoA

H08Mn2Si

H08Mn2SiA

YJ502-1

YJ502-3

YJ506-4

 

 

 

 

HJ431

HJ430

SJ301

中板开坡口对接

I形坡口对接

H08MnA

H10Mn2

HJ350

厚板深坡口

H10Mn2

H08MnMoA

15MnV

15MnVCu

 

16MnNb

392

E50

E55

HJ430

HJ431

I形坡口对接

H08MnA

中板开坡口对接

H10Mn2

H10MnSi

HJ431

HJ360

 

 

H10MnMo

H08Mn2MoVA

 

H08Mn2Si

H08Mn2SiA

HJ250

HJ350

SJ101

厚板深坡口

H08MnMoA

 

15MnVN

15MnVNCu

15MnVTiRe

441

E55

E60

SJ431

H10Mn2

HJ431

HJ360

H10MnMo

H08Mn2MoVA

 

 

 

H08Mn2Si

H08Mn2SiA

 

 

 

HJ350

HJ250

SJ101

H08MnMoA

H08Mn2MoA

 

18MnMoNb

14MnMoV

14MnMoVCu

490

E60

E70

HJ250

HJ350

SJ101

H08Mn2MoA

H08Mn2MoVA

H08Mn2NiMo

HJ431

HJ360

 

H10Mn2MoA

H10Mn2MoVA

H10Mn2NiMoA

H08Mn2SiMoA

 

15  试述16Mn钢的焊接工艺。

16Mn钢属于碳锰钢,碳当量为0.345%0.491%,屈服点等于343MPa(强度级别属于343MPa级)。16Mn钢的合金含量较少,焊接性良好,焊前一般不必预热。但由于16Mn钢的淬硬倾向比低碳钢稍大,所以在低温下(如冬季露天作业)或在大刚性、大厚度结构上焊接时,为防止出现冷裂纹,需采取预热措施。不同板厚及不同环境温度下16Mn钢的预热温度,见表8

16Mn钢手弧焊时应选用E50型焊条,如碱性焊条E5015E5016,对于不重要的结构,也可选用酸性焊条E5003E5001。对厚度小、坡口窄的焊件,可选用E4315E4316焊条。

8  焊接16Mn钢的预热温度

焊件厚度  mm

不同气温下的预热温度计(℃)

16以上

1624

2540

40以上

不低于-10不预热,-10以下预热100150

不低于-5不预热,-5以下预热100150

不低于0不预热,0以下预热100150

均预热100150

16Mn钢埋弧焊时H08MnA焊丝配合焊剂HJ431(开I形坡口对接)或H10Mn2焊丝配合焊剂HJ431(中板开坡口对接),当需焊接厚板深坡口焊缝时,应选用H08MnMoA焊丝配合焊剂HJ431

16Mn钢是目前我国应用最广的低合金钢,用于制造焊接结构的16Mn钢均为16MnR16Mng钢。

16  试述18MnMoNb钢的焊接工艺。

18MnMoNb钢的屈服点等于490MPa(属于490MPa级钢),由于碳及合金钢元素的含量都较高,所以淬火硬倾向及冷裂倾向均比16Mn钢大。焊接工艺要点:

1)除电渣焊外,焊前对焊件应采取预热措施,预热温度控制在150180。对于刚度较大的接头,预热温度应提高至180230。焊后或中断焊接时,应立即进行250350的后热处理。

2)焊接材料的选用,见表7

3)为保证接头性能和质量,应适当控制焊接线能量,如手弧焊时,焊接线能量应控制在24kJ/cm以下;埋弧焊时,焊接线能量应控制在35kJ/cm以下。但焊接线能量不能过小,否则焊接接头易出现淬硬组织和降低韧性。同时,层间温度应控制在预热温度和300之间。

4)焊后应进行热处理。电渣焊接头热处理的方式是900980正火加630670回火。手弧焊及埋弧焊接头进行消除焊接残余应力的高温回火处理,回火温度比一般钢材回火温度低30左右。

17  试述低温用钢的焊接工艺。

工作温度等于或低于-20的低碳素结构钢和低合金钢称为低温用钢,其牌号及成分,见表9。对低温用钢的主要要求是应保证在使用温度下具有足够的塑性及抵抗脆性破坏的能力。

9  低温容器用钢的牌号及成分

   

化学成分(质量分数)(%

C

Mn

Si

V

Ti

16MnDR

09MnTiCuREDR

09Mn2VDR

06MnNbDR

0.20

0.12

0.12

0.07

1.201.60

1.401.70

1.401.70

1.201.60

0.200.60

0.40

0.200.05

0.170.37

0.040.10

0.030.08

   

 

化学成分(质量分数)(%

Cu

Nb

RE

S

P

16MnDR

09MnTiCuREDR

09Mn2VDR

06MnNbDR

0.200.40

0.020.05

0.15(加入量)

0.035

0.035

0.035

0.030

0.035

0.035

0.035

0.030

低温用钢由于含碳量低,淬硬倾向和冷裂倾向小,所以焊接性良好。焊接时,为避免焊缝金属及热影响区形成粗晶组织而降低低温韧性,要求采用小的焊接线能量,焊接电流不宜过大,宜用快速多道焊以减轻焊道过热,并通过多层焊的重热作用细化晶粒,多道焊时要控制层间温度不得过高,如焊接06MnNbDR低温用钢时,层间温度不得大于300

焊接低温用钢的焊条,见表10

10  焊接低温用钢焊条

焊 条 牌 号

焊条型号

        

J506G

J507GR

W707

W707Ni

W907Ni

W107Ni

E5016G

E5015G

TW70-7Cu

E5515C1

E5515C2

TW10-7Cu

焊接-40工作的16MnDR

 

焊接-70工作的09Mn2V09MnTiCuRe

焊接-70工作的低温钢及2.5%Ni

焊接-90工作的3.5%Ni

焊接-100工作的06MnNb06AINbCuN3.5%Ni

低温用钢焊后可进行消除应力热处理,以降低焊接结构的脆断倾向。

18  试述珠光体耐热钢的焊接工艺。

高温下具有足够的强度和抗氧化性的钢称为耐热钢,以CrMo为主要合金元素的低合金耐热钢,基体组织是珠光体(或珠光体+铁素体)称为珠光体耐热钢,常用钢号有15CrMo12CrMoV12Cr2MoWVTiB14MnMov18MnMoNb13MnNiMoNb

由于珠光体耐热钢中含有一定量的CrMo和其它一些合金元素,所以热影响区会产生硬脆的马氏体组织,低温焊接或焊接刚性较大的结构时,易形成冷裂纹。因此在焊接时应采取以下几项工艺措施:

⑴预热  预热是焊接珠光体耐热钢的重要工艺措施。为了确保焊接质量,不论在定位焊或正式施焊过程中,焊件都应预热并保持为80150℃用氩弧焊打底和CO2气体保护焊时,可以降低预热温度或不预热。

⑵焊后缓冷  焊后应立即用石棉布覆盖焊缝及热影响区,使其缓慢冷却。

⑶焊后热处理  焊后应立即进行高温回火,防止产生延迟裂纹、消除应力和改善组织。焊后热处理温度应避免在350500℃温度区间内进行,因珠光体耐热钢在该温度区间内有强烈的加火脆性现象。几种常用珠光体耐热钢的焊后热处理温度见表11

11  珠光体耐热钢焊后热处理温度

     

需热处理厚度(mm

焊后高温回火温度(℃)

15CrMo

12Cr1MoV

20CrMo

12Cr2MoWVB

12Cr3MoVSiTiB

10

6

任何厚度

任何厚度

任何厚度

680700

720760

720760

760780

740780

19  珠光体耐热钢焊接时,如何正确地选用焊接材料?

总的原则是根据化学成分的要求,即熔敷金属的化学成分应与母材相当来选用焊接材料。具体选用,见表12

12  珠光体耐热钢焊接材料的选用

   

       

   

气体保护焊

焊条牌号

焊条型号

焊丝与焊剂匹配

焊丝牌号

15CrMo

R307

E5515-B2

H08CrMoA+IIJ350

H08CrMnSiMo

12CrMoV

R317

E5515-B2-V

H08CrMoV+HJ350

H08CrMnSiMoV

Cr2Mo

R407

E6015-B3

H08Cr3MoMnA+hJ350

H08Cr3MoMnSi

12CrMoWV-TiB

R347

E5515-B3-VWB

H08Cr2MoWVNbB+HJ250

H08Cr2MnWVNbB

14MnMoV

18MnMoNb

J606

J607

E6016-D1

E6015-D1

H08Mn2MoA+HJ350

H08Mn2SiMo

13MnNiMoNb

J607Ni

E6015G

H08Mn2NiMo+HJ350

H08Mn2NiMoSi

20  试述低碳调质钢的焊接性。

碳的质量分数不超过0.21%,加入适量的合金元素SiMnCrNiMoCu,经过奥氏体化-淬火-回火热处理的钢称为低碳调质钢,常用牌号有WCF6062HQ70AB15MnMoVN15MnMoVNRE14MnMoNbB等,其化学成分见表13

13  低碳调质钢的化学成分(质量分数)  %

   

C

Si

Mn

Cr

WCF6062

HQ70A

HQ70B

15MnMoVN

15MnMoVNRE

14MnMoNbB

0.09

0.090.12

0.110.18

0.120.20

0.18

0.120.18

0.150.35

0.150.40

0.150.40

0.200.50

0.200.60

0.150.35

1.101.50

0.601.20

0.801.20

1.301.70

1.201.70

1.301.80

0.30

0.300.60

0.400.80

   

Ni

Mo

Cu

   

WCF6062

HQ70A

 

HQ70B

 

15MnMoVN

 

15MnMoVNRE

 

14MnMoNbB

0.50

0.301.0

 

0.701.20

 

 

 

0.30

0.200.40

 

0.200.40

 

0.400.60

 

0.350.60

 

0.450.70

0.150.50

 

0.150.50

 

 

 

0.40

 

V0.020.06

V+Nb0.10

B0.00050.003

V+Nb0.050.10

B0.003

V0.100.20

N0.010.02

N0.020.03(加入)

RE0.100.20(加入)

Nb0.020.07

B0.00050.003

低碳调质钢具有高的屈服点(490980MPa)、良好的塑性、韧性、耐磨及耐腐蚀性。

低碳调质钢由于含碳量不高,虽含有一定量的合金元素,但焊接性较好,主要特点是:在焊接热影响区,特别是焊接热影响区的粗晶区有一定的冷裂倾向并有韧性下降的现象;在焊接热影响区受热时未完全奥氏体化的区域,以及受热时其最高温度低于Ac1、高于钢调质处理时的回火温度的那个区域有软化或脆化的倾向。

21  试述低碳调质钢的焊接工艺。

常用的各种熔焊方法,都可以适用于焊接低碳调质钢。其焊接工艺如下:

⑴焊前预热  当板厚较小或接头拘束度也较小时,焊前可不进行预热,如15MnMoVN14MnMoNbB钢。当板厚小于13mm时,通常采用不预热施焊。随着板厚的增加,为了防止产生冷裂纹,必须进行预热,但是必须严格控制预热温度,因为过高的预热温度会使热影响区的冷却速度过于缓慢,使热影响区强度下降,韧性变坏。

几种低碳调质钢的最低预热温度,见表14。允许的最高预热温度与表中最低值相比,不得大于65。若有可能,可采用低温预热加后热或不预热,只采用后热的方法来防止低碳调质钢产生冷裂纹,可以减轻或消除过高的预热温度对热影响区韧性的损害。

14  低碳调质钢的最低预热温度     (℃)

焊件厚度 (mm

15MnMoVN

14MnMoNbB

13

1316

1619

1922

2225

2535

不预热

50100

100150

100150

150200

150200

不预热

100150

150200

150200

200250

200250

⑵焊接材料  为防止产生冷裂纹,因此必须严格控制焊接材料中的含氢量,要求所使用的焊条必须是低氢型或超低氢型的,焊前应严格按规定进行烘干、贮存。用于CO2气体保护焊的CO2气体应符合GB605285中规定的Ⅰ级气体或Ⅱ级1类气体的要求。

焊接低碳调质钢推荐用的焊接材料,见表15

15  焊接低碳调质钢推荐用的焊接材料

    

手弧焊

 

熔化极气体保护焊

    

保护气体(体积分数)(%

HQ70A

HQ70B

 

15MnMoVN

15MnMoVNRE

E7015

H08Mn2Ni2Mo

CO2

Ar+CO220

Ar+O212

15MnMoVNREQJ-70

14MnMoNbB

E7515

E8515

H08Mn2Ni2Mo

Ar+CO220

Ar+O212

⑶焊接技术  为避免过度损伤热影响区的韧性,应避免使用过大的线能量,因此,不推荐使用大直径的焊条或焊丝。只要可能,应采用多层小焊道焊缝,最好采用窄焊道,而不采用横向摆动的运条技术。

⑷焊后热处理  大多数低碳调质钢的焊接构件都是在焊态下使用,只有在下述条件下才进行焊后热处理。

1)焊后或冷加工后的韧性过低。

2)焊后需进行高精度加工,要求保证结构尺寸的稳定性。

3)焊接结构承受应力腐蚀。

焊后热处理的温度必须低于母材调质处理的回火温度。

22  试述中碳调质钢的焊接性。

碳的质量分数量较高(含碳量0.25%0.5%),并加入适量的合金元素(Mn SiCrNiBMoWVTi等)以保证钢的淬透性,再通过调质处理以获得综合性能较好的高强钢称为中碳调质钢,常用牌号有30CrMnSiA30CrMnSiNi2A40CrMnSiMoVA35CrMoA35CrMoVA34CrNi13MoA40CrNiMoA等。

中碳调质钢的屈服点可达到8801176MPa,但焊接性较差,主要表现在:

⑴焊接热影响区的脆化和软化  首先,由于中碳调质钢的含碳量高、合金元素多,钢的淬硬倾向大,在热影响区的淬火区会产生大量的马氏体,导致严重脆化。其次,热影响区被加热到超过调质处理时回火温度的区域,将出现强度、硬度低于母材的软化区。

⑵裂纹倾向严重  中碳调质钢的淬硬倾向大,热影响区产生的马氏体组织,增大了焊接接头的冷裂倾向。

此外,中碳调质钢的碳及合金元素含量高,熔池的结晶温度区间大,偏析严重,因而具有较大的热裂纹敏感性。

23  试述中碳调质钢的焊接工艺。

常用的各种熔焊方法,都可以适用于焊接中碳调质钢。

⑴预热及后热  除了拘束度小、构造简单的薄壳结构不用预热外,中碳调质钢都应采取焊前预热和后热措施,预热温度约为200350℃后热温度为300左右。

如果焊后不能及时进行调质处理,则必需在焊后及时进行中间热处理,即在等于或高于预热温度下进行保温一段时间的热处理,如低温回火或650680℃高温回火。若焊件焊前处于调质状态,其预热温度、层间温度及热处理温度都应比母材淬火后的回火温度低50。进行局部预热时,应在焊缝两侧各100mm范围内均匀加热。

⑵焊接材料  为了防止产生热裂纹,要求采用低碳焊丝,焊丝中的碳的质量分数应控制在0.15%以内,最高不超过0.25%,并且控制硫、磷的质量分数应小于0.03%0.035%

焊接中碳调质钢焊条的选用,见表16。表中HTJ-1HTJ-4焊条涂料只起稳弧作用,焊缝金属的力学性能和抗裂性能较差,只适用于受力小、待焊处可达性不好及要求变形小的30CrMnSiA钢薄板的焊接。

⑶焊接线能量  中碳调质钢宜用小线能量焊接,以有利于减少淬火区的高温停留时间,降低奥氏体的晶粒长大,从而降低淬火区的脆化程度。

16  焊接中碳调质钢的焊条选用

焊条牌号

  

直 径 (mm

焊接钢种

HTJ-4(钛型)

H08A

1.64.0

25CrMnSiA

30CrMnSiA

HTJ-1(钛型)

H08CrMoA

HTJ-2(低氢型)

H08CrMoA

1.64.0

30CrMnSiA

40CrMnSiMoVA

HTJ-3(低氢型)

H08CrMoA

1.66.0

25CrMnSiA

30CrMnSiA

30CrMnSiNi2A

40CrMnSiMoVA

HTG-1(低氢型)

HGH30

1.65.0

焊接已调质的:

25CrMnSiA

30CrMnSiA

30CrMnSiNi2A

HTG-2(低氢型)

HGH41

HTB-3(低氢型)

H1Cr19Ni11Si14A1Ti

1.64.0

30CrMnSiA

A507(低氢型)

E1-16-25Mn6N-15

焊接已调质的

30CrMnSiA

A502(钛钙型)

E1-16-25Mn6N-16

注:“HT”——航空焊条、“J”——结构钢焊条、“G”——高温合金焊条、“A”——不锈钢焊条及A5××焊条——焊缝中的铬的质量分数(含铬量)为16%,镍的质量分数(含镍量)为25%

24  试述耐候钢及耐海水腐蚀用钢的焊接工艺。

铜、磷能显著地降低钢的腐蚀速度,这是耐候钢及耐海水腐蚀用钢的主要合金元素,常用耐候钢及耐海水腐蚀用钢有:16CuCr12MnCuCr15MnCuCr09Mn2Cu16MnCu09MnCuPTi08MnPRE10MnPNbRE钢等。

铜、磷耐蚀钢对焊接热循环不敏感,焊接热影响区的最高硬度不超过350HV。虽然钢中含有CuP等元素,但其含量均不高,通常铜的质量分数控制在0.2%0.4%,不会促使产生热裂纹。含磷钢中碳、磷的质量分数都在0.25%以下,因而钢的冷脆倾向也不大,所以焊接性良好,焊接工艺与强度级别较低(σs343392MPa)的普通热轧钢相同。

焊接耐候及耐海水腐蚀用钢的焊条,见表17。埋弧焊时,采用H08MnAH10Mn2焊丝配合HJ431焊剂。

17  焊接耐候及耐海水腐蚀用钢的焊条

牌 号

   

     

J422CrCu

E4303

焊接12CrMoCu

J502CuP

 

焊接10MnPNbRE08MnP09MnCuPTi

J502NiCu

J502WCr

E5003-G

 

焊接耐候铁道车辆09MnCuPTi

 

J502CrNiCu

E5003-G

焊接耐候近海工程结构

J506WCu

E5016-G

焊接耐候用钢09MnCuPTi

J506NiCu

E5016-G

焊接耐候用钢

J507NiCu

E5015-G

焊接耐候用钢

J507CrNi

E5015-G

焊接耐海水腐蚀用钢的海洋重要结构

25  什么是不锈钢的晶闸腐蚀?

不锈钢在腐蚀介质作用下,在晶粒之间产生的一种腐蚀现象称为晶闸腐蚀。产生晶闸腐蚀的不锈钢,当受到应力作用时,即会沿晶界断裂、强度几乎完全消失,这是不锈钢的一种最危险的破坏形式。晶闸腐蚀可以分别产生在焊接接头的热影响区、焊缝或熔合线上,在熔合线上产生的晶间腐蚀又称刀状腐蚀,见图2

不锈钢具有耐腐蚀能力的必要条件是铬的质量分数必须大于12%。当温度升高时,碳在不锈钢晶粒内部的扩散速度大于铬的扩散速度。因为室温时碳在奥氏体中的熔解度很小,约为0.02%0.03%,而一般奥氏体不锈钢中的含碳量均超过此值,故多余的碳就不断地向奥氏体晶粒边界扩散,并和铬化合,在晶间形成碳化铬的化合物,如(CrFe23C8等。但是由于铬的扩散速度较小,来不及向晶界扩散,所以在晶间所形成的碳化铬所需的铬主要不是来自奥氏体晶粒内部,而是来自晶界附近,结果就使晶界附近的含铬量大为减少,当晶界的铬的质量分数低到小于12%时,就形成所谓的“贫铬区”,在腐蚀介质作用下,贫铬区就会失去耐腐蚀能力,而产生晶间腐蚀。

26  什么是不锈钢产生晶间腐蚀的“危险温度区”(敏化温度区)?

不锈钢产生晶间腐蚀与钢的加热温度和加热时间有关。1Cr18Ni9Ti不锈钢的晶间腐蚀与加热温度和加热时间的关系,见图3。从图中可看出,当加热温度小于左面50或大于850时,不会产生晶间腐蚀。因为温度小于450时,由于温度较低,不会形成碳化铬化合物;而当温度超过850时 ,晶粒内的铬扩散能力增强,有足够的铬扩散至晶界和碳结合,不会在晶界形成贫铬区。所以产生晶间腐蚀的加热温度为450850℃,这个温度区间就称为产生晶间腐蚀的 “危险温度区 ”或称“敏化温度区”,其中尤以650为最危险。焊接时,焊缝两侧热影响区中处于危险温度区的地带最易发生晶间腐蚀,即使是焊缝由于在冷却过程中其温度也要穿过危险温度区,所以也会产生晶间腐蚀。

焊接接头在危险温度区停留的时间越短,接头的耐晶间腐蚀能力越强,所以不锈钢焊接时,快速冷却是提高接头耐腐蚀能力的有效措施。由于奥氏体不锈钢冷却过程中没有马氏体的转变过程,所以快速冷却不会使接头淬硬。

27  不锈钢焊接时,为什么要控制焊缝中的含碳量?

随着不锈钢中含碳量的增加,在晶界生成的碳化铬随之增多,使得在晶界形成贫铬区的机会增多,在腐蚀介质中产生晶间腐蚀的倾向就会增加。因此不锈钢焊接时,为提高接头的耐腐蚀能力,必需控制焊缝中的含碳量,采取的措施是:

⑴采用超低碳不锈钢及其焊接材料  奥氏体不锈钢根据含碳量的不同,可分成三个等级:即一般含碳量级,碳的质量分数为≤0.14%;低碳级的为≤0.06%;超低碳级的为≤0.03。因为室温时,奥氏体中能溶解的最大碳的质量分数为0.02%0.03%,所以超低碳奥氏体不锈钢原则上就不会产生晶间腐蚀。属于超低碳奥氏体不锈钢的钢号有00Cr19Ni1100Cr17Ni14Mo200Cr17Ni14Mo2Cu2等。焊接这类钢时,应采取超低碳不锈钢焊丝,如H00Cr19Ni9焊丝。

⑵在母材或焊接材料中添加稳定剂  在钢材和焊接材料中加入TiNb等与碳的结合能力比铬更强的元素,能够与碳结合成稳定的碳化物,可以避免在奥氏体晶界形成贫铬区。所以,常用奥氏体不锈钢及焊执着材料中都含有TiNbNb元素,如1Cr18Ni9Ti1Cr18Ni11NbH1Cr19Ni10Nb钢等。

⑶进行固溶处理  焊后将焊接接头加热到10501100℃,此时碳又重新溶入奥氏体中,然后急速冷却,便得到了稳定的奥氏体组织,这种工艺处理称为固溶处理。固溶处理的缺点是,如果焊接接头需要在危险温度区工作,则仍不可避免地会形成贫铬区。

⑷进行均匀化处理  将焊接接头加热至850900℃,保温2h,使奥氏体晶粒内部的铬有充分时间扩散至晶界,使晶界处铬的质量分数又恢复到大于12%,贫铬区得以消失。

28  什么是不锈钢的应力腐蚀?如何防止应力腐蚀?

盛装腐蚀介质的容器,在拉伸应力的作用下所产生的腐蚀现象称为应力腐蚀。引起应力腐蚀的拉伸应力有焊接残余应力和工作应力两种,其中以焊接残余应力为主。

产生应力腐蚀的介质因素是溶液中CI-离子浓度和氧含量的共同含量。容易引起奥氏体不锈钢产生应力腐蚀的介质,见表18。奥氏体不锈钢制设备经常由冷却水、蒸汽、空气中的积水引起应力腐蚀断裂。

防止应力腐蚀的方法主要是消除焊接残余应力,常采用低温(低于300350℃)或高温(高于850)退火处理。

18  易引起奥氏体不锈钢应力腐蚀的介质

     

     

     

     

硫酸铝

氯化铵

硝酸铵

氯化钡

氯化钙

氯化钴

氢乙烷

硅氟酸

氢氟酸

氯化氢

硝酸、盐酸、氢氟酸的混合酸溶液

氯化锂

1T

1T

I

1T

1T

T

1T

T

1T

T

1T

 

1T

氯化镁

氯化汞

氯代甲烷(含水)

有机酸+氯化物

有机氯化物

氯化钾

氢氧化钾

铝酸钠

氢氧化钠

硫酸钠

硫酸溶液

亚硫酸溶液

氯化锌

T

1T

T

T

T

1T

T

1T

1T

1T

1T

1T

T

注:I——晶间裂纹;T——穿晶裂纹;1T——晶间裂纹及穿晶裂纹

 

29  为什么18-8型奥氏体不锈钢中要求具有一定数量的铁素体组织?

18-8型奥氏体不锈钢中,具有一定数量的铁素体组织,可以增加钢材的抗热裂纹及耐晶间腐蚀的能力。

⑴铁素体对热裂纹的影响

1)铁素体可以细化奥氏体组织,并在一定程度上打乱树枝晶的方向性,见图4。如果焊缝是单相组织,奥氏体柱状晶很粗大,易熔共晶物集中在较少的晶界上,形成较厚的晶间偏析夹层,焊后冷却过程中在拉应力的作用下很容易沿晶界被拉裂,形成热裂纹。若在组织中加入了少量铁素体后,会使柱状晶变细,晶界增多,同样数量的易熔共晶物被分割,将不连续地分散在各个晶界上,从而降低热裂纹倾向。

2)铁素体能比奥氏体溶解更多的有害杂质如SP等。

⑵铁素体对晶间腐蚀的影响  双相组织对防止晶间腐蚀的有利作用,见图5。单相组织的焊缝由于柱状晶发展较快,晶间夹层厚而连续,析出碳化物后,贫铬区贯穿于晶粒之间,构成侵蚀性介质的腐蚀通道。双相组织的焊缝由于树枝晶被打乱,晶间夹层分散而不连续,并且由于铁素体中的含铬量远高于奥氏体,碳化铬优先在铁素体的边缘以内析出,因而不致在晶界上形成贫铬区,即使形成了贫铬区,也容易从邻近的富铬铁素体中,及时得到铬的补充。

30  如何保证不锈钢焊缝金属能得到双相组织?

钢中的合金元素是形成双相组织的主要因素。合金元素对组织的影响可以分为两大类:

奥氏体生成剂:NiNCuCoCMn

铁素体生成剂:CrNbTiSiVMo

当不锈钢中的含碳量与含镍量之比大于1.8时,就会出现铁素体组织。因此,为了保证焊接不锈钢时焊缝金属能得到双相组织,关键在于选择含铁素体生成剂比较多的焊接材料。如焊接1Cr18Ni9Ti不锈钢时,常选用A132焊条,因为该焊条中含有一定量的TiNb,焊缝金属为双相组织,具有较高的抗热裂和耐腐蚀能力。

实践证明,焊缝组织中铁素体的质量分数为2%3%时,就能足以防止产生热裂纹,焊接18-8型不锈钢用焊条都能保证堆焊金属中含有质量分数为3%8%的铁素体,因此这类焊条都有较强的抗热裂能力。当焊接奥氏体不锈钢或多层焊的根部焊道,可采用铁素体含量更高(质量分数5%10%)的焊条,如CrNi比更高的Cr22Ni9型焊条A122

但是,焊缝金属中出现更多的铁素体含量是不必要的,因为过多的铁素体会引起焊缝金属的脆化,尤其是工作在高温下的焊接结构,通常铁素体的质量分数应控制在5%以内。

31  焊接单相奥氏体不锈钢时如何防止产生热裂纹?

单相奥氏体不锈钢如0Cr25Ni20焊接时的热裂倾向比1Cr18Ni9Ti不锈钢要大得多,特别是在根部打底焊道以及弧坑处最易产生热裂纹。但是这类钢不能依靠加入少量铁素体来提高抗裂性。因为要在焊缝中形成铁素体,势必加入大量铁素体形成元素,这就使焊缝的成分和性能与母材相差太大,以致不能满足接头的使用要求。此外,更多的铁素体还会使接头脆化。

焊接单相奥氏体钢时防止产生热裂纹的主要措施是:

1)适当提高含碳量,使焊缝中形成一定数量的碳化物,与奥氏体组织成双相组织。通常认为,碳是引起热裂纹的主要元素,特别是在18-8型钢焊缝中,当碳的质量分数从0.06%0.08%增加到0.12%0.14%时,热裂倾向显著增加;如果继续增高0.18%0.20%时,热裂倾向就更大。因此对于18-8型不锈钢,总是力求降低焊缝中的含碳量,以保证足够的抗裂性能。但是在单相奥氏体不锈钢中,由于含碳量比较高,已经高到足以引起热裂纹的程度,要限制它的含量已不可能。这时如果再提高碳的含量,使焊缝中保持适量的碳化物共晶,由于这种共晶物的熔点低、流动性好,在熔池结晶过程中呈弥散分布,可以细化奥氏体晶粒,并在熔池金属发生收缩和晶间薄层被拉断的瞬间及时填充到晶间的空隙中去,使裂纹不致产生。

2)在焊缝中加入适量的MnMo金属元素,可提高抗热裂性,对于25-20型、15-36型等单相奥氏体不锈钢种,可加入质量分数为6%7%Mn2%5%Mo。又例如,0Cr25Ni20Mo2型的焊条A412,就有质量分数为2%3%Mo

3)严格控制焊缝金属中SP等有害杂质的含量。例如,焊接25-20型铸钢件时,如果用和母材成分相同的焊条或焊丝,只要焊缝中磷的质量分数不超过0.015%,不再采取其它措施,就能有效地防止裂纹。

32  试述不锈钢焊接接头的脆化现象。

不锈钢的焊缝在高温加热一段时间后,出现冲击韧度下降的现象称为脆化。

475脆性  含有较多铁素体相(超过15%20%)的双相焊缝金属,经过350500℃加热后,塑性和韧性会显著降低,即性质脆化。由于在475时脆化速度最快,故称为“475℃脆性”。铁素体越多,这种脆化越严重。已产生475脆化的焊缝,可以900淬火消除。

⑵σ相脆化  不锈钢焊接接头在375875℃范围内长期使用,会产生一种FE-Cr金属间化合物, 称为“σ相”。σ相硬而脆,硬度大于68HRC时,由于σ相析出的结果,焊缝的冲击韧度急剧下降,这种现象称为“σ相脆化”。通常认为,σ相是由铁素体演变而来,当铁素体的质量分数超过5%时,很快会形成σ相。因此,对于高温下使用的不锈钢材料,为了防止出现σ相,必须控制铁素体的含量。为了消除已经生成的σ相,恢复焊接接头的韧性,可以把焊接接头加热到10001050℃,然后快速冷却。

σ相在1Cr18Ni9Ti不锈钢的焊缝中一般不会产生。

⑶熔合线脆断  不锈钢焊件在高温下长期使用,在沿焊缝熔合线外几个晶粒的地方,会发生脆断现象,此现象称为熔合线脆断。钢中加入Mo元素能提高钢材抗脆断的能力。

33  试述奥氏体不锈钢焊接时,如何正确地选用焊接材料。

奥氏体不锈钢具有良好的焊接性,常用的熔焊方法都能进行焊接。但是由于电渣焊热过程的特点,会使接头的耐晶间腐蚀能力降低,并且在熔合线附近易产生严重的刀状腐蚀,因此极少应用。气体保护CO2焊由于CO2气体的强烈氧化性,使合金元素烧损严重,所以也没有得到推广应用,目前实用的焊接方法是手弧焊、埋弧焊和氩弧焊,使用这些方法焊接时焊接材料的选用,见表19

19  奥氏体不锈钢焊接时焊接材料的选用

  

    

埋 弧 焊

氩 弧 焊

   

 

 

 

型 号

牌 号

1Cr18Ni9Ti

E0-19-10-16 R0-19-10-15 E0-19-10Nb-16 R0-19-10Nb-15

A102

A107

A132

A137

H0Cr20Ni10Ti

HJ260

H0Cr20Ni10Ti

0Cr19Ni9

E0-19-10-16 R0-19-10-15

A102

A107

0Cr18Ni9Ti

E0-19-10Nb-16 R0-19-10Nb-15

A132

A137

H0Cr20Ni10Ti

HJ260

H0Cr20Ni10Ti

0Cr18Ni9Ti

E0-19-10Nb-16 R0-19-10Nb-15

A132

A137

00Cr18Ni10N

E00-19-10-16

A002

H00Cr21Ni10

HJ260

H00Cr21Ni10

00Cr19Ni11

E00-19-10-16

A002

0Cr17Ni12Mo2

E0-18-12Mo2-16 E0-18-12Mo2-15

A202

A207

H00Cr19Ni12Mo2

HJ260

H00Cr19Ni12Mo2

0Cr18Ni12Mo2Ti

E00-18-12Mo2-16 E00-18-12Mo2Nb-16

A022

A212

H00Cr19Ni12Mo2

HJ260

H00Cr19Ni12Mo2

0Cr19Ni13Mo3

E0-19-13Mo3-16

A242

0Cr18Ni12Mo3Ti

E0-18-12MoNb-16

A022

A212

H0Cr20Ni14Mo3

HJ260

H0Cr20Ni14Mo3

00Cr17Ni14Mo2

E00-18-12Mo2-16

A022

H0Cr20Ni14Mo3

HJ260

H0Cr20Ni14Mo3

34  试述奥氏体不锈钢的手弧焊工艺。

奥氏体不锈钢的手弧焊具有热影响区小、易于保证质量,适应各种焊接位置及不同板厚工艺要求的优点。焊条有酸性钛钙型和碱性低氢钠型两大类。低氢钠型的不锈钢焊条抗热裂性较高,但成形不如钛钙型焊条,耐腐蚀性也较差。钛钙型焊条具有良好的工艺性能,生产中应用较普遍。

由于奥氏体不锈钢的电阻率为低碳钢的4倍以上,焊接时产生的电阻热较大,药皮容易发红和开裂,所以同样直径的焊条焊接电流值应比低碳钢降低20%左右,焊条长度亦比同直径的碳钢焊条短,否则焊接时由于药皮的迅速发红、开裂会失去保护而无法焊接。

施焊时,焊条不应作横向摆动,采用小电流、快速焊,一次焊成的焊缝不宜过宽,最好不超过焊条直径的3倍。多层焊时,每焊完一层要彻底清除焊渣,层间温度应低于60与腐蚀介质接触的焊缝,为防止由于重复加热而降低耐腐蚀性,应最后焊接。焊后可采取强制冷却措施,加速接头冷却。焊接开始时,不要在焊件上随便引弧,以免损伤焊件表面,影响耐腐蚀性。

35  试述奥氏体不锈钢的埋弧焊工艺。

奥氏体不锈钢埋弧焊时,由于焊接电流密度大,热量集中,因此形成的弧坑也较大,并且熔池厚度也增大,在局部间隙的较大处很容易烧穿,因此在施焊过程中需要在焊件背面采取一定的工艺措施,以防烧漏。常用方法是采用手弧焊封底,并用纯铜板垫、永久垫和焊剂垫等。

18-8型奥氏体不锈钢埋弧焊时的焊接工艺参数,见表20

20  18-8型不锈钢埋弧焊焊接工艺参数

焊件厚度(mm

装配间隙(mm

焊接电流(A

电弧电压(V

焊接速度(m/h

6

8

10

12

8

10

12

16

20

30

40

1.52.0

2.03.0

2.53.5

3.04.0

1.5

1.5

1.5

2.0

3.0

6.07.0

8.09.0

650700

750800

850900

900950

500600

600650

650700

750800

800850

850900

10501100

3438

3638

3840

3840

3234

3436

3638

3840

3840

3840

4042

46

46

31

25

46

42

36

31

25

16

12

注:1、表中厚度为612mm焊件的焊接工艺参数是在焊剂垫上进行单面埋弧焊的参数。

    2、厚度为840mm的焊件,应进行双面焊,但焊接第1道焊缝时可以在焊剂垫上进行。

    3、焊丝均采用ф5mm

 

36  试述奥氏体不锈钢的钨极氩弧焊工艺。

奥氏体不锈钢的钨极氩弧焊适宜于厚度不超过8mm的板结构,特别适宜于厚度在3mm以下的薄板、直径在60mm以下的管子以及厚件的打底焊。钨极氩弧焊电弧的热功率低,所以焊接速度较慢,约为手弧焊速度的1/21/3。因此,焊接接头冷却过程中在危险温度区停留的时间长,耐腐蚀性能较差。

奥氏体不锈钢钨极氩弧焊对接接头的焊接工艺参数,见表21

37  试述奥氏体不锈钢的熔化极氩弧焊工艺。

奥氏体不锈钢采用熔化极氩弧焊时,若使用纯氩气作为保护气体会引起一系列困难:

1)液体金属的粘度及表面张力较大,易产生气孔;焊缝金属润湿性差,焊缝两侧易产生咬边。

2)电弧阴极斑点不稳定,产生所谓阴极飘移现象,使焊缝的成形很差。如厚度为3mm的不锈钢焊后焊缝宽约4mm,而余高竟超过3mm,因此没有得到推广应用。解决上述现象的方法是采用氧化性混合气体作保护气体,即在纯氩气中加入少量氧气或CO2气体。

焊接厚板时推荐以射流过渡焊接,保护气体的质量分数为Ar98%+O22%。由于射流过渡必须采用较高的电压和电流值,熔池流动性好,故只适于平焊和横焊;焊接薄板时推荐以短路过渡焊接,保护气体的质量分数97.5%Ar+2.5%CO2。短路过渡时电压和电流值均较低,熔滴短路时会熄弧,熔池温度较低容易控制成形,因此适用于任意位置的焊接。

为防止背面焊道表面氧化和保持良好成形,底层焊道的背面应附加氩气保护。

38  奥氏体不锈钢焊件焊后如何进行表面处理?

为增加奥氏体不锈钢焊件的耐腐蚀性,焊后表面应进行处理,处理的方法是抛光和钝化。

⑴表面抛光  不锈钢焊件表面如有刻痕、凹痕、粗糙点和污点等,在介质中会加快腐蚀。如将不锈钢表面抛光,就能提高其耐腐蚀的能力,表面粗糙度越细,耐腐蚀性能就越好。因为粗糙度细的焊件表面能产生一层致密、均匀的氧化膜,保护内部金属不再受到氧化和腐蚀。

⑵钝化处理  钝化处理是在不锈钢的表面人工地形成一层氧化膜,以增加其耐腐蚀性。

钝化处理的流程为:

焊件表面清理和修补→酸洗→水洗和中和→钝化→水洗和吹干。

处理前先对焊件进行表面清理和修补,将表面损伤的地方修补好,用手提砂轮磨光,最后把焊缝上的渣打壳和近旁的飞溅物清除干净。

酸洗的目的是去除氧化皮。因为经热加工的不锈钢(如热压的封头)及焊接热影响区都会产生一层氧化皮,影响其耐腐蚀性。酸洗有酸液酸洗和酸膏酸洗两种方法。

浸洗酸液配方:硝酸(密度1.42g/cm3)的质量分数为20%、氢氟酸5%,其余为水,酸洗温度为室温。

刷洗酸液配方:盐酸50%+50%

酸膏配方:盐酸(密度1.19g/cm320mL、水100mL、硝酸(密度1.42g/cm330Ml、膨润土150g

浸洗法适用于较小的设备和零件。浸洗时,将设备和部件浸没在酸洗液里2545min,取出后用清水冲净。刷洗法适用于大设备,用刷子蘸取酸洗液刷洗,到呈白亮色为止,再用清水冲净。

钝化是在酸洗后进行。钝化液的配方为:硝酸5mL、重铬酸钾1g、水95mL。处理温度为室温,处理时间1h。处理方法是将钝化液在焊件表面揩一遍,保持1h后再用冷水冲,用布仔细擦洗,最后用热水冲洗干净,并将其吹干。

经钝化处理后的不锈钢,外表全部呈银白色,具有较高的耐腐蚀性。

39  试述铁素体不锈钢的焊接工艺。

属于铁素体不锈钢的钢号有0Cr13A11Cr171Cr280Cr17Ti1Cr25Ti1Cr17Mo2Ti等。

铁素体不锈钢焊接工艺如下:

⑴焊接性  铁素体不锈钢焊接时,由于热影响区晶粒急剧长大、475脆性和σ相析出不仅引起接头脆化,而且也使冷裂倾向加大。在温度高于1000的熔合线附近快速冷却时会产生晶间腐蚀,但经650850℃加热并随后缓冷就可以加以消除。

由于铁素体钢在加热和冷却过程中不发生相变,所以晶粒长大以后,不能通过热处理来细化。

⑵焊接工艺

1)焊接时将焊件预热100150,含铬量越高,预热温度越高。

2)可分别选用铬不锈钢焊条或铬镍奥氏体焊条。采用铬镍奥氏体焊条时,可不进行焊前预热和焊后热处理。

焊接铁素体不锈钢用焊条,见表22

22  焊接铁素体不锈钢用焊条

钢种

对接头性能要求

选用焊条

预热及焊后热处理

型号

牌号

1Cr17

Cr17Ti

耐硝酸及耐热

E0-17-16

E0-17-15

G302

G307

焊前预热120200℃,焊后750800℃回火

Cr17

0Cr17Ti

1Cr17Mo2Ti

提高焊缝塑性

E0-19-10-15

 

E0-18-12Mo2-15

A107

 

A207

不预热,不热处理

1Cr25Ti

抗氧化性

E1-23-13-15

A307

不预热,焊后760780℃回火

1Cr28

1Cr28Ti

提高焊缝塑性

E2-26-21-16

E2-26-21-15

A402

A407

不预热,不热处理

3)采用小的焊接线能量,不摆动焊接。多层焊时应控制层间温度高于150。不宜连续施焊。

4)焊后进行750800的回火处理,目的是改善塑性,提高耐腐蚀性。回火后快冷,可防止出现σ相及475脆性。

对于超低碳高铬铁素体不锈钢,如00Cr26Mo100Cr30Mo,目前还没有专用焊条,可采用E1-23-13-26A302)、E2-26-21-16A402)焊条进行焊接。

40  试述马氏体不锈钢的焊接工艺。

属于马氏体不锈钢的钢号有1Cr132Cr133Cr134Cr133Cr13Mo1Cr17Ni22Cr13Ni29Cr189Cr18MoV等。

⑴焊接性  有强烈的冷裂倾向,焊缝及热影响区焊后均为硬而脆的马氏体组织,钢中含碳量越高,冷裂倾向越大。焊接时在温度超过1150的热影响区内,晶粒显著长大。过快或过慢的冷却都可能引起接头脆化。例如,1Cr13钢焊后冷却速度小于10/s时,在热影响区将得到粗大的铁素体加碳化物组织,使塑性显著降低;当冷却速度大于40/s时,则会产生粗大的马氏体组织,同样也使塑性下降。

马氏体不锈钢的晶间腐蚀倾向很小。

⑵焊接工艺

1)焊前预热  焊前预热是防止产生冷裂纹的主要工艺措施。当C的质量分数为0.1%0.2%时,预热温度为200260,对高刚性焊件可预热至400450

2)焊后冷却  焊件焊后不应从焊接温度直接升温进行回火处理,因为焊接过程中奥氏体可能未完全转变,如焊后立即升温回火,会出现碳化物沿奥氏体晶界沉淀和奥氏体向珠光体转变,产生晶粒粗大的组织,严重降低韧性。因此回火前应使焊件冷却,让焊缝和热影响区的奥氏体基本分解完了。对于刚性小的焊件,可以冷至室温再回火;对于大厚度的焊件,需采用较复杂的工艺;焊后冷至100150,保温0.51h,然后加热至回火温度。

3)焊后热处理  目的是降低焊缝和热影响区的硬度,改善塑性和韧性,同时减少焊接残余应力。焊后热处理分回火和完全退火两种。回火温度为650750,保温1h,空冷;若焊件焊后需机加工的,为了得到最低硬度,可采用完全退火,退火温度为830880,保温2h炉冷至595,然后空冷。

4)焊条的选用  焊接马氏体不锈钢用焊条分为铬不锈钢焊条和铬镍奥氏体不锈钢焊条两大类。常用铬不锈钢焊条有E1-13-16G202)、E1-13-15G207);常用铬镍奥氏体不锈钢焊条有E0-19-10-16A102)、E0-19-10-15A107)、E0-18-12Mo2-16A202)、E0-18-12Mo2-15A207)等。

 
 
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