[机械仪表]0cr18ni9钢与16mnr钢的焊接工艺研究

[机械仪表]0cr18ni9钢与16mnr钢的焊接工艺研究内容摘要：

同，往往在局部出现相当复杂的组织结构，使焊接接头的金相组织不均匀 [4]。 异种钢本身导热性及线膨胀系数造成不同的焊接压力，其分布就不均匀，再加上焊接接头的化学成分和金相组织不同，其结果必然带来力学性能和应力分布的不均匀性。 异种钢焊接接头是不可避免的 ,有时也是从 经济和便利等方面考虑而采用的。 但其所存在的一些固有的特殊问题妨碍或限制了它的广泛采用 ,主要有以下几点 : ,异种钢焊接接头区的机械性能 (如拉伸、 冲击、 弯曲等 )一般优于被焊母材的性能 ,但高温下或高温长期运行后 ,接头区的性能劣于母材； ,该区韧性较低 ,是一个高硬度脆性层 ，也是导致构件失效破坏的薄弱区 ,它会降低焊接结构的使用可靠性。 ,在焊接边界两侧各产生一个富碳区和贫碳区 ,是裂纹起源于焊接边界的 主要原因之一。 异种纲的焊接虽然已积累了大量的研究成果 ,但许多问题仍有待进一步深入研究 ,如碳迁移、 高温失效行为、 显微组织特征与转变等。 异种金属的焊接是一项综合性的，极其复杂的技术，它涉及物理，化学，电子，冶金，材料，机械，计算等多方面知识。 今后的工作是充分利用现代分析测试技术 ,采用多学科交叉的方式进行综合和系统研究。 16MnR 与 0Cr18Ni9 的焊接研究意义 16MnR和 0Cr18Ni9的焊接属于异种钢的焊接问题 ， 其具有一般异种材料焊接的共同特点。 与同种材料相比，材料的物理、化学性能及化学成分等有显著差异，异种材料焊接从焊接性和操作技术上都比同种材料焊接困难 [5]。 主要体现在： ，容易引起热应力，而且这种热应力不易消除，结果会使接头处产生裂纹或更大的焊接变形。 ，由于金相组织的变化以及新生成的物相结构或化合物，可使焊接接头的性能恶化，给焊接带来很大困难； 太原科技大学（论文 ） 10 ，特别是塑性和韧性明显下降； 性的下降以及焊接应力的存在，异种材料焊接接头容易产生裂纹，尤其是焊接熔合区和热影响区更容易产生裂纹，甚至发生断裂。 16MnR与 0Cr18Ni9的焊接不仅具有以上异种钢焊接的共同困难，而且也具有它们自己的独特的特点，解决好这两种钢的焊接问题还需要做在试验基础上作深入分析，才能在焊接生产过程中选用适当的焊接材料、制定合适的焊接工艺，进而获得良好的焊接接头和较好的使用性能。 16MnR可用于制造石油、化工、气体分离、气体贮运的容器或其他类似设备，如各种塔器、换热器、贮罐、罐车等，因此 16MnR在实际生产中具有广 泛用途。 0Cr18Ni9为化学工业用的良好耐蚀材料，可用于制作耐硝酸、冷磷酸、有机酸及盐、碱溶液腐蚀的设备零件，耐酸容器及设备衬里、输送管道等设备和零件，其他化工、化肥等部门的设备及零件 [6]。 由此可见， 0Cr18Ni9在实际生产当中也有着广泛用途。 这两种材料均常用于化工容器等重要设备的生产，研究这两种材料的焊接问题不仅对于实际生产意义重大，而且更重要的是可以直接为保护人民的财产安全作出贡献。 研究内容 通过查阅和调研大量资料，了解 16MnR钢与 0Cr18Ni9钢的特点和性能。 通过对材 料的焊接性分析，选择适当的焊接方法，并初步制定合理的焊接工艺参数。 通过焊接检验手段分析焊缝成型是否良好，并对接头进行力学性能验 ，以此来分析所拟定的工艺参数对焊缝组织的影响。 总结结论。 太原科技大学（论文 ） 11 第三章 16MnR 和 0Cr18Ni9 的焊接工艺研究 焊接工艺设计思路 本课题研究的思路：本课题主要对 16MnR和 0Cr18Ni9的异种钢的焊接进行工艺试验，首先分析材料的焊接性，对材料的成分和力学性能进行分析，并计算其碳当量，分析其焊接性的难易成度。 其次是根据其含有的化学成分有可能产生的缺陷进行分析和制定相应的措施，焊接异种钢时在母材金属的热影响区出现淬硬组织，主要因两种母材金属化学成分、强度等不同，两种母材含碳量不同、焊接工艺影响及焊接环境温度的影响等因素。 根据两种母材的化学成分和板厚制定合适的焊接工艺，选择合适的焊接方法和焊接参数，设计合理的焊接坡口，然后进行焊接工艺评定，确定所选的的焊接工艺是可行的 [7]。 材料的焊接性分析 16MnR 和 0Cr18Ni9 钢的化学成分和力学性能 表 16MnR钢和 0Cr18Ni9钢的化学成分（ %） [8] 钢号 C Mn Si S P Cr Ni 16MnR ～ ～ ～ ～ ～ 0Cr18Ni9 ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ～ ～ 表 16MnR钢和 0Cr18Ni9钢的力学性能 [8] 钢号 ／ MPa σb ／ MPa δs ／ MPa HB 备注 16MnR 325～ 360 490～ 620 21～ 32 150～ 200 热轧或正火 0Cr18Ni9 250～ 300 550～ 700 35～ 50 150～ 190 正火 +回火 0Cr18Ni9 钢的焊接性分析 焊接裂纹 （ 1） 0Cr18Ni9奥氏体不锈钢的导热系数大约只有低合金钢的一半，而线膨太原科技大学（论文 ） 12 胀系数却大很多，所以焊后在接头中会产生较大的焊接内应力。 （ 2） 0Cr18Ni9奥氏体不锈钢的成分，如碳、硫、镍等会在熔池中形成低熔点共晶，如硫与镍形成的 Ni3S2熔点为 6450C，而 Ni Ni3S2共晶的熔点只有 6250C。 （ 3） 0Cr18Ni9奥氏体不锈钢的液固相线的区间较大 ，结晶时间较长，且奥氏体结晶的枝晶方向性强，所以杂质偏析现象比较严重 [8]。 综上所述， 0Cr18Ni9奥氏体不锈钢焊接时比较容易产生热裂纹，包括焊缝的纵向和横向裂纹、火口裂纹、打底焊的根部裂纹和层间焊的层间裂纹等。 焊接接头的晶间腐蚀 晶间腐蚀是奥氏体金属最危险的破坏形式之一。 不锈钢具有抗腐蚀能力的必要条件是含铬量大于 12%。 奥氏体不锈钢就是由于晶界处形成贫铬区 （含铬量小于 12%）而造成的。 其原因是奥氏体不锈钢处在 450～ 8500C温度下，碳在奥氏体中的扩散速度大于铬在奥氏体中的扩散速度。 室温下碳在 奥氏体中的溶解度很小，约为 ～ %，当奥氏体钢中含碳量超过 ～ %时，碳元素就不断地向奥氏体晶界扩散，并和铬元素化合形成铬化合物 （ Cr23C6）。 但由于铬原子比碳原子半径大， 扩散速度小， 来不及向晶界扩散， 晶界附近大量的铬和碳的化合成碳化铬， 造成奥氏体边界贫铬，会引起晶间腐蚀。 . 16MnR 的焊接性分析 碳当量法 由于焊接热影响区的淬硬性及冷裂纹倾向与钢种的化学成分有密切关系，因此可以用化学成分进行间接的评定钢材的冷裂纹的敏感性。 各种元素中，碳对裂纹敏感 性的影响最为显著。 可以把钢中合金的含量按相当于碳含量折算叠加起来，作为粗略评定钢材冷裂纹的倾向的参数指标，即所谓的碳当量（ CE或 Ceq）。 由于世界各国和各研究单位所采用的实验方法和钢材的合金体系不同，各自建立了有一定使用范围的碳当量计算公式，见表 [8] 太原科技大学（论文 ） 13 表 常用合金结构钢碳当量公式 序号 碳当量公式 试用钢种 1 国际焊接学会（ IIW）推荐： CE(IIW)=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15 含碳量较高 (Wc≥ %)、强度级别中等(σb=500900Mpa)的非调质低合金高强钢 2 日本 JIS标准规定： Ceq(JIS)=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14 低合金高强钢（ σb=5001000Mpa）化学成分： Wc≤ %、 Wsi≤ %、 ωMn≤ % ωNi≤ %、 ωCr≤ %、 ωMo≤ % ωV≤ %、 ωB≤ % 3 美国焊接学会 (AWS)推荐 Ceq(AWS)=C+Mn/6+Si/24+Ni/15+Cr/5+Mo/4+(Cu/13 +P/2) 碳钢和低合金高强钢，化 学成分： ω% ωMn%、 ωNi%、 ωMo%、ω Cr%、 ωCu=%、 ωp=%% 本文中我根据 （ AWS）推荐的公式：Ceq=C+Mn/6+Si/24+Ni/+Cr/5+Mo/4+(Cu/13+P/2)%； 0Cr18Ni9碳当量： Ceq=++18/5+=% 16MnR碳当量： Ceq=++ =% 根据图 接性如何。 图 碳当量 Ceq与板厚 δ的关系 Ⅰ 优良 Ⅱ 较好 Ⅲ 尚好 Ⅳ 尚可 太原科技大学（论文 ） 14 16MnR的焊接性分析 低合金结构钢的焊接性主要决定于钢中合金元素的含量即钢种的强度级别，强度级别较低的低合金结构钢如 300400MPa级，由于钢中合金元素含量较少，其焊接性良好，随着钢中合金元素增加，强度级别提高，钢的焊接性逐渐变差。 这类钢焊接时，注意以下主要问题 [8]： ⑴热影响区脆化 16MnR钢焊接时，热影响区中被加热到 1100度以上的过热区是焊接接头的薄弱区域，奥氏体晶粒的显著长大和一些难熔 质点的熔入会直接影响过热区性能变化，会形成魏氏组织及其它塑性低的混合组织和 MA组元等，而使过热区脆化，冲击韧度下降。 应采用适当低的线能量等工艺措施来抵制过热区奥氏体晶粒长大及魏氏组织的出现，它是防止过热区脆化的关键。 若为了提高生产率而采用较大的线能量，焊后须采用 8001100的正火处理来改善其韧性。 ⑵裂纹 ①冷裂倾向，钢材冷裂敏感性主要取决于钢材的淬硬倾向，而钢材的淬硬倾向又主要取决于它的化学成分。 一般认为碳当量 CE小于 ％的钢材焊接时基本无淬硬倾向，焊接性良好。 16MnR钢碳当量较上述稍高，出现 冷裂纹，尤其在拘束应力较大或接头扩散氢含量较高的情况下，采取控制焊接线能量，降低含氢量预热和及时后热等措施可以防止冷裂的产生。 ②热裂纹， 16MnR钢含碳量都不高，而含锰量都较高，因此它们 Mn/S比较大，具有较好的热裂性能，正常情况下焊缝中不会出现热裂纹。 ③层状撕裂，一般板厚厚度大于 16mm时易产生撕裂，角接头， T形接头比对接易产生这种层状撕裂。 为了防止在板材结构中这种层状撕裂的产生可采用： ； ，以减轻钢板 Z向所承受的应力应变； 前提下选用强度级别较低的焊接材料；。 相对于 0Cr18Ni9钢， 16MnR钢焊接性更好。 因此制定焊接工艺时，应主要依据 0Cr18Ni9钢的性能特点。 太原科技大学（论文 ） 15 异种钢焊接的焊接性分析 异种钢之间是否具有良好的焊接性，主要是由被焊金属之间的性能差异程度和被焊金属组合后所形成的合金金相结构来决定的 [9]。 异种钢直接焊接时将会遇到下述困难：当两种被焊金属的线膨胀系数相差很大时，由于焊接以及母材的冷却收缩不一致，从而产生较大的焊接应力，还会使焊接接头在高温应用时产生热应力；当被焊金属的导热率 不同时，会改变焊接时的温度场分布，从而改变焊缝的结晶条件；当被焊金属的电磁性相差很大时，焊缝成型不良等。 焊接工艺的制定 确定焊接方法 异种材料的焊接常用熔焊，熔焊在异种材料的焊接中应用很广，主要的熔焊方法有焊条电弧焊、气体保护焊、埋弧焊等 [10]。 焊条电弧焊工艺简便，操作灵活，适应性强，一般中、小结构件均可使用。 氩弧焊方法多用于异种钢有色金属或钢与有色金属的焊接，薄件用钨极氩弧焊，厚件用熔化极氩弧焊或混合气体保护焊。 CO2气体保护焊 具有以下优点： 1. 焊接成本低。 半自动 CO2气体保护焊的成本只为手工电弧焊及埋弧焊的40%50%。 2. 生产效率高。 半自动 CO2气体保护焊的穿透能力强，熔深比手工电弧深，熔敷速度快，可减少焊接层数，生产效率是手工焊的 14倍。 3. 抗锈蚀能力强、抗裂性好。 CO2气体保护焊熔渣少，电弧气氛中的含氢量较易控制，可减少发生冷裂纹倾向。 4. 明弧焊。 CO2气体保护焊电弧可见，能观察到焊接的全过程，容易操作，可进行全位置焊接。 5. 厚变形量小。 CO2气体保护焊的电弧热量较集中，焊接速度快，熔池小，气体对焊缝区有冷却作用，热影响区窄，使构件焊后变形小。 因此我们采用 CO2气体保护焊 ，它已成为压力容器、管段制造等重要钢结构制作中的主要焊接方法。 太原科技大学（论文 ） 16 选择焊接材料 选择焊接材料的依据 异种钢焊接接头质量，在很大程度上取决于所选用的焊接材料。 异种钢街头的焊缝和熔合区，由于有合金元素被稀释和碳迁移等因素的影响，存在着一个过液区，其化学成分和金相组织不均匀，而且物理性能也不同，甚至力学性能也有很大差异，可能引起缺陷或严重降低性能，所以必须按照母材的成分、性能、接头形式和使用要求正确地选择焊接材料 [2]。 为了保证异种材料焊接接头在使用中的可靠和安 全，选择焊接材料时不仅要保证焊接接。