异种钢焊接工艺设计

异种钢焊接工艺设计内容摘要：

t2为复层金属厚度（ mm）。 复合板的伸长率δ 5（％）应不小于基材规定值。 复合板的抗剪强度τ b应不小于 100MPa。 复层厚度大于 3mm 不做抗剪切强度试验，用冷弯试验检 测复合强度。 通过对 BFe3011 与 16MnR 特征及范围初步分析，将为本毕业设计以后的内容打下基础，接下来我们将对 BFe3011/16MnR 复合板的焊接工艺进行更深一步的研究，从而制作出 BFe3011/16MnR 复合板焊接工艺卡。 河南机电高等专科学校毕业论文 5 2 材料焊接性 焊接性概念 焊接性是指在一定 焊接 条件下，是否易于获得优良焊接接头的能力 称为焊接性或可焊性。 它取决于焊缝产生裂纹、气孔等倾向。 焊接性能好的材料易于用一般的 焊接方法 和工艺焊接，焊接时不易产生裂纹、气孔等缺陷，焊缝接头有一定的 力学性能。 低碳钢 有较好的可焊性， 高碳钢 较差， 铸铁 则更差。 高碳钢也具有较好的可焊性，铸铁的可焊性也不差，随着社会的发展， 焊条 的种类也随之增加，对于高碳钢与铸铁也有相应的高碳钢焊条，还有那些相应的特种焊条。 焊接性能包括两方面的内容： ① 接合性能：金属材料在一定焊接工艺条件下，形成焊接缺陷的敏感性。 决定接合性能 的因素有：工件材料的物理性能，如熔点、导热率和膨胀率，工件和焊接材料在焊接时的化学性能和冶金作用等。 当某种材料在焊接过程中经历物理、化学和冶金作用而形成没有焊接缺陷的焊接接头时，这种材料就被认为具有良好的接合性能。 ② 使用性能：某金属材料在一定的焊接工艺条件下其焊接接头对使用要求的适应性，也就是焊接接头承受载荷的能力，如承受静载荷、冲击载荷和疲劳载荷等，以及焊接接头的抗低温性能、高温性能和抗氧化、抗腐蚀性能等。 金属材料焊接性的好与坏首先取决于材料本身的化学成分 ,比如钢的含碳量及合金含量的高低等。 并且它还与焊 接结构的复杂程度 ,刚性大小 ,所采取的焊接材料与焊接方法 ,指定的工艺条件和焊接结构所处的使用环境等都有密切的关系。 通过我的多年工作实践中摸索 ,我体会到影响焊接性的因素主要有这么四个方面：一是材料因素 :它即包括钢材本身的化学成分 ,又包括所选用的焊接材料的化学成分 (包括焊条、焊丝、焊剂、保护气体等 )；二是工艺因素 :它包括从选择焊接方法和制定合理的工艺措施两方面来影响焊接性。 焊接性的好与差是相对而言的 ,我们通过选择合适的焊接方法和合理的工艺措施是可以相对改善和提高焊接性能的；三是构件类型因素 :它包括焊接结构和焊接接 头的形式 ,刚度及应力状态等 ,其将直接影响接头的力学性能及产生缺陷的倾向；四是使用要求因素 :就是焊接结构的使用条件对焊接性的限制。 它包括结构在高温、低温下 ,在腐蚀介质中 ,在动、静载荷交变载荷等条件下工作时 ,对焊接性的限制。 金属 焊接性能的好坏主要取决于它的化学组 成、金相组织及其力学性能。 因此接下我们将分别对 16MnR 与 BFe3011的化学成分、金相组织及其力学性能进行分析。 16MnR 焊接性 化学成分 16MnR 钢是 Q345 级的低合金高强度结构用钢，是生产中应用最广的钢材料。 它只比 Q235 号钢多加入约 1%的 Mn,屈服强度却提高了 40%～ 50%，而且冶炼、加河南机电高等专科学校毕业论文 6 工性能和焊接性能都较好，所以普遍用于制造各种焊接结构和压力容器。 16MnR钢的化学成分（熔炼分析， %）应符合表 1 的规定。 表 21 16MnR 钢的化学成分（熔炼分析， %） 钢号 C Mn Si S P 16MnR 力学性能 在厚板焊接时，由于板厚的增加，其焊接性会逐渐变差，尤其是当板厚达到80mm 以上时，常会在焊接过程中出 现未熔合、未焊透、夹渣、气孔、变形和开裂等缺陷。 因此，大厚度板材焊接防止开裂缺陷是要解决的最突出问题。 16MnR力学性能如表 2 表 22 16MnR 力学性能 板厚（ mm） 抗拉强度 σb (MPa ） 屈服强度 σs (MPa ） 伸长率（ %） 冲击韧性值 αkv (J/cm2 冷弯试验180℃ 316 510640 ≥345 ≥21 ≥31 d=2a ＞ 1636 490620 ≥325 ≥21 ≥31 d=2a ＞ 3660 470600 ≥305 ≥21 ≥31 d=3a ＞ 60100 460590 ≥285 ≥20 ≥31 d=3a ＞ 100120 450580 ≥275 ≥20 ≥31 d=3a 此次试验所研究的是管与板的焊接，管为 16MnR,规格Φ 25 3，因此将选用表 2 中板厚 316mm 相应的数据。 金相组织 16MnR(HIC)钢由于具有抗氢致开裂能力 , 在石油石化和其他领域中得到广泛的应用 , 其中用在含有 H2和湿 H2S 介质的压力容器和反应器等设备上 , 具有独特的优越性。 但是 , 钢的晶粒度和各种缺陷将直接影响其力学性能 , 笔者研究在正火 +回火 +PWHT 条件 下 16MnR(HIC)和 16Mn 钢中夹杂物的形态、分布和晶粒度等级情况，从而得出如下图所示的 16MnR(HIC)金相组织图。 16MnR(HIC)钢的晶粒度等级 ( 9 级 )高于 16Mn 钢晶粒度等级 ( 7. 5 8 级 )。 一般地 , 在一定的含碳量范围内 , 随着奥氏体中碳含量的增加 , 晶粒长大倾向增加。 此外 , 钢的原始组织越细 , 碳化物弥散越大 , 则奥氏体的晶粒越细小。 与河南机电高等专科学校毕业论文 7 粗珠光体相比较 , 细珠光体易于获得细小而均匀的奥氏体晶粒度。 细化晶粒不但可以提高钢的强度 , 而且可以提高钢的塑性和韧性 , 钢的强度与晶粒直径的平方根成反比。 图 21 16MnR(HIC)金相组织 焊接缺陷 16MnR 钢的焊接性是很好的，但是由于它是高强度的，其强度越高，越易产生淬硬相，从而影响其焊接性。 在焊接时，主要会出现以下几方面问题： 区脆化 ①产生部位 热影响区中被加热到 1100 ℃以上直至熔点以下的区域，即焊接热影响区的过热区。 ②产生原因 16MnR 在焊接时，采用了过大的焊接线能量焊接，粗晶区将因晶粒长大或出现魏氏组织等而降低韧性；线能量过小时焊接，会因为粗晶区组织中马氏体比例的增大，降低了韧性。 ③防止措施在焊接时，选用 适当的线能量。 2. 热应变脆化 ① 产生部位焊接接头熔合区及最高加热温度低于 Ac1 的亚临界热影响区。 ② 产生原因 16MnR 属于 CMn 系的低合金钢，这类钢自由氮含量较高，一般认为热应变脆化现象是由于氮、碳原子聚集在位错周围，对位错造成钉轧作用引起的。 一般易于在 200400℃最高加热温度范围的亚临界热影响区产生。 ① 冷裂纹正火钢由于含有少量的合金元素较多，淬硬倾向有所增加。 强度级别及碳当量较低的正火钢，冷裂倾向还不大，但随正火钢碳当量及板厚的增加，其淬硬倾向也随之增大。 采取控制线能量，降低含氢量、预热和及时 后热等措施可以防止冷裂纹的产生。 ② 热裂纹正火钢焊接时热裂倾向一般比较小，但有时会在焊缝中出现热裂纹，这与正火钢 C、 S、 P等有害元素含量偏多有关。 减小母材在焊缝中的熔合比，增大焊缝形状系数（即焊缝宽度与厚度之比），有利于防止焊缝金属的热裂纹。 ③ 层状撕裂具有角接头或丁字接头的厚板焊接结构，在钢材厚度方向承受较大的拉伸应力时，可能沿钢材轧制方向发生阶梯状撕裂，合理选择层状撕裂敏感性小的钢材，改善接头形式以减轻钢板 Z 向所承受的应力应变，在满足客户使用要求的前提下，选用强度较低焊接材料或预堆焊低强焊缝；采用预热及降氢 的措施，都有利于防止层状撕裂。 河南机电高等专科学校毕业论文 8 BFe3011 焊接性 化学成分 铁白铜 ,牌号： BFe3011 ,标准： GB/T 44231992, BFe3011 铁白铜为结构铜镍合金 ， 有良好的力学性能 ， 在海水、淡水和蒸气中具有高的耐蚀性，但可切削性较差。 管材的化学成分的仲裁分析方法按 GB/T 5l21 的规定进行 ，其化学成分如表 23 中所示 表 23 BFe3011 化学成分（ %） 牌号 Ni+Co Fe Mn Zn Si Pb BFe3011 29～ 32 ～ ～ ≤ ≤ ≤ 牌号 S C P Sn Cu 杂质 BFe3011 ≤ ≤ ≤ ≤ 余量 ≤ 力学性能 BFe3011 规格状态及力学性能如下表所示， 表 24 BFe3011 状态规格 牌号 状态 规格 /mm 厚度 宽度 长度 BFe3011 R 7～ 6 ≤ 2020 ≤ 4000 M、 Y ～ 10 ≤ 600 ≤ 1500 表 25 BFe3011 力学性能 牌号 状态 厚度 /mm 抗拉强度 σ/MPa .伸长率δ /% ≥ BFe3011 M ～ 10 370 20 Y 530 3 河南机电高等专科学校毕业论文 9 金相组织 按 JB4708— 2020 规定进行金相检验，包括宏观检验和微观组织观察。 宏观检验要求焊缝根部应焊透。 焊缝金属和热影响区不得有裂纹和未熔合。 采用辉光光谱仪分析焊缝成分，用光学显微镜和 SEM 观察试样组织。 如下图所示 图 22 BFe3011 金相组织 焊接缺陷 白铜由于具有其独特的物理性能，因此它的焊接性也不同于钢，焊接的主要问题是易产生焊接裂纹、易产生气孔 等。 铜及铜合金中存在氧、硫、磷、铅等杂质元素。 焊接时，铜能与它们分别生成熔点为 2 7 0 176。 C 的（ Cu+B i），熔点为 3 2 6 176。 C 的（ Cu+Pb ），熔点为 1 0 6 4 176。 C 的（ Cu+Cu2O），熔点为 1 0 6 7 176。 C 的（ Cu+Cu2S），等多种低熔点共晶，它们在结晶过程中分布在树晶间或晶界处，使铜或铜合金具有明显的热脆性。 铜合金时，气孔出现的倾向比低碳钢要严重得多。 所形成。