奥氏体不锈钢采用焊条电弧焊焊接工艺要点.docx
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奥氏体不锈钢采用焊条电弧焊焊接工艺要点
南昌工程学院
毕业设计(论文)
机械与电气工程系(院)10材料成型及控制工程专业
毕业设计(论文)题目奥氏体不锈钢采用焊条电弧焊的焊接工艺评定
学生姓名毛小辉
班级10材料成型及控制工程
学号2010100284
指导教师张丽玲
完成日期2014年5月16日
奥氏体不锈钢采用焊条电弧焊的焊接工艺评定
SMAWProcedureQualificationofAusteniticStainlessSteel
总计毕业设计(论文)30页
表格9个
插图5幅
摘要
根据目前奥氏体不锈钢焊接日益发展迅速的局面来看,如何针对奥氏体钢的焊接性能来选择合适的焊接工艺显得尤为重要,而焊接工艺评定又是焊接技术和焊接质量控制的水平和能力的标志。
鉴于此,在相关的不锈钢的性能知识中选用奥氏体不锈钢材料0Cr18Ni9,同样在焊接理论基础上,选出焊条电弧焊作为研究方法,结合焊接试验实例,阐述在奥氏体不锈钢采用焊条电弧焊的焊接过程中,如何对焊接材料和焊接工艺做出正确的选择,以及通过力学性能测试,采用拉伸、弯曲、冲击等试验方法来确保能得到具有良好使用性能的焊接接头,从而达到对奥氏体不锈钢焊接的焊接工艺评定。
关键词奥氏体不锈钢焊条电弧焊焊接工艺力学性能测试
Abstract
Accordingtothecurrentweldingofausteniticstainlesssteelgrowsrapidly,weldabilityofausteniticsteelsisparticularlyimportanttoselectasuitableweldingprocess.Anditisasignoftheweldingprocedurequalificationandcapabilityofweldingtechnologyandweldingqualitycontrol.Inviewofthis,theselectionofausteniticstainlesssteelmaterial0Cr18Ni9intheperformanceofknowledgeinastainlesssteel,alsointheweldingtheorybasis,choosetheSMAWasresearchmethods,combinedwiththeweldingtestexamples,expoundsonausteniticstainlesssteelbyshieldedmetalarcweldingprocess,howtomaketherightchoiceofweldingmaterialandweldingprocess,andthethroughthetestofmechanicalproperties,thetensile,bending,impacttestmethodtoensurethatcangettheweldedjointhasgoodpropertiesforuse,soastoachievetheweldingofausteniticstainlesssteelwelding.
KeyWords:
Austeniticstainlesssteel;SMAW;weldingprocedure;Mechanicaltesting
目录
摘要………………………………………………………………………I
ABSTRACT………………………………………………………………………II第一章绪论………………………………………………………………………1
1.1选题的依据………………………………………………………………………………1
1.2课题的意义………………………………………………………………………………1
1.3研究概况及发展趋势综述………………………………………………………………1
1.4焊接技术的发展趋势……………………………………………………………………2
1.5主要内容及特色…………………………………………………………………………2
第二章奥氏体不锈钢……………………………………………………………4
2.1奥氏体不锈钢的化学成分与力学性能…………………………………………………4
2.2奥氏体钢的焊接性………………………………………………………………………5
2.2.10Cr18Ni9的焊接性能………………………………………………………………6
2.2.2焊接接头的晶间腐蚀………………………………………………………………7
2.2.3焊接接头的刀口腐蚀………………………………………………………………7
2.2.4应力腐蚀开裂………………………………………………………………………7
2.2.5焊接接头的热裂纹问………………………………………………………………8
第三章焊条电弧焊工艺…………………………………………………………10
3.1手工焊概述……………………………………………………………………………10
3.2焊条电弧焊的原理及特点……………………………………………………………10
3.3焊条电弧焊设备………………………………………………………………………11
3.4焊条的分类……………………………………………………………………………13
3.5焊条电弧焊的操作……………………………………………………………………14
第四章奥氏体不锈钢采用焊条电弧焊的焊接工艺…………………………17
4.1焊前准备………………………………………………………………………………17
4.2焊接工艺参数…………………………………………………………………………20
4.2.1焊条直径…………………………………………………………………………20
4.2.2焊接电流…………………………………………………………………………20
4.2.3焊接位置…………………………………………………………………………20
4.2.4焊接层数…………………………………………………………………………20
4.2.5电弧电压…………………………………………………………………………20
4.2.6焊接速度…………………………………………………………………………20
第五章奥氏体不锈钢采用焊条电弧焊的焊接实验研究……………………22
5.1焊接实验设计图………………………………………………………………………22
5.2焊接实验母材…………………………………………………………………………22
5.3焊接实验设备…………………………………………………………………………23
5.4焊接实验方法…………………………………………………………………………23
5.5焊接实验的步骤………………………………………………………………………23
5.5.1下料………………………………………………………………………………23
5.5.2板材的装配………………………………………………………………………24
5.5.3焊接………………………………………………………………………………24
5.5.4焊后的清理工作…………………………………………………………………24
5.5.5注意事项…………………………………………………………………………24
5.5.6实验结果分析……………………………………………………………………24
第六章奥氏体不锈钢的力学性能测试………………………………………266.1拉伸试验………………………………………………………………………………266.2弯曲试验………………………………………………………………………………266.3冲击试验………………………………………………………………………………266.4力学性能试验结果分析………………………………………………………………276.6焊缝质量的检测………………………………………………………………………27
结语………………………………………………………………………………28
参考文献…………………………………………………………………………29致谢………………………………………………………………………………30
第一章绪论
1.1选题的依据
近年来,材料科学的不断发展,钢逐渐成为我们社会不可缺少的一种材料,它是可以作为一个国家工业水平的标志。
一个国家的工业化水平越高,它需要的钢类也更多。
不锈钢一般含Cr大于18%,还含有 8%左右的Ni和少量钼、氮、钛等元素。
其综合性能良好,可用作为耐多种介质腐蚀材料。
作为钢中重要的一种以其特殊的焊接性能、使用性能和力学性能被广泛的应用于不同业,为现代工业的发展和科技的进步奠定了重要的物质基础。
其中奥氏体不锈钢作为不锈钢非常重要的一种,开发好和使用好对我国的工业化来说非常重要。
社会主义现代化的不断发展加上人们对更高品质生活的追求,不锈钢材料及其相关的技术科学将得到不断地发展、完善。
现如今世界上大多数钢连接都是用焊接方法来完成的,而在我们的日常生活中,焊条电弧焊是材料连接中不可缺少的一种方法。
当前我国用的越来越多的钢就是奥氏体不锈钢,所以针对这种材料的焊接研究变得十分有必要。
所以通过用焊条电弧焊的方法来研究奥氏体不锈钢的焊接是这次选择的原因之一。
焊接方法很多,埋弧焊,二氧化碳保护焊等,采用焊条电弧焊是由于其操作灵活,方便,成本低,因而成为广泛应用于奥氏体不锈钢的生产、连接过程中。
1.2课题的意义
奥氏体不锈钢是一种非常重要的工程材料,被广泛应用到各种工业中,通过对其焊接课题的研究能够将其日益突显的焊接问题进行归纳整理。
另外,对奥氏体不锈钢的得焊接技术进行更深一步的探索。
还可以通过对造成焊接缺陷原因的分析,逐步改善和提高奥氏体不锈钢的焊接质量。
奥氏体不锈钢的焊接质量受到焊接设备、材料、工艺流程以及技术操作水平等各个方面的影响,通过对这些影响的分析研究,就可以把奥氏体不锈钢的焊接技术进一步的提高和完善,能够对出现的问题进行及时的解决,将大幅度减少产品的成本。
1.3研究概况及发展趋势综述
1913年奥氏体不锈钢在问世于德国,在不锈钢的发展历程中一直占有很重要的角色,生产量和工业使用量约超过占不锈钢的总产量和用量的百分之七十。
钢号同样也是最多,现如今今我国常用奥氏体不锈钢的种类就有40多个。
奥氏体不锈钢主要包括有18Cr-8Ni钢以及在此基础上增加些铬镍含量,同时加入一些Ti、Si、Cu、Ni、Mo等元素组成了高Cr-Ni钢类。
现在的奥氏体不锈钢的重要发展主要在:
研究改善点蚀与耐缝隙腐蚀技术;进一步改善减少晶间腐蚀和应力腐蚀;加入新元素来改善不同温度下的抗氧化性和强度.;完善切削性和构件表面的精度的流程设计。
作为极具发展潜力的金属材料,今后的发展集中在钢种的极低碳化和高纯化;开发有特色用途的新钢种、高耐蚀高强度高氮钢、热海水用的高钼钢和不锈钢超功效材料等;特殊工艺的开发,多研制出复合材料和非晶体奥氏体不锈钢。
焊接中运用的技术是当代工业生产中不可缺少的制造技术之一。
科学技术的不断发展使得焊接过程中用到的技术越来越受到各行各业密切的关注,并广泛应用于冶金、机械、建筑、桥梁、汽车、船舶、电力、压力容器、电子、锅炉、航空航天、军事装备和军工等产业部门。
尤其是焊条电弧焊技术,因为使用上非常灵活,不管是在焊接车间内,还是在其他野外施工现场,都非常普及。
对于手工焊,当前主要对焊接中的电弧、焊丝、焊条以及焊接材料的研究,旨在选出最适合实验的材料和工艺。
虽然我国目前在焊接材料的研究和应用生产上取得很大的进步,但是,我国在焊接材料生产的质量和品种方面依旧面临着严峻的挑战。
现如今焊接材料仍以研究焊条为主体,焊条的生产总量约占焊接材料总量的80%。
为了进一步改善这种局面,大力发展实芯焊丝和药芯焊丝是焊接材料的一个重要的突破方向。
1.4焊接技术的发展趋势
1、提高焊接的生产率是推动焊接工艺技术的发展重要驱动力。
2、提高装配车间的机械化,实现焊接自动化水平是当前世界先进工业国家的重点发展方向。
3、焊接过程的自动化、智能化是提高焊接质量稳定性,解决恶劣劳动条件的重要方向。
4、新兴特色工业的发展是不断推动焊接技术的前进的动力。
5、新能源、热源的研究和开发是推动焊接工艺发展的巨大动力。
6、节能技术是普遍有关焊接工业关注的重要问题。
7、研发新的焊接方法、扩大计算机的应用也是主要目标。
1.5主要内容及特色
设计分为奥氏体不锈钢成分及性能分析,焊接生产过程和焊后检验,前两章介绍奥氏体不锈钢的结构及性能分析,第三、四、五章介绍奥氏体不锈钢采用焊条电弧焊的焊接生产前、中、后三过程知识和焊接工艺参数的选择,最后两章介绍焊接试验过程中的流程、问题及焊后力学性能的检验。
设计以突出实践性、理论知识应用与实际生产为本质目的。
在尊重科学规律的前提下,对部分其他专业知识结构的整合,旨在提高院校学生对专业知识的结合运用,将所学理论技术运用到工业发展和生活中去。
第二章奥氏体不锈钢
2.1奥氏体不锈钢的化学成分与力学性能
奥氏体不锈钢为常温下内部的显微组织是纯奥氏体组织或者还含有少量铁素体组织。
主要以Cr18Ni9铁基合金为基础,添加Mo、Si、Ti、Ni、Cu等元素渐渐发展成铬镍奥氏体不锈钢系列。
常用奥氏体钢的牌号与成分见表2-1。
力学性能见表2-2。
表2-1常用奥氏体钢的牌号与化学成分w(%)
牌号
C
Si
Mn
P
S
Ni
Cr
其他
0Cr18Ni9
≤0.08
≤1.00
≤2.00
≤0.035
≤0.030
≤8.00~11.00
≤18.00~20.00
—
00Cr19Ni11
≤0.03
≤1.00
≤2.00
≤0.035
≤0.030
≤9.00~13.00
≤18.00~20.00
—
0Cr18Ni12Mo3Ti
≤0.08
≤1.00
≤2.00
≤0.035
≤0.030
≤11.00~14.00
≤16.00~19.00
Mo:
2.50~3.50
Ti:
5XC%~0.70
0Cr18Ni11Ti
≤0.08
≤1.00
≤2.00
≤0.035
≤0.030
≤9.00~13.00
≤18.00~20.00
Ti≥5Xc%
0Cr19Ni9N
≤0.08
≤1.00
≤2.50
≤0.035
≤0.030
≤7.00~10.50
≤18.00~20.00
N:
0.10~0.25
00Cr18Ni10N
≤0.03
≤1.00
≤2.50
≤0.035
≤0.030
≤8.50~11.50
≤17.00~19.00
N:
0.12~0.22
1Cr18Ni9
≤0.08
≤1.00
≤2.00
≤0.035
≤0.030
≤8.00~11.00
≤17.00~19.00
—
表2-2常用奥氏体钢的热处理制度及力学性能
牌号
热处理/℃
σ0.2/MPa
σb/MPa
δs﹙%﹚
ψ﹙%﹚
0Cr18Ni9
固溶1010~1150快冷
≥205
≥520
≥40
≥60
00Cr19Ni11
固溶1010~1150快冷
≥177
≥480
≥40
≥60
0Cr18Ni12Mo3Ti
固溶1000~1100快冷
≥205
≥530
≥40
≥55
0Cr18Ni11Ti
固溶980~1150快冷
≥205
≥520
≥40
≥50
0Cr19Ni9N
固溶1010~1150快冷
≥275
≥550
≥35
≥50
00Cr18Ni14Mo2Cu2
固溶1010~1150快冷
≥177
≥4000
≥40
≥60
00Cr18Ni10N
固溶1010~1150快冷
≥245
≥550
≥40
≥50
1Cr18Ni9
固溶1010~1150快冷
≥205
≥520
≥40
≥60
2.3奥氏体钢的焊接性
奥氏体不锈钢在任何的温度下都不易发生相变,无淬硬的倾向,无磁性,对氢不敏感,焊接的接头在焊接状态下具有较好塑性和韧性,所以和其它类型不锈钢相比其焊接性良好。
在焊接的材料选择不合适或者焊接的工艺制定不正确时,容易产生热裂纹、晶间腐蚀等一些缺陷,会严重影响奥氏体不锈钢的焊接接头的质量。
课题选用的奥氏体不锈钢材料为0Cr18Ni9,需要研究其焊接性,是金属材料对焊接加工的适应性。
焊接性能反映在金属材料在特定的焊接工艺条件下,获得优质焊接接头性能的难易程度。
焊接性一般可以分为工艺焊接性、使用焊接性两种。
工艺焊接性是金属材料在一定焊接的工艺条件下,形成焊接缺陷的敏感性。
影响性能的因素主要有工件物理性能,如导热率、膨胀率、熔点等,焊件和焊材在焊接时的冶金作用、化学性能等。
材料在焊接的过程中经历物理作用、化学作用和冶金作用后形成的无焊接缺陷的焊接接头,就可以认为材料具有良好的工艺性能。
使用焊接性是某种金属材料在一定的焊接工艺下的焊接接头对使用要求的适应,也可以说是焊缝承受载荷的能力,如承冲击载荷、受静载荷和疲劳载荷等,也包括焊接接头的高温性能和抗氧化、抗低温性能、抗腐蚀性能等。
奥氏体不锈钢的焊接性和焊接的方法、构件类型、材料的成分、使用要求都有紧密关系,不应脱离这些因素而单一的从材料性能来判定焊接性。
从上述分析可以看出,一项技术指标很难概括焊接性,必须通过多方面因素才能确定焊接性。
金属的焊接性我们可以在不要求非常准确的情况下可以根据材料化学性能、材料物理性能、碳当量来判断,但是要求需要很准确的话必须通过焊接性试验来评判。
2.3.10Cr18Ni9的焊接性能
0Cr18Ni9作为奥氏体不锈钢的一种,其组织是奥氏体(A)+3-5 %铁素体(F )。
材料有良好的高温、低温性能和塑性。
在焊接的热循环的作用下,性能是否良好取决于以下方面:
一为采用小的线能量输入,尽量减小热影响区的范围,加快焊缝和热影响区间的冷却速度。
二则是用0Cr18Ni9焊接时要求导热系数小,因为存在过热区,很容易会造成热影响区的晶粒长大和分布。
焊缝高温停留时间不要过长,焊件在高温状态下Cr和C形成化合物会在高温区就形成贫铬层,容易导致焊缝的枝晶倾向加剧。
三是因为导热系数小而线膨胀系数过大,在这种焊接状态下容易产生较大的变形,这就要求选用热影响区窄、能量集中的焊接方法就能在一定程度上减少焊接变形的程度。
四是0Cr18Ni9的含碳量很小,高合金钢碳当量法对它焊接性能的估算是不太准确的。
0Cr18Ni9属于奥氏体不锈钢,这类钢虽然有较高的变形能力却不可淬硬,含碳量又很低,总的来说焊接性是不错的。
但是局部加热时温度分布不均匀,收缩量大、热导率低,热膨胀系数大等都将使焊接接头在焊接过程中产生较大内应力。
所以我们在焊接的时候必须注意这方面变化,焊接时尽量避免受热不均发生,焊接的速度也可以适当的加快。
上面我们已经从它的化学成分和物理性能对0Cr18Ni9的焊接性能进行了分析,但是根据这些判断出的焊接性是不够准确的,我们需要准确的判断它的焊接性我们就必须通过焊接性试验来完成。
焊接试验和焊接接头的力学性能测试结果才能对0Cr18Ni9的焊接性做出精确的判定。
总的来说,材料的焊接性良好,但在焊接材料选择不合适或焊接工艺制定不合理时,容易产生的问题有焊接接头的晶间腐蚀、焊接接头的刀口腐蚀、应力腐蚀开裂问题、焊接接头的热裂纹。
研究需要对各种缺陷进行分析和制定防止措施。
2.3.2焊接接头的晶间腐蚀
焊接时,焊缝和热影响区在450~850℃敏化温度区间段停留一定时间后,会在奥氏体晶粒边界上产生大量的碳化铬(Cr23C6),这就造成晶粒表层区域的Cr的含量下降到了耐腐蚀所要求的极限值12%,便形成贫Cr区,与腐蚀性介质接触时就容易被侵蚀,还能迅速向纵深处发展,晶粒间的联系和结合也会被破坏,造成晶间腐蚀,最后会使焊件遭到破坏。
一般采取提高焊接的接头耐晶间腐蚀的措施有:
(1)采用低碳或超低碳的焊材,采用含钛、铌等稳定化元素的焊条。
(2)由焊丝或焊条向焊缝熔入一定量的铁素体,形成元素,使焊缝金属成为奥氏体+铁素体的双相组织(铁素体一般控制在4%~12%)。
(3)为防止焊接熔池过热,选用较小的焊接电流和较快的焊接速度,加快冷却速度。
(4)对耐晶间腐蚀性能要求很高的焊件进行焊后稳定化退火处理。
2.3.3焊接接头的刀口腐蚀
刀口腐蚀是焊接接头中特有的一种晶间腐蚀,只发生于含有稳定剂钛、铌的奥氏体钢(如0Cr18Ni11Ti、0Cr18Ni11Nb等)的焊接接头上。
腐蚀部位在热影响区的过热区,开始宽度只有3~5个晶粒,逐渐可扩大到1.0~1.5mm。
腐蚀一直深入到金属内部,因形状似刀刃而得名。
刀口腐蚀一般发生在焊后再次在敏化温度区间加热时,即高温过热与中温敏化连续作用的条件下,产生的原因也和Cr23C6析出后形成的贫铬层有关。
防止刀口腐蚀的措施有:
(1)降低含碳量。
(2)减少近缝区过热。
(3)合理的安排焊接顺序。
(4)焊后进行稳定化处理。
2.3.4应力腐蚀开裂问题
金属在应力和腐蚀介质性介质共同作用下,所发生的腐蚀破坏叫做应力腐蚀开裂。
在不锈钢中奥氏体钢比铁素体钢或马氏体刚对应力腐蚀更为敏感。
拉应力的存在是产生应力腐蚀开裂的必要条件。
影响奥氏体钢应力腐蚀开裂的又一因素主要是腐蚀介质,腐蚀介质有氯化物水溶液、海水、H2S水溶液、水蒸汽、浓NaHCO3+NH3+NaCl水溶液等。
不
锈钢在使用条件下产生应力腐蚀开裂的影响因素很多,包括钢的成分、组织和状态,介质的种类、温度、浓度,应力的性质、大小及结构特点等。
防止应力腐蚀开裂往往要从多方面采取措施,主要有:
(1)合理制定成型加工和组装工艺,尽可能减小冷作变形度,避免强制组装,防止组装过程中造成各种缺陷。
(2)合理选择焊材:
焊缝金属与母材奥氏体不锈钢焊接特点及焊条选用有良好的匹配,不产生任何不良组织,例如晶粒粗化及硬脆马氏体等。
(3)采取合适的焊接工艺,保证焊缝成型良好,不产生任何应力集中或点蚀的缺陷,例如咬边等;采取合理的焊接顺序,降低焊接残余应力水平。
(4)消除应力处理:
焊后热处理,例如焊后完全退火或退火;在难以实施热处理时采用焊后锤击或喷丸等。
2.3.5焊接接头的热裂纹问题
热烈纹是奥氏体不锈钢焊接时比较容易产生的焊接缺陷,包括焊缝的纵向裂纹和横向裂纹、火口裂纹、打底焊的根部裂纹和多层焊的层间裂纹等,奥氏体不锈钢产生热烈纹的倾向比低碳钢大得多,主要因为:
(1)奥氏体不锈钢的导热系数大约只有低碳钢的一半,而线膨胀系数比低碳钢约大50%,焊后在接头中会产生较大的焊接应力。
(2)奥氏体不锈钢中的成分如碳、硫、磷、镍等会在熔池中形成低熔点共晶体。
例如:
硫与镍形成的Ni3S2熔点为645℃,而Ni
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