1Cr18Ni9Ti不锈钢板TIG焊工艺设计

1Cr18Ni9Ti不锈钢板TIG焊工艺设计摘要：本说明书分析了1Cr18Ni9Ti钢板的化学成分、力学性能和它的焊接性，并在此基础上制定了一套TIG焊的设计工艺，包括材料的焊接性能分析、TIG焊设备描述、TIG焊焊的各项工艺参数、焊接前的准备、焊后处理以及焊缝检验。关键词：1Cr18Ni9Ti钢板TIG焊一、母材的焊接性能分析1.1母材的成分及性能母材规格：1Cr18Ni9Ti钢板一块，规格：－5×100×300，TIG焊。母材的力学性能如表1所示，母材化学成分如表2所示。表1母材牌号、力学性能牌号力学性能(MPa)(MPa)(%)(%)HRB304≥200≥520≥40≥50≤90表2母材化学成分(%)牌号化学成分（%）CNiSiPMnS304≤0.12≤1.00≤1.00≤0.035≤2.00≤0.0301.21Cr18Ni9Ti钢的简介、特点及焊接性分析不锈钢是耐蚀和耐热高合金钢的统称。不锈钢通常含有Cr、Ni、Mn、Mo等元素，具有良好的耐腐蚀性、耐热性和较好的力学性能，适于制造要求耐腐蚀、抗氧化、耐高温、和超低温的零部件和设备，应用十分广泛，其焊接具有特殊要求。而1Cr18Ni9Ti既可作为不锈钢，也可作为热强钢。根据1Cr18Ni9Ti其镍的含量，它属于奥氏体钢。奥氏体不锈钢是不锈钢中最重要的钢种，生产量和使用量约占不锈钢总产量及用量的70%。该类钢是一种十分优良的材料，有极好的抗腐蚀性和生物相容性，因而在化学工业、沿海、生物医学、石油化工等领域中得到广泛应用。1.1奥氏体不锈钢的组织特点：①通常在常温下的组织为纯奥氏体，也有一些为奥氏体和少量铁素体，这种少量铁素体有助于防止热裂纹。②不能用热处理方法强化。但具有显著的冷加工硬化性，可通过冷变形方法提高强度。③经冷变形产生的加工硬化，可采用固溶体处理使之软化。1.2母材焊接性能分析：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，焊接接头在焊接状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。但在焊接材料选择不合适或焊接工艺制定不合理时，却易产生热裂纹，晶间腐蚀等缺陷，严重影响了1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢的焊接接头质量。1.3在焊接过程中焊接接头出现晶间腐蚀和热裂纹：（1）晶间腐蚀一般认为晶间腐蚀是因为碳化铬在晶间析出造成的。不锈钢在450～850℃温度范围内停留时，奥氏体晶粒以碳化铬形式沿奥氏体晶界析出。铬主要来自晶粒表层，析出时晶粒内的铬来不及补充，结果造成靠近晶界的晶粒表层处于贫铬状态，晶间贫铬层遭到腐蚀破坏，这种现象称为晶间腐蚀。（2）热裂纹奥氏体不锈钢的热导率小，仅为碳钢的1/3左右，线膨胀系数大，比碳钢的约大50%，因此焊接过程中内应力。另外钢内含有合金元素Si、B、Ni及S、P、Sn、Sb等杂质，容易形成低熔点夹层薄膜，在凝固结晶后期存在于奥氏体晶界，在拉应力下开裂。二、焊接方法的选择和分析焊接方法原理图TIG焊是英文字母TungstenInert-GasWelding的简称。它的中文名称是钨极惰性气体保护焊。这种焊接方法从其名称上可知，它具有两个显著的特点：一是它的电极是用钨或者钨基合金制作而成，二是采用惰性气体做保护气氛。它是在惰性气体的保护下，利用钨电极与工件间产生的电弧热熔化焊件和填充焊丝的一种焊接方法。焊接时保护气体从嘴中喷出，在电弧周围形成气体保护层隔绝空气，以防止其对钨极、熔池及邻近的热影响区的有害影响，从而获得高2.1TIG焊的主要特点1）惰性气体有极好的保护作用，它本身既不与金属发生任何化学反应，也不溶解于高温金属中，使得焊接过程熔池的冶金反应容易控制。对于一般易氧化、氮化的活泼金属、高熔点的黑色金属都能进行焊接，应用面很广泛。2）电弧在氩气中燃烧非常稳定，在小的焊接电流情况下（<10A）仍然稳定燃烧，填充焊丝是通过电弧间接加热，所以适用于薄板及全位置焊接，也是实现单面焊双面成形的理想焊接方法。3）由于填充焊丝不通过焊接电流，不存在熔滴过渡问题，焊接过程没有飞溅，焊缝成形美观。4）氩气在焊接过程中仅仅只是单纯的保护隔离作用，因此对工件表面状态要求较高。焊件在焊前要进行表面清洗，除去灰尘等杂质。5）钨极承载电流的能力有限，过大的电流会引起钨棒的熔化和蒸发，其微粒有可能进入熔池而出现夹钨，所以TIG焊焊接速度受钨棒的限制，故焊接速度较小，生产率较低。6）TIG焊采用的氩气纯度较高，通常要求达到99.8%以上，且氩弧焊机又较复杂，因此TIG焊成本较高。7）氩弧受周围气流影响较大，不适宜在室外和有风处进行操作。2.2TIG焊接方法的适应范围TIG焊可用于几乎所有金属和合金的焊接，但由于其成本较高，通常多用于铝、镁、钛、铜等有色金属以及不锈钢的焊接。2.3TIG焊的不同焊接方法选择通常根据工件材料种类、厚度、产品要求以及生产率等条件选择不同的TIG焊方法。如直流TIG焊适合不锈钢、耐热钢、铜合金、钛合金等材料。交流TIG焊用于铝及铝合金、镁合金、铝青铜等。脉冲TIG焊用来焊接薄板（0.3mm左右）、全位置管道焊接、高速焊以及对热敏感性强的一些材料。直流氦弧焊可以焊接几乎所有金属，尤其适用于大厚度（>10mm）铝板。三、焊接设备的选择3.1钨极氩弧焊机选用选用WS-400：输入电源V/HZ380/50；额定焊接电流400A;电极直1-4mm；工作电压13-28V；电流调节范围60-400A。3.2TIG焊钨电极的选用钨极材料有三种：纯钨、钍钨（W-Th）和铈钨（W-Ce）在TIG焊工艺中，用什么钨极材料做电极是一个重要的问题，它对钨极材料的损耗、电弧的稳定性和焊接质量都有很大的影响。对钨极的要求，一般应满足三个条件：引弧及稳定性能好；耐高温、不易损耗；电流容量大。钨极是TIG焊焊接枪中的易耗材料。焊接时，通常在钨极端部要达到3000K以上的高温，本身受高温蒸发和缓慢氧化均会产生烧损。氩弧焊用的钨极材料有纯钨、钍钨、铈钨、锆钨四种，纯钨极的熔点和沸点高，不容易熔化挥发，其电极的烧损及尖端的污染较少。但电子发射能力较差。在纯钨极中加入1.0~2.0%氧化钍的电极称为钍钨极。它的电子发射能力强，允许的电流密度高，电弧燃烧较稳定。但钍元素具有一定的放射性，使其推广应用受到一定影响。在纯钨极配料中加入1.8~2.8%的氧化铈（杂质0.1%）的钨极称为铈钨极。铈钨极的电子逸出功能低，化学稳定性高，允许电流密度大，并消除了放射性，是目前普遍采用的电极。表3常用钨极材料的化学成分表4钨极许用电流范围3.3TIG焊保护气体的选择①氦气（He）它的热导率大，差不多是氩气的8.8倍，所以弧柱向外散失的热量多，在相同的焊接电流和弧长条件下，电弧有较大的功率，传递给工件的热量也多。同时由于氦气的冷却效果好，电弧的能量密度大，有较大的熔透深度。氦气的密度小，只是空气的0.14倍，氩气的0.1倍，故要有效地保护焊接区域，其流量要比氩气大得多。②混合气体在单一成分气体的基础上，通过实践发现加入一定比例的某些气体可以改变电弧的形态，提高电弧的能量，改善焊接性能，提高焊接生产率，减少了飞溅等效果。为此，在氩气为主的基础上加入了少量的其他气体组成了混合气体保护焊。利用氢气具有较大的热导率及还原性，可以提高电弧温度，增强工件的输入热量，因此常使用Al+He混合保护气体。四、TIG焊接工艺4.1焊前清理氩气是惰性气体，在焊接过程中，既不与金属起化学作用，也不溶解于金属中，为获得高质量的焊缝提供了良好的条件。但氩气不像还原性气体那样，它没有脱氧去氢的能力。为了确保焊接质量，焊前对焊缝及焊丝必须清理干净，不应残留油污、氧化皮、灰尘和水分等。如果采用工艺垫板，同样也要进行清理，否则它们就会从内部破坏氩气保护作用，这往往是造成焊接缺陷的重要原因。（1）机械清理此法简单，效果较好。对不锈钢可用砂布打磨、吹砂式抛光等方法；铝合金可用钢丝刷或刮刀。用刮刀的办法对清理铝合表面的氧化膜是行之有效的。（2）化学清理对于铝、钛、镁等合金与焊丝一般采用化学清理方法，效果好且生产效率高。不同金属材料采用的化学程序各不相同，可按焊接生产说明书的规定进行。清理后的焊件和焊丝必须妥善放置与保管，一般应24h内焊接完。如果存放中时间超过规定时间，在焊前要重新清理一次。化学清理适合于批量及小型零件。（3）化学—机械清理大型工件采用化学清理往往不够彻底，因而在焊前尚需用钢丝轮和刮刀在焊接坡口边缘再清理干净。4.2坡口准备为了保证工件达到所需的熔透深度，对于不同的板厚要求有不同的坡口形式，具体坡口形式及尺寸根据各种材料焊接的工艺确定，坡口加工最好用机械切削方法。本次焊接中使用的是1Cr18Ni9Ti－5×100×300，厚度为5mm，因此应该采用I形坡口。以保证金属熔合良好。4.3定位焊为了保证焊件尺寸，减少变形，防止焊接过程中由于翘曲变形而使得焊处错位，焊前大多需要定位焊。定位焊点的间距依焊接种类、厚度、接头形式而定。不锈钢由于线膨胀系数大，焊接变形大，故点距应小。对于刚性较大和裂纹倾向大的焊件，此时应采用长焊点并缩短定位焊点距。表5定位焊点距与材料及板厚的关系材料名称板材厚度/mm定位焊点距不锈钢≤1.210～301.5～325～603～440～80由表中可以看出，板厚5mm是不需要进行定位焊，因为板厚较厚，焊接变形较小。4.4TIG焊的工艺参数TIG焊的工艺参数主要有:焊接电流、电弧电压（电弧长度）、焊接速度、填丝速度、保护气体流量与喷嘴孔径，钨极直径与形状。合理的焊接参数是获得优质焊接接头的重要保证。表6不锈钢钨极氩弧焊的工艺参数板厚/mm钨极直径/mm焊接速度/mm焊接电流/A焊丝直径/mm氩气流量/L·min-1焊道层数备注4-62.4100-150150-2003.2-46-102Ⅰ型坡口对接焊母材为5mm厚的1Cr18Ni9Ti不锈钢。参考上表得1Cr18Ni9Ti不锈钢钨极氩弧焊的工艺参数为：钨极直径2.4mm；氩气流量8L/min；焊接电流200A；焊接层数为2，Ⅰ型坡口对接焊。4.通常是根据焊件的厚度及焊缝熔深来选择焊接电流。根据焊接电流来确定送丝速度，在直径一定的情况下，送丝速度增加，焊接电流增加。焊接电流通过工位操作盒或焊机上的电流调整旋钮设定。TIG焊开始和结束时对焊接电流通常都采用缓升和缓降，即在焊接引弧时采用较小的电流引燃电弧，然后焊机自动按所设定的时间速率提升至所要使用的焊接电流值。在焊接结束时，焊接电流按设定的时间速率下降，最后熄灭，使最后连接部位不致产生过量熔化。所给母材为5mm厚的1Cr18Ni9Ti不锈钢，由上表可得出需焊接电流为200A。4.4.2电弧电压主要影响焊缝宽度，它由电弧长度决定。TIG焊电弧长度根据电流值的大小通常选择在1.2~5mm之间，需要填加焊丝时，要选择较长的电弧长度。本课题选取设定电弧电压为24v。4.4.3在焊接厚度、焊接电流及电弧电压等其他条件确定的情况下，焊接速度增加，焊缝熔深及熔宽均减小；焊缝单位上的焊丝熔敷量减小，焊缝余量高减小。焊接速度过高可能产生咬边，要根据焊缝成形及焊接电流来确定合适的焊接速度。由上所知焊接速度为100-150mm/min的焊接速度下能够维持比其他焊接方法更为稳定的电弧形态。利用这一特点，TIG焊常被使用在高速自动焊中。本课题分析选用焊接速度为120mm/min。4.4.4一般情况下，焊接不锈钢时都采用与母材成分相同或相似的焊丝，这样可获得较好的耐蚀性。而1Cr18Ni9Ti不锈钢5mm板，填充焊丝直径3.2mm.4.4.5TIG焊要求保护气体具有良好的保护效果，如果保护不良，将产生焊接质量问题。决定效果的主要因素有保护气流量、喷嘴尺寸、喯嘴与母材的距离、外来风等。对于一定的孔径的喯嘴，流量过小，气流挺度太差，排除周围空气的能力弱，保护效果不好。但是流量过大，则可能会形成紊流，并导致空气卷入。所给母材为5mm厚的1Cr18Ni9Ti不锈钢，由上表可得出所需保护气体流量为8L/min。4.4.6钨极直径要根据焊接电流值和极性来选取。由于钨极作为阴极时从电弧得到的热量小于作为阳极时的情况，因此，在同一直径下，直径正接时允许的电流数值较大，而直流反接及交流焊接时允许的电流小。所给母材为5mm厚的1Cr18Ni9Ti不锈钢，由上表可得出所需焊接钨极直径选择2.4mm。4.4.7钨极伸出长度是指钨极从喯嘴端部伸出的距离。它对焊接保护效果及焊接操作性均有影响。该长度应根据接头的形状确定，并对气体流量作适当的调整。常规的钨极伸出长度一般为1~2倍钨极直径。所给母材为5mm厚的1Cr18Ni9Ti不锈钢，由上表可得出所需焊接钨极直径选择2.4mm，所以我们选择的钨极伸出长度为5五、焊接检验可能的焊接缺陷：焊缝金属裂纹、夹渣、气孔、咬边、未熔合、未焊透、熔透过大、蛇形焊道或飞溅。焊后检验的目的：保证焊缝质量,达到要求,及时处理不合格焊缝。检验的方法：外观质量检验、焊接接头无损检测、焊接接头冲击试验等。5.1外观质量检验外观检验主要包括焊缝金属的平直度偏差、厚度及余高的检查；表面裂纹检查；咬边检查；焊接件或产品的几何尺寸检查，包括形状及变形量是否超过技术规程的规定等。该过程以目视检查实现.目视检查用于检查TIG对接焊缝外观和尺寸，如用低倍放大镜，尺寸计量工具等。通常要检查的是焊后的堆焊表面质量（熔渣清理，飞溅清理），表面成型质量（表面尺寸，凸凹，余高，粗大颗粒等），表面有无各类裂纹或峭皮。其最基本的外形尺寸要均匀，焊缝区金属与基体金属之间应平滑过渡，基体无变形，属于初步检查。5.2无损检测在外观质量检验基础之上，无损利用其灵敏性、精确性可以十分准确的检验焊缝内部及其表面缺陷所在。对于焊件，内部及其表面微小缺陷对于焊件工作性能影响颇大而外观检验显然难以完成检验其所在的工作，因此无损检验对于焊件焊后的质量检验十分重要。超声波探伤超声波探伤是利用频率超过20kHz的弹性波在试件中和试件内部缺陷中传播的不同声学特性，来判断是否存在缺陷与缺陷位置尺寸的一种无损检测手段。当声波通过材料时，能量会受到衰减，当遇到界面时就会发生反射。通过探测和分析在探伤仪屏幕显示出来的反射声波的传播时间和波形，便可确定焊缝内部是否存在缺陷，并判断其性质和位置。对于本次操作可以采用手工超声波探伤方法，根据质量要求，其检验等级分为A，B，C三级，对于5mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢，采用A级检验，即采用一种角度的探头在焊缝的单面单侧进行检验，只对允许扫查到的焊缝截面进行探测，一般不要求做横向缺陷的检验。对缺陷进行评定时，超过评定线的信号应注意其是否有裂纹等危害性缺陷特征。如有怀疑时，应采取改变探头角度，增加探伤面，观察动态波形，结合结构工艺特征做判定。如对波形不能准确判断时，应辅以其他检验做综合评定。②磁粉探伤利用在强磁场中，铁磁性材料表层缺陷产生的漏磁场吸引磁粉的现象，而进行的无损检验法称为磁粉探伤。磁粉探伤原理：首先将被检焊缝局部充磁，焊缝中便有磁力线通过。对于断面尺寸相同、内部材料均匀的焊缝、磁力线的分布均匀的。当焊缝表面或内部有裂纹、气孔、夹渣等缺陷时，磁力线将绕过磁阻较大的缺陷。此时在焊缝表面撒上磁粉，磁力线将穿过表面缺陷上的磁粉，形成“漏磁”，根据被吸附磁粉的形状、多少、厚薄程度，便可判断缺陷的大小和位置。内部缺陷由于离焊缝表面较远，磁力线在其上不会形成漏磁，磁粉不能被吸住，无堆积现象，所以缺陷无法显露。③射线探伤射线探伤可分别采用X、γ两种射线。当射线通过金属材料时，部分能量被吸收，使射线发生衰减。如果透过金属材料的厚度不同（裂纹、气孔、未焊透等缺陷，该处发生空穴，使材料变薄）或体积质量不同（夹渣），产生的衰减也不同。透过较厚或体积质量较大的物体时衰减大，因此射到底片上的强度就较弱，底片的感光度就较小，经过显影后得到的黑度就浅；反之，黑度就深。根据底片上黑度深浅不同的影像，就能将缺陷清楚地显示出来。④对于奥氏体不锈钢检查内部缺陷用射线探伤，检查表面缺陷用渗透探伤。5.3不锈钢耐腐蚀试验方法①不锈钢10％草酸浸蚀试验方法（GB4334.1-84）适用于检验奥氏体不锈钢晶间腐蚀的筛选试验方法，试样在10％草酸溶液中电解浸蚀后，在显微镜下观察被浸蚀表面的金相组织，以判定是否需要进行硫酸－硫酸铁、65％硝酸、硝酸－氢氟酸以及硫酸－硫酸铜等长时间热酸试验。必要时也可以作为独立的无损检验方法。②不锈钢硫酸－硫酸铁腐蚀试验方法（GB4334.2-84）适用于将奥氏体不锈钢在硫酸－硫酸铁溶液中煮沸试验后，以腐蚀率评定晶间腐蚀倾向的一种试验方法。③不锈钢65％硝酸腐蚀试验方法（GB4334.3-84）适用于将奥氏体不锈钢在65％硝酸溶液中煮沸试验后，以腐蚀率评定晶间腐蚀倾向的试验方法。④不锈钢硝酸－氢氟酸腐蚀试验方法（GB4334.4-84）适用于检验含钼奥氏体不锈钢的晶间腐蚀倾向。用在70℃、10％硝酸－3％氢氟酸溶液中的腐蚀率的比值来判定晶间腐蚀倾向。⑤不锈钢硫酸－硫酸铜试验方法（GB4334.5-90）适用于检验奥氏体