金属材料焊接工艺 第3版 教案 23 高合金耐热钢的焊接

授课教案首页2015—2016学年第一学期机械工程学院材料技术系（部）焊接技术及自动化教研室课程名称金属材料焊接工艺任课教师姚佳授课形式理论教学√课内实践□理实一体□习题复习□考核评价□其他活动□课时安排2课时序号23授课日期12月17日月日月日月日授课班级13机制-1教学内容：3、高合金耐热钢的焊接教学目标：知识目标：了解高合金耐热钢的焊接性能力目标：熟悉高合金耐热钢的焊接工艺特点素质目标：1、培养学生良好的操作习惯2、具有与人沟通、与人合作的社会交往能力重点难点及解决方法：举例说明高合金耐热钢的焊接工艺。授课地点：教室教学媒体：投影仪设备及材料：其它资源：学习效果评价方式：课堂提问及作业作业和思考题：课后小结：填表说明：1.序号，指该课程授课的顺序号，应与授课计划一致；2.授课形式在相应的选项打“√”。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段一、教学组织1．引入10分钟2．讲解50分钟3．提问15分钟4.小结15分钟二、教学内容能力知识点1高合金耐热钢的焊接性按其组织特征可分为奥氏体型、铁素体型、马氏体型和弥散硬化型四类。按其基本合金系统可分为铬镍型和纯铬型两类。高合金耐热钢与低、中合金耐热钢相比，具有独特的物理性能。如表4-1所示（教材P67），由表中的数据可见，与碳钢相比，奥氏体耐热钢的热系数较大，导热率较低，导致焊件变形较为严重，焊接过程需加以控制。一、奥氏体耐热钢的焊接性1.铁素体含量的控制奥氏体耐热钢焊缝金属中铁素体含量关系到抗热裂性、σ相脆化和热强性能。从抗热裂性能角度出发，要求焊缝金属内含有一定量的铁素体，但从σ相脆化和热强性能角度考虑，铁素体含量越低越好。妥善和合理地解决这一矛盾是奥氏体耐热钢焊接的核心问题。不同成分的铬镍焊缝金属在焊后状态的铁素体含量可按德龙（Delong）焊缝组织图来确定，如图5-4所示。奥氏体焊缝金属的力学性能与其铁素体含量存在一定的关系，随着铁素体含量的增加，奥氏体铬镍焊缝金属的常温抗拉强度提高，而变形能力下降；尤其是高温抗拉强度、高温持久强度及低温韧性随之明显下降。因此，对于高温强度要求较高的焊接接头，必须严格控制铁素体含量，在某些场合下还必须采用全奥氏体的焊缝金属。2.σ相脆化铬镍奥氏体不锈钢和焊缝金属在高温下持续加热过程中也会发生σ相脆化。在奥氏体不锈钢中，σ相析出的温度为650～850℃。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段σ相的出现使奥氏体不锈钢缺口冲击韧度明显降低，另外σ相对奥氏体抗高温氧化性和接头的高温蠕变极限也有一定的有害作用。因此必须采取相应措施控制奥氏体焊缝金属的σ相转变。防止奥氏体不锈钢焊缝金属σ相形成的最有效措施是调整焊缝金属的合金成分，严格限制Mo、Si、Nb等加速σ相形成的元素，适当降低Cr含量并相应提高Ni含量。二、铁素体耐热钢的焊接性铁素体耐热钢是以低碳高铬Fe-Cr-C合金为主，并加入Al、Nb、Mo和Ti等铁素体化元素。铬的质量分数高于21％的铁素体耐热耐热钢在600～800℃温度范围内长时间加热时，会形成σ相。在800℃高温，σ相形成速度可达到最高值；在较低的温度下，σ相形成速度减慢而需要较长时间。铬的质量分数大于17％的高铬钢在450～525℃之间温度下加热，会产生475℃脆性，故对铁素铁耐热钢，应避免在450～525℃的温度区间进行焊接接头的焊后热处理。三、马氏体耐热钢的焊接性马氏体耐热钢的合金系统基本是Fe-Cr-C，通常铬的质量分数在11.5～18％。这些钢几乎在所有的冷却条件下都转变成马氏体组织，能够淬硬，冷裂倾向很大，故这类钢的焊接性很差。能力知识点2合金耐热钢的焊接工艺要点一、奥氏体耐热钢的焊接工艺要点可以采用所有的熔焊方法焊接。在拟定奥氏体耐热钢焊接工艺时应考虑其特殊的物理性能，即低的热导率、高的电阻率、高的线膨胀系数以及高度致密的表面保护膜等。奥氏体耐热钢含有大量对氧亲和力较高的元素，因此不论采用何种焊接方法，都必须利用焊剂、焊条药皮和惰性保护气体对焊接熔池和高温区作良好的保护，以使决定热强性的基本元素保持在所要求的范围内。奥氏体耐热钢焊接材料选择的原则：在无裂纹的前提下保证焊缝金属的热强性与母材金属基本相等。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段1.焊条电弧焊工艺应选择较小的焊接电流，或选用耐发红的奥氏体不锈钢的焊条。施焊过程应采用窄焊道技术，以加快冷却速度，焊道宽度不应超过焊芯直径的4倍，多层焊每层焊道的厚度不应大于3mm；仔细清理坡口表面，焊条使用前应按要求烘干，以防产生气孔；选择工艺性好的钛钙型药皮的焊条，以防夹渣。2.熔化极惰性气体保护焊工艺对于20mm以下的奥氏体耐热钢应优先采用自动或半自动熔化极惰性气体保护焊，半自动焊选用的焊丝直径为φ0.6～1.6㎜；自动焊选用的焊丝直径为φ2.0～3.0㎜。焊接电源可使用平特性的直流电源或直流脉冲电源，直流反接。保护气体可使用纯Ar、Ar+O2或Ar+CO2，纯He、He+Ar+CO2等混合气体。采用较低的焊接电流和电压。3.钨极氩弧焊按对焊缝质量的要求不同，可采用氩气、氦气或其混合气体作保护气体。单层焊或打底焊时，焊缝背面应通相同的气体保护或特制的成形气体。焊接电源通常选择恒流特性的直流电源，采用正极性，也可采用频率范围为0.5～20Hz的低频脉冲直流电。填充焊丝可采用与熔化极气体保护焊相同成分的焊丝，或硅的质量分数为0.3～0.5％，其它成分与母材相同的焊丝。手工氩弧焊时，选用的焊丝直径为1.6～2.5mm，自动氩弧焊选用填充焊丝的直径为0.8～1.2mm。5.焊后热处理对奥氏体耐热钢焊件，当壁厚超过20mm时，有时应考虑作适当的焊后热处理。奥氏体耐热钢的焊后热处理，按处理的温度：可分为低温、中温和高温焊后热处理。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段二、马氏体耐热钢的焊接工艺要点1.焊前预热使用与母材成分相同或相近的焊接材料焊接马氏体耐热钢时，为防止冷裂纹，焊前需要预热。预热温度一般选在200～320℃，最好不高于马氏体开始转变温度。2.焊后开始回火的温度焊件焊后不应以焊接温度直接升温进行回火处理。一般，对于刚度较小的构件，可以冷至室温后再进行回火；对于大厚度的结构，特别当碳的质量分数较高时，需焊后冷至100～150℃，保温0.5～1h，然后加热至回火温度。3.焊后热处理马氏体耐热钢的焊后热处理包括回火和完全退火。4.焊接方法常用的焊接方法有焊条电弧焊、气体保护电弧焊等。焊条电弧焊是最常用的焊接方法。三、铁素体耐热钢的焊接工艺要点普通高铬铁素体耐热钢可采用焊条电弧焊、气体保护焊、埋弧焊、等离子弧焊等熔焊方法。在采用同质焊接材料，特别是拘束度大时，易产生裂纹。为防止产生裂纹，改善接头塑性，以焊条电弧焊为例，可采取以下工艺措施：1.预热预热温度在100～150℃左右，使材料在韧性较高的状态下焊接。2.焊接材料根据对焊接接头性能要求不同，可选用与母材相近的铁素体不锈钢焊条，也可采用奥氏体不锈钢焊条3.焊接参数采用小的焊接热输入，高的焊接速度及尽量减少焊条的横向摆动，以窄焊道进行焊接，控制道间温度，前一道焊缝冷却至预热温度后才允许焊下一道焊缝，以防止焊接接头过热。多层焊时控制道间温度应高于150℃，以减少高温脆化和475℃脆性。4.焊后热处理为了使焊接接头的组织均匀化，从而提高其塑性和韧性，焊后应进行750～800℃退火处理。退火后应快冷，防止出现σ相及475℃脆性，以得到均匀的铁素体组织。能力知识点3高合金耐热钢的焊接工程实例1000t试管机压力阀套的基本材料为3Cr13钢锻件。由于采用了焊接结构，使压力阀套具有体积小、重量轻、耐磨性良好的特点，并满足了技术性能的要求。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段2.焊接工艺要点1）坡口形式V形坡口2）预热温度整体预热200～400℃3）焊接方法焊条电弧焊，直流反极选用E310型（A402）焊条，直径为φ4mm，焊接电流为140～210A。4）装配定位焊装配按图样要求控制好装配间隙，预热后用直径φ3.2mm、E310型焊条立即进行定位焊。5）焊接工艺多层多道连续焊，封底焊时焊接电流为160A，以后各层的焊接电流可稍大些。焊接道间温度不得低于200℃。6