金属材料焊接工艺 第3版 教案 24 低合金钢与奥氏体不锈钢的焊接

授课教案首页学年第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24授课日期月日月日月日月日授课班级教学内容：4、低合金钢与奥氏体不锈钢的焊接教学目标：知识目标：1、了解低合金钢与奥氏体不锈钢的焊接性能力目标：1、熟悉低合金钢与奥氏体不锈钢的焊接工艺特点2、掌握复合钢板的焊接特点素质目标：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：举例说明珠光体钢与奥氏体不锈钢的焊接工艺。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：1Cr18Ni9钢与Q235钢焊接时存在哪些问题？如何解决？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珠光体钢与奥氏体不锈钢的焊接性当两种成分、组织性能不同的金属通过焊接而形成连续的焊接接头时，接头部位实质上是成分与组织变化的过渡区，集中了各种矛盾，具体表现如下：1．焊缝金属化学成分的稀释珠光体钢与奥氏体不锈钢焊接时，焊缝金属平均成分是由两种不同类型的母材和填充金属混合所组成。由于珠光体钢中不含或只有少量的合金元素，如珠光体钢溶入焊缝金属的比例增大，则会冲淡焊缝金属的合金浓度，从而改变焊缝金属的化学成分和组织状态。这种现象称为母材金属对焊缝金属的稀释作用。在Q235钢与1Cr18Ni9钢的焊缝金属中，如果由于母材对焊缝金属的过分稀释，可使焊缝中奥氏体形成元素不足，结果在焊缝中出现马氏体组织，使焊接接头的脆性增大，导致焊接接头形成裂纹。通过图5-7舍夫勒组织图，来分析讨论用不同奥氏体不锈钢填充材料，焊接Q235钢与不同奥氏体不锈钢的焊缝金属的金相组织以及熔合比变化所带来的影响。首先将钢的合金元素含量折算成铬当量和镍当量，再在图5-7中找出相应的点，即可知该焊缝的正常冷却组织中的相组成。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．凝固过渡层的形成在焊缝金属熔池边缘，金属在液态持续时间最短，温度也较熔池中部低，液体金属流动性较差，最先结晶形成固态。由于珠光体钢与奥氏体不锈钢化学成分相差悬殊，在珠光体钢一侧熔池边缘，熔化的母材金属和填充金属不能充分地混合，在此侧的焊缝金属中珠光体钢所占比例较大，且越靠近熔合线稀释程度就越大；而在焊缝金属熔池的中心，其稀释程度就小。在珠光体钢与奥氏体不锈钢焊接时，在珠光体钢一侧熔合线的焊缝金属存在一个成分梯度很大的过渡层，宽约为0.2～0.6mm。这种成分上的过渡变化区是因熔池凝固特性而造成的，故称为凝固过渡层，实际上是高硬度的马氏体脆性层。凝固过渡层的大小与母材厚度、焊接参数和材料有关。凝固过渡层还与填充金属的成分有关，当过渡层中镍含量低于5％～6％时，将产生马氏体组织如图5-8所示。从图5-8可以看出，脆性层宽度B与焊缝中镍含量成反比。当填充金属选用1Cr18Ni9时，脆性层宽度为B1，是比较大的；当采用Cr15Ni25Mo6填充金属时，此脆性层宽度缩小到B3。采用高镍的填充金属，提高焊缝金属中镍的质量分数，可以使脆化层的宽度明显降低。3．碳迁移过渡层的形成碳从珠光体母材通过熔合区向焊缝扩散，从而在靠近熔合区的珠光体母材上形成了一个软化的脱碳层，而在奥氏体不锈钢焊缝中形成了硬度较高的增碳层。过渡层的形成，造成脱碳层与增碳层硬度的明显差别。在长时间高温下工作时，由于对变形阻力的不同，将产生应力集中，使接头的高温持久强度和塑性下降，可能导致沿熔合区断裂。碳的迁移是形成过渡层的主要原因。碳的扩散取决于本身扩散能力，还与接头的成分、组织和状态有关。具体条件如下：1）焊接过程中熔合区两侧分别为固体和液体，此时碳将由溶解度较低的母材向溶解度较大的熔池过渡。2）焊缝凝固后熔合区两侧分别为奥氏体相和铁素体相，碳将由溶解度低而扩散系数高的铁素体相的母材向溶解度高的奥氏体相焊缝中扩散。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3）焊缝与母材中碳化物形成元素的种类与数量不同，在珠光体母材与奥氏体焊缝熔合时，焊缝中有较多的比铁更强的碳化物形成元素，促使熔合区附近母材中的渗碳体分解，析出的碳原子越过熔合区扩散到焊缝中，并在熔合区附近形成稳定的碳化物。碳化物形成元素的差别是珠光体钢与奥氏体不锈钢焊接时形成碳迁移过渡层的主要原因。4．残余应力的形成异种钢焊接接头，由于两种钢的线膨胀系数相差很大，不仅焊接时会产生较大的残余应力，而且在交变温度下工作，必然会产生交变热应力，从而有可能发生疲劳破坏。异种钢接头中的焊接残余应力，即使通过焊后热处理也难以消除，只是焊接残余应力重新分布。如图5-13所示为异种钢接头熔合区附近的焊接残余应力特征，在焊态时，奥氏体焊缝承受拉应力，珠光体母材承受压应力；焊后热处理，并未消除残余应力，而只是使焊接残余应力重新分布。能力知识点2珠光体钢与奥氏体不锈钢的焊接工艺特点1.焊接方法选用熔合比小、稀释率低的焊接方法。如焊条电弧焊、钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊都比较合适。2.焊接材料2.焊接材料必须考虑接头的使用要求、稀释作用、碳的迁移、残余应力及抗裂性等问题。珠光体钢与奥氏体不锈钢焊接时常用焊接材料见表5-14。3.焊接工艺要点1）尽量选用小直径的焊条和焊丝，并选用小电流、大电压和高焊速进行焊接，以减小熔合比。2）如果珠光体钢有淬硬倾向，应适当预热，其预热温度应比珠光体钢同种材料焊接时略低一些。3）堆焊过渡层对于较厚的焊件，为了防止因应力过高而在熔合区出现开裂现象，可以在珠光体钢的坡口表面堆焊过渡层，如图5-14所示。过渡层中应含有较多的强碳化物形成元素，具有较小的淬硬倾向，也可用高镍奥氏体不锈钢焊条堆焊过渡层。过渡层厚度一般为6～9㎜。4）珠光体钢与奥氏体不锈钢的焊接接头，焊后一般不进行热处理。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能力知识点3复合钢板的焊接特点复合钢板是由两种材料复合轧制而成的双金属板。它是由覆层（不锈钢）和基层（碳钢或低合金钢）组成。接触腐蚀介质或高温的一面由不锈钢板承担，而结构所需强度和刚度则由碳钢或低合金钢板承担。广泛用于石油、化工、制药、制碱和航海等要求防腐和耐高温的容器和管道等。其中以低合金钢与奥氏体不锈钢合成的不锈复合钢板应用最为广泛。不锈复合钢板由于化学成分和物理性能差异很大，其焊接性也存在重大差异，因而不能采用单一的焊接材料和焊接工艺进行焊接，而应将覆层和基层区别对待。1.焊接方法可以采用焊条电弧焊、埋弧焊、CO2气体保护焊及惰性气体保护焊等方法。但覆盖层常用焊条电弧焊。2.焊接材料焊缝由过渡层、基层和覆层三部分组成，各自的焊接材料选择如下：1）过渡层焊接材料必须选用其铬、镍含量高于覆层中含量的不锈钢焊接材料。2）基层焊接材料选用与基层材料单独焊接时相同的焊接材料，并以同样的焊接工艺焊接。3）覆层焊接材料原则上与单独焊接不锈钢时的焊接材料相同，焊接工艺也相同。3、焊接坡口常用的焊条电弧焊对接接头的坡口形式见表5-15（教材P119）。4、焊接顺序不锈复合钢板对接焊缝顺序如图5-15所示。不锈复合钢板的搭接接头和角接接头形式如图5-16和图5-17所示。在待焊区中碳钢和不锈钢共存部位，要选用过渡层的焊接材料。待焊处出现都是碳钢时，可以按基层所选用的焊接材料进行施焊；同样，待焊区都是不锈钢材料时，选用覆层的焊接材料，但是考虑到焊接熔池的深度，可能将基层熔化，此时，第一层焊缝仍要选用过渡层的焊接材料。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5.不锈复合钢板焊接时应注意的问题：1）下料最好采用等离子弧切割等离子切割的割缝质量比氧乙炔火焰切割质量高，切口光滑，热影响区小；2）装配应以覆层为基准，防止错边过大而影响覆层质量，定位焊缝尽可能地放在基层面；3）焊前对坡口两侧20～40mm范围内进行清理；4）焊接过渡层时应选用尽可能小的焊接电流。能力知识点4焊接工程实例0Cr18Ni10Ti+Q345异种钢焊接工程实例沥青溶液换热器中有一道法兰材质为Q345钢的锻件，与壁厚为26mm的0Cr18Ni10Ti钢筒体焊接的工序，为异种钢的焊接。1）焊接方案的制定在锻件内侧与待焊坡口处堆焊过渡层，然后与筒节成为同质材料的焊接，焊接接头形式与坡口尺寸如图5-18所示。2）焊接方法锻件内侧用焊条电弧焊施焊；锻件与筒体焊接采用焊条电弧焊打底，再用埋弧焊施焊。3）内侧过渡层堆焊法兰盘内侧堆焊过渡层并延伸至坡口内侧。堆焊前采用丙酮清理坡口内侧的油污等污染物，并用氧乙炔火焰进行烘烤，以防止堆焊时产生裂纹和气孔。堆焊时采用小电流、多层多道焊，焊条选择及焊接参数见表5-16。4）要严格控制焊接热输入，特别是用小的焊接电流和快的焊接速度来将熔合比控制在最小值。装配时，要求对接接头处不留任何间隙，最大