特种设备金属材料焊接技术 课件 第2、3章 特种设备用金属材料及焊接材料

特种设备金属材料焊接技术第二章特种设备用金属材料及焊接材料第一节金属的晶体结构一、晶体的特性1）晶体具有熔点，在熔点以上，晶体为液体，处于非结晶状态。2）晶体具有各向异性，在不同的方向上，晶体的各种性能（导电性、导热性、热膨胀性、弹性和强度等）都表现出或大或小的差异。二、晶格与晶胞第一节金属的晶体结构第一节金属的晶体结构第一节金属的晶体结构第一节金属的晶体结构三、实际金属的晶体结构1.点缺陷第一节金属的晶体结构2.线缺陷3.面缺陷4.体缺陷第一节金属的晶体结构四、合金的晶体结构第一节金属的晶体结构五、金属的结晶1.金属结晶的概念2.纯金属结晶过程3.晶粒大小及其控制4.合金的结晶第二节铁碳合金相图及钢的组织一、铁碳合金相图1.特性点2.特性线第二节铁碳合金相图及钢的组织第二节铁碳合金相图及钢的组织二、钢的组织1.铁素体2.奥氏体3.渗碳体第二节铁碳合金相图及钢的组织4.珠光体5.细珠光体（索氏体、屈氏体）6.马氏体7.贝氏体8.魏氏组织三、组织变化第三节金属热处理及其主要性能一、金属热处理1.金属的普通热处理（1）退火将金属或合金加热到适当温度，保持一段时间，缓慢（炉中）冷却至室温的热处理工艺，称为退火。（2）正火将金属加热到Ac3（或Acm）以上30~50°，使金属处于奥氏体区，保温一段时间后，在空气中冷却的热处理工艺，称为正火。（3）淬火将钢件加热到Ac3以上或Ac1以上某一温度，保持一段时间，然后在水、空气或油等介质中快速冷却，形成马氏体或贝氏体组织的热处理工艺，称为淬火。（4）回火回火是把淬火钢件重新加热到Ac1点以下某一温度，保温一段时间，然后冷却到室温的热处理工艺。（5）固溶处理固溶处理是指将合金加热到高温奥氏体区保温，使过剩相充分溶解到固溶体后快速第三节金属热处理及其主要性能冷却，以得到过饱和固溶体的热处理工艺。2.金属的表面热处理（1）表面淬火钢的表面淬火是将工件快速加热到淬火温度，然后迅速冷却，仅使表面层获得淬火组织的热处理方法。（2）化学热处理钢的化学热处理是将工件放入含有某种活性原子的化学介质中，通过加热使介质中的原子扩散渗入工件一定深度的表面，改变其化学成分和组织并获得与心部不同力学性能的热处理工艺。二、金属的力学性能1.强度第三节金属热处理及其主要性能（1）屈服强度材料在拉伸过程中，当载荷达到某一值时，载荷不变而试样仍然继续伸长的现象，称屈服。（2）抗拉强度试样拉伸时，在拉断前所承受的最大载荷与试样原始截面面积之比，称强度极限或抗拉强度，用Rm表示。（3）持久极限持久极限又称持久强度，是指材料在规定的温度下，达到规定时间而不断裂的最大应力。（4）蠕变极限蠕变极限又称蠕变强度，是指在规定温度下，引起试样在一定时间内的蠕变总伸长或恒定蠕变速率不超过规定值的最大应力。通常取设计温度下经10万h蠕变变形1%的值蠕变极限。（5）疲劳强度材料或元件在交变应力（随时间做周期性改变的应力）作用下，经过一段时期后，在材料内部缺陷或应力集中的部位，局部可能会产生细微的裂纹，裂纹逐渐扩展以致在应力远小于屈服点或强度极限的情况下，突然发生脆性断裂，这种现象称为疲劳。第三节金属热处理及其主要性能2.塑性（1）断后伸长率金属材料拉伸试验时，试样拉断后，其标距的残余伸长与原始标距之比的百分率，称为断后伸长率，用A表示。（2）断面收缩率金属试样在拉断后，其缩颈处横截面面积的最大缩减量与原始横截面面积的百分比，称为断面收缩率，以符号Z表示。3.硬度4.韧性（1）冲击韧性试样在冲击试验力一次作用下折断时所吸收的能量值称为冲击吸收能量。（2）断裂韧性断裂韧性是反映材料抵抗裂纹临界扩展的一种能力，是材料固有的力学性能参数，其一方面取决于材料的成分、组织和结构等内在因素，另一方面又受到加载速率、温度和试样厚度等外在条件的影响。第三节金属热处理及其主要性能三、其他性能1.加工工艺性能（1）焊接性在焊接过程中，有些材料容易产生某些焊接缺陷，如气孔、夹渣、裂纹等，并使焊缝和近缝区性能变坏，所以需要特殊的工艺措施，应用特定的焊接方法，才能保证焊接质量。（2）可锻性金属的可锻性是衡量其经受锻压难易程度的工艺性能。（3）可加工性金属切削加工的目的是用刀具对工件进行加工，从工件上切除多余的部分，使其达到符合要求的形状、尺寸，并获得合格的表面粗糙度。2.耐蚀性第四节钢的分类及牌号一、钢的分类二、钢的牌号表示方法1.碳素结构钢和低合金结构钢2.优质碳素结构钢3.合金结构钢4.不锈钢和耐热钢5.焊接用钢第五节焊接材料一、焊条1.焊条的组成1）药皮中含有的稳弧物质可保证电弧容易引燃和稳定燃烧，从而起到稳弧作用。2）起到保护作用，药皮熔化后产生大量的气体笼罩着电弧区和熔池，将熔化金属与空气隔开，保护熔融金属，熔渣冷却后形成渣壳防止表面金属不被氧化并减缓焊缝金属的冷却速度。3）起到渗合金作用，药皮中加入的铁合金或纯合金元素随着药皮的熔化过渡到焊缝金属中去，以弥补合金元素的烧损，提高焊缝金属的力学性能。4）可以改善焊接工艺性能，通过调整药皮成分改变药皮的熔点和凝固温度，有利于熔滴过渡，适应各种焊接位置的需要。2.焊条的分类、型号和牌号（1）分类焊条按照用途可以分为10类。第五节焊接材料1）结构钢焊条，主要用于焊接碳钢和低合金高强钢。2）钼和铬钼耐热钢焊条，主要用于焊接珠光体耐热钢和马氏体耐热钢。3）不锈钢焊条，主要用于焊接不锈钢和热强钢，可分为铬不锈钢焊条和铬镍不锈钢焊条两类。4）堆焊焊条，主要用于堆焊，以获得具有热硬性、耐磨及耐腐蚀的堆焊层。5）低温钢焊条，主要用于焊接在低温下工作的结构，其熔敷金属具有不同的低温工作性能。6）铸铁焊条，主要用于补焊铸铁构件。7）镍及镍合金焊条，主要用于焊接镍及高镍合金，也可用于异种金属的焊接及堆焊。8）铜及铜合金焊条，主要用于焊接铜及铜合金，包括纯铜焊条和青铜焊条。9）铝及铝合金焊条，主要用于焊接铝及铝合金。10）特用途焊条，主要用于特殊环境或特殊材料的焊接，比如用于水下焊接等。第五节焊接材料（2）型号焊条型号是在国家标准及国际权威组织的有关法规中，根据焊条特性指标而明确规定的代号，代号内容所规定的焊条质量标准，是焊条生产、使用、管理及研究等有关单位必须遵照执行的。第五节焊接材料第五节焊接材料（3）牌号焊条牌号是对焊条产品的具体命名，它是根据焊条的主要用途及性能特点来命名的。二、焊丝1.分类及型号2.实心焊丝（1）气体保护焊用焊丝1）GB/T8110—2020《熔化极气体保护电弧焊用非合金钢及细晶粒钢实心焊丝》中，焊丝型号按熔敷金属力学性能、焊后状态、保护气体类型和焊丝化学成分等进行划分。第五节焊接材料2）GB/T29713—2013《不锈钢焊丝和焊带》中，焊丝及焊带型号按其化学成分进行划分。第五节焊接材料（2）埋弧焊用焊丝1）GB/T5293—2018《埋弧焊用非合金钢及细晶粒钢实心焊丝、药芯焊丝和焊丝-焊剂组合分类要求》中，埋弧焊用非合金钢及细晶粒钢实心焊丝型号按照化学成分进行划分，其中字母“SU”表示埋弧焊实心焊丝，“SU”后面的数字或数字与字母的组合表示其化学成分分类。第五节焊接材料第五节焊接材料2）GB/T12470—2018《埋弧焊用热强钢实心焊丝、药芯焊丝和焊丝-焊剂组合分类要求》中，埋弧焊用热强钢实心焊丝型号按照化学成分进行划分，其中字母“SU”表示埋弧焊实心焊丝；“SU”后面的数字与字母的组合表示化学成分分类。第五节焊接材料3）GB/T17854—2018《埋弧焊用不锈钢煤丝-焊剂组合分类要求》中，埋弧焊用不锈钢焊丝-焊剂组合分类按照熔覆金属化学成分和力学性能进行划分。（1）气体保护焊用焊丝1）GB/T10045—2018《非合金钢及细晶粒钢药芯焊丝》中，焊丝型号按力学性能、使用特性、焊接位置、保护气体类型、焊后状态和熔覆金属化学成分等进行划分。第五节焊接材料2）GB/T17493—2018《热强钢药芯焊丝》中，焊丝型号按熔覆金属力学性能、使用特性、焊接位置、保护气体类型和熔覆金属化学成分等进行划分。第五节焊接材料3）GB/T17853—2018《不锈钢药芯焊丝》中，焊丝型号按熔覆金属化学成分、焊丝类型、保护气体类型和焊接位置等进行划分。（2）埋弧焊用焊丝1）GB/T5293—2018《埋弧焊用非合金钢及细晶粒钢实心焊丝、药芯焊丝和焊丝-焊剂组合分类要求》中，药芯焊丝-焊剂组合分类按照力学性能、焊后状态、焊剂类型和熔覆金属的化学成分等进行划分。第五节焊接材料2）GB/T12470—2018《埋弧焊用热强钢实心焊丝、药芯焊丝和焊丝-焊剂组合分类要求》中，药芯焊丝-煤剂组合分类按照力学性能、焊剂类型和熔覆金属的化学成分等进行划分。第五节焊接材料三、焊剂四、焊带五、焊接用气体六、电极1.气体保护焊用钨极材料2.碳弧气刨用碳电极第三章特种设备制造常用焊接方法第一节焊接方法及分类1）平焊位置—焊缝轴线平行或近似平行于水平面，坡口平分面垂直或近似垂直于水平面，焊接时焊枪在上，工件和熔池在下，又称为俯焊位置。2）横焊位置—焊缝轴线平行或近似平行于水平面，坡口平分面也平行或近似平行于水平面。3）立焊位置—焊缝轴线垂直或近似垂直于水平面，坡口平分面垂直或近似垂直于水平面。4）仰焊位置—焊缝轴线平行或近似平行于水平面，坡口平分面垂直或近似垂直于水平面，焊接时焊枪在下，工件和熔池在上。第一节焊接方法及分类（1）手工焊用手握持并操纵焊炬、焊枪或者焊条夹进行焊接，焊条（焊丝）送进和电弧移动均由手工完成。（2）半自动焊利用自动送丝的焊接设备，用手握持并操纵焊炬、焊枪或者焊条夹进行焊接。（3）机械焊接焊炬或焊枪的移动以及焊丝的送进均由机械装置控制，但是焊工需要根据观察到的情况对设备做出适当的手动调节。（4）自动焊接仅仅需要偶尔进行手动调节或者不需要进行监控和手动调节的设备进行焊接。（5）机器人焊接利用在线编程、离线编程、示教编程等方式由焊接机器人进行或者控制的焊接。（6）自适应焊接焊接设备周围配备过程系统以及自动控制系统，可以检测焊接条件下各种参数的变化，机器人根据参数变化进行合适校正，实现工件的自适应焊接。1）可用的设备。包括设备的类型、容量和状态等。2）焊接制造的重复性和一致性。3）质量要求。第一节焊接方法及分类4）施工位置。5）被焊材料。6）最终产品的外观。7）待焊的零部件尺寸。8）工作时间。9）焊工的技能与经验。10）成本。11）强制性的规范。第二节焊接电源基本概念一、焊接电源及电特性第二节焊接电源基本概念第二节焊接电源基本概念二、弧焊电源的基本要求三、电源的组成及分类第三节焊条电弧焊一、焊条的选择（1）保护作用焊条药皮熔化或分解后产生气体和熔渣，隔绝空气，防止熔滴和熔池金属与空气接触。（2）脱氧去硫磷作用通过熔渣和铁合金进行脱氧、去硫、去磷、去氮，可去除有害元素，使焊缝具备良好的力学性能。（3）改善焊接工艺性能药皮熔化后改善电特性，增强电弧稳定性，同时减少飞溅，改善熔液过渡和焊缝成形等。（4）合金化作用焊条药皮中含有合金元素，熔化后过渡到熔池中，可改善焊缝金属的力学性能。第三节焊条电弧焊二、焊接参数三、焊接操作技术第三节焊条电弧焊第三节焊条电弧焊第三节焊条电弧焊第三节焊条电弧焊四、焊接电源第三节焊条电弧焊五、焊条电弧焊的特点1.焊条电弧焊的优点1）设备简单便宜，维护方便，在没有电的边远地区焊接时，可以采用汽油或柴油驱动的焊机。2）焊条药皮能够产生保护熔池和焊接处避免氧化的保护气体，具有较强的抗风能力。3）操作灵活方便，适应性强，可达性好。4）焊条种类的多样化，使这种焊接方法应用范围广，能焊的金属有碳钢、低合金钢、不锈钢、耐热钢、铜、铝及铝合金；能焊但可能需预热、后热或两者兼用的金属有铸铁、高强度钢、淬火钢等。5）某些焊机体积小、重量轻，便于携带。6）随着设备和焊条的不断改进，这种焊接方法始终能保持很高的焊接质量。7）待焊接头装配要求较低。第三节焊条电弧焊2.焊条电弧焊的缺点1）对焊工操作技术要求高，焊工培训费用大，焊工的操作技术和经验对焊接接头质量影响很大。2）主要靠焊工的手工操作完成全过程，焊工的劳动强度大。3）焊接时温度高和烟尘大，劳动条件比较差。4）要经常更換焊条，并要经常进行桿道熔渣的清理，焊接生产率低。5）不适合焊接活泼金属和难熔金属，另外，焊条电弧焊的焊接工件厚度一般在1.5mm以上，1mm以下的薄板不适于焊条电弧焊。6）需要有适当的储存设施，如烘箱，以保持其较低的潮湿度。3.焊条电弧焊可能产生的缺陷1）一种缺陷是焊缝中的气孔，通常是由于煤接区域的潮湿和污染引起的，它可能来自焊条药皮、材料表面或环绕焊接操作处的大气，也可能是由于焊工使用过长的电弧引起的，这点对低氢焊条尤其第三节焊条电弧焊突出，因此，短弧有助于消除焊缝气孔。2）焊接时的电弧磁偏吹，它存在于电弧焊的所有方法，电弧磁偏吹会导致气孔、飞溅、咬边、成形不好并降低焊接熔深。3）焊条电弧焊通过焊渣保护焊缝，就有可能产生夹渣。4）由于焊条电弧焊是通过焊条操作来完成的，如果操作不当就有可能出现各种其他缺陷，如未熔合、未焊透、裂纹、咬边、焊瘤、焊缝尺寸不对和不当的焊缝断面。第四节钨极氩弧焊第四节钨极氩弧焊一、焊接材料选择二、焊接参数三、焊接电源四、钨极氩弧焊的特点1.钨极氩弧焊的优点1）适于焊接各种钢材、有色金属及合金，焊接质量优良。2）电弧和熔池用气体保护，清晰可见，便于实现全位置自动化焊接。3）电弧在保护气流压缩下燃烧，热量集中，熔第四节钨极氩弧焊池较小，焊接速度较快，热影响区较小，工件焊接变形较小。4）能焊接极薄的材料。5）电弧稳定，飞溅小，焊缝致密，成形美观。2.钨极氩弧焊的缺点和局限1）熔深较浅，焊接速度较慢，焊接生产率较低。2）对工件表面状态要求较高，工件在焊前要进行表面清洗、脱脂、去锈等准备工作。3）焊接时气体的保护效果受周围气流的影响较大，需采取防风措施。4）与其他焊接方法相比，生产成本较高。5）GTAW要求很高的技能水平。第五节埋弧焊第五节埋弧焊一、焊接材料二、焊接参数三、焊接电源第五节埋弧焊四、埋弧焊的特点1）熔敷效率高，焊接速度快，生产率高。2）焊接质量好，焊缝金属的性能容易通过焊剂和焊丝的选配调整，焊缝表面光洁，焊后无需修磨焊缝表面。3）容易实现机械化、自动化。4）无辐射和噪声，是一种安全、绿色的焊接方法。5）受焊接位置限制，常用于平焊和平角焊位置的焊接，不适合焊小件、薄件。6）不便观察，需要焊缝自动跟踪装置，对装配精度要求高，每层焊道焊接后必须清除焊渣。7）设备一次性投资大，需采用辅助装置。第六节熔化极气体保护焊第六节熔化极气体保护焊一、焊材的选择二、焊接操作技术GMAW的焊接参数主要有：1）送丝速度。2）电压。3）电流。4）保护气体和流量。5）极性。三、熔滴过渡方式第六节熔化极气体保护焊第六节熔化极气体保护焊四、焊接电源第六节熔化极气体保护焊五、熔化极气体保护焊的特点1.熔化极气体保护焊的优点1）煤接效率高，连续送丝不仅可减少辅助时间，而且可提高焊材的利用率。2）熔化极气体保护焊易于实现焊接过程自动化，因为熔化极气体保护焊是一种明弧焊，焊丝由送丝机构单独送给，因此，只要添加相应机构，就可以实现自动化焊接。3）煤接工艺适应性强，不仅可以焊接薄板，也可以焊接中厚板。4）焊缝表面无熔渣覆盖，不仅省去了焊缝清除熔渣工作，减少了焊缝中产生夹渣的危险，也为厚壁窄间隙或窄坡口焊接创造了有利的条件。5）焊缝金属含氢量低，通常5mL/100g以下，适用于焊接对氢致裂纹较敏感的低合金高强度钢和耐热钢。2.熔化极气体保护焊的缺点第六节熔化极气体保护焊1）焊接设备较复杂，投资费用较高，焊枪需要经常清理。2）焊接参数较多，且需要严格匹配，焊工需要经过专门的培训。3）气体保护容易受到外界干扰，在施工现场，必须配备防风器材。第七节药芯焊丝电弧焊一、焊接形式及焊接参数二、焊接电源第七节药芯焊丝电弧焊三、药芯焊丝电弧焊的特点1.药芯焊丝气体保护电弧焊的优点1）由于药芯成分改变了纯CO2电弧气氛的物理和化学性质，因而飞溅少、颗粒细、易于清除。因熔池表面覆盖有熔渣，焊缝成形类似于焊条电弧焊，焊缝外观比实心焊丝CO2气体保护焊的美观。2）与焊条电弧焊相比，热效率高，电流密度比焊条电弧焊大，生产率为焊条电弧焊的3~5倍，既节省了填充金属又提高了焊接速度。3）与实心焊丝CO2气体保护焊相比，通过调整药芯的成分就可以焊接不同钢种，适应性强。4）药芯焊丝电弧焊有较大的熔深，有助于减少未熔合缺陷的可能性。5）由于该方法主要用于半自动工艺，其操作技能要求远低于焊条方法的要求。6）FCAW适合工地焊接。2.药芯焊丝气体保护电弧焊的缺点第七节药芯焊丝电弧焊1）药芯焊丝送丝比实心焊丝困难，芯料易吸潮，须对药芯焊丝严加保存和管理。2）由于有粉剂，在后续焊道焊接前和外观检查前必须清渣。3）在焊接过程中会产生大量的烟尘，危害焊工的健康。4）FCAW所要求的设备比焊条电弧焊的复杂。5）药芯焊丝气体保护电弧焊会产生包括未焊透、夹渣和气孔在内的典型缺陷。第八节气焊第八节气焊一、气焊材料和焊接参数二、气焊的特点1）设备十分廉价，结构紧凑，且不用电。2）火焰不能提供如电弧那样集中的热源，因此，如果是坡口焊接，坡口制备时钝边应很小以保证在接头根部实现完全熔合。3）低的热量集中还导致该方法速度很慢。4）需要很高的操作技能以获得良好的结果。5）如果火焰调节成氧化焰或是碳化焰，就会引起焊缝金属力学性能的下降。第九节等离子弧焊第九节等离子弧焊一、等离子弧分类（1）非转移型等离子弧电源接于钨极和喷嘴之间，在离子气流压送下，弧焰从喷嘴中喷出，形成等离子焰。（2）转移型等离子弧电源接于钨极和工件之间，因该电弧难以形成，需在喷嘴上也接入正极，先在钨极与喷嘴之间引燃电流较小的等离子弧（又称诱导弧），为工件和电极之间提供足够的电离度，然后迅速接通钨极和工件之间的电路，使该电弧转移到钨极和工件之间直接燃烧，随即切断喷嘴和钨极之间的电路。二、等离子弧焊工艺（1）小孔型等离子弧焊实际上是利用等离子弧对一定厚度范围内的金属进行单面焊背面成形的焊接技术，又称小孔法焊接技术。（2）熔透型等