金屬材料焊接工藝 第3版 教案 18 奧氏體不銹鋼的焊接

授課教案首頁學(xué)年第學(xué)期機(jī)械工程學(xué)院材料技術(shù)系（部）焊接技術(shù)及自動化教研室課程名稱金屬材料焊接工藝任課教師授課形式理論教學(xué)√課內(nèi)實(shí)踐□理實(shí)一體□習(xí)題復(fù)習(xí)□考核評價(jià)□其他活動□課時(shí)安排2課時(shí)序號18授課日期月日月日月日月日授課班級教學(xué)內(nèi)容：第四章不銹鋼的焊接2、奧氏體不銹鋼的焊接教學(xué)目標(biāo)：知識目標(biāo)：了解奧氏體不銹鋼的焊接性能力目標(biāo)：熟悉奧氏體不銹鋼的焊接工藝特點(diǎn)素質(zhì)目標(biāo)：1、培養(yǎng)學(xué)生良好的操作習(xí)慣2、具有與人溝通、與人合作的社會交往能力重點(diǎn)難點(diǎn)及解決方法：舉例說明奧氏體不銹鋼的焊接工藝。授課地點(diǎn)：教室教學(xué)媒體：投影儀設(shè)備及材料：其它資源：學(xué)習(xí)效果評價(jià)方式：課堂提問及作業(yè)作業(yè)和思考題：1．1Cr18Ni9等不銹鋼焊接接頭產(chǎn)生晶間腐蝕的原因是什么？怎樣防止接頭的晶間腐蝕？3．簡述奧氏體不銹鋼的焊接工藝要點(diǎn)。課后小結(jié)：填表說明：1.序號，指該課程授課的順序號，應(yīng)與授課計(jì)劃一致；2.授課形式在相應(yīng)的選項(xiàng)打“√”。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過程時(shí)間分配方法及手段一、教學(xué)組織1．復(fù)習(xí)引入10分鐘2．講解45分鐘3．提問20分鐘4.小結(jié)15分鐘二、教學(xué)內(nèi)容能力知識點(diǎn)1奧氏體不銹鋼的焊接性奧氏體不銹鋼焊接時(shí)存在的主要問題是：焊縫及熱影響區(qū)熱裂紋敏感性大；接頭產(chǎn)生碳化鉻沉淀析出，耐蝕性下降；接頭中鐵素體含量高時(shí)，可能出現(xiàn)475℃脆化或σ相脆化。一、焊接熱裂紋單相奧氏體不銹鋼鋼焊接時(shí)，具有較高的熱裂紋敏感性。在焊縫及近縫區(qū)都有可能出現(xiàn)熱裂紋，最常見的是焊縫凝固裂紋，也可能在HAZ或多層焊道間金屬出現(xiàn)液化裂紋。1．焊接接頭產(chǎn)生熱裂紋的原因奧氏體不銹鋼具有較大的熱裂紋敏感性，主要取決于其化學(xué)成分、組織與性能特點(diǎn)：1）化學(xué)成分奧氏體不銹鋼中的合金元素較多，尤其是含有一定數(shù)量的鎳，它易與硫、磷等雜質(zhì)形成低熔點(diǎn)共晶，如Ni-S共晶熔點(diǎn)為645℃，Ni-P共晶熔點(diǎn)為880℃，比Fe-S、Fe-P共晶的熔點(diǎn)更低，危害性也更大。其他一些元素如硅、硼、鈮等元素，也能形成有害的易熔晶間層，這些低熔點(diǎn)共晶會促使熱裂紋的產(chǎn)生。2）組織奧氏體不銹鋼鋼焊縫易形成方向性強(qiáng)的粗大柱狀晶組織，有利于有害雜質(zhì)元素的偏析，從而促使形成連續(xù)的晶間液膜，提高了熱裂紋的敏感性。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學(xué)方法如：項(xiàng)目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實(shí)物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡(luò)課程等。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過程時(shí)間分配方法及手段3）性能從奧氏體不銹鋼的物理性能看，它具有熱導(dǎo)率小、線膨脹系數(shù)大的特點(diǎn)，因而在焊接局部加熱和冷卻條件下，易產(chǎn)生較大的焊接殘余拉應(yīng)力，進(jìn)一步促進(jìn)焊接熱裂紋的產(chǎn)生。綜上所述，奧氏體不銹鋼的焊接熱裂紋傾向比低碳鋼大得多，尤其是高鎳奧氏體不銹鋼。2．防止奧氏體不銹鋼產(chǎn)生熱裂紋的主要措施（1）冶金措施1）嚴(yán)格控制焊縫金屬中有害雜質(zhì)元素的含量2）調(diào)整焊縫化學(xué)成分使焊縫金屬出現(xiàn)奧氏體－鐵素體雙相組織，能夠有效地防止焊縫熱裂紋的產(chǎn)生。如18-8鋼焊縫組織中有少量鐵素體（δ）相存在，則抗裂性能大大提高，如圖4-1所示。這是因?yàn)棣南嗟拇嬖诖騺y了奧氏體焊縫柱狀晶的方向性（如圖4-2所示）、細(xì)化了晶粒，低熔點(diǎn)的雜質(zhì)被鐵素體分散和隔開，避免了低熔點(diǎn)雜質(zhì)呈連續(xù)網(wǎng)狀分布，從而阻礙熱裂紋擴(kuò)展和延伸；δ相能溶解較多的硫、磷等微量元素，使其在晶界上的數(shù)量大減少，從而提高焊縫抗熱裂紋的能力。常用鐵素體化的元素有鉻、鉬、釩等。3）控制焊縫金屬中的鉻鎳比對于18-8型不銹鋼來說，當(dāng)焊接材料的鉻鎳比小于1.61時(shí)，就易產(chǎn)生熱裂紋；而鉻鎳比達(dá)到2.3～3.2時(shí)，就可以防止熱裂紋的產(chǎn)生。4）在焊縫金屬中加入少量的鈰、鋯、鉭等微量元素這些元素可以細(xì)化晶粒，也可以減少焊縫對熱裂紋的敏感性。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學(xué)方法如：項(xiàng)目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實(shí)物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡(luò)課程等。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過程時(shí)間分配方法及手段上述冶金因素主要是通過選擇焊接材料來達(dá)到調(diào)整焊縫化學(xué)成分的目的。目前我國生產(chǎn)的18-8型不銹鋼焊條的熔敷金屬，都能獲得奧氏體-鐵素體雙相組織。（2）工藝措施焊接時(shí)應(yīng)盡量減小熔池過熱程度，以防止形成粗大的柱狀晶。為此焊接時(shí)宜采用小熱輸入及小截面的焊道，多層焊時(shí)，道間溫度不宜過高，以避免焊縫過熱；焊接過程中焊條不允許擺動，采用窄焊縫的操作技術(shù)。此外，液化裂紋主要出現(xiàn)在25-20型奧氏體不銹鋼的焊接接頭中。防止液化裂紋的產(chǎn)生，除了嚴(yán)格限制母材中的雜質(zhì)含量，控制母材的晶粒度以外，在工藝上應(yīng)盡量采用高能量密度的焊接方法、小熱輸入和提高接頭的冷卻速度等措施，以減少母材的過熱和避免近縫區(qū)晶粒的粗化。二、焊接接頭的晶間腐蝕有些奧氏體不銹鋼的焊接接頭，在腐蝕介質(zhì)中工作一段時(shí)間后可能發(fā)生局部沿著晶粒邊界的腐蝕，一般稱此種腐蝕為晶間腐蝕，0Cr18Ni9不銹鋼晶間腐蝕如圖4-3所示。二、焊接接頭的晶間腐蝕有些奧氏體不銹鋼的焊接接頭，在腐蝕介質(zhì)中工作一段時(shí)間后可能發(fā)生局部沿著晶粒邊界的腐蝕，一般稱此種腐蝕為晶間腐蝕，0Cr18Ni9不銹鋼晶間腐蝕如圖4-3所示。1．晶間腐蝕（1）產(chǎn)生晶間腐蝕的原因奧氏體不銹鋼焊縫和HAZ敏化區(qū)的晶間腐蝕，都與敏化過程使晶界形成貧鉻層有關(guān)。焊縫產(chǎn)生晶間腐蝕可有兩種情況：一種是焊態(tài)下已有Cr23C6析出，如多層焊縫的重復(fù)加熱區(qū)域；另一種為接頭在焊態(tài)下無貧鉻層，焊后經(jīng)過敏化溫度區(qū)間，因而具有晶間腐蝕傾向。奧氏體不銹鋼焊接接頭敏化溫度范圍為600～1000℃，高于平衡條件下的敏化溫度。奧氏體不銹鋼在加熱到450～850℃時(shí)，對晶間腐蝕最敏感，此溫度區(qū)間稱敏化溫度區(qū)。因?yàn)楫?dāng)溫度低于450℃時(shí)，碳原子活動能力很弱，Cr23C6析出困難不會形成貧鉻層；填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學(xué)方法如：項(xiàng)目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實(shí)物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡(luò)課程等。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過程時(shí)間分配方法及手段而當(dāng)溫度高于850℃時(shí)，晶粒內(nèi)部的鉻獲得了足夠的動能，擴(kuò)散到晶界，從而使已形成的貧鉻層消失；而在450～850℃溫度區(qū)間內(nèi)，既有利于Cr23C6的析出，晶粒內(nèi)部的鉻原子又不能擴(kuò)散到晶界，最容易形成貧鉻層，對晶間腐蝕最敏感。如果在450～850℃溫度區(qū)間加熱足夠長的時(shí)間，晶內(nèi)的鉻原子也可以擴(kuò)散到晶界使貧鉻層消失。（2）防止焊接接頭產(chǎn)生晶間腐蝕的措施1）冶金措施①使焊縫金屬具有奧氏體-鐵素體雙相組織，其鐵素體的體積分?jǐn)?shù)應(yīng)在4％～12％范圍內(nèi)。②在焊縫金屬中滲入比鉻更容易與碳結(jié)合的穩(wěn)定化元素，如鈦、鈮、鉭和鋯等。③超低碳有利于防止晶間腐蝕。2）工藝措施①選擇合適的焊接方法即熱輸入最小，讓焊接接頭盡可能地縮短在敏化溫度區(qū)間停留時(shí)間；②焊接參數(shù)應(yīng)在保證焊縫質(zhì)量的前提下，采用小的焊接電流、最快的焊接速度；③在操作上盡量采用窄焊縫，多道多層焊，焊條或焊絲不擺動；并注意每焊完一道焊縫后，要等焊接處冷卻至室溫再進(jìn)行下一道焊縫的焊接。④強(qiáng)制焊接區(qū)的快速冷卻；⑤進(jìn)行固溶處理或穩(wěn)定化處。2.刀狀腐蝕（1）刀狀腐蝕產(chǎn)生的原因刀狀腐蝕簡稱刀蝕，它是焊接接頭中特有的一種晶間腐蝕，只發(fā)生在含有Ti、Nb等穩(wěn)定化元素的奧氏體不銹鋼焊接接頭中。腐蝕部位沿熔合線發(fā)展，處于HAZ的過熱區(qū)，由于區(qū)域很窄（電弧焊一般為1.0～1.5㎜），形狀有如刀削切口，故稱為刀狀腐蝕。高溫過熱和中溫敏化是導(dǎo)致焊接接頭過熱區(qū)產(chǎn)生刀蝕的重要條件。刀蝕產(chǎn)生的原因也與Cr23C6沉淀造成貧鉻層有關(guān)。。（2）防止刀蝕的措施①降低母材的含碳量②采用合理的焊接工藝填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學(xué)方法如：項(xiàng)目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實(shí)物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡(luò)課程等。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過程時(shí)間分配方法及手段三、應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)1.應(yīng)力腐蝕開裂產(chǎn)生原因應(yīng)力腐蝕開裂是在拉應(yīng)力和特定腐蝕介質(zhì)共同作用下而發(fā)生的一種破壞形式。應(yīng)力腐蝕開裂引起的事故占整個(gè)腐蝕破壞事故的60％以上。奧氏體不銹鋼焊接接頭容易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂，這是焊接奧氏體不銹鋼最不易解決的問題之一，特別是在化工設(shè)備中，應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)。2．防止應(yīng)力腐蝕開裂的措施1）合理地設(shè)計(jì)焊接接頭，避免腐蝕介質(zhì)在焊接接頭部位聚集，降低或消除焊接接頭應(yīng)力集中。2）消除或降低焊接接頭的殘余應(yīng)力。3）正確選用材料能力知識點(diǎn)2奧氏體不銹鋼的焊接工藝要點(diǎn)１．焊前準(zhǔn)備（1）下料方法機(jī)械切割、等離子弧切割及碳弧氣刨等方法進(jìn)行下料或坡口加工。（2）焊前清理焊前應(yīng)將坡口及其兩側(cè)20～30㎜范圍內(nèi)的焊件表面清理干凈。（3）表面防護(hù)在搬運(yùn)、坡口制備、裝配及點(diǎn)焊過程中，應(yīng)注意避免損傷不銹鋼表面，以免使產(chǎn)品的耐蝕性能降低。（4）自冷作硬化現(xiàn)象２．焊接方法奧氏體不銹鋼可以采用所有的熔焊方法，如焊條電弧焊、鎢極氬弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊、埋弧焊、等離子弧焊等進(jìn)行焊接。３．焊接材料對于工作在高溫條件下的奧氏體不銹鋼，填充材料選擇的原則是在無裂紋的前提下，保證焊縫金屬的熱強(qiáng)性與母材基本相同，這就要求其合金成分大致與母材成分匹配，同時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮焊縫金屬中鐵素體含量的控制。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學(xué)方法如：項(xiàng)目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實(shí)物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡(luò)課程等。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過程時(shí)間分配方法及手段５．焊后清理不銹鋼焊后，焊縫必須進(jìn)行酸洗、鈍化處理。常用的酸洗方法有兩種：酸液酸洗和酸膏酸洗。鈍化在酸洗后進(jìn)行，用鈍化液在部件表面揩一遍，然后用冷水沖洗，再用抹布仔細(xì)擦洗，最后用溫水沖洗干凈并干燥。經(jīng)鈍化處理后的不銹鋼制品表面呈白色，具有較好的耐蝕性。能力知識點(diǎn)3雙相不銹鋼的焊接性及焊接工藝要點(diǎn)國家標(biāo)準(zhǔn)中的雙相不銹鋼牌號有00Cr18Ni5Mo3Si2、1Cr21Ni5Ti和0Cr26NiMo2等三類。其化學(xué)成分見表4-７，在石油化工等工業(yè)設(shè)備中用于取代奧氏體不銹鋼。通過鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量的計(jì)算，再通過舍夫勒的不銹鋼組織圖（圖4-6），找出該類鋼所處位置即可判斷鐵素體相和奧氏體相含量。三類不銹鋼相比例（體積分?jǐn)?shù)）大致為：鐵素體相為40～60，奧氏相為60～40。這個(gè)相比例為雙相不銹鋼的理想比例，對提高耐應(yīng)力腐蝕能力極為有利。雙相不銹鋼具有良好的焊接性，如果選用合適的焊接材料則不會發(fā)生焊接熱裂紋和冷裂紋；焊接接頭的力學(xué)性能基本上能夠滿足焊接結(jié)構(gòu)的使用性能要求；焊接接頭具有良好的耐應(yīng)力腐蝕能力，耐點(diǎn)蝕和縫蝕的能力也均優(yōu)于奧氏體不銹鋼，抗晶間腐蝕能力和奧氏體不銹鋼相當(dāng)。但焊接接頭近縫區(qū)受到焊接熱循環(huán)的影響，其過熱區(qū)的鐵素體晶粒不可避免地會粗大，從而將降低該區(qū)域的耐蝕性。1．Ｃr18型雙相不銹鋼的焊接具有較好的焊接性。但在焊接熱影響區(qū)中會出現(xiàn)單相鐵素體，對焊接接頭耐應(yīng)力腐蝕、晶間腐蝕和力學(xué)性能均有影響?？梢圆捎盟械娜酆阜椒?，如焊條電弧焊、鎢極氬弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊、埋弧焊、等離子弧焊等。其中最常用的是焊條電弧以焊和氬弧焊。焊條電弧焊適用于中、厚板的焊接，一般選用E309Mo-16（A312）焊條。焊前不需要預(yù)熱、焊后也不進(jìn)行熱處理。工藝措施：為減少和防止焊縫和熱影響區(qū)產(chǎn)生單相鐵素體組織，以及熱影響區(qū)的晶粒粗大。（1）焊接時(shí)盡量選用小的熱輸入量；（2）采用窄焊縫多道焊，道間溫度小于100℃，施焊過程中焊條不允許作橫向擺動；（3）接觸腐蝕介質(zhì)的焊縫要先焊，使最后一道焊縫移至非接觸介質(zhì)一面；（4）如果要求接觸介質(zhì)的焊縫必須最后施焊，則在此焊縫上加一道工藝焊縫，此工藝焊縫焊后必須除掉，目的也是給接觸介質(zhì)的焊縫進(jìn)行一次熱處理。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學(xué)方法如：項(xiàng)目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實(shí)物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡(luò)課程等。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過程時(shí)間分配方法及手段2．Ｃr21型雙相不銹鋼的焊接具有良好焊接性焊接方法主要是焊條電弧焊和鎢極氬弧焊。焊條電弧焊可選用E309和E309L型焊條；氬弧焊可選用H0Cr20Ni14Mo3焊絲作為填充金屬。施焊時(shí)，為了防止熱影響區(qū)晶粒粗