金屬材料焊接工藝 第3版 教案 23 高合金耐熱鋼的焊接

授課教案首頁2015—2016學(xué)年第一學(xué)期機械工程學(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姚佳授課形式理論教學(xué)√課內(nèi)實踐□理實一體□習(xí)題復(fù)習(xí)□考核評價□其他活動□課時安排2課時序號23授課日期12月17日月日月日月日授課班級13機制-1教學(xué)內(nèi)容：3、高合金耐熱鋼的焊接教學(xué)目標：知識目標：了解高合金耐熱鋼的焊接性能力目標：熟悉高合金耐熱鋼的焊接工藝特點素質(zhì)目標：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難點及解決方法：舉例說明高合金耐熱鋼的焊接工藝。授課地點：教室教學(xué)媒體：投影儀設(shè)備及材料：其它資源：學(xué)習(xí)效果評價方式：課堂提問及作業(yè)作業(yè)和思考題：課后小結(jié)：填表說明：1.序號，指該課程授課的順序號，應(yīng)與授課計劃一致；2.授課形式在相應(yīng)的選項打“√”。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過程時間分配方法及手段一、教學(xué)組織1．引入10分鐘2．講解50分鐘3．提問15分鐘4.小結(jié)15分鐘二、教學(xué)內(nèi)容能力知識點1高合金耐熱鋼的焊接性按其組織特征可分為奧氏體型、鐵素體型、馬氏體型和彌散硬化型四類。按其基本合金系統(tǒng)可分為鉻鎳型和純鉻型兩類。高合金耐熱鋼與低、中合金耐熱鋼相比，具有獨特的物理性能。如表4-1所示（教材P67），由表中的數(shù)據(jù)可見，與碳鋼相比，奧氏體耐熱鋼的熱系數(shù)較大，導(dǎo)熱率較低，導(dǎo)致焊件變形較為嚴重，焊接過程需加以控制。一、奧氏體耐熱鋼的焊接性1.鐵素體含量的控制奧氏體耐熱鋼焊縫金屬中鐵素體含量關(guān)系到抗熱裂性、σ相脆化和熱強性能。從抗熱裂性能角度出發(fā)，要求焊縫金屬內(nèi)含有一定量的鐵素體，但從σ相脆化和熱強性能角度考慮，鐵素體含量越低越好。妥善和合理地解決這一矛盾是奧氏體耐熱鋼焊接的核心問題。不同成分的鉻鎳焊縫金屬在焊后狀態(tài)的鐵素體含量可按德龍（Delong）焊縫組織圖來確定，如圖5-4所示。奧氏體焊縫金屬的力學(xué)性能與其鐵素體含量存在一定的關(guān)系，隨著鐵素體含量的增加，奧氏體鉻鎳焊縫金屬的常溫抗拉強度提高，而變形能力下降；尤其是高溫抗拉強度、高溫持久強度及低溫韌性隨之明顯下降。因此，對于高溫強度要求較高的焊接接頭，必須嚴格控制鐵素體含量，在某些場合下還必須采用全奧氏體的焊縫金屬。2.σ相脆化鉻鎳奧氏體不銹鋼和焊縫金屬在高溫下持續(xù)加熱過程中也會發(fā)生σ相脆化。在奧氏體不銹鋼中，σ相析出的溫度為650～850℃。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學(xué)方法如：項目教學(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)容及過程時間分配方法及手段σ相的出現(xiàn)使奧氏體不銹鋼缺口沖擊韌度明顯降低，另外σ相對奧氏體抗高溫氧化性和接頭的高溫蠕變極限也有一定的有害作用。因此必須采取相應(yīng)措施控制奧氏體焊縫金屬的σ相轉(zhuǎn)變。防止奧氏體不銹鋼焊縫金屬σ相形成的最有效措施是調(diào)整焊縫金屬的合金成分，嚴格限制Mo、Si、Nb等加速σ相形成的元素，適當降低Cr含量并相應(yīng)提高Ni含量。二、鐵素體耐熱鋼的焊接性鐵素體耐熱鋼是以低碳高鉻Fe-Cr-C合金為主，并加入Al、Nb、Mo和Ti等鐵素體化元素。鉻的質(zhì)量分數(shù)高于21％的鐵素體耐熱耐熱鋼在600～800℃溫度范圍內(nèi)長時間加熱時，會形成σ相。在800℃高溫，σ相形成速度可達到最高值；在較低的溫度下，σ相形成速度減慢而需要較長時間。鉻的質(zhì)量分數(shù)大于17％的高鉻鋼在450～525℃之間溫度下加熱，會產(chǎn)生475℃脆性，故對鐵素鐵耐熱鋼，應(yīng)避免在450～525℃的溫度區(qū)間進行焊接接頭的焊后熱處理。三、馬氏體耐熱鋼的焊接性馬氏體耐熱鋼的合金系統(tǒng)基本是Fe-Cr-C，通常鉻的質(zhì)量分數(shù)在11.5～18％。這些鋼幾乎在所有的冷卻條件下都轉(zhuǎn)變成馬氏體組織，能夠淬硬，冷裂傾向很大，故這類鋼的焊接性很差。能力知識點2合金耐熱鋼的焊接工藝要點一、奧氏體耐熱鋼的焊接工藝要點可以采用所有的熔焊方法焊接。在擬定奧氏體耐熱鋼焊接工藝時應(yīng)考慮其特殊的物理性能，即低的熱導(dǎo)率、高的電阻率、高的線膨脹系數(shù)以及高度致密的表面保護膜等。奧氏體耐熱鋼含有大量對氧親和力較高的元素，因此不論采用何種焊接方法，都必須利用焊劑、焊條藥皮和惰性保護氣體對焊接熔池和高溫區(qū)作良好的保護，以使決定熱強性的基本元素保持在所要求的范圍內(nèi)。奧氏體耐熱鋼焊接材料選擇的原則：在無裂紋的前提下保證焊縫金屬的熱強性與母材金屬基本相等。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學(xué)方法如：項目教學(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)容及過程時間分配方法及手段1.焊條電弧焊工藝應(yīng)選擇較小的焊接電流，或選用耐發(fā)紅的奧氏體不銹鋼的焊條。施焊過程應(yīng)采用窄焊道技術(shù)，以加快冷卻速度，焊道寬度不應(yīng)超過焊芯直徑的4倍，多層焊每層焊道的厚度不應(yīng)大于3mm；仔細清理坡口表面，焊條使用前應(yīng)按要求烘干，以防產(chǎn)生氣孔；選擇工藝性好的鈦鈣型藥皮的焊條，以防夾渣。2.熔化極惰性氣體保護焊工藝對于20mm以下的奧氏體耐熱鋼應(yīng)優(yōu)先采用自動或半自動熔化極惰性氣體保護焊，半自動焊選用的焊絲直徑為φ0.6～1.6㎜；自動焊選用的焊絲直徑為φ2.0～3.0㎜。焊接電源可使用平特性的直流電源或直流脈沖電源，直流反接。保護氣體可使用純Ar、Ar+O2或Ar+CO2，純He、He+Ar+CO2等混合氣體。采用較低的焊接電流和電壓。3.鎢極氬弧焊按對焊縫質(zhì)量的要求不同，可采用氬氣、氦氣或其混合氣體作保護氣體。單層焊或打底焊時，焊縫背面應(yīng)通相同的氣體保護或特制的成形氣體。焊接電源通常選擇恒流特性的直流電源，采用正極性，也可采用頻率范圍為0.5～20Hz的低頻脈沖直流電。填充焊絲可采用與熔化極氣體保護焊相同成分的焊絲，或硅的質(zhì)量分數(shù)為0.3～0.5％，其它成分與母材相同的焊絲。手工氬弧焊時，選用的焊絲直徑為1.6～2.5mm，自動氬弧焊選用填充焊絲的直徑為0.8～1.2mm。5.焊后熱處理對奧氏體耐熱鋼焊件，當壁厚超過20mm時，有時應(yīng)考慮作適當?shù)暮负鬅崽幚?。奧氏體耐熱鋼的焊后熱處理，按處理的溫度：可分為低溫、中溫和高溫焊后熱處理。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學(xué)方法如：項目教學(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)容及過程時間分配方法及手段二、馬氏體耐熱鋼的焊接工藝要點1.焊前預(yù)熱使用與母材成分相同或相近的焊接材料焊接馬氏體耐熱鋼時，為防止冷裂紋，焊前需要預(yù)熱。預(yù)熱溫度一般選在200～320℃，最好不高于馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度。2.焊后開始回火的溫度焊件焊后不應(yīng)以焊接溫度直接升溫進行回火處理。一般，對于剛度較小的構(gòu)件，可以冷至室溫后再進行回火；對于大厚度的結(jié)構(gòu)，特別當碳的質(zhì)量分數(shù)較高時，需焊后冷至100～150℃，保溫0.5～1h，然后加熱至回火溫度。3.焊后熱處理馬氏體耐熱鋼的焊后熱處理包括回火和完全退火。4.焊接方法常用的焊接方法有焊條電弧焊、氣體保護電弧焊等。焊條電弧焊是最常用的焊接方法。三、鐵素體耐熱鋼的焊接工藝要點普通高鉻鐵素體耐熱鋼可采用焊條電弧焊、氣體保護焊、埋弧焊、等離子弧焊等熔焊方法。在采用同質(zhì)焊接材料，特別是拘束度大時，易產(chǎn)生裂紋。為防止產(chǎn)生裂紋，改善接頭塑性，以焊條電弧焊為例，可采取以下工藝措施：1.預(yù)熱預(yù)熱溫度在100～150℃左右，使材料在韌性較高的狀態(tài)下焊接。2.焊接材料根據(jù)對焊接接頭性能要求不同，可選用與母材相近的鐵素體不銹鋼焊條，也可采用奧氏體不銹鋼焊條3.焊接參數(shù)采用小的焊接熱輸入，高的焊接速度及盡量減少焊條的橫向擺動，以窄焊道進行焊接，控制道間溫度，前一道焊縫冷卻至預(yù)熱溫度后才允許焊下一道焊縫，以防止焊接接頭過熱。多層焊時控制道間溫度應(yīng)高于150℃，以減少高溫脆化和475℃脆性。4.焊后熱處理為了使焊接接頭的組織均勻化，從而提高其塑性和韌性，焊后應(yīng)進行750～800℃退火處理。退火后應(yīng)快冷，防止出現(xiàn)σ相及475℃脆性，以得到均勻的鐵素體組織。能力知識點3高合金耐熱鋼的焊接工程實例1000t試管機壓力閥套的基本材料為3Cr13鋼鍛件。由于采用了焊接結(jié)構(gòu)，使壓力閥套具有體積小、重量輕、耐磨性良好的特點，并滿足了技術(shù)性能的要求。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學(xué)方法如：項目教學(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)容及過程時間分配方法及手段2.焊接工藝要點1）坡口形式V形坡口2）預(yù)熱溫度整體預(yù)熱200～400℃3）焊接方法焊條電弧焊，直流反極選用E310型（A402）焊條，直徑為φ4mm，焊接電流為140～210A。4）裝配定位焊裝配按圖樣要求控制好裝配間隙，預(yù)熱后用直徑φ3.2mm、E310型焊條立即進行定位焊。5）焊接工藝多層多道連續(xù)焊，封底焊時焊接電流為160A，以后各層的焊接電流可稍大些。焊接道間溫度不得低于200℃。6