现代过程装备制造技术-5钢制压力容器的焊接.ppt

5 钢制压力容器的焊接,5.1 焊接接头5.2 常用焊接方法及其焊接工艺5.3 常用钢材的焊接5.4 焊后热处理,5.3 常用钢材的焊接,5.3.1 金属材料的焊接性5.3.2 碳钢的焊接5.3.3 低合金钢的焊接5.3.4 奥氏体不锈钢的焊接5.3.5 铝及铝合金的焊接5.3.6 钛及钛合金的焊接5.3.7 异种金属的焊接,5.3.1 金属材料的焊接性,金属材料的焊接性：指材料在一定的焊接工艺条件下（包括焊接方法、焊接材料、焊接工艺参数和结构形式等），能否获得优质焊接接头的难易程度和该焊接接头能否在使用条件下可靠运行。工艺焊接性：指在一定焊接工艺条件下，能否获得组织、性能均匀一致，无缺陷的焊接接头的能力。即复杂的焊缝冶金反应对焊缝性能和产生缺陷的影响程度，以及焊接热源对热影响区组织性能及产生缺陷的影响程度。使用焊接性：指焊接接头或整体结构满足技术条件所规定的各种使用性能的程度。包括常规的力学性能及特定条件下的性能，如抗脆性断裂性能，蠕变、疲劳性能，持久强度，耐腐蚀性能等。,5.3.1 金属材料的焊接性,评定金属材料的焊接性需要通过一系列的试验 和理论分析、计算，来进行综合判断。无论是工艺焊接性还是使用焊接性，评定判断方法有三种：实际焊接法模拟焊接法理论估算法,5.3.1 金属材料的焊接性,工艺焊接性试验方法碳当量法：把钢材化学成分中的碳和其他合金元素的含量多少对焊后淬硬、冷裂及脆化等的影响折合成碳的相当含量，并据此含量的多少来判断材料的工艺焊接性和裂纹的敏感性。冷裂纹敏感指数Pcm：根据Pcm、板厚及焊条熔敷金属中的含氢量，可确定防止冷裂所需的预热温度。,5.3.1 金属材料的焊接性,使用焊接性的试验方法常规力学性能试验主要是测定焊接接头在不同载荷作用下的强度、塑性和韧性。拉伸、冲击、弯曲、应变时效敏感性试验、接头及堆焊金属硬度试验法焊接接头抗脆断性能试验焊接接头疲劳及动载试验、焊接接头的抗腐蚀试验、焊接接头的高温性能试验,5.3.2 碳钢的焊接,碳钢的分类按含碳量分：低碳钢C0.25%；中碳钢0.25%0.6%。按冶炼方法分：平炉钢；转炉钢，又分为氧气转炉钢和碱性空气转炉钢；电炉钢。按钢材脱氧程度不同分：沸腾钢（F）半镇静钢（b）镇静钢（Z）特殊镇静钢（TZ）。按用途分：结构钢；工具钢。按质量钢中有害元素、硫和磷的含量分：普通钢（P0.045%，S0.050%）；优质钢（P、S0.035%）；高级优质钢（P0.035%，S0.030%),5.3.2 碳钢的焊接,低碳钢的焊接低碳钢的焊接性优良。因低碳钢含碳量低，锰、硅含量又少，所以一般情况不会因为焊接而引起严重硬化组织或淬火组织。这种钢的塑性和冲击韧性优良，焊后的焊接接头塑性和冲击韧性也很好。焊接时一般不需要预热和后热，不需要特殊注意层间温度，焊后也不必采用热处理改善组织和性能。整个焊接过程中不需要特殊的工艺措施。低碳钢焊接时应注意以下几点。被焊材料和焊接材料的质量是否合格。焊接线能量不宜过大，特别是埋弧焊时。刚性大的焊接结构在温度较低的情况下焊接时，可能产生裂纹，可以适应考虑预热。总之，低碳钢是最容易焊接的钢种，可以采用常用的所有焊接方法焊接。,5.3.2 碳钢的焊接,中碳钢的焊接当含碳量在0.25%左右而含锰量不高时，焊接性良好。随着含碳量的增加，焊接性逐渐变差。当含碳量达0.50%左右而仍按焊接低碳钢工艺施焊时，则热影响区可能产生硬脆的马氏体组织，易于开裂。中碳钢焊接时应注意以下几点。大多数情况下需要预热和控制层间温度，以降低冷却温度，防止产生马氏体组织。焊后最好立即进行消除残余应力热处理，特别是在厚大件、钢性大的结构或工作条件较苛刻的情况下。如果不能立即消除残余应力，也应采用后热工艺，以便使扩散氢逸出。焊接沸腾钢时注意向焊缝过渡锰、硅、铝等脱氧剂元素，以防止减少气孔的产生。应选低氢焊接材料。,5.3.2 碳钢的焊接,高碳钢的焊接由于其含碳量更高，更容易产生硬脆的高碳马氏体，淬硬倾向和裂纹敏感倾向更大，从而焊接性更差。这类钢不用于制造焊接结构，主要用于制造高硬度耐零部件，高碳钢的焊接的补焊修理为主。为了获得高硬度和耐磨性，高碳钢零件一般都经过热处理。焊接前应退火，以减少裂纹倾向，焊后再经热处理，以达到高硬度和耐磨的要求。高碳钢焊接时应注意以下几点。高碳钢焊接前应先进行退火。焊接材料通常不用高碳钢，应是低氢的。采用结构钢焊接时必须预热，一般预热温度为250350以上。焊接过程中需要保持与预热温度一样的层间温度。焊后工件应立即送入650的炉中保温，进行消除残余应力的热处理。,5.3.3 低合金钢的焊接,强度用钢（高强钢）的焊接特点：强度高，塑性、韧性也较好。屈服强度在400MPa的低合金钢，一般都在热轧或正火状态下使用，基体组织为铁素体+珠光体，如16Mn钢（现归为Q345）。加工性能与低碳钢相似，具有较好的塑性和焊接性。强度增加，淬硬倾向比低碳钢稍大。在较低温度下或刚性大、厚壁结构的焊接时，需要考虑采取预热措施，预防冷裂纹产生。,5.3.3 低合金钢的焊接,强度用钢（高强钢）的焊接屈服强度为500MPa的低合金钢，典型代表18MnMoNb，以正火+回火状态供货。除电渣焊外，应采取预热措施，预热温度一般为150180，对拘束度较大的接头，预热温度应提高到180230。焊后或中断焊接时，应后热处理。焊接材料为保证焊接接头的性能和质量，焊接线能量适当大些，否则易出现淬硬组织而降低韧性，同时注意多层焊时层间温度控制在预热温度和300之间。焊后要进行热处理。电渣焊接头进行正火+回火处理，如遇钢材性能偏低或要充分发挥钢材性能潜力时，可采用调质处理；在手工电弧焊或埋弧自动焊后，进行回火或消除残余应力热处理。,5.3.3 低合金钢的焊接,低温用钢的焊接在使用温度下具有足够的韧性及抵抗脆性破坏的能力。一般通过合金元素的固溶强化细化晶粒，并通过正火、回火处理细化晶粒、均化组织，从而获得良好的低温性能。含碳量低，其淬硬倾向和冷裂倾向小，具有良好的焊接，但应关注焊缝和粗晶区的低温脆性。为了避免焊缝金属和热影响区形成粗晶组织而降低低温韧性，要求采用小的焊接线能量。焊接电流不宜过大，宜用快速多道焊的方法以减轻过热，并通过多层焊的重热作用细化晶粒，多道焊时要控制层间温度。应注意避免产生缺陷（弧坑、未焊透及焊缝成形不良等），并注意及时修补产生的缺陷，否则装备在低温运行时，因钢材对缺陷和应力集中的敏感性大，而增大装备的低温脆性破坏倾向。焊后消除应力处理可以降低低合金低温用钢焊接装备的脆断倾向。,5.3.3 低合金钢的焊接,耐蚀钢的焊接虽含有铜、磷等合金元素，但含量较低，所以焊接时不会产生热裂纹，冷脆倾向也不大，焊接性仍较好。耐蚀钢的焊接工艺与强度级别较低的热轧钢相同。耐蚀钢的焊接珠光体耐热钢的焊接厚板的Cr-Mo耐热钢，在加工焊接坡口时，可以采用火焰切割，但要预热，并做磁粉检测表面是否产生裂纹。焊接材料的选择要注意保证焊后Cr和Mo等重要合金元素的含量，控制碳的含量。焊前预热是防止低合金耐热钢焊接冷裂纹和消除应力裂纹的有效措施之一。焊后热处理既可以消除焊接残余应力，又可以改善组织、提高接头的综合力学性能，包括提高高温蠕变强度和组织稳定性、降低焊缝及热影响区的硬度等。,5.3.4 奥氏体不锈钢的焊接,不但能抗很多介质（主要是氧化性介质）的腐蚀，而且高温、低温的力学性能均较好，-196仍具有相当的塑性和韧性、较好的焊接性。在实际焊接生产中，这类钢易产生的问题是晶间腐蚀和热裂纹。预防焊接热裂纹的措施：严格限制焊缝中的硫、磷等有害元素的含量。控制焊缝成分，使其形成由奥氏体与铁素体组成的双相组织。选用碱性焊接材料，低线能量，快焊快冷，防止过热。尽量减少焊接残余应力，注意正确的焊接结构，选择减少焊缝金属充填量的坡口。,5.3.4 奥氏体不锈钢的焊接,预防晶间腐蚀的措施：控制焊缝的化学成分：控制焊缝的含碳量；添加稳定化元素在被焊母材和焊接材料中；双相组织法。从焊接工艺着手：以快焊快冷为原则，尽量采用大的焊接速度，短弧焊，不横向摆动。多层焊时层间要完全冷却后再焊接下一层，允许采用焊后快冷的方法，如用水激冷焊缝；采用小电流、直流反接为宜；不要在焊接接头附近引弧，不要敲打工件；与腐蚀介质接触侧焊缝尽量安排在最后焊接，以免其受另一侧焊缝热源影响而增大晶间腐蚀倾向；当存在有晶间腐蚀时，可采用焊后热处理工艺。稳定化退火：加热到850保温2h后空冷，使碳化物充分析出，铬得到充分扩散以补充贫铬区的铬，减少晶间腐蚀的产生。固溶处理,5.3.5 铝及铝合金的焊接5.3.6 钛及钛合金的焊接5.3.7 异种金属的焊接熔合比、稀释率异种金属焊接时，通常以熔敷的焊接材料的化学成分作为焊缝金属的基本成分，而将熔入的母材引起焊缝中合金元素所占比例的变化视为“稀释”。稀释的程度取决于焊缝金属的熔合比。熔合比即母材金属在焊缝金属中所占的百分比。熔合比高时，稀释的程度大，反之则稀释的程度小。,5.3.7 异种金属的焊接,异种金属的焊接特点异种金属焊接时，焊缝金属与母材热影响区金属之间没有明显的界线，而是形成了一个化学成分即不同于焊缝金属又不同于母材的过渡层。当焊缝金属与母材金属化学成分差别很大时，过渡层不易充分混合，过渡层明显，其各部位的性能将对焊接接头的整体性能有重要影响。熔合比或稀释率高时，过渡层更明显。,5.4 焊后热处理,5.4.1 目的和规范5.4.2 方法5.4.3 钢制压力容器应进行焊后热处理的条件,5.4.1 目的和规范,焊后热处理的目的松弛焊接残余应力稳定结构形状和尺寸改善母材、焊接接头和结构件的性能焊后热处理规范加热温度保温时间升温速度冷却速度进出炉温度,5.4.2 方法,炉内整体热处理优点：被处理的焊接构件、容器温度均匀，比较容易控制，因而残余应力的消除和焊接接头性能的改善都较为有效，并且热损失少。但需要有较大的加热炉，投资较大。炉内分段加热处理炉外整体加热处理炉外局部加热处理,作业2,名词解释：工艺焊接性、使用焊接性、稀释率、热裂纹、冷裂纹P1545-19、5-20、5-21、5-24,