馬氏體不銹鋼薄板焊接工藝

1、緒論波紋管是一種帶橫向波紋的圓柱形薄壁彈性殼體,是機械密封焊接金屬波紋管的關(guān)鍵零件,焊接金屬型機械密封由動環(huán),靜環(huán),波紋管,彈簧,輔助密封圈,波紋管座,止轉(zhuǎn)螺釘所組成如下圖1所示.圖1隨著科技的進步,高科技波紋管機械密封產(chǎn)品得到研制和開發(fā)。波紋管機械密封采用新型結(jié)構(gòu)及密封材料,密封效果良好,比傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)式密封有更突出的特點,在油氣生產(chǎn)設備上得到了廣泛的應用。第一章 波紋管的作用和生產(chǎn)1.1 波紋管機械密封的優(yōu)點波紋管機械密封原理與旋轉(zhuǎn)式機械密封原理基本相同,稱為端面密封,所不同的是,波紋管機械密封比旋轉(zhuǎn)式密封有更突出的優(yōu)點,表現(xiàn)為:結(jié)構(gòu)簡單,安裝方便,適應性強,靜止環(huán)具有浮動性;浮環(huán)結(jié)構(gòu)設計,消

2、除鑲裝環(huán)的各種應力;旋轉(zhuǎn)環(huán)易于更換、修復;結(jié)構(gòu)緊湊,適用于螺桿泵軸向較小的場合;旋轉(zhuǎn)環(huán)、靜止環(huán)法蘭連接、動泄漏點少。應用中有如下特點:密封可靠,在較長時間使用中不會泄漏;使用壽命長,靜環(huán)和動環(huán)高耐磨材料和一定的比壓,它比旋轉(zhuǎn)式密封多用半年;摩擦功率損失小;適用范圍廣,能用于低溫、高溫、高壓、各種轉(zhuǎn)速及各種耐腐蝕、易燃、易爆、有毒介質(zhì)的密封;彈簧強度大,抗震能力強,穩(wěn)定性好。波紋管彈簧與旋轉(zhuǎn)式彈簧優(yōu)缺點比較見下表1。表1 波紋管彈簧與旋轉(zhuǎn)式彈簧優(yōu)缺點比較影響因素波紋管彈簧旋轉(zhuǎn)式彈簧比壓均勻性端面上彈簧比壓均勻端面上彈簧比壓不均勻摩擦副摩擦接觸面積大，對中性好摩擦接觸面積小，對中性好調(diào)整彈簧力彈簧

3、力調(diào)整范圍大，有利于調(diào)整彈簧力彈簧力調(diào)整范圍小，不利于調(diào)整彈簧力結(jié)構(gòu)尺寸結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸小結(jié)構(gòu)尺寸大性能加工精密，性能好加工精密低，性能差1.2 機械密封的選擇及常用材料波紋管機械密封種類型號較多,按有無軸套分為集裝式機械密封和非集裝式機械密封兩種,按密封結(jié)構(gòu)型式分為兩種:一種是動環(huán)采用波紋管組件;一種是靜環(huán)采用波紋管組件。一般的選擇方法為:根據(jù)輸送介質(zhì)的性質(zhì)和操作條件選擇機械密封;根據(jù)泵規(guī)格型號來選擇機械密封;根據(jù)端面的比壓和端面的相對運動速度來選擇機械密封。就材料而言,波紋管用鎳鉻不銹鋼、鎳鉻鉬合金、高鎳合金鋼,具有硬度高、強度高、耐磨性能高、耐腐蝕、耐高溫、熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)點。摩擦環(huán)用浸漬

4、樹脂石墨、浸漬金屬石墨、鎢化硅、碳化硅、硬質(zhì)合金等,它們的導熱性能好,自潤滑性能好在硫酸、鹽酸、堿中耐腐蝕。密封圈采用o型橡膠密封圈,具有良好的彈性和密封性,并且具有不粘性,不溶解,不老化,耐高溫和耐低溫等性能。材質(zhì)主要有丁腈橡膠、氟橡膠等。1.3 機械密封的使用在喇二壓氣站淺冷裝置油氣生產(chǎn)設備上,大量使用波紋管機械密封,只有正確的使用和操作,才能保證機械密封的正常運行和延長使用壽命。(1)啟動前,應全面檢查機械密封是否有泄漏現(xiàn)象。若泄漏較多,應查出原因設法消除,或拆卸檢查并重新安裝。按泵旋向盤車,檢查是否輕快均勻。(2)啟動前,應保持密封腔充滿液體,必須盤車,防止突然啟動而造成密封損壞。(3

5、)泵在運轉(zhuǎn)中,泵的壓力應平穩(wěn),應避免發(fā)生抽空現(xiàn)象。目前,開發(fā)研制和使用dbm-40a-1、dbm-35b-1等20多種波紋管機械密封,密封良好,壽命長,得到了廣泛應用,并取得了顯著效果。1.4 波紋管的生產(chǎn)波紋管作為一種密封元件,它的形狀是有很多種的.就波的形狀而言,以u型波紋管應用最為廣泛,其次還有v型、和s型等;就層數(shù)而言,則分為單層和多層波紋管;隨著近代工程的迅速發(fā)展,流體處理機械的使用范圍不斷夸大.用于密封機械裝置,或作為真空管路的膨脹節(jié),在真空、半導體、石化、儀器、醫(yī)療、航空和軍事等方面都有廣泛的用途.焊接金屬波紋管承受由軸向,振動而傳遞的交變載荷作用.其直接效果是波紋管伸長縮短.這

6、樣在中段波峰、波谷處的截面將承受較大的反復拉壓應力作用,文獻表明波紋管的失效形式疲勞破壞,膜片撕裂.提高波紋管的疲勞強度,提高波紋管的彈性是目前存在的問題.同時保證可靠的密封性和延長使用壽命是當前密封研究、設計、制造、使用等方面十分重要的問題.膜片結(jié)構(gòu)對焊接金屬波紋管的力學性能的影響較大.從國內(nèi)外研制開發(fā)型新型膜片結(jié)構(gòu)的波紋管來看,要充分提高焊接金屬波紋管機械密封的密封性能和使用壽命,必須進一步改進膜片結(jié)構(gòu),以制造出性能更為優(yōu)越的波紋管,大幅度提高波紋管的力學性能,使其在惡劣環(huán)境下具有良好的耐高溫,耐疲勞的性能.在滿足設計要求條件下,合理選擇管形及其參數(shù),不僅可以節(jié)省大量原材料,降低制造過程中

7、的能源消耗,還可以降低制造工裝的成本(如較為簡潔的管形可以節(jié)省模具等工裝費用).圖2 波紋管膜片分類和形狀機械密封的工作過程是這樣的:當旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時,通過止轉(zhuǎn)螺釘帶動波紋管座,而波紋官座,波紋管以及動環(huán)座為焊接組合件,因此,波紋官座的旋轉(zhuǎn)會帶動動環(huán)一起旋轉(zhuǎn),而動環(huán)借助波紋管的彈性力及密封介質(zhì)的壓力使之與靜環(huán)始終保持良好的貼合狀態(tài),從而完成軸封的作用圖3（a）.焊接波紋管是一種由許多以沖壓方式成型的薄形中空膜片,利用精密焊接所制成的高度可彎曲及伸縮的金屬管.其組成方式是由兩成型中空膜片以同心圓的方式作內(nèi)緣焊接組成膜片對,再將多個膜片對堆一起作外緣焊接組成波紋段,再于兩端和端板金屬焊接組合成波紋管

8、組,如此便可應外部的需要與其他運動部件一起作往復運動如圖3(b).圖3焊接金屬波紋管機械密封是近30年來發(fā)展較快的一種新型機械密封。因其結(jié)構(gòu)形式和選用材料的特殊性,其應用范圍越來越廣。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展,特別是我國石油化工的生產(chǎn)能力及技術(shù)水平的發(fā)展,對軸封的要求越來越嚴格,使用參數(shù)也越來越高。對于溫度為-200至-40,或高于200的介質(zhì)以及一些高溫高壓的介質(zhì),及其變工況和易抽空的情況下,不論是泵、反應釜、高速離心壓縮機密封,焊接金屬波紋管機械密封一般來說可以較好地解決。我國自行研制的焊接金屬波紋管也取得了良好的成效。1998年我國相繼發(fā)布實施了泵用焊接金屬波紋管機械密封標準jb/t 8723

9、1998和焊接金屬波紋管釜用機械密封標準jb/t31241998。薄壁管件的生產(chǎn),是一種生產(chǎn)效率高,生產(chǎn)成本低的有效方法。第二章 馬氏體不銹鋼性質(zhì)分析和熱處理2.1 馬氏體不銹鋼的主要技術(shù)特點圖4馬氏體不銹鋼的化學組成及成分根據(jù)鐵鉻二元相圖(見圖4)可以看出,在8311394的溫度范圍內(nèi),靠近純鐵的一邊,存在一個封閉的相區(qū)(或稱高溫奧氏體穩(wěn)定區(qū)域,是指鐵和其他元素形成的面心立方晶格結(jié)構(gòu)的固溶體),并存在一個窄的和雙相區(qū)域。馬氏體就是奧氏體通過無擴散型相變而轉(zhuǎn)變成的亞穩(wěn)相(具有鐵磁性,其硬度、強度主要由過飽和的碳含量決定)。因此,為了獲得馬氏體組織,一個基本的先決條件,就是在相圖中必須存在有奧氏

10、體(相)的區(qū)域。對于無碳fe-cr二元合金平衡相圖而言,鉻含量大于12%時,在所有溫度條件下,均不存在奧氏體組織,為此只有加入能改變相圖擴大相區(qū)的元素,(主要是碳等),才能實現(xiàn)上述先決條件。隨著碳含量的增加,相區(qū)邊界逐漸向高鉻方向擴展,而鉻含量的增加,又穩(wěn)定鐵素體和縮小奧氏體相區(qū),并阻礙冷卻時奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變,所以提高鉻含量時,還需相應提高碳含量來擴大類相區(qū),才能獲得馬氏體組織。當碳含量達0.6%時,純 (單一)奧氏體相最高鉻含量達18%左右。若繼續(xù)增加碳含量,因形成碳化物等而不再擴大相區(qū),但能提高耐磨性。因此,馬氏體不銹鋼一般含鉻量在12%18%之間,含碳量在0.1%1.0%范圍內(nèi)。鑒于

11、碳對鋼的組織與性能的重大影響,馬氏體鉻不銹鋼習慣上可按碳含量大體分為三類:低碳類:c0.15%,cr12%14%,如1cr13;中碳類:c 0. 2% 0. 4%, cr12% 14%,如2cr13, 3cr13等;高碳類:c 0.6%1.0%,cr18%,如9cr19,9cr18mov等。為了改善鉻馬氏體不銹鋼的性能向鋼中加入少量的鎳,于是形成另一類(或第四類)為含有少量鎳的馬氏體不銹鋼。鎳屬于穩(wěn)定奧氏體和擴大相區(qū)的元素,加入2%ni時,就有明顯效果。這樣可以用鎳代碳,如1cr17ni2馬氏體不銹鋼,因其低碳高鉻加鎳,比一般馬氏體不銹鋼具有更好的耐蝕性、強度與韌性。表2為列入國家標準的各類馬

12、氏體型不銹鋼的化學成分。表2牌號化學成分/%csimnpsnicrmo1cr120.150.501.000.0350.03011.5013.0-1cr130.151.001.000.0350.03011.5013.50-1cr13mo0.080.180.61.000.0350.03011.5014.000.300.60y1cr130.151.001.250.0600.1512.0014.002cr130.160.251.001.000.0350.03012.0014.00-3cr130.260.401.001.000.0350.03012.0014.00-3crmo0.280.350.801.

13、000.0350.030-12.0014.000.501.00y3cr130.260.401.001.250.0600.1512.0014.001cr17ni20.110.170.800.800.0350.0301.502.5016.0018.007cr170.650.751.001.000.0350.03016.0018.008cr170.750.951.001.000.0350.03016.0018.0011cr170.951.201.001.000.0350.03016.0018.00y11cr170.951.201.001.250.0600.03016.0018.00注:允許含有0.6

14、0%ni;可加入0.60%mo;可加入0.75%mo。2.2 馬氏體不銹鋼的工藝性能2.2.1 焊接性能分析在各類不銹鋼中,馬氏體不銹鋼的焊接性能較差,焊縫熱影響區(qū)有強烈的淬硬傾向,較大的焊后殘余應力以及由于氫的作用所引起的延遲裂紋。特別是高碳馬氏體不銹鋼更為敏感,因此焊接這類不銹鋼工件時,一般采用200400預熱以及層間保溫措施,在焊完后尚未冷卻時,將工件置于730790的爐中保溫,然后再進行空冷。為了清除氫引起的延遲裂紋,應注意焊條的干燥、焊縫坡口的清潔以及在干燥氣氛下進行焊接等因素。可用奧氏體不銹鋼焊條焊接馬氏體不銹鋼。1cr13性能近于熱軋狀態(tài)45鋼,焊縫熱影響區(qū)顯著硬化脆性增大,殘余

15、應力也較大,所以可焊性較差。含碳量越高,裂縫敏感性越大,就是與母材成份相同的焊縫同樣易硬化。另外,由于氫的作用亦容易引起延遲裂縫,鋼性大的焊接接頭也會產(chǎn)生裂縫。為防止焊縫硬化和產(chǎn)生裂縫,一般情況下焊前預熱和層間保溫,焊后在尚未冷卻前進行高溫回火,以提高焊縫和熱影響區(qū)的塑性和韌性。當工件不允許預熱和焊后熱處理時,可使焊縫金屬為奧氏體組織,以提高塑性和韌性,松馳焊接應力,降低焊接接頭冷裂傾向，但這種成份不一的焊接接頭其母材強度大于焊縫，由于膨脹系數(shù)不同,在循環(huán)溫度下工作,熔合區(qū)可產(chǎn)生剪應力,導致焊接接頭提前破壞。1cr13、2cr13不銹鋼,導熱率是低碳鋼的1/ 2,線膨脹系數(shù)接近低碳鋼,在500

16、600以上抗拉強度明顯下降,也具有475脆性,但晶間腐蝕傾向較小。加熱到淬火溫度10001050時,其組織處在奧氏體與鐵素體兩相狀態(tài),加熱時發(fā)生重結(jié)晶,淬火后的組織為馬氏體和鐵素體,從理論上講,、的轉(zhuǎn)變是可逆的,但在實際中,加熱時不能使鐵素體完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。高溫時的奧氏體在冷卻時發(fā)生m轉(zhuǎn)變,由于鉻顯著地降低近縫區(qū)的臨界淬火速度,該類鋼在800850范圍內(nèi)具有相變點使之有明顯的空氣自淬傾向,所以在焊后空冷時,易得到高硬度的馬氏體。焊接接頭中受熱超過1150的區(qū)域晶粒長大顯著,過快或過慢的冷卻速度都可能引起接頭脆化。經(jīng)過以上分析,焊接含13%鉻不銹鋼時,一般情況下按以下要求：采用與母材相符的馬氏

17、體不銹鋼焊焊絲，由于是薄板焊接，可以不用填充焊絲，焊前預熱,焊后緩冷至150200時,馬上進行730750高溫回火處理;焊縫與母材成份不要求相同時,可以不預熱,焊后不進行高溫回火,熱影響區(qū)的淬硬層需在施焊中要加以注意;焊接電流取上限,以減緩冷卻速度,防止裂紋的產(chǎn)生。2.2.2鑄造性能馬氏體不銹鋼鑄造時流動性較差,應該提高澆注溫度和澆注速度,這類鋼澆注時裂紋敏感性較大,鑄件易產(chǎn)生裂紋,同時也易產(chǎn)生氣孔與針孔。這類鋼的鑄造收縮率一般為1.7%2.0%。2.2.3鍛造性能馬氏體不銹鋼鍛造工藝參數(shù)一般是:始鍛溫度為1150左右,終鍛溫度為850925(低碳的鋼取下限,高碳的鋼取上限)。對含碳較高的馬氏

18、體不銹鋼(2cr134cr13),鍛后應緩慢冷卻,并隨即進行軟化處理,否則有可能產(chǎn)生裂紋。馬氏體不銹鋼也屬于對白點敏感的鋼種,對于大型不銹鋼鍛件,特別是采用1cr17ni2鋼制大型鍛件時,必須從工藝上采取措施(如去白點退火),以防止鍛件產(chǎn)生白點。另外,在鍛造加熱時,要防止坯料過熱出現(xiàn)大量鐵素體,而惡化鋼的鍛造性能,可能導致鍛件內(nèi)部出現(xiàn)裂紋,這種裂紋易產(chǎn)生在高溫時奧氏體與鐵素體的兩相分界面上。2.2.4切削性能馬氏體不銹鋼在不同熱處理狀態(tài)下具有不同的硬度。一般鍛后空冷的工件,硬度較高,難以加工,需經(jīng)退火后進行切削加工，但退火鋼的切削性較差,經(jīng)淬火和高溫回火后的鋼,其切削性好得多(盡管硬度較退火鋼

19、略有增加)。2.3馬氏體不銹鋼的熱處理為了得到較好的綜合力學性能,馬氏體不銹鋼一般都采用淬火加回火。2.3.1淬火含鉻12%14%的馬氏體不銹鋼,其馬氏體轉(zhuǎn)變點(ms)大約在250300之間,對尺寸不大的零件,經(jīng)淬火溫度加熱后,于空氣中冷卻即可;對于大型零件,為使奧氏體充分轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,多采用油中淬火。對尺寸不大的零件也有采用鼓風-噴霧的方法進行淬火。淬火溫度一般選擇如下:（1) 1cr13或zg1cr13的淬火溫度為9501050。因為含碳量較低,加熱至淬火溫度時仍處于奧氏體與鐵素體兩相狀態(tài),淬火后的組織為馬氏體和鐵素體。(2)中碳和高碳馬氏體不銹鋼;如2cr13、9cr18等,淬火溫度以1

20、0001050較適宜。淬火溫度低時,碳化物不能充分溶解,不僅使基體中含鉻量降低,影響鋼的耐腐蝕性能,且影響鋼的強度及硬度。故采用油中淬火,以防淬裂。(3) 1cr17ni2鋼淬火溫度以9801000較合適,也有推薦為10001050。需要指出的是,淬火溫度過高會使鋼中的-鐵素體與殘余奧氏體量增多,將損壞鋼的性能。2.3.2回火為了得到較好的綜合性能(力學性能和耐腐蝕性能),馬氏體不銹鋼通常采用如下兩種回火工藝。(1)低溫回火:回火溫度為200370。當要求最大的硬度時,可對工件進行低溫回火,同時可以消除淬火過程中所形成的內(nèi)應力。(2)高溫回火:回火溫度為600750。高溫回火的目的是獲得高的強

21、度、塑性與沖擊韌性,以及較好的耐腐蝕性能。必須指出,在高低兩種回火溫度間的370600溫度范圍內(nèi)進行回火,不僅使鋼的韌性急劇降低,同時也將嚴重損害鋼的耐蝕性能。2.3.3退火對馬氏體不銹鋼進行退火的主要目的是使其軟化,以便于機加工。含碳量0.15%的第一類馬氏體不銹鋼,軟化的方法有兩種:當需要降低硬度, 又并不要求降至最低時,可采用加熱至750 800,保溫13h,在空氣中冷卻,這樣處理后的硬度可降至170200hb;當需要將硬度降至更低時,可加熱至850900,保溫13h,然后緩冷(1520/h)至600,繼而在空氣中冷卻,可使硬度降至160hb。對于中碳和高碳類馬氏體不銹鋼的軟化處理,可采

22、用750800,保溫26h,進行高溫回火。或者在875900,保溫24h,隨爐冷卻至500以下空冷。需要指出的是,只有在對力學性能與耐蝕性能都要求不高的情況下,才使用退火狀態(tài)(供貨狀態(tài))的馬氏體不銹鋼。因為退火狀態(tài)的馬氏體不銹鋼的力學性能很低,耐蝕性能也不高。2.4 馬氏體不銹鋼耐蝕性分析在鉻含量相當?shù)牟讳P鋼中,一般奧氏體鋼耐蝕性最好,鐵素體次之,馬氏體最差(如圖5所示)。但馬氏體不銹鋼的主要優(yōu)點可以通過熱處理強化,適用于對強度、硬度、耐磨性等要求較高并兼有一定耐蝕性的零部件。圖5各種不銹鋼的耐蝕性(40%hno3)試片:7mm60mm,淬火:1100,水冷;浸泡8h,沸騰馬氏體不銹鋼在淬火狀

23、態(tài)時耐全面腐蝕和點腐蝕性能較好(但這種狀態(tài)的鋼很脆,又難以加工,所以,在工程上的實用性很小),其次是淬火+回火處理的調(diào)質(zhì)件,而以退火狀態(tài)的工件耐蝕性最差。2.4.1耐全面腐蝕性能馬氏體不銹鋼在熱處理后經(jīng)拋光,在室溫的下列介質(zhì)中具有良好的耐蝕性能:無機酸:濃度不低于1%的硝酸、硼酸;有機酸:濃醋酸和濃度低于10%的醋酸、苯甲酸、油酸、硬脂酸、苦味酸、單寧酸、焦性沒食子酸及尿酸等;鹽溶液:碳酸鈉、碳酸銨、碳酸鉀、碳酸鎂、碳酸鈣、鈉鉀的硫酸鹽,所有金屬的硝酸鹽,以及各種有機酸鹽。堿溶液:苛性鈉、苛性鉀、氨水、氫氧化鈣、水等;其它介質(zhì):食用無鹽醋、果汁、咖啡、茶、牛奶及工業(yè)用酒精、醚、汽油、重油、礦物

24、油等。馬氏體不銹鋼在硫酸、鹽酸、氫氟酸、熱磷酸、熱硝酸以及熔融堿等介質(zhì)中耐蝕性能很差。2.4.2耐局部腐蝕性能馬氏體不銹鋼(如cr13型)對特殊腐蝕形式(如晶間腐蝕、點腐蝕等)是不耐蝕的,故在具有這類腐蝕特點的實際工程中不宜選用。當cr13型不銹鋼不能滿足工程上需要時,可選用1cr17ni2鋼,因此鋼中含有高達17%的鉻,并含有2%的鎳代替了部分的碳。鎳能阻止淬火溫度下鐵素體的生成,能提高抗回火性,改善強度和韌性,改善對鹽霧及稀還原性酸的耐蝕性。馬氏體不銹鋼在電耦合或非電耦合使用時,常可能發(fā)生氫脆或應力腐蝕。前者如1cr13鋼在弱酸、濕蒸汽介質(zhì)中與奧氏體鋼電耦合時發(fā)生應力腐蝕;后者如在油井h2

25、s環(huán)境中產(chǎn)生的穿晶型氫脆斷裂。在鹽溶液、鹽霧、或高純水中,馬氏體不銹鋼易產(chǎn)生晶間型的應力腐蝕?？箲Ωg開裂性能與鋼所經(jīng)受的回火處理溫度密切相關(guān),如在5%nacl噴霧試驗中410、420(國產(chǎn)為1cr13)鋼經(jīng)480回火的彎曲試樣,沿原奧氏體晶界產(chǎn)生裂紋;但經(jīng)370以下或590以上回火,試驗75天也不產(chǎn)生裂紋。410鋼在3%nacl和酸性h2s溶液中的應力腐蝕斷裂途徑與腐蝕幾乎無關(guān),主要依賴于回火溫度; 550回火最易出現(xiàn) 晶間型分枝裂紋。馬氏體不銹鋼,根據(jù)不同的熱處理條件,有時也易發(fā)生堿脆,如固溶處理的410鋼在332脫氣的10%naoh中,外加應力=90%0.2,經(jīng)4800h未裂,僅為嚴重

26、的全面腐蝕,649回火(hrc=28)及565回火 (hrc=41)也一樣,而經(jīng)482回火者(hrc=50), 4800h后即產(chǎn)生裂紋。1cr13（表3）不銹鋼在溫度30以下時的弱腐蝕介質(zhì)中,即在大氣、蒸汽、淡水中,亦具有良好的耐腐蝕性能,因而在機械制造中得到廣泛的應用。1cr13不銹鋼導熱系數(shù)小(約為低碳鋼的1/3),而線膨脹系數(shù)比低碳鋼大,所以,在焊接后引起的變形也較大,因此,在焊接過程中應采用相應工藝措施。1cr13不銹鋼在焊接過程中焊接性較差。因為,在焊接冷卻過程中出現(xiàn)奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變,由于體積發(fā)生變化,促使硬度增加和塑性降低,致使有強烈的淬硬傾向,母材含碳量越高,淬硬傾向就越大。在

27、焊縫擴散氫和焊接應力作用下,焊接殘余應力較大,易產(chǎn)生裂紋。因此,根據(jù)焊件厚度和剛性大小,焊接時應采取焊前預熱、焊后緩冷等工藝措施。表3 1cr13的化學成分ccrnimnsips0.1512.990.140.480.710.0250.0102.5 焊接缺陷分析薄壁件焊接的特點薄壁件大多為精密元器件。實際生產(chǎn)中薄壁管件的焊接通常有兩種接頭方式:平面對接和卷邊對接。卷邊對接用得較少,只有在平面對接無法焊接時才采用。經(jīng)常采用的平面對接形式適用的管子厚度范圍0.11mm。2.5.1 燒穿和變形薄壁件大多為不銹鋼材料,由于不銹鋼的導熱性能差,工件又為薄壁,因而焊接時極易產(chǎn)生焊穿和變形,故焊接時必須在夾具

28、上進行。(1)焊件易變形焊件為薄壁件,剛性小,熱容量小,焊接時溫升快,因而焊件易變形。實踐證明:薄壁件焊接過程中防止和減小變形是獲得優(yōu)質(zhì)焊縫的主要條件之一。 (2)對焊接規(guī)范變化敏感因為焊件小、電流小,形成的焊接熔池也小,熱容量必然小,所以對焊接熱過程中的很小變化,都會破壞焊接熔池的熱平衡,導致焊縫尺寸的變化,甚至燒穿或未焊透。因此,焊接過程中一定要保持電弧穩(wěn)定,焊接規(guī)范穩(wěn)定,夾具的導熱條件不變。 (3)對焊件的裝配及工裝夾具的要求高為了獲得良好的焊縫,焊前必須保證裝配精度,不允許有間隙和錯邊,相對應的工裝夾具也應保證其精度,并具有良好的散熱條件。否則,便產(chǎn)生燒穿等缺陷,出現(xiàn)廢品。 (4)對焊

29、接處的表面清理要求高因工件壁薄、焊縫小,工件表面的氧化物及油污對焊縫質(zhì)量的影響很大。所以要注意清除焊縫處的油污、鐵銹、氧化物等。2.5.2 焊接冷裂紋由于馬氏體不銹鋼在空冷的情況下就能夠形成脆硬的馬氏體，馬氏體是典型的淬硬組織，對擴散氫敏感，如果街頭拘束力大，就很容易形成冷裂紋。冷裂紋的表現(xiàn)特征冷裂紋形成的溫度大體在-100100之間，具體溫度隨母材和焊接條件不同而異，產(chǎn)生冷裂紋的材料大都有淬硬傾向的低合金高強度鋼和中高碳鋼的焊接接頭，裂紋大都在熱影響區(qū)，通常發(fā)源于熔合區(qū)，有時也發(fā)生在高強度鋼或鈦合金的焊縫中。宏觀上冷裂紋的斷口有脆硬斷裂的特征，表面有金屬光澤，成人字形態(tài)發(fā)展，冷裂紋較多的是在

30、焊后延續(xù)一段時間才產(chǎn)生，延遲時間不等，可能幾小時，也可能幾天或幾十天。冷裂紋的分布根據(jù)冷裂紋的分布特征，可歸納為四種類型：焊道下裂紋：是在靠近堆焊焊道的熱影響區(qū)所形成的焊接冷裂紋，走向大致與熔合線平行，一般不顯露于焊縫表面。焊趾處裂紋：焊縫表面與母材交界處叫做焊趾，裂紋一般向熱影響區(qū)粗晶區(qū)擴展，有時也向焊縫中擴展。焊根處裂紋：沿應力集中的焊縫根部所形成的焊接冷裂紋，主要發(fā)生在含氫量較高預熱不足的條件下，焊縫擴展方向可以向焊縫也可以向熱影響區(qū)。橫向裂紋：起源于熔合線，垂直于焊縫長度方向擴展到焊縫和熱影響區(qū)。形成冷裂紋的基本因素及其作用形成冷裂紋的因素是擴散氫鋼種的淬硬傾向及接頭所承受的拘束應力三

31、者共同作用的結(jié)果。氫的影響:導致接頭產(chǎn)生冷裂紋的氫主要是擴散氫，實驗證明，隨著焊縫中擴散氫含量的增加，冷裂紋率提高，近年來一些學者在顯微鏡下觀察彎曲試件的斷裂情況時，還觀察到在裂紋尖端附近有氫氣泡析出。擴散氫含量影響裂紋延遲時間的長短，擴散氫含量越高，延時越短。鋼種的淬硬傾向：一般來說，鋼種的淬硬傾向越大，則接頭中出現(xiàn)馬氏體的可能性越大，則越容易產(chǎn)生冷裂紋。當材料一定時，隨冷卻速度不同，接頭的組織相應改變，冷卻速度越大，使馬氏體含量增加，導致裂紋率上升。焊接的拘束應力：焊接的拘束應力包括接頭在焊接過程中因加熱不均所承受的熱應力相變應力結(jié)構(gòu)自身幾何因素所決定的內(nèi)應力。上述三方面的應力都是不可避免

32、的，由于與拘束條件有關(guān)而統(tǒng)稱拘束應力。拘束應力的作用也是形成冷裂紋的重要要素之一，在其他條件一定時，拘束應力達到一定數(shù)值就會產(chǎn)生開裂。三個因素的相互關(guān)系固液）圖6 氫的溶解度和擴散系數(shù)與晶格結(jié)構(gòu)的關(guān)系氫在開裂時的作用：氫在裂紋形成的過程中的作用與其溶解度和擴散規(guī)律有關(guān)。溶解度在液體金屬中的氫原子，在連續(xù)冷卻金屬凝固和發(fā)生固態(tài)相變時，溶解度將發(fā)生突變【圖6-a】，氫在相中的溶解度大大高于在相中的溶解度，在快冷時，就來不及在轉(zhuǎn)變時析出，而以過飽和和溶解的形式存在于相中。由于氫的擴散性很強，隨著時間的延長，過飽和的氫將不斷擴散，其中一部分擴散到金屬外部，另一部分則在金屬內(nèi)部遷移。氫在不同晶格中擴散能

33、力不同，在相中的擴散能力比在相高【圖6-b】。熔合線裂紋焊縫熱影響區(qū)接方向液體金屬熔池圖7 焊接接頭冷卻過程中的組織分布與氫的擴散情況因此在發(fā)生轉(zhuǎn)變時氫的溶解度突降，而擴散能力突升。從接頭組織分布的示意圖中可知【圖7】，熔池以外的焊縫和熱影響區(qū)都是固態(tài)，由于焊縫與母材的成分不同，焊縫金屬的奧氏體分解溫度tfa高于母材的分解溫度tma，因此等tfa溫面導前于等tma溫面。圖中的熔合線上ab兩點的兩側(cè)的組織不同，焊縫已完成奧氏體分解fe3c（或貝氏體，馬氏體），而母材仍為相。焊縫進行奧氏體分解時，氫的溶解度突降，擴散速度突升，過多的氫必然通過熔合線向尚未轉(zhuǎn)變的熱影響區(qū)擴散。氫擴散到母材后，由于氫在

34、相中溶解度而擴散度低，在快冷時就不可能據(jù)需母材內(nèi)部擴散，而聚集在熔合線附近形成高氫帶。在母材也發(fā)生了相變后，氫就可以以過飽和的形式殘留于馬氏體（或貝氏體）中，并擴散到應力集中或晶格畸變處結(jié)合為氫分子，形成較高的局部應力，再加上熱應力和組織應力的共同作用，就可能開裂。氫與力的共同作用產(chǎn)生延遲現(xiàn)象：氫裂紋的延遲特點是潛伏期是裂紋形成的孕育期階段，實際上是氫逐漸向開裂部位擴散集中結(jié)合成分子并形成一定壓力的過程。開始時，氫的分布相對比較均勻，在熱應力和相變應力的作用下金屬中出現(xiàn)一些微觀缺陷，氫開始向缺陷前沿應力部位遷移。焊縫中氫的平均濃度較高，則遷移的氫的數(shù)量越多，輕易的速度也越高。當氫聚集到發(fā)生裂紋

35、所需要的臨界濃度時開始產(chǎn)生微裂紋。由于裂紋尖端的應力集中，進一步使氫向尖端高應力區(qū)擴散，裂紋擴展。氫的擴散聚集達到臨界濃度都需要時間，這就形成了裂紋的延遲特征。氫與應力有一種互補的關(guān)系，即擴散氫含量越高，開裂所需要的應力 越小，潛伏期越短；應力越大，開裂所需要的含氫量越低。鋼材淬硬傾向的作用：馬氏體是典型的淬硬組織，這是由于間隙原子碳的過飽和，使鐵原子偏離平衡位置，晶格發(fā)生明顯畸變所致。特別是在焊接條件下，近縫區(qū)的加熱溫度高達1350-1400，使奧氏體晶粒嚴重長大，當快速冷卻是，粗大的奧氏體將轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮鸟R氏體。硬脆的馬氏體在斷裂時所需要的能力較低。因此焊接接頭中又馬氏體存在時，裂紋易于形成

36、和擴展。鋼材的淬硬傾向越大，熱影響區(qū)或焊縫冷卻后得到的淬硬組織越多，對冷裂紋就越敏感。這里的淬硬傾向包括淬透性和淬硬性兩個方面，也就是冷裂紋的傾向大小，即取決于馬氏體的數(shù)量，更取決于馬氏體本身的韌性。含碳量不同時。得到不同形態(tài)馬氏體的韌性差別較大的。如果以馬氏體的數(shù)量對不不同鋼種的冷裂紋敏感性，會造成較大誤差。不同組織對冷裂紋的敏感性大致按下列順序遞增：鐵素體或珠光體貝氏體條狀馬氏體馬氏體+貝氏體針狀馬氏體。防止冷裂紋的措施（1）嚴格控制氫的來源：選用優(yōu)質(zhì)焊接材料或低氫的焊接方法，嚴格規(guī)定對焊接材料進行烘焙及焊前清理工作。（2）提高金屬的塑性和韌性：通過焊接材料向焊縫過渡ti,nb,mo,v,

37、b.te或稀土元素來韌化焊縫，利用焊縫的塑性儲備減輕熱影響區(qū)的負擔，從而降低整個焊接接頭的冷裂紋的敏感性。（3）焊前預熱：焊前預熱可以有效降低冷卻速度，從而改善接頭組織，降低拘束應力，并有利于氫的析出，可有效地防止冷裂紋，是生產(chǎn)中常用的方法。（4）控制線能量：線能量增加可以降低冷卻速度，從而降低冷裂紋的傾向。但線能量過大，則可能造成焊縫及熱影響區(qū)的晶粒粗化，而粗大的奧氏體一旦轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮鸟R氏體，裂紋傾向反而增大。（5）焊后熱處理：焊后進行不同的熱處理，可分別起到清除擴散氫，降低和清除殘余應力，改善組織或降低硬度等作用。焊后常用的熱處理制度有削氫處理，消除應力退火，正火和淬火或淬火+回火。具體選

38、用視產(chǎn)品的需要而定。第三章 薄壁件焊接的幾種基本方法3.1 微束等離子弧焊普通電弧焊的電弧是在工件上的空氣中自由燃燒,不受約束;而等離子弧是一種受壓縮氣體約束的電弧。維束等離子弧焊接作為薄壁件的常用焊接方法,其原因在于微束等離子弧焊接具有以下特點:電弧能量密度高、電弧穩(wěn)定性好、電弧剛性好、弧長變化對焊件的熱影響小、工件變形小等。微束等離子弧焊接的工藝參數(shù),主要是焊接電流、焊接速度、工作氣體流量、保護氣體流量、電弧長度、焊嘴直徑等,它們對焊縫的形狀和焊接質(zhì)量都有影響。 (1)為了加強保護效果、提高焊縫質(zhì)量,常采用以氬氣為主的混合氣體為保護氣。焊接不銹鋼時,在保護氣中加入5%左右的氫氣,效果最佳。

39、 (2)微束等離子弧焊接的接頭形式和尺寸有其特別之處,下圖8所示為常用的幾種接頭形式。圖8(3)為了獲得良好的焊縫背面成型,常在焊道背面放置紫銅墊板,墊板上均有成形槽,槽寬23mm,槽深0.20.5mm。3.2 小電流氬弧焊小電流直流氬弧焊具有:焊接時電弧穩(wěn)定無飛濺、明弧熔池觀察清晰、焊接電流量小、氬氣流量小、可焊異種金屬、焊縫美觀的特點,廣泛用于薄壁件的焊接。正確地選擇焊接工藝參數(shù),是進行薄壁件焊接時獲得優(yōu)良焊縫的基本條件。另外,在特殊情況下,薄壁件焊接還可以采用小功率釬焊或激光焊接。另外,在特殊情況下,薄壁件自動焊接還可以采用小功率釬焊或激光焊接。第四章 馬氏體不銹鋼焊接工藝1cr13的焊

40、接工藝金屬波紋管作為彈性敏感元件，是儀器儀表和自動化裝置上的重要元件之一。金屬波紋管屬于超薄零件，壁厚在0.05一0.3mm之間。從節(jié)約成本，本文將討論用tig焊完成壁厚0.3mm的金屬波紋管的焊接。由于不銹鋼的焊接性良好，所以超薄不銹鋼零件焊接的技術(shù)關(guān)鍵是防止燒穿和保證良好的焊縫成形。金屬表面若有油污和氧化皮，會降低液體的表面張力而破壞熔池的動態(tài)平衡，造成管燒穿。所以，對超薄不銹鋼零件焊接時，必須進行除油和酸洗。4.1 下料及板材成型圖8 模片超薄型波紋管的加工過程通常是先沖壓出膜片（圖8），然后將各膜片依次焊接起來，2個膜片的內(nèi)圓焊接后，再與另外膜片的外圓焊接，直到所需的長度，如圖9所示。

41、圖9 波紋管波紋管材料為牌號為1cr13不銹鋼，厚度0.3mm管外徑60mm內(nèi)徑42mm，如圖8所示。由于波紋管的焊縫是由電弧熔化膜片邊緣所形成的，所以膜片邊緣凸出夾具表面的形狀和尺寸對焊縫成形有極大影響。由文獻知，膜片邊緣凸出夾具表面的高度由下式?jīng)Q定：h=h1+h; h=s/20式中s為焊縫的橫截面積；h為熔化偏差量；0為膜片厚度。當焊縫的橫截面直徑在2.503.50范圍內(nèi)變化時，焊縫質(zhì)量較好。經(jīng)過理論計算和實際焊接試驗，取膜片邊緣凸出夾具表面高度為0.45mm。膜片裝配時的同心度及間隙、錯邊尺寸也是影響焊接質(zhì)量的重要因素。膜片焊前裝配時，要求間隙及錯邊量不得大于0.05mm。如此嚴格的要求

42、，只能通過精密的夾具來保證。夾具由帶有散熱片的分離半圓形零件組成，在焊接波紋管外圓焊縫時，散熱面作為中心定位部件，如圖10所示。內(nèi)焊縫是利用專門的錐盤形夾具來定位的，如圖11所示。圖10 波紋管外圓焊接夾具圖11 波紋管內(nèi)圓焊接夾具夾具與膜片接觸面的寬度直接影響到散熱量的大小，也對焊縫成形有重要影響。為了防止出現(xiàn)鋸齒狀焊縫，夾具與膜片接觸面的寬度由實驗調(diào)定為1mm。4.2 焊前準備除油 : 用有機溶劑(丙酮、酒精 、四氯化碳等) 擦洗焊接接頭 。酸洗：:對于1cr13不銹鋼,采用以下配方:h3po410%、hf5%、h2so45%、h2o80%酸洗時間:5分鐘(室溫)。酸洗后用弱堿溶液中和 ,

43、然后用流動水沖洗涼干4.3 焊接工藝參數(shù)的選擇及焊接(l)接頭形式為端接接頭，組裝工藝應合理，使模片之間緊密配合，可提高波紋管的成品率。(2)焊接設備使用nza21一120一1型弧焊機(電源電壓380v、額定功率3kw、調(diào)節(jié)范圍5一120a)。(3)焊接電流和焊接速度，焊接電流是影響焊接質(zhì)量的主要參數(shù)。電流過大或焊速過慢，會使焊接線能量增大，將導致波紋管燒穿。焊接電流過小或焊接速度過快，會造成電弧的穩(wěn)定性差和金屬的熔化量不足，也無法獲得良好的焊縫成形。根據(jù)經(jīng)驗和試驗確定，焊接電流為20一25a，焊接速度6一7mm/s。（4）嘴尺寸和氬氣流量的選擇，我們采用自制的噴嘴,噴嘴直徑為8mm,噴嘴長度

44、比普通噴嘴要長,確定為40mm,這樣可以使氬氣平行流出 ,不致發(fā)生紊流,又可壓縮電弧,使電弧更集中,提高了電弧的穩(wěn)定性 ,保證焊縫的成形。氬氣流量為:6-8升/分。數(shù)據(jù)的確定按下列公式計算 d=(2.5-3.5)dw d為噴嘴直徑，dw為鎢極直徑。 q=(0.8-1.2)dq為氣體流量，d為噴嘴直徑(5)電弧長度盡可能小焊接中采用短弧焊，弧長控制在1mm以下，這時氫氣保護效果好，電弧穩(wěn)定。(6)鎢極直徑和端頭形狀采用的鎢極直徑為1.6mm，端頭磨成30度錐角。這樣可提高引弧和穩(wěn)弧性能，保證焊縫的成形。鎢極伸出長度一般為5-6mm.（7）進行焊接，焊后的接頭組織見下圖12?；静僮?，引弧時提前送

45、氣5-10秒鐘；收弧時延遲斷氣10秒鐘左右。焊縫內(nèi)不填充焊絲。圖12（8）焊件冷卻至室溫后，進行外觀檢測，不能有燒穿，咬邊，未熔合，裂紋等缺陷。（9）焊后熱處理對焊件進行700-750回火處理，保溫一小時，然后空冷。（10）100%對焊件進行1.6 mpa水壓強度試驗,檢驗焊件的密封性是否合格。（11）表4是本工藝的焊接工藝卡，焊接工藝的參數(shù)都在上面。表4焊接接頭焊接順序焊接工藝卡編號0001先焊接外焊縫圖號0001再焊接內(nèi)焊縫接頭名稱端接接頭街頭編號0001焊接工藝評定報告編號n0001焊工持證項目檢驗序號本廠鍋檢所第三方或用戶母材mm1cr13厚度mm0.3焊縫金屬mm1cr13厚度mm0

46、.3焊接位置平焊層道焊接方法填充材料焊接電流電弧電壓（v）焊接速度（cmmin）線能量（kjcm）牌號直徑極性電流（a）焊后熱處理回火700-750自動鎢極氬弧焊正接20-253642鎢絲直徑1.6mm噴嘴直徑8mm氣體成分純ar氣體流量正面6-8升/分背面4.4 焊接中的工藝缺陷及產(chǎn)生原因(l)燒穿起弧端燒穿的原因為短路瞬間電流大，內(nèi)、外托環(huán)與波紋管間隙大。燒穿是由于局部間隙過大，電弧瞬時不穩(wěn)成偏弧。(2)波紋管未焊住頭之間間隙過大，使波紋管端面它兩件未對齊，會造成局部虛焊和漏焊而未焊住，試壓時漏水。(3)成形不規(guī)則、熔寬過窄，是由于鎢極距焊接縫距離大，使弧長過大，電弧剛度不造成的。4.5 結(jié)論本文采用tig焊焊接超薄零件，降低了成本。按以上的焊接結(jié)構(gòu)設計和焊接工藝進行焊接后，對焊接零件觀檢驗，焊縫表面平滑光亮，經(jīng)試驗未發(fā)生漏現(xiàn)象，說明波紋管接頭強度高，氣密性好，滿足使用要求。第五章 1cr13波紋管的焊接工藝評定5.1