畢業(yè)論文低溫鋼及其焊接性研究22

1、繼續(xù)教育學院畢業(yè)論文（設計）論 文 題 目 ： 低溫鋼及其焊接性研究 專 業(yè) ： 焊接技術與工程 姓 名 ： 陳 爽 學 號 ： 指 導 教 師 ： 王學明 二零一五 年 五月低溫鋼及其焊接性研究摘要低溫鋼是指適于在-20以下應用的合金鋼。能在-196以下使用的，稱為深冷鋼或超低溫鋼。GB150.3-2011附錄E規(guī)定：“碳素鋼和低合金鋼制低溫容器（設計溫度低于-20）的設計。對于奧氏體型鋼材制低溫容器壓力容器（設計溫度低于-196）的設計，按相關規(guī)范標準處理” 。隨著石油和天然氣工業(yè)、煤化工等現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，新工藝、新設備不斷出現(xiàn)，氣體液化、分離、貯存及應用在各國已很普遍，這些低溫技術和設備

2、的開發(fā)促進了低溫壓力容器用鋼的發(fā)展以及這些低溫鋼焊接性的研究。關鍵詞: 低溫鋼；焊接性； 焊接工藝；低溫韌性目錄0課題背景11低溫鋼的分類12影響材料低溫脆性的因素12.1晶體結構的影響12.2化學成分影響22.3顯微組織結構32.4加工硬化的影響32.5應力狀態(tài)的影響32.6加載速率的影響33低溫鋼焊接工藝43.1焊前準備43.2焊接過程53.3焊后熱處理64低溫鋼的焊接方法75 3.5Ni鋼的焊接試驗75.1焊條電弧焊75.2埋弧自動焊85.3鎢極氬弧焊85.4焊后熱處理及沖擊試驗數(shù)據(jù)9結論10致謝11參考文獻120課題背景20 世紀30 年代以來,國外發(fā)生過多次橋梁構件脆斷的事故。分析表

3、明,金屬或合金在低于某個臨界溫度的條件下,韌性急劇降低、材質(zhì)變脆。隨著科學技術的發(fā)展,為了適應低溫的要求,人們研制了各種低溫鋼。它的出現(xiàn)是對能源和現(xiàn)代化的一大貢獻。1932年美國發(fā)明了在-46低溫下使用的2.5鎳鋼。之后，又發(fā)展了在-101低溫下使片的3.5鎳鋼，并納入ASTM標準。此后德國、法國比利時和日本等國家也將3.5鎳鋼分別納入各自標準中。1944年美國國際鎳公司研制出可使用-196的9鎳鋼。經(jīng)過長時期的研制和應用，逐漸形成了含有0.5、2.5、3.5、5、9鎳等完整鎳鋼系列。低溫鋼的出現(xiàn).有力地推動了低溫領域科等和技術的進步。國內(nèi)低溫鋼的研究起步較早,從1958年起,就開始研究具有中

4、國特色的鐵錳鋁鋼。在60年代為了節(jié)省資源,立足本國,曾按照節(jié)鎳鉻的主導思想。研究出不少低溫鋼種,可分別工作于- 70 - 90 及更低的溫度。我國低溫鋼現(xiàn)行標準GB3531低溫壓力容器用低合金鋼板。1低溫鋼的分類低溫鋼主要包括鎳鉻合金鋼、碳錳硅鋼。通常根據(jù)合金化原理、環(huán)境溫度、組織及合金系統(tǒng)中的鎳、鉻元素含量將低溫鋼進行分類。按合金化原理分類有低溫鋁鎮(zhèn)靜鋼、鎳系低溫鋼、低溫奧氏體不銹鋼；按溫度等級分類有-20-40、-50-80、-100-110、-196-269；按組織及合金系統(tǒng)的有低合金鐵素體鋼、中合金低碳馬氏體鋼、高合金奧氏體鋼；按是否含鎳元素又可以分為有鎳低溫鋼和無鎳低溫鋼。2影響材料

5、低溫脆性的因素2.1晶體結構的影響體心立方金屬及其合金存在低溫脆性，而面心立方金屬及其合金一般不存在低溫脆性。屈服強度s隨溫度的變化與材料本性有關。具有體心立方結構或密排六方結構的金屬或合金的屈服強度s對溫度變化十分敏感，溫度降低，s急劇升高，故與抗拉強度c相交于一點，該點對應的溫度既為Tk。高于Tk時，cs，材料受載后先屈服再斷裂，為韌性斷裂；低于Tk時，外加應力首先達到c，材料表現(xiàn)為脆性斷裂。面心立方結構材料的s隨溫度的下降變化不大，故脆性斷裂現(xiàn)象不明顯。如圖1 圖1 s、c和s隨溫度變化示意圖 2.2化學成分影響鋼的純凈度是影響韌性的關鍵因素，微量的磷、硫、砷、錫、鉛、銻等元素及氮、氧、

6、氫等氣體的存在，對鋼的韌性起有害作用。其中磷、硫最為常見，在鋼材相應的標準中基本都規(guī)定了磷、硫的最大含量。磷、硫可以顯著的降低鋼材的低溫韌性，倘若母材和焊接材料中磷、硫含量很低的話，不管拘束條件如何苛刻，都不至于產(chǎn)生裂紋。 碳對低溫韌性影響影響明顯，隨著碳含量增加，鋼的韌脆轉變溫度急劇上升。因此，低溫鋼的碳含量多限制在0.2以下。國外有一種發(fā)展低碳（小于0.15）或微碳（小于0.06）的趨勢。錳是擴大奧氏體區(qū)的元素，在鋼種加入錳元素可明顯改善脆性。降低碳含量，提高錳碳比（Mn/C），鋼的韌脆轉變溫度降低。已經(jīng)研制出了多種高錳無鎳奧氏體不銹鋼，來節(jié)約鎳元素。鎳提高鋼材低溫韌性的作用優(yōu)于錳。鋼中含

7、鎳量（質(zhì)量分數(shù)）每增加1%,韌脆轉變溫度約降低10%。含鎳3.5%的鋼在-100仍保持良好的韌性，含鎳9%的鋼可以耐-196低溫。綜合說能擴大奧氏體相區(qū)的元素都能提高鋼的低溫韌性，而與碳親和力強的元素能形成碳化物，起到細化晶粒的作用也能提高鋼的低溫韌性。（Ti、Zr、Nb、V、Mo、Cr、Mn、Fe等稱為碳化物元素，Ni、Mm、Co、C、N、Cu為擴大奧氏體相區(qū)的元素）2.3顯微組織結構1、晶粒的大小。細化晶?？梢允共牧享g性增加。韌脆轉變溫度與鐵素體晶粒直徑d成線性關系，晶粒直徑d越小，韌脆轉變溫度越低。這是因為晶界存在雜質(zhì)和脆性相，往往成為裂紋源。細化晶粒，一方面使單位面積上的脆性相相對減少

8、，表面能提高，裂紋形核和擴展的概率就降低，從而提高了鋼的抵抗低溫脆斷的能力；另一面細化晶粒鋼的性能比較均勻，降低了韌脆轉變溫度。2、熱處理和晶相組織。在較低強度水平，強度相同而組織不同的鋼，其沖擊吸收功和韌脆轉變溫度以調(diào)質(zhì)組織最佳，正火次之，熱軋和退火狀態(tài)最差。此外球化處理能改善鋼的韌性。鋼的退火組織比正火組織大，其低溫韌性遠不如經(jīng)正火或調(diào)質(zhì)組織，所以低溫壓力容器用鋼都不進行退火處理。需焊后熱處理的低溫壓力容器及其受壓元件，在任何情況下，焊后熱處理溫度都不應超過鋼材的回火溫度。2.4加工硬化的影響加工硬化降低了鋼材的韌性，同時使韌脆轉變溫度提高，這種影響隨鋼材類型的不同及加工硬化量的大小而變。

9、冷壓封頭的韌脆轉變溫度高于熱壓封頭，且沖擊韌性數(shù)值也有所減小。容器制作過程中的冷彎、冷壓、焊接變形等都會導致脆化，這也就是為什么GB150和HG/20584都規(guī)定了最小變形量或最小伸長量，故受壓元件超出這個變形量就要進行恢復性能熱處理。2.5應力狀態(tài)的影響容器結構設計不合理應力集中明顯，容易產(chǎn)生低應力脆斷；容器母材中存在裂紋或缺口時，容易產(chǎn)生低應力脆斷；缺口越尖銳，預制裂紋尺寸越大，也容易產(chǎn)生低應力脆斷。當焊接接頭中有裂紋存在，又具有殘余應力時，低應力脆斷就更為明顯。2.6加載速率的影響提高加載速率如同降低溫度，使材料脆性增大，韌脆轉變溫度提高。加載速率對鋼脆性的影響與鋼的強度水平有關。一般中

10、、低強度鋼的韌脆轉變溫度對加載速率比較敏感，而高強度鋼和超高強度鋼的韌脆轉變溫度則對加載速率的敏感性較小。3低溫鋼焊接工藝 由于鉻鎳奧氏體不銹鋼在-196仍然有很好的低溫韌性。這里就不做過多的討論，本文主要討論的是非奧氏體不銹鋼的焊接性。焊接工藝方面的影響因素一般包括焊前準備、焊接過程、焊后熱處理等幾個方面。3.1焊前準備焊前準備中主要以坡口設計為主，其中最常見的坡口有V型、X型、I型，局部還有U型。坡口的大小反映了熔敷金屬填充量的大小，改變坡口的角度也就改變了焊道的數(shù)目。以3.5%Ni鋼V型坡口為例，說明坡口角度對焊縫低溫沖擊韌性的影響如表1。由表1可以看出隨著坡口的角度增大，焊縫低溫沖擊韌

11、性隨之增大，直到坡口角度為90時達到最大，以后坡口再增大，焊縫金屬的低溫沖擊韌性減小。但是NB/T47014中除了等離子焊其余焊接方法將坡口放在次要因素里，從上表可以看出坡口改變他的平均沖擊吸收功改變幅度不大，還有GB150、HG/T20583推薦性坡口里對接角度最大沒超過70，當采用大坡口時不光焊材使用增加，而且焊 表1 3.5%Ni鋼V型坡口-100沖擊吸收功坡口型式角度焊縫中心沖擊吸收功(J)（-100）平均吸收功(J)V型帶鈍邊6023.015.816.718.57517.126.318.020.59026.519.118.721.410517.025.114.819.0接的工作量也會

12、增加，整體成本也就會增加，這兩方面也可以解釋這一點。另外坡口的加工方法對焊縫低溫沖擊韌性并沒有明顯的影響，但碳弧氣刨會對坡口母材滲碳，會降低焊縫的低溫沖擊韌性，在焊接前應該將滲碳層打磨。3.2焊接過程焊接過程又主要以焊前預熱、焊接過程中的層間溫度控制、焊接熱輸入控制、焊道層次控制等。為了防止冷裂紋，采用預熱、控制層間溫度和后熱的措施很重要預熱及層間溫度過低，焊縫低溫韌性會受到影響，同樣層間溫度過高，焊縫的低溫韌性損失也比較大。由表2可知100150的預熱溫度及層間溫度對保證焊接接頭的低溫性能比較有利，而后熱可以使擴散氫更好的逸出。由表3可知較小的熱輸入下焊接的低溫沖擊韌性比較高。圖2 后熱溫度

13、及保溫時間對焊接接頭吸收擴散氫的擴散逸出的影響表2 預熱、層間溫度對焊接低溫性能的影響溫度（）預熱室溫5080100120100120層間室溫5080100120250350沖擊吸收功(J)（-100）10.318.621.613.017.913.525.417.711.620.719.320.8表3 熱輸入對低溫韌性的影響焊接熱輸入（J/cm）電流（A）電壓（V）線速度（cm/min）沖擊吸收功(J)（-100）平均吸收功（J）15.71402412.821.017.616.318.320.11452410.317.315.815.116.125.6150258.813.715.612.01

14、3.8在多層焊時，若在產(chǎn)生焊接冷裂紋之前就焊接下一層，則是對上一層進行再加熱，這就使產(chǎn)生冷裂紋的危險大大減小。由于多層焊的多次循環(huán)加熱作用使焊縫中的平均擴散氫含量要比單層焊降低40%。但由于是按層累積的原因，越后焊的焊縫擴散氫含量越大。因此，最后一道焊縫中的擴散氫含量最大，同時這時的焊縫金屬厚度最大，這里的殘余應力最大，因而其產(chǎn)生冷裂紋的危險也就最大。由于壓力容器考慮的是整體的安全性，所以這點是不允許的。因此通常采用在最后一道焊縫表面再焊接一道回火焊道，可以加速擴散氫逸出，有利于防止焊接冷裂紋。還可以對焊接接頭產(chǎn)生回火效應，也有利于防止焊接接頭的脆化。同時采用預熱、后熱、控制層間溫度來綜合控制

15、焊縫的冷卻速度，來使焊縫有一個合理的低溫韌性。3.3焊后熱處理在壓力容器的設計制造標準當?shù)蜏劁摪搴穸却笥谝欢〝?shù)值時（這個數(shù)值比普通低合金鋼嚴）就要進行熱處理，其主要目的就是消除鋼材在冷成形中造成的形變硬化以及組裝焊接中產(chǎn)生的殘余應力+恢復材料的性能，防止材料低應力脆斷。焊后消應力熱處理，可以消除殘余應力，但同時有表4可知不一樣的保溫溫度和冷卻速度得出的結果也是不一樣的。針對這個問題我們咨詢了李世玉教授“焊后熱處理溫度能不能過高或保溫時間能不能過長？”得到的回答是：“不能，如果焊后熱處理的溫度過高或保溫時間過長，反而會使焊縫金屬中碳化物聚集、粗化，或脫碳層厚度增加，從而總力學性能，蠕變強度及缺口

16、韌性的下降。”而由表4可以看出在空冷的情況下提高回火溫度可以提高焊縫接頭低溫性能，相同回火溫度時爐冷的焊縫接頭低溫性能甚至都不如焊態(tài)下的低溫性能。由2.3和GB150可知正常的低溫鋼都是調(diào)質(zhì)、正火加回火、正火。而本文所有試驗都是以3.5Ni鋼做為研究對象即調(diào)質(zhì)狀態(tài)，而調(diào)質(zhì)鋼的鋼的回火時伴隨這組織改變。而上表中550和625在調(diào)質(zhì)鋼回火中屬于一個區(qū)間，所以這兩個溫度下消應力625更為徹底；爐冷和空冷，爐冷的冷卻速度更慢經(jīng)歷了調(diào)質(zhì)鋼回火的幾個區(qū)間而且每個區(qū)間停留時間很長，組織變化明顯大大降低了低溫鋼焊接接頭的低溫韌性。表4 焊后熱處理對焊縫接頭低溫性能影響焊后熱處理焊態(tài)5501.5h空冷6251.

17、5h空冷6251.5h爐冷沖擊吸收功(J)（-100）13.115.723.58.618.817.628.07.310.716.021.311.3平均吸收功(J)14.216.424.39.14低溫鋼的焊接方法一般來說低溫鋼與一般低合金鋼的焊接方法一樣，可以應用各種熔焊、壓焊、釬焊等各種焊接方法，但是最常見的還是手工焊條電弧焊、埋弧焊、熔化極氣體保護焊、鎢極氬弧焊。當前主要以手工焊條電弧焊應用最廣，但效率比較低；其次是埋弧焊和鎢極氬弧焊，其中埋弧焊效率高，鎢極氬弧焊質(zhì)量最好但效率最低，而熔化極氣體保護焊由于容易出現(xiàn)氣孔，在低合金鋼容器中也未被在容器本體中采用，只是用于焊接受力元件。5 3.5N

18、i鋼的焊接試驗通過幾種焊接方法來焊接3.5Ni鋼試板，統(tǒng)一進行低溫沖擊試驗來分析幾種焊接方法焊接低溫鋼的焊接質(zhì)量，為了保證結果的可靠性，三種焊接方法試板采用統(tǒng)一材質(zhì)和規(guī)格。5.1焊條電弧焊焊條電弧焊作為3.5Ni鋼的首選焊接方法，他適應性好，應用比較成熟，焊條來源廣，焊接線能量等工藝參數(shù)能很好的被控制，接頭的低溫韌性比較容易得到保證。在實際生產(chǎn)中，為了便于限制焊道厚度，可以規(guī)定焊工每根焊條必須熔敷的焊道長度，如規(guī)定3.2400和4.0400焊條每根必須熔敷焊道長度應分別不小于180和250.焊工在操作中應盡量采用短電弧、少擺動并避免側向風吹，這樣可以強化熔池保護，減少焊縫中的O/N含量，對改善

19、接頭的低溫韌性是有利的。此外由第三節(jié)坡口在90以內(nèi)要盡量大一些，以便于實現(xiàn)多層多到焊，改善接頭韌性。工藝參數(shù)見表5。表5 3.5Ni鋼焊條電弧焊的工藝參數(shù)序號焊條直徑電流特性電流（A）電壓（V）速度（cm/min）線能量（kJ/cm）層間溫度()焊道厚度（mm）13.2DC+100-12020-221213100-150424.0DC+120-14021-231216100-15045.2埋弧自動焊對于厚板為了提高生產(chǎn)率，可采用埋弧自動焊，但埋弧自動焊的線能量不可能小于手工焊的水平，故其組織比較手工焊的粗大，低溫韌性相對較低，很難得到保證。工藝參數(shù)見表6。表6 3.5Ni鋼埋弧自動焊的工藝參數(shù)

20、焊條直徑電流特性電流（A）電壓（V）速度（cm/min）線能量（kJ/cm）層間溫度()焊道厚度（mm）3.2AC400-42040-423630100-1506DC+380-40040-424026100-15065.3鎢極氬弧焊在板材對接打底焊、薄板及薄壁管對接焊，以及換熱管接頭焊，一般均采用鎢極氬弧焊。實踐證明，鎢極氬弧焊的焊接接頭的低溫韌性最容易得到保證，只是有由于效率低而難以在焊接生產(chǎn)中廣泛應用。工藝參數(shù)見表7。表7 3.5Ni鋼鎢極氬弧焊的工藝參數(shù)鎢極直徑mm焊絲直徑電流特性電流（A）電壓（V）速度（cm/min）氣流（L/min）線能量（kJ/cm）層間溫度()焊道厚度（mm）2

21、.52.4DC+80-10014-16612-1515100-15035.4焊后熱處理及沖擊試驗數(shù)據(jù)依照上述的焊接方法焊接的試板，統(tǒng)一進行焊后熱處理，參數(shù)見表8。表8 3.5Ni鋼熱處理規(guī)范入爐溫度升溫速度/h保溫溫度保溫時間h爐冷速度/h出爐溫度320220590-6202-5180320依照上述焊接工藝原則及參數(shù)焊接的焊接試板并實施焊后熱處理，按相關標準對焊縫及熱影響區(qū)取沖擊試樣，進行-101和-80沖擊試驗，數(shù)據(jù)見表9。表9 3.5Ni鋼焊接接頭低溫韌性的測試焊接方法焊條電弧焊1焊條電弧焊2埋弧焊鎢極氬弧焊沖擊吸收功(J)（-100）熱影響區(qū)試驗值37251818217213692124105143192169平均27163107168焊縫試驗值548470921128727333992115127平均699733111沖擊吸收功(J)（-80）熱影響區(qū)試驗制59748129727128525