金屬材料焊接工藝 第3版 教案 15 低溫用鋼的焊接

授課教案首頁學年第學期機械工程學院材料技術系（部）焊接技術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√課內實踐□理實一體□習題復習□考核評價□其他活動□課時安排2課時序號15授課日期月日月日月日月日授課班級教學內容：5、低溫用鋼的焊接教學目標：知識目標：1.了解低溫鋼的成分特點2、了解低溫鋼的焊接性能力目標：掌握低溫鋼的焊接工藝要點素質目標：1、培養(yǎng)學生良好的操作習慣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：要求學生熟悉低溫鋼的焊接工藝要點。授課地點：教室教學媒體：投影儀設備及材料：其它資源：學習效果評價方式：課堂提問及作業(yè)作業(yè)和思考題：1、低溫鋼的焊接特點有哪些？課后小結：填表說明：1.序號，指該課程授課的順序號，應與授課計劃一致；2.授課形式在相應的選項打“√”。授課教案教學內容及過程時間分配方法及手段一、教學組織1．復習引入10分鐘2．講解45分鐘3．提問20分鐘4.小結15分鐘二、教學內容低溫鋼是指工作在-10～-196℃溫度范圍的鋼，低于-196℃（直到-273℃）的鋼稱為超低溫鋼。主要性能特點是在低溫工作條件下具有足夠的強度、塑性和韌性，同時具有良好的加工性。主要用于制造石油化工業(yè)中的低溫設備，如液化石油氣和液化天然氣等的儲存和運輸的容器、管道等。能力知識點1低溫鋼的分類、成分與性能1．低溫鋼的分類（1）按使用溫度等級分類分為-50～-90℃、-100～-120℃和-196～-273℃等級的低溫鋼。（2）按合金元素含量和組織分類分為低合金鐵素體低溫鋼、中合金低溫鋼和高合金奧氏體低溫鋼。（3）按有無Ni、Cr元素分類分為無Ni、Cr低溫鋼和含Ni、Cr低溫鋼。（4）按熱處理方法分類分為非調質低溫鋼和調質低溫鋼。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學方法如：項目教學、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導等；3.教學手段如：課件演示、模型講解、實物講解、掛圖講解、視頻講解、網絡課程等。授課教案教學內容及過程時間分配方法及手段2．低溫鋼的成分、組織和性能低溫鋼的鋼種很多，包括從低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼、低合金高強度鋼、低Ni鋼，直到Ni含量為9%的鋼。低溫鋼大部分是接近鐵素體型的低合金鋼，其含碳量較低，主要通過加入Al、V、Nb、Ti和稀土（RE）等元素固溶強化和細化晶粒，再經過正火、回火處理獲得晶粒細而均勻的組織，以得到良好的低溫韌性。如果在鋼中加入Ni，可提高鋼的強度，同時又可進一步改善低溫韌性，但在提高Ni的同時要相應降低含碳量和嚴格控制S、P含量，以充分發(fā)揮Ni的有利作用。（1）鐵素體型低溫鋼顯微組織為鐵素體+少量珠光體使用溫度范圍-40～-100℃，如16MnDR、09Mn2VDR、06MnNbDR、3.5Ni和06MnVTi等有“DR”標示的為低溫容器專用鋼，一般在正火狀態(tài)下使用。16MnDR是制造-40℃低溫設備用的細晶粒鋼；09Mn2VDR也屬細晶粒鋼，主要用于制造-70℃的低溫設備，如冷凍設備、液化氣儲罐、石油化工低溫設備等；06MnNbDR是具有較高強度的-90℃用細晶粒鋼，主要用于制造-60～-90℃的制冷設備、容器和儲罐。3.5Ni鋼一般經過870℃正火和635℃、1h消除應力回火，其最低使用溫度達-100℃；調質處理可提高其強度、改善韌性和降低脆性轉變溫度，其最低使用溫度可達-129℃。（2）低碳馬氏體型低溫鋼含Ni較高的鋼如9Ni鋼，淬火后組織為低碳馬氏體，正火后的組織除低碳馬氏體外，還有少量鐵素體和少量奧氏體，具有較高的強度（高于奧氏體不銹鋼）、塑性和低溫韌性，能用于-196℃的低溫，適于制造儲存液化氣的大型儲罐。（3）奧氏體型低溫鋼具有很好的低溫性能，其中以18-8型鉻鎳奧氏體不銹鋼應用最廣泛，25-20型可用于超低溫條件。我國為了節(jié)約鉻、鎳貴重金屬而研制了以鋁代鎳的15Mn26Al14的奧氏體不銹鋼。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學方法如：項目教學、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導等；3.教學手段如：課件演示、模型講解、實物講解、掛圖講解、視頻講解、網絡課程等。授課教案教學內容及過程時間分配方法及手段能力知識點2低溫鋼的焊接性一、無Ni低溫鋼的焊接性無Ni低溫鋼即鐵素體型低溫鋼其中wc=0.06%～0.20%，合金元素總量≤5%，碳當量為0.27%～0.57%，焊接性良好。在室溫下焊接不易產生冷裂紋，在板厚小于25mm時焊前不需預熱；板厚超過25mm或接頭剛性拘束較大時，應預熱100～150℃，注意預熱溫度（不可超過200℃）過高會引起熱影響區(qū)晶粒長大而降低韌性。二、含Ni低溫鋼的焊接性含Ni較低的低溫鋼如2.5Ni和3.5Ni鋼，雖然加入Ni提高了鋼的淬透性，但由于含碳量限制的較低，冷裂傾向并不嚴重，薄板焊接時可不預熱；厚板焊接時須進行100℃預熱。含Ni高的低溫鋼如9Ni鋼，淬硬性很大，焊接時熱影響區(qū)產生馬氏體組織是不可避免的，但由于含碳量低，并采用奧氏體焊接材料，因此冷裂傾向不大。但焊接時應注意以下幾個問題：（1）正確選擇焊接材料9Ni具有較大的線脹系數，選擇的焊接材料必須使焊縫與母材線脹系數大致相近，以免因線脹系數差別太大而引起焊接裂紋。通常選用鎳基合金焊接材料，焊后焊縫組織為奧氏體組織，低溫韌性好，且線脹系數與9Ni鋼接近。（2）避免磁偏吹現象9Ni鋼具有強磁性，采用直流電源焊接時會產生磁偏吹現象，影響焊接質量。防治措施是焊前避免接觸強磁場；盡量選用可以采用交流電源的鎳基焊條。（3）焊接熱裂紋Ni能提高鋼材的熱裂紋傾向，焊接含Ni鋼時要注意焊接熱裂紋。因此應該嚴格控制鋼材及焊接材料中的S、P含量，以免因S、P含量偏高在焊縫結晶過程中形成低熔點共晶，而導致形成結晶裂紋。含Ni鋼的另一個問題是具有回火脆性，因此應注意這類鋼焊后回火的溫度和控制冷卻速度。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學方法如：項目教學、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導等；3.教學手段如：課件演示、模型講解、實物講解、掛圖講解、視頻講解、網絡課程等。授課教案教學內容及過程時間分配方法及手段9Ni鋼是典型的低碳馬氏體低溫鋼，淬硬性較大。焊前應進行正火+高溫回火或900℃水淬+570℃回火處理，其組織為低碳板條狀馬氏體，具有較高的低溫韌性，其焊接性也優(yōu)于一般低合金高強鋼，板厚小于50mm的焊接結構焊接時不需預熱，焊后可不進行消除應力熱處理。對這類易淬火的低溫鋼通常采用控制道間溫度及焊后緩冷等工藝措施，以降低冷卻速度，避免淬硬組織；采用較小的焊接熱輸入，避免熱影響區(qū)晶粒過分長大，達到防止冷裂和改善熱影響區(qū)低溫韌性的目的。能力知識點3低溫鋼的焊接工藝特點1．焊接方法焊接低溫鋼時，焊條電弧焊和氬弧焊應用廣泛，埋弧焊的應用受到限制，而氣焊和電渣焊一般不用。為避免焊縫金屬和熱影響區(qū)形成粗大組織而使接頭韌性降低，焊接熱輸入不能過大，多層焊要控制道間溫度不可過高，例如焊接06MnNbDR低溫鋼時，道間溫度不可超過300℃。2．焊接材料焊條電弧焊焊接低溫鋼時一般選用高韌性焊條，焊接含Ni的低溫鋼所用焊條的含Ni量應與母材相當或稍高；埋弧焊焊接低溫鋼一般選用中性熔煉焊劑配合Mn-Mo焊絲或堿性熔煉焊劑配合含Ni焊絲，也可采用C-Mn焊絲配合堿性非熔煉焊劑，由焊劑向焊縫過渡微量Ti、B合金元素，以保證焊縫獲得良好的低溫韌性。3．低溫鋼焊接操作要點為減小熱輸入，焊條電弧焊通常采用小直徑焊條（一般不大于4mm）、用盡量小的焊接電流，采用多層多道焊，每一焊道焊接時采用快速不擺動的操作方法。快速多道焊可避免焊道過熱，多層焊時后續(xù)焊道對前焊道的再次加熱作用可細化晶粒。低溫鋼焊條電弧焊平焊時的焊接參數見表3-24。其他位置焊接時焊接電流應減小10%。在橫焊、立焊和仰焊時，為保證焊縫成形并與母材充分熔合，可作必要的擺動，例如采用“之”字形運條方法，但應控制電弧在坡口兩側的停留時間，收弧時要將弧坑填滿。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學方法如：項目教學、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導等；3.教學手段如：課件演示、模型講解、實物講解、掛圖講解、視頻講解、網絡課程等。授課教案教學內容及過程時間分配方法及手段焊縫金屬類型焊條直徑/mm焊接電流/A焊接電壓/V鐵素體-珠光體型3.290～12023～244.0140～18024～26Fe-Mn-Al奧氏體型3.280～10023～244.0100～12024～25能力知識點4典型鋼種的焊接工藝板厚15mm的9Ni鋼大型儲罐，工作溫度為-190℃。儲罐平板對接的立焊焊縫，采用單面自