0Cr18Ni9钢与16MnR钢的焊接工艺研究.doc
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1、太原科技大学(论文) 目录摘要Abstract第一章 绪论11.1研究背景11.2 国内外焊接发展现状及趋势21.2.1国内焊接发展现状及趋势21.2.2 国外焊接发展现状及趋势3第二章 国内外现状发展趋势及研究内容意义42.1 研究对象42.1.1 低合金结构钢42.1.2 不锈钢62.2 研究意义62.2.1 异种钢焊接研究意义92.2.2 16MnR与0Cr18Ni9的焊接研究意义92.3 研究内容10第三章 16MnR和0Cr18Ni9的焊接工艺研究113.1 焊接工艺设计思路113.2 材料的焊接性分析113.2.1 16MnR和0Cr18Ni9钢的化学成分和力学性能113.2.2
2、0Cr18Ni9钢的焊接性分析123.2.3. 16MnR的焊接性分析123.3 焊接工艺的制定153.3.1 确定焊接方法153.3.2 选择焊接材料173.4 焊接过程173.4.1 焊前准备173.4.2 制定焊接工艺参数193.4.3 焊后热处理22第四章 焊接工艺评定234.1 焊缝力学性能试验及性能分析234.1.1 焊接接头拉伸试验234.1.2 焊接接头冲击试验244.1.3 焊接接头弯曲试验254.1.4 试验结果254.1.5 性能分析264.2 金相组织观察264.2.1 金相试验264.2.2 化学成分分析274.2.3 组织分析274.3 焊后检验28第四章 结论29
3、参考文献30致谢31附录320Cr18Ni9钢与16MnR钢的焊接工艺研究 摘要异种钢的焊接将我国的工业带入了一个新的领域,它达到了很多单一材料无法达到的技术要求,同时,异种刚焊接是各种材料焊接中的难点,本文通过分析异种钢焊接的特点,以0Cr18Ni9+16MnR为例,具体介绍了异种钢的焊接方法。0Cr18Ni9是奥氏体异种钢,16MnR是低合金结构铸钢,二者均是压力容器常用钢材,在实际生产中均具有重要地位。本论文详细介绍了低合金钢和异种钢相关的基本知识,并具体分析了0Cr18Ni9和16MnR的焊接性,同时考虑了异种钢焊接所具有的特点及焊接缺陷的防止,制定了0Cr18Ni9和16MnR焊接工
4、艺,采用二氧化碳气体保护焊的方法,使用E309LT1-1药芯焊丝进行焊接工艺试验,焊丝规格为直径1.2,CO2纯度99.5%。焊接工艺评定合格。在此之前,本论文还详细论述了异种钢焊接的研究意义和现代焊接的发展趋势。关键词:异种钢焊接,二氧化碳气体保护焊,低合金钢,异种钢The Welding Technology Research of 0Cr18Ni9 and 16MnRAbstractCompared with other materials, the welding of dissimilar steel is very difficulty. Through analyzing the
5、 characteristics of dissimilar steel welding, we take the welding of 0Cr18Ni9 and 16MnR as an example to illustrate the method of dissimilar steel welding. 0Cr18Ni9 is austenitic stainless steel and 16MnR is low alloy steel. They are both usually used as the steel of pressure vessel and very importa
6、nt in the actual production. The thesis gives an introduction about low alloy steel and stainless steel. After considering the characteristics of dissimilar steel welding and analyzing the weldability of 0Cr18Ni9 and 16MnR, we are able to formulate the welding process and using the method of the sub
7、merged arc welding. When doing the welding process test, we need use E309LT1-1 . The result of welding procedure qualification is up to standard. At the beginning, the thesis illustrates the meaning of the research about dissimilar steel welding and the development trend of modern welding in detail.
8、Key Words:the welding of dissimilar steel, C02 Gas Shield Welding, low alloy steel, stainless steel.- 41 -第一章 绪论1.1研究背景 随着国民经济的迅速发展和科学技术的不断进步,新结构、新设备层出不穷,新材料、新工艺的应用日益广泛,对各类工程机械构件的性能提出了更高的要求,如硬度、耐磨性、耐蚀性、低温韧性、高温持久强度等。在有些情况下,单一的某种材料很难胜任,因此,采用焊接方法制造异种钢复合零部件受到人们的广泛重视。异种钢的出现和大量的使用,推动了特种钢工业的进程。特种钢有优良的耐蚀性、耐
9、磨性、强韧性和良好的可加工性,外观的精美性,以及无毒无害性,广泛地应用与宇航、海洋、军工、化工、能源等方面,以及日用家具、建筑装潢、交通车辆的装饰上。然而合金元素多、组织结构复杂且多变给异种钢焊接带来很大的困难。焊接接头的性能好坏,直接关系着设备使用的安全性。国内外对特种钢的焊接做了大量的研究工作,其焊接性、焊接材料及焊接工艺的研究几乎与母材的研究同步,促进了特种钢的发展。有关这方面的研究成果和文献资料虽然很多,但较为系统的还是寥寥无几,在实际工作中,一部分有关的焊接技术人员和焊工,对异种钢的焊接知识了解不多,有的甚至直接照搬低合金钢的工艺和方法。虽然我国在这几年在异种钢焊接上的努力有目共睹,
10、但与世界先进国家相比,差距还是很大的。为了尽快弥补这一差距,需要我们现代化的科技人才而我们也需要付出更多。随着社会主义革命和现代化建设事业的迅猛发展以及人们对高品质的生活的要求,异种钢极其相关的技术科学将得到不断地发展和完善。16MnR钢与0Cr18Ni9钢的焊接属于异种钢的焊接,二者均是国内压力容器常用钢材。因此,二者之间的焊接既由于在实际生产中经常遇到而显得很是重要,又因以上一些问题的存在而阻碍了它们在实际生产中的应用。更重要的是,压力容器的破坏事故常常造成巨大损失,我国近年来这类事故也时有发生,不仅对国民经济的发展造成很大影响,还对人民群众的生命财产安全构成了威胁。在此情况下,研究16M
11、nR钢与0Cr18Ni9钢的焊接就显得十分必要了。1.2 国外内现状及发展趋势1.2.1 国内焊接发展现状及趋势 焊接行业由焊接及相关技术的“使用者”、焊接器材(括焊接材料、焊接设备、辅机具和切割器具)的“供应者”和提供相关支持服务的组织或机构(包括科研院所、学校、培训机构、检测机构、实验室、器材经销商等)组成。 根据我国产业类别的划分方法,这部分企业广泛分布在锅炉、压力容器、发电设备、核设施、石油化工、管道、冶金、矿山、铁路、汽车、造船、港口设施、航空航天、建筑、农业机械、水利设施、工程机械、机器制造、医疗器械、精密仪器和电子等行业中。这些企业在我国工业经济建设中影响深、涉及面广、具有举足轻
12、重的影响和作用。据不完全统计,这些以焊接为主要加工技术(或焊接对其产品质量具有关键影响的)的企业数量达7000多家。 有关数据统计结果表明:2010年我国第二产业的就业人数已经超过了2亿,其中制造业的就业人数达到8000多万。在美国,焊接就业人数在1996年就超过了200百万,占全美制造业总人数的10%以上。考虑到美国制造业工业产值为我国的4-5倍,人均劳动生产率为我国25倍的状况,以及中、美两国焊接生产力水平方面的因素,即使按照比较保守的方法估算:我国目前焊接行业的就业人数应有1000万人左右1。 关于我国焊接行业的现状,从整体上做定量的评估或许有些困难,但从各国焊接材料的产量可在一定程度上
13、反映出我国焊接行业的规模。2002年的焊接材料数据统计结果表明:我国焊接材料的总产量已经攀升到了144.9万吨,与美、日、欧的总和相当。我国作为世界第一焊接大国的地位可见一斑。 在工业发达国家,焊接用钢量基本达到其钢材总量的60%-70%。根据我国2020年国民经济发展的总体目标要求以及我国焊接行业的发展趋势预测,我国可能在今后5至10年时间内达到60%的水平。届时我国钢产量将介于2.5至3亿吨之间。这意味着焊接量将增加一倍,这就形成了对焊接生产效率和劳动力的可观需求。考虑到我国焊接生产效率增长的实际空间,生产率和劳动力之间的联动关系等方面因素,未来我国焊接劳动力的需求可能在百万数量级以上。因
14、此,焊接行业将在今后5至10年继续保持增长的势态。 焊接在未来的工业经济中不仅具有广阔的应用空间,而且还将对产品质量、企业的制造能力及其竞争力产生更大的影响。 我国作为全球最大的发展中国家和经济活力最强的国家,我国焊接工业的发展充满了机遇和挑战。如何有效地把握机会,迎接挑战,保证今后可持续的健康发展,是我国焊接行业面临的重要课题1.2.2 国外焊接发展现状及趋势在科学技术飞速发展的当今时代,近百年看来焊接已成为应用最广的材料加工技术,从核能发电到微电子技术的发展,从探索宇宙空间到深海资源开发,从汽车到家电产品制造均离不开焊接技术,特别是国外一些发达国家对焊接技术更是严格当代许多最重的工程技术问
15、题必须才采用焊接才能接决,而且焊接接头要在个各种条件,甚至严酷条件下工作焊接技术在新世纪面临重大挑战。 可以认为钢铁及铝等有色金属,在今后相当长的时间内,仍是人们使用的主要结构材料,也是焊接工作者面对的主要加工对象,焊接工艺将仍以熔化焊为主,奋斗目标是实现焊接高效,低成本,自动化。对采用特殊工艺制备的新型材料,如电子信息材料,纳米材料金属间化合物,工程陶瓷及复合材料等常采用特殊的连接方法,而且难度很大要求很高在高新技术的发展过程中,焊接与连接技术面临新的挑战。第二章 研究对象及研究意义2.1 研究对象2.1.1低合金结构钢低合金结构钢是在碳素钢的基础上加入含量不超过5%合金元素的低合金钢。通过
16、加入一种或几种合金元素以获得比碳素钢高得多的机械强度,并保证具有一定的塑性和韧性,或者使钢有一定的特殊性能,如:耐低温、耐高温、耐腐蚀性能,以及优异的加工性和焊接性。因此,低合金结构钢在船舶、桥梁、高层建筑、管道、压力容器、各种车辆和重型机械中得到广泛应用。低合金结构钢为保证钢材具有良好的焊接性,钢中的碳含量均控制在0.2%以下。碳在低合金钢中所形成的碳化物将促使钢的硬度、抗拉强度和屈服点提高,而降低延伸率和冲击韧性,同时提高钢的淬硬倾向。碳含量增加0.1%,钢的抗拉强度可提高70MPa,屈服点提高28MPa,。猛是低合金结构钢中提高强度的主要合金元素,其含量每增加1%,抗拉强度提高10MPa
17、,屈服点相应提高55MPa,但硅含量超过0.5%,对钢的冲击韧性不理;钛在钢中含量达0.06%,钛每增加了0.01%,抗拉强度约提高5MPa,屈服点约提高7.5MPa;钒含量增加0.1%,抗拉强度约提高30MPa,屈服点相应提高35MPa;钢中铬含量每增加1%抗拉强度和屈服点相应提高10MPa和35MPa,此外还能显著提高钢的高温强度;钢中铜含量每增加1%,抗拉强度和屈服点相应提高55MPa和80MPa,同时还改善了钢的抗大气腐蚀性能;镍元素在钢中能改善钢的缺口韧性,其含量每增加1%,抗拉强度和屈服点相应提高34MPa和45MPa1。低合金结构钢(屈服强度为294-980MPa)按钢材的屈服强
18、度级别和热处理状态可分为热轧正火钢(屈服强度为294-490MPa)和低碳调质钢(屈服强度为490-980MPa)3。热轧正火钢都在热轧或正火状态下使用,属非热处理强化的低合金结构,主要是通过锰元素显著的固溶强化作用,使铁素体强化,从而使低合金结构钢具有比碳钢高得多的强度与其他性能,其成分、性能分别见表2.1和表2.2。钢中加入如铌、钒、钛等合金元素,可使钢的晶粒显著细化,从而使钢具有高的强度、塑性和韧性,并降低钢的过热及晶粒长大倾向,并且能形成稳定碳化物而使淬透性降低,从而改善焊接性。此外,铌、钒、钛还能与碳、氮形成化合物。通过正火处理后形成的碳、氮化合物以细小质点从固溶体沉淀析出,可以在提
19、高钢材强度同时,保证具有一定的塑性和韧性。表2.1 热轧、正火钢的化学成分s(MPa)牌号化学成分(%)CSiMnVNbSP29409MnV0.120.20-0.600.80-1.200.04-0.120.0450.05009MnNb0.120.20-0.600.80-1.200.015-0.0500.0450.05034314MnNb0.12-0.180.20-0.601.20-1.600.015-0.0500.0450.05016Mn0.12-0.180.20-0.601.20-1.600.0450.05039215MnV0.12-0.180.20-0.601.20-1.600.04-0.
20、120.0450.05015MnTi0.12-0.180.20-0.601.20-1.600.0500.050表2.2 热轧、正火钢的力学性能牌号力学性能热处理状态s MPa(kgf/m)b MPa(kgf/m)s(%)AKUJ(kgfm)09MnV热轧294(30)431(44)2259(6)09MnNb热轧294(30)412(42)2259(6)14MnNb热轧343(35)490(50)2059(6)16Mn热轧343(35)490(50)2159(6)15MnV热轧392(40)529(54)1859(6)15MnTi热轧392(40)529(54)1959(6)低碳调质钢的特性是具
21、有较高的屈服强度(490-980MPa)。并具有良好的塑性和耐磨性。一般钢中通过增加合金元素的含量来提高强度,其结果是塑性和韧性降低,而且随着强度提高越多,塑性和韧性降低越多。因此,低碳调质钢提高强度不单纯通过合金强化,还要通过热处理调制强化处理。钢中一般加入Cr、Ni、Mo、V、Nb、B、Ti等元素,目的是保证足够的淬透性和马氏体回火稳定性;使珠光体和贝氏体转变推迟;使马氏体转变的临界冷却速度下降,这些元素还与碳形成碳化物,使碳原子的扩散激活能增加,将阻碍马氏体分解和碳化物聚集长大。常用低碳调质钢成分、力学性能见表2.3和2.4。表2.3 常用低碳调质钢化学成分牌号或名称热处理状态CSiMn
22、PSMo其它15MnMo-VNReQJ60淬火加双相区回火0.180.20-0.601.20-1.700.0350.0300.35-0.60V,0.03-0.10N,0.02-0.0315MnMo-VN调质或正火加回火0.12-0.200.20-0.501.30-1.700.0350.0350.40-0.60V,0.10-0.20N,0.01-0.0214MnMo-NbB调质0.12-0.180.15-0.351.30-1.800.0300.0300.45-0.70Nb,0.02-0.07B,0.0005-0.003表2.4 常用低碳调质钢的力学性能牌号或名称板厚(mm)拉伸性能冲击性能b (
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