焊接课程设计-发动机排气管的焊接.doc

-1-焊接姓名：zlp班级：材料zlp班学号：308010zlp指导老师：hzj日期：2011年09月-1-焊接课程设计发动机排气管的焊接已知条件：排气管材料：不锈钢；排气管内径：110mm；排气管厚度：1.5mm；要求：抗拉强度：450MPa，足够的耐腐蚀性以及足够的抗振动疲劳性；使用条件：高温（500左右）、振动、常与尾气和外界环境接触；制作要求：高抗腐蚀性、耐高温、高抗氧化性、焊缝密闭性、焊缝抗震动疲劳性、足够的抗拉强度、美观等；设计内容一、选材：奥氏体不锈钢1）选择依据各种不锈钢的特性和用途钢号特性用途奥氏体钢30117Cr-7Ni-低碳与304钢相比，Cr、Ni含量少，冷加工时抗拉强度和硬度增高，无磁性，但冷加工后有磁性。列车、航空器、传送带、车辆、螺栓、螺母、弹簧、筛网301L17Cr-7Ni-0.1N-低碳是在301钢基础上，降低C含量，改善焊口的抗晶界腐蚀性；通过添加N元素来弥补含C量降低引起的强度不足，保证钢的强度。铁道车辆构架及外部装饰材料30418Cr-8Ni作为一种用途广泛的钢，具有良好的耐蚀性、耐热性，低温强度和机械特性；冲压、弯曲等热加工性好，无热处理硬化现象（无磁性，使用温度-196800）。家庭用品（1、2类餐具、橱柜、室内管线、热水器、锅炉、浴缸），汽车配件（风挡雨刷、消声器、模制品），医疗器具，建材，化学，食品工业，农业，船舶部件304L18Cr-8Ni-低碳作为低C的304钢，在一般状态下，其耐蚀性与304刚相似，但在焊接后或者消除应力后，其抗晶界腐蚀能力优秀；在未进行热处理的情况下，亦能保持良好的耐蚀性，使用温度-196800。应用于抗晶界腐蚀性要求高的化学、煤炭、石油产业的野外露天机器，建材耐热零件及热处理有困难的零件304Cu13Cr-7.7Ni-2Cu因添加Cu其成型性，特别是拔丝性和抗时效裂纹性好，故可进行复杂形状的产品成形；其耐腐蚀性与304相同。保温瓶、厨房洗涤槽、锅、壶、保温饭盒、门把手、纺织加工机器。304N118Cr-8Ni-N在304钢的基础上，减少了S、Mn含量，添加N元素，防止塑性降低，提高强度，减少钢材厚度。构件、路灯、贮水罐、水管304N218Cr-8Ni-N与304相比，添加了N、Nb，为结构件用的高强度钢。构件、路灯、贮水罐-2-31618Cr-12Ni-2.5Mo因添加Mo，故其耐蚀性、耐大气腐蚀性和高温强度特别好，可在苛酷的条件下使用；加工硬化性优（无磁性）。海水里用设备、化学、染料、造纸、草酸、肥料等生产设备；照像、食品工业、沿海地区设施、绳索、CD杆、螺栓、螺母316L18Cr-12Ni-2.5Mo低碳作为316钢种的低C系列，除与316钢有相同的特性外，其抗晶界腐蚀性优。316钢的用途中，对抗晶界腐蚀性有特别要求的产品。32118Cr-9Ni-Ti在304钢中添加Ti元素来防止晶界腐蚀；适合于在430-900温度下使用。航空器、排气管、锅炉汽包2）奥氏体不锈钢的主要成分及其决定性作用铬：决定不锈钢性属的元素只有一种，这就是铬，每种不锈钢都含有一定数量的铬。铬是不锈钢中最基本的合金元素，其含量一般均在13%以上。它的主要作用是提高钢的耐蚀性。在氧化性介质中，铬吸收铁的电子使铁钝化，使钢表面形成一层牢固而致密的铬的氧化物，使钢受到保护。钝化是由于阳极反应被阻止而引起金属与合金耐腐蚀性能被提高的现象。铬溶于钢中能显著提高铁基固溶体的电极电位，降低了因电极电位不同形成的电化学腐蚀。铬还能与镍配合，可形成单相奥氏体组织并赋予钢良好的耐蚀性、良好的韧性和强度。镍：镍在不锈钢中的作用是在与铬配合后才发挥出来的。镍是优良的耐腐蚀材料，也是合金钢的重要合金化元素。镍在钢中是形成奥氏体的元素，但低碳镍钢要获得纯奥氏体组织，含镍量要达到24；而只有含镍27时才使钢在某些介质中的耐腐蚀性能显著改变。所以镍不能单独构成不锈钢。但是镍与铬同时存在于不锈钢中时，含镍的不锈钢却具有许多可贵的性能。基于上面的情况可知，镍作为合金元素在不锈钢中的作用，在于它使高铬钢的组织发生变化，从而使不锈钢的耐腐蚀性能及工艺性能获得某些改善。奥氏体不锈钢，是指在常温下具有奥氏体组织的不锈钢。钢中含Cr约18%、Ni8%10%、C约0.1%时，具有稳定的奥氏体组织。奥氏体铬镍不锈钢包括著名的18Cr-8Ni钢和在此基础上增加Cr、Ni含量并加入Mo、Cu、Si、Nb、Ti等元素发展起来的高Cr-Ni系列钢。奥氏体不锈钢无磁性而且具有高韧性和塑性，但强度较低，不可能通过相变使之强化，仅能通过冷加工进行强化，如加入S，Ca，Se，Te等元素，则具有良好的易切削性。3）焊接时元素烧损情况及解决方法金属在高温情况下，表层离子和氧化性气体接触并发生化学反应，使表面生-3-成氧化物，这种现象叫做氧化，也叫烧损。其实质是一种扩散过程，主要受被加热金属的化学成分和加热环境（气体环境、加热温度、加热时间）两个方面的因素影响。Cr、Ni是不锈钢的主要组成元素，而它们能在金属表面形成致密氧化膜，阻止了氧化性气体相金属内部扩散，而且其氧化物膨胀系数几乎与钢一致，能牢固的附在钢的表面而不脱落，阻止了氧化的进行。当Cr、Ni含量达到13%-20%的时候，几乎不产生氧化。但焊接时不锈钢中仍有其他元素会被烧损，所选的焊丝中也会有部分元素会被烧损，进而影响焊缝性能。可以通过以下方法加以解决：适当提高焊接速度，缩短局部加热时间；控制保护气的纯度，严格按照规范使用保护气，并采取措施减少外界环境对保护气的干扰。4）奥氏体不锈钢焊接特点、易出现的缺陷及解决方法奥氏体不锈钢具有良好的可焊性，但焊接材料或焊接工艺不正确时，会出现以下缺陷：A、晶问腐蚀晶间腐蚀产生原因：晶问腐蚀发生于晶粒边界，所以叫晶问腐蚀。它是奥氏体不锈钢最危险的一种破坏形式，它的特点是腐蚀沿晶界深人金属内部，并引起金属机械性能和耐腐蚀性能的下降。奥氏体不锈钢在450850温度区间范围内停留一定时问后，则晶界处会析出C，其中的铬主要来自晶粒表层，内部的铬如来不及补充，会使晶界晶粒表层的含铬量下降而形成贫铬区，在强腐蚀介质的作用下，晶界贫铬区受到腐蚀就会形成晶间腐蚀。受到晶间腐蚀的不锈钢在表面上没有明显的变化，但在受力时会沿晶界断裂，几乎完全丧失强度。防止晶间腐蚀的措施：选用超低碳C003、添加钛或铌等稳定元素的不锈钢焊条。采用小规范，目的是为了减少危险温度范围停留时间，采用小电流、快焊速、短弧焊及不作横向摆动。焊缝可采用强制冷却(如铜垫板、水冷)方法加快焊接接头的冷却速度，减少热影响区。多层焊时，应控制层间温度，要前一道焊缝冷却至60以下时再焊。-4-接触介质的那面焊缝最后焊接。焊后固溶处理。将工件加热至10501150后淬火，使晶界上的CC6溶人晶粒内部，形成均匀的奥氏体组织。B、热裂纹热裂纹产生原因：液相线和固相线距离大，凝固过程温度范围大，使低熔点杂质偏析严重，而且集中在晶界处。膨胀系数大，所以冷却收缩时的应力也大。控制热裂纹产生的措施：控制焊缝金属组织，尽量使焊缝金属呈双相组织，铁素体的含量控制在35以下。因为铁素体能大量溶解有害的S、P杂质。控制化学成分，应减少焊缝金属中的镍、碳、硫、磷含量，增加铬、钼、硅及锰等元素，可以减少热裂纹的产生。选用适当的焊条药皮类型。用低氢型药皮焊条可以使焊缝晶粒细化，减少杂质偏析，提高抗裂性。用酸性药皮焊条氧化性强，使合金元素烧损多，抗裂性下降，而且晶粒粗大，使热裂纹极易产生。采用适当的焊接规范和冷却速度。采用小规范，即小电流、快焊速来减少焊接熔池过热、快速冷却，以减少偏析，使抗裂性提高。多层焊时，要控制层问温度，前一焊道冷却至6o后再焊。C、应力腐蚀开裂应力腐蚀开裂产生原因：应力腐蚀开裂是焊接接头在特定腐蚀环境下，受拉伸应力作用时所产生的延迟开裂现象。奥氏体不锈钢焊接接头的应力腐蚀开裂是焊接接头比较严重的失效形式，表现为无塑性变形的脆性破坏。应力腐蚀开裂防止措施：合理制定成形加工和组装工艺，尽可能减小冷却变形度，避免强制组装，防止组装过程中造成各种伤痕(各种组装伤痕及电弧灼痕，都会成为SCC的裂源，易造成腐蚀坑)。合理选择焊材。焊缝与母材应有良好的匹配，不产生任何不良组织，如晶-5-粒粗化及硬脆马氏体等。采取合适的焊接工艺。保证焊缝成形良好，不产生任何应力集中或点蚀的缺陷，如咬边等采取合理的焊接顺序，降低焊接残余应力。消除应力处理。焊后热处理，如焊后完全退火或退火；在难以实施热处理时采用焊后锤或喷丸等。D、焊缝成形不良焊缝成形不良产生原因：奥氏体不锈钢焊接时，由于焊缝中合金元素含量高，熔池流动性差，易造成焊缝表面成形不良。主要表现在根部焊道背面成形恶化及盖面焊道表面粗糙。焊缝表面成形不良对焊缝性能的影响在常温或高温工况下表现不明显，但在低温工况下，其成形不良所造成的应力集中，对焊缝低温性能的影响不亚于焊缝内部质量的影响。防止措施：对于焊缝成形不良以及焊接热影响区的晶问腐蚀问题，可以通过焊接工艺来加以解决。采用钨极氩弧焊打底、较小的焊接线能量，来控制热影响区处于敏化温度区间的范围。E、焊接接头的脆化奥氏体不锈钢的焊缝在高温加热一段时间后，就会出现冲击韧度下降的现象，称为脆化。（1）焊缝金属的低温脆化（475脆化）产生原因：含有较多铁素体的相（超过15%20%）的双相焊缝组织，经过350500加热后，塑性和韧性会显著下降，由于475时脆化速度最快，故称为475脆化。对于奥氏体不锈钢焊接接头，耐蚀性或抗氧化性并不总是最为关键的性能，在低温使用时，焊缝金属的塑韧性就成为关键性能。为了满足低温韧性的要求，焊缝组织通常希望获得单一的奥氏体组织，避免铁素体的存在。铁素体的存在，总是恶化低温韧性，而且含量越多，这种脆化越严重。防治措施：-6-在保证焊缝金属抗裂性能和抗腐蚀性能的前提下，应将铁素体相控制在较低的水平，约5%左右。已产生475脆化的焊缝，可经900淬火消除。（2）焊接接头的相脆化产生原因：奥氏体不锈钢焊接接头在375875温度范围内长期使用，会产生一种FeCr间化合物，称为相。相硬而脆（HRC>68）。由于相析出的结果，使焊缝冲击韧度急剧下降，这种现象称为相脆化。相一般仅在双相组织焊缝内出现；当使用温度超过800850时，在单相奥氏体焊缝中也会析出相。防止措施：限制焊缝金属中的铁素体含量(小于15%)；采用超合金化焊接材料,即高镍焊材,并严格控制Cr、Mo、Ti、Nb等元素的含量。采用小规范,以减小焊缝金属在高温下的停留时间。对已析出的相在条件允许时进行固溶处理,使相溶入奥氏体。把焊接接头加热到10001050，然后快速冷却。相一般在Cr18Ni9Ti钢中一般不产生。（3）熔合线脆断产生原因：奥氏体不锈钢在高温下长期使用，在沿熔合线外几个晶粒的地方，会发生脆断现象。防治措施：在钢中加入Mo能提高钢材抗高温脆断的能力。通过以上的分析，只有合理选择以上的焊接工艺措施或焊接材料都可以避免以上焊接缺陷的产生。奥氏体不锈钢具有优良的焊接性，几乎所有的焊接方法都可用于奥氏体不锈钢的焊接。在各种焊接方法中焊条电弧焊具有适应各种位置与不同板厚的优点、应用非常广泛。二、工作条件的影响及解决方法温度的影响及解决方法：