焊接综合实验

1、焊接综合实验论文 题目：不锈钢薄板焊接方法及工艺设计系 别 材化学院 专 业 姓 名 学 号 导 师 年 月 日 15不锈钢薄板焊接方法及工艺设计摘  要钢是我们现代社会中不可缺少的一种材料，它可以看作一个国家工业化水平的标志。钢的产量越高就代表这个国家的工业化水平越高。不锈钢是钢中非常重要的一种，由于不锈钢具有特殊的使用性能和力学性能，在现在的各行各业中已经被越来越多的使用。本文探讨的304L 不锈钢(ASTM标准) 为奥氏体不锈钢, 属于超低碳级不锈钢, 具有良好的综合性能, 是目前工业上应用最广泛的不锈钢。文章通过现场实际操作, 研究总结了304L 不锈钢焊接的工艺特

2、点, 针对晶间腐蚀、层间未熔合、引弧夹钨、收弧缩孔等问题提出了具体的解决办法和注意事项, 有效地解决了焊接质量问题。关键词: 奥氏体不锈钢; 晶间腐蚀; 危险温度区; 焊接强度目录1 绪论3 前言32 实验方案及实验方法4 2.1 实验材料4 2.2 304L不锈钢的特性和焊接工艺参数4 2.3 304L不锈钢焊接工艺特点42.3 1 晶间腐蚀及应对措施42.3 2 层间未熔合的解决方法52.3 3 采用专用氩弧焊机, 克服引弧夹钨和收弧缩孔52.3 4 采用单侧连续送丝方式52.3 5 采用小热量输入、小电流快速焊6 2.4 焊接设备6 2.5 焊前准备7 2.6 注意事项7 2.7 力学性

3、能试验72.7.1 拉伸试验82.7.2 硬度试验9 2.8 金相组织分析92.8.1 实验概述92.8.2 金相试样的制备步骤102.8.3 实验结果分析113 结论144 心得体会15参考文献15致谢161 绪论前    言 不锈钢指耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质和酸、碱、盐等化学浸蚀性介质腐蚀的钢，是20世纪初材料领域最伟大的发明之一。不锈钢工业化生产自1912年由克虏伯公司开始至今已有近百年的历史，是一种重要的工程材料，已经被广泛用于各种工业和环境的结构中去。近年来，中国不锈钢的生产和消费迅速的发展，不锈钢的表观消费量由1990年的26万

4、吨增长到2009年近千万吨，成为世界上备受关注的不锈钢第一消费大国。 奥氏体不锈钢的综合焊接性能良好，但在焊接过程中由于设备、材料、工艺、及操作等原因，会形成一定的焊接缺陷，使焊件质量达不到要求，影响工作质量及使用寿命。在世界上45的钢的连接是用焊接来完成的，手工电弧焊又是我们生活中不可缺少的一部分，目前我用的越来越多的钢就奥氏体不锈钢，所以对于奥氏体钢焊接的研究已经越来越迫在眉睫。我做这篇论文就是从手工电弧焊方面来研究奥氏体不锈钢的焊接。主要从材料的力学性能化学成分，和通过焊接性的分析来讨论奥氏体不锈钢的焊接性能。2 实验方案及实验方法2.1 实验材料本实验选用的是材质为304L

5、不锈钢( 美国ASTM 标准) ,规格为长70宽30厚3的板材 分析奥氏体不锈钢焊接中易发生的缺陷, 并介绍采取的预防措施。 2.2 304L 不锈钢的特性和焊接工艺参数奥氏体不锈钢304L 对应我国的标准是00Cr19Ni10, 其主要化学成分和机械性能见表1。304L 不锈钢的热导率较低, 约为碳钢的1/3,电阻率约为碳钢的5 倍, 线膨胀系数比碳钢约大50%, 密度大于碳钢。奥氏体不锈钢焊条大体分为酸性钛钙型和碱性低氢型两大类：低氢型不锈钢焊条的抗热裂性较高, 但成型不如钛钙型焊条, 抗腐蚀性也较差，钛钙型不锈钢焊条具有良好的工艺性能，生产中用得较多。由于不锈钢存在众多与碳钢不同的特性,

6、 其焊接工艺规范也与碳钢有所不同,对于304L 不锈钢钢管( D60 mm ×6 mm) 我们采用的焊丝为ER308L, 焊接工艺参数见表22.3 304L不锈钢焊接工艺特点 2.3 1 晶间腐蚀及应对措施晶间腐蚀是在腐蚀介质作用下, 起源于金属表面的晶界并且沿晶粒边界深入金属内部产生在晶粒之间的一种腐蚀。晶间腐蚀是奥氏体不锈钢常见的焊接缺陷:Cr 是奥氏体不锈钢中具有耐腐蚀性的基本元素, 当Cr 含量低于12%时, 就不再具有耐腐蚀性了。304L 不锈钢在焊接过程中存在焊接危险温度区间( 为450 850 ) , 见图1。当温度达到这一范围时, 奥氏体中过饱和的碳向晶界处迅速扩散并

7、在晶粒边界析出, 析出的碳和铬形成碳化铬( Cr23C6) 。因为铬在奥氏体中的扩散速度很慢, 来不及向晶界扩散, 这样就大量消耗了晶界处的铬,使晶界处含铬量降低到小于12%, 这时晶界就失去了耐腐蚀能力。如果温度低于450 , 则奥氏体中的碳扩散速度不快, 不能在晶界处扩散析出而形成碳化铬, 所以没有晶间腐蚀现象。如果温度高于850 , 这时不仅碳在奥氏体中的扩散速度极快, 而且铬在奥氏体中的扩散速度也很快, 故不能造成晶粒边界处贫铬, 因而也不会发生晶间腐蚀。为防止304L 不锈钢在焊接过程中耐腐蚀性能下降, 可以采取以下几点措施:(1)焊接时在管道内部进行充氩施工, 并且确保根焊时充氩浓

8、度达到92%以上。在填充、盖帽焊时, 也要进行充氩, 防止焊缝金属在高温时进行氧化反应, 造成晶间腐蚀。(2)焊接时采用小电流, 快速焊, 降低焊接线能量, 缩短奥氏体不锈钢在危险温度区间( 450 850 ) 的停留时间, 防止晶间腐蚀。(3)对有条件进行热处理的焊缝, 在焊接后可以进行快速冷却, 使焊缝温度低于450, 防止晶间腐蚀。2.3 2 层间未熔合的解决方法相对于碳钢, 不锈钢在熔化后黏度大, 流动性差, 容易形成层间未熔合等缺陷。为此在焊接时相应地增大焊缝坡口角度, 便于熔敷金属流动,通常坡口角度为75°±5°。另外在根焊中尽量采用小直径焊丝, 小电

9、流, 降低焊接线能量, 提高熔敷金属的流动性。2.3 3 采用专用氩弧焊机, 克服引弧夹钨和收弧缩孔不锈钢焊接易产生引弧夹钨和收弧缩孔, 需要配备具有高频引弧和电流衰减特性的专用氩弧焊机, 高频引弧可以减少焊接夹钨, 电流衰减可以减少收弧缩孔。2.3 4 采用单侧连续送丝方式不锈钢焊接中, 对于焊口组对间隙较大的焊缝, 采用单侧连续送丝方式( 见图2) , 焊枪连续摆动, 焊丝只在一侧徐徐送入, 靠液态金属流动性与另一侧熔化母材结合, 这样可以防止根焊内部的单侧咬边问题, 改善内部成型。2.3 5 采用小热量输入、小电流快速焊不锈钢焊接中采用小热量输入、小电流快速焊。焊丝不做横向摆动, 焊道宜

10、窄不宜宽, 最好不超过焊丝直径的3倍, 这样焊缝冷却速度快,在危险温度区间停留时间短, 有利于防止晶间腐蚀。小热量输入时, 焊接应力小, 有利于防止应力腐蚀和热裂纹, 而且焊接变形小。2.4 焊接设备不锈钢焊接工艺采用钨极氩弧焊，它以燃烧于非熔化电极钨棒与焊件间的电弧作为热源，使不锈钢板自熔形成焊缝。 电板和电弧区及熔化的不锈钢均由氩气保护，使之与空气隔离。由于氩气是惰性气体，它不与金属起化学作用，也不熔解于金属，因此可以避免焊缝金属的氧化及合金元素的烧损。使焊接的过程简单和易控制，在焊接中采用氩气保护，它导热系数低，高温不吸收热，因此热量损失小，其工作电压仅 8-15伏即可。2.5焊前准备a

11、 焊接坡口。不锈钢的焊接坡口一般与碳钢相同，但坡口间隙不能过小。因为间隙过小，容易引起未焊透。但也不宜过大，过大时容易引起裂纹夹渣等缺陷。因此应执行有关规定而开坡口。b 坡口部位最好采用机械切削。用机械进行切削，在施焊的过程中可以减少阻力，使焊工保持平稳均匀运条。这样既能保证不锈钢焊口的内在质量，又能使外在的焊口质量光洁平整。如果采用氧熔剂切割，等离子切割等方法，对加工后的坡口应仔细地用打磨机打光，去除渗炭面，露出金属光泽面，为下一步扫除不合乎施焊标准的因素。c 焊前清理。首先，将接头和坡口内及两侧的杂质扫清，然后用干净抹布将接头处，坡口处污渍擦去。其次，将接口和坡口处及坡口两侧用丙酮或酒精等

12、进行除油、清洗。再次，对于焊接表面要求高的不锈钢结构，可在坡口的两侧150mm范围内涂白栗粉糊剂，可以减少时的飞溅损伤不锈钢表面。d 装焊引弧和收弧板。在焊接平板对接焊缝时，焊缝两侧在焊接前应装与同质的引弧板和收弧板，防止在焊件上随便引弧，损伤焊件表面，影响耐腐蚀性。2.6 注意事项(1)焊接前要检查氩气浓度。不锈钢氩弧焊的氩气浓度需达到99.9%以上, 这样可以起到保护作用, 防止出现焊接缺陷。(2)在焊接前要确定管道内充氩的浓度。不锈钢焊接前管道内需要充氩, 且充氩浓度需达到92%以上, 充氩浓度可以通过仪器检测或者在管道焊口引弧确定。(3)焊接后要对焊缝表面和内部进行酸洗钝化处理。经过钝

13、化处理的焊缝表面呈银白色, 具有较高的耐腐蚀性。2.7 力学性能测试2.7.1拉伸试验拉伸试验是指被测材料在承受轴向的拉伸载荷下测定材料某些特性的试验方法。通过将拉伸试验得到的数据与标准数值对比，可以确定材料的性能是否达标。试验是将试验结果得到的弹性极限、伸长率、拉伸强度、屈服强度、断面收索率和其材料拉伸性能指标作比较。塑性是金属材料通过载荷作用下产生的塑性变形而不致破坏的能力，一般的塑性指标就是延伸率、断面收缩率两种。伸长率是材料试样受拉伸载荷折断后,拉伸的总伸长度同原始长度比值的百分数,可用表示。断面收缩率是材料试样在受拉伸载荷拉断后拉伸的断面缩小的面积同原始截面面积比值的百分数用表示。拉

14、伸屈服极限、拉伸强度极限、拉伸伸长率 和断面收缩率是拉伸试验的主要测试数据。1.拉伸试样的制备试验初始用切割机将试样切成工字形，后考虑到工字形试样会在四个角处产生应力集中，虽将其四个角磨成圆角，根据以往的经验来说，还是会对实验结果造成一定的影响，在老师的指导下将试样进行了再一步改良，将其做成仅为一部分圆弧过渡的圆角（见下图），并且将焊缝处磨平以保证实验结果的精确性。 2测量试样的尺寸在拉伸试验前先测定不锈钢焊缝处的厚度、宽度以及标定尺寸和平行长度。3.试验具体操作将试样夹持在拉伸试样机上，在与之相连的电脑上输入相关数据，点击播放开始拉伸，在拉伸过程中电脑会显示曲线图，最后打印出所得的图表及数据

15、（见附录）。4.拉伸结果拉伸结果为试样从热影响区断裂，说明焊缝强度大与母材，试样的焊缝尺寸较母材大。但目测及游标卡尺测得的焊缝尺寸与母材相比并没有相差很大，说明焊接质量相对较好，焊接时的电流、速度及操作手法都符合规范。5.测量断后尺寸将试样紧密对接测量试样断后的标记处长度，并且测量断后截面的宽度和厚度，求出横截面积，与之前测量的标记长度和横截面积计算得出断后伸长率和断面收缩率。具体数据如下表所示。拉伸试验数据及结果表(未注明单位的单位均为mm)试样宽度厚度平行长度304奥氏体不锈钢20.0003.50034.000Fm(N)抗拉强度Rm(N/mm2)原始标距断后标距43026.602615.0

16、0040.00055.000断后宽度断后厚度断后伸长率（%）断面收缩率（%）17.6002.8503743362.7.2硬度试验沿焊缝方向打点，打点的顺序依次为焊缝、热影响区以及母材，测试的相关数据如下表所示。洛氏硬度（HR）从焊缝中心热影响区母材依次打点得到硬度值1717.82034373833.532323326.527.5焊接过程分析不锈钢薄板的物理特性和板形直接影响焊缝质量。不锈钢薄板导热系数小，线膨胀系数较大，当焊接温度变化较快时，产生的热应力大，很容易出现烧穿、咬边和波浪变形。不锈钢薄板焊接多采用平板对接焊，熔池主要受到电弧作用力、熔池金属重力和熔池金属表面张力的作用，当熔池金属体

17、积、质量和熔宽一定时，熔池深度取决于电弧的大小，熔深和电弧力又与焊接电流相关，熔宽由电弧电压决定。熔池体积越大，表面张力也越大，当表面张力不能平衡电弧作用力和熔池金属重力时，会造成熔池烧穿，而且在焊接过程中局部受到加热和冷却作用，使焊件产生不均匀的应力和应变，当焊缝的纵向缩短对薄板边缘产生的应力超过一定值时，会产生较严重的波浪变形，影响工件的外形质量。在相同的焊接方法和工艺参数下，采用不同形状的钨极，减少焊接接头上的热输入量，可以解决焊缝烧穿和工件变形等问题。2.8 金相组织分析2.8.1实验概述   在光学显微镜下观察、辨别和分析金属的微观组织的金相检验，多是用专门制备的

18、试样。由于金属试样对一般光线的不透明性，所以要经过特殊的制备，使金属试样表面既要平整如镜，又要界限分明，以便在显微镜视场中不同程度地反射光源，从而显示出清晰的图象。  2.8.2金相试样的制备步骤：   1）取样取样部位及检验面地选择取决于被分析材料或零件的特点、加工工艺过程及热处理过程，应选择有代表性的部位。取样部位及检验面地选择取决于被分析材料或零 件的特点、加工工艺过程及热处理过程，应选择 有代表性的部位。金相试样的大小以便于握持、易于磨制为准，通常金相试样为的圆柱体或相当尺寸的立方体。本次试验使用切割机将焊接后的板材

19、切成工字型，工字型部分用做拉伸试验，剩余部分做金相试验。2）磨样    磨样分为粗磨和细磨,粗磨就是将试样在砂轮机上磨出一个平面,并倒45 的倾斜角。细磨即将试样在金相砂纸上磨，我们使用的金相砂纸是：0号（320 ）；01 号（400 ）；02号（500 ）；03号（600 ）；04号（800），号数越大,砂纸越细,细磨时从最粗的开始磨,磨的步骤如下: 为了保证磨面平整不产生塌边和弧度，应单方向进行。磨削时应顺号进行，不宜跳号。当新的磨痕盖过旧的磨痕,更换下一号砂布。换砂布时，试样转90

20、0;，使新的磨痕垂直旧磨痕，易于观察粗痕的逐渐消除。以此类推，一直磨到05号。3) 抛光   经细磨后的试样需要清洗，除去铁屑、砂，以便于进一步抛光，抛光的目的是除去细磨时遗留下来的细微磨痕而获得光亮无疵的镜面。金相抛光一般可分为机械抛光，电解抛光和化学抛光。实验中我们采用机械抛光。下面介绍机械抛光机的工作原理：机械抛光在金相制样抛光机上进行，抛光机主要是由一个电动机和被带动的一个或两个抛光盘组成，转速200600 转/分，抛光盘上铺以不同材料的抛光布，粗抛时常用帆布粗抛，细抛时常用绒布、细呢或丝绸。抛光时在抛光盘上不断滴注抛光液，抛光液一般为

21、AlO、MgO和CrO等。在水中的悬浮液，有时也在抛光盘上涂以极细钻石粉制成的膏状抛光剂。    机械抛光是靠极细的抛光粉末与磨面间产生的相对磨削和滚压作用来消除磨痕的。抛光时应将试样磨面均匀地、平正地压在旋转着地抛光盘近中心处，压力不宜过大，并沿盘的边缘到中心不断地来回移动。在抛光的最后阶段，可将试样转180作反向抛光，防止夹杂物的“拖尾”现象。5)  腐蚀    试样抛光后（化学抛光除外），在显微镜下只能看到光亮的磨面及夹杂物等，要对试样的组织进行显微分析，试样还须经过腐蚀，常用的腐蚀方法为化学腐蚀法

22、。化学腐蚀是将抛光好的样品磨面在化学腐蚀剂中腐蚀一定时间，从而显示出试样的组织。因为本次试验的材料为不锈钢具有很好的耐腐蚀性因此用到的腐蚀液是王水。因为王水的特殊性，实验室没有预备的，因此本次试验终止了两天。6) 金相照片的拍制 拍制金相照片时，将磨制好的试样轻放在显微镜物镜上，调整显微镜直到能清晰观察到试样显微组织时为止，最后对其进行拍照2.8.3金相实验结果分析下面的图像为焊接接头的微观形貌。在显微镜下可以清楚地看到焊缝组织呈现铸造组织形态,有明显的外延生长特性,焊缝中部的晶粒方向几乎是平行的。焊缝晶粒始于母材晶粒,止于焊缝中心。晶粒沿原晶粒方向生长,在向焊缝中心生长的过程中生长方向趋于垂

23、直焊缝的上下表面,焊缝靠近母材处显微组织为等轴树枝晶，晶粒细小，次外层为柱状晶，中心为等轴树枝晶。焊缝金相组织为奥氏体沿柱状晶和枝晶晶界分布的铁素体。图 1 若热输入量大，焊缝柱状树枝晶组织粗大，柱状晶各向异性明显。结晶时的成分偏析会使柱状树枝晶晶界区成分不均，这将导致焊缝中心产生热裂纹的危险提高。规范焊接电流时的焊缝柱状晶晶粒相对较细小，并且各向异性不太明显，使最后结晶时偏析区域有所改善，降低了产生热裂纹的倾向。大线能量时由于冷却速度下降，使焊缝HAZ区粗晶区长大倾向明显，于是出现了较大的粗晶组织使HAZ区性能明显降低，增加了此区域的危险性。后者由于热输入量相对小，HAZ区粗晶倾向小并且晶粒

24、大小类似于母材，此处性能较好。同时，由于大线能量在450-850敏化区停留时间延长，敏化倾向增加，更易形成贫铬层。当使用小线能量时，由于冷却速度下降较快，使HAZ区元素成分及组织明显不均匀，偏析严重，此处力学性能下降，结合强度较小。同时产生脆性组织倾向增大容易造成脆断且偏析区成分不均匀更易腐蚀。 焊缝金属主要为柱状树枝晶，是单相奥氏体组织还是双相组织将取决于母材和填充金属的化学成分。 过热区加热超过1200的近缝区晶粒有明显的长大。 敏化区加热峰值温度在6001000的区域，组织无明显变化。对含不稳定化元素的188钢，可能出现晶界碳化铬的析出。产生贫铬层，有晶问腐蚀倾向。 母材金属对于含稳定化

25、元素的188钢，峰值温度超过1200的过热区发生TiC分解量愈大，从而使稳定化作用大为减弱，甚至完全消失。在随后的冷却过程中由于碳原子的体积很小，扩散能力比钛原子强，碳原子趋于向奥氏体晶界扩散迁移，而钛原子则来不及扩散仍保留在奥氏体点阵节点上。因此，碳原子析集于晶界附近成为过饱和状态。 当上述过热区再次受到600800中温敏化加热或长期工作在上述温度范围时碳原子优先以很快的速度向晶界扩散。此时铬原子的扩散速度虽比碳原子慢，但比钛原子快且浓度也远比钛高，因而易于在晶界附近形成铬的碳化(FeCr)23C6。温度愈高，TiC分解后合金元素碳和铬的固溶量愈多，碳化物析出量愈大。上述碳化物的铬、碳含量很

26、高，但晶粒内部铬的扩散速度比碳的扩散速度慢，所以在形成铬的碳化物时富集在晶界的碳与晶粒表层的铬结合以后晶粒中的铬不能及时均匀化，致使靠近晶界的晶粒表面一个薄层严重缺铬，铬的浓度低于临界值12%Cr。此时奥氏体晶粒内和晶界碳化物由于含铬量高而带正电位，而贫铬层由于含铬量低于12%而带负电位。如果将这种具备电化学腐蚀条件的焊接接头放入腐蚀介质中，带负电位的贫铬层就会成为被消耗的阳极而遭受腐蚀。 这样，由于“高温过热”和“中温敏化”这两个依次进行的热作用过程造成了含稳定化元素的18-8钢特殊的晶间腐蚀，这种腐蚀只发生在紧靠焊缝的过热区35个晶粒范围，在工件表面上较宽，向接头内部逐渐变窄呈刀形，故又称

27、“刀蚀”。 预防措施为：用超低碳不锈钢，含碳量希望小于0.06%。在工艺上尽量减小近缝区过热，特别要避免在焊接过程中就产生“中温敏化”的加热效果。 从金相组织上来看，奥氏体型不锈钢是相对稳定的，其中碳化物的析出与其耐蚀性能、高温强度以及韧性等主要性能密切相关。在通常作为固溶热处理温度1000附近碳的固溶量可达到最高但当温度低于800时固溶量急剧下降而产生碳化物。所以进行固溶化处理或焊接后如果冷却速度过慢，在晶界上会产生碳化物，成为晶间腐蚀的原因。钢中的碳有活性随镍含量的增加而增加，随铬含量的增加而减少。也就是说镍的增加使碳的固溶量减少，铬的增加使碳的固溶量增加。另外在晶界还析出铬碳化物，合金添

28、加元素有时也生成相应的碳化物。3 结论通过对304奥氏体不锈钢的焊接性能研究，了解了304不锈钢具有良好的焊接性能，304不锈钢在钢行业和化工设备行业都具有越来越广泛的使用性。这种不锈钢以及同类的奥氏体不锈钢将成为以后研究开发的重点方向，特别在化工设备行业中奥氏体不锈钢的发展将直接影响到设备的质量。从金相组织上来看，奥氏体型不锈钢具有良好的稳定性，其中碳化物的析出与其耐蚀性能、高温强度以及韧性等主要性能密切相关。从拉伸和硬度测试来看，延伸率以及它的焊后性能也是相当不错的，因此合理的开发和使用奥氏体不锈钢对我国的工业化来说至关重要。304不锈钢具有优良的不锈耐腐蚀性能和较好的抗晶间腐蚀性能。以及具有良好的低温和高温性能，它的焊接性比较好，但是这种钢的晶界腐蚀比较严重，所以解决晶界腐蚀已经成为现在研究的一个方向。4 心得体会 在做这次实验前,我以为不会难做,就像以前做实验一样。直到做完实验时,我才知道其实并不容易做,但学到的知识与难度成正比,使我受益匪浅.。在做实验前,需要查很多文献，对工艺设计有较好的了解。如果你不清楚,在做实验时才去摸索,这将