毕业论文低温钢及其焊接性研究22

1、继续教育学院毕业论文（设计）论 文 题 目 ： 低温钢及其焊接性研究 专 业 ： 焊接技术与工程 姓 名 ： 陈 爽 学 号 ： 指 导 教 师 ： 王学明 二零一五 年 五月低温钢及其焊接性研究摘要低温钢是指适于在-20以下应用的合金钢。能在-196以下使用的，称为深冷钢或超低温钢。GB150.3-2011附录E规定：“碳素钢和低合金钢制低温容器（设计温度低于-20）的设计。对于奥氏体型钢材制低温容器压力容器（设计温度低于-196）的设计，按相关规范标准处理” 。随着石油和天然气工业、煤化工等现代工业的发展，新工艺、新设备不断出现，气体液化、分离、贮存及应用在各国已很普遍，这些低温技术和设备

2、的开发促进了低温压力容器用钢的发展以及这些低温钢焊接性的研究。关键词: 低温钢；焊接性； 焊接工艺；低温韧性目录0课题背景11低温钢的分类12影响材料低温脆性的因素12.1晶体结构的影响12.2化学成分影响22.3显微组织结构32.4加工硬化的影响32.5应力状态的影响32.6加载速率的影响33低温钢焊接工艺43.1焊前准备43.2焊接过程53.3焊后热处理64低温钢的焊接方法75 3.5Ni钢的焊接试验75.1焊条电弧焊75.2埋弧自动焊85.3钨极氩弧焊85.4焊后热处理及冲击试验数据9结论10致谢11参考文献120课题背景20 世纪30 年代以来,国外发生过多次桥梁构件脆断的事故。分析表

3、明,金属或合金在低于某个临界温度的条件下,韧性急剧降低、材质变脆。随着科学技术的发展,为了适应低温的要求,人们研制了各种低温钢。它的出现是对能源和现代化的一大贡献。1932年美国发明了在-46低温下使用的2.5镍钢。之后，又发展了在-101低温下使片的3.5镍钢，并纳入ASTM标准。此后德国、法国比利时和日本等国家也将3.5镍钢分别纳入各自标准中。1944年美国国际镍公司研制出可使用-196的9镍钢。经过长时期的研制和应用，逐渐形成了含有0.5、2.5、3.5、5、9镍等完整镍钢系列。低温钢的出现.有力地推动了低温领域科等和技术的进步。国内低温钢的研究起步较早,从1958年起,就开始研究具有中

4、国特色的铁锰铝钢。在60年代为了节省资源,立足本国,曾按照节镍铬的主导思想。研究出不少低温钢种,可分别工作于- 70 - 90 及更低的温度。我国低温钢现行标准GB3531低温压力容器用低合金钢板。1低温钢的分类低温钢主要包括镍铬合金钢、碳锰硅钢。通常根据合金化原理、环境温度、组织及合金系统中的镍、铬元素含量将低温钢进行分类。按合金化原理分类有低温铝镇静钢、镍系低温钢、低温奥氏体不锈钢；按温度等级分类有-20-40、-50-80、-100-110、-196-269；按组织及合金系统的有低合金铁素体钢、中合金低碳马氏体钢、高合金奥氏体钢；按是否含镍元素又可以分为有镍低温钢和无镍低温钢。2影响材料

5、低温脆性的因素2.1晶体结构的影响体心立方金属及其合金存在低温脆性，而面心立方金属及其合金一般不存在低温脆性。屈服强度s随温度的变化与材料本性有关。具有体心立方结构或密排六方结构的金属或合金的屈服强度s对温度变化十分敏感，温度降低，s急剧升高，故与抗拉强度c相交于一点，该点对应的温度既为Tk。高于Tk时，cs，材料受载后先屈服再断裂，为韧性断裂；低于Tk时，外加应力首先达到c，材料表现为脆性断裂。面心立方结构材料的s随温度的下降变化不大，故脆性断裂现象不明显。如图1 图1 s、c和s随温度变化示意图 2.2化学成分影响钢的纯净度是影响韧性的关键因素，微量的磷、硫、砷、锡、铅、锑等元素及氮、氧、

6、氢等气体的存在，对钢的韧性起有害作用。其中磷、硫最为常见，在钢材相应的标准中基本都规定了磷、硫的最大含量。磷、硫可以显著的降低钢材的低温韧性，倘若母材和焊接材料中磷、硫含量很低的话，不管拘束条件如何苛刻，都不至于产生裂纹。 碳对低温韧性影响影响明显，随着碳含量增加，钢的韧脆转变温度急剧上升。因此，低温钢的碳含量多限制在0.2以下。国外有一种发展低碳（小于0.15）或微碳（小于0.06）的趋势。锰是扩大奥氏体区的元素，在钢种加入锰元素可明显改善脆性。降低碳含量，提高锰碳比（Mn/C），钢的韧脆转变温度降低。已经研制出了多种高锰无镍奥氏体不锈钢，来节约镍元素。镍提高钢材低温韧性的作用优于锰。钢中含

7、镍量（质量分数）每增加1%,韧脆转变温度约降低10%。含镍3.5%的钢在-100仍保持良好的韧性，含镍9%的钢可以耐-196低温。综合说能扩大奥氏体相区的元素都能提高钢的低温韧性，而与碳亲和力强的元素能形成碳化物，起到细化晶粒的作用也能提高钢的低温韧性。（Ti、Zr、Nb、V、Mo、Cr、Mn、Fe等称为碳化物元素，Ni、Mm、Co、C、N、Cu为扩大奥氏体相区的元素）2.3显微组织结构1、晶粒的大小。细化晶粒可以使材料韧性增加。韧脆转变温度与铁素体晶粒直径d成线性关系，晶粒直径d越小，韧脆转变温度越低。这是因为晶界存在杂质和脆性相，往往成为裂纹源。细化晶粒，一方面使单位面积上的脆性相相对减少

8、，表面能提高，裂纹形核和扩展的概率就降低，从而提高了钢的抵抗低温脆断的能力；另一面细化晶粒钢的性能比较均匀，降低了韧脆转变温度。2、热处理和晶相组织。在较低强度水平，强度相同而组织不同的钢，其冲击吸收功和韧脆转变温度以调质组织最佳，正火次之，热轧和退火状态最差。此外球化处理能改善钢的韧性。钢的退火组织比正火组织大，其低温韧性远不如经正火或调质组织，所以低温压力容器用钢都不进行退火处理。需焊后热处理的低温压力容器及其受压元件，在任何情况下，焊后热处理温度都不应超过钢材的回火温度。2.4加工硬化的影响加工硬化降低了钢材的韧性，同时使韧脆转变温度提高，这种影响随钢材类型的不同及加工硬化量的大小而变。

9、冷压封头的韧脆转变温度高于热压封头，且冲击韧性数值也有所减小。容器制作过程中的冷弯、冷压、焊接变形等都会导致脆化，这也就是为什么GB150和HG/20584都规定了最小变形量或最小伸长量，故受压元件超出这个变形量就要进行恢复性能热处理。2.5应力状态的影响容器结构设计不合理应力集中明显，容易产生低应力脆断；容器母材中存在裂纹或缺口时，容易产生低应力脆断；缺口越尖锐，预制裂纹尺寸越大，也容易产生低应力脆断。当焊接接头中有裂纹存在，又具有残余应力时，低应力脆断就更为明显。2.6加载速率的影响提高加载速率如同降低温度，使材料脆性增大，韧脆转变温度提高。加载速率对钢脆性的影响与钢的强度水平有关。一般中

10、、低强度钢的韧脆转变温度对加载速率比较敏感，而高强度钢和超高强度钢的韧脆转变温度则对加载速率的敏感性较小。3低温钢焊接工艺 由于铬镍奥氏体不锈钢在-196仍然有很好的低温韧性。这里就不做过多的讨论，本文主要讨论的是非奥氏体不锈钢的焊接性。焊接工艺方面的影响因素一般包括焊前准备、焊接过程、焊后热处理等几个方面。3.1焊前准备焊前准备中主要以坡口设计为主，其中最常见的坡口有V型、X型、I型，局部还有U型。坡口的大小反映了熔敷金属填充量的大小，改变坡口的角度也就改变了焊道的数目。以3.5%Ni钢V型坡口为例，说明坡口角度对焊缝低温冲击韧性的影响如表1。由表1可以看出随着坡口的角度增大，焊缝低温冲击韧

11、性随之增大，直到坡口角度为90时达到最大，以后坡口再增大，焊缝金属的低温冲击韧性减小。但是NB/T47014中除了等离子焊其余焊接方法将坡口放在次要因素里，从上表可以看出坡口改变他的平均冲击吸收功改变幅度不大，还有GB150、HG/T20583推荐性坡口里对接角度最大没超过70，当采用大坡口时不光焊材使用增加，而且焊 表1 3.5%Ni钢V型坡口-100冲击吸收功坡口型式角度焊缝中心冲击吸收功(J)（-100）平均吸收功(J)V型带钝边6023.015.816.718.57517.126.318.020.59026.519.118.721.410517.025.114.819.0接的工作量也会

12、增加，整体成本也就会增加，这两方面也可以解释这一点。另外坡口的加工方法对焊缝低温冲击韧性并没有明显的影响，但碳弧气刨会对坡口母材渗碳，会降低焊缝的低温冲击韧性，在焊接前应该将渗碳层打磨。3.2焊接过程焊接过程又主要以焊前预热、焊接过程中的层间温度控制、焊接热输入控制、焊道层次控制等。为了防止冷裂纹，采用预热、控制层间温度和后热的措施很重要预热及层间温度过低，焊缝低温韧性会受到影响，同样层间温度过高，焊缝的低温韧性损失也比较大。由表2可知100150的预热温度及层间温度对保证焊接接头的低温性能比较有利，而后热可以使扩散氢更好的逸出。由表3可知较小的热输入下焊接的低温冲击韧性比较高。图2 后热温度

13、及保温时间对焊接接头吸收扩散氢的扩散逸出的影响表2 预热、层间温度对焊接低温性能的影响温度（）预热室温5080100120100120层间室温5080100120250350冲击吸收功(J)（-100）10.318.621.613.017.913.525.417.711.620.719.320.8表3 热输入对低温韧性的影响焊接热输入（J/cm）电流（A）电压（V）线速度（cm/min）冲击吸收功(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在多层焊时，若在产生焊接冷裂纹之前就焊接下一层，则是对上一层进行再加热，这就使产生冷裂纹的危险大大减小。由于多层焊的多次循环加热作用使焊缝中的平均扩散氢含量要比单层焊降低40%。但由于是按层累积的原因，越后焊的焊缝扩散氢含量越大。因此，最后一道焊缝中的扩散氢含量最大，同时这时的焊缝金属厚度最大，这里的残余应力最大，因而其产生冷裂纹的危险也就最大。由于压力容器考虑的是整体的安全性，所以这点是不允许的。因此通常采用在最后一道焊缝表面再焊接一道回火焊道，可以加速扩散氢逸出，有利于防止焊接冷裂纹。还可以对焊接接头产生回火效应，也有利于防止焊接接头的脆化。同时采用预热、后热、控制层间温度来综合控制

15、焊缝的冷却速度，来使焊缝有一个合理的低温韧性。3.3焊后热处理在压力容器的设计制造标准当低温钢板厚度大于一定数值时（这个数值比普通低合金钢严）就要进行热处理，其主要目的就是消除钢材在冷成形中造成的形变硬化以及组装焊接中产生的残余应力+恢复材料的性能，防止材料低应力脆断。焊后消应力热处理，可以消除残余应力，但同时有表4可知不一样的保温温度和冷却速度得出的结果也是不一样的。针对这个问题我们咨询了李世玉教授“焊后热处理温度能不能过高或保温时间能不能过长？”得到的回答是：“不能，如果焊后热处理的温度过高或保温时间过长，反而会使焊缝金属中碳化物聚集、粗化，或脱碳层厚度增加，从而总力学性能，蠕变强度及缺口

16、韧性的下降。”而由表4可以看出在空冷的情况下提高回火温度可以提高焊缝接头低温性能，相同回火温度时炉冷的焊缝接头低温性能甚至都不如焊态下的低温性能。由2.3和GB150可知正常的低温钢都是调质、正火加回火、正火。而本文所有试验都是以3.5Ni钢做为研究对象即调质状态，而调质钢的钢的回火时伴随这组织改变。而上表中550和625在调质钢回火中属于一个区间，所以这两个温度下消应力625更为彻底；炉冷和空冷，炉冷的冷却速度更慢经历了调质钢回火的几个区间而且每个区间停留时间很长，组织变化明显大大降低了低温钢焊接接头的低温韧性。表4 焊后热处理对焊缝接头低温性能影响焊后热处理焊态5501.5h空冷6251.

17、5h空冷6251.5h炉冷冲击吸收功(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低温钢的焊接方法一般来说低温钢与一般低合金钢的焊接方法一样，可以应用各种熔焊、压焊、钎焊等各种焊接方法，但是最常见的还是手工焊条电弧焊、埋弧焊、熔化极气体保护焊、钨极氩弧焊。当前主要以手工焊条电弧焊应用最广，但效率比较低；其次是埋弧焊和钨极氩弧焊，其中埋弧焊效率高，钨极氩弧焊质量最好但效率最低，而熔化极气体保护焊由于容易出现气孔，在低合金钢容器中也未被在容器本体中采用，只是用于焊接受力元件。5 3.5N

18、i钢的焊接试验通过几种焊接方法来焊接3.5Ni钢试板，统一进行低温冲击试验来分析几种焊接方法焊接低温钢的焊接质量，为了保证结果的可靠性，三种焊接方法试板采用统一材质和规格。5.1焊条电弧焊焊条电弧焊作为3.5Ni钢的首选焊接方法，他适应性好，应用比较成熟，焊条来源广，焊接线能量等工艺参数能很好的被控制，接头的低温韧性比较容易得到保证。在实际生产中，为了便于限制焊道厚度，可以规定焊工每根焊条必须熔敷的焊道长度，如规定3.2400和4.0400焊条每根必须熔敷焊道长度应分别不小于180和250.焊工在操作中应尽量采用短电弧、少摆动并避免侧向风吹，这样可以强化熔池保护，减少焊缝中的O/N含量，对改善

19、接头的低温韧性是有利的。此外由第三节坡口在90以内要尽量大一些，以便于实现多层多到焊，改善接头韧性。工艺参数见表5。表5 3.5Ni钢焊条电弧焊的工艺参数序号焊条直径电流特性电流（A）电压（V）速度（cm/min）线能量（kJ/cm）层间温度()焊道厚度（mm）13.2DC+100-12020-221213100-150424.0DC+120-14021-231216100-15045.2埋弧自动焊对于厚板为了提高生产率，可采用埋弧自动焊，但埋弧自动焊的线能量不可能小于手工焊的水平，故其组织比较手工焊的粗大，低温韧性相对较低，很难得到保证。工艺参数见表6。表6 3.5Ni钢埋弧自动焊的工艺参数

20、焊条直径电流特性电流（A）电压（V）速度（cm/min）线能量（kJ/cm）层间温度()焊道厚度（mm）3.2AC400-42040-423630100-1506DC+380-40040-424026100-15065.3钨极氩弧焊在板材对接打底焊、薄板及薄壁管对接焊，以及换热管接头焊，一般均采用钨极氩弧焊。实践证明，钨极氩弧焊的焊接接头的低温韧性最容易得到保证，只是有由于效率低而难以在焊接生产中广泛应用。工艺参数见表7。表7 3.5Ni钢钨极氩弧焊的工艺参数钨极直径mm焊丝直径电流特性电流（A）电压（V）速度（cm/min）气流（L/min）线能量（kJ/cm）层间温度()焊道厚度（mm）2

21、.52.4DC+80-10014-16612-1515100-15035.4焊后热处理及冲击试验数据依照上述的焊接方法焊接的试板，统一进行焊后热处理，参数见表8。表8 3.5Ni钢热处理规范入炉温度升温速度/h保温温度保温时间h炉冷速度/h出炉温度320220590-6202-5180320依照上述焊接工艺原则及参数焊接的焊接试板并实施焊后热处理，按相关标准对焊缝及热影响区取冲击试样，进行-101和-80冲击试验，数据见表9。表9 3.5Ni钢焊接接头低温韧性的测试焊接方法焊条电弧焊1焊条电弧焊2埋弧焊钨极氩弧焊冲击吸收功(J)（-100）热影响区试验值37251818217213692124105143192169平均27163107168焊缝试验值548470921128727333992115127平均699733111冲击吸收功(J)（-80）热影响区试验制59748129727128525