金属材料焊接工艺 第3版 教案 15 低温用钢的焊接

授课教案首页学年第学期机械工程学院材料技术系（部）焊接技术及自动化教研室课程名称金属材料焊接工艺任课教师授课形式理论教学√课内实践□理实一体□习题复习□考核评价□其他活动□课时安排2课时序号15授课日期月日月日月日月日授课班级教学内容：5、低温用钢的焊接教学目标：知识目标：1.了解低温钢的成分特点2、了解低温钢的焊接性能力目标：掌握低温钢的焊接工艺要点素质目标：1、培养学生良好的操作习惯2、具有与人沟通、与人合作的社会交往能力重点难点及解决方法：要求学生熟悉低温钢的焊接工艺要点。授课地点：教室教学媒体：投影仪设备及材料：其它资源：学习效果评价方式：课堂提问及作业作业和思考题：1、低温钢的焊接特点有哪些？课后小结：填表说明：1.序号，指该课程授课的顺序号，应与授课计划一致；2.授课形式在相应的选项打“√”。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段一、教学组织1．复习引入10分钟2．讲解45分钟3．提问20分钟4.小结15分钟二、教学内容低温钢是指工作在-10～-196℃温度范围的钢，低于-196℃（直到-273℃）的钢称为超低温钢。主要性能特点是在低温工作条件下具有足够的强度、塑性和韧性，同时具有良好的加工性。主要用于制造石油化工业中的低温设备，如液化石油气和液化天然气等的储存和运输的容器、管道等。能力知识点1低温钢的分类、成分与性能1．低温钢的分类（1）按使用温度等级分类分为-50～-90℃、-100～-120℃和-196～-273℃等级的低温钢。（2）按合金元素含量和组织分类分为低合金铁素体低温钢、中合金低温钢和高合金奥氏体低温钢。（3）按有无Ni、Cr元素分类分为无Ni、Cr低温钢和含Ni、Cr低温钢。（4）按热处理方法分类分为非调质低温钢和调质低温钢。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段2．低温钢的成分、组织和性能低温钢的钢种很多，包括从低碳铝镇静钢、低合金高强度钢、低Ni钢，直到Ni含量为9%的钢。低温钢大部分是接近铁素体型的低合金钢，其含碳量较低，主要通过加入Al、V、Nb、Ti和稀土（RE）等元素固溶强化和细化晶粒，再经过正火、回火处理获得晶粒细而均匀的组织，以得到良好的低温韧性。如果在钢中加入Ni，可提高钢的强度，同时又可进一步改善低温韧性，但在提高Ni的同时要相应降低含碳量和严格控制S、P含量，以充分发挥Ni的有利作用。（1）铁素体型低温钢显微组织为铁素体+少量珠光体使用温度范围-40～-100℃，如16MnDR、09Mn2VDR、06MnNbDR、3.5Ni和06MnVTi等有“DR”标示的为低温容器专用钢，一般在正火状态下使用。16MnDR是制造-40℃低温设备用的细晶粒钢；09Mn2VDR也属细晶粒钢，主要用于制造-70℃的低温设备，如冷冻设备、液化气储罐、石油化工低温设备等；06MnNbDR是具有较高强度的-90℃用细晶粒钢，主要用于制造-60～-90℃的制冷设备、容器和储罐。3.5Ni钢一般经过870℃正火和635℃、1h消除应力回火，其最低使用温度达-100℃；调质处理可提高其强度、改善韧性和降低脆性转变温度，其最低使用温度可达-129℃。（2）低碳马氏体型低温钢含Ni较高的钢如9Ni钢，淬火后组织为低碳马氏体，正火后的组织除低碳马氏体外，还有少量铁素体和少量奥氏体，具有较高的强度（高于奥氏体不锈钢）、塑性和低温韧性，能用于-196℃的低温，适于制造储存液化气的大型储罐。（3）奥氏体型低温钢具有很好的低温性能，其中以18-8型铬镍奥氏体不锈钢应用最广泛，25-20型可用于超低温条件。我国为了节约铬、镍贵重金属而研制了以铝代镍的15Mn26Al14的奥氏体不锈钢。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段能力知识点2低温钢的焊接性一、无Ni低温钢的焊接性无Ni低温钢即铁素体型低温钢其中wc=0.06%～0.20%，合金元素总量≤5%，碳当量为0.27%～0.57%，焊接性良好。在室温下焊接不易产生冷裂纹，在板厚小于25mm时焊前不需预热；板厚超过25mm或接头刚性拘束较大时，应预热100～150℃，注意预热温度（不可超过200℃）过高会引起热影响区晶粒长大而降低韧性。二、含Ni低温钢的焊接性含Ni较低的低温钢如2.5Ni和3.5Ni钢，虽然加入Ni提高了钢的淬透性，但由于含碳量限制的较低，冷裂倾向并不严重，薄板焊接时可不预热；厚板焊接时须进行100℃预热。含Ni高的低温钢如9Ni钢，淬硬性很大，焊接时热影响区产生马氏体组织是不可避免的，但由于含碳量低，并采用奥氏体焊接材料，因此冷裂倾向不大。但焊接时应注意以下几个问题：（1）正确选择焊接材料9Ni具有较大的线胀系数，选择的焊接材料必须使焊缝与母材线胀系数大致相近，以免因线胀系数差别太大而引起焊接裂纹。通常选用镍基合金焊接材料，焊后焊缝组织为奥氏体组织，低温韧性好，且线胀系数与9Ni钢接近。（2）避免磁偏吹现象9Ni钢具有强磁性，采用直流电源焊接时会产生磁偏吹现象，影响焊接质量。防治措施是焊前避免接触强磁场；尽量选用可以采用交流电源的镍基焊条。（3）焊接热裂纹Ni能提高钢材的热裂纹倾向，焊接含Ni钢时要注意焊接热裂纹。因此应该严格控制钢材及焊接材料中的S、P含量，以免因S、P含量偏高在焊缝结晶过程中形成低熔点共晶，而导致形成结晶裂纹。含Ni钢的另一个问题是具有回火脆性，因此应注意这类钢焊后回火的温度和控制冷却速度。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段9Ni钢是典型的低碳马氏体低温钢，淬硬性较大。焊前应进行正火+高温回火或900℃水淬+570℃回火处理，其组织为低碳板条状马氏体，具有较高的低温韧性，其焊接性也优于一般低合金高强钢，板厚小于50mm的焊接结构焊接时不需预热，焊后可不进行消除应力热处理。对这类易淬火的低温钢通常采用控制道间温度及焊后缓冷等工艺措施，以降低冷却速度，避免淬硬组织；采用较小的焊接热输入，避免热影响区晶粒过分长大，达到防止冷裂和改善热影响区低温韧性的目的。能力知识点3低温钢的焊接工艺特点1．焊接方法焊接低温钢时，焊条电弧焊和氩弧焊应用广泛，埋弧焊的应用受到限制，而气焊和电渣焊一般不用。为避免焊缝金属和热影响区形成粗大组织而使接头韧性降低，焊接热输入不能过大，多层焊要控制道间温度不可过高，例如焊接06MnNbDR低温钢时，道间温度不可超过300℃。2．焊接材料焊条电弧焊焊接低温钢时一般选用高韧性焊条，焊接含Ni的低温钢所用焊条的含Ni量应与母材相当或稍高；埋弧焊焊接低温钢一般选用中性熔炼焊剂配合Mn-Mo焊丝或碱性熔炼焊剂配合含Ni焊丝，也可采用C-Mn焊丝配合碱性非熔炼焊剂，由焊剂向焊缝过渡微量Ti、B合金元素，以保证焊缝获得良好的低温韧性。3．低温钢焊接操作要点为减小热输入，焊条电弧焊通常采用小直径焊条（一般不大于4mm）、用尽量小的焊接电流，采用多层多道焊，每一焊道焊接时采用快速不摆动的操作方法。快速多道焊可避免焊道过热，多层焊时后续焊道对前焊道的再次加热作用可细化晶粒。低温钢焊条电弧焊平焊时的焊接参数见表3-24。其他位置焊接时焊接电流应减小10%。在横焊、立焊和仰焊时，为保证焊缝成形并与母材充分熔合，可作必要的摆动，例如采用“之”字形运条方法，但应控制电弧在坡口两侧的停留时间，收弧时要将弧坑填满。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段焊缝金属类型焊条直径/mm焊接电流/A焊接电压/V铁素体-珠光体型3.290～12023～244.0140～18024～26Fe-Mn-Al奥氏体型3.280～10023～244.0100～12024～25能力知识点4典型钢种的焊接工艺板厚15mm的9Ni钢大型储罐，工作温度为-190℃。储罐平板对接的立焊焊缝，采用单面自