【文章內(nèi)容簡介】 出現(xiàn)相當(dāng)復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)，使焊接接頭的金相組織不均勻 ［５］ 。 異種鋼本身導(dǎo)熱性及線膨脹系數(shù)造成不同的焊接壓力，其分布就不均勻，再加上焊接接頭的化學(xué)成分和金相組織不同，其結(jié)果必然帶來力學(xué)性能和應(yīng)力分布的不均勻性。 異種鋼焊接接頭是不可避免的 ,有時(shí)也是從經(jīng) 濟(jì)和便利等方面考慮而采用的。但其所存在的一些固有的特殊問題妨礙或限制了它的廣泛采用 ,主要有以下幾點(diǎn) : ,異種鋼焊接接頭區(qū)的機(jī)械性能 (如拉伸、 沖擊、 彎曲等 )一般優(yōu)于被焊母材的性能 ,但高溫下或高溫長期運(yùn)行后 ,接頭區(qū)的性能劣于母材； ,該區(qū)韌性較低 ,是一個(gè)高硬度脆性層 ，也是導(dǎo)致構(gòu)件失效破壞的薄弱區(qū) ,它會(huì)降低焊接結(jié)構(gòu)的使用可靠性 。 ,在焊接邊界兩側(cè)各產(chǎn)生一個(gè)富碳區(qū)和貧碳區(qū) ,是裂紋起源于焊接邊界的主 要原因之一 。 。 異種綱的焊接雖然已積累了大量的研究成果 ,但許多問題仍有待進(jìn)一步深入研究 ,如碳遷移、 高溫失效行為、 顯微組織特征與轉(zhuǎn)變等。異種金屬的焊接是一項(xiàng)綜合性的，極其復(fù)雜的技術(shù)，它涉及物理，化學(xué)，電子，冶金，材料，機(jī)械，計(jì)算等多方面知識(shí)。今后的工作是充分利用現(xiàn)代分析測試技術(shù) ,采用多學(xué)科交叉的方式進(jìn)行綜合和系統(tǒng)研究。 16MnR 與 0Cr18Ni9 的焊接研究意義 16MnR和 0Cr18Ni9的焊接屬于異種鋼的焊接問題 ， 其具有一般異種材料焊接的 共同特點(diǎn)。與同種材料相比，材料的物理、化學(xué)性能及化學(xué)成分等有顯著差異，異種材料焊接從焊接性和操作技術(shù)上都比同種材料焊接困難 ［６］ 。主要體現(xiàn)在： ，容易引起熱應(yīng)力，而且這種熱應(yīng)力不易消除，結(jié)果會(huì)使接頭處產(chǎn)生裂紋或更大的焊接變形 。 ，由于金相組織的變化以及新生成的物相結(jié)構(gòu)或化合物，可使焊接接頭的性能惡化，給焊接帶來很大困難； 太原科技大學(xué)（論文 ） 10 ，特別是塑性和韌性明顯下降； 的下降以及焊接應(yīng)力的存在，異種材料焊接接頭容易產(chǎn)生裂紋，尤其是焊接熔合區(qū)和熱影響區(qū)更容易產(chǎn)生裂紋，甚至發(fā)生斷裂。 16MnR與 0Cr18Ni9的焊接不僅具有以上異種鋼焊接的共同困難，而且也具有它們自己的獨(dú)特的特點(diǎn)，解決好這兩種鋼的焊接問題還需要做在試驗(yàn)基礎(chǔ)上作深入分析，才能在焊接生產(chǎn)過程中選用適當(dāng)?shù)暮附硬牧?、制定合適的焊接工藝，進(jìn)而獲得良好的焊接接頭和較好的使用性能。 16MnR可用于制造石油、化工、氣體分離、氣體貯運(yùn)的容器或其他類似設(shè)備，如各種塔器、換熱器、貯罐、罐車等，因此 16MnR在實(shí)際生產(chǎn)中具有廣泛 用途。0Cr18Ni9為化學(xué)工業(yè)用的良好耐蝕材料，可用于制作耐硝酸、冷磷酸、有機(jī)酸及鹽、堿溶液腐蝕的設(shè)備零件，耐酸容器及設(shè)備襯里、輸送管道等設(shè)備和零件，其他化工、化肥等部門的設(shè)備及零件 ［７］ 。由此可見， 0Cr18Ni9在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中也有著廣泛用途。 這兩種材料均常用于化工容器等重要設(shè)備的生產(chǎn)，研究這兩種材料的焊接問題不僅對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)意義重大，而且更重要的是可以直接為保護(hù)人民的財(cái)產(chǎn)安全作出貢獻(xiàn)。 研究內(nèi)容 通過查閱和調(diào)研大量資料，了解 16MnR鋼與 0Cr18Ni9鋼的特點(diǎn)和性能。 通過對(duì)材料 的焊接性分析，選擇適當(dāng)?shù)暮附臃椒?，并初步制定合理的焊接工藝參?shù)。 通過焊接檢驗(yàn)手段分析焊縫成型是否良好，并對(duì)接頭進(jìn)行力學(xué)性能驗(yàn) ，以此來分析所擬定的工藝參數(shù)對(duì)焊縫組織的影響。 總結(jié)結(jié)論。 太原科技大學(xué)（論文 ） 11 第三章 16MnR 和 0Cr18Ni9 的焊接工藝研究 焊接工藝設(shè)計(jì)思路 本課題研究的思路：本課題主要對(duì) 16MnR和 0Cr18Ni9的異種鋼的焊接進(jìn)行工藝試驗(yàn)，首先分析材料的焊接性，對(duì)材料的成分和力學(xué)性能進(jìn)行分析，并計(jì)算其碳當(dāng)量，分析其焊接性的難易成度。其次是根據(jù)其含有的化學(xué)成分有可能產(chǎn)生的缺 陷進(jìn)行分析和制定相應(yīng)的措施，焊接異種鋼時(shí)在母材金屬的熱影響區(qū)出現(xiàn)淬硬組織，主要因兩種母材金屬化學(xué)成分、強(qiáng)度等不同，兩種母材含碳量不同、焊接工藝影響及焊接環(huán)境溫度的影響等因素。根據(jù)兩種母材的化學(xué)成分和板厚制定合適的焊接工藝，選擇合適的焊接方法和焊接參數(shù)，設(shè)計(jì)合理的焊接坡口，然后進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，確定所選的的焊接工藝是可行的 ［８］ 。 材料的焊接性分析 16MnR 和 0Cr18Ni9 鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能 表 16MnR鋼和 0Cr18Ni9鋼的化學(xué)成分（ %） [8] 鋼號(hào) C Mn Si S P Cr Ni 16MnR ～ ～ ～ ～ ～ 0Cr18Ni9 ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ～ ～ 表 16MnR鋼和 0Cr18Ni9鋼的力學(xué)性能 [8] 鋼號(hào) ／ MPa σb ／ MPa δs ／ MPa HB 備注 16MnR 325～ 360 490～ 620 21～ 32 150～ 200 熱軋或正火 0Cr18Ni9 250～ 300 550～ 700 35～ 50 150～ 190 正火 +回火 0Cr18Ni9 鋼的焊接性分析 焊接裂紋 （ 1） 0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)大約只有低合金鋼的一半，而線膨太原科技大學(xué)（論文 ） 12 脹系數(shù)卻大很多，所以焊后在接頭中會(huì)產(chǎn)生較大的焊接內(nèi)應(yīng)力。 （ 2） 0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼的成分，如碳、硫、鎳等會(huì)在熔池中形成低熔點(diǎn)共晶，如硫與鎳形成的 Ni3S2熔點(diǎn)為 6450C，而 Ni Ni3S2共晶的熔點(diǎn)只有 6250C。 （ 3） 0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼的液固相線的區(qū)間較大， 結(jié)晶時(shí)間較長，且奧氏體結(jié)晶的枝晶方向性強(qiáng)，所以雜質(zhì)偏析現(xiàn)象比較嚴(yán)重 ［８］ 。 綜上所述， 0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼焊接時(shí)比較容易產(chǎn)生熱裂紋，包括焊縫的縱向和橫向裂紋、火口裂紋、打底焊的根部裂紋和層間焊的層間裂紋等。 焊接接頭的晶間腐蝕 晶間腐蝕是奧氏體金屬最危險(xiǎn)的破壞形式之一。不銹鋼具有抗腐蝕能力的必要條件是含鉻量大于 12%。奧氏體不銹鋼就是由于晶界處形成貧鉻區(qū) （含鉻量小于 12%）而造成的。其原因是奧氏體不銹鋼處在 450～ 8500C溫度下，碳在奧氏體中的擴(kuò)散速度大于鉻在奧氏體中的擴(kuò)散速度。室溫下碳在奧 氏體中的溶解度很小，約為 ～ %，當(dāng)奧氏體鋼中含碳量超過 ～ %時(shí)，碳元素就不斷地向奧氏體晶界擴(kuò)散，并和鉻元素化合形成鉻化合物 （ Cr23C6） 。但由于鉻原子比碳原子半徑大， 擴(kuò)散速度小， 來不及向晶界擴(kuò)散， 晶界附近大量的鉻和碳的化合成碳化鉻， 造成奧氏體邊界貧鉻，會(huì)引起晶間腐蝕。 . 16MnR 的焊接性分析 碳當(dāng)量法 由于焊接熱影響區(qū)的淬硬性及冷裂紋傾向與鋼種的化學(xué)成分有密切關(guān)系，因此可以用化學(xué)成分進(jìn)行間接的評(píng)定鋼材的冷裂紋的敏感性。各種元素中，碳對(duì)裂紋敏感性 的影響最為顯著?？梢园唁撝泻辖鸬暮堪聪喈?dāng)于碳含量折算疊加起來，作為粗略評(píng)定鋼材冷裂紋的傾向的參數(shù)指標(biāo)，即所謂的碳當(dāng)量（ CE或 Ceq）。 由于世界各國和各研究單位所采用的實(shí)驗(yàn)方法和鋼材的合金體系不同，各自建立了有一定使用范圍的碳當(dāng)量計(jì)算公式，見表 ［９］ 太原科技大學(xué)（論文 ） 13 表 常用合金結(jié)構(gòu)鋼碳當(dāng)量公式 序號(hào) 碳當(dāng)量公式 試用鋼種 1 國際焊接學(xué)會(huì)（ IIW）推薦： CE(IIW)=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15 含碳量較高 (Wc≥ %)、強(qiáng)度級(jí)別中等(σb=500900Mpa)的非調(diào)質(zhì)低合金高強(qiáng)鋼 2 日本 JIS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定： Ceq(JIS)=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14 低合金高強(qiáng)鋼（ σb=5001000Mpa）化學(xué)成分： Wc≤ %、 Wsi≤ %、 ωMn≤ % ωNi≤ %、 ωCr≤ %、 ωMo≤ % ωV≤ %、 ωB≤ % 3 美國焊接學(xué)會(huì) (AWS)推薦 Ceq(AWS)=C+Mn/6+Si/24+Ni/15+Cr/5+Mo/4+(Cu/13 +P/2) 碳鋼和低合金高強(qiáng)鋼，化學(xué) 成分： ω% ωMn%、 ωNi%、 ωMo%、ω Cr%、 ωCu=%、 ωp=%% 本文中我根據(jù) （ AWS）推薦的公式：Ceq=C+Mn/6+Si/24+Ni/+Cr/5+Mo/4+(Cu/13+P/2)%； 0Cr18Ni9碳當(dāng)量： Ceq=++18/5+=% 16MnR碳當(dāng)量： Ceq=++ =% 根據(jù)圖 性如何。 圖 碳當(dāng)量 Ceq與板厚 δ的關(guān)系 Ⅰ 優(yōu)良 Ⅱ 較好 Ⅲ 尚好 Ⅳ 尚可 太原科技大學(xué)（論文 ） 14 16MnR的焊接性分析 低合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接性主要決定于鋼中合金元素的含量即鋼種的強(qiáng)度級(jí)別，強(qiáng)度級(jí)別較低的低合金結(jié)構(gòu)鋼如 300400MPa級(jí)，由于鋼中合金元素含量較少，其焊接性良好，隨著鋼中合金元素增加，強(qiáng)度級(jí)別提高，鋼的焊接性逐漸變差。這類鋼焊接時(shí)，注意以下主要問題 ［９］ ： ⑴熱影響區(qū)脆化 16MnR鋼焊接時(shí)，熱影響區(qū)中被加熱到 1100度以上的過熱區(qū)是焊接接頭的薄弱區(qū)域，奧氏體晶粒的顯著長大和一些難熔質(zhì) 點(diǎn)的熔入會(huì)直接影響過熱區(qū)性能變化，會(huì)形成魏氏組織及其它塑性低的混合組織和 MA組元等，而使過熱區(qū)脆化，沖擊韌度下降。應(yīng)采用適當(dāng)?shù)偷木€能量等工藝措施來抵制過熱區(qū)奧氏體晶粒長大及魏氏組織的出現(xiàn)，它是防止過熱區(qū)脆化的關(guān)鍵。若為了提高生產(chǎn)率而采用較大的線能量，焊后須采用 8001100的正火處理來改善其韌性。 ⑵裂紋 ①冷裂傾向，鋼材冷裂敏感性主要取決于鋼材的淬硬傾向，而鋼材的淬硬傾向又主要取決于它的化學(xué)成分。一般認(rèn)為碳當(dāng)量 CE小于 ％的鋼材焊接時(shí)基本無淬硬傾向，焊接性良好。 16MnR鋼碳當(dāng)量較上述稍高，出現(xiàn)冷 裂紋，尤其在拘束應(yīng)力較大或接頭擴(kuò)散氫含量較高的情況下，采取控制焊接線能量，降低含氫量預(yù)熱和及時(shí)后熱等措施可以防止冷裂的產(chǎn)生。 ②熱裂紋， 16MnR鋼含碳量都不高，而含錳量都較高，因此它們 Mn/S比較大，具有較好的熱裂性能，正常情況下焊縫中不會(huì)出現(xiàn)熱裂紋。 ③層狀撕裂，一般板厚厚度大于 16mm時(shí)易產(chǎn)生撕裂，角接頭， T形接頭比對(duì)接易產(chǎn)生這種層狀撕裂。為了防止在板材結(jié)構(gòu)中這種層狀撕裂的產(chǎn)生可采用： ； ，以減輕鋼板 Z向所承受的應(yīng)力應(yīng)變； 提下選用強(qiáng)度級(jí)別較低的焊接材料； 。 相對(duì)于 0Cr18Ni9鋼， 16MnR鋼焊接性更好。因此制定焊接工藝時(shí)，應(yīng)主要依據(jù) 0Cr18Ni9鋼的性能特點(diǎn)。 太原科技大學(xué)（論文 ） 15 異種鋼焊接的焊接性分析 異種鋼之間是否具有良好的焊接性，主要是由被焊金屬之間的性能差異程度和被焊金屬組合后所形成的合金金相結(jié)構(gòu)來決定的 ［１０］ 。異種鋼直接焊接時(shí)將會(huì)遇到下述困難：當(dāng)兩種被焊金屬的線膨脹系數(shù)相差很大時(shí)，由于焊接以及母材的冷卻收縮不一致，從而產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力，還會(huì)使焊接接頭在高溫應(yīng)用時(shí)產(chǎn)生熱應(yīng)力；當(dāng)被焊金屬的導(dǎo)熱率 不同時(shí)，會(huì)改變焊接時(shí)的溫度場分布，從而改變焊縫的結(jié)晶條件；當(dāng)被焊金屬的電磁性相差很大時(shí)，焊縫成型不良等。 焊接工藝的制定 確定焊接方法 異種材料的焊接常用熔焊，熔焊在異種材料的焊接中應(yīng)用很廣，主要的熔焊方法有焊條電弧焊、氣體保護(hù)焊、埋弧焊等 ［１１］ 。 焊條電弧焊工藝簡便，操作靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，一般中、小結(jié)構(gòu)件均可使用。氬弧焊方法多用于異種鋼有色金屬或鋼與有色金屬的焊接，薄件用鎢極氬弧焊，厚件用熔化極氬弧焊或混合氣體保護(hù)焊。 CO2氣體保護(hù)焊 具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1. 焊接成本低。半自動(dòng) CO2氣體保護(hù)焊的成本只為手工電弧焊及埋弧焊的40%50%。 2. 生產(chǎn)效率高。半自動(dòng) CO2氣體保護(hù)焊的穿透能力強(qiáng)，熔深比手工電弧深，熔敷速度快，可減少焊接層數(shù)，生產(chǎn)效率是手工焊的 14倍。 3. 抗銹蝕能力強(qiáng)、抗裂性好。 CO2氣體保護(hù)焊熔渣少，電弧氣氛中的含氫量較易控制，可減少發(fā)生冷裂紋傾向。 4. 明弧焊。 CO2氣體保護(hù)焊電弧可見，能觀察到焊接的全過程，容易操作，可進(jìn)行全位置焊接。 5. 厚變形量小。 CO2氣體保護(hù)焊的電弧熱量較集中，焊接速度快，熔池小，氣體對(duì)焊縫區(qū)有冷卻作用，熱影響區(qū)窄，使構(gòu)件焊后變形小 。 因此我們采用 CO2氣體保護(hù)焊 ，它已成為壓力容器、管段制造等重要鋼結(jié)構(gòu)制作中的主要焊接方法 。 太原科技大學(xué)（論文 ） 16 選擇焊接材料 選擇焊接材料的依據(jù) 異種鋼焊接接頭質(zhì)量，在很大程度上取決于所選用的焊接材料。異種鋼街頭的焊縫和熔合區(qū)，由于有合金元素被稀釋和碳遷移等因素的影響，存在著一個(gè)過液區(qū)，其化學(xué)成分和金相組織不均勻，而且物理性能也不同，甚至力學(xué)性能也有很大差異，可能引起缺陷或嚴(yán)重降低性能，所以必須按照母材的成分、性能、接頭形式和使用要求正確地選擇焊接材料 ［３］ 。 為了保證異種材料焊接接頭在使用中的可靠和安 全，選擇焊接材料時(shí)不僅要保證