不 锈 钢 的 切 削 加 工
在不锈钢的切削加工中,首先要对被加工件的被切削性能有所了解,不锈钢在切削过程中有如下几方面特点:
1. 加工硬化严重:在不锈钢中,以奥氏体和奥氏体+铁素体不锈钢的加工硬化现象最为突出。因为不锈钢的塑性大,塑性变形时晶格歪扭,强化系数很大;且奥氏体不够稳定,在切削应力的作用下,部分奥氏体会转变为马氏体;再加上化合物杂质在切削热的作用下,易于分解呈弥散分布,使切削加工时产生硬化层。
2. 切削力大:不锈钢在切削过程中塑性变形大,尤其是奥氏体不锈钢(其伸长率超过45号钢的1.5倍以上),使切削力增加。同时,不锈钢的加工硬化严重,热强度高,进一步增大了切削抗力,切屑的卷曲折断也比较困难。
3. 切削温度高:切削时塑性变形及与刀具间的摩擦都很大,产生的切削热多;大量切削热都集中在切削区和刀削接触的界面上,散热条件差。在相同的条件下切削温度比45号钢高200℃左右。
4. 切削不易折断、易粘结:不锈钢的塑性、韧性都很大,在高温、高压下,不锈钢与其他金属的亲和性强,易产生粘附现象,并形成积削瘤,既加剧刀具磨损,又会出现撕扯现象而使已加工表面恶化。含碳量较低的马氏体不锈钢的这一特点更为明显。
5. 刀具易磨损:切削不锈钢过程中的亲和作用,使刀削间产生粘结、扩散,从而使刀具产生粘结磨损、扩散磨损,致使刀具前刀面产生月牙洼,切削刃还会形成微小的剥落和缺口;加上不锈钢中的碳化物(如TiC)微粒硬度很高,切削时直接与刀具接触、摩擦,擦伤刀具,还有加工硬化现象,均会使刀具磨损加剧。
切削不锈钢时应怎样选择刀具的材料:
合理选择刀具材料是保证高效率切削加工不锈钢的重要条件。根据不锈钢的切削特点,要求刀具材料应具有耐热性好、耐磨性高、与不锈钢的亲和作用小等特点,YG类硬质合金的韧性较好,可采用较大的前角,刀刃也可以磨得锋利些,使切削轻快,且切屑与刀具不易产生粘结,较适于加工不锈钢。另外,YG类合金的导热性较好,其导热系数比高速钢高将近两倍,比YT类合金高一倍。 1
切削不锈钢时怎样选择刀具几何参数?
前角:不锈钢的硬度、强度并不高,但其塑性、韧性都较好,热强性高,切削时切屑不易被切离。在保证刀具有足够强度的前提下,应选用较大的前角,这样不仅能够减小被切削金属的塑性变形,而且可以降低切削力和切削温度,同时使硬化层深度减小。
后角:加大后角能减小后刀面与加工表面的摩擦,但会使切削刃的强度和散热能力降低。后角的合理值取决于切削厚度,切削厚度小时,宜选较大后角,我们三轨由于切削量大,所以选用20°的后角。
选择合适的涂层对于金属切削来说能起到非常重要的作用,TiAICRN(碳氮化铝钛)涂层在不锈钢切削加工中起着非常重要的作用涂层材料作为化学屏障和热屏障,减小了月牙洼磨损,耐磨性良好。与未涂层刀具相比,涂层刀具加工精度提高0.5~1级,刀具消耗费用降低20%~50%,耐磨性提高2~10倍,切削速度提高25%~70%,使用寿命延长3~5倍。
在选择刀盘直径时也有非常大的讲究,刀盘的直径一定要比被加工件大一点,否则在切削时受力非常大,而且不易刀片的散热和铁削的排出!一般刀盘直径是被加工件宽度的1.5倍。
在刀盘的设计选用上,应从效率和成本这两方面找到一个很好的平衡点,我们最后选用七个齿的刀盘,在保证了切削速度的同时也增大了排削的空间,并且节约了成本!
疏
较大的齿槽
较大的切削深度
最小的切削马力
很少的齿数
密 较多的齿接触 更高的每分钟进给量 较小的切削深度 较小的排屑空间 多一点的切削马力2
刀片切削时的角度取决于刀盘的装夹角度,不锈钢切削一般都采用45°角,在刀片与被切削钢件接触角也应该从切削受力与加工表面质量中做取决!为了保证切削强度,我们设计时采用2mm宽度的平面倒角,在加工时保证了切削强度,当然,这种设计是在保证光洁度的前提下进行的!
在铣削不锈钢时,不锈钢的粘附性及熔着性很强,切屑容易粘附在铣刀刀齿上,使切削条件恶化;逆铣时,刀齿先在已经硬化的表面上滑行,增加了加工硬化的趋势;铣削时冲击、振动较大,使铣刀刀齿易崩刃和磨损。所以铣削不锈钢时,应尽可能采用顺铣法加工。顺铣法能保证切削刃平稳地从金属中切离,切屑粘结接触面积较小,在高速离心力的作用下易被甩掉,以免刀齿重新切入工件时,切屑冲击前刀面产生剥落和崩刃现象,提高刀具的耐用度。
加工中的方式和技巧对于刀片的寿命的延长起着举足轻重地作用!
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当铣削时刀盘应少量的偏置的好处
1.减小震刀
2.在刀盘进入工件与离开工件时可得
冷却方法:采用喷雾冷却法效果最为显著,可提高铣刀耐用度一倍以上;如用一般10%乳化液冷却(我们现在用的是煤油雾冷的方法,因为考虑到产品的清洁度),应保证切削液流量达到充分冷却。
在加工中,表面质量是最重要的,但是往往会出现很多设计时都意想不到的表面粗糙度的问题困扰着大家:
倒括刀痕 振动刀痕 到适当的切屑厚度
如何找出原因: 切削力 强度 走刀量
工件夹持 切宽 接柄
刀具结合 切深 刀盘 刀具几何设计 刀盘的原因
机床刚性 几何设计 刀片锋利度
切入角 机床刚性 齿距
刀刃的锋利度 被加工件变形量大
在切削加工中,刀具的破损在所难免,但是刀具破损的原因却有很多,每种如何找出原因:
破损代表的原因却是不同的,刀具破损的种类分为:缺口、切深处缺口、热裂痕、 4
废削刃口堆积、月牙洼、后刀面磨损、多种原因引起的断裂
造成刀具破损的原因 刚度不强 刀刃的锋利度差 材质不适合切削被加工件 速度太快 吃刀量太大
造成切深处缺口的原因 刀具的几何尺寸设计不合理
材质不适合切削被加工件 吃刀量太大 速度太快 刀刃的锋利度太差 机床程序设置不正确
造成热裂痕的原因 冷却液冷却不充分 材质不恰当,承受不了这么 大的温度
在刃口废削堆积使温度不能及时散发
造成刃口堆积的原因 速度设置不当 吃刀量太大 冷却不充分 槽型设计不当
刃口不够锋利,不能更快切削和排
削
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造成月牙洼的原因 材质太软 速度太快 吃刀量太大 造成后刀面磨损的原因 速度太快 吃刀量大 材质易磨损 后角角度设计不正确,造成排削不畅
刀具的设计是一个不断完善和更新的过程,没有一个刀具设计人员能够说可以一次性把切削刀具设计得恰到好处,设计出刀具后在试加工的过程中要不断针对以上的情况更改刀具的材质、涂层、角度参数等等。只有不断地改进,才可以最后确定最佳的刀具参数!设计固然重要,但是在使用过程中的参数设置也是影响刀具使用寿命及切削性能的关键因素。
每一种刀具在加工时首先要计算加工时的参数,比如转速、进给速度、吃刀量等等,如果这些参数设置不当那么再好的刀具也不能达到很好的切削效果! 线速度和转速计算公式如下:
切削速度Vc——是刀具切削刃上的某一点相对于待加工表面在主动动方向上的瞬时速度.(cutting speed)也是说线速度
线速度计算公式:
Vc(m/min)=π(圆周率3.14)×D(刀具直径mm)×
N(刀具转速r/min)÷1000 转速计算公式:
N(r/min)=1000×Vc(m/min)÷π(3.14)×D(mm)
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怎样设定垂直吃刀深度:
切削深度ap:在工艺系统刚性和机床功率允许的条件下,可选取较大的切削深度,以减少进给次数。当工件的精度要求较高时,则应考虑留有精加工余量,一般为0.1~0.5mm。
切削深度ap计算公式:
ap=( dw待加工表面外圆直径mm - dm已完成加工后的表面外圆直径mm) ÷2
进给速度:进给速度是指单位时间内,刀具沿进给方向移动的距离,单位为mm/min
进给速度F的计算:
F(mm/min)= N(刀具转速r/min)×Z(刀具齿数)×fz(每齿切削深度)
首先一点,切削速度不是机床主轴转速。它们之间的关系是:切削速度Vc=(3.14×刀具直径D×机床转速n) ÷1000,单位是 米/分钟。切削速度是指刀具切削刃上一点相对于工件的移动速度,切削刃上一点移动越快,切削速度越快。 进给速度是指工件在单位时间里相对于刀具切削刃的移动距离,相当于单位时间里刀具需要移动的距离,它们的关系是:进给速度F=机床转速n×刀具齿数Z×每齿切削深度fz,单位是毫米/分钟。这两个参数的合理搭配对刀具的使用寿命和切削效果致关重要!
动能部 孟健灯
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南京德邦金属装备工程有限公司 邱庆军
压力容器常用不锈钢焊接技术
目录
不锈钢简介.......................................................................................................................................1
1、 压力容器常用不锈钢及其焊接性...................................................................................1
1.1 奥氏体不锈钢及其焊接性................................................................................................1
1.2. 铁素体不锈钢及其焊接性...............................................................................................2
1.3. 马氏体不锈钢及其焊接性...............................................................................................2
1.4.双相不锈钢及其焊接性..................................................................................................3
2、 压力容器用不锈钢焊材选用...........................................................................................4
2.1. 奥氏体不锈钢焊材选用...................................................................................................4
2.2. 铁素体不锈钢焊材选用...................................................................................................5
2.3.马氏体不锈钢焊材选用.....................................................................................................6
2.4. 双相不锈钢焊材选用.......................................................................................................7
3、 压力容器用不锈钢焊接要点及热处理...........................................................................7
3. 1.奥氏体不锈钢的焊接........................................................................................................7
3. 1.1奥氏体不锈钢焊接要点.........................................................................................7
3.1.2 奥氏体不锈钢焊后热处理.....................................................................................8
3.2. 铁素体不锈钢的焊接.......................................................................................................8
3.2.1 铁素体不锈钢的焊接要点.....................................................................................8
3.2.2铁素体不锈钢焊后热处理......................................................................................9
3.3. 马氏体不锈钢的焊接及焊后热处理...............................................................................9
3.4. 双相不锈钢的焊接.........................................................................................................10
3.4.1. 焊接热过程的控制..............................................................................................10
3.4.2.双相不锈钢焊后热处理........................................................................................10
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不锈钢简介
所有金属都和大气中的氧气进行反应,在表面形成氧化膜。不幸的是,在普通碳钢上形成的氧化铁继续进行氧化,使锈蚀不断扩大,最终形成孔洞。可以利用油漆或耐氧化的金属(例如,锌,镍和铬)进行电镀来保证碳钢表面,但是,正如人们所知道的那样,这种保护仅是一种薄膜。如果保护层被破坏,下面的钢便开始锈蚀。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。又称不锈耐酸钢。
实际应用中,常将耐弱腐蚀介质腐蚀的钢称为不锈钢,而将耐化学介质腐蚀的钢称为耐酸钢。由于两者在化学成分上的差异,前者不一定耐化学介质腐蚀,而后者则一般均具有不锈性。不锈钢的耐蚀性取决于钢中所含的合金元素。铬是使不锈钢获得耐蚀性的基本元素,当钢中含铬量达到12%左右时,铬与腐蚀介质中的氧作用,在钢表面形成一层很薄的氧化膜( 自钝化膜),可阻止钢的基体进一步腐蚀。除铬外,常用的合金元素还有镍、钼、钛、铌、铜、氮等,以满足各种用途对不锈钢组织和性能的要求。
1、 压力容器常用不锈钢及其焊接性
压力容器常用不锈钢按其钢的组织不同可分为四类,即奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体一铁素体双相不锈钢。
1.1 奥氏体不锈钢及其焊接性
奥氏体不锈钢含铬大于18%,还含有 8%左右的镍及少量钼、钛、氮等元素。综合性能好,可耐多种介质腐蚀,是应用最广泛的不锈钢,以高Cr-Ni型最为普遍。目前奥氏体不锈钢大致可分为Cr18-Ni8型、Cr25-Ni20型、Cr25-Ni35型。奥氏体不锈钢有以下焊接特点: ① 焊接热裂纹 奥氏体不锈钢由于其热传导率小,线膨胀系数大,因此在焊接过程中,焊接接头部位的高温停留时间较长,焊缝易形成粗大的柱状晶组织,在凝固结晶过程中,若硫、磷、锡、锑、铌等杂质元素含量较高,就会在晶间形成低熔点共晶,在焊接接头承受较高的拉应力时,就易在焊缝中形成凝固裂纹,在热影响区形成液化裂纹,这都属于焊接热裂纹。防止热裂纹最有效的途径是降低钢及焊材中易产生低熔点共晶的杂质元素和使铬镍奥氏体不锈钢中含有4% ~ 12%的铁素体组织。
② 晶间腐蚀 根据贫铬理论,在晶间上析出碳化铬,造成晶界贫铬是产生晶间腐蚀的主要原因。为此,选择超低碳焊材或含有铌、钛等稳定化元素的焊材是防止晶间腐蚀的主要措施。
③ 应力腐蚀开裂 应力腐蚀开裂通常表现为脆性破坏,且发生破坏的过程时间短,因此危害严重。造成奥氏体不锈钢应力腐蚀开裂的主要原因是焊接残余应力。焊接接头的组织变
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化或应力集中的存在,局部腐蚀介质浓缩也是影响应力腐蚀开裂的原因。
④ 焊接接头的σ相脆化 σ相是一种脆硬的金属间化合物,主要析集于柱状晶的晶界。γ相和δ相都可发生σ相转变。比如对于Cr25Ni20型焊缝在800℃ ~ 900℃加热时,就会发生强烈的γ→δ转变。对于铬镍型奥氏体不锈钢,特别是铬镍钼型不锈钢,易发生δ→σ相转变,这主要是由于铬、钼元素具有明显的σ化作用,当焊缝中δ铁素体含量超过12%时,δ→σ的转变非常显著,造成焊缝金属的明显的脆化,这也就是为什么热壁加氢反应器内壁堆焊层将δ铁素体含量控制在3%~10%的原因。
1.2. 铁素体不锈钢及其焊接性
铁素体不锈钢含铬12%~30%。其耐蚀性、韧性和可焊性随含铬量的增加而提高 , 耐氯化物应力腐蚀性能优于其他种类不锈钢。分为普通铁素体不锈钢和超纯铁素体不锈钢两大类,其中普通铁素体不锈钢有Cr12 ~ Cr14型,如00Cr12、0Cr13Al;Cr16 ~ Cr18型,如1Cr17Mo;Cr25 ~ 30型。
由于普通铁索体不锈钢中的碳、氮含量较高,故加工成形及焊接都较困难,耐蚀性也难以保证,使用受到限制,在超纯铁素体不锈钢中严格控制了钢中的碳和氮总量,一般控制在0.035% ~ 0.045%、0.030%、0.010% ~ 0.015%三个层次,同时还加入必要的合金元素以进一步提高钢的耐腐蚀性和综合性能。与普通铁素体不锈钢相比,超纯高铬铁素体不锈钢具有很好的耐均匀腐蚀、点蚀及应力腐蚀性能,较多的应用于石化设备中。铁素体不锈钢有以下焊接特点:
① 焊接高温作用下,在加热温度达到1000℃以上的热影响区特别在近缝区的晶粒会急剧长大,焊后即使快速冷却,也无法避免因晶粒粗大化引起的韧性急剧下降及较高的晶间腐蚀倾向。
② 铁素体钢本身含铬量较高,有害元素碳、氮、氧等也较多,脆性转变温度较高,缺口敏感性较强。因此,焊后脆化现象较为严重。
③ 在400℃ ~ 600℃长时间加热缓冷时,会出现475℃脆化,使常温韧性严重下降。在550℃ ~ 820℃长时间加热后,则容易从铁素体中析出σ相,也明显降低其塑、韧性。
1.3. 马氏体不锈钢及其焊接性
马氏体不锈钢是一类可以通过热处理(淬火、回火)对其性能进行调整的不锈钢,通俗地讲,是一类可硬化的不锈钢。这种特性决定了这类钢必须具备两个基本条件:一是在平衡相图中必须有奥氏体相区存在,在该区域温度范围内进行长时间加热,使碳化物固溶到钢中之后,进行淬火形成马氏体,也就是化学成分必须控制在γ或γ+α相区,二是要使合金形成
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耐腐蚀和氧化的钝化膜,铬含量必须在10.5%以上。按合金元素的差别,可分为马氏体铬不锈钢和马氏体铬镍不锈钢
马氏体不锈钢强度高,但塑性和可焊性较差。马氏体不锈钢可分为Cr13型马氏体不锈钢、低碳马氏体不锈钢和超级马氏体不锈钢。Cr13型具有一般抗腐蚀性能,从Cr12为基的马氏体不锈钢,因加入镍、钼、钨、钒等合金元素,除具有一定的耐腐蚀性能,还具有较高的高温强度及抗高温氧化性能。
马氏体不锈钢的焊接特点:
马氏体不锈钢能在退火、硬化和硬化与回火的状态下焊接,无论钢材的原先状态如何,经过焊接后都会在邻近焊道处产生一硬化的马氏体区,热影响区的硬度主要是取决于母材金属的碳含量,当硬度增加时,则韧性减少,且此区域变成较易产生龟裂、预热和控制层间温度,是避免龟裂的最有效方法,为得最佳的性质,需焊后热处理。
Cr13型马氏体不锈钢焊缝和热影响区的淬硬倾向特别大,焊接接头在空冷条件下便可得到硬脆的马氏体,在焊接拘束应力和扩散氢的作用下,很容易出现焊接冷裂纹。当冷却速度较小时,近缝区及焊缝金属会形成粗大铁素体及沿晶析出碳化物,使接头的塑、韧性显著降低;低碳及超级马氏体不锈钢的焊缝和热影响区冷却后,虽然全部转变为低碳马氏体,但没有明显的淬硬现象,具有良好的焊接性能。
1.4.双相不锈钢及其焊接性
所谓双相不锈钢是在其固溶组织中铁素体相与奥氏体相约各占一半,一般量少相的含量也需要达到30%。实际中多以奥氏体为基并含有不小于30%的铁素体。在含C较低的情况下,Cr含量在18%~28%,Ni含量在3%~10%。有些钢还含有Mo、Cu、Nb、Ti,N等合金元素。
双相不锈钢由于具有奥氏体+铁素体双相组织,且两个相组织的含量基本相当,故兼有奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的特点。屈服强度可达400Mpa ~ 550MPa,是普通奥氏体不锈钢的2倍。与铁素体不锈钢相比,双相不锈钢的韧性高,脆性转变温度低,耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高;同时又保留了铁素体不锈钢的一些特点,如475℃脆性、热导率高、线膨胀系数小,具有超塑性及磁性等。与奥氏体不锈钢相比,双相不锈钢的强度高,特别是屈服强度显著提高,且耐孔蚀性、耐应力腐蚀、耐腐蚀疲劳等性能也有明显的改善。
双相不锈钢按其化学成分分类,可分为Cr18型、Cr23(不含Mo)型、Cr22型和Cr25型四类。对于Cr25型双相不锈钢又可分为普通型和超级双相不锈钢,其中近年来应用较多的是Cr22型和Cr25型。我国采用的双相不锈钢以瑞典产居多,具体牌号有:3RE60(Cr18型),SAF2304
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(Cr23型),SAF2205 (Cr22型),SAF2507(Cr25型)。
双相不锈钢的焊接特点:1、有良好的焊接性,不预热,不热处理,均不会出现焊接裂纹。2、 无Ni或低Ni双相不锈钢热影响区有单相铁素体及晶粒粗化的倾向。3、 双相不锈钢中铁素体点的比例很大,因此也会出现475℃脆化现象。4、 高铬双相不锈钢中将产生显著的σ相析出脆化现象。
2、 压力容器用不锈钢焊材选用
2.1. 奥氏体不锈钢焊材选用
奥氏体不锈钢焊材的选择原则是在无裂纹的前提下,保证焊缝金属的耐蚀性能及力学性能与母材基本相当,或高于母材,一般要求其合金成分大致与母材成分匹配。对于耐蚀的奥氏体不锈钢,一般希望含一定量的铁素体,这样既能保证良好的抗裂性能,又能有很好的抗腐蚀性能。但在某些特殊介质中,如尿素设备的焊缝金属是不允许有铁素体存在的,否则就会降低其耐蚀性。对耐热用奥氏体钢,应考虑对焊缝金属内铁素体含量的控制。对于长期在高温运行的奥氏体钢焊件,焊缝金属内铁素体含量不应超过5%。可根据图1(Schaeffler图),按焊缝金属中的铬当量和镍当量估计出相应的铁素体含量。
图1 综上可知奥氏体不锈钢具有良好的焊接性,常用的熔焊方法都能进行焊接。但是由于电渣焊热过程的特点,会使接头的耐晶间腐蚀能力降低,并且在熔合线附近易产生严重的刀状腐蚀,因此极少应用。气体保护CO2焊由于CO2气体的强烈氧化性,使合金元素烧损严重,所以也没有得到推广应用,目前实用的焊接方法是手弧焊、埋弧焊和氩弧焊,使用这些方法焊接时焊接材料的选用,见表1
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表1 奥氏体不锈钢焊接时焊接材料的选用 手 弧 焊
钢 号
焊 条
焊 丝
型 号
E0-19-10-16 R0-19-10-15
1Cr18Ni9Ti
E0-19-10Nb-16 R0-19-10Nb-15 E0-19-10-16
0Cr19Ni9
R0-19-10-15 E0-19-10Nb-16
0Cr18Ni9Ti
R0-19-10Nb-15 E0-19-10Nb-16
0Cr18Ni9Ti
R0-19-10Nb-15
00Cr18Ni10N 00Cr19Ni11
E00-19-10-16 E00-19-10-16 E0-18-12Mo2-16
0Cr17Ni12Mo2
E0-18-12Mo2-15 E00-18-12Mo2-16
0Cr18Ni12Mo2Ti
E00-18-12Mo2Nb-16
0Cr19Ni13Mo3
E0-19-13Mo3-16
A212 A242 A022
0Cr18Ni12Mo3Ti
E0-18-12MoNb-16
A212
00Cr17Ni14Mo2
E00-18-12Mo2-16
A022
H0Cr20Ni14Mo3
HJ260
H0Cr20Ni14Mo3
H0Cr20Ni14Mo3
HJ260
H0Cr20Ni14Mo3
—
—
—
A207 A022
H00Cr19Ni12Mo2
HJ260
H00Cr19Ni12Mo2
A137 A002 A002 A202
H00Cr19Ni12Mo2
HJ260
H00Cr19Ni12Mo2
H00Cr21Ni10
—
HJ260 —
H00Cr21Ni10
—
A137 A132
—
—
—
A107 A132
H0Cr20Ni10Ti
HJ260
H0Cr20Ni10Ti
A132 A137 A102
—
—
—
牌 号 A102 A107
H0Cr20Ni10Ti
HJ260
H0Cr20Ni10Ti
焊 剂
焊 丝
埋 弧 焊
氩 弧 焊
2.2. 铁素体不锈钢焊材选用
铁素体不锈钢焊材基本上有三类:1)成分基本与母材匹配的焊材;2)奥氏体焊材;3)镍基合金焊材,由于其价格较高,故很少选用。
铁素体不锈钢焊材可采用与母材相当的材料,但在拘束度大时,很容易产生裂纹,焊后可采用热处理,恢复耐蚀性能,并改善接头塑性。采用奥氏体焊材可免除预热和焊后热处理,
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但对于不含稳定元素的各种钢,热影响区的敏化仍然存在,常用309型和310型铬镍奥氏体焊材。对于Cr17钢,也可用308型焊材,合金含量高的焊材有利于提高焊接接头塑性。奥氏体或奥氏体一铁素体焊缝金属基本与铁素体母材等强,但在某些腐蚀介质中,焊缝的耐蚀性可能与母材有很大的不同,这一点在选择焊材时要注意。常用材料及焊材如表2:
表2 焊接铁素体不锈钢用焊条
钢种
对接头性能要求
选用焊条
型号 E0-17-16 E0-17-15 E0-19-10-15
提高焊缝塑性
E0-18-12Mo2-15
抗氧化性 提高焊缝塑性
E1-23-13-15 E2-26-21-16 E2-26-21-15
牌号 G302 G307 A107 A207 A307 A402 A407
不预热,焊后760~780℃回火 不预热,不热处理不预热,不热处理预热及焊后热处
理
焊前预热120~200℃,焊后750~
800℃回火
1Cr17 Cr17Ti Cr17 0Cr17Ti 1Cr17Mo2Ti 1Cr25Ti 1Cr28 1Cr28Ti
耐硝酸及耐热
2.3.马氏体不锈钢焊材选用
在不锈钢中,马氏体不锈钢是可以利用热处理来调整性能的,因此,为了保证使用性能的要求,特别是耐热用马氏体不锈钢,焊缝成分应尽量接近母材的成分。为了防止冷裂纹,也可采用奥氏体焊材,这时的焊缝强度必然低于母材。
焊缝成分同母材成分相近时,焊缝和热影响区将会同时硬化变脆,同时在热影响区中出现回火软化区。为了防止冷裂,厚度3mm以上的构件往往要进行预热,焊后也往往需要进行热处理,以提高接头性能,由于焊缝金属与母材的热膨胀系数基本一致,经热处理后有可能完全消除焊接应力。
当工件不允许进行预热或热处理时,可选择奥氏体组织焊缝,由于焊缝具有较高的塑性和韧性,能松弛焊接应力,并且能较多地固溶氢,因而可降低接头的冷裂倾向,但这种材质不均匀的接头,由于热膨胀系数不同,在循环温度的工作环境下,在熔合区可能产生剪应力,而导致接头破坏。
对于简单的Cr13型马氏体钢,不采用奥氏体组织的焊缝时,焊缝成分的调整余地不多,一般都和母材基体相同,但必须限制有害杂质S、P及Si等,Si在Cr13型马氏体钢焊缝中可促使形成粗大的马氏体。降低含C量,有利于减小淬硬性,焊缝中存在少量Ti、N或Al等元素,也可细化晶粒并降低淬硬性。
对于多组元合金化的Cr12基马氏体热强钢,主要用途是耐热,通常不用奥氏体焊材,
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焊缝成分希望接近母材。在调整成分时,必须保证焊缝不致出现一次铁素体相,因它对性能十分有害,由于Cr13基马氏体热强钢的主要成分多为铁素体元素(如Mo、Nb、W、V等),为保证全部组织为均一的马氏体,必须用奥氏体元素加以平衡,也就是要有适当的C、Ni、Mn、N等元素。
马氏体不锈钢具有相当高的冷裂倾向,因此必须严格保持低氢,甚至超低氢,在选择焊材时,必须要注意这一点。
2.4. 双相不锈钢焊材选用
双相不锈钢用的焊材,其特点是焊缝组织为奥氏体占优的双相组织,主要耐蚀元素(铬、钼等)含量与母材相当,从而保证与母材相当的耐蚀性。为了保证焊缝中奥氏体的含量,通常是提高镍和氮的含量,也就是提高约2% ~ 4%的镍当量。在双相不锈钢母材中,一般都有一定量的氮含量,在焊材中也希望有一定的含氮量,但一般不宜太高,否则会产生气孔。这样镍含量较高就成了焊材与母材的一个主要区别。
根据耐腐蚀性、接头韧性的要求不同来选择与母材化学成分相匹配的焊条,如焊接Cr22型双相不锈钢,可选用Cr22Ni9Mo3型焊条,如E2209焊条。采用酸性焊条时脱渣优良,焊缝成形美观,但冲击韧性较低,当要求焊缝金属具有较高的冲击韧性,并需进行全位置焊接时,应采用碱性焊条。当根部封底焊时,通常采用碱性焊条。当对焊缝金属的耐腐蚀性能具有特殊要求时,还应采用超级双相钢成分的碱性焊条。
对于实心气体保护焊焊丝,在保证焊缝金属具有良好耐腐蚀性与力学性能的同时,还应注意其焊接工艺性能;对于药芯焊丝,当要求焊缝成形美观时,可采用金红石型或钛钙型药芯焊丝,当要求较高的冲击韧度或在较大的拘束度条件下焊接时,宜采用碱度较高的药芯焊丝。在实际生产中采用氩气保护时通常添加一定量的氮气以确保奥氏体的含量。
对于埋弧焊宜采用直径较小的焊丝,实现中小焊接规范下的多层多道焊,以防止焊接热影响区及焊缝金属的脆化,并采用配套的碱性焊剂。
3、 压力容器用不锈钢焊接要点及热处理
3. 1.奥氏体不锈钢的焊接
3. 1.1奥氏体不锈钢焊接要点
总的来说,奥氏体不锈钢具有优良的焊接性。几乎所有的熔化焊接方法均可用于焊接奥氏体不锈钢,奥氏体不锈钢的热物理性能和组织特点决定了其焊接工艺要点。
① 由于奥氏体不锈钢导热系数小而热膨胀系数大,焊接时易于产生较大的变形和焊接应力,因此应尽可能选用焊接能量集中的焊接方法。
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② 由于奥氏体不锈钢导热系数小,在同样的电流下,可比低合金钢得到较大的熔深。同时又由于其电阻率大,在焊条电弧焊时,为了避免焊条发红,与同直径的碳钢或低合金钢焊条相比,焊接电流较小。
③ 焊接规范。一般不采用大线能量进行焊接 。焊条电弧焊时,宜采用小直径焊条,快速多道焊,对于要求高的焊缝,甚至采用浇冷水的方法以加速冷却,对于纯奥氏体不锈钢及超级奥氏体不锈钢,由于热裂纹敏感性大,更应严格控制焊接线能量,防止焊缝晶粒严重长大与焊接热裂纹的发生。
④ 为提高焊缝的抗热裂性能和耐蚀性能,焊接时,要特别注意焊接区的清洁,避免有害元素渗入焊缝。
⑤ 奥氏体不锈钢焊接时一般不需要预热。为了防止焊缝和热影响区的晶粒长大及碳化物的析出,保证焊接接头的塑、韧性和耐蚀姓,应控制较低的层间温度,一般不超过150℃。
3.1.2 奥氏体不锈钢焊后热处理
奥氏体不锈钢焊缝区不一定都强调焊后热处理,一般固溶处理要在1100~1150 ℃范围内保温一定时间后急冷, 三分钟内要完成925~540℃温度范围的冷却, 在继续快冷到425 ℃以下; 稳定化处理要在850~880 ℃温度范围内保温几小时后空冷。预期的焊后热处理效果, 同热处理全过程的各个关键工艺参数(如进炉温度、升温速度、升温过程中工件各部位的温差、炉内气氛、保温时间、保温过程中各部位的温差、降温速度、出炉温度等) 紧密相连。对用于可能引起晶间腐蚀环境的奥氏体不锈钢容器, 一般零部件的固溶处理或稳定化处理可以实现。而对整台容器(多为换热器) 焊缝进行焊后热处理将面临重重困难。这类处理不是局部的焊后热处理,而是整个焊接部件或整台容器焊后热处理。由于大多数化工容器的结构形状复杂(比如我们常用的管壳式换热器) 。如果要求对整台管壳式换热器焊缝区焊后固溶或稳定化处理, 上述的关键工艺参数根本得不到控制,更谈不上保证焊后热处理质量。即便处理也往往弄巧成拙, 不仅焊缝组织结构未能得到改善, 母材组织结构反而遭到不应有的恶化。因此,即使用于晶间腐蚀环境的奥氏体不锈钢制的化工容器,90 %以上仍为焊后态使用,而不是焊后热处理态使用。所以对于焊接过程中要严格按上述要点进行操作,以确保产品质量。
3.2. 铁素体不锈钢的焊接
3.2.1 铁素体不锈钢的焊接要点
铁素体不锈钢的铁素体形成元素相对较多,奥氏体形成元素相对较少,材料淬硬和冷裂倾向较小。铁素体不锈钢在焊接热循环的作用下,热影响区晶粒明显长大,接头的韧性和塑
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性急剧下降。热影响区晶粒长大的程度取决于焊接时所达到的最高温度及其保持时间,为此,在焊接铁素体不锈钢时,应尽量采用小的线能量,即采用能量集中的方法,如小电流TIG、小直径焊条手工焊等,同时尽可能采用窄间隙坡口、高的焊接速度和多层焊等措施,并严格控制层间温度。
普通高铬铁素体不锈钢可采用焊条电弧焊、气体保护焊、埋弧焊等熔焊方法。由于高铬钢固有的低塑性,以及焊接热循环引起的热影响区晶粒长大和碳化物、氮化物在晶界集聚,焊接接头的塑性和韧性都很低。在采用与母材化学成分相似的焊材且拘束度大时,很易产生裂纹。为了防止裂纹,改善接头塑性和耐蚀性,以焊条电弧焊为例,可以采取下列工艺措施。 ① 预热100 ~ 150℃左右,使材料在富有韧性的状态下焊接。含铬越高,预热温度应越高。 ② 采用小的线能量、不摆动焊接。多层焊时,应控制层间温度不高于150℃,不宜连续施焊,以减小高温脆化和475℃脆性影响。
3.2.2铁素体不锈钢焊后热处理
由于焊接热循环的作用,一般铁素体不锈钢在热影响区的高温区产生敏化,在某些介质中产生晶间腐蚀。焊后经700~850℃退火处理,使铬均匀化,可恢复其耐蚀性。由于碳化物球化和铬分布均匀,可恢复耐蚀性,并改善接头塑性。退火后应快冷,防止出现σ相及475℃脆性。
3.3. 马氏体不锈钢的焊接及焊后热处理
对于Cr13型马氏体不锈钢,当采用同材质焊条进行焊接时,为了降低冷裂纹敏感性,确保焊接接头塑、韧性,应选用低氢型焊条并同时采取下列措施:
① 预热。预热温度随钢材含碳量的增加而提高,一般在100℃ ~ 350℃范围内。
② 后热。对于含碳量较高或拘束度大的焊接接头,焊后采取后热措施,以防止焊接氢致裂纹。
③ 焊后热处理。为改善焊接接头塑、韧性和耐蚀性,焊后热处理温度一般为650℃ ~ 750℃,保温时间按1h / 25mm计。
对于超级及低碳马氏体不锈钢,一般可不采取预热措施,当拘束度大或焊缝中含氢量较高时,采取预热及后热措施,预热温度一般为100℃ ~ 150℃,焊后热处理温度为590 ~ 620℃。
对于含碳量较高的马氏体钢。或在焊前预热、焊后热处理难以实施,以及接头拘束度较大的情况下,工程中也可用奥氏体型的焊材,以提高焊接接头的塑、韧性,防止产生裂纹。但此时焊缝金属为奥氏体组织或以奥氏体为主的组织时,与母材强度相比实为低强匹配,而
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且焊缝金属与母材在化学成分、金相组织、热物理性能、力学性能差别很大,焊接残余应力不可避免,容易引发应力腐蚀或高温蠕变破坏。
3.4. 双相不锈钢的焊接
3.4.1. 焊接热过程的控制
焊接线能量、层间温度、预热及材料厚度等都会影响焊接时的冷却速度,从而影响到焊缝和热影响区的组织和性能。冷却速度太快和太慢都会影响到双相钢焊接接头的韧性和耐腐蚀性能。冷却速度太快时会引起过多的α相含量以及Cr2N的析出增加。过慢的冷却速度会引起晶粒严重粗大,甚至有可能析出一些脆性的金属间化合物,如σ相。表3列出了一些推荐的焊接线能量和层间温度的范围。在选择线能量时还应考虑到具体的材料厚度,表中线能量的上限适合于厚板,下限适合于薄板。在焊接合金含量高的ω(Cr)为25 % 的双相钢和超级不锈钢时,为获得最佳的焊缝金属性能,建议最高层间温度控制在100℃。当焊后要求热处理时可以不限制层间温度。 表3 推荐选用的双相钢线能量和层间温度
钢材类型
Cr23 %无Mo双相钢
Cr22 %双相钢
Cr25 %(Cu0 ~ 2.5 %)双相钢
Cr25 %超级双相钢
3.4.2.双相不锈钢焊后热处理 线能量/ (kJ/cm) 5 ~ 25 5 ~ 25 2 ~ 15 2 ~ 15 最高层间温度/℃ 150 ~ 200 125 ~ 200 100 ~ 150 100 ~ 150
双相不锈钢焊后最好不进行热处理,但当焊态下α相含量超过了要求或析出了有害相,如σ相时,可采用焊后热处理来改善。所用的热处理方法是水淬。热处理时加热应尽可能快,在热处理温度下的保温时间为5 ~ 30min,应该足以恢复相的平衡。在热处理时金属的氧化非常严重,应考虑采用惰性气体保护。对于ω(Cr)为22 % 的双相钢应在1050℃ ~ 1100℃温度下进行热处理,而ω(Cr)为25 % 的双相钢和超级双相钢要求在1070℃ ~ 1120℃温度下进行热处理。
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