5焊接工艺不锈钢的焊接.pptx
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1、第十章 不锈钢的焊接 本章讲述要点:慨述不锈钢的焊接性不锈钢的焊接工艺奥氏体不锈钢典型结构的焊接工艺异种钢焊接不锈钢焊接接头的宏观照片不锈钢焊接接头的宏观照片YAG-MAGYAG-MAG激光电弧复合焊激光电弧复合焊第一节第一节 不锈钢及耐热钢的分类及特性不锈钢及耐热钢的分类及特性一、不锈钢的基本定义一、不锈钢的基本定义 不不锈锈钢钢的的定定 义义 原义原义 型型 习惯习惯 型型 广义广义 型型 仅指在无污染的大气仅指在无污染的大气环境中能够不生锈的钢环境中能够不生锈的钢 指原义型含义不锈钢与能耐指原义型含义不锈钢与能耐 酸腐蚀的耐酸不锈钢的统称酸腐蚀的耐酸不锈钢的统称 泛指耐蚀钢和耐热钢,统称
2、泛指耐蚀钢和耐热钢,统称为不锈钢为不锈钢Stainless SteelsStainless Steels不不锈锈钢钢不锈钢是耐蚀和耐不锈钢是耐蚀和耐 热高合金钢的统称。热高合金钢的统称。不锈钢通常含有不锈钢通常含有CrCrw wCr12%Cr12%、NiNi、MnMn、MoMo等元素,等元素,具有良好的耐腐蚀性、具有良好的耐腐蚀性、耐热性和较好的力学耐热性和较好的力学性能,性能,适于制造要求耐腐蚀、适于制造要求耐腐蚀、抗氧化、耐高温和超抗氧化、耐高温和超低温的零部件和设备低温的零部件和设备二、不锈钢及耐热钢的分类二、不锈钢及耐热钢的分类按主要按主要化学成化学成 分分类分分类 铬锰氮铬锰氮 不锈
3、钢不锈钢 铬镍铬镍不锈钢不锈钢 铬铬不锈钢不锈钢 指指CrCr的质量分数介于的质量分数介于12%12%30%30%之间的不锈之间的不锈钢,其基本类型为钢,其基本类型为Cr13Cr13型型 CrCr的质量分数介于的质量分数介于12%12%30%30%,NiNi的质量分数介于的质量分数介于6%6%12%12%和和含其他少量元素的钢种,基含其他少量元素的钢种,基本类型为本类型为Cr18Ni9Cr18Ni9钢钢 属于节镍型奥氏体不锈钢,化学属于节镍型奥氏体不锈钢,化学成分中局部镍被锰、氮替代,可成分中局部镍被锰、氮替代,可减少镍的含量减少镍的含量如如1Cr18Mn8Ni5N1Cr18Mn8Ni5N、1
4、Cr18Mn6Ni5N1Cr18Mn6Ni5N 按按用用途途分分类类 超低碳超低碳Cr-NiCr-Ni钢钢(如如00Cr25Ni22Mo200Cr25Ni22Mo2、00Cr22Ni5Mo3N)00Cr22Ni5Mo3N)等等低碳低碳Cr-NiCr-Ni钢如钢如0Cr19Ni90Cr19Ni9、1Cr18Ni9Ti1Cr18Ni9Ti 高高CrCr钢如钢如1Cr131Cr13、2Cr132Cr13 不不锈钢锈钢 抗氧抗氧 化钢化钢 热热强钢强钢 高高CrCr钢如钢如1Cr171Cr17、1Cr25Si21Cr25Si2 Cr-NiCr-Ni钢如钢如1Cr18Ni9Ti1Cr18Ni9Ti、1C
5、r16Ni25Mo61Cr16Ni25Mo6、4Cr25Ni204Cr25Ni20、4Cr25Ni344Cr25Ni34等等 Cr-NiCr-Ni钢钢如如2Cr25Ni202Cr25Ni20、2Cr25Ni20Si22Cr25Ni20Si2 以以Cr12Cr12为基的多元合金化为基的多元合金化 高高CrCr钢如钢如1Cr12MoWV1Cr12MoWV 包括大气环境下及有浸蚀性化学介质包括大气环境下及有浸蚀性化学介质中使用的钢,工作温度一般不超过中使用的钢,工作温度一般不超过500,要求耐腐蚀,对强度要求不,要求耐腐蚀,对强度要求不高高。在高温下具有抗氧化性能的钢,它对在高温下具有抗氧化性能的钢
6、,它对高温强度要求不高。工作温度可高达高温强度要求不高。工作温度可高达9001100。在高温下既要有抗氧化能力,又要具在高温下既要有抗氧化能力,又要具有一定的高温强度,工作温度可高达有一定的高温强度,工作温度可高达600800。按组织按组织分类分类 奥氏体钢奥氏体钢 铁素体钢铁素体钢 马氏体钢马氏体钢 铁素体奥铁素体奥 氏体双相钢氏体双相钢 18-8:0Cr19Ni918-8:0Cr19Ni9、1Cr18Ni9Ti(18-8Ti)1Cr18Ni9Ti(18-8Ti)25-20:2Cr25Ni20Si225-20:2Cr25Ni20Si2、4Cr25Ni20 4Cr25Ni20 25-35:0C
7、r21Ni3225-35:0Cr21Ni32、4Cr25Ni35 4Cr25Ni35 沉淀沉淀硬化钢硬化钢 1Cr171Cr17、1Cr25Si21Cr25Si2 000Cr30Mo2 000Cr30Mo2 Cr13Cr13、2Cr132Cr13、3Cr133Cr13、4Cr134Cr13及及1Cr17Ni12 1Cr17Ni12、1Cr12MoWV 1Cr12MoWV 00Cr18Ni5Mo3Si200Cr18Ni5Mo3Si2、0Cr25Ni5Mo3N0Cr25Ni5Mo3N、00Cr22Ni5Mo3N00Cr22Ni5Mo3N 0Cr17Ni4Cu4Nb 0Cr17Ni4Cu4Nb,简称
8、,简称17-4PH 17-4PH 0Cr17Ni7Al0Cr17Ni7Al,简称,简称17-7PH17-7PH 按室温组织分类按室温组织分类GB/T 20878-2007 不锈钢和耐热钢不锈钢和耐热钢 牌号及化学成分牌号及化学成分1)A型不锈钢:基体以面心立方晶体结构的奥氏体组织为主,无磁性,主型不锈钢:基体以面心立方晶体结构的奥氏体组织为主,无磁性,主要通过冷加工使其强化并可能导致一定的磁性的不锈钢。是在高铬不要通过冷加工使其强化并可能导致一定的磁性的不锈钢。是在高铬不锈钢中添加适当的镍镍的质量分数为锈钢中添加适当的镍镍的质量分数为8%25%而形成的具有奥氏体而形成的具有奥氏体组织的不锈钢。
9、它是应用最广的一类,以高组织的不锈钢。它是应用最广的一类,以高Cr-Ni钢最为典型。钢最为典型。固溶态供货,综合性能最好固溶态供货,综合性能最好18-8型:型:1Cr18Ni9Ti 0Cr18Ni825-20型:型:2Cr25Ni20Si2 4Cr25Ni2025-35型:型:4Cr25Ni35 4Cr25Ni35Nb2)F型不锈钢:基体以体心立方晶体结构的铁素体组织为主,有磁性,一般型不锈钢:基体以体心立方晶体结构的铁素体组织为主,有磁性,一般不能通过热处理硬化,但冷加工可使其轻微强化的不锈钢。显微组织为铁不能通过热处理硬化,但冷加工可使其轻微强化的不锈钢。显微组织为铁素体,铬的质量分数在素
10、体,铬的质量分数在11.5%32.0%范围。主要用作耐热钢抗氧化钢,范围。主要用作耐热钢抗氧化钢,也用作耐蚀钢。铁素体钢以退火状态供货。也用作耐蚀钢。铁素体钢以退火状态供货。常为耐蚀钢常为耐蚀钢:1Cr17、1Cr25Si2、000Cr30Mo2 按室温组织分类按室温组织分类3)M型不锈钢:基体为马氏体组织,有磁性,通过热处理可调整其力学性型不锈钢:基体为马氏体组织,有磁性,通过热处理可调整其力学性能的不锈钢。这类钢中铬的质量分数为能的不锈钢。这类钢中铬的质量分数为11.5%18.0%。Cr13系列最为典系列最为典型型,如,如1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13及及1Cr17Ni12
11、,常用作不锈钢。热,常用作不锈钢。热处理对马氏体钢力学性能影响很大,须根据要求规定供货状态,或者是退处理对马氏体钢力学性能影响很大,须根据要求规定供货状态,或者是退火态,或者是淬火回火态。火态,或者是淬火回火态。4)A-F双相型不锈钢:基体兼有奥氏体和铁素体两相组织其中较少双相型不锈钢:基体兼有奥氏体和铁素体两相组织其中较少相的含量一般大于相的含量一般大于15%,有磁性,可通过冷加工使其强化的不锈钢。钢,有磁性,可通过冷加工使其强化的不锈钢。钢中铁素体中铁素体占占60 40,奥氏体,奥氏体占占40 60,故常称为双相不锈钢。这类,故常称为双相不锈钢。这类钢具有极其优异的抗腐蚀性能。钢具有极其优
12、异的抗腐蚀性能。固溶态供货,腐蚀性能最好固溶态供货,腐蚀性能最好 18-5型:型:00Cr18Ni5Mo3Si2;22-5型型:00Cr22Ni5Mo3N 25-5型:型:0Cr25Ni5Mo3N;5)沉淀硬化型不锈钢:基体为奥氏体或马氏体组织,经时效强化处理以形沉淀硬化型不锈钢:基体为奥氏体或马氏体组织,经时效强化处理以形成析出硬化相的高强钢,主要用作高强度不锈钢。成析出硬化相的高强钢,主要用作高强度不锈钢。时效处理态供货时效处理态供货M,A+M 0Cr17Ni4Cu4Nb(17-4PH);0Cr17Ni7Al(17-7PH)第二节第二节 不锈钢的特性不锈钢的特性1.1.不锈钢的物理性能不锈
13、钢的物理性能 一般地说,合金元素含量越多,热导率越小,而线膨胀系数和电阻率越大。马氏体钢和铁素体钢的约为低碳钢的1/2,其与低碳钢大体相当。奥氏体钢的约为低碳钢的1/3,其则比低碳钢大50%,并随着温度的升高,线膨胀系数的数值也相应地提高。由于奥氏体不锈钢这些特殊的物理性能,在焊接过程中会引起较大的焊接变形,特别是在异种金属焊接时,由于这两种材料的热导率和线膨胀系数有很大差异,会产生很大的剩余应力,成为焊接接头产生裂纹的主要原因之一。非奥氏体钢均显现磁性;奥氏体钢中只有25-20型及16-36型奥氏体钢不呈现磁性;18-8型奥氏体钢在退火状态下虽无磁性,在冷作条件能显示出强磁性。2.不锈钢的成
14、分及力学性能不锈钢的成分及力学性能表表3-7 常用不锈钢种的化学成分常用不锈钢种的化学成分(质量分数,质量分数,%)一般常用不锈钢种退火后的最低力学性能一般常用不锈钢种退火后的最低力学性能3.3.不锈钢的不锈钢的耐蚀性能耐蚀性能 应力腐蚀应力腐蚀SCC):不锈钢在特定的腐蚀介质和拉应力作用下出现的低于强度极限的脆性开裂现象。晶间腐蚀:在晶粒边界附近发生的有选择性晶间腐蚀:在晶粒边界附近发生的有选择性 的腐蚀现象。的腐蚀现象。缝隙腐蚀:缝隙腐蚀:在电解液中,如在氯离子环境中,不锈钢间或与异物接触的外表间存在间隙时,缝隙中不锈钢钝化膜吸附Cl而被局部破坏的现象。点腐蚀孔蚀或坑蚀:点腐蚀孔蚀或坑蚀:
15、金属材料外表大局部不腐蚀或腐蚀轻微,而分散发生的局部腐蚀 均匀腐蚀:均匀腐蚀:接触腐蚀介质的金属外表全部产生腐蚀的现象(4)晶间腐蚀 在晶粒边界附近发生的有选择性的腐蚀现象。受这种腐蚀的设备或零件,外观虽呈金属光泽,但因晶粒彼此间已失去联系,敲击时已无金属的声音,钢质变脆。晶间腐蚀多半与晶界层“贫铬现象有联系。18-8奥氏体不锈钢在450850加热敏化加热时,由于沿晶界沉淀出铬的碳化物Cr23C6,致使晶界边界层Cr低于12%,形成贫Cr区,在腐蚀介质中即可沿晶粒边界发生所谓晶间腐蚀(Inter-granular corrosion)。现已证明,假设钢中含碳量低于其溶解度,C20%即可产生一般
16、在 500900 长时加热有利于 相的形 成。多 分 布 在 晶 界,降 低 韧 性。475脆脆性性:主要出现在 Cr15%的铁素体钢中。430480之间长期加热并缓冷,导致在常温时或负温时出现强度升高而韧性下降的现象。杂质有促进作用,高纯度可抑制。易产生的在 6 0 0-7 0 0保温 1 h空 冷 可 恢 复。热热强强性性:在高温下长时间工作时对断裂的抗力持久强度,或在高温下长时间工作时抗塑 性 变 形 的 能 力 蠕 变 抗 力 。耐耐热热性性能能:耐热性能是指高温下,既有抗氧化或耐气体介质腐蚀的性能即热稳定性,同时又有足够的强度即热强性。不锈钢及不锈钢及耐热钢的耐热钢的高温性能高温性能
17、 第三节第三节 奥氏体不锈钢的焊接奥氏体不锈钢的焊接性性一、奥氏体不锈钢的类型一、奥氏体不锈钢的类型类类型型 18-818-8型奥型奥氏体不锈钢氏体不锈钢 18-12Mo18-12Mo型型奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢为克服晶间腐蚀倾开发了为克服晶间腐蚀倾开发了 1Cr18Ni9Ti 1Cr18Ni9Ti和和0Cr18Ni11Nb0Cr18Ni11Nb等等 主要牌号有主要牌号有1Cr18Ni91Cr18Ni9和和0Cr18Ni9 0Cr18Ni9 25-2025-20型奥型奥氏体不锈钢氏体不锈钢 超低碳超低碳18-818-8型不锈钢,型不锈钢,如如00Cr19Ni1000Cr19Ni10等等 0Cr
18、17Ni12Mo20Cr17Ni12Mo2、0Cr18Ni12Mo2Ti0Cr18Ni12Mo2Ti等等 牌号有牌号有0Cr25Ni200Cr25Ni20等等 奥氏体不锈钢是不锈钢中最重要的钢种,生产量和使用量约占不锈钢总产量及用量的70%,该类钢是一种十分优良的材料,有极好的抗腐蚀性和生物相容性,因而在化学工业、沿海、食品、生物医学、石油化工等领域中得到广泛应用。奥氏体不锈钢的类型 常用的奥氏体型不锈钢根据其主要合金元素Cr、Ni的含量不同,可分为如下三类:(1)18-8型奥氏体不锈钢 是应用最广泛的一类奥氏体不锈钢,也是奥氏体型不锈钢的基本钢种,其他奥氏体钢的钢号都是根据不同使用要求而衍生
19、出来的。(2)18-12Mo型奥氏体不锈钢 这类钢中钼的质量分数一般为2%4%。由于Mo是缩小奥氏体相区的元素,为了固溶处理后得到单一的奥氏体相,在钢中Ni的质量分数要提高到10%以上(3)25-20型奥氏体不锈钢 这类钢铬、镍含量很高,具有很好的耐腐蚀性能和耐热性能。二、奥氏体二、奥氏体不锈钢不锈钢焊接性焊接性分析分析奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢焊接接头的耐蚀性焊接接头的耐蚀性热裂纹热裂纹 析出现象析出现象 低温脆化低温脆化 晶间晶间 腐蚀腐蚀 应力腐应力腐蚀开裂蚀开裂SCCSCC 热影响区敏化区晶间腐蚀热影响区敏化区晶间腐蚀 焊缝区晶间腐蚀焊缝区晶间腐蚀 点点蚀蚀刀状腐蚀刀状腐蚀 腐蚀介质的影
20、响腐蚀介质的影响 焊接应力的作用焊接应力的作用 合金元素的作用合金元素的作用 奥氏体钢焊接接头有点蚀奥氏体钢焊接接头有点蚀倾向,双相钢有时也会有倾向,双相钢有时也会有点蚀产生。点蚀产生。1奥氏体不锈钢焊接接头的耐蚀性奥氏体不锈钢焊接接头的耐蚀性(1)晶间腐蚀 奥氏体不锈钢焊接接头,在腐蚀介质中工作一段时间可奥氏体不锈钢焊接接头,在腐蚀介质中工作一段时间可能局部发生沿晶界的腐蚀,一般称此腐蚀为晶间腐蚀。能局部发生沿晶界的腐蚀,一般称此腐蚀为晶间腐蚀。18-8钢焊接接头有三个部位能出现晶间腐蚀现象,如图4-3所示。它发生的部位它发生的部位是在热循环峰值温度是在热循环峰值温度600600100010
21、00的热影响区,如图的热影响区,如图3-10a3-10a所示;也有所示;也有的发生在焊缝金属上,如图的发生在焊缝金属上,如图3-10b3-10b所示;另一种晶间腐蚀发生在焊缝所示;另一种晶间腐蚀发生在焊缝的熔合线轮廓外侧很狭窄的范围内,像刃状深入开展,故称之刀状腐的熔合线轮廓外侧很狭窄的范围内,像刃状深入开展,故称之刀状腐蚀,如图蚀,如图3-10c3-10c所示,它是晶间腐蚀的一种特殊形式。所示,它是晶间腐蚀的一种特殊形式。在同一个接头并不能同时看到这三种晶间腐蚀的出现,这取决于钢和焊缝的成分。出现敏化区腐蚀就不会有熔合区腐蚀。焊缝区的腐蚀主要决定于焊接材料。在正常情况下,现代技术水平可以保证
22、焊缝区不会产生晶间腐蚀。a)在母材金属上在母材金属上 b)在焊缝上在焊缝上 c)熔合线刀状腐蚀熔合线刀状腐蚀图图3-10 焊接接头的晶间腐蚀焊接接头的晶间腐蚀 18-8钢焊接接头晶间腐蚀现象图图4-3 18-84-3 18-8不锈钢焊接接头可能出现晶间腐蚀的部位不锈钢焊接接头可能出现晶间腐蚀的部位1 1HAZHAZ敏化区敏化区 22焊缝区焊缝区 3 3熔合区熔合区 1)焊缝区晶间腐蚀 根据贫铬理论,为防止焊缝发生晶间腐蚀:一是通过焊接材料,使焊缝金属或者成为超低碳情况,或者含有足够的稳定化元素Nb因Ti不易过渡到焊缝中而不采用Ti,一般希望wNb8wC或wNb1;二是调整焊缝成分以获得一定数量
23、的铁素体相。焊缝区晶间腐蚀钝化 敏华钝化:由于金属外表在腐蚀过程中生成的腐蚀产物不锈钢的腐蚀产物钝化:由于金属外表在腐蚀过程中生成的腐蚀产物不锈钢的腐蚀产物中主要含有中主要含有Cr2O3很致密且能牢固地附着于金属外表,阻滞了腐蚀过很致密且能牢固地附着于金属外表,阻滞了腐蚀过程,出现了腐蚀速度降低的现象,叫钝化,金属在介质中处于钝化的状程,出现了腐蚀速度降低的现象,叫钝化,金属在介质中处于钝化的状态叫钝态。依靠钝化而耐蚀的耐蚀金属如不锈钢等叫可钝化型金属。态叫钝态。依靠钝化而耐蚀的耐蚀金属如不锈钢等叫可钝化型金属。敏化:不锈钢材在冶金和制造过程中经受到热成形、焊接、热处理等温敏化:不锈钢材在冶金
24、和制造过程中经受到热成形、焊接、热处理等温度超过度超过300的热作工艺,使得在晶界析出了碳化铬、氮化铬、的热作工艺,使得在晶界析出了碳化铬、氮化铬、相和铬相和铬与其他金属间的化合物等高铬相,同时在晶界高铬相与晶粒邻近的狭长与其他金属间的化合物等高铬相,同时在晶界高铬相与晶粒邻近的狭长地区产生了贫铬区,使不锈钢产生与提高了晶间腐蚀敏感性,不锈钢的地区产生了贫铬区,使不锈钢产生与提高了晶间腐蚀敏感性,不锈钢的这种受热过程叫敏化。这种受热过程叫敏化。固溶处理固溶处理固溶处理(solution heat treatment):将不锈钢加:将不锈钢加热到适当高温,并保温足够时间,使可溶组分溶解热到适当高
25、温,并保温足够时间,使可溶组分溶解进入基体中,通常以较快的速度冷却,可以使基体进入基体中,通常以较快的速度冷却,可以使基体中析出的组分来不及析出,仍然过饱地固溶在基体中析出的组分来不及析出,仍然过饱地固溶在基体中,这种热处理叫固溶处理。中,这种热处理叫固溶处理。碳化铬:碳化铬:不锈钢在300950温度范围内可能在晶界析出碳化铬。最重要的碳化铬形式为(Cr、Fe)23C6或(Cr、Fe、Mo)23C6。其铬含量常达90%以上,大大高于不锈钢的平均铬含量。晶界碳化铬的析出是使晶界邻近的晶粒边缘产生贫铬区的最重要的原因。碳化铬的析出温度范围实际上就是使不锈钢产生与提高晶间腐蚀敏感性的主要敏化温度范围
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