低温钢的焊接教学内容
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
低温钢的焊接
通常把-10~-196℃的温度范围称为“低温”(我国从-40℃算起),低于-196℃时称为“超低温”。低温钢主要是为了适应能源、石油化工等产业部门的需要而迅速发展起来的一种专用钢。低温钢要求在低温工作条件下具有足够的强度、塑性和韧性,同时应具有良好的加工性能,主要用于制造-20~-253℃低温下工作的焊接结构,如贮存和运输各类液化气体的容器等。
低温钢的分类、成分及性能
1.低温锅的分类
(1)按使用温度等级分类分为-10~-40℃、-50~-90℃、-100~-120℃和
-196~-273℃等级的低温钢。
(2)按合金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)按有无镍、铬元素分类分为无镍、铬低温钢和含镍、铬低温钢。
(4)按热处理方法分类分为非调质低温钢和调质低温钢。
2.低温钢的化学成分和组织
(1)低合金低温钢(无Ni低温钢)铝镇静Mn-Si低温钢是先用Mn 、Si进行脱氧,再用铝进行强烈脱氧的优质钢种。该钢正火处理或淬火+回火处理可细化晶粒,明显提高其低温韧性,多用于一4O℃以上的结构。
低合金铁素体低温钢是在Si-Mn优质钢基础上,加人少量合金元素(如Nb、V 、Ti、Al 、Cu、RE等)得到的低温钢组织为铁素体加少量珠光体。其中Mn、Ni以及能促使晶粒细化的微量元素都有利于提高低温韧性。为了保证良好的综合力学性能和
焊接性,一般要求低C和低S、P。这种钢具有高的塑性和韧性,多用于-50℃以上的结构。
(2)中合金低温钢(含Ni低温钢)合金元素总的质量分数为5%~10%,其组织与热处理工艺有关。其中5NI钢、9Ni钢是典型的中合金低温钢。
Ni是发展低温钢的一个重要元素。为了提高钢的低温性能,可加人Ni元素,形成含Ni的铁素体低温钢。在提高Ni的同时,应降低含碳量和严格限制S、P
含量及N、H、O的含量,防止产生时效脆性和回火脆性等。这类钢的热处理条件为正火、正火十回火和淬火+回火等。
5Ni钢通过化学成分调整和热处理控制组织,在-162~-196℃的低温下具有良好的低温韧性。若加人质量分数为0.25%的Mo,可增加析出奥氏体的数量并使之稳定化,还可起到细化晶粒的作用。采用淬火、回火和回复退火的热处理方法来控制组织,使5Ni钢具有高的强度、塑性和低温韧性。9Ni钢具有一定的回火脆性敏感性,并随着P含量的增加而显著增大,因此应严格控制9Ni钢中的P含量。9Ni低温钢由于Ni含量较高,具有很高的低温韧性,能用于-196℃的环境,比奥氏体不锈钢有更高的强度,适宜制造贮存液化气的大型容器。
3.低温钢的力学性能
对低温钢的性能要求,首先应满足低温下的力学性能,特别是低温条件下的缺口韧性。这类钢须具备的最重要的性能是抗低温脆化。在一些重要结构上,为了防止意外事故的发生,还要求材料具有抗脆性裂纹扩展的止裂性能,即一旦
出现脆性破坏后可以停止继续破坏。安全角度考虑,希望低温钢的屈强比不要太高,因为屈强比是衡量低温缺口敏感性的指标之一。屈强比大,表明塑性变形能力的储备越小,在应力集中部位的应力再分配能力越低,从而易于促使脆性断裂。
对于低碳铝镇静钢,最低使用温度下的V形缺口冲击吸收功(纵向取样)保证值规定为20.5J;对于屈强比较高的低温钢,要提高到34.5J;对屈强比更高的调质钢,希望提高到47J。无论是无Ni或含Ni的低温钢,在冲击韧性上都可以满足规定低温下的使用要求,但是无Ni低温钢的屈强比不如含Ni低温钢的用强比高。
除了面心立方金属外(如奥氏体钢、铝、铜等),所有体心立方或六方晶格的金属均有低温脆化现象。可以通过细化晶粒、合金化和提高纯净度等措施来改善铁素体钢的低温韧性。Mn-Si系钢中各种氮化物细化奥氏体晶粒的效果如图
3-39所示。可见,Ti、AL、Nb等有很好的细化晶粒作用。
低温钢的含碳量不高,在常温下具有较好的塑性和韧性,冷或热加工均可采用。铁素体低温钢的加工性能与低碳钢及低合金钢相近;奥氏体低温钢的加工性能与奥氏体不锈钢相近。
对于具有一定时效脆性敏感性和回火脆性敏感性的低温钢,须正确选择加工方法和工艺参数,控制冷卷、冷压及其他冷加工时的变形量,防止变形量过大而造成低温韧性下降。具有一定回火脆性敏感性的钢种,回火后低温韧性明显下降,因此应合理地选择回火温度和回火时间。
低温钢的焊接性分析
1.无Ni低温钢的焊接性特点
不含Ni元素的铁素体低温钢碳的质量分数约为0.06%~0.2%,合金元素总的质量分数≤5%,碳当量为0 .27%-- 0 .57 %,焊接性良好。由于碳当量不高,悴硬倾向较小,室温焊接时不易形成冷裂纹;钢中S、P等杂质元素的含量较低,也不易产生热裂纹。这类钢在用铝脱氧时形成了稳定的AIN,阻止了接头区脆化。
铁素体低温钢通过加人细化晶粒的合金元素(Ti 、Al、Ni等)以及正火处理提高低温韧性,韧性指标一般能得到保证。这类钢焊接性分析时应注意以下问题:1)严格控制焊接热输人和层间温度,目的是使接头不受过热的影响,避免热影响区晶粒长大和降低韧性。
2)控制焊后热处理温度,避免产生回火脆性。板厚大于15rnm的低温钢焊接结构,焊后应采用消除应力热处理。含有V、Ti、Nb、Cu、N等元素的钢种,在进行消除应力热处理时,当加热温度处于回火脆性敏感温度区时会析出脆性相,使低温韧性下降。应合理地择焊后热处理工艺,以保证接头的低温韧性。
3)含氮的铁素体低温钢不仅对焊接热循环敏感,而且对焊接应力应变循环也很敏感,接头某些区域会发生热应变脆化,使该区钓塑性和韧性下降。热应变区的温度范围为200~600℃。热应变量越大,脆化程度也越大。采用小的焊接热输人可以减小热影响区的热塑性应变量,有利于减轻热应变脆化程度。
焊接这类钢时,通常板厚小于25mm不需预热,当板厚大于25 mm或焊接接头拘束度较大时,应考虑预热,以防止产生焊接裂纹。预热温度过高会使热影响区晶粒长大,在晶界处可能析出氧化物和碳化物而降低韧性,所以预热温度一般在100~150℃,最高不超过200℃。
2.含Ni低温钢的俘接性特点
含Ni较低的2.5Ni和3.5Ni低温钢,虽然由于Ni的加人提高了钢材的淬透性,但由于含碳量限制得较低,冷裂纹倾向并不严重,薄板焊接时可不预热,厚板焊