管子半自动CO2焊接工艺评定.doc
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1、目 录1 绪 论31.1 焊接技术的发展状况31.2 低合金高强钢的发展31.2.1 国外发展概况31.2.2 国内的发展概况72 低合金高强钢的物理性能及焊接性分析82.1 低合金高强度钢的物理性能分析82.1.1 低合金高强度钢的定义与分类82.1.2 低合金高强度钢的物理性能92.2 低合金高强钢的焊接性92.2.1 金属的焊接性92.2.2 影响焊接性的因素102.3 低合金高强钢的焊接性的分析方法112.3.1 从金属的特性分析焊接性112.3.2 从焊接工艺条件分析焊接性122.4 低合金高强钢焊接时容易出现的问题及防止措施122.4.1 焊接接头的焊接裂纹122.4.2 焊接接头
2、的脆化和软化183 50D管子CO2半自动焊对接焊缝的焊接工艺制定的分析193.1 CO2气体保护焊的特点193.1.1 CO2气体保护焊的优点193.1.2 CO2气体保护焊的缺点193.2 CO2气体保护焊的适用范围193.3 CO2焊接时材料的要求204 低合金高强钢在焊接时的焊接要点和工艺214.1 低合金高强钢中的主要强化机制214.2 低合金高强钢的焊接要点224.3 低合金高强钢焊接工艺235 焊接工艺的拟定255.1 焊接方法的选择:255.2 母材的选择:255.3 焊丝的选择255.4 焊前准备:255.5 焊前预热和焊后热处理:266 焊接工艺评定指导书(WPS)277
3、焊接工艺评定287.1 焊接工艺评定的目的和意义287.2 焊接工艺评定的一般过程287.3 焊接工艺评定报告:29结 论35致 谢36参考文献371 绪 论1.1 焊接技术的发展状况焊接技术作为制造业的传统基础工艺与技术,在工业中应用的历史并不长,但它的发展却是非常迅速的。在短短的几十年中焊接已在许多工业部门中为工业经济的发展作出了重要贡献,在各个重要的领域如航空航天、造船、汽车、桥梁、电子信息、海洋钻探、高层建筑金属结构中都广泛应用,使焊接成为一种重要制造技术和材料科学的一个重要专业学科,开创了焊接技术的新篇章。随着科学技术的发展,焊接已从简单的构件连接方法和毛坯制造手段发展成为制造行业中
4、一项生产尺寸精确的产品的生产手段。因此,保证焊接产品质量的稳定性和提高劳动生产率已成为焊接生产发展的急待解决的问题。目前,我国焊接技术与工业发达国家相比还相当的落后,主要原因是我国在焊接基础理论及焊接工艺设计、焊接标准化、焊接制造技术及设备等方面与工业发达的国家尚有相当大的差距,导致我国焊接件在寿命、使用性能、生产周期等方面与工业发达国家的焊接件相比差距相当大。现代焊接技术自诞生以来一直受到诸学科最新发展的直接影响与引导,众所周知受材料,信息学科新技术的影响,不仅导致了数十种焊接新工艺的问世,而且也使得焊接工艺操作正经历着手工焊到自动焊,自动化,智能化的过渡,这已成为公认的发展趋势。在今天焊接
5、作为一种传统技术又面临着21世纪的挑战。一方面,材料作为21世纪的支柱已显示出几个方面的变化趋势,即从黑色金属向有色金属变化;从金属材料向非金属材料变化,从结构材料向功能材料变化,从多维材料向低维材料变化;从单一材料向复合材料变化,新材料连接必然要对焊接技术提出更高的要求。另一方面,先进制造技术的蓬勃发展,正从住处化,集成化,等几个方面对焊接技术的发展提出了越来越高的要求。突出“高”“新”以此来迎接21世纪新技术的挑战。1.2 低合金高强钢的发展1.2.1 国外发展概况低合金高强度钢的发展已有100多年的历史。1870年美国圣路易斯城附近一座横跨密西西比河的桥梁的拱形架(跨度158.5m)采用
6、了含铬1.5%2.0%的低合金钢。这种钢的抗拉强度大约为685MPa(70kgf/m),弹性极限大约为410MPa(6065kgf/m),1895年俄国曾用3.5%镍钢制造了“鹰”号驱逐舰。该钢的抗拉强度为590635MPa(6065kgf/m),屈服强度在355MPa(36kgf/m)以上,伸长率大于18%。稍后,这类抗拉强度为685MPa(70kgf/m)的镍钢用于制造大跨度桥梁。国外低合金高强度钢的发展大体上课分为三个阶段,即:本世纪20年代以前,2060年代和60年代以后到现在。本世纪20年代以前,低合金高强度钢的用途是有限的,主要用于桥梁和船舶。由于结构物尺寸的增大,低碳结构钢或所谓
7、软钢的性能已经远远不能满足设计要求,迫切需要提高钢的强度,以减小断面,降低自重并且又不减少承载和运输能力。早期研制和生产的低合金高强度钢种的设计是以抗拉强度为基础的,碳含量比较高,在0.3%左右。合金元素都是单个采用的,如铬、镍、硅、锰等。每一种合金元素的含量相对较高,通常以轧制状态供应试用。比较典型的是上面提到的铬钢和镍钢。可能是由于碳含量和合金含量较高的缘故,用铬钢的桥在施工时,在制造所要求质量的钢件中碰到了困难,因此这种类型的钢没有得到推广。镍钢虽然性能很好,但是镍的成本高,资源有问题。系统的研究各种不同钢种的力学性能表明,镍钢所具有的力学性能也可以在较为便宜的钢种中得到,因而后来放弃了
8、使用昂贵的镍钢。含硅量1.25%的钢种在20世纪初已被推荐使用。研究表明,当抗拉强度相同时,硅钢的塑性比碳素钢要好一些,而且弹性极限较高。但是由于硅钢的性能对各种工艺因素比较敏感,因而也没有的到推广。由于铜被证明对耐大气腐蚀性能有良好的作用,这样含铜低合金高强钢开始获得了应用。本世纪20年代以后,在制造金属结构时,日益广泛地采用焊接技术,给低合金高强度钢的发展带来深远的影响。众所周知,焊接技术在节约金属、减少劳动量和简化工序等各方面有很大的优越性,但是同时带来母材因受焊接热影响所产生的硬化和开裂以及整个焊接部位的延性恶化等弊病。焊接热影响区的硬化程度,主要取决于母材的化学成分和焊接后的冷却速度
9、。化学成分中影响最大的是碳,而所有合金元素在不同程度上都影响钢的淬硬性。降低碳含量是发展焊接性能最好的低合金高强度钢的必然要求。同时,在合金化方面,也要选择淬硬倾向小的元素,并且在保证强度的前提下其用量越低越好。因此,趋向于多元素合金化,从开始添加一种,然后添加二种合金元素的低合金高强度钢,转变到添加三、四种甚至五、六种合金元素的钢种。此外,由于低合金高强度钢的用途越来越广,用量越来越大,因此钢种的经济性(首先是采用较为便宜的合金元素)问题提上日程。锰和硅是提高强度最便宜的元素,因而锰钢和锰硅钢在各国都获得了广泛的应用。欧洲各国的St52、英国的BS968、美国的ASTM和日本的JIS标准中的
10、许多钢种都属于这一类。锰硅系钢种,当碳含量在0.20%以下,在热轧状态下可以得到抗拉强度490590MPa及屈服强度在315MPa以上,而且具有良好的焊接性能。较典型的是德国的St52钢。自1923年E.Boshardt发表了所谓的“朋友钢”的专利以后,知道1936年E.Schulz等才进一步开发了以锰和硅为基加入铜、铬、钼的建筑钢的专利,从而开发了以St52为代表的锰硅低合金高强度钢。为了改善它的韧性,加入少量的铝,研制成功了细晶粒St52F以及高纯度的细晶粒钢St52FS。在此基础上,利用0.022%0.03%N或少量碳化物形成元素钒或钛,在正火状态下,可以成产出屈服强度达到390MPa以
11、上的钢板和型材。镍、铬虽然属于比较稀缺而昂贵的合金元素,但是由于能够赋予低合金钢更加优良的性能,在开发钢种时还是得到了一定的应用。例如美国的Mayari,Corten,Yoloy等多元素低合金钢,由于铬、镍、铜、磷等的有效配合,不仅保证了所需的强度,而且还具有优异的耐大气腐蚀性能。前苏联于30年代,用哈里洛夫斯克产地的铬镍铜铁矿石炼制的生铁,以此为基础研制了CXJI系列钢种。其中CXJI-1钢长期用于铆接或焊接桥梁结构、车辆及其他工业及民用设施;CXJI-4钢一直用于军用船体制造。第二次世界大战期间,许多船舶的破损事故都是由于用作船舶结构的材料的缺口敏感性所引起的。停战以后,世界各国便集中力量
12、致力于研究开发缺口韧性更好的结构材料。大量的研究结果表明,淬火回火的低碳钢是一种强度和韧性匹配比较理想,焊接性能良好的材料。为了保证足够的淬透性,钢中必须含足够的铬、镍元素。为了避免回火脆性,还需加入一定量的钼。美国的HY-80,前苏联的AK-25高强度高韧性钢就是这样发展起来的。不仅有高的强度,还有优异的缺口韧性,足以经受在可能爆炸性袭击下发生的结构变形,因而被采用来制造潜艇耐压壳体和航空母舰夹板。与此同时,一种民用的T-1钢也由美国钢铁公司研制成功。主要被推荐用于制造压力容器。这是一种低碳多元素低合金钢。用锰和硼代替部分镍、铬来保证足够的淬透性,加入少量的钒来提高回火稳定性,同时应用淬火加
13、高温回火工艺,从而把低碳低合金钢的综合性能提高到了一个新水平。本世纪60年代以后到现在的40多年中,低合金高强度钢的产量不断上升,品种也不断增加,用途也越来越广泛。微合金钢的开发和生产工艺的革新是这个阶段发展的主要特征。虽然人们早就注意到了钒、铌、钛等合金元素对提高和改进低合金高强度钢性能方面的有益影响,但是只有在对这类钢中的组织和性能的关系有了比较深入的认识以后,才得以充分发挥他们的作用。50年代,Hall和Petch在对力学性能和晶粒尺寸之间的关系作了大量研究以后提出了著名的Hall-Petch关系式。该关系式表明,随着晶粒尺寸的d的减小,钢的屈服强度将提高。Petch的进一步研究又发现,
14、断裂应力与晶粒尺寸之间的关系类同于屈服强度与晶粒尺寸的关系,而且冲击性能转折温度随晶粒细化而降低。60年代初,Morrison和Woodhead以及其他研究人员的大量研究表明,在适当的条件下,低合金高强度钢中可以形成一定体积分数的尺寸为纳米(nm) 级的碳氮化合物粒子,因而获得较强的沉淀硬化效果。晶粒细化强化和沉淀强化两种机制成为开发新型低合金高强钢或所谓微合金钢的重要依据。冶金工业技术的发展,特别是顶底复合吹炼、炉外精炼、控制轧制和控制冷却方面的革新引发了一批新型低合金高强度钢的竞相问世。顶底复合转炉吹炼和钢包二次精炼技术可以获得低的和超低碳含量,不仅可以改善钢的焊接性能,提高塑性断裂能量和
15、降低氢致裂纹的敏感性,而且可以充分发挥微量元素的作用。相继出现了微珠光体、无珠光体、针状铁素体钢、超低碳贝氏体钢及无间隙元素(IF)钢等。低的和超低硫含量以及夹杂物形态控制技术解决了钢中的层状撕裂的问题,从而开发成功一代新的近海石油平台用Z向钢。降低终轧温度能改善钢的性能这一点事实虽然早已被人们看到,但是由于低温轧制需要轧机承受较大的负载,一次未被推广采用。由于微量铌对奥氏体再结晶的强烈抑制作用,使得含铌钢可以在相对较高的温度下有效地进行控制轧制,而且控轧的效果十分显著。这不但促进了含铌钢的推广,而且是控制轧制得以有效的应用。80年代初,还证实了钒和铌在控制轧制中的有益作用,创造了高温再结晶控
16、轧工艺,解决了需要较长的道次间隔及严重影响轧机寿命和生产效率等问题。轧后加速冷却或所谓控制前的奥氏体晶粒长大,从而进一步减小晶粒尺寸。它还能控制转变前的奥氏体晶粒长大,从而进一步减小晶粒尺寸。他还能控制析出强化的强度,而且在较快的速度时带来某些位错强化效应。由于控制冷却能充分运用细晶强化和析出强化两种强化机制,显著提高钢的强度和改善钢的韧性,使得可以用较低的碳当量来获得所需的强韧性匹配,既节省了合金元素,又改善了钢的焊接性能。控制轧制和控制冷却工艺对开发新一代的管线用钢起了关键性的作用。70年代末双相钢的研究成果为开发具有优异成形性的低合金高强度钢开辟了新的途径。通过两相区退火或轧后适当速度冷
17、却,可以得到铁素体基体和马氏体以岛状均匀分布的铁素体马氏体(F+M)双相钢。这类钢的性能特征是低的屈服强度和高的加工硬化率,从而成为冲压件的理想材料。进一步的研究表明,铁素体贝氏体(F+B)双相钢或铁素体贝氏体马氏体多相钢除具有双相钢的性能特征外,还有良好的深冲性能。此外,传统的淬火高温回火钢采用两相区淬火,可以取得良好的韧化效果,已经用来开发高韧性的低合金高强度钢,例如刚强度低温钢。70年代以来,国际上召开了多次低合金高强度钢方面的专题会议。其中比较引人瞩目的有1975年在美国华盛顿召开的“微合金化75”,1983年在美国费城召开的“HSLA83”,1984年在澳大利亚沃伦召开的“低合金高强
18、度钢会议”,1985年在北京召开的“国际高强度低合金钢会议”和1990年在中国北京召开的“低合金高强钢工艺、性能、使用会议”。在这些会议上系统地、全面地报导了60年代以来的30年之间低合金高强度钢的理论研究,新钢种、新工艺的开发及应用方面的经验和成果,并且讨论了低合金高强度钢发展中存在的问题,指出了前进的方向。1.2.2 国内的发展概况我国低合金高强度钢的生产和研制起步较晚,当时国际上低合金高强度钢的发展正处于由第二阶段向第三阶段过渡时期。1957年,鞍山钢铁公司试制成功St52钢(即现行标准中的16Mn钢)是我国发展低合金高强度钢的开端。随后,1959到1960年间,以我国第一艘自行设计的“
19、东风”号万吨轮壳体要求为目标,开发了造船用16Mn钢和屈服强度390MPa(40kgf/m)级的15MnTi钢,并在平炉大生产的规模上探讨了微量元素铝、钛对强度和韧性的影响。(137页,金属学与热处理)1959年,在国内研制并吸取国外相关标准经验的基础上,制定了我国低合金高强度钢第一个颁布标准YB13-59,即“低合金高强度钢钢号和一般技术条件”,它包括屈服强度为295390MPa(3040kgf/m)的低合金高强度钢和钢筋钢两个刚类的12个钢号。实践一段时间后,经过修改补充,改名为“低合金结构钢钢号和一般技术条件”(YB13-63)。到目前已经初步建立了具有我国资源特点,并且能够适应对外开放
20、要求的低合金高强度钢系列,包括屈服强度295685MPa(3070kgf/m的以强度要求为主的高强度结构钢以及船舶、桥梁、锅炉、压力容器(低温及中温压力容器)、工程机械和原子能工业用的专业用钢;以耐蚀性为主的耐大气腐蚀钢;以耐磨性为主的矿用机械用钢等。在生产工艺方面,我国已经从生产一般的大量使用的低合金高强度钢发展到可以生产诸如低氢低硫的抗层状撕裂钢和超低碳的无间隙元素的超深冲性能钢。控制轧制和控制冷却技术在有条件的工厂中已经采用,为开发高强度管线钢和冲压用双相钢创造了条件。我国为何金刚的研制和生产还是比较早的,还是在60年代初,我国已经在工业化规模上生产了正火的15MnTi钢,后来又开发了热
21、轧状态使用的15MnV钢和热处理的15MnVN钢。微钛技术也用于生产舰艇壳体用钢,后来又推广到锅炉、容器等方面使用。随着控轧控冷工艺的引入,含钛钢也逐步进入角色。现已形成的包括06Ti,10Ti,15Ti,15MnTi等钢号的含钛钢系列和以09V,09SiV,09MnV为代表的含钒钢系列在工业中得到了广泛应用。2 低合金高强钢的物理性能及焊接性分析2.1 低合金高强度钢的物理性能分析2.1.1 低合金高强度钢的定义与分类低合金高强度钢(HSLA,IlPHigh Strength Low Alloy Steels)是一类可焊接的低碳工程结构用钢。关于高强度钢的定义,各国的专门机构和科学家学者的见
22、解不尽相同。美国钢铁学会(AISI,flIAmerican Iron and Steel Institute)曾对其定义为:“高强度低合金钢是一种专门类别的钢,在这类钢中,由于除碳而外,有意地加入一种或多种合金元素,从而使力学性能提高,并且在大多数情况下,具有良好的抗腐蚀性能。这类钢通常以轧制状态,或根据焊接要求以退火、正火或消除应力状态,一般地以保证最低力学性能来供应。一日本的高强度低温用钢的焊接一书对高强度钢有如下的叙述:“高强度钢是考虑焊接性的抗拉强度490MPa(50kgf脚)以上的低碳低合金用钢。我国学者席与淦在六十年代所著的合金钢与优质钢中对高强度钢的定义是引用CLKobrin对钢
23、材料所做的分类标准,主要是按材料的屈服强度对高强度钢来进行分类:屈服强度在343MPa(35kgfmm2)以上,抗拉强度在50 kgfmm2,屈服比(ooh)大于70的钢定义为高强度钢。目前对于低合金高强钢我国一般采用下述定义,低合金高强钢是指低合金钢中包括C、Si、Mn在内的主要添加元素的含量不超过5,屈服强度大于500MPa的钢种,是在碳素钢的基础上通过调整碳及合金元素的含量,并辅助一定的热处理工艺实现的。低合金高强钢的主要特点是含碳量低,可焊性好(含碳量一般低于045,P。md,于等于03),晶粒细化,屈服强度高,普遍采用Nb、V、Ti等合金元素进行强韧化。大多采用先进的冶炼工艺和热处理
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