带极耐蚀堆焊的毕业论文Word格式文档下载.docx
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根据压力容器在腐蚀介质环境下工作的实际情况和对设备耐蚀性的要求，通常采用手工电弧耐蚀堆焊，选择相应的焊接材料在设备相应的部位堆焊一定厚度的抗腐蚀材料，达到耐蚀的不锈钢材料目的。
1.3不锈钢材料简介
根据带极埋弧耐蚀堆焊的优良特性，选择相应的焊接材料在设备相应的部位堆焊一定厚度的抗腐蚀材料，达到耐蚀的目的。
不锈钢材料是Q345R等压力容器制造用材进行耐蚀堆焊时常选用的材料。
1.3.1不锈钢材料概述
不锈钢不会产生腐蚀、点蚀、锈蚀或磨损。
不锈钢还是建筑用金属材料中强度最高的材料之一。
由于不锈钢具有良好的耐腐蚀性，所以它能使结构部件永久地保持工程设计的完整性。
在空气中或化学腐蚀介质中能够抵抗腐蚀的一种高合金钢，不锈钢是具有美观的外表和耐腐蚀性能好，不必经过渡色等表面处理，而发挥不锈钢所固有的表面性能，适用于多方面钢铁的一种，通常称为不锈钢。
通俗的说，不锈钢就是不易生锈的钢，实际上有些不锈钢既有不锈性又有耐腐性。
不锈钢的不锈性与耐腐性是由于其表面的富铬氧化膜的形成。
这种不锈性和耐腐蚀性是相对的，当铬含量达到一定百分比时，钢的耐腐蚀性发生突变，即从易生锈到不易生锈，从不耐腐蚀到耐腐蚀。
由于不锈钢具有优秀的耐蚀性、成型性、兼容性以与在很宽温度围的强韧性等特点，所以在重工业、轻工业、生活用品行业以与建筑装饰行业中有广泛的应用[4]。
从金相学角度分析，因为不锈钢含有铬而使表面形成很薄的铬膜，这个膜隔离开与钢侵入的氧气而耐腐蚀的作用。
为了保持不锈钢的耐腐蚀性，其必须含有12%以上的铬。
不锈钢可以按照化学成分，金相组织来大体分类：
（1）以化学成分分类：
1）CR系列（铁素体系列、马氏体系列）
2）CR-NI系列（奥氏体系列、异常系列、析出硬化系列）
（2）以金相组织分类：
1）奥氏体不锈钢
2）马氏体不锈钢
3）铁素体不锈钢
4）双相不锈钢
5）沉淀硬化不锈钢
奥氏体不锈钢：
在常温下具有奥氏体组织的不锈钢。
钢中含有铬约18%、镍8%~10%、碳约0.1%时，具有稳定的奥氏体组织。
奥氏体不锈钢无磁性而且具有高韧性和塑性，但强度较低，不可能通过相变使之强化，仅能通过冷加工进行强化。
由于奥氏体不锈钢具有良好和全面的综合性能，在各行各业中获得广泛的应用。
铁素体不锈钢：
在使用状态是以铁素体组织为主的不锈钢。
含铬量在11%~30%之间，具有体心立方晶体结构。
这类钢一般不含镍，且具有导热系数大、膨胀系数小、抗氧化性好、抗应力腐蚀的优良特性，多用于制造耐大气、水蒸气、水与氧化性酸腐蚀的零部件。
这类钢存在塑性差、焊后塑性和耐蚀性明显降低等缺点，因而限制了它的应用。
双相不锈钢：
是奥氏体和铁素体各占一半的不锈钢。
在含碳较低的情况下，铬含量在18%~28%之间，镍含量在3%~10%，有些钢还含有Mo、Cu、Si等元素。
这类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点。
与铁素体相比，塑性、韧性更高，无室温脆性耐晶间腐蚀性能和焊接性能显著提高，同时还保持有铁素体的475oC脆性与导热系数高，具有超导性等特点。
与奥氏体不锈钢相比，强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀有明显提高。
双相不锈钢具有的耐孔蚀性能，也是一种节镍不锈钢。
马氏体不锈钢：
通过热处理可以调节其力学性能的不锈钢，是一类可硬化的不锈钢。
淬火后硬度更高，不同回火温度具有不同强韧性组合。
主要应用于蒸汽机叶轮、外科手术器具等材料的制造。
1.3.2不锈钢的基本性能
不同的化学元素会的不锈钢产生不同的性能影响，实际上工业上应用的不锈钢都是存在几种或几十种元素的，当几种元素共存于不锈钢这一共同体系中时，他们的影响要比单独存在时复杂的多，因为这种情况下不仅要考虑各元素自身的做用，而且要注意他们相互之间的影响，因此不锈钢的组织决定于各种元素影响的综合。
其中部分化学元素对不锈钢的影响如下：
铬：
是不锈钢部晶粒结构先有利于抗腐蚀方向发展；
碳：
稳定奥氏体组织，与铬形成复杂的化合物；
镍：
优良的抗腐蚀材料，增加不锈钢的抗腐蚀性；
猛：
降低钢的临界淬火速度。
此外，不锈钢的性能可以用一下几个方面表示：
热膨胀系数、密度、弹性模量、电阻率、磁导率、熔化温度围、比热、热导率、热扩散率等。
本实验选用的Ts-308L、Ts-309L均为不锈钢焊条，适用于低碳钢的焊接，其可以保证焊后材料具有良好的抗晶间腐蚀性。
1.4SAW焊接工艺
1.4.1SAW焊接概述
我国焊接设备制造业起步比较晚,20世纪50年代我国重点企业的大型焊接装备大部分靠引进。
到了20世纪60年代，国才组建一批专门生产焊接装备的制造厂。
1888年，俄罗斯发明了手工电弧焊接技术，使用无药皮的裸露金属棒来产生保护气体。
直到20世纪初，在瑞典发明卡尔伯格过程（Kjellbergprocess）和Quasi-arc方法传入英国后，药皮焊条才开始发展起来。
值得注意的是，由于成本较高，刚开始人们不怎么使用药皮焊条。
但是随着人们对好的焊缝质量需求的日益增长，手工电弧也开始使用药皮焊条。
金属棒（焊条）和工件之间形成的电弧会熔化金属棒和工件的表面，形成焊接熔池。
同时，金属棒上熔化的药皮会形成气体和熔渣，保护焊接熔池不受周围空气的影响。
因为熔渣会冷却、凝固，所以一旦焊缝焊完（或在熔敷下个焊道前）就必须从焊道上清除熔渣。
在焊钳更换新的焊条前，手工电弧焊过程只能完成短焊缝的焊接。
焊缝熔深浅，熔敷质量取决于焊工的技能。
焊条药皮的化学成分对电弧的稳定性、熔深、金属熔敷率和定位能力有很大影响。
焊条可分为三大类：
纤维素型焊条；
氧化钛药皮焊条；
碱性焊条。
手工电弧焊使用不同的方法保护焊接熔池，防止和大气接触。
热能也是由电弧提供。
和MIG焊一样，电极为自耗电极。
金属电极外由矿物质熔剂包覆，熔剂熔化时形成焊渣盖住焊接熔池。
此外，包覆的熔剂还释放出气体保护焊接熔池，而且，还含有合金元素用来补偿合金熔池的合金损失。
在有些情况下，包覆的熔剂含有所有合金元素，中部的焊条仅是碳钢。
然而，在采用这些类型的焊条时，需要特别小心，因为所有飞溅都具有软钢性质，在使用过程中焊缝会锈蚀[5]。
1.4.2SMAW的特点
手工电弧焊焊接设备简单实用性强，可进行较全面位置的焊接，焊接成本低。
但要求高焊接电流/速度；
焊道成形差（表面轮廓弯曲、粗糙）；
清除熔渣困。
且焊缝质量也与施焊人员技术水平有关
1.4.3SMAW的焊接参数
焊接电源：
焊条可以在交流或直流电源下使用。
并不是所有的直流焊条都能在交流电源下使用，但交流焊条通常都能在直流电源下使用。
焊接电流：
对焊接电流的选择取决于焊条的尺寸，生产厂商向用户推荐正常的操作围和焊接电流。
选择焊条尺寸的标准操作围如左图所示。
根据经验，选择电流所依据的焊条标准约是40A/mm（直径）。
因此，一个直径为4mm的焊条首选的电流大小应该是160A，但实际的操作围可以是140~180A。
焊接电压：
电压是手工电弧焊是比较难以控制的一个参数，当焊接一些要求用短弧的焊接材料和母材时，电弧电压的偏高将降低对焊接金属的保护效果，恶化金属的冶金力学性能，影响焊接产品的使用寿命。
有于这种影响一般用常规的检验方法是不能发现的，很容易被忽视。
因此，手工电弧焊时，保证电弧电压在容许的方位之是非常必要的。
焊接速度：
焊接速度对熔宽和熔深有明显的影响。
当焊接速度较低时，焊接速度的变化对熔深影响较小。
但当焊接速度较大时，由于电弧对母材的加热量明显减小，熔深显著下降。
焊接速度过高，会造成咬边、未焊透、焊缝粗糙不平等缺陷。
适当降低焊接速度，熔池体积增大，存在时间变长，有利于气体浮出熔池，减小气孔生成的倾向。
焊丝直径：
焊丝直径主要影响熔深，直径较细，焊丝的电流密度较大，电弧的吹力大，熔深大，易于引弧。
焊丝越粗，允许采用的焊接电流就越大，生产率也越高。
同时，由于手工电弧焊需要人工进行操作，在焊接工人施焊的过程中难免产生对焊接参数发生影响的其他因素。
因此，在施焊的过程中需要格外注意对焊接参数的控制。
1.5堆焊简介
随着科学技术的发展．高性能的零件在交通、石油化工等机械行业广泛应用．很多零件表面会因为局部损坏或腐蚀而导致失效。
如轧辊、轴类、模具、农机零件、采掘机件易磨损零部件以与锅炉压力容器的罐体材料，会因为长期的使用、在空气中长时间暴露以与来自部承装材料造成的腐蚀而产生破坏，为了保证工件与机体材料能长时间持续使用，现实生产量采用堆焊工艺对工件受损部位进行修复。
材料的表面堆焊可以根据焊接材料与部位选择焊接方法，堆焊对焊接方法的挑选不做特殊要求。
在本试验试板上进行的堆焊为焊条电弧堆焊，焊条电弧堆焊具有电弧温度高、热量集中、工件变形小、熔深大等优点，目前是一种应用最广的堆焊修复方法[6]。
其中主要的磨损机制可以归纳为以下两点：
（1）微动磨损：
微动磨损是相互压紧的金属表面间由于小振幅振动而产生的一种复合形式的磨损。
一般认为，微动磨损的机理是：
摩擦表面间的法向压力使表面上的微凸体粘着。
粘合点被小振幅振动剪断成为磨屑，磨屑被氧化后在磨损过程中起着磨粒的作用，使摩擦表面形成麻点或虫纹形伤疤。
这些麻点或伤疤是应力集中使零件受动载失效的根源。
连轧机底座受到连轧机法向压力作用与工作面微凸体粘着，在工作状态下受到切向力，产生切向振动，开始微动磨损。
（2）腐蚀磨损：
腐蚀磨损是指摩擦副对偶表面在相对滑动过程中，表面材料与周围介质发生化学或电化学反应，并伴随机械作用而引起的材料损失现象。
连轧机工作环境为潮湿的大气环境，并伴随酸性液体和油污的浸渍，易形成大气腐蚀和油污腐蚀。
腐蚀产生的锈层结构随材质、环境和腐蚀时间的不同而有变化[7]。
在压力容器的应用中，经常存在磨损与腐蚀。
因此，需要对容器表面进行防腐与防磨处理。
手工电弧表面堆焊恰好可以在容器表面行形成不锈钢防腐层，可以很好的解决容器表面的防磨和防腐问题。
（1）过渡层堆焊对基层16MnR钢预热150oC左右，采用焊条E309Mo（A312），焊接坡口形式皆为手工电弧平焊，过渡层数为1层，焊材直径为3.2mm，焊接电流为125～155A,焊接电压为22～24V。
过渡层堆焊完毕后进行550oC×
3h的热处理，其中在堆焊时控制道间温度为150～300oC，过渡层热处理完毕后进行PT检测。
（2）面层焊接层数为1层，焊条选择为E308，焊条直径为4mm，焊接电流为175～230A，电弧电压为18～23V，焊速为6～9m·
h-1。
面层堆焊完毕后立即进行保温缓冷，直至冷却到室温。
然后对堆焊层表面进行修磨，对不合格的地方进行堆焊补平，修复合格后对堆焊层面层进行PT检测，确保面层的堆焊质量。
（3）堆焊缺陷与防止措施[8]
（a）堆焊时电流过大，焊速较小，导致堆焊层稀释率严重，以致堆焊层硬度不能满足要求，所以在堆焊时必须严格执行焊接工艺要求。
（b）堆焊时预热温度控制不均匀（过高或过低），以与堆焊过程中温度起伏较大，都会导致出现裂纹。
所以堆焊时保温措施要严格执行。
过渡层堆焊完毕后要与时按照工艺要求进行热处理。
（c）焊件表面杂质未能清理干净．或者层间熔渣、药皮未清除干净，导致出现气孑L等焊接缺陷，所以在实施下层焊接时对上层焊道清除熔渣、药皮等杂物。
（d）堆焊时采用连续弧、短弧，这样电弧能稳定燃烧。
从而使焊缝金属性能较好。
1.6本课题的主要研究容
本课题对Q345R钢进行手工电弧表面堆焊焊接，并通过对接头组织与性能的分析，评定所选焊接工艺的合理性。
主要研究容如下：
（1）选用手工电弧焊对Q345R进行表面堆焊；
（2）制备接头金相试样，对接头组织进行观察；
（3）对接头试件进行硬度测试，检测接头机械性能；
（4）评定焊接工艺。
第二章实验材料与方法
2.1实验材料
2.1.1母材
本试验选用的母材为Q345R压力容器用钢，规格为350×
250×
20mm，其化学成分和机械性能分别见表2-1和表2-2。
表2-1Q345R钢的化学成分（wt.%）
C
Mn
Si
S
P
≤0.20
1.20~1.60
0.20~0.55
≤0.025
≤0.018
表2-2Q345R钢的机械性能（交货状态：
热轧）
钢板厚度/mm
拉伸强度/MPa
屈服强度/MPa
伸长率/%
温度/℃
V型横向冲击功/J
b=2a
180°
6～16
＞16～36
＞36～60
＞60～100
510～640
490～620
470～600
460～590
≥345
≥325
≥305
≥285
≥21
≥20
≥31
d=2a
d=3a
2.1.2焊接材料
表面堆焊时选用E309L-16不锈钢焊条作为过渡层进行打底，焊条直径为3.2mm；
堆焊的面层选用的E308L-16不锈钢焊条，其直径为4.0mm。
熔敷金属的化学成分和机械性能分别见表2-3和表2-4。
表2-3熔敷金属化学成分
焊条型号
Cr
Ni
Mo
E309L
E308L
0.04
0.02
0.09
0.78
1.31
0.017
0.021
0.03
0.01
22.93
19.30
12.86
10.50
—
表2-4熔敷金属性能
抗拉强度（MPa）
拉伸率（%）
520
25
35
2.2试验方法
2.2.1试板焊接试验
对Q345R试板进行手工电弧表面堆焊焊接，工艺为手工电弧多层多道堆焊，焊接层分为过渡层与面层，其中过渡层焊道数为20，面层焊道数为18。
具体焊接接头形式如图2-1所示。
具体施焊中预热温度为5oC，层间温度为150oC其余参数工艺见表2-4[9]。
图2-1焊接试接头连接形式
表2-4焊接工艺参数
焊道/焊层
焊接方法
焊材牌号
焊材直径
（mm）
电源极性
焊接电流
（A）
电弧电压
（V）
焊接速度cm/min
1~20
21~38
SMAW
TS-309L
TS-308L
3.2
4.0
DCRP
80-130
120-160
20-25
20-25
25-30
2.2.2接头组织观察
对上述手工电弧表面堆焊焊接试板取样并制成金相样品，以便对接头微观组织进行观察。
具体方法为：
沿垂直焊缝的方向，在试板中心的位置截取尺寸为75×
25×
25mm的试样；
将切好的试样的待观察表面在砂轮机上打磨平整，再用SiC砂纸对表面打磨直到1200号，并在抛光机上进行抛光，直至表面呈光滑无痕的镜面；
为了进行试块的金相组织观察，需要将金属表面进行腐蚀处理。
对于母材Q345R可采用4%的硝酸酒精处理。
而表面不锈钢堆焊层因其防腐性能较好，需要采用草酸电解腐蚀。
最后通过Neophot21金相显微镜对接头微观组织进行观察[10-11]。
2.2.3接头硬度试验
由于微观硬度的测量能够反映焊接接头微观组织的细微变化，因此，采用国产HV-10A维氏显微硬度仪，将金相观察后的试块进行布氏硬度实验，对制备好的Q345R钢焊接试样沿焊缝横截面竖直方向连续取点进行硬度测试，硬度测量点位置如图2.1中所示依次在面层、过渡层、熔合区、热影响区和母材处选取。
本次试验参照GB/T4340.1—1999《金属维氏硬度试验》，在HV-10A型小负荷维氏硬度计上完成。
硬度试验的试样表面应平坦光滑，试验面上应无氧化皮与外来污物，尤其不应有油脂，试样表面的质量应能保证压痕对角线长度的精确测量。
试验在室温下进行，所用载荷为10kg，加载时间为10~15s。
试样支撑面应清洁且无其他污物，试样应稳固地放置于刚性支撑台上以保证试验中试样不产生位移。
使压头与试样表面接触，垂直于试验面施加试验力，加力过程中不应有冲击和振动，试验力保持时间为10~15s，打点间距为0.15mm。
在整个试验期间，硬度计应避免受到冲击和振动。
任一压痕中心中心距试样边缘距离，至少应为压痕对角线长度的2.5倍；
两相邻压痕中心之间距离至少应为压痕对角线长度的3倍。
应测量压痕两条对角线的长度，用其算术平均值按该标准的附录查出维氏硬度值。
在平面上压痕两条对角线长度之差应不超过对角线平均值的5％。
用硬度机在焊接接头出打出一系列规则分布的点并查表得出其硬度，用于试验后的分析。
第三章试验结果与分析
3.1焊缝成形特征分析
如图3-1为焊道经打磨后手工电弧表面堆焊焊接试板，可以看到试板表面堆焊处焊缝外观形状平整，焊道结合紧密，表面无裂纹、气孔、塌陷等缺陷，焊缝成形良好。
图3-1手工电弧表面堆焊焊接试板
3.2焊接接头金相组织
3.2.1母材金相组织
如图3-2为母材的金相组织图，从图中可以明显的观察到母材的组织形态为带状分布的大块铁素体和珠光体，这正符合试验所选取的是热轧处理的Q345R钢板的组织特点。
Q345R为亚共析钢，在奥氏体状态冷却时，发生奥氏体到铁素体+珠光体的转变。
如果在冷却过程中，钢板的部各个部分同时开始形成先共析铁素体，就不会产生带状组织，也就是说各个区域的Ar3点温度一样时就不会形成带状组织。
但钢水实际冷却过程中结晶时往往形成枝晶偏析，在连铸坯的截面部分，由于枝间部分与枝干部分各个元素的含量不同，两者之间的Ar3点的温度也就不同。
这就导致轧制过程中先共析铁素体析出的不同时性，即Ar3点温度较高的偏析带优先形成先共析铁素体，而Ar3点温度较低的偏析带后转变，由于富碳而形成珠光体。
这样，就形成了铁素体—珠光体带状组织[12]。
图3-2母材的金相组织
热轧Q345R容器钢板的带状组织部Mn含量较高，平均高于钢板化学成分0.5%，可见，Mn的枝晶偏析引起了带状组织的偏析。
这是因为Mn可降低钢Ar3的温度，而Si则使之升高。
在连铸坯加热过程中，由于碳的扩散速度快，奥氏体化时碳能优先达到相对均匀，但是Mn、Si等元素是不容易均匀化的，并且在一定程度上仍保持着枝晶偏析引起的带状偏析。
钢在轧制冷却时，伴随先共析铁素体的析出，碳将不断向Ar3温度低的条带扩散，并在其中富集，最后在到达共析温度时，转变为珠光体。
因此，带状组织就是这些元素引起的各带Ar3点温度不同导致的。
只要各个偏析带存在化学成分不均匀性引起的Ar3点温度的差异，就具备形成带状组织的先决条件，但带状组织并不一定出现，这还取决于轧制条件和冷却制度。
可以采用微合金化和控扎，控冷来进行调节[12]。
3.2.2表面堆焊层分析
在母材表面进行的堆焊所选用的焊材型号为E309L-16、E308L-16，两者均为不锈钢焊条，堆焊层过渡层和面层的组织结构如图3-3、3-4所示。
从图3-3可以发现在堆焊层1中有一束一束平行排列的细板条，这些板条状组织为条状马氏体组织，在堆焊层形成马氏体不锈钢组织。
条状马氏体是低碳低合金焊缝在连续快冷条件下常出现的组织形态，条状马氏体不但具有较高的强度，而且具有良好的韧性，是综合性能最好的一种马氏体[13]。
从图3-4的组织图像可以观察到其组织成分为奥氏体和蠕虫状铁素体，图中褶皱状黑色组织均为夹杂在奥氏体间的蠕虫状铁素体。
奥氏体是碳溶解在γ－Fe中的间隙固溶体，常用符号A表示。
其溶碳能力较大，在727oC时溶碳为ωc＝0.77％，1148oC时可溶碳2.11％。
奥氏体是在大于727oC高温下才能稳定存在的组织。
奥氏体塑性好，是绝大多数钢种在高温下进行压力加工时所要求的组织。
图3-3堆焊层过渡层金相组织
图3-4堆焊层面层金相组织
面层堆焊层的外延与空气
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