A302焊接Q345与1Cr18Ni9钢.docx
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A302焊接Q345与1Cr18Ni9钢
本科毕业论文
题目：
A302焊接Q345与1Cr18Ni9钢
接头组织和性能的研究
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摘要
本论文研究的主要内容是通过对Q345与1Cr18Ni9钢的异种钢焊接接头的组织和性能的研究，选择合适的焊接材料与焊接工艺。
首先通过舍夫勒图选择合适的焊接材料A302，再根据Q345与1Cr18Ni9钢的成分组成与力学性能选择合适的焊接电流范围（90A—110A）。
对接头组织性能的研究主要是通过磨金相分析金相组织和在焊缝周围打硬度进行硬度分析，再通过对金相组织和维氏硬度值的综合分析确定最合适的焊接工艺参数。
试验结果表明Q345与1Cr18Ni9钢在100A的电流下得到的焊缝比90A下的焊缝拥有更好的组织和性能。
关键词：
1Cr18Ni9钢；Q345钢；E309-16熔敷金属；熔合区组织；HV硬度
TheMicrostureAndPropertiesOfQ345And1Cr18Ni9SteelWeldingJointByA302
ABSTRACT
ThemaincontentofthisthesisistochoosetherightweldingmaterialandweldingprocessofQ345and1Cr18Ni9steelbasedontheweldingjointmicrostructureandpropertiesofthem.Firstly,choosingthesuitableweldingmaterialA302bySchaefflerfigure，thenaccordingthecompositionandmechanicalpropertiesofQ345and1Cr18Ni9steeltoselectthesuitableweldingcurrentrange（90A—110A）.Thestudyonmicrostructureandpropertiesofweldedjointismainlythroughmetallographicanalysisandhardnessanalysis,thenbasedonthecomprehensiveanalysisonmetallographicstructureandthevickershardnessvaluetodeterminethemostsuitableweldingparameters.ThroughtheresultswecanfindthattheQ345and1Cr18Ni9steelin100Acurrenthasbettermicrostructureandpropertiesthanin90Acurrent.
Keywords:
1Cr18Ni9steel；Q345steel；E309-16depositedmetal；Fusionzone；HVhardness
1前言
1.1概述
Q345与1Cr18Ni9钢焊接属于异种材料的的焊接。
所谓异种材料焊接是指不同成分的金属，如铝、铜、铸铁、钢、合金钢等通过熔化焊形成接头。
异种金属的焊接，早在30年代就开始用奥氏体不锈钢焊条焊接低合金耐热钢，主要是用在焊后难以实现热处理的场合，以及不进行焊后热处理。
随着石油化工行业的发展，火电厂大型机组向高温高压大容量发展，异种材料的焊接愈显得尤为重要。
良好的焊接接头在长时间高温、高压、腐蚀条件下工作不会发生任何事故，质量有问题的异质接头在较短的时间内就会失效。
过早破坏的情况引起了人们的注意，并对过早破坏的原因和处理对策从40年代开始就进行了大量研究。
然而，就整个异种金属焊接来说，在理论与实践上尚处于发展阶段，有待进一步研究和总结[1]。
随着国民经济的迅速发展和科学技术的不断进步，新材料、新工艺、新技术不断地涌现，现代动力机械、化工和石油设备及反应堆工程中的许多零部件长期工作在高温或低温、腐蚀介质、电磁场或放射性环境中。
如果整个设备或仪器都采用较贵的材料，就会使整个加工工艺大为复杂化，设备费用会大大增加。
为了节约大量的贵重金属材料，降低成本，简化工艺，保证在不同的工作条件下使用不同材料，充分发挥不同材料的性能优势，异种材料焊接结构将越来越多。
1.2奥氏体钢和低合金钢的定义、分类及应用
1.2.1奥氏体钢
所谓不锈钢是指在空气、水、盐水、酸等腐蚀介质中具有高的化学稳定性的钢，其室温下组织为奥氏体。
除了黑色金属外不锈钢是应用最广泛的一种，其中高铬镍钢及高铬锰钢均属此类。
以Cr18Ni18为代表的系列（简称18-8），主要用于耐蚀条件下；以Cr25Ni20为代表的系列（简称25-20），则主要用做热稳定钢，提高含碳量则可用做热强钢。
对其焊接性影响较大的物理性能有：
线膨胀系数、热导率、电阻率等。
一般而言，合金元素越多，导热性能越差，线膨胀系数和电阻率越大。
1.2.2低合金钢
低合金钢是在碳素钢中加总的质量分数不超过5﹪的各种合金化学元素，以提高钢材的强度、塑性、韧性、耐蚀性、耐热性或其他特殊性能的钢材。
用于制造工程结构和机器零件的钢统称为结构钢。
合金结构钢分为高强度钢（强度用钢）（GB/T13304-1991规定，
≥295MPa、
≥390MPa的钢均称为高强度钢）和专业用钢两大类。
1）高强度钢
按照钢材供货的热处理状态分为：
热轧及正火钢、低碳调质钢和中碳调质钢三类。
钢材的供货热处理状态是由其合金系统、强化方式、显微组织所决定的，同一类的钢其焊接性是比较接近。
（1）热轧及正火钢
以热轧或正火供货和使用的钢。
力学性能：
=295～490MPa，包括Q295～Q460钢。
强化方式：
通过合金元素的固溶强化和沉淀强化而提高强度，属非热处理强化钢。
性能：
冶炼工艺比较简单，价格低廉、综合力学性能良好，具有优良的焊接性，应用广泛。
（2）低碳调质钢
在调质状态下供货和使用，属于热处理强化钢。
性能：
=441～980MPa。
具有较高的强度、优良的塑性和韧性，可直接在调质状态下焊接，焊后不需再进行调质处理。
应用：
在焊接结构中，越来越受到重视，是具有广阔发展前途的一类钢。
（3）中碳调质钢
属于热处理强化钢。
性能：
其碳含量较高，
=880～1170MPa。
与低碳钢相比，合金系统比较简单。
碳含量高可有效地提高调质处理后的强度，但塑性、韧性相应下降，而且焊接性变差。
一般需要在退火状态下进行焊接，焊后要进行调质处理。
应用：
主要用于制造大型机器上的零件和要求强度高而自重小的构件。
2）专业用钢
把满足某些特殊工作条件的钢种总称为专业用钢。
按用途的不同，其分类品种很多，常用于焊接结构制造的有：
（1）珠光体耐热钢
这类钢主要用于制造工作温度在500～600℃范围内的设备，具有一定高温强度和抗氧化能力。
（2）低温用钢
用于制造在﹣20～﹣196℃低温下工作的设备。
主要特点是韧脆性转变温度低，具有良好的低温韧性。
目前应用最多的是低碳的含镍钢。
（3）低合金耐蚀钢
主要用于制造在大气、海水、石油、化工产品等腐蚀介质中工作的各种设备，除要求钢材具有合格的力学性能外，还应对相应的介质有耐蚀能力。
耐蚀钢的合金系统随工作介质不同而异。
Q345钢是低合金钢中强度用钢中的热轧及正火钢，属于珠光体钢，它具有良好的综合力学性能、低温冲击韧性，冷冲压性及切削性均好，在我国应用面极广，可以制造大型船舶、铁路车辆、桥梁、管道、锅炉、压力容器、石油储存罐、起重机械、厂房钢架等承受负荷的焊接结构。
而1Cr18Ni9属于奥氏体型不锈钢，常应用于家庭用品（1、2类餐具、橱柜、室内管线、热水器、锅炉、浴缸），汽车配件（风挡雨刷、消声器、模制品），医疗器具，建材，化学，食品工业，农业，船舶部件。
1.3我国材料的发展现状
现代工程结构中不仅需要对同种材料进行焊接，也需要对异种材料进行焊接。
在工程及制造中采用异种材料焊接结构，不仅能满足不同工作条件对材质的不同要求，而且还能节约贵重金属，降低结构整体成本，充分发挥不同材料的性能优势。
早期的焊接主要是同种材料的焊接，随着科学技术的不断发展，新结构、新设备层出不穷；新材料、新工艺的应用日益广泛，对各类工程构件的性能提出了更高的要求，如硬度、耐磨性、耐蚀性、低温韧性、高温持久强度等，在有些情况下，任何一种金属材料都不可能完全满足使用要求，或者即使是某种金属材料比较理想，但往往由于十分稀贵，不能在工业中普遍应用，因此，采用焊接方法制造异种金属复合零部件日益受到了人们的广泛重视。
异种金属材料组成的钢结构一般在复杂的工况下工作，如高温、高压、腐蚀环境等，保证其焊接接头的可靠性是结构安全运行的关键。
近年来，此类状况因腐蚀造成的失效而导致的事故占总事故的1／3以上，造成的相当大的经济损失。
焊接接头的腐蚀严重影响了钢结构及具有异种金属接头设备的安全运行和使用寿命。
为保证异种金属接头结构的安全运行，需要对异种金属焊接接头的各种性能进行研究，尤其是对腐蚀环境下运行的结构的耐腐蚀性能的研究。
1.4Q345与1Cr18Ni9钢的特性
1.4.1力学性能[2]
1Cr18Ni9钢和Q345B钢力学性能见表1.4.1：
表1.4.1力学性能
钢号
力学性能
Q345B
/MPa≥343
/MPa≥490
/%≥21
≥59
1Cr18Ni9
/MPa≥206
/MPa≥520
/%≥40
HV≤200
1.4.2成分
1）成分
1Cr18Ni9钢成分见表1.4.2，Q345B（16Mn）钢成分见表1.4.3：
表1.4.21Cr18Ni9钢成分质量分数%
元素名称
C
Si
Mn
S
P
Cr
Ni
含量%
≤0.12
≤1.0
≤2.0
≤0.03
≤0.035
17.0～19.0
8.0～11.0
表1.4.3Q345钢成分质量分数%
元素名称
C
Si
Mn
S
P
含量%
0.12～0.18
0.2～0.6
1.2～１.6
≤0.045
≤0.05
1.4.3元素在钢中的作用[3][4]
1）碳（C）
碳是一个奥氏体化的元素，当钢中含碳
0.77%以内、温度在727℃以上，奥氏体的数量越多。
碳的原子半径较小，在金属中以间隙固溶存在于晶格中使晶格发生歪扭，提高金属的强度和硬度，同时降低材料的塑性和韧性。
碳含量越多含量越多强度和硬度越高，塑性和韧性越小，当含碳质量分数过多就会产生过分强化。
当钢中
≥2.11%时成为塑性几乎等于零的铸铁。
所以，低合金高强钢中如Q345B钢，为保证具有综合的力学性能，含
的质量分数一般小于等于0.22%，而Q345B钢中
的质量分数在0.12～0.18范围。
碳在1Cr18Ni9钢也起提高强度的作用，但随着含
的质量分数越多，产生腐蚀的倾向越高，所以，对耐腐蚀要求高的不锈钢含
量不得过高。
2）硅（Si）
硅是一个铁素体化的元素，
≤0.45%时，随着含量的增加，在强度升高的同时，塑性韧性同时增加，当
＞0.6%时，随着碳含量的增加，强度硬度增加的同时，塑性韧性下降。
所以，硅含量一般控制在0.6%以内。
其次，Si可以脱氧，与氧形成SiO2。
3）锰（Mn）
锰是奥氏体化元素，在奥氏体钢中部分代替镍。
≤0.55%时，随着含量的增加，在强度升高的同时，塑性韧性同时增加，当
＞0.55%时，随着碳含量的增加，强度硬度增加的同时，塑性韧性下降。
所以，锰含量一般控制在0.55%以内。
其次，Mn可以脱氧去硫，与氧形成MnO，与硫形成MnS。
4）铬（Cr）
铬是铁素体化元素，它可以固溶在铁素体中扩大
相区，无论在各种不锈钢中铬是必加元素，当
在13%可成为马氏体不锈钢，
在17%可成为铁素体不锈钢。
铬与氧可形成致密完整的Cr2O3氧化膜，在钢中加入
≥18%可使钢在1000～1100℃抗氧化。
5）镍（Ni）
镍是奥氏体化元素，它可以固溶在铁素体中扩大
相区，无论在各种不锈钢中铬是主加元素。
当
≥8%时，钢的室温组织为奥氏体，成为奥氏体不锈钢。
图1.4.1为元素固溶强化效果，图1.4.2为对冲击韧度的影响。
图1.4.1合金元素对铁素体固溶强化的作用
图1.4.2合金元素对铁素体冲击值的影响
1.5所使用的焊接材料及特点[5]
A302钛钙型药皮的Cr23Ni13不锈钢焊条，焊条药皮中含有大量的二氧化钛及一定量的钙、镁的碳酸盐，具有良好的焊接工艺性能，电弧柔软，飞溅少，焊缝光滑，成型美观，一般熔深稍浅，其熔敷金属具有良好的抗裂和抗氧化性，可进行全位置焊接，可交直两用，焊接工艺性能优异，用于焊接同类不锈钢、异种钢及高铬钢、高锰钢。
1.6所使用材料的焊接性分析
1.6.1Q345钢的焊接性分析
属于非热处理强化钢，碳及合金元素的含量都比较低，总体来看焊接性较好，但随着合金元素的增加和强度的提高，焊接性也会变差，使热影响区母材性能下降，产生焊接缺陷。
1）粗晶区脆化
热影响区中被加热到1100℃以上的粗晶区是焊接接头的薄弱区。
热轧及正火钢焊接时，如热输入过大或过小都可能使粗晶区脆化。
2）冷裂纹
热轧钢虽然含少量的合金元素，但其碳当量比较低，一般情况下其冷裂倾向不大。
3）热裂纹
一般情况下，热轧正火钢的热裂倾向小，但有时也会在焊缝中出现热裂纹。
4）层状撕裂
大型厚板焊接结构如在钢材厚度方向承受较大的拉伸应力，可能沿钢材轧制方向发生阶梯状的层状撕裂。
1.6.21Crl8Ni9奥氏体不锈钢焊接性分析[6]
1）焊接热裂纹
1Crl8Ni9奥氏体不锈钢的导热系数大约只有低合金钢的一半，而线膨胀系数却大得多，所以焊后在接头中会产生较大的焊接内应力；1Cr18Ni9奥氏体不锈钢中的成分，如碳、硫、镍等会在熔池中形成低熔点共晶。
如硫与镍形成的Ni，S2熔点为645~C，而Ni—Ni2S共晶的熔点只有625℃；1Cr18Ni9奥氏体不锈钢的液、固相线的区间较大，结晶时间较长，且奥氏体结晶的枝晶方向性强，所以杂质偏析现象比较严重。
综上所述，1Crl8Ni9奥氏体不锈钢焊接时比较容易产生焊接热裂纹，包括焊缝的纵向和横向裂纹、火口裂纹、打底焊的根部裂纹和多层焊的层间裂纹等。
2）焊接接头的晶间腐蚀
晶间腐蚀发生于晶粒边界，所以叫晶间腐蚀。
它是奥氏体金属最危险的破坏形式之一。
不锈钢具有抗腐蚀能力的必要条件是含铬量大于12％。
当含铬量小于12％时，就会失去抗腐蚀能力。
奥氏体不锈钢就是由于晶界处形成贫铬区（含铬量小于12％）而造成的。
其原因是奥氏体不锈钢处在450~C～850~C温度下，碳在奥氏体中的扩散速度大于铬在奥氏体中的扩散速度。
室温下碳在奥氏体中的溶解度很小，约为0．02％一0．03％，当奥氏体钢中含碳量超过0．02％～0．03％时，碳就不断地向奥氏体晶界扩散，并和铬化合形成铬化物（CC6）。
但由于铬比碳原子半径大，扩散速度小，来不及向晶界扩散，晶界附近大量的铬和碳化合成碳化铬，造成奥氏体边界的贫铬区，当其含铬量小于12％时，便失去抗腐蚀能力，在腐蚀介质中使用，会引起晶间腐蚀。
1.6.3奥氏体钢与珠光体钢的异种钢的焊接性
实践中发现珠光体与奥氏体钢焊接接头存在应力腐蚀、焊缝的晶间腐蚀、刀蚀耐蚀的问题，其原因[7]：
两种材料的线胀系数不同，在20～600℃范围内，珠光体钢的线胀系数为13.5×10-6～14.5×10-6K-1，奥氏体钢为16×10-6～18.5×10-6K-1，所以焊接时常常产生很大残余应力；珠光体钢与奥氏体钢成分和组织不同，生成的物相结构或化合物，可能使熔合区、焊缝、热影响区的性能恶化；熔合区、焊缝、热影响区的力学性能较差，特别是塑性、韧性明显小于奥氏体不锈钢，耐热性不如珠光体钢；由于接头塑性韧性的下降以及焊接应力的存在，珠光体钢与奥氏体钢焊接接头容易产生裂纹，尤其是焊接熔合区和热影响区更容易产生裂纹；焊接工艺和焊接材料选择不当，在焊接接头处出现耐蚀性能下降等问题。
1.7各种焊接方法的优缺点
珠光体与奥氏体钢焊接可采用焊条电弧焊、埋弧自动焊、电子束焊、氩弧焊等焊接方法。
1）焊条电弧焊
焊条电弧焊是目前应用较广泛的一种焊接方法，优点是应用灵活、方便、适用性广，而且设备简单，特别适于焊接全位置短焊缝和自动焊难以焊接到的焊缝。
有单道焊、双面焊和多层多道焊接头，焊件厚度不受限制，但焊件厚度较大时，经济效益降低，而且随着焊件厚度的增加，焊件缺陷增多。
焊条电弧焊的焊缝是铸态组织，接头两侧的热影响区有连续的梯度组织变化。
2）埋弧焊自动焊
埋弧自动焊的生产效率高，熔透能力和焊丝熔敷率大大提高；焊缝质量高，埋弧焊时焊剂和熔渣能有效地防止空气侵入熔池而免受污染，还可以降低焊缝的冷却速度从而提高接头的力学性能，且表面成型良好；埋弧自动焊也能节省焊接材料，可以减少开坡口的工作量及焊材的无益损耗。
但埋弧焊是靠颗粒焊剂堆积覆盖而形成对焊接区的保护条件，且灵活性不够，因此对于平焊、长焊缝的焊接可以优先选择埋弧自动焊。
3）电子束焊
电子束焊接的能量密度高，可焊接一般电弧焊难以实现的焊缝；电子束焊接是在真空中进行，焊缝的化学成分稳定且纯净，接头强度高，焊缝质量高；电子束焊接速度快，热影响区小，焊接热变形小；电子束焊接适用于焊接几乎所有的金属材料；电子束焊接可获得深宽比大[8]的焊缝（20∶1～50∶1），焊接厚件时可以不开坡口一次成形；电子束焊接结合计算机技术，实现了工艺参数的精确控制,使焊接过程完全自动化。
4）氩弧焊
氩气具有极好的保护作用，能有效的隔绝周围空气；它本身既不与金属起化学反应，也不溶于金属，使得焊接过程中的冶金反应简单易控制，因此获得较高质量的焊缝提供良好条件；钨极电弧非常稳定，即使在很小电流情况下（<10A）仍可稳定燃烧，特别适用于薄板材料焊接；热源和填充焊丝可分别控制，因而热输入容易调整所以这种焊接方法可进行全方位焊接，也是实现单面焊双面成型的理想方法；由于填充焊丝不通过电流，故不产生飞溅，焊缝成型美观；交流氩弧焊在焊接过程中能够自动清除焊件表面的氧化膜作用，因此，可成功地焊接一些化学活泼性强的有色金属，如铝、镁及合金；钨极承载电流能力较差，过大的电流会引起钨极的熔化和蒸发，其微粒有可能进入熔池而引起夹钨。
因此，熔敷速度小、熔深浅、生产率低；采用氩气较贵，熔敷率低，且氩弧焊机有较复杂，和其他焊接方法比较，生产成本较高；氩弧周围受气流影响较大，不易室外工作。
2实验材料及方法
2.1焊接方法
焊接方法对珠光体钢与奥氏体钢焊接接头最主要的影响是熔合比，亦即稀释率。
稀释率越低越好，应注意选用熔合比小的焊接方法，如焊条电弧焊、钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊都比较合适。
本课题采用焊条电弧焊，理由其一，不同成分的不锈钢焊条市面上供应充足便于选择。
其二，异种材料焊接多数短焊缝，不宜选择自动焊。
其三，焊条电弧焊价格便宜。
其四，实验室直流、交流焊机多台便于使用。
2.2实验材料及设备
1）实验材料及尺寸
实验材料采用机械切割从Q345和1Cr18Ni9钢大板中分别按照150×75×3/mm尺寸各切割一半而成。
并采用机械方法按照图2.2.1给出的坡口尺寸开焊接坡口。
图2.2.1板尺寸及坡口形式
2）焊接材料的选择[9]
奥氏体不锈钢和低合金钢焊接接头熔合区的组织和性能主要取决于焊接材料。
奥氏体钢与珠光体钢焊接材料的选择基本原则可归纳为：
第一，能克服珠光体钢对焊缝金属稀释作用到来的不利影响；第二，抑制碳化物形成元素的不利影响，保证接头使用性能，包括力学性能和综合性能；第三，焊接接头区不产生冷、热裂纹；第四，良好的工艺性能和较高的生产率，尽可能降低成本。
对于ICr18Ni9+Q345的焊接接头。
下面借助舍夫勒组织图（图2.2.2）来分析采用不同牌号的不锈钢焊条其焊缝组织。
图2-2舍夫勒图
图2.2.2舍夫勒组织图
首先计算铬当量和镍当量，见公式2-1和2-2。
Cr％=Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb（%）（2-1）
Ni%=Ni+30C+0.5Mn（%）（2-2）
分别将1Cr18Ni9、Q345、A102、A302、A407中的相关元素含量代人公式（2-1）、（2-2）计算得铬镍当量，并在舍夫勒组织图中找出相应点，如图2.2.2中所示：
分点a为1Cr18Ni9钢，b点为Q345低合金钢，c点为A102焊条，d为A302焊条，e为A407焊条。
连接ab，取f作为ab的中点，然后将fc线按熔合比找出30%-40%的线段gh，此线段正处于A+M组织区，因此不能采用A102焊条；采用A407高铬焊条时，为fe连线，此线上的30%-40%熔合比线段为kl，是纯奥氏体区，这种奥氏体焊缝易产生热裂纹，抗裂性并不好，在异种焊接中很少采用。
采用A302焊条时，在fd线上的熔合比30%-40%为ij，此段为A+5%F，从抗晶间腐蚀能力来说，焊缝组织认为A+（2~5）%F比纯奥氏体有利，这是因为单相奥氏体组织的焊缝金属具有发达的柱状晶特征，敏化处理后（对于18-8钢，在450~850℃短时加热就很容易促使产生晶间腐蚀倾向，称敏化处理），出现的贫铬层可以贯穿于晶粒之间而能构成腐蚀介质的集中的腐蚀通道，因而具有较大的晶间腐蚀倾向。
若焊缝组织为A+（2~5）%F双相组织时，树枝晶被打散，对腐蚀介质不能构成集中的腐蚀通道，晶间腐蚀的倾向因而可以降低，这时主要表现为表面的均匀性腐蚀，所以本实验中采用A302焊条来焊接1Cr18Ni9+Q345以提高接头抗裂性和耐蚀性。
3）焊条直径、型号与参数
焊条直径按照所焊接的板厚、焊接电流大小和焊接层数确定，薄板和打底焊一般选用细焊条，否则选用较大直径的焊条，为了方便本次选择焊条直径为3.2（mm）。
根据舍夫勒图确定焊条型号为E1-23-13-16（牌号A302）。
其熔敷金属化学成分，见表2.2.1，力学性能，见表2.2.2，焊接工艺参数见表2.2.3：
表2.2.1A302熔敷金属化学成分质量分数%
名称
C
Mn
Si
Cr
Ni
Mo
其他
含量
≤0.15
0.50~2.5
≤0.90
22.0~25.0
12.0~14.0
≤0.75
Cu≤0.75
表2.2.2A302力学性能
性能
力学性能σb/MPa
δ5/%
数值
≥550
≥25
表2.2.3焊接工艺参数
焊条直径/mm
焊接电流/A
电弧电压/V
焊接速度mm/min
3.2
90～130
26
100
4）实验设备
①电焊机：
BX-315；
②金相显微镜：
4X型；
③抛光机：
P-2；
④显微硬度计：
HV-1000；
⑤砂轮机：
250mm立式砂轮机S3ST-KW-250；
⑥金相多媒体软件照相；
⑦扫描电镜：
JSM-6380LA扫描电镜及附带的JED-2300能谱仪检测成分。
5）焊接顺序
为防止试板焊后发生角变形，采用图2.3所示的焊接顺序。
图2.2.3焊接顺序
2.3焊接工艺参数
为了减小熔合比，珠光体钢与奥氏体钢焊接时坡口角度应
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