金屬材料焊接工藝 第3版 教案 15 低溫用鋼的焊接

授課教案首頁(yè)學(xué)年第學(xué)期機(jī)械工程學(xué)院材料技術(shù)系（部）焊接技術(shù)及自動(dòng)化教研室課程名稱金屬材料焊接工藝任課教師授課形式理論教學(xué)√課內(nèi)實(shí)踐□理實(shí)一體□習(xí)題復(fù)習(xí)□考核評(píng)價(jià)□其他活動(dòng)□課時(shí)安排2課時(shí)序號(hào)15授課日期月日月日月日月日授課班級(jí)教學(xué)內(nèi)容：5、低溫用鋼的焊接教學(xué)目標(biāo)：知識(shí)目標(biāo)：1.了解低溫鋼的成分特點(diǎn)2、了解低溫鋼的焊接性能力目標(biāo)：掌握低溫鋼的焊接工藝要點(diǎn)素質(zhì)目標(biāo)：1、培養(yǎng)學(xué)生良好的操作習(xí)慣2、具有與人溝通、與人合作的社會(huì)交往能力重點(diǎn)難點(diǎn)及解決方法：要求學(xué)生熟悉低溫鋼的焊接工藝要點(diǎn)。授課地點(diǎn)：教室教學(xué)媒體：投影儀設(shè)備及材料：其它資源：學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)方式：課堂提問(wèn)及作業(yè)作業(yè)和思考題：1、低溫鋼的焊接特點(diǎn)有哪些？課后小結(jié)：填表說(shuō)明：1.序號(hào)，指該課程授課的順序號(hào)，應(yīng)與授課計(jì)劃一致；2.授課形式在相應(yīng)的選項(xiàng)打“√”。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過(guò)程時(shí)間分配方法及手段一、教學(xué)組織1．復(fù)習(xí)引入10分鐘2．講解45分鐘3．提問(wèn)20分鐘4.小結(jié)15分鐘二、教學(xué)內(nèi)容低溫鋼是指工作在-10～-196℃溫度范圍的鋼，低于-196℃（直到-273℃）的鋼稱為超低溫鋼。主要性能特點(diǎn)是在低溫工作條件下具有足夠的強(qiáng)度、塑性和韌性，同時(shí)具有良好的加工性。主要用于制造石油化工業(yè)中的低溫設(shè)備，如液化石油氣和液化天然氣等的儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)娜萜鳌⒐艿赖?。能力知識(shí)點(diǎn)1低溫鋼的分類、成分與性能1．低溫鋼的分類（1）按使用溫度等級(jí)分類分為-50～-90℃、-100～-120℃和-196～-273℃等級(jí)的低溫鋼。（2）按合金元素含量和組織分類分為低合金鐵素體低溫鋼、中合金低溫鋼和高合金奧氏體低溫鋼。（3）按有無(wú)Ni、Cr元素分類分為無(wú)Ni、Cr低溫鋼和含Ni、Cr低溫鋼。（4）按熱處理方法分類分為非調(diào)質(zhì)低溫鋼和調(diào)質(zhì)低溫鋼。填表說(shuō)明：1.本頁(yè)可續(xù)頁(yè)；2.教學(xué)方法如：項(xiàng)目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實(shí)物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡(luò)課程等。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過(guò)程時(shí)間分配方法及手段2．低溫鋼的成分、組織和性能低溫鋼的鋼種很多，包括從低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼、低合金高強(qiáng)度鋼、低Ni鋼，直到Ni含量為9%的鋼。低溫鋼大部分是接近鐵素體型的低合金鋼，其含碳量較低，主要通過(guò)加入Al、V、Nb、Ti和稀土（RE）等元素固溶強(qiáng)化和細(xì)化晶粒，再經(jīng)過(guò)正火、回火處理獲得晶粒細(xì)而均勻的組織，以得到良好的低溫韌性。如果在鋼中加入Ni，可提高鋼的強(qiáng)度，同時(shí)又可進(jìn)一步改善低溫韌性，但在提高Ni的同時(shí)要相應(yīng)降低含碳量和嚴(yán)格控制S、P含量，以充分發(fā)揮Ni的有利作用。（1）鐵素體型低溫鋼顯微組織為鐵素體+少量珠光體使用溫度范圍-40～-100℃，如16MnDR、09Mn2VDR、06MnNbDR、3.5Ni和06MnVTi等有“DR”標(biāo)示的為低溫容器專用鋼，一般在正火狀態(tài)下使用。16MnDR是制造-40℃低溫設(shè)備用的細(xì)晶粒鋼；09Mn2VDR也屬細(xì)晶粒鋼，主要用于制造-70℃的低溫設(shè)備，如冷凍設(shè)備、液化氣儲(chǔ)罐、石油化工低溫設(shè)備等；06MnNbDR是具有較高強(qiáng)度的-90℃用細(xì)晶粒鋼，主要用于制造-60～-90℃的制冷設(shè)備、容器和儲(chǔ)罐。3.5Ni鋼一般經(jīng)過(guò)870℃正火和635℃、1h消除應(yīng)力回火，其最低使用溫度達(dá)-100℃；調(diào)質(zhì)處理可提高其強(qiáng)度、改善韌性和降低脆性轉(zhuǎn)變溫度，其最低使用溫度可達(dá)-129℃。（2）低碳馬氏體型低溫鋼含Ni較高的鋼如9Ni鋼，淬火后組織為低碳馬氏體，正火后的組織除低碳馬氏體外，還有少量鐵素體和少量奧氏體，具有較高的強(qiáng)度（高于奧氏體不銹鋼）、塑性和低溫韌性，能用于-196℃的低溫，適于制造儲(chǔ)存液化氣的大型儲(chǔ)罐。（3）奧氏體型低溫鋼具有很好的低溫性能，其中以18-8型鉻鎳奧氏體不銹鋼應(yīng)用最廣泛，25-20型可用于超低溫條件。我國(guó)為了節(jié)約鉻、鎳貴重金屬而研制了以鋁代鎳的15Mn26Al14的奧氏體不銹鋼。填表說(shuō)明：1.本頁(yè)可續(xù)頁(yè)；2.教學(xué)方法如：項(xiàng)目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實(shí)物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡(luò)課程等。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過(guò)程時(shí)間分配方法及手段能力知識(shí)點(diǎn)2低溫鋼的焊接性一、無(wú)Ni低溫鋼的焊接性無(wú)Ni低溫鋼即鐵素體型低溫鋼其中wc=0.06%～0.20%，合金元素總量≤5%，碳當(dāng)量為0.27%～0.57%，焊接性良好。在室溫下焊接不易產(chǎn)生冷裂紋，在板厚小于25mm時(shí)焊前不需預(yù)熱；板厚超過(guò)25mm或接頭剛性拘束較大時(shí)，應(yīng)預(yù)熱100～150℃，注意預(yù)熱溫度（不可超過(guò)200℃）過(guò)高會(huì)引起熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)大而降低韌性。二、含Ni低溫鋼的焊接性含Ni較低的低溫鋼如2.5Ni和3.5Ni鋼，雖然加入Ni提高了鋼的淬透性，但由于含碳量限制的較低，冷裂傾向并不嚴(yán)重，薄板焊接時(shí)可不預(yù)熱；厚板焊接時(shí)須進(jìn)行100℃預(yù)熱。含Ni高的低溫鋼如9Ni鋼，淬硬性很大，焊接時(shí)熱影響區(qū)產(chǎn)生馬氏體組織是不可避免的，但由于含碳量低，并采用奧氏體焊接材料，因此冷裂傾向不大。但焊接時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題：（1）正確選擇焊接材料9Ni具有較大的線脹系數(shù)，選擇的焊接材料必須使焊縫與母材線脹系數(shù)大致相近，以免因線脹系數(shù)差別太大而引起焊接裂紋。通常選用鎳基合金焊接材料，焊后焊縫組織為奧氏體組織，低溫韌性好，且線脹系數(shù)與9Ni鋼接近。（2）避免磁偏吹現(xiàn)象9Ni鋼具有強(qiáng)磁性，采用直流電源焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁偏吹現(xiàn)象，影響焊接質(zhì)量。防治措施是焊前避免接觸強(qiáng)磁場(chǎng)；盡量選用可以采用交流電源的鎳基焊條。（3）焊接熱裂紋Ni能提高鋼材的熱裂紋傾向，焊接含Ni鋼時(shí)要注意焊接熱裂紋。因此應(yīng)該嚴(yán)格控制鋼材及焊接材料中的S、P含量，以免因S、P含量偏高在焊縫結(jié)晶過(guò)程中形成低熔點(diǎn)共晶，而導(dǎo)致形成結(jié)晶裂紋。含Ni鋼的另一個(gè)問(wèn)題是具有回火脆性，因此應(yīng)注意這類鋼焊后回火的溫度和控制冷卻速度。填表說(shuō)明：1.本頁(yè)可續(xù)頁(yè)；2.教學(xué)方法如：項(xiàng)目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實(shí)物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡(luò)課程等。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過(guò)程時(shí)間分配方法及手段9Ni鋼是典型的低碳馬氏體低溫鋼，淬硬性較大。焊前應(yīng)進(jìn)行正火+高溫回火或900℃水淬+570℃回火處理，其組織為低碳板條狀馬氏體，具有較高的低溫韌性，其焊接性也優(yōu)于一般低合金高強(qiáng)鋼，板厚小于50mm的焊接結(jié)構(gòu)焊接時(shí)不需預(yù)熱，焊后可不進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。對(duì)這類易淬火的低溫鋼通常采用控制道間溫度及焊后緩冷等工藝措施，以降低冷卻速度，避免淬硬組織；采用較小的焊接熱輸入，避免熱影響區(qū)晶粒過(guò)分長(zhǎng)大，達(dá)到防止冷裂和改善熱影響區(qū)低溫韌性的目的。能力知識(shí)點(diǎn)3低溫鋼的焊接工藝特點(diǎn)1．焊接方法焊接低溫鋼時(shí)，焊條電弧焊和氬弧焊應(yīng)用廣泛，埋弧焊的應(yīng)用受到限制，而氣焊和電渣焊一般不用。為避免焊縫金屬和熱影響區(qū)形成粗大組織而使接頭韌性降低，焊接熱輸入不能過(guò)大，多層焊要控制道間溫度不可過(guò)高，例如焊接06MnNbDR低溫鋼時(shí)，道間溫度不可超過(guò)300℃。2．焊接材料焊條電弧焊焊接低溫鋼時(shí)一般選用高韌性焊條，焊接含Ni的低溫鋼所用焊條的含Ni量應(yīng)與母材相當(dāng)或稍高；埋弧焊焊接低溫鋼一般選用中性熔煉焊劑配合Mn-Mo焊絲或堿性熔煉焊劑配合含Ni焊絲，也可采用C-Mn焊絲配合堿性非熔煉焊劑，由焊劑向焊縫過(guò)渡微量Ti、B合金元素，以保證焊縫獲得良好的低溫韌性。3．低溫鋼焊接操作要點(diǎn)為減小熱輸入，焊條電弧焊通常采用小直徑焊條（一般不大于4mm）、用盡量小的焊接電流，采用多層多道焊，每一焊道焊接時(shí)采用快速不擺動(dòng)的操作方法。快速多道焊可避免焊道過(guò)熱，多層焊時(shí)后續(xù)焊道對(duì)前焊道的再次加熱作用可細(xì)化晶粒。低溫鋼焊條電弧焊平焊時(shí)的焊接參數(shù)見(jiàn)表3-24。其他位置焊接時(shí)焊接電流應(yīng)減小10%。在橫焊、立焊和仰焊時(shí)，為保證焊縫成形并與母材充分熔合，可作必要的擺動(dòng)，例如采用“之”字形運(yùn)條方法，但應(yīng)控制電弧在坡口兩側(cè)的停留時(shí)間，收弧時(shí)要將弧坑填滿。填表說(shuō)明：1.本頁(yè)可續(xù)頁(yè)；2.教學(xué)方法如：項(xiàng)目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實(shí)物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡(luò)課程等。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過(guò)程時(shí)間分配方法及手段焊縫金屬類型焊條直徑/mm焊接電流/A焊接電壓/V鐵素體-珠光體型3.290～12023～244.0140～18024～26Fe-Mn-Al奧氏體型3.280～10023～244.0100～12024～25能力知識(shí)點(diǎn)4典型鋼種的焊接工藝板厚15mm的9Ni鋼大型儲(chǔ)罐，工作溫度為-190℃。儲(chǔ)罐平板對(duì)接的立焊焊縫，采用單面自