开题报告[1]

本科生毕业设计（论文）开题报告

学 院： 材料科学与工程学院

论文题目： 珠光体与奥氏体钢异质专用焊接材料研制

专业班级： 成型及控制工程1001班 学生姓名： 赵 娣 指导教师： 李 德 元

开题时间： 2013 年 3 月 25 日

珠光体与奥氏体钢异质专用焊接材料研制

一、 课题研究的背景及意义

随着科学技术的进步和现代工业的不断发展，对焊接构件的性能提出更高、更苛刻的要求，往往除通常的力学性能之外， 还有高温强度、耐磨性，低温韧性，抗辐照性，磁性、导电性等多方面的性能[1]，使其对焊缝的质量提出更高的要求。在这种情况下，单靠任何一种金属材料都不可能完全满足使用要求，即使可能有某种金属相对比较理想一些，也常常由于十分稀贵而不能在工程实际中应用。现代焊接技术已经可以将具有不同性能的异种金属牢固的结合起来。既能满足各种性能要求，又可节约金属，降低成“物尽其用”，因而日益受到人们的重视，并正在航天、航空、石油化工、电站锅炉、机械电子，造船及其他一些领域获得越来越广泛地应用[2]。本次论文主要阐述珠光体钢与奥氏体钢的焊接机理来分析实际生产中出现的问题和有效的防止措施。

现代焊接过程与焊接工艺中，异种材料焊接所占的比例日益增加。采用异种焊接方法，不仅能够满足不同使用条件下对焊缝的要求，还可以充分发挥不同材料的自有特性从而节约生产成本[3]。异种钢焊接结构件在不同温度和不同应力载荷等外在条件下具有良好的力学性能，在不同介质中又有优良的耐蚀性和耐高温性，且在电场、磁场等条件的作用下物理性能和化学性能也十分稳定[4]。因此，异种钢焊接方法日益受到焊接领域的广泛关注，具有非常广阔的发展前景，尤其在锅炉、汽轮机和航空航天领域有着越来越多的应用[5]。生产实践中，异种钢焊接已经成为焊接领域不可缺少的重要组成部分，是现代工业生产中十分必要的一种先进生产焊接技术[6-7]。 二、异种钢焊接材料的发展前景

异种钢焊接的特点是能够最大限度地利用每种材料各自的优势，更好的根

据每种焊接材料的特质来完成工程项目的需要[8]。但是，焊接异种钢通常要比焊接同种钢困难很多，因为除了材料本身的物理、化学性能影响之外，材料之间的性能差异也会在很大程度上对焊接质量造成影响[9]。所以，现代异种钢焊接要求我们从实用角度出发，分别对异种钢的焊接性能特质和焊接工艺要点进行分析，力求达到经久实用、方便合理，让异种钢焊接在现代焊接领域当中发挥更大的作用。 三、珠光体耐热钢焊接特点

珠光体耐热钢属于低合金钢，主要合金元素是铬、钼，还含有少量钨、钒、铌等元素，加热后在空气中冷却具有明显的淬硬倾向，焊接时在焊缝及热影响区易产生硬脆的马氏体组织，这不仅影响焊接接头的力学性能，还会产生很大的内应力[10]，常导致焊缝和热影响区出现冷裂纹。硬化倾向还与下列因素有关：钢中碳、铬含量，构件厚度、刚性及焊件拘束度等。焊接时预热是防止冷裂纹的有效措施，焊件未预热或预热温度太低，工件冷却速度加快都会加重焊缝及热影响区硬化。 四、奥氏体不锈钢焊接特点：

奥氏体不锈钢具有良好的可焊性，但焊接材料或焊接工艺不正确时，会出现以下缺陷： 4.1晶问腐蚀

晶问腐蚀发生于晶粒边界，所以叫晶问腐蚀。它是奥氏体不锈钢最危险的一种破坏形式，它的特点是腐蚀沿晶界深人金属内部，并引起金属机械性能和耐腐蚀性能的下降。奥氏体不锈钢在450～850％温度区间范围内停留一定时问后，则晶界处会析出C ，其中的铬主要来自晶粒表层，内部的铬如来不及补充，会使晶界晶粒表层的含铬量下降而形成贫铬区，在强腐蚀介质的作用下，晶界贫铬区受到腐蚀就会形成晶间腐蚀。受到晶间腐蚀的不锈钢在表

面上没有明显的变化，但在受力时会沿晶界断裂，几乎完全丧失强度。 4.2应力腐蚀开裂

应力腐蚀开裂是焊接接头在特定腐蚀环境下，受拉伸应力作用时所产生的延迟开裂现象。奥氏体不锈钢焊接接头的应力腐蚀开裂是焊接接头比较严重的失效形式，表现为无塑性变形的脆性破坏。 4.3焊缝成形不良

奥氏体不锈钢焊接时，由于焊缝中合金元素含量高，熔池流动性差，易造成焊缝表面成形不良。主要表现在根部焊道背面成形恶化及盖面焊道表面粗糙。焊缝表面成形不良对焊缝性能的影响在常温或高温工况下表现不明显[11],温工况下，其成形不良所造成的应力集中，对焊缝低温性能的影响不亚于焊缝内部质量的影响。

五、异种钢焊接工艺

5.1对焊接异种钢的要求：

(1)连接两种钢的焊缝应该是成形良好，无裂纹、未熔合等缺陷。 (2)异种钢焊接接头性能，通常做不到也不要求是两钢种的平均值，但焊接接头的力学性能不应低于两钢种中的较低者，其它性能(如耐腐蚀性)也不应低于两钢种中的较低者。

(3)异种钢的焊缝是由焊丝金属加上两母材钢种三者熔合而成。一般说来，异种钢焊接时，应该力求焊接接头的化学成分均匀、金相组织均匀。 (4)异种钢焊缝和两种母材的化学成分相异，它们的导热系数和膨胀系数不同，焊后焊接接头中存在着较大的残余应力，当温度变化时还有温度应力，这些应力不应该导致构件的破坏. 5.2异种钢焊接的工艺原则

异种钢焊接要获得良好的焊接接头，必须采取特殊的工艺措施。由于异种

钢种类繁多，工艺措施不全相同，但需要遵守以下几个共同原则。 5.2.1选择合宜的焊丝

异种钢的焊接质量，在很大程度取决于所选用的焊丝。由于焊缝和熔合区的化学成分和金相组织的不均匀性，可能引起结合性能差和使用性能低。选择焊丝时，首先考虑的是结合性能，其次才考虑使用性能。还有当焊缝金属的强度和塑性不能相互兼顾时，应选用塑性好的焊丝。

两种强度等级不同的结构钢之间的异种钢焊接时，选用焊丝的原则是根据强度等级低的母材选择焊丝，这样可保证焊缝的塑性不低于强度等级高的母材的塑性.异种耐热钢焊接时，焊丝的选择按照“低匹配”的原则，即耐热钢和低碳钢或低合金钢焊接时，按低碳钢或低合金钢母材选用焊丝。当不同Cr、Mo含量的异种耐热钢焊接时，按Cr、Mo含量低的耐热钢选用焊丝。 5.2.2焊接工艺参数

焊接工艺参数对熔合比有着直接的影响，大线能量焊接也即单位长度焊缝吸收电弧的热量多，母材被熔化的量多，即熔合比大。异种钢焊接要求熔合比小，则要用小线能量焊接，通常用小电流、高焊速、多层多道焊。 5.2.3预热处理

焊接性差的钢，需要预热来防止产生冷裂纹。一种钢焊接不需要预热，另一种钢焊接需要预热，两种钢焊接在一起，则应采取预热措施。例珠光体耐热钢(要预热)和低碳钢(不要预热)焊在一起，则应按珠光体耐热钢来选择预热温度。一种钢预热温度高，另一种钢预热温度低，两种钢焊在一起，应选择预热温度高的作为预热规范。结论就是：异种钢焊接的预热温度应按焊接性差的选定。

5.3焊接工艺评定的意义

所谓焊接工艺评定，就是按照拟定的焊接工艺，依据相关规程和标准，试

验测定和评定拟定的焊接接头是否具有所要求的性能。焊接工艺评定的目的在于检验、评定拟定的焊接工艺的正确性、是否合理、是否能满足产品设计和标准规定，评定制造单位是否有能力焊接出符合要求的焊接产品，为制定焊接工艺提供可靠依据。

焊接工艺既包括有金属焊接性试验或根据相关的资料所拟定的工艺，同时也包括已经评定合格，但由于特殊原因需要改变一个或几个焊接条件的工艺。为了保证锅炉、压力容器的焊接质量，对这些工艺条件都必须进行工艺评定，因为它是没有经过实际焊接条件检验的工艺。如果在施焊前部进行焊接工艺评定，那么焊后即使经无损探伤合格的焊缝，其焊接接头的使用性能未必一定能够满足使用要求，这就使压力容器的安全性大大降低。

焊接工艺评定在很大程度上能反应出制造单位所具有的施工条件和能力。焊接工艺评定所进行的各种试验，是结合锅炉和压力容器的特点和技术条件，结合制造单位具体条件进行的焊接工艺验证性试验。因此，只要试验合格，经过焊接工艺评定的焊接工艺师可靠的，并能够满足锅炉和压力容器的需要。

焊接工艺评定还用以证明施焊单位是否能够焊制出符合相关法规、标准、技术条件所要求的焊接接头。在焊接工艺评定中明确规定：对于焊接工艺评定的试件，要由制造单位操作技能熟练的焊接操作者施焊。一项评定合格的焊接工艺由于施焊单位的变更有可能成为不合格的工艺，这是因为各个制造单位在技术水平上有差异，设备条件及工作状态不同，生产经验方面也纯在差别所致。

六、珠光体钢与奥氏体钢焊接主要存在的问题 ： 6.1稀释反应

母材与填充金属融化混合使焊缝金属中合金元素的分布，在两种不同材质的母材之间形成逐渐转变，即为稀释反应。

根据杠杆定律及舍夫勒组织图，当熔和比一定时，用18-8型焊接材料，焊缝金属因受到珠光体母材的稀释作用，往往在过渡区产生脆性的马氏体组织。采用25-20型焊接材料时，可避免产生马氏体组织，但又可能使焊缝形成单相奥氏体组织，从而降低热裂纹性能。 6.2焊接接头残余应力

由于珠光体钢与奥氏体钢的线膨胀系数不同及奥氏体钢的导热性差，焊后冷却时收缩量亦会有差异等因素的影响，必然使异种钢接头除一般焊接时因局部加热而引起的焊接应力外，还会产生另一种性质的焊接残余应力[12]。 6.3碳扩散反应

珠光体耐热钢与奥氏体不锈钢在成分、力学性能及组织等方面差异很大

[13]

，给焊接造成了很大的困难，其中最主要的是碳的扩散迁移问题。

6.4珠光体刚与奥氏体钢焊接碳迁移的产生

碳从含碳化物促成元素较少的珠光体母材向奥氏体（一般为填充金属）方向的转移过程，即碳扩散反应。碳扩散的结果，在珠光体母材一侧形成强度很低的脱碳层，在奥氏体一侧形成脆而硬的游离碳化铬的増碳层[14]，使熔合区成为异种钢接头的最薄弱部位，危害性比稀释反应更严重。

奥氏体钢与珠光体钢焊接接头在焊接过程中，由于焊接接头处于热处理等高温过程中，碳在珠光体耐热钢与在不锈钢中的扩散速度及溶解度存在较大差异，即存在碳的扩散迁移现象[15]。不锈钢中Cr含量较高,使碳通过焊接熔合线自耐热钢一侧向不锈钢一侧扩散迁移，由于在两侧化学位存在差值,在珠光体耐热钢一侧形成脱碳层,而在不锈钢一侧形成增碳层，使其接头的组织性能有一定差异[16]。脱碳层母材由于碳元素含量减少，珠光体组织将会转化为

铁素体组织而发生软化。与此同时，脱碳层附近晶粒将会长大，在熔合区内形成一层晶粒组织粗大的结晶层。此外，增碳层中的碳除了在母材中大量出现以外，剩余的碳也会以 Cr 的碳化物形态析出。由于 Cr 元素与碳原子有很强的亲和力,因此在焊后热处理或接头在高温条件下长期使用时,碳原子向高 Cr 区进行扩散,而形成碳化物的聚区。碳化物聚集会在熔合线附近形成一条白亮的碳化带，碳化带中碳含量高，有很大的淬硬倾向[17]。耐热钢与不锈钢异种钢焊接时会产生碳迁移现象，即形成增碳层与脱碳层[18]。由于焊接接头处于热处理等高温过程，碳在耐热钢与在不锈钢中的扩散速度及溶解度存在较大差异，存在碳的扩散迁移，不锈钢中 Cr 含量比较大,使得C通过焊接熔合线向不锈钢一侧扩散迁移[19-20]，由于在熔合线两侧化学位存在差值,在耐热钢一侧形成脱碳层,而在不锈钢一侧形成增碳层，碳化物聚集会在熔合线附近形成一条白亮的碳化带。

碳在扩散过程中，开始阶段是从含碳量高的耐热钢向焊缝区扩散，由于不锈钢中含有亲碳元素Cr，将会在焊缝处形成C-Cr化合物。若想达到平衡，就需要耐热钢中的碳化物分解来补充碳的缺失，经过一段时间就会形成脱碳区，而在熔合区靠近不锈钢一侧碳元素富集，形成增碳区。

为了解决碳扩散问题，可通过一些工艺措施减少或防止碳扩散[21]，如尽量降低加热温度并缩短高温停留时间；提高奥氏体焊缝的含镍量或用蒙乃尔焊条施焊，以期利用镍的石墨化作用阻碍形成碳化物，缩小碳扩散层；在珠光体钢中增加碳化物元素（Mo、V、Ti等）。 七、焊接试验 7.1焊接试验所用材料

母材材料是珠光体耐热钢14Cr1MoR和奥氏体不锈钢316L钢材。 7.1.1珠光体耐热钢14Cr1MoR成分：

C% Si% Mn% 0.4-0.65

P% Cr% Mo% Ni%

0.05-0.07 0.5-0.8 力学性能：

抗拉强钢板厚度 度/mm (Mpa) 6-100 >100-150

520-680 510-670 0.01-0.012 1-1.5 0.45-0.65 0.2-0.25

屈服强伸长率度 (Mpa) ≥310 ≥300 ≥19 ≥19 A/% 温度/℃ 冲击吸收能量KV2/J 180°弯曲试验 弯曲直径（b≥35mm） d=3a d=3a 20 20 ≥34 ≥34 7.1.2奥氏体不锈钢316L成分： C% ≤0.03

Si% ≤1.0

Mn% ≤2.0

P% ≤0.035

S% ≤0.03

Mo% 2.0-3.0

Ni%

Cr%

10.0-14.0 16.0-18.0

奥氏体不锈钢316L机械性能: 抗拉强度 (Mpa) ≥485 屈服强度 (Mpa) ≥170 ≥30 7.93 面积缩伸长率密度 减 A/（%） （g/cm²） （%） ≥40 HRB<90 HV<200 HBS<187 硬度 7.2焊接方法 根据现场条件，决定采用手工电弧焊方法焊接压力容器。 八、课题设想：

奥氏体不锈钢与珠光体钢焊接时采用的焊接方法是焊条电弧焊。由于珠光体钢对焊缝金属的稀释作用，若采用A102、A132焊条施焊时，焊缝中会产生大量马氏体组织，而且越靠近碳钢一侧，马氏体数量越多，是脆性破坏的起始区域，故不能采用。用含镍大于12％（质量分数）的A302、A402焊条施

焊时，焊缝金属得到的组织是奥氏体或者全部是奥氏体组织，是比较理想的填充金属材料。 九、课题研究内容

本课题的主要研究内容为，研制珠光体与奥氏体钢异质专用的焊接材料，并对其碳迁移问题进行分析，研究该材料对试件焊接效果的影响。 十、论文工作计划 第1-2 周

布置课题了解发展情况并翻译外文文献

第 3-4 周 查阅献资料，并撰写开题报告 第 5-6 周 准备焊接材料，制作焊条 第7-9周

制取金相试样，对组织成分进行观察和化验分析

第7-10周 设计珠光体与奥氏体钢异质焊接材料研制过程 第10-14周 调整焊条成分，进行金相试验和化学分析 第14周

整理数据、归纳结果

第15-18周 撰写和修改毕业论文、准备毕业答辩

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指导教师意见

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