低碳钢焊接工艺设计说明书

           姓名: 刘超

           学号：21030120

           科目：焊条电弧焊实作

           教师：吴华

           班级：焊接1531

摘要：珠光体耐热钢作为目前锅炉受热面管排最主要的材质，其焊接工艺已经比较成熟，但其焊接质量仍然需要受到足够的重视。正确选择焊接工艺、焊接材料及预热后热温度有利于减少焊接缺陷。

关键词 珠光体耐热钢 焊接工艺 缺陷防治  焊接参数

母材的基本介绍与数据

1.1  15crmo介绍

15CrMo是一种钢系珠光体组织耐热钢，在高温下具有较高的热强性（δb≥440MPa）和抗氧化性，并具有一定的抗氢腐蚀能力。由于钢中含有较高含量的Cr、C和其它合金元素，钢材的淬硬倾向较明显，焊接性差。

焊接工艺基础知识 焊接是通过加热、加压，或两者并用，使两工件产生原子间结合的加工工艺和联接方式。焊接应用广泛，既可用于金属，也可用于非金属。    金属焊接方法有40种以上，主要分为熔焊、压焊和钎焊三大类。    熔焊是在焊接过程中将工件接口加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法。熔焊时，热源将待焊两工件接口处迅速加热熔化，形成熔池。熔池随热源向前移动，冷却后形成连续焊缝而将两工件连接成为一体。  

  在熔焊过程中，如果大气与高温的熔池直接接触，大气中的氧就会氧化金属和各种合金元素。大气中的氮、水蒸汽等进入熔池，还会在随后冷却过程中在焊缝中形成气孔、夹渣、裂纹等缺陷，恶化焊缝的质量和性能。  

  为了提高焊接质量，人们研究出了各种保护方法。例如，气体保护电弧焊就

焊接工艺基础知识 焊接是通过加热、加压，或两者并用，使两工件产生原子间结合的加工工艺和联接方式。焊接应用广泛，既可用于金属，也可用于非金属。    金属焊接方法有40种以上，主要分为熔焊、压焊和钎焊三大类。    熔焊是在焊接过程中将工件接口加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法。熔焊时，热源将待焊两工件接口处迅速加热熔化，形成熔池。熔池随热源向前移动，冷却后形成连续焊缝而将两工件连接成为一体。  

  在熔焊过程中，如果大气与高温的熔池直接接触，大气中的氧就会氧化金属和各种合金元素。大气中的氮、水蒸汽等进入熔池，还会在随后冷却过程中在焊缝中形成气孔、夹渣、裂纹等缺陷，恶化焊缝的质量和性能。  

  为了提高焊接质量，人们研究出了各种保护方法。例如，气体保护电弧焊就是用氩、二氧化碳等气体隔绝大气，以保护焊接时的电弧和熔池率；又如钢材焊接时，在焊条药皮中加入对氧亲和力大的钛铁粉进行脱氧，就可以保护焊条中有益元素锰、硅等免于氧化而进入熔池，冷却后获得优质焊缝。  

  压焊是在加压条件下，使两工件在固态下实现原子间结合，又称固态焊接。常用的压焊工艺是电阻对焊，当电流通过两工件的连接端时，该处因电阻很大而温度上升，当加热至塑性状态时，在轴向压力作用下连接成为一体。    各种压焊方法的共同特点是在焊接过程中施加压力而不加填充材料。多数压焊方法如扩散焊、高频焊、冷压焊等都没有熔化过程，因而没有象熔焊那样的有益合金元素烧损，和有害元素侵入焊缝的问题，从而简化了焊接过程，也改善了焊接安全卫生条件。同时由于加热温度比熔焊低、加热时间短，因而热影响区小。许多难以用熔化焊焊接的材料，往往可以用压焊焊成与母材同等强度的优质接头。  

  钎焊是使用比工件熔点低的金属材料作钎料，将工件和钎料加热到高于钎料熔点、低于工件熔点的温度，利用液态钎料润湿工件，填充接口间隙并与工件实现原子间的相互扩散，从而实现焊接的方法。  

  焊接时形成的连接两个被连接体的接缝称为焊缝。焊缝的两侧在焊接时会受到焊接热作用，而发生组织和性能变化，这一区域被称为热影响区。焊接时因工件材料焊接材料、焊接电流等不同，焊后在焊缝和热影响区可能产生过热、脆化、淬硬或软化现象，也使焊件性能下降，恶化焊接性。这就需要调整焊接条件，焊前对焊件接口处预热、焊时保温和焊后热处理可以改善焊件的焊接质量。    另外，焊接是一个局部的迅速加热和冷却过程，焊接区由于受到四周工件本体的拘束而不能自由膨胀和收缩，冷却后在焊件中便产生焊接应力和变形。重要产品焊后都需要消除焊接应力，矫正焊接变形。  

  现代焊接技术已能焊出无内外缺陷的、机械性能等于甚至高于被连接体的焊缝。被焊接体在空间的相互位置称为焊接接头，接头处的强度除受焊缝质量影响外，还与其几何形状、尺寸、受力情况和工作条件等有关。接头的基本形式有对接、搭接、丁字接(正交接)和角接等。

珠光体的平均含碳量是多少

珠光体的平均含碳量是0.77％ 珠光体是由奥氏体发生共析转变同时析出的，铁素体与渗碳体片层相间的组织，是铁碳合金中最基本的五种组织之一。代号为P。得名具有珍珠般（pearl-like）的光泽。珠光体的性能介于铁素体和渗碳体之间，强韧性较好。

化学成分

C量=[C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15]*100% 式:C、Mn、Cr、Mo、V、Ni、Cu钢该元素含量 碳量Ceq(百比)值按公式计算: Ceq=C+Mn/6+(Cr+V+Mo)/5+(Cu+Ni)/15

焊接性分析

    15CrMo属于珠光体耐热钢,它以加入铬、钼合金元素为主,合金元素铬能形成致密的氧化膜,提高钢的抗氧化性能,还有阻止石墨化的作用。钼是耐热钢中的强化元素,形成碳化物的能力比铬弱,钼优先溶入固溶体,强化固溶体。钼也有阻止石墨化的作用,故应与铬同时加入钢中,以阻止碳的石墨化。钼的熔点高达2625℃,固溶后可提高钢的再结晶温度,有效地提高钢的高温强度和抗蠕变能力。钼可以减少钢材的热脆性,还可以提高钢材的抗腐蚀能力。   

材料验收： 

⑴、 焊接材料： 

a、 对于15CrMo管道焊条采用R307 （Φ3.2、Φ4.0），氩弧焊丝采用TiGR-30L（Φ2.5）。 

b、 对于TP321管道，焊条采用进口E347-17 （Φ2.5、Φ3.2），氩

弧焊丝采用进口ER347-Si（Φ1.6、Φ2.0）。焊工手工工具须采用不锈钢制作。 

c、 焊材应具有产品质量证明书，焊条的药皮不得有脱落或明显裂纹，焊丝在使用前应清除其表面的油污、锈蚀等。 

d、 焊条应按说明书的要求进行烘烤，并在使用过程中保持干燥。 e、 钨极氩弧焊采用铈钨棒，使用氩气的纯度应在99.9%以上。 ⑵、 管道组成件： a、 应有质量证明书 

b、 外观合格，符合规范及制造标准要求 c、 有清晰的产品标识 ⑶ 、坡口加工： 

a、 15CrMo钢板坡口加工采用氧乙炔焰切割，并用磨光机除去坡口表

面的氧化皮、熔渣及影响接头质量的表面层至露出金属光泽。 b、 TP321钢板坡口采用等离子切割，并用不锈钢专用砂轮片清理加

工面。 

c、 钢板切口端面倾斜偏差不应大于钢板外径的1%，且不得超过3mm。 d、 焊接接头的坡口形式、尺寸及组对要求，按附表一确定。 e、 坡口两侧20mm范围内不得有油漆、毛刺、锈斑、氧化皮及其他

对焊接过程有害的物质。 

f、 坡口表面不得有裂纹、夹层等缺陷。

⑶、 组对与定位： 

a、 不得用强力方法组对焊接接头。 

b、 管道组成件组对时，其错边量不应超过下列规定，如超过下列要求，应按要求加工。管道的内壁差为壁厚的10%且不大于0.5mm；当壁厚不等时，内壁差不大于0.5mm或外壁差不大于2mm。 

c、定位焊应与正式焊接工艺相同，点固点不少于4处；定位焊的焊缝长度宜为10～15mm，高为3～6mm且不超过壁厚的2/3。氩弧焊点固、打底焊背面采用局部充氩保护，充氩保护形式同该工程ASTMA312 TP321炉管焊接。定位焊的焊缝不得有裂纹及其他缺陷，定位焊焊缝两端，宜磨成缓坡形，定位焊焊完后，应清除渣皮进行检查。 

三、 焊接： 

1、 焊接环境条件： 

当焊接环境条件低于下列要求时，应采取提高环境条件的措施。 

a、 焊接环境温度低于0℃ 

b、电弧焊焊接时，风速等于或大于8m/s；氩弧焊焊接时，风速等        于或大于2m/s。 

c、 相对湿度大于90%。 d、 下雨或下雪。

按方案Ⅰ焊前需进行预热，根据Tto-Bessyo等人提出的计算预热温度公式:

To=350√[C]-0.25(℃) 式中，To--预热温度，℃。

[C]=[C]x [C]p [C]p=0.005S[C]x

[C]x=C (Mn Cr)/9 Ni/18 7Mo/90 式中，

[C]x--成分碳当量;

[C]p--尺寸碳当量; S--试件厚度(本文中S=25mm);

[C]x=C (Mn Cr)/9 7/90Mo=0.361

[C]p=0.045 则To=138℃

因此预热温度选为150℃。采用氧-乙炔焰对试件进行加温，先用测温笔粗略判断试件表面的的温度(以笔迹颜色变化快慢进行估计)，最后用半导体点温计测定，测量点至少应选择三点，以保证试件整体均达到所要求的预热温度。

为保证焊接质量 对工件焊口应清理干净 不准有油污、铁锈、水分、油

漆及污物等 对使用低氢型焊条尤为重要。

焊接方法实施步骤:

厚度不同的两块钢板对接时，为避免截面急剧变化引起严重的应力集中，常把较厚的板边逐渐削薄，达到两接边处等厚。对接接头的静强度和疲劳强度比其他接头高。在交变、冲击载荷下或在低温高压容器中工作的联接，常优先采用对接接头的焊接

⑴预热预热有利于减低中碳钢热影响区的最高硬度，防止产生冷裂纹，这是焊接中碳钢的主要工艺措施，预热还能改善接头塑性，减小焊后残余应力。通常，15grmo钢的预热温度为150～250℃含碳量再高或者因厚度和刚度很大，裂纹倾向大时，可将预热温度提高至250～400℃。 

  若焊件太大，整体预热有困难时，可进行局部预热，局部预热的加热范围为焊口两侧各150～200mm。

⑵焊条条件许可时优先选用碱性焊条。 

  ⑶坡口形式将焊件尽量开成U形坡口式进行焊接。如果是铸件缺陷，铲挖出的坡口外形应圆滑，其目的是减少母材熔入焊缝金属中的比例，以降低焊缝中的含碳量，防止裂纹产生。 

  ⑷焊接工艺参数由于母材熔化到第一层焊缝金属中的比例最高达30%左右，所以第一层焊缝焊接时，应尽量采用小电流、慢焊接速度，以减小母材的熔深。   ⑸焊后热处理焊后最好对焊件立即进行消除应力热处理，特别是对于大厚度焊件、高刚性结构件以及严厉条件下(动载荷或冲击载荷)工作的焊件更应如此。消除应力的回火温度为600～650℃。 

  若焊后（即温度≮200℃时）不能进行消除应力热处理，应立即进行后热处理（即消氢处理，一般加热温度约为150℃保温2h缓冷）。

焊接产生的缺陷：

①气孔：焊接时，熔池中的气泡在凝固时未能逸出而残留下来所形成的空穴。气孔可分为条虫状气孔、针孔、柱孔，按分布可分为密集气孔，链孔等。气孔的生成有工艺因素，也有冶金因素。工艺因素主要是焊接规范、电流种类、电弧长短和操作技巧。冶金因素，是由于在凝固界面上排出的氮、氢、氧、一氧化碳和水蒸汽等所造成的。②夹渣：焊后残留在焊缝中的溶渣，有点状和条状之分。产生原因是熔池中熔化金属的凝固速度大于熔渣的流动速度，当熔化金属凝固时，熔渣未能及时浮出熔池而形成。它主要存于焊道之间和焊道与母材之间。③未熔合：熔焊时，焊道与母材之间或焊道与焊道之间未完全熔化结合的部分；点焊时母材与母材之间未完全熔化结合的部分，称之。未熔合可分为坡口未熔合、焊道之间未熔合（包括层间未熔合）、焊缝根部未熔合。按其间成分不同，可分为白色未熔合（纯气隙、不含夹渣）、黑色未熔合（含夹渣的）。产生机理：a.电流太小或焊速过快（线能量不够）；b.电流太大，使焊条大半根发红而熔化太快，母材还未到熔化温度便覆盖上去。

C

.坡口有油污、锈蚀；d.焊件散热速度太快，或起焊处温度低；e.操作不当或磁偏吹，焊条偏弧等。④未焊透：焊接时接头根部未完全熔透的现象，也就是焊件的间隙或钝边未被熔化而留下的间隙，或是母材金属之间没有熔化，焊缝熔敷金属没有进入接头的根部造成的缺陷。产生原因：焊接电流太小，速度过快。坡口角度太小，根部钝边尺寸太大，间隙太小。焊接时焊条摆动角度不当，电弧太长或偏吹（偏弧）

15Grmo预防焊接缺陷的措施：

焊接检验 

一、按不同的阶段可分为焊前检验，焊接过程中检验，焊后检验。 1、焊前检验包括：（焊前检验可以减少和降低产生焊接缺陷的各种因素） 1）、所用焊接材料和母材的检验和验收。 

2）、检查焊接材料及母材的牌号和规格，焊接坡口形式及尺寸是否与焊接工艺文件的要求一致，焊前清理和焊前预热是否符合规定，焊接设备的运行是否正常。 

3）生产前焊接试件的检验（断口或街头的力学性能试验，合格后方能投产）。 2、焊接过程中检验：（可以防止和及时发现焊接缺陷，分析缺陷产生的原因，采取必要的纠正措施保证焊件在焊接过程中的质量） 

1）、焊接工艺纪律检查，包括焊接参数和层间温度的检查等。 2）焊道的外观质量检查和各种无损检测。 3.焊后检验：（保证产品的焊接质量） 

1）、接头的外观质量检验，包括目视检查、着色检测。磁粉检测等。 2）、接头的内部质量检验，一般采用超声波探伤和射线探伤。 3）、接头和整体结构的耐压检验和密封性检验。 4）、产品试板的理化试验和力学性能试验等。

[一]一般规定  

  1．严格遵守一般焊工安全操作规程和有关电石、乙炔发生器、溶解乙炔气瓶，水封安全器、橡胶软管、氧气瓶的安全使用规则和焊(割)炬安全操作规程。  

  2．乙炔站应由专人操作，遵守乙炔站安全运行规程。    3．工作前或乙炔站停工时间较长再工作时，必须检查所有设备。乙炔发生器，氧化瓶及橡胶软管的接头，阀门及紧固件均应紧固牢靠，不准有松动、破损和漏气现象。氧气瓶及其附件，橡胶软管，工具上不能沾染油脂的泥垢。  

  4．检查设备、附件及管路漏气时，只准用肥皂水试验。试验时，周围不准有明火，不准抽烟。严禁用火试验漏气。  

  5．氧气瓶、乙炔发生器(或乙炔气瓶)与明火间的距离应在10米以上。如条件也不准小于5米，并应采取隔离措施。    6．禁止用易产生火花的工具去开启氧气或乙炔气阀门。    7．气瓶设备管道冻结时，严禁用火烤或用工具敲击冻块。氧气阀或管道要用40℃的温水溶化，乙炔发生器、回火防止器及管道可用热水或蒸气加热解冻，或用23％～30％氯化纳热水溶液解冻，保温。  

  8．焊接场地应备有相应的消防器材。露天作业时应防止阳光直射在氧气瓶或乙炔发生器上。  

  9．压力容器及压力表，安全阀，应按规定定期送交校验和试验。检查、调整压力器件及安全附件，应取出电石篮，采取措施，消除余气后才能进行。  

  10．工作完毕或离开工作现场时，要拧上气瓶的安全帽，收拾现场，把气瓶和乙炔发生器放在指定地点。下班时应卸压、放水、取出电石篮。   

  [二]电石  

  1．贮存地点必须干燥，通风良好。电石桶应密封，桶上涂写“电石桶”和“禁止用水消火’等字样。室内禁止烟火及存放或敷设水管水沟。坏电石桶不准存于室内。乙炔瓶与电石不得同室存放。    2．电石桶的搬动应轻搬轻放，不准扔甩，以免产生火花，引起爆炸。雨天禁止淋雨搬运。  

  3．取装电石和砸碎电石时，操作者应戴手套，口罩租眼镜，防止打碎的电石进入眼中。  

  4．电石起火要用干砂或二氧化碳灭火器。禁止用泡沫、四氯化碳灭火机或水消火。电石粒末只能在露天销毁。    [三]乙炔发生器  

  1．罩炔发生器本体外部应涂写“危险！”“乙炔发生器！”字样。  

  2．移动式小型乙炔发生器，须用胶轮或装有弹簧装置的手推车搬运。搬运时应先卸压。  

  3．乙炔发生器的零件(特别是内壁)不得用纯铜(即紫铜)制作，避免产生乙炔铜，引起爆炸，可以用含铜量在70％以下的铜合金。

防爆膜(片)禁止用铜片或铁片代替。防爆片至少每年更换一次。    4．封闭式乙炔发生器，必须设置准确灵敏的压力表、安全阀。放入电石前，先检查发气室内的给水器和出气管是否畅通，热后放入电石。电石块度大小要适当，禁止用电石碎末。当电石块度较小时，必须采用带空心的电石篮，以免温升过高过急。电石篮放入位置应符合规定。  

  5．乙炔发生器的压力要保持正常，水必须保持清洁，电石分解的灰浆要及时用水洗掉。乙炔发生器的发气室温度不得超过80℃，对于水入式发生器，其冷却水温不得超过50℃。当温度超过规定时应停止作业。并用冷水喷射降温和加入低温的冷却水。    6．严禁使用浮桶式乙炔发生器。  

  7．移动式乙炔发生器与氧气瓶不可放置在一起，相互间隔要3米以上。  

  8．每个乙炔发生器，必须装有水封式回火防止器。工作前应添上净水，保持水位一定高度。每个回火防止器只能供一个焊炬工作。供给两个以上焊炬工作的乙炔发生器，必须有一个总回火防止器。    9．乙炔发生器使用前应检查防爆及防回火安全装置，如防爆片(膜)，防爆针及回火防止器。更换电石后，必须将容器内含有空气的乙炔气体放净，才能允许进行焊割。     [四]水封式安全器  

  1．使用水封安全器前应先用水位控制阀检查水位一次(回火后应再检查一次)，并检查是否漏气。