（光学工程专业论文）e级钢钩舌药芯焊丝及焊接工艺改进.pdf

北京交通大学硕士学位论文 一? 8 7 8 9 3 0 摘要 针对铁路货车的e 级钢钩舌，在厂修时，钩耳孔磨耗量大， 采用手工焊接，难度大，生产效率底，焊接质量无法保证。e 级钢( q g e 1 ) 与b 级钢( z g 2 3 04 5 0 ) 、c 级钢( z g 2 5 m n c r n i m o ) 的化学成份及机械性能均有很大差别。若直接采用c 级钢专用 的药芯焊丝的焊接工艺，难以保证质量要求。本文研制了适合 e 级钢钩舌孔、钩耳孔堆焊的药芯焊丝及其焊接工艺。因药芯 焊丝熔敷速度高，消耗的熔敷金属量小，人工工时费用低、消 耗能源少等优势，因而其综合生产成本最低。 对新研制的焊丝进行了焊接工艺性能试验、熔敷金属化学 成分分析、熔敷金属的拉伸、弯曲、冲击韧性等机械性能试验。 试验焊缝熔合良好，e 级钢药芯焊丝采用c o 。气体保护焊时抗 裂性良好。对e 级钢药芯焊丝的焊缝材料机械性能试验结果与 e 级钢比较，力学性能达到了e 级钢母材的要求。 该焊丝经过各项焊接工艺性能试验后，进入试生产阶段， 针对在试生产阶段中出现的一些质量问题，如堆焊厚度不够、 焊缝表面不平、加工后出现气孔等缺陷以及电弧不稳飞溅较大 等缺陷，进行了焊丝成分改进、焊接工艺调试和焊接设备的调 整及改进等工作。 经小批量生产验证，采用改进后合理的工艺，e 级钢药芯 焊丝具有良好的焊接工艺性能、电弧稳定、脱渣容易等优点。 在e 级钢车钩配件焊接生产中应用前景广阔。 关键词：e 级钢钩舌药芯焊丝焊接缺陷焊接工艺 北京交通大学硕士学位论文 a b s tr a c t f o rt h eg r a d ees t e e lk n u c k l eo fr a i l w a yw a g o n ，w h e n o v e r h a u l i n g ，t h ew e a rd e g r e eo ft h ec o u p l e rl u gh o l ew a sh i g h ， a tt h eb e g i n n i n gp e r i o dw eu s e dm a n u a lw e l d i n gw a y ， t h i s w e l d i n gw a yw a sd i f f i c u l t ，i t sl a b o u re f f i c i e n c yw a s1 0 wa n di t c o u l dn o te n s u r eq u a l i t y t h e r ea r em a n yd i f f e r e n c e sb e t w e e n g r a d ees t e e l ( q g e 1 ) a n dg r a d ebs t e e l ( z g 2 3 0 一4 5 0 ) a n d g r a d ecs t e e l( z g 2 5 m n m c r n i m o ) i nt h e i rc h e m i c a l i n g r e d i e n t sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s i fw eu s et h ec o m m o n f l u x c o r e dw i r ei n t ow e l d i n gt e c h n o l o g ys p e c i a lf o rg r a d e cs t e e l ，t h i sw a ya l s oc a nn o te n s u r eq u a l i t y ，a c c o r d i n gt o d e m a n d ，w ed e s i g n e da n dp r o d u c tan e wk i n do ff l u x c o r e d w i r ew h i c hw a ss u i t a b l ef o rb u i l d u pw e l d i n go fg r a d ees t e e l k n u c k l ea n d c o u p l e rl u g h o l e t h i sf l u x c o r e dw i r e s c o m p r e h e n s i v ec o s tw a sc h e a p e s t ， t h e d e p o s i t i o n s i sh i g h t h ev 0 1 u m eu s e dd e p o s i t e dm e t a i ，t h ec 0 1 to fm a n h o u r sa n dt h e c o n s u m e de n e r g ya r e1 0 w as e r i e so ft e s t sf o rt h i sn e wd e v e l o p e df l u x c o r e dw i r e - i i 北京交通大学硕士学位论文 w e l d i n gt e c h n o l o g i c a lp r o p e r t y ，a n a l y s i s f o rc h e m i c a l i n g r e d i e n t so fd e p o s i t e dm e t a l ，p r o p e r t i e sf o rd e p o s i t e dm e t a l a f t e ri t st e n s i o n ，b e n d i n g ，a n di t si m p a c tt o u g h n e s s ，r e s u l t e d i ：w e l df u s i o nw a sg o o d ，t h ec r a c kr e s i s t a n to ft h eg r a d ee s t e e ln u xw e l d i n gw i r e ，a tt h et i m ew h e nu s i n gc 0 2g a s p r o t e c t i o nw e l d i n g ，w a sg o o d c o m p a r e dt h ep r o p e r t i e so ft h e g r a d ees t e e lf l u x c o r e dw i r ew i t hg r a d ees t e e l ，r e s u l ti n t h ep r o p e r t i e so ft h eg r a d ees t e e lf l u x c o r e dw i r ec a nm e e t t h ed e m a n do fg r a d ees t e e lm o t h e rm a t e r i a l t h eg r a d ees t e e lf l u x c o r e dw i r e ，a f t e ft h r o u g he v e r y t e s tf o rw e l d i n gt e c h n o l o g yp r o p e r t y ，w a sp u ti n t ot h et e s t p r o d u c t i o np e r i o d f o rs o m eq u a l i t yp r o b l e m sa p p e a r i n ga tt h i s p e r i o d ，f o re x a m p l e s ：t h et h i c k n e s so fb u i l d u pw e l d i n gw a s n o te n o u g h ，s u r f a c eo fw e l dw a sn o tf l a t ，g a sh o l e sa p p e a r e d a f t e rw e l d i n g ，a r cw a sn o ts t a b l e ，s p l a s hi sb i g ，w ee n g a g e di n t h ef o l l o w i n gd u t i e s ：w e l d i n gw i r ei n g r e d i e n t si m p r o v e m e n t w e l d i n gt e c h n o l o g ya d j u s t m e n t ，w e l d i n ge q u i p m e n t s a d j u s t m e n ta n di m p r o v e m e n t - i i i 北京交通大学硕士学位论文 a f t e re x p e r i e n c eo fs m a l lb a t c hp r o d u c t i o n ，w eu s e dt h e f i tt e c h n o l o g ya f t e ri m p r o v e m e n t ，r e s u l t e di nt h eg r a d ees t e e l f l u x c o r e dw i r eh a st h ea d v a n t a g e sa sf o l l o w s ：g o o dw e l d i n g t e c h n o l o g i c a lp r o p e r t y ，s t a b l ea r c ，e a s yr e m o v a lo fr e s i d u e s o w ec a nu s ei ti nm a n ya s p e c t sf o rw e l d i n gg r a d ees t e e l k n u c k l ep a r t s k e yw o r d s ：g r a d ees t e e lk n u c k l e f l u x c o r e dw i r e w e l d i n gf l a ww e l d i n gt e c h n o l o g y i v 北京交通大学工程硕士专业学位论文 1 1 前言 第一章绪论 我厂自1 9 9 7 年以来开始承接大秦线c 6 3 a 型敞车的检修 工作，由于该车的1 6 # 、17 # 车钩及尾框等铸件均采用铸造e 级钢。其中e 级钢钩舌销孔磨耗超限量约占总检修量的6 0 ( 如图1 1 所示) ，最初的焊修方法是手工电弧焊进行堆焊。 这种焊接方法焊接难度大，生产效率低，焊接质量难以保证， 机加工后返修率很高。同时铁道部运输局运装货车( 2 0 0 1 ) 1 号文也要求，钩耳销孔磨耗焊修应采用自动焊，以提高其 焊修质量和机械性能。 由于普低钢( z g 2 3 0 一4 5 0 ) 、c 级钢( z g 2 5 m n c r n i m o ) 与 e 级钢( q g e 1 ) 的化学成份及机械性能均有很大差别。若采 用自动焊，过去使用的b 级钢和c 级钢的焊丝均不能满足要 求，为尽量保证焊丝与母材在化学成份与机械性能上匹配， 工厂联合有关单位又开发了采用c o ：气体保护自动焊、并适 合e 级钢成份和性能的e 级钢药芯焊丝。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 图1 1 磨耗超限量的e 级钢钩舌销孔 1 2 e 级钢母材成分、力学性能及焊接性分析 长期以来我国一直采用普通铸钢z g 2 3 0 一4 5 0 ( 其性能相 当于美国a a r 规定的b 级铸钢) 制造车钩。为了适应提高车 北京交通大学工程硕士专业学位论文 钩强度的要求，近1 0 余年来相继研制了多种适用于车钩的 高强度低合金铸钢。例如z g 2 5 m n c r n i m o 、z g 2 9 m n c r n i m o 和 g q e l 铸钢等，前两种和后一种钢种性能分别达到美国 从r m 一2 0 l 规定的c 级钢和e 级钢性能的要求。 z g 2 5 m n c r n i m o 和z g 2 9 m n c r n i m o 车钩其静拉破坏强度均已超 过3 o m n ，g q e l 铸钢的车钩其静拉破坏强度达3 8 m n 。 根据有关技术标准规定，我国普通b 级铸钢、低合金高 强度c 级铸钢e 级铸钢的化学成分如表卜1 ，机械性能如表 】一2 。 一3 北京交通大学工程硕士专业学位论文 表卜le 级钢、c 级钢及普低钢化学成分对比 cr、 钢种 c ( )s i ( )m n ( ) p ( ) s ( )n i、 m o ( ) e 级钢 1 501 85 0 320 0 4o 0 40 2 0 22 0 c 级钢 o 2 0 4 1 2 1 5 280 0 40 04 普低钢 o 300 5o0 90 23 0 4500 040 o4 4 北京交通大学工程硕士专业学位论文 表卜2e 级钢、c 级钢及普低钢机械性能对比 冲击吸 断面伸断面收 抗拉强度屈服点收功 铜种长率6缩率c 1 ) 0 。( m p a )o ：( m p a )一40 a k v 。( ) ( ) ( j ) b 级钢 830690143o 27 c 级钢 62o 4 15224544 普低钢 23o4502 23225 230 450 由上表可知，e 级钢( q g e 1 ) 与b 级钢( z g 2 3 0 一4 5 0 ) 、 c 级钢( z g 2 5 m n c r n i m o ) 的化学成份及机械性能均有很大差 别。因此在焊修工作中，采用的焊接材料也必须进行相应的 改进，过去使用的b 级钢和c 级钢的焊丝均已不能满足使用 要求。 5 北京交通大学工程硕士专业学位论文 e 级钢属于中碳调质高强度钢，由于它的成分和机械性 能所限，其焊接性主要表现在以下三个方面： 一是对结晶裂纹比较敏感，焊接时容易在弧坑和焊缝的 中凹下的部位开裂，为了防止裂纹，在选用焊接材料时，应 尽量选用含碳量比母材低，硫磷等杂质少的填充金属。在选 用焊接参数时，要注意降低熔合比，操作时应注意填满弧坑 及保证良好的焊缝成形。 二是由于它的成分和淬透性决定了它在快速冷却时很 容易得到对冷裂纹很敏感的淬硬组织，为此，为了防止裂纹， 必须提高预热温度，并在焊后及时进行消除应力处理。 三是热影响区性能的变化，在冷却速度较大的情况下， 容易产生硬脆的高碳马氏体组织，而靠造成脆化现象，因此 为了防止脆化也必须采取预热、缓冷和适当加大线能量相配 合的措旋。 1 3c 0 。气体保护自动焊 1 3 1工作原理 一6 北京交通大学工程硕士专业学位论文 c o ：气体保护焊是利用c o 。气体为保护气体的一种熔化极 气体保护焊的焊接方法，简称c 0 ：焊。 c o ：气体是一种无色无味的气体。它来源广，成本低， 可以是专业气体生产厂家的产品，也可以是某些化工厂、酿 造厂的副产品。在焊接过程中，由于c o 。气体比空气重，约 为空气的1 5 倍。在受热时c o ，气体急剧膨胀体积增大。因 此从喷嘴中喷出的c o ：气体可以在电弧区形成有效的保护 层，防止空气进入熔池，特别是空气中氮的影响。熔化电极 也即是焊丝通过送丝滚轮不断地送进，与工件之间产生电 弧，在电弧热的作用下，熔化焊丝和工件形成熔池，随着焊 枪的移动，熔池凝固形成焊缝。c o 。气体是一种氧化性气体， 在高温下分解为 c o 。专c o + o 所以c o 。焊的电弧气氛是强氧化性气氛，要引起合金元素的 烧损，使焊缝金属的含氧量增加，因此必须使用含有脱氧剂 的焊丝。但是在高温下氧原子可以和h 反应生成不溶于液态 金属的羟基，即 h + o o h 7 北京交通大学工程硕士专业学位论文 降低了氢的分压，抑制了氢气孔倾向，所以c o 。焊的抗锈能 力很强，对焊前件的要求较低。 c o 。气体保护焊按焊丝直径大小可以分为细丝c o 。焊( 焊 丝直径m 1 2 咖) 和粗丝c o 。焊( 焊丝直径中1 6 姗) ， 按操作方法可以分为c o 。半自动焊和c 0 。自动焊两种。它们的 区别在于c o 。半自动焊是手工操作完成热源的移动，而送丝、 送气等与c o ：自动焊一样，是由相应的机械装置来完成。 1 3 2工艺特点 c o 。焊与普通的手工电弧焊相比，c o 。焊主要有以下优点： ( 1 ) 生产率高由于焊接电流密度较大，电弧热量利用 率较高，焊丝又是连续送进，以及焊后不需清渣，因此提高 了生产率。 ( 2 ) 成本低c o 。气价格便宜、电能消耗少，所以焊接成 本低，仅为埋弧自动焊的4 0 ，为手工电弧焊的3 7 4 2 。 ( 3 ) 焊接变形和应力小由于电弧加热集中，工件受热 面积小，同时c o ：气流有较强的冷却作用，所以焊接变形和 应力小，一般结构焊后即可使用，特别适用于薄板的焊接。 一8 一 北京交通大学工程硕士专业学位论文 ( 4 ) 焊缝质量高由于焊缝含氢量少，抗裂性能好，焊 接接头的力学性能良好，故焊接质量高。 正是由于c o 。焊具有以上优点，因此根据铁道部运输局 运装货车( 2 0 0 1 ) 1 号文要求，决定在钩耳销孔磨耗焊修时 采用c o 。气体保护焊。 b 由于c o 。焊的导热率大，在高温分解时又吸收大量的 解离能，使电弧的热损失增加，对电弧有强烈的冷却作用， 迫使电弧收缩，弧柱区很窄成束装，弧柱的电场强度较大。 由于电弧的强烈收缩，使加热面积小，再加上c o ：气体的冷 却作用，使溶池的体积小，热影响区较小。在焊接薄板时变 形小，适合于薄板焊接和全位置焊。 c 由于电弧的强烈收缩，使弧根不易扩散，电弧的斑点 始终在熔滴的低部，造成较大斑点压力。斑点压力阻碍熔滴 过渡，使焊丝端部的金属熔滴不能沿焊丝轴线方向顺利过渡 到熔池中，而是被斑点压力顶偏呈现上挠，并最终失稳产生 飞溅。 1 4药芯焊丝 9 北京交通大学工程硕士专业学位论文 随着焊接自动化的不断发展与提高，焊丝的应用也日益 广泛，有着极其广阔的发展前景。目前，在我国是仅次于电 焊条用量的一种焊接材料。 焊丝的作用在于传导电流、填充金属、过渡合金，是埋 弧焊、气体保护焊和电渣焊等工艺方法的主要焊接材料。通 常焊丝可以分为实芯焊丝和药芯焊丝。近年来，药芯焊丝由 于自身的优点，发展非常迅速，应用广泛。药芯焊丝是由冷 轧薄钢带经轧机纵向折叠加粉后拉拔而成。截面形状颇多， 但简要地可分为两大类，简单断面的0 形和复杂断面的折叠 形。折叠形中又分为t 形、e 形、梅花形和中间填丝形等。 o 形断面的焊丝通常称为管状焊丝。管状焊丝由于芯部 粉剂不导电，电弧容易沿四周的钢皮旋转。而折叠形焊丝因 钢皮在整个断面上分布比较均匀，焊丝中心部亦导电，所以 电弧稳定，焊丝熔化均匀，冶金反应完善。 因小直径折叠形焊丝制造较困难，所以直径d 2 4 眦 的药芯焊丝均制成0 形；d 2 4 衄时，才制成折叠形。 药芯焊丝芯部粉剂的成分与焊条药皮相类似，含有稳弧 剂、脱氧剂、造渣剂及铁合金等。在粉剂中含有较多的铁粉， 一1 n 一 北京交通大学工程硕士专业学位论文 其目的在于增加焊丝的熔敷速度和增加焊丝整个截面熔化 的均匀性。目前国内焊接结构钢用的药芯焊丝已有定型产 品，可以批量生产。国产药芯焊丝的直径有1 6 、2 0 、2 4 、 2 8 、3 2 皿等几种，主要用于低碳钢和低合金钢焊接。 在焊补行业，药芯焊丝有逐步取代实芯焊丝的趋势。药 芯焊丝主要有以下优点： 1 、工艺性能和力学性能好药芯焊丝由于其芯部焊剂 的作用，焊接时电弧稳定、飞溅很少，而且飞溅颗粒也小， 比较容易清除；焊接时产生一定数量的熔渣，依靠熔渣的表 面张力生成覆盖层，使焊道成型美观。利用熔渣对液体金属 的承托作用，药芯焊丝比较容易实现全位置焊接，并且在各 种位置焊时均可采用较大电流。 2 、熔敷速度高药芯焊丝焊接时，由于电流通过很薄 的金属外皮，因此与实芯焊丝相比，其电流密度较高，焊丝 伸出长度部分的焦耳热较大，从而形成药芯焊丝高熔化速度 的特点。与药皮焊条相比，因药芯焊丝可以使用更大的焊接 电流，同时药芯焊丝中只含l5 2 0 左右的药粉，而焊条的 涂料药皮则占2 5 以上，因此电能可以更有效地用来熔化焊 丝的金属部分，并且以连续焊接代替了药皮焊条的断续焊 一1 1 北京交通大学工程硕士专业学位论文 接，因而熔敷速度明显提高。 3 、熔深大药芯焊丝因其焊接电流密度大，穿透力强， 使得焊道熔深较深。焊道熔深大有助于提高角焊缝的根部熔 深。与实芯焊丝相比，还可以改善融合不良的现象，减少修 补工作量。 4 、焊工培训容易与实心焊丝相比，药芯焊丝由于有 熔渣的作用，焊工操作容易，因此在焊工培训上省却许多时 间。 5 、合金系调整方便药芯焊丝可通过金属外皮和药芯 两种途径过渡合金元素，这是由药芯焊丝结构决定的，是实 心焊丝无法比拟的。药芯焊丝的许多品种，是实芯焊丝难以 冶炼或轧制的。目前药芯焊丝的品种己包括了各种常用的金 属材料，如低碳低合金系列、不锈钢系列、耐热钢系列、堆 焊合会系列及铸铁等。 6 、综合成本低焊接生产的总成本是由所消耗的焊接 材料、辅助材料、入工和动力等诸项费用所构成。 ( 1 ) 药芯焊丝有效利用率高 通常手工焊条焊接时，每根焊条均要丢掉5 0 6 0 m m 长 的电焊条头，引弧时还要消耗5 m m 左右，因此实际的有效长 一1 2 北京交通大学工程硕士专业学位论文 度只占焊条全长的8 5 左右，而药芯焊丝则有效利用率近 1 0 0 。 ( 2 ) 药芯焊丝的熔敷效率高 气保型药芯焊丝药粉填充比约为1 5 ，而且粉芯中一般 含2 0 左右的铁粉，焊接时飞溅也极小，所以熔敷效率可高 达8 5 9 0 左右；而手工焊条药皮重量系数约为2 5 ，再考 虑飞溅损失，其熔敷效率一般为7 0 7 5 。 ( 3 ) 单位长度焊缝消耗的熔敷金属量小 因为药芯焊丝焊接电流密度大，穿透力强，允许采用的 坡口钝边较大；同时由于焊丝易于深入坡口底部，所以一般 药芯焊丝焊接时的坡口角度设计较小，约为3 0 。4 5 。 ( 4 ) 人工公时费用低 由于药芯焊丝焊接熔敷速度是手工焊条焊接的3 5 倍， 同时由于飞溅小，比c o 。实芯焊丝焊接节约了大量清理飞溅 的辅助时间，因此焊接同类产品时药芯焊丝的人工费用最 低。 ( 5 ) 能源消耗少 一是由于连续生产使得焊机空载损耗大为减少；二是由 于电流密度大，增加了电阻热，提高了热能利用率；三是与 一1 3 北京交通大学工程硕士专业学位论文 焊条相比，减少了熔化非金属药皮成分消耗的能量。上述各 项使其电能消耗比焊条少1 倍以上，与c 0 ：气保护实芯焊丝 相比也约节能2 0 左右。 药芯焊丝因其熔敷速度高，消耗的熔敷金属量小，人工 工时费用低、消耗能源少等优势，因而其综合生产成本最低。 目前国际上采用的药芯焊丝大致分为三种：自保护药芯 焊丝方法、药芯焊丝+ 气保护方法和药芯焊丝+ 埋弧焊剂保护 方法。 自保护药芯焊丝在焊接时虽然方法较简单，又不需要其 它保护材料，但缺点是焊补层金属的质量相对较低，焊补层 中的夹杂物以及铝等元素含量较高。由于焊补时无气体或焊 剂保护，焊补层容易产生气孔，因此其主要适合于奥氏体类 型的金属焊补，而不适合铁素体及贝氏体类型金属的焊补。 而钩舌孔、钩舌销及钩耳孔的堆焊受焊接面所限，不能采用 埋弧焊，因此只能采用c o ：气体保护自动焊。 1 4 北京交通大学工程硕士专业学位论文 1 5 本课题研究内容 根据以上所述，本论文主要研究内容如下： 研制适合钩舌孔、钩舌销及钩耳孔堆焊的药芯焊丝； 对新研制的焊丝进行焊接工艺性能试验，研究熔敷金属 的拉伸、弯曲、冲击韧性等性能； 针对试生产阶段出现的一些质量问题进行缺陷分析，并 提出改正措施。 该焊丝经过各项焊接工艺性能试验后，进入试生产阶 段，针对在试生产阶段中出现的一些质量问题，如堆焊厚度 不够、焊缝表面不平、加工后出现气孔等缺陷以及电孤不稳 飞溅较大等缺陷，进行了焊丝成分改进、焊接工艺调试和焊 接设备的调整及改进等工作。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 第二章e 级钢药芯焊丝的焊接工艺试验 在进行试生产前，首先应进行各项焊接工艺试验，以确 认及保证其成分和机械性能的匹配，并确定合适的焊接工艺 参数。 2 1 e 级钢药芯焊丝工艺性能试验 由于该焊丝主要应用于e 级钢钩耳孔堆焊，因此工艺性 能试验主要进行e 级钢板( 3 0 0 15 0 1 4 ) 表面堆焊的试验， 在堆焊时观察电弧稳定性、飞溅大小，焊后观察熔渣覆盖情况、 脱渣性能以及熔敷金属成形情况。并通过不断的调整焊接规范的 大小，观察其工艺性能的变化情况，从而提出用于指导生产的焊 接工艺规范。 在试验过程中，通过观察发现，该焊丝的各项工艺性能基本 良好，能够满足生产需要。 通过调整焊接规范发现，当电弧电压保持不变，焊接电流增 大时，焊接飞溅明显增加，当焊接电流减小时，电弧极不稳定， 一1 6 北京交通大学工程硕士专业学位论文 极容易熄弧，清渣极不容易：当焊接电流不变时，电弧电压增大 时，焊丝熔化明显加快，焊缝成型没有鱼鳞纹及金属光泽，当电 弧电压减小时，焊缝成形明显变得高而窄；当焊丝干伸长增大时， 飞溅明显增加，而且容易产生气孔，当焊丝的干伸长减小时，焊 嘴容易堵塞，也易产生气孔。因此通过对比，将其焊接规范确定 如表2 1 所示。 表2 1焊接工艺参数 焊丝直径焊接电流电弧电压焊丝干伸长 气体流量 中1 22 0 0 一3 0 01 8 2 21 21 5 中1 22 5 0 一3 0 02 0 一2 41 51 8 2 2 e 级钢药芯焊丝熔敷金属成分分析 经过焊丝工艺性试验，按g b t1 7 4 9 3 1 9 9 8 低合金钢 药芯焊丝5 2 条规定进行熔敷金属化学分析堆焊试块的制 备，加工后做直读光谱化学分析，分析结果见表2 2 “e 级 钢药芯焊丝熔敷金属化学成分”。 1 7 北京交通大学工程硕士专业学位论文 表2 2e 级钢药芯焊丝熔敷金属化学成分 l 碳( )硅( )锰( )磷( )硫( )铬( )镍( )钼( ) i 。2 3 -1 0 61 6 3o 0 3 4o 0 3 30 9 50 1 4 00 8 5 由上表可以看出，e 级钢药芯焊丝熔敷金属化学成分达 到了设计要求。 2 3 e 级钢药芯焊丝熔敷金属机械性能试验 按g b t1 7 4 9 3 1 9 9 8 低合金钢药芯焊丝有关规定进 行熔敷金属拉伸试验和冲击韧性试验。 2 3 1试件的制备及试验工艺过程 施焊位置：平焊。施焊工艺参数如表2 3 “机械性能试 验试板焊接工艺参数”。 一1 8 一 北京交通大学工程硕士专业学位论文 表2 3 机械性能试验试板焊接工艺参数 试 焊丝焊接电电弧电层间气体流焊丝干 件焊接 直径流 压 温度伸长度 编方法 ( m m )( a )( v )( 。c )( l m i n )( m m ) 号 巾由 c o 。气2 0 0 3 0 0 1 8 2 215 0 15 l5 1 21 2 体保1 5 中 中 护焊2 5 0 3 0 0 2 0 2 41 81 5 1 6 1 6 试板材质与规格：q 2 3 5 一a ，3 0 0 1 6 0 2 0 垫板材质与规格：q 2 3 5 一a ，3 0 0 2 5 1 0 由于q 2 3 5 一a 材质与e 级钢材质相差悬殊，因此组装前 需先堆焊隔离层。试板与垫板组装时，预制反变形约5 。 2 3 2x 射线探伤试验 一1 9 北京交通大学工程硕士专业学位论文 采用x 射线探伤技术对焊缝内部进行x 射线探伤检测。 焊缝探伤试验在冲击样和拉伸试样加工前、试件的垫板采用 机械加工方法去除之后进行。 探伤结果质量评定：达到g b3 3 2 3 8 7 标准中的i 级规 定： 在底片的有效评定区域内，焊缝内部无裂纹、未焊合、 未焊透及条状夹渣，单个气孔不大于3 点，评定等级均为i 级。 2 3 3 机械性能试验 对上述试件按g b t1 7 4 9 3 1 9 9 8 低合金钢药芯焊丝 标准规定，加工拉伸试样和冲击韧性试样。拉力试验所用设备 为w e 一3 0 液压式万能材料试验机，冲击试验所用设备为 j b n 一3 0 0 b 冲击试验机。拉伸试件及冲击试样取样如图2 1 所示。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 一一 _ - 一1 _ _ 一 图2 1 熔敷金属拉伸及冲击试样取样示意图 试验结果见表2 4 “熔敷金属机械性能试验结果”。 2 l 北京交通大学工程硕士专业学位论文 表2 4 熔敷金属机械性能试验结果 抗拉强度屈服点断后伸长冲击吸收功( 一4 0o c ) 试 0bd s率6 。a k v ( j ) 样 ( m p a )( m d a )( ) 12345 l8 8 67 6 92 34 03 86 95 0 3 7 29 2 57 3 0183 16 23 64 24 5 39 5 57 2 52 13 83 34 03 64 1 由上表可知，研制的e 级钢药芯焊丝机械性能试验结果 与e 级钢比较，力学性能达到了e 级钢母材的要求。 2 4 e 级钢药芯焊丝斜y 型坡口焊接裂纹试验 2 4 1试件的制备 试板材质与规格：e 级钢；2 0 0 7 5 1 4 ，每组两块，共 2 2 北京交通大学工程硕士专业学位论文 需8 块：试验焊缝长8 0 m m ，开斜y 型坡口；两端拘束焊缝长 各为6 0 m m ，开x 型坡口。 斜y 型坡口焊接裂纹试验的试件加工按照g b 4 6 7 5 1 8 4 规定进行。 2 4 2 试验工艺过程 针对巾1 2 和垂1 6 焊丝进行斜y 型坡口焊接裂纹试验， 每项试样取试块两块。 接头型式：对接接头。 施焊位置：平焊。 斜y 型坡口焊接裂纹试验的焊接试验要求按照g b 4 6 7 5 1 8 4 规定进行。试验焊接工艺参数见表2 5 。 2 3 北京交通大学工程硕士专业学位论文 表2 5斜y 型坡口焊接裂纹试验焊接工艺参数 焊焊丝 焊丝焊接电电弧电层问气体流 试件接干伸 直径流压温度量 编号方长 ( m m )( a )( v ) ( o c ) ( l m in ) 法( m m ) 中c 0 2 1 22 0 0 3 0 0 1 8 2 2 1 5 1 2 1 2气 1 8 0 体 1 5 巾保 1 62 2 0 一3 5 02 5 3 31 81 5 1 6 护 焊 2 4 3 试验结果 试件焊后在室温下放置4 8 小时后，用磁粉探伤方法检 验试验焊缝表面裂纹，用磁粉探伤及机械弯断方法检验试验 2 4 北京交通大学工程硕士专业学位论文 焊缝的根部裂纹和断面裂纹。 执行标准：j b t 6 0 6 卜9 2 焊缝磁粉检验方法和缺陷磁 痕的分级 检测范围：焊缝及焊缝两侧的热影响区 评定结果见表2 6 “斜y 型坡口焊接裂纹试验结果”。 试验后试样照片如图2 2 所示。 表2 6斜y 型坡口焊接裂纹试验结果 试件编表面裂纹率c f根部裂纹率c f 断面裂纹率c f ( )( )( ) 1o00 2o0o 3 0oo 4o0o 2 5 北京交通大学工程硕士专业学位论文 图2 2 斜y 坡口焊接裂纹试验试样 北京交通大学工程硕士专业学位论文 由表2 6 及图2 2 可以知道，试验焊缝熔合良好，焊缝 及焊缝两侧的热影响区内没有发现异常，评定等级为i 级， 由此说明该e 级钢药芯焊丝采用c 0 。气体保护焊时抗裂性良 好。 2 5e 级钢药芯焊丝焊接接头机械性能试验 按照g b2 6 4 9 8 9 焊接接头机械性能试验取样方法、 g b2 6 5 0 8 9 焊接接头冲击试验方法和g b2 6 5 卜8 9 焊接 接头拉伸试验方法分别进行接头的低温冲击试验和接头拉 伸试验。 试验母材：3 0 0 15 0 1 4e 级钢 坡口形式：v 形坡口5 0 。一6 0 。 接头型式：开v 形坡口对接接头 施焊位置：平焊 焊接工艺参数同表2 4 。 冲击试样缺口分别开在焊缝、熔合线或热影响区。 2 7 北京交通大学工程硕士专业学位论文 试验结果见表2 7 “c 0 2 保护焊焊接接头机械性能试验 结果”。 表2 7c o ：保护焊焊接接头机械性能试验结果 抗拉强断后伸冲击吸收功 屈服点 度k 率 ( 一4 0 0 c ) 试样 obosa k v ( j ) ( m p a ) ( m p a ) ( ) i23 4 5 1 2 一l9 0 07 5 01 93 52 84 25 44 0 1 ，2 29 2 0 7 1 01 73 73 34 23 84 4 1 6 1 9 0 5 7 3 01 94 43 82 95 83 7 1 6 28 8 97 0 02 04 0 2 9 4 2 6 8 3 5 2 8 北京变通大学工程硕士专业学位论文 由试验报告表明：采用e 级钢药芯焊丝焊缝及热影响区 机械性能均高于母材。 一2 9 北京交通大学工程硕士专业学位论文 第三章e 级钢钩舌药芯焊丝试生产 焊接缺陷分析 依据焊接试验所采用的焊接规范参数，对工件进行了试 生产工作，在试生产工作中，主要发生的问题为：裂纹、气 孔、堆焊层厚度不足、焊缝表面不平及电弧稳定性差和飞溅 大等质量问题( 如图3 1 所示) 。下面对以上所产生的问题进 行分析讨论。 图3 1堆焊层内显微显微裂纹 2 0 0 一3 0 一 北京交通大学工程硕士专业学位论文 3 1裂纹缺陷产生的原因分析 焊接过程中，裂纹是最严重的一种工艺缺陷，导致焊缝 金属开裂的诸因素，大体可归结为两大类：即冶金因素和力 学因素。对于焊缝金属来说，一定的冶金因素与力学因素的 配合，是焊接裂纹产生的充分而必要的条件。 3 1 1氢的影响 从上面的斜y 型坡口焊接试验可知，该e 级钢焊丝的抗 裂性能良好。但由于焊接填充材料，包括焊丝和保护气体中 以各种形式( 结晶水、化合水、吸附水和水蒸汽存在的水分， 焊丝表面的吸附水、油脂、有机物质、涂料和大气污染物) 存在的含氢物质都是焊接过程中的重要氢源，这些物质在焊 接过程中进入电弧分解出氢气。焊缝含氢量增加而导致开 裂。 氢属于奥氏体稳定元素，且氢在奥氏体内具有较高的溶 解度。当金属自奥氏体化温度冷却时，高浓度的氢可能使奥 一3 1 北京交通大学工程硕士专业学位论文 氏体局部过冷，其结果是形成高硬度的组织组分，严重时甚 至在渗碳体界面引起显微裂纹。 3 1 2 c 、s 、p 的影响 硫、磷是焊缝金属中的有害杂质，在焊接时，原材料中 的大部分硫、磷将进入焊缝金属中。 硫通常以两种形式存在于焊缝中，即m n s 、f e s 。m n s 几 乎不溶于液态铁，在焊接冶金过程中可以浮到熔渣中去，使 焊缝脱硫。而当硫以f e s 的形式存在时最有害。因为f e s 与 铁在液态时可以无限互溶，而在固态时其溶解度急剧下降， 故在溶池结晶时它容易发生偏析，以低熔点共晶的形式形成 片状或链状分布于晶界。这样就增加了焊缝产生结晶裂纹的 的倾向，同时还会降低冲击韧度和抗蚀性。同时硫与镍形成 n i s ，而镍与n i s 形成共晶物，产生结晶裂纹的倾向更大， 危害更为严重。当焊缝金属中含碳量增加时，会促使硫发生 偏析，从而增加它的危害。 p 在固态中的溶解度很小，它的存在严重降低焊缝金属 的冲击韧度，并使其韧脆转变温度升高。磷在液态铁中主要 一3 2 北京交通大学工程硕士专业学位论文 以f e ：p 和f e 。p 的形式存在，它们与铁、镍形成底熔点共晶， 含磷的铁基合金的结晶温度区间很宽，这样在凝固过程中， 高磷的铁水将填充在晶枝之间，使分布于晶界，削弱了晶间 结合力。因此，钢中含磷较多时，冲击韧度和低温韧性下降， 脆性就越严重。同时由于镍的存在，磷会形成熔点很底的共 晶物而产生结晶裂纹。 3 1 3 焊接规范的影响 可能与焊接规范，尤其是焊接电流、电弧电压以及焊接 线能量匹配不当而引起开裂。在焊接过程中，由于不平衡的 快速加热与快速冷却，堆焊层金属承受了热循环的作用；在 焊缝的不同区域，加热的峰值温度不同，冷却速度也不同， 这样就产生了不均匀的组织区域。此外，由于热应变不均匀， 不同区域间会产生不同的应力联系。所有这些，使整个焊缝 金属处于复杂的应力一应变状态。内在的热应力、组织应力 以及应力集中相叠加，构成了导致焊缝金属开裂必不可少的 力学条件。因此，在焊接过程中一定要采用适当的焊接工艺 规范，严格按照焊接工艺卡片的要求进行施焊。 一3 3 北京交通大学工程硕士专业学位论文 3 2 出现气孔缺陷的原因分析 焊接时产生气孔的气体主要是氢气、一氧化碳和氮气， 其主要原因如下。 3 2 1 焊丝及工件受潮引起 由于焊丝库存时间长，保管不当，造成焊丝受潮，工件 表面的氧化铁皮、铁锈、水分、油渍是导致气孔产生的重要 原因。加热时氧化皮和铁锈中的高价氧化物及结晶水分解后 可产生f e 0 、h ：、h 、o 及0 h 等，使c o 气孔与氢气孔的倾向 都有可能增大。 3 2 2气体保护不良引起 由于焊接过程焊枪的角度不正确，造成保护气体保护不 良，空气进入了焊接区，失去保护效果而产生氮气孔。此外， 北京交通大学工程硕士专业学位论文 电弧电压越高，空气侵入的可能性越大，电弧电压高达一定 值后，焊缝中就出现了气孔。 由于e 级钢钩舌销孔的内径较小，不利于清除内部的污 物而引起气孔。 3 2 3焊丝化学成分不当引起 当焊丝金属中含脱氧元素不足时，焊接过程中就会有较 多的氧化亚铁深于熔池金属中，并与碳发生反应生成铁和一 氧化碳气体。这个反应在熔池处于结晶温度时进行的比较剧 烈。由于此时熔池已开始凝固，一氧化碳气体不易逸出，于 是在焊缝中形成了气孔。这可以通过在焊丝中加入足够的脱 氧元素硅和锰，以及限制焊丝中的含碳量，就可以抑制上述 的反应过程，有效防止一氧化碳气孔的产生。 3 3产生电弧不稳与飞溅大原因分析 3 3 1 焊接规范匹配不当引起 一3 5 北京交通大学工程硕士专业学位论文 在本次试验中，对于直径为1 2 眦的焊丝，通常采用短 路过渡形式进行焊接。短路过渡焊接时的主要工艺参数有电 弧电压、焊接电流、焊接速度、气体流量以及焊丝伸出长度 等。生产实践表明，焊接工艺参数的选择正确与否会直接影 响关焊接过程的稳定性。电弧电压是焊接参数中关键的一 个，在一定的焊丝直径和焊接电流下，电弧电压若过低，电 弧引燃困难，焊接过程不稳定。电弧电压过高，则由短路过 渡转变成大颗粒的长弧过渡，焊接过程也不稳定。只有电弧 电压与焊接电流匹配得较为合适时，才能获得稳定的焊接过 程，飞溅才能减少。 此外，焊丝伸出长度也与飞溅大小有关。焊丝伸出长度 过大时，焊丝容易发生过热面成段熔断，飞溅严重焊接过程 不稳定。而焊丝伸出长度过小，势必缩短喷嘴与工件间的距 离，造成飞溅金属堵塞喷嘴。因此在焊接过程中，注意合理 调整焊接工艺参数的合理匹配可以减少焊接过程中的飞溅 大小。 3 3 2 焊接操作初始定位不当 北京交通大学工程硕士专业学位论文 在药芯焊丝c o ：焊时，焊枪角度也与焊接飞溅量有关。 试验表明，焊枪垂直焊接时飞溅量最少，倾斜角度越大，飞 溅越多。焊枪的前倾及后倾最好不要超过2 0 。 3 3 3 焊接电源动特性不好 实践表时，短路过渡时，当熔滴与熔池接触时，由熔滴 把焊丝与熔池连接起来，形成液体小桥。随着短路电流的增 加，小桥处的液体金属在电磁力作用下急剧收缩成较细的缩 颈并被迅速加热，最后导致小桥金属发生汽化爆炸，并产生 飞溅。飞溅量大小与液体小桥汽化爆炸时能量有关，该能量 是在小桥破断之前的1 0 0 1 5 0 u s 短时间内聚集起来的，并由 这段时间内短路峰值电流大小所决定，所以减少飞溅的重要 途径是改善电源的动特性，限制短路峰值电流。 3 4堆焊层厚度不够及表面不平的原因分析 3 4 1焊接进给不当引起 北京交通大学工程硕士专业学位论文 通过现场观测，发现自动焊机的焊嘴弯曲角度大，而e 级钢钩舌销孔的内径为目4 1 ，比13 号钩舌销孔( 退套后9 5 4 ) 内径小，焊嘴在销孔内径向位移量不够，所以造成焊修困难， 堆焊层厚度难以保证均匀，加工后钩销孔难以成型。 3 4 2 焊接规范不合适引起 由于该自动焊机利用的是原来焊接普通低碳钢和c 级钢 铸件的焊机，而普低钢焊丝和c 级钢焊丝均为实芯焊丝，实 芯焊丝与药芯焊丝的溶敷效率不尽相同，因此采用原来的焊 接工艺规范及设备的进给量，不能达到其要求的厚度及焊缝 表面质量。 并且由于前道焊缝成型不良。造成电弧长度忽长忽短， 引起电弧不稳与飞溅较大，与焊接规范不匹配，也会引起电 弧不稳与飞溅过大等缺陷。 一3 8 北京交通大学工程硕士专业学位论文 第四章e 级钢钩舌药芯焊丝焊接 工艺改进措施 4 1 调整焊接规范。 在c 0 ：气体保护自动焊的条件下，适当增加焊接电流， 降低焊接速度，即适当增大焊接线能量，有利于气体的逸出， 可降低焊缝中的气孔倾向。并且在c 0 ：气体保护自动焊中， 对于每种直径的焊丝，其飞溅率和电流之间都1 竽在着一定的 规律。一般来说在小电流区和大电流区飞溅率较小，而在中 间区飞溅率最大。所以在选择焊接电流时应尽可能避开飞溅 较高的电流区域，电流确定后再匹配适当的电压，以保证飞 溅量最少。 4 1 1 焊接电流与电压 在c 0 ：电弧中，对于每种直径焊丝，其飞溅率和焊接电 流之间都存在着一定的规律，在小电流区( 短路过渡区) 飞 流之间都存在着一定的规律，在小电流区( 短路过渡区) 飞 3 9 北京交通大学工程硕士专业学位论文 溅率较小，进入大电流区后( 细颗粒过渡区) 飞溅率也较小， 而中间飞溅率最大。 在选择焊接电流时，应尽可能避开飞溅率高的电流区 域。电流确定后再匹配适当的电压，以保证飞溅量最少。 4 1 2 焊枪的角度 焊枪垂直时飞