（机械工程专业论文）夹送辊堆焊技术研究.pdf

摘要 论文题目：夹送辊堆焊技术研究 学科专业；机械工程 研究生：王丽华 指导教师：李言教授 摘要 签 签 夹送辊是轧钢设备上重要的传输件，国内外绝大多数夹送辊的制造均采用堆焊技术。 夹送辊堆焊与热轧辊堆焊相似，由于夹送辊堆焊材料的碳当量和硬度高、韧塑性差等原因， 焊接时特别容易产生冷裂纹和热裂纹，尤其热裂纹的产生对夹送辊堆焊质量起着至关重要 的影响。因此裂纹的研究和消除成为本文的中心内容。 本文对夹送辊堆焊的抗裂性能进行了分析和研究，采取了理论和实践相结合的方法， 对夹送辊堆焊在不同温度下预热，产生的裂纹性质进行了判断。从理论上分析了影响冷裂 纹和热裂纹的因素，研究了预热、堆焊过渡层等对夹送辊冷、热裂纹的影响，并进行了实 验分析和论证。在实际生产中对具体因素进行控制，从而消除堆焊层裂纹，完成产品制造， 提高产品质量。 通过对s o u d o k a y 2 5 8 - - s a 焊丝r e c o r ds a 焊剂和c r w n i m n s i 焊丝s j 6 1 焊剂这两种 堆焊材料的抗裂性实验，证明了后者的抗裂性优于前者；采用超低硫、磷的h 0 9 m n 焊丝和 s j 2 0 4 焊剂进行打底焊，能够有效地防止热裂纹；通过稀释率对堆焊层的化学成分和抗裂 性能影响分析和实验，证明了焊道重叠量是影响堆焊层稀释率的关键因素之一。结果表明， 影响热裂纹的主要因素为稀释率、杂质元素、应力状况等，同时表明，当焊道重叠量控制 在5 0 时，堆焊层既能够保持较低的稀释率，又有良好的焊缝成形性。 依据实验和理论研究的结果，对两种不同类型的夹送辊分别制订了相应的堆焊工艺， 并按工艺实施堆焊。通过对产品缺陷和硬度进行检验，证明了工艺的正确性，对实际生产 具有良好的指导意义和应用价值。 关键词：夹送辊，堆焊，热裂纹，冷裂纹，预热温度，过渡层 a b s t l a c t t l t l e ：t e c h n i c a lr e s e a r c ho np l n c hr o l l e r 0 fs u r f a c i n gw e l d i n g m a j o r ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g n a m e ：l i h u aw a n g s u p e r v i s o r ：p r o f y a nl i a b s t r a c t s i g n a t u r e ：! 丛塑幽 s g n a t u r e ：半 p i n c hr o l li s 龃i m p o r t a n tt r a n s m i s s i o np a r to fr o l ls t e e le q u i p m e r i t m a n yc o u n t r i e su s e s u r f a c i n gw e l d i n gt om a k ep i n c hr o l l s u r f a c i n gw e l d i n g f o rp i n c hr o l l si ss i m i l a rw i t hs u r f a c i n g w e l d i n gf o rh o tr o l l s s i n c et h es u r f a c i n gw e l d i n gf i l l e r m a t e r i a l sc o n t a i nh i g hc a r b o n e q u i v a l e n tw i t hh i g hh a r d n e s sa n dl o wp l a s t i c i t y , i ti sv e r ye a s yt op r o d u c ec o l dc r a c k sa n dh o t c r a c k si nw e l d i n g , e s p e c i a l l yh o tc r a c k s ，i tc a l la f f e c tt h eq u a l i t yo fp i n c hr o l l e rs u r f a c i n g w e l d i n g t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rm a i n l yc o n c e l l lo nt h es t u d ya n dh o w t oe l i m i n a t ec r a c k s t h i sp a p e rs t u d i e st h ec r a c k i n gr e s i s t a n c e so fp i n c hr o l l a n da n a l y s i st h ep r e h e a t i n g s u r f a c i n gw e l d i n go fp i n c hr o l l si nd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s i ta l s oa n a l y s e st h ec a u s e so fc o l d c r a c ka n dh o tc r a c k ，b e s i d e s ，i ts t u d i e st h e i n f l u e n c e so f p r e h e a t i n ga n di n t e r m e d i a t el a y e r so n c o l dc r a c ka n dh o tc r a c k ，a n dp r o o f si t e x p e r i m e n t a l l y c o n t r o ls p e c i f i cf a c t o rd u r i n g p r o d u c t i o n , i no r d e rt oe l i m i n a t ec r a c k so f w e l d i n gl a y e ra n di m p r o v et h eq u a l i t yo f p r o d u c t s t h r o u g hc r a c k i n gr e s i s t a n c ee x p e r i m e n t so fs o u d o k a y 2 5 _ - s aw e l d i n gw i r e r e c o r d s af l u xa n dc r w n i m n s iw e l d i n gw i r e s j 6 1f l u x ，t h i sp a p e rp r o v e st h a tt h el a t t e ri sb e t t e r t h a nt h ef o r m e r a l s o ，b yu s i n gs u p e r i o rl o w s 、po fh 0 9 m nw e l d i n gw i r ea n ds j 2 0 4f l u xt o c a l t yo u ti n t e r m e d i a t el a y e r sc a np r e v e n th o tc r a c k s ；t h r o u g ha n a l y s i sa n dc ) 【p 盯i m e n t so f t h e i n f l u e n c ew h i c hd i l u t i o nr a t i oo nc h e m i c a lc o m p o n e n t sa n dc r a c k i n gr e s i s t a n c e ，i tp r o v e st h a t o v e r l a p p i n gc o e f f i c i e n ti sak e yf a c t o ro fs u r f a c i n gw e l d i n gl a y e r sd i l u t i o nr a t i o t h er e s u l t s s h o wt h a tt h ek e yf a c t o r so fa f f e c th o tc r a c ka r ed i l u t i o nr a t i o ，i m p u r i t ye l e m e n t sa n ds t r e s s c o n d i t i o n m e a n w h i l e ，i ta l s ot e l lu st h a tw h e nt h ew e l db e a do v e r l a p p i n gr a t ei s5 0 ，t h e d i l u t i o nr a t ei sl o w ，a n dt h ew e l df o r m a t i o ni sb e t t e r a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c hr e s u l t so f t h e o r ya n de x p e r i m e n t ，i ts e t su pt w od i f f e r e n tt y p e so f s u r f a c i n gw e l d i n g , a n dp u t si n t op r a c t i c eo nt h eb a s i so ft e c h n o l o g y t h r o u g he x a m i n a t i o no f d e f e c ta n dh a r d n e s s ，i ts h o w st h a tt h ec o r r e c t n e s so ft e c h n o l o g y i th a sd i r e c t e dm e a n i n ga n d u s e f u lv a l u et op r o d u c t i o n k e yw o r d s ：p i n c hr o l l ；s u r f a c i n gw e l d i n g ；h o tc r a c k ；c o l dc r a c k ；p r e h e a t i n gt e m p e r a t u r e ； i n t e r m e d i a t el a y e r ： t 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 本 已经在 论文作者签名： 学位论文使用授权声明 在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 请博士硕士学位。本人作为学位沦文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名： 始 导师馘：各l 萨；月7 日 7 日 多 1 绪论 1 绪论 1 1 夹送辊堆焊及其发展现状 1 1 1 夹送辊工作环境与性能分析 夹送辊是轧钢设备上的关键部件之一，它的主要作用是牵引已经轧制好的薄板进入卷 取机入卷和收卷，同时兼有板带矫直、矫平的任务。夹送辊的工作位置示意图如图1 1 所示。 图1 - 1 夹送辊的工作位置示意图 f i g1 - 1o p e r a t i n gp o s i t i o ns k e t c hm a po f p i n c hr o l l 夹送辊工作时辊身承受的弯矩、辊面接触应力一般小于同一轧线上的轧辊的轧制力矩 及接触应力，但它不像轧辊那样频繁地更换。因为轧钢工艺的要求，连轧轧辊一般有自动 换辊装置，并且轧辊在完成一定量的工作后就必须进行辊面重磨，而夹送辊则必须在大 修时才进行更换重磨，所以要求夹送辊要有比轧辊更高的耐磨性和使用寿命。另外夹送辊 工作的最高温度约为6 0 0 ，并不断地采用水冷而产生冷热疲劳，同时由于夹送辊表面的 塑性流动与板带的相互移动引起粘附，因此对夹送辊的表面抗高温磨损、抗高温胶合能力 及抗冷热疲劳的能力要求很高。 1 1 2 对夹送辊堆焊合金的使用性能要求 由于经过夹送辊堆焊合金的堆焊即形成夹送辊的表面，因此对夹送辊堆焊合金的主要 要求是高的表面耐磨性和耐高温性能。 a 对夹送辊堆焊合金的耐磨性要求 夹送辊磨损形式主要有粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损等f 2 l 。 ( 1 ) 粘着磨损是指金属与金属之间相对移动时，由于两接触面凹凸不平，在摩擦过 西安理工大学工程硕士学位论文 程中引起表面金属变形，局部高温焊合而撕裂或结合金属转移到另一表面，从而产生表面 破坏。一般要求堆焊合金有较小的摩擦系数，堆焊合金的硬度和耐磨性应与相互摩擦的材 料相近。 ( 2 ) 磨料磨损是指硬质颗粒或表面粗糙物体在压力作用下，对金属表面进行显微切 削。一般要求堆焊材料要有高的韧性以及高的抗压强度、硬度和耐磨性。 ( 3 ) 疲劳磨损是指摩擦表面相对滚动或滑动时，由于承受反复的加热和冷却作用， 使金属产生裂纹，从而造成金属表面破坏的现象。如热轧辊、夹送辊、热锻模、热铸模等 热态使用的设备和工具，表面都受到强烈的热疲劳作用。一般要求用含有钨、钼、钒等元 素的热稳定性好的堆焊材料州n 。 b 对夹送辊堆焊合金的耐高温佳能要求 金属工件在高温下工作，可能引起氧化或起皮，组织因回火或相变而软化；高温下长 期工作而产生蠕变破坏；承受反复加热或冷却而导致热疲劳，因此在高温下工作的堆焊合 金要具有抗氧化性、热强性、热硬性、抗热疲劳性、抗高温磨损和耐高温腐蚀等性能。 1 。1 。3 堆焊技术及其应用 堆焊是用焊接方法在零件表面堆敷一层具有一定性能的材料的工艺过程。它的主要目 的是为了增加零件的耐磨、耐热、耐腐蚀等方面的性能。堆焊是焊接领域的一个重要分支。 堆焊的物理本质，冶金过程和热过程的基本规律，与一般的焊接工艺没有区别。但是由于 堆焊的目的主要在于发挥表面堆焊合金的性能，所以堆焊具有以下特点： 1 、堆焊层合金成分是决定堆焊效果的主要因素，因此合理制定堆焊层的合金系统， 才能使堆焊零件具有较高使用寿命。 2 、尽量降低稀释率( 堆焊焊缝中，含有母材金属的百分率) ，因为堆焊金属含有较多 合金元素，而母材常常是普通碳素结构钢或低合金钢，因此必须尽量减少母材向焊缝的熔 入。 3 、高堆焊的生产率，因为堆焊零件往往数量多，堆敷金属量大，因此应选用和研制 生产率高的堆焊工艺。 4 、注意堆焊金属与基体金属的配合，防止堆焊层开裂甚至剥落。所以要求堆焊金属 与基体金属有相近的膨胀系数和相变温度。 近年来，随着我国冶金、矿山、电力、石油化工大型装备的制造及应用，堆焊技术发 展迅速，如大型容器及石化容器管道内壁耐腐蚀层的高速带极堆焊、大型板坯弧形连铸机 拉矫辊及导辊耐磨层的药心带极埋弧堆焊、矿山设备的大面积耐磨合金复层的丝极摆动埋 弧焊等。材料的堆焊技术已经广泛应用于矿山、冶金、农机、建筑、电力、运载车辆、石 油化工设备、核动力以及工具、模具的制造、修理与保养。 2 1 绪论 1 1 4 国内外夹送辊堆焊发展现状 夹送辊是轧钢设备上的关键部件之一，它的质量好坏、使用寿命的长短直接影响轧机 的作业效率、钢材的质量、维修的费用、最终影响钢材的制造成本。 夹送辊的堆焊类似于热轧辊的堆焊，早期的轧辊堆焊从1 9 4 0 1 9 4 1 年即在前苏联开 始，用手工电弧焊进行嘲。1 9 5 2 年德聂伯罗彼德罗夫列宁轧管厂即开始首先在管轧机轧 辊上进行了自动堆焊。 二十世纪五十年代开始，堆焊在轧钢产品范围内广泛使用，在当时堆焊后轧辊的寿命 大幅提高，但那时轧辊材料本身性能较低，如5 5 钢、白口铸铁型轧辊、以及其他钢轧辊 等，本身的寿命就不很高。因此起初堆焊轧辊服役寿命并非很高，堆焊材料和技术也并未 得到广泛的应用和高度的发展。特别是关于堆焊后轧辊的裂纹状况则鲜见报道。 随着轧钢技术的发展和被轧钢材性能要求的提高，原有的堆焊材料和技术不能满足现 有的轧钢技术的要求，因而新的堆焊材料和工艺应运而生，在材料方面，国产的，如 3 c r 2 w 8 v 、c r w n i m n s i 、c r w n i m n m o 型等；国外的，如德国b s h l e r t h y s s e n 公司的s o n d o k a y 2 5 8 s a 、美国的s t o o d y l 0 2 、以及中国仿造或国产化的日本焊材如上海司太立有限公司生产 的p g y l 2 4 、p g y l 2 5 等，可以说是种类繁多，有实芯焊丝，但更多的是药芯埋弧自动焊丝， 还有部分的药芯气体保护焊丝。近些年来，高合金的硬面堆焊在中国有非常齐全的材料品 种和完善的工艺条件满足夹送辊的堆焊。同时人们对夹送辊堆焊材料和工艺的研究日益深 入，诸如堆焊后轧辊裂纹等问题得到了专业人士的高度关注。 1 2 问题的提出 冶金技术飞速发展，世界钢产量逐年上涨。2 0 0 3 年中国的钢产量达到2 2 l 亿吨，但 热轧薄板仍然满足不了国内经济发展的需要，仅西部每年还缺6 0 0 - - 7 0 0 万吨嘲。因此中 国的钢铁行业不断改建、扩建，而在生产线上的夹送辊大多数均采用了堆焊技术，以提高 夹送辊的抗胶合能力及抗高温磨损能力。从而迫切需要提高夹送辊的寿命、减少在线停机 对闯、提高生产效率、降低制造的难度、生产成本、充分利用材料的性能。例如攀钢热轧 板厂采用p g k l 2 5 堆焊后辊子的过钢量由1 6 万吨达到3 0 5 万吨“1 ，该技术在国际上已普 遍使用，如唐钢的超薄板热轧生产线是由d a n i l i 公司设计，大部分在中国制造，但夹送 辊由该公司提供成品。涟源钢铁公司的c s p 线由德国s m sd e m a g 公司设计，并提供堆焊 材料，由陕西压延设备厂制造。本溪钢铁公司c s p 线由三菱目立公司设计，并提供技 术参数，堆焊材料由陕西延设备厂选定并制造。其他钢铁公司如武钢、宝钢、酒钢、攀钢 等均有类似的项目，且在夹送辊中均采用堆焊技术，而在中国该堆焊技术并不成熟，综合 性能优越的材料种类较少，特别是工艺有待完善。主要问题是焊道心部产生热裂纹。 其中有以下几方面的问题： ( 1 ) 大多数焊丝、焊剂的工艺性能太差，没有经过系统地、科学地论证和实践的验 3 西安理工大学工程硕士学位论文 证： ( 2 ) 焊材的生产制造过程缺乏严格的质量控制； ( 3 ) 即使经过反复地补焊，在工件表面检查不到缺陷，但在工件内部很难保证没有 不允许的焊接缺陷，仍然不能达到高质量的要求。例如我们堆焊的夹送辊要求有效层厚度 为2 0 r a m ，对于工艺性能太差的焊材很难保证整个有效层没有缺陷； ( 4 ) 对国外的焊材的工艺性能仍没有足够的了解或者说国外的某些焊材的工艺性能 差，仍不能满足生产的需要。另外一部分仿造的焊材只有其表而对制造的细节控制还不足； ( 5 ) 对焊接工艺研究不足。 在进行的实际堆焊中出现的难以克服的主要问题是裂纹，包括冷裂纹和热裂纹。图i 一2 、1 3 就是生产中因为裂纹而失败的产品。 图l 一2 使用c r w n i m n s i 焊丝8 1 6 - 1 焊剂堆 焊后，产生的不同层深的裂纹 f i g1 - 2t ol i s tc r w n m n s iw e l d i n gw i r e f l u x c o f l l co u to f c r a c k so f d i f f e r e n c ed e p m 图1 3 使用s o n d o k a y 2 5 8 - - s a 焊丝r e c o r d s a 焊剂焊后的裂纹照片 f i gl - 3 t ou s e n d o k a y 2 5 8w e l d i n gw i r e f l u x w e l d e dc , 0 1 1 l eo u to f c r a c k s 夹送辊堆焊是轧钢生产线配套的一个关键环节，加之国内制造情况均不理想，所以攻 克夹送辊的堆焊工艺是生产中的一个技术难题，它是关系到我们能否与国际接轨，占领市 场的一个重要科研项目。 1 3 本课题的研究内容、目的和意义 轧辊及夹送辊的堆焊在焊接领域虽然已经是很普遍的一项工艺，但是对于高质量的轧 辊及夹送辊的堆焊、特别是对消除裂纹的研究并不透彻，更为重要的是将工业生产上的研 究成果直接进行实际应用，在我国并不多。 依据夹送辊的使用条件要求和专家的推荐，我们对多种焊接材料进行了初步筛选，确 定了两种焊材作为研究对象。其一是s o u d o k a y 2 5 8 - - s a 焊丝r e c 0 r ds a 焊剂为德国推荐 4 1 绪论 使用的材料，其二经过我们的初步分析实验认为哈尔滨焊接研究所研制的c r w n i m n s i 焊丝 s j 6 1 焊剂堆焊合金有较好的使用性能和焊接性。本课题主要通过工艺试制及对这两种 典型堆焊材料的焊接性分析和实验，选择工艺性良好的堆焊材料及合适的工艺方法，对裂 纹的种类进行分析定性，然后对影响裂纹的因素进行实验分析，包括过渡层、预热温度、 杂质元素、，稀释率等。在实际生产中对具体因素进行控制，从而消除堆焊层裂纹，完成 产品制造，开拓市场、代替进口。 2 堆焊材料抗裂性能研究 2 堆焊材料抗裂性能研究 按照裂纹产生条件可将其分为冷裂纹和热裂纹两种。焊接冷裂纹是指焊接接头冷却到 较低温度下( 对钢而言在m s 温度以下) 时产生的焊接裂纹；焊接热裂纹是指焊接过程中， 焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区产生的裂纹嘲 2 1 堆焊层中冷裂纹的理论分析与研究 2 1 1 冷裂纹的分类 冷裂纹产生与焊接接头金属的淬硬倾向、应力状态及氢的活动状态等有关嘲，其包括 氢致裂纹、热应力裂纹、淬硬脆化裂纹等。氢致裂纹主要由于氢的脆化作用导致接头中产 生的焊接裂纹，其具有延迟断裂的特征。热应力裂纹又叫低塑性脆性化裂纹，由于焊接过 程中收缩应变超过材料的变形能力所引起的裂纹，其与应力大小及材料塑性储备有关。淬 硬脆化裂纹( 淬火裂纹) ，是由于冷却过程中马氏体相变所致的裂纹。 2 1 2 冷裂纹的消除 a 冷裂纹的出现 在焊接温度较低时常常出现冷裂纹。我们经过实验看到：当工件在1 9 0 c 以下预热时， 主要产生垂直于焊道的冷裂纹，如图2 - 1 所示。图2 - 1 的堆焊材料为s o n d o k a y 2 5 8 - - s a ，这种 材料具有很高的冷裂倾向，堆焊产生的裂纹具有金属光泽，裂纹间角度很小，接近平行， 垂直于焊缝，开口于焊缝表面。这是因为在这种焊接条件下沿着焊缝长度方向上的正应力 最大，根据这些形貌特征可以判定其为冷裂纹。 b 冷裂纹产生原因分析 在钢中马氏体是一种脆硬组织，在一定应力条件下将发生脆性断裂。含碳量越高，马 氏体数量越多，越容易出现冷裂纹。由于堆焊材料含有较高的碳含量( v c = o 1 9 0 4 6 ) ， 而且有较高的合金元素含量，其淬硬倾向严重。所以它在冷却速度较大时很容易产生冷裂 纹：淬火裂纹，因此消除冷裂纹的有效途径是降低冷却速度，使焊接接头处不产生马氏体。 在焊接生产中预热是最常用的降低冷却速度的方法之一。 这是因为预热温度提高，使焊后冷却时，冷却速度v 垮减小。而在成分不变，淬火临 界冷却速度v 囊不变的前提下，获得马氏体的冷却条件：v 一大于v - 不易满足。因此随预 热温度提高，减少了脆性组织马氏体的数量。夹送辊堆焊材料为中碳铜，由于预热，冷却 速度减小，使组织由奥氏体转变为珠光体的数量增加，从而使夹送辊冷裂纹呈下降趋势。 氢是引起钢焊接延迟冷裂纹的最主要因素。高强钢焊接接头的氢含量越高，则裂纹倾 向越大，当氢含量超过某一临界值时，便出现裂纹，以后随氢含量增多，裂纹尺寸和数量 也增加 1 0 a 产生这一现象的主要原因是由于焊接后冷却时，钢要发生由y 相向n 相的转变 7 西安理工大学工程硕士学位论文 而氢在y 相中的溶解度远远高于在0 相中的溶解度。在快速冷却时，氢来不及析出，便以过 饱和形式存在于0 相中。这些过饱和状态的氢，由原子状态转为分子状态，形成较大应 力，当遇到显微杂质和微孔时便促使微观缺陷不断扩大，直至形成宏观裂纹。因此冷却速 度越快，过饱和程度越高，应力越大，越容易出现冷裂纹。由于采用预热方法，可以降低 冷却速度，减小氢的过饱和程度，因此降低了冷裂纹倾向。 虽然冷却过程中形成的过饱和的氢，有向外扩散逸出的趋势，但温度较低时，原子活 动能力差，不利于氢的扩散，此时有更多的氢保留在焊缝中，增加了裂纹倾向。有实验表 明“”预热温度越高，氢越易于扩散逸出。氢在不同化学成分钢和不同金相组织中的扩散是 不一致的。一般讲“o 】，氢在低碳钢中扩散速度大，大部分氢可以逸出金属表面，所以不会 产生冷裂纹：在高合金钢中( 如1 8 8 型不锈钢) ，虽然氢的扩散速度极小，但因溶解度 较大，因此也不易局部聚集产生延迟裂纹；但在高碳钢、中碳钢、中合金钢和部分含碳较 高的低合金钢中，因氢的扩散速度慢，但氢的扩散又不能完全受抑制，所以极易局部聚 集，当超过某一临界值时，便产生裂纹。对于第三种情况，其预热对裂纹的减少和抑制具 有十分重要的意义。实验中，夹送辊母材4 5 钢、 3 4 5 为中碳钢，焊接材料为高碳钢，预 热有利于氢的扩散逸出，对于裂纹的减少和抑制起到了明显的效果，因此随预热温度的提 高，夹送辊材料堆焊冷裂纹呈下降趋势。 焊接接头的约束应力产生于不均匀加热、不均匀冷却所形成的热应力及金属相变产生 的组织应力以及结构自身约束条件所造成的应力等因素。 一 预热可以降低加热和冷却的不均匀性。延长了8 0 0 一3 0 0 ( 钢的组织转变区间) 冷却时间，因此大大降低了由于不均匀加热和冷却产生的内应力，同时也使母材热影响区 与熔化区组织差别减小，从而减小焊接过程中各种应力，降低了冷裂纹倾向。 由上述分析得知预热是降低冷裂纹的最有利的工艺措施。 c 焊接冷裂纹与预热实验 为了研究预热对冷裂纹的影响，笔者进行了以下实验。采用 3 4 5 材料，使用s o u d o k a u y 焊丝和焊剂。共进行2 层6 道焊接。工艺参数为：焊接电流4 5 0 a ，电压3 2 v ，焊接速度： 2 6m l r 。经过实验获得：预热温度与裂纹对应关系( 如表1 所示) 、裂纹形状( 如图2 - i 所示) 等实验结果。 8 2 堆焊材料抗裂性能研究 表2 - 1 预热温度与裂纹对应关系 t a b l e 2 1p r e h e a t i n gt e m p o r a t u r ei n r e l a t i o nt oc r a c k 层数道数预热温度裂纹 第一道1 5 0 第一层第二道 1 6 0 第三道1 7 0有 第一道1 8 0 第二层 第二道 1 9 0 第三道 2 0 0 无 由实验结果可以看出：第一，裂纹有金属 光泽，形状垂直于焊道，裂纹间角度很小，接 近平行且开口于焊缝表面。这是因为在这种焊 接条件下，沿着焊缝长度方向上的正应力最大， 根据这些形貌特征，可以判定其为冷裂纹。第 二，堆焊层的第一层三道均有垂直于焊缝的裂 纹，且裂纹较稠密；第二层前2 道有垂直于焊 缝的裂纹，但裂纹较稀疏；第二层第三道无裂 纹。由此实验结果表明：随预热温度提高，冷 裂纹呈下降趋势，且在本实验条件下2 0 0 ， 冷裂纹基本消除。 2 2 堆焊层中热裂纹的理论分析与研究 蟹2 - 1 堋f t z m , g - f i l 蕾 - i - t 矸，d r ，i o t m - e 热裂纹是夹送辊堆焊中最严重的问题，其直接影响产品质量和使用寿命。 2 2 1 结晶裂纹的特征与形成条件 焊接热裂纹分为结晶裂纹、高温液化裂纹和失 塑裂纹等。其中结晶裂纹是最常见的一种热裂纹， 夹送辊中出现的主要是结晶裂纹。 a 结晶裂纹的特征， 结晶裂纹又叫凝固裂纹，最常见的是在焊缝中 心柱状晶相遇处沿焊缝纵向扩展的纵向裂纹，有时 分布在两个树枝晶粒之间。结晶裂纹表面无金属光 泽，带有氧化的颜色，焊缝表面的宏观裂纹中往往 填满熔渣1 。结晶裂纹的上述特征说明，其形成温 e z - - z 耵田 豫2 - 2 孓t 击 9 西安理工大学工程硕士学位论文 度是在焊缝金属结晶后期的高温阶段；裂纹沿晶界扩展，表明在此温度区间，晶界是整个 金属中的薄弱环节。 b 结晶裂纹产生的原因 焊缝金属在结晶后期发生开裂现象，主要原因来自于：焊缝金属在结晶后期塑性降低 和拉伸变形两方面。前者取决于金属变形能力的大小，与冶金因素有关；后者表明焊缝金 属在结晶后期实际拉伸变形的大小，与工艺、结构条件有关，一般称为力的因素。焊缝金 属在结晶过程中塑性的变化，可以用延伸率6 表示，其与温度的关系如图2 2 所示。该曲 线表明，在结晶后期，固相温度t 。附近，存在了一个塑性很低的温度范围t 。，叫做脆性温 度区间。固液阶段，当温度下降到略高于固相温度t ，此时固相随晶粒的增加与长大而相 互接触并连为整体，液体金属流动困难，少量剩余的液体( 主要是低熔点组分) 形成所谓 “液态薄膜“”此时即使有较小的拉应力作用，也会因变形全部集中在“液态薄膜”上而 容易形成裂纹，因此，这个阶段金属的塑性最低。 综上所述，脆性温度区间是由于金属结晶过程中出现了“液态薄膜”而形成的。此时， 金属的塑性( 6 即变形能力) 降到最低值，温度略高于固相温度t s ，结晶裂纹就产生于此 温度范围。结晶裂纹的产生“液态薄膜”是内部原因，外力因素是必要条件。而焊接局部 加热和不均匀冷却是形成焊接应力的根本原因。 焊件加热时横截面上温度分布如图2 - 3 所示：金属加热时线膨胀量与温度增量t 成正 比。即，= d f r 式中a 金属的线膨胀系数，【1 卜一被加热件的原始长度 锄】 卜加热后温度升高值【】 如果被焊金属各个部分可以自由膨胀，则由于伸长量与t 成正比，板件端面应形成 一个与温度分布曲线相似的曲面。但焊件系一个整 体，焊缝的膨胀受到两侧冷金属的限制，达不到相应 温度下应有的长度，相当于受到压缩，因而产生塑性 变形与压应力，压塑变形不会导致金属开裂，而且随 温度升高，焊缝金属最终熔化，应力随之消失。焊缝 金属冷却时，其收缩量亦应与温度下降值成正比，如 果能自由收缩，焊缝将比原长短许多。同样由于受周 围冷金属的限制而有所伸长，产生了拉伸变形与拉应 力。拉伸变形l 大小等于焊缝冷却后的实际长图2 - 3 焊件加热时横截面上温度分布图 度与自由收缩时应有的长度之差，这个变形就是i 9 2 3 、t y l e n h e a l e d , w e l d m e n t c r o s s s e c t i o n 产生结晶裂纹的力的因素。l e m p e r a t u r e d i s t r i b u l n gd i a g r a m 对任何焊缝来说，脆性温度区和焊接应力都 是无法完全避免的，但这并不意味着结晶裂纹也不可避免。结晶裂纹是否产生，取决于焊 1 0 2 堆焊材料抗裂性能研究 缝金属在脆性温度区的应变e ( c = al 1 ) 与金属塑性6m i n 的相对关系。结晶裂纹形 成条件是：焊缝金属在脆性温度的应变区间实际拉伸应变超过它本身的变形能力，用数学 式表达可写作：c 6m i n 只有以上式成立，才会形成结晶裂纹。 式中：r 焊缝金属在脆性温度区的实际应变 5 血一广- i 旱缝金属在脆性温度区的最低延伸率 c 影响结晶裂纹的综合因素 所谓综合因素，就是将实际生产中，有关 材料、工艺、结构等多方面因素，归纳为金属 在脆性温度区间的变形率( 以e 表示) 、变形 能力( 以6m i n 表示) 的大小与脆性温度区b 宽度三个因素的变化。 脆性温度区的变形率对结晶裂纹的影响： 图2 4 为三种不同变形率的情况，当1 6m i n 就要产生裂纹， 的变化率越大，裂纹的倾向就越大。 、 气7 f jw ， 飘烈一豳 ，i 拳qr 哩越t i 芦一 由此得出结论：在材料一定时，变形随温度 圈2 - 6 弧飘 p i 9 2 - 6 1 l 卜喵d ja g r j _ j 脆性温度区金属塑性的影响：图2 5 表示变形率不变，脆性温度区上下限不变，但金 属的塑性不同时，结晶裂纹( c r a c k ) 出现的不同倾向。塑性按曲线1 变化时要开裂，按曲线 3 变化，不开裂，曲线2 为临界状态。说明其它条件不变时，金属在脆性温度区内的塑性越 低，对结晶裂纹就越敏感。金属在脆性温度区的塑性，不仅决定于其成分，而且与受力状 态有关。一般来说，变形速度增加，会使金属的塑性降低。 脆性温度区宽度的影响：图2 6 为脆性温度区t e 宽度不同时的情况。显然t 。越宽，特别 是下限越低时，产生结晶裂纹的倾向就越大。因此，焊缝中低熔点物质增加时，脆性温度 西安理工大学工程硕士擘住论文 区t 。宽度增加，裂纹倾向将明显增大。 2 2 2 合金元素对产生结晶裂纹的影响 硫、磷元素的影响：硫与磷都是提高钢的结晶裂纹敏感性的元素。它们的有害作用来 自以下几个方面：首先，钢中含有微量的硫或磷，结晶温度区间即大大加宽。有资料表明： m l w s 增n o ，2 ，结晶温度区间增加1 0 0 ：w p 增加o ，1 ，结晶温度区间增加1 0 0 。结晶温 度区间增加必然伴随脆性温度区间的增加。其次，硫和磷能在钢中形成多种低熔点共晶体， 这些共晶体在焊缝金属结晶后期会形成“液态薄膜”。第三，硫和磷都是容易形成偏析的 元素，使元素局部富集，更有利于形成低熔点的共晶体或化合物。 偏析程度有人用公式2 1 描述 k ：区始。1 0 0 ( 2 1 ) 降j c k 元素的偏析系数 x 厂一开始结晶晶轴上某元素的浓度( n ) x 厂最后结晶晶界处某元素的浓度( ) x 广某元素在液相时的原始平均浓度( ) 偏析系数k 值越大时，偏析的程度越严重，各种元素的偏析系数如表2 2 。 表2 - 2 各种元素的偏析系数 元素 sp 葛v s i 鸶o c r 鼢n i k 2 0 01 5 06 05 54 04 02 01 5 5 由于上述原因，硫和磷是对焊接质量危害比较大的元素，必须加以严格的控制。 碳元素的影响： 碳在钢中是引起结晶裂纹的主要元素，并能加剧其它元素的有害作用“9 。因此国际上 采用碳当量作为评价钢焊接性的尺度。 锰元素的影响： 具有脱硫作用，能置换f e s 为m n s ，同时也能改善硫化物的分布形态，使得薄膜状f e s 改变为球状分布，从而提高了焊缝的抗裂性。为了防止硫引起的结晶裂纹，并随含碳量的 增加，m n s 的比值也应随之增加。但当碳含量超过包晶点时( o 1 6 ) 磷对产生结晶裂纹 韵作用就超过了硫，这时再增加湘s 的比值就没有意义了，所a m n s i 5 9 以上即可。由于 堆焊材料的碳含量均远大于包晶点的含量，所以必须严格控制焊缝中磷的含量，资料“” 说明对于碳含量大于0 4 的中碳钢，硫、磷都应小于0 0 1 7 ，而硫、磷的总和要小于0 0 2 5 。因此s 、p 是加大热裂倾向的元素，而u n f l 消除硫的负作用，但m n 含量不能过高，特别 是高硬度材料。 2 堆焊材料抗裂性能研究 硅元素的影响i 硅对结晶裂纹的影响依含量不同而异：当硅的含量在o 1 7 一0 3 时对抗热裂有积极 作用“”。硅是6 相形成元素，有利于消除结晶裂纹；但硅含量超过0 4 时，容易形成硅酸 盐夹杂，从而增加了裂纹倾向。 镍元素的影响： 镍在焊缝中易与硫、磷形成低熔点共晶体如n i 与n i | s ：熔点仅为6 4 5 ( 2 ，磷能够与铁和 镍形成低熔点共晶体如f e ，p + f e ( 熔点1 0 5 0 c ) n i 。p + n i ( 熔点8 8 0 ( 3 ) ，所以也要加以控制。 为了能根据合金成分判断结晶裂纹的敏感性，在实验的基础上建立了下述条件下的结 晶裂纹碳当量公式( 2 2 ) 【1 1 l 。 a m c = o 0 9 - 0 。1 4 时 一c e q = c + 2 s + 坠坐+ 些二! ：! + 里+ 丝+ 坐- t c r - 0 8 、 b t o c = o 1 5 - 0 2 5 1 o 时 1 2 3 1 2 1 5 ”i 时i c e q = c + 2 8 + 昙 s i - - 0 _ 一_ _ 4 4 + 些+ 丝+ 鱼- t c r - 0 8 i ( 2 2 ) 37881 01 0f c e o c = 0 2 5 - 0 3 5 时l c e q = c + 2 s + 卫+ s i - 0 4 + m n - 0 _ _ 一8 8 + 丝+ 鱼+ c r - 0 _ 一8 8 i 2 55668 8 上式中各元素含量均按质量分数计算，碳当量越高，结晶裂纹倾向越大。 由于使用要求的限制，尽管焊接材料中的化学成分我们不能调整，而且在焊接材料的 研制过程中，制造商也对焊接性进行了相应的研究，但我们可以通过焊接工艺的调整，对 焊接材料熔敷金属有所控制，使之向着有利于防止热裂纹的条件进行。 2 2 3 应力因素对结晶裂纹的影响 。 焊缝金属在脆性温度区内塑性低和脆性温度区的范 围宽是产生结晶裂纹的主要原因，这种条件虽然很必要， 但不充分。其产生结晶裂纹的充分条件是“焊接时脆性温 度区内金属的强度0 。要小于脆性温度区内金属所承受的 拉伸应力o ，即0 0 。， 此时如果发生断裂必然是晶间断裂。如果此时焊缝所承受的拉伸应力0 ：随着温度变化始 终低于0o 则不会产生晶间裂纹，者焊缝承受的拉伸应力为0 。在某一温度超过金属的晶 间强度即就会产生结晶裂纹。这就是产生结晶裂纹的充分条件。那么如何才能使得焊缝承 受的拉伸应力尽可能低呢? 比较好的办法就是使金属在塑性状态下保持较长的时间，尽可 能使冷却速度降低，从而使焊缝的应力得以松弛。而在焊接工艺上采取的方法之一就是提 高工件的预热温度“”。 西安理工大学工程硕士学位论文 2 2 4 预热对消除结晶裂纹的影响 a 较高温度下预热，裂纹性质判断 经过实验发现，随预热温度提高冷裂 纹减少，热裂纹逐渐增加。在实验条件下 1 5 0 以上预热时，可以观察到：裂纹主要 出现在焊缝中心，有细小的人字形分叉， 从裂纹断口处的扫描电镜观察，其裂纹处 有明显的沿晶断裂特征，因此判定为热裂 纹。以下是q 3 4 5 材料，在2 3 0 预热时， 使用s o u d o k a y 2 5 8 - - s a 焊丝，试板尺寸4 0 0 3 0 0 4 01 6 m n 电流4 5 0 a 、电压3 2 v 、焊图2 - 8s o u d o k a y 2 5 8 - - s a 焊丝i r e c o p j ) s h 焊 速2 6 m h r ，单道焊出现的裂纹外观试样f i 9 2 8 ；：篙爨尝碧謦簇器震专i r e ，n u x ( 图2 - 8 ) 及裂纹处断口的电镜扫描照片t o m 。o u t o f o r a c k s e x t e r i o r p i c t u r e ( 图片2 - 9 ) 。 沿晶裂纹( i n t e r c r y s t a l l i n ec r a c k ) 圈2 _ 9 壤爆属裂纹处断口的电镟扫描照片 f i 9 2 - 98 t e r e o 霉c ；日np h o t o g r a p ho f s ； s 荛a f z e r f i f 蓐w e l d l n e b 硫、磷含量不同时的热裂纹对照实验 2 - 1 08 m d 出a y 2 5 8 _ _ s 牌丝及4 籽孙 雄目晕后绿酆t 处断日的胄精髂描照片 f i g - 1 0t ou 掌es o u d o k a l 塌8f i l l 埘o t a 】 s t e r c o b c e i np h o t 耀r a p ho fc r a c k , 实验一：采用超低硫、磷含量的焊丝及焊剂作过渡层，然后预热4 0 0 ，堆焊 s o u d o k a y 2 5 8 - - s a 焊丝及焊剂，其实验结果是：未出现裂纹。 实验二：将q 3 4 5 材料预热到4 0 0 ，然后堆焊s o u d o k a y 2 5 8 - - s h 焊丝及焊剂，其实 验结果是：出现裂纹，并且裂纹呈氧化色，无金属光泽。其堆焊后裂纹处断口的电镜扫描 照片，如图片2 - 1 0 ，明显可见其有沿晶断裂特征，是热裂纹。 由以上对照实验可以看出：在材料的硫、磷含量较低时，预热可以有效地消除热裂纹； 但当硫、磷含量较高时，对于热裂纹的消除，预热不是根本有效的方法。因此在焊接热裂 纹的预防上，预热虽然是一种常用的办法，但是理论分析和实践证明：预热温度并不是越 高越好，而应该有一个最佳值。 1 4 2 堆焊材料抗裂性能研究 其原因是由于：预热对热裂纹产生的两个主要因素：材料本身的脆性和外部应力的影 响具有二重性。预热可以降低焊接应力，这有利于消除焊接裂纹( 冷、热裂纹) ：但同时 焊缝熔池存在的时间也越长，导致焊缝的偏析严重，使得热裂纹产生的倾向增加。另外熔 池运动速率降低也使焊缝偏析严重。同时对一定的合金材料随着预