（材料加工工程专业论文）16mn钢双丝埋弧焊接头性能研究.pdf

o ，? ：! | | i l ll lii l lli i l li ii ii i i ， y 17 5 0 3 3 0 西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 菩莓劣舻良誓翥要缀罗 西华大学学位论文版权使用授权书 学竺论文作者签名，：日灾指导l 教师 日期：沙厂5 日期 西华大学硕士学位论文 摘要 双丝埋弧焊技术具有生产效率高、机械化程度高，焊接质量优良等特点。因此该技 术已经在生产中得到了应用，然而关于其理论研究还比较少。所以，本文就焊接工艺参 数对双丝埋弧焊接头性能的影响进行了研究，为实际生产应用提供试验依据，为进一步 研究双丝埋弧焊接头性能提供参考。 本文采用双丝埋弧焊焊接工艺分别在不同的焊接电流、焊接速度和焊丝间距条件 下，以2 0 m m 厚的1 6 m n 钢为母材，进行了焊接实验。之后又分别对不同参数下焊接接 头进行了拉伸试验，并对接头截面形状和金属组织进行分析及硬度测试。利用a n s y s 软件对1 6 m n 钢双丝埋弧焊进行三维瞬态温度场有限元分析。通过模拟并对焊接热循环 曲线的分析，可以减少实验数量，优化焊接工艺参数，提高焊接质量，为焊接试验提供 理论指导。 研究结果表明： ( 1 ) 在其它焊接条件一定的情况下，随着焊接电流和焊丝间距的增大，焊缝成形 系数逐渐增大；但随焊接速度的增加，焊缝成形系数减小。 ( 2 ) 焊接接头金属的显微组织晶粒随着焊接电流的增大越来越粗大且不均匀性增 强，接头的硬度值曲线变化越来越明显，且焊接接头的延伸率和屈服强度相应增加，但， 电流过大或过小都会使接头抗拉强度降低，经比较，前丝焊接电流为7 0 0 a 后丝电流为 6 0 0 a 时，接头的力学性能较好。 、 ( 3 ) 焊接速度过大，接头金属显微组织较为复杂；接头金属的硬度峰值出现在热 影响区，且接头显微硬度随焊接速度的提高而增大；焊接速度为0 0 0 5 0 m s 时，断裂位 置在母材上，接头的力学性能较好。 ( 4 ) 随着焊丝间距的增大，接头金属的显微组织晶粒尺寸稍有减小；接头的显微 硬度峰值均出现在焊接热影响区；三组试样抗拉强度均高于母材，所以断裂都发生在母 材上。 关键词：双丝埋弧焊；温度场；有限元；显微硬度；力学性能 a bs t r a c t t w o w i r es u b m e r g e df l i cw e l d i n gh a sm a n yc h a r a c t e r i s t i c sl i k eh i 曲e f f i c i e n c y , h i 曲 m e c h a n i z a t i o n ，h i g hq u a l i t yw e l d i n ga n ds oo n s oi th a sb e e nu s e di np r o d u c t i o n ，b u tt h e r e s e a r c hi ss t i l lr e l a t i v e l yf e wo ni t st h e o r y t h ei n v e s t i g a t i o ni sf o c u s e do nw e l d i n gp r o c e s s p a r a m e t e r sh o wt oi m p a c t i n go nt h em e t a lp r o p e r t yo f t w o w i r es u b m e r g e da r cw e l d e dj o i n t si n p r e s e n tp a p e r t h ee x p e r i m e n t a lb a s i sf o rt h ep r a c t i c a lp r o d u c t i o na n dt h er e f e r e n c ef o r s t u d y i n gf u r t h e rt h ej o i n tp r o p e r t i e so ft w o w i r es u b m e r g e da r cw e l d i n gi sp r o v i d e db yp r e s e n t i n v e s t i g a t i o n t h ea n a l y s i so ft h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft r a n s i e n tt e m p e r a t u r ef i e l di s c a r r i e do nt h e16 m ns t e e ld o u b l e - w i r es u b m e r g e d a r cw e l d i n gb ya n s y ss o f t w a r ei np r e s e n t p a p e r t h es i m u l a t i o na n da n a l y s i so fw e l dt h e r m a lc y c l ec u r v ea r es i m u l a t e da n da n a l y s i z e d ， t h ee x p e r i m e n tq u a n t i t yi sr e d u c e da n dt h ew e l d i n gp r o c e d u r ep a r a m e t e r si s o p t i m i z e d ， m o r e o v e r ，t h ew e l d i n gq u a l i t yi si m p r o v e dt op r o v i d et h et h e o r yi n s t r u c t i o nf o rt h ew e l d i n g t e s t s r e s p e c t i v e l yw e l d i n ge x p e r i m e n t si sc o n d u c t e da td i f f e r e n tw e l d i n gc u r r e n t ，w e l d i n g s p e e da n dw i r es p a c i n gc o n d i t i o n s6 yd o u b l ew i r es u b m e r g e da r cw e l d i n gp r o c e s so nt h e2 0 m m t h i c k16 m ns t e e l 1 1 1 et e n s i l et e s t so ft h e s ew e l d e dj o i n t sa r ep e r f o r m e d ，a n dc r o s s s e c t i o n s h a p ea n dm e t a lm i c r o s t r u c t u r eo ft h e s ew e l d e dj o i n t sa r ea n a l y s e da n dh a r d n e s so ft h e s e w e l d e dj o i n t si sd e t e r m i n e d t h er e s u l t so b t a i n e da r ea sf o l l o w i n g ( 1 ) k e e p i n go t h e rw e l d i n gp a r a m e t e r sc o n s t a n t ，w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ew e l d i n gc u r r e n t a n dt h ew i r es p a c i n g ，t h ea s p e c tr a t i oo fw e t di si n c r e a s e d ，b u tw i t ht h ei n c r e a s eo fw e l d i n g s p e e d ，t h ea s p e c tr a t i oo fw e l di sr e d u c e dg r a d u a l l y ( 2 ) w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ew e l d i n gc u r r e n t ，t h em e t a lm i c r o s t r u c t u r eo fw e l d e dj o i n t si s m o r ea n dm o r ec o a r s e ，h o t e r o g e n e i t yo fm i c r o s t r u c t u r ei si n e r e a e d ，a n dh a r d n e s sc u r v e so f j o i n t sc h a n g em o r ea n dm o r eo b v i o u s l y ，a n dt h ee l o n g a t i o na n dy i e l ds t r e n g t ho fw e l d e dj o i n t s a r ei n c r e a s e dc o r r e s p o n d i n g l y , b u tt h ec u r r e n ti so v e rl a r g eo rs m a l lw i l lc a u s et h et e n s i l e s t r e n g t ho f j o i n t st or e d u c e b yc o m p a r i s o n ，w h e nw e l d i n gc u r r e n to f t h ef r o n tw i r ei s7 0 0 aa n d w e l d i n gc u r r e n to f t h er e a l w i r ei s6 0 0 a ，m e c h a n i c a lp r o p e r t yo ft h ew e l d e dj o i n ti sb e t t e r ( 3 ) i fw e l d i n gs p e e di so v e rb i g ，t h em e t a lm i c r o s t r u c t u r eo ft h ew e l d e dj o i n t si sm o r e c o m p l e x ；h a r d n e s sp e a ko f t h ew e l d e dj o i n t sa p p e a r si nt h eh e a ta f f e c t e dz o n e ，a n dh a r d n e s so f t h ew e l d e dj o i n t si si n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go fw e l d i n gs p e e d ；w h e nw e l d i n gs p e e do f 0 0 0 5 0 m s ，f r a c t u r el o c a t i o ni si nt h eb a s em e t a l ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo f t h ei o i n ti sb e t t e r ( 4 ) w i m t h ei n c r e a s eo f w i r es p a c i n g ，t h em e t a lm i c r o s t r u c t u r eg r a i l ls i z eo f w e l d e d j o i n t s i ss l i g h t l yd e c r e a s e d ；t h ed i f f e r e n tw i r es p a c i n gm i c r o h a r d n e s sp e a ko f w e l d e d j o i n t sa l la p p e a r s i i i nh e a ta f j e e c t e dz o n e ；t l l et e n s i l e s 仃e 1 1 9 t ho f t h r e eg r o u pw e l d e dj o i n t s b a s em e t a l ，s ot h ef r a c t u r eo c c u r si nt h eb a s em e t a l z o n e a r eh i g h e rt h a nt h a to f t h e k e yw o r d s ：t w i n 。w i r es u b m e r g e da r c w e l d i n g ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；f i n i t ee l e m e n t ； ， m i c r o h a r d n e s s ；m e c h a n i c a l , p r o p e r t y 16 m n 钢双丝埋弧焊接头性能研究 、 目录 摘 要：i a b s t r a c t i i 1 绪论_ l 1 1 本课题研究的内容和意义：1 1 1 1 本课题研究的现状。1 1 1 2 本课题研究的内容和意义2 1 2 双丝埋弧焊焊接技术- 3 1 2 1 双丝埋弧焊的原理j 3 1 2 2 双丝埋弧焊的特点。4 1 2 3 双丝埋弧焊的分类及应用。：i 4 1 2 4 双丝埋弧焊常见的缺陷及防止措施_ ：6 1 3 1 6 m n 钢的性能及应用7 1 3 1 1 6 m n 钢的成分及性能7 1 3 2 1 6 m n 钢的焊接性分析：8 2 实验材料、试验方法及设备1 2 2 1 焊接材料的特性1 2 2 2 焊接工艺及实验方法。一1 3 2 2 1 焊接材料13 2 2 2 焊前准备：13 2 2 3 焊接方法。：j ：1 ：4 2 3 实验方法j ：1 4 2 3 1 金相实验：。1 4 2 3 2 硬度测试1 4 2 3 3拉伸实验15 2 4 实验设备“- j - ：16 3 1 6 m n 钢双丝埋弧焊焊接接头的温度场有限元分析：1 8 3 1 双丝埋弧焊焊接温度场数值模拟及发展现状。k “1 8 3 1 1 双丝埋弧焊焊接温度场数值模拟的意义。j 1 8 3 1 2 焊接温度场数值模拟的发展现状_ 1 8 3 2 有限元分析方法概述：2 0 i v 西华大学硕士学位论文 3 3 有限元法分析过程：2 1 3 4 焊接过程温度场有限元理论基础2 2 3 4 1 焊接温度场控制方程一2 2 3 4 2 初始条件和边界条件2 3 3 4 3 温度场有限元求解：2 3 3 5 双丝埋弧焊焊接过程温度场有限元分析过程2 4 3 5 1a n s y sa p d l 语言的二次开发与研究2 4 3 5 ，2 材料特性参数：2 4 3 5 3 确定单元类型2 5 3 5 4 几何模型的建立及网格的划分2 6 3 5 5 热源模型的选取2 9 3 5 6 热源的加载与求解- 3 1 3 6 模拟结果分析3l 3 6 1 焊接电流对热循环曲线的影响3 1 3 6 2 焊接速度对热循环曲线的影响3 2 3 7 本章小结3 3 3 8 误差分析3 4 4 焊接工艺参数对焊缝成形的影响3 5 4 1 1 6 m n 钢焊缝成形的影响因素3 5 4 2 焊接电流对焊缝成形的影响_ 3 5 4 3 焊接速度对焊缝成形的影响3 6 4 4 焊丝间距对焊缝成形的影响。3 7 4 5 本章小结3 8 5焊接工艺参数对焊接接头组织及力学性能的影响3 9 5 1焊接工艺参数对焊接接头组织的影响3 9 5 1 1 焊接电流对焊接接头组织的影响4 0 5 1 2 焊接速度对焊接接头组织的影响。4 3 5 1 3 焊丝间距对焊接接头组织的影响：4 7 5 2 焊接工艺参数对焊接接头力学性能的影响5 1 5 2 1 焊接工艺参数对焊接接头显微硬度的影响：。5 l 5 2 2 焊接工艺参数对焊接接头拉伸性能的影响5 5 5 3 本章小结5 8 v 16 m n 钢双丝埋弧焊接头性能研究 _ = = 一_ 二- 二_ = 二= 二二= = = 二二二二- _ 一 结 论5 9 参考文献：j 一6 0 附录a 焊接工艺参数。6 3 攻读硕士学位期间学术论文及科研情况6 5 致 谢j 6 6 v i 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 本课题研究的内容和意义 1 1 1 本课题研究的现状 近年来，航空航天、交通运输、海洋工程等工业的发展，极大地推动了焊接技术的发 展。伴随着产品、结构、材料、使用条件的多种多样，对焊接质量的要求越来越高，焊接 工作量逐渐上升。据资料统计，我国焊接工作量已达到世界焊接强国的水平【l j 。因此， 发展能提高焊接生产效率和焊接质量，减少焊接缺陷存在的高效焊接方法成为实际生产 的迫切要求。目前，大量高效焊接方法和不同焊接工艺的组合都已应用于某些生产场合 t 2 , 3 1 。但其应用范围还有待于进一步扩展，这就需要对其焊接工艺进一步改进，以便于 使这些高效焊接方法早日得以推广。 埋弧焊已有7 0 多年历史，是现代焊接生产中生产效率高、应用广泛的熔焊方法之 一4 j 。随着现代工业的发展，埋弧焊方法也在不断地发展完善。为进一步提高埋弧焊方 法的生产效率，2 0 世纪5 0 年代提出了双( 多) 丝自动埋弧焊接工艺。双丝自动埋弧焊 是一种先进高效的焊接方法，双丝的引入减少了焊接道次，焊接生产效率得到大幅度提 高。双丝埋弧焊包括单电源双丝和串列双弧两种。所以8 0 年代中期，在国际上已成为 主要焊接方法。而且在先进工业国家的应用比例越来越大，如日本已达8 0 ，欧美已达 5 0 , - - 6 0 的比例，然而在我国因双丝焊工艺较为复杂，所以国内许多厂家都从国外购 买了设备，并用于生产。但是关于其理论研究尚处于空白。对于双弧焊的研究，国内外 都是从双丝埋弧焊开始的，该技术已经在生产中得到了应用，后来又在窄间隙焊上得到 了应用，近几年来对双丝熔化极焊研究的相对比较多。现在双丝埋弧焊已经在实际生产 中得到了广泛的应用，特别是采用单电源的双丝窄间隙埋弧焊在压力容器及核动力装置 得到了应用，解决了两侧未熔合问题，并且提高了生产效率。但是由于埋弧焊熔池不可 见，加之只适于平焊位置，因此这种方法有较多限制。 世界各工业发达国家都非常重视焊接技术的发展与创新，美国和德国专家在讨论2 l 世纪焊接的作用和发展方向，一致认为：焊接( 到2 0 2 0 年) 仍将是制造业的重要加工技术， 它是一种精确、可靠、低成本，并且是采用高科技连接材料的方法。目前还没有其它方 法能够比焊接更为广泛地应用于金属的连接，并对所焊产品增加更大的附加值。我国改 革开放政策的实践表明：随着机械、电子、冶金等工业部门的科学技术进步，焊接新工 艺、新技术、新材料也不断出现。国家的相关政策以及科技发展形势对于制造业的发展 是巨大的支持。“发展高效焊接”、“提高焊接机械化、自动化水平 、“发展绿色的 16 m n 钢双丝埋弧焊接头性能研究 制造业 等明确的目标已经为传统的焊接技术指明了发展方向。例如，造船行业的焊接 效率要求达到9 0 ，焊接机械化、自动化程度要求达到7 0 【5 j 。因此，对于船舶、军工、 冶金、石油、起重机械、压力容器等各工业部门的“十五”期间的发展规划，埋弧焊工 艺设备、材料的科研与开发面临着更大的机遇与挑战。全力追求焊接自动化和高效焊接 的气候将在目前传统焊接技术框架内形成。这就减少了对埋弧焊这类高电流密度、大热 输入焊接方法的使用制约，为埋弧焊的应用范围得以拓宽提供了机会。双( 多) 丝埋弧 焊以高速高效和质量可靠等优点越来越被焊接界人士认同。特别是资阳钢管厂双丝螺旋 管生产线改造、华北油田钢管厂的双丝大螺旋焊管生产线的改造、四丝焊大直缝焊管生 产线的新建、宝鸡钢管厂双丝螺旋管生产线改造以及其他非石油行业制管厂家的螺旋焊 管、直缝焊管生产线的新建，为双丝埋弧焊发展提供了绝好的发展机遇。相信随着双丝 埋弧焊技术的逐渐成熟，其应用范围扩大到其他领域也只是时间问题。 1 1 2 本课题研究的内容和意义 本课题研究的目的：探索1 6 m n 钢双丝埋弧焊工艺参数对焊缝成形及焊接接头组织 和力学性能的影响，为工程应用提供一定的理论依据。 本课题研究的内容： 1 ) 以1 6 m n 钢为母材，用自动双丝埋弧焊接+ ，研究在不同焊接工艺参数( 不同焊 接电流，不同焊接速度，不同焊丝间距) 下焊缝截面形状的变化规律： 2 ) 相应焊接工艺参数条件下焊接接头的组织和力学性能； 3 ) 用a n s y s 软件分析不同焊接电流和不同焊接速度下焊接过程中温度场分布，并 比较得出变化规律。 本课题研究的意义：实验用双丝埋弧焊机焊丝排列采用纵向排列的方式、纵列式双 丝埋弧焊的焊缝熔深大，且熔宽较窄。各丝分别使用独立电源，前丝直流、后丝交流， 焊接时两个电弧可以独立的调节功率，前导电弧保证熔深，后续电弧调节熔宽，使焊缝 具有适当的熔池形状及焊缝形状系数，焊缝成形决定于各电弧的相对位置以及焊丝的倾 斜角，还决定于各电弧的电流和电压等。由此可见双丝埋弧焊工艺参数对焊接接头温度 场、焊缝尺寸及接头组织和力学性能的影响很大，因此研究在不同工艺参数条件下获得 合理的焊缝截面形状和温度场分布以及良好的焊接接头组织和力学性能，以保证焊接接 头可靠性的工作势在必行。 随着现代工业的发展，需要普及生产效率高：机械化程度高，焊接质量优良的焊接 方法，双丝自动埋弧焊是理想的选择。双丝自动埋弧焊焊接熔深大、生产效率高、机械 化程度高且焊接质量好，若能在造船、锅炉、压力容器、原子能设备、桥梁、管道、冶 金机械及海洋结构等制造中得以广泛的应用，不但能在很大程度上提高生产效率，还能 西华大学硕士学位论文 节约人力资源，降低生产成本【6 1 。所以，为加快在生产实践中推广采用双丝自动埋弧焊 工艺，开展对双丝自动埋弧焊工艺方法及其焊接接头性能的研究具有重要的现实意义。 1 2 。双丝埋弧焊焊接技术 1 2 1 双丝埋弧焊的原理 埋弧焊的工作原理如图1 1 - 所示，焊接电源的两极分别接导电嘴和焊件。焊接时， 颗粒状焊剂由焊剂斗经软管均匀地堆敷到焊件的待焊处，焊丝由焊丝盘经送丝机构和导 电嘴送入焊接区，电弧在焊剂下面的焊丝与母材之间燃烧。双丝埋弧焊接有两根独立的 焊丝，焊接电流分别通过两根焊丝，焊丝间距小于5 0 r a m 时形成一个共熔池，焊丝间距 大于5 0 m m 时形成两个独立的熔池，较长的熔池长度，使冶金反应更为充分。前丝采用 大电流、低电压；后丝采用小电流、高电压，以期达到提高焊接速度和改善焊缝成形的 目的。 图1 1 双丝埋弧焊示意图【6 】 f i 9 1 1s k e t c hm a po ft w i n - w i r es u b m e r g e da r cw e l d i n g l 6 i 电弧热使焊丝、焊剂及母材局部熔化和部分蒸发。金属蒸汽和冶金过程中析出的气 体在电弧周围形成一个空腔熔化的焊剂在空腔上部形成一层熔渣膜。这成熔渣膜如同一 个屏障，使电弧、液体金属与空气隔离，而且能将弧光遮蔽在空腔中。在空腔的下部， 局部熔化的母材金属形成熔池；空腔的上部，焊丝熔化形成熔滴，并以渣壁过渡的形式 向熔池中过渡，只有少数熔滴是自由过渡。随着电弧的向前移动，电弧力将液态金属推 向后方并逐渐冷却凝固成焊缝，熔渣则凝固成渣壳覆盖在焊缝表面。 16 m n 钢双丝埋弧焊接头性能研究 在焊接的过程中，焊剂不仅起着保护焊接金属的作用，而且起着冶金处理的作用， 即通过冶金反应清除有害的杂质和过渡有益的合金元素。 1 2 2 双丝埋弧焊的特点 双丝埋弧焊的优点：1 ) 焊缝质量好。因为保护好，熔化的焊剂形成气泡，气泡隔 绝了熔池与外界空气，焊缝中氮氢含量减少；再者焊接参数可以通过电弧自动调节系统 的调节能够保持稳定，对焊工操作技术要求不高，以上表明双丝埋弧焊焊缝成形好、成 分稳定。2 ) 生产效率高。双电弧在焊接时形成的熔池较长，金属在其固熔态时时间较 长，相对于单电弧时的冷却速度和热循环过程较慢，焊缝中的微量元素有较长时间进行 扩散，低熔点的共熔物因过冷度的降低而减少了成分偏析。这些特点反映到焊接上，表 现为焊接速度得以很大提高，尤其在厚度较小的材料焊接实践中已得到证实。双丝埋弧 焊的焊接速度与单丝相比提高3 0 - - - - - 4 0 ，可达到6 0m l l - 1 0 0 n d h 【，j 。3 ) 劳动条件好。 埋弧焊焊接过程中焊接熔池有焊剂的保护，所以没有刺眼的弧光，也不像手工电弧焊那 样需要焊工手工操作，这既能改善作业环境，也能减少劳动强度。4 ) 节约金属及电能。 对于2 0 m m 2 5 m m 厚以下的焊件可以不开坡口焊接，这样既可以节省由于加工坡口而损 失的金属，也可使焊缝中焊丝的填充量大大减少。同时，由于焊剂的保护，金属的烧损 和飞溅也大大减少。由于埋弧焊的电弧热量能得到充分的利用，单位长度焊缝上所消耗 的电能也大大降低。5 ) 可适应较大壁厚的钢管焊接。双丝埋弧焊焊接2 2 m m 厚板可单 面焊双面成型，甚至可以焊接3 0 0 m m 厚的对接焊件。 双丝埋弧焊的缺点：1 ) 焊接厚度受到限制。不适合焊接厚度小于l m m 的薄板。2 ) 焊接使用的位置受到限制。由于采用颗粒状的焊剂进行焊接，所以一般只适应用于平焊 位置的焊接。3 ) 对焊件坡口加工与装配要求较严。因为埋弧焊焊接过程是在焊剂下进 行的，我们不能观察到电弧与坡口的相对位置，故为保证焊接质量，必须严格要求加工 和装配精度。 1 2 3 双丝埋弧焊的分类及应用 按电源分双丝埋弧焊可分为单电源和双电源两种。单电源是两个电弧共用一个电 源，这种双丝埋弧焊设备简单，但两个电弧不能单独调节，单电源双丝埋弧焊的焊接电 流和两焊丝与工件之间的距离是控制焊缝成形和熔敷金属质量最重要的因素，焊接电流 越大，则熔深越大；增大两丝与工件之间的距离，可获得最小的熔深和热输入。而双电 源双丝埋弧焊可以克服两个电弧不能单独调节的难题，两个电弧不但可以独立地调节功 率，而且可以采用不同的电流种类和极性，例如前导焊丝采用大电流、低电压保证良好 的熔深，跟踪焊丝采用小电流、大电压以得到光洁的焊缝表面。这种工艺具有熔深最大， 4 西华大学硕士学位论文 熔敷速度较高，焊缝金属稀释率接近单丝埋弧焊的特点，因而提高了焊接速度与焊接质 量。在国外的造船厂、高压容器厂和制管厂得到了广泛的应用m 。 依据焊丝排列方式和电源接法，可以分为横列双丝并列埋弧焊、横列串联双丝埋弧 焊和纵列双丝埋弧焊，如图1 2 所示。 ( a ) c a c 或 c d c ( b ) ( c ) 图1 2 ( a ) 横列双丝并列埋弧焊( b ) 横列串联双丝埋弧焊( c ) 纵列双丝埋弧焊【8 】 f i 9 1 2 ( a ) r o wt w i n - w i r ec o m p o u n ds u b m e r g e da r cw e l d i n g ( b ) t h er o wc o n n e c t st w i n - - w i r e s u b m e r g e da r cw e l d i n g ( c ) t h et a n d e mt w i n - w i r es u b m e r g e da r cw e l d i n g 8 】 横列双丝并列埋弧焊是两根焊丝并联于同一个焊接电源，且横跨接缝两侧，焊接时 并列行进，所形成的焊缝浅而宽，稀释率低，多用于表面堆焊。而横列双丝串联埋弧焊 是两根焊丝分别接于同一个交流焊接电源的两极，且横跨接缝两侧利用焊丝间的间接电 弧进行焊接，也可获得浅的熔深和低的稀释率，也多用于表面堆焊。纵列双丝埋弧焊根 据焊丝间距的不同，又可分为双熔池式和单熔池式两种。双熔池式的两根焊丝间距大于 1 0 0 m m 。每个电弧都形成各自的熔池且不在一个高度上。焊接时，后续电弧首先冲开已 被前导电弧熔化而尚未凝固的熔渣层，然后作用在被前导电弧熔化并已凝固的焊道上， 使其重新熔化。这种方法在提高熔敷速度的同时，能使焊缝结晶条件及组织性得到一定 16 m n 钢双丝埋弧焊接头性能研究 控制，适合水平位置平板拼接单面焊双面成形工艺。单熔池式的两根焊丝间距为1 0m m - 3 0 m m 。两个电弧形成一个熔池和空腔。前导电弧通常垂直于焊件或稍稍后拖，并采用 较大的电流以保证熔深，后续电弧一般向前倾斜，并采用较小的电流和稍高的电压，以 调节熔宽，形成平整光滑的焊道外观。该方法不仅可以大大提高焊接速度，而且因熔池 体积大，存在时间长，冶金反应充分，大大减小了气孔产生的敏感性。 1 2 4 双丝埋弧焊常见的缺陷及防止措施 双丝埋弧焊常见的缺陷有裂纹、未焊透、未熔合、气孔、夹渣等。如图1 3 所示。 、 ，。、 黝 测 黝 测 ( a ) 裂纹( b ) 未焊透( c ) 未熔合 黝 。0 0 。 阏 戮 麟 ( d ) 气孔( e ) 夹渣 图1 3 双丝埋弧焊常见的缺科9 】 f i 9 1 3c o m m o nf l a wo ft w i n - w i r es u b m e r g e d a r cw e l d i n g 9 l ( 1 ) 裂纹。出现裂纹的原因：焊丝和焊剂匹配不当；熔池金属冷却速度快，从而 热影响区产生硬化：不正确焊接施工，接头拘束大；焊道形状不当，焊道高度比宽度大 等。防止措施：焊丝和焊剂要正确匹配，母材含碳量高时，要预热；焊接电流增加时， 要减少焊接速度，母材要预热；注意施工顺序和方法；当焊道宽度和深度几乎相当时， 要降低焊接电流，r 提高焊接电压；进行后热处理。 ( 2 ) 气孔。形成气孔的原因：焊件接头表面有污物；焊剂未烘干或焊剂中混有杂 物等。防止措施：接头要进行彻底的除油、除污、除水；一定要确保焊剂干燥无杂物等。 6 西华大学硕士学位论文 ( 3 ) 夹渣。产生夹渣的原因：在下坡焊时，焊剂流入；多层焊时，在靠近坡口侧 面添加焊丝；引弧时产生夹渣；电流过小，对于多层堆焊，渣没有完全除去；焊丝直 径和焊剂选择不当等。防止措施：在焊接方向，母材水平放置；坡口侧面和焊丝之间距 离，至少要保证大于焊丝直径；引弧板厚度及坡口形状，要与母材保持一样；提高电流， 保证焊渣充分熔化；提高焊接电流时，要提高焊接速度等。 ( 4 ) 未熔透。出现未熔透原因：电流过小或过大、电压过小或过大、焊接速度过 小或过大；坡口面高度不当；焊丝直径和焊剂选择不当等。防止措施：焊接条件( 如电 流、电压、焊接速度) 要适当；选定合适的坡口面高度；选定合适的焊丝直径和焊剂种 类等。 ( 5 ) 咬边。出现咬边的原因：焊接时速度太快；衬垫不合适；电流、电压不合适； 平角焊时电极位置不当等。防止措施：减小焊接速度；使衬垫和母材贴紧；调整电流电 压为适当值；调整电极位置等。 ( 6 ) 焊瘤。出现焊瘤的原因：电流过大；焊接速度过慢；电压太低等。防止措施： 降低电流；加快焊接速度；提高电压等。 1 316 m n 钢的性能及应用 1 3 116 m n 钢的成分及性能 4 1 6 m n 钢是热轧钢的一种，热轧钢基本上都属于c m n 或m n s i 系的钢种，在炼钢 过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0 3 0 - 0 5 0 。在碳素钢中加入 0 7 0 以上时就算“锰钢，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬 度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能，而且价格便宜。如1 6 m n 钢比a 3 屈服点高 4 0 。这类钢在结构钢中占有很重要的地位，且在各国都得到了普遍的应用，而1 6 m n 钢在这类钢中又是产量较大的钢种，在我国应用很广。在1 6 m n 钢的化学成分及力学性 能见表1 1 【1 0 】和1 2 【1 0 1 。 表1 11 6 m n 钢的化学成分( w f ) u o t a b l e l 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f16 m n ( w ) 【1 0 】 16 m n 钢双丝埋弧焊接头性能研究 表1 21 6 m n 钢的力学性能【1 0 】 t a b l e l 2m e c h a n i c a lp r o p e r t yo f1 6 m n l l 0 】 0s ( m p a )ob (mpa)0 5 ( ) a k u ( j ) - 。 3 4 3 t 4 9 02 1 5 9 1 6 m n 钢中c 含量为o 1 2 , - - - 0 2 0 ，m n 的含量为1 2 0 - - 1 6 0 ，s i 含量o 0 5 0 。 由于1 6 m n 钢的含碳量较低，而含m n 量较高，而m n 、s i 合金元素的存在可以起到固 溶强化的作用来保证钢的强度。这种钢若在正火处理后使用，还可改善钢的低温韧性。 从表2 2 看出，1 6 m n 钢的屈服强度， 3 4 3 m p a 、抗拉强度， 4 9 0 m p a ，延伸率 1 2 1 。说 明其力学性能较优。 在1 6 m n 热轧钢板中常出现带状组织，这种带状组织的出现多会对钢板产生不利影 响，如较严重的带状组织增加了钢的氢致裂纹敏感性；带状组织对力学性能、变形过程 和断裂行为、断口形貌等均具有显著的影响【1 1 。 1 3 216 m n 钢的焊接性分析 钢材的焊接性和它的其他性能一样，主要取决于它的化学成分。随着钢材强度级别 的提高和合金元素含量的增加，焊接性也随着发生变化。焊接性通常表现为两方面的问 题：一是焊接引起的各种缺陷，对1 6 1 v m 钢来说，主要是各类裂纹的问题；二是焊接时 材料性能的变化，对1 6 1 v h l 钢而言，主要是脆化问题。 ( 一) 1 6 m n 钢焊缝中的热裂纹 从表1 1 中不难看出1 6 m n 钢含碳量较低，而含锰量较高。因此它的m n s 比显然 能达到要求，具有较好的抗热裂性能，正常情况下焊缝中不会出现热裂纹。但当材料成 分不合格，或因严重偏析使局部c 、s 含量偏高时，m n s 就有可能低于要求而出现热裂 纹。在这种情况下，要从工艺上设法减少熔合比，此时焊接材料要选择低碳焊丝和含 s i 0 2 较低的焊剂。以此降低焊缝中的含碳量和提高焊缝中的含锰量，来解决热烈问题。 还可以通过改善焊接工艺来防止热裂纹的产生，可以通过制定合理工艺参数、预热、改 变接头型式和焊接顺序等来改善焊接时的应力状态，从而防止焊接热裂纹的产生。 ( 二) 1 6 m n 钢焊缝中冷裂纹 从1 6 m n 钢自身淬硬组织是引起冷裂纹的决定性因素。因此，焊接时能否形成对氢 致裂纹敏感的淬硬组织是评定材料焊接性的一个重要指标。 从理论上说1 6 m n 钢的淬硬倾向比低碳钢的大一些。因为1 6 m n 钢与普通的低碳钢 相比，在连续快速冷却时，铁素体析出后剩下的富碳奥氏体来不及转变为珠光体最后转 变为含碳较高的贝氏体和马氏体，并且全部马氏体的临界冷却速度较低碳钢时要小。就 8 西华大学硕士学位论文 此推断1 6 m n 钢的淬硬倾向比低碳钢的大，较易产生冷裂纹。而就碳当量与冷裂敏感性 关系来说，因1 6 m n 钢的c e 0 3 9 ，一般认为c e 0 4 时，钢材在焊接时基本无淬 硬倾向，焊接性良好，与低碳钢几乎相同。焊接时为避免冷裂纹的产生，需要采取较严 格的工艺措施，如严格控制线能量、预热和焊后热处理等。 ( 三) 再热裂纹 影响再热裂纹的主要因素是钢种的化学成分和焊接区的残余应力。从钢材的化学成 分考虑，在1 6 m n 钢中由于不含强碳化物形成元素，对在热裂纹不敏感，因此，在焊后 消除应力处理时不会产生再热裂纹。从焊接区的残余应力来考虑，再热裂纹可以通过制 定合理的焊接工艺来防止，如选择适当的焊接方法、焊接线能量、预热、后热温度，以 及选用低匹配的焊接材料。防止再热裂纹比防止冷裂纹需要更高的预热温度。可见，对 于某些钢结构来讲，防止再热裂纹比防止冷裂纹更为困难。 ( 四) 层状撕裂 层状撕裂的产生不受钢材的种类和强度级别的限制，即使是在被认为焊接性较好的 低碳钢和口s 2 9 4 m p a 3 4 3 m p a 的非调质钢中也容易产生。从钢材本身来说，主要取决 于冶炼条件钢中的片状硫化物与层状硅酸盐等都能导致z 向塑性的降低和层状撕裂的 产生，其中以片状硫化物的影响最为严重。因此，一般认为硫的含量和z 向断面的收缩 率是评定钢材层状撕裂敏感性的主要指标。另外从z 向拘束力考虑，撕裂与板厚有关， 一般板厚大于1 6 r a m 就易于产生层状撕裂。1 6 m n 钢是热轧钢的一种，又因为z 向断面 收缩率口5 2 5 的钢材其抗层状撕裂性好【1 2 】。而1 6 m n 钢断面收缩率口5 2 1 ，所以 较易产生层状撕裂。 层状撕裂较易在焊接热影响区的焊趾或焊根处由冷裂纹诱发形成层状撕裂或在焊 接热影响区沿夹杂开裂【l3 1 。可以通过设计和工艺措施来避免。例：1 ) 尽量避免单侧焊 缝，改用双侧焊缝这样可以缓和焊缝根部的应力状态，并防止应力集中( 如图1 4 ( a ) ) 。 2 ) 在强度允许的情况下，尽量采用焊接量少的对称角焊缝来代替焊接量大的全焊透焊 缝，以避免产生过大的应力( 如图1 4 ( b ) ) 。3 ) 在承受z 向应力的一侧开坡口( 如 图1 4 ( c ) ) 。4 ) 对于t 形接头，可在横板上预先堆焊一层低强的熔敷金属，以防止 焊根出现裂纹，同时也可缓和横板的z 向应力( 如图1 4 ( d ) ) 。5 ) 为防止由冷裂引 起的层状撕裂，应尽量采用一些防止冷裂的措施，如降低氢量、适当提高预热、控制层 间温度等。 9 16 m n 钢双丝埋弧焊接头性能研究 昌凸凸 改进前改进后改进前 ( a ) 改进前改进后改进前 ( c ) 改进后 ( b ) ( d ) 蓦袅毹霆箨接 改进后 图1 4 改变焊接接头形式防止层状撕裂【1 4 】 f i 9 1 4v 删n gt h ef o r mo