16Mn钢焊接研究——毕业设计论文.doc

淮阴工学院毕业设计（论文） - -i 16mn 钢焊接研究钢焊接研究 摘摘 要要 16mn 钢是具有高强度、高韧性和耐腐蚀等优良特性的低合金高强钢，是我国低合 金高强钢中用量最多、产量最大的钢种，广泛用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高 压容器、输油输气管道、大型钢结构等。鉴于 16mn 钢在我国工业和国民经济建设中 的重要性，而 16mn 钢的焊接又是 16mn 钢应用中必不可少的一道工艺技术,因此 16mn 钢的焊接进行研究对实践应用意义重大。本课题采用焊条电弧焊对 16mn 钢进行焊接， 分析焊接接头的组织和性能的变化；并对得到的焊接接头进行正火处理，分析热处理 前后焊接接头组织和性能的变化。 结果表明，焊接接头焊缝区组织为柱状晶；熔合区为粗大晶粒；过热区为魏氏组 织；完全结晶区为细小的铁素体和珠光体；不完全结晶区一部分为细小的铁素体和珠 光体，一部分为粗大的铁素体。由于熔合区粗大晶粒和过热区魏氏组织的存在使得 16mn 钢焊接接头可能存在冷裂纹和热影响区脆化等缺陷。所以对其进行焊后正火处理， 热处理后的焊接接头晶粒明显比未热处理过的要细小，组织结构更加均匀。硬度也相 应的有所升高。因此，热处理可以改善焊接接头的组织，并提高其性能。 本课题研究的 16mn 钢焊条电弧焊工艺、焊接接头组织和性能以及焊后热处理工 艺可为实践生产中 16mn 钢的焊接提供参考。 关键词：关键词：16mn 钢；焊条电弧焊；焊接接头；组织和性能；热处理 阙建龙：16mn 钢焊接研究 - -ii welding research of 16mn steel abstract 16mn steel is a low alloy high strength steel which has high strength, high toughness and corrosion resistance and other excellent characteristics. it has the largest amount and the largest steel production among the low alloy high strength steel in china. it is widely used in manufacture of bridges, ships, vehicles, boilers, pressure vessels, pipelines, large steel structure. in view of the importance of 16mn steel in ours industry and national economy, also 16mn steel welding is an essential technology, so the welding of steel 16mn study is significant for practical application. in this issue 16mn steel was welded by smaw, the changes welded joint were analyzed in the organization and performance; welded joints were obtained by normalizing processing, and analyzed the changes of the organization and performance between before and after heat treatment. the results show that the weld zone is the columnar crystal; fusion zone is coarse crystal; hot area is the widmanstatten structure; completely crystalline region is the ferrite and pearlite; one part of incomplete crystalline region is the small ferrite and pearlite, another is the coarse ferrite. the coarse crystal of the 16mn steel welded joint fusion zone and the widmanstatten structure of the 16mn steel welded joint hot area as the result of cold cracking and haz. so it was processed by normalizing after welding, welded joints after heat treatment were significantly higher than the grain is not heat treated to small and more uniform structure. hardness was increased accordingly. therefore, heat treatment of welded joints can improve the organization and improve its performance. research of 16mn steels smaw, microstructure and properties of welded joints, heat treatment after welding can be used as a reference of the welding of 16mn steel in practice. keywords: 16mn steel; electrode arc welding; welded joint; microstructure and properties; heat treatment 淮阴工学院毕业设计（论文） - -iii 目目 录录 引引 言言.1 第第 1 章章 绪绪 论论.2 1.1 背景与意义.2 1.2 发展概况.2 1.3 来源与内容.3 第第 2 章章 焊接理论知识焊接理论知识.4 2.1 焊接性及其实验评定.4 2.1.1 焊接性及影响因素.4 2.1.2 焊接性评定原则及方法.5 2.2 焊接接头及组织和性能.7 2.2.1 焊接接头的概念.7 2.2.2 焊接接头的基本形式.8 2.2.3 焊接接头的设计要求.10 2.2.4 坡口的基本形式.10 2.2.5 焊接接头特性.11 2.3 焊条电弧焊.13 2.3.1 焊条电弧焊概述.13 2.3.2 焊接设备及辅助工具.13 2.3.3 焊条电弧焊基础.16 2.3.4 焊条电弧焊工艺参数.18 2.3.5 焊条电弧焊的基本操作技术.19 2.3.6 常见的焊条电弧焊缺陷及防治措施.21 第第 3 章章 实验过程实验过程.22 3.1 16mn 的焊接.22 3.1.1 16mn 钢简介.22 3.1.2 16mn 钢的焊接性.23 3.1.3 16mn 钢的焊接工艺参数.23 3.2 金相试样的制备、观察及其硬度测试.25 3.2.1 金相试样的制备.25 3.2.2 金相试样的观察.26 3.2.3 试样的硬度测试.26 第第 4 章章 实验结果分析实验结果分析.28 4.1 焊接接头金相组织分析.28 4.1.1 焊缝区.28 4.1.2 熔合区.28 4.1.3 过热区.29 4.1.4 完全结晶区.29 4.1.5 不完全结晶区.30 4.1.6 母材.31 4.2 焊接接头硬度分析.31 阙建龙：16mn 钢焊接研究 - -iv 结论与展望结论与展望.34 结论.34 展望.35 致致 谢谢.36 参考文献参考文献.37 附录附录 a 引用的英文资料及翻译引用的英文资料及翻译.38 附录附录 b 主要参考文献及摘要主要参考文献及摘要.47 淮阴工学院毕业设计（论文） - -v 插图清单插图清单 图 2-1 焊接接头示意图.7 图 2-2 焊接接头的基本类型.8 图 2-3 对接接头的几种形式.8 图 2-4 t 型接头.9 图 2-5 搭接接头.9 图 2-6 角接接头.10 图 2-7 对接焊缝坡口形式.11 图 2-8 角接和 t 形接头的坡口.11 图 2-9 焊条电弧焊的过程.13 图 2-10 动铁式交流弧焊机机构示意图.14 图 2-11 同体式焊接结构图.14 图 2-12 动圈式焊机结构.14 图 2-13 电捍钳的规格和主要技术数据.16 图 2-14 电捍钳的规格和主要技术数据.16 图 2-15 焊条的组成.17 图 2-16 几种常见的运条方式.20 图 3-1 维氏硬度试验原理图.27 图 4-1 16mn 钢焊接接头焊缝区200.28 图 4-2 16mn 钢焊接接头熔合区200.29 图 4-3 16mn 钢焊接接头过热区200.29 图 4-4 16mn 钢焊接接头完全结晶区200.30 图 4-5 16mn 钢焊接接头不完全重结晶区200.30 图 4-6 16mn 钢焊接接头母材200.31 图 4-7 16mn 钢焊接接头硬度变化曲线.32 阙建龙：16mn 钢焊接研究 - -vi 表格清单表格清单 表 2-1 焊条电弧焊机.14 表 2-2 电捍钳的规格和主要技术数据.15 表 3-1 16mn 钢化学成分.22 表 3-2 不同环境温度下焊接 16mn 钢的预热温度.23 表 3-3 16mn 钢焊条电弧焊的工艺参数.24 表 4-1 16mn 钢焊接接头热处理前后维氏硬度值.32 淮阴工学院毕业设计（论文） - - 1 - 引引 言言 本课题研究是本科教学工作中实验教学问题，是对所学专业理论知识的一次总结 概括和实践应用。焊接工艺是金属应用中最重要的连接技术之一，通过对 16mn 钢焊 接的研究，对焊接工艺有个基本的了解。 主要实验内容包括 16mn 钢焊接工艺参数的设计及实验，焊后热处理工艺的设计 及实验，焊接接头金相试样的制备，显微组织的观察，焊接接头的硬度测量实验，最 后是组织和性能的测定与分析。通过这些工作，不仅加深对所学焊接理论知识的理解 和掌握，了解当代焊接的前沿技术，同时提高学生分析和解决实际问题的能力，锻炼 和培养动手和操作能力，为今后从事相关工作奠定基础。 随着全球科学技术的飞速发展和进步以及新材料、新能源、新结构的不断涌现， 传统的焊接方法和工艺（如焊条电弧焊、co2气体保护焊、氩弧焊等）已经无法满足 新时代工业对焊接性能的要求。激光焊、超声波焊、等离子弧焊、摩擦焊、爆炸焊等 一些高新技术不断成熟完善。焊接已经从一种传统的热加工技艺发展到了集材料、冶 金、结构、力学、电子等多门类科学为一体的工程工艺学科。焊接成形精确化、焊接 生产自动化和过程控制智能化、优质高效的焊接工艺将不断涌现，特殊材料及特殊环 境下焊接技术，焊接过程计算机模拟技术将得到不断发展和应用，同时焊接技术也将 不断向材料科学和工程的新兴领域渗透和拓展1。 本试验是在前人的研究基础上对 16mn 钢进行焊条电弧焊，分析其焊接接头组织 和性能。试验的结果为 16mn 钢焊条电弧焊后，焊接接头焊缝区组织为柱状晶；熔合 区为粗大晶粒；过热区为魏氏组织；完全结晶区为细小的铁素体和珠光体；不完全结 晶区一部分为细小的铁素体和珠光体，一部分为粗大的铁素体。除去由于熔合区粗大 晶粒和过热区魏氏组织的存在，使得 16mn 钢焊接接头可能存在冷裂纹和热影响区脆 化等缺陷外，具有良好的焊接性能。经正火处理后，焊接接头晶粒明显比未热处理过 的要细小，组织结构更加均匀，硬度也相应的有所升高，接头的组织和性能有明显的 提升。实验研究中的焊接工艺和设备比较传统，但在实验中我们要学会基本的实验方 案设计和思路分析，及一般的实验操作，为以后工作中相关的焊接工艺和组织、性能 的处理分析打下扎实的基础。 阙建龙：16mn 钢焊接研究 - - 2 - 第第 1 章章 绪绪 论论 1.1 背景与意义背景与意义 16mn 是旧国标 gb/t15911988 中的低合金高强度结构钢的牌号，新国标 gb/t15911994 中的牌号为 q345。由于 16mn 钢具有良好的 综合性能、低温性 能、冷冲压性能、焊接性能和可切削性能 ，使用状态的组织为细晶粒的铁素体 珠光体，强度比普通碳素结构钢 q235 高约 20%30%，耐大气腐蚀性能高 20%38%。16mn 钢是我国低合金高强钢中用量最多、产量最大的钢种，主要用于制 造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等。 焊接是指同种或异种材料通过加热或加压或两者并用，并且用或不用填充材料， 使被焊工件间原子或分子相互结合和扩散形成永久性连接的加工工艺过程。 焊接是一门古老的加工技术，是随着人类对金属的应用应运而生。我国早在 3000 多年前的商朝就有了使用铸焊工艺制造的铁刃铜钺兵器。明代科学家宋应星在他的科 学著作天工开物中也有关于锻焊工艺的详细文字记载。中世纪，在叙利亚大马士 革也曾用锻焊制造兵器。当然古代焊接技术长期停留在铸焊、锻焊和钎焊的水平上， 使用的热源都是炉火，温度低、能量不集中，无法用于大截面、长焊缝工件的焊接， 只能用以制作装饰品、简单的工具和武器3。 鉴于 16mn 钢在我国工业和国民经济建设中的重要性，而 16mn 钢的焊接又是 16mn 钢应用中必不可少的一道工艺技术，因而开设本课题，通过对 16mn 钢的焊接进 行研究，以及对其焊接接头组织和性能的分析，不仅加深对所学焊接理论知识的理解 和掌握，了解当代焊接的前沿技术，同时提高分析和解决实际问题的能力，锻炼和培 养动手和操作能力，为今后从事相关工作奠定基础，同时，该课题得到的结论也可以 为实际工业生产提供参考。 1.2 发展概况发展概况 现代焊接工艺是19世纪末和20世纪初现代科学技术发展的产物，特别是冶金学、 金属学、力学、电工、电子学等迅速发展的结果。1885年发现了气体放电的现象， 1930年发明了涂药焊条电弧焊方法，并在此基础上发明了埋弧焊、钨极氩弧焊、熔化 极氩弧焊以及二氧化碳气体保护焊等自动或半自动的焊接方法。电阻焊则是1886年发 明的，此后逐渐完善为电阻点焊、缝焊和对焊方法，它几乎与电弧焊同时推向工业应 用，逐步取代铆接，成为工业中广泛应用的两种主要焊接方法。到目前为止，又相继 发明了电子束焊、激光焊等20余种基本方法和成百种派生方法，并且仍处于继续发展 之中。在现代工业中，金属是不可缺少的重要材料。在现代工业产品的制造过程中， 需要把各种各样加工好的零件按设计要求连接起来制成产品，由于焊接不但易于保证 焊接结构等强度的要求，而且相对来说工艺比较简单，加工成本也比较低廉，所以焊 接技术得到了广泛应用和飞速发展，也是将这些零件连接起来的一种最理想的加工方 法。 焊接技术发展到今天，几乎所有部门（如机械制造、船舶行业、海洋开发、汽车 行业、机车车辆、石油化工、航空航天、原子能、电力能源、电子技术、建筑及家用 电器等）都离不开焊接技术。据不完全统计，目前全世界年产量45的钢和大量有色 淮阴工学院毕业设计（论文） - - 3 - 金属，都是通过焊接加工形成产品的。因此可以这样说，焊接技术的发展水平是衡量 一个国家科学技术先进程度的重要标志之一，没有现代焊接技术的发展，就不会有现 代工业和科学技术的今天。 在人类社会步入 21 世纪的今天，随着全球科学技术的飞速发展和进步以及新材料、 新能源、新结构的不断涌现，传统的焊接方法和工艺已经无法满足新时代工业对焊接 性能的要求。焊接已经从一种传统的热加工技艺发展到了集材料、冶金、结构、力学、 电子等多门类科学为一体的工程工艺学科。未来焊接技术的发展趋势是：焊接成形精 确化、焊接生产自动化和过程控制智能化、优质高效的焊接工艺将不断涌现，特殊材 料及特殊环境下焊接技术，焊接过程计算机模拟技术将得到不断发展和应用，同时焊 接技术也将不断向材料科学和工程的新兴领域渗透和拓展2。 1.3 来源与内容来源与内容 本课题来源于实践教学工作中实验教学问题。主要实验内容包括 16mn 钢焊接工 艺参数的设计及实验，焊后热处理工艺的设计及实验，焊接接头金相试样的制备，显 微组织的观察，焊接接头的硬度测量实验，最后是组织和性能的测定与分析。 阙建龙：16mn 钢焊接研究 - - 4 - 第第 2 章章 焊接理论知识焊接理论知识 2.1 焊接性及其实验评定焊接性及其实验评定 2.1.1 焊接性及影响因素焊接性及影响因素 1、焊接性概念 焊接性是指同质材料或异质材料在制造工艺条件下，能够焊接形成完整接头并满 足预期使用要求的能力。换句话说，焊接性是材料对焊接加工的适应性，指材料在一 定的焊接工艺条件下（包括焊接方法、焊接材料、焊接参数和结构形式等），获得优 质焊接接头的难易程度和该焊接接头能否在使用条件下可靠运行。 2、影响焊接性的因素 焊接性与材料、设计、工艺和服役环境等因素有密切关系，人们不可能脱离这些 因素而简单地认为某种材料的焊接性好或不好，也不能只用某一种指标来概括某种材 料的焊接性。 （1）材料因素 材料因素包括母材本身和使用的焊接材料。母材和焊材在焊接过程中直接参与熔 池或熔合区的冶金反应，对焊接性和焊接质量有重要影响。母材或焊接材料选用不当 时，会造成焊缝成分不合格、力学性能和其他使用性能降低，甚至导致裂纹、气孔、 夹渣等焊接缺陷，也就是使工艺焊接性变差。因此，正确的选用母材和焊接材料是保 证焊接性良好的重要因素。 （2）设计因素 焊接接头的结构设计会影响应力状态，从而对焊接性产生影响。设计结构时应使 接头处的应力处于较小的状态，能够自由收缩，这样有利于减小应力集中和防止焊接 裂纹。接头处的缺口、截面突变、堆高过大、交叉焊缝等都容易引起应力集中，要尽 量避免。不必要的怎大母材厚度或焊缝体积，会产生多向应力，也要避免。 （3）工艺因素 对于同一种母材，采用不同的焊接方法和工艺措施，所表现出来的焊接性有很大 的差异。发展新的焊接方法和新的工艺措施是改善工艺焊接性的重要途径。 焊接方法对焊接性的影响首先表现在焊接热源能量密度、温度以及热量输人上， 其次表现在保护熔池及接头附近区域的方式上。工艺措施对防止焊接缺陷，提高接头 使用性能有重要的作用。最常见的工艺措施是焊前预热、缓冷和焊后热处理，这些工 艺措施对防止热影响区淬硬变脆、减小焊接应力、避免氢致冷裂纹等是较有效的措施。 合理安排焊接顺序也能减小应力和变形，原则上应使被焊工件在整个焊接过程中尽量 处于无拘束而自由膨胀和收缩的状态。焊后热处理可以消除残余应力，也可以使氢逸 出而防止延迟裂纹。 （4）服役因素 焊接结构的服役环境多种多样，如工作温度高低、工作介质种类、载荷性质等都 属于使用条件。工作温度高时，可能产生蠕变；工作温度低或载荷为冲击载荷时，容 淮阴工学院毕业设计（论文） - - 5 - 易发生脆性破坏；工作介质有腐蚀性时，接头要求具有耐腐蚀性。使用条件越不利， 焊接性就越不易保证5。 2.1.2 焊接性评定原则及方法焊接性评定原则及方法 1、焊接性试验的内容 针对材料的不同性能特点和不同使用要求，焊接性试验有以下几种。 （1）焊缝金属抗热裂纹能力 熔池金属结晶时，由于存在一些有害的元素并受热 应力的作用，就可能在结晶末期发生热裂纹。热裂纹是一种较常发生且危害严重的缺 陷，所以焊缝抵抗产生热裂纹的能力是焊接性的一项重要内容，通常是通过热裂纹试 验来进行的。热裂纹试验与焊接材料关系密切，母材也有一定影响。 （2）焊缝及热影响区金属抗冷裂纹能力 焊缝及热影响区金属在焊接热循环作用 下，由于组织及性能变化，加之受焊接应力和扩散氢的影响，可能发生冷裂纹。冷裂 纹在低合金高强钢焊接中是较为常见的缺陷，而且也是一种严重的缺陷，是焊接性试 验中很重要又最常用到的一项试验内容。冷裂纹试验是针对母材进行的试验。 （3）焊接接头抗脆性转变能力 经过焊接冶金反应、热循环、结晶、固态相变等 一系列过程，焊接接头由于受脆性组织、硬脆的非金属夹杂物、时效脆化、冷作硬化 等作用的结果，可能使韧性严重下降，即发生所谓焊接接头的脆性转变。对于在低温 下工作的焊接结构和承受冲击载荷的焊接结构，韧性下降是个严重的问题。焊接接头 抗脆性转变能力也是焊接性试验常常涉及的一项内容。 （4）焊接接头的使用性能 由于使用性能对焊接性提出许多不同的要求，所以又 很多焊接性实验项目是从使用性能角度出发制定的，即根据特定的使用条件定制专门 的焊接性试验方法。属于这方面的试验内容如：焊接接头耐放射性辐照的能力、蠕变 的强度、疲劳强度、抗晶间腐蚀能力等。此外，还有一些针对具体特定结构的专门试 验方法。 2、评定焊接性的原则 评定焊接性的原则主要包括：一是评定焊接接头产生工艺缺陷的倾向，为制定合 理的焊接工艺提供依据;二是评定焊接接头能否满足结构使用性能的要求。 焊接性试验方法应符合下述原则: （1）可比性 焊接性试验条件应尽可能接近实际焊接时的条件，只有在这样有可比性的情况下， 才有可能使试验结果比较确切地反映实际焊接结构的焊接性本质。试验条件相同时， 试验结果才有可比性。 （2）针对性 所选择或自行设计的试验方法，应针对具体的焊接结构制定试验方案，其中包括 母材、焊接材料、接头形式、接头应力状态、焊接参数等。同时，试验条件还应考虑 到产品的使用条件。严格按国内外建立的标准的、通用的或公认的试验方法进行试验。 这样才能使焊接性试验具有良好的针对性，试验结果才能比较确切地反映出实际生产 中可能出现的问题。 （3）再现性 焊接性试验的结果要稳定可靠，具有较好的再现性。试验数据不可过于分散，否 则难以找出变化规律和导出正确的结论。应尽量减少或避免人为因家对试验结果的影 阙建龙：16mn 钢焊接研究 - - 6 - 响，多采用自动化及机械化的操作方法。如果试验结果很不稳定，数据很分散，就很 难找到规律性，更不可能用于指导生产。应严格试验程序，防止随意性。 （4）经济性 在符合上述原则并可获得可靠的试验结果的前提下，应力求做到消耗材料少、加 上容易、试验周期短，以节省试验费用。此外，在考虑试验成本的同时，还应考虑材 料加工、焊接难易程度不同对产品整体制造费用的影响4。 3、评定焊接性的实验方法 评定焊接性的方法分为间接法和直接试验法两类。间接法是以化学成分、热模拟 组织和性能、焊接连续冷却转变图(cct 图)以及焊接热影响区的最高硬度等来判断焊 接性，各种碳当量公式和裂纹敏感指数经验公式等也都属于焊接性的间接评定方法。 直接试验法主要是指各种抗裂性试验以及对实际焊接结构焊缝和接头的各种性能试验 等。 评价材料焊接性的试验方法很多，但每一种试验方法都是从某一特定的角度来考 核或阐明焊接性的某一方面，往往需要进行一系列的试验才可能较全面地阐明焊接性， 从而为确定焊接方法、焊接材料、焊接工艺等