09【开题报告】【精品】400MPa级超级钢点焊工艺对接头性能的影响.doc

毕业设计（论文）开题报告题目：400mpa级超级钢点焊工艺对接头性能的影响 专业名称： 焊接技术与工程 班级学号： - 学生姓名： - 指导教师： 邓黎鹏 填 表 日 期 2010 年 4 月 08 日一、选题的依据及课题的意义随着现代工业和科学技术的发展，建筑、机械、汽车、铁路、船舶、海洋等各行各业对钢铁材料的性能提出了越来越高的要求。自20世纪90年代以来，世界各主要钢产国相继开展了新一代钢铁材料的研究工作。其中，以日本的“超级钢铁材料”研究计划、中国的“新一代钢铁材料重大基础研究”和韩国的“21世纪搞性能结构钢“研究最为引人瞩目1,2。超级钢是 20世纪 90年代末为更好地利用钢铁材料在使用性能上的优势，并进一步改进传统钢铁材料的一些不足，减少材料消耗，降低能耗而研制的新材料，其研究的最终目标是使钢铁的实用强度和寿命加倍。超级钢与同等强度的传统钢相比，超级钢具有高强度、高韧性的力学性能特征和超洁净、高均匀性、超细化的组织和成分特征。所谓洁净化，一是最大限度地降低钢中 s、p、o、h、n等杂质元素的含量；二是严格控制钢中夹杂物的数量、成分、尺寸、形态和分布。目前，国外一些先进钢厂对 s、p、o、h、n的总量已控制在 5010-6 以下，达到超洁净钢的水平，且具有进一步降低的趋势。高均匀性是指成分、组织和性能的高度均匀，材料微区结构越均匀，所对应材料的抗冲击性能越高。超细晶粒是指晶粒尺寸达到0. 110m, 细化晶粒是唯一能够同时提高金属材料强度和韧性的强化方法3。超级钢的强化手段不是通过增加碳含量和合金元素含量，而是通过晶粒细化、相变强化、析出强化等相结合的方法来达到提高强度和韧性的目的4,5。利用第二相粒子析出的沉淀强化是超细晶粒钢采用的另一种强化机制，高温时在奥氏体内形成的粒子虽然对控制晶粒长大有效，但不会造成强化，强化粒子是低温时在奥氏体或铁素体内形成的，位错与亚结构强化也是一种有效的强化方式6。超级钢的生产可立足于现有的设备条件和普碳、碳锰钢的基本成分，设备改造投资较小；可少用或不用合金元素，有效降低资源消耗，成本低。合金元素使用量的减少，还能够使废钢的回收利用变得容易，有利于环境保护。超级钢较传统钢材性能高，可获得优异的塑韧性、屈强比和良好的焊接性，可替代一部分微合金钢和低合金高强钢。超级钢首先在汽车制造业找到了市场。超级钢零部件可以减轻车身自重、减少油耗，正是汽车制造企业急需的新材料。上海宝钢生产的 400mpa级超级钢用于一汽集团卡车底盘发动机前置横梁，各项指标全部满足要求，且吨钢成本较原来可节省 200300元。一汽集团已将超级钢横梁列为企业标准6。将超级钢用于汽车制造中，可有效的减轻车体的重量，减少能源消耗和环境污染。因此如何将超级钢应用于车身的制造显得十分重要，它将大大的减少了汽车的自重，而电阻焊作为汽车的主要连接技术，因此研究超细晶粒钢的电阻点焊接头性能调控显得尤为重要，它决定了超细晶粒钢是否能更好的服务于汽车行业，它也决定了今后钢铁业的主要发展方向。因此，焊接作为钢铁材料的重要加工工艺，其焊接性的好坏是评价钢材使用性能的主要指标之一，而其接头性能的好坏是评价钢材焊接性的主要指标。超细晶粒钢熔化焊的主要问题主要表现为焊接热影响区（haz）的脆化和局部软化，严重影响了焊接接头与母材性能的匹配。二、国内外研究概况及发展趋势 目前国内外关于超级钢的电阻点焊的研究几乎没有，基本都是关于超级钢的熔焊及其接头性能的研究，但这些对于研究超级钢的电焊却有很大帮助。2.1 国外研究情况 日本科学技术厅金属材料技术研究所从1997年4月开始实施“新世纪结构材料”研究计划，通过开发超级钢钢与改善焊接性，将其用于建筑、汽车、压力容器等方面7。日本学者对超细晶粒钢的焊接研究发现当线能量e为9kj/cm的co2气体保护焊时，软化区的宽度大概只有2mm，当e为40kj/cm时，软化区的宽度为6mm 8。日本研究者推荐用激光焊和超窄间隙气体保护焊焊接超级钢。激光焊具有能量集中，焊接速度高，焊缝质量好，cghaz（焊接热影响区去粗晶区）窄等优点，但也存在设备昂贵，装配质量要求高，易形成焊接缺陷等缺点。超窄间隙mag焊具有haz小，生产率高的优点，但主要问题也是容易产生缺陷。乌克兰巴顿焊接研究所报道了一种脉冲埋弧焊，该方法的t8/5比普通埋弧焊降低1倍，而cghaz晶粒为普通埋弧焊的1/31/2，是一种很有希望用于超级钢焊接的方法。a-tig(activating flux tig)焊接方法是在施焊板材的表面涂上一层很薄的表面活性剂，引起焊接电弧收缩或熔池流态发生改变，从而大大改善焊接熔深的方法9-11。但到目前为止，关于超级钢的焊接研究还不是很多，至于关于超级钢的电阻焊焊接研究更是少见。2.2 国内研究现状 1998年在国家重点基础研究发展规划项目“973计划”中启动了“新一代钢铁材料基础研究”项目。围绕着这一研究项目，国内许多研究者开始研究超级钢的各种焊接方法的焊接性能。赵洪运、王国栋12等就400mpa级超级钢的co2气体保护焊不同的焊接工艺焊接接头性能做出了研究。研究中采用空冷和水冷两种冷却方式，结果显示焊接接头的硬度和强度都有所提升，这是因为在空冷时由于co2气体的定向流动对焊接接头起到一定的冷却作用同时存在应力集中，加之组织中出现贝氏体，所以强度没有下降。空冷的冲击韧度下降不大，而水冷的冲击韧度下降很大。这是由于空冷的条件下，其接头的组织为粗大的铁素体和珠光体，而水冷条件下由于有贝氏体和马氏体的生成，导致焊接接头冲击韧度的大幅度下降。赵洪运、杨德惠、王国栋13等对400mpa级超级钢分别采用手工电弧焊、co2气体保护焊、等离子弧焊进行焊接，焊后采用空冷的冷却方式，然后对其焊接接头的组织和性能进行了分析。试验结果显示：手工电弧焊在空冷条件下，焊接接头热影响区的组织为铁素体和珠光体，但其晶粒尺寸粗大，热影响区的硬度明显低于母材，出现了软化现象，焊接接头的屈服强度和抗拉强度相对母材来说均明显下降；co2气体保护焊在空冷条件下，焊接接头热影响区的组织为细小的铁素体和珠光体，晶粒长大不是很明显，而且热影响区的宽度也小了很多，热影响区的硬度不仅没有下降反而有所提升，焊接接头的屈服强度和抗拉强度变化不是很明显，强度和冲击韧度均能达到使用要求；等离子弧焊在空冷条件下焊接接头热影响区晶粒明显长大，组织为铁素体+珠光体，还有少量的贝氏体和马氏体，由于马氏体和贝氏体的生成，所以硬度下降不是很明显，和母材相比其接头的屈服强度和抗拉强度变化不大，但是冲击韧度下降很明显。赵洪运、张广传14等就400mpa超细晶粒钢焊接接头的强化工艺进行了研究。超级钢是通过晶粒细化、相变强化、析出强化等相结合的方法来达到提高强度和韧性的目的。但是超级钢在焊接过程中由于受热循环作用，其热影响区会出现晶粒严重长大的现象，其强度和冲击韧性等性能都有很大的下降。为了克服这一技术难题，研究者提出了深冷处理和机械强化处理两种强化方法。研究结果显示经机械强化处理后，焊接接头热影响区表面两侧分别形成了一定厚度的强化层，表面的组织重新得到细化，这使得接头的力学性能大幅提高；由深冷处理的原理15,16我们知道，虽然接头的性能得到提高，但是变化不明显。张满17利用工程模拟软件就不同焊接电流电压下超级钢热影响区晶粒尺寸进行了数值模拟。利用软件模拟超级钢焊接温度场，对工件进行三维有限元网格划分，热源模型采用双椭球分布模式，利用计算机语言编制热源程序。结合晶粒长大动力学公式18计算出晶粒的大小。然后其它工艺参数不变，改变焊接电流，利用上述公式计算热影响区晶粒尺寸，绘制不同焊接电流条件下的热影响区晶粒尺寸；其他参数不变，改变焊接电压，绘制热影响区晶粒尺寸；由结果可知，利用数值模拟可以很准确的模拟出焊接温度场，再利用公式可以准确的计算出晶粒的尺寸，随着电流或者电压的增大，晶粒尺寸也在逐渐长大。王国栋、赵洪运19等就再加热温度对400mpa级超级钢组织和性能的影响做出了研究。研究者将400mpa级超级钢在不同的温度下加热保温5分钟，并分别进行空冷和水冷。分别对每组进行组织分析和性能检测，研究结果显示：400mpa级超级钢在空冷条件下，再加热会使超级钢组织晶粒粗大引起性能明显下降，特别是在800oc时达到最低值；而水冷条件下不仅可以避免薄弱区域的出现，而且还可以明显提高材料的性能。因此在电阻焊点焊时可以采用强制水冷的方式冷却提高焊接接头的性能，但以前的试验结果表明通过采用喷水强制冷却的方法可以提高接头的强度，但焊接接头的冲击韧性却有所下降20。三、研究内容及实验方案3.1实验研究内容由于超级钢的化学成份和力学性能和q235很相近，因此可以在q235的电阻点焊工艺参数基础上，通过实验调出400mpa级超级钢电阻电焊的最佳焊接工艺参数以及最佳的冷却方式，并将在最佳焊接工艺参数下焊出的产品和原材料进行性能对比，观察其金相组织，并分别测试各种力学性能，评价超级钢是否适合于电阻点焊。但由于影响电阻点焊质量的因素很多，最重要的影响是焊接电流大小和电极压力的大小，因此可以着重从这两个方面着手，结合试验结果对比得出理想的焊接工艺参数。（1）在其他参数不变的条件下，改变电流的大小在q235的点焊参数基础上左右波动，进行焊接并分别检测焊接质量，分别进行力学性能对比。（2）在其他参数不变的条件下，改变电极压力（/n）的大小在q235的点焊参数上左右波动，进行焊接并检测焊接质量，分别进行力学性能对比。（3）将试验结果列表对比并得出最佳的点焊工艺参数。（4）在理想的电流和电极压力的工艺参数下焊接，测试出焊接产品的力学性能，并和原材料的力学性能进行对比。（5）得出结论。3.2 试验条件试验选用的材料为400mpa级超级钢。400mpa级超级钢钢板的试片，化学成分为如下表1所示： 表1 400mpa级超级钢化学成份csimnps0.090.181.140.0200.006试验采用电阻点焊，电阻焊机为dz-3x100型三相次级整流点焊机。 3.3 试验方法3.3.1 工艺试验1、用汽油、棉纱清理焊件表面，对于有锈蚀的用喷砂、喷丸等有效的清除油污及氧化皮。2、电阻点焊的焊接参数主要有：电极头端面直径d、焊接电流i、焊接时间t、电极压力fw。其焊接工艺参数为如下表2：表2 焊接工艺参数板厚 /mm电极头端面直径 /mm焊接电流 /a焊接时间 /s电极压力 /n 1.520120000.247003、本次试验采用双面单点焊，接头采用搭接接头。4、在其他参数不变的条件下，改变电流的大小在12000a左右波动，左右波动，在同样的电流下焊接多个试样，并做好标记。5、在其他参数不变的条件下，改变电极压力的大小在4700n左右波动，左右波动，在同样的电极压力下焊接多个试样，并做好标记。6、不改变电流和压力的大小，将焊接时间改为0.3s，焊接多个试样，做好标记。3.3.2 力学性能测试将在不同条件下焊接出的产品分别制成各种力学性能实验标准试样，力学性能试验分别有：拉剪试验、硬度试验，将得出的数据进行列表对比。（1）拉剪试验 实验设备：wdw-50微机控制电子式万能试验机 将已经做好的标准试样装在试验仪器上进行实验，记录数据。（2） 硬度试验3.3.3 显微组织的观察 （1）金相的制作 将焊接的试样截取需要的部位，利用xq-1型金相试样镶嵌机进行镶嵌，经2302000的砂纸磨制后，用pg-2c型金相试样抛光机进行抛光。 （2）金相的观察 将抛光好后的试样，用4%的硝酸酒精进行腐蚀，腐蚀过程保证表面不能发黑，将腐蚀好的试样放在xjb-100型金相显微镜下进行观察。3.3.4 最佳工艺参数的确定将试验结果列表，对比主要的力学性能，结合实际使用性能要求得出最佳的400mpa级超级钢的电阻点焊的工艺参数。3.3.5力学性能对比在最佳的焊接参数下进行焊接，共焊接6个试样，并将焊接的产品进行力学性能试验，将得出的数据和原材料的力学性能进行对比。3.3.6 得出结论综合上面得出点焊工艺对400mpa级超级钢接头性能的影响，得到理想的焊接工艺参数。四、目标、主要特色及工作进度1、工作目标 通过改变焊接电流和电极压力得到相应的焊接产品的性能，总结出其对接头性能的影响，结合正交试验确定400mpa级超级钢的最佳点焊工艺参数，再通过在最佳规范参数下焊接的产品性能和原材料性能的对比，评价其焊接性。2、主要特色 在传统的q235焊接工艺基础上来实现改变并调出最佳的400mpa级超级钢的点焊工艺参数。3、工作进度1.收集相关资料，翻译一篇外文文献。 3.22-3.26 1周2.整理所查阅的资料，撰写开题报告。 3.29-4.9 2周3.准备实验材料，开展实验工作。 4.12-4.23 2周4.整理并分析实验数据。 4.26-5.28 5周5.撰写毕业论文。 5.31-6.25 4周6.准备毕业答辩，完成毕设工作。 6.28-7.2 1周五、参考文献1 张译中. 中日韩三国高强度高韧性钢材的研发进程j. 冶金信息导刊，2003（2）：9-112 雷毅，余圣甫，许晓峰.我国微米级超细晶粒钢焊接技术的研究现状.兵器材料科学与工程，20053 耿彦飞，王少慧. 新一代钢铁材料超级钢. 重型汽车，2004.1.4 陈蕴博，张福成，褚作明，等.钢铁材料组织超细化处理工艺研究进展j.中国工程科学，2003，5（1）：74-81.5 翁宇庆.钢铁结构材料的组织细化j.钢铁，2003，38（5）：1-10.6 张学锋，张方，郭芳芳. 超级钢的开发应用现状及未来展望. 冶金丛刊，2006. 7 赵建顺，孙俊生，冯勇。超级钢铁材料及其焊接研究进展. 山东交通学院学报，2004.8 钱百年. 新型钢铁材料焊接研究进展a.第十次全国焊接回忆论文集：第一册c.哈尔滨：黑龙江人民出版社，2001.220-2259 simonik a g.the effect of contraction of the arc discharge upon the introduction of electro-negative elementsj.welding production，1996，(3)：49-51 .10 lucas w,house d s.activating flux-increasing the performance and productivity 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