Q235和16Mn钢焊接性能研究

1 羅莆芈螅羅莆芈螅 摘要摘要 采用异种钢材料制造的焊接结构 不仅能满足不同工作条件对材质提出的不同要 求 而且可节约大量的贵重材料 降低成本 发挥不同材料的性能优势 不锈钢 和 16 锰钢钢结构焊接生产应用广泛 是常见的焊接材料 因此其焊接工艺的研 究有很重要的意义 尤其是在不调节焊接设备的情况下 控制焊缝溶池和焊缝成 形 从而提高焊接质量 我通过不锈钢中 q235 钢和 16 锰钢的焊接方法 焊接 工艺 坡口设计 焊接要求以及焊接质量检验等方面的论述 比较全面地总结了 焊接技术要点 焊接要求较高 特别是保证焊缝的耐腐蚀合钢板的对接和角接形 式的接头 从焊前准备工作 焊接方法及焊接材料的选择进行分析 制定较合理的焊 接工艺方案 满足设计施工的需要 第一章 绪论 1 1 概述概述 钢是我们现代社会中不可缺少的一种材料 他可以看作一个国家工业化水平 的标准 在现代机械制造业中 异种钢焊接构件得到越来越广泛的应用 它不但 能满足不同工作条件对材质提出的要求 而且通过焊接的方法装焊成不同几何形 状的零部件 生产 修复简便 成本低 但焊接性问题需以解决 焊接工艺规程 是焊接责任工程师根据焊接工艺评定报告 结合企业实际生产情况制定的 用于 指导焊接结构生产的工艺文件 它反映了产品工艺设计的基础内容 是用以指导 焊接产品生产的技术规范 是企业安排生产计划 进行生产调度 技术检验 劳 动组织和材料供应等工作的技术依据 依据焊接工艺规程 进行焊接生产的全面 准备工作 如焊条 焊丝 焊剂 气体等 焊接设备的运转和调整 焊接检验 和使用等 根据焊接工艺规程 可随时解决焊接过程中出现的问题 随时检验焊 接接头质量 是焊接生产能有节奏地进行 但是 科学技术是不断发展的 人们的认识也在不断改变 已经制定的焊接工艺 规程 经一个阶段的实践后 必须进行修订 随着新技术 新工艺 新材料的采 用 工人在生产中提出的合理建议 都要求必须及时地修改工艺规程 否则 会 使焊接工艺规程失去指导生产的意义 第第 2 章章 Q235 钢和钢和 16Mn16Mn 钢的焊接性钢的焊接性 Q235 钢的化学成分 基本性能钢的化学成分 基本性能 2 Q235 钢是一种普通碳素结构钢含碳量约为 0 2 这种钢容易冶炼 工艺 性好 价格低廉 Q 代表的是这种材质的屈服度 后面的 235 就是指这种材质 的屈服值在 235MPa 左右 并会随着材质的厚度的增加而使其屈服值减小 由 于含碳适中 综合性能较好 强度 塑性和焊接等性能得到较好配合 用途最广 泛 16Mn 是以前的老牌号了 相当于现在的 Q345 钢 属于合金结构钢 16Mn钢的化学成分 基本性能钢的化学成分 基本性能 16Mn 化学成分 化学成分 质量分数 牌 号CSiMnP S C r M o V 16 Mn 0 12 0 20 0 20 0 60 1 20 1 60 0 0 30 0 0 30 16Mn 力学性能 牌 号 拉力强度 MPa 屈服点 MPa伸长率 16 Mn 490 67032021 主要特性 综合性能好 低温性能好 泠冲压性能 焊接性能和可切削性能好 应用举例 矿山 运输 化工等各种机械 Q235 钢的焊接性钢的焊接性 对于什么是焊接性 它包括两方面的内容 其一是焊成的构件符合设计要求 其 二是满足预定的使用条件 能够安全运行 根据讨论问题的着眼点不同 焊接性可分为 工艺焊接性 使用焊接性 影响焊接性因素主要有以下几点 材料因素 焊接方法 构件类型 使用要求 由于低碳钢含碳量低 锰 硅含量也少 所以 通常情况下不会因焊接而产 生严重硬化组织或淬火组织 低碳钢焊后的接头塑性和冲击韧度良好 焊接时 一般不需预热 控制层间温度和后热 焊后也不必采用热处理改善组织 整个焊 接过程不必采取特殊的工艺措施 焊接性能优良 16Mn 钢的焊接性钢的焊接性 16Mn 是低合金高强度钢中具有代表性的钢种 其屈服强度达 350 与一般 的低碳钢相比 提高了 50 左右 结构重量也可减轻 20 30 因而它是我 3 国发展最早产量最大的钢种之一 16Mn 能被如此广泛使用 除了其具有良好的 综合机械性能 冷变形性能外 更主要取决于它还具有良好的焊接性 材料焊接性和材料的其他性能一样 主要取决于它的化学成分 也是因为 16Mn 钢含碳量少 含锰量多 它主要是通过合金元素的固溶强化来获得高的强 度 由于其塑性好 因而常在热轧条件下供货 其组织为铁素体和珠光体 第三章 第三章 焊接工艺焊接工艺 3 1 焊接材料的选用焊接材料的选用 由于 Q235 刚的冷裂纹倾向较大 应选用低氢型的焊接材料 同时考虑到 焊接接头应与母材等强度的原则 选用 E5015 型电焊条 焊条按说明书的要求 烘焙后 放入保温桶内 随用随取 酸性焊条与碱性焊条不准混杂使用 焊条化学成分见表 元素CMNSISPGRMOVTI 含量0 0711 110 530 0090 0160 020 010 010 01 3 2 焊前准备焊前准备 1 焊接坡口形式的设计应避免采用焊不透或局部焊透的坡口 还要尽量减少焊缝 的横截面积 以降低接头的残余应力 同时也可减少焊接材料的消耗量 2 坡口加工采用热切割时应注意防止母材边缘会形成一定深度的淬硬层 这种低 塑性的淬硬层往往成为冷加工的开裂源 3 焊前必须消除消除焊接区钢板表面的水分 坡口表面的氧化皮 锈斑 油脂以及其坡口表面的氧化皮 锈斑 油脂以及其 他污物 他污物 4 焊接材料在使用前应按生产厂推荐的规范进行烘干烘干 5 装配定位焊缝必须 采用与正式焊缝同一类型的焊条 3 3 工艺参数工艺参数 3 3 1 焊接线能量的选择 线能量的参数是指焊接电流 电弧电压和焊接速度 低合金结构钢焊接时 线能 量参数除要保证接头的熔透性和焊缝成型外 还要考虑其对接头性能的影响 焊 接含碳量低的热轧钢以及含碳量偏下限的 16Mn 钢时 对焊接线能量没有严格 的限制 但为了避免焊缝组织粗大 造成冲击韧性下降 必须采用小规范焊接小规范焊接 选用小直径焊条 窄焊道 薄焊层 多层多道的焊接工艺 3 3 2 焊接电流 4 根据焊件厚度 焊接层次 焊条型号 直径 焊工熟练程度等因素 选择适宜的 焊接电流 第一层至第三层采用直径 3 2 的焊条 焊接电流 100 130A 第四层 至第六层采用直径 4 0 的焊条 焊接电流 焊接电流 120 180A 3 3 3 焊接速度 要求等速焊接 保证焊缝厚度 宽度均匀一致 从面罩内看熔池中铁水与熔渣保 持等距离 3 3 4 焊接电弧长度 根据焊条型号不同而确定 一般要求电弧长度稳定不变 酸性焊条一般为 碱性焊条一般为 为宜 3 3 7 焊条的选择 第一层至第三层采用直径 3 2 的焊条 第四层至第六层采用直径 4 0 的焊条 当焊接含碳量偏高的 16Mn 钢时 为降低淬硬倾向 防止冷裂纹产生 焊接时 线能量应偏大些 3 4 焊接过程焊接过程 3 4 1 预热 焊接低合金结构钢时 焊前预热时防止接头冷裂 改善接头组织性能 减 小焊接应力的重要工艺措施 焊前预热的有利作用还在于 改变了焊接过程 的热循环 降低焊接接头各区高温转变和低温转变温度区间的冷却速度 避免或 减少了淬硬组织的形成 减少焊接区的温度梯度 降低了焊接接头的内应力 并使之较均匀地分布 扩大了焊接区的温度场 使焊接接头在较宽的区域内 处于塑性状态 减弱了焊接应力的不利影响 延长了焊接区在 100 以上温 度的停留时间 有利于氢从焊缝金属中逸出 预热温度的确定 随钢材碳当量 板厚 结构的拘束度的增加而增加 环境温度的升高而降低 3 4 2 后热及热处理 后热是指焊接结束后将焊件或整条焊缝立即加热到 150 250 温度范围内 并保持一段时间 这种工艺简称后热 其作用在于首先是降低了接头低温转变区 的冷却速度 其效果比预热更显著 在焊缝金属氢扩散阶段 从根本上消除了导 致冷裂纹形成的力学因素 去氢处理是将焊件在焊后立即加热到 300 400 温 度并保温一段时间 可加速焊接接头氢的扩散逸出 氢的排除程度取决于加热温 度和时间 温度高保温时间可短一些 温度低去氢时间就要加长 生产中消氢处 理的温度为 300 400 消氢时间为 1 2 小时 消除应力处理是将焊件均匀地 以一定的速度加热到 AC1 点以下足够高的温度 保温一段时间后随炉均匀地冷 却到 300 400 最后将工件移到炉外空冷 低合金结构钢焊后消除应力处理 5 的目的有以下几点 消除焊缝金属中的氢 提高焊接接头的抗裂性和韧性 降低焊接接头中的参与应力 改善焊缝及热影响区组织 使淬硬组织经受 回火处理而提高接头各区的韧性 稳定了低合金耐热钢焊缝及热影响区的碳 化物 提高了接头的高温持久强度 降低了焊缝及热影响区的硬度 易于切 削加工 3 4 2 坡口形式 坡口形式 a 对接接头 结构 两个相互连接零件在接头处的中面处于同一平面或同一弧面内进行焊接的 接头 特点 受热均匀 受力对称 便于无损检测 焊接质量容易得到保证 应用最广 应优先选用 应用 最常用的焊接结构形式 第四章第四章Q235 钢和钢和 16Mn 钢焊后检测钢焊后检测 4 1 焊接缺陷焊接缺陷 焊接接头的不完整性称为焊接缺陷 主要有焊接裂纹 未焊透 夹渣 气 孔和焊缝外观缺欠等 这些缺欠减少焊缝截面积 降低承载能力 产生应力集中 引起裂纹 降低疲劳强度 易引起焊件破裂导致脆断 其中危害最大的是焊接裂 纹和气孔 4 1 3咬边咬边 原因 焊接参数选择不对 U I 太大 焊速太慢 电弧拉得太长 熔 化的金属不能及时填补熔化的缺口 危害 母材金属的工作截面减小 咬边处应力集中 4 1 5烧穿烧穿 6 原因 焊接电流过大 对焊件加热过甚 坡口对接间隙太大 焊接速度慢 电弧停留时间长等 危害 表面质量差 烧穿的下面常有气孔 夹渣 凹坑等缺欠 4 1 6焊瘤焊瘤 熔化金属流淌到焊缝以外未熔化的母材上所形成的局部未熔合 原因 焊接参数选择不当 坡口清理不干净 电弧热损失在氧化皮上 使母材 未熔化 危害 表面是焊瘤下面往往是未熔合 未焊透 焊缝几何尺寸变化 应力集中 管内焊瘤减小管中介质的流通界面计 4 1 7气孔气孔 原因 电弧保护不好 弧太长 焊条或焊剂受潮 气体保护介质不纯 坡口清理不干净 危害 从表面上看是减少了焊缝的工作截面 更危险的是和其他缺欠叠加造成贯 穿性缺欠 破坏焊缝的致密性 连续气孔则是结构破坏的原因之一 4 1 7夹渣夹渣 焊接熔渣残留在焊缝中 易产生在坡口边缘和每层焊道之间非圆滑过渡的部位 焊道形状突变 存在深沟的部位也易产生夹渣 原因 熔池温度低 电流小 液态金属黏度大 焊接速度大 凝固时熔渣来 不及浮出 运条不当 熔渣和铁水分不清 坡口形状不规则 坡口 太窄 不利于熔渣上浮 多层焊时熔渣清理不干净 危害 较气孔严重 因其几何形状不规则尖角 棱角对机体有割裂作用 应力集 中是裂纹的起源 4 1 8未焊透未焊透 当焊缝的熔透深度小于板厚时形成 单面焊时 焊缝熔透达不到钢板底部 双面 焊时 两道焊缝熔深之和小于钢板厚度时形成 原因 坡口角度小 间隙小 钝边太大 电流小 速度快来不及熔化 焊条偏离焊道中心 危害 工作面积减小 尖角易产生应力集中 引起裂纹 7 4 1 9未熔合未熔合 熔焊时焊道与母材之间或焊道与焊道之间未能完全熔化结合的部分 原因 电流小 速度快 热量不足 坡口或焊道有氧化皮 熔渣等 一 部分热量损失在熔化杂物上 剩余热量不足以熔化坡口或焊道金属 焊条 或焊丝的摆动角度偏离正常位置 熔化金属流动而覆盖到电弧作用较弱的未熔化 部分 容易产生未熔合 危害 因为间隙很小 可视为片状缺欠 类似于裂纹 易造成应力集中 是危险 性较大的缺欠 4 1 10焊接裂纹焊接裂纹 危害最大的一种焊接缺陷 在焊接应力及其它致脆因素共同作用下 材料的原 子结合遭到破坏 形成新界面而产生的缝隙称为裂纹 它具有尖锐的缺口和长宽 比大的特征 易引起较高的应力集中 而且有延伸和扩展的趋势 所以是最危险 的缺欠 4 2 1 外观检查外观检查 焊接接头的外观检验是一种简便而又应用广泛的检验方法 是成品检验的一个重 要内容 这种方法也会在焊接过程中使用 如厚壁焊件进行多层多道焊时 每焊 完一个焊道便可采用这种方法进行检查 防止前道焊层的缺陷被带到下一层焊道 中 外观检查主要是发现焊缝表面的缺陷和尺寸上的偏差 这种检查一般是通过 肉眼观察 并借助标准样板 量规和放大镜等工具来进行检验的 所以 也称为 肉眼观察法或目视法 4 2 3 气密性试验气密性试验 气密性试验是对密封性要求高的重要工件在强度试验合格后进行的泄漏检验 工作时盛装的介质危险程度较大时 需要进行气密性试验 气密性试验应在液压 试验合格后进行 在进行气密性试验前 应将工件上的安全附件装配齐全 进行气密性试验时 压力应绥慢增加 达到规定试验压力后保压 保压之后降至 设计压力 对所有焊接接头和连接部件进行泄漏检查 检查中如发现泄漏 应修 补后重新进行液压试验和气密性试验 4 2 4 无损检验无损检验 生产中常利用一些物理现象进行测定或检验被检材料或焊件的有关技术参数 如 温度 压力 黏度 电阻等 来判断其内部存在的问题 如内应力分布情况 内 8 部缺陷情况等 有关材料技术参数测定的物理检验方法属于材料测试技术 材料 或焊件内部缺陷的检验 一般都是采用无损检验的方法 目前最常用的无损探伤 方法有迢声波探伤 射线探伤 磁粉探伤 渗透探伤等 设计总结 为保证焊件的焊接