30CrMnSiA钢的工艺研究

1、前 言本次毕业设计课题立足于自己在学院所学的课程内容，重点介绍合金结构钢化学成分、基本性能、焊接工艺、等一些内容。对于较深的理论没要过多的要求。本课题在设计过程中基本贯穿大学三年的所学专业基础课程。本文共分为六章：前两章系统的介绍了合金结构钢的生产工艺、分类、化学成分、基本性能、应用等；第三章介绍30CrMnSiA钢的焊接工艺，并对这种钢的焊接工艺的影响因素做了一定的分析；第四章介绍了30CrMnSiA钢的焊接性，并对30CrMnSiA钢在各种热处理状态的性能与热处理的缘由做出了分析；第五章则主要的介绍了防止焊接裂纹的产生与防止措施，对焊接热裂纹、冷裂纹、焊前预热、焊后热处理等并做出详明的分析

2、；第六章介绍了30CrMnSiA的焊接检验与相应的检验方法和有关检验方法的改善。在完成设计过程中，参阅了参考文献中的相关章节等有关资料，并得到了指导老师的帮助与大力支持，再次诚挚致谢。由于本人所学内容有限与对相关内容的理解不到位，文中有不足之处在所难免，恳请老师批评指正。第一章 合金结构钢的概念及合金元素在结构钢中的作用11合金结构钢合金结构钢，用作机械零件和各种工程构件并含有一种或数种一定量的合金元素的钢。这类钢,由于具有合适的淬透性，经适宜的金属热处理后，显微组织为均匀的索氏体、贝氏体或极细的珠光体，因而具有较高的抗拉强度和屈强比（一般在0.85左右），较高的韧性和疲劳强度，和较低的韧性脆

3、性转变温度，可用于制造截面尺寸较大的机器零件。1.2合金元素在结构钢中的作用有三个方面：增大钢的淬透性。淬透性是指钢淬火时，从表层起淬成马氏体层的深度，是取得良好综合性能的主要参数。除Co外，几乎所有合金元素如 Mn、Mo、Cr、Ni、Si和C、N、B等都能提高钢的淬透性，其中 Mn、Mo、Cr、B的作用最强，其次是Ni、Si、Cu。而强碳化物形成元素如 V、Ti、Nb等，只有溶于奥氏体中时才能增大钢的淬透性。影响钢的回火过程。由于合金元素在回火时能阻碍钢中各种原子的扩散，因而在同样温度下和碳素钢相比，一般均起到延迟马氏体的分解和碳化物的聚集长大作用，从而提高钢的回火稳定性,即提高钢的抗回火软

4、化能力,V、W、Ti、Cr、Mo、Si的作用比较显著，Al、Mn、Ni的作用不明显。含有较高含量的碳化物形成元素如V、W、Mo等的钢，在500600回火时，析出细小弥散的特殊碳化物质点如V4C3、Mo2C、W2C等,代替部分较粗大的合金渗碳体,使钢的强度不再下降反而升高,即出现二次硬化（见回火）。Mo对钢的回火脆性有阻止或减弱的作用。影响钢的强化和韧化。Ni以固溶强化方式强化铁素体；Mo、V、Nb等碳化物形成元素,既以弥散硬化方式又以固溶强化方式提高钢的屈服强度；碳的强化作用最显著。此外，加入这些合金元素，一般都细化奥氏体晶粒，增加晶界的强化作用。影响钢的韧性因素比较复杂，Ni改善钢的韧性；M

5、n易使奥氏体晶粒粗化，对回火脆性敏感；降低P、S含量，提高钢的纯净度，对改善钢的韧性有重要作用（见金属的强化）。合金结构钢一般分为调质结构钢和表面硬化结构钢。调质结构钢 这类钢的含碳量一般约为0.250.55，对于既定截面尺寸的结构件，在调质处理（淬火加回火）时，如果沿截面淬透，则力学性能良好，如果淬不透，显微组织中出现有自由铁素体，则韧性下降。对具有回火脆性倾向的钢如锰钢、铬钢、镍铬钢等，回火后应快冷。这类钢的淬火临界直径，随晶粒度和合金元素含量的增加而增大，例如，40Cr和35SiMn钢约为3040mm，而40CrNiMo和30CrNi2MoV钢则约为 60100mm，常用于制造承受较大载

6、荷的轴、连杆等结构件。表面硬化结构钢 用以制造表层坚硬耐磨而心部柔韧的零部件,如齿轮、轴等。为使零件心部韧性高,钢中含碳量应低，一般在0.120.25，同时还有适量的合金元素，以保证适宜的淬透性。氮化钢还需加入易形成氮化物的合金元素（如Al、Cr、Mo等）。渗碳或碳氮共渗钢，经850950渗碳或碳氮共渗后，淬火并在低温回火(约200)状态下使用。氮化钢经氮化处理(480580)，直接使用，不再经淬火与回火处理。1.3生产工艺根据钢种和钢的质量要求，合金结构钢的冶炼，可采用氧气顶吹转炉、平炉、电弧炉；或再加电渣重熔、真空除气。铸锭可采用连铸或模铸。钢锭应缓慢冷却或热送锻造、轧制。钢锭加热时，应力

7、求温度均匀并有足够的保温时间，以改善偏析缺陷和避免锻、轧时变形不均匀；锻、轧后的钢材，尺寸小的、特别是含碳0.2左右的渗碳钢,在600以上时应快速冷却,以免加重带状组织；截面较大的锻件，应采取措施消除内应力和白点。调质钢应尽可能淬火成马氏体组织，然后回火成索氏体组织；渗碳钢在渗碳过程中，渗层浓度梯度不宜过大,以免在渗层晶界上出现连续网状碳化物;氮化钢必需先经热处理得到所需的性能，再经最后精加工才能进行氮化。氮化处理后除将脆薄的“白层”研磨除去外，不再加工。1.4合金结构钢的分类及应用可分为普通合金结构钢和特殊用途合金结构钢。前者包括低合金高强度钢、低温用钢、超高强度钢、渗碳钢、调质钢和非调质钢

8、；后者包括弹簧钢、滚珠轴承钢、易切削钢、冷冲压钢等。要求具有较高的屈服强度、抗拉强度和疲劳强度，还有足够的塑性和韧性。一般采用电弧炉和氧气顶吹转炉冶炼，要求高的采用炉外精炼、电渣重熔或真空处理、真空感应炉冶炼或双真空冶炼、合适的热处理。这类钢的合金元素含量都相当高，主要有耐蚀钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢以及具有其他特殊物理和化学性能的特殊钢。应用合金结构钢广泛用于船舶、车辆、飞机、导弹、兵器、铁路、桥梁、压力容器、机床等结构上。合金结构钢比碳素钢有更好的力学性能，特别是热处理性能优良。其牌号通常是以“数字元素符号数字”的方法来表示。牌号中起首的两位数字表示钢的平均含碳量的万分数，元素符号及其后的数

9、字表示所含合金元素及其平均含量的百分数。若合金元素含量小于1.5%，则不标其含量。高级优质钢在牌号尾部增加符号“A”例如，16Mn A、20Cr A、40Mn2 A、30CrMnSi A、38CrMoAlA等。第二章 30CrMnSiA钢化学成分、基本性能、应用30CrMnSiA钢强度高,但属中碳调质钢,具有较大的淬透性,因此焊接性能很差。 该材料调质后有很高的强度和足够的韧性，淬透性也好。下表为30CrMnSiA钢的化学成分表：表21 30CrMnSiA钢的化学成分牌号CMnSiCrNiMoVSP30CrMnSiA0.250.350.81.10.91.20.81.10.30.0300.035

10、这种钢都是在淬火+回火调质状态下使用。淬火厚得到马氏体组织，经过不同温度的回火，得到回火索氏体或回火马氏体。与低碳调质的差别是，后者含碳量提高，马氏体的形态由板条状转变为片状，属于硬脆组织。合金调质钢的最终性能决定于回火温度。一般采用500-650回火。通过选择回火温度，可以获得所要求的性能。为防止第二类回火脆性，回火后快冷（水冷或油冷），有利于韧性的提高。这种钢的纯度对焊接性有极明显的影响。硫会增加焊缝金属的结晶裂纹敏感性；磷使金属的塑性韧性降低，导致焊缝和热影响区金属的冷裂纹敏感性增大。即使钢中硫和磷的质量分数均为0.02仍有焊接裂纹敏感性，因此要求对硫、磷严加控制。对于调质后s可达到14

11、00MPa的钢，要求s、p均0.015，母材与填充金属均需采用真空熔炼工艺生产。这种钢的力学性能见 表22 ，这种钢薄钢板退火或回火状态下的力学性能见 表23表22 合金结构钢的力学性能牌 号试样毛坯尺寸/mm热处理力学性能淬火回火抗拉强度b/MPa屈服强度s/MPa伸长率5/断面收缩率/温度冷却剂温度/冷却剂第一次淬火第二次淬火不小于30CrMnSi25880油520水、油1080885104530CrMnSiA25880油540水、油10808851045力学性能钢材退火或高温回火供应状态布氏硬度（HBS 100/3000）不大于冲击功（冲击值）Akv/J不小于3922939229抗拉强度

12、b/MPa(Kgf/mm2)伸长率10/ 不小于490735（5075）16表23 30CrMnSi/30CrMnSiA薄钢板退火或回火供应状态的力学性能（YB/T513293）30CrMnSiA钢的特性30CrMnSiA是高强度调质结构钢，具有很高的强度和韧性，淬透性较高，冷变形塑性中等，切削加工性能良好，有回火脆性倾向，横向的冲击韧度差，焊接性能较好，但厚度大于3mm时，应预热到150，焊后需热处理，一般调质后使用。30CrMnSiA钢的用途举例用于制造飞机重要锻件，机械加工件和焊接件，如起落架，螺栓，对接接头，缘条，天窗盖，冷气瓶等；也有制造涡轮喷气发动机压气机转子的叶片盘和中框匣导向叶

13、片。30CrMnSiA属中碳调质钢，强度高，焊接性能较差。30CrMnSiA调质后有很高的强度和足够的韧性，淬透性也好。调质后该材料做砂轮轴，齿轮，链轮都可以。30CrMnSiA具有良好的加工性，加工变形微小，抗疲劳性能相当好。用于轴类、活塞类零配件等。用于汽车、飞机各种特殊耐零配件等。应用实例齿轮的结构分析图21焊接齿轮的辐板式结构焊接齿轮的辐板式结构，它在一块20mm,厚的轮辐板间设置辐射状隔板，其厚度为30mm，构成一个刚性很强的箱格结构，然后与250mm,厚的轮缘和160mm,厚的轮毂焊成一体，以利于通风； 辐板和肋板之间的焊缝受力不大，为角焊缝，焊脚尺寸为16mm，轮辐和轮毂之间的焊

14、接接头受力较大，故辐板开坡口焊接，以便焊透焊缝根部。坡口形式见图。辐板坡口形式如按常规整体组焊，轮毂与轮辐之间的焊缝以及轮辐和轮缘之间的焊缝都处于刚性拘束条件下，条环缝焊完时会造成两块轮辐板的温度显著升高，而轮缘和轮毂焊后温度不高，整个结构在焊接过程中，特别是在焊后冷却过程中，靠近轮毂环缝中产生的巨大的压应力是有利的；而近轮缘环缝中产生的巨大的拉应力分布极不均匀，在力的作用点附近环缝的工作应力相当高，而且是脉动的。另外，由于轮体整体刚性大，焊后消除应力较小，所以若不采取措施就会在受拉区产生严重的裂纹，为此必须调整焊接装配顺序，以减小环缝中的残余应力。1 先焊轮毂与轮辐之间焊缝，轮毂预热至100

15、后与辐板、肋板点焊在一起。辐板大且厚，因刚性大，轮毂的环形焊缝拘束度较高，所以采用分段跳焊方法。通过窗口先焊内侧焊缝，再气刨清除焊根焊外侧，焊外侧时每焊完一道焊缝应立即锤击，以释放应力，焊至距表面5mm，利用焊炬对焊缝回火一次，然后填满整个环缝。2 在加热炉中轮缘预热至250，轮缘受热后周长增加，相应直径增大，环焊缝间隙加大，焊后就可以使环缝的焊接应力大大减小，甚至变为压应力，这对避免焊缝、热影响区的裂纹和降低残余应力非常有利，出炉后用履带式加热板加热，同时利用热电偶控制轮缘及焊缝的层间温度，焊接的层间温度不低于200，通过扇形窗口先焊内侧焊缝。采用多道多层焊，焊道彼此重叠，重叠焊道不小于焊道

16、宽度的13，同时每焊一道焊缝用小圆弧面的风枪或小手锤击焊缝区，使焊缝得到延伸，从而降低内应力，锤击应保持均匀、适度，避免锤击过份产生裂纹。第三章 30CrMnSiA钢的焊接性分析30CrMnSiA钢是一种典型的Cr-Mn-Si系中碳调制钢，碳含量较高，也属于调制钢，热处理强化钢。它的淬硬性比低碳钢高的多，具有很高的硬度和强度，但韧性此相对较低，给焊接带来很大的困难，这类钢常用于强度要求很高的产品或部件。通过对30CrMnSiA钢的手工焊及自动焊、焊后不同的热处理方法之后的焊缝的强度、硬度及组织变化进行了比较分析30CrMnSiA钢采用18CrMnSiA焊丝的手工氩弧焊和自动氩弧焊均可以得到满意

17、的焊接接头,焊前经淬火和回火,焊后未热处理,手工氩弧焊的室温拉伸性能强度为893948MPa,自动氩弧焊焊后未热处理的室温拉伸强度在9481174MPa左右(断于热影响区);焊后热处理,在空气炉中淬火回火焊接接头的拉伸强度为815925MPa,在保护气体炉中淬火回火处理,接头和母材拉伸强度:接头为10811114MPa,母材为:10761103MPa.目前，飞机上的钢制零件如发动机架，机身加强隔框、接头、支座、起落架以及一些重要的螺栓等大都用它制造。据统计，起用量约占飞机上的钢制零件的80%。在航天发动机上，30CrMnSiA钢也被大量应用，如压气机叶片、压气机盘焊缝中的结晶裂纹30CrMnS

18、iA钢属于中碳调质钢，含碳量较高，结晶温度区间宽，容易出现偏析，所以这种钢对结晶裂纹比较敏感，焊接时容易在弧坑和焊缝中凹下的部位开裂。为了防止结晶裂纹，在选用焊接材料是应尽量选用含碳量比母材低，硫磷等杂质少的填充金属。在选用焊接参数是要注意降低熔比合，操作时应注意填满弧坑及保证良好的焊接成形。中碳调质钢的屈服点可达到880-1176Mpa，但焊接性较差，主要表现在： (1)焊接热影响区的脆化和软化首先，由于中碳调质钢的含碳量高、合金元素多，钢的淬硬倾向大，在热影响区的淬火区会产生大量的马氏体，导致严重脆化。其次，热影响区被加热到超过调质处理时回火温度的区域，将出现强度、硬度低于母材的软化区。

19、(2)裂纹倾向严重-中碳调质钢的淬硬倾向大,热影响区产生的马氏体组织,增大了焊接接头的冷裂倾向。 此外，中碳调质钢的碳及合金元素含量高，熔池的结晶温度区间大，偏析严重，因而具有较大的热裂纹敏感性。 冷裂纹这种钢的成分与淬透性，都决定了它在快速冷却时很容易得到对冷裂纹很敏感的淬硬组织。C的增加还使Ms点下降，而没有“自回火”效应。而且C越高马氏体的硬度与脆性越高，对冷裂纹就越敏感。为此在焊接时，为了防止冷裂纹，必须提高预热温度，并在焊后及时进行消除应力退火。表31 碳当量对焊接性能的影响CE冷冽倾向焊接性工艺措施0.4小良好不需预热和其他工艺措施0.40.6明显较差需预热或其他工艺措施0.6严重

20、差需预热或其他严格的工艺措施热影响去性能的变化这种钢的过热区脆化的主要原因是，在冷速较大时很容易形成硬脆的高碳M，而且冷速越高，M越多，脆化越严重。因此，为了减少过热区的脆化，应尽量降低800500温度范围内的冷却速度。但如果仅仅依靠加大线能量来降低冷速，不但难以抑制M的形成，而且还会因A晶粒粗化而更趋稳定，以致形成粗大的M，脆化反而更加严重。为此，为防止脆化应采取预热、缓冷和适当加大线能量相配合的措施，从而即可减少A在相变温度以上停留时间，又可降低在共析转变温度范围内的冷却速度，获得韧性较高的组织。当中碳调质钢必须在调质状态下焊接时，还必须考虑热影响区软化问题。软化的程度与钢的强的和线能量有

21、关。调质钢的强度越高，软化越严重；焊接线能量越大，软化也越严重，同时软化区的宽度越大。图31 为30CrMnSiA钢在调质状态下用不同的焊接方法焊接时，接头软化的情况。用焊条电弧焊时，热影响区最低抗拉强度为8801030MPa，而用气焊时只有590685MPa。因此，采用集中的焊接热源，有利于降低热影响区的软化程度。 a)图b)图图31 调质状态的30CrMnSiA钢焊接接头的强度分布（单位MPa） a）电弧焊 b）气焊需要指出，中碳调质钢在调质状态下焊接时，防止冷裂纹、脆化和软化的措施是相互有矛盾的，只能在防止冷裂纹的前提下精良降低软化程度，焊接质量受到一定影响。30CrMnSiA钢的焊接特

22、性30CrMnSiA钢是一种低合金高强的结构钢，在不同的热处理条件下具有不同的显微组织，因而得到不同的力学性能；在退火状态下为铁素体+珠光体；在淬火状态下为马氏体或屈氏体+马氏体；在淬火回火后可得到屈氏体组织；在焊接热循环作用下，热的组织变化复杂，还可能产生过热的魏氏体组织。30CrMnSiA钢的含碳量较高，其焊接冷裂纹倾向比18MnCrMoBA钢大，硅和碳在钢中容易偏析，特别是存在铜杂质含量较高时，可能产生焊接热裂纹，对于厚度较大的复杂构件，需要预热焊接，这种钢焊后经调制处理能获得较好的力学性能，但热处理时零件变形较大；30CrMnSiA钢可以进行焊条电弧焊、埋弧焊、二氧化碳气体保护焊、原子

23、氢焊或氩弧焊其焊接性好，薄板氧乙炔焊是容易产生裂纹，可以采用微束等离子弧焊代替；30CrMnSiA钢也可以进行等离子弧焊、熔化极脉冲氩弧焊。30CrMnSiA钢是航空工业中应用最广的一种高强度调质钢，用于制造飞机起落架、发动机架、座舱骨架、高压气瓶、连接支点等重要焊接件。手工电弧焊时选用HTJ3 碱性低氢焊条，若钢板较薄或接头强度要求不高时，也可选用HTJ5 焊条；二氧化碳气体保护焊时选用H08Mn2SiA焊丝，焊后接头强度略低于焊条电弧焊；埋弧焊自动焊选用H18CrMnA的焊丝和焊剂431；等离子弧焊时可不选用填充金属。第四章 30CrMnSiA钢的焊接工艺这种钢主要用于要求高强度而对塑性要

24、求不很高的场合，其在焊接结构制造中应用范围远不如热轧及正火钢或低碳调质钢那么广泛。由于中碳调质钢的焊接性较差，对冷裂纹很敏感，而且热影响区的性能也难以保证。因此只有在退火状态下进行焊接，焊后整体结构进行淬火+回火处理，才能比较全面的保证焊接接头的性能与母材相匹配。中碳调质钢的淬硬倾向十分明显，冷裂倾向较为严重，这是因为中碳调质钢的含碳量较高，加入的合金元素也较多，在500以下的温度区间过冷奥氏体具有更大的稳定性所致如图所示由于点较低，在低温下形成的马氏体难于产生“自回火”效应，使中碳调质钢淬硬倾向比低碳调质钢大。屈服强度在833Mpa以上碳当量超过了0.6%，属于高淬硬倾向钢。焊接中碳调质钢时

25、，为了防止冷裂纹，应尽量降低焊接接头的含氢量，除了采取预热措施外，焊后须及时进行回火处理。此外，中碳调质超高强钢还具有应力腐蚀开裂敏感性。这种应力腐蚀常发生在水和高湿度空气等弱腐蚀性介质中。为了降低焊接接头的应力腐蚀开裂倾向，应采取热量集中的焊接方法和较好的焊接线能量，避免焊件表面的焊接缺陷和划伤 。图41 30CrMnSiA钢的等温转变曲线在退火状态下进行焊接，主要的问题是防止冷裂纹，而接头性能则由焊接材料与焊后热处理来保证。因此，选择焊接材料的原则是保证焊缝在热处理后能达到与母材相等的性能，在编制焊接工艺时，需要采取必要的措施防止开裂。为此，中碳调质钢在退火状态下的焊接工艺要点如下：1）

26、在焊接方法选用上，由于不强调线能量对焊接接头性能的影响，因而基本上不受限制。2） 由于不必顾虑回火区的软化，可以采用较大的线能量并适当的提高预热温度，从而可有效地防止冷裂纹。一般的预热温度及层间温度可控制在250300之间。3） 为了保证焊缝与母材在相同的热处理条件下获得相同的性能，焊接材料应保证熔敷金属的成分与母材基本相同。同时，为了防止焊缝产生裂纹，还应对杂质和促进金属脆化元素限制更加严格，如采用C、S都低于母材p+s0.025的焊丝等。对淬硬倾向特别大的材料，为防止裂纹或脆断，必要时要牺牲一些强度，采用低强度填充金属，如可用H08CrMoA焊接32SiMnMoV钢，常用焊接材料见表41

27、表41 30CrMnSiA钢焊接材料举例牌号焊条电弧焊气体保护焊埋弧焊备注CO2焊丝Ar弧焊焊丝焊丝焊剂30CrMnSiAE8515GE10015GHT1(H08A焊芯)HT1（H08CrMoA焊芯HT3(H08A焊芯)HT3（H18CrMoA焊芯HT4 （HGH41焊芯）HT4（HGH30焊芯）H08Mn2SiMoAH08Mn2SiAH18CrMoAH20CrMoAH18CrMoAHJ431HJ431HJ260HT型焊条为航空用牌号。HT4 （HGH41）和HT4（HGH30）为用于调质状态下焊接的镍基合金焊条4）为防止延迟裂纹，焊后应及时进行热处理。若及时进行调质处理有困难，可进行中间退火

28、或在高于预热的温度下保温一段时间，以排除扩散氢并软化热影响区组织。中间退火还有消除应力的作用。30CrMnSiA钢具有回火脆性，这类钢焊后回火温度应避开火脆性的温度范围(250400)，一般采用淬火+高温回火，并在回火时注意快冷，以避免第二类回火脆性。在强度要求较高，并可以牺牲一些韧性时，可进行淬火+低温回火处理。在调质状态下焊接，要全面保证焊接质量比较困难。因为同时解决冷裂纹、热影响区脆化及软化三方面的问题，需采用的工艺措施相互有较大的矛盾，因此，只能是在保证不产生裂纹的前提下尽量保证接头的性能。在调制状态下焊接的工艺要点如下：1） 预热温度、层间温度及焊后回火温度均应低于焊前回火温度50一

29、下。2） 采用热量集中、能量密度高的焊接热源，在保证焊透的条件下尽量用小的线能量，以减小热影响区的软化。选用氩弧焊或等离子弧焊、电子束焊效果较好。3） 因焊后不再进行调质处理，焊接材料成分可与母材有较大差别。为了防止冷裂纹，可以用奥氏体不锈钢焊条或镍基焊条。第五章 防止30CrMnSiA钢裂纹的措施在焊接应力及其它致脆因素共同作用下，焊接接头中局部地区的金属原子结合力遭到破坏而形成的新界面所产生的缝隙，叫做焊接裂纹。它具有尖锐的缺口和大的长宽比的特征。裂纹是危害最严重的焊接缺陷。这主要是因为裂纹两端的缺口效应造成了严重的应力集中，很容易扩展而形成宏观开裂或整体断裂。因此，在焊接生产中，裂纹一般

30、是不允许存在的。所以要严格控制产生裂纹的因素，以保证较好的焊接质量。焊接裂纹的分类1.焊接热裂纹在焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区产生的焊接裂纹，叫做焊接热裂纹。2. 焊接冷裂纹焊接接头冷却到较低温度下（相对钢来说在Ms温度以下）时产生的裂纹，叫做冷裂纹。3. 消除应力裂纹焊件焊后在一定温度范围再次加热时，由于高温及残余应力的共同作用而产生的晶间裂纹，叫做消除应力裂纹。4. 层状撕裂层状撕裂是指焊接时，在焊接构件中沿钢板轧层形成的呈阶梯状的一种裂纹。中碳调质钢的淬硬倾向大,热影响区产生的马氏体组织,增大了焊接接头的冷裂倾向，又碳及合金元素含量高，熔池的结晶温度区间大，偏析

31、严重，因而具有较大的热裂纹敏感性。所以说易产生冷裂纹与焊接热裂纹。 5.1结晶裂纹产生的原因焊缝金属在结晶后期出现开裂，原因来自于两方面：焊缝金属在结晶后期抗裂能力（以伸长率代表）下降和拉伸应变的形成。焊接时金属材料的塑性变化见图5.11 图5.11 高温时金属材料塑性的变化结晶裂纹的产生式由于在焊缝凝固后期存在了液态薄膜，并受到拉应力的作用的结果当min时不会开裂；=min时处于临界状态；只有min时才会产生裂纹。图5.12 中的曲线1、2、3分别表示上述三种情况。图5.11 焊接时产生结晶裂纹的条件（Tl液相线温度 Ts固相线温度）防止结晶裂纹的措施主要从冶金和工艺两方面着手，其中冶金措施

32、更为重要。1） 控制焊缝中硫、磷、碳等有害元素的含量。2） 调整熔渣的碱度。焊接熔渣的碱度越高，熔池中脱硫、脱氧越完全。3） 调整焊接参数已得到抗裂能力较强的焊缝成形系数。4） 调整冷却速度。冷速越高变形增长率越大，结晶裂纹倾向也越大。5） 调整焊接顺序降低拘束应力。接头刚性越大，焊缝金属冷却收缩时受到的拘束应力也越大。52冷裂纹的防止措施冷裂纹产生的主要因素：一是 钢中含有的磷杂质以Fe2P和Fe3P的形式存在，Fe3P能与铁形成低熔点共晶，聚集于晶界消弱晶粒建的结合力，使钢在低温或常温下变脆，造成冷裂纹；二是 焊接过程中由于化学反应，空气或水的分解等因素，焊缝中溶解了一定量的氢，氢能向焊缝

33、缺陷出流动富集形成氢脆，甚至形成“氢至延迟裂纹”这是冷裂纹中最严重也是最危险的问题；三是 焊缝中存在氮、氧原子或化合物也能使金属变脆，引起冷裂纹；四是 淬火倾向大的钢或厚板刚性大的焊接由于没有采取预热或缓冷的措施，冷却速度快造成较大的内应力和焊接残余应力，这个应力超过了材料所能承受的力就会产生裂纹。53严格控制氢的来源氢是形成冷裂纹的一个重要因素，在形成冷裂纹的过程中的作用于其溶解度和扩散规律有关。由于氢在金属各相中的溶解度不同，其就以过饱和的形式残留于马氏体或贝氏体中，并扩散到应力中或晶格缺陷处结合成分子，形成较高的局部应力，再加上热应力、组织应力的共同作用就可能造成开裂。氢致裂纹的延迟，氢

34、逐渐向开裂部位扩散集中，结合成分子并形成一定的压力的过程。焊缝中氢的平均浓度越高，则迁移的氢数量越多，迁移速度也越高。 图5.31 延迟断裂时间与应力的关系综上所述氢是形成冷裂纹以及断裂的重要因素，因此，从焊接材料、焊接方法以及工艺等方面严格控制氢的来源，选用低氢钠型、低氢钾型焊条，严格清理待焊处两侧20mm之内的油污等杂质。对焊丝、焊条、焊剂在干燥条件下使用，焊丝彻底清理表面的油污等杂质，焊条依照工艺保证烘干（在严格的烘干温度与保温时间内）5.4焊前预热30CrMnSiA钢含碳量与合金元素的含量较高，淬硬倾向较大，焊前应进行预热，这样可以有效地降低冷却速度，从而改善接头的组织，降低拘束应力，

35、并有利于氢的析出，可有效地防止冷裂纹的产生。钢的强度与预热问的关系见图5.41 图5.41 钢种强度与预热温度的关系在选择线能量时必须防止热区因沉淀强化相得溶解而造成脆化，故线能量不宜过大。大的线能量对含碳及合金元素较多的钢，还需要考虑防止冷速过大而出现淬火组织或冷裂纹，因而线能量也不宜过小。线能量对冷速的调节范围是很小的，所以要同时防止过热和冷裂纹两方面的问题，这时还必须预热或后热措施，从而既防止了冷裂纹，又避免了过热脆化，接头韧性的以保证。图54 为过热区焊接热循环示意图图5.42 过热区焊接循环示意图1 小线能量 2大线能量3 采用预热的理想情况5.5焊后热处理焊后进行不同的热处理，可以

36、分别起到起到消除扩散氢、降低和消除残余应力、改善组织或降低硬度等作用。焊后常用的热处理制度有消氢处理、消除应力退火、正火和淬火（或淬火+回火）在焊接过程中，由于加热和冷却的不均匀性，以及构件本身产生拘束或外加拘束，在焊接工作结束后，在构件中总会产生焊接应力。焊接应力在构件中的存在，会降低焊接接头区的实际承载能力，产生塑性变形，严重时，还会导致构件的破坏。30CrMnSiA钢材料在焊接以后，其焊接接头会出现淬硬组织，使材料的机械性能变坏。此外，这种淬硬组织在焊接应力及氢的作用下，可能导致接头的破坏。如果经过热处理以后，接头的金相组织得到改善，提高了焊接接头的塑性、韧性，从而改善了焊接接头的综合机

37、械性能。常用的方法有两种：一是整体高温回火，即把焊件整体放入加热炉内，缓慢加热到一定温度，然后保温一段时间，最后在空气中或炉内冷却。用这种方法可以消除80%-90%的焊接应力。另一种方法是局部高温回火，即只对焊缝及其附近区域进行加热，然后缓慢冷却，降低焊接应力的峰值，使应力分布比较平缓，起到部分消除焊接应力的目的。第六章 30CrMnSiA钢焊接质量检验方法焊接缺陷在焊缝中位置的不同，可分为外部缺陷与内部缺陷两大类。外部缺陷位于焊缝区的外表面，用肉眼或低倍放大镜即可观察到。焊缝尺寸不符合要求、咬边、焊瘤、弧坑、烧穿、下榻、外部气孔、表面裂纹等。内部缺陷位于焊缝的内部：未焊透、未熔合、夹渣、夹杂

38、物、气孔、焊接裂纹等。外部缺陷可以用低倍放大镜与焊接检验尺进行检验，焊接尺寸的检验主要检验焊接完成后零件的外形尺寸，焊缝的外形尺寸（焊缝的余高、宽度）表61 焊缝目测检验的项目检验项目检验部位质量要求备注清理质量所有焊缝及其边缘无焊渣、飞溅及阻碍检验的附着物几何形状焊缝与母材相连处焊缝完整，不得有焊漏，连接处应圆滑过渡可用焊接检验尺测量焊缝形状和尺寸急剧变化的部位焊缝高低、宽窄及结晶焊波应均匀焊接缺陷1. 整条焊缝和热影响区附近2. 重点检查焊缝的接头部位、收弧部位、几何形状和尺寸突变部位1. 无裂纹、夹渣、焊瘤烧穿等缺陷2. 外部气孔、咬边应符合有关标准规定接头部位易产生焊瘤、咬边等缺陷收弧

39、部位易产生弧坑、裂纹等缺陷伤痕补焊装配拉肋板拆除部位无缺肉及遗留焊疤母材引弧部位无表面气孔、夹渣、裂纹、疏松等缺陷母材机械划伤部位划伤部位不应有明显棱角和沟槽，伤痕深度不超过有关标准规定30CrMnSiA钢在进行热处理后零件变形较大，所以在焊后检验时应认真检测。对于焊接内部缺陷的要用射线照相法探伤进行检验,检验时应正确的选择射线方向与功率。观察底片上产生黑色的缺陷痕迹，来确定内部缺陷的形状尺寸、位置等。对于缺陷位于或接近工作表面时，也可用磁粉探伤进行检验。这些缺陷存在时，则磁力线不但在工件内部产生弯曲，而且还会还会穿过工件表面漏到缺陷附近空气中形成一个微小的局部磁场，如果把磁粉的悬浮液喷洒在工件表面上，磁粉将在缺陷处被吸附，形成与缺陷形状相应的磁粉聚集线，以便观察缺陷。 由于30CrMnSiA钢在为防止冷裂纹的产生，焊接时选用了不锈钢焊条，A为面心立方晶格，所以没有磁性不能进行磁粉探伤。为此，选用渗透探伤，这种