钢的焊接性及评价研究1

1、 陕西航空职业技术学院毕业设计（论文）说明书 材料工程系 系 焊接技术及自动化 专业 毕业设计（论文）题目正火14MnMoV钢的焊接性及评价研究学生姓名 李凯 学号 27 指导教师 张玉萍 职称 助教 2012 年 11月 4 日毕业设计（论文）任务书材料工程系 系 焊接技术及自动化 专业学生姓名 李凯 学号 1073127一、毕业设计（论文）题目 正火14MnMoV钢的焊接性及评价研究二、毕业设计（论文）时间 2012 年 9 月 20 日至 2012 年 12月 20日三、毕业设计（论文）地点： 陕西航空职业技术学院 四、毕业设计（论文）的内容要求：1、 明确低合金结构钢的类别、应用、基本

2、性能2、 明确14MnMoV钢的化学成分、基本性能、作用3、 分析14MnMoV钢焊接的焊接性4、 分析14MnMoV钢焊接的工艺要求5、 论述防止14MnMoV钢的焊接裂纹的措施6、 分析14MnMoV钢焊接质量检验方法指导教师 张玉萍 2012 年 9月 2日批 准 年 月 日目录1.前言(1)2.低合金结构钢的类别、应用及焊接特点(3)3.14MnMoV钢的化学成份、基本性能及应用(4)4. 14MnMoV钢的焊接性分析(5)4.1材料分析(6)4.2焊接施工流程(7)4.3焊接工艺参数的选择(7)4.4现场焊接顺序(8)4.5现场技术管理(9)4.6结论(9)5.防止14MnMoV钢的

3、焊接裂纹的措施(10)5.1消除应力裂纹特征(10)5.2消除应力产生的原因(10)5.3防止消除应力裂纹的措施(12)5.4工艺方面的措施(13)6.14MnMoV钢的焊接质量检验方法(14)7.毕业设计总结(19)8.致谢(20)9.参考文献(21)前言机械工业是为所有的工业，农业，国防以及交通运输业提供机器和装备的工业。在实现我国四个现代化的过程中，必须贯彻党的总路线精神，不断解决自行设和制造效能高、寿命长、重量轻、体积小、容量大、成本低的机器和设备的问题。为了完成这一光荣而艰巨的任务，使机械设计与制造能力在短时间内超世界水平，除了必须解决设计与制造和使用的科学。而机械制造中的材料问题，

4、一部分是属于金属材料本身的成分与质量问题，另一部分是属于材料的选用是否适当，在加工处理的工艺上是否发挥了材料的最大潜力的问题。因此，在提高金属材料的产量和质量的同时，还要提高和发挥材料的各种性能，充分挖掘潜力，做到既合实用又节省，只有这样才能达到多，快，好，省建设社会主义的目的。我国解放前合金钢的科学和生产几乎完全是空白点。解放后，我国机械工业的发展速度是世界上前所罕见的。在近2030年间，不锈钢的出现和大量的使用，推动了不锈钢工业的进程。不锈钢由于具有优良的耐蚀性、耐磨性、强韧性和良好的可加工性，外观的精美性，以及无毒无害性，广泛地应用与宇航、海洋、军工、化工、能源等方面，以及日用家具、建筑

5、装潢、交通车辆的装饰上。合金元素多、组织结构复杂且多半给不锈钢及耐蚀耐热合金焊接带来很大的困难。焊接接头的性能好坏，直接关系着设备使用的安全性。国内外对不锈钢及耐蚀耐热合金钢的焊接做了大量的研究工作，其焊接性、焊接材料及焊接工艺的研究几乎与母材的研究同步，促进了不锈钢及耐蚀耐热合金的发展。有关这方面的研究成果和文献资料虽然很多，但较为系统的还是寥寥无几，在实际工作中，一部分有关的焊接技术人员和焊工，对不锈钢及耐蚀耐热合金钢的焊接知识了解不多，有的甚至直接照搬低合金钢的工艺和方法。虽然我国在这几年在不锈钢上的努力有目共睹，但与世界先进国家相比，差距还是很大的。为了尽快弥补这一差距，需要我们现代化

6、的科技人才而我们也需要付出更多。随着社会主义革命和现代化建设事业的迅猛发展以及人们对高品质的生活的要求，不锈钢极其相关的技术科学将得到不断地发展和完善。在世界上45 的钢的连接是用焊接方法来完成的，手工电弧焊又是我们生活生产中不可缺少的一部分，目前我用的越来越多的钢就奥氏体不锈钢，所以对于奥氏体不锈钢的焊接的研究已经越来越迫在眉睫。我做这篇论文就是从手工电弧焊方面来研究奥氏体不锈钢的焊接。主要从材料的力学性能化学成分，和通过焊接性的分析来讨论奥氏体不锈钢的焊接性能。最能直观表现奥氏体不锈钢焊接性能的就是焊接工艺指导书，我们通过焊接工艺指导书的编制来反应奥氏体不锈钢的焊接性能。题目：正火14Mn

7、MoV钢的焊接性及评价研究第一节.低合金结构钢的类别、应用及焊接特点一.低合金高强度结构钢（1）低合金高强度结构钢的应用目前，我国的生产的低合金钢品种较多，由于产品质量的不断提高和生产成本的降低，使其在桥梁、船舶、车辆、起重运输和农机等领域得到了广泛的的应用。（2）低合金高强度结构钢的焊接特点低合金钢的含碳量低，合金元素少，塑性好，不易在焊缝区产生淬火组织及裂纹，且钢种的Ti、Nb、V还可抑制焊缝区的晶粒长大，使其焊接性能大大提高。二.低合金耐热钢( 1 ) 低合金耐热钢的应用我国的耐热钢分为焊接结构用耐热钢和高耐热性结构钢两大类。前一类适用于桥梁、建筑及其他耐热性的结构件；高耐热性结构钢适用

8、于车辆、建筑、塔架和其他要求的高耐热性的钢结构，可根据不同需要制成螺栓连接铆接和焊接结构件。三.低合金专用钢（1）低合金专用钢的应用为了适应某些专业的特殊需要，对低合金高强度钢的成分工艺及性能作了相应的调整和补充规定，从而发展了门类众多的低合金专用钢。例如：锅炉、各种压力容器、船舶、桥梁、汽车、农机、自行车、矿山、建筑钢筋等，许多已纳入国家标准。第二节.14MnMoV钢的化学成分、基本性能及应用 一.化学成份14MnMoV钢的含碳量较低,一般为（Wc=0.1%0.25%）,并以锰为主加元素（Wmn=1.4%）,硅含量较普通碳素钢高（Wsi=0.2%0.6%）,附加Mo和V以进一步改善钢的性能。

9、二基本性能高的屈服强度与良好的塑性和韧性 低合金结构钢的屈服强度比碳素结构钢要高25%50%，特别是屈服比(sb)明显提高；它的塑性和韧性也比较好，伸长率5=15%23%,室温冲击韧性aK>6080J。二应用14MnMoV钢用于制造大型船舶、重要桥梁、电站设备及锅炉、化工、石油等中高压容器。 第三节.14MnMoV钢的焊接性分析对于什么是焊接性，GB/T3375-94焊接术语中注明：“材料在限定的施工条件下，焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力”。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。14MnMoV钢属于低合金钢，由于合

10、金元素含量高，碳当量大，对淬硬倾向大，进而冷裂纹倾向大，所以最好焊前预热，去氢，改善组织性能，由于锰元素含量较高，一般不易产生热裂纹，但高镍钢除外，当镍的含量大于2.5%时候，很容易产生热裂纹，热影响区易脆化及晶粒粗大，所以适当的降低焊接线能量，如果钢种的合金元素的含量过高的话，线能量也不能太低，防止产生淬硬组织。 一.根据讨论问题的着眼点不同，焊接性可分为：（1） 工艺焊接性（2） 使用焊接性二.影响焊接性的因素主要有以下几点：（1） 材料因素（2） 焊接方法（3） 构件类型（4） 使用要求 金属的焊接性与材料成分、焊接方法、构件类型、使用要求都有密切的关系，所以不应脱离这些因素而单纯的从材

11、料本身的性能来评价焊接性。从上述分析可以看出，很难找出一项技术指标可以概括焊接性，只有通过综合多方面的因素才能分析焊接性问题。 分析金属的焊接性我们在不要求做非常准确的情况下我们可以根据碳当量、材料的化学性能、材料的物理性能来判断，如果要求需要很准确的话我们可以通过焊接性试验来判定。14MnMoV的焊接性能我们就从这方面来判定：一、材料分析 1. 14MnMoV化学成分如下表（%）：元素 C Mn Si P S Al V Nb Ti 14MnMoV力学性能如下表（%）：机械性能指标 伸长率（%） 试验温度0 抗拉强度MPa 屈服点MPa数值 522 J34 b（470-650） s（324-2

12、59） 其中壁厚介于16-35mm时，s325Mpa；壁厚介于 35-50mm时，s295Mpa 2. 14MnMoV钢的焊接特点 2.1 碳当量(Ceq)的计算 Ceq=C+Mn/6+Ni/15+Cu/15+Cr/5+Mo/5+V/5 计算Ceq=0.49%，大于0.45%，可见Q345钢焊接性能不是很好，需要在焊接时制定严格的工艺措施。 2.2 14MnMoV钢在焊接时易出现的问题 2.2.1 热影响区的淬硬倾向 14MnMoV钢在焊接冷却过程中，热影响区容易形成淬火组织-马氏体，使近缝区的硬度提高，塑性下降。结果导致焊后发生裂纹。 2.2.2 冷裂纹敏感性 14MnMoV钢的焊接裂纹主要

13、是冷裂纹。二、焊接施工流程 坡口准备点固焊预热里口施焊背部清根（碳弧气刨）外口施焊 里口施焊自检/专检焊后热处理无损检验（焊缝质量一级合格）三、焊接工艺参数的选择通过对14MnMoV钢的焊接性分析，制定措施如下： 1. 焊接材料的选用 由于14MnMoV钢的冷裂纹倾向较大，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的原则，选用E5015 （J507）型电焊条。 化学成分见下表（%）：元素 C Mn Si S P Cr Mo V Ti含量 0.071 1.11 0.53 0.009 0.016 0.02 0.01 0.01 0.01力学性能：机械性能指标 b（Mpa） s（Mpa）

14、5（%） （%） AkvJ-30数值 440 540 31 79 164 114 76 2. 坡口形式：（根据图纸和设备供货） 3. 焊接方法：采用手工电弧焊（D）。 4. 焊接电流：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。具体措施为：选用小直径焊条、窄焊道、薄焊层、多层多道的焊接工艺（焊接顺序如图一所示）。焊道的宽度不大于焊条的3倍，焊层厚度不大于5mm。第一层至第三层采用3.2电焊条，焊接电流100-130A；第四层至第六层采用4.0的电焊条，焊接电流120-180A。 5. 预热温度：由于14MnMoV钢的Ceq0.45%，在焊接前应进行预热，预热温度T0=100-1

15、50，层间温度Ti400。 6. 焊后热处理参数：为了降低焊接残余应力，减小焊缝中的氢含量，改善焊缝的金属组织和性能，在焊后应对焊缝进行热处理。热处理温度为：600-640，恒温时间为2小时（板厚40mm时），升降温速度为125/h 。四、现场焊接顺序： 1. 焊前预热 在翼缘板焊接前，首先对翼缘板进行预热，恒温30分钟后开始焊接。 焊接的预热、层间温度、热处理由热处理控温柜自动控制，采用远红外履带式加热炉片，微电脑自动设定曲线和记录曲线，热电偶测量温度。预热时热电偶的测点距离坡口边缘15mm-20mm。 2. 焊接 2.1 为了防止焊接变形，每个柱接头采用二人对称施焊，焊接方向由中间向两边施

16、焊。在焊接里口时（里口为靠近腹板的坡口），第一层至第三层必须使用小规范操作，因为它的焊接是影响焊接变形的主要原因。在焊接一至三层结束后，背面进行清根。在使用碳弧气刨清根结束后，必须对焊缝进行机械打磨，清理焊缝表面渗碳，露出金属光泽，防止表层碳化严重造成裂纹。外口焊接应一次焊完，最后再焊接里口的剩余部分。 2.2 当焊接第二层时，焊接方向应与第一层方向相反，以此类推。每层焊接接头应错开15-20mm。 2.3 两名焊工在焊接时的焊接电流、焊接速度和焊接层数应保持一致。 2.4 在焊接中应从引弧板开始施焊，收弧板上结束。焊接完成后割掉并打磨干净。 3. 焊后热处理：焊口焊接完成后应在12小时内进行

17、热处理。如不能及时进行热处理应采取保温、缓冷措施。在进行热处理时，应采用两根热电偶测温，热电偶点焊在焊口的里外侧。 4. 焊接检验 根据钢结构工程施工及验收规范的要求，焊口采用超声波探伤法进行检验，检验比例为100%。 五、现场技术管理 1. 编制详细的焊接施工作业指导书。 2. 全过程控制焊接工艺是确保质量的核心。 每个柱接头的焊接时，应有专人监控焊接工艺，如焊工不按作业指导书施工应立即终止焊接。在焊接过程中，热处理人员应全程监控层间温度，如超标应立即通知焊工暂停。 3. 提高施工人员质量意识是贯彻焊接工艺的关键 在施工前，进行全员交底，并且开取施工工艺卡。交底中详细讲解焊接工艺特点及严格控

18、制现场焊接工艺的必要性和控制要点。六、结论 按此焊接工艺措施施工，在现场共焊焊口102道，经无损检验一次合格率达到100%。经过实际施工的验证，此焊接工艺措施不仅能在现场指导对14MnMoV钢的焊接，而且能够保证焊接质量。第四节.防止14MnMoV钢的焊接裂纹的措施一、应力裂纹特征应力裂纹具有以下明显特征： 产生于焊后再次加热的条件下，对于应力裂纹敏感性的钢，都存在一个最易产生应力裂纹的温度区间。如沉淀强化的低合金钢为500700之间，在此温度范围内裂纹率最高而且开裂所需时间最短。不同材料产生应力裂纹的温度范围不同。 应力裂纹大都产生在熔合区附近的粗晶区，有时也可能产生于焊缝中，具有典型的晶间

19、开裂性质。裂纹沿原奥氏体晶界扩展，终止在细晶区。 应力裂纹的产生是以大的残余应力为决定条件，因此常见于拘束度较大的大型产品上应力集中的部位。应力集中系数K越大，开裂所需的临界应力Cr越低。 与母材的化学成分有关，含有Cr、Mo、V等能起沉淀强化作用元素的钢，对消除应力裂纹的敏感性较高。此外，如沉淀硬化型的耐热合金、抗蠕变铁素体钢、沉淀硬化奥氏体钢等，也有应力裂纹倾向。              二、应力产生的原因应力裂纹的产生是由于晶界优先滑动而导致微裂纹发生并扩张

20、所致。即焊后再热时，在残余应力松弛的过程中，粗晶区应力集中部位的晶界滑动变形量超过了该部位的塑性变形能力，就会产生应力裂纹。理论上消除应力裂纹产生的条件可用下式表示：ee0            式中  e粗晶区局部晶界的实际塑性应变；    e0粗晶区局部晶界的实际塑性变形能力，即不产生开裂的临界应变量。实际的塑性应变，主要是由焊接接头中的残余应力在再加热过程中发生应力松弛而引起的。所谓应力松弛是指存在残余应力的构件，在温度升高时应力逐渐释放而

21、总变形不变的现象。因此，在应力释放过程中，与应力成正比的弹性变形逐渐减小，而塑性变形增加，而原有的应力水平越高，则塑性变形增加的幅度越大。晶界的塑性变形能力，则取决于晶界的性质、晶内抗蠕变能力及晶粒尺寸等因素。杂质在晶界偏析导致晶界塑性变形能力的减弱，沉淀强化相的析出使晶内的抗蠕变能力的增加，都促使晶界成为薄弱环节，造成塑性变形集中在晶界发展。当晶界的实际变形e增加到使式成立时，就形成了沿晶界开裂的应力裂纹。   三、 防止应力裂纹的措施应力裂纹的产生主要取决钢种的化学成分和过热区应力集中部位残余应力的大小。因此，其防治措施主要也从这两方面着手。 选用对应力裂纹敏

22、感性低的母材   在制造焊后必须进行应力处理的结构时，应选用对应力裂纹敏感性低的母材，从而可从根本上避免在热裂纹的产生。选材时，可对几种可用材料的  G或PSR值进行对比，并参照国内外生产实例加以验证。此外，还应考虑杂质的影响，尽量降低S、P、As、Sb、Sn等元素的含量。 选用低强度高塑性的焊接材料   应力裂纹多发生在过热区的应力集中部位，这是因为这些部位在再热过程中产生较大蠕变同时晶界强度又比较低的缘故。如能使蠕变能集中在体积较大而塑性又高的焊缝，就可以防止应力裂纹的产生。采用强度低、塑性较高的焊接材料就可以满足这一要求，但这一措施只有当

23、焊缝强度足够时才可应用。    控制结构刚性与焊接残余应力   通过改进接头的形式，可以降低结构的刚性从而防止了应力裂纹。如大型厚壁容器入孔及下降管接头都是内使伸式，接头刚度大，应力集中严重，焊后有较高的残余应力，退火过程中很容易产生裂纹。四、工艺方面的措施 预热。 预热是防止应力裂纹的有利措施之一，在200450温度范围内预热可以取得较好的效果。为了防止应力裂纹，应将原定的预热温度适当提高。 焊后及时进行后热。 后热可起到与预热相同的效果，并可降低预热温度。以18MnMoNb钢为例，为防止冷裂纹及应力裂纹，则应将预热温度t0提高到230。如果

24、在焊后及时进行180×2h的后热，则t0可降到150。 控制线能量。 线能量对应力裂纹的影响比较复杂，与钢种的成分、热影响区的状态和残余应力的分布等因素有关。对于条件一定的具体结构而言，一般的规律是增大线能量，可以降低冷却速度，减小残余应力，使应力裂纹倾向减小。但线能量过大，则会使热影响区奥氏体晶粒粗化，反而使应力裂纹倾向增大第五节.14MnMoV钢的焊接质量检验方法 焊接检验内容包括从图纸设计到产品制出整个生产过程中所使用的材料、工具、设备、工艺过程和成品质量的检验，分为三个阶段：焊前检验、焊接过程中的检验、焊后成品的检验。检验方法根据对产品是否造成损伤可分为破坏性检验和无损探伤两

25、类。破坏性检验有：力学性能试验、化学分析试验、金相检验。非破坏性检验有：外观检验、无损探伤、强度试验、致密性试验。 焊前检验 焊前检验包括原材料（如母材、焊条、焊剂等）的检验、焊接结构设计的检查等。 焊接过程中的检验 包括焊接工艺规范的检验、焊缝尺寸的检查、夹具情况和结构装配质量的检查等。 焊后成品的检验 焊后成品检验的方法很多，常用的有以下几种： 外观检验 焊接接头的外观检验是一种手续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，主要是发现焊缝表面的缺陷和尺寸上的偏差。一般通过肉眼观察，借助标准样板、量规和放大镜等工具进行检验。若焊缝表面出现缺陷，焊缝内部便有存在缺陷的可能。 致密性

26、检验 贮存液体或气体的焊接容器，其焊缝的不致密缺陷，如贯穿性的裂纹、气孔、夹渣、未焊透和疏松组织等，可用致密性试验来发现。致密性检验方法有：煤油试验、载水试验、水冲试验等。 受压容器的强度检验 受压容器，除进行密封性试验外，还要进行强度试验。常见有水压试验和气压试验两种。它们都能检验在压力下工作的容器和管道的焊缝致密性。气压试验比水压试验更为灵敏和迅速，同时试验后的产品不用排水处理，对于排水困难的产品尤为适用。但试验的危险性比水压试验大。进行试验时，必须遵守相应的安全技术措施，以防试验过程中发生事故。 物理方法的检验 物理的检验方法是利用一些物理现象进行测定或检验的方法。材料或工件内部缺陷情况

27、的检查，一般都是采用无损探伤的方法。目前的无损探伤有超声波探伤、射线探伤、渗透探伤、磁力探伤等。   毕业设计总结近年来，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。因此，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各种不同生产的场。提高焊接生产效率，一方面是为了降低焊接成本。指出，焊接生产效率，从某种角度上讲

28、，主要是由单位时间内填充金属的熔化量-熔敷速度来衡量的。但提高熔敷速度意味着热输入的增加，对于采用单一电弧焊接而言，为了防止由于热输入增加而引起的焊接变形，一般采用提高焊接速度。但因焊接速度的提高易产生未焊透、焊道不连续、咬边等缺陷，应用双弧焊可避免上述缺陷的产生⁵。目前，从国内外对双弧焊接工艺方法研究的现状来看，按电弧的种类与位置来分，其研究主要集中在三个方面：单面双弧焊、复合双弧焊、双面双弧焊。将这三个方面进行综合论述与分析。双面双弧对称焊技术可彻底消除未焊透缺陷，最大限度地降低焊接变形。周大中等根据绳索取芯钻杆焊缝内表面不得有余高的要求，提出

29、了钻杆外等离子弧焊（PAW）和钻杆孔内钨极氩弧焊（TIG）同时进行的PAW-TIG联焊方法，尽管该工艺的适用范围很窄，但其焊接生产效率却非常可观。哈尔滨工业大学的高洪明等对双TIG电弧双面对称焊进行了研究，取得一定的研究成果。大庆石油化工总厂机修厂在铝料仓的纵、环缝焊接中，采用了MIG-MIG电弧内外侧同步焊的技术，实践证明采用熔化极内外侧同步半自动氩弧焊的焊接方法，提高了生产效率，保证了焊接质量，节省了焊接材料。 美国Kentucky大学张裕明等人在传统双面电弧焊接基础上进行了进一步研究，采用单电源的等离子弧（PA）和钨极氩弧（TIG）对焊缝正反面同时施焊（图9），通过TIG弧扩大了等离子弧的小孔效应，显著提高了焊接生产效率，提高了熔合比，增加了熔深，减小了热影响区及焊接变形，能够得到满意的力学性能，适合于中厚焊接。美国同时也开展了对双TIG弧双面对称焊的研究，并已成功地应用于2014T6铝合金火箭发动机圆柱筒体的焊接。 目前，对双面电弧焊（DSAW）的研究尚不够深入、也不够成熟，但其工艺的应用显著提高了焊接生产效率，减小焊接变形，改善了焊缝质量。虽然存在焊接位置的限制，但双面电弧焊仍不失为