焊接专业课程设计

1、Q345钢焊接工艺设计学 院：机械工程学院 专业班级：材料成型及控制工程专业08级1班 指导老师：卜志翔老师 摘要此文主要针对Q345的焊接性进行分析，分析焊接结构特点，绘制焊接结构装配图，制定合理的焊接工艺，进行焊后检验，制作焊接工艺卡。关键词 Q345钢；焊接工艺；焊接结构装配；焊后检验；焊接工艺卡。结构材料为Q345钢，Q345钢壁厚均为10mm，鼓筒外直径为1000mm焊接工艺设计。做端板与鼓筒的焊接工艺。1、进行焊接结构件的分析如上图a的旋转体：该旋转体由筋板、轮辐、轮毂、鼓筒端板几部分组成。轮毂时是轮体与轴相连的部分，转动力矩通过它与轴之间的过盈配合或键进行传递，它的结构是个简单的

2、厚壁圆筒体。轮毂的工作应力一般不高，所用材料的强度应等于或略高于轮辐所用材料的强度，用低合金结构钢Q345钢能满足其焊接性要求。轮毂毛坯为铸钢件或锻件，也有用厚钢板弯制焊成。轮辐位于轮缘和轮毂之间，主要起支撑轮缘和传递轮缘与轮毂之间扭矩的作用，它的构造对轮体的强度和刚度以及对结构质量有重大影响。轮辐为焊接结构，所用材料一般选用焊接性较好的普通结构钢，此处Q345钢能满足其要求。这里的轮缘即鼓筒，起支承与夹持工作部件的作用。2、Q345钢的焊接性分析Q345钢属16Mn系列钢种，一般在热轧状态下供货，它具有良好的综合力学性能、低温冲击韧性,冷冲压性及切削性，在机械行业中应用极广，可以制造大型船舶

3、、铁路车辆、桥梁、管道、锅炉、压力容器、石油储存罐、起重机械、厂房钢架等承受负荷的焊接结构。Q345钢属于热轧钢，焊接性重点分析的内容是冷裂纹、热裂纹、消除应力裂纹、层状撕裂（厚大件）。Q345的化学成分见表1，其力学性能见表2。表1Q345钢的材料化学成分钢号化学成分CSiMnSPCrMoVNiQ3450.20.551.001.600.0450.045_0.020.15_表2 Q345钢的力学性能钢号热处理状态屈服强度s/MPa抗拉强度b/MPa伸长率5(%)冲击吸收功AKU/JQ345热轧34549020592.1 冷裂纹产生的原因及防止的措施热轧钢含有少量的合金元素，碳当量比较低，一般情

4、况下冷裂倾向不大。由于焊接热影响区的淬硬及冷裂纹倾向与钢种的化学成分有密切关系，因此可以用化学成分间接的评估钢材冷裂纹的敏感性。把钢中的合金元素的含量按相当于若干碳含量折算并叠加起来，作为粗略评定钢材冷裂纹倾向的参数指标，即所谓碳当量（CE或Ceq）。Q345钢碳当量的计算可以通过日本工业标准（JIS）的碳当量公式:Ceq(JIS) = C + Mn/6 + Si/24 + Ni/40 + Cr/5 + Mo/4 + V/14(%)来求解出 Ceq(JIS) 0.385，由表3可知1表3：根据钢材强度和碳当量确定预热温度钢材强度级别b/MPa碳当量界限Cep（JIS）（%）工艺措施5000.4

5、6焊接时不需预热6000.52焊前预热750C7000.52焊前预热1000C8000.62焊前预热1500C焊接时可不需预热，实际应用时常预热到某一较低温度。钢种的淬硬倾向、一 定的含氢量和足够的拘束应力是焊接时产生冷裂纹的三大主要因素。下面也从这三方面分析Q345(16Mn)的冷裂纹倾向。（1） 淬硬倾向 与低碳钢相比，Q345钢在连续冷却时，珠光体转变右移较多，使快冷过程中铁素体析出后剩下的富碳奥氏体来不及转变为珠光体，而是转变为含碳量较高的贝氏体和马氏体，具有淬硬倾向。 16Mn焊条电弧焊冷速快时，热影响区会出现少量铁素体、贝氏体和大量马氏体。而低碳钢焊条电弧焊时，则出现大量铁素体、少

6、量珠光体和部分状体。因此，16Mn热轧钢与低碳钢的焊接有一定差别。但当冷却速度不大时，两者相近。16Mn由于其含碳量低，故在淬火时，如冷却速度不是太快，就会得到低碳马氏体组织，或者是铁素体+珠光体组织，由于这些组织的硬度不高，因而其淬硬倾向小，只有在冷却速度较快时，才会得到高碳马氏体组织，则有一定的淬硬倾向。 （2） 含氢量焊接时，焊缝中的氢主要来源于焊接材料中的水分、焊件坡口处的铁锈、油污，以及环境湿度等。对16Mn来说，只要板厚不太大且冷却速度控制得当，由于焊接温度高，增强了氢的活动能力，使大部分氢会从焊缝中扩散逸出同时，当焊缝冷却时，其组织会由奥氏体向铁素体等转变，由于氢在奥氏体中的溶解

7、度大大高于在铁素体中的溶解度，会有部分氢逸出。因而到最后，焊缝中的残余氢量就不足以形成冷裂纹。（3） 拘束应力焊接时，焊缝中的应力主要包括热应力、组织应力和由于白身拘束条件所造成的应力。目前，普遍采用拘束度(R)综合表示这三种应力的大小，拘束度的计算可采用如下公式: R=K1 式中:K一板厚拘束度系数，N/ ( mm. mm) ; 一板厚，mm;由上式可见，拘束度与材料板厚有很大关系，板厚越大，所造成的拘束度也越大，则拘束应力也就越大，因而我们只要选择合适的板厚，就可以控制拘束应力。综上所述，16Mn钢在板厚不是太大，冷却速度适当的情况下是不会出现冷裂纹的，只有在板厚(40mmn以上)太大，冷

8、速较快的情况下，才有出现冷裂纹的倾向，不过，我们可以通过焊前适当预热等措施来预防。2.2 热裂纹产生的原因及防止的措施由于碳含量较低而Mn含量较高，因此这类钢的WMn/WS能达到要求，具有较好的抗热裂性能，焊接过程中热裂纹倾向较小，一般情况下焊缝中不会出现热裂纹。个别情况下会出现热裂纹，主要与热轧钢中C、S、P等元素含量偏高或严重偏析有关。从工艺上设法减小母材在焊缝中的熔合比，增大焊缝成形系数，有利于防止焊缝金属的热裂纹。也可以通过焊接材料来调整焊缝金属的成分，降低焊缝中的碳含量和提高焊缝中的Mn含量。焊缝中的碳含量越高，为了防止硫的有害作用所需的Mn含量也要求越高；随着碳含量的的增加，要求M

9、n含量与S含量的质量分数之比也提高。当碳含量为0.12%时，Mn含量与S含量的质量分数之比不应低于10；而碳含量为0.16%时，Mn含量与S含量的质量分数之比就应大于40才能不出现热裂纹。Si的有害作用也与促使S的偏析有关，因此Si含量高时，热裂纹倾向也增加。2.3 消除应力裂纹在拘束度大的厚大工件中或应力集中部位易于出现消除应力裂纹,可采取提高预热温度或焊后立即后热等措施来防止消除应力裂纹的产生。事实上，Q345钢的消除应力裂纹问题不明显。2.4 脆化产生的原因及防止的措施2.4.1 粗晶区脆化 被加热到1200oC以上的热影响区可能产生粗晶区脆化，韧性明显降低。这是由于热轧钢焊接时采用过大

10、的焊接输入，粗晶区将因晶粒长大或出现魏氏组织而降低韧性；焊接热输入过小，粗晶区中马氏体组织所占的比例增大而降低韧性；这在焊接碳含量偏高的热轧钢时较为明显。对16Mn钢来说，当碳含量偏于下限(0.12% -0.14%)时，由于其本身含碳量少，又是通过固溶强化方式来获得较好的强度和韧性的，因而其脆化倾向小。只有当焊接线能量过大时，会导致过热区奥氏体晶粒严重粗化，冷却时生成魏氏组织，这时才会出现脆化现象。而当含碳量偏于上限(0.20%)时，此时不仅线能量过大会因形成魏氏组织而脆化，而且当线能量偏低、冷速过大时还会因形成高碳马氏体而发生脆化。因而只要我们控制16Mn钢的成分与线能量，其过热区脆化也是可

11、以减少或避免的。2.4.2 热应变脆化 一般认为热应变脆化发生于一些固溶氮含量较高的低碳钢和强度级别不高的低合钢中，主要是由于氮、碳原子聚集在位错周围，对位错造成钉轧作用引起的，特别易于在200一400加热温度范围的亚临界热影响区产生，如焊前已经存在缺口时，这种脆化就变得更为严重。对于16 Mn来说，其本身含有一定的固溶氮，化学成分中又没有强氮化合物形成元素可与氮结合为氮化物，因而具有一定的热应变脆化倾向。可以通过焊后600C ,1h的退火处理来恢复16Mn的韧性。综合以上分析，我们知道在裂纹方面，16Mn对热裂纹、再热裂纹和层状撕裂不敏感，只有当板材厚度过大，且冷却过快时对冷裂纹有一定的敏感

12、性;Q345钢可以采用各种焊接方法焊接。焊前一般需要预热，焊后不需要热处理。但由于其淬硬倾向比低碳钢稍大，在焊接结构刚性大、厚度大或环境较低时，也需要采取预热、稍候消除应力热处理措施，并应在焊接中创造低氢条件。Q345由于具有良好的焊接性能适用于各种焊接方法，因此结合实际情况我们选用焊条电弧焊。3、撰写焊接工艺的操作说明3.1 焊前板材切割和弯曲板材选好以后，就是选择切割工序，切割可以在剪板机上进行机械切割，也可以采用氧乙炔火焰进行热切割。但由于板材尺寸比较大，所以采用氧乙炔半自动切割。经切割加工后，可以得到一块长方形板材，长3140mm、宽2000mm、厚10mm。然后进行边缘加工，对于钢材

13、，一般在刨边机上进行加工。边缘加工的目的主要有两个：一是是钢板加工到主装要求尺寸；二是刨出设计要求的坡口形状和尺寸。3.2 坡口的设计 由于焊接的板材只有10mm的厚度，属于薄板，为了避免材料的损耗，采用V形坡口的形式。常用的坡口的加工方法有机械切削加工、气体火焰加工和碳弧气刨加工，考虑到是环焊缝的焊接，即要进行曲线加工，我们选用高效的气体火焰加工。经火焰切割的坡口应用砂轮仔细打磨，清除氧化皮及凹槽，在坡口两侧，应去除水、油、锈及脏物等。坡口图形如下图：1.6-3.0100.82.4312556543.3 焊接方法的选择Q345钢焊接对焊接方法的选择无特殊要求，焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊、

14、电渣焊、压焊等焊接方法都可采用，其中焊条电弧焊、埋弧焊、CO2气体保护焊是热轧钢常用的焊接方法。在制造卷筒时我们通常选用使用最广泛也最经济的焊接方法-手工焊条电弧焊。这种方法适用于各种不规则形状、各种焊接位置的焊缝，且操作简单，比较合适用与Q345环焊缝的焊接。3.4 焊接材料的选择 低合金钢选择焊接材料时必须考虑两方面的问题：一是不能有裂纹等焊接缺陷；二是能满足使用性能要求。选择焊接材料的依据是保证焊缝金属的强度、塑性和韧性等力学性能与母材相匹配。 热轧钢焊接一般是根据其强度级别选择焊接材料，而不要其与母材同成分，其选用要点如下：（1） 选择与母材力学能相匹配的相应等级别的焊接材料，从焊接力

15、学性能“等强匹配”的角度选择焊接材料，一般要求焊缝的强度性能能与母材等强度或稍低于母材。（2） 同时考虑熔合比和冷却速度的影响 焊缝的化学成分和性能与母材的溶入量有很大关系。采用同样的焊接材料，由于熔合比或冷却速度不同，所得焊缝的性能会有很大差别。因此，焊条或焊丝成分的选择应考虑到板厚和坡口形式的影响。薄板焊接时熔合比较大，应选用强度较低的焊接材料，厚板深坡口则相反。（3） 考虑焊后热处理对焊缝力学性能的影响 当焊缝强度余量不大时，焊后热处理后焊缝强度有可能低于要求。因此，对于焊后要进行正火处理的焊缝，应选择强度高一些的材料。综合上述，我选用强度不太高，同时又能在一定程度上防止冷裂纹的低氢型E

16、5015 （J507）型电焊条。该焊条的主要化学成分见表4：表4 E5015焊条的主要化学成分元素CSiMnPSMo含量(%)0.120.60.90.0350.0350.5该低氢钠型焊条采用直流反接，可进行全位置焊接。3.5 Q345钢钢板及焊接接头的金相组织焊缝处的金属呈柱状晶分布，晶界处为铁素体，晶内为索氏体和针、块状分布的铁素体。冷却时，由于向外散热，故使焊缝的熔融金属沿热扩散方向结晶而获得柱状晶，此时，先共析的铁素体沿柱状晶界析出，由于温度较高，且冷速又稍快，因此组织呈过热特征，但随后的冷却过程中，奥氏体因过冷度较大，而转变为索氏体组织。焊缝组织下方为熔合区，此处熔合情况良好。过热区的

17、显微组织为针状或块状分布的铁素体和索氏体，此处晶粒粗大，呈魏氏组织。这是该区加热温度高，奥化体晶粒显著长大，冷却后得到粗大的过热组织，使冲击韧性降低。重结晶区组织为晶粒细小的铁素体和珠光体，由于加热温度超过了AC3，所以铁素体和珠光体已全部转化为奥化体，又由于加热温度较低（一般低于ll00C）奥氏体晶粒未显著长大，因此在空气中冷却以后会得到均匀而细小的铁素体和珠光体。母材的显微结构组织：铁素体和珠光体呈带状。过热区形成了魏氏组织，容易产生脆化，构成了接头的薄弱环节，这时宜以小线能量焊接，在过热区获取板条马氏体，韧性会大大改善。3.6 焊接顺序的确定 考虑到圆筒与端板的焊接是环焊缝、开V形坡口、

18、多层焊等，为减小焊接变形和降低残余应力，最好是由2名焊工同时施焊，按照逆时针的顺序，将环焊缝分为4个区，2名焊工同时一名焊1区的同时，一名焊3区。1区和3区焊完后，用同样的方法焊接2区和4区。多层焊时，各层的焊接方向最好要相反，各层焊缝的接头应相互错开。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。3.7 焊接工艺参数的确定焊条直径的选择：焊条直径主要根据焊件厚度选择，见表5。多层焊的第一层以及非水平位置焊接时，焊条直径应选小一点。表5 焊条直径选择焊件厚度(mm)12焊条直径(mm)1.623.23.244546焊接热输入取决于接头区是否出现冷裂纹和热影响区脆化。对于碳当量小于0

19、.40%的Q345热轧钢，焊接热输入选择可适当的放宽。但若线能量选择过小则会出现马氏体形成的脆化，焊接线能量过大时出现组织增大出现的脆化。因此必须选择合适的线能量。焊接线能量公式q=IU/v式中：I焊接电流 AU电弧电压 V ；V焊接速度 cm/s； q线能量 J/cm；热轧钢Q345焊条电弧焊的工艺参数见表6：表6 热轧钢Q345焊条电弧焊的工艺参数焊缝空间位置坡口形式焊件厚度/mm第一层焊缝其它各层焊缝封底焊缝平对接焊缝焊条直径/mm焊接电流/A焊条直径/mm焊接电流/A焊条直径/mm焊接电流/AV形63.21001304160210 418021041602105220280522026

20、0焊接电流初步选定后，要通过试焊调整。电弧电压主要取决于弧长。电弧长，则电压高；反之，则低。在焊接过程中，一般希望弧长始终保持一致，并且尽量使用短弧焊接。所谓短弧是指弧长为焊条直径的0.51.0倍。一般低氢型焊条采用短弧、低压操作能得到比较好的焊接效果。使用直径为4mm焊条时，焊接电流为160180A,电弧电压为2122V,使用直径为5mm焊条时，焊接电流为210240A，电弧电压为2324V。在选好合适的焊接电流和电压以后，就可以通过公式计算出焊接线能量的大小了。Q345 钢板焊接接头的过热区形成了魏氏组织，容易产生脆化，构成了接头的薄弱环节，这时宜以小线能量焊接，在过热区获取板条马氏体，韧

21、性会大大改善。焊接工艺参数的选择，应在保证焊接质量条件下，采用大直径焊条和大电流焊接，以提高劳动生产率。性能要求高的焊缝与接头，每层焊缝厚度不宜大于4mm。坡口底层焊道宜采用不大于f3.2mm的焊条，底层根部焊道的最小尺寸应适宜，以防产生裂纹。3.8 预热和焊后热处理 预热和焊后热处理的目的主要是为了防止裂纹，也有一定的改善组织、性能的作用。预热温度与钢材的淬硬性、板厚、拘束度和氢含量等因素有关，工程中必须结合具体情况经试验后才能确定。不同环境温度下焊接Q345钢的预热温度见表7： 表7 不同环境温度下焊接Q345钢的预热温度板厚/mm 预热温度16以下不低于-10不预热，-10以下预热1001501624不低于-5不预热，-5以下预热1001502540不低于0不预热，0以下预热10015040以上均预热100150 热轧及正火钢一般不需要焊后热处理，但对要求抗应力腐蚀的焊接结构、