CrMnSiA钢的焊接性能与工艺的研究文档格式.doc
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对于较深的理论没要过多的要求。
本文在设计过程中贯穿大学三年的所学基础课程。
本文共分为六章:
前两章系统的介绍了合金调质钢的分类与30CrMnSiA钢化学成分、基本性能、应用;
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;
第五章详细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、焊后热处理做出详明的分析;
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。
第一章合金调质钢的分类及应用
合金调质钢的分类
1低碳调质钢
低碳调质钢的σs=441~980MPa,ωC≤0.25﹪,在调质状态下供货和使用,属于热处理强化钢。
这类钢不仅强度高,而且有良好的塑性和韧性,可直接在调质状态下焊接,焊后不需再进行调质处理。
在焊接结构制造中,低碳调质钢越来越受到重视,是具有广阔的发展前途的一类钢。
低碳调质钢中合金元素的主要作用是提高钢的淬透性,通过调质处理得到低碳马氏体或贝氏体,不但提高了强度,而且保证了塑性和韧性。
对同一级别的钢来说,调质钢比正火钢的合金元素低,从而有更好的韧性和焊接性。
新发展的σs≥490MPa的CF钢,就属于含碳量极低(ωC=0.04﹪~0.09﹪)的微合金化调质钢。
低碳调质钢的缺点是:
生产工艺复杂,成本高,进行热加工(成形、焊接等)时对工艺参数限制比较严格。
2中碳调质钢
这类钢由于含碳量比较高(ωC>0.3﹪),σs=880~1170MPa,也是热处理强化钢。
与低碳调质钢相比,其合金系统比较简单。
含碳量高可有有效地提高了调质处理后的强度,但塑性、韧性相应下降,而且恶化了焊接性。
一般需要在退火状态下进行焊接,焊后进行调质处理。
这类钢主要用于制造大型机械器上的零件和要求强度较高而自重小的构件。
第二章30CrMnSiA钢化学成分、基本性能、应用
低碳调质钢的强度受到含碳量的限制,要求σs≥880MPa,则必须提高含碳量。
为了保证钢的塑性、韧性不致过低,中碳调质钢的含碳量限制在ωC=0.25﹪~0.45﹪的范围。
由于碳可以同时提高钢的强度和淬透性,这类钢的合金系统比某些低碳调质钢简单。
含碳量的提高,造成焊接性恶化,因此焊接工艺复杂,只有在退火状态下焊接,焊后进行调质处理才能保证焊接质量。
表2—130CrMnSiA钢的化学成分
牌号
C
Mn
Si
Cr
Ni
Mo
V
S
P
30CrMnSiA
0.25~0.35
0.8~1.1
0.9~1.2
≤0.3
—
≤0.030
≤0.035
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,后语含碳量提高,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。
见图2—1所示
图2—130CrMnSiA钢经不同温度回火后的机械性能
(直径D=12mm,油淬)
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σs可达到1400MPa的钢,要求ωs、ωp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2—2,这种钢薄钢板退火或回火状态下的力学性能见表2—3
表2—2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
σb/MPa
屈服强度
σs/MPa
伸长率σ5/﹪
断面收缩率ψ/﹪
温度
冷却剂
/℃
第一次淬火
第二次淬火
不小于
30CrMnSi
25
880
油
520
水、油
1080
885
10
45
540
钢材退火或高温回火供应状态布氏硬度(HBS100/3000)
不大于
冲击功(冲击值)Akv/J
39
229
抗拉强度σb/MPa(Kgf/mm2)
伸长率σ10/﹪不小于
490~735(50~75)
16
表2—330CrMnSi/30CrMnSiA薄钢板退火或回火供应状态的力学性能(YB/T5132—93)
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
30CrMnSiA是飞机制造业中使用最广的一种调质钢,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、飞机各种特殊耐磨零配件等。
应用实例
齿轮的结构分析
图2—1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宽度的1/3,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,钢种碳含量较高,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。
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
30CrMnSiA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。
(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。
ωC的增加还使Ms点下降,而没有“自回火”效应。
而且ωC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3—1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
0.4~0.6
明显
较差
需预热或其他工艺措施
>0.6
严重
差
需预热或其他严格的工艺措施
热
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- CrMnSiA 焊接 性能 工艺 研究
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