焊条电弧焊和CO2气体保护焊对Q235钢和16Mn钢异种钢焊接工艺研究毕业论文.docx

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焊条电弧焊和CO2气体保护焊对Q235钢和16Mn钢异种钢焊接工艺研究毕业论文

Q235钢和16Mn钢焊接工艺规程制定研究

材料成型及控制工程专业

学生：

范超指导教师：

沈向前

摘要

伴随着焊接技术的进步，异种钢焊接已成为重要的焊接研究方向，而在异种钢焊接研究中经常会遇到低碳钢与低合金钢的焊接。

为了分析Q235钢和16Mn钢这类珠光体异种钢的可焊接性，研究它们的焊接工艺，本文用焊条电弧焊和CO2气体保护焊两种不同的熔焊方法对Q235钢和16Mn钢进行焊接。

通过焊接工艺试验得到了成形较好的焊缝。

通过金相试验和硬度试验得到了焊接接头各个区域组织主要是铁素体和珠光体，但由于各区域接受的热输入不同，引起铁素体和珠光体形态有所差异。

同时，焊缝及热影响区出现了极少量的魏氏组织，在焊缝与熔合线附近出现了轻微的碳的扩散迁移现象。

试验表明：

采用焊条电弧焊和CO2气体保护焊均可以实现Q235钢与16Mn钢异种钢的焊接。

关键词：

异种钢焊接Q235钢16Mn钢焊接工艺

Abstract

Alongwiththeprogressofweldingtechnology,theweldingofdissimilarsteelweldingisbecominganimportantresearchdirection,encounteringtheweldingoflowcarbonsteelandlowalloysteel.InordertoanalyzesuchpearlitedissimilarsteelofQ235steeland16Mnsteelweldabilityandstudytheirweldingtechnology,thepaperusetwodifferentweldingmethodsthatelectrodearcweldingandCO2gasshieldedarcweldingforQ235steeland16Mnsteelofwelding.Wecarryoutweldingtechnologyexperimentsgotthegoodweldforming.Theweldingjointisobtainedbymetallographictestandhardnesstestvariousregionalorganizationsmainlyferriteandpearlite,butdifferentheatinputcausethedifferencesintheformofferriteandpearliteeacharea.Atthesametime,theweldseamandheataffectedzoneappearedverylittleWidmanstattenstructure,andneartheweldfusionlineappearedmildcarbondiffusionphenomenon.Experimentsshowthatcanachievedissimilarsteelweldingof16MnsteelandQ235steelwithelectrodearcweldingandCO2gasshieldedwelding.

Keywords:

Dissimilarsteelwelding，Q235steel，16Mnsteel,Weldingtechnology

第一章绪论

1.1引言

随着现代工业技术的发展，对金属结构制造提出了更高的要求。

原来焊接结构件的性能已经不能满足其发展要求，现在的工业所需要的焊接结构件，不仅需要良好的力学性能，同时要具备如高温强度、导电性、导热性、耐磨性、耐蚀性等更多方面的性能要求。

在这样的趋势下，单单依靠一种金属已经无法适应其发展，这就需要寻求其他可行的发展道路。

异种钢焊接技术的出现恰恰弥补了这一空白，它不可思议的将不同性能的异种材料稳定的结合起来，满足了现代工业发展对金属结构制造提出的要求。

异种金属材料的焊接结构，不仅适应了不同工作环境对于其材质性能等方面提出的不同需求，同时还节约了大量的贵重材料，降低了其制造成本和使用成本。

因为异种材料的焊接具有的众多不可比之的优势，使其在机械制造、石油化工、建筑、航空航天等众多领域得到了广泛的使用。

在异种材料焊接的这个领域内，异种钢材的焊接占有举足轻重的位置。

我们常常会遇到低碳钢与低合金钢的焊接、低碳钢与奥氏体不锈钢的焊接、异种普通低合金高强度钢的焊接、异种不锈钢的焊接等等。

因为异种钢焊接结构鲜明的性能特点与优势，其运用及其广泛，又因为其运用广泛，越来越不可替代的地位，让我们对异种钢焊接技术的更深入运用和更广泛的使用孜孜不倦。

从异种材料焊接发展开始到现在，我们对其新的研究探讨从未停下脚步[1]。

1.2发展现状及应用

异种金属焊接结构技术因其无与伦比的优势和鲜明的特点，已经受到我们的重视。

正以不可思议的速度在航空航天、石油化工、机械电子、船舶建造、建筑等众多领域获得了越来越广泛的应用[1]。

按照其用途一般可分为以下几个大类：

1．一般用途的异种材料焊接结构件在平常的工作条件下，因为其更轻重量、更高的利用率以及更低成本等优势和特点，异种金属的焊接尤其是异种钢的焊接结构件应用的十分广泛。

2．特定温度条件下工作的异种材料焊接结构件在石油加工、热交换器、化工业、原子能等特殊行业，因其特殊的工作环境，常常选择合适的不同金属材料而采用大量的异种金属材料焊接结构件。

通常情况下，这类焊接结构件以异种钢焊接居多，有时还根据工作介质以及受力情况来选取特定异种钢材的焊接。

3．耐磨耐腐蚀的复合钢焊接结构件在石油化工、机械制造、核能装置等制造中，因其工作条件的特殊，要求具备耐磨耐腐蚀性能。

4．电子行业中的异种金属材料焊接结构件电子仪器和电子装置的工作环境决定了其要很大程度上依靠焊接结构件的质量，尤其是异种金属材料的焊接质量。

所以在电子业中，仪器设备的生产中焊接工作占了很大部分，而异种金属材料的焊接又是其重要部分。

5．刃具、气门灯特殊零部件因为它们的特殊用途如钻头、内燃机汽门等越来越多的情况下，将大块的整体件改用焊接结构的组合件。

广泛使用硬质合金与普通结构钢的异种钢材焊接。

6．高新技术领域内的特殊焊接结构件为实现其特殊功用同时考虑经济成本，在航空航天、热核反应堆等高新技术领域越来越多的采用异种金属材料的焊接[1]。

焊接因其高质量、高效率等鲜明特点，在现代化工艺生产中已有着举足轻重的地位。

在机械制造、船舶、动力工程、石油化工、建筑、航空航天等工业部门，焊接技术都被广泛的应用。

随着结构材料的更新组合和新材料的不断涌现，焊接工艺等研究的深入，其应用领域的将不断被拓展。

1.3Q235钢的简介

1.3.1Q235钢的成分及性能

Q235钢是一种普通碳素结构钢，其含碳量约为0.2%，钢牌号中Q是屈服强度的意思，235是具体的数值。

由于这种钢冶炼难度低，而且储量巨大，所以价格低廉。

同时Q235钢含碳量低，具有良好的塑性和韧性，其综合性能能满足在一般环境下普通焊接结构的要求，所以其使用领域很广泛。

它的牌号、等级和化学成分在表1.1中显示。

它的力学性能指标在表1.2中显示。

表1.1牌号、等级和化学成分（摘自GB/T700—2006）

牌号

统一数字代号

等级

厚度（直径）/mm

化学成分（质量分数）/%，不大于

C

Si

Mn

P

S

Q235

U12352

A

_

0.22

0.35

1.40

0.045

0.050

U12355

B

0.20

0.045

U12358

C

0.17

0.040

0.040

U12359

D

0.035

0.035

表1.2力学性能指标（摘自GB/T700—2006）

牌号

屈服强度

，不小于

伸长率/%不小于

厚度（或直径）/mm

厚度（或直径）/mm

≤

16

＞16

～40

＞40

～60

＞60

～100

＞100

～150

＞150

～200

≤

40

＞40

～60

＞60

～100

＞100

～150

＞150

～20

Q235

235

225

215

215

195

185

25

24

23

22

21

1.3.2Q235钢的焊接性分析

碳钢是以铁为主要元素，碳为主要合金元素，其他少量合金而成。

尤其可知碳钢的焊接性主要取决于碳的含量，即碳钢的焊接性随着含碳量的增加而逐渐变差。

因为伴随着含碳量的增加，钢材在焊接冷却的过程中容易产生淬硬组织。

淬硬组织的产生会使所焊接的接头的焊缝区域和热影响区的塑性和韧性下降。

这样就可能使焊接钢材在焊接应力作用下产生焊接裂纹。

而在这个过程中淬硬组织主要是产生了马氏体组织。

马氏体组织数量的增加会使钢材硬度迅速提高，它的数量又与焊接时冷却速度息息相关。

所以，为了等到塑性和韧性良好的焊接碳钢，就需要采取措施控制焊接时冷却速度，以此来减少甚至避免马氏体组织在焊接过程中的产生。

由于在选用母材时母材的基本参数已经确定，即

值已经确定，如果想避免裂纹，想要改善其焊接性或者说改善其组织，最关键的途径之一就是控制其冷却速度。

而影响冷却速度的因素有：

（1）钢材的厚度和接头的几何形状；

（2）焊接热输入值的大小；（3）焊接时母材的原始温度。

碳含量、锰含量以及硅含量的多少是影响低碳钢焊接性好坏的主要因素。

Q235钢的w（C）、w（Mn）、w（Si）含量比较低，所以在一般条件下不会因焊接而引起大量马氏体组织的出现。

因此，这种钢材的塑性和冲击韧性很优良，焊后形成的接头塑性和冲击韧性也恨好。

Q235钢在焊接的过程中，一般情况下，不需要进行预热、层间温度的控制以及进行后热，焊接结束后也不需要进行焊后热处理。

总体来说，Q235钢在整个焊接过程中不需要特殊的工艺措施，其焊接性能优良[2]。

1.416Mn钢的简介

1.4.116Mn钢的成分及性能

16Mn钢是一种低合金高强度结构钢，其含碳量为0.1%-0.25%，含有的主要合金元素有锰、硅、钒、铌和钛等。

16Mn是原来的老国标牌号，在新国标牌号中将它归纳为低合金高强度结构钢Q345是16Mn现在的牌号，但需要值得注意的是Q345牌号不只代表16Mn钢一种，它是代表着多种老牌号钢材。

16Mn钢是目前我国应用最广的低合金钢之一，由于其优异的性能和显著的经济效益，在众多领域的焊接钢结构中获得了越来越广泛的使用。

例如在建筑行业、桥梁行业、工程机械等众多行业中。

它的牌号、等级和化学成分在表1.3中显示。

它的力学性能在表1.4中显示。

表1.3牌号、等级和化学成分（摘自GB/T1591—2008）

牌号

质量等级

C

Si

Mn

P

S

Nb

Cr

Ni

N

Q345

A

0.20

0.50

1.70

0.035

0.035

0.07

0.30

0.50

0.012

B

C

0.030

0.030

D

0.18

0.030

0.025

E

0.025

0.025

表1.4力学性能（摘自GB/T1591—2008）

牌号

质量等级

拉伸试验

以下公称厚度/mm（直径，边长）下屈服强度

≤16

＞16

～40

＞40

～63

＞63

～80

＞80

～100

＞100

～150

＞150

～200

＞200

～250

＞250

～400

Q345

A

≥345

≥335

≥325

≥315

≥305

≥285

≥278

≥265

-

B

C

D

≥265

E

1.4.216Mn钢的焊接性分析

16Mn钢是一种低合金高强度钢，其含有一定的合金元素和某些微量的合金元素。

它的焊接性和碳钢的焊接性比较是有差异的，其主要差异在于焊接热输入的变化对于焊接热影响区组织和性能的影响比较明显，热影响区淬硬的倾向性增加，由于氢元素的存在导致裂纹产生的敏感性增加，以及含碳、氮化合物形成元素的再热裂纹的危险存在等。

16Mn钢含有少量的合金元素，含碳量小于0.4%，所以在通常情况下它的冷裂倾向的趋势很小。

其焊接性良好，在钢板厚度不大，所处常温的工作环境下，一般不需要焊前预热和严格控制焊接过程中的热输入等工艺措施就能满足性能要求。

16Mn钢的淬硬倾向可以可以通过焊接热影响区连续冷却组织转变图（SHCCT）来进行分析。

总的来说，淬硬性大的钢材，它的连续冷却曲线都是向右移动的。

与低碳钢相比较，16Mn钢在连续冷却时，珠光体钢转变向右移动较多，让快速冷却过程中（如图1.1c点以左）铁素体析出后剩下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。

由图1.1可以看到16Mn钢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[2]。

16Mn钢w（C）含量低，w（Mn）含量相对高一些，所以锰含量与硫含量的比率的只比较适合，因此，这种钢抵抗热裂纹产生的性能的结果让人满意，在通常情况下用16Mn钢进行焊接结构件焊接时，焊接接头区域出现热裂纹缺陷的趋势很小甚至不会出现此类缺陷。

1.5不同珠光体钢的焊接性分析

Q235钢按其组织类型分类是一种珠光体钢，而16Mn钢按其组织类型分类也是一种珠光体钢。

所以，Q235钢和16Mn钢的焊接就属于同类型组织不同钢种焊接中的不同珠光体钢的焊接。

虽然Q235钢和16Mn钢都是珠光体钢，但因为他们的化学成分、强度和耐热性能等的差异，使其焊接性也有很大的不同。

所以这两种钢虽然都是珠光体组织，但也同种钢材焊接相比还是会出现不同的问题。

这一类钢材大部分都具有一定的淬火倾向性，焊接时就会有明显的裂纹倾向。

当Q235钢和16Mn钢焊接时要采取措施控制焊缝区域和热影响区域热裂纹和冷裂纹的产生,然后需要尽量减小两者之间成分的差异,尤其要关注它们之间碳化物和氮化物等形成对界面微观结构和力学性能的不稳定和恶化。

预防这类钢近缝区裂纹产生就应该采取些工艺措施，使其在焊接钢材马氏体的温度点时，让马氏体组织转变为其他有利组织，与此同时尽量消除焊接熔池中的氢。

焊接接头在低于马氏体组织温度转变点，缓慢冷却使马氏体组织转变，同时消除或者减小焊接应力，在一些情况下，可以采用奥氏体焊条来提高焊缝金属的塑性和减轻氢在热影响区的富集。

在这类钢的焊接过程中常常采用的方法有：

一是使用加热或者后热的珠光体焊条；二是使用不预热的奥氏体焊条。

实践中，焊接异种珠光体钢结构件，满足对接接头性能的强度要求只需要焊缝金属强度不低于结构件中低强度钢材就可以了[1]。

1.6课题的主要研究内容和技术线路

1.研究内容

本文通过选用熔焊的两种焊接方法进行试验。

制定它们的焊接工艺方案并按照其进行试验，然后观察和检测其焊后焊接结构件的外形与质量，分析缺陷产生的原因，得到焊接工艺对焊缝成形的影响因素。

制备焊接接头金相试样和硬度试样，观察并分析这两种钢的金相微观组织和微观硬度，得到焊接工艺对该焊件的影响因素。

本课题的主要研究内容如下：

（1）制定合理的Q235钢和16Mn钢焊接工艺方案，并按照这个方案进行焊接试验；

（2）制备金相试样和硬度试样，观察显微组织和硬度值，分析焊后焊接接头组织及硬度变化；

（3）分析Q235钢和16Mn钢异种焊接的焊接性，研究合理的Q235钢和16Mn钢异种钢焊接工艺规程。

2.技术线路

本试验采用焊条电弧焊和CO2气体保护焊两种焊接方法进行焊接工艺试验，其技术线路如图1.2所示

试验目的分析

化学成分、性能分析

焊接性分析

选择合适的焊接方法

焊接工艺方案的确定

焊前准备工作

现场施焊操作过程

观察母材、接头的变形情况

观察金相组织

测量显微硬度

图1.2焊接技术线路

第二章试验方法及过程

2.1焊接方法的选择

对于同种金相组织类型的两种钢材，它们的物理性能没有太大的差异，它们之间的焊接通常采用的方法是熔焊。

而从前面的分析可以得出Q235钢和16Mn钢的焊接性很好。

为了优化它们焊接工艺，得到更合适焊接工艺方案，准备通过熔焊中常用的焊条电弧焊和CO2气体保护焊进行试验。

1.焊条电弧焊

焊条电弧焊是以手工的方式进行操作焊条进行焊接的一种电弧焊方法，在熔焊领域也是最基本一种焊接方法，在现在的焊接生产使用过程中应用的最为广泛。

其工作原理如图2.1所示。

焊条电弧焊的特点[3]：

（1）工艺适应性强可以适用于绝大部分金属材料的焊接；

（2）灵活性好可针对不同的焊接位置、接头形式、焊件厚度；

（3）可达性强只要焊条能到达的位置，都可以进行焊接操作；

（4）易于分散焊接应力和控制焊接变形；

（5）成本低焊条电弧焊的焊接设备比其他焊接方法低得多。

2.CO2气体保护焊

CO2气体保护焊是利用CO2气体作为保护气体，通过焊枪的喷嘴，沿焊丝周围喷出，从而在电弧周围形成保护层，使电弧和熔池与空气隔离，避免有害气体的影响，保证焊接过程的稳定，获得优质焊缝。

其工作原理图如2.2所示。

CO2气体保护焊的特点[3]：

（1）CO2气体保护焊是一种高效节能的焊接方法；

（2）用粗丝时，大焊接电流，可实现射滴过渡；

（3）用细丝时，小焊接电流，可实现短路过渡；

（4）明弧焊接方法，便于监视和控制电弧和熔池，有利于实现焊接自动化；

（5）CO2气体保护焊焊丝熔化速度快且无焊渣，所以生产效率高；

（6）电弧加热集中，焊件受热面积小，可以减小焊接应力和变形；

（7）具有很强的抗锈和抗裂性能；

（8）焊接时飞溅大，焊缝表面成型差，抗风能力差。

2.2焊接材料的选用

在实际中，焊接材料的选用一般是考由该焊接结构件的功能和用途考虑的。

在通常情况下，异种钢焊接时，焊接材料的选用是选择与母材金相组织相同或相近的金属，而且接近异种钢中合金化程度小的一侧钢材（即熔敷金属成分接近于强度等级较低一侧钢材的成分）。

与此同时，要求焊缝的热强性要等于或者高于母材金属的热强性。

在异种低合金钢的焊接过程中，一般不需要进行焊后热处理。

只是在一些特定情况下，焊接材料要选用合金成分介于两种母材金属之间的是为了预防在焊后热处理或者在使用过程中出现碳的迁移情况。

碳钢和低合金钢之间的异种焊接，保证焊接结构件焊接接头的常温力学性能，对热稳定钢保证焊接结构件焊接接头的高温力学性能是选择焊接材料所注意考虑的。

对于一般情况下的珠光体淬火钢，如果不需要预热，一般选择奥氏体焊条进行焊接，这样可以有效保证焊缝金属好的塑性，防止焊缝组织和热影响区出现裂纹[4]。

2.3焊接的工艺参数

（1）焊条电弧焊Q235钢与16Mn钢焊接时，根据熔敷金属成分接近于强度等级较低一侧钢材的成分的依据，所以是以Q235钢的基本性能和材料焊接接头性能来选择合适的焊条，按等强的匹配原则，选用E4303。

在常温下进行焊接试验，所以一般不进行预热和焊接热处理。

Q235钢与16Mn钢手工电弧焊的工艺参数如表2.1所示。

表2.1Q235钢与16Mn钢手工电弧焊的工艺参数[5]

板厚/mm

焊条

焊条直径

/mm

焊接电流

/A

焊接电压/V

电源

牌号

型号

8+8

J422

E4303

4

120～160

26

交、直流（AC、DC）

（2）CO2气体保护焊焊接Q235钢与16Mn钢也可以采用CO2气体保护焊，使用CO2气体保护焊时遇到的主要问题是氧化、飞溅和气孔，所以我们在焊接过程中应该选用含脱氧剂Si、Mn、Ti、Al较多的焊丝，一般选用H08Mn2SiA。

Q235钢与16Mn钢CO2气体保护焊平焊工艺参数如表2.2所示。

表2.2Q235钢与16Mn钢CO2气体保护焊平焊工艺参数[5]

板厚/mm

接头形式

间隙/mm

焊丝直径/mm

干伸长/mm

焊接电流/A

焊接电压/V

焊接速度/

气体流量/

8

对接，

单面焊

0～1

1.2

12～18

120

20

25

15

160

22

2.4焊接接头设计与选择

优良的接头设计与选择是防止结构破坏的条件之一。

在金属材料结构件的设计中我们优先采用的焊接接头应该需要满足几点：

接头的形式避免复杂化、焊接应力尽量减少甚至没有集中倾向、焊接过后不能破坏它的连续性。

在本次试验中焊接接头采用对接接头。

对接接头是连接处于同一平面的焊件，其特点是传力效率高，应力集中很低，有利于焊透和工艺缺陷的排除，具有很好的综合性能，是我们在设计焊接结构件

接头首先考虑的接头方式。

对接接头工作应力分布比较均匀，如图2.3所示。

可以看出应力集中发生在焊趾处。

应力集中系数公式：

，其与焊缝的余高h、过渡角

和焊趾处的过渡圆弧半径r有关。

可以看出增大h，减小r、

，都会增大应力集中。

所以我们在设计对接接头时从这几方面考虑从而减小应力集中[6]。

因为本试验选择的母材厚度是8mm,为了保证焊接接头能焊透而不易出现工艺缺陷，要进行坡口焊缝的设计。

在设计或者选择坡口焊缝时，首要原则是它的施焊可达性，其中主要选择的是坡口角度、根部间隙、钝边、根部半径等参数。

根据实验实际情况选择V型坡口设计。

对于平板对接接头常用的坡口设计如图2.4所示。

2.5焊接工艺实验

分别采用焊条电弧焊和CO2气体保护焊对两组Q235钢与16Mn钢进行异种钢焊接工艺实验。

均采用三层焊，设计焊层与焊道分布如图2.5所示。

2.5.1焊条电弧焊工艺实验

1.焊前准备

（1）焊件（试件）：

Q235钢板150×50×8mm；16Mn钢150×50×8mm；V形坡口60º±5º；焊件对组如图2.6所示。

尺寸参数如表2.3所示。

（2）焊接材料：

E4303（J422），规格为Φ3.2，Φ4.0。

焊前烘干350~400℃，保温1~2h,随用随取；

（3）焊件清理：

清理坡口面及坡口正反两侧20mm范围内的油污、锈蚀、水分及其他污物，至露出金属光泽；

（4）焊接设备：

交、直流弧焊机（型号为ZX7-400），直流正接。

图2.7所示。

焊接工艺参数如图表2.4。

2.实验参数

表2.3焊件对组尺寸参数

焊件尺寸（组）/mm

坡口角度/（º）

组队间隙/mm

钝边/mm

150×50×8

60º±5º

1.5

1~1.5

表2.4焊接工艺参数[7]

焊接层次

名称

焊条直径/mm

焊接电流/A

运条角度/（º）

焊条运动方式

1

打底焊

3.2

100~115

45~50

断弧，一点式运条

2

填充焊