大型杆类零件的焊接.docx
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大型杆类零件的焊接
大型杆类零件的焊接
---热模锻锤锤杆的焊接模拟
学校:
XXXXXXXX
专业:
XXXXXXXX
姓名:
XXXXXXXX
学号:
XXXXXXXX
日期:
2011.11.8
目录
1、绪论:
摘要---------------------------------------------------------------------------------1
关键词------------------------------------------------------------------------------1
前言---------------------------------------------------------------------------------1
2、材料的选取及试验参数、方法选择:
2.1材料的分析及选择-----------------------------------------------------------2
2.1.1焊接材料元素分析---------------------------------------------------------2
2.1.2焊接材料力学性能分析---------------------------------------------------3
2.2不同焊接方式的特点及选择-----------------------------------------------3
2.3实验工艺参数的选择---------------------------------------------------4~9
3、试验流程及注意事项:
3.1焊前工作-----------------------------------------------------------------------9
3.2焊中工作-----------------------------------------------------------------------9
3.3焊后工作---------------------------------------------------------------------10
4、实验结果及分析:
4.1金相制备及分析------------------------------------------------------------10
4.1.1金相图制备----------------------------------------------------------------10
4.1.2金相组织分析-------------------------------------------------------------11
4.1.2.1母材区金相组织分析--------------------------------------------------11
4.1.2.2焊缝区金相组织分析--------------------------------------------------11
4.1.2.3热影响区金相组织分析-----------------------------------------------12
4.2焊后硬度测定---------------------------------------------------------------13
4.2.1母材硬度测定-------------------------------------------------------------13
4.2.2焊缝硬度测定-------------------------------------------------------------13
5、结论及建议:
5.1结论---------------------------------------------------------------------------13
5.2建议---------------------------------------------------------------------------14
6、总结:
-------------------------------------------------------------------------14
7、致谢:
-------------------------------------------------------------------------15
8、参考文献:
-------------------------------------------------------------------15
·摘要
实验研究Ø220mm大型锻锤锤杆在锻造时承受的应力较大,过渡区内应力急剧增大,若在锻件加热不足或未烧透情况下进行锻打,则会由于受力不均导致锤杆承受偏心冲击,导致锤杆从距锤头110~200mm处出现宏观裂纹,致使锻锤无法继续使用。
为避免浪费,对出现宏观裂纹的锻锤利用焊接技术进行修复。
由于锻锤一般都采用中碳调质钢,这种钢在不同焊接条件参数下会出现热烈、冷裂等倾向,对焊接参数、焊材选择、试验流程等要求较高。
但由于实验室条件限制材料以及尺寸都没有符合的,经过与郑老师协商改用Q345(16Mn)两4mm厚的板材以丁字形接头焊接进行模拟。
由于实验条件限制对焊后焊接只能进行金相分析以及硬度测定。
结果虽差强人意,但实验过程让我懂得了焊接工艺设计应该考虑的各种问题,达到了与其目的。
〖关键词〗
锻锤;Q345;16Mn;冷裂;热裂;焊接参数;焊接工艺设计;金相;硬度
1.前言
锻锤锤杆一般采用中碳调质钢,而中碳调质钢种类很多,由于锻锤锤杆主要承受高温条件下的冲击力,可选材料有40Cr、35CrMo、42CrMo等。
而模拟用材Q345是一种生产中普遍应用的优质低合金高强度结构钢(C<0.2%),广泛应用于工程机械、桥梁工程、车辆制造、建筑结构,船舶、压力容器等制造行业。
Q代表材质的屈服强度,345指其屈服值,在345兆帕左右;且其屈服值会随着材质的厚度的增加而减小。
Q345按材料做冲击试验的冲击温度的不同分为Q345A,Q345B,Q345C,Q345D,Q345E五个等级。
其中A级指不做冲击,B级指常温20ºC冲击,C级D级E级分别指0ºC,-20ºC,-40ºC温度下做冲击。
Q345钢从材料成分上是12MnV、14MnNb、18Nb、16MnRE、16Mn等多个钢种的替代,而并非仅替代16Mn钢一种材料。
实验选用Q345B,具有良好的综合力学性能,低温冲击韧性,冷冲压性及切削性良好,目前在我国应用面极广,可用于制造大型船舶,铁路车辆,管道,锅炉,压力容器,石油储蓄罐,起重机械,厂房钢架等承受负荷的焊接结构,在国内有很大的市场。
虽然锻锤锤杆用材为中碳调质钢,不能用Q345所取代,但对于本次模拟试验而言完全可以采用,利用丁字形接头尽量满足其耐冲击能力,虽然硬度上与中碳有差异,但是对于此次试验目的已不甚重要。
2.材料的选取及试验参数、方法选择
2.1材料的分析及选择
锻锤锤杆的材料大多为中碳调质钢,由此考虑40Cr、35CrMo、42CrMo等材料,具体牌号以及元素含量见表1。
表1(热模锻锻锤锤杆用材化学成分列表)
牌号
C(%)
Si(%)
Mn(%)
Cr(%)
Ni(%)
P(%)
S(%)
Cu(%)
Mo(%)
碳当量(%)
40Cr
0.37-0.44
0.17-0.37
0.50-0.80
0.80-1.10
≤0.030
≤0.035
≤0.035
≤0.030
—
0.793
35CrMo
0.32-0.40
0.17-0.37
0.40-0.70
0.80-1.10
≤0.030
≤0.035
≤0.035
≤0.030
0.15-0.25
0.792
42CrMo
0.38-0.45
0.17-0.37
0.50-0.80
0.90-1.20
≤0.030
≤0.035
≤0.035
≤0.030
0.15-0.25
0.876
2.1.1焊接材料元素分析:
1由于合金元素在钢中的作用不同,以上三种牌号钢40Cr、35CrMo、42CrMo主加元素为Cr、Mo。
而Cr有提高淬透性,增强回火稳定性,增加回火脆等倾向;Mo有提高淬透性,增强回火稳定性,降低回火脆等倾向。
2从材料可焊性考虑,由于合金元素含量不同导致其各自碳当量不同进而可焊性不同,焊后服役年限不同。
碳当量公式:
Ceq=C+1/6Mn+1/5(Cr+Mo+V)+1/15(Ni+Cu)
计算得:
Ceq(40Cr)=0.793%;Ceq(35CrMo)=0.79%;Ceq(42CrMo)=0.88%
当Ceq﹤0.4%时,钢的硬倾向不明显,可焊性较好,焊接时不必进行预热处理,可直接施焊。
当Ceq=0.4%-0.6%时,钢的硬倾向逐渐明显,可焊性尚可,焊接时需要采取焊前适当预热,焊后缓冷等工艺以及焊接过程中控制焊接线能量。
当Ceq﹥0.60%时,钢材的硬倾向较强,可焊性差,属于较难焊接的材料。
焊接时必须采取较高预热温度和严格工艺措施,选取合适的焊接材料。
2.1.2焊接材料力学性能分析:
由于不同材料热处理后,导致其抗拉强度、屈服强度、断面伸长率、断面收缩率、冲击吸收功、冲击韧性值、硬度都不相同,进而对其使用条件、性能、寿命影响较大,具体材料40Cr、35CrMo、42CrMo的力学性能列表如下表表2。
表2(热模锻锻锤锤杆不同材料力学性能列表)
试样毛坯尺寸(mm):
25
热处理规范:
850℃油淬火+600℃回火
牌号
抗拉强度σb
(MPa)
屈服强度σs(MPa)
断面伸长率δ5(%)
断面收缩率ψ(%)
冲击吸收功Akv(J)
冲击韧性值αkv(J/cm2)
硬度
(HB)
40Cr
≥980
≥785
≥9
≥45
≥47
≥---------------
≤207
35CrMo
≥985(100)
≥835(85)
≥12
≥45
≥63
≥78(8)
≤229
42CrMo
≥1080(110)
≥930(95)
≥12
≥45
≥63
≥78(8)
≤217
综上所述从可焊性、力学性能考虑、经济等方面考虑选用35CrMo。
但由于实验室条件限制,故用Q345进行模拟。
2.2不同焊接方式的特点及选择
①手工电弧焊
手工电弧焊是利用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法,其特点:
设备简单;操作灵活方便;能进行全位置焊接适合焊接多种材料;不足之处是生产效率低劳动强度大。
②埋弧焊
埋弧焊的主要优点:
生产效率高;焊缝质量高;劳动条件好。
3气体保护焊
气体保护焊电弧和熔池的可见性好,焊接过程中可根据熔池情况调节焊接参数。
焊接过程操作方便,没有熔渣或很少有熔渣,焊后基本上蒙不需清渣。
电弧在保护气流的压缩下热量集中,焊接速度较快,熔池较小,热影响区窄,焊件焊后变形小。
有利于焊接过程的机械化和自动化,特别是空间位置的机械化焊接。
可以焊接化学活泼性强和易形成高熔点氧化膜的镁、铝、钦及其合金。
可以焊接薄板。
在室外作业时,需设挡风装置,否则气体保护效果不好,甚至很差。
电弧的光辐射很强。
焊接设备比较复杂,比焊条电弧焊设备价格高。
最后考虑到在焊接时。
需要全方位、焊接过程简单、成本要低、操作要灵活等方面的原因,选择手工电弧焊。
对模拟材料亦选用手工电弧焊。
2.3实验工艺参数的选择
选择合适的焊接工艺参数,对提高焊接质量和提高生产效率是十分重要。
焊接工艺参数(焊接规范)是指焊接时,为保证焊接质量而选定的诸多物理量,包括焊接电流、焊条直径、焊条种类、焊接电压、焊接电源种类、焊接速度、焊接角度、坡口类型等选择。
<1>焊接电源种类和极性的选择
焊接电源种类:
交流、直流
极性选择:
正接、反接
正接:
焊件接电源正极,焊条接电源负极的接线方法。
反接:
焊件接电源负极,焊条接电源正极的接线方法。
极性选择原则:
碱性焊条常采用直流反接,否则,电弧燃烧不稳定,飞溅严重,噪声大,酸性焊条使用直流电源时通常采用直流正接。
<2>焊条直径
可根据焊件厚度进行选择。
一般厚度越大,选用的焊条直径越粗,焊条直径与焊件的关系见下表3。
表3(焊接厚度与焊条直径关系图)
焊接厚度(mm)
2
3
4—5
6—12
﹥13
焊条直径(mm)
2
3.2
3.2—4
4—5
4—6
<3>焊接电流的选择
选择焊接电流时,要考虑的因素很多,如:
焊条直径、药皮类型、工件厚度、接头类型、焊接位置、焊道层次等。
但主要由焊条直径、焊接位置、焊道层次来决定。
(1)焊条直径
焊条直径越粗,焊接电流越大.表4为焊接电流与焊条直径关系图。
表4(焊接电流与焊条直径关系图)
焊条直径(mm)
1.6
2.0
2.5
3.2
4.0
5.0
6.0
焊接电流(A)
25—45
40—65
50—80
100—130
160—210
260—270
260—300
(2)焊接位置
平焊位置时,可选择偏大一些焊接电流。
横、立、仰焊位置时,焊接电流应比平焊位置小10-20%。
角焊电流比平焊电流稍大一些。
(3)焊道层次
打底及单面焊双面成型,使用的电流要小一些。
碱性焊条选用的焊接电流比酸性焊条小10%左右。
不锈钢焊条比碳钢焊条选用的焊接电流小左右等。
总之,电流过大过小都易产生焊接缺陷。
电流过大时,焊条易发红,使药皮变质,而且易造成咬边、弧坑等到缺陷,同时还会使焊缝过热,促使晶粒粗大。
<4>焊接电弧电压的选择
电弧电压主要决定于弧长。
电弧长,则电弧电压高;反之,则低。
在焊接过程中,一般希望弧长始终保持一致,而且尽可能用短弧焊接。
所谓短弧是指弧长是焊条直径的0.5-1.0倍,超过这个限度即为长弧。
一般根据焊接条件选择相应板厚的焊接电流,然后根据下列公式计算
﹤300A时:
焊接电压=(0.05×焊接电流±14±2)V
﹥300A时:
焊接电压=(0.05×焊接电流±14±3)V
<5>焊接速度的选择
在保证焊缝所要求尺寸和质量的前提下,由操作者灵活掌握。
速度过慢,热影响区加宽,晶粒粗大,变形也大;速度过快,易造成未焊透,未熔合,焊缝成型不良好等缺陷。
速度以及电压与焊工的运条习惯有关不用强制要求,但是根据经验公式,可知当电流小于600A时,电压取20+0.04I。
当电流大于600A时电压取44V。
<6>焊条的选择
手工电弧焊焊接中碳调质钢可选用的焊条有R307、J907Cr、J857等抗裂性能较好的低氢钠型低合金高强度钢焊条。
考虑到实验条件,可选用直流反接。
所选用焊条的抗拉强度统一级别,并且有良好的抗裂性能。
R307是低氢钠型低合金高强度钢焊条,采用直流反接可实行全位置焊接,其用于焊接抗拉强度大于980MPa级的低合金高强度钢构件。
对于模拟材料16Mn,其属于低合金高强钢,通常考虑选用J506、J507等焊条进行焊接。
J506属于低氢钾型焊条,它是一种碱性焊条,可以焊接典型的低合金钢,其直径从2.5mm到6.0mm不等,可进行全位置焊接,焊接时选用交直焊机。
因此,焊丝选J506,焊丝化学成分如下:
wt%
C
Mn
Si
S
P
Cu
0.06~0.15
1.40~1.85
0.80~1.15
≤0.035
≤0.025
≤0.050
因实验条件限制和实验焊件的厚度,最终选择成分和力学性能相近的Ø3.2的J422作为最终焊条选择。
<7>焊接电弧长度选择
焊接电弧长度根据焊条型号而定,一般要求电弧长度稳定不变,酸性焊条为4mm为宜,碱性焊条以2—3mm为宜。
<8>焊接角度选择
根据焊接件厚度确定,焊接角度有两方面,一是焊条与焊接前进方向的夹角,一般为60°~75°;二是焊条与焊接左右夹角,其也有两种情况,当焊件厚度相等时,焊条与焊件夹角45°;当焊件厚度不等时,焊条与较厚焊件一侧夹角应大于焊条与较薄焊件一侧夹角。
<9>焊接坡口的选择
对于锻锤锤杆坡口可采用下图1形状
图1.
而对于模拟材料常见的坡口类型有:
对接接头和角接接头(工程上为区分角接头中的对接和一般对接,现将其分为对接、坡口对接、角接三大类)。
对接破口主要有:
I型、V型、X型、U型、Y型等。
角接坡口主要有:
T型、J型、搭接等。
开坡口原则:
a.使电弧达到根部,保证根部焊透不出现未焊透和未熔合等缺陷;
b.坡口截面积最小,从而熔敷金属填充量较少,焊接效率最高且焊后应力及变形量小;
c.保证一定的熔合比,从而防止晶间裂纹、碳迁移等缺陷。
焊缝坡口应与焊接方法一起考虑,不同的焊接方法特点不同,所以坡口型式要求也不同,反之亦然;坡口与钢板或管子壁厚有关、与产品要求有关、与实际工况有关。
(坡口型式、焊接方法的选择与工作经验关系较大,这儿只能做举例说明)
1)按钢板厚度
A:
薄板:
采用氩弧焊或气体保护焊等电弧集中的焊接方法(气体保护焊最好采用短路过渡,熔深较浅;焊条电弧焊应采用小直径、小电流、短弧焊),采用开单面V形坡口或不开坡口的坡口型式。
B:
中厚板:
气体保护焊、焊条电弧焊和埋弧焊大量采用,但在单面焊要求根部焊透时氩弧焊打底(不能实现双面焊时),常用U型坡口、X型坡口。
C:
大厚板:
电渣焊、气体保护焊、焊条电弧焊和埋弧焊大量采用。
电渣焊都是I型坡口,其余焊接方法一般开双面坡口(常用X型、UV型坡口),为保证焊透,一般采用反面清根的方式进行。
开坡口应的注意问题:
a焊接坡口形式的设计应避免采用焊不透或局部焊透的坡口,还要尽量减少焊缝的横截面积,以降低接头的残余应力,同时也可减少焊接材料的消耗量;
b坡口加工采用热切割时应注意防止母材边缘会形成一定深度的淬硬层,这种低塑性的淬硬层往往成为冷加工的开裂源;
对于模拟材料(两块16Mn板材),利用T型接头I型坡口,如下图2形状。
图2
焊接参数的确定:
①大型锻锤锤杆焊接参数
焊接电源选用交直流焊机,接法采用直流反接,焊条采用R307,焊条直径选用Ø3.2、Ø4、Ø5,电流按照焊条直径依次为90A-120A、140A-180A、170A-210A,焊接速度30-50mm/min,坡口形状见图1.
②模拟实验焊接参数
焊接电源选用交直流焊机,接法采用直流反接,焊条采用J422,焊条直径选用Ø4,焊接电流选用110A,焊接速度30-50mm/min,坡口形状见图2.
3、试验流程及注意事项
焊接流程分为焊前、焊中和焊后,不同时期应注意事项不同。
3.1焊前工作
焊件准备:
热切割法准备规格为10mm*8mm*5mm的16Mn钢板两块;对于锻锤锤杆应先进行机加工形成图1所示尺寸及形状,并放置于井式炉中预热,温度不低于250℃,焊条使用前需要在350℃-400℃烘干,保温两小时后放入保温箱内随用随取。
焊前清理:
a焊件坡口两侧需严格处理干净,焊接区钢板表面的水分,坡口表面的氧化皮、锈斑、油脂以及其他污物也需清除,保证金属光泽可见;b坡口需规则,否则易引起熔深不足,焊缝不整齐;c坡口加工时,对于Q345强度较高,应注意边缘软化或硬化,防止切割裂纹,故可采用与焊接规范相同的热输入实施切割;d采用定位焊,以保持罕见形状和尺寸;e焊接材料在使用前应按生产厂推荐的规范进行烘干。
3.2焊中工作
采用单面焊,要求根部熔透,并保证不开裂。
钢板表面及对接的坡口处不允许存在裂纹、夹杂、分层、氧化皮及麻点等缺陷。
焊接操作过程中应严格按照工艺设计,并控制焊接接头的线能量,缩小热影响区,尽量采用窄焊道,减少高温停留时间,防止出现粗晶硬化;焊接电流及电压采取短路过渡的匹配值,同时控制导电嘴到工件的距离,防止过长时出现气体保护效果差,电弧不稳产生气孔,或过短时出现喷雾被飞溅堵塞,气体流通不畅产生偏析等缺陷。
在起弧前,需在焊条端头与母材间保持一定距离后再按焊枪开关,焊枪角度采用左焊法,保持焊枪前倾45度左右,以利于减少熔深,防止烧穿;焊接时采用45度倾角,收尾时适当减小;在焊接过程中尽量保持弧长稳定,末端不与熔池接触,焊速需适当,须防止过热或未焊透。
对于锤杆焊接过程中,要将工件放置于一个能自动转动的支架上,用测温计检查预热温度,若温度不够高,可使用氧-乙炔焰预热到不低于250℃,施焊过程中保持这一温度。
随后用直径为3.2的焊条打底短弧连续滚动焊,以后各层均采用直径为4、5的焊条。
注意每层施焊前消除掉残留的焊渣,并仔细观察有无气孔裂纹等缺陷,若有缺陷要彻底清除后重焊,再在需要加工的轴面上依次堆焊一层2mm-3mm厚,要求高于轴面的车削余高。
3.3焊后工作
外观检查:
焊件焊缝余高为2~3mm,焊缝及热影响区表面无明显裂纹、未熔合、弧坑及气孔等缺陷,热影响区有少量飞溅,收尾处有轻微烧穿现象。
拉伸实验:
由于模拟实验为T型接头I型坡口,无法做拉升以及冲击试验。
金相实验:
将拉伸后试样取有完整的焊缝、热影响区、及母材的小块试样进行打磨、抛光、腐蚀处理,并在金相显微镜下观察组织形貌,分析组织形貌特点并得出结论。
硬度实验:
对焊接试样的母材、热影响区和焊缝分别进行维氏硬度试验。
因实验条件限制,改用洛氏硬度,试验后可换算为维氏硬度。
对于锻锤锤杆焊后需要进行焊后热处理,即施焊后立即将锤杆吊入井式炉中加热至600℃—650℃左右,退火保温8小时后随炉冷却消除残余应力,最后加工成型。
4、实验结果及分析
由于采用模拟试验故材料为16Mn.
4.1金相图制备
4.1.1金相图制备
将焊后的焊件用气体切割设备切开,先在打磨机上打平,然后在1-5号不同粗细的细砂纸上打磨,最后在抛光机上抛光,最后在金相显微镜上拍照。
具体步骤如下表:
步骤
取样
粗磨
细磨
抛光
操作要点
将拉断的试棒锯下一小节,此小节化学成分、生产工艺、显微为组织与铸件一致
1、将粗糙测试免打磨平整;
2、严防过热,不得超过600°C
1、在玻璃板上用金相砂纸细磨,从00号砂纸开始,单方向抹磨;2、每换一次砂纸试样旋转90°3、每换一次砂纸,都要毛刷清理试样和砂纸
1、把抛光布洗干净,紧缠在抛光盘上;2开动抛光机后,加适当抛光液,将磨细的那面在抛光机上抛光,直到试样表面无划痕成镜面光亮为止
使用工具
手锯,切割机
粗砂纸、锉刀、砂轮机
玻璃板、毛刷、5个型号的砂纸
抛光布、冷却液,抛光机
对抛光好的金相试样,应立即用清水冲洗干净并蘸以酒精,同时用HNO3酸进行腐蚀4s-6s,随后用吹风机吹干,在显微镜底下(放大相应倍数)观察并测试石墨和非金属夹杂物的情况。
4.1.2金相组织分析
4.1.2.1母材区金相组织:
腐蚀液:
4%硝酸酒精
金相组织:
白色铁素体+黑色粒状珠光体。
图4-1母材金相50×
4.1.2.2焊缝区金相组织:
腐蚀液:
4%硝酸酒精
金相组织:
铁素体+少量细小的珠光体
图4-2焊缝区金相50×
4.1.2.3热影响区区金相组织:
腐蚀液:
4%硝酸酒精
金相组织:
白色先共析铁素体区+黑灰色珠光体+上贝氏体
图4-3热
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