16Mn低合金钢埋弧焊接头组织与性能分析毕设.docx
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16Mn低合金钢埋弧焊接头组织与性能分析毕设
毕业设计论文
沈阳航空航天大学
沈阳航空航天大学
毕业设计(论文)任务书
二级学院材料科学与工程学院
专业材料成型及控制工程
班级
学生
指导教师
负责教师
毕业设计(论文)任务书
毕业设计(论文)任务书毕业设计(论文)题目
16Mn低合金钢埋弧焊接头组织与性能分析
毕业设计(论文)时间年月日至年月日
毕业设计(论文)进行地点材料科学与工程学院实验中心
毕业设计(论文)内容及要求:
主要内容为16Mn低合金钢的埋弧焊工艺研究,选择焊材、焊剂,在不同工艺下进行埋弧焊,并对焊接接头进行性能测试,研究焊接工艺对埋弧焊接头组织及性能的影响,初步探讨相关机理。
具体要求如下:
1.查阅相关研究的文献资料,写出开题报告(3000~5000字);
2.翻译一篇相关研究的英文资料,字数5000字以上;
3.选择焊材、焊剂,设计工艺参数对16Mn钢进行埋弧焊实验;
4.金相显微分析,观察焊缝组织形貌;
5.采用显微硬度等实验进行焊缝性能测试,分析断口形貌;
6.综合上述实验结果,分析焊接工艺参数对16Mn钢埋弧焊性能的影响机制,并确定最佳的焊接工艺规范;
7.总结实验结果,撰写毕业设计论文。
毕业设计(论文)任务书
指导教师签字年月日负责教师签字年月日
16Mn低合金钢埋弧焊接头组织与性能分析
院系
专业
材料成型及控制工程
班级
学号
姓名
指导教师
沈阳航空航天大学
AnalysisonMicrostructureandPerformanceofSubmergedArcWeldingJointof16MnLowAlloySteel
Department
SchoolofMaterialsScienceandEngineering
Major
Materialmoldingandcontrolengineering
Class
StudentNo.
Name
Supervisor
ShenyangAerospaceUniversity
16Mn低合金钢埋弧焊接头组织与性能分析
摘要
埋弧焊是当今生产效率较高的机械化焊接方法之一。
其固有的焊接质量稳定、焊接生产率高、无弧光及烟尘很少等优点,使其成为压力容器、管段制造、箱型梁柱等重要钢结构制作中的主要焊接方法。
由于16Mn低合金钢埋弧焊在我国各行各业都有较广泛的应用。
故本文结合实际情况,对工程上常用的16Mn(Q345)低合金钢的埋弧焊缝进行焊剂与电流的对比研究。
采用两种焊剂:
HJ431酸性熔炼焊剂;SJ101碱性烧结焊剂。
采用3种不同大小的电流通,过对比实验的方法,探索了焊剂种类及电流对焊缝冲击韧性、组织及硬度的影响。
结果表明:
采用碱性焊剂显著提高了焊缝的冲击韧性,冲击韧性甚至高于母材。
利用扫描电镜方法,揭示了在冲击载荷下的微观断裂机理,酸性焊缝为解理断裂,碱性焊缝为穿晶韧窝断裂。
通过金相分析的手段,揭示焊剂种类和焊接电流大小对接头组织的作用机理。
关键词:
16Mn钢;埋弧焊;冲击韧性;显微组织
Abstract
SAWisoneoftheweldingmethodsthatworksathigherproductivityintoday'smechanizedweldingmethods.Theadvantagesofit’sinherentstabilityoftheweldingquality,highproductivity,withoutthelightofarcandverylittlesmoke,makeitthemainweldingmethodintheproductionofpressurevessel,pipe,steelboxbeamsandotherimportantsteelstructure.
SincetheimpacttoughnessofSAWjointof16Mnsteeliswidlyusedinournormallife.Therefore,combiningtheactualsituationinthispaper,studywasmadeontheimpacttoughnessoftheSAWjointof16Mn(Q345)plaincarbonsteelwhichcommonlyusedontheproject.Twotypesofflux,HJ431acidmeltingfluxandSJ101basicagglomeratedflux,wereused.Bycomparingthetwosituations,weexploredtheinfluenceofthesortoftheweldingfluxandtheweldingcurrentontheimpacttoughnessoftheweldedjoint,microstructureandthehardness.Theresultsshowedthatbyusingthealkalineflux,itcanobviouslyimprovetheimpacttoughnessofweldingjoint,evenuptothelevelofparentmaterial.Withthehelpofscanningelectronmicroscope,themicro-fracturemechanismonimpactloadwasrevealedandthebasicweldingjointfracturesusingagglomeratedfluxwasinthetransgranulardimpleway.Bymeansofmetallographicanalysis,theactionmechanismoftheweldingfluxandtheweldingcurrentonthemicrostructureofweldingjointwasrevealed.
Keywords:
16Mnsteel;submergedarcwelding;impacttoughness;microstructure
1.文献综述
1.1埋弧焊技术
1.1.1埋弧焊的发展历史
美国国家管道公司根据宾夕法尼亚州麦基斯波特的一家管道工厂的需要发明了埋弧焊技术。
当时该技术用于焊接管道中的纵缝。
1930年Robinoff获得了该技术专利权,随后又将其卖给Linde气体产品公司,Linde气体产品公司将其更名为Unionmelf焊接技术。
1938年,美国的船厂和军械厂都采用了埋弧焊技术。
它是比较高效的焊接方法之一,到目前埋弧焊技术得到了进一步的发展和应用。
1.1.2埋弧焊的原理及特点
1.埋弧焊成型原理
预先把颗粒状焊剂散布在焊接线上,通过自动送丝装置把焊丝连续地送进焊剂中,在焊丝前端与母材间引燃电弧进行自动电弧焊(图1.1)。
埋弧自动焊焊接时,引燃电弧、送丝、电弧沿焊接方向移动及焊接收尾等过程完全由机械来完成。
由于电弧被掩埋在焊剂里面,从外部看不见,因此称作埋弧焊。
埋弧焊是一种高电流密度的焊接方法,具有深熔大的特点,一次熔透深度可达20mm以上,是一种生产率很高的焊接工艺方法。
半自动埋弧焊主要是软管半自动埋弧焊,其特点是采用较细直径(2mm或2mm以下)的焊丝,焊丝通过弯曲的软管送入熔池,电弧的移动是靠手工来完成,而焊丝的送进是自动的。
半自动埋弧焊可以用柬代替自动埋弧焊焊接一些弯曲或较短的焊缝,主要应用于角焊缝的焊接,也可用于对接焊缝的焊接。
在埋弧焊焊接过程中,电弧引燃后焊剂、焊丝和母材在电弧热的作用下立即熔化并形成熔池,熔化了的熔渣覆盖住熔池金属及高温焊接区,起到良好的保护作用(图1.2),未熔化的焊剂办具有隔绝空气、屏蔽电弧光和隔热的作用,并提高了电弧的热效率。
熔融的焊剂与熔化金属之间可以产生各种冶金反应,正确地控制这些冶金反应的进程,可以获得化学成分、力学性能和纯度符合预定技术要求的焊缝金属。
同时焊剂的成分也影响到电弧的稳定性、电弧柱的最高温度及热分布。
熔渣的特性也对焊道表面的成型起一定的作用。
图1.1埋弧焊示意图
图1.2埋弧焊焊缝形成过程示意图
1.1.3埋弧焊特点
(1)保护效果好:
埋弧焊时,焊丝、电弧、液态熔池以及凝固但仍处于高温的焊缝金属均可以受到颗粒状的焊剂和所生成熔渣壳的保护,熔渣可以隔绝空气,保护效果好,电弧区的主要气体成分是CO,焊缝金属含氮量、含氧量大大降低,所以焊缝成形好,成分稳定,力学性能比较好。
(2)防护好:
较厚的焊剂层遮住了电弧和飞溅,基本消除了弧光和飞测物对焊工的危害。
(3)生产效率高:
埋弧焊生产效率高,一方面是因为其易于实现机械化操作,焊丝导电长度缩短,焊丝电流密度都得以提高。
因此,电弧的熔深能力和焊丝熔敷效率都大大提高。
另一方面由于焊剂和熔渣的隔热作用,电弧基本上没有热的辐射散失,飞溅也小,因此热效率大大提高,使埋弧焊的焊接速度得以大大提高。
以厚度8-10mm的钢板对接接头的焊接为例,单丝埋弧焊速度可达30-50m/h:
双丝或多丝埋弧焊还可提高一倍以上[6,7],而焊条电弧焊则不超过6-8m/h,所以埋弧焊特别适用于中厚板长焊缝的焊接。
(4)可供选用的焊丝和焊剂的品种较多。
(5)焊丝和焊剂的配合使用,易于实现焊缝的成分调整。
熔炼焊剂可向焊缝中过渡一定数量的合金元素(例如Mn和Si)。
但埋弧焊焊接设备比较复杂,费用较高,对坡口精度要求高;焊接位置受到限制,目前只适用于平焊位置长焊缝的焊接:
适用范围小,由于埋弧焊焊剂的成分主要是MnO、SiO2等金属及非金属氧化物所以难以用来焊接铝、钛等氧化性强的金属及其合金,目前主要用于焊接碳素钢,低合金钢,不锈钢:
焊缝金属的冲击韧性普遍不高;由于埋弧焊电弧的电场强度较大,焊接电流小于100A时,电弧的稳定性不好,因此不适合焊接薄板。
然而,瑕不掩玉,由于埋弧焊熔深大、生产率高、机械化程度高,特别适合于中厚板结构长焊缝的焊接,在造船、压力容器、桥梁、铁路车辆、工程机械、管道、核电站结构、海洋结构等领域有着广泛的应用,是当今焊接生产中使用最普遍的熔焊方法之一。
1.1.4埋弧焊的工艺参数
埋弧焊的焊接参数主要有:
焊接电流、电弧电压、焊接速度、焊丝直径和焊丝伸出长度等。
(1)焊接电流
当其他参数都不变时,焊接电流对焊缝形状和尺寸的影响较大。
一般焊接条件下,焊缝熔深与焊接电流的大小成正比,随着焊接电流的增加,熔深和焊缝余高都有显著增加,而焊缝的宽度变化不大。
同时,焊丝的熔化量也相应增加,这就使焊缝的余高增加。
随着焊接电流的减小,熔深和余高部减小。
(2)电弧电压
随着电弧电压的不断增加,焊缝熔宽度明显增加,而熔深和焊缝余高则有所下降。
但是电弧电压太大时,不仅使熔深变小、产生未焊透,而且会导致焊缝成形差、脱渣困难,甚至产生咬边等缺陷。
所以在增加电弧电压的同时,还应适当增加焊接电流。
(3)焊接速度
当其他焊接参数不变而焊接速度增加时,焊接热输入量相应减小,从而使焊缝的熔深也减小。
焊接速度太大会造成未焊透等缺陷。
为保证焊接质量必须保证一定的焊接热输入量,即为了提高生产率而提高焊接速度的同时,应相应提高焊接电流和电弧电压。
(4)焊丝直径与伸出长度
当其他焊接参数不变而焊丝直径增加时,弧柱直径随之增加,即电流密度减小,会造成焊缝宽度增加,熔深减小。
反之,则熔深增加及焊缝宽度减小。
当其他焊接参数不变而焊丝长度增加时,电阻也随之增大,伸出部分焊丝所受到的预热作用增加,焊丝熔化速度加快,结果使熔深变浅,焊缝余高增加,因此须控制焊丝伸出长度,不宜过长。
(5)焊丝倾角
焊丝的倾斜方向分为前倾和后倾。
倾角的方向和大小不同时,电弧对熔池的力和热作用也不同,从而影响到焊缝的成形。
当焊丝后倾一定角度时,由于电弧指向焊接方向,使熔池前面的焊件受到了预热作用,电弧对熔池的液态金属排出作用减弱,而导致焊缝变宽而熔深变浅。
反之,焊缝宽度较小而熔深较大,但易使焊缝边缘产生未熔合和咬边,并且使焊缝成形变差。
(6)其他
a.坡口形状b.根部间隙c.焊件厚度和焊件散热条件。
1.1.5埋弧焊机的种类及应用范围
埋弧焊机的种类如下[1]:
(1)按电源分交流(弧焊变压器)、直流(弧焊发电机和弧焊整流器)以及交流与直流两用。
一般电源的选择要根据使用条件如焊接电流规范、焊接速度、焊剂类型以及丝极数目来选择。
一般交流电源多用于大电流埋弧焊和采用直流焊时磁偏吹严重的场合;而直流电源用于焊剂稳弧性较差,对焊接工艺参数稳定性有较高要求,或小电流规范、快速引弧、短焊缝、高速焊的场合。
(2)按用途分为专用和通用两种。
通用焊机广泛用于各种结构的对接、角接、环缝和纵缝的焊接:
而专用焊机则适用于特定的焊缝和构件,如埋弧自动角焊机、T形梁焊机、埋弧堆焊机等。
(3)按送丝方式可分为等速送丝式和变速送丝式两种。
前者较适用于细焊丝、较高电流密度条件下的焊接,而后者则比较适用于粗丝低电流密度条件下的焊接。
(4)按行走机构形式分为小车式、门架式、悬臂式三类。
通用埋弧焊机多采用小车式,可适合平板对接:
角接及简体内外环缝的焊接;门架式行走机构则适用于大型结构件的平板对接、角接;悬臂式焊机适用于大型工字粱、化工容器,锅炉气包等圆筒、圆球形结构上的纵缝和环缝的自动焊接。
(5)按焊丝数目和形状可分为单丝、多丝和带状电极埋弧焊机。
焊接生产中应用最多最广泛的是单丝焊机,为了加大熔深和提高焊接生产效率,多丝埋弧焊得到越来越多的应用,目前使用最多的是双丝和三丝埋弧焊,带状电极埋弧焊机主要用作大面积堆焊用。
为提高埋弧焊的生产效率,20世纪50年代提出了多种双(多)丝埋弧焊方法[8,9],发展到现在有些方法已在实际生产中已得到了较为广泛应用[10-15],并出现了一些新的双丝埋弧焊方法[16],包括多电源串列双丝埋弧焊、单电源并列双丝埋弧焊、热丝填丝埋弧焊和单电源串连双丝埋弧焊等。
(1)多电源串列双丝埋弧焊:
多电源串列双丝埋弧焊中每一根焊丝由一个电源独立供电,根据两根焊丝间距的不同,其方法有共熔池法和分离电弧法两种。
在双丝埋弧焊中多用分离电弧法(图1.3),焊丝有几种选配的方法:
或一根是直流,一根是交流;或两根都是直流;或两根都是交流。
最常采用的布置:
或是一根前导的直流焊丝(反极性)和跟踪的交流焊丝,或是两根交流焊丝。
虽然交流电弧对与工件相联系的电弧偏吹敏感性较低,但围绕着两种或更多交流电弧的区域能够引起取决于电弧之间的相位差的电弧偏转现象。
为控制电弧之间的相位差,交流系统的电源常常是斯考特三/二相变压器或在闭路的三角形接法的回路中接入可变阻抗[17]。
这种工艺具有熔深大,熔敷速度高,焊缝金属稀释率接近于单丝埋弧焊的特点,因而提高了焊接速度与焊接质量。
串列三丝埋弧在国外的造船厂、高压容器厂和制管厂得到了广泛的应用[10,11]。
这种工艺在我国的制管厂也得到了一定的应用[12-15]。
图1.3单电源并列双丝埋弧焊示意图
(2)单电源并列双丝埋弧焊
单电源并列双丝埋弧焊实际是用两根较细的焊丝代替一根较粗的焊丝,两根焊丝共用一个导电嘴,以相同的速度且同时通过导电嘴向外送出,在焊剂覆盖下的坡口中熔化。
该方法在单电源并列双丝埋弧焊的基础上添加金属粉末,迸一步提高了熔敷速率和生产率,降低了焊剂消耗,提高了电弧效率[5,6]。
(3)热丝填丝埋弧焊
20世纪60年代末至70年代初,美国、英国等国家就已相继开始研究热丝填充的方法[7],最早是为了提高TIG焊的效率,热丝填充的方法在TIG焊上成功应用,后来又应用到埋弧焊中[8]。
热丝填丝埋弧焊具有以下优点:
(a)热丝被加热到近于熔点温度熔入埋弧焊熔池,因而可大幅度提高埋弧焊效率,一般可提高熔敷速率50%以上;
(b)热丝先靠电阻热加热,加热范围小,能耗少,相对能耗率与提高熔敷速度之比小于0.3。
(c)热丝的填充相对降低了熔池的温度,故焊缝热影响区小,接头力学性能优良.热丝填丝埋弧焊可以只用一个电源,也可以用两个电源。
因为不存在其它双丝焊所存在的两电弧相互干扰问题,又具有熔敷速率高,焊接质量好等优点,热丝填丝埋弧焊在国内外研究和应用都较多。
这种方法是在普通的埋弧焊基础上,附加一套送丝机构,将另外一根焊丝由预热电源加热至接近熔化状态后均匀地送入埋弧自动焊所形成的熔池内,用熔池的热量熔化热丝(图1.4)。
这是一种可以通过提高焊接时填充金属熔化量进而提高焊接效率及劳动生产率的好方法。
单电源热丝填丝埋弧焊方法是利用电源的一个分流回路对辅助焊丝导电部分预热而提高其熔化速度,因而可在不增加电源设备和功率的情况下,大大提高热利用效率和生产率(图1.5)。
图1.4双电源热丝填丝埋弧焊示意图
图1.5单电源热丝填丝埋弧焊示意图
(4)单电源串联双丝埋弧焊
文献[9]最早介绍了这种单电源串连双丝埋弧焊方法。
两丝通过导电嘴分接电源正负两极,母材不通电,电弧在两焊丝之间产生,即两焊丝是串连的。
两丝既可横向排列也可纵向排列,两丝之间夹角最好为45 焊接电流的大小和焊丝与工件之间的距离是影响焊缝成形和熔敷金属质量重要的因素,焊接电流越大,则熔深越大;增大焊丝与工件之间的距离,可以获得较小的熔深和热输入。
1.1.6埋弧焊的发展及前景
我国焊接设备制造业起步比较晚,20世纪50、60年代我国重点企业的大型焊接装备大部分是从国外引进的。
到了20世纪70年代,国内才组建一批专门生产焊接装备的制造厂家。
埋弧焊机电源的发展经历了四个阶段:
机械调节型电源、磁饱和放大器电源、晶闸管整流电源和IGBT逆变电源。
埋弧焊机控制系统的发展经历了三个阶段:
机械控制、分离元件控制、集成电路数字控制或微机控制。
目前大容量的数字控制晶闸管整流电源、埋弧焊逆变电源,以其高效节能、良好的动特性和弧焊工艺性能等优点成为常规埋弧焊电源的更新换代产品。
随着电力电子技术的发展,埋弧焊设备的电路、器件及其控制技术向着集成化、高频化、全控化、电路弱电化、控制数字化以及多功能化的方向发展。
在埋弧焊接过程控制方面,微机被广泛运用于弧焊规范参数的控制、焊接工件的自动定位和埋弧焊焊缝自动跟踪、埋弧焊的过程控制以及焊接生产线的自动化,随着埋弧焊工艺的发展,为适应一些特殊的焊接要求,派生出了许多新的埋弧焊工艺,如双丝和多丝埋弧焊、窄间隙埋弧焊、带极埋弧焊、添加粉末埋弧焊、添加磁性焊剂埋弧焊等。
传统埋弧焊生产过程中有两种自动调节方法,一是电弧自身调节系统,它采用缓降特性或平硬特性电源配等速送丝系统,通过改变焊丝熔化速度进行调节,该系统主要用于4mm以下细丝埋弧焊焊接;二是电弧电压反馈变速送丝调节系统,它采用陡降特性或垂降特性电源配变速送丝系统,利用电弧电压反馈改变送丝速度进行调节。
目前国内大多数埋弧自动焊机及焊接操作机仍是采用分离元件模拟控制,由于埋弧自动焊的动态过程是一个具有高度非线性、时变性及多变量耦合作用的复杂系统。
固定的控制模式和控制参数难以保证各种焊接条件下的焊接接头性能,难以适应整个调节范围内参数的优化。
在较强、较弱的焊接规范下,往往焊接性能不理想。
采用微机控制可以较好的解决这个问题,微机控制的焊机有以下特点:
(1)电源功能拓宽:
同一电源采用不同的算法,能很好地实现一机多用。
通过灵活地软件编程使电源外特性可获得恒电流特性、恒电压特性、斜率不同的输出外特性和恒功率的任意控制。
(2)动特性控制好:
借助于PI调节器组成的电子电抗器对焊接过程的短路电流上升率di/dt进行控制,从而得到di/dt的一个优化范围。
(3)操作性好:
微机控制的弧焊机通常具有较好的操作界面,根据不同的焊丝直径、焊接的板厚进行焊接参数预置、再现、记忆,监控各焊接参数,根据不同需要变换参数,并且具有数字显示等功能。
(4)实现协同控制:
根据工件厚度不同,同时按所需的电弧电压、电流(送丝速度),甚至电感量的一元化调节,而不必逐个调节这些焊接参数。
(5)稳定性好:
电源特性由控制算法决定,不会出现因模拟控制中零漂及元件分散性等因素造成性能下降或不一致。
(6)工艺程序的控制和焊接故障的诊断。
微机控制可以满足各种焊接工艺程序的要求,如提前供气、电流的递增和衰减,并能够对焊接过程的各种故障进行诊断和报警。
(7)易于开发:
微机系统采用积木式结构,其开发周期短,开发成本低。
纵观当今埋弧焊机的发展趋势,具有如下特点:
高精度、高质量、高可靠性:
数字化、集成化和智能化控制;大型化、组体化及管控一体化和多功能化。
进入21世纪,科学技术突飞猛进的发展,高效化焊接已经提上同程,埋弧焊焊接高效化已是国内外焊接技术研究和应用的重要趋势。
以前在高效化焊接中主要以材料焊接方面的问题居多,随着冶金业的进步,焊材的可焊性提高。
对焊接线能量不再敏感,允许使用大电流焊接。
另外,焊接过程机械化与自动化水平的提高,也要求提高焊接效率。
高速焊接和高熔敷率焊接是今后焊接技术的发展方向,它将在工业生产中得到越来越广泛的应用。
1.216Mn钢的焊接性
1.2.116Mn钢简介
16Mn钢属于合金结构钢,合金结构钢是用作机械零件和各种工程构件并含有一种或数种一定量的合金元素的钢。
16Mn钢为热轧钢,热轧钢的屈服强度一般为294——343MPa,它属于C-Mn和C-Mn-Si系钢种,有时用V、Nb代替部分Mn,以达到细化晶粒和沉淀强化的作用,热轧钢的强化机理是固溶强化。
16Mn钢是热轧及正火钢中最典型的钢种,我国许多低合金钢都是在16Mn基础上发展起来的。
16Mn钢的冷加工性能良好,允许冷冲压和进行切削加工。
16Mn钢允许热冲压,加热温度为1000-1100℃,终压温度为750-850℃该钢冲压后的强度、塑性变化均不大,并且允许热矫证、火焰切割、碳弧气刨等。
这类钢价格便宜,而且具有较为满意的综合力学性能和加工工艺性能。
因此,这种钢在各国都得到了普遍的应用。
这类钢的基本成分为:
C=0.2%,Si=0.55%,Mn=1.5%。
它具有良好的焊接性和缺口韧性,它的屈服强度受到了一定的限制。
这类钢在热轧状念下使用时的屈服强度一般限制在343MPa的水平。
16Mn钢属于低碳热轧钢,是含有锰和硅的低合金高强度结构钢,它比Q235型的低碳钢只多加些锰,但其强度却增加35%左右。
此钢种虽具有良好的焊接性,但由于它含有一定量的碳和锰等元素,焊接时的淬硬倾向比Q235碳钢稍大些,冷裂倾向也就稍大。
在气温较低的情况下,或在焊件刚度和板厚都比较大的结构上焊接时,如果选用较小的热输入焊接一些短焊缝(或焊脚尺寸较小的角焊缝),焊接接头中就有可能产生淬硬组织或冷裂纹。
1.2.216Mn钢焊接性
(1)计算16Mn的碳当量[10]
根据此公式可以计算得到16Mn的碳当量为0.39%。
(2)热裂纹
一般认为CE=0.4%时,这类钢材在焊接时淬硬倾向较小,因此冷裂纹倾向也较小,焊接性良好,与低碳钢几乎相同。
由于含碳量较低,且Mn/S比都能达到要求,所以具有较好的抗热裂纹性能,正常情况下焊缝中是不
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