ZGMn13高锰钢的焊接工艺.docx

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ZGMn13高锰钢的焊接工艺

ZGMn13高锰钢的焊接工艺

一、学习目标

知识目标:

?

了解焊接性的概念;

?

明确金属材料焊接性的评定指标及方法;

?

熟悉常用金属材料即钢、铸铁、有色金属的焊接性及焊接工艺;

?

了解焊接结构设计原则。

能力目标:

?

能判断出常用金属材料的焊接性并确定其焊接工艺。

二、任务引入

高锰钢是指含碳量为0.9%,1.3%，含锰量为11.0%,14.0%的铸钢，即ZGMn13。

主要用于制作承受严重摩擦和强烈冲击的零件，如车辆履带、破碎机颚板、球磨机衬板、挖掘机铲斗和铁道道岔等，这些零件经常采用焊接成形，需要确定判断其焊接性好坏，以便选择相应的焊接工艺，以保证焊缝质量。

三、相关知识

（一）金属材料的焊接性

1.焊接性

焊接性是金属材料对焊接加工的适应性，主要指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。

它包括两方面的内容:

一是接合性能，即在一定的焊接条件下，一定的金属形成焊接缺陷的敏感性;二是使用性能，即在一定焊接条件下，一定金属的焊接接头对使用性能的适应性等。

焊接性好的金属，应是焊接工艺简单，焊接接头完整，且能满足使用要求。

2.焊接性的评定

金属焊接性评定方法一般有碳当量法和冷裂纹敏感系数法，通常用碳当量来评价钢的焊接性。

将钢中的合金元素（包括碳）的含量按其对焊接性影响程度换算成碳的影响，其总和称为碳当量，用符号表示。

国际焊接学会推荐的碳钢和低合金结构钢碳当量计算公式为,CE

，，，,,,,,,MnCrMoVNiCo,（，，，），100%,,CEc6515

式中的化学元素符号表示该元素在钢材中含量的百分数。

碳当量值越高，钢材的淬硬倾向越大，冷裂敏感性也越大，焊接性越差。

当,,,CECE

0.4%时，钢材的淬硬倾向和冷裂敏感性不大，焊接性良好;当,0.4%~0.6%时，钢材的,CE

淬硬倾向和冷裂敏感性增大，焊接性较差;当,0.6%时，钢材的淬硬倾向大，容易产,CE

生冷裂纹，焊接性差。

（二）常用金属材料的焊接

1.钢的焊接

（1）碳钢的焊接

?

低碳钢的焊接

低碳钢的焊接性良好，焊接时—般不需要采取特殊的工艺措施，用各种焊接方法都能获得优质焊接接头。

只有厚大结构件在低温下焊接时，才应考虑焊前预热，如板厚大于50mm、温度低于0?

时，应预热到100?

~150?

。

?

中、高碳钢的焊接

中碳钢焊接时，热影响区组织淬硬倾向增大，较易出现裂纹和气孔，为此要采取一定的工艺措施。

如35、45钢焊接时，焊前应预热到150?

250?

。

高碳钢碳当量数值在0.60%以上，淬硬倾向更大，易出现各种裂纹和气孔，焊接性差。

—般不用来制作焊接结构，只用于破损工件的焊补。

焊接时应采取焊前预热，焊后热处理，细焊条，小电流等相应的焊接工艺。

（2）合金钢的焊接

合金钢因含有合金元素，焊接性较差。

低合金结构钢进行焊接的比较多，而合金渗碳钢与合金调质钢及高合金钢（除奥氏体不锈钢外），很少用于焊接生产。

?

低合金结构钢的焊接

这类钢中,0.4%时，焊接性良好，可采用手弧焊与埋弧焊，不需要采取特殊的焊,CE

接工艺措施既可焊接。

对于?

450MPa，,0.4%的低碳合金结构钢，焊接时热影响区,,sCE

有较大的淬硬倾向，冷裂倾向加剧，需要采取焊前预热（?

150?

），调整焊接规范及焊后热处理等工艺措施。

?

不锈钢的焊接

奥氏体不锈钢（如0Cr18Ni9）中虽然Cr，Ni元素含量较高，但C含量低，焊接性良好，焊接时一般不需要采取特殊的工艺措施，因此它在不锈钢焊接中应用最广。

不锈钢焊接易产生晶界腐蚀和热裂纹，焊接时采用小电流、快速不摆动焊、焊后加大冷速等措施予以解决。

2.铸铁的焊补

铸铁组织不均匀，塑性很低，焊接性很差，不能用铸铁设计和制造焊接构件。

但铸铁件常出现铸造缺陷，或使用过程中会发生局部损坏或断裂，可用焊接修复。

铸铁补焊易产生白口组织、气孔和裂纹。

按焊前预热温度，铸铁的补焊可分为热焊法和冷焊法两大类。

热焊法，焊前将工件整体或局部预热到600?

~700?

，焊补后缓慢冷却。

热焊法能防止工件产生白口组织和裂纹，焊补质量较好，焊后可进行机械加工，但热焊法成本较高，生产率低，焊工劳动条件差，常用于焊补形状复杂、焊后需进行加工的重要铸件，如床头箱、汽缸体等。

冷焊法，焊补前工件不预热或只进行400?

以下的低温预热。

冷焊法方便、灵活、生产率高、成本低、劳动条件好，但焊接处切削加工性能较差，多用于焊补要求不高的铸件以及不允许高温预热引起变形的铸件。

3.有色金属及其合金的焊接

（1）铝及铝合金的焊接

工业中主要对纯铝、铝锰合金、铝镁合金和铸铝件进行焊接。

由于焊接时极易氧化、变形和开裂、易生成气孔、熔融状态难控制等原因，使其焊接性比较差。

目前焊接铝及铝合金的常用方法有氩弧焊、气焊、点焊、缝焊和钎焊。

其中氩弧焊是焊接铝及铝合金较好的方法，气焊常用于质量要求不高的铝及铝合金工件的焊接。

（2）铜及铜合金的焊接

铜及铜合金的焊接比低碳钢困难得多，这是因为铜易氧化生成CuO与Cu的共晶体，存于2

晶界，焊接时易变形;铜在液态时吸气性强，易形成气孔;铜合金中的合金元素容易烧损，降低焊接接头的力学性能;铜的导热性高，导致焊不透等缺陷。

铜及铜合金可用氩弧焊、气焊、埋弧焊、钎焊等方法进行焊接。

其中氩弧焊主要用于焊接紫铜和青铜件，气焊主要用于焊接黄铜件。

（三）焊接结构设计

设计焊接结构时，除应考虑结构的使用要求，包括一定的形状、工作条件和技术要求等，也要考虑结构的焊接工艺要求，以保证焊接质量优良，焊接工艺简单，生产率高，成本低。

1.焊接结构材料的选择

在满足结构使用要求的前提下，应尽可能选用焊接性优良的材料制作焊接结构件。

一般含碳量w,0.25%的碳钢和w,0.20%的低合金结构钢具有良好的焊接性，应尽量选用;cc

w,0.50%的碳钢和w,0.40%的合金钢焊接性差，一般不宜采用。

cc

焊接结构尽可能采用同种金属材料制作。

异种金属材料焊接时，由于化学成分和性能不同，在焊接接头中会产生很大的应力，甚至造成裂纹。

因此，异种金属的焊接，必须特别注意它们的焊接性及其差异，对不能用熔焊方法获得满意接头的异种金属应尽量不选用。

2.焊缝的布置

由于平焊操作方便，易于保证焊接质量，故焊接时尽量使焊缝处于平焊位置。

布置焊缝时应考虑以下原则:

（1）焊缝位置应便于焊接操作

手弧焊时，应考虑有足够的焊接操作空间，以满足焊接运条的需要，如图6-23所示。

点焊和缝焊时，电极能够进入待焊的位置，如图6-24所示。

图6-23手弧焊焊缝的布置图6-24点焊或缝焊焊缝的布置

（2）尽量减少焊缝数量

设计焊接结构时，尽量选用型材、板材和管材，形状复杂的部分可采用冲压件、锻件和铸钢件，以减少焊缝数量、焊接应力和变形、焊接材料损耗。

图6-25为箱形结构，（a）有四条焊缝，而（b）、（c）只有两条焊缝。

（a）四块钢板焊成（,）两根槽钢焊成（;）两块钢板弯曲后焊成

图6-25减少焊缝数量

（3）避免交叉和密集的焊缝

6所示。

焊缝交叉或密集会使接头处严重过热，力学性能下降，增大焊接应力，如图6-2一般两条焊缝的间距要大于三倍的钢板厚度。

（a）不合理（b）合理

图6-26焊缝分散布置

（4）焊缝要尽量对称

为了减小变形，最好是能同时施焊，如图6-27所示。

（5）焊缝要避开应力较大和应力集中部位

如大跨度的焊接钢梁，焊缝应避免在梁的中间，如图6-28（a）所示，图（d）虽增加了一条焊缝，但提高了横梁的承载能力。

压力容器应使焊缝避开应力集中的转角处，如图6-28（e）、（f）所示。

（a）不合理（b）合理

图6-27焊缝对称布置

图6-28焊缝避开最大应力及应力集中位置布置

（6）焊缝应尽量避开机械加工表面

设计如图6-29所示。

（a）不合理（,）不合理（;）合理（,）合理

图6-29焊缝远离机械加工表面

（7）焊缝转角处应平滑过渡

-30所示。

设计如图6

（a）不合理（,）不合理（;）合理（,）合理

图6-30焊缝转角处应平滑过渡

3.焊接接头型式的选择

焊接接头设计应根据焊件的结构形状、强度要求、工件厚度、焊后变形大小、焊条消耗量、坡口加工难易程度、焊接方法等因素综合考虑决定。

焊接碳钢和低合金钢常用的接头形式可分为对接、角接、T形接和搭接等。

对接接头应力分布均匀，接头质量容易保证，节省材料，是焊接结构件中应用最多的一种，但对焊前准备和装配要求较高。

搭接接头应力分布复杂，易产生附加弯曲应力，降低接头强度，且不经济，但焊前准备和装配要求比对接接头简单，常用于厂房屋架和桥梁等。

当接头构成直角连接时，通常采用角接和T形接头。

角接接头通常只起连接作用，不能用来传递工作载荷，T形接头在船体结构中应用较广（约70%）。

手工电弧焊坡口的基本形式是I形坡口（或称不开坡口）、Y形坡口、双Y形坡口、U形坡口等4种，不同的接头形式有各种形式的坡口。

四、任务实施

ZGMn13奥氏体高锰钢根据碳当量值判断，其焊接性差，需要采用合适的工艺保证焊缝的质量。

（一）焊接选材

用于ZGMn13奥氏体高锰钢焊接的焊条为低碳钢焊芯，并在药皮中加入适量合金元素，使熔敷金属得到高锰钢的化学成分和力学性能。

用于焊接ZGMn13奥氏体高锰钢的焊条有两种类型:

一种是高锰钢型焊条D256，主要用于堆焊受严重冲击磨料磨损零件，如碎石机颚板等;另一种是Cr-Mn型焊条D276和D277，主要用于耐气蚀的堆焊或高锰钢堆焊，如水轮机叶片、挖掘机斗齿等。

（二）焊接工艺

焊补或焊接ZGMn13奥氏体高锰钢时，应该采用热源集中的焊接方法，如手弧焊、熔化极气体保护焊等，不推荐使用气焊和钨极氩弧焊。

焊补或焊接工艺:

（1）焊前必须清理焊补处的泥垢、油垢和铁锈，仔细检查有无起层、裂纹、夹砂、气孔和缩孔等缺陷。

（2）焊前不应预热，多层焊时层间温度不应超过300?

，以防止过热使热影响区脆化。

（3）焊接时要尽量减少基本金属受热，采取措施为尽可能地加快接头的冷却。

（4）焊后为消除焊接应力，可用尖锤锤击焊接区。

为使熔敷金属得到奥氏体组织，锤击后要迅速将焊接区进行喷水冷却。

五、能力训练

确定0Cr18Ni10Ti奥氏体不锈钢的焊接工艺

0Cr18Ni10Ti奥氏体不锈钢的碳当量值小于0.4%，焊接性好。

焊接工艺略。

六、经验交流

（一）金属的切割

金属分离的工艺操作，称为切割。

切割有冷切割和热切割两种方法。

1.热切割

利用热能使金属材料分离的方法，叫热切割。

常用的方法有气割、等离子弧切割、电子束切割和激光切割等。

（1）气割

气割是利用气体火焰的热能，将金属工件切割处预热到一定温度（燃烧）后，喷出高速切割氧流，使金属燃烧并放出热量来实现分离的切割方法。

常用的气体是氧和乙炔。

被切割金属应具备的条件:

?

金属的燃点必须低于其熔点，否则将成为“熔割”，切口凸凹不平，割缝质量差。

?

金属氧化物的熔点应低于被切割金属的熔点。

?

金属燃烧时，应产生大量的热量，以维持切割继续进行。

?

金属的热导性不应太高。

根据上述条件，w,0.7%的碳钢与w,0.25%的低合金钢，满足气割的条件，能够顺cc

利地进行气割;当w,0.7%时，不易气割。

铸铁、不锈钢、铜及铜合金、铝及铝合金都不c

能用气割法进行切割。

（2）等离子弧切割

等离子弧切割是利用高温、高速、高能量密度的等离子弧将被切割材料局部加热熔化并随即用氩气或氮气吹除，形成较整齐的割口（图6-31）。

其割口窄，切割面的质量较好，切割速度快，切割厚度可达150mm~200mm，可切割不锈钢、铸铁、铝、铜、钛、镍、钨及其合金等。

图6-31等离子弧切割示意图

1-冷却水;2-离子气;3-钍钨极;4-等离子弧;5-工件

（3）激光切割

激光切割是利用激光束的能量实现切割的方法，分为激光蒸发切割、激光熔化吹气切割和激光反应气体切割等。

激光蒸发切割是利用激光使切割金属蒸发、逸散，形成切口。

它要求功率密度大，在真空特殊场合下使用，只能切割极薄的金属材料。

激光熔化吹气切割是激光熔化被切割金属，用氩气、氦气或氮气将熔融金属吹掉，形成切口，类似于等离子弧切割，用于切割不锈钢、钛合金、铝合金等，也可以切割纸张、布、木材、塑料、橡胶等。

激光反应气体切割是激光熔化表面金属，有高压氧或压缩气流与金属进行反应，并吹除氧化物，类似于气割，用于切割碳钢、钛钢等。

2（冷切割

冷切割是在常温下使金属材料分离的方法。

常用的方法有锯割、剪切等。

（二）常见的焊接产生的原因

焊缝常见的焊接缺陷、特征及产生原因，见表6-4。

表6-4焊接接头主要缺陷及产生原因

缺陷种类图示概念产生原因

焊缝边缘上存在多焊条熔化太快;电弧

焊瘤余的未与焊件熔合的过长;运条不正确;焊

堆积金属速太慢

施焊中焊条未搅拌

熔池;焊件不洁;电流焊缝中部分地存在夹渣过小;焊缝冷却太快;着熔渣多层焊时各层熔渣未

除干净

电流太大;焊条角在焊件与焊缝边缘咬边度不对;运条方法不的交界处有小沟槽正确;电弧过长

焊件含碳、硫、磷高;

焊缝冷速太快;焊接程在焊缝或焊件表面序不正确;焊接应力过裂缝或内部存在有分裂金大;存在咬边、气孔、属组织的缝夹渣、弧坑、未焊透等缺陷

焊件不洁;焊条潮

焊缝的表面或内部湿;电弧过长;焊速太气孔存在气泡快;电流过小;焊件碳

含量高

装配间隙太小、坡口

太小或钝边太大;运条熔敷金属和焊件之未焊透太快;电流太小;焊条间局部未熔合未对准焊缝中心;电弧

过长