【正文】 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）摘 要本文介紹了金屬焊接性以及焊接裂紋的概念，主要介紹冷裂紋的形成與影響因素、金屬焊接性的試驗研究方法，論述了低碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接性及焊接工藝特點(diǎn)。在總結(jié)大量資料和焊接實(shí)驗的基礎(chǔ)上，通過低碳調(diào)質(zhì)鋼18MnMoNb鋼斜Y型焊接裂紋試驗，即小鐵研試驗、18MnMoNb焊接熱影響區(qū)組織性能試驗、18MnMoNb焊接裂紋斷口的掃描電鏡分析，分析低碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接性及產(chǎn)生冷裂紋的原因，并討論了預(yù)熱對焊接冷裂紋傾向的減小作用；并對18MnMoNb焊接熱影響區(qū)組織進(jìn)行了金相分析和性能研究，最后對18MnMoNb焊接熱影響區(qū)的顯微硬度進(jìn)行了測試。完成了低碳調(diào)質(zhì)鋼18MnMoNb鋼的可焊性研究。關(guān)鍵詞：可焊性；焊接接頭；熱影響區(qū)；焊接裂紋38AbstractThis paper introduces the concepts of metal welding and welding cracks，mainly on the formation and cold crack factors，and experimental methods of metal weldable capability，discussed the welding and welding technology features of lowcarbonquality steel．On the base of investigation and weld experiments，through lowcarbonquality steel of 18MnMoNb YSilt Type Cracking Test，structure and performance test of 18MnMoNb weld heat affected zone，the scanning electron microscope analysis of 18MnMoNb welding crack fracture，and　analysis the welding of lowcarbonquality steel and the reasons of the cold crack and summarize the influence of preheat on cold cracking；and the study pleted Metallographic analysis and properties of the metal materials 18MnMoNb weld heat affected zone．Finally， microrigidity of 18MnMoNb weld heat affected zone was tested．The metal weldable capability of 18MnMoNb was pleted．Key words：weldable；welding joint； HAZ；welding crac目 錄第1章 焊接技術(shù)概述 1第2章 低碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接基礎(chǔ)理論 3 焊接冶金過程特點(diǎn) 3 焊接接頭的組織與性能 4 低碳調(diào)質(zhì)鋼熱影響區(qū)的組織分析 7 低碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接性理論分析 7 低碳調(diào)質(zhì)鋼常用焊接方法 12第3章 低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接性能研究試驗基礎(chǔ) 14 低碳調(diào)質(zhì)鋼常用焊接工藝 14 低碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接工藝特點(diǎn)研究 17 低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接性試驗及分類 19 斜Y形坡口焊接裂紋試驗法 20 滲透探傷法在焊接檢測中的應(yīng)用 22 焊接接頭金相試樣的制備 23 焊接裂紋的斷裂形式及斷口形態(tài) 24第4章 18MnMoNb鋼的焊接性試驗及分析 25 焊接試驗準(zhǔn)備 25 低碳調(diào)質(zhì)鋼18MnMoNb斜Y型焊接裂紋試驗 26 低碳調(diào)質(zhì)鋼18MnMoNb焊接裂紋斷口掃描電子顯微鏡分析 30 18MnMoNb焊接熱影響區(qū)組織及性能試驗 31 18MnMoNb焊接接頭的硬度試驗 32結(jié)論 35參考文獻(xiàn) 36致謝 37第1章 焊接技術(shù)概述焊接技術(shù)，又稱連接工程，是一種重要的材料加工工藝。所謂焊接就是把兩種或兩種以上的材料（同種或異種），通過加熱或加壓或兩種并用，并且用或不用填充材料，使工件的材質(zhì)達(dá)到原子間的結(jié)合而形成永久性連接的工藝過程。焊接與其他連接方式不同，不僅在宏觀上形成了永久的接頭，而且在微觀上建立了組織上的內(nèi)在聯(lián)系[1]。由于焊接方法具有節(jié)省金屬，生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品質(zhì)量好和大大改善勞動條件等優(yōu)點(diǎn)，在半個世紀(jì)內(nèi)得到飛速發(fā)展。近代焊接技術(shù)，從1882年出現(xiàn)碳弧焊開始直到本世紀(jì)30年代，在生產(chǎn)上還只是應(yīng)用氣焊和手工電弧焊等簡單的焊接方法。尤其是四十年代，出現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)電焊條，使焊接技術(shù)得到一次飛躍。以后隨著埋弧焊和電阻焊的應(yīng)用，使焊接過程的機(jī)械化和自動化成為現(xiàn)實(shí)。后來又出現(xiàn)電渣焊，各種氣體保護(hù)焊，直到六十年代發(fā)展起來的等離子弧焊、電子束焊、激光焊接等先進(jìn)的焊接方法的涌現(xiàn)，使焊接技術(shù)達(dá)到了一個先進(jìn)的水平。近年來又在研究能量束焊接，例如太陽能焊接、冷壓焊接等新的焊接方法?？梢哉f焊接方法層出不窮。金屬材料在焊接時要經(jīng)受加熱、熔化、化學(xué)反應(yīng)、結(jié)晶、冷卻、固態(tài)相變等一系列復(fù)雜的過程，這些過程又都是在溫度、成分及應(yīng)力極不平衡的條件下發(fā)生的，有時可能在焊接區(qū)造成缺陷，或者使金屬的性能下降而不能滿足使用時的要求。金屬本身的物理性能、化學(xué)性能和力學(xué)性能，都不足以直接說明它在焊接時可能出現(xiàn)什么問題或焊接后能否滿足使用要求。金屬焊接性就是金屬是否能適應(yīng)焊接加工而形成完整的、具備一定使用性能的焊接接頭的特性。金屬焊接性包括兩大方面內(nèi)容，一是金屬在焊接加工中是否容易形成缺陷；二是焊成的接頭在一定的使用條件下可靠運(yùn)行的能力。這說明，焊接性不僅包括結(jié)合性能，而且包括結(jié)合后的使用性能[2]。從理論上分析，只要在熔化狀態(tài)下能夠相互形成溶液或共晶的任意兩種金 屬或合金都可以經(jīng)過熔焊形成接頭。同種金屬或合金之間當(dāng)然是可以形成焊接接頭的。許多異種金屬或合金之間也是可以形成焊接接頭的，只是有時是需要通過中間過渡層的。因此，可以認(rèn)為上述幾種情況都可以看作是“具有一定焊接性”的。差別在于有的工藝過程很簡單，有的工藝過程很復(fù)雜；有的接頭質(zhì)量高、性能好、有的接頭質(zhì)量低、性能差。所以，金屬焊接工藝過程簡單而有接頭質(zhì)量高、性能好時，就稱作焊接性好；反之，就稱焊接性差。所謂工藝焊接性，是指在一定焊接工藝條件下，能否獲得優(yōu)質(zhì)、無缺陷的焊接接頭的能力。對于一般熔焊來講，焊接過程都要經(jīng)歷加熱熔化、冶金反應(yīng)和隨后冷卻過程。因此，工藝焊接性又分為“熱焊接性”和“冶金焊接性”。熱焊接性是指焊接熱過程中，對焊接熱影響區(qū)組織性能及產(chǎn)生的缺陷的影 響程度，它用于評定被焊金屬對熱作用的敏感性；冶金焊接性是指冶金反應(yīng)對焊縫性能和產(chǎn)生缺陷的影響程度。所謂使用焊接性是指焊接接頭或整體結(jié)構(gòu)滿足各種使用性能的程度，其中包括力學(xué)性能、低溫韌性、抗脆斷性能、高溫蠕變、疲勞性能、持久強(qiáng)度，以及抗腐蝕性能和耐腐蝕性能等。焊接性的提出為判斷材料能否適應(yīng)焊接加工，提供了可靠的依據(jù)?，F(xiàn)階段，用來判斷可焊性的方法很多，如可以直接采用焊接試驗，也可以通過分析金屬的化學(xué)成分、物理特性、與各種氣體的親和力、相圖特點(diǎn)，CCT圖或SCCT圖、熱處理狀態(tài)、焊接工藝條件、保護(hù)方式、工藝措施等來評價焊接性。在本論文中，將簡單介紹焊接性及其試驗方法，對低碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接性能進(jìn)行研究。低碳調(diào)質(zhì)鋼的σs一般為441～980MPa，在調(diào)質(zhì)態(tài)供貨和使用。其特點(diǎn)是含碳量更低，淬火組織為低碳馬氏體，不僅強(qiáng)度高，并且兼有良好的塑性和韌性，可以直接在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下進(jìn)行焊接，焊后也不需要進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。必要時可采取消除應(yīng)力處理。這類鋼由于強(qiáng)度高，主要用于高壓設(shè)備。這類剛為了保證良好的綜合性能和焊接性，要求C≤%，%以下。σs 441～490MPa的低合金高強(qiáng)鋼中有調(diào)質(zhì)和正火（或正火+回火）兩類。調(diào)質(zhì)鋼的韌性和焊接性通常都比同一強(qiáng)度等級的正火鋼好；熱影響區(qū)的淬硬傾向小，冷裂敏感性低。焊接裂紋是金屬焊接時產(chǎn)生的主要缺陷，是在焊縫中的應(yīng)力大而該部分的塑性變形能(即延伸性)小的情況下產(chǎn)生的。焊接裂紋產(chǎn)生的主要原因，通常隨發(fā)生場所、發(fā)生時期及其形態(tài)的不同可有冷裂紋和熱裂紋兩種。焊接金屬裂紋主要由焊接金屬凝固時的收縮應(yīng)力所引起。評定母材焊接性優(yōu)劣程度的試驗稱為焊接性試驗。其主要內(nèi)容有：焊接熱裂紋試、焊接冷裂紋試驗、焊接熱裂紋和層狀撕裂試驗、焊接熱影響區(qū)缺口脆性試驗和焊接接頭的使用性能試驗。在本論文中，對低碳調(diào)質(zhì)鋼18MnMoNb進(jìn)行了斜Y型焊接冷裂紋實(shí)驗研究并用掃描電鏡對裂紋斷口進(jìn)行觀察，判斷出裂紋的斷裂形式，對18MnMoNb鋼焊接熱影響區(qū)組織性能進(jìn)行了研究，并對其焊接接頭組織進(jìn)行了金相分析及顯微硬度分析。隨著人類社會對物質(zhì)文明的追求、各種新型材料的不斷開發(fā)及科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，焊接技術(shù)已成為一門獨(dú)立的科學(xué)。它廣泛地應(yīng)用于石油化工、電力、航空航天、海洋工程、核動力工程、微電子技術(shù)，橋梁、船舶、艦艇，以及各種金屬結(jié)構(gòu)等工業(yè)部門。而可焊性是焊接的首要條件，可以預(yù)料，隨著焊接工業(yè)的發(fā)展，焊接將會向著更加高效、環(huán)保、新型的方向發(fā)展。第2章 低碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接基礎(chǔ)理論 焊接冶金過程特點(diǎn)熔焊時，金屬、熔渣與氣相之間進(jìn)行一系列的化學(xué)冶金反應(yīng)，如金屬氧化、還原、脫硫、脫磷、參合金等。這些冶金反應(yīng)可直接影響焊縫的成分、組織和性能。近年來，通過焊接材料向焊縫中加入微量合金元素（如Ti、Mo、Nb、V、Zr、B和稀土等）、適當(dāng)?shù)慕档秃L(fēng)中的碳、最大限度的排除焊縫中的硫、磷、氧、氮、氫等雜質(zhì)強(qiáng)化焊縫，提高焊縫的韌性。焊接冶金過程實(shí)質(zhì)上是金屬在焊接條件下的再熔煉過程，具有下列特點(diǎn)：（1）電弧反應(yīng)區(qū)溫度高電弧焊時弧柱溫度可達(dá)6000℃以上，熔滴溫度可達(dá)1800～2400℃，熔池平均溫度也在（1770177。100）℃左右。在這樣高的溫度下，工件焊接區(qū)局部金屬熔化形成熔池，焊條也熔化，通過電弧進(jìn)入熔池。熔池上部充滿大量氣體，熔池中有一定熔渣。在這個高溫的焊接區(qū)，不僅有氣體分子，而且存在受熱分解的氣體原子及受激發(fā)的氣態(tài)離子。氣體的狀態(tài)不同，在金屬中的溶解度也不同。以原子、離子狀態(tài)存在的氣體，其化學(xué)活性顯著增加，在金屬中的溶解度也隨之增加。因此，電弧焊時，熔化金屬吸收的氣體量常常超過它的標(biāo)準(zhǔn)溶解度，從而嚴(yán)重影響焊縫金屬的成分和性能。（2）熔池體積小，冷卻速度快電弧焊時，熔池體積最大只有30cm3，質(zhì)量不超過100g，而且熔池周圍被金屬包圍，冷卻速度較快，平均冷速為4～100℃/s，與鑄錠冷速相差幾千倍[鑄錠平均冷速為（3～150）104℃/s]。因此，冶金反應(yīng)時間較短，有時反應(yīng)不能達(dá)到平衡，化學(xué)成分不太均勻，凝固后使合金元素存在偏析現(xiàn)象。液態(tài)時金屬吸收的氣體有時來不及逸出而形成氣孔。一些非金屬夾雜物也可能來不及付出而留在焊縫金屬中造成。（3）鐵水進(jìn)入熔池電弧焊時，焊條熔化后以滴狀進(jìn)入熔池填充焊縫，因此，熔化金屬與氣體、熔渣的接觸面積比正常煉鋼時要大得多。這使冶金反應(yīng)速度加快，增加合金元素的蒸發(fā)、燒損。氣體熔入金屬的機(jī)會也大大增加。（4）組織差別大焊接過程中，溫度高，液體金屬蒸發(fā)，化學(xué)元素?zé)龘p，有些元素在焊縫金屬和基體金屬之間相互擴(kuò)散，近縫區(qū)各段所處溫度又不同，冷卻后焊接區(qū)的顯微組織差別極大。焊縫金屬由柱狀晶組成的鑄態(tài)組織，母材熱影響區(qū)是在不同峰值溫度焊接熱循環(huán)作用下產(chǎn)生梯度性組織特征。明顯的組織差異影響著接頭的性能[3]。隨著焊接熱源離開，經(jīng)過化學(xué)冶金反應(yīng)的熔池金屬就開始凝固結(jié)晶，金屬原子有近程有序變?yōu)檫h(yuǎn)程有序排列，即有液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)。對于具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的金屬，隨溫度下降，將發(fā)生固態(tài)轉(zhuǎn)變。例如鋼鐵材料，將發(fā)生δ→γ→α轉(zhuǎn)變。因焊接條件是快速連續(xù)冷卻，并受局部拘束應(yīng)力的作用，因此，可能產(chǎn)生偏析、夾雜、氣孔、熱裂紋、冷裂紋、脆化等缺陷。下面我們將會對焊接接頭的組織和力學(xué)性能和焊接接頭的裂紋進(jìn)行分析。 焊接接頭的組織與性能焊接中應(yīng)用的焊接方法不同，形成焊接接頭是不同的。但熔化焊焊接接頭，從宏觀上說，都有熔化焊縫、熱影響區(qū)及母材三部分，在焊縫和熱影響區(qū)中間存在過渡區(qū)，稱為熔合區(qū)[3]。在微觀上，具體劃分方法如圖21：圖21 焊接接頭金屬區(qū)域組成示意圖1—完全混合區(qū) 2—不完全混合區(qū) 3—部分熔合區(qū) 4—純熱影響區(qū) 5—焊接邊界 6—母材 對焊縫金屬的研究焊縫金屬由熔化的母材和填充材料組成。焊接時，焊縫金屬由高溫液態(tài)冷卻至常溫固態(tài)，要經(jīng)過從液相轉(zhuǎn)化為固相的一次結(jié)晶過程和在固態(tài)焊縫金屬中進(jìn)行的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的二次結(jié)晶過程，從而使焊縫金屬具有如下特點(diǎn)：（1）存在鑄造缺陷焊接的冶金過程與鑄造相似，因此它也存在一般鑄造中常產(chǎn)生的氣孔、夾渣、偏析和晶粒大等缺陷。其晶體總是垂直于焊縫金屬邊緣向焊縫中心成長，最終形成粗大的柱狀晶，具有很強(qiáng)的方向性，利于雜質(zhì)偏析和熱裂紋的形成。由于晶粒粗大，故其塑性和韌性一般較母材差。（2）焊縫中存在雜質(zhì)此處的雜質(zhì)不是熔渣，因為熔渣相對密度小，易浮于表面。焊縫中的夾雜主要是指熔池冶金反應(yīng)中生成的氧化物和硫化物等顆粒，由于結(jié)晶過程凝固較快，來不及浮出而殘存于焊縫內(nèi)部。低碳鋼中的夾雜物一般為硅酸鹽、主要是SiO2，呈彌散狀態(tài)分布，對焊縫的危害較大。（3）焊縫中的偏析熔池的結(jié)晶過程是一種不平衡過程，由于冷卻速度快，焊縫金屬中的元素來不及擴(kuò)散而造成化學(xué)和成分分布不均勻，這種溶質(zhì)元素偏離其平均濃度的不均勻分布稱為偏析。焊縫中的偏析既表現(xiàn)晶內(nèi)與晶界，又表現(xiàn)焊縫邊緣與焊縫中心以及每層焊波之間。根據(jù)焊接過程的特點(diǎn)，焊縫中的偏析主要有顯微偏析、區(qū)域偏析和層狀偏析等。顯微偏析是指晶粒內(nèi)部和晶粒之間的化學(xué)成分不均勻。一般情況下，合金元素含量越高，就越出現(xiàn)顯微偏析。區(qū)域偏析是指焊縫中心部位的雜質(zhì)較其他部位的高。通常窄而深的焊縫區(qū)域偏析較寬而淺的焊縫區(qū)域偏析嚴(yán)重。區(qū)域偏析不但影響性能，而且產(chǎn)生熱裂紋。層狀偏析是指柱狀結(jié)晶方向上雜質(zhì)濃度的差別。這種