【文章內(nèi)容簡介】 .............. 23 表 33 16Mn 鋼焊條電弧焊的工藝參數(shù) ............................................................................. 24 表 41 16Mn 鋼焊接接頭熱處理前后維氏硬度值 ............................................................. 32 淮陰工 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 引 言 本課題研究是 本科教學(xué)工作中 實驗教學(xué)問題 ，是對所學(xué) 專業(yè)理論知識的一次總結(jié)概括和實踐 應(yīng) 用 。焊接工藝是金屬應(yīng)用中最重要的連接技術(shù)之一， 通過對 16Mn 鋼焊接的研究 ，對焊接工藝有個基本的了解。 主要實驗內(nèi)容包括 16Mn 鋼焊接工藝參數(shù)的設(shè)計及實驗，焊后熱處理工藝的設(shè)計及實驗，焊接接頭金相試樣的制備，顯微組織的觀察，焊接接頭的硬度測量實驗，最后是組織和性能的測定與 分析 。通過這些工作， 不僅加深對所學(xué)焊接理論知識的理解和掌 握，了解當(dāng)代焊接的前沿技術(shù)，同時提高學(xué)生分析和解決實際問題的能力，鍛煉和培養(yǎng)動手和操作能力，為今后從事相關(guān)工作奠定基礎(chǔ)。 隨著全球科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和進(jìn)步以及新材料、新能源、新結(jié)構(gòu)的不斷涌現(xiàn)，傳統(tǒng)的焊接方法和工藝（如焊條電弧焊、 CO2氣體保護(hù)焊、氬弧焊等）已經(jīng)無法滿足新時代工業(yè)對焊接性能的要求。激光焊、超聲波焊、等離子弧焊、摩擦焊、爆炸焊等一些高新技術(shù)不斷成熟完善。 焊接已經(jīng)從一種傳統(tǒng)的熱加工技藝發(fā)展到了集材料、冶金、結(jié)構(gòu)、力學(xué)、電子等多門類科學(xué)為一體的工程工藝學(xué)科。 焊接成形精確化、焊接生產(chǎn)自動化和過程控制智 能化、優(yōu)質(zhì)高效的焊接工藝將不斷涌現(xiàn)，特殊材料及特殊環(huán)境下焊接技術(shù)，焊接過程計算機(jī)模擬技術(shù)將得到不斷發(fā)展和應(yīng)用，同時焊接技術(shù)也將不斷向材料科學(xué)和工程的新興領(lǐng)域滲透和拓展 [1]。 本試驗是在前人的研究基礎(chǔ)上對 16Mn 鋼進(jìn)行焊條電弧焊，分析其焊接接頭組織和性能。試驗的結(jié)果為 16Mn 鋼焊條電弧焊后，焊接接頭焊縫區(qū)組織為柱狀晶；熔合區(qū)為粗大晶粒；過熱區(qū)為魏氏組織；完全結(jié)晶區(qū)為細(xì)小的鐵素體和珠光體；不完全結(jié)晶區(qū)一部分為細(xì)小的鐵素體和珠光體，一部分為 粗大的鐵素體。除去由于熔合區(qū)粗大晶粒和過熱區(qū)魏氏組織的存在，使得 16Mn鋼焊接接頭可能存在冷裂紋和熱影響區(qū)脆化等缺陷外，具有良好的焊接性能。 經(jīng)正火處理后， 焊接接頭晶粒明顯比未熱處理過的要細(xì)小，組織結(jié)構(gòu)更加均勻 ， 硬度 也相應(yīng)的有所 升高 ，接頭的組織和性能有明顯的提升。 實驗研究 中的焊接工藝和設(shè)備 比較傳統(tǒng)，但在實驗中我們要學(xué)會基本的實驗方案設(shè)計 和思路分析 ，及一般的實驗操作， 為以后 工作中 相關(guān)的焊接工藝和組織、性能的處理分析打下扎實的基礎(chǔ) 。 闕建龍 ： 16Mn 鋼焊接研究 2 第 1 章 緒 論 背景與意義 16Mn 是舊國標(biāo) GB/T1591－ 1988 中的低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的牌號，新國標(biāo)GB/T1591－ 1994 中的牌號為 Q345。由于 16Mn 鋼具有良好的 綜合性能 、 低溫性能 、冷沖壓性能 、 焊接性能和可切削性能 ， 使用狀態(tài)的組織為細(xì)晶粒的鐵素體 —珠光體，強(qiáng)度比普通碳素結(jié)構(gòu)鋼 Q235 高約 20%～ 30%，耐大氣腐蝕性能高 20%～ 38%。16Mn 鋼是我國低合金高強(qiáng)鋼中用量最多、產(chǎn)量最大的鋼種 ， 主要用于制造橋梁、船舶、車輛、鍋爐、高壓容器、輸油輸氣管道、大型鋼結(jié)構(gòu)等。 焊接是 指 同種或異種 材料通過 加熱或加壓或兩者并用，并且用或不用填充材料 ，使被焊工件間原子或分子相互結(jié)合和擴(kuò)散形成永久性連接的加工工藝過程。 焊接是一門 古老的加工技術(shù)，是隨著人類對金屬的應(yīng)用應(yīng)運(yùn)而生。我國早在 3000多年前的商朝就有了使用鑄焊工藝制造的 鐵刃銅鉞 兵器。明代科學(xué)家宋應(yīng)星在他的科學(xué)著作《天工開物》中也有關(guān)于鍛焊工藝的詳細(xì)文字記載。 中世紀(jì)，在敘利亞大馬士革也曾用鍛焊制造兵器。 當(dāng)然 古代焊接技術(shù)長期停留在鑄焊、鍛焊和釬焊的水平上，使用的熱源都是爐火， 溫度 低、能量不集中，無法用于大截面、長焊縫工件的焊接，只能用以制作裝飾品、簡單的工具和武器 [3]。 鑒于 16Mn 鋼在我國工業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的重要性，而 16Mn 鋼的焊接又是 16Mn鋼應(yīng)用中必不可少的一道工藝 技術(shù)，因而開設(shè)本課題， 通過對 16Mn 鋼的焊接進(jìn)行研究，以及對其焊接接頭組織和性能的分析，不僅加深對所學(xué)焊接理論知識的理解和掌握，了解當(dāng)代焊接的前沿技術(shù)，同時提高分析和解決實際問題的能力，鍛煉和培養(yǎng)動手和操作能力，為今后從事相關(guān)工作奠定基礎(chǔ)，同時，該課題得到的結(jié)論也可以為實際工業(yè)生產(chǎn)提供參考。 發(fā)展概況 現(xiàn)代焊接工藝是 19世紀(jì)末和 20世紀(jì)初現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，特別是冶金學(xué)、金屬學(xué)、力學(xué)、電工、電子學(xué)等迅速發(fā)展的結(jié)果。 1885年發(fā)現(xiàn)了氣體放電的現(xiàn)象， 1930年發(fā)明了涂藥焊條電弧焊方法，并在此基 礎(chǔ)上發(fā)明了埋弧焊、鎢極氬弧焊、熔化極氬弧焊以及二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊等自動或半自動的焊接方法。電阻焊則是 1886年發(fā)明的，此后逐漸完善為電阻點焊、縫焊和對焊方法，它幾乎與電弧焊同時推向工業(yè)應(yīng)用，逐步取代鉚接，成為工業(yè)中廣泛應(yīng)用的兩種主要焊接方法。到目前為止，又相繼發(fā)明了電子束焊、激光焊等 20余種基本方法和成百種派生方法，并且仍處于繼續(xù)發(fā)展之中。在現(xiàn)代工業(yè)中，金屬是不可缺少的重要材料。在現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的制造過程中，需要把各種各樣加工好的零件按設(shè)計要求連接起來制成產(chǎn)品，由于焊接不但易于保證焊接結(jié)構(gòu)等強(qiáng)度的要求，而且相 對來說工藝比較簡單，加工成本也比較低廉，所以焊接技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用和飛速發(fā)展，也是將這些零件連接起來的一種最理想的加工方法。 焊接技術(shù)發(fā)展到今天，幾乎所有部門（如機(jī)械制造、船舶行業(yè)、海洋開發(fā)、汽車行業(yè)、機(jī)車車輛、石油化工、航空航天、原子能、電力能源、電子技術(shù)、建筑及家用電器等 ）都離不開焊接技術(shù)。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全世界年產(chǎn)量 45％的鋼和大量有色金屬，都是通過焊接加工形成產(chǎn)品的。因此可以這樣說，焊接技術(shù)的發(fā)展水平是衡量一個國家淮陰工 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 科學(xué)技術(shù)先進(jìn)程度的重要標(biāo)志之一，沒有現(xiàn)代焊接技術(shù)的發(fā)展，就不會有現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的 今天。 在人類社會步入 21 世紀(jì)的今天， 隨著全球科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和進(jìn)步以及新材料、新能源、新結(jié)構(gòu)的不斷涌現(xiàn)，傳統(tǒng)的焊接方法和工藝已經(jīng)無法滿足新時代工業(yè)對焊接性能的要求。 焊接已經(jīng)從一種傳統(tǒng)的熱加工技藝發(fā)展到了集材料、冶金、結(jié)構(gòu)、力學(xué)、電子等多門類科學(xué)為一體的工程工藝學(xué)科。 未來焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢是：焊接成形精確化、焊接生產(chǎn)自動化和過程控制智能化、優(yōu)質(zhì)高效的焊接工藝將不斷涌現(xiàn)，特殊材料及特殊環(huán)境下焊接技術(shù)，焊接過程計算機(jī)模擬技術(shù)將得到不斷發(fā)展和應(yīng)用，同時焊接技術(shù)也將不斷向材料科學(xué)和工程的新興領(lǐng)域滲透和拓展 [2]。 來源與內(nèi)容 本課題來源于實踐教學(xué)工作中實驗教學(xué)問題。 主要實驗內(nèi)容包括 16Mn 鋼焊接工藝參數(shù)的設(shè)計及實驗，焊后熱處理工藝的設(shè)計及實驗，焊接接頭金相試樣的制備，顯微組織的觀察，焊接接頭的硬度測量實驗，最后是組織和性能的測定與分析。 闕建龍 ： 16Mn 鋼焊接研究 4 第 2 章 焊接理論知識 焊接性及其實驗評定 焊接性及影響因素 焊接性概念 焊接性是指同質(zhì)材料或異質(zhì)材料在制造工藝條件下，能夠焊接形成完整接頭并滿足預(yù)期使用要求的能力。換句話說， 焊接性是材料對焊接加工的適應(yīng)性，指材料在一定的焊接工藝條件下（包括焊接方法、焊接材料、焊接參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式等），獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度和該焊接接頭能否在使用條件下可靠運(yùn)行。 影響 焊接性的因素 焊接性與材料、設(shè)計、工藝和服役環(huán)境等因素有密切關(guān)系，人們不可能脫離這些因素而簡單地認(rèn)為某種材料的焊接性好或不好，也不能只用某一種指標(biāo)來概括某種材料的焊接性。 （ 1） 材料因素 材料因素包括母材本身和使用的焊接材料。母材和焊材在焊接過程中直接參與熔池或熔合區(qū)的冶金反應(yīng)，對焊接性和焊接質(zhì)量有重要影響。母材或焊接材料選 用不當(dāng)時，會造成焊縫成分不合格、力學(xué)性能和其他使用性能降低，甚至導(dǎo)致裂紋、氣孔、夾渣等焊接缺陷，也就是使工藝焊接性變差。因此，正確的選用母材和焊接材料是保證焊接性良好的重要因素。 （ 2）設(shè)計因素 焊接接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計會影響應(yīng)力狀態(tài)，從而對焊接性產(chǎn)生影響。設(shè)計結(jié)構(gòu)時應(yīng)使接頭處的應(yīng)力處于較小的狀態(tài) ，能夠自由收縮，這樣有利于減小應(yīng)力集中和防止焊接裂紋。接頭處的缺口、截面突 變、堆高過大、交叉焊縫等都容易引起應(yīng)力集中，要盡量避免。不必要的怎大母材厚度或焊縫體積，會產(chǎn)生多向應(yīng)力，也要避免。 （ 3） 工藝因素 對于同一種母材 ，采用不同的焊接方法和工藝措施，所表現(xiàn)出來的焊接性有很大的差異。 發(fā)展新的焊接方法和新的工藝措施是改善工藝焊接性的重要途徑。 焊接方法對焊接性的影響首先表現(xiàn)在焊接熱源能量密度 、溫度以及熱量輸人上，其次表現(xiàn)在保護(hù)熔池及接頭附近區(qū)域的方式上。 工藝措施對防止焊接缺陷，提高接頭使用性能有重要的作用。最常見的工藝措施是焊前預(yù)熱、緩冷和焊后熱處理，這些工藝措施對防止熱影響區(qū)淬硬變脆、減小焊接應(yīng)力、避免氫致冷裂紋等是較有效的措施。合理安排焊接順序也能減小應(yīng)力和變形，原則上應(yīng)使被焊工件在整個焊接過程中盡量處于無拘束而自由膨脹 和收縮的狀態(tài)。焊后熱處理可以消除殘余應(yīng)力，也可以使氫逸出而防止延遲裂紋。 （ 4）服役因素 焊接結(jié)構(gòu)的服役環(huán)境多種多樣，如工作溫度高低、工作介質(zhì)種類、載荷性質(zhì)等都屬于使用條件。工作溫度高時，可能產(chǎn)生蠕變 ； 工作溫度低或載荷為沖擊載荷時，容易發(fā)生脆性破壞 ； 工作介質(zhì)有腐蝕性時，接頭要求具有耐腐蝕性。使用條件越不利，焊接性就越不易保證 [5]。 淮陰工 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 焊接性評定原則及方法 焊接性試驗的內(nèi)容 針對材料的不同性能特點和不同使用要求，焊接性試驗有以下幾種。 （ 1）焊縫金屬抗熱裂紋能力 熔池金屬結(jié)晶時，由于存 在一些有害的元素并受熱應(yīng)力的作用，就可能在結(jié)晶末期發(fā)生熱裂紋。熱裂紋是一種較常發(fā)生且危害嚴(yán)重的缺陷，所以焊縫抵抗產(chǎn)生熱裂紋的能力是焊接性的一項重要內(nèi)容，通常是通過熱裂紋試驗來進(jìn)行的。熱裂紋試驗與焊接材料關(guān)系密切，母材也有一定影響。 （ 2）焊縫及熱影響區(qū)金屬抗冷裂紋能力 焊縫及熱影響區(qū)金屬在焊接熱循環(huán)作用下，由于組織及性能變化，加之受焊接應(yīng)力和擴(kuò)散氫的影響 ，可能發(fā)生冷裂紋。冷裂紋在低合金高強(qiáng)鋼焊接中是較為常見的缺陷，而且也是一種嚴(yán)重的缺陷，是焊接性試驗中很重要又最常用到的一項試驗內(nèi)容。冷裂紋試驗是針對母材進(jìn) 行的試驗。 （ 3）焊接接頭抗脆性轉(zhuǎn)變能力 經(jīng)過焊接冶金反應(yīng)、熱循環(huán)、結(jié)晶、固態(tài)相變等一系列過程，焊接接頭由于受脆性組織、硬脆的非金屬夾雜物、時效脆化、冷作硬化等作用的結(jié)果，可能使韌性嚴(yán)重下降，即發(fā)生所謂焊接接頭的脆性轉(zhuǎn)變。對于在低溫下工作的焊接結(jié)構(gòu)和承受沖擊載荷的焊接結(jié)構(gòu)，韌性下降是個嚴(yán)重的問題。焊接接頭抗脆性轉(zhuǎn)變能力也是焊接性試驗常常涉及的一項內(nèi)容。 （ 4）焊接接頭的使用性能 由于使用性能對焊接性提出許多不同的要求，所以又很多焊接性實驗項目是從使用性能角度出發(fā)制定的 ，即根據(jù)特定的使用條件定制專門的焊接 性試驗方法。屬于這方面的試驗內(nèi)容如：焊接接頭耐放射性輻照的能力、蠕變的強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、抗晶間腐蝕能力等。此外，還有一些針對具體特定結(jié)構(gòu)的專門試驗方法。 評定焊接性的原則 評定焊接性的原則主要包括：一是評定焊接接頭產(chǎn)生工藝缺陷的傾向，為制定合理的焊接工藝提供依據(jù) 。二是評定焊接接頭能否滿足結(jié)構(gòu)使用性能的要求。 焊接性試驗方法應(yīng)符合下述原則 : （ 1） 可比性 焊接性試驗條件應(yīng)盡可能接近實際焊接時的條件，只有在這樣有可比性的情況下，才有可能使試驗結(jié)果比較確切地反映實際焊接結(jié)構(gòu)的焊接性本質(zhì)。試驗條件相 同時，試驗結(jié) 果才有可比性。 （ 2） 針對性 所選擇或自行設(shè)計的試驗方法，應(yīng)針對具體的焊接結(jié)構(gòu)制定試驗方案，其中包括母材、焊接材料、接頭形式、接頭應(yīng)力狀態(tài)、焊接參數(shù)等。同時，試驗條件還應(yīng)考慮到產(chǎn)品的使用條件。嚴(yán)格按 國內(nèi)外建立的 標(biāo)準(zhǔn) 的、 通用的或公認(rèn)的試驗方法 進(jìn)行試驗 。這樣才能使焊接性試驗具有良好的針對性，試驗結(jié)果才能比較確切地反映出實際 生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的問題。 （ 3） 再現(xiàn)性 焊接性試驗的結(jié)果要穩(wěn)定可靠，具有較好的再現(xiàn)性。試驗數(shù)據(jù)不可過于分散，否則難以找出變化規(guī)律和導(dǎo)出正確的結(jié)論。應(yīng)盡量減少或避免人為因家對試驗結(jié)果的影響，多采用 自動化及機(jī)械化的操作方法。如果試驗結(jié)果很不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)很分散，就很難找到規(guī)律性，更不可能用于指導(dǎo)生產(chǎn)。應(yīng)嚴(yán)格試驗程序，防止隨意性。 （ 4） 經(jīng)濟(jì)性 闕建龍 ： 16Mn 鋼焊接研究 6 在符合上述原則并可獲得可靠的試驗結(jié)果的前提下，應(yīng)力求做到消耗材料少、加上容易、