【文章內(nèi)容簡介】 圖 16Mn 在軋制狀態(tài)下的金相組織16Mn 也可以進(jìn)行退火處理或調(diào)質(zhì)處理。16Mn 鋼正火和退火處理的溫度分別為900℃水淬+650℃回火。16Mn 鋼臨界點為：A c1755℃，A c3875℃，A r3803℃ ，A r1640℃，M s386℃。 16Mn 的焊接性分析鋼的焊接性是指鋼材對焊接加工的適應(yīng)性，即在一定的焊接條件下，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。一是工藝性能，鋼材對形成焊接缺陷的敏感性；二是使用性能，使接頭具有與母材相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能和加工工藝性能。由于鋼的焊接性主要取決于化學(xué)成分。而 16Mn 的碳及合金元素的含量都比較低，總體來說焊接性較好，在焊接過程中一般不會產(chǎn)生缺陷。因此，在焊前不需要預(yù)熱，焊后也不需要熱處理。本課題選用的 16Mn 采用平板對接焊，熔池主要受到電弧作用力、熔池金屬重力和熔池金屬表面張力的作用，當(dāng)熔池金屬體積、質(zhì)量和熔寬一定時，熔池深度取決于電弧的大小，熔深和電弧力又與焊接電流相關(guān)，熔寬由電弧電壓決定。熔池體積越大，表面張力也越大，當(dāng)表面張力不能平衡電弧作用力和熔池金屬重力時，會造成熔池?zé)?，而且在焊接過程中局部受到加熱和冷卻作用，使焊件產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力和應(yīng)變，當(dāng)焊縫的縱向縮短對薄板邊緣產(chǎn)生的應(yīng)力超過一定值時，會產(chǎn)生較嚴(yán)重的波浪變形，影響工件的外形質(zhì)量。16Mn 的焊接性具體體現(xiàn)在以下幾個方面。(1) 熱裂紋熱裂紋是在焊接高溫下產(chǎn)生的，其中危害最嚴(yán)重的是結(jié)晶裂紋，由于結(jié)晶裂紋是在結(jié)晶后期，由低熔點物質(zhì)所形成的液態(tài)薄膜而引發(fā)的。它與焊縫金屬的成分，主要是碳、硫、鎳、錳等元素有密切關(guān)系。從表 得知，16 Mn 含碳量低，含錳量較高，硫和磷控制嚴(yán)格，它的 M/S 較高，因而具有良好的抗蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)8結(jié)晶裂紋性能。所以在正常情況下，16 Mn 鋼是不會出現(xiàn)結(jié)晶裂紋的。(2) 冷裂紋大量的生產(chǎn)實踐和理論研究表明，鋼種的淬硬傾向、一定的含氫量和足夠的拘束應(yīng)力是焊接時產(chǎn)生冷裂紋的三大主要因素。下面也從這三方面分析 16 Mn 的冷裂紋傾向。1)淬硬傾向 16 Mn 由于其含碳量低，故在淬火時，如冷卻速度不是太快，就會得到低碳馬氏體組織，或者是鐵素體+珠光體組織，由于這些組織的硬度不高，因而其淬硬傾向小，只有在冷卻速度較快時，才會得到高碳馬氏體組織，則有一定的淬硬傾向。2)含氫量 焊接時，焊縫中的氫主要來源于焊接材料中的水分、焊件坡口處的鐵銹、油污以及環(huán)境濕度等。對 16 Mn 來說，只要板厚不太大且冷卻速度控制得當(dāng)，由于焊接溫度高,增強(qiáng)了氫的活動能力，使大部分氫會從焊縫中擴(kuò)散逸出；同時，當(dāng)焊縫冷卻時其組織會由奧氏體向鐵素體等轉(zhuǎn)變，由于氫在奧氏體中的溶解度大大高于在鐵素體中的溶解度，又會有部分氫逸出。因而到最后，焊縫中的殘余氫含量就不足以形成冷裂紋。3)拘束應(yīng)力 焊接時，焊縫中的應(yīng)力主要包括熱應(yīng)力、組織應(yīng)力和由于自身拘束條件所造成的應(yīng)力。目前，普遍采用拘束度(R)綜合表示這種應(yīng)力的大小，拘束度的計算可采用如下公式： R=K1δ ()式中：K 1—板厚拘束度系數(shù)，N/(㎜ 2)；δ—板厚, ㎜。由上式可見，拘束度與材料板厚有很大關(guān)系，板厚越大，所造成的拘束度也越大，則拘束應(yīng)力也就越大，因而我們只要選擇合適的板厚，就可以控制拘束應(yīng)力。綜上所述，16 Mn 鋼在板厚不是太大，冷卻速度適當(dāng)?shù)那闆r下是不會出現(xiàn)冷裂紋的，只有在板厚(40mm 以上)太大，冷速較快的情況下，才有出現(xiàn)冷裂紋的傾向，不過，我們可以通過焊前適當(dāng)預(yù)熱等措施來預(yù)防。(3) 再熱裂紋 再熱裂紋是由于鋼中含有 Cr、Mo、V、Nb 等強(qiáng)碳化物形成元素，以及存在一定的殘余應(yīng)力，并在焊后進(jìn)行再次加熱的情況下產(chǎn)生的。由表 可知，16 Mn 不含強(qiáng)碳化物形成元素，在熱軋狀態(tài)下供貨，焊后一般不進(jìn)行熱處理，因而對再熱裂紋不敏感。(4) 層狀撕裂層狀撕裂的產(chǎn)生，與鋼材的合金成分沒有直接關(guān)系，僅與冶煉、軋制工藝及雜質(zhì)的含量和分布有關(guān)。從 Z 向拘束力考慮，層狀撕裂與板厚有關(guān)，一般板厚在 16mm 以下就不易產(chǎn)生層狀撕裂；從鋼材本身來說，鋼中的片狀硫化物與層狀硅酸鹽或大量成片地密集于同一平面內(nèi)的氧化物夾雜都使 Z 向塑性降低，導(dǎo)致層狀撕裂的產(chǎn)生，其中層片狀硫化物的影響最為嚴(yán)重。因此，硫含量和 Z 向斷面收縮率是評定鋼材層狀撕裂敏感性的主要指標(biāo)。蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)9合理選擇層狀撕裂敏感性小的鋼材，改善接頭形式以減輕鋼板 Z 向所承受的應(yīng)力應(yīng)變，在滿足產(chǎn)品使用要求的前提下選用強(qiáng)度級別較低的焊接材料及采用預(yù)熱和降氫等輔助措施，有利于防止層狀撕裂的發(fā)生。而對于 16 Mn 來說，其本身雜質(zhì)與有害元素含量控制嚴(yán)格，所以只要我們控制其板材厚度與選擇合適焊接工藝，其層狀撕裂是可以減少或避免的。(5) 脆化1)過熱區(qū)脆化過熱區(qū)脆化主要產(chǎn)生在被加熱到 1100℃以上直至熔點以下的區(qū)域，它的產(chǎn)生原因與鋼材成分及強(qiáng)化方式有關(guān)。對 16 Mn 鋼來說，當(dāng)碳含量偏于下限( %～ %)時，由于其本身含碳量少，又是通過固溶強(qiáng)化方式來獲得較好的強(qiáng)度和韌性的，因而其脆化傾向小。只有當(dāng)焊接線能量過大時，會導(dǎo)致過熱區(qū)奧氏體晶粒嚴(yán)重粗化，冷卻時生成魏氏組織，這時才會出現(xiàn)脆化現(xiàn)象。而當(dāng)含碳量偏于上限(%)時，此時不僅線能量過大會因形成魏氏組織而脆化，而且當(dāng)線能量偏低、冷速過大時還會因形成高碳馬氏體而發(fā)生脆化。因此只要我們控制 16 Mn 鋼的成分與線能量，其過熱區(qū)脆化也是可以減少或避免的。2)熱應(yīng)變脆化一般認(rèn)為熱應(yīng)變脆化發(fā)生于一些固溶 N 含量較高的低碳鋼和強(qiáng)度級別不高的低合鋼中，主要是由于氮、碳原子聚集在位錯周圍，對位錯造成釘軋作用引起的，特別易于在200～400℃加熱溫度范圍的亞臨界熱影響區(qū)產(chǎn)生，如焊前已經(jīng)存在缺口時，這種脆化就變得更為嚴(yán)重。對于 16 Mn 來說，其本身含有一定的固溶氮，化學(xué)成分中又沒有強(qiáng)氮化合物形成元素可與氮結(jié)合為氮化物，因而具有一定的熱應(yīng)變脆化傾向。可以通過焊后600℃、1h 的退火處理來恢復(fù) 16 Mn 的韌性。綜合以上分析，我們知道在裂紋方面，16Mn 對熱裂紋、再熱裂紋和層狀撕裂不敏感，只有當(dāng)板材厚度過大，且冷卻過快時對冷裂紋有一定的敏感性；在脆化方面，16Mn 有一定的熱應(yīng)變脆化現(xiàn)象，對過熱區(qū)脆化不敏感。在生產(chǎn)實際中，我們只要通過一些簡單的焊接工藝就可以解決 16Mn 中由于部分原因?qū)附有詭淼牟焕绊?。因而，總的來說，16Mn 具有優(yōu)良的焊接性，這正是它廣泛用于各種焊接結(jié)構(gòu)中的一個重要原因 [5]。 16Mn 的焊接 16Mn 焊接方法的確定16Mn 的焊接對焊接方法的選擇無特殊要求，采用的焊接方法包括：焊條電弧焊、埋弧自動焊、氣體保護(hù)焊(如 CO2 焊、MIG/MAG 焊) 、電渣焊等?？筛鶕?jù)焊接產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、板厚、使用性能要求及生產(chǎn)條件等選擇，其中，焊條電弧焊、埋弧自動焊、CO 2 氣體保護(hù)焊、混合氣體保護(hù)焊是 16Mn 常用的焊接方法。蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)10 焊接材料的選擇母材的下料采用機(jī)械切割，即用剪板機(jī)剪切。當(dāng)母材尺寸規(guī)格確定后，為了防止焊接過程中出現(xiàn)氣孔，必須重視焊前試板的清理工作，如采用低氫型堿性焊條(E501E5016 型焊條)，則更應(yīng)加強(qiáng)焊前清理。焊前使用的清理方法不限，但最好能用角向磨光機(jī)打磨，效率較高，效果也比較好。像 16Mn 這種低合金鋼選擇焊接材料時必須考慮兩方面的問題：一是不能有裂紋等焊接缺陷；二是能滿足力學(xué)性能要求。選擇焊接材料的依據(jù)是保證焊縫金屬的強(qiáng)度、塑性和韌性等力學(xué)性能與母材相匹配。16Mn 一般是根據(jù)強(qiáng)度級別選擇材料，不要求與母材同成分，其要點如下：(1)選擇與母材力學(xué)性能匹配的相應(yīng)級別的焊接材料。從力學(xué)性能“等強(qiáng)匹配”的角度選擇焊接材料，一般要求焊縫的強(qiáng)度與母材等強(qiáng)或稍低于母材。焊縫中的碳含量不應(yīng)超過 %，其他合金元素要求低于母材中的含量，以防止裂紋及焊縫強(qiáng)度過高。(2)考慮熔合比和冷卻速度的影響。焊縫的化學(xué)成分和性能與母材溶入量(熔合比)有關(guān)，而焊縫組織與冷卻速度有很大關(guān)系。采用同樣的焊接材料，由于熔合比或冷卻速度不同，所得焊縫的性能有很大差別。因此，焊條或焊絲成分應(yīng)考慮到板厚和坡口形式的影響。薄板焊接時熔合比較大，應(yīng)選用強(qiáng)度稍低的焊接材料，厚板深坡口則相反。(3)考慮焊后熱處理對焊縫力學(xué)性能的影響。當(dāng)焊縫強(qiáng)度余量不大時，焊后熱處理(如消除應(yīng)力退火) 后焊縫強(qiáng)度有可能低于要求。因此，對于焊后要進(jìn)行正火處理的焊縫，應(yīng)選擇強(qiáng)度高一些的焊接材料。具體見表 。表 16Mn 焊 接 材 料 的 選 用 [2]焊 條 氣 體 保 護(hù) 焊 埋 弧 焊 電 渣 焊型 號 牌 號保護(hù)氣體焊 絲 焊 絲 焊 劑 焊 絲 焊 劑E5001 E5003E5015E5016E5015GE5018E5028J503,J502,J507,J506,J507GR,J507RH,J506Fe,J507Fe,J507Fe16CO2ER491ER502,6,7GHS50YJ5021,YJ502R1YJ5071,YJ507Ni1YJ507TiB1不 開 坡 口 對接H08A,H08E中 厚 板 開 坡口 對 接H08MnAH10Mn2H10MnSiHJ430HJ431SJ501SJ502SJ301H08MnMoAH10Mn2H10MnSiHJ431HJ360 焊接工藝要點焊接坡口的幾何尺寸和制備方法，直接影響焊接接頭的質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性。在設(shè)計低合金結(jié)構(gòu)鋼接頭的坡口時應(yīng)注意以下兩點：蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)11(1)避免采用無法焊透或局部焊透的坡口形式，因為焊縫根部的缺口往往是各種焊接裂紋的起源區(qū)。(2)盡量減少焊縫的橫截面積，以降低接頭的焊接應(yīng)力，同時也可減少焊接材料的消耗量。坡口加工可采用機(jī)械加工，其加工精度較高，也可采用火焰切割或碳弧氣刨。對強(qiáng)度級別較高、厚度較大的鋼材，經(jīng)過火焰切割和碳弧氣刨的坡口應(yīng)用砂輪仔細(xì)打磨。在坡口兩側(cè)約 20mm 范圍內(nèi)，應(yīng)嚴(yán)格去除水分、油污和銹蝕等。焊接件的裝配間隙不能過大，避免強(qiáng)力裝配定位。為防止定位焊焊縫開裂，要求定位焊焊縫應(yīng)有足夠的長度(一般不小于 50mm)，對厚度較薄的板材不小于 4 倍板厚。定位點固焊應(yīng)選用與焊接同類型的焊接材料，也可選用強(qiáng)度等級稍低的焊條或焊絲。定位焊的順序應(yīng)能防止過大的拘束、允許工件有適當(dāng)?shù)淖冃?，焊點或點固焊縫應(yīng)對稱均勻分布。定位焊所用的焊接電流可稍大于焊接時的焊接電流。 焊接順序(1) 引弧電弧焊時，引燃焊接電弧的過程叫做引弧。焊條電弧焊通常采用接觸引弧法，它是先將焊條與工件接觸形成短路，再拉開焊條引燃電弧的方法。根據(jù)操作手法不同又可分為：直擊引弧法和劃擦引弧法。本次實驗操作采用劃擦引弧法，如圖 所示。圖 焊 條 的 引 弧(2) 焊縫的焊接由于受焊條長度的限制，焊縫前后兩端出現(xiàn)連接接頭是不可避免的，但焊縫接頭應(yīng)力求均勻，防止產(chǎn)生過高、脫節(jié)、寬窄不一致等缺陷。焊縫的連接有以下四種情況，中間接頭、相背接頭、相向接頭和分段退焊接頭。(3) 收尾(熄弧)焊縫的收尾是指一條焊縫完成后如何收弧(熄弧)。焊接結(jié)束時，如果將電弧突然熄滅，則焊縫表面留有凹陷較深的弧坑，會降低焊縫收尾處的強(qiáng)度，并容易引起弧坑裂紋。過快拉斷電弧，液體金屬中的氣體來不及逸出，還容易產(chǎn)生氣孔等缺陷。為克服弧坑缺陷，常用的收尾方法有反復(fù)收尾法、劃圈收尾法和轉(zhuǎn)移收尾法。其中最常用的收尾法是反復(fù)收尾法 [6]。 焊后檢驗蘭州工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)12焊后檢驗就是將通過檢測、試驗、測量、調(diào)查等方法所獲取的焊接產(chǎn)品性能指標(biāo)或數(shù)據(jù)與其使用要求、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等檢驗依據(jù)進(jìn)行比較的過程。通過焊接檢驗，可以判斷焊接產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣及焊接產(chǎn)品在制造過程中所用材料、工藝是否恰當(dāng)。通過焊接檢驗，可以在生產(chǎn)過程中及時發(fā)現(xiàn)和解決零部件的質(zhì)量問題，避免焊接結(jié)構(gòu)的整體報廢，保證焊接結(jié)構(gòu)的制造質(zhì)量，防止不合格產(chǎn)品出廠，減少材料和工時的浪費，降低生產(chǎn)成本。同時焊后檢驗可以評定焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中新材料、新方法焊接工藝的優(yōu)劣，選擇出最佳焊接工藝，從而促進(jìn)和保障焊接技術(shù)的應(yīng)用，進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量 [7]。 研究的背景及意義在現(xiàn)代工業(yè)中，金屬是不可缺少的重要材料，尤其是 16Mn 這種較為普遍且價格低廉的低合金鋼得到了廣泛應(yīng)用。例如高速行駛的汽車、火車、載重萬噸至幾十萬噸的輪船、耐腐耐壓的化工設(shè)備以及宇宙飛行器等。在這些工業(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，焊接就是將這些零件連接起來的一種加工方法。然而，隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，對焊接技術(shù)提出了多種多樣的要求。如對焊接產(chǎn)品的使用方面，提出了動載、強(qiáng)韌、高壓、高