【導讀】容器、輸油輸氣管道、大型鋼結(jié)構(gòu)等。鑒于16Mn鋼在我國工業(yè)和國民經(jīng)濟建設(shè)中的重。焊接進行研究對實踐應(yīng)用意義重大。本課題采用焊條電弧焊對16Mn鋼進行焊接，分析。接接頭組織和性能的變化。結(jié)果表明，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)為細小的鐵素體和珠光體；不完全結(jié)晶區(qū)一部分為細小的鐵素體和珠光體，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。所以對其進行焊后正火處理，熱處理后。的焊接接頭晶粒明顯比未熱處理過的要細小，組織結(jié)構(gòu)更加均勻。硬度也相應(yīng)的有所升?？蔀閷嵺`生產(chǎn)中16Mn鋼的焊接提供參考。

　　

【正文】 箱型結(jié)構(gòu)中最常見的接頭形式。 由于 T 形 (十字 )接頭焊縫向母材過渡較急劇，接頭在外力作用下力線扭曲很大，造成應(yīng)力分布極不均勻、且比較復雜，在角焊縫根部和趾部都有很大的應(yīng)力集中。保證焊透是降低 T 形接頭應(yīng)力集中的重要措施之一。所以 T 形接頭焊縫大多數(shù)情況下只承受較小的切應(yīng)力或僅作為聯(lián)系焊縫。 圖 24 T 型接頭 搭接接頭 兩塊板料相疊，而在端部或側(cè)面進行角焊，或加上塞焊縫、槽焊縫連接的接頭稱為搭接接頭。由于搭接接頭中兩鋼板中心線不 一致，受力時產(chǎn)生附加彎矩，會影響焊縫強度，因此，一般鍋爐、壓力容器的主要受壓元件的焊縫都不用搭接形式。由于搭接接頭使構(gòu)件形狀發(fā)生較大的變化，所以應(yīng)力集中要比對接接頭的情況復雜得多，而且接頭的應(yīng)力分布極不均勻。搭接接頭對裝配要求不高，也易于裝配，但接頭承載能力低，一般用在不重要的結(jié)構(gòu)中。在搭接接頭中，根據(jù)搭接角焊縫受力方向的不同，可以將搭接角焊縫分為正面角焊縫、側(cè)面角焊縫和斜向角焊縫。 圖 25 搭接接頭 角接接頭 兩鋼板成一定角度，在鋼板 邊緣焊接的接頭稱為角接接頭。角接頭多用于箱形構(gòu)件，騎座式管接頭和筒體的連接，小型鍋爐中火筒和封頭連接也屬于這種形式。 闕建龍 ： 16Mn 鋼焊接研究 10 與 T 形接頭類似，單面焊的角接接頭承受反向彎矩的能力極低，除了鋼板很薄或不重要的結(jié)構(gòu)外，一般都應(yīng)開坡口兩面焊，否則不能保證質(zhì)量。 圖 26 角接接頭 焊接接頭的設(shè)計要求 焊接接頭的設(shè)計中對焊縫質(zhì)量的要求、焊縫尺寸大小、焊縫位置、工件厚度、幾何尺寸、施工條件等不同，決定了在選擇焊接方法和制定工藝時的多樣性。合理的焊接 接頭設(shè)計與選擇不僅能保證鋼結(jié)構(gòu)的焊縫和整體的強度，還可以簡化生產(chǎn)工藝，節(jié)省制造成本。 設(shè)計和選擇焊接接頭的主要因素： （ 1）保證焊接接頭滿足使用要求； （ 2）接頭形式能保證選擇的焊接方法正常施焊； （ 3） 接頭形式應(yīng)盡量簡單，盡量采用平焊和自動焊焊接方法，少采用仰焊和立焊，且最大應(yīng)力盡量不設(shè)在焊縫上； （ 4）焊接工藝能保證焊接接頭在設(shè)計溫度和腐蝕介質(zhì)中正常工作 。 （ 5）焊接變形和應(yīng)力小，能滿足施工要求所需的技術(shù)、人員和設(shè)備的條件； （ 6）盡量使焊縫設(shè)計成聯(lián)系焊縫； （ 7）焊接接頭便于檢驗； （ 8）焊接前的 準備和焊接所需費用低； （ 9）對角焊縫不宜選擇和設(shè)計過大的焊角尺寸，試驗證明，大尺寸角焊縫的單位面積承載能力較低等。 坡口的基本形式 1．坡口類型 坡口：根據(jù)設(shè)計或工藝需要，在焊件的待焊部位加工成一定幾何形狀并經(jīng)裝配后構(gòu)成的溝槽。 開坡口：用機械、火焰或電弧等加工坡口的過程。 （ 1）根據(jù)板厚不同，對接焊縫的焊接邊緣可分為卷邊、平對或加工成為 V 形、 X形、 K 形和 U 形等坡口。 淮陰工 學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 圖 27 對接焊縫坡口 形 式 （ 2）根據(jù)焊件厚度、結(jié)構(gòu)形式及 承載情況不同，角接接頭和 T 形接頭的坡口形式可分為 I 形、帶鈍邊的單邊 V 形坡口和 K 形坡口等。 圖 28 角接和 T 形接頭的坡口 a)I 形 b)單邊 V形 c) K 形 開坡口的目的： 為保證電弧能深入到焊縫根部使其焊透，并獲得良好的焊縫成形以及便于清渣。對于合金鋼來說，坡口還能起到調(diào)節(jié)母材金屬和填充金屬比例 (即熔合比 )的作用。 3．坡口的設(shè)計原則 坡口的形式和尺寸主要根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的板厚、選用的焊接方法、焊接位置和焊接工藝等來選擇和設(shè)計。 坡口設(shè) 計的原則是 焊縫中填充的材料少；具有好的可焊性；坡口的形狀應(yīng)容易加工；便于調(diào)整焊接變形 。 一般情況下，焊條電弧焊焊接 6mm 厚度的焊件和自動焊焊接 14mm 以下厚度的焊件時，可以不開坡口就可以得到合格的焊縫，但板間要留有一定的間隙，以保證熔敷金屬填滿熔池，確保焊透。鋼板超過上述厚度時，電弧不能熔透鋼板，應(yīng)考慮開坡口 [6]。 焊接接頭 特性 焊接接頭 組織性能特點 闕建龍 ： 16Mn 鋼焊接研究 12 （ 1）焊接接頭力學性能不均勻 由于焊接接頭各區(qū)在焊接過程中進行著不同的焊接冶金過程，并經(jīng)受不同的熱循環(huán)和應(yīng)變循環(huán)的作用，各區(qū)的組織和性 能存在較大的差異，焊接接頭組織的不均勻，造成了整個接頭力學性能的不均勻。 （ 2）焊接接頭工作應(yīng)力分布不均勻，存在應(yīng)力集中 由于焊接接頭存在幾何不連續(xù)性，致使其工作應(yīng)力是不均勻的，存在應(yīng)力集中。當焊縫中存在工藝缺陷，焊縫外形不合理或接頭形式不合理時，將加劇應(yīng)力集中程度，影響接頭強度，特別是疲勞強度。 （ 3）由于焊接的不均勻加熱，引起焊接殘余應(yīng)力及變形 焊接是局部加熱的過程，電弧焊時，焊縫處最高溫度可達材料沸點，而離開焊縫處溫度急劇下降，直至室溫。這種不均勻溫度場將在焊件中產(chǎn)生殘余應(yīng)力及變形。 （ 4）焊接接頭 具有較大的剛性 通過焊接，焊縫與構(gòu)件組成整體，所以與鉚接或脹接相比，焊接接頭具有較大的剛性 [16]。 影響焊接接頭 組織 性能的因素 焊接接頭的機械性能決定于它的化學成分和組織。因此，影響焊縫化學成分和焊接接頭組織的因素，都影響焊接接頭的性能。 （ 1） 焊接材料 手工電弧焊的焊條，埋弧自動焊和氣體保護焊等用的 焊絲 ，熔化后成為焊縫金屬的組成部分，直接影響焊縫金屬化學成分。焊劑也罷影響焊繞的化學成分。 （ 2） 焊接方法 不同焊接方法的熱源，其溫度高低和熱量集中程度不同。因此，熱影響區(qū)的大小和焊接接頭組織粗細 都不相同，接頭的性能也就不同。此外，不同焊接方法，機械保護效果也不同。因此，焊縫金屬純凈程度，即有害雜質(zhì)含量不同，焊縫的性能也會不同。 （ 3） 焊接工藝 焊接時，為保證焊接質(zhì)量而選定的諸物理量 (例如焊接電流、電弧電壓、焊接速度、線能量等 )的總稱，叫焊接工藝參數(shù)。 改善焊接接頭組織性能的措施 由于按等強度原則選擇焊條，所以焊縫金屬的強度一般不低于母材，其韌度也接近母材，只有塑性略又降低，而焊接接頭上塑性和韌性最低的區(qū)域在熔合區(qū)和過熱區(qū)，這主要是由于粗大的過熱組織所造成的；又由于在這兩個區(qū)域，拉應(yīng)力最大， 所以它們是焊接接頭中最薄弱的部位 ，往往成為裂紋的發(fā)源地。 改善接頭組織性能的主要措施： （ 1）盡量選擇低碳且硫、磷含量低的鋼材作為焊接結(jié)構(gòu)材料。 （ 2）使熱影響區(qū)的冷卻速度適當。對于低碳鋼，采用細焊絲、小電流、高焊速，可提高接頭的韌度，減輕接頭脆化；對于易淬硬鋼，在不出現(xiàn)硬脆馬氏體的前提下適當提高冷卻速度，可以細化晶粒，有利于改善接頭性能。 （ 3）采用多層焊 （ 4）進行焊后熱處理。焊后進行退火或正火處理可以細化晶粒，改善焊接接頭的力學性能 [14]。 淮陰工 學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 焊條電弧焊 焊條電弧焊概述 焊條電弧焊工作原理 焊條電弧焊是手工操作焊條進行焊接的電弧焊方法，焊條電弧焊時，在焊條末端和工件之間燃燒的電弧所產(chǎn)生的高溫使焊條藥皮與焊芯及工件熔化，熔化的焊芯端部迅速形成細小的金屬熔滴，通過弧柱過渡到局部熔化的工件表面，融合一起形成熔池。藥皮熔化過程中產(chǎn)生的氣體和熔渣，不僅使熔池和電弧周圍的空氣隔絕，而且 和熔化了的焊芯、母材發(fā)生一系列冶金反應(yīng)，保證所形成的焊縫的性能，隨著電弧以一定的速度和弧長在工件上不斷的移動，熔池液態(tài)金屬不斷的冷卻結(jié)晶，形成焊縫。焊條電弧焊的過程如圖 29 所示。 圖 29 焊條電弧焊的過程 1— 藥皮 2— 焊芯 3— 保護氣 4— 電弧 5— 熔池 6— 母材 7— 焊縫 8— 渣殼 9— 熔渣 10— 熔滴 焊條電弧焊的特點 （ 1） 焊條電弧焊設(shè)備簡單，操作靈活方便，適應(yīng)性強，地和焊接位置的限制，在焊條能達到的地方一般都能施焊，不受場這些都是其廣泛應(yīng)用的重要原因 。 （ 2） 可焊金屬材料廣，不需要輔助保護氣體，除難熔或極易氧化的金屬外，大部分工業(yè)用金屬均能采用焊條電弧焊進行焊接。 （ 3） 焊接接頭裝配要求較低，但對焊工操作 技術(shù)要求高。焊接質(zhì)量在一定程度上取決于焊工的操作水平。 （ 4） 勞動條件差，生產(chǎn)率低，每焊完一根焊條，必須更新焊條，并殘留下一部分，而使焊條未被充分利用，焊后還須清渣，故生產(chǎn)率低。 焊接設(shè)備及輔助工具 焊條電弧焊設(shè)備和 輔助 工具包括 焊條電弧焊焊機、電焊鉗、焊接電纜、面罩 等 。 焊條電弧焊焊機 焊條電弧焊所用焊機按電源的種類，可分為交流弧焊機和直流弧焊機兩大類 。兩種類型的電焊機由于電源種類的不同各具有不同的優(yōu)缺點。交流弧焊機的主要優(yōu)點是成本闕建龍 ： 16Mn 鋼焊接研究 14 低、制造維護簡單、噪聲較小 。缺點是不能適應(yīng)堿性焊條， 且焊接電壓、電流容易受到電網(wǎng)波動的干擾。直流弧焊機的優(yōu)點是電弧穩(wěn)定、焊條適應(yīng)性強 。缺點是成本較高、制造維修較復雜。 每一類型的弧焊機根據(jù)原理和結(jié)構(gòu)特點又可分為多種形式，具體見表 21。 表 21 焊條電弧焊機 交流弧焊機 動鐵式 直流弧焊機 弧焊整流器 同體式 逆變弧焊機 動圈式 旋轉(zhuǎn)式直流弧焊發(fā)電機 （ 1）交流弧焊機 交流弧焊機的三個類別的結(jié)構(gòu)分別如圖 2圖 21圖 212 所示。 圖 210 動鐵式交流弧焊機機構(gòu)示意圖 1— 初級繞組 3— 次級繞組 4— 動鐵芯 5— 靜鐵芯 6— 接線板 7— 焊條 8— 工件 圖 211 同體式焊接結(jié)構(gòu)圖 圖 212 動圈式焊機結(jié)構(gòu) 1— 固定鐵芯 2— 初級繞組 3— 次級繞組 1— 鐵芯 3— 線圈 4— 手柄 4— 電抗線圈 5— 活動鐵芯 6— 焊條 7— 工件 以目前應(yīng)用最廣泛的 “ 動鐵式 ” 交流焊機為例，它是一個結(jié)構(gòu)特殊的降壓變壓器，屬于動鐵芯漏磁式類型。焊機的空載電壓為 60~70V 工作電壓為 30V 左右，電流調(diào)節(jié)范淮陰工 學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 圍為 50~450A。鐵芯由四周的靜鐵芯 5 和中 間的動鐵芯 4 組成。變壓器的初級繞組分成兩部分，一部分緊繞在初級繞組 1 的外部，另一部分相當于電感線圈。焊接時，電感線圈的感抗電壓降使電焊機獲得較低的工作電壓，這是電焊機具有陡降外特性的原因。引弧時，電焊機能供給較高的電壓和較小的電流，當電弧穩(wěn)定燃燒時，電流增大，而電壓急劇降低 。當焊條與工件短路時，也限制了短路電流。 焊接電流調(diào)節(jié)分為粗調(diào)、細調(diào)兩檔。電流的細調(diào)靠移動鐵芯 4 改變變壓器的漏磁來實現(xiàn)。向外移動鐵芯，磁阻增大，漏磁減小，則電流增大，反之，則電流減少。電流的粗調(diào)靠改變次級繞組的匝數(shù)來實現(xiàn)。 該類電弧焊機的 工作條件應(yīng)在海拔不超過 1000m、周圍空氣溫度不超過 40℃、空氣相對濕度不超過 85%等條件下使用，不應(yīng)在有害工業(yè)氣體、水蒸氣、易燃、多灰塵的場合下工作。 （ 2）直流弧焊機 在直流弧焊機的三種類型中，旋轉(zhuǎn)式直流弧焊機由于浪費能源、材料和效率低下等缺點已逐漸被整流式弧焊機和逆變式弧焊機所替代。整流式弧焊機是隨著大容量高性能整流元件和控制元件的發(fā)展而發(fā)展的，它具有易于制造、節(jié)省能源和材料、成本低和效率高等優(yōu)點，已成為目前直流弧焊機的主流，常用的整流式直流弧焊機型號有 ZXG300、ZXG400,等。逆變式弧焊機 由于具有體積小、高效節(jié)能和良好的工藝性能等獨特優(yōu)點，近年來發(fā)展很快，預(yù)計在未來的焊接電源中將占主導地位。 電焊鉗 電焊鉗是夾持焊條并傳導焊接電流的操作器具。對電焊鉗的要求是 :在任何斜度都能夾緊焊條，具有可靠的絕緣和良好的隔熱性能，焊接電纜的橡膠包皮應(yīng)伸入到鉗柄內(nèi)部，使導體 不外露，起到屏護作用，保證焊接時安全方便、操作靈活。 電焊鉗的規(guī)格和主要技術(shù)數(shù)據(jù)見表 22。 表 22 電捍鉗的規(guī)格和主要技術(shù)數(shù)據(jù) 規(guī)格 （ A） 額定值 使用焊 條直徑 /mm 耐電壓 性能 /(V/mm) 能連接的 最大電纜 截面 /mm2 負載持續(xù)率/% 工作電壓 /V 工作電流 /A 500 60 40 500 ~ 1000 95 300 60 32 300 ~ 1000 50 100 60 26 160 ~ 1000 35 焊接電纜 焊接電纜應(yīng)采用橡皮絕緣多股軟電纜，根據(jù)焊機的容量，選取適當?shù)碾娎|截面，選取時可參考焊接手冊。如果焊機距焊接工作點較遠，需要較長電纜時，應(yīng)當加大電纜截面積，使在焊接電纜上的電壓降不超過 4V，以保證引弧容易及電弧燃燒穩(wěn)定。不允許用扁鐵搭接或真他 辦法來代替焊接電纜，以免因接觸不良而使回路上的壓降過大，造成引弧困難和焊接電弧的不穩(wěn)定。 面罩及其他防護用具 面罩是防止焊接飛濺、弧光及高溫對焊工面部及頸部灼傷的一種工具。一般分為手持式和頭