【導(dǎo)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(jì)建設(shè)中的重。焊接進(jìn)行研究對實(shí)踐應(yīng)用意義重大。本課題采用焊條電弧焊對16Mn鋼進(jìn)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(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，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(jìn)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(xì)小，組織結(jié)構(gòu)更加均勻。硬度也相應(yīng)的有所升?？蔀閷?shí)踐生產(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(fù)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(jìn)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(shí)產(chǎn)生附加彎矩，會影響焊縫強(qiáng)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(fù)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(jì)要求 焊接接頭的設(shè)計(jì)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(shí)的多樣性。合理的焊接 接頭設(shè)計(jì)與選擇不僅能保證鋼結(jié)構(gòu)的焊縫和整體的強(qiáng)度，還可以簡化生產(chǎn)工藝，節(jié)省制造成本。 設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)成聯(lián)系焊縫； （ 7）焊接接頭便于檢驗(yàn)； （ 8）焊接前的 準(zhǔn)備和焊接所需費(fèi)用低； （ 9）對角焊縫不宜選擇和設(shè)計(jì)過大的焊角尺寸，試驗(yàn)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(jì)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(jī)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(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jì)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(jì)。 坡口設(shè) 計(jì)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(shí)，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(shí)，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(diǎn) 闕建龍 ： 16Mn 鋼焊接研究 12 （ 1）焊接接頭力學(xué)性能不均勻 由于焊接接頭各區(qū)在焊接過程中進(jìn)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(gè)接頭力學(xué)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(dāng)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(shí)，將加劇應(yīng)力集中程度，影響接頭強(qiáng)度，特別是疲勞強(qiáng)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(shí)，焊縫處最高溫度可達(dá)材料沸點(diǎn)，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(jī)械性能決定于它的化學(xué)成分和組織。因此，影響焊縫化學(xué)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(hù)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(xué)成分。焊劑也罷影響焊繞的化學(xué)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(xì) 都不相同，接頭的性能也就不同。此外，不同焊接方法，機(jī)械保護(hù)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(shí)，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(qiáng)度原則選擇焊條，所以焊縫金屬的強(qiáng)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(gè)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(dāng)。對于低碳鋼，采用細(xì)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(dāng)提高冷卻速度，可以細(xì)化晶粒，有利于改善接頭性能。 （ 3）采用多層焊 （ 4）進(jìn)行焊后熱處理。焊后進(jìn)行退火或正火處理可以細(xì)化晶粒，改善焊接接頭的力學(xué)性能 [14]。 淮陰工 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jìn)行焊接的電弧焊方法，焊條電弧焊時(shí)，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(xì)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(hù)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(diǎn) （ 1） 焊條電弧焊設(shè)備簡單，操作靈活方便，適應(yīng)性強(qiáng)，地和焊接位置的限制，在焊條能達(dá)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(hù)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(jìn)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(jī)、電焊鉗、焊接電纜、面罩 等 。 焊條電弧焊焊機(jī) 焊條電弧焊所用焊機(jī)按電源的種類，可分為交流弧焊機(jī)和直流弧焊機(jī)兩大類 。兩種類型的電焊機(jī)由于電源種類的不同各具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。交流弧焊機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是成本闕建龍 ： 16Mn 鋼焊接研究 14 低、制造維護(hù)簡單、噪聲較小 。缺點(diǎn)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(jī)的優(yōu)點(diǎn)是電弧穩(wěn)定、焊條適應(yīng)性強(qiáng) 。缺點(diǎn)是成本較高、制造維修較復(fù)雜。 每一類型的弧焊機(jī)根據(jù)原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又可分為多種形式，具體見表 21。 表 21 焊條電弧焊機(jī) 交流弧焊機(jī) 動鐵式 直流弧焊機(jī) 弧焊整流器 同體式 逆變弧焊機(jī) 動圈式 旋轉(zhuǎn)式直流弧焊發(fā)電機(jī) （ 1）交流弧焊機(jī) 交流弧焊機(jī)的三個(gè)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(jī)機(jī)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(jī)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(jī)為例，它是一個(gè)結(jié)構(gòu)特殊的降壓變壓器，屬于動鐵芯漏磁式類型。焊機(jī)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(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(dāng)于電感線圈。焊接時(shí)，電感線圈的感抗電壓降使電焊機(jī)獲得較低的工作電壓，這是電焊機(jī)具有陡降外特性的原因。引弧時(shí)，電焊機(jī)能供給較高的電壓和較小的電流，當(dāng)電弧穩(wěn)定燃燒時(shí)，電流增大，而電壓急劇降低 。當(dāng)焊條與工件短路時(shí)，也限制了短路電流。 焊接電流調(diào)節(jié)分為粗調(diào)、細(xì)調(diào)兩檔。電流的細(xì)調(diào)靠移動鐵芯 4 改變變壓器的漏磁來實(shí)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(shí)現(xiàn)。 該類電弧焊機(jī)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(jī) 在直流弧焊機(jī)的三種類型中，旋轉(zhuǎn)式直流弧焊機(jī)由于浪費(fèi)能源、材料和效率低下等缺點(diǎn)已逐漸被整流式弧焊機(jī)和逆變式弧焊機(jī)所替代。整流式弧焊機(jī)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(diǎn)，已成為目前直流弧焊機(jī)的主流，常用的整流式直流弧焊機(jī)型號有 ZXG300、ZXG400,等。逆變式弧焊機(jī) 由于具有體積小、高效節(jié)能和良好的工藝性能等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，近年來發(fā)展很快，預(yù)計(jì)在未來的焊接電源中將占主導(dǎo)地位。 電焊鉗 電焊鉗是夾持焊條并傳導(dǎo)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(dǎo)體 不外露，起到屏護(hù)作用，保證焊接時(shí)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(fù)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(jī)的容量，選取適當(dāng)?shù)碾娎|截面，選取時(shí)可參考焊接手冊。如果焊機(jī)距焊接工作點(diǎn)較遠(yuǎn)，需要較長電纜時(shí)，應(yīng)當(dāng)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(hù)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