1、淮阴工学院毕业设计（论文）I16MN钢焊接研究摘要16MN钢是具有高强度、高韧性和耐腐蚀等优良特性的低合金高强钢，是我国低合金高强钢中用量最多、产量最大的钢种，广泛用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等。鉴于16MN钢在我国工业和国民经济建设中的重要性，而16MN钢的焊接又是16MN钢应用中必不可少的一道工艺技术,因此16MN钢的焊接进行研究对实践应用意义重大。本课题采用焊条电弧焊对16MN钢进行焊接，分析焊接接头的组织和性能的变化；并对得到的焊接接头进行正火处理，分析热处理前后焊接接头组织和性能的变化。结果表明，焊接接头焊缝区组织为柱状晶；熔合区为粗大晶粒；过热
2、区为魏氏组织；完全结晶区为细小的铁素体和珠光体；不完全结晶区一部分为细小的铁素体和珠光体，一部分为粗大的铁素体。由于熔合区粗大晶粒和过热区魏氏组织的存在使得16MN钢焊接接头可能存在冷裂纹和热影响区脆化等缺陷。所以对其进行焊后正火处理，热处理后的焊接接头晶粒明显比未热处理过的要细小，组织结构更加均匀。硬度也相应的有所升高。因此，热处理可以改善焊接接头的组织，并提高其性能。本课题研究的16MN钢焊条电弧焊工艺、焊接接头组织和性能以及焊后热处理工艺可为实践生产中16MN钢的焊接提供参考。关键词16MN钢；焊条电弧焊；焊接接头；组织和性能；热处理阙建龙16MN钢焊接研究IIWELDINGRESEAR
3、CHOF16MNSTEELABSTRACT16MNSTEELISALOWALLOYHIGHSTRENGTHSTEELWHICHHASHIGHSTRENGTH,HIGHTOUGHNESSANDCORROSIONRESISTANCEANDOTHEREXCELLENTCHARACTERISTICSITHASTHELARGESTAMOUNTANDTHELARGESTSTEELPRODUCTIONAMONGTHELOWALLOYHIGHSTRENGTHSTEELINCHINAITISWIDELYUSEDINMANUFACTUREOFBRIDGES,SHIPS,VEHICLES,BOILERS,PRESS
4、UREVESSELS,PIPELINES,LARGESTEELSTRUCTUREINVIEWOFTHEIMPORTANCEOF16MNSTEELINOURSINDUSTRYANDNATIONALECONOMY,ALSO16MNSTEELWELDINGISANESSENTIALTECHNOLOGY,SOTHEWELDINGOFSTEEL16MNSTUDYISSIGNIFICANTFORPRACTICALAPPLICATIONINTHISISSUE16MNSTEELWASWELDEDBYSMAW,THECHANGESWELDEDJOINTWEREANALYZEDINTHEORGANIZATIONA
5、NDPERFORMANCEWELDEDJOINTSWEREOBTAINEDBYNORMALIZINGPROCESSING,ANDANALYZEDTHECHANGESOFTHEORGANIZATIONANDPERFORMANCEBETWEENBEFOREANDAFTERHEATTREATMENTTHERESULTSSHOWTHATTHEWELDZONEISTHECOLUMNARCRYSTALFUSIONZONEISCOARSECRYSTALHOTAREAISTHEWIDMANSTATTENSTRUCTURECOMPLETELYCRYSTALLINEREGIONISTHEFERRITEANDPEA
6、RLITEONEPARTOFINCOMPLETECRYSTALLINEREGIONISTHESMALLFERRITEANDPEARLITE,ANOTHERISTHECOARSEFERRITETHECOARSECRYSTALOFTHE16MNSTEELWELDEDJOINTFUSIONZONEANDTHEWIDMANSTATTENSTRUCTUREOFTHE16MNSTEELWELDEDJOINTHOTAREAASTHERESULTOFCOLDCRACKINGANDHAZSOITWASPROCESSEDBYNORMALIZINGAFTERWELDING,WELDEDJOINTSAFTERHEAT
7、TREATMENTWERESIGNIFICANTLYHIGHERTHANTHEGRAINISNOTHEATTREATEDTOSMALLANDMOREUNIFORMSTRUCTUREHARDNESSWASINCREASEDACCORDINGLYTHEREFORE,HEATTREATMENTOFWELDEDJOINTSCANIMPROVETHEORGANIZATIONANDIMPROVEITSPERFORMANCERESEARCHOF16MNSTEELSSMAW,MICROSTRUCTUREANDPROPERTIESOFWELDEDJOINTS,HEATTREATMENTAFTERWELDINGC
8、ANBEUSEDASAREFERENCEOFTHEWELDINGOF16MNSTEELINPRACTICEKEYWORDS16MNSTEELELECTRODEARCWELDINGWELDEDJOINTMICROSTRUCTUREANDPROPERTIESHEATTREATMENT淮阴工学院毕业设计（论文）III目录引言1第1章绪论211背景与意义212发展概况213来源与内容3第2章焊接理论知识421焊接性及其实验评定4211焊接性及影响因素4212焊接性评定原则及方法522焊接接头及组织和性能7221焊接接头的概念7222焊接接头的基本形式8223焊接接头的设计要求10224坡口的基本形式1
9、0225焊接接头特性1123焊条电弧焊13231焊条电弧焊概述13232焊接设备及辅助工具13233焊条电弧焊基础16234焊条电弧焊工艺参数18235焊条电弧焊的基本操作技术19236常见的焊条电弧焊缺陷及防治措施21第3章实验过程223116MN的焊接2231116MN钢简介2231216MN钢的焊接性2331316MN钢的焊接工艺参数2332金相试样的制备、观察及其硬度测试25321金相试样的制备25322金相试样的观察26323试样的硬度测试26第4章实验结果分析2841焊接接头金相组织分析28411焊缝区28412熔合区28413过热区29414完全结晶区29415不完全结晶区304
10、16母材3142焊接接头硬度分析31阙建龙16MN钢焊接研究IV结论与展望34结论34展望35致谢36参考文献37附录A引用的英文资料及翻译38附录B主要参考文献及摘要47淮阴工学院毕业设计（论文）V插图清单图21焊接接头示意图7图22焊接接头的基本类型8图23对接接头的几种形式8图24T型接头9图25搭接接头9图26角接接头10图27对接焊缝坡口形式11图28角接和T形接头的坡口11图29焊条电弧焊的过程13图210动铁式交流弧焊机机构示意图14图211同体式焊接结构图14图212动圈式焊机结构14图213电捍钳的规格和主要技术数据16图214电捍钳的规格和主要技术数据16图215焊条的组成
11、17图216几种常见的运条方式20图31维氏硬度试验原理图27图4116MN钢焊接接头焊缝区20028图4216MN钢焊接接头熔合区20029图4316MN钢焊接接头过热区20029图4416MN钢焊接接头完全结晶区20030图4516MN钢焊接接头不完全重结晶区20030图4616MN钢焊接接头母材20031图4716MN钢焊接接头硬度变化曲线32阙建龙16MN钢焊接研究VI表格清单表21焊条电弧焊机14表22电捍钳的规格和主要技术数据15表3116MN钢化学成分22表32不同环境温度下焊接16MN钢的预热温度23表3316MN钢焊条电弧焊的工艺参数24表4116MN钢焊接接头热处理前后维氏
12、硬度值32淮阴工学院毕业设计（论文）1引言本课题研究是本科教学工作中实验教学问题，是对所学专业理论知识的一次总结概括和实践应用。焊接工艺是金属应用中最重要的连接技术之一，通过对16MN钢焊接的研究，对焊接工艺有个基本的了解。主要实验内容包括16MN钢焊接工艺参数的设计及实验，焊后热处理工艺的设计及实验，焊接接头金相试样的制备，显微组织的观察，焊接接头的硬度测量实验，最后是组织和性能的测定与分析。通过这些工作，不仅加深对所学焊接理论知识的理解和掌握，了解当代焊接的前沿技术，同时提高学生分析和解决实际问题的能力，锻炼和培养动手和操作能力，为今后从事相关工作奠定基础。随着全球科学技术的飞速发展和进步
13、以及新材料、新能源、新结构的不断涌现，传统的焊接方法和工艺（如焊条电弧焊、CO2气体保护焊、氩弧焊等）已经无法满足新时代工业对焊接性能的要求。激光焊、超声波焊、等离子弧焊、摩擦焊、爆炸焊等一些高新技术不断成熟完善。焊接已经从一种传统的热加工技艺发展到了集材料、冶金、结构、力学、电子等多门类科学为一体的工程工艺学科。焊接成形精确化、焊接生产自动化和过程控制智能化、优质高效的焊接工艺将不断涌现，特殊材料及特殊环境下焊接技术，焊接过程计算机模拟技术将得到不断发展和应用，同时焊接技术也将不断向材料科学和工程的新兴领域渗透和拓展1。本试验是在前人的研究基础上对16MN钢进行焊条电弧焊，分析其焊接接头组织
14、和性能。试验的结果为16MN钢焊条电弧焊后，焊接接头焊缝区组织为柱状晶；熔合区为粗大晶粒；过热区为魏氏组织；完全结晶区为细小的铁素体和珠光体；不完全结晶区一部分为细小的铁素体和珠光体，一部分为粗大的铁素体。除去由于熔合区粗大晶粒和过热区魏氏组织的存在，使得16MN钢焊接接头可能存在冷裂纹和热影响区脆化等缺陷外，具有良好的焊接性能。经正火处理后，焊接接头晶粒明显比未热处理过的要细小，组织结构更加均匀，硬度也相应的有所升高，接头的组织和性能有明显的提升。实验研究中的焊接工艺和设备比较传统，但在实验中我们要学会基本的实验方案设计和思路分析，及一般的实验操作，为以后工作中相关的焊接工艺和组织、性能的处
15、理分析打下扎实的基础。阙建龙16MN钢焊接研究2第1章绪论11背景与意义16MN是旧国标GB/T15911988中的低合金高强度结构钢的牌号，新国标GB/T15911994中的牌号为Q345。由于16MN钢具有良好的综合性能、低温性能、冷冲压性能、焊接性能和可切削性能，使用状态的组织为细晶粒的铁素体珠光体，强度比普通碳素结构钢Q235高约2030，耐大气腐蚀性能高2038。16MN钢是我国低合金高强钢中用量最多、产量最大的钢种，主要用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等。焊接是指同种或异种材料通过加热或加压或两者并用，并且用或不用填充材料，使被焊工件间原子或分子相
16、互结合和扩散形成永久性连接的加工工艺过程。焊接是一门古老的加工技术，是随着人类对金属的应用应运而生。我国早在3000多年前的商朝就有了使用铸焊工艺制造的铁刃铜钺兵器。明代科学家宋应星在他的科学著作天工开物中也有关于锻焊工艺的详细文字记载。中世纪，在叙利亚大马士革也曾用锻焊制造兵器。当然古代焊接技术长期停留在铸焊、锻焊和钎焊的水平上，使用的热源都是炉火，温度低、能量不集中，无法用于大截面、长焊缝工件的焊接，只能用以制作装饰品、简单的工具和武器3。鉴于16MN钢在我国工业和国民经济建设中的重要性，而16MN钢的焊接又是16MN钢应用中必不可少的一道工艺技术，因而开设本课题，通过对16MN钢的焊接进
17、行研究，以及对其焊接接头组织和性能的分析，不仅加深对所学焊接理论知识的理解和掌握，了解当代焊接的前沿技术，同时提高分析和解决实际问题的能力，锻炼和培养动手和操作能力，为今后从事相关工作奠定基础，同时，该课题得到的结论也可以为实际工业生产提供参考。12发展概况现代焊接工艺是19世纪末和20世纪初现代科学技术发展的产物，特别是冶金学、金属学、力学、电工、电子学等迅速发展的结果。1885年发现了气体放电的现象，1930年发明了涂药焊条电弧焊方法，并在此基础上发明了埋弧焊、钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊以及二氧化碳气体保护焊等自动或半自动的焊接方法。电阻焊则是1886年发明的，此后逐渐完善为电阻点焊、缝焊和
18、对焊方法，它几乎与电弧焊同时推向工业应用，逐步取代铆接，成为工业中广泛应用的两种主要焊接方法。到目前为止，又相继发明了电子束焊、激光焊等20余种基本方法和成百种派生方法，并且仍处于继续发展之中。在现代工业中，金属是不可缺少的重要材料。在现代工业产品的制造过程中，需要把各种各样加工好的零件按设计要求连接起来制成产品，由于焊接不但易于保证焊接结构等强度的要求，而且相对来说工艺比较简单，加工成本也比较低廉，所以焊接技术得到了广泛应用和飞速发展，也是将这些零件连接起来的一种最理想的加工方法。焊接技术发展到今天，几乎所有部门（如机械制造、船舶行业、海洋开发、汽车行业、机车车辆、石油化工、航空航天、原子能
19、、电力能源、电子技术、建筑及家用电器等）都离不开焊接技术。据不完全统计，目前全世界年产量45的钢和大量有色金属，都是通过焊接加工形成产品的。因此可以这样说，焊接技术的发展水平是衡量一个国家淮阴工学院毕业设计（论文）3科学技术先进程度的重要标志之一，没有现代焊接技术的发展，就不会有现代工业和科学技术的今天。在人类社会步入21世纪的今天，随着全球科学技术的飞速发展和进步以及新材料、新能源、新结构的不断涌现，传统的焊接方法和工艺已经无法满足新时代工业对焊接性能的要求。焊接已经从一种传统的热加工技艺发展到了集材料、冶金、结构、力学、电子等多门类科学为一体的工程工艺学科。未来焊接技术的发展趋势是焊接成形
20、精确化、焊接生产自动化和过程控制智能化、优质高效的焊接工艺将不断涌现，特殊材料及特殊环境下焊接技术，焊接过程计算机模拟技术将得到不断发展和应用，同时焊接技术也将不断向材料科学和工程的新兴领域渗透和拓展2。13来源与内容本课题来源于实践教学工作中实验教学问题。主要实验内容包括16MN钢焊接工艺参数的设计及实验，焊后热处理工艺的设计及实验，焊接接头金相试样的制备，显微组织的观察，焊接接头的硬度测量实验，最后是组织和性能的测定与分析。阙建龙16MN钢焊接研究4第2章焊接理论知识21焊接性及其实验评定211焊接性及影响因素1、焊接性概念焊接性是指同质材料或异质材料在制造工艺条件下，能够焊接形成完整接头
21、并满足预期使用要求的能力。换句话说，焊接性是材料对焊接加工的适应性，指材料在一定的焊接工艺条件下（包括焊接方法、焊接材料、焊接参数和结构形式等），获得优质焊接接头的难易程度和该焊接接头能否在使用条件下可靠运行。2、影响焊接性的因素焊接性与材料、设计、工艺和服役环境等因素有密切关系，人们不可能脱离这些因素而简单地认为某种材料的焊接性好或不好，也不能只用某一种指标来概括某种材料的焊接性。（1）材料因素材料因素包括母材本身和使用的焊接材料。母材和焊材在焊接过程中直接参与熔池或熔合区的冶金反应，对焊接性和焊接质量有重要影响。母材或焊接材料选用不当时，会造成焊缝成分不合格、力学性能和其他使用性能降低，甚
22、至导致裂纹、气孔、夹渣等焊接缺陷，也就是使工艺焊接性变差。因此，正确的选用母材和焊接材料是保证焊接性良好的重要因素。（2）设计因素焊接接头的结构设计会影响应力状态，从而对焊接性产生影响。设计结构时应使接头处的应力处于较小的状态，能够自由收缩，这样有利于减小应力集中和防止焊接裂纹。接头处的缺口、截面突变、堆高过大、交叉焊缝等都容易引起应力集中，要尽量避免。不必要的怎大母材厚度或焊缝体积，会产生多向应力，也要避免。（3）工艺因素对于同一种母材，采用不同的焊接方法和工艺措施，所表现出来的焊接性有很大的差异。发展新的焊接方法和新的工艺措施是改善工艺焊接性的重要途径。焊接方法对焊接性的影响首先表现在焊接
23、热源能量密度、温度以及热量输人上，其次表现在保护熔池及接头附近区域的方式上。工艺措施对防止焊接缺陷，提高接头使用性能有重要的作用。最常见的工艺措施是焊前预热、缓冷和焊后热处理，这些工艺措施对防止热影响区淬硬变脆、减小焊接应力、避免氢致冷裂纹等是较有效的措施。合理安排焊接顺序也能减小应力和变形，原则上应使被焊工件在整个焊接过程中尽量处于无拘束而自由膨胀和收缩的状态。焊后热处理可以消除残余应力，也可以使氢逸出而防止延迟裂纹。（4）服役因素焊接结构的服役环境多种多样，如工作温度高低、工作介质种类、载荷性质等都属于使用条件。工作温度高时，可能产生蠕变；工作温度低或载荷为冲击载荷时，容易发生脆性破坏；工
24、作介质有腐蚀性时，接头要求具有耐腐蚀性。使用条件越不利，焊接性就越不易保证5。淮阴工学院毕业设计（论文）5212焊接性评定原则及方法1、焊接性试验的内容针对材料的不同性能特点和不同使用要求，焊接性试验有以下几种。（1）焊缝金属抗热裂纹能力熔池金属结晶时，由于存在一些有害的元素并受热应力的作用，就可能在结晶末期发生热裂纹。热裂纹是一种较常发生且危害严重的缺陷，所以焊缝抵抗产生热裂纹的能力是焊接性的一项重要内容，通常是通过热裂纹试验来进行的。热裂纹试验与焊接材料关系密切，母材也有一定影响。（2）焊缝及热影响区金属抗冷裂纹能力焊缝及热影响区金属在焊接热循环作用下，由于组织及性能变化，加之受焊接应力和
25、扩散氢的影响，可能发生冷裂纹。冷裂纹在低合金高强钢焊接中是较为常见的缺陷，而且也是一种严重的缺陷，是焊接性试验中很重要又最常用到的一项试验内容。冷裂纹试验是针对母材进行的试验。（3）焊接接头抗脆性转变能力经过焊接冶金反应、热循环、结晶、固态相变等一系列过程，焊接接头由于受脆性组织、硬脆的非金属夹杂物、时效脆化、冷作硬化等作用的结果，可能使韧性严重下降，即发生所谓焊接接头的脆性转变。对于在低温下工作的焊接结构和承受冲击载荷的焊接结构，韧性下降是个严重的问题。焊接接头抗脆性转变能力也是焊接性试验常常涉及的一项内容。（4）焊接接头的使用性能由于使用性能对焊接性提出许多不同的要求，所以又很多焊接性实验
26、项目是从使用性能角度出发制定的，即根据特定的使用条件定制专门的焊接性试验方法。属于这方面的试验内容如焊接接头耐放射性辐照的能力、蠕变的强度、疲劳强度、抗晶间腐蚀能力等。此外，还有一些针对具体特定结构的专门试验方法。2、评定焊接性的原则评定焊接性的原则主要包括一是评定焊接接头产生工艺缺陷的倾向，为制定合理的焊接工艺提供依据二是评定焊接接头能否满足结构使用性能的要求。焊接性试验方法应符合下述原则（1）可比性焊接性试验条件应尽可能接近实际焊接时的条件，只有在这样有可比性的情况下，才有可能使试验结果比较确切地反映实际焊接结构的焊接性本质。试验条件相同时，试验结果才有可比性。（2）针对性所选择或自行设计
27、的试验方法，应针对具体的焊接结构制定试验方案，其中包括母材、焊接材料、接头形式、接头应力状态、焊接参数等。同时，试验条件还应考虑到产品的使用条件。严格按国内外建立的标准的、通用的或公认的试验方法进行试验。这样才能使焊接性试验具有良好的针对性，试验结果才能比较确切地反映出实际生产中可能出现的问题。（3）再现性焊接性试验的结果要稳定可靠，具有较好的再现性。试验数据不可过于分散，否则难以找出变化规律和导出正确的结论。应尽量减少或避免人为因家对试验结果的影响，多采用自动化及机械化的操作方法。如果试验结果很不稳定，数据很分散，就很难找到规律性，更不可能用于指导生产。应严格试验程序，防止随意性。（4）经济
28、性阙建龙16MN钢焊接研究6在符合上述原则并可获得可靠的试验结果的前提下，应力求做到消耗材料少、加上容易、试验周期短，以节省试验费用。此外，在考虑试验成本的同时，还应考虑材料加工、焊接难易程度不同对产品整体制造费用的影响4。3、评定焊接性的实验方法评定焊接性的方法分为间接法和直接试验法两类。间接法是以化学成分、热模拟组织和性能、焊接连续冷却转变图CCT图以及焊接热影响区的最高硬度等来判断焊接性，各种碳当量公式和裂纹敏感指数经验公式等也都属于焊接性的间接评定方法。直接试验法主要是指各种抗裂性试验以及对实际焊接结构焊缝和接头的各种性能试验等。评价材料焊接性的试验方法很多，但每一种试验方法都是从某一
29、特定的角度来考核或阐明焊接性的某一方面，往往需要进行一系列的试验才可能较全面地阐明焊接性，从而为确定焊接方法、焊接材料、焊接工艺等提供试验和理论依据。（1）焊接性的间接评定碳当量法由于焊接热影响区的淬硬及冷裂纹倾向与钢种的化学成分有密切关系，因此可以用化学成分间接地评估钢材冷裂纹的敏感性。各种元素中，碳对冷裂纹敏感性的影响最显著。可级把钢中合金元素的含最按相当于若干碳含量折算并叠加起来，作为粗略评定钢材冷裂纹倾向的参数指标，即所谓碳当量CE或CEQ。由于世界各国和各研究单位所采用的试验方法和钢材的合金体系不同，各自建立一定适用范围的碳当量计算公式。国际焊接学会（IIW）推荐的公式1556IIW
30、CUNIVMOCRMNCCE公式中，碳当量的数值越大，被焊钢材的淬硬倾向越大，焊接区越容易产生冷裂纹。因此可以用碳当量的大小来评定钢材焊接性的优劣，并按焊接性的优劣提出防止产生焊接裂纹的工艺措施。应指出，用碳当量法估计焊接性是比较粗路的，因为公式中只包括了几种元素，实际钢材中还有其他元素，而且元素之间的相互作用也不能用简单的公式反映，特别是碳当量法中没有考虑板厚和焊接条件的影响，所以，碳当量法只能用于对钢材焊接性的初步分析。焊接冷裂纹敏感指数法合金结构钢焊接时产生冷裂纹的原因除化学成分外，还与焊缝金属组织、扩散氢含量、接头拘束度等密切相关。日本学者采用Y形坡口“铁研试验对200多种不同成分的钢
31、材、不同厚度及不同含氢量的焊缝进行试验，提出了与化学成分、扩散葱和拘束（或板厚）相联系的冷裂纹敏感性指数等公式，并可用冷裂纹敏感性指数确定防止冷裂纹所需的焊前预热温度。冷裂纹敏感性公式、应用条件及确定焊前预热温度的计算公式51015602030BVMONICRCUMNSICPCM（2）焊接性的直接评定焊接性的直接试验方法大多是针对钢材在焊接过程中出现的裂纹而设计的，因为裂纹是焊接中最常见且危害性最大的缺陷。采用焊接性的直接试验方法，可以通过在焊接过程中观察是否发生某种焊接缺陷或发生缺陷的程度，直观地评价焊接性的优劣。例如可以定性或定量地评定被焊金属产生某种裂纹的倾向，揭示产生裂纹的原因和影响因
32、素。由此确定防止裂纹等焊接缺陷必要的焊接工艺措施，包括焊接方法、焊接材料、工艺参数、预热和焊后热处理等。淮阴工学院毕业设计（论文）722焊接接头及组织和性能221焊接接头的概念在焊件需连接的部位，用焊接方法制造而成的接头称为焊接接头，简称接头。熔焊焊接接头是在高温移动热源局部加热、快速冷却条件下形成的。根据化学成分、金相组织、力学性能的不同特征，接头一般可分为焊缝金属、熔合区、热影响区和母材四个部分，如图21所示。A对接接头断面图B搭接接头断面图图21焊接接头示意图1焊缝区2熔合区3热影响区4母材1、焊缝区接头金属及填充金属熔化后，又以较快的速度冷却凝固后形成。焊缝组织是从液体金属结晶的铸态组
33、织，晶粒粗大，成分偏析，组织不致密。但是，由于焊接熔池小，冷却快，化学成分控制严格，碳、硫、磷都较低，还通过渗合金调整焊缝化学成分，使其含有一定的合金元素，因此，焊缝金属的性能问题不大，可以满足性能要求，特别是强度容易达到。2、熔合区熔化区和非熔化区之间的过渡部分。熔合区化学成分不均匀，组织粗大，往往是粗大的过热组织或粗大的淬硬组织。其性能常常是焊接接头中最差的。熔合区和热影响区中的过热区或淬火区是焊接接头中机械性能最差的薄弱部位，会严重影响焊接接头的质量。3、热影响区被焊缝区的高温加热造成组织和性能改变的区域。低碳钢的热影响区可分为过热区、正火区和部分相变区。（1）过热区最高加热温度1100
34、以上的区域，晶粒粗大，甚至产生过热组织，叫过热区。过热区的塑性和韧性明显下降，是热影响区中机械性能最差的部位。（2）正火区最高加热温度从AC3至1100的区域，焊后空冷得到晶粒较细小的正火组织，叫正火区。正火区的机械性能较好。阙建龙16MN钢焊接研究8（3）部分相变区最高加热温度从AC1至AC3的区域，只有部分组织发生相变，叫部分相变区。焊接接头是高温热源对基体金属进行局部加热同时与熔融的填充金属熔化凝固而形成的不均匀体6。222焊接接头的基本形式如图22所示，常见的焊接接头有对接接头A、T形接头B、十字接头C、搭接接头D、角接接头E、端接接头F、套管接头G、斜对接接头H、卷边接头I、锁底对接
35、接头J等。图22焊接接头的基本类型1、对接接头将同一平面上的两个被焊工件的边缘相对焊接起来而形成的接头称为对接接头。对接接头是各冲焊接结构中采用最多、也是最完善的一种接头形式，具有受力好、强度大和节省金属材料的特点。具有受力均匀、节省金属等优点，故应用最多。但是，由于是两焊件对接连接，对接接头对下料尺寸和组装的要求比较严格，被连接件边缘加工及装配要求则较高。在焊接生产中，通常使对接接头的焊缝略高于母材板面。由于余高的存在造成构件表面的不光滑，在焊缝与母材的过渡处会引起应力集中。图23对接接头的几种形式淮阴工学院毕业设计（论文）92、T型接头将相互垂直的被连接件用角焊缝连接起来的接头称为T形十字
36、接头。T形十字接头能承受各种方向的力和力矩。T形接头是各种箱型结构中最常见的接头形式。由于T形十字接头焊缝向母材过渡较急剧，接头在外力作用下力线扭曲很大，造成应力分布极不均匀、且比较复杂，在角焊缝根部和趾部都有很大的应力集中。保证焊透是降低T形接头应力集中的重要措施之一。所以T形接头焊缝大多数情况下只承受较小的切应力或仅作为联系焊缝。图24T型接头3、搭接接头两块板料相叠，而在端部或侧面进行角焊，或加上塞焊缝、槽焊缝连接的接头称为搭接接头。由于搭接接头中两钢板中心线不一致，受力时产生附加弯矩，会影响焊缝强度，因此，一般锅炉、压力容器的主要受压元件的焊缝都不用搭接形式。由于搭接接头使构件形状发生
37、较大的变化，所以应力集中要比对接接头的情况复杂得多，而且接头的应力分布极不均匀。搭接接头对装配要求不高，也易于装配，但接头承载能力低，一般用在不重要的结构中。在搭接接头中，根据搭接角焊缝受力方向的不同，可以将搭接角焊缝分为正面角焊缝、侧面角焊缝和斜向角焊缝。图25搭接接头4、角接接头两钢板成一定角度，在钢板边缘焊接的接头称为角接接头。角接头多用于箱形构件，骑座式管接头和筒体的连接，小型锅炉中火筒和封头连接也属于这种形式。阙建龙16MN钢焊接研究10与T形接头类似，单面焊的角接接头承受反向弯矩的能力极低，除了钢板很薄或不重要的结构外，一般都应开坡口两面焊，否则不能保证质量。图26角接接头223焊
38、接接头的设计要求焊接接头的设计中对焊缝质量的要求、焊缝尺寸大小、焊缝位置、工件厚度、几何尺寸、施工条件等不同，决定了在选择焊接方法和制定工艺时的多样性。合理的焊接接头设计与选择不仅能保证钢结构的焊缝和整体的强度，还可以简化生产工艺，节省制造成本。设计和选择焊接接头的主要因素（1）保证焊接接头满足使用要求；（2）接头形式能保证选择的焊接方法正常施焊；（3）接头形式应尽量简单，尽量采用平焊和自动焊焊接方法，少采用仰焊和立焊，且最大应力尽量不设在焊缝上；（4）焊接工艺能保证焊接接头在设计温度和腐蚀介质中正常工作（5）焊接变形和应力小，能满足施工要求所需的技术、人员和设备的条件；（6）尽量使焊缝设计成
39、联系焊缝；（7）焊接接头便于检验；（8）焊接前的准备和焊接所需费用低；（9）对角焊缝不宜选择和设计过大的焊角尺寸，试验证明，大尺寸角焊缝的单位面积承载能力较低等。224坡口的基本形式1坡口类型坡口根据设计或工艺需要，在焊件的待焊部位加工成一定几何形状并经装配后构成的沟槽。开坡口用机械、火焰或电弧等加工坡口的过程。（1）根据板厚不同，对接焊缝的焊接边缘可分为卷边、平对或加工成为V形、X形、K形和U形等坡口。淮阴工学院毕业设计（论文）11图27对接焊缝坡口形式（2）根据焊件厚度、结构形式及承载情况不同，角接接头和T形接头的坡口形式可分为I形、带钝边的单边V形坡口和K形坡口等。图28角接和T形接头的
40、坡口AI形B单边V形CK形2、开坡口的目的为保证电弧能深入到焊缝根部使其焊透，并获得良好的焊缝成形以及便于清渣。对于合金钢来说，坡口还能起到调节母材金属和填充金属比例即熔合比的作用。3坡口的设计原则坡口的形式和尺寸主要根据钢结构的板厚、选用的焊接方法、焊接位置和焊接工艺等来选择和设计。坡口设计的原则是焊缝中填充的材料少；具有好的可焊性；坡口的形状应容易加工；便于调整焊接变形。一般情况下，焊条电弧焊焊接6MM厚度的焊件和自动焊焊接14MM以下厚度的焊件时，可以不开坡口就可以得到合格的焊缝，但板间要留有一定的间隙，以保证熔敷金属填满熔池，确保焊透。钢板超过上述厚度时，电弧不能熔透钢板，应考虑开坡口
41、6。225焊接接头特性1、焊接接头组织性能特点阙建龙16MN钢焊接研究12（1）焊接接头力学性能不均匀由于焊接接头各区在焊接过程中进行着不同的焊接冶金过程，并经受不同的热循环和应变循环的作用，各区的组织和性能存在较大的差异，焊接接头组织的不均匀，造成了整个接头力学性能的不均匀。（2）焊接接头工作应力分布不均匀，存在应力集中由于焊接接头存在几何不连续性，致使其工作应力是不均匀的，存在应力集中。当焊缝中存在工艺缺陷，焊缝外形不合理或接头形式不合理时，将加剧应力集中程度，影响接头强度，特别是疲劳强度。（3）由于焊接的不均匀加热，引起焊接残余应力及变形焊接是局部加热的过程，电弧焊时，焊缝处最高温度可达
42、材料沸点，而离开焊缝处温度急剧下降，直至室温。这种不均匀温度场将在焊件中产生残余应力及变形。（4）焊接接头具有较大的刚性通过焊接，焊缝与构件组成整体，所以与铆接或胀接相比，焊接接头具有较大的刚性16。2、影响焊接接头组织性能的因素焊接接头的机械性能决定于它的化学成分和组织。因此，影响焊缝化学成分和焊接接头组织的因素，都影响焊接接头的性能。（1）焊接材料手工电弧焊的焊条，埋弧自动焊和气体保护焊等用的焊丝，熔化后成为焊缝金属的组成部分，直接影响焊缝金属化学成分。焊剂也罢影响焊绕的化学成分。（2）焊接方法不同焊接方法的热源，其温度高低和热量集中程度不同。因此，热影响区的大小和焊接接头组织粗细都不相同
43、，接头的性能也就不同。此外，不同焊接方法，机械保护效果也不同。因此，焊缝金属纯净程度，即有害杂质含量不同，焊缝的性能也会不同。（3）焊接工艺焊接时，为保证焊接质量而选定的诸物理量例如焊接电流、电弧电压、焊接速度、线能量等的总称，叫焊接工艺参数。3、改善焊接接头组织性能的措施由于按等强度原则选择焊条，所以焊缝金属的强度一般不低于母材，其韧度也接近母材，只有塑性略又降低，而焊接接头上塑性和韧性最低的区域在熔合区和过热区，这主要是由于粗大的过热组织所造成的；又由于在这两个区域，拉应力最大，所以它们是焊接接头中最薄弱的部位，往往成为裂纹的发源地。改善接头组织性能的主要措施（1）尽量选择低碳且硫、磷含量
44、低的钢材作为焊接结构材料。（2）使热影响区的冷却速度适当。对于低碳钢，采用细焊丝、小电流、高焊速，可提高接头的韧度，减轻接头脆化；对于易淬硬钢，在不出现硬脆马氏体的前提下适当提高冷却速度，可以细化晶粒，有利于改善接头性能。（3）采用多层焊（4）进行焊后热处理。焊后进行退火或正火处理可以细化晶粒，改善焊接接头的力学性能14。淮阴工学院毕业设计（论文）1323焊条电弧焊231焊条电弧焊概述1、焊条电弧焊工作原理焊条电弧焊是手工操作焊条进行焊接的电弧焊方法，焊条电弧焊时，在焊条末端和工件之间燃烧的电弧所产生的高温使焊条药皮与焊芯及工件熔化，熔化的焊芯端部迅速形成细小的金属熔滴，通过弧柱过渡到局部熔化
45、的工件表面，融合一起形成熔池。药皮熔化过程中产生的气体和熔渣，不仅使熔池和电弧周围的空气隔绝，而且和熔化了的焊芯、母材发生一系列冶金反应，保证所形成的焊缝的性能，随着电弧以一定的速度和弧长在工件上不断的移动，熔池液态金属不断的冷却结晶，形成焊缝。焊条电弧焊的过程如图29所示。图29焊条电弧焊的过程1药皮2焊芯3保护气4电弧5熔池6母材7焊缝8渣壳9熔渣10熔滴2、焊条电弧焊的特点（1）焊条电弧焊设备简单，操作灵活方便，适应性强，地和焊接位置的限制，在焊条能达到的地方一般都能施焊，不受场这些都是其广泛应用的重要原因。（2）可焊金属材料广，不需要辅助保护气体，除难熔或极易氧化的金属外，大部分工业用
46、金属均能采用焊条电弧焊进行焊接。（3）焊接接头装配要求较低，但对焊工操作技术要求高。焊接质量在一定程度上取决于焊工的操作水平。（4）劳动条件差，生产率低，每焊完一根焊条，必须更新焊条，并残留下一部分，而使焊条未被充分利用，焊后还须清渣，故生产率低。232焊接设备及辅助工具焊条电弧焊设备和辅助工具包括焊条电弧焊焊机、电焊钳、焊接电缆、面罩等。1、焊条电弧焊焊机焊条电弧焊所用焊机按电源的种类，可分为交流弧焊机和直流弧焊机两大类。两种类型的电焊机由于电源种类的不同各具有不同的优缺点。交流弧焊机的主要优点是成本阙建龙16MN钢焊接研究14低、制造维护简单、噪声较小缺点是不能适应碱性焊条，且焊接电压、电
47、流容易受到电网波动的干扰。直流弧焊机的优点是电弧稳定、焊条适应性强缺点是成本较高、制造维修较复杂。每一类型的弧焊机根据原理和结构特点又可分为多种形式，具体见表21。表21焊条电弧焊机交流弧焊机动铁式直流弧焊机弧焊整流器同体式逆变弧焊机动圈式旋转式直流弧焊发电机（1）交流弧焊机交流弧焊机的三个类别的结构分别如图210、图211、图212所示。图210动铁式交流弧焊机机构示意图1初级绕组2、3次级绕组4动铁芯5静铁芯6接线板7焊条8工件图211同体式焊接结构图图212动圈式焊机结构1固定铁芯2初级绕组3次级绕组1铁芯2、3线圈4手柄4电抗线圈5活动铁芯6焊条7工件以目前应用最广泛的“动铁式”交流焊
48、机为例，它是一个结构特殊的降压变压器，属于动铁芯漏磁式类型。焊机的空载电压为6070V工作电压为30V左右，电流调节范淮阴工学院毕业设计（论文）15围为50450A。铁芯由四周的静铁芯5和中间的动铁芯4组成。变压器的初级绕组分成两部分，一部分紧绕在初级绕组1的外部，另一部分相当于电感线圈。焊接时，电感线圈的感抗电压降使电焊机获得较低的工作电压，这是电焊机具有陡降外特性的原因。引弧时，电焊机能供给较高的电压和较小的电流，当电弧稳定燃烧时，电流增大，而电压急剧降低当焊条与工件短路时，也限制了短路电流。焊接电流调节分为粗调、细调两档。电流的细调靠移动铁芯4改变变压器的漏磁来实现。向外移动铁芯，磁阻增
49、大，漏磁减小，则电流增大，反之，则电流减少。电流的粗调靠改变次级绕组的匝数来实现。该类电弧焊机的工作条件应在海拔不超过1000M、周围空气温度不超过40、空气相对湿度不超过85等条件下使用，不应在有害工业气体、水蒸气、易燃、多灰尘的场合下工作。（2）直流弧焊机在直流弧焊机的三种类型中，旋转式直流弧焊机由于浪费能源、材料和效率低下等缺点已逐渐被整流式弧焊机和逆变式弧焊机所替代。整流式弧焊机是随着大容量高性能整流元件和控制元件的发展而发展的，它具有易于制造、节省能源和材料、成本低和效率高等优点，已成为目前直流弧焊机的主流，常用的整流式直流弧焊机型号有ZXG300、ZXG400,等。逆变式弧焊机由于具有体积小、高效节能和良好的工艺性能等独特优点，近年来发展很快，预计在未来的焊接电源中将占主导地位。2、电焊钳电焊钳是夹持焊条并传导焊接电流的操作器具。对电焊钳的要求是在任何斜度都能夹紧焊条，具有可靠的绝缘和良好的隔热性能，焊接电缆的橡胶包皮应伸入到钳柄内部，使导体不外露，起到屏护作用，保证焊接时安全方便、操作灵活。电焊钳的规格和主要技术数据见表22。表22电捍钳的规格和主要技术数据规格（A）额定值使用焊条直径/MM耐电压性能/V/MM能连接的最大电缆截面/MM2负载持续率/工作电压/V工作电流/A500604050040
