12MnNiCuV的焊接性分析

1、12MnNiCuV 焊接性分析學(xué) 校：湖北工業(yè)大學(xué)學(xué) 院：機械工程學(xué)院專業(yè)班級：材料成型及控制工程專業(yè)09級焊接1班學(xué)生姓名：夏中杰學(xué) 號：0910100a11指導(dǎo)老師：王志偉老師王立世老師一. 12MnNiCuV化學(xué)成分及主要合金元素的作用 .1二.12MnNiCuV的力學(xué)性能 .4三.12MnNiCuV的 SHCCT圖分析 .5四.12MnNiCuV的焊接性分析 .6五.12MnNiCuV的焊材搭配 .8六. 參考資料.11.12MnNiCuV化學(xué)成分及主要合金元素的作用12Mn NiCuV是一種低合金高強鋼，低合金高強鋼碳含量較低，一般碳的質(zhì)量分數(shù)在 0.22%以下，屈服強度為 2954

2、90MPa在正火狀態(tài)下使用，屬于非熱處理強化鋼。這類鋼 價格便宜，具有良好的綜合力學(xué)性能和加工工藝性能，廣泛應(yīng)用于常溫下工作的一些受力 結(jié)構(gòu)，如壓力容器、動力設(shè)備、工程機械、橋梁、建筑結(jié)構(gòu)和管線等。12M nNiCu V化學(xué)成分比例如下表1所示。表1： 12MnNiCuV的化學(xué)成分組成(【1】CSiMnSPCrNiMoCuVAl0.1280.3541.190.0120.0090.700.590.1250.00912MnNiCuV主要的化學(xué)元素除了 C以外有Si、Mn Ni、Cu V等和少量的S、P等元素， 每種元素在鋼種的作用不同，除了 S、P等一些危害元素外，大部分都可以提高 12MnNiC

3、uV 的性能。1.1.碳(C)的作用鋼中含碳量增加，屈服點和抗拉強度升高，但塑性和沖擊性降低，當(dāng)碳量0.23%超過時，鋼的焊接性能變壞。低碳量還會提高12M nNiCuV鋼的耐大氣腐蝕能力。1.2.硅(Si)的作用在12Mn NiCuV鋼中，硅能提高此鋼的硬度和強度，其作用僅次于磷，較錳、鎳、鉻、 鎢、鉬和釩等元素強。硅還能能提高鋼的彈性極限、屈服強度和屈服比(7 s/ c b)以及疲勞強度等。含硅的鋼在氧化氣氛中加熱時，表面將形成一層SiO2薄膜，從而提高鋼在高溫時的抗氧化性。但是硅還能降低鋼的焊接性能，而且硅與氧的親合力硅比鐵強，在焊接時容易生成低 熔點的硅酸鹽，增加熔渣和熔化金屬的流動性

4、，引起噴濺現(xiàn)象，影響焊縫質(zhì)量。1.3.錳(Mr)的作用能消除或減弱由于硫所引起的鋼的熱脆性， 從而改善鋼的熱加工性能。 錳和鐵形成固 溶體，提高鋼中鐵素體和奧氏體的硬度和強度；同時又是碳化物形成元素，進入滲碳體中 取代一部分鐵原子。錳在鋼中由于降低臨界轉(zhuǎn)變溫度。起到細化珠光體的作用。也間接地 起到提高珠光體鋼強度的作用；錳穩(wěn)定奧氏體組織的能力僅次于鎳，也強烈增加鋼的淬透 性。14硫（S）的作用硫在鋼中為有害元素。在高溫下，降低鋼的塑性，是一種有害元素，它以熔點較低的 FeS的形式存在；單獨存在的FeS的熔點只有1190C，而在鋼中與鐵形成共晶體的共晶溫 度更低，只有988C，當(dāng)鋼凝固時，硫化鐵

5、析集在原生晶界處。鋼在1100-1200C進行軋制時，晶界上的FeS就將熔化，大大地削弱了晶粒之間的結(jié)合力，導(dǎo)致鋼的熱脆現(xiàn)象。鋼 中含硫量偏高，焊接時由于SO的產(chǎn)生，將在焊接金屬內(nèi)形成氣孔和疏松，因此對硫應(yīng)嚴加 控制，在為了防止因硫?qū)е碌拇嘈?，在此鋼中錳的量遠高于硫，使其形成熔點較高的MnS1.5.磷（P）的作用一般來說，磷是鋼中的有害元素。因此通常要求鋼中含磷量小于0.045%,優(yōu)質(zhì)鋼要求更低些。它使焊接性能變壞；特別是使鋼的脆性轉(zhuǎn)折溫度急劇上升， 即提高鋼的冷脆性（低 溫變脆），使冷彎性能變壞。磷能提高鋼的強度，但降低塑性和韌性。由于磷的有害影響， 同時考慮到磷有較大的偏析，因而對其含量要

6、嚴格的控制。但是在含碳量比較低的鋼種中， 磷的冷脆危害比較小。在這種情況下，可以用磷來提高鋼的強度，如生產(chǎn)的高強度IF鋼就需要加入磷。另外，在適當(dāng)?shù)那闆r下，還利用磷的其他一些有益作用，如增加鋼的抗大氣 腐蝕能力，如集裝箱用鋼；提高磁性，如電工硅鋼；改善鋼材的易切削加工性，減少熱軋 薄板的粘結(jié)等。1.6.鎳（Ni）的作用鎳能提高鋼的強度，而又保持良好的塑性和韌性。鎳對酸堿有較高的耐腐蝕能力，在 高溫下有防銹和耐熱能力。但由于鎳是較稀缺的資源，故應(yīng)盡量采用其他合金元素代用鎳 鉻鋼。在鋼中的作用：（1）可提高鋼的強度而不顯著降低其韌性。 （2）鎳可降低鋼的脆性轉(zhuǎn) 變溫度，即可提高鋼的低溫韌性。（3）

7、改善鋼的加工性和可焊性。（4）鎳可以提高鋼的抗 腐蝕能力，不僅能耐酸，而且能抗堿和大氣的腐蝕。1.7.銅（Cu）的作用銅是奧氏體形成元素。作用有：改善耐蝕能力，低碳鋼含銅1%,抵抗大氣腐蝕較不含銅的高出4倍；不銹鋼中加銅3-4%,也有幫助不銹鋼防蝕作用。可以增加鋼的強度，不 宜超過0.2 %，借助沉淀硬化來提高合金的抗拉強度；銅在那些不發(fā)生沉淀硬化的鋼中能 夠輕微的提高屈服強度。在碳鋼中它提高淬透性并降低延展性。提高鋼的深沖性能，女口 0Cr18Ni9Cu3,可以做成各種耐蝕的鉚釘。作為強化元素加入，起到沉淀硬化的作用。在抗 菌不銹鋼中加入，特殊處理后，析出相有較好的殺菌作用。缺點是在熱加工時

8、容易產(chǎn)生熱 脆，銅含量超過0.5%塑性顯著降低。當(dāng)銅含量小于 0.50%對焊接性無影響。銅有石墨化作 用。1.8.釩（V）的作用釩是顯著的強化元素，能提高焊縫金屬的屈服點和抗拉強度。在一定的含量范圍內(nèi)，能 改善焊后狀態(tài)焊縫金屬的沖擊韌性。但是當(dāng)含釩的焊縫金屬進行消除應(yīng)力處理時，由于形 成了共格碳化物而使韌性急劇下降，強度性能大大提高。應(yīng)此，含釩的焊縫金屬最好不作 焊后消除應(yīng)力處理。如必要作消除應(yīng)力處理，則必須嚴格控制焊件在消除應(yīng)力處理時的溫 度。為不使焊件的熱處理工藝復(fù)雜化，焊縫金屬中的釩含量應(yīng)限制在0.08%以下。1.9.鋁（AI）的作用鋁是鋼中常用的脫氧劑。用作煉鋼時的脫氧定氮劑，細化晶粒

9、，提高沖擊韌性。抑制 低碳鋼的時效，改善鋼在低溫時的韌性，特別是降低了鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度；提高鋼的抗氧 化性能。當(dāng)鋁和鉻配合并用時，其抗氧化性能有更大的提高。由于鋁的這一作用，常把鋁 作為合金元素加入耐熱鋼中。鋁與鉻、硅合用，可顯著提高鋼的高溫不起皮性能和耐高溫 腐蝕的能力。此外，鋁還能提高對硫化氫的抗腐蝕性。其缺點是：脫氧時如用鋁量過多,將促進鋼的石墨化傾向。當(dāng)含鋁較高時其高溫強度和韌性較低。是影響鋼的熱加工性 能、焊接性能和切削加工性能。二.12MnNiCuV的力學(xué)性能12MnNiCuV其機械強度如表2所示：表2: 12MnNiCuV勺力學(xué)性能【1】鋼材型號機械強度（N/mn2）(T bT

10、s12MnN iCuV579463測定條件：Tm=1350C由表2可知，12MnNiCu具有良好的綜合力學(xué)性能和加工工藝性能，并且 這類鋼價格便宜，在世界各國都得到了廣泛的應(yīng)用。三.12MnNiCuV的SHCCT圖分析圖1:12MnNiCuV 的焊接 SHCCT圖【1】從圖中可以看出，有上到下依次是F:鐵素體轉(zhuǎn)變區(qū)，P:珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)，Zw:中間組織轉(zhuǎn)變區(qū)以及M:馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)。不同的冷卻曲線經(jīng)過了不同的區(qū)域就會得到不相同的室溫組 織。通過分析這些曲線可以控制冷卻速度從而達到改變焊接組織的目的。正火鋼隨合金元 素的增多，淬硬傾向增大，12Mn NiCu V高溫轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)過冷奧氏體較穩(wěn)定，冷卻下來很容

11、易 得到貝氏體和馬氏體，冷裂傾向較大。曲線b-d為從奧氏體開始析出鐵素體的曲線；c-e為從奧氏體開始析出珠光體的曲線，同時也是鐵素體析出結(jié)束曲線；a-b-c-f為從奧氏體析出中間組織的曲線，其中b-c也是鐵素體析出結(jié)束曲線，c-f為珠光體析出結(jié)束曲線；Ms-a-g為馬氏體開始轉(zhuǎn)變曲線，其中a-g 為中間組織轉(zhuǎn)變結(jié)束線。例如當(dāng)室溫組織HV=365時，冷卻速度為(400-100 ) / (100-10 ) =3.33 C/s，得到的 組織為15%貝氏體+85%馬氏體，當(dāng)想要使馬氏體的含量增加，貝氏體的含量減少時，即 使該曲線往左移，使冷卻速度增大。四.母材12MnNiCuV的焊接性分析【2】根據(jù)合

12、金鋼強度的分類可知，12Mn NiCuV是屬于熱軋及正火鋼。熱軋及正火鋼的焊接性：1 )裂紋及影響因素(1 )冷裂紋：熱軋鋼含有少量的合金元素，碳當(dāng)量比較低，一般情況下冷裂傾向不大。 正火鋼隨碳當(dāng)量及板厚的增加，淬硬性及冷裂傾向增大。碳當(dāng)量：通常，碳當(dāng)量越高，冷裂敏感性越大。計算公式為 CE = C + Mn/6 + Si/24 + Ni/40 + Cr/5 + Mo/4 + V/14(%)，計算結(jié)果為CE=0.353, 般認為CEC 0.4%時，鋼材在焊接過程中基本無淬硬傾向，冷裂敏感性小。 并且由表3可知，該鋼材可不用預(yù)熱。表3：根據(jù)鋼材強度和碳當(dāng)量確定預(yù)熱溫度鋼材強度級別d b/MPa碳

13、當(dāng)量界限Cep (JIS ) (%)工藝措施5000.46焊接時不需預(yù)熱6000.52焊前預(yù)熱750C7000.52焊前預(yù)熱1000C8000.62焊前預(yù)熱1500C(2) 熱裂紋：熱裂紋敏感指數(shù)的計算公式為HCS=C(S+P+Si/25+Ni/100)/(3 Mn+C r+Mo+V)*100%經(jīng)過計算可知，12MnNiCuV勺HCS=1.46當(dāng)HCS、于4的時候一般不會產(chǎn)生熱裂紋。(3) 消除應(yīng)力裂紋：消除裂紋一般產(chǎn)生在熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，裂紋沿熔合區(qū)方向在粗晶區(qū)的奧氏體晶界斷續(xù)發(fā)展，產(chǎn)生原因與雜志元素在奧氏體晶界偏聚及碳化物“二次硬化” 導(dǎo)致的晶界催化有關(guān)。消除應(yīng)力裂紋的產(chǎn)生一般須有較大的焊

14、接殘余應(yīng)力，因此在拘束度 大的厚大工件中或應(yīng)力集中部位更易于出現(xiàn)消除應(yīng)力裂紋。其判斷公式： G%F Cr+3.3Mo+8.1V+10C-2oG%2時，對消除應(yīng)力裂紋敏感；1.5 G%： 2時，一般； G%c 1.5時，對消除應(yīng)力裂紋不敏感。經(jīng)過計算，可知12MnNiCuVWA G%=0.292殳1.5，對消除應(yīng)力裂紋不敏感。(4)層狀撕裂：只有經(jīng)過精煉，含S量在0.005%以下的鋼才具有良好的抗層狀撕裂 性能。12MnNiCuV含 S量大于0.005%，要采取預(yù)熱和降低氫含量的措施。2）熱影響區(qū)的脆化（1）過熱區(qū)脆化：過熱區(qū)是指熱影響區(qū)中熔合線附近母材被加熱到1100 C以上的區(qū)域。由于該區(qū)溫

15、度高，奧氏體晶粒顯著長大和一些難熔化質(zhì)點而導(dǎo)致了性能的改變。正火鋼過熱區(qū)的脆化問題：正火鋼除固溶強化外，還有沉淀強化作用，須通過正火提 高性能。在熱軋態(tài)時，沉淀相不能充分均勻析出，強度、韌性都下降。焊接正火鋼時，焊 接熱影響區(qū)（HAZ）高于1100 C區(qū)，焊接線能量大時，破壞材料原先正火態(tài)的有利組織狀 態(tài)和良好綜合性能，恢復(fù)到正火前的熱軋狀態(tài)，因此焊后重新正火處理可改善塑韌性。同 時采用小熱輸入焊接可避免這類正火鋼過熱區(qū)脆化。（2）熱應(yīng)變脆化：是指在200AC1攝氏度溫度范圍內(nèi)，受較大的塑性變形（5%10% 之后，出現(xiàn)斷裂韌性明顯下降，脆性轉(zhuǎn)變溫度明顯升高的現(xiàn)象。熱應(yīng)變脆化容易發(fā)生于一 些固溶

16、氮含量較高的低碳鋼和強度級別不高的低合金鋼。預(yù)防措施：加入足量N化物形成元素（Al、Ti、V等），可使脆性傾向降低。若發(fā)生了熱應(yīng)變脆化，則可采用焊后退火處理來有效消除熱應(yīng)變脆化。五.12MnNiCuV的焊材搭配根據(jù)合金鋼強度的分類可知，12MnNiCuV是屬于熱軋及正火鋼，板厚為5mm板厚不大, 對于高強鋼焊接方法的選取，大都采用焊接熱輸入密度集中、 效率高、熔池保護及脫氫效果 好、焊接變形小的CO焊或者富氬混合氣體保護或者低氫型焊條的焊條電弧焊。這里采用焊 條電弧焊。因為焊后一般不調(diào)質(zhì)，故要求所得焊縫金屬在焊態(tài)下應(yīng)具有接近母材的力學(xué)性 能，即采用等強原則?？蛇x用牌號為 J556RH型號為E5

17、516-G的焊條。該焊條是低氫鉀型藥皮的超低氫高韌性焊條，交直流兩用，可全位置焊，焊縫具有優(yōu) 良的塑、韌性和抗裂性；用于船舶、壓力容器等低合金鋼重要焊接結(jié)構(gòu)。其熔敷金屬化學(xué) 成分及力學(xué)性能見表4。熔敷金屬化學(xué)成分/%力學(xué)性能CMnSiCuNiMo其他(T b/MPa(T 0.2/MpaS 5/%Akv/J 1.00.300.70w 0.85 540 440 17 34( 40C)表4 E5516-G焊條的熔敷金屬化學(xué)成分及力學(xué)性能【3】計算焊縫化學(xué)成分：C0=0 G+ (1- 0)Ce ( 0 =0.3)【4】式中Co-某元素在焊縫金屬中的原始質(zhì)量百分濃度(% ；Cb-該元素在母材中的質(zhì)量百分

18、濃度(% ；Ce-該元素在焊條中的質(zhì)量百分濃度(% ；0 -熔合比。表5 焊縫中各元素化學(xué)成分CSiMnSPCrNiMoCuVAlw0.31620.00360.0027w0.1770.03750.00270.12240.59621.0570.805焊接參數(shù)的選擇對12MnNiCu鋼進行碳當(dāng)量及冷裂紋敏感指數(shù)計算，得到CE=0.353, HCS=1.46 G%=0.2925可知焊前不需預(yù)熱。選用低氫鉀型焊條 E5516-G,由表6和表7可選焊條直徑為3.2mm選用焊接電流100A,交、直流電源兩用?！?】表6焊條直徑的選擇焊件厚度（mm 13焊條直徑（mm1.523.23.244546表7電流大小和極性選擇項目選擇依據(jù)焊條直徑（mm1.62.02.53.24.05.05.8焊接電流（A）254040655080100130160210200270260300焊接電流強度平焊時，可選用較大的電流進行焊接； 橫焊、立焊、仰焊時，電流比平焊小10%20%。電流種類和極性低氫鉀型焊條和酸性焊條，使用于交直流電源兩用；低氫鈉型焊條適用于直流反接。焊后熱處理：熱軋及正火鋼一般不需要焊后熱處理。由前面計算可知，12Mn NiCuV冷裂敏感性及熱裂敏感性均都比較小，不易產(chǎn)生冷裂紋及熱裂紋，而且該鋼材對消 除應(yīng)力裂紋不敏感。由于母材的板厚為5mm層狀