焊接課程設(shè)計(jì)

1、焊接冶金學(xué)課程設(shè)計(jì)17CrMn2SiVBN的焊接性分析 學(xué) 院：機(jī)械工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)：材料成型及控制工程專業(yè)08級(jí)焊接班學(xué) 生：明彬 學(xué) 號(hào)：0810141226 指導(dǎo)老師：卜志翔博士 王志偉博士 焊接冶金學(xué)課程設(shè)計(jì)目的：通過(guò)對(duì)指定材料（母材）的焊接性分析，選擇合適的焊接材料，分析焊縫化學(xué)成分和HAZ組織要求：1、掌握焊接性理論分析方法2、掌握SHCCT圖的分析方法3、初步分析材料的焊接工藝特點(diǎn)內(nèi)容：1、 查閱材料的成分、力學(xué)性能及其SHCCT2、 對(duì)母材進(jìn)行焊接性分析3、 選用焊接材料，以熔合比為0.3計(jì)算焊縫的化學(xué)成分4、 根據(jù)SHCCT圖分析HAZ的組織5、 初步探討材料的焊接工藝的特

2、點(diǎn)17CrMn2SiVBN的焊接性分析1.17CrMn2SiVBN的化學(xué)成分17CrMn2SiVBN是低合金結(jié)構(gòu)鋼的一種，低合金結(jié)構(gòu)鋼要求鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.22%（實(shí)際上Wc0.18%）。此外，添加一些合金元素，如Mn、Cr、Ni、Mo、V、Nb、B、Cu等，具體的化學(xué)成分如下表。表1成分編制鋼號(hào)C（%）Si（%）Mn（%）S（%）P（%）Cr（%）Ni（%）Mo（%）Cu（%）Al（%）V（%）其他（%）17GrMn2SiVBN0.170.61.510.0250.0180.650.0030.17N20.023合金元素的作用：17CrMn2SiVB是在低碳鋼基礎(chǔ)上添加一定量的合金元素構(gòu)

3、成的。碳是最能提高鋼材強(qiáng)度的元素，但易于引起焊接淬硬及焊接裂紋，所以在保證強(qiáng)度的條件下，碳的加入量越少越好。元素對(duì)合金結(jié)構(gòu)鋼下臨界點(diǎn)溫度A1（）的綜合影響可用下述公式表示，即A1=720+28Wsi+5Wcr+6Wco+3WTi-5WMn-10WNi-3WV (2-1)此外，添加一些合金元素，如Mn、Cr、Ni、Mo、V、Nb、B、Cu等，主要是為了提高鋼的淬透性和馬氏體的回火穩(wěn)定性。這些元素可以推遲珠光體和貝氏體的轉(zhuǎn)變，使產(chǎn)生馬氏體轉(zhuǎn)變的臨界冷卻速率降低。低合金調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼由于含碳量低，所以淬火后得到低碳馬氏體，而且發(fā)生“自回火”現(xiàn)象，脆性小，具有良好的焊接性。2.17CrMn2SiVBN的力

4、學(xué)性能17CrMn2SiVBN具有較高的強(qiáng)度和良好的塑性、韌性和耐磨性，特別是裂紋敏感度低，工程結(jié)構(gòu)制造中有廣闊的應(yīng)用前景，它的具體力學(xué)性能見(jiàn)下表：機(jī)械強(qiáng)度（N/mm2）臨界溫度（）臨界冷卻溫度（）bsAtA常MsCzCfCpCe783389800900420-測(cè)定條件：Tm=1330 1350 原始狀態(tài)：正火合金元素對(duì)低合金鋼屈服強(qiáng)度s（MPa）和拉抗強(qiáng)度b（MPa）的綜合影響，可按下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，即s =122+274WC+82WMn+55WSi+54WCr+44WNi+78WCu+353WV+755WTi+540WP+30-2(h-5) (3-1)b =230+686 WC +78 W

5、Mn +90 WSi +73 WCr +33 WNi +56 WCu +314 WV +529 WTi +450 WP +21-1.4(h-5) (3-2)式中h為板厚。17GrMn2SiVBN中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.18%以下，且含有較高的Ni和Cr，具有高強(qiáng)度，特別是具有優(yōu)異的低溫缺口韌性。3根據(jù)SHCCT圖分析HAZ的組織圖1 圖中縱坐標(biāo)以正常刻度表示溫度，橫坐標(biāo)以對(duì)數(shù)刻度表示時(shí)間，A表示奧氏體組織區(qū)域，F(xiàn)表示鐵樹(shù)體組織轉(zhuǎn)變區(qū)域，P表示珠光體組織轉(zhuǎn)變區(qū)域，Zw表示中間組織轉(zhuǎn)變區(qū)域，M表示馬氏體組織轉(zhuǎn)變區(qū)域，圖中f-g為奧氏體開(kāi)始析出鐵素體的區(qū)域，z-f-g為從奧氏體析出中間組織的區(qū)域，其中f

6、-g為鐵素體析出結(jié)束曲線，z-h是中間組織轉(zhuǎn)變結(jié)束曲線，最下面一條為馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束曲線。圖中的CZ、Cf、Cp、Ce分別表示從A3溫度冷卻到500開(kāi)始出現(xiàn)的中間組織（即各種貝氏體類組織）、鐵素體、珠光體，以及記得到鐵素體和珠光體的臨界冷卻時(shí)間（s）。CZ、Cf、Cp、Ce分別是由通過(guò)z、f、p、e點(diǎn)的臨界冷卻曲線與500等溫線的交點(diǎn)CZ、Cf、Cp、Ce向時(shí)間坐標(biāo)軸投影得到的時(shí)間值。這些特征值對(duì)分析焊接熱影響區(qū)的組織很有意義，只要知道在實(shí)際焊接過(guò)程中熱影響區(qū)所要研究部位的金屬?gòu)?00冷卻到500的時(shí)間t8/5，對(duì)照臨界冷卻時(shí)間，就可以判斷熱影響區(qū)的顯微組織。圖2最想得到的組織：馬氏體+中間組織

7、，即低碳馬氏體+下貝氏體，可以獲得較高的屈服強(qiáng)度，而且還有良好的塑性，韌性，耐磨性，對(duì)焊接有利。4.17CrMn2SiVBN的焊接性及分析 1.焊接性分析（1） 焊縫強(qiáng)韌性匹配保證接頭區(qū)的強(qiáng)度性能是17CrMn2SiVBN是焊接性分析中首先要考慮的問(wèn)題。屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之比稱為屈強(qiáng)比（s/b）,是一個(gè)選擇材料的重要參數(shù)，低的屈強(qiáng)比有利于加工成形，高的屈強(qiáng)比使鋼材的強(qiáng)度潛力得以較大的發(fā)揮。 焊縫強(qiáng)度匹配系數(shù)S=（b）w/（b）b，是表征接頭力學(xué)非均質(zhì)性的參數(shù)之一，（b）w為焊縫強(qiáng)度，（b）b為母材強(qiáng)度。當(dāng)（b）w/（b）1時(shí)，稱為“超強(qiáng)匹配”；（b）w/（b）b=1時(shí)，稱為“等強(qiáng)匹配”；（b）

8、w/（b）b1時(shí)，稱為“低強(qiáng)匹配”。 17GrMn2SiVBN的屈服強(qiáng)度s為389Mpa，強(qiáng)度較低，無(wú)論是母材或焊縫都有較高的韌性儲(chǔ)備，所以按等強(qiáng)匹配選用焊接材料，既可保證接頭區(qū)具有較高的強(qiáng)度，也不會(huì)損害焊縫的韌性。（2） 冷裂紋17CrMn2SiVBN是在低碳基礎(chǔ)上加入多種提高淬透性的合金元素，來(lái)保證獲得強(qiáng)度高、韌性好的低碳“自回火”馬氏體和部分下貝氏體的混合組織。由于它淬硬性大，在焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)有產(chǎn)生冷裂紋和韌性下降的傾向。但熱影響區(qū)的淬硬組織為Ms點(diǎn)較高的低碳馬氏體，具有一定韌性，裂紋敏感性小。 17CrMn2SiVBN鋼的開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度Ms點(diǎn)較高，在該溫度下冷卻較慢，生成的馬氏體來(lái)得

9、及進(jìn)行一個(gè)“自回火”處理，因而實(shí)際冷卻冷裂紋傾向并不大，在此條件下，即保證馬氏體轉(zhuǎn)變的冷卻速度較慢，得到強(qiáng)度和韌性比較高的回火馬氏體和回火貝氏體，焊接冷裂紋可以避免；反之則增大其傾向。此外，限制焊接含氫量在超低水平對(duì)于防止低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接冷裂紋十分重要。（3） 熱裂紋及消除應(yīng)力裂紋 17CrMn2SiVBN鋼中含碳量較低、Mn含量高，而且S、P控制比較嚴(yán)格，因此熱裂紋傾向較小。但是因?yàn)楹筃i量比較高的鋼種有一定的熱裂紋敏感性，主要產(chǎn)生于熱影響區(qū)和過(guò)熱區(qū)（稱為液化裂紋）。避免熱裂紋關(guān)鍵在于控制C和S的含量，保證高的Mn、S比，和采用較小的熱輸入的焊接方法并注意控制熔池形狀、減小熔池凹度等。 V對(duì)消

10、除應(yīng)力裂紋的影響最大，Mo次之，而當(dāng)V和Mo同時(shí)加入就更為敏感。（4） 熱影響區(qū)性能變化17CrMn2SiVBN鋼的熱影響區(qū)是組織性能不均勻的部位導(dǎo)致力學(xué)性能不均勻，接頭區(qū)強(qiáng)韌性下降，同時(shí)存在脆化和軟化現(xiàn)象，受焊接熱循環(huán)影響熱影響區(qū)可能存在強(qiáng)化效果的損失現(xiàn)象（稱為軟化或失強(qiáng)）。 焊接熱影響區(qū)主要組織類型有：馬氏體（ML、M）、貝氏體（BL、Bg、Bu）、鐵素體(F)和珠光體（P)。熱影響區(qū)脆化M-A組元一般只在一定的冷卻速度時(shí)形成，它的存在導(dǎo)致脆化，組元數(shù)量越多脆化越嚴(yán)重，調(diào)整工藝參數(shù)可以控制熱影響區(qū)M-A組元的產(chǎn)生。控制焊接熱輸入和采用多層多道焊接工藝，使17CrMn2SiVBN熱影響區(qū)避免

11、出現(xiàn)高硬度的馬氏體或M-A混合組織，可改善抗脆能力，對(duì)提高熱影響區(qū)韌性有利。（5） 碳當(dāng)量計(jì)算 由于焊接熱影響區(qū)的淬硬及冷裂紋傾向于鋼種的化學(xué)成分有密切的關(guān)系，因此可以用化學(xué)成分間接地評(píng)估鋼材的冷裂紋的敏感性。把鋼種的合金元素的含量相當(dāng)于若干碳含量折算并疊加起來(lái)，作為粗略評(píng)定鋼材冷裂紋傾向的參數(shù)指標(biāo)，即所謂碳當(dāng)量（CE或Ceq）。 17CrMn2SiVBN 碳當(dāng)量的計(jì)算可以通過(guò)日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JIS）的碳當(dāng)量公式： Ceq(JIS)=C +Mn /6+Ni /40+Cr/5+Mo/4+V/14(%)來(lái)求解出Ceq(JIS)0.5416，由下表可知所以焊前需要預(yù)熱150度。2. 焊接材料選用及焊縫

12、化學(xué)成分計(jì)算 17CrMn2SiVBN屈服強(qiáng)度s為389Mpa980Mpa,抗拉強(qiáng)度為783Mpa540Mpa,選擇E7518M型號(hào)焊條，焊接方法選擇氣體保護(hù)焊，保護(hù)氣體選擇Ar+2%CO2混合氣體。 計(jì)算，在熔合比為0.3的情況下，焊縫的化學(xué)成分。熔合比是指熔焊時(shí)，被融化的母材在焊道金屬中所占的百分比，根據(jù)表1可計(jì)算化學(xué)成分。 Wc=0.17%*0.3=0.051% WSi=0.6%*0.3=0.018% Ws=0.025%*0.3=0.0075% Wp=0.018%*0.3=0.0072% WGr=0.65%*0.3=0.0195% Wv=0.17%*0.3=0.051% WN2=0.02

13、3%*0.3=0.0069% WB=0.003%*0.3=0.0009%3.焊接工藝特點(diǎn)1.焊接熱輸入的確定 焊接熱輸入增大是熱影響區(qū)晶粒粗化，同時(shí)也促使形成上貝氏，甚至形成M-A組元，使韌性降低。當(dāng)熱輸入過(guò)小時(shí)，熱影響區(qū)的淬硬性明顯增強(qiáng)，也使韌性下降。 焊接熱輸入E的確定以抗裂性和對(duì)熱影響區(qū)韌性要求為依據(jù)。從防止冷裂紋出發(fā)，要求冷卻速度慢為佳，但對(duì)防止脆化來(lái)說(shuō)卻要求冷卻快較好，因此應(yīng)兼顧兩者冷卻速度范圍。這個(gè)范圍的上限取決于不產(chǎn)生冷裂紋，下限取決于熱影響區(qū)不出現(xiàn)脆化的混合組織。因此，所選的焊接熱輸入應(yīng)保證熱影響區(qū)的冷卻速度剛好在該區(qū)域內(nèi)。2. 17CrMn2SiVBN焊接要解決的問(wèn)題：一是防止裂紋；二時(shí)在保證滿足高強(qiáng)度要求的同時(shí)提高焊縫金屬及熱影響區(qū)的韌性。為了消除裂紋和提高焊接效率，一般采用熔化極基體保護(hù)焊（MIG）或活性氣體保護(hù)焊（MAG）等自動(dòng)化或半自動(dòng)機(jī)械化焊接方法。3.17CrMn2SiVBN的碳含量低于0.18%，不會(huì)出現(xiàn)高碳馬氏體，因此可以提高冷卻速度（減小熱輸入）以形成低碳馬氏體，保證韌性。為了限制過(guò)大的焊接熱輸入，17CrMn2SiVBN不宜采用