焊接課程設(shè)計

1、2Cr13鋼板焊接工藝設(shè)計姓名：劉鵬兵 2008106120指導(dǎo)老師：王燕三峽大學(xué)機械與材料學(xué)院摘要：2Cr13是一種普通Cr13馬氏體不銹鋼，其主要的合金元素是Cr，具備高強度和耐蝕性，但可焊性差，主要用于蒸汽裝備的軸和拉桿，以及汽輪機葉片等。為了保證焊接質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，在相關(guān)規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)下，結(jié)合生產(chǎn)實際，對厚度為6mm的2Cr13板采用手工鎢極氬弧焊（手工TIG焊）： 焊前預(yù)熱 300，層間溫度> 200 ，焊后在草木灰中緩冷再及時進行調(diào)質(zhì)處理，就能獲得與母材有相同性能和組織的焊接接頭。關(guān)鍵詞：2Cr13；氬弧焊；馬氏體不銹鋼；焊接概述2Cr13是一種普通Cr13馬氏體不銹鋼

2、，其主要的合金元素是Cr，具備高強度和耐蝕性，但可焊性差，主要用于蒸汽裝備的軸和拉桿，以及汽輪機葉片等。為了保證焊接質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，在相關(guān)規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)下，結(jié)合生產(chǎn)實際，對厚度為6mm的2Cr13板采用手工鎢極氬弧焊（手工TIG焊）： 焊前預(yù)熱 300，層間溫度> 200 ，焊后在草木灰中緩冷再及時進行調(diào)質(zhì)處理，就能獲得與母材有相同性能和組織的焊接接頭。1、2Cr13的性能及成分分析1.1、本次設(shè)計所用材料：2Cr13馬氏體不銹鋼平板2塊，規(guī)格：6×100×300.1.2、2Cr13的化學(xué)成分及力學(xué)性能 2Cr13主要的合金元素是Cr，具備高強度和耐蝕性，但可焊

3、性差，主要用于蒸汽裝備的軸和拉桿，以及汽輪機葉片等2Cr13的物理性能化學(xué)成份：碳 C ：0.160.25 硅 Si：1.00 錳 Mn：1.00 硫 S ：0.030 磷 P ：0.035 鉻 Cr：12.0014.00 鎳 Ni：允許含有0.60 力學(xué)性能：抗拉強度 b (MPa)： 淬火回火,635 條件屈服強度 0.2 (MPa)： 淬火回火,440 伸長率 5 (%)： 淬火回火,20 斷面收縮率 (%)： 淬火回火,50 沖擊功 Aku2(J)： 淬火回火,63 硬度 ： 退火,223HB; 淬火回火,192HB 熱處理規(guī)范及金相組織： 熱處理規(guī)范：1)退火,800900緩冷或約7

4、50快冷;2)淬火,920980油冷;3)回火,600750快冷。 金相組織：組織特征為馬氏體型。2、2Cr13的焊接性2.1 2Cr13的焊接性的主要表現(xiàn)馬氏體不銹鋼如 1Cr13 2Cr13 等，在熱處理后具有很好的力學(xué)性能，主要應(yīng)用于受沖擊載荷零件和在常溫下盛有機酸的水溶液及食品工業(yè)的容器 馬氏體不銹鋼焊接性差，焊后得到馬氏體組織，焊接殘余應(yīng)力大，易產(chǎn)生冷裂紋 隨著含碳量增加，淬硬傾向增大，冷裂紋敏感性增大 在預(yù)熱和焊后熱處理過程中還容易產(chǎn)生475 脆化現(xiàn)象鉻系馬氏體不銹鋼有：1Cr13、2Cr13、3Cr13、Y3Cr13、3Cr13Mo、4Cr13、3Cr16、7Cr17等鋼種，這些

5、鋼種是鉻從11.518按其耐蝕性派生出來的。鉻是鐵素體形成元素，為了保持馬氏體組織，較高的鉻需要較多的碳含量，以使在熱處理后形成馬氏體。馬氏體不銹鋼在臨界(AC3)溫度以上是面心立方的奧氏體組織，在快速冷卻到臨界溫度以下時，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方的馬氏體。組織的轉(zhuǎn)變引起體積變化，產(chǎn)生應(yīng)力，從而提高了硬度和降低塑性。這一特性對于焊接接頭的影響尤其重要，因此焊后在熱影響區(qū)容易引起裂紋。特別是電弧焊時，熔池因吸氫的作用，剛度大的結(jié)構(gòu)焊后經(jīng)過一定的潛伏期，氫將引起焊縫和熔合區(qū)的延遲(冷)裂紋。與碳鋼、低合金鋼相比，氫的擴散速度緩慢，約為碳鋼的1/101/25，延遲裂紋焊后5天之內(nèi)仍應(yīng)注意，可能發(fā)生開裂。

6、鉻系馬氏體不銹鋼隨著碳含量的增加，焊接接頭的冷裂絞傾向加大。所以用來制造焊接結(jié)構(gòu)的多數(shù)是1Cr13、2Cr13等馬氏體不銹鋼，含碳更高的3Cr13、4Cr13等冷裂紋傾向更強，一般不能焊接。已知Cr13型不錯鋼中C+N的含量的增加，硬化加強，裂紋傾向加劇。圖1是馬氏體不銹鋼用斜Y型坡口鐵研式裂紋試驗的裂紋敏感性和C+N總含量的關(guān)系。由圖可見降低C+N可以顯著改善Cr13型馬氏體不銹鋼的焊接延遲裂紋的敏感性。 圖1  馬氏體不銹鋼裂紋敏感性和C,N的關(guān)系1Cr13馬氏體不銹鋼，實際上是半馬氏體組織，在焊接熱影響區(qū)近縫區(qū)會形成粗大鐵素體及沿晶界析出的碳、氮化物，塑韌性顯著降低。因此在采用

7、同質(zhì)焊材時，焊材中應(yīng)添加Nb、Ti、Al等合金元素，可細化晶粒，提高焊縫金屬的塑韌性，防止裂紋的產(chǎn)生。3、焊接方法的選擇及主要特點分析3.1、焊接方法的選擇馬氏體鋼的焊接通常采用焊條電弧焊、TIG焊和MIG焊。焊條電弧焊是最常用的焊接方法，適用范圍比較廣；TIG焊適用于薄壁構(gòu)件；MIG焊也經(jīng)常應(yīng)用于焊接馬氏體鋼，具有焊接效率高、焊接質(zhì)量好、焊縫金屬抗裂性能高的特點。各種方法適用于不同場合，應(yīng)根據(jù)合金牌號焊件厚度產(chǎn)品結(jié)構(gòu)以及焊接質(zhì)量要求等因素加以選擇。鎢極氬弧焊熱量比較集中，電弧燃燒 穩(wěn)定，采用交流或直流，適用于焊接鋁合金，能得到高質(zhì)量的接頭。綜合上述因素，選用手工鎢極氬弧焊對2Cr13馬氏體不

8、銹鋼進行平板對接。3.2、焊接方法主要特點分析鎢極氬弧焊具有下列特點：（1）氬氣能有效地隔絕周圍空氣，本身又不溶于金屬，不和金屬反應(yīng)，施焊過程 中電弧還有自動清除熔池表面氧化膜的作用，因此，可成功地焊接易氧化、氮化、化學(xué) 活潑性強的有色金屬、不銹鋼和各種合金。 （2）鎢極電弧穩(wěn)定，即使在很小的焊接電流（10A）下仍可穩(wěn)定地燃燒，特別適 用于于薄板、超薄材料的焊接。 （3）熱源和填充焊絲可分別控制，因而熱輸入容易調(diào)節(jié)，可進行各種位置的焊接， 也是實現(xiàn)單面焊雙面成形的理想方法。 （4）由于填充焊絲熔滴不通過電弧，故不會產(chǎn)生飛濺，焊縫成形美觀。鎢極氬弧焊的不足之處：（1）焊縫厚度淺，熔敷速度小，生產(chǎn)

9、率較低。 （2）鎢極承載電流的能力較差，過大的電流會引起鎢極熔化和蒸發(fā)，其微粒有可 能進入熔池，造成污染（夾鎢）。 （3）惰性氣體（氬氣、氦氣）較貴，和其它電弧焊方法（如手工電弧焊、埋弧焊、二氧化碳氣體保護焊等）相比，生產(chǎn)成本較高。4、焊接設(shè)備的選擇鎢極氬弧焊的焊接設(shè)備主要包括焊接電源、控制系統(tǒng)、引弧裝置、穩(wěn)弧裝置、焊槍、焊接、供氣系統(tǒng)和供水系統(tǒng)等。此外，還有面罩，敲渣錘，鋼絲刷，和焊條保溫筒等，后者統(tǒng)稱輔助設(shè)備工具。4.1、焊接電源的選擇在實際生產(chǎn)中，焊接不銹鋼一般采用交流，國產(chǎn)的TIG焊機有WSJ400型WSJ4001 型和WSJ500型，現(xiàn)選用WSJ500型焊機。額定焊接電流為500A，

10、具有陡降外特性，其大電流空載電壓為60V，小電流檔為88V。該機匹配PQ1150PQ1350和PQ1500等 型號焊槍。為了避免交流電弧中產(chǎn)生直流分量，需配備一臺BX5002型弧焊變壓器。4.2、焊槍及噴嘴的選擇鎢極氬弧焊的焊槍的主要形式有氣冷（空冷）和水冷兩種。氣冷式焊槍通常是重量輕的，體積小且堅實，且比水冷式焊槍較便宜，但是，一般受限使用于約125A以下的焊接電流，正常情況下是使用于焊接薄板且使用率低之處，鎢電極棒的操作溫度比在水冷式焊槍中操作的較高，正因為如此，在使用純鎢電極棒時或在接近額定電流容量下焊接時，會引起鎢粒子脫落掉入熔池中。水冷式焊槍是被設(shè)計用于持續(xù)的高電流焊接， 能以高至2

11、00A 的焊接電流做持續(xù)的操作有些被設(shè)計可用于500A的最大焊接電流，比氣冷式焊槍較重且較貴。由于PQ1350 型水冷焊槍的額定焊接電流為350A，與鋁鎂合金手工鎢極氬弧焊參數(shù)相符故選用 PQ1350型水冷焊槍。噴嘴的形狀尺寸對氣流的保護性能影響很大。在噴嘴的下部為圓柱形通道，通道直徑越大，保護范圍越寬，但可達到性變差，且影響視線。綜合考慮，選用收斂形噴嘴。4.3、鎢極的選擇在手工鎢極氬弧焊焊接工藝中，對鎢極的要求，一般要滿足引弧及穩(wěn)弧性能好，耐高溫、不易損耗，電流容量大等條件。常用的鎢極有純鎢電極、釷鎢極、鈰鎢極等。綜合各種因素考慮選擇純鎢電極。4.4、焊絲的選擇手工鎢極氬弧焊可選用馬氏體不

12、銹鋼焊絲H1Cr13，也可選擇奧氏體不銹鋼焊絲H0Cr20Ni10Ti 或H0Cr19Ni12Mo2 等，本次焊接選用馬氏體不銹鋼焊絲H2Cr13。5、焊接工藝參數(shù)的選擇鎢極氬弧焊的焊接工藝參數(shù)主要有焊接電流種類和極性、電弧電壓、焊接速度、鎢極直徑、保護氣體流量等。5.1、焊接電流選擇焊接電流是決定焊縫熔深的最主要的參數(shù)，焊接電流電流過大容易產(chǎn)生燒穿或焊縫下陷、咬邊等缺陷，還會引起鎢極燒損或產(chǎn)生夾鎢缺陷；電流過小，電弧燃燒不穩(wěn)定甚至發(fā)生偏吹。要按照焊件材料、厚度、接頭形式、焊 接位置等因素來選定。一般先確定電流類型和極性，然后確定電流的大小。綜上所述，選擇用交流電的 WSJ500 型焊機。額定

13、焊接電流為500A，具有陡降外特性，其大電流空載電壓為60V，小電流檔為 88V。故選擇焊接電流為140160A。5.2、電弧電壓的選擇電弧電壓主要影響焊縫寬度，它由電弧長度決定。鎢極氬弧焊電弧長度根據(jù)電流值的大小通常在1.2-5mm 之間，需要填加焊絲時，要選擇較長的電弧長度。根據(jù) WSJ500 型焊機，故選擇電壓在10V到12V之間。5.3、焊接速度的選擇當(dāng)焊接電流確定后，焊接速度決定單位長度焊縫的熱輸入。高焊接速度，則減小熱輸入，溶深和溶寬均減??；反之則增大。氬弧焊在5-50cm/min的焊接速度下能夠維持比 其他焊接方法更為穩(wěn)定的電弧形態(tài)。根據(jù)這一特點，選用焊接速度為150mm/min

14、。5.4、鎢極直徑焊接電流的大小是決定焊縫熔深的主要參數(shù)，它根據(jù)工件材質(zhì)、厚度、接頭形式、焊接位置等因素選擇，鎢極直徑則根據(jù)電流大小、電流種類選擇。表2. 不同電源極性、鎢極直徑的最大許用電流 直徑/mm最大電流/A1.62.43.24.05.06.4直流正接70-150150-250250-400400-500500-750750-1000直流反接10-2015-3025-4040-5555-8080-125交流60-120100-180160-250200-320290-390340-5255.5、保護氣體流量一定條件下，氣體流量和噴嘴直徑有一個最佳范圍，此時，氣體保護效果最佳，有效保護區(qū)

15、最大。如氣體流量過低，氣流挺度差，排除周圍空氣的能力弱，保護效果不佳：流量太大，容易變成紊流，使空氣卷入，也會降低保護效果。同樣，在流量子定時，噴嘴直徑過小，保護范圍小，且因氣流速度過高而形成紊流；噴嘴過大，不僅妨礙焊工觀察，而且氣流流速過低，挺度小，保護效果也不好。所以，氣體流量和噴嘴直徑要有一定配合。通常手工鎢極氬弧焊噴嘴孔徑為520mm，對應(yīng)保護氣體流量為610L/min。焊接電流增大，所對應(yīng)的噴嘴孔徑和氣體流量取值也隨之增大。6、焊前處理焊前主要工作是清理焊件焊絲和開坡口。用扁鏟或砂輪等開V型坡口，坡口要有角度，底面應(yīng)圓滑過渡。為了盡可能減小氫的來源，應(yīng)對坡口面及坡口兩側(cè)各寬50mm范

16、圍內(nèi)進行清理或用不銹鋼絲刷打磨，清除表面氧化膜。（如下圖1所示） 圖1.平板坡口形式及尺寸7、焊前預(yù)熱、焊接過程及焊后處理7.1、焊前預(yù)熱對2Cr13馬氏體不銹鋼進行焊前預(yù)熱，焊前將工件預(yù)熱到300 ，保溫15分鐘再焊接?？墒褂醚?乙炔焰、電爐或噴燈等加熱。預(yù)熱可以使焊件減小變形、氣孔等缺陷。7.2、焊接過程采用單面多層多道焊( 這是由產(chǎn)品結(jié)構(gòu)所確定) ，焊縫厚度控制在2mm左右，層間溫度不 低于200。（1）起?。和ǔＪ褂谩捌鸹　钡姆椒ㄊ且痣娮影l(fā)射和氣體離子化開始的方式；可經(jīng)由能化的電極棒接觸工作物且快速抽回到其所需的電弧長度，或使用導(dǎo)弧，或使用在 電極棒和工作物之間產(chǎn)生高頻火花的輔助裝置

17、引弧，而得到此放射和離子的能量；電極棒從工作物上做機械式的抽回方式只能用于直流電焊機的機械化的焊接，然而，導(dǎo)弧起 動方式，可用于手操作和機械化焊接，但是也只限于直流電焊機，高頻火花起弧方式可應(yīng)用于交流或直流電焊機的手操作焊接，許多電焊機都有產(chǎn)生高頻火花的裝置作起弧和穩(wěn)定電弧。（2）電極棒和熔填金屬位置：開始焊接時，電弧通常以打圓圈的方式移動直到足夠的母材金屬熔化以生產(chǎn)適宜大小的熔池。當(dāng)達到適當(dāng)?shù)娜酆蠒r，將焊槍沿著焊接物接頭的相鄰邊緣逐漸的移動。如此漸漸的熔接工作物，當(dāng)熔填金屬是以手操作添加時經(jīng)常是保持在距工作物表面約15º的角度。且緩慢的進入熔池中，必須小心的送入熔填金屬以避免擾亂氣

18、體保護或接觸電極棒，且因熔填條端部氧化或電極棒的污染。熔填金屬條可持續(xù)的加入或反復(fù)的“侵入”與“抽出”。熔填金屬能以保持熔填條與焊道成線狀排列的方式持續(xù)加入（時常使用以V形接頭的多焊道接中）或者以熔填條和焊槍左右擺動的方式將熔填條送入熔池（時常使用以表面加層的一種方式）停止焊接時，將熔。填金屬從熔池中抽回，但暫時的保持在氣體保護下。以防止熔填金屬氧化，然后在熄弧之前移動焊槍至熔池的前方邊緣，將焊槍提升到剛好足以熄弧但又不足以引起熔坑和電極棒污染的高度而斷弧，最佳的操作是以腳踏控制方式逐漸的減少電流而不需提升焊槍。7.3、層間處理焊接時焊槍可作小幅擺動，道間溫度200層間采用不銹鋼絲刷打磨；背面

19、采用轉(zhuǎn)速較快的手提式電動銑刀清根處理，清根焊道要盡量直，不允許偏離正面焊縫的焊根。7.4、焊后處理焊后在草木灰中緩冷再及時進行調(diào)質(zhì)處理， 就能獲得與母材有相同性能和組織的焊接接頭。熱處理工藝如圖二所示。8、焊后檢驗可能存在的焊接缺陷：焊后產(chǎn)生白口組織；焊接接頭出現(xiàn)裂紋；冷熱裂紋；夾渣。檢驗?zāi)康模罕ＷC焊縫質(zhì)量，達到要求，及時處理不合格焊縫。8.1、外觀檢驗外觀檢驗主要包括焊縫的平直度偏差、厚度及余高的檢查；表面裂紋檢查；咬邊、焊肉不足檢查；焊接件或產(chǎn)品的幾何尺寸檢查，包括形狀及變形量是否超過技術(shù)規(guī)程的規(guī)定等。過程以目視檢查實現(xiàn).目視檢查用于檢查焊縫外觀和尺寸，該如用低倍放大鏡，尺寸計量工具等。通

20、常要檢查的是焊后的焊縫表面質(zhì)量（熔渣清理，飛濺清理），表面成型質(zhì)量（表面尺寸，凸凹，余高，焊縫寬度，焊角尺寸，焊透程度等），表面有無各 類焊接缺陷。其最基本的焊縫外形尺寸要均勻，焊道與焊道，焊道與基體金屬之間應(yīng)平滑過渡。屬于初步檢查。8.2、焊接接頭的無損檢測無損檢測的目的是檢查焊縫的表面與內(nèi)部裂紋，夾雜、氣孔、未熔合和未焊透等工藝性缺陷。無損檢測一般都安排在焊縫外觀檢測之后進行，本工藝采用X射線無損檢測方法。由于本焊接工藝易于出現(xiàn)裂紋,所以可以用超聲波探傷和磁粉探傷。（1）超聲波探傷 超聲波探傷是利用頻率超過20kHz的彈性波在試件中和試件內(nèi)部缺陷中傳播的不同聲學(xué)特性，來判斷是否存在缺陷與缺

21、陷位置尺寸的一種無損檢測手段。當(dāng)聲波通過材料時，能量會受到衰減，當(dāng)遇到界面時就會發(fā)生反射。通過探測和分析在探傷儀屏幕顯示 出來的反射聲波的傳播時間和波形，便可確定焊縫內(nèi)部是否存在缺陷，并判斷其性質(zhì)和 位置。對于本次操作可以采用手工超聲波探傷方法，根據(jù)質(zhì)量要求，其檢驗等級分為A，B，C三級，對于5mm的銅板，采用A級檢驗，即采用一種角度的探頭在焊縫的單面單側(cè) 進行檢驗，只對允許掃查到的焊縫截面進行探測，一般不要求做橫向缺陷的檢驗。對缺 陷進行評定時，超過評定線的信號應(yīng)注意其是否有裂紋等危害性缺陷特征。如有懷疑時，應(yīng)采取改變探頭角度，增加探傷面，觀察動態(tài)波形，結(jié)合結(jié)構(gòu)工藝特征做判定。如對波 形不能

22、準(zhǔn)確判斷時，應(yīng)輔以其他檢驗做綜合評定。(2) 磁粉探傷 易于發(fā)現(xiàn)鐵磁材料的表面缺陷，因此可以用來對本焊接結(jié)果的表面檢驗且操作方便、 安全可靠、操作簡單。9、總結(jié)2Cr13是一種普通Cr13馬氏體不銹鋼，其主要的合金元素是Cr，具備高強度和耐蝕性，但可焊性差，主要用于蒸汽裝備的軸和拉桿，以及汽輪機葉片等。（1）在正確制定有效、合理的焊接工藝的條件下，通過手工鎢極氬弧焊可以獲得性能良好的焊接接頭。（2）焊接工藝設(shè)計是一個綜合各種因素的設(shè)計過程，它涉及到材料的分析、設(shè)備的選用、實際的操作過程、焊前、后的處理、數(shù)據(jù)分析、焊后檢驗等。在各個環(huán)節(jié)中須認真執(zhí)行，以獲得高質(zhì)量的焊縫。（3）通過本次的課程設(shè)計，使我