16Mn钢焊接研究论文03287.doc
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1、- -I 16Mn 钢焊接研究钢焊接研究 摘摘 要要 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
2、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。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:关键词:16Mn 钢;焊条电弧焊;焊接接
3、头;组织和性能;热处理 - -II Welding Research of 16Mn Steel Abstract 16Mn steel is a low alloy high strength steel which has high strength, high toughness and corrosion resistance and other excellent characteristics. It has the largest amount and the largest steel production among the low alloy high strength s
4、teel in China. It is widely used in manufacture of bridges, ships, vehicles, boilers, pressure vessels, pipelines, large steel structure. In view of the importance of 16Mn steel in ours industry and national economy, also 16Mn steel welding is an essential technology, so the welding of steel 16Mn st
5、udy is significant for practical application. In this issue 16Mn steel was welded by SMAW, the changes welded joint were analyzed in the organization and performance; welded joints were obtained by normalizing processing, and analyzed the changes of the organization and performance between before an
6、d after heat treatment. The results show that the weld zone is the columnar crystal; fusion zone is coarse crystal; hot area is the widmanstatten structure; completely crystalline region is the ferrite and pearlite; one part of incomplete crystalline region is the small Ferrite and Pearlite, another
7、 is the coarse Ferrite. The coarse crystal of the 16Mn steel welded joint fusion zone and the widmanstatten structure of the 16Mn steel welded joint hot area as the result of Cold cracking and HAZ. So it was processed by normalizing after welding, welded joints after heat treatment were significantl
8、y higher than the grain is not heat treated to small and more uniform structure. Hardness was increased accordingly. Therefore, heat treatment of welded joints can improve the organization and improve its performance. Research of 16Mn steels SMAW, microstructure and properties of welded joints, heat
9、 treatment after welding can be used as a reference of the welding of 16Mn steel in practice. Keywords: 16Mn steel; electrode arc welding; welded joint; microstructure and properties; heat treatment - -III 目目 录录 引引 言言.1 第第 1 章章 绪绪 论论.2 1.1 背景与意义.2 1.2 发展概况.2 1.3 来源与内容.3 第第 2 章章 焊接理论知识焊接理论知识.4 2.1 焊接
10、性及其实验评定.4 2.1.1 焊接性及影响因素4 2.1.2 焊接性评定原则及方法5 2.2 焊接接头及组织和性能.7 2.2.1 焊接接头的概念7 2.2.2 焊接接头的基本形式8 2.2.3 焊接接头的设计要求10 2.2.4 坡口的基本形式10 2.2.5 焊接接头特性11 2.3 焊条电弧焊.13 2.3.1 焊条电弧焊概述13 2.3.2 焊接设备及辅助工具13 2.3.3 焊条电弧焊基础16 2.3.4 焊条电弧焊工艺参数18 2.3.5 焊条电弧焊的基本操作技术19 2.3.6 常见的焊条电弧焊缺陷及防治措施21 第第 3 章章 实验过程实验过程.22 3.1 16Mn 的焊接
11、22 3.1.1 16Mn 钢简介.22 3.1.2 16Mn 钢的焊接性.23 3.1.3 16Mn 钢的焊接工艺参数.23 3.2 金相试样的制备、观察及其硬度测试.25 3.2.1 金相试样的制备25 3.2.2 金相试样的观察26 3.2.3 试样的硬度测试26 第第 4 章章 实验结果分析实验结果分析.28 4.1 焊接接头金相组织分析.28 4.1.1 焊缝区28 4.1.2 熔合区28 4.1.3 过热区29 4.1.4 完全结晶区29 4.1.5 不完全结晶区30 4.1.6 母材31 4.2 焊接接头硬度分析.31 - -IV 结论与展望结论与展望.34 结论.34 展望.3
12、5 致致 谢谢.36 参考文献参考文献.37 附录附录 A 引用的英文资料及翻译引用的英文资料及翻译.38 附录附录 B 主要参考文献及摘要主要参考文献及摘要.47 - -V 插图清单插图清单 图 2-1 焊接接头示意图7 图 2-2 焊接接头的基本类型8 图 2-3 对接接头的几种形式8 图 2-4 T 型接头.9 图 2-5 搭接接头9 图 2-6 角接接头10 图 2-7 对接焊缝坡口形式11 图 2-8 角接和 T 形接头的坡口11 图 2-9 焊条电弧焊的过程13 图 2-10 动铁式交流弧焊机机构示意图14 图 2-11 同体式焊接结构图14 图 2-12 动圈式焊机结构14 图
13、2-13 电捍钳的规格和主要技术数据16 图 2-14 电捍钳的规格和主要技术数据16 图 2-15 焊条的组成17 图 2-16 几种常见的运条方式20 图 3-1 维氏硬度试验原理图27 图 4-1 16Mn 钢焊接接头焊缝区20028 图 4-2 16Mn 钢焊接接头熔合区20029 图 4-3 16Mn 钢焊接接头过热区20029 图 4-4 16Mn 钢焊接接头完全结晶区20030 图 4-5 16Mn 钢焊接接头不完全重结晶区20030 图 4-6 16Mn 钢焊接接头母材20031 图 4-7 16Mn 钢焊接接头硬度变化曲线32 - -VI 表格清单表格清单 表 2-1 焊条电
14、弧焊机14 表 2-2 电捍钳的规格和主要技术数据15 表 3-1 16Mn 钢化学成分22 表 3-2 不同环境温度下焊接 16Mn 钢的预热温度.23 表 3-3 16Mn 钢焊条电弧焊的工艺参数24 表 4-1 16Mn 钢焊接接头热处理前后维氏硬度值32 - - 1 - 引引 言言 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
15、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
16、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 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
17、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 的处理分析打下扎实的基础。 - - 2 - 第第 1 章章 绪绪 论论 1.1 背景与意义背景与意义 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
18、、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 20%30%,耐大气腐蚀性能高 20%38%。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
19、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 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
20、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。 1.2 发展概况发展概况 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2
21、0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、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 - - 3 -
22、 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
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