焊接課程設計

1、焊接冶金學課程設計17CrMn2SiVBN的焊接性分析 學 院：機械工程學院 專業(yè)班級：材料成型及控制工程專業(yè)08級焊接班學 生：明彬 學 號：0810141226 指導老師：卜志翔博士 王志偉博士 焊接冶金學課程設計目的：通過對指定材料（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內容：1、 查閱材料的成分、力學性能及其SHCCT2、 對母材進行焊接性分析3、 選用焊接材料，以熔合比為0.3計算焊縫的化學成分4、 根據SHCCT圖分析HAZ的組織5、 初步探討材料的焊接工藝的特

2、點17CrMn2SiVBN的焊接性分析1.17CrMn2SiVBN的化學成分17CrMn2SiVBN是低合金結構鋼的一種，低合金結構鋼要求鋼中碳的質量分數不大于0.22%（實際上Wc0.18%）。此外，添加一些合金元素，如Mn、Cr、Ni、Mo、V、Nb、B、Cu等，具體的化學成分如下表。表1成分編制鋼號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是在低碳鋼基礎上添加一定量的合金元素構

3、成的。碳是最能提高鋼材強度的元素，但易于引起焊接淬硬及焊接裂紋，所以在保證強度的條件下，碳的加入量越少越好。元素對合金結構鋼下臨界點溫度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變，使產生馬氏體轉變的臨界冷卻速率降低。低合金調質高強鋼由于含碳量低，所以淬火后得到低碳馬氏體，而且發(fā)生“自回火”現象，脆性小，具有良好的焊接性。2.17CrMn2SiVBN的力

4、學性能17CrMn2SiVBN具有較高的強度和良好的塑性、韌性和耐磨性，特別是裂紋敏感度低，工程結構制造中有廣闊的應用前景，它的具體力學性能見下表：機械強度（N/mm2）臨界溫度（）臨界冷卻溫度（）bsAtA常MsCzCfCpCe783389800900420-測定條件：Tm=1330 1350 原始狀態(tài)：正火合金元素對低合金鋼屈服強度s（MPa）和拉抗強度b（MPa）的綜合影響，可按下列經驗公式計算，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中碳的質量分數在0.18%以下，且含有較高的Ni和Cr，具有高強度，特別是具有優(yōu)異的低溫缺口韌性。3根據SHCCT圖分析HAZ的組織圖1 圖中縱坐標以正?？潭缺硎緶囟龋瑱M坐標以對數刻度表示時間，A表示奧氏體組織區(qū)域，F表示鐵樹體組織轉變區(qū)域，P表示珠光體組織轉變區(qū)域，Zw表示中間組織轉變區(qū)域，M表示馬氏體組織轉變區(qū)域，圖中f-g為奧氏體開始析出鐵素體的區(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為鐵素體析出結束曲線，z-h是中間組織轉變結束曲線，最下面一條為馬氏體轉變結束曲線。圖中的CZ、Cf、Cp、Ce分別表示從A3溫度冷卻到500開始出現的中間組織（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間（s）。CZ、Cf、Cp、Ce分別是由通過z、f、p、e點的臨界冷卻曲線與500等溫線的交點CZ、Cf、Cp、Ce向時間坐標軸投影得到的時間值。這些特征值對分析焊接熱影響區(qū)的組織很有意義，只要知道在實際焊接過程中熱影響區(qū)所要研究部位的金屬從800冷卻到500的時間t8/5，對照臨界冷卻時間，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度，而且還有良好的塑性，韌性，耐磨性，對焊接有利。4.17CrMn2SiVBN的焊接性及分析 1.焊接性分析（1） 焊縫強韌性匹配保證接頭區(qū)的強度性能是17CrMn2SiVBN是焊接性分析中首先要考慮的問題。屈服強度與抗拉強度之比稱為屈強比（s/b）,是一個選擇材料的重要參數，低的屈強比有利于加工成形，高的屈強比使鋼材的強度潛力得以較大的發(fā)揮。 焊縫強度匹配系數S=（b）w/（b）b，是表征接頭力學非均質性的參數之一，（b）w為焊縫強度，（b）b為母材強度。當（b）w/（b）1時，稱為“超強匹配”；（b）w/（b）b=1時，稱為“等強匹配”；（b）

8、w/（b）b1時，稱為“低強匹配”。 17GrMn2SiVBN的屈服強度s為389Mpa，強度較低，無論是母材或焊縫都有較高的韌性儲備，所以按等強匹配選用焊接材料，既可保證接頭區(qū)具有較高的強度，也不會損害焊縫的韌性。（2） 冷裂紋17CrMn2SiVBN是在低碳基礎上加入多種提高淬透性的合金元素，來保證獲得強度高、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點較高的低碳馬氏體，具有一定韌性，裂紋敏感性小。 17CrMn2SiVBN鋼的開始轉變溫度Ms點較高，在該溫度下冷卻較慢，生成的馬氏體來得

9、及進行一個“自回火”處理，因而實際冷卻冷裂紋傾向并不大，在此條件下，即保證馬氏體轉變的冷卻速度較慢，得到強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于防止低碳調質鋼焊接冷裂紋十分重要。（3） 熱裂紋及消除應力裂紋 17CrMn2SiVBN鋼中含碳量較低、Mn含量高，而且S、P控制比較嚴格，因此熱裂紋傾向較小。但是因為汗Ni量比較高的鋼種有一定的熱裂紋敏感性，主要產生于熱影響區(qū)和過熱區(qū)（稱為液化裂紋）。避免熱裂紋關鍵在于控制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對消

10、除應力裂紋的影響最大，Mo次之，而當V和Mo同時加入就更為敏感。（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致力學性能不均勻，接頭區(qū)強韌性下降，同時存在脆化和軟化現象，受焊接熱循環(huán)影響熱影響區(qū)可能存在強化效果的損失現象（稱為軟化或失強）。 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形成，它的存在導致脆化，組元數量越多脆化越嚴重，調整工藝參數可以控制熱影響區(qū)M-A組元的產生?？刂坪附訜彷斎牒筒捎枚鄬佣嗟篮附庸に嚕?7CrMn2SiVBN熱影響區(qū)避免

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

12、化學成分計算 17CrMn2SiVBN屈服強度s為389Mpa980Mpa,抗拉強度為783Mpa540Mpa,選擇E7518M型號焊條，焊接方法選擇氣體保護焊，保護氣體選擇Ar+2%CO2混合氣體。 計算，在熔合比為0.3的情況下，焊縫的化學成分。熔合比是指熔焊時，被融化的母材在焊道金屬中所占的百分比，根據表1可計算化學成分。 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，同時也促使形成上貝氏，甚至形成M-A組元，使韌性降低。當熱輸入過小時，熱影響區(qū)的淬硬性明顯增強，也使韌性下降。 焊接熱輸入E的確定以抗裂性和對熱影響區(qū)韌性要求為依據。從防止冷裂紋出發(fā)，要求冷卻速度慢為佳，但對防止脆化來說卻要求冷卻快較好，因此應兼顧兩者冷卻速度范圍。這個范圍的上限取決于不產生冷裂紋，下限取決于熱影響區(qū)不出現脆化的混合組織。因此，所選的焊接熱輸入應保證熱影響區(qū)的冷卻速度剛好在該區(qū)域內。2. 17CrMn2SiVBN焊接要解決的問題：一是防止裂紋；二時在保證滿足高強度要求的同時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焊（MIG）或活性氣體保護焊（MAG）等自動化或半自動機械化焊接方法。3.17CrMn2SiVBN的碳含量低于0.18%，不會出現高碳馬氏體，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。為了限制過大的焊接熱輸入，17CrMn2SiVBN不宜采用