电机转轴埋弧焊工艺研究Word下载.docx
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从图1可以看出,筋板与转轴之间的焊缝为长、直焊缝,正好适用于埋弧焊焊接。
2.1材料介绍
Q235钢属碳素结构钢,其屈服强度在235MPa左右,强度适中,有良好的承载性,较好的塑性和韧性,其含碳量低,一般小于0.2%,焊接性和加工性能良好,是最常用的钢种。
Q345钢属于低合金高强度结构钢,一般在热轧状态下供货,它具有良好的综合力学性能、低温冲击韧性、冷冲压性及切削性,在机械行业中应用极广,可以制造大型船舶、铁路车辆、桥梁、管道、锅炉、压力容器、起重机械、厂房钢架等承受负荷的焊接结构。
Q235B、Q345B的化学成分见表1,其力学性能见表2
表1Q235B、Q345-B的材料化学成分
牌号
化学成分
C
Si
Mn
S
P
V
Nb
Ti
Q235B
0.12~0.2
≤0.30
0.30~0.70
≤0.045
Q345B
≤0.2
≤0.55
1.0~1.6
≤0.04
0.02~0.15
表2Q235B、Q345B的材料力学性能
屈服强度
δS/MPa
抗拉强度
δb/MPa
伸长率
%
冲击功AKV/J
(23℃)
备注
235
375~460
≥25
≥27
GB/T700
345
470~630
≥21
≥34
GB/T1591
2.2焊接性分析
母材碳当量(Ceq)的计算
计算公式:
Ceq=C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14
Q235B的碳当量(Ceq)≈0.3%,
Q345B的碳当量(Ceq)≈0.49%,
从以上计算结果可以看出,Q235B的碳当量(Ceq)≈0.3%,碳当量很低,硅、锰含量少,通常情况下不会因焊接而产生严重的硬化组织或淬火组织。
具有良好的焊接性。
而Q345B的碳当量(Ceq)≈0.49%,其淬硬倾向比Q235B要大,可见Q345B钢焊接性能不是很好,焊接时需要制定严格的工艺措施。
因此下面主要从两方面来分析Q345B的焊接性:
一是焊接引起的各种缺陷,对这类钢来说主要是各类裂纹问题;
二是焊接时材料性能的变化,对这类钢来说主要是脆化问题。
2.2.1裂纹问题
(1)热裂纹:
Q345B含碳量较低,含锰量较高,因此它的Mn/S比较大,具有良好的抗热裂性能。
正常情况下焊缝中不会出现热裂纹,但当材料成分不合格或有严重偏析,使碳、硫含量偏高,Mn/S比偏低,易出现热裂纹。
锰在钢中可与硫形成硫化锰,减少了硫的有害影响,增强了钢的抗热裂性能。
(2)冷裂纹:
钢材冷裂纹主要取决于钢材的淬硬倾向,而钢材的淬硬倾向又主要取决于它的化学成分。
Q345B由于含有少量合金元素,其碳当量比低碳钢碳当量略高些,所以这种钢淬硬倾向比低碳钢要大些。
而且转轴厚度很大,焊缝冷却速度比较快,因此要制定合适的焊接线能量、预热和后热温度,以控制热影响区的冷却速度,同时降低焊缝金属的含氢量等措施,防止冷裂纹的产生。
(3)再热裂纹:
从钢材的化学成分考虑,Q345B钢中不含强碳化物形成元素,因此对再热裂纹不敏感。
2.2.2脆化问题
(1)过热区脆化:
Q345B钢焊接时近缝区中被加热到1200℃以上粗晶区,易产生晶粒长大现象,是焊接接头中塑性最差的部位,往往会承受不住应力的作用而破坏。
防止过热区脆化的措施是提高冷却速度,尤其是提高奥氏体最小稳定性范围内的冷却速度,缩短在这一温度区间停留时间,减少或防止魏氏体组织的出现,以提高钢的冲击韧性,而且为防止过热区粗晶脆化,也不宜采用过大线能量,并要控制好层间温度不要过高。
(2)热应变脆化:
热应变脆化是由于焊接过程中热应力产生塑性变形使位错增殖,同时诱发氮碳原子快速扩散聚集在位错区,出现热应变脆化。
Q345B具有一定得热应变脆化倾向,焊接时消除热应变脆化的有效措施是焊后去应力退火。
综合以上分析,我们知道在裂纹方面,Q345B对热裂纹、再热裂纹和层状撕裂不敏感,只有当板材厚度过大,且冷却过快时对冷裂纹有一定的敏感性;
在脆化方面,Q345B有一定的热应变脆化现象,对过热区脆化不敏感。
因此,需要通过一些的焊接工艺措施来解决Q345B中由于部分原因对焊接性带来的不利影响。
3.焊接材料的选择
低合金高强钢焊接材料的选择一般考虑两方面的问题:
一是不能有裂纹等焊接缺陷;
二是能满足使用性能要求。
选择焊接材料的依据是保证焊缝金属的强度、塑性、韧性等力学性能与母材相匹配。
选用的焊接材料:
焊剂为SJ501焊剂
焊丝为H08A;
焊丝直径为φ4
以上组合的熔敷金属化学成分见表3、机械性能见表4:
表3熔敷金属化学成分
0.055
1.18
0.80
0.016
0.010
表4熔敷金属机械性能
抗拉强度δb/MPa
屈服强度δS/MPa
延伸率%
冲击功AKV/J(0℃)
550
485
29
63
4.焊接工艺参数的拟定
4.1预热温度:
根据转轴母材的厚度、母材材质的焊接性分析及相关标准文件说明,确定预热温度为150℃。
4.2层间温度:
为了避免焊缝及焊接热影响区过热而产生粗大的魏氏体组织,规定层间温度不允许超过300℃。
4.3焊后保温:
为了消除氢脆,焊后立即保温,保温温度250~300℃,时间2~4小时。
4.4焊后热处理:
为了避免产生热应变脆化、消除焊缝内应力,保证工件尺寸稳定,焊后采用去应力退火工艺。
退火温度600~650℃,保温时间2小时,并随炉冷却至300℃后,空冷。
去应力退火在焊后保温完成后进行。
4.5焊接线能量:
焊接质量与焊接时输入线能量有直接的关系,焊接线能量公式如下:
E=IU/V
公式中,E为焊接时输入的线能量,KJ/mm;
I为焊接电流,A;
U为电弧电压,V;
V为焊接速度,mm/s。
焊接线能量不能过低,也不能过高。
焊接线能量过低,焊缝冷却速度过快,会产生大量的高碳马氏体组织;
焊接线能量过高,焊缝冷却速度太慢,焊缝金属高温时间停留过长,冷却时会产生大量的粗大魏氏体组织。
从图2可以看出,焊接热影响区组织以A1、A2两条线之间的区间为宜,其组织以贝氏体为主,具有强度高、韧性好等良好的综合机械性能。
其对应的T8/5大概在9~50之间;
同时对比图3可以看出,其对应的维氏硬度值大概在420~236之间;
然后结合SHCCT曲线图,HV=420可以对应R11冷却曲线,其线能量约为0.6KJ/mm,HV=236可以对应R7冷却曲线,其线能量约为3KJ/mm.
因此,结合SHCCT曲线图、图2、图3和相关文献可以大致推算出线能量最好控制在0.6KJ/mm~3KJ/mm之间。
图2焊接冷却时间t8/5与Q345钢热影响区组织组成的关系
图3焊接冷却时间t8/5与Q345钢热影响区硬度的关系
Q345钢的连续冷却曲线(SHCCT)
经过以上焊接性分析,并结合焊接工艺守则等相关文献,确定焊接工艺参数,见下表5:
表5焊接工艺参数
焊层
电流(A)
电压(V)
焊接速度
热输入
预热温度
层间温度
后热保温
焊后热处理
打底层
450~500
25~30
30~35cm/min
1.9~3.0KJ/mm
150℃
焊后立即保温、保温温度250~300℃,时间2~3小时
600~650℃,保温时间2小时,随炉冷却至300℃。
中间层
500~550
27~32
35~40cm/min
2.0~3.0KJ/mm
≤300℃
盖面层
30~34
33~37cm/min
2.4~3.4KJ/mm
5.焊接工艺评定
采用Q235B+Q345B的对接试板,板厚30mm,焊接工艺评定按标准JB/T4708-2005进行。
5.1根据表5的焊接工艺参数,对试板进行焊接。
5.2焊缝超声波探伤检测
100%符合JB4730-2005RTⅠ级要求
5.3力学性能检查结果
(1)焊接接头抗拉强度为447/439Mpa,断裂位置为Q235B母材一侧。
(2)弯曲试验:
在支座距离为63mm,弯曲直径为40mm,弯曲角度为180°
的条件下进行4个侧弯,均无缺陷。
(3)采用10×
10×
55的标准冲击试样进行室温V型缺口冲击试验,焊缝中心的冲击值为57、59、57(J);
靠近Q235B侧热影响区的冲击值为200、190、198(J),靠近Q345B侧热影响区的冲击值为180、196、182(J),均高于标准要求的27J。
6.应用
此埋弧焊工艺成功应用于Y355、Y450、Y500系列电机转轴的焊接,探伤一次合格率达98%以上。
应用埋弧焊焊接的电机,在客户处已正常运行2年以上,此处焊缝至今未发现任何问题。
7.结论
(1)用埋弧焊所焊的焊接试板,其焊接接头的机械性能完全满足标准要求。
(2)转轴采用埋弧焊工艺焊接的焊缝,表面成形美观、无焊接缺陷、焊接质量稳定、可靠,焊接接头力学性能完全满足设计要求。
(3)焊接工艺参数通过自动调节保持稳定,对焊工操作技术要求不高;
相对于手工电弧焊,埋弧焊操作劳动强度低,电弧弧光埋在焊剂层下,没有弧光辐射,其劳动条件也比较好。
(4)埋弧焊所用的焊接电流大,相应电流密度也大,加上焊剂和熔渣的保护,电弧的熔透能力和焊丝的熔敷速度都大大提高。
而且由于埋弧焊热输入大,焊接速度快,能有效的保证焊接时的层间温度。
焊缝能按理想的冷却曲线冷却,焊缝组织性能优于MAG焊得到的焊缝组织。
(5)埋弧焊适用于电机转轴与筋板之间的焊接,可推广应用在电机转轴与筋板的焊接上。
参考文献:
[1]