Q235钢埋弧焊焊接热影响区组织及性能研究01.docx
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Q235钢埋弧焊焊接热影响区组织及性能研究01
陕西航空职业技术学院
毕业设计（论文）说明书
陕西航空职业技术学院学院焊接技术及自动化专业
毕业设计（论文）题目Q235钢埋弧焊焊接热影响区组织及性能研究
学生姓名张梦石学号1473109
指导教师薛书微职称
年月日
毕业设计（论文）任务书
陕西航空职业技术学院学院焊接技术及自动化专业
学生姓名井黎明学号1373121
一、毕业设计（论文）题目Q235钢埋弧焊焊接热影响区组织及性能研究
二、毕业设计（论文）时间2015年9月9日至2016年10月8日
三、毕业设计（论文）地点：
陕西航空职业技术学院
四、毕业设计（论文）的内容要求：
（1）、明确Q235钢埋弧焊焊接热影响区组织变化的特点。
（2）、明确Q235钢化学成分、基本性能、应用。
（3）、分析Q235钢埋弧焊焊接热影响区组织。
（4）、分析Q235钢埋弧焊焊接热影响区组织。
（5）、论述防止Q235钢埋弧焊焊接裂纹的措施。
（6）、分析Q235钢埋弧焊焊接质量检验方法。
指导教师薛书微年月日
批准年月
毕业设计（论文）评定表
姓名
张梦石
学号
1473109
专业
焊接技术及自动化
毕业设计（论文）题目
Q235钢埋弧焊焊接热影响区组织及性能研究
评阅意见
评阅教师：
年月日
答辩组成员
张玉萍、薛书微
答辩时间
答辩地点
本人陈述
答辩过程要点
答辩组提问
回答问题情况
答辩组评语
成绩
答辩委员会主任签字
前言------------------------------------------------------------------------------------------2
第一节Q235钢埋弧焊热影响区组织的变化特点----------------------4
第二节Q235钢的化学成分、基本性能、应用-----------------------------6
第三节Q235钢埋弧焊热影响区组织的分析--------------------------------10
第四节Q235钢埋弧焊热影响区组织的性能--------------------------------12
第五节Q235钢埋弧焊焊接裂纹的防止措施--------------------------------16
第六节Q235钢埋弧焊焊接质量的检验---------------------------------------18
课设总结-----------------------------------------------------------------------------------23
致谢------------------------------------------------------------------------------------------24
参考文献-----------------------------------------------------------------------------------25
前言
本说明书是根据《熔焊原理》、《金属热处理》等几本专业教材教学大纲，以及各类参考资料编写的。
具有一定的真实性、准确性。
对于初学者可以用来参考、学习。
本说明书主要分为七部分，第一节涉及到Q235钢埋弧焊热影响区组织的变化特点。
简要的对材料埋弧焊组织的相关性能、变化特点做了分析。
第二节主要讲Q235钢的化学成分、基本性能、应用。
从而将内容具体化，简易化是初学者容易掌握学会从各个方面分析焊接结构的可焊接性、焊到性等，从而选择更好的方案进行生产。
。
第三节和第四节主要讲Q235钢埋弧焊热影响区组织的分析过程和性能。
在这两章中主要要掌握Q235钢埋弧焊热影响区组织的成分组成和分析方法，明白分析的过程。
第五节中重点讲Q235钢埋弧焊焊接裂纹的防止措施。
重点掌握裂纹的种类，防止措施。
第六节将Q235钢埋弧焊焊接结构的检验。
在焊接结构检验过程中，主要掌握检验方法的选择，检验方法的操作，包括焊件内部缺陷的检验和综合力学性能的测验。
除理论文字叙述外，为了便于读者理解，在有关方面附带有图，从而加深对知识的理解。
本说明书以突出应用性、实践性、简易性为原则，在尊重知识，尊重科学的前提下对部分专业知识加以利用整合，提高了材料的价值性。
在写说明书的时候，尽管借助了许多专业知识，访问了许多权威性网站，尽量体现出材料的价值，但因编写者知识能力有限，所以在阅读过程中有什么不妥的地方请见谅。
编者：
张梦石
第一节焊接热影响区组织变化的特点
一、焊接热影响区热循环的特点
根据金属学热处理理论,金属在加热和冷却过程中发生变化,取决于其他化学成分与经历的热过程这两个因素,因此,对热影响区的组织变化带来的特殊影响的是焊接热循环的以下特点:
（1）加热温度对大多数钢材,熔合区附近的母材最高加热温度可达1400℃左右,热处理时,加热温度仅略高于Ac3.
（2）加热速度快如下表所示:
不同焊接方法时的加热速度VH
焊接方法
板厚/mm
VH/℃/s
单层埋弧焊
25～10
60～200
（3）高温停留时间短焊接时,热影响区温度因热源移动而随时间变化,不像热处理时根据产品与工艺要求可对保温时间加以控制.因此,焊接热影响区在高温停留时间很短焊条电弧焊时只有十几秒;埋弧焊时要长点,也仅为20～100s.
（4）各点的温度随时间与位置而变化这是局部加热与热运动所造成的.这种复杂的温度场,是热影响区组织不均匀及复杂的应力状态形成的根本原因.
（5）自然条件下的连续冷却在不采取缓冷或保温措施的条件下,焊接热影响区的冷却都属于自然条件下的连续冷却.同时由于温度分布极不均匀,冷却速度必然很高.因此冷却过程还受到焊接参数和产品结构等诸多因素的影响.
二、焊接加热时热影响区的组织转变特点
焊接加热的特殊条件,对热影响区的组织转变有以下的特点:
（1）使相变温度升高一般焊接结构常用的亚共析钢的室温组织转变是铁素体+珠光体,在平衡条件下,加热温度超过A1时首先发生珠光体→奥氏体转变,随后温度继续上升,余下的铁素体不断溶入奥氏体,到达A3温度全部溶解,待奥氏体化过程终了时得到单一的γ相.在实际生产条件下,转变温度因相变的"滞后"而高于上述理论值.加热温度越高,相变的"滞后"越严重,实际的相变温度越高.
（2）影响奥氏体均质化程度焊接的快速加热不利于元素扩散,使得已形成的奥氏体来不及均匀化.加热速度越高,高温停留时间越短,不均匀的程度就越严重.这种不均匀的高温组织,将影响冷却过程的组织转变.
（3）焊接冷却时热影响区的组织转变特点
焊接加热时热影响区的组织转变特点对冷却时的转变有明显的影响.也就是说即使同一材料,在焊接条件下,尽管冷却速度相同,但因高温组织不完全相同,冷却后的室温组织并不一样.另外,具体的影响还与钢的成分有关.
（4）焊接CCT图
CCT图是连续冷却转变曲线的简称.绘制CCT图时,将奥氏体试件以各种冷却速度连续冷却到室温,测定冷却过程中过冷奥氏体转变的开始（温度和时间）与终了点,把测量的数据描绘在温度—时间（对数）坐标系平面上,最后将分别连接各个开始点与终了点,就得到CCT图.利用CCT图可以判断在不同冷却速度下过冷奥氏体转变的过程及转变产物.
焊接CCT图又分为焊接热影响CCT图与焊接CCT图两种.其中焊接热影响区CCT应用比较广泛.
（1）焊接热影响区CCT图由于热影响区内不同部位的热循环不同,因而在一定加热条件下绘制的CCT图只能代表某一特定位置.实用的热影响区CCT图都是按tA=1350℃条件下绘制的.这是因为加热峰值温度tmax=1350℃的部位往往是整个接头的薄弱环节.
（2）焊接CCT图由于焊接是由液态连续冷却到室温,与未熔化的热影响区相比,焊缝的凝固组织属于铸造组织,而且一般含有比母材较多的氧和氢等,这些因素都对相对相变过程有一定的影响.
第二节Q235钢的成份、性能、应用
Q235钢属于碳钢又称为碳素钢，是钢材中产量最多、应用最广的材料。
一、Q235钢的焊接性
（1）焊接性分析
①低碳钢因含碳及其他合金元素少，塑性、韧性好，一般无淬硬倾向，不易产生焊接裂纹等缺陷，焊接性能优良。
②焊接低碳钢，一般不需要采取预热和焊后热处理等特殊工艺措施。
③手工电弧焊焊接低碳钢时可适合全位置焊接，且焊接工艺和操作技术比较简单，容易掌握。
④不需要选用特殊和复杂的设备，对焊接电源无特殊要求，一般交流、直流弧焊机都可焊接。
（2）焊接材料
熔化焊时用的焊接材料可以根据等强度的原则选用，也就是使焊缝的强度等于或接近于母材的强度。
（3）焊接工艺要点
如果母材和焊接材料合格，这种钢焊接时一般不需要预热、保持层间温度和后热处理，也能获得优良的焊接接头。
只有在下列情况下才能采取相应的措施：
1、在低温环境下焊接厚件时，应预热焊件，防止产生冷裂纹；
2、厚度超过50mm的焊件，应进行焊后热处理以消除应力；
3、电渣焊焊件焊后应正火以细化HAZ晶粒。
由于低碳钢含碳量低，锰、硅含量也少，所以，通常情况下不会因焊接而产生严重硬化组织或淬火组织。
低碳钢焊后的接头塑性和冲击韧度良好，焊接时，一般不需预热、控制层间温度和后热，焊后也不必采用热处理改善组织，整个焊接过程不必采取特殊的工艺措施，焊接性优良。
但在少数情况下，焊接时也会出现困难：
1）采用旧冶炼方法生产的转炉钢含氮量高，杂质含量多，从而冷脆性大，时效敏感性增加，焊接接头质量降低，焊接性变差。
2）沸腾钢脱氧不完全，含氧量较高，P等杂质分布不均，局部地区含量会超标，时效敏感性及冷脆敏感性大，热裂纹倾向也增大。
3）采用质量不符合要求的焊条，使焊缝金属中的碳、硫含量过高，会导致产生裂纹。
如某厂采用酸性焊条焊接Q235-A钢时，因焊条药皮中锰铁的含碳量过高，会引起焊缝产生热裂纹。
4）某些焊接方法会降低低碳钢焊接接头的质量。
如电渣焊，由于线能量大，会使焊接热影响区的粗晶区晶粒长得十分粗大，引起冲击韧度的严重下降，焊后必需进行细化晶粒的正火处理，以提高冲击韧度。
总之，低碳钢是属于焊接性最好、最容易焊接的钢种，所有焊接方法都能适用于低碳钢的焊接。
二、Q235碳素结构钢化学成分
牌号
等级
化学成分（质量分数）（%）
脱氧方法
C
Mn
SP
S
P
≤
Q235
A
O.1～O.22
O.30～O.65
0.30
O.050
O.045
F、b、Z
B
0.1～O.20
O.30～0.70
0.045
C
≤0.18
O.35～0.80
0.040
0.040
Z
D
≤0.17
0.035
0.035
TZ
三、Q235碳素结构钢性能
Q235力学性能Q235表示屈服点（σs）为235MPa的碳素结构钢。
主要力学性能（试件厚度≤16mm，摘自GB/T700-88）：
σs=235MPa、σb=275~460Mpa、σ5/%≥26
Q235为中碳钢，综合力学性能较好，可在一定程度上代替45钢
QT450-10的力学性能抗拉强度σb（MPa）：
≥450
q235力学性能条件屈服强度σ0.2（MPa）：
≥250
冲击韧性值αkv（J/cm2）：
≥18
硬度：
130～180HB
Q235是较常用的普碳素结构钢，在焊接过程中出现裂纹。
可能的原因如下:
1.工字钢型号较大（板厚大则焊接时冷却速度,当气温低时快引发裂纹;2.工字钢本身金相组织有缺陷存在裂纹,焊接后引发裂纹扩展;3.工字钢本身化学成分不合格（C、Si、Mn、S、P）中含量超标，特别是C、S、P的含量较高时，导致碳当量超标，引起焊接裂纹的产生；4.强制装配时也会因内应力的作用引发裂纹;5.施焊顺序不当（通常应对称交叉施工,防止后焊焊缝拉裂先焊焊缝）引发裂纹;6.焊接材料不纯,坡口脏（含水、锈、油等）引发裂纹；7.施焊工艺和焊工技能不良（电流大小、用低氢型焊条、挡风、引弧和收弧方式）引发裂纹。
专门用途的碳素钢，例如桥梁钢、船用钢等。
第三节焊接热影响区的组织
一般结构钢都属于有相变重结晶的多相合金,随着温度升高,要发生晶格结构的变化。
合金元素在基体中的溶解度不仅随温度变化，同时在不同的晶格中也不同。
焊接接头各部位加热的峰值的分布如图2所示.加热时各部位组织转变的情况则依tmax而定,如tmax达到Ac1的部位开始要发生α→γ相变达到Ac3部位转变终了；峰值温度达到Ac3+300℃（tks）,则晶粒急剧长大等。
可见影响区的组织变化取决于tmax。
因此按照tmax之不同将热影响区划分为几个区。
（1）过热区是紧邻熔合区具有过热组织或晶粒明显粗化的部位，加热温度在固相温度ts～tks之间。
由于温度高，奥氏体晶粒急剧长大，同时难熔质点不断熔入，甚至可能发生局部晶界熔化的现象。
对于淬硬倾向小的钢，如低碳钢的这个区冷却后将得到晶粒粗大的过热组织；在这个区的塑性和韧性都很低，特别是韧性将交母材下降20％～30％。
对于淬硬倾向比较大的钢，晶粒粗化和难熔质点的溶解都使过冷奥氏体稳定性提高，冷却后过热区将得到马氏体组织。
（2）相变重结晶区紧邻过热区，加热温度Ac3～tk3,加热时相变重结晶进行完全淬硬倾向小的钢，这个区冷却后得到细小的正火组织，晶粒比母材小。
对于淬硬倾向大的钢冷却后则为细小的马氏体。
（3）不完全重结晶区加热温度在Ac1～Ac3之间.这个组织的变化比较复杂,加热温度达到Ac1珠光体转变为奥氏体,而铁素体只有部分溶解,大部分没有变化。
这时奥氏体中的含碳量比较高，接近于共析成分，即使加热时得到的组织是高碳奥氏体+粗大的铁素体。
淬硬倾向较小的钢，冷却后，奥氏体转变为较细的珠光体+铁素体。
而残留的铁素体在加热时晶粒粗化，这个区最终组织是较细的（P+F）和粗大的F。
对于淬硬倾向较大的钢，冷却中发生马氏体转变，而F保持不变，最终得到块状F+高碳M+残余A的特殊混合组织，称为部分淬火区。
表2中所示低碳钢在不同焊接方法焊接时焊接热影响区的平均尺寸
焊接方法
各区平均尺寸
总宽
过热区
相变重结晶区
不完全重结晶区
焊条电弧焊
2.2～3.0
1.5～2.5
2.2～3.0
6.0～8.5
埋弧焊
0.8～1.2
0.8～1.7
0.7～1.0
2.3～4.0
电渣焊
18～20
5.0～7.0
2.0～3.0
25～30
氧乙炔焊
21
4.0
2.0
27.0
真空电子束焊
ˉ
ˉ
ˉ
ˉ
表3所示低碳钢在埋弧焊焊接时焊接热影响区的组织分布特征及性能
部位
加热温度范围
组织特征及性能
焊缝
>1500℃
铸造组织柱状树枝晶
熔合区及过热区
1400～1250℃
晶粒较大，塑形不好
1250～1100℃
粗晶与细晶交替混合
相变重结晶区
1100～900℃
晶粒细化力学性能良好
不完全重结晶区
900～730℃
粗大的铁素体组织和细小的珠光体
母材
300℃～室温
没有受到热影响的母材部分
第四节Q235钢埋弧焊热影响区组织的性能
焊接热影响区性能的不均匀表现在几方面，包括常温、高温和低温的力学性能，以及在特殊工作环境中要求的耐热性、耐蚀性、疲劳强度等。
采用常规力学性能时间的测量结果，只能代表整个接头的平均水平，这类数据在一定条件下对生产及设计有指导作用，但不能说明接头中各区不同组织与性能分布，也就不可以根据薄弱环节存在的具体问题找到提高质量的途径。
只有焊接热模拟技术才能测得焊接接头中各区的性能变化。
1、焊接热影响区的硬度分布
硬度是反映材料的成分、组织与力学性能的一个综合指标。
一般讲，硬度升的同时强度提高，塑性韧性下降，硬度容易测量，通过测定接头的显微硬度值，即可推断出接头组织与性能的分布情况。
热影响区硬度只可反映其组织与性能。
表4为四种钢组织，显微硬度与最高宏观硬度值。
四种钢的含碳量自上而下递增，数据表明，在同一种钢中，不同组织硬度不同。
而对于不同材料来说，含碳量不同的同一组织，硬度也不同。
表4金相组织和混合组织的硬度
显微硬度HV
金相组织体积分数（％）
最高宏观硬度HV
铁素体F
珠光体P
中间组织Z
马氏体M
F
P
Z
M
202～246
232～249
240～285
10
7
83
0
212
216～258
273～336
245～383
1
0
70
29
298
293～323
446～470
0
0
19
81
384
454～508
0
0
0
100
393
一般情况下，随着硬度上升，钢的塑性、韧性下降，抗裂能力减弱。
因此，热影响区中硬度最高的部位往往是接头中的薄弱环节。
而且硬度值越高，接头综合力学性能越低，产生裂纹等缺陷的可能就越大。
2、热影响区的常温力学性能
图2为淬倾向不大的钢热影响区的常温力学性能分布。
横坐标表示热影响区各点的最高加热温度。
其中，tmax=Ac1～Ac3的不完全重结晶区，由于晶粒尺寸不均匀，σs降到最低值；加热温度超过Ac3的部位，随着温度的上升，强度、硬度上升，塑性韧性下降；加热温度为1300℃的部位（过热区），强度、硬度可达到最大值；加热温度更高的部位，强度、塑性同时下降，这是由于晶粒严重粗化；晶界疏松而造成的。
过热去力学性能除了与加热温度特别高有关外，还与冷却速度有关。
3、热影响区的脆化
脆化是指材料韧性急剧下降，而由韧性转变为脆性的现象。
脆性材料往往发生少量变形时即发生断裂，而且断裂过程消耗的能量也比韧性材料少得多。
金属材料抗脆性断裂能力的判据冲击功或冲击韧度（αkv）。
Αkv代表材料在断裂前单位面积所吸收的能量。
转变时，表现为αkv只急剧下降。
此时温度称为韧脆转变温度（Tcr）。
金属在Tcr以上表现为韧性的；而低于该温度则表现为脆性的。
一般来说，Tcr不仅可以表示材料在低温下的韧性，用来确定其最低工作温度，而且可以代表金属材料的脆化倾向。
金属材料的Tcr越高，从韧性转变为脆性越容易，脆化倾向越大。
热影响区脆化主要类型为晶粒脆化、热应变时效催化。
（1）晶粒脆化
晶粒脆化是由于晶粒严重脆化造成的。
晶粒尺寸越大，Tcr值越高，脆化越严重。
热影响区的晶粒长大与均匀加热时所不同，它是在化学成分、组织结构不均匀的非平衡状态下进行的，往往是粗大的晶粒并伴随着出现脆性组织。
Q235钢主要是因过热而晶粒粗化，脆化程度不严重，在加热与冷却速度提高时还有所缓解。
（2）热应变时效脆化
热应变时效脆化多发生在低碳钢中和低碳锰低合金钢的亚热影响区（加热温度低于Ac3的部位）,在显微镜下看不出明显的组织变化。
多层焊时在熔合区也会出现热效应时效脆化。
这种脆化主要是由制造过程中各种加工或焊接热应力所引起的局部塑性应变与焊接热循环的作用叠加而造成的。
4、热影响区的软化
热影响区软化是指焊后其强度、硬度低于焊前母材的现象。
这种现象主要出现在焊前经过淬火+回火的钢中。
软化部位在回火区（加热温度为t回～Ac1部位）。
5、改善热影响区性能的途径
改善热影响区性能的主要内容是提高韧性。
韧性是金属材料由塑性应变到断裂全过程中吸收的变形能量的能力，是强度和塑性的综合表现，提高韧性可以阻止裂纹的扩展，有效地提高焊接结构的安全性。
改善热影响区性能的方法主要有以下几方面入手：
a：
采用高韧性母材
b：
焊后热处理
c:
合理制定焊接工艺
第五节Q235钢埋弧焊焊接裂纹的防止措施
埋弧焊主要缺陷及防止
埋弧焊时可能产生的主要缺陷，除了由于所用焊接工艺参数不当造成的熔透不足、烧穿、成形不良以外，还有气孔、裂纹、夹渣等。
本节主要叙述裂纹缺陷的产生原因及其防止措施。
通常情况下，埋弧焊接头有可能产生两种类型裂纹，即结晶裂纹和氢致裂纹。
前者只限于焊缝金属，后者则可能发生在焊缝金属或热影响区。
一、结晶裂纹钢材焊接时，焊缝中的S、P等杂质在结晶过程中形成低熔点共晶。
随着结晶过程的进行，它们逐渐被排挤在晶界，形成了“液态薄膜”。
焊缝凝固过程中，由于收缩作用，焊缝金属受拉应力，“液态薄膜”，不能承受拉应力而形成裂纹。
可见产生“液态薄膜”和焊缝的拉应力是形成结晶裂纹的两方面原因。
钢材的化学成分对结晶裂纹的形成有重要影响。
硫对形成结晶裂纹影响最大，但其影响程度又与钢中其他元素含量有关，如Mn与S结合成MnS而除硫，从而对S的有害作用起抑制作用。
Mn还能改善硫化物的性能、形态及其分布等。
因此，为了防止产生结晶裂纹，对焊缝金属中的Mn／S值有一定要求。
Mn／S值多大才有利于防止结晶裂纹，还与含碳量有关。
图
3表示C、Mn、S含量与焊缝裂纹倾向的关系。
可见含C量愈高，要求Mn／S值也愈高。
Si和Ni的存在也会增加S的有害作用。
图3Mn、C、S同时存在对结晶裂纹的影响
埋弧焊焊缝的熔合比通常都较大，因而母材金属的杂质含量对结晶裂纹倾向有很大关系。
母材杂质较多，或因偏析使局部C、S含量偏高，Mn／S可能达不到要求。
可以通过工艺措施。
（如采用直流正接、加粗焊丝以减小电流密度、改变坡口尺寸等）减小熔合比；也可以通过焊接材料调整焊缝金属的成分，如增加含Mn量，降低含C、Si量等。
结晶裂纹防止措施：
防止结晶裂纹主要从冶金和工艺方面着手，其中冶金措施更为重要：
（1）防止结晶裂纹的冶金措施
1）控制焊缝中硫、磷、碳等有害元素的含量。
2）对熔池进行变质处理
3）调整熔渣碱度
（2）防止结晶裂纹工艺措施
1）调整焊接参数已得到抗裂能力较强的焊缝成形系数。
2）调整冷却速度。
3）调整焊接顺序，降低拘束应力。
二、氢致裂纹
产生氢致裂纹的氢主要是扩散氢，实验证明，随着扩散氢含量的增加，裂纹率增加。
而用低氢型焊条焊接时，则未出现或很少出现焊道下裂纹。
图四为在电弧气氛中不同量的氢试焊的结果，焊道下裂纹率随氢的增加而上升。
氢致裂纹防止措施:
1）严格对焊件进行焊前清理。
2）优先采用低氢型焊条或焊接方法。
第六节Q235钢埋弧焊焊接质量的检验
一、焊接检验的分类：
焊接检验分为非破坏性检验和破坏性检验两大类。
非破坏性检验又称无损检验，是不破坏被检验材料或成品的性能与完整性而检测其缺陷的方法。
破坏性检验是从焊件上切取试样，或以产品整体破坏做实验，以检查其力学性能、化学成分、焊接性等的实验方法。
二、齿轮内部的检验
Q235钢埋弧焊焊接质量的检验采用X射线探伤，利用X射线可以穿透钢材，在钢材中衰减的性质来发现焊件内部缺陷的一种无损探伤方法。
X射线探伤采用射线荧光屏观察法探伤：
荧光屏观察法是将透过被检验钢板后的不同强度的射线，投射在涂有荧光物质的荧光屏上，激发出不同强度的荧光而得到反映焊缝内部缺陷的影像的方法。
如图所示射线荧光屏观察法的示意图：
角焊缝和对接环焊缝的检验示意图：
角焊缝检查
环焊缝检验
三、焊缝
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