异种钢焊接课程设计.docx
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异种钢焊接课程设计
目录
1.异种钢的焊接-----------------------------------------------------------------------------------2
1.1异种钢焊接接头的焊接性--------------------------------------------------------------2
2焊接工艺的确定---------------------------------------------------------------------------------5
2.1焊接材料的选择------------------------------------------------------------------------------5
2.2焊接方法的选择------------------------------------------------------------------------------6
2.3焊接方法介绍--------------------------------------------------------------------------------------6
3材料焊接性分析------------------------------------------------------------------------------------10
4焊接工及参数选择------------------------------------------------------------------------------11
4.1手工电弧焊-------------------------------------------------------------------------------11
4.2埋弧焊----------------------------------------------------------------------------------------12
5焊接工艺流程-----------------------------------------------------------------------------------13
5.1钢材的矫正-----------------------------------------------135.2放样，划线与号料-------------------------------------------13
5.3下料--------------------------------------------------------13
5.4装配焊接-----------------------------------------------14
6焊接质量检验----------------------------------------------------------------------------------16
7本课题研究的意义及目的----------------------------------------------20
参考文献--------------------------------------------------------------------------------------------21
1.异种钢焊接
1.1异种钢焊接接头的焊接性
1.主要物理性能
由于两种材料的熔点﹑密度﹑导热性都不同，线膨胀系数﹑晶格参数也有所差异，因此在焊接这两种金属时对选择可行的焊接方法，合理的焊接工艺有较大的影响。
异种材料电磁性相差较大时，则使焊接电弧不稳定，焊缝成形不好甚至形成不了焊缝。
2.异种钢的焊接性
焊接异种钢通常要比焊接同种钢困难。
因为，除了金属本身的物理化学性能对焊接性的影响之外，两种钢的差异会在更大程度上影响它们的焊接性。
（1）物理性能的差异：
两种材料物理性能的差异主要是指熔化温度、线膨胀系数、热导率和比电阻等的差异，将影响焊接的热循环过程、结晶条件，降低焊接接头的质量。
当异种材料热物理性能的较大差异会使熔化情况不一致时，就会给焊接造成一定的困难；线膨胀系数相差较大时，会造成接头较大的焊接残余应力和变形，易使焊缝和热影响区产生裂纹。
异种材料电磁性相差较大时，则使焊接电弧不稳定，焊缝成形不好甚至形成不了焊缝。
（2）结晶化学性能的差异：
结晶化学性能的差异主要是指晶格的类型、晶格参数、原子半径原子的最外层电子结构等的差异，也就是通常所说的“冶金学上的不相容性”两种被焊金属在冶金学上是否相容，取决于他们在液态和固态时的互溶性以及这两种材料在焊接过程中是否产生金属间化合物（脆性相）。
研究表明能够形成连续固溶体的一种材料具有良好的焊接性，有限的溶解度有时会形成金属间化合物或使饱和固溶体的剩余成分析出，从而降低接头的性能。
这时因为焊接互溶性有限的两种金属或合金时，能否防止裂纹的产生主要取决于结晶条件材料的相变性质以及状态。
（3）材料的表面状态：
材料的表面状态是很复杂的，表面氧化层（氧化膜）、结晶表面层情况、吸附的氧离子和空气分子、水、油污、杂质等的状态，都直接影响到异种材料的焊接性。
此外，焊接一种材料时，必定会产生一层成分、组织及性能与母材不同的过渡层，过渡层的性能会给焊接接头的整体性能带来重大的影响；过大的融合比，会增加焊缝的稀释率，使过渡层更加明显；焊缝金属与母材的化学成分相差越大，熔池内金属越不容易充分混合，过渡层越明显，熔池内金属液态存在的时间越长，越容易混合均匀。
焊接异种材料时需要采取相应的焊接工艺措施来控制过渡层，来保证接头的性能[4]。
3.异种金属焊接接头特点
异种金属材料焊接接头和同种金属焊接接头的本质差异和特点，在于熔敷金属两侧焊接热影响区和母材有如下诸方面的不均匀性。
（1）化学成分的不均匀性：
由于焊缝两侧的金属和焊缝的合金成分有明显的差别。
随着焊缝形状、母材厚度、焊条药皮或焊剂、保护气体种类的不同，焊接熔池的行为也不一样。
因而。
母材的融化量也随之而不同。
熔敷金属与母材融化区得化学成分由于相互稀释也将发生变化。
由此可见，异种金属焊接接头各区域化学成分的不均匀程度，不仅取决于母材和填充金属材料各自的原始成分，同时也随焊接工艺而变化。
例如异种金属施焊是所用的焊接电流要尽量小，熔深要浅则受稀释的影响就小。
（2）组织的不均匀性：
由于焊接热循环的作用，焊接接头各区域的组织也不同，而且，往往在局部的地方相当复杂的组织结构。
金属焊接接头中焊缝区的组织结构，组织的不均匀性，决定于母材填充材料的化学成分，同时也与焊接方法、焊道层次、焊接工艺以及焊后热处理过程有关。
（3）性能的不均匀性：
焊接接头各区域化学成分和组织的差异，带来了焊接接头力学性能的不同，焊接接头各区域的强度、硬度、塑形、韧性都有很大的差别，有时在3~5各晶粒的范围内，显微镜硬度出现成倍的变化。
在焊缝两侧的热影响区，其冲击值甚至有几倍只差。
高温下的蠕变极限和持久强度也会因成分和组织的不同，相差极为悬殊。
物理性能对焊接接头影响最大的因素有热膨胀系数和热导率，它们的差异决定着焊接接头在高温下的使用性能。
（4）应力场分布的不均匀性：
这是因为接头各区域具有不同的塑形决定的；另外，材料导热性的差异，将引起焊接热循环温度场的变化，也是残余应力分布不均匀的因素之一。
由于异种金属焊接接头各区域热膨胀系数不同，接头在正常使用条件下，因温度循环而出现在界面上的附加热应力，其分布也不均匀，甚至还会出现应力高峰，从而成为焊接接头断裂的重要原因。
总之，对于异种金属焊接接头来说，成分、组织、性能和应力场得不均匀性，是其表现的主要特征[5]。
4.异种金属焊接接头金相组织特点：
焊接过程中，焊接接头各部分经过了不同的热循环，因而所得组织各异。
组织的不同，导致机械性能的变化。
对焊接接头进行金相组织分析，是对接头机械性能鉴定的不可缺少的环节。
焊接接头的金相分析包括宏观和显微分析两个方面。
宏观分析的内容为：
观察与分析焊缝成形，焊缝金属结晶方向和宏观缺陷等。
显微分析是借助于放大100被以上的光学金相显微镜或电子显微镜进行观察，分析焊缝的结晶形态，焊接热影响区金属的组织变化，焊接接头的微观缺陷等。
焊接接头由焊缝金属、熔合区、焊接热影响区组成。
焊缝金属的结晶形态与焊接热影响区得组织变化，不仅与焊接热循环有关，也和所用的焊接材料和被焊接材料偶密切关系[5]。
（1）焊缝金属
由熔池冷却凝固后形成组织和性能，熔池凝胡为铸态组织，在冷却过程中，液态金属自熔合区向焊缝的中心方向结晶，形成柱状晶组织。
焊缝金属的性能一般不低于母材的性能，但易产生裂纹。
当结晶速度及温度梯度不变时，随着金属溶质浓度的提高浓度过冷增加，从而使金属的结晶形态由平面晶变为胞状晶胞状树枝晶，树枝状晶及等轴晶。
当合金成分一定时，结晶速度越快，浓度过冷越大，结晶形态由平面晶发展到胞状晶、树枝状晶、最后为等轴晶。
焊缝的结晶形态除了受被焊金属成分的影响外，还与焊接速度、焊接电流、板厚和接头形式等工艺因素有关。
（2）熔合区
紧邻焊缝的母材与焊缝交界处的金属称为熔合区或半熔化区。
焊接时，该区金属处于局部熔化状态，加热温度在固液相温度区间。
在一般熔化焊的情况下，此区仅有2~3个晶粒的宽度甚至在显微镜下也难以辨认。
但是，它对焊接接头的强度、塑性都有很大影响。
熔合区组织由（未熔化但因过热而长大的）粗晶组织和（部分新结晶的）铸态组织。
该区很窄，组织并不均匀，强度下降，塑性很差，是产生裂纹及局部脆断的发源地。
（3）焊接热影响区
由于焊接热影响区受热的瞬时性，即升温速度快、高温停留时间短及冷却速度快，使得与扩散有关的过程都难于进行，从而影响到组织转变的过程及进行的程度，由此出现了等温过程和热处理过程的组织转变明显不同的特点。
焊接加热组织转变向高温推移，它是由奥氏体化过程的性质决定的，当钢中含有碳化物形成元素时，由于它们的扩散速度慢，而且本身还阻止碳的扩散因而明显减慢了奥氏化得进程，促使转变温度升得更高。
奥氏体均质化程度降低、部分晶粒严重长大。
焊接冷却过程组织转变向低温推移、可形成非平衡组织，这也是因为奥氏体向铁素体和珠光体转变是由扩散过程控制的结果。
马氏体转变临界冷速发生变化。
焊接热影响区的各部分组织与性能决定于母材的成分、状态以及该处所受的焊接热循环、应力、应变。
材料有没有重结晶对还接热循环反应不同。
因此，形成焊接热影响区也不同[6]。
5.影响异种钢焊接的主要因素：
（1）异种金属的熔点相差越大，越难进行焊接;
（2）异种金属的线膨胀率越大，越难进行焊接；
（3）异种金属的热导率和比热相差越大，越难进行焊接；
（4）异种金属的电磁性相差越大，越难进行焊接；
（5）异种金属的氧化性越强，越难进行焊接；
（6）异种金属之间形成金属间化合物越多，越难进行焊接；
（7）异种金属焊接时焊缝和母材不易达到等强[7]。
综上所诉，焊接异种金属及其合金时，只有合理选用焊接方法和填充材料，并合理的制定焊接工艺和采取特殊的措施，才能获得优质的焊接接头。
2焊接工艺的确定
2.1.焊接材料的选择
选择焊接材料的一般原则
（1）保证焊接接头的使用性能，即保证焊缝金属与基本金属具有良好的机械性能和综合性能。
（2）保证焊缝金属具有一定的致密性（没有气孔、夹杂或有单个小气孔与夹杂，但数量在单位长度内不超过额定值）。
（3）焊接接头应该具有良好的工艺性能，即在接头区内不出现热裂纹和冷裂纹。
（4）保证焊缝金属具有所要求的综合性能（热强性、耐热性、耐腐蚀性、耐磨性等）。
（5）保证焊条有良好的工艺性，即焊条能够适应各种空间位置的焊接，且能够适应交直流焊接电源，具有一定的生产效率、熔敷系数和熔合比等[7]。
2.2焊接方法的选择
大部分的焊接方法都可以用于异种钢的焊接，只是在焊接参数及措施方面需适当考虑异种钢的特点。
在选择焊接方法时，既要保证满足异种钢焊接的要求，又要尽可能考虑效率和经济。
在一般生产条件下使用焊条电弧焊最为方便，因为焊条的种类很多，便于选择，适应性强，可以根据不同的异种钢组合确定适用的焊条，而且焊条电弧焊熔合比小。
堆焊可以降低熔合比，埋弧焊则生产效率高。
焊接金相组织不同的钢，如珠光体和奥氏体钢焊接时，应考虑尽量使金属熔化量降到最小限度，即尽可能降低熔合比，以防止过渡区出现脆性的脆硬组织和裂纹等缺陷。
不同的珠光体钢焊接以及珠光体钢与搞铬马氏体钢焊接，采用二氧化碳气体保护焊，具有广泛实用性。
高合金异种钢焊接一般采用惰性气体保护焊，一般薄件采用钨极氩弧焊厚件采用熔化极惰性气体保护焊。
电子束焊可以用于制造异种钢真空设备薄壁构件。
小直径的异种钢管可用闪光对焊。
形状简单的异种材料可用摩擦焊、扩散焊、爆炸焊和钎焊焊接。
如采用熔焊时，应尽量采用小电流快速焊以降低母材金属的熔化量，保证较小的熔合比、选用适合的焊接材料或有关措施，可以调整焊缝成分和性能，防止产生裂纹，提高焊接接头的性能，用各种电阻焊焊接异种钢时，要特别控制母材的熔化量[8]。
3.焊接方法介绍
（1）手工电弧焊
电弧焊是利用两极之间的气体介质中产生持久而强烈的放电现象，产生高温是焊件熔接在一起。
其主要特点是，电弧是融化金属的热源，而电弧的能量来自电源。
手工电弧焊是以焊条和焊件作为两个电极，被焊金属称为焊件或母材。
焊接时因电弧的高温和吹力作用使焊件局部熔化。
在被焊金属上形成一个椭圆形充满液体金属的凹坑，这个凹坑称为熔池。
随着焊条的移动熔池冷却凝固后形成焊缝。
焊缝表面覆盖的一层渣壳称为熔渣。
焊条熔化末端到熔池表面的距离称为电弧长度。
从焊件表面至熔池底部距离称为熔透深度。
手工电弧焊的特点：
焊条电弧焊是用手操控焊条进行焊接的电弧焊方法。
适用于板厚在2—50mm的对接接头、T字接头、十字接头、搭接接头和堆焊等。
手工电弧焊的优点：
①使用设备比较简单，价格相对便宜并且轻便。
焊条电弧焊使用的交流和支流焊机都比较简单，焊接操作是不需要复杂的辅助设备，只需配备简单的辅助工具。
因此，购置设备的投资少，而且维护方便，这是它广泛应用的原因之一。
②不需要辅助气体保护。
焊条不但能提供金属而且在焊接过程中能够产生保护熔池和焊接处避免氧化的保护气体，并且具有较强的抗风能力。
③操作灵活，适应性强。
焊条电弧焊适用于焊接单件过小批量的产品，短的和不规则的、空间任意位置的以及其他不易实现机械化焊接的焊缝。
凡焊条能够达到的地方都能进行焊接。
④应用范围广，适用于大多数工业用的金属和合金的焊接。
焊条电弧焊选用合适的焊条不仅可以焊接碳素钢、低合金钢、而且还可以焊接高合金钢及有色金属，不仅可以焊接同种金属，还可以焊接异种金属。
但焊条电弧焊还有以下缺点：
①对焊工操作技术要求高，焊工培训费大。
焊条电弧焊的焊接质量，除靠选用合适的焊条、焊接工艺参数和焊接设备外，主要靠焊工的操作技术和经验保证，即焊条电弧焊的焊接质量在一定程度上决定于焊工操作技术。
因此必须经常进行焊工培训，所需要的培训费用很大。
②劳动条件差。
焊条电弧焊主要靠焊工的手工操作和眼睛观察完成全过程，焊工的劳动强度大，并且始终处于高温烘烤和有毒的烟尘环境中，劳动条件比较差，因此要加强劳动保护。
③生产效率低。
焊条电弧焊主要靠焊工的手工操作，并且焊接工艺参数选择范围较小，另外，焊接时要经常进行焊道熔渣的清理，与自动焊相比，焊接生产率低。
④不适于特殊金属以及薄板的焊接。
因为焊条的保护作用不足以防止这些金属氧化，保护效果不够好，焊接质量达不到要求，所以不能采用焊条电弧焊[8]。
（2）手工电弧焊焊条的选择
考虑因素为焊件物理、化学性能和化学成分时：
1根据等强观点，窜则满足母材力学性能的焊条，或结合母材力学性能的哈鸟，或结合母材的可焊性，改用非强度而焊接性好的焊条，但考虑寒风结构形式，以满足等强度等刚度要求。
2使其合金成分符合或接近母材。
3母材含碳、硫、磷等有害杂质较高是，应选择抗裂性和抗气孔性能较好的焊条。
考虑因素为焊件的工作条件和使用性能时：
1在承受动载荷和冲击载荷的情况下，除保证强度外，对冲击韧性、延伸率均有较高的要求，应依次选用低氢型、钛钙型和氧化铁型焊条。
2接触腐蚀介质种类、浓度、工作温度以及区分是一般腐蚀还是晶间腐蚀等选用不锈钢焊条。
3在磨损条件下工作时，应区分是一般还是受冲击磨损，是常温还是高温下磨损。
4非常温条件下工作时，应选择相应的保证低温或高温力学性能的焊条。
考虑因素为焊件几何开头的复杂程度、刚度大小、焊接坡口的制备情况和焊接位置时：
5形状复杂或大厚度的焊件，焊缝金属在冷却时收缩应力大，容易产生裂缝，必须选用抗裂性强的焊条，如低氢型焊条、高韧性焊条或氧化铁型焊条。
6受条件限制不能翻转的焊件，须选用能全位置焊接的焊条。
7焊接部位难以清理的焊件，选用氧化性强、对氧化皮和油垢不敏感的酸性焊条，以免产生气孔等缺陷等[9]。
8考虑因素为施焊工地设备时：
9在没有直流焊机的地方，不宜选用先用直流电源的焊条，而应选用交流电源的焊条。
某些钢材（如珠光体耐热刚）需焊后消除热处理，但受设备条件限制（或本身结构限制）不能进行热处理时，应改用非母材体金属材料焊条（如奥氏体不锈钢焊条）可不必焊后热处理。
10考虑因素为改善焊接工艺和保护工人身体健康时：
在酸性焊条和碱性焊条都可以满足要求的地方，就尽量采用酸性焊条。
考虑因素为劳动生产率和经济合理性是：
在使用性能相同的情况下，应尽量选择价格较低的酸性焊条，而不用碱性焊条，在酸性焊条中又以钛型、钛钙型为贵，根据我国矿藏资源情况，应大力推广[9]。
埋弧焊（SubmergedArcWelding）是电弧在焊剂下燃烧以进行焊接的熔焊方法，在焊接过程中，焊剂熔化产生的液态熔渣覆盖电弧和熔化金属，起保护﹑净化熔池﹑稳定电弧和渗入合金元素的作用。
埋弧焊分为自动埋弧焊和半自动埋弧焊两种。
前者应用较广泛，焊接电流可达600A～2000A，焊接效率很高。
埋弧焊是一种适于大量生产的焊接方法，广泛用于焊接各种碳钢﹑低合金钢和合金钢，也用于不锈钢和镍合金的焊接和表面堆焊。
为了提高焊接效率和扩大使用范围，埋弧焊的电极可采用双丝﹑三丝﹑带极（用于堆焊）﹐还可在焊剂中添加金属粉等。
焊剂层下的电弧与焊件接口的对正和调整，可用工业电视观察或用激光跟踪等方法探测。
埋弧焊的焊接效率高，焊缝光洁，无飞溅，少烟尘，无电弧闪光，劳动卫生条件好，设备成本较低。
缺点是限于平焊和长焊缝。
与气体保护电弧焊相比，埋弧焊电弧不可见，接头装配要求较高，应用灵活性也较差。
2.3..1埋弧焊的工作原理
埋弧自动焊接时，引燃电弧、送丝、电弧沿焊接方向移动及焊接收尾等过程完全由机械来完成，焊剂由漏斗流出后，均匀地堆敷在装配好的工件上，焊丝由送丝机构经送丝滚轮和导电嘴送入焊接电弧区。
焊接电源的两端分别接在导电嘴和工件上。
送丝机构、焊剂漏斗及控制盘通常都装在一台小车上以实现焊接电弧的移动。
焊接过程是通过操作控制盘上的按钮开关来实现自动控制的。
焊接过程中，在工件被焊处覆盖着一层30－50mm厚的粒状焊剂，连续送进的焊丝在焊剂层下与焊件间产生电弧，电弧的热量使焊丝、工件和焊剂溶化，形成金属熔池，使它们与空气隔绝。
随着焊机自动向前移动，电弧不断熔化前方的焊件金属、焊丝及焊剂，而熔池后方的边缘开始冷却凝固形成焊缝，液态熔渣随后也冷凝形成坚硬的渣壳，未熔化的焊剂可回收使用。
焊丝和焊剂在焊接时的作用与手工电弧焊的焊条芯、焊条药皮一样。
焊接不同的材料应选择不同成分的焊丝和焊剂。
如焊接低碳钢时常用H08A焊丝，配用高锰高硅型焊剂HJ431等。
焊接电源通常采用容量较大的弧焊变压器。
2.3.2埋弧焊的特点
1.埋弧焊有以下优点
（1）生产效率高埋弧焊所用的焊接电流可大到1000A以上，比焊条电弧焊高5~7倍，因而电弧的熔深能力和焊丝熔敷效率都比较大。
这也使得焊接速度可以大大提高。
以厚板为8~10mm的钢板为例，焊条电弧焊的焊接速度一般不超过6~8m/h，而单丝埋弧焊的速度可达30~50m/h，如果采用双丝或多丝埋弧焊，速度还可以提高一倍以上。
（2）焊接质量好这一方面是由于埋弧焊的焊接参数可通过电弧自动调节系统的调节能够保持稳定，对焊工操作技术要求不高，因而焊缝成形好，成分稳定；另一方面也采用熔渣进行保护，隔离空气的效果好有关。
（3）劳动条件好埋弧焊时没有刺眼的弧光，也不需要焊工手工操作。
这既能改善作业环境，也能减轻劳动强度。
（4）节约金属及电能对于20~25mm厚以下的焊件可以不开坡口焊接，这既可以节省由于加工坡口而损失的金属，也可以使焊缝中的焊丝填充量大大减少。
2.3.3埋弧焊的缺点
（1）焊接适用的位置受到限制
（2）焊接厚度受到限制不适于焊接厚度小于1mm的薄板。
（3）对焊件坡口加工与装配要求较严这是因为在埋弧焊时不能直接观察观察电弧与坡口的焊接位置，故必须保证坡口的加工和装配精度，或者采用焊缝自动跟踪装置才能保证不焊偏。
CO2气体保护焊的焊接参数
（1）采用明弧焊接，熔池可见度好，操作方便，适宜于全位置焊接。
并且有利于焊接过程中的机械化和自动化，特别是空间位置的机械化焊接。
（2）电弧在保护气体的压缩下热量集中，焊接速度较快，熔池小，热影响区窄，焊件焊后的变形小，抗裂性能好，尤其适合薄板焊接。
（3）用氩、氦等惰性气体焊接化学性质较活泼的金属和合金时，具有较好的焊接质量。
（4）在室外作业时，必须设挡风装置才能施焊，电弧的光辐射较强，焊接设备比较复杂。
3材料焊接性分析：
Q235的碳含量较低，合金元素锰和硅的含量也不高。
总的来说，其焊接性良好，不会因为焊接热周期的快速冷却，引起翠硬而使组织催化。
因此，在焊接板厚小于70mm的焊件时，焊前不需预热，不必严格保持层间温度。
除了锅炉，压力容器等重要焊接结构外，焊后不必做消除应力处理。
采用各种焊接工艺方法焊接的接头，具有足够高的力学性能。
当采用热输入焊接法焊接低碳钢时，也会出现各种问题。
30CrMnSi低合金调质高强度钢
统一数字代号
牌号
C
Si
Mn
Cr
A24302
30CrMnSi
0.27—0.34
0．90—1.20
0.80—1.10
0.80—1.10
低合金结构钢由于含有一定量的合金元素，具有较高的淬硬倾向，其焊接性与碳钢相比有明显的差别，这主要表现在焊接热影响区的组织变化。
淬硬组织的组分增加，对冷裂纹的敏感性提高，接头的韧性降低。
某些含碳化合物元素的低合金钢还具有再热烈纹的倾向。
4焊接工艺参数的选择
不同的焊接方法有不同的焊接工艺。
焊接工艺主要根据被焊工件的材质、牌号、化学成分，焊件结构类型，焊接性能要求来确定。
首先要确定焊接方法，如手弧焊、埋弧焊、钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊等等，焊接方法的种类非常多，只能根据具体情况选择。
确定焊接方法后，再制定焊接工艺参数，焊接工艺参数的种类各不相同，如手弧焊主要包括：
焊条型号（或牌号）、直径、电流、电压、焊接电源种类、极性接法、焊接层数、道数、检验方法等等。
从防止冷裂纹出发，要求冷却速度慢为佳，但是对于防止脆化来说，却要求冷却速度较快为好，因此应该确定兼顾两者的速度范围。
这个速度范围的上限是不产生冷裂纹，下陷主要取决于热影响区不出现脆化的混合组织。
1电弧焊的焊接参数主要有焊条直径、焊接电流、电弧电压、焊接层数、电源种类及极性等。
①焊条直径的选择。
焊条直径的选择主要取决于焊件厚度、接头型式、焊缝位置及焊接层次等因素。
在不影响焊接质
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