焊接课程设计说明书.docx
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焊接课程设计说明书
目录
摘要：
1
1母材的焊接性能分析1
1.1母材的成分1
1.2母材力学性能和冷弯性能1
2焊接方法的选择和分析1
2.1手工电弧焊的主要特点2
2.2手工电弧焊工艺和材料2
2.2.1手工电弧焊工艺2
2.2.2手工电弧焊材料3
3焊接设备及工具的选择4
3.1工具类型4
3.2弧焊机的选择4
4焊接工艺5
4.1焊接工艺特点分析5
4.2焊接工艺评定5
4.2.1焊接方案选择5
4.2.2焊接材料选择5
4.2.3接头坡口形式6
4.2.4预热6
4.2.6焊后热处理8
5焊接检验9
5.1外观检验9
5.2物理方法检验9
5.2.1射线探伤9
5.2.2声波探伤9
5.2.3磁力检验10
5.2.4渗透检验10
5.3结合强度检测10
6结论10
参考文献11
12Cr2Mo1R耐热钢钢板平板手工电弧工艺设计
学生：
陈昶
指导老师：
王燕
（三峡大学机械与材料学院）
摘要：
本说明书分析了12Cr2Mo1R耐热钢的化学成分、力学性能和它的焊接性，并在此基础上制定了一套手工电弧焊的设计工艺，包括材料的焊接性能分析、手工电弧焊设备描述、手工电弧焊的合金粉末、手工电弧焊的各项工艺参数、焊接前的准备、焊后处理以及焊接检验。
关键词：
12Cr2Mo1R耐热钢；手工电弧焊
1母材的焊接性能分析
1.1母材的成分
母材规格：
12Cr2Mo1R耐热钢钢板两块，规格：
－40×100×300，平板对接手工电弧焊。
母材化学成分如表1所示。
表1母材化学成分（Wt%）
C
Si
Mn
P
S
Cr
Mo
≤
0.15
≤
0.50
0.30~
0.60
≤
0.025
≤
0.015
2.00~
2.50
0.90~
1.10
1.2母材的性能
母材的力学性能和冷弯性能如表2所示。
表2母材力学性能和冷弯性能
拉伸试验
硬度试验
冷弯试验
180°
бb（Mpa）
б0.2（Mpa）
δ5（%）
HB
HRB
HV
≥410
≥205
≥20
≤183
≤88
≤200
d=2a
2焊接方法的选择和分析
电弧焊是工业生产中应用最广泛的焊接方法，它的原理是利用电弧放电（俗称电弧燃烧）所产生的热量将焊条与工件互相熔化并在冷凝后形成焊缝，从而获得牢固接头的焊接过程。
电弧焊可分为手工电弧焊、半自动（电弧）焊、自动（电弧）焊。
自动（电弧）焊通常是指埋弧自动焊-在焊接部位覆有起保护作用的焊剂层，由填充金属制成的光焊丝插入焊剂层，与焊接金属产生电弧，电弧埋藏在焊剂层下，电弧产生的热量熔化焊丝、焊剂和母材金属形成焊缝，其焊接过程是自动化进行的。
最普
遍使用的是手工电弧焊。
手工电弧焊示意图如图1所示。
图1手工电弧焊示意图
2.1手工电弧焊的主要特点［6］
手工电弧焊是利用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法，简称手弧焊。
其特点：
1、设备简单。
2、操作灵活方便。
3、能进行全位置焊接适合焊接多种材料。
4、不足之处是生产效率低劳动强度大。
2.2手工电弧焊工艺和材料［7］
2.2.1手工电弧焊工艺
手工电弧焊的基本工艺如下：
a.在焊接前清理焊接表面，以免影响电弧引燃和焊缝的质量。
b.准备好接头形式（坡口型式）。
坡口的作用是使焊条、焊丝或焊炬（气焊时喷射乙炔-氧气火焰的喷嘴）能直接伸入坡口底部以保证焊透，并有利于脱渣和便于焊条在坡口内作必要的摆动，以获得良好的熔合。
坡口的形状和尺寸主要取决于被焊材料及其规格（主要是厚度）以及采取的焊接方法、焊缝形式等。
在实际应用中常见的坡口型式有：
弯边接头：
适用于厚度＜3mm的薄件；
平坡口：
适用于3~8mm的较薄件；
V型坡口：
适用于厚度6~20mm的工件（单面焊接）；
X型坡口：
适用于厚度12~40mm的工件，并有对称型与不对称型X坡口之分（双面焊接）；
U型坡口-适用于厚度20~50mm的工件（单面焊接）；
双U型坡口-适用于厚度30~80mm的工件（双面焊接）。
坡口角度通常取60~70°，采用钝边（也叫做根高）的目的是防止焊件烧穿，而间隙则是为了便于焊透。
2.2.2手工电弧焊材料
手工焊的焊接材料为电焊条，它由钢芯和包在钢芯外面的药皮组成。
［1］
钢芯
钢芯（焊芯）的作用主要是导电，并在焊条端部形成具有一定成分的熔敷金属。
焊芯可用各种不同的钢材制造。
焊芯的成分直接影响熔敷金属的成分和性能，因此，要求焊芯尽量减少有害元素的含量，除了限制S、P外，有些焊条已要求焊芯控制As、Sb、Sn等元素。
药皮
焊条药皮又可称为涂料，把它涂在焊芯上主要是为了便于焊接操作，以及保证熔敷金属具有一定的成分和性能。
焊条药皮可以采用氧化物、碳酸盐、硅酸盐、有机物、氟化物、铁合金及化工产品等上百种原料粉末，按照一定的配方比例混合而成。
各种原料根据其在焊条药皮中的作用，可分成下列几类：
1.稳定剂：
使焊条容易引弧及在焊接过程中能保持电弧稳定燃烧。
凡易电离的物质均能稳弧。
一般采用碱金属及碱土金属的化合物，如碳酸钾、碳酸钠、大理石等。
2.造渣剂：
焊接时能形成具有一定物理化学性能的溶渣，覆盖在熔化金属表面，保护焊接熔池及改善焊缝成形。
3.脱氧剂：
通过焊接过程中进行的冶金化学反应，以降低焊缝金属中的含氧量，提高焊缝机械性能。
主要脱氧剂有锰铁、硅铁、钛铁等。
4.造气剂：
在电弧高温作用下，能进行分解放出气体，以保护电弧及熔池，防止周围空气中的氧和氮的侵入。
5.合金剂：
用来补偿焊接过程中合金元素的烧损及向焊缝过渡合金元素，以保证焊缝金属获得必要的化学成分及性能等。
6.增塑润滑剂：
增加药皮粉料在焊条压涂过程的塑性、滑性及流动性，以提高焊条的压涂质量，减小偏心度。
7.粘接剂：
使药皮粉料在压涂过程中具有一定的粘性，能与焊芯牢固地粘接，并使焊条药皮在烘干后具有一定的强度。
3焊接设备及工具的选择
3.1工具类型
工具：
手工电弧焊的工具，主要包括夹持焊条的焊钳；保护眼睛、皮肤免于灼伤的电弧手套和面罩；清除焊缝表面及渣壳的清渣锤和钢丝刷等。
3.2弧焊机的选择
手工电弧焊的主要设备有弧焊机，按其供给的焊接电流种类的不同可分为交流弧焊机和直流弧焊机两类。
1.交流弧焊机：
交流弧焊机供给焊接时的电流是交流电，是一种特殊的降压变压器，它具有结构简单、价格便宜、使用可靠、工作噪声小、维护方便等优点，所以焊接时常用交流弧焊机，它的主要缺点是焊接时电弧不够稳定。
2.直流弧焊机：
直流弧焊机供给焊接时的电流为直流电。
它具有电弧稳定、引弧容易、焊接质量较好的优点，但是直流弧焊发电机结构复杂、噪声大、成本高、维修困难。
在焊接质量要求高或焊接2mm以下薄钢件、有色金属、铸铁和特殊钢件时，宜用直流弧焊机。
本设计采用直流弧焊机。
具体型号为ZX7-500。
4焊接工艺［8］
4.1焊接工艺特点分析
焊前采取预热措施，合理地控制层间温度，以降低接头的冷却速度，防止产生马氏体转变。
接头在焊后还要进行热处理，消除焊接残余应力，改善接头的组织和性能。
12CrMo1R耐热钢及其焊接接头在350~500℃温度之间会产生回火脆性，在制定焊后热处理工艺时，除了选择适合的热处理温度外，还要控制接头的冷却速度，使之既能达到回火的目的，又能避免产生回火脆性。
4.2焊接工艺评定［4］
4.2.1焊接方案选择
选用手工电弧焊双面焊接，正面焊接完毕，采用弧气刨进行背面清根，再进行背面焊缝焊接。
4.2.2焊接材料选择
对于耐热钢，应从保证焊接接头的特殊性能出发，要求焊缝金属的化学成分与母材相同或近似，因此本设计选用国产E6015-B3焊条，因母材厚度为40mm，因此选择焊条规格为Φ4.0。
焊前，焊条严格按规定烘干，烘干温度为360℃，烘干时间2h，存放温度150℃。
图2坡口形式
4.2.3接头坡口形式
母材规格为－40×100×300，因此采用双V形坡口，通常采用氧-乙炔火焰切割加工坡口，切割签对钢板切割线附近用氧乙炔焰预热至200~250℃，切割后清除坡口表面所有氧化层，坡口表面用磁粉探伤检查表面裂纹，坡口形式见图2。
4.2.4预热
因母材厚达40mm，含碳量为≤0.15，所以采用电加热带将坡口及其附近区域均匀预热至250~350℃，稍高的预热温度可以有效的防止12Cr2Mo1R耐热钢焊接接头出产生的应力和裂纹。
4.2.5焊接
焊接时，坡口两侧电弧停留时间略长，以减缓影响区的冷却速度，并且要保持层间温度大于250℃。
正面焊缝焊完后，背面用碳弧气刨清根，用砂轮机将渗碳层打磨干净，然后焊接背面，此时焊接区域温度仍要保持在250℃以上。
焊接位置为平位。
根据经验公式I=10d2（其中I为焊接电流，d为焊条直径），可知，焊接电流取160A。
当焊接电流调好以后，焊机的外特性曲线就决定了。
实际上电弧电压重要是由电弧长度来决定的。
电弧长，电弧电压越高，反之则低。
焊接过程中，电弧不宜过长，否则会出现电弧燃烧不稳定、飞溅大、熔深浅、气孔等缺陷；若电弧太短，容易粘焊条。
一般情况下，电弧长度等于焊条直径的0.5~1倍为好，相应的电弧电压为16~25V，因此，本设计选择电弧电压为25V。
焊接速度一般根据钢材的淬硬倾向来选择，本设计使用的母材12Cr2Mo1R耐热钢，因此焊接速度选用8cm/min。
焊接层数应视焊件的厚度而定。
除薄板外，一般都采用多层焊。
焊接层数过少，每层焊缝的厚度过大，对焊缝金属的塑性有不利的影响。
每层焊缝的厚度不应大雨4~5mm。
因此，本设计采用8层焊缝。
碳弧气刨的碳棒直径可由表3查得
表3碳弧气刨中碳棒直径选用与板厚的关系
板厚/mm
碳棒直径/mm
板厚/mm
碳棒直径/mm
4~6
4
>10
7~10
4~8
4~6
>15
>10
8~12
6~7
因此碳棒直径选Φ10。
碳弧气刨电源极性可由表4查得。
由表可知，碳弧气刨可采用直流反接法，而母材12Cr2Mo1R耐热钢采用直流正接与直流反接均可，为了方便起见，二者均采用直流反接。
表4部分金属材料碳弧气刨时电源极性的选择要求
材料
电源极性
备注
材料
电源极性
备注
碳素钢
反接
正接时电弧不稳定,刨槽表面不光滑
铜及铜合金
正接
-
合金钢
反接
铝及铝合金
正/反接
-
铸铁
正接
反接亦可，但操作性较差
锡及锡合金
正/反接
-
碳弧气刨中刨削电流根据公式I=（30~50）D确定，其中I为电流，D为碳棒直径，因此，选取电流大小为300A。
一般情况下，刨削电压采用26V，刨削速度采用0.5~1.2m/min，本设计中采用1m/min。
综上，焊接的具体参数见表5。
表5焊接参数
焊接方法
电源极性
焊条直径
焊接电流
电弧电压
焊接层数
焊接速度
手工电弧焊
直流反接
Φ4.0mm
160A
25V
8
8cm/min
碳弧气刨
直流反接
Φ10mm
300A
36V
-
1m/min
4.2.6焊后热处理［5］
有公式R1≤220×25/δ，其中R1为升温速度，δ为母材厚度，可知，升温速度应小于137.5℃/h。
又有公式R2≤275×25/δ，其中R2为冷却速度，δ为母材厚度，可知，冷却速度应小于171.875℃/h。
表6常用钢种的焊后热处理工艺规范
组号
钢种举例
保温温度（℃）
根据厚度推荐的最小保温时间h
δ≤50mm
δ＞50~125mm
δ＞125mm
P1
Q235
20
12Mn
16Mn
15MnV
15MnVN
09Mn2V
≥550
δ/25，但不少于1/4h
（150+δ）/100
P2
16MoDR
09Mn2VDR
（续表6）
P3
14MnMoV
15MnMoV
18MnMoNb
20MnMoNb
20MnMo
13MnNiMoNb2）
12CrMo
15CrMo
≥600
δ/25，但不少于1/4h
（150+δ）/100
P4
12Cr1MoV
≥670
δ/25，但不少于1/4h
（375+δ）/100
P5
12Cr2Mo
12Cr2Mo1
12Cr2MoWVTiB
根据表6可以得知，母材焊后立即进行600℃×1.6h回火处理。
5焊接检验［3］
产品的质量是企业的生命。
建造质量是保证作业的重要条件。
结构强度要求焊缝保证一定的强度,能承受强冲击。
如果焊接接头存在严重的焊接缺陷,在恶劣的环境下,就有可能造成部分结构断裂;甚至引起重大事故。
据对船舶脆断事故调查表明,40%的脆断事故是从焊缝缺陷处开始的。
焊接产品的质量方面存在的主要问题就是焊缝质量的缺陷。
因此,焊接质量检验尤为重要,做到及早发现焊接缺陷,对焊接接头的质量做出客观的评价;把焊接缺陷限制在一定的范围内,以确保设备安全和人命财产安全。
5.1外观检验
焊接接头的外观检测是一种手续简便而又应用广泛的检测方法，是成品检测的一个重要内容，主要是发现焊缝表面的缺陷和尺寸上的偏差，一般通过肉眼观察，借助标准样板、量规和放大镜等工具进行检测，若焊缝表面出现缺陷，焊缝内部便有存在缺陷的可能。
5.2物理方法检验［2］
屋里方法检验是利用一些物理现象进行测试或检验的方法。
材料或工件内部缺陷情况的检查，一般都是采用无损探伤的方法。
目前的无损探伤有超声波探伤、射线探伤、渗透探伤、磁力探伤等。
5.2.1射线探伤
射线探伤是利用射线可穿透物质和在物质中有衰减的特性来发现缺陷的一种方法。
按探伤索使用的射线不同，可分为X射线探伤、γ射线探伤、高能射线探伤三种。
由于起显示缺陷的方法不同，每种射线探伤都又分为电离法、荧光屏观察法、照相法、和工业电视法。
射线检验主要用于检测焊缝内部的裂纹、未焊透、气孔、夹渣等缺陷。
5.2.2超声波探伤
超声波在金属及其它均匀介质传播中，由于在不同介质的界面上会发生反射，因此可用于内部缺陷的检验。
超声波可以检验任何焊接材料、任何部位的缺陷，并且能较灵敏地发现缺陷位置，但对缺陷性质、形状和大小较难确定。
所以超声波探伤常与射线检验配合使用。
5.2.3磁力检验
磁力检验是利用磁场磁化铁磁金属零件所产生的漏磁来发现缺陷的。
按测量漏磁方法的不同，可分为磁粉法、磁感应法和磁性记录法，其中以磁粉法应用最广。
磁力探伤只能发现磁性金属表面和近表面的缺陷，而且对缺陷仅能做定量分析，对于缺陷的性质和深度也只能根据经验来估计。
5.2.4渗透检验
渗透检验是利用某些液体的渗透性等屋里特性来发现和显示缺陷的，包括找色检验和荧光探伤两种，可用来检查铁磁性和非铁磁性材料表面的缺陷。
5.3结合强度检测
通过对堆焊层拉伸、剪切、刨削试验，评定不同情况下堆焊层与基体结合强度及堆焊层内聚强度。
6结论
通过各种检测，12Cr2Mo1R耐热钢表面的耐磨性、硬度、耐蚀性都有了显著地提高。
手工电弧焊设备简单通用，成本较低，灵活方便。
但是生产效率比较低。
参考文献
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［2］李国华，等.现代无损检测与评价［M］.化学工业出版社，2009
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［8］龚荣伟.焊工手册［M］，湖北科学技术出版社，2006
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