30CrMnSiA钢的焊接性能与工艺的研究.docx

1、30CrMnSiA钢的焊接性能与工艺的研究目录.1前言.2第一章 合金调质钢的分类与应用.3第二章 30CrMnSiA钢化学成分、根本性能、应用.4第三章30CrMnSiA钢的焊接性分析.9第四章30CrMnSiA钢的焊接工艺.13第五章 防止钢裂纹的措施.1651 结晶裂纹产生的原因.175. 2 冷裂纹的防止措施1953严格控制氢的来源.2054 焊前预热.2055 焊后热处理.22第六章30CrMnSiA钢焊接质量检验方法.23毕业设计总结.26致谢27参考文献28前 言本文在设计要求上立足于大专内院校的课程内容，重点在与培养学生对综合性问题的思考能力。对于较深的理论没要过多的要求。本文

2、在设计过程中贯穿大学三年的所学根底课程。本文共分为六章：前两章系统的介绍了合金调质钢的分类与30CrMnSiA钢化学成分、根本性能、应用；第三章介绍30CrMnSiA钢的焊接工艺，并对这种钢的焊接工艺的影响因素做了一定的分析；第四章介绍了30CrMnSiA钢的焊接性，并对30CrMnSiA钢在各种热处理状态的性能与热处理的缘由做出了分析；第五章详细的介绍了防止焊接裂纹的产生与防止措施，对焊接热裂纹、冷裂纹、焊前预热、焊后热处理做出详明的分析；第六章介绍了30CrMnSiA的焊接检验与相应的检验方法和有关检验方法的改善。在完成设计过程中，参阅了参考文献中的相关章节等有关资料，并得到了指导老师的帮

3、助与大力支持，再次诚挚致谢。由于本人所学内容有限与对相关内容的理解不到位，文中有缺乏之处在所难免，恳请老师批评指正。第一章 合金调质钢的分类与应用合金调质钢的分类1 低碳调质钢低碳调质钢的s=441980MPa，C，在调质状态下供货和使用，属于热处理强化钢。这类钢不仅强度高，而且有良好的塑性和韧性，可直接在调质状态下焊接，焊后不需再进行调质处理。在焊接结构制造中，低碳调质钢越来越受到重视，是具有广阔的开展前途的一类钢。低碳调质钢中合金元素的主要作用是提高钢的淬透性，通过调质处理得到低碳马氏体或贝氏体，不但提高了强度，而且保证了塑性和韧性。对同一级别的钢来说，调质钢比正火钢的合金元素低，从而有更

4、好的韧性和焊接性。新开展的s490MPa的CF钢，就属于含碳量极低C的微合金化调质钢。低碳调质钢的缺点是：生产工艺复杂，本钱高，进行热加工成形、焊接等时对工艺参数限制比拟严格。2 中碳调质钢 这类钢由于含碳量比拟高(C), s=8801170MPa，也是热处理强化钢。与低碳调质钢相比，其合金系统比拟简单。含碳量高可有有效地提高了调质处理后的强度，但塑性、韧性相应下降，而且恶化了焊接性。一般需要在退火状态下进行焊接，焊后进行调质处理。这类钢主要用于制造大型机械器上的零件和要求强度较高而自重小的构件。第二章 30CrMnSiA钢化学成分、根本性能、应用低碳调质钢的强度受到含碳量的限制，要求s880

5、MPa，那么必须提高含碳量。为了保证钢的塑性、韧性不致过低，中碳调质钢的含碳量限制在C的范围。由于碳可以同时提高钢的强度和淬透性，这类钢的合金系统比某些低碳调质钢简单。含碳量的提高，造成焊接性恶化，因此焊接工艺复杂，只有在退火状态下焊接，焊后进行调质处理才能保证焊接质量。表21 30CrMnSiA钢的化学成分表21 30CrMnSiA钢的化学成分牌号CMnSiCrNiMoVSP30CrMnSiA这种钢都是在淬火+回火调质状态下使用。淬火厚得到马氏体组织，经过不同温度的回火，得到回火索氏体或回火马氏体。与低碳调质的差异是，后语含碳量提高，马氏体的形态由板条状转变为片状，属于硬脆组织。合金调质钢的

6、最终性能决定于回火温度。一般采用500-650回火。通过选择回火温度，可以获得所要求的性能。为防止第二类回火脆性，回火后快冷水冷或油冷，有利于韧性的提高。见图21 所示图21 30CrMnSiA钢经不同温度回火后的机械性能(直径D=12mm, 油淬)这种钢的纯度对焊接性有极明显的影响。硫会增加焊缝金属的结晶裂纹敏感性；磷使金属的塑性韧性降低，导致焊缝和热影响区金属的冷裂纹仍有焊接裂纹敏感性，因此要求对硫、磷严加控制。对于调质后s可到达1400MPa的钢，要求s、p均，母材与填充金属均需采用真空熔炼工艺生产。这种钢的力学性能见 表22 ，这种钢薄钢板退火或回火状态下的力学性能见 表23表22 合

7、金结构钢的力学性能牌 号试样毛坯尺寸/mm热处理力学性能淬火回火抗拉强度b/MPa屈服强度s/MPa伸长率5/断面收缩率/温度冷却剂温度/冷却剂第一次淬火第二次淬火不小于30CrMnSi25880油520水、油1080885104530CrMnSiA25880油540水、油10808851045力学性能钢材退火或高温回火供给状态布氏硬度HBS 100/3000不大于冲击功冲击值Akv/J不小于3922939229抗拉强度b/MPa(Kgf/mm2)伸长率10/ 不小于490735507516表23 30CrMnSi/30CrMnSiA薄钢板退火或回火供给状态的力学性能YB/T51329330C

8、rMnSiA钢的特性30CrMnSiA是高强度调质结构钢，具有很高的强度和韧性，淬透性较高，冷变形塑性中等，切削加工性能良好，有回火脆性倾向，横向的冲击韧度差，焊接性能较好，但厚度大于3mm时，应预热到150，焊后需热处理，一般调质后使用。30CrMnSiA钢的用途举例30CrMnSiA是飞机制造业中使用最广的一种调质钢，用于制造飞机重要锻件，机械加工件和焊接件，如起落架，螺栓，对接接头，缘条，天窗盖，冷气瓶等；也有制造涡轮喷气发动机压气机转子的叶片盘和中框匣导向叶片。30CrMnSiA属中碳调质钢，强度高，焊接性能较差。30CrMnSiA调质后有很高的强度和足够的韧性，淬透性也好。调质后该材

9、料做砂轮轴，齿轮，链轮都可以。30CrMnSiA具有良好的加工性，加工变形微小，抗疲劳性能相当好。用于轴类、活塞类零配件等。用于汽车、飞机各种特殊耐磨零配件等。应用实例齿轮的结构分析图21焊接齿轮的辐板式结构焊接齿轮的辐板式结构，它在一块20mm,厚的轮辐板间设置辐射状隔板，其厚度为30mm，构成一个刚性很强的箱格结构，然后与250mm,厚的轮缘和160mm,厚的轮毂焊成一体，以利于通风； 辐板和肋板之间的焊缝受力不大，为角焊缝，焊脚尺寸为16mm，轮辐和轮毂之间的焊接接头受力较大，故辐板开坡口焊接，以便焊透焊缝根部。坡口形式见图。辐板坡口形式如按常规整体组焊，轮毂与轮辐之间的焊缝以与轮辐和轮

10、缘之间的焊缝都处于刚性拘束条件下，条环缝焊完时会造成两块轮辐板的温度显著升高，而轮缘和轮毂焊后温度不高，整个结构在焊接过程中，特别是在焊后冷却过程中，靠近轮毂环缝中产生的巨大的压应力是有利的；而近轮缘环缝中产生的巨大的拉应力分布极不均匀，在力的作用点附近环缝的工作应力相当高，而且是脉动的。另外，由于轮体整体刚性大，焊后消除应力较小，所以假设不采取措施就会在受拉区产生严重的裂纹，为此必须调整焊接装配顺序，以减小环缝中的剩余应力。1 先焊轮毂与轮辐之间焊缝，轮毂预热至100后与辐板、肋板点焊在一起。辐板大且厚，因刚性大，轮毂的环形焊缝拘束度较高，所以采用分段跳焊方法。通过窗口先焊内侧焊缝，再气刨去

11、除焊根焊外侧，焊外侧时每焊完一道焊缝应立即锤击，以释放应力，焊至距外表5mm，利用焊炬对焊缝回火一次，然后填满整个环缝。2 在加热炉中轮缘预热至250，轮缘受热后周长增加，相应直径增大，环焊缝间隙加大，焊后就可以使环缝的焊接应力大大减小，甚至变为压应力，这对防止焊缝、热影响区的裂纹和降低剩余应力非常有利，出炉后用履带式加热板加热，同时利用热电偶控制轮缘与焊缝的层间温度，焊接的层间温度不低于200，通过扇形窗口先焊内侧焊缝。采用多道多层焊，焊道彼此重叠，重叠焊道不小于焊道宽度的13，同时每焊一道焊缝用小圆弧面的风枪或小手锤击焊缝区，使焊缝得到延伸，从而降低内应力，锤击应保持均匀、适度，防止锤击过

12、份产生裂纹。第三章 30CrMnSiA钢的焊接性分析30CrMnSiA钢是一种典型的Cr-Mn-Si系中碳调制钢，钢种碳含量较高，也属于调制钢，热处理强化钢。它的淬硬性比低碳钢高的多，具有很高的硬度和强度，但韧性此相对较低，给焊接带来很大的困难，这类钢常用于强度要求很高的产品或部件。目前，飞机上的钢制零件如发动机架，机身加强隔框、接头、支座、起落架以与一些重要的螺栓等大都用它制造。据统计，起用量约占飞机上的钢制零件的80%。在航天发动机上，30CrMnSiA钢也被大量应用，如压气机叶片、压气机盘焊缝中的结晶裂纹30CrMnSiA钢属于中碳调质钢，含碳量较高，结晶温度区间宽，容易出现偏析，所以这

13、种钢对结晶裂纹比拟敏感，焊接时容易在弧坑和焊缝中凹下的部位开裂。为了防止结晶裂纹，在选用焊接材料是应尽量选用含碳量比母材低，硫磷等杂质少的填充金属。在选用焊接参数是要注意降低熔比合，操作时应注意填满弧坑与保证良好的焊接成形。中碳调质钢的屈服点可到达880-1176Mpa，但焊接性较差，主要表现在： (1)焊接热影响区的脆化和软化首先，由于中碳调质钢的含碳量高、合金元素多，钢的淬硬倾向大，在热影响区的淬火区会产生大量的马氏体，导致严重脆化。其次，热影响区被加热到超过调质处理时回火温度的区域，将出现强度、硬度低于母材的软化区。 (2)裂纹倾向严重-中碳调质钢的淬硬倾向大,热影响区产生的马氏体组织,

14、增大了焊接接头的冷裂倾向。 此外，中碳调质钢的碳与合金元素含量高，熔池的结晶温度区间大，偏析严重，因而具有较大的热裂纹敏感性。 冷裂纹这种钢的成分与淬透性，都决定了它在快速冷却时很容易得到对冷裂纹很敏感的淬硬组织。C的增加还使Ms点下降，而没有“自回火效应。而且C越高马氏体的硬度与脆性越高，对冷裂纹就越敏感。为此在焊接时，为了防止冷裂纹，必须提高预热温度，并在焊后与时进行消除应力退火。 表31 碳当量对焊接性能的影响 CE冷冽倾向焊接性工艺措施小良好不需预热和其他工艺措施0.明显较差需预热或其他工艺措施严重差需预热或其他严格的工艺措施热影响去性能的变化这种钢的过热区脆化的主要原因是，在冷速较大

15、时很容易形成硬脆的高碳M，而且冷速越高，M越多，脆化越严重。因此，为了减少过热区的脆化，应尽量降低800500温度范围内的冷却速度。但如果仅仅依靠加大线能量来降低冷速，不但难以抑制M的形成，而且还会因A晶粒粗化而更趋稳定，以致形成粗大的M，脆化反而更加严重。为此，为防止脆化应采取预热、缓冷和适当加大线能量相配合的措施，从而即可减少A在相变温度以上停留时间，又可降低在共析转变温度范围内的冷却速度，获得韧性较高的组织。当中碳调质钢必须在调质状态下焊接时，还必须考虑热影响区软化问题。软化的程度与钢的强的和线能量有关。调质钢的强度越高，软化越严重；焊接线能量越大，软化也越严重，同时软化区的宽度越大。图

16、31 为30CrMnSiA钢在调质状态下用不同的焊接方法焊接时，接头软化的情况。用焊条电弧焊时，热影响区最低抗拉强度为8801030MPa，而用气焊时只有590685MPa。因此，采用集中的焊接热源，有利于降低热影响区的软化程度。 a)图b)图图31 调质状态的30CrMnSiA钢焊接接头的强度分布单位MPa a电弧焊 b气焊需要指出，中碳调质钢在调质状态下焊接时，防止冷裂纹、脆化和软化的措施是相互有矛盾的，只能在防止冷裂纹的前提下精良降低软化程度，焊接质量受到一定影响。30CrMnSiA钢的焊接特性30CrMnSiA钢是一种低合金高强的结构钢，在不同的热处理条件下具有不同的显微组织，因而得到

17、不同的力学性能；在退火状态下为铁素体+珠光体；在淬火状态下为马氏体或屈氏体+马氏体；在淬火回火后可得到屈氏体组织；在焊接热循环作用下，热的组织变化复杂，还可能产生过热的魏氏体组织。30CrMnSiA钢的含碳量较高，其焊接冷裂纹倾向比18MnCrMoBA钢大，硅和碳在钢中容易偏析，特别是存在铜杂质含量较高时，可能产生焊接热裂纹，对于厚度较大的复杂构件，需要预热焊接，这种钢焊后经调制处理能获得较好的力学性能，但热处理时零件变形较大；30CrMnSiA钢可以进行焊条电弧焊、埋弧焊、二氧化碳气体保护焊、原子氢焊或氩弧焊其焊接性好，薄板氧乙炔焊是容易产生裂纹，可以采用微束等离子弧焊代替；30CrMnSi

18、A钢也可以进行等离子弧焊、熔化极脉冲氩弧焊。30CrMnSiA钢是航空工业中应用最广的一种高强度调质钢，用于制造飞机起落架、发动机架、座舱骨架、高压气瓶、连接支点等重要焊接件。手工电弧焊时选用HTJ3 碱性低氢焊条，假设钢板较薄或接头强度要求不高时，也可选用HTJ5 焊条；二氧化碳气体保护焊时选用H08Mn2SiA焊丝，焊后接头强度略低于焊条电弧焊；埋弧焊自动焊选用H18CrMnA的焊丝和焊剂431；等离子弧焊时可不选用填充金属。第四章 30CrMnSiA钢的焊接工艺这种钢主要用于要求高强度而对塑性要求不很高的场合，其在焊接结构制造中应用范围远不如热轧与正火钢或低碳调质钢那么广泛。由于中碳调质

19、钢的焊接性较差，对冷裂纹很敏感，而且热影响区的性能也难以保证。因此只有在退火状态下进行焊接，焊后整体结构进行淬火+回火处理，才能比拟全面的保证焊接接头的性能与母材相匹配。中碳调质钢的淬硬倾向十清楚显，冷裂倾向较为严重，这是因为中碳调质钢的含碳量较高，参加的合金元素也较多，在500以下的温度区间过冷奥氏体具有更大的稳定性所致如下图由于点较低，在低温下形成的马氏体难于产生“自回火效应，使中碳调质钢淬硬倾向比低碳调质钢大。屈服强度在833Mpa以上碳当量超过了0.6%，属于高淬硬倾向钢。焊接中碳调质钢时，为了防止冷裂纹，应尽量降低焊接接头的含氢量，除了采取预热措施外，焊后须与时进行回火处理。此外，中

20、碳调质超高强钢还具有应力腐蚀开裂敏感性。这种应力腐蚀常发生在水和高湿度空气等弱腐蚀性介质中。为了降低焊接接头的应力腐蚀开裂倾向，应采取热量集中的焊接方法和较好的焊接线能量，防止焊件外表的焊接缺陷和划伤 。图41 30CrMnSiA钢的等温转变曲线在退火状态下进行焊接，主要的问题是防止冷裂纹，而接头性能那么由焊接材料与焊后热处理来保证。因此，选择焊接材料的原那么是保证焊缝在热处理后能到达与母材相等的性能，在编制焊接工艺时，需要采取必要的措施防止开裂。为此，中碳调质钢在退火状态下的焊接工艺要点如下：1）在焊接方法选用上，由于不强调线能量对焊接接头性能的影响，因而根本上不受限制。2）由于不必顾虑回火

21、区的软化，可以采用较大的线能量并适当的提高预热温度，从而可有效地防止冷裂纹。一般的预热温度与层间温度可控制在250300之间。3）为了保证焊缝与母材在相同的热处理条件下获得相同的性能，焊接材料应保证熔敷金属的成分与母材根本相同。同时，为了防止焊缝产生裂纹，还应对杂质和促进金属脆化元素限制更加严格，如采用C、S都低于母材p+s的焊丝等。对淬硬倾向特别大的材料，为防止裂纹或脆断，必要时要牺牲一些强度，采用低强度填充金属，如可用H08CrMoA焊接32SiMnMoV钢，常用焊接材料见表41 表41 30CrMnSiA钢焊接材料举例牌号焊条电弧焊气体保护焊埋弧焊备注CO2焊丝Ar弧焊焊丝焊丝焊剂30C

22、rMnSiAE8515GE10015GHT1(H08A焊芯)HT1H08CrMoA焊芯HT3(H08A焊芯)HT3H18CrMoA焊芯HT4 HGH41焊芯HT4HGH30焊芯H08Mn2SiMoAH08Mn2SiAH18CrMoAH20CrMoAH18CrMoAHJ431HJ431HJ260HT型焊条为航空用牌号。HT4 HGH41和HT4HGH30为用于调质状态下焊接的镍基合金焊条4为防止延迟裂纹，焊后应与时进行热处理。假设与时进行调质处理有困难，可进行中间退火或在高于预热的温度下保温一段时间，以排除扩散氢并软化热影响区组织。中间退火还有消除应力的作用。30CrMnSiA钢具有回火脆性，这

23、类钢焊后回火温度应避开火脆性的温度范围(250400)，一般采用淬火+高温回火，并在回火时注意快冷，以防止第二类回火脆性。在强度要求较高，并可以牺牲一些韧性时，可进行淬火+低温回火处理。在调质状态下焊接，要全面保证焊接质量比拟困难。因为同时解决冷裂纹、热影响区脆化与软化三方面的问题，需采用的工艺措施相互有较大的矛盾，因此，只能是在保证不产生裂纹的前提下尽量保证接头的性能。在调制状态下焊接的工艺要点如下：1）预热温度、层间温度与焊后回火温度均应低于焊前回火温度50一下。2）采用热量集中、能量密度高的焊接热源，在保证焊透的条件下尽量用小的线能量，以减小热影响区的软化。选用氩弧焊或等离子弧焊、电子束

24、焊效果较好。3）因焊后不再进行调质处理，焊接材料成分可与母材有较大差异。为了防止冷裂纹，可以用奥氏体不锈钢焊条或镍基焊条。第五章 防止30CrMnSiA钢裂纹的措施在焊接应力与其它致脆因素共同作用下，焊接接头中局部地区的金属原子结合力遭到破坏而形成的新界面所产生的缝隙，叫做焊接裂纹。它具有锋利的缺口和大的长宽比的特征。裂纹是危害最严重的焊接缺陷。这主要是因为裂纹两端的缺口效应造成了严重的应力集中，很容易扩展而形成宏观开裂或整体断裂。因此，在焊接生产中，裂纹一般是不允许存在的。所以要严格控制产生裂纹的因素，以保证较好的焊接质量。焊接裂纹的分类1. 焊接热裂纹在焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到

25、固相线附近的高温区产生的焊接裂纹，叫做焊接热裂纹。2. 焊接冷裂纹焊接接头冷却到较低温度下相对钢来说在 Ms温度以下时产生的裂纹，叫做冷裂纹。3. 消除应力裂纹焊件焊后在一定温度范围再次加热时，由于高温与剩余应力的共同作用而产生的晶间裂纹，叫做消除应力裂纹。4. 层状撕裂层状撕裂是指焊接时，在焊接构件中沿钢板轧层形成的呈阶梯状的一种裂纹。中碳调质钢的淬硬倾向大,热影响区产生的马氏体组织,增大了焊接接头的冷裂倾向，又碳与合金元素含量高，熔池的结晶温度区间大，偏析严重，因而具有较大的热裂纹敏感性。所以说易产生冷裂纹与焊接热裂纹。 结晶裂纹产生的原因焊缝金属在结晶后期出现开裂，原因来自于两方面：焊缝

26、金属在结晶后期抗裂能力以伸长率代表下降和拉伸应变的形成。焊接时金属材料的塑性变化见图5.11 图5.11 高温时金属材料塑性的变化结晶裂纹的产生式由于在焊缝凝固后期存在了液态薄膜，并受到拉应力的作用的结果当min时不会开裂；=min时处于临界状态；只有min时才会产生裂纹。图5.12 中的曲线1、2、3分别表示上述三种情况。图5.11 焊接时产生结晶裂纹的条件Tl液相线温度 Ts固相线温度防止结晶裂纹的措施主要从冶金和工艺两方面着手，其中冶金措施更为重要。1）控制焊缝中硫、磷、碳等有害元素的含量。2）调整熔渣的碱度。焊接熔渣的碱度越高，熔池中脱硫、脱氧越完全。3）调整焊接参数已得到抗裂能力较强

27、的焊缝成形系数。4）调整冷却速度。冷速越高变形增长率越大，结晶裂纹倾向也越大。5）调整焊接顺序降低拘束应力。接头刚性越大，焊缝金属冷却收缩时受到的拘束应力也越大。52冷裂纹的防止措施冷裂纹产生的主要因素：一是 钢中含有的磷杂质以Fe2P和Fe3P的形式存在，Fe3P能与铁形成低熔点共晶，聚集于晶界消弱晶粒建的结合力，使钢在低温或常温下变脆，造成冷裂纹；二是 焊接过程中由于化学反响，空气或水的分解等因素，焊缝中溶解了一定量的氢，氢能向焊缝缺陷出流动富集形成氢脆，甚至形成“氢至延迟裂纹这是冷裂纹中最严重也是最危险的问题；三是 焊缝中存在氮、氧原子或化合物也能使金属变脆，引起冷裂纹；四是 淬火倾向大

28、的钢或厚板刚性大的焊接由于没有采取预热或缓冷的措施，冷却速度快造成较大的内应力和焊接剩余应力，这个应力超过了材料所能承受的力就会产生裂纹。53严格控制氢的来源氢是形成冷裂纹的一个重要因素，在形成冷裂纹的过程中的作用于其溶解度和扩散规律有关。由于氢在金属各相中的溶解度不同，其就以过饱和的形式残留于马氏体或贝氏体中，并扩散到应力中或晶格缺陷处结合成分子，形成较高的局部应力，再加上热应力、组织应力的共同作用就可能造成开裂。氢致裂纹的延迟，氢逐渐向开裂部位扩散集中，结合成分子并形成一定的压力的过程。焊缝中氢的平均浓度越高，那么迁移的氢数量越多，迁移速度也越高。 1 延迟断裂时间与应力的关系综上所述氢是

29、形成冷裂纹以与断裂的重要因素，因此，从焊接材料、焊接方法以与工艺等方面严格控制氢的来源，选用低氢钠型、低氢钾型焊条，严格清理待焊处两侧20mm之内的油污等杂质。对焊丝、焊条、焊剂在枯燥条件下使用，焊丝彻底清理外表的油污等杂质，焊条依照工艺保证烘干在严格的烘干温度与保温时间内焊前预热30CrMnSiA钢含碳量与合金元素的含量较高，淬硬倾向较大，焊前应进行预热，这样可以有效地降低冷却速度，从而改善接头的组织，降低拘束应力，并有利于氢的析出，可有效地防止冷裂纹的产生。钢的强度与预热问的关系见图5.41 图5.41 钢种强度与预热温度的关系在选择线能量时必须防止热区因沉淀强化相得溶解而造成脆化，故线能量不宜过大。大的线能量对含碳与合金元素较多的钢，还需要考虑防止冷速过大而出现淬火组织或冷裂纹，因而线能量也不宜过小。线能量对冷速的调节范围是很小的，所以要同时防止过热和冷裂纹两方面的问题，这时还必须预热或后热措施，从而既防止了冷裂纹，又防止了过热脆化，接头韧性的以保证。图54 为过热区焊接热循环示意图图5.42 过热区焊接循环示意图1 小线能量 2大线能量3 采用预热的理想情况焊后热处理焊后进行不同的热处理，可以分别起到起到消除扩散氢、降低和消除剩余应