30CrMnSiA鋼的工藝研究

1、前 言本次畢業(yè)設計課題立足于自己在學院所學的課程內(nèi)容，重點介紹合金結(jié)構鋼化學成分、基本性能、焊接工藝、等一些內(nèi)容。對于較深的理論沒要過多的要求。本課題在設計過程中基本貫穿大學三年的所學專業(yè)基礎課程。本文共分為六章：前兩章系統(tǒng)的介紹了合金結(jié)構鋼的生產(chǎn)工藝、分類、化學成分、基本性能、應用等；第三章介紹30CrMnSiA鋼的焊接工藝，并對這種鋼的焊接工藝的影響因素做了一定的分析；第四章介紹了30CrMnSiA鋼的焊接性，并對30CrMnSiA鋼在各種熱處理狀態(tài)的性能與熱處理的緣由做出了分析；第五章則主要的介紹了防止焊接裂紋的產(chǎn)生與防止措施，對焊接熱裂紋、冷裂紋、焊前預熱、焊后熱處理等并做出詳明的分析

2、；第六章介紹了30CrMnSiA的焊接檢驗與相應的檢驗方法和有關檢驗方法的改善。在完成設計過程中，參閱了參考文獻中的相關章節(jié)等有關資料，并得到了指導老師的幫助與大力支持，再次誠摯致謝。由于本人所學內(nèi)容有限與對相關內(nèi)容的理解不到位，文中有不足之處在所難免，懇請老師批評指正。第一章 合金結(jié)構鋼的概念及合金元素在結(jié)構鋼中的作用11合金結(jié)構鋼合金結(jié)構鋼，用作機械零件和各種工程構件并含有一種或數(shù)種一定量的合金元素的鋼。這類鋼,由于具有合適的淬透性，經(jīng)適宜的金屬熱處理后，顯微組織為均勻的索氏體、貝氏體或極細的珠光體，因而具有較高的抗拉強度和屈強比（一般在0.85左右），較高的韌性和疲勞強度，和較低的韌性脆

3、性轉(zhuǎn)變溫度，可用于制造截面尺寸較大的機器零件。1.2合金元素在結(jié)構鋼中的作用有三個方面：增大鋼的淬透性。淬透性是指鋼淬火時，從表層起淬成馬氏體層的深度，是取得良好綜合性能的主要參數(shù)。除Co外，幾乎所有合金元素如 Mn、Mo、Cr、Ni、Si和C、N、B等都能提高鋼的淬透性，其中 Mn、Mo、Cr、B的作用最強，其次是Ni、Si、Cu。而強碳化物形成元素如 V、Ti、Nb等，只有溶于奧氏體中時才能增大鋼的淬透性。影響鋼的回火過程。由于合金元素在回火時能阻礙鋼中各種原子的擴散，因而在同樣溫度下和碳素鋼相比，一般均起到延遲馬氏體的分解和碳化物的聚集長大作用，從而提高鋼的回火穩(wěn)定性,即提高鋼的抗回火軟

4、化能力,V、W、Ti、Cr、Mo、Si的作用比較顯著，Al、Mn、Ni的作用不明顯。含有較高含量的碳化物形成元素如V、W、Mo等的鋼，在500600回火時，析出細小彌散的特殊碳化物質(zhì)點如V4C3、Mo2C、W2C等,代替部分較粗大的合金滲碳體,使鋼的強度不再下降反而升高,即出現(xiàn)二次硬化（見回火）。Mo對鋼的回火脆性有阻止或減弱的作用。影響鋼的強化和韌化。Ni以固溶強化方式強化鐵素體；Mo、V、Nb等碳化物形成元素,既以彌散硬化方式又以固溶強化方式提高鋼的屈服強度；碳的強化作用最顯著。此外，加入這些合金元素，一般都細化奧氏體晶粒，增加晶界的強化作用。影響鋼的韌性因素比較復雜，Ni改善鋼的韌性；M

5、n易使奧氏體晶粒粗化，對回火脆性敏感；降低P、S含量，提高鋼的純凈度，對改善鋼的韌性有重要作用（見金屬的強化）。合金結(jié)構鋼一般分為調(diào)質(zhì)結(jié)構鋼和表面硬化結(jié)構鋼。調(diào)質(zhì)結(jié)構鋼 這類鋼的含碳量一般約為0.250.55，對于既定截面尺寸的結(jié)構件，在調(diào)質(zhì)處理（淬火加回火）時，如果沿截面淬透，則力學性能良好，如果淬不透，顯微組織中出現(xiàn)有自由鐵素體，則韌性下降。對具有回火脆性傾向的鋼如錳鋼、鉻鋼、鎳鉻鋼等，回火后應快冷。這類鋼的淬火臨界直徑，隨晶粒度和合金元素含量的增加而增大，例如，40Cr和35SiMn鋼約為3040mm，而40CrNiMo和30CrNi2MoV鋼則約為 60100mm，常用于制造承受較大載

6、荷的軸、連桿等結(jié)構件。表面硬化結(jié)構鋼 用以制造表層堅硬耐磨而心部柔韌的零部件,如齒輪、軸等。為使零件心部韌性高,鋼中含碳量應低，一般在0.120.25，同時還有適量的合金元素，以保證適宜的淬透性。氮化鋼還需加入易形成氮化物的合金元素（如Al、Cr、Mo等）。滲碳或碳氮共滲鋼，經(jīng)850950滲碳或碳氮共滲后，淬火并在低溫回火(約200)狀態(tài)下使用。氮化鋼經(jīng)氮化處理(480580)，直接使用，不再經(jīng)淬火與回火處理。1.3生產(chǎn)工藝根據(jù)鋼種和鋼的質(zhì)量要求，合金結(jié)構鋼的冶煉，可采用氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐、平爐、電弧爐；或再加電渣重熔、真空除氣。鑄錠可采用連鑄或模鑄。鋼錠應緩慢冷卻或熱送鍛造、軋制。鋼錠加熱時，應力

7、求溫度均勻并有足夠的保溫時間，以改善偏析缺陷和避免鍛、軋時變形不均勻；鍛、軋后的鋼材，尺寸小的、特別是含碳0.2左右的滲碳鋼,在600以上時應快速冷卻,以免加重帶狀組織；截面較大的鍛件，應采取措施消除內(nèi)應力和白點。調(diào)質(zhì)鋼應盡可能淬火成馬氏體組織，然后回火成索氏體組織；滲碳鋼在滲碳過程中，滲層濃度梯度不宜過大,以免在滲層晶界上出現(xiàn)連續(xù)網(wǎng)狀碳化物;氮化鋼必需先經(jīng)熱處理得到所需的性能，再經(jīng)最后精加工才能進行氮化。氮化處理后除將脆薄的“白層”研磨除去外，不再加工。1.4合金結(jié)構鋼的分類及應用可分為普通合金結(jié)構鋼和特殊用途合金結(jié)構鋼。前者包括低合金高強度鋼、低溫用鋼、超高強度鋼、滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼和非調(diào)質(zhì)鋼

8、；后者包括彈簧鋼、滾珠軸承鋼、易切削鋼、冷沖壓鋼等。要求具有較高的屈服強度、抗拉強度和疲勞強度，還有足夠的塑性和韌性。一般采用電弧爐和氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐冶煉，要求高的采用爐外精煉、電渣重熔或真空處理、真空感應爐冶煉或雙真空冶煉、合適的熱處理。這類鋼的合金元素含量都相當高，主要有耐蝕鋼、耐熱鋼、耐磨鋼、磁鋼以及具有其他特殊物理和化學性能的特殊鋼。應用合金結(jié)構鋼廣泛用于船舶、車輛、飛機、導彈、兵器、鐵路、橋梁、壓力容器、機床等結(jié)構上。合金結(jié)構鋼比碳素鋼有更好的力學性能，特別是熱處理性能優(yōu)良。其牌號通常是以“數(shù)字元素符號數(shù)字”的方法來表示。牌號中起首的兩位數(shù)字表示鋼的平均含碳量的萬分數(shù)，元素符號及其后的數(shù)

9、字表示所含合金元素及其平均含量的百分數(shù)。若合金元素含量小于1.5%，則不標其含量。高級優(yōu)質(zhì)鋼在牌號尾部增加符號“A”例如，16Mn A、20Cr A、40Mn2 A、30CrMnSi A、38CrMoAlA等。第二章 30CrMnSiA鋼化學成分、基本性能、應用30CrMnSiA鋼強度高,但屬中碳調(diào)質(zhì)鋼,具有較大的淬透性,因此焊接性能很差。 該材料調(diào)質(zhì)后有很高的強度和足夠的韌性，淬透性也好。下表為30CrMnSiA鋼的化學成分表：表21 30CrMnSiA鋼的化學成分牌號CMnSiCrNiMoVSP30CrMnSiA0.250.350.81.10.91.20.81.10.30.0300.035

10、這種鋼都是在淬火+回火調(diào)質(zhì)狀態(tài)下使用。淬火厚得到馬氏體組織，經(jīng)過不同溫度的回火，得到回火索氏體或回火馬氏體。與低碳調(diào)質(zhì)的差別是，后者含碳量提高，馬氏體的形態(tài)由板條狀轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑺?，屬于硬脆組織。合金調(diào)質(zhì)鋼的最終性能決定于回火溫度。一般采用500-650回火。通過選擇回火溫度，可以獲得所要求的性能。為防止第二類回火脆性，回火后快冷（水冷或油冷），有利于韌性的提高。這種鋼的純度對焊接性有極明顯的影響。硫會增加焊縫金屬的結(jié)晶裂紋敏感性；磷使金屬的塑性韌性降低，導致焊縫和熱影響區(qū)金屬的冷裂紋敏感性增大。即使鋼中硫和磷的質(zhì)量分數(shù)均為0.02仍有焊接裂紋敏感性，因此要求對硫、磷嚴加控制。對于調(diào)質(zhì)后s可達到14

11、00MPa的鋼，要求s、p均0.015，母材與填充金屬均需采用真空熔煉工藝生產(chǎn)。這種鋼的力學性能見 表22 ，這種鋼薄鋼板退火或回火狀態(tài)下的力學性能見 表23表22 合金結(jié)構鋼的力學性能牌 號試樣毛坯尺寸/mm熱處理力學性能淬火回火抗拉強度b/MPa屈服強度s/MPa伸長率5/斷面收縮率/溫度冷卻劑溫度/冷卻劑第一次淬火第二次淬火不小于30CrMnSi25880油520水、油1080885104530CrMnSiA25880油540水、油10808851045力學性能鋼材退火或高溫回火供應狀態(tài)布氏硬度（HBS 100/3000）不大于沖擊功（沖擊值）Akv/J不小于3922939229抗拉強度

12、b/MPa(Kgf/mm2)伸長率10/ 不小于490735（5075）16表23 30CrMnSi/30CrMnSiA薄鋼板退火或回火供應狀態(tài)的力學性能（YB/T513293）30CrMnSiA鋼的特性30CrMnSiA是高強度調(diào)質(zhì)結(jié)構鋼，具有很高的強度和韌性，淬透性較高，冷變形塑性中等，切削加工性能良好，有回火脆性傾向，橫向的沖擊韌度差，焊接性能較好，但厚度大于3mm時，應預熱到150，焊后需熱處理，一般調(diào)質(zhì)后使用。30CrMnSiA鋼的用途舉例用于制造飛機重要鍛件，機械加工件和焊接件，如起落架，螺栓，對接接頭，緣條，天窗蓋，冷氣瓶等；也有制造渦輪噴氣發(fā)動機壓氣機轉(zhuǎn)子的葉片盤和中框匣導向葉

13、片。30CrMnSiA屬中碳調(diào)質(zhì)鋼，強度高，焊接性能較差。30CrMnSiA調(diào)質(zhì)后有很高的強度和足夠的韌性，淬透性也好。調(diào)質(zhì)后該材料做砂輪軸，齒輪，鏈輪都可以。30CrMnSiA具有良好的加工性，加工變形微小，抗疲勞性能相當好。用于軸類、活塞類零配件等。用于汽車、飛機各種特殊耐零配件等。應用實例齒輪的結(jié)構分析圖21焊接齒輪的輻板式結(jié)構焊接齒輪的輻板式結(jié)構，它在一塊20mm,厚的輪輻板間設置輻射狀隔板，其厚度為30mm，構成一個剛性很強的箱格結(jié)構，然后與250mm,厚的輪緣和160mm,厚的輪轂焊成一體，以利于通風； 輻板和肋板之間的焊縫受力不大，為角焊縫，焊腳尺寸為16mm，輪輻和輪轂之間的焊

14、接接頭受力較大，故輻板開坡口焊接，以便焊透焊縫根部。坡口形式見圖。輻板坡口形式如按常規(guī)整體組焊，輪轂與輪輻之間的焊縫以及輪輻和輪緣之間的焊縫都處于剛性拘束條件下，條環(huán)縫焊完時會造成兩塊輪輻板的溫度顯著升高，而輪緣和輪轂焊后溫度不高，整個結(jié)構在焊接過程中，特別是在焊后冷卻過程中，靠近輪轂環(huán)縫中產(chǎn)生的巨大的壓應力是有利的；而近輪緣環(huán)縫中產(chǎn)生的巨大的拉應力分布極不均勻，在力的作用點附近環(huán)縫的工作應力相當高，而且是脈動的。另外，由于輪體整體剛性大，焊后消除應力較小，所以若不采取措施就會在受拉區(qū)產(chǎn)生嚴重的裂紋，為此必須調(diào)整焊接裝配順序，以減小環(huán)縫中的殘余應力。1 先焊輪轂與輪輻之間焊縫，輪轂預熱至100

15、后與輻板、肋板點焊在一起。輻板大且厚，因剛性大，輪轂的環(huán)形焊縫拘束度較高，所以采用分段跳焊方法。通過窗口先焊內(nèi)側(cè)焊縫，再氣刨清除焊根焊外側(cè)，焊外側(cè)時每焊完一道焊縫應立即錘擊，以釋放應力，焊至距表面5mm，利用焊炬對焊縫回火一次，然后填滿整個環(huán)縫。2 在加熱爐中輪緣預熱至250，輪緣受熱后周長增加，相應直徑增大，環(huán)焊縫間隙加大，焊后就可以使環(huán)縫的焊接應力大大減小，甚至變?yōu)閴簯?，這對避免焊縫、熱影響區(qū)的裂紋和降低殘余應力非常有利，出爐后用履帶式加熱板加熱，同時利用熱電偶控制輪緣及焊縫的層間溫度，焊接的層間溫度不低于200，通過扇形窗口先焊內(nèi)側(cè)焊縫。采用多道多層焊，焊道彼此重疊，重疊焊道不小于焊道

16、寬度的13，同時每焊一道焊縫用小圓弧面的風槍或小手錘擊焊縫區(qū)，使焊縫得到延伸，從而降低內(nèi)應力，錘擊應保持均勻、適度，避免錘擊過份產(chǎn)生裂紋。第三章 30CrMnSiA鋼的焊接性分析30CrMnSiA鋼是一種典型的Cr-Mn-Si系中碳調(diào)制鋼，碳含量較高，也屬于調(diào)制鋼，熱處理強化鋼。它的淬硬性比低碳鋼高的多，具有很高的硬度和強度，但韌性此相對較低，給焊接帶來很大的困難，這類鋼常用于強度要求很高的產(chǎn)品或部件。通過對30CrMnSiA鋼的手工焊及自動焊、焊后不同的熱處理方法之后的焊縫的強度、硬度及組織變化進行了比較分析30CrMnSiA鋼采用18CrMnSiA焊絲的手工氬弧焊和自動氬弧焊均可以得到滿意

17、的焊接接頭,焊前經(jīng)淬火和回火,焊后未熱處理,手工氬弧焊的室溫拉伸性能強度為893948MPa,自動氬弧焊焊后未熱處理的室溫拉伸強度在9481174MPa左右(斷于熱影響區(qū));焊后熱處理,在空氣爐中淬火回火焊接接頭的拉伸強度為815925MPa,在保護氣體爐中淬火回火處理,接頭和母材拉伸強度:接頭為10811114MPa,母材為:10761103MPa.目前，飛機上的鋼制零件如發(fā)動機架，機身加強隔框、接頭、支座、起落架以及一些重要的螺栓等大都用它制造。據(jù)統(tǒng)計，起用量約占飛機上的鋼制零件的80%。在航天發(fā)動機上，30CrMnSiA鋼也被大量應用，如壓氣機葉片、壓氣機盤焊縫中的結(jié)晶裂紋30CrMnS

18、iA鋼屬于中碳調(diào)質(zhì)鋼，含碳量較高，結(jié)晶溫度區(qū)間寬，容易出現(xiàn)偏析，所以這種鋼對結(jié)晶裂紋比較敏感，焊接時容易在弧坑和焊縫中凹下的部位開裂。為了防止結(jié)晶裂紋，在選用焊接材料是應盡量選用含碳量比母材低，硫磷等雜質(zhì)少的填充金屬。在選用焊接參數(shù)是要注意降低熔比合，操作時應注意填滿弧坑及保證良好的焊接成形。中碳調(diào)質(zhì)鋼的屈服點可達到880-1176Mpa，但焊接性較差，主要表現(xiàn)在： (1)焊接熱影響區(qū)的脆化和軟化首先，由于中碳調(diào)質(zhì)鋼的含碳量高、合金元素多，鋼的淬硬傾向大，在熱影響區(qū)的淬火區(qū)會產(chǎn)生大量的馬氏體，導致嚴重脆化。其次，熱影響區(qū)被加熱到超過調(diào)質(zhì)處理時回火溫度的區(qū)域，將出現(xiàn)強度、硬度低于母材的軟化區(qū)。

19、(2)裂紋傾向嚴重-中碳調(diào)質(zhì)鋼的淬硬傾向大,熱影響區(qū)產(chǎn)生的馬氏體組織,增大了焊接接頭的冷裂傾向。 此外，中碳調(diào)質(zhì)鋼的碳及合金元素含量高，熔池的結(jié)晶溫度區(qū)間大，偏析嚴重，因而具有較大的熱裂紋敏感性。 冷裂紋這種鋼的成分與淬透性，都決定了它在快速冷卻時很容易得到對冷裂紋很敏感的淬硬組織。C的增加還使Ms點下降，而沒有“自回火”效應。而且C越高馬氏體的硬度與脆性越高，對冷裂紋就越敏感。為此在焊接時，為了防止冷裂紋，必須提高預熱溫度，并在焊后及時進行消除應力退火。表31 碳當量對焊接性能的影響CE冷冽傾向焊接性工藝措施0.4小良好不需預熱和其他工藝措施0.40.6明顯較差需預熱或其他工藝措施0.6嚴重

20、差需預熱或其他嚴格的工藝措施熱影響去性能的變化這種鋼的過熱區(qū)脆化的主要原因是，在冷速較大時很容易形成硬脆的高碳M，而且冷速越高，M越多，脆化越嚴重。因此，為了減少過熱區(qū)的脆化，應盡量降低800500溫度范圍內(nèi)的冷卻速度。但如果僅僅依靠加大線能量來降低冷速，不但難以抑制M的形成，而且還會因A晶粒粗化而更趨穩(wěn)定，以致形成粗大的M，脆化反而更加嚴重。為此，為防止脆化應采取預熱、緩冷和適當加大線能量相配合的措施，從而即可減少A在相變溫度以上停留時間，又可降低在共析轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)的冷卻速度，獲得韌性較高的組織。當中碳調(diào)質(zhì)鋼必須在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接時，還必須考慮熱影響區(qū)軟化問題。軟化的程度與鋼的強的和線能量有

21、關。調(diào)質(zhì)鋼的強度越高，軟化越嚴重；焊接線能量越大，軟化也越嚴重，同時軟化區(qū)的寬度越大。圖31 為30CrMnSiA鋼在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下用不同的焊接方法焊接時，接頭軟化的情況。用焊條電弧焊時，熱影響區(qū)最低抗拉強度為8801030MPa，而用氣焊時只有590685MPa。因此，采用集中的焊接熱源，有利于降低熱影響區(qū)的軟化程度。 a)圖b)圖圖31 調(diào)質(zhì)狀態(tài)的30CrMnSiA鋼焊接接頭的強度分布（單位MPa） a）電弧焊 b）氣焊需要指出，中碳調(diào)質(zhì)鋼在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接時，防止冷裂紋、脆化和軟化的措施是相互有矛盾的，只能在防止冷裂紋的前提下精良降低軟化程度，焊接質(zhì)量受到一定影響。30CrMnSiA鋼的焊接特

22、性30CrMnSiA鋼是一種低合金高強的結(jié)構鋼，在不同的熱處理條件下具有不同的顯微組織，因而得到不同的力學性能；在退火狀態(tài)下為鐵素體+珠光體；在淬火狀態(tài)下為馬氏體或屈氏體+馬氏體；在淬火回火后可得到屈氏體組織；在焊接熱循環(huán)作用下，熱的組織變化復雜，還可能產(chǎn)生過熱的魏氏體組織。30CrMnSiA鋼的含碳量較高，其焊接冷裂紋傾向比18MnCrMoBA鋼大，硅和碳在鋼中容易偏析，特別是存在銅雜質(zhì)含量較高時，可能產(chǎn)生焊接熱裂紋，對于厚度較大的復雜構件，需要預熱焊接，這種鋼焊后經(jīng)調(diào)制處理能獲得較好的力學性能，但熱處理時零件變形較大；30CrMnSiA鋼可以進行焊條電弧焊、埋弧焊、二氧化碳氣體保護焊、原子

23、氫焊或氬弧焊其焊接性好，薄板氧乙炔焊是容易產(chǎn)生裂紋，可以采用微束等離子弧焊代替；30CrMnSiA鋼也可以進行等離子弧焊、熔化極脈沖氬弧焊。30CrMnSiA鋼是航空工業(yè)中應用最廣的一種高強度調(diào)質(zhì)鋼，用于制造飛機起落架、發(fā)動機架、座艙骨架、高壓氣瓶、連接支點等重要焊接件。手工電弧焊時選用HTJ3 堿性低氫焊條，若鋼板較薄或接頭強度要求不高時，也可選用HTJ5 焊條；二氧化碳氣體保護焊時選用H08Mn2SiA焊絲，焊后接頭強度略低于焊條電弧焊；埋弧焊自動焊選用H18CrMnA的焊絲和焊劑431；等離子弧焊時可不選用填充金屬。第四章 30CrMnSiA鋼的焊接工藝這種鋼主要用于要求高強度而對塑性要

24、求不很高的場合，其在焊接結(jié)構制造中應用范圍遠不如熱軋及正火鋼或低碳調(diào)質(zhì)鋼那么廣泛。由于中碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接性較差，對冷裂紋很敏感，而且熱影響區(qū)的性能也難以保證。因此只有在退火狀態(tài)下進行焊接，焊后整體結(jié)構進行淬火+回火處理，才能比較全面的保證焊接接頭的性能與母材相匹配。中碳調(diào)質(zhì)鋼的淬硬傾向十分明顯，冷裂傾向較為嚴重，這是因為中碳調(diào)質(zhì)鋼的含碳量較高，加入的合金元素也較多，在500以下的溫度區(qū)間過冷奧氏體具有更大的穩(wěn)定性所致如圖所示由于點較低，在低溫下形成的馬氏體難于產(chǎn)生“自回火”效應，使中碳調(diào)質(zhì)鋼淬硬傾向比低碳調(diào)質(zhì)鋼大。屈服強度在833Mpa以上碳當量超過了0.6%，屬于高淬硬傾向鋼。焊接中碳調(diào)質(zhì)鋼時

25、，為了防止冷裂紋，應盡量降低焊接接頭的含氫量，除了采取預熱措施外，焊后須及時進行回火處理。此外，中碳調(diào)質(zhì)超高強鋼還具有應力腐蝕開裂敏感性。這種應力腐蝕常發(fā)生在水和高濕度空氣等弱腐蝕性介質(zhì)中。為了降低焊接接頭的應力腐蝕開裂傾向，應采取熱量集中的焊接方法和較好的焊接線能量，避免焊件表面的焊接缺陷和劃傷 。圖41 30CrMnSiA鋼的等溫轉(zhuǎn)變曲線在退火狀態(tài)下進行焊接，主要的問題是防止冷裂紋，而接頭性能則由焊接材料與焊后熱處理來保證。因此，選擇焊接材料的原則是保證焊縫在熱處理后能達到與母材相等的性能，在編制焊接工藝時，需要采取必要的措施防止開裂。為此，中碳調(diào)質(zhì)鋼在退火狀態(tài)下的焊接工藝要點如下：1）

26、在焊接方法選用上，由于不強調(diào)線能量對焊接接頭性能的影響，因而基本上不受限制。2） 由于不必顧慮回火區(qū)的軟化，可以采用較大的線能量并適當?shù)奶岣哳A熱溫度，從而可有效地防止冷裂紋。一般的預熱溫度及層間溫度可控制在250300之間。3） 為了保證焊縫與母材在相同的熱處理條件下獲得相同的性能，焊接材料應保證熔敷金屬的成分與母材基本相同。同時，為了防止焊縫產(chǎn)生裂紋，還應對雜質(zhì)和促進金屬脆化元素限制更加嚴格，如采用C、S都低于母材p+s0.025的焊絲等。對淬硬傾向特別大的材料，為防止裂紋或脆斷，必要時要犧牲一些強度，采用低強度填充金屬，如可用H08CrMoA焊接32SiMnMoV鋼，常用焊接材料見表41

27、表41 30CrMnSiA鋼焊接材料舉例牌號焊條電弧焊氣體保護焊埋弧焊備注CO2焊絲Ar弧焊焊絲焊絲焊劑30CrMnSiAE8515GE10015GHT1(H08A焊芯)HT1（H08CrMoA焊芯HT3(H08A焊芯)HT3（H18CrMoA焊芯HT4 （HGH41焊芯）HT4（HGH30焊芯）H08Mn2SiMoAH08Mn2SiAH18CrMoAH20CrMoAH18CrMoAHJ431HJ431HJ260HT型焊條為航空用牌號。HT4 （HGH41）和HT4（HGH30）為用于調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接的鎳基合金焊條4）為防止延遲裂紋，焊后應及時進行熱處理。若及時進行調(diào)質(zhì)處理有困難，可進行中間退火

28、或在高于預熱的溫度下保溫一段時間，以排除擴散氫并軟化熱影響區(qū)組織。中間退火還有消除應力的作用。30CrMnSiA鋼具有回火脆性，這類鋼焊后回火溫度應避開火脆性的溫度范圍(250400)，一般采用淬火+高溫回火，并在回火時注意快冷，以避免第二類回火脆性。在強度要求較高，并可以犧牲一些韌性時，可進行淬火+低溫回火處理。在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接，要全面保證焊接質(zhì)量比較困難。因為同時解決冷裂紋、熱影響區(qū)脆化及軟化三方面的問題，需采用的工藝措施相互有較大的矛盾，因此，只能是在保證不產(chǎn)生裂紋的前提下盡量保證接頭的性能。在調(diào)制狀態(tài)下焊接的工藝要點如下：1） 預熱溫度、層間溫度及焊后回火溫度均應低于焊前回火溫度50一

29、下。2） 采用熱量集中、能量密度高的焊接熱源，在保證焊透的條件下盡量用小的線能量，以減小熱影響區(qū)的軟化。選用氬弧焊或等離子弧焊、電子束焊效果較好。3） 因焊后不再進行調(diào)質(zhì)處理，焊接材料成分可與母材有較大差別。為了防止冷裂紋，可以用奧氏體不銹鋼焊條或鎳基焊條。第五章 防止30CrMnSiA鋼裂紋的措施在焊接應力及其它致脆因素共同作用下，焊接接頭中局部地區(qū)的金屬原子結(jié)合力遭到破壞而形成的新界面所產(chǎn)生的縫隙，叫做焊接裂紋。它具有尖銳的缺口和大的長寬比的特征。裂紋是危害最嚴重的焊接缺陷。這主要是因為裂紋兩端的缺口效應造成了嚴重的應力集中，很容易擴展而形成宏觀開裂或整體斷裂。因此，在焊接生產(chǎn)中，裂紋一般

30、是不允許存在的。所以要嚴格控制產(chǎn)生裂紋的因素，以保證較好的焊接質(zhì)量。焊接裂紋的分類1.焊接熱裂紋在焊接過程中，焊縫和熱影響區(qū)金屬冷卻到固相線附近的高溫區(qū)產(chǎn)生的焊接裂紋，叫做焊接熱裂紋。2. 焊接冷裂紋焊接接頭冷卻到較低溫度下（相對鋼來說在Ms溫度以下）時產(chǎn)生的裂紋，叫做冷裂紋。3. 消除應力裂紋焊件焊后在一定溫度范圍再次加熱時，由于高溫及殘余應力的共同作用而產(chǎn)生的晶間裂紋，叫做消除應力裂紋。4. 層狀撕裂層狀撕裂是指焊接時，在焊接構件中沿鋼板軋層形成的呈階梯狀的一種裂紋。中碳調(diào)質(zhì)鋼的淬硬傾向大,熱影響區(qū)產(chǎn)生的馬氏體組織,增大了焊接接頭的冷裂傾向，又碳及合金元素含量高，熔池的結(jié)晶溫度區(qū)間大，偏析

31、嚴重，因而具有較大的熱裂紋敏感性。所以說易產(chǎn)生冷裂紋與焊接熱裂紋。 5.1結(jié)晶裂紋產(chǎn)生的原因焊縫金屬在結(jié)晶后期出現(xiàn)開裂，原因來自于兩方面：焊縫金屬在結(jié)晶后期抗裂能力（以伸長率代表）下降和拉伸應變的形成。焊接時金屬材料的塑性變化見圖5.11 圖5.11 高溫時金屬材料塑性的變化結(jié)晶裂紋的產(chǎn)生式由于在焊縫凝固后期存在了液態(tài)薄膜，并受到拉應力的作用的結(jié)果當min時不會開裂；=min時處于臨界狀態(tài)；只有min時才會產(chǎn)生裂紋。圖5.12 中的曲線1、2、3分別表示上述三種情況。圖5.11 焊接時產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的條件（Tl液相線溫度 Ts固相線溫度）防止結(jié)晶裂紋的措施主要從冶金和工藝兩方面著手，其中冶金措施

32、更為重要。1） 控制焊縫中硫、磷、碳等有害元素的含量。2） 調(diào)整熔渣的堿度。焊接熔渣的堿度越高，熔池中脫硫、脫氧越完全。3） 調(diào)整焊接參數(shù)已得到抗裂能力較強的焊縫成形系數(shù)。4） 調(diào)整冷卻速度。冷速越高變形增長率越大，結(jié)晶裂紋傾向也越大。5） 調(diào)整焊接順序降低拘束應力。接頭剛性越大，焊縫金屬冷卻收縮時受到的拘束應力也越大。52冷裂紋的防止措施冷裂紋產(chǎn)生的主要因素：一是 鋼中含有的磷雜質(zhì)以Fe2P和Fe3P的形式存在，F(xiàn)e3P能與鐵形成低熔點共晶，聚集于晶界消弱晶粒建的結(jié)合力，使鋼在低溫或常溫下變脆，造成冷裂紋；二是 焊接過程中由于化學反應，空氣或水的分解等因素，焊縫中溶解了一定量的氫，氫能向焊縫

33、缺陷出流動富集形成氫脆，甚至形成“氫至延遲裂紋”這是冷裂紋中最嚴重也是最危險的問題；三是 焊縫中存在氮、氧原子或化合物也能使金屬變脆，引起冷裂紋；四是 淬火傾向大的鋼或厚板剛性大的焊接由于沒有采取預熱或緩冷的措施，冷卻速度快造成較大的內(nèi)應力和焊接殘余應力，這個應力超過了材料所能承受的力就會產(chǎn)生裂紋。53嚴格控制氫的來源氫是形成冷裂紋的一個重要因素，在形成冷裂紋的過程中的作用于其溶解度和擴散規(guī)律有關。由于氫在金屬各相中的溶解度不同，其就以過飽和的形式殘留于馬氏體或貝氏體中，并擴散到應力中或晶格缺陷處結(jié)合成分子，形成較高的局部應力，再加上熱應力、組織應力的共同作用就可能造成開裂。氫致裂紋的延遲，氫

34、逐漸向開裂部位擴散集中，結(jié)合成分子并形成一定的壓力的過程。焊縫中氫的平均濃度越高，則遷移的氫數(shù)量越多，遷移速度也越高。 圖5.31 延遲斷裂時間與應力的關系綜上所述氫是形成冷裂紋以及斷裂的重要因素，因此，從焊接材料、焊接方法以及工藝等方面嚴格控制氫的來源，選用低氫鈉型、低氫鉀型焊條，嚴格清理待焊處兩側(cè)20mm之內(nèi)的油污等雜質(zhì)。對焊絲、焊條、焊劑在干燥條件下使用，焊絲徹底清理表面的油污等雜質(zhì)，焊條依照工藝保證烘干（在嚴格的烘干溫度與保溫時間內(nèi)）5.4焊前預熱30CrMnSiA鋼含碳量與合金元素的含量較高，淬硬傾向較大，焊前應進行預熱，這樣可以有效地降低冷卻速度，從而改善接頭的組織，降低拘束應力，

35、并有利于氫的析出，可有效地防止冷裂紋的產(chǎn)生。鋼的強度與預熱問的關系見圖5.41 圖5.41 鋼種強度與預熱溫度的關系在選擇線能量時必須防止熱區(qū)因沉淀強化相得溶解而造成脆化，故線能量不宜過大。大的線能量對含碳及合金元素較多的鋼，還需要考慮防止冷速過大而出現(xiàn)淬火組織或冷裂紋，因而線能量也不宜過小。線能量對冷速的調(diào)節(jié)范圍是很小的，所以要同時防止過熱和冷裂紋兩方面的問題，這時還必須預熱或后熱措施，從而既防止了冷裂紋，又避免了過熱脆化，接頭韌性的以保證。圖54 為過熱區(qū)焊接熱循環(huán)示意圖圖5.42 過熱區(qū)焊接循環(huán)示意圖1 小線能量 2大線能量3 采用預熱的理想情況5.5焊后熱處理焊后進行不同的熱處理，可以

36、分別起到起到消除擴散氫、降低和消除殘余應力、改善組織或降低硬度等作用。焊后常用的熱處理制度有消氫處理、消除應力退火、正火和淬火（或淬火+回火）在焊接過程中，由于加熱和冷卻的不均勻性，以及構件本身產(chǎn)生拘束或外加拘束，在焊接工作結(jié)束后，在構件中總會產(chǎn)生焊接應力。焊接應力在構件中的存在，會降低焊接接頭區(qū)的實際承載能力，產(chǎn)生塑性變形，嚴重時，還會導致構件的破壞。30CrMnSiA鋼材料在焊接以后，其焊接接頭會出現(xiàn)淬硬組織，使材料的機械性能變壞。此外，這種淬硬組織在焊接應力及氫的作用下，可能導致接頭的破壞。如果經(jīng)過熱處理以后，接頭的金相組織得到改善，提高了焊接接頭的塑性、韌性，從而改善了焊接接頭的綜合機

37、械性能。常用的方法有兩種：一是整體高溫回火，即把焊件整體放入加熱爐內(nèi)，緩慢加熱到一定溫度，然后保溫一段時間，最后在空氣中或爐內(nèi)冷卻。用這種方法可以消除80%-90%的焊接應力。另一種方法是局部高溫回火，即只對焊縫及其附近區(qū)域進行加熱，然后緩慢冷卻，降低焊接應力的峰值，使應力分布比較平緩，起到部分消除焊接應力的目的。第六章 30CrMnSiA鋼焊接質(zhì)量檢驗方法焊接缺陷在焊縫中位置的不同，可分為外部缺陷與內(nèi)部缺陷兩大類。外部缺陷位于焊縫區(qū)的外表面，用肉眼或低倍放大鏡即可觀察到。焊縫尺寸不符合要求、咬邊、焊瘤、弧坑、燒穿、下榻、外部氣孔、表面裂紋等。內(nèi)部缺陷位于焊縫的內(nèi)部：未焊透、未熔合、夾渣、夾雜

38、物、氣孔、焊接裂紋等。外部缺陷可以用低倍放大鏡與焊接檢驗尺進行檢驗，焊接尺寸的檢驗主要檢驗焊接完成后零件的外形尺寸，焊縫的外形尺寸（焊縫的余高、寬度）表61 焊縫目測檢驗的項目檢驗項目檢驗部位質(zhì)量要求備注清理質(zhì)量所有焊縫及其邊緣無焊渣、飛濺及阻礙檢驗的附著物幾何形狀焊縫與母材相連處焊縫完整，不得有焊漏，連接處應圓滑過渡可用焊接檢驗尺測量焊縫形狀和尺寸急劇變化的部位焊縫高低、寬窄及結(jié)晶焊波應均勻焊接缺陷1. 整條焊縫和熱影響區(qū)附近2. 重點檢查焊縫的接頭部位、收弧部位、幾何形狀和尺寸突變部位1. 無裂紋、夾渣、焊瘤燒穿等缺陷2. 外部氣孔、咬邊應符合有關標準規(guī)定接頭部位易產(chǎn)生焊瘤、咬邊等缺陷收弧

39、部位易產(chǎn)生弧坑、裂紋等缺陷傷痕補焊裝配拉肋板拆除部位無缺肉及遺留焊疤母材引弧部位無表面氣孔、夾渣、裂紋、疏松等缺陷母材機械劃傷部位劃傷部位不應有明顯棱角和溝槽，傷痕深度不超過有關標準規(guī)定30CrMnSiA鋼在進行熱處理后零件變形較大，所以在焊后檢驗時應認真檢測。對于焊接內(nèi)部缺陷的要用射線照相法探傷進行檢驗,檢驗時應正確的選擇射線方向與功率。觀察底片上產(chǎn)生黑色的缺陷痕跡，來確定內(nèi)部缺陷的形狀尺寸、位置等。對于缺陷位于或接近工作表面時，也可用磁粉探傷進行檢驗。這些缺陷存在時，則磁力線不但在工件內(nèi)部產(chǎn)生彎曲，而且還會還會穿過工件表面漏到缺陷附近空氣中形成一個微小的局部磁場，如果把磁粉的懸浮液噴灑在工件表面上，磁粉將在缺陷處被吸附，形成與缺陷形狀相應的磁粉聚集線，以便觀察缺陷。 由于30CrMnSiA鋼在為防止冷裂紋的產(chǎn)生，焊接時選用了不銹鋼焊條，A為面心立方晶格，所以沒有磁性不能進行磁粉探傷。為此，選用滲透探傷，這種