16Mn低合金钢埋弧焊(毕设)

16Mn低合金钢埋弧焊接头组织与性能分析主要内容1.毕业设计研究主要内容及意义。2.埋弧焊工艺参数。3.实验材料、设备及方法4.试验结果与分析。5.结论1.毕业设计研究主要内容及意义毕业设计研究主要内容：(1).制定16Mn钢埋弧焊工艺方案。(2).研究焊接电流对接头显微组织和力学性能的影响。(3).研究焊剂对接头显微组织和力学性能的影响。1.1埋弧焊的原理及特点1.1.1埋弧焊成型原理预先把颗粒状焊剂散布在焊接线上，通过自动送丝装置把焊丝连续地送进焊剂中，在焊丝前端与母材间引燃电弧进行自动电弧焊(图1.1)。埋弧自动焊焊接时，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。由于电弧被掩埋在焊剂里面，从外部看不见，因此称作埋弧焊（图1.2）。图1.1埋弧焊示意图图1.2埋弧焊焊缝形成过程示意图1.1.2埋弧焊特点（1）保护效果好（2）防护好：较厚的焊剂层遮住了电弧和飞溅，基本消除了弧光和飞测物对焊工的危害。（3）生产效率高（4）可供选用的焊丝和焊剂的品种较多。（5）焊丝和焊剂的配合使用，易于实现焊缝的成分调整。1.2课题的研究意义1.4.2研究意义Q235钢材和埋弧焊技术应用广泛，而且常常搭配在一起使用，对Q235埋弧焊接头组织和冲击韧性研究有利于提高其焊接质量及能源和焊材的使用效率，有助于缩短我国与国外同行业间的技术差距，减少能源和矿产资源的浪费，推动产业现代化。2.埋弧焊的工艺参数埋弧焊的焊接参数主要有：焊接电流、电弧电压、焊接速度、焊丝直径和焊丝伸出长度等。（1）焊接电流当其他参数都不变时，焊接电流对焊缝形状和尺寸的影响较大。一般焊接条件下，焊缝熔深与焊接电流的大小成正比，随着焊接电流的增加，熔深和焊缝余高都有显著增加，而焊缝的宽度变化不大。（2）电弧电压随着电弧电压的不断增加，焊缝熔宽度明显增加，而熔深和焊缝余高则有所下降。但是电弧电压太大时，不仅使熔深变小、产生未焊透，而且会导致焊缝成形差、脱渣困难，甚至产生咬边等缺陷。（3）焊接速度当其他焊接参数不变而焊接速度增加时，焊接热输入量相应减小，从而使焊缝的熔深也减小。焊接速度太大会造成未焊透等缺陷。（4）焊丝直径与伸出长度当其他焊接参数不变而焊丝直径增加时，弧柱直径随之增加，即电流密度减小，会造成焊缝宽度增加，熔深减小。反之，则熔深增加及焊缝宽度减小。（5）焊丝倾角焊丝的倾斜方向分为前倾和后倾。倾角的方向和大小不同时，电弧对熔池的力和热作用也不同。当焊丝后倾一定角度时，由于电弧指向焊接方向，使熔池前面的焊件受到了预热作用，电弧对熔池的液态金属排出作用减弱，而导致焊缝变宽而熔深变浅。1.216Mn钢的焊接性1.2.116Mn钢简介16Mn钢属于合金结构钢，合金结构钢是用作机械零件和各种工程构件并含有一种或数种一定量的合金元素的钢。16Mn钢为热轧钢，热轧钢的屈服强度一般为294——343MPa，它属于C-Mn和C-Mn-Si系钢种，有时用V、Nb代替部分Mn，以达到细化晶粒和沉淀强化的作用，热轧钢的强化机理是固溶强化。16Mn钢的冷加工性能良好，允许冷冲压和进行切削加工。16Mn钢允许热冲压，加热温度为1000-1100℃，终压温度为750-850℃该钢冲压后的强度、塑性变化均不大。它具有良好的焊接性和缺口韧性，它的屈服强度受到了一定的限制。此钢种虽具有良好的焊接性，但由于它含有一定量的碳和锰等元素，焊接时的淬硬倾向比Q235碳钢稍大些，冷裂倾向也就稍大。在气温较低的情况下，或在焊件刚度和板厚都比较大的结构上焊接时，如果选用较小的热输入焊接一些短焊缝，焊接接头中就有可能产生淬硬组织或冷裂纹。2实验材料、设备及方法2.1实验材料实验的母材选用16Mn(Q345)钢，尺寸为：120mm×200mm×10mm，母材成分见表2.1，16Mn(Q345)钢的冷加工性能良好，允许冷冲压和切削加工。16Mn钢也允许热冲压，加热温度为1000~1100℃，终压温为750~850℃，直流自动埋弧焊焊接，采用的酸性焊剂为HJ431，成分如表2.3所示，HJ431是熔炼型高锰高硅低氢型焊剂，为红棕色至浅黄色的玻璃状颗粒，可交直流两用，直流焊时焊丝接正极，HJ431的焊接工艺性能良好，对焊接区轻微的锈迹不敏感；抗热裂纹性能好，又一定的抗潮能力。采用的碱性焊剂为SJ101，SJ101焊剂是一种硅钙型中性焊剂，成分如表2.4所示。采用该焊剂施焊时，焊缝增Si很多，也可从焊剂向焊缝过渡Mn，该焊剂具有“短渣”性质，焊接小直径的环缝时亦无熔渣下淌现象，适宜用于环缝焊接。焊丝选用生产中常见的直径为Φ4mm的H08MnA焊丝，焊丝的化学成分如表2.2所示。表2.1母材16Mn(Q345)钢成分（wt.%）表2.2焊丝化学成分（wt.%）表2.3焊剂HJ431化学成分（wt.%）表2.4焊剂SJ101化学成分（wt.%）2.2实验设备本实验中所需的实验设备有：立卧铣床、自动埋弧焊焊机、铜垫板、鼓风式烘干箱、数字冲击韧性试验机、电火花线切割机、金相显微镜、扫描电子显微镜、洛氏显微硬度计、4%硝酸酒精溶液、抛光机及砂纸。各仪器在实验过程中的作用分别如下：立卧铣床：用于加工焊件、垫板；自动埋弧焊焊机（如图2.1所示）：用于焊接焊件；铜垫板：用于承接焊液和导热；鼓风式烘干箱:用于焊前烘干焊丝；数字冲击韧性试验机（如图2.2所示）：用于测试焊件在冲击载荷下的韧性；电火花线切割机：用于加工金相试样、冲击试样及试样的夏比U型缺口；金相显微镜：用于观察和拍摄焊件的微观组织结构；扫描电子显微镜：用于观察和拍摄冲击试样断口处的形貌特征；洛氏显微硬度计：用于测试焊件不同组织处的硬度；抛光机：用于抛光金相试样；砂纸：用于打磨金相试样和焊前手工清理铁锈；图2.1自动埋弧焊焊机图2.2数字冲击韧性试验机2.3焊接工艺参数采用单丝直流进行焊接。焊缝均处于平焊位置，各式样采用的焊接参数如表2.5所示，焊丝伸出长度为25-28mm。直流自动埋弧焊时选用直径Φ4mm的焊丝。焊件装配间隙=lmm，背面采用焊剂衬垫。表2.5焊接试样工艺参数2.4焊前准备所有焊件均为对接接头，由于焊件的板厚为10mm,为了保证焊缝根部不出现未焊透或央渣等缺陷，并且减少了填充金属量。因此焊件选择开单面V形坡口，开带钝边的V形坡口，钝边高度为2mm，坡口角度60°，尺寸如图2.3所示。由于埋弧焊时所用的焊丝和焊剂对焊缝金属的成分、组织性能影响很大，因此采用角磨机对待焊部位表面清理，避免氧化皮、铁锈及油污对焊缝组织的影响，装配焊件时保证间隙均匀，高低平整，装配间隙≤lmm，背面用焊剂衬垫。垫板采用紫铜板材(200mm×50mm×25mm)做焊接垫板，尺寸如图2.4所示。为了防止氢入侵焊缝必须将焊剂烘干。在进行焊接前对焊剂进行烘干,HJ431焊剂250℃保温2小时，SJ101焊剂350℃保温2小时，使用时尽量保持干燥无杂物。图2.3坡口尺寸图2.4铜垫板截面图（单位：mm）2.5接头宏观检验宏观检验是用肉眼或借助低倍放大镜观察金相组织，可以清晰地看到焊缝各区的界线、未焊透、裂纹、偏析和严重的组织不均匀等。2.6接头显微组织观察与分析经过在砂纸上粗磨、细磨，在抛光机上抛光，然后用腐蚀液腐蚀，最后使用金相显微镜观察并拍摄金相照片。分别对6组试样的焊缝、熔合区、热影响区、母材进行观察与分析。•2.7接头金属显微硬度和冲击韧性测试分别在焊缝、熔合区截取试样，试样的尺寸如图2.5所示，测出焊缝、熔合区的冲击韧性值并分析。焊缝处冲击试样的截取如图2.6所示。再分别测出6个试样焊缝、熔合区、热影响区、母材的硬度并进行对比分析。显微硬度测试点如图2.7所示。•接头金属显微硬度测试的目的是测量焊缝、热影响区余属材料的硬度，并可间接判断材料的焊接性。使用HRB型洛氏显微硬度计对试样进行硬度测试并记录硬度数据。•图2.5冲击试样尺寸图2.6焊缝处冲击试样截取示意图图2.7显微硬度测试点分布3.实验结果与分析•3.1焊缝宏观形貌•对16Mn低合金钢进行埋弧焊焊接，6个焊接样本宏观表面如图3.1—图3.6。图3.11号焊缝宏观形貌图3.22号焊缝宏观形貌•图3.33号焊缝宏观形貌图3.44号焊缝宏观形貌图3.55号焊缝宏观形貌图3.66号焊缝宏观形貌3.2焊接接头金属组织3.2.1母材金属组织使用4％硝酸酒精溶液腐蚀制备好的母材和焊接接头试样．并用金相显微镜对焊缝金属显微组织进行了观察分析。图3.416Mn母材组织3.2.2焊缝金属组织图3.51号试样焊缝显微组织图3.62号试样焊缝显微组织图3.73号试样焊缝显微组织图3.84号试样焊缝显微组织图3.95号试样焊缝显微组织图3.106号试样焊缝显微组织在焊接电压相同焊接速度相同时使用酸性焊剂条件下，焊接接头焊缝金属组织为沿柱状晶界分布的片状亚共析铁素体，晶内有少量的针状铁素体，其间有少量珠光体。在焊接电压相同焊接速度相同时使用碱性焊剂条件下，焊缝金属组织与采用酸性焊剂得到的焊缝金属组织基本一致，为沿柱状晶界分布的片状亚共析铁素体和魏氏组织。这是由于碱性焊剂含有较多的Mn、Si、Ca等元素，在冶金反应过程中，有利于结晶形核，使焊缝处晶粒细小，同时这些元素容易在晶界处析出，易产生魏氏体和珠光体。焊缝金属的晶粒随着焊接电流的增大有而变得粗大，这是因为焊接电流较大时，线能量较大，即其热输入大，相对于较小的焊接电流，其冷却速度较慢，熔池停留高温阶段的时间较长，因此焊缝金属晶粒相对粗大。3.2.3熔合区金属组织熔合区是焊缝与母材之间的部位，加热温度在液相线和固相线之间．因此又叫半熔合区。它既不同于焊缝，也不同于热影响区，其主要特征是几何尺寸小、成分不均匀、空位密度高、残余应力大以及品界液化严重等。它是焊缝和母材热影响区的过渡区域．焊接接头熔合区的范围很窄，一般只有几个晶粒宽。由于碳和合金元素的相互扩散，化学成分极不稳定，从而使组织和性能极不稳定，所以熔合区的状态对接头性能有很大的影响。图3.11一号试样熔合区200倍图3.12二号试样熔合区200倍图3.13三号试样熔合区200倍图3.14四号试样熔合区200倍图3.15五号试样熔合区200倍图3.16六号试样熔合区200倍从使用酸性焊剂直流反接埋弧焊焊接接头熔合线处×100和×400金相照片可以发现，熔合区近母材一侧组织为白色铁素体和黑色珠光体，熔合区附近焊缝组织为针状铁素体+珠光体，针状铁素体是在原奥氏体晶内以针状生长的铁素体，针状铁索体的增加可以显著改善焊缝的韧性；从使用碱性焊剂直流反接埋弧焊焊接接头熔合线处×100和×400金相照片可以发现，其熔合区两侧的金属组织与使用酸性焊剂时基本一致没有明显变化，只是晶粒粒较为细小，局部出现了魏氏铁素体组织。这是由于碱性焊剂含有较多的Mn、Si、Ca等元素，在冶金反应过程中，有利于结晶形核，使焊缝处晶粒细小，同时这些元素容易在晶界处析出，阻碍晶粒长大，同时在坡口处过冷较大易产生细晶区，因此使用碱性焊剂得到的熔合区晶粒较为细小，局部出现魏氏体组织。由图3.14-图3.25对比可以看出，焊缝金属的晶粒随着焊接电流的增大有而变得粗大，这是因为焊接电流较大时，线能量较大，即其热输入大，相对于较小的焊接电流，其冷却速度较慢，熔池停留高温阶段的时间较长，因此焊缝金属晶粒相对粗大。表明电流的大小对形成组织的大小有一定影响。3.2.4热影响区金属组织焊接热影响区里距焊缝远近不同的部位所经历的焊接热循环不同，因而不同部产生不同的组织并具有不同的性能，于是整个焊接热影响区成形出分布不均匀的组织和性能。因此，焊接接头热影响区可能成为接头的薄弱环节。图3.26-图3.31为焊接热影响区×100的照片，可以清晰的观察到从焊接热影响区晶粒由大到小变化的分布。加热温度在固相线以下到晶粒开始寄居长大的温度范围内的区域叫过热区，也称作粗晶区。图3.17焊缝熔合区热影响区100倍图3.18焊缝熔合区热影响区100倍图3.19焊缝熔合区热影响区10