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埋弧焊接工艺对Q345E钢焊缝组织及性能的影响研究_毕业论文

本站原创   发布时间:2018-12-29   [点击量:1176]  


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随着科技的发展,钢结构埋弧焊工艺中使用的钢材必须具有较高的抗拉强度和屈服点、塑性和韧性、良好的工艺性能等特征。甚至在某些情况下,要求此钢材具有适应低温、高温和腐蚀性环境的能力。Q345E合金高强度结构钢板系列产品广泛用于高层建筑、地下和海洋设施、铁路运输、工程机械、压力容器等各类低温环境下使用的工程结构件,特别是对可焊性和低温冲击韧性要求严格的重要结构件。国内某钢厂在生产该钢种热轧板时出现屈服强度偏低和冲击性能波动幅度大的问题,产品的合格率较低,造成较大经济损失。

本文首先从埋弧焊优、缺点以及应用范围两个方面简里介绍了埋弧焊,选用Ni1K+BF-40H焊材在Q345E低合金钢表面进行埋弧焊接工艺试验,对堆焊层进行显微组织分析并测试了堆焊金属的硬度以及耐磨性,然后针对Q345E钢对埋弧焊接工艺进行了粗略的研究,根据显微组织对照的硬度和机械性能,最后探究埋弧焊接工艺对Q345E钢焊缝组织及性能的影响的研究。


关键词:埋弧焊接工艺  Q345E钢  焊缝组织  性能研究


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1.1课题的研究背景和意义

 从20世纪60年代开始发展起来的Nb、 V 、T微合金化技术以其显著的技术经济优势在世界范围内获得了广泛应用,我国钛资源总量9.65亿,t占世界总资源量的38. 85%,研究和发展钛微合金钢可以发挥我国资源优势,由于钛铁的经济性,采用T微合金化具有更低的成本。基于稳定和提高热轧板带Q345E的实物质量并综合考虑成本因素,进行了钛微合金化Q345E的生产试验研究,产品性能全部符合国际标准并实现了批量化生产,为开拓钦微合金化钢的应用范围作了有益的尝试。

我们已经认识到焊接电流、电弧电压、焊接速度、焊丝直径与伸出长度、焊丝倾角甚至钢结构焊件的根部问隙、焊件坡口形状等工艺参数都会影响到钢结构工程埋弧焊接的质量与施工进度。并且,埋弧焊焊接应力还可能造成钢板焊后变形,其结果是:误差超出了可控制的范围,严重时可造成钢结构的报废。所以,为了提高钢结构的利用率、焊接生产率、焊接的质量,我们有必要对钢结构埋弧焊接工艺进行研究。焊接变形和应力控制是焊接结构生产制造的重要课题,是影响焊接结构设计完整性、制造工艺合理性和结构使用可靠性的关键因素,这对于承受较大静、动负荷的铁道车辆转向架焊接构架尤为重要。焊接变形是焊接结构生产制造过程中的普遍现象,必须经过矫正才能满足使用要求[1]。

我国高速轨道客车制造技术正处于战略性发展阶段,高速客车的转向架制造技术是高速客车的核心技术之一,我国时速200-300km /h的高速轨道客车转向架采用Q345E低合金高强钢制造。转向架为钢制焊接结构,结构复杂、刚度大、焊接过程中使用刚性夹具来防止焊接变形,这一系列条件导致焊接完成后结构中存在较大的残余应力。残余应力的存在,将影响转向架的使用性能。为了消除焊接区域峰值应变,达到内部应变均匀分布这一目的,可以采取多种方法,如机诫震动法、焊后加热法等。工业生产中一般采用焊后去应力退火热处理工艺消除焊后残余应力,焊后去应力退火热处理工艺一般会选用去应力退火或再结晶退火处理,为了保证母材的强度和硬度,防止转向架的整体软化,通常采用去应力退火。火焰矫正是焊接结构生产矫正焊接变形最常用的方法。以往人们对热矫正工艺参数对材料及其焊接接头性能影响的研究很少,所以进行本项目的研究对于优化Q345E钢的焊接工艺具有十分重要的现实意义。


1.2国内外研究现状

焊接方法是整个焊接工艺制定的关键,焊接方法的发展也能体现出焊接工艺的发展。锻焊和钎焊等低水平的焊接主要出现在古代,由于其以火炉作为热源,能量低且不集中,只能适用于要求不高的武器、饰品和工具等方面,而长焊缝和大截面的焊件则无法使用。电弧和氧化炔能局部融化的高温热源在 19 世纪初被英国的 H.Davy 和Edmund Davy 发现后现代焊接技术即步入了快速发展的阶段,电阻焊、闪光对焊和铝热焊等焊接方法都应运而生。20 世纪初,英国人 Strohmyer 发明的电弧稳定的薄药皮焊条电弧焊是一种非常重要的焊接方法,由于焊接熔池能受到焊渣较好的保护,从而使得手工电弧焊的焊接质量也得到明显提高。同一时期,由于自动电弧焊机的推广应用也使得焊接迈向了自动化和机械化的阶段。紧接着埋弧焊、钨极惰性气体保护焊和熔化极惰性气体保护焊以及电渣焊等焊接方法的出现也促使了焊接技术的蓬勃发展。如激光焊、电子束焊、等离子焊和爆炸焊等高能量密度熔焊到了 60 年代以后相继出现,改善了各类钢材的焊接性,极大的推动了焊接技术以及社会的发展。 

低合金高强钢常用的焊接方法有气体保护焊、焊条电弧焊和埋弧焊等。气体保护焊焊接效率高、焊接变形小、热量集中,焊接时熔池保护性和脱氢效果好。焊条电弧焊则操作简单,能很好的适应车间和野外施工现场。埋弧焊则生产效率高、受焊剂保护焊接质量好、无弧光、烟尘少以及熔深大能适用于厚板的焊接[2]。 

肖晓明等人采用不同保护气体对低合金高强钢焊接发现,若采用 100%的 CO2保护气体,焊缝韧性相对较差,以贝氏体和铁素体组织为主。而采用 CO2 和氩气的混合保护气体后,焊缝组织以针状铁素体和少量侧板条铁素体为主,韧性显著提高。混合保护气体中的CO2 含量增加促使了焊缝中夹杂物的种类不同,且夹杂物尺寸变大,数量也增加,从而导致了焊缝的韧性下降。 

S. Liu等人研究发现,气体保护焊中不同的气体会影响焊缝中夹杂物含量、数量、大小及分布状态。段旭东等人发现气体保护焊中保护气体的 CO2 含量越高则焊缝中H、O、N 含量也越高但增幅会减小。 

K. Prasad等人通过调节埋弧焊的电流、电压和焊接速度等参数对分析研究低合金高强钢的焊接接头组织和性能,结果表明,熔敷金属和焊接热影响区的晶粒随着焊接热输入的增大也粗化了。焊接接头的最高值出现在了距焊缝中心 10mm 处的热影响区,从焊缝中心到母材的硬度值也随着焊接工艺的不同而变化。焊接电流增加或者焊速减小都会导致硬度的降低。 

娄宇航等人通过手工电弧焊和埋弧焊对 690MPa 级的低合金高强钢焊接,分析研究组织与性能的关系。焊缝组织均为板条贝氏体和少量针状铁素体,粗晶区均为粗大的贝氏体和少量马氏体,且焊缝中均存在大量球状夹杂均匀分布,焊接接头都有良好的力学性能。 

摩擦焊与埋弧焊同样出现于 20 世纪 50 年代,它是一种具有焊接效率高、节能环保且焊接质量高等优点的固相热压焊技术。焊缝中很少会出现气孔、夹杂、偏析等缺陷,非常适用于普通熔焊不好焊接的低合金高强钢焊接,且能实现焊缝与母材的等强匹配。R. S. Mishra指出摩擦焊可以应用于传统焊接方法难以实现的材料以及航空高强度铝合金的焊接,是一种高效、环境友好型的新型固态连接方法,也是近十年金属连接领域新兴的绿色焊接技术。 

由于激光在工业上的广泛应用,焊接领域也运用其研究出了激光焊接。激光焊接具有热源集中、焊接热影响区小、焊接速度快、焊缝强度高且美观、激光束控制灵活等优点,从而使得激光焊成为焊接领域的研究热点。李俐群等人采用激光填丝多层焊进行厚板低合金高强钢的焊接,对比分析单、双光束激光填丝焊对厚板低合金高强钢的焊接接头的性能。研究表明,双光束激光填丝焊能有效减少焊缝中未熔合和气孔等缺陷,提高焊接质量的稳定性。 

低合金高强钢的焊接方法虽然种类很多,但综合考虑其焊接成型性、经济性以及适用性等等,发现普遍应用居多的还是熔化焊,其中包括气体保护焊、埋弧焊和手工电弧焊等等。 

1.3研究内容和目的

本文拟通过焊接工艺试验、焊接接头与母材的拉伸、弯曲、冲击、金相、硬度和疲劳试验,并采用光学显微镜、SEM电子扫描显微镜等手段对埋弧焊接工艺下Q345E低合金钢焊缝组织和性能的影响进行研究,为实际生产中Q345E低合金钢的埋弧焊接工艺的制定提供依据。

(1)采用埋弧焊对 Q345E钢进行焊接,得到成型良好的焊接接头,确定焊材的适用性。 

(2)通过光学显微镜、扫描电镜、能谱、透射电镜以及 EBSD 试验方法研究不同热输入对焊接接头的焊缝和热影响区组织的影响。 

(3)通过焊缝金属的棒拉伸、焊接接头的各区域的硬度、焊接接头的板拉伸、弯曲以及冲击试验研究不同热输入对焊缝和热影响区性能的影响。 

本课题主要以Q345E低合金钢为试验材料,通过常规力学性能、脉动拉伸疲劳、断口形貌及金相组织分析等试验,分别研究了埋弧焊接工艺对Q345E低合金钢焊接接头力学性能和金相组织的影响,确定了埋弧焊接工艺对典型焊接接头性能的影响规律,提出了合理的、适用于生产实际的Q345E低合金钢及其埋弧焊接工艺,为我国工业生产和Q345E钢的生产提供技术理论与实践依据。


2、Q345E埋弧焊接试验内容

2.1实验所用材料成分的设计

焊接工艺包括焊前预热、工艺参数、焊接方法和焊后热处理等。低合金高强的焊接方法和工艺参数与焊接接头的组织及性能密切相关。不同的焊前预热和焊后热处理也会影响焊接接头组织的晶粒大小和脆性。 Q345是一种钢材的材质。它是低合金钢(C<0.2%),广泛应用于建筑,桥梁、车辆、船舶、压力容器等。Q代表的是这种材质的屈服强度,后面的345,就是指这种材质的屈服值,在345兆帕左右。并会随着材质的厚度的增加而使其屈服值减小。Q345E的化学成分为:C≤0.20,Mn ≤1.7,Si≤0.55,P≤0.025,S≤0.025,V 0.02~0.15,Al≥0.015;

Q345 E钢是一种高强度工程结构钢,它具有较高的强度,良好的冷变形能力,较好的塑性与韧性,能抵抗过载,因而被广泛应用于各个领域。控轧控冷(TMCP)工艺是一种有效改善钢材组织和性能的方法。然而对于较厚的工程结构钢采用控轧控冷工艺得到的产品组织通常不均匀,比如产生一些珠光体条带缺陷,导致性能波动。因此需要进行后期的正火处理,以期获得最佳的综合性能。

 (1)碳 C 

碳能够稳定奥氏体、推迟贝氏体的转变。碳是影响残留奥氏体稳定性的主要元素,由于残余奥氏体影响材料的抗拉强度、韧性、工件的加工硬化程度、抗应变马氏体转变的能力和低温组织的稳定性等,总体来说,碳元素影响材料的性能。所以,适量的碳元素有利于改善材料的铸造性能。但是当碳含量过高时,容易出现石墨漂浮现象,所以不应采用较高的 C 含量。总之,应在避免产生石墨漂浮的前提下尽量提高C 含量,即碳含量控制在 0.2~1.0之间。 

(2)锰 Mn 

锰是一种廉价的合金元素。在高碳的情况下,Mn 会显著降低 Ms 点,添加量过多时,在淬火过程中,将会增加残余奥氏体的含量,降低磨球的淬火硬度;当奥氏体向贝氏体转变时,Mn 具有推迟这个过程的作用。另外,锰与铁相比较更容易与硫发生化学反应少量的锰还有利于增加磨球的强度、硬度、耐磨性和淬透性。对直径 120mm 磨球产品,设计添加锰,抑制磨球奥氏体化后的冷却过程中的高温分解,但过高的锰含量,导致淬火组织中大量的残余奥氏体出现,不利于淬火马氏体高硬度的获得,因此,将锰含量设定在1.5~2.0之间。 

(3)硅 Si 

硅是显著强化铁素体的元素,同时硅的添加,亦提高淬透性,降低临界冷却速度,提高淬火马氏体的硬度,而且具有提高马氏体的抗回火软化能力,即提高回火稳定性。在氧化性腐蚀介质中,可提高耐蚀性。当硅含量小于 3.2%时,随硅含量的提高,白亮区减少,且细化贝氏体,还能细化石墨球并提高其圆整度。当硅含量高于3.2%时,造成碳在奥氏体中的溶解度降低,磨球等温淬火后,形成的低碳奥氏体容易转变成马氏体,最终导致材料的脆性增加。综合考虑,硅含量设计为0.4~0.6。


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