Q890钢焊接性分析及焊接工艺设计.doc

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1、 编号 毕业设计（论文） 题目 二级学院 专 业 班 级 学生姓名 学号 指导教师 职称 时 间 重庆理工大学毕业论文 目录目 录摘 要IAbstractII1 绪 论11.1前言11.2 低合金高强钢的概述11.3 低合金高强钢的发展21. 4低合金高强钢的焊接研究现状31.4.1 焊接特点31.4.2 接头的组织性能研究41.4.3 焊接工艺51.4.4 焊缝强度匹配61.5课题的研究意义、内容及技术路线71.5.1本课题的研究意义71.5.2课题的研究内容及技术路线82 Q890钢焊接性分析及焊接工艺设计102.1 试验材料102.2 焊接理论分析102.2.1焊接冷裂纹敏感性112.2

2、.2热裂纹敏感性122.2.3再热裂纹敏感性122.3 Q890钢的焊接工艺设计132.3.1 焊接方法的选择132.3.2 焊接材料的选择142.3.3 坡口形式的选择142.3.4 预热和层间温度152.3.5 焊接热输入量162.3.6后热温度的确定163 热输入对Q890钢焊接接头组织及性能影响分析183.1 试验方法183.1.1金相组织观察183.1.2扫描电镜实验193.1.3焊缝纵向拉伸实验193.1.4冲击试验203.1.5显微硬度测试203.2实验结果分析213.2.1接头宏观金相分析213.2.2接头显微组织分析243.2.3焊缝纵向拉伸实验353.2.4低温冲击试验及断

3、口形貌分析363.2.5接头硬度分析434 结 论47致 谢48参考文献49文献综述52重庆理工大学毕业论文 摘要摘 要本文对Q890钢进行了热输入分别为9kJ/cm、12kJ/cm、15kJ/cm的熔化极气体保护焊焊接。采用金相组织观察，显微硬度测试、扫描电镜、冲击、拉伸性能测试等分析方法对不同热输入条件下的接头组织、性能等进行了综合的对比及研究。实验结果表明，Q890钢采用熔化极气体保护焊，在合理的焊接规范下能得到综合性能良好、组织稳定的焊接接头。不同热输入焊接条件下，焊缝中组织主要为针状铁素体、粒状贝氏体以及马氏体的混合组织。随着热输入的增加，末道焊缝柱状晶平均宽度增加，针状铁素体的数量

4、增加，粒状贝氏体随之减少，马氏体组织逐渐消失；同时焊接热影响区各区的组织主要为马氏体组织。随着热输入的增加，粗晶区原奥氏体晶粒增大。力学性能试验结果表明，随着热输入的增大，焊接接头的抗拉强度逐渐降低；反之焊缝与热影响区的冲击韧性逐渐升高，不同热输入下焊接接头热影响区硬度高于母材和焊缝，且在熔合区偏焊缝侧出现硬度的谷值，而在熔合区偏母材侧出现硬度峰值。随着热输入的增加，焊缝区硬度随之增大。关键词：Q890钢；热输入；组织；焊接性；韧性；强度II重庆理工大学毕业论文 abstractAbstractIn this paper, the heat input such as 9kJ/cm, 12kJ

5、/cm, 15kJ/cm were used for the Q890 steel welding, and MIG welding was the method for this welding. In order to accomplish this paper, I use light optical microscope, Vickers microhard-ness testing machine, electron microscope and universal testing machine to test the joints which is used different

6、heat input and compared and analysed the results.The result show that, once the welding specifications is reasonable ,Q890 steel can be obtained a stability welded joints when using MIG welding. Even though heat input is different, the weld tissue is mainly composed of acicular ferrite, granular bai

7、nite and martensite, As the heat input increasing, the average columnar width of grain in end welds is increased, also the number of acicular ferrite is increased but granular bainite reduced, martensite gradually disappear. At the same time, organization of heat affected zone is mainly composed by

8、martensite. As the heat input increases, the coarse grain zone prior austenite grain will increase. Mechanical test shows that with the increases of heat input, the tensile strength of welded joints is decreased; however the toughness of weld metal and heat affected zone is increased, The hardness o

9、f HAZ higher than the base metal and weld metal in welded joint no matter how heat input it is. And at the same time in weld fusion zone which is closed the weld metal appear the hardness valley appears, on the other hand in the weld fusion zone closed base metal. As the heat input increases, the ha

10、rdness of the weld zone is increased.Keywords: Q890 steel; heat input; microstructure; Weldability; toughness; strength重庆理工大学毕业论文 1 绪论1 绪 论1.1前言低合金高强钢(简称HSLA钢)是一种可用于焊接的含碳量较低的工程结构用钢。目前我国一般如下定义低合金高强钢：钢中C、Mn、Si等主要的合金元素含量不超过5%，但是屈服强度一般在275MPa以上的钢种，其具有良好的焊接性、耐腐蚀性、耐磨性，通常以带、板、管等形式直接使用1。随着科技的发展，各国工业贸易也在发生日新

11、月异的增长。因此对于钢的强度、韧性以及焊接性都有了极高的要求。中国钢铁工业协会指出，我国早期时候的钢板多为碳素钢，所需要的高强度一般是通过提高碳的含量来达到目的，但是随着碳含量的提高，钢的焊接性也将会变得越来越差。随着社会的发展，人们对低合金高强钢的质量和性能提出更高的要求。因此，钢材只有向高强度和超高强度发展才能满足日益发展的机械、船舶、高压容器等工业需求2。从上世纪90年代末以来，人们开始尝试使用低合金高强度钢，但是由于许多行业对于低合金高强钢钢板的尺寸要求越来越大、质量要求越来越严格。因此开发更高性能的低合金高强钢刻不容缓 3。低合金高强钢的强化一般是通过固溶强化、细晶强化、位错强化与第

12、二相强化实现。这些都要靠微量合金元素的加入。低合金高强钢的韧化是通过合理的热处理而得到优良的组织如贝氏体组织，或者得到细晶组织。保持钢种的洁净也可以提高低合金高强的韧性。1.2 低合金高强钢的概述含碳量低是低合金高强钢的主要特点(含碳量一般低于0.45%，)，此外其可焊性好，晶粒细小，屈服强度高。通常主要采用Nb、V、Ti等合金元素进行强韧化。低合金高强钢具有较高的屈强比，足够的塑性、韧性。这使得其成为近30年来发展较为迅速、生产量大、使用面广的钢类之一。在现代工业中，大多数的低合金高强钢是采用先进的冶炼工艺和热处理工艺进行生产4-5。例如通过热控冷轧工艺来制造高要求的低合金高强钢，其过程就是

13、在热轧过程中，即不仅需要对加热温度、轧制温度，以及轧制压力进行控制，而且还要在此基础上对冷却过程进行控制。热控冷轧工艺不仅可以降低能耗、使生产工序简单化，而且还可以使钢材的综合力学性能提高，使钢的强度、韧性以及焊接性良好的组合，这是我们通常所说的单一的热处理工艺所不能达到的 6。低合金高强钢可以分为非调质钢和经过淬火-回火的调质钢。一般非调质钢是指常温抗拉强度在600MPa以下的钢材，调质钢则为600MPa以上的钢材。根据屈服强度大小，大致可以将其分为三个等级：A级：抗拉强度为290490Mpa。主要是热轧、控轧、正火钢，属于非热处理强化钢，应用非常广泛；B级：抗拉强度为490980MPa。主

14、要是低碳调质钢，属于热处理强化钢，它既有高的强度，又有较好的塑性和韧性，可以直接在调质状态下焊接，焊后不需要调质处理。这类钢主要用于大型工程机械、压力容器及潜艇制造；C级：抗拉强度为8801176MPa。主要是中碳调质钢，常用于强度要求很高的产品或部件，如火箭发动机壳体、飞机起落架等。由于调质、非调质钢在强度级别上存在差异，其焊接性、焊接工艺和焊接接头性能也有很大区别。1.3 低合金高强钢的发展在低合金高强钢的研究和发展领域中，我国起步较晚。上世纪中期，我国低合金高强度钢的生产基本是处于空白状态，钢板主要依赖于从国外进口。而同期，国外对于低合金高强钢的发展和应用已基本成熟。到了70到80年代，

15、我国开始进行控制轧制的基础研究，对于钢材强度的提高，不再采用提高碳的含量来增加强度，而是向钢中添加Mn、Si、Ni、Mo、Cr、Al等合金元素，以此来提高钢的强度，并且达到改善焊接性和耐磨性等力学性能。目前，我国的许多低合金高强钢的生产基本上都是采用此种方法。而低合金高强钢的使用过程中一般都需要焊接，因此对低合金高强钢在焊接时所配套使用的焊接材料的研究已经成为当前的热点问题之一4。到了80年代，我国先后开发了HG70钢以及HG80钢。HG70钢和HG80钢由于其极高的抗拉强度，特别适合制造挖掘机铲斗、电动轮、自卸车车厢板等强度级别要求高的构件。随着时代的发展，研究和开发焊接性良好而且便于热处理

16、的低合金高强钢，已经成为时代的要求。近年来，由于改进了生产工艺、完善了加工手段，我国对于强度级别高、机械性能优良钢材的生产技术己基本成熟。在钢材中增加碳和微量元素的含量可以钢材的强度，但是按照这种方法，随着钢强度的提高，钢材的韧性与焊接性会变差。在今后的十几年中，我国将重点开发强度级别能够达到800-1500MPa的新一代产品。这一类低合金高强的晶粒非常细小，焊接时将会面临许多严重问题，例如焊缝的强度、韧性差，以及热影响区的晶粒长大等缺陷。对于新一代低合金高强钢中存在的焊接问题，我们将从焊接特点、焊后组织性能和焊接工艺等多方面进行综合分析解决。1. 4低合金高强钢的焊接研究现状1.4.1 焊接

17、特点在低合金高强钢的焊接过程中，碳当量是成分设计的主要限制性条件之一7 。只有降低碳的含量，才能得到良好的焊接接头。同时由于钢中常常加入了多种合金元素，因此低合金高强钢的焊接性较差。其在焊接过程中常常会出现如下缺陷8：焊缝凝固裂纹，焊缝凝固裂纹属于热裂纹，一般出现在焊缝结晶后期，出现的原因是低溶共晶形成的液态薄膜减弱了组织晶粒间的联结，当遇到一定的拉应力时容易产生裂纹。焊缝韧性降低，焊缝的金属成分是由焊材和母材共同决定，热输入较大时，焊缝组织为不平衡的铸态组织，焊缝易出现强度增加，而韧性下降的情况。低合金高强钢在焊接过程中容易产生冷裂纹，延迟裂纹作为主要的冷裂纹，常常在热影响区的粗晶区中出现。

18、产生延迟裂纹的条件是一定的含氢量、淬硬组织以及拘束应力。由于低合金高强钢在焊接过程易形成马氏体组织，也可致使冷裂纹的出现。热影响区的软化，热影响区中凡是被加热且温度处于回火温度至Ac1范围的区域，其碳化物会积聚长大而使钢材软化。热影响区的脆化，热影响区的脆化主要是由于焊接时的过热使晶粒粗化在冷却后形成脆性组织。研究9指出，当在低合金高强钢焊接接头的影响区中出现热淬硬的马氏体或马氏体贝氏体铁素体组织时，接头就会对氢致延迟裂纹敏感；当产生贝氏体或贝氏体铁素体等非淬硬微观组织时，接头对氢致延迟裂纹不敏感。一般情况下，焊接冷裂纹的敏感性可以通过热影响区的最高硬度来粗略估计。对于常规的低合金高强钢，焊接

19、热影响区最高硬度应该控制在350HV 以下，以防止氢致延迟裂纹的产生。还有学者研究指出10，在接头熔合区容易发生热应变脆化，原因是在接头中的缺陷常出现于熔合区，当在缺陷周围存在连续的热应变作用，则此区域就容易出现应变集中并产生对韧性不利的组织。热应变脆化的倾向就会不断的增大。但是如果向钢中加入 N 元素并对钢进行退火处理可以降低热应变脆化倾向。还有研究指出11，对于大多数的低合金高强钢来说，层状撕裂的敏感性较较低，但是对于厚度方向承受载荷较大的结构，仍存在着层状撕裂的可能性1.4.2 接头的组织性能研究（1）焊缝的组织性能焊缝金属一般是指在熔焊过程中，填充金属与熔化的母材金属在熔池中发生混合而

20、成的混合金属组织。焊接接头焊缝组织的性能对构件性能起着至关重要的作用，低合金高强钢在焊接时候，焊缝的显微组织主要有：包含夹杂物的体心立方铁素体、在稍低温度时转变的面心立方奥氏体、粒状贝氏体、针状铁素体、马氏体、M一A组元等。针状铁素体是现代高强钢焊缝最常见的一种组织。针状铁素体与贝氏体组织形成的区别在于前者是在奥氏体晶内的夹杂物上形核并向四周生长，而后者在奥氏体晶界上形核并向晶内生长12。余圣甫、李志远13等人通过研究指出，夹杂物在其附近引起的较大应变能是针状铁素体形核的一个重要因素。作为一种惰性介质表面，夹杂物对起针状铁素体的形核有十分重要的作用。关于针状铁素体的生长机制，有学者通过研究表明

21、。在针状铁素体的长大过程中，常常伴随有浮凸效应和不变平面应变等特征。田志凌、田志凌等14在不同的焊接热输入条件下，通过热膨胀法测出了焊缝组织中针状铁素体的相变开始温度以及相变终止温度，从而得到了针状铁素体的相变温度范围，其认为针状铁素体相变是典型的扩散型相变研究15指出，在低合金高强钢的焊缝金属中，当焊缝金属的强度增大时，焊缝金属的组织转变为：铁素体、珠光体类型转变到粒状贝氏体类型转变，之后又为条状贝氏体和马氏体类型。此外，低合金高强钢焊缝金属中有时还存在M-A组元。所谓M-A组元，即焊缝金属在连续冷却的过程中，富碳的奥氏体分布在于块状铁素体基体上，之后发生转变而形成M-A组元。焊缝金属的强度

22、与M-A组元的形貌以及数量有关，如果焊缝的强度在490MPa以下则一般不会出现M-A组元；当提高焊缝的强度和增加焊缝中的合金元素，则M-A组元开始出现，且经常呈块状或粒状分布；随着合金元素含量的不断增加，M-A组元就会呈板条状。但是无论M-A组元是什么形态，只要它们不是连续的存在，对焊缝金属韧性影响都不大，若连续存在，就会明显的降低焊缝金属的冲击韧性。（2）热影响区的组织性能研究焊接热影响区(HAZ)是指靠近焊缝的没有熔化的母材金属在受到焊接热循环的作用，发生明显的组织以及性能变化的区域。对于给定的低合金高强钢，焊接热输入决定了热影响区的组织。在给定的焊接热输下，处于焊缝附近的母材将会被加热到

23、一定的温度，温度的升高和降低将会导致组织发生转变。热影响区的显微组织大体有马氏体、上贝氏体、下贝氏体、粒状贝氏体、珠光体、铁素体及M-A组元。在焊接热输入的作用下，热影响区的母材首先发生奥氏体化，若温度很高奥氏体晶粒尺寸就会长大，而奥氏体晶粒尺寸的大小对热影响区的性能以及之后的组织相变有至关重要的影响。因此，良好的焊接热影响区性能可以通过选择合理的焊接热输入进行调节。热影响区组织、性能受到热影响区热循环速度以及热输入的影响。柴锋、杨才福等人16通过研究指出，当冷却速度较大时，板条贝氏体是粗晶区的主要组织；当冷却速度较小时，板条状的贝氏体会明显的减少，与之相反粒状的贝氏体显著增加；而大尺寸的粒状

24、贝氏体数量增多会导致接头塑性下降。常铁军、谢辅洲等人17对10Ni5crMov钢的焊接热循环进行了模拟研究，结果表明：当使用不同的焊接热输入时，热影响区的组织和性能就会有较大的差别；对于10NiscrMov钢，在热输入为24kJ/cm时热影响区组织的性能最好，组织一般为马氏体+上贝氏体+粒状贝氏体。其次，热影响区组织的晶粒尺寸变化主要受到母材合金元素、焊接热输入以及母材原始晶粒尺寸大小的影响。高强钢热影响区晶粒尺寸的变化也可以采用热模拟方法进行研究。屈朝霞18通过热模拟技术，指出在低合金高强钢焊接热影响区奥氏体晶粒随着焊接热输入的增加呈长大趋势。1.4.3 焊接工艺低合金高强钢的焊接可以使用常

25、用的焊接方法，如手工电弧焊、埋弧自动焊、CO2气体保护焊，也可使用高能束焊接，如高功率激光焊等。焊接方法的确定一般是依据母材的强度等级、使用性能、施工环境以及成本高低。通常，强度较低的焊接件可采用上述各种方法，但是对于大批量生产或这焊缝尺寸较大的焊接件，应当采用埋弧自动焊和CO2焊；对中厚板和强度等级较高的焊接件应该采用CO2气体保护焊。CO2气保护焊有能耗低、效率高、焊后焊接变形小、成本低、便于实现自动化等许多优点，所以在低合金高强钢的焊接中有着广泛应用。王祖滨19指出CO2气体保护焊在抗氢致裂纹性能方面，也有突出的优越性，可以降低钢的预热温度。低合金高强钢焊接时，选择和制定合理的焊接工艺及

26、规范是十分重要的。应严格限制焊接线能量，焊接前一定要进行预热，避免在HAZ粗晶区形成上贝氏体、M-A元等脆化组织。同时焊接时应尽量采用多层多道焊，这样在焊缝金属就具有较好的韧性而且焊接变形小。预热可以有效防止氢致延迟裂纹的产生，预热温度一般根据钢材的化学成分、碳当量和热影响区的最高硬度值来确定。预热延长接头在低温阶段的停留时间，不仅有利于氢从接头中扩散出来，并且可以减弱淬硬组织的生成。孝忠20等人通过对30CrMnsiA和30CrMnsiNiZA钢焊接冷裂倾向的研究指出，在低氢的焊接条件下，如果钢的淬硬倾向较小，则预热可以改善组织，降低硬度；而对于淬硬性较大的钢，则预热对粗晶区组织影响不明显，

27、且板条马氏体为粗晶区的主要组织。1.4.4 焊缝强度匹配焊缝的强度匹配是指，焊接时焊缝金属的强度和母材强度的匹配，它是焊接接头与焊接结构在设计时需要特别关注的一个问题，其对于焊接结构的稳定性、焊接接头的抗裂纹能力以及接头的力学性能都有很大的影响。焊缝金属和母材的强度匹配方式一般用强度匹配系数M表示，M即为焊缝金属的抗拉强度(b)w)与母材的抗拉强度(b)b)之比即M=(b)w/(b)b。当M=1，称为等强匹配；当Ml，称为高强匹配；反之，当 M0.5%，钢材易淬硬，冷裂倾向较大，表明焊接性已变差，焊接时需预热才能防止冷裂纹，随板厚增大预热温度还应相应提高。而Q890钢的Pcm为0.23%0.2

28、0，再次表明Q890钢具有一定的冷裂倾向，在焊接前必须进行预热。2.2.2热裂纹敏感性焊接热裂纹一般是指在较高温度下产生的裂纹，大部分热裂纹是固、液相线温度区间产生的结晶裂纹，也有少量是在稍低于固相线温度时产生的。焊接热裂纹多数产生于焊缝金属中，有的时候也产生在焊接熔合线邻近的热影响区组织内。按裂纹产生的形态、机理和温度区间的不同，焊接热裂纹可分为：凝固裂纹，高温液化裂纹，多边化裂纹三类。考虑钢材化学成分对焊接热裂纹敏感性的影响，在试验研究的基础上提出可预测或评估低合金结构钢热裂纹敏感性指数的方法26，即热裂纹敏感系数（简称HCS），其计算公式如（23）： （23）一般认为Mn/S对于防止热裂

29、纹有很大影响，当Mn/S比大于25时，不会产生热裂纹。其次HCS越大的金属材料，其热裂纹敏感性越高，HCS4时，一般不会产生热裂纹。据公式（23）计算，Q890钢的HCS值为0.47比可能产生热裂纹的临界值(HCS=4)小很多，而Mn/S=1440远大于25。因此Q890钢产生热裂纹的倾向很小。2.2.3再热裂纹敏感性再热裂纹是指焊接件在焊后再加热，消除应力退火或者高温工作（500600）过程中产生的裂纹。再热裂纹产生区域一般在近缝区的粗晶区或止裂于细晶区。再热敏感的温度范围：一般在500700之间，低于500或高于700,再加热不易出现。再热裂纹的出现应该有大量的内应力存在，并且应立集中，在

30、大拘束度的厚件或应力集中部位易产生再热裂纹。从Q890钢的合金系统来说，为加强其淬透性和提高抗回火性能，加入的合金元素Cr、Mo、V、Ti、Nb、B等，大多数都能引起再热裂纹其中V的影响最大，Mo的影响次之。而当V和Mo同时加入时就更为敏感。根据化学成分对焊接再热裂纹敏感性的影响，一般使用PSR法评估再热裂纹敏感性27，其计算公式见（2-4）： PSR=Cr+Cu+2M0+5Ti+7Nb+10V-2=-0.29 （24）当PSR0时，不产生再热裂纹；PSR0时，对产生再热裂纹较敏感。对于Q890钢，根据公式（2-4）的计算PSR值为-0.29 ，所以Q890钢产生再热裂纹的倾向很小。 2.3

31、Q890钢的焊接工艺设计2.3.1 焊接方法的选择焊接方法的选用对于焊接有着至关重要的作用，为了保证构件的焊接质量，焊接方法的选用应该满足没有裂纹、夹杂与气孔的出现，另外还应该使成形美观、飞溅较小。此外节约成本、提高效率也是要考虑的问题。对于屈服强度s980MPa的低碳调质钢，焊条电弧焊、埋弧焊、熔化极气体保护焊和钨极氩弧焊等都能采用。但一般情况下，高强钢用于重要的焊接结构，包括低温和承受动载荷的结构，对焊接热影响区韧性要求较高。不宜采用大热输入的焊接方法，应尽可能采用热量集中的气体保护焊或焊条电弧焊进行焊接。而对于屈服强度s686MPa的低碳调质钢，熔化极气体保护焊（Ar+CO2混合气体保护

32、焊）是最合适的工艺方法28。熔化极气体保护焊具有如下优点：电弧空间无氧化性，焊接不产生熔渣，可以实现等成分焊接；与CO2气体保护焊相比，电弧稳定飞溅少成形美观；与TIG焊相比，电流密度大，母材熔深大，焊接变形小，熔敷率高，焊接生产效率高。 综上所述，试验采用的焊接方法为熔化极混合气体保护焊，保护气体成分为80%Ar+20%CO2。2.3.2 焊接材料的选择Q890钢具有高的强度，塑韧性也较好，而且在很多复杂形变的条件下组织相对稳定，作为焊接母材，在工艺适当的条件下，其焊接冷裂纹的敏感性相对较小，焊接粗晶区的韧性能得到一定程度的提高，即对焊接接头的性能具有良好的保证。而焊接材料在焊接时与母材同时

33、直接参与熔池或半熔化区的冶金反应过程，影响或决定接头的焊接质量，因此Q890钢在焊接的时候，焊接材料的选择就尤为重要，其直接影响到焊接接头的性能，进而影响产品的寿命及可靠性29。焊接材料的选择必须考虑两方面的问题：一是不能使焊缝产生裂纹等焊接缺陷；二是使焊接接头能满足使用性能要求。Q890钢在调质状态下焊接，焊后一般不重新进行调质热处理，因此在选择焊接材料时要求焊缝金属在焊态下应接近母材的力学性能，即按等强度原则选取。综上所述，试验采用与母材等强的焊接材料，其型号为GHS90，焊丝直径为2.4，焊丝熔敷金属化学成分及力学性能分别如表2.3、2.4所示。焊丝在使用的时候一定要保持干燥、干净，减少水和油污30。表2.3 焊丝熔敷金属化学成分（wt%）元素CMnSiSPCuCrNiMoTi含量0.121.2-1.90.4-0.80.025