1、淮阴工学院毕业设计（论文）- -I16Mn 钢焊接研究摘 要16Mn 钢是具有高强度、高韧性和耐腐蚀等优良特性的低合金高强钢，是我国低合金高强钢中用量最多、产量最大的钢种，广泛用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等。鉴于 16Mn 钢在我国工业和国民经济建设中的重要性，而 16Mn 钢的焊接又是 16Mn 钢应用中必不可少的一道工艺技术,因此 16Mn钢的焊接进行研究对实践应用意义重大。本课题采用焊条电弧焊对 16Mn 钢进行焊接，分析焊接接头的组织和性能的变化；并对得到的焊接接头进行正火处理，分析热处理前后焊接接头组织和性能的变化。结果表明，焊接接头焊缝区组织为
2、柱状晶；熔合区为粗大晶粒；过热区为魏氏组织；完全结晶区为细小的铁素体和珠光体；不完全结晶区一部分为细小的铁素体和珠光体，一部分为粗大的铁素体。由于熔合区粗大晶粒和过热区魏氏组织的存在使得16Mn 钢焊接接头可能存在冷裂纹和热影响区脆化等缺陷。所以对其进行焊后正火处理，热处理后的焊接接头晶粒明显比未热处理过的要细小，组织结构更加均匀。硬度也相应的有所升高。因此，热处理可以改善焊接接头的组织，并提高其性能。本课题研究的 16Mn 钢焊条电弧焊工艺、焊接接头组织和性能以及焊后热处理工艺可为实践生产中 16Mn 钢的焊接提供参考。关键词：16Mn 钢；焊条电弧焊；焊接接头；组织和性能；热处理阙建龙：1
3、6Mn 钢焊接研究- -IIWelding Research of 16Mn SteelAbstract16Mn steel is a low alloy high strength steel which has high strength, high toughness and corrosion resistance and other excellent characteristics. It has the largest amount and the largest steel production among the low alloy high strength steel i
4、n China. It is widely used in manufacture of bridges, ships, vehicles, boilers, pressure vessels, pipelines, large steel structure. In view of the importance of 16Mn steel in ours industry and national economy, also 16Mn steel welding is an essential technology, so the welding of steel 16Mn study is
5、 significant for practical application. In this issue 16Mn steel was welded by SMAW, the changes welded joint were analyzed in the organization and performance; welded joints were obtained by normalizing processing, and analyzed the changes of the organization and performance between before and afte
6、r heat treatment.The results show that the weld zone is the columnar crystal; fusion zone is coarse crystal; hot area is the widmanstatten structure; completely crystalline region is the ferrite and pearlite; one part of incomplete crystalline region is the small Ferrite and Pearlite, another is the
7、 coarse Ferrite. The coarse crystal of the 16Mn steel welded joint fusion zone and the widmanstatten structure of the 16Mn steel welded joint hot area as the result of Cold cracking and HAZ. So it was processed by normalizing after welding, welded joints after heat treatment were significantly highe
8、r than the grain is not heat treated to small and more uniform structure. Hardness was increased accordingly. Therefore, heat treatment of welded joints can improve the organization and improve its performance. Research of 16Mn steels SMAW, microstructure and properties of welded joints, heat treatm
9、ent after welding can be used as a reference of the welding of 16Mn steel in practice.Keywords: 16Mn steel; electrode arc welding; welded joint; microstructure and properties; heat treatment淮阴工学院毕业设计（论文）- -III目 录引 言 .1第 1 章 绪 论 .21.1 背景与意义 .21.2 发展概况 .21.3 来源与内容 .3第 2 章 焊接理论知识 .42.1 焊接性及其实验评定 .42.1.
10、1 焊接性及影响因素 .42.1.2 焊接性评定原则及方法 .52.2 焊接接头及组织和性能 .72.2.1 焊接接头的概念 .72.2.2 焊接接头的基本形式 .82.2.3 焊接接头的设计要求 .102.2.4 坡口的基本形式 .102.2.5 焊接接头特性 .112.3 焊条电弧焊 .132.3.1 焊条电弧焊概述 .132.3.2 焊接设备及辅助工具 .132.3.3 焊条电弧焊基础 .162.3.4 焊条电弧焊工艺参数 .182.3.5 焊条电弧焊的基本操作技术 .192.3.6 常见的焊条电弧焊缺陷及防治措施 .21第 3 章 实验过程 .223.1 16Mn 的焊接 .223.1
11、.1 16Mn 钢简介 .223.1.2 16Mn 钢的焊接性 .233.1.3 16Mn 钢的焊接工艺参数 .233.2 金相试样的制备、观察及其硬度测试 .253.2.1 金相试样的制备 .253.2.2 金相试样的观察 .263.2.3 试样的硬度测试 .26第 4 章 实验结果分析 .284.1 焊接接头金相组织分析 .284.1.1 焊缝区 .284.1.2 熔合区 .284.1.3 过热区 .294.1.4 完全结晶区 .294.1.5 不完全结晶区 .304.1.6 母材 .314.2 焊接接头硬度分析 .31阙建龙：16Mn 钢焊接研究- -IV结论与展望 .34结论 .34展
12、望 .35致 谢 .36参考文献 .37附录 A 引用的英文资料及翻译 .38附录 B 主要参考文献及摘要 .47淮阴工学院毕业设计（论文）- -V插图清单图 2-1 焊接接头示意图 .7图 2-2 焊接接头的基本类型 .8图 2-3 对接接头的几种形式 .8图 2-4 T 型接头 .9图 2-5 搭接接头 .9图 2-6 角接接头 .10图 2-7 对接焊缝坡口形式 .11图 2-8 角接和 T 形接头的坡口 .11图 2-9 焊条电弧焊的过程 .13图 2-10 动铁式交流弧焊机机构示意图 .14图 2-11 同体式焊接结构图 .14图 2-12 动圈式焊机结构 .14图 2-13 电捍钳
13、的规格和主要技术数据 .16图 2-14 电捍钳的规格和主要技术数据 .16图 2-15 焊条的组成 .17图 2-16 几种常见的运条方式 .20图 3-1 维氏硬度试验原理图 .27图 4-1 16Mn 钢焊接接头焊缝区 200.28图 4-2 16Mn 钢焊接接头熔合区 200.29图 4-3 16Mn 钢焊接接头过热区 200.29图 4-4 16Mn 钢焊接接头完全结晶区 200.30图 4-5 16Mn 钢焊接接头不完全重结晶区 200.30图 4-6 16Mn 钢焊接接头母材 200.31图 4-7 16Mn 钢焊接接头硬度变化曲线 .32阙建龙：16Mn 钢焊接研究- -VI表
14、格清单表 2-1 焊条电弧焊机 .14表 2-2 电捍钳的规格和主要技术数据 .15表 3-1 16Mn 钢化学成分 .22表 3-2 不同环境温度下焊接 16Mn 钢的预热温度 .23表 3-3 16Mn 钢焊条电弧焊的工艺参数 .24表 4-1 16Mn 钢焊接接头热处理前后维氏硬度值 .32淮阴工学院毕业设计（论文）- -1 引 言本课题研究是本科教学工作中实验教学问题，是对所学专业理论知识的一次总结概括和实践应用。焊接工艺是金属应用中最重要的连接技术之一，通过对 16Mn 钢焊接的研究，对焊接工艺有个基本的了解。主要实验内容包括 16Mn 钢焊接工艺参数的设计及实验，焊后热处理工艺的设
15、计及实验，焊接接头金相试样的制备，显微组织的观察，焊接接头的硬度测量实验，最后是组织和性能的测定与分析。通过这些工作，不仅加深对所学焊接理论知识的理解和掌握，了解当代焊接的前沿技术，同时提高学生分析和解决实际问题的能力，锻炼和培养动手和操作能力，为今后从事相关工作奠定基础。随着全球科学技术的飞速发展和进步以及新材料、新能源、新结构的不断涌现，传统的焊接方法和工艺（如焊条电弧焊、CO 2 气体保护焊、氩弧焊等）已经无法满足新时代工业对焊接性能的要求。激光焊、超声波焊、等离子弧焊、摩擦焊、爆炸焊等一些高新技术不断成熟完善。焊接已经从一种传统的热加工技艺发展到了集材料、冶金、结构、力学、电子等多门类
16、科学为一体的工程工艺学科。焊接成形精确化、焊接生产自动化和过程控制智能化、优质高效的焊接工艺将不断涌现，特殊材料及特殊环境下焊接技术，焊接过程计算机模拟技术将得到不断发展和应用，同时焊接技术也将不断向材料科学和工程的新兴领域渗透和拓展 1。本试验是在前人的研究基础上对 16Mn 钢进行焊条电弧焊，分析其焊接接头组织和性能。试验的结果为 16Mn 钢焊条电弧焊后，焊接接头焊缝区组织为柱状晶；熔合区为粗大晶粒；过热区为魏氏组织；完全结晶区为细小的铁素体和珠光体；不完全结晶区一部分为细小的铁素体和珠光体，一部分为粗大的铁素体。除去由于熔合区粗大晶粒和过热区魏氏组织的存在，使得 16Mn 钢焊接接头可
17、能存在冷裂纹和热影响区脆化等缺陷外，具有良好的焊接性能。经正火处理后，焊接接头晶粒明显比未热处理过的要细小，组织结构更加均匀，硬度也相应的有所升高，接头的组织和性能有明显的提升。实验研究中的焊接工艺和设备比较传统，但在实验中我们要学会基本的实验方案设计和思路分析，及一般的实验操作，为以后工作中相关的焊接工艺和组织、性能的处理分析打下扎实的基础。阙建龙：16Mn 钢焊接研究- -2 第 1 章 绪 论1.1 背景与意义16Mn 是 旧 国 标 GB/T1591 1988 中 的 低 合 金 高 强 度 结 构 钢 的 牌 号 ， 新 国 标GB/T1591 1994 中 的 牌 号 为 Q345
18、。 由 于 16Mn 钢 具 有 良 好 的 综 合 性 能 、 低 温 性能 、 冷 冲 压 性 能 、 焊 接 性 能 和 可 切 削 性 能 ， 使 用 状 态 的 组 织 为 细 晶 粒 的 铁 素 体 珠 光 体 ， 强 度 比 普 通 碳 素 结 构 钢 Q235 高 约 20% 30%， 耐 大 气 腐 蚀 性 能 高20% 38%。 16Mn 钢是我国低合金高强钢中用量最多、产量最大的钢种，主要用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等。焊接是指同种或异种材料通过加热或加压或两者并用，并且用或不用填充材料，使被焊工件间原子或分子相互结合和扩散形成永久性
19、连接的加工工艺过程。焊接是一门古老的加工技术，是随着人类对金属的应用应运而生。我国早在 3000多年前的商朝就有了使用铸焊工艺制造的铁刃铜钺兵器。明代科学家宋应星在他的科学著作天工开物中也有关于锻焊工艺的详细文字记载。中世纪，在叙利亚大马士革也曾用锻焊制造兵器。当然古代焊接技术长期停留在铸焊、锻焊和钎焊的水平上，使用的热源都是炉火，温度低、能量不集中，无法用于大截面、长焊缝工件的焊接，只能用以制作装饰品、简单的工具和武器 3。鉴于 16Mn 钢在我国工业和国民经济建设中的重要性，而 16Mn 钢的焊接又是16Mn 钢应用中必不可少的一道工艺技术，因而开设本课题，通过对 16Mn 钢的焊接进行研
20、究，以及对其焊接接头组织和性能的分析，不仅加深对所学焊接理论知识的理解和掌握，了解当代焊接的前沿技术，同时提高分析和解决实际问题的能力，锻炼和培养动手和操作能力，为今后从事相关工作奠定基础，同时，该课题得到的结论也可以为实际工业生产提供参考。1.2 发展概况现代焊接工艺是19世纪末和20世纪初现代科学技术发展的产物，特别是冶金学、金属学、力学、电工、电子学等迅速发展的结果。1885年发现了气体放电的现象，1930年发明了涂药焊条电弧焊方法，并在此基础上发明了埋弧焊、钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊以及二氧化碳气体保护焊等自动或半自动的焊接方法。电阻焊则是1886年发明的，此后逐渐完善为电阻点焊、缝焊和
21、对焊方法，它几乎与电弧焊同时推向工业应用，逐步取代铆接，成为工业中广泛应用的两种主要焊接方法。到目前为止，又相继发明了电子束焊、激光焊等20余种基本方法和成百种派生方法，并且仍处于继续发展之中。在现代工业中，金属是不可缺少的重要材料。在现代工业产品的制造过程中，需要把各种各样加工好的零件按设计要求连接起来制成产品，由于焊接不但易于保证焊接结构等强度的要求，而且相对来说工艺比较简单，加工成本也比较低廉，所以焊接技术得到了广泛应用和飞速发展，也是将这些零件连接起来的一种最理想的加工方法。焊接技术发展到今天，几乎所有部门（如机械制造、船舶行业、海洋开发、汽车行业、机车车辆、石油化工、航空航天、原子能
22、、电力能源、电子技术、建筑及家用电器等）都离不开焊接技术。据不完全统计，目前全世界年产量45的钢和大量有色淮阴工学院毕业设计（论文）- -3 金属，都是通过焊接加工形成产品的。因此可以这样说，焊接技术的发展水平是衡量一个国家科学技术先进程度的重要标志之一，没有现代焊接技术的发展，就不会有现代工业和科学技术的今天。在人类社会步入 21 世纪的今天，随着全球科学技术的飞速发展和进步以及新材料、新能源、新结构的不断涌现，传统的焊接方法和工艺已经无法满足新时代工业对焊接性能的要求。焊接已经从一种传统的热加工技艺发展到了集材料、冶金、结构、力学、电子等多门类科学为一体的工程工艺学科。未来焊接技术的发展趋
23、势是：焊接成形精确化、焊接生产自动化和过程控制智能化、优质高效的焊接工艺将不断涌现，特殊材料及特殊环境下焊接技术，焊接过程计算机模拟技术将得到不断发展和应用，同时焊接技术也将不断向材料科学和工程的新兴领域渗透和拓展 2。1.3 来源与内容本课题来源于实践教学工作中实验教学问题。主要实验内容包括 16Mn 钢焊接工艺参数的设计及实验，焊后热处理工艺的设计及实验，焊接接头金相试样的制备，显微组织的观察，焊接接头的硬度测量实验，最后是组织和性能的测定与分析。阙建龙：16Mn 钢焊接研究- -4 第 2 章 焊接理论知识2.1 焊接性及其实验评定2.1.1 焊接性及影响因素1、焊接性概念焊接性是指同质
24、材料或异质材料在制造工艺条件下，能够焊接形成完整接头并满足预期使用要求的能力。换句话说，焊接性是材料对焊接加工的适应性，指材料在一定的焊接工艺条件下（包括焊接方法、焊接材料、焊接参数和结构形式等），获得优质焊接接头的难易程度和该焊接接头能否在使用条件下可靠运行。2、影响焊接性的因素焊接性与材料、设计、工艺和服役环境等因素有密切关系，人们不可能脱离这些因素而简单地认为某种材料的焊接性好或不好，也不能只用某一种指标来概括某种材料的焊接性。（1）材料因素材料因素包括母材本身和使用的焊接材料。母材和焊材在焊接过程中直接参与熔池或熔合区的冶金反应，对焊接性和焊接质量有重要影响。母材或焊接材料选用不当时，会造成焊缝成分不合格、力学性能和其他使用性能降低，甚至导致裂纹、气孔、夹渣等焊接缺陷，也就是使工艺焊接性变差。因此，正确的选用母材和焊接材料是保证
