Q235与316L手工电弧焊焊接工艺研究.docx

本科毕业论文（设计）论文题目：Q235与3161.手工电弧焊焊接工艺研究郑重声明本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。日期:本人签名:本课题对Q235钢和3161.钢的焊接工艺进行分析,首先通过碳当量估测法分析Q235钢的焊接性，得出Q235钢的冷裂敏感性低；其次根据舍夫勒组织图选择合适的焊接材料进行手工电弧焊焊接试验，并采用光学显微镜和洛氏硬度计观察及测量焊接接头的组织性能。结果表明：选择合理的焊接工艺参数并控制母材的熔合比，得到的焊缝宏观形貌美观，无咬边、裂纹等缺陷；焊缝组织为奥氏体组织和少量的铁素体组织，熔合区碳扩散现象不明显；焊缝处的硬度高于两侧母材的硬度，满足焊材等强匹配原则。关键词：Q235；3161.；异种钢焊接；舍夫勒组织图；冷裂敏感性论文类型：理论研究AbstractThispaperanalyzestheweldingprocessofQ235steeland3161.steel,firstlyanalyzestheweldabilityofQ235steelbycarbonequivalentestimationmethod,andobtainsthecoldcracksensitivityofQ235steelislow;thenselecttheappropriateweldingmaterialaccordingtothemanualarcweldingtest,anduseopticalmicroscopeandRockellhardnessmetertoobserveandmeasurethetissueperformanceofweldedjoints.Theresultsshowthat:selectingreasonableweldingprocessparametersandcontrollingthefusionrat100fthebasematerial,theweldisbeautiful,nobiteedge,crackandotherdefects;theweldtissueisausteniticandasmallamountofferritetissue,thecarbondiffusioninthefusionareaisnotobvious;thehardnessoftheweldishigherthanthehardnessofthebasematerialonbothsides,meetingthestrongmatchingprincipleofweldingmaterial.Keywords:Q235;3161.;heterologoussteelwelding;Schevlerorganizationdiagram;coldcracksensitivity摘要IAbstractII目录III1绪论11.1 Q235钢的基本概况11 .1.1碳素结构钢的种类及性能12 .1.2Q235钢的性能及应用21.2 3161.不锈钢的基本概况21.2.1 不锈钢的种类及性能21.2.2 3161.不锈钢的性能及应用41.3 异种钢的焊接41.3.1 1异种钢的焊接性41.3.2 异种钢的焊接工艺41.3.3 异种钢焊接存在的问题51.3.4 我国异种钢焊接的研究现状61.4 本课题研究内容71.5 本课题研究的目的和意义82Q235与3161.异种钢焊接试验92.1 焊接试验材料92.2 2Q235与3161.焊接性分析92.3 焊接工艺设计102.3.1焊接方法的选择102.3.2焊接材料的选择102.3.3焊接工艺参数的选择132.3.4焊接过程133试验结果及分析153.1Q235与3161.焊接接头组织分析153.2焊接接头硬度测试及分析16结论17参考文献18致谢201绪论1.1 Q235钢的基本概况1.1.1 碳素结构钢的种类及性能碳素结构钢以Fe为基本成分，是含碳量在0.06%0.38%之间的铁碳合金，含有少量合金元素，其中Si、Mn等元素为有益元素，但像P、S这样的杂质元素，对钢的性能有一定的影响，要加以控制此类杂质元素的含量，以保证钢的良好性能。碳素结构钢易于冶炼，价格低廉，一般以热轧空冷状态供应，其塑性比较高、焊接性好，使用状态下的组织为铁素体加珠光体，此类钢材一般不经热处理直接使用，适于焊接、栓接等。碳素结构可根据以下几种方式分类：（1）按含碳量分为：低碳钢、中碳钢、高碳钢；（2）按品质分为：普通碳素结构钢、优质碳素结构钢；（3）按脱氧程度分为：沸腾钢、镇静钢、半镇静钢。表1.1含碳对碳素结构钢焊接性的影响称c(%)牌号硬度焊接性用途低10,15,Q195,钢板、钢碳<0.256090HRB良好管等Q255钢中碳中等（一般建议进行焊前预热或焊后机械零件0.25-0.6030,35,40,4525HRC热处理、焊接材料选用氢型金属材料）和工具钢高模具、弹碳0.16->1.0060,65,8040HRC差（严格采取工艺措施）簧等钢在Q195钢中，C、Mn元素的含量低，其强度不高，塑韧性较好，因此具有良好的工艺性能和焊接性，广泛用于机械、轻工、建筑、运输车辆等一般结构件和结构零件；Q215钢含C、Mn较低，但强度要比Q195稍高，同时也具有较好的塑韧性、焊接性及良好的工艺性能，一般用于厂房、桥梁等大型结构件；与Q195和Q215钢相比，Q275钢中，C、Si、Mn的含量相对高一些，强度高且塑性好，具有较高的硬度和耐磨性及一定的焊接性，一般用于制造心轴、机架、齿轮、垫圈等重要零件。需要注意的是，碳素结构钢的含碳量决定其焊接性，随着含碳量的改变，其焊接性也在不断地发生着变化，含碳量对焊接性的影响如表1.1所示1.1.2 Q235钢的性能及应用Q235钢为普通碳素结构钢，也是珠光体钢。其中Q代表的是这种材质的屈服极限，235则指的是这种材质的屈服值一般在235MPa左右。由于含碳较低，综合性能较好，强度、塑性和焊接性等性能良好，此钢用途较为广泛。需要注意是，在必要时钢号后面可标出表示质量等级和脱氧方法的符号，质量等级符号分别为A、B、C、D；脱氧方法符号：F表示沸腾钢、b表示半镇静钢、Z表示镇静钢、TZ表示特殊镇静钢。Q235钢的化学成分(表1.2)表1.2Q235钢的化学成分牌号等级脱氧方法化学成分(质量分数，%)<CSiMnPSAFsZ0.220.0450.050Q235BF、Z0.200.350.440.045CZ0.180.0400.040DT、Z0.180.0350.035注：质量等级分A、B、C、D,依次以A级质量较差，D级质量最高。Q235钢的性能：上屈服强度：d<16mm,屈服强度为235MPa；16mm<d40mm,屈服强度为225MPa；40mm<d<60mm,屈服强度为215MPa;60mm<d<1OOmm,屈服强度为205MPa；100mm<d<150mm,屈服强度为195MPa；150mm<d<200mm,屈服强度为185MPa(此处d指的是材料的板厚或直径)。抗拉强度：370-500(MPa)o断后伸长率()：226(a<40mm)；>25(a>4060mm)；>24(a>601OOmrn)；>22(a>l00-150mm)；>31(d>150mm)(此处d指的是材料的厚度或直径)。弹性模量(E/Gpa)：200-210；泊松比(v)：0.25-0.33O大量用于钢板、型钢、钢筋的制造，用以建造厂房房架、高压输电铁塔等；Q235的C、D级钢P、S元素的含量低，相当于优质碳素结构钢，适用于制造对焊接性及韧性要求高的工程结构、大型机械的零部件；可用于制造各种模具把手以及其他不重要的模具零件；采用Q235钢做冲头材料，为了解决冲头在使用中碎裂的现象，可经淬火后不回火直接使用，此时硬度为3640HRC°1.2 3161.不锈钢的基本概况1.2.1 不锈钢的种类及性能不锈钢是在普通碳钢的基础上，加入一组格的质量分数大于12%合金元素的钢材,其在空气作用下能保持金属光泽，即具有不生锈的特性。此类钢具有这种特性是由于受到铭合金元素的影响，一定量的倍合金元素能使钢材表面形成一层不溶解于某些介质的氧化薄膜（钝化膜），使金属表面与外界介质隔离而不发生化学作用。按照主要化学组成可分为铭不锈钢、铭银不锈钢和铭镒氮不锈钢等；按照性能特点可分为耐酸不锈钢和耐热不锈钢等；按照金相组织进行分类可分为铁素体（F）型不锈钢、马氏体（M）型不锈钢、奥氏体型不锈钢，奥氏体-铁素体型双相不锈钢和沉淀硬化（PH）型不锈钢。铁素体不锈钢的成分特点是含Cr量高（Cr的质量分数大于15%）,含碳量低（碳的质量分数小于等于0.15%）。在加热和冷却的过程中冷却的过程中没有或者很少发生铁素体二奥氏体转变，属于铁素体钢，一般在退火状态使用。随着Cr含量的增多，钢的耐蚀性会逐渐提高。铁素体型不锈钢在氧化性酸中，具有良好的耐蚀性和较高的抗氧化性，广泛用于硝酸、氮肥、磷酸等工业，也可作为高温下的抗氧化材料。马氏体型不锈钢的显微组织是马氏体（M）,这类钢中Cr的质量分数为11.5%-18.0%,但C的质量分数最高可达0.6%。随着碳含量的增大，钢的强度和硬度逐渐提高。在这类钢中加入少量的Ni,不仅可以促使马氏体的生成，而且能提高钢的耐蚀性。马氏体型不锈钢具有一定的耐蚀性和较好的热稳定性以及热强性。因此，可以作为温度7（XrC以下长期工作的耐热钢使用。马氏体不锈钢广泛用来制造对韧性和冲击韧度要求较高的零件，如内燃机的排气阀、汽轮机的叶片及医疗器械等。奥氏体型不锈钢的显微组织是奥氏体（八）,它是在高铭不锈钢中添加适当的Ni（Ni的质量分数为8%25%）而形成的。一般来讲，具有奥氏体组织的不锈钢以Crl8Ni9铁基合金为基础，在此基础上，随着不同的用途，发展成相应的铭银奥氏体不锈钢系列。奥氏体不锈钢是工业上应用最广泛的不锈钢。最常见的是Cr的质量分数为18%、Ni的质量分数为9%的18-8型不锈钢。奥氏体不锈钢不仅具有很好的耐蚀性，而且还具有优良的抗氧化性和力学性能。氧化性、中性及弱氧化性介质中的耐蚀性要比铭不锈钢好，室温及低温韧性、塑性及焊接性也远好于是铁素体不锈钢。本次课题中的3161.不锈钢属于奥氏体型不锈钢。奥氏体-铁素体型不锈钢显微组织是奥氏体（八）+铁素体（F）。一般来讲，铁素体的体积分数小于10%的不锈钢是在奥氏体不锈钢基础上发展的钢种。A÷F型不锈钢与相同碳量的奥氏体不锈钢相比，具有小的晶间腐蚀倾向和较高的力学性能，且韧性比铁素体型不锈钢好。与此同时，少量F的存在，还有利于防止奥氏体不锈钢在施焊过程中，焊缝热裂纹的出现。而通常这种钢被纳入奥氏体不锈钢的范畴中。当F的体积分数在30%60%的范围内时？该类钢具有的性能有特殊抗点蚀、抗应力腐蚀，从金相上组织上分类，属于典型的双相不锈钢。奥氏体-铁素体型不锈钢广泛用于大型化肥厂尿素CO2车间的冷却器、化工厂制盐蒸发设备的装置和输油、天然气管路等方面。沉淀硬化不锈钢"的组织形态可分为三类：沉淀硬化半奥氏体型、沉淀硬化马氏体型和沉淀硬化奥氏体型。沉淀硬化不锈钢的组织特点是在固溶或退火状态时具有奥氏体组织+铁素体组织（体积分数为5%20%）。一般情况下，这种钢经过一系列的热处理或机械变形处理后，AF,然后通过时效析出硬化达到所需要的高强度。此类钢具有很好的成型性能和良好的焊接性，广泛应用于核工业、航空航天工业领域。1.2.2 3161.不锈钢的性能及应用3161.不锈钢在我国的标准牌号为022CrI7Nil2Mo2（新标），表示主要含有Cr、NiMo,其中数字表示大概含有的百分比（现行版国家标准为GB/T20878-2007）。3161.不锈钢的力学性能:抗拉强度后480MPa;条件屈服强度00.2177MPa;伸长率5>40%;断面收缩率60%;硬度S90HRB；密度为7.98gcm3;比热容比为（20°C）：0.502J（g*K）03161.的Mo含量使得该钢种拥有优异的抗腐蚀能力，可以安全的应用于含C1一等卤素离子环境。由于3161.主要应用的是其化学性能，钢厂对3161.的表面检查要求稍低（相对304）,对表面要求较高的客户要加强表面检查力度。1.3 异种钢的焊接1.3.1 异种钢的焊接性一般情况下，异种钢的焊接性主要指化学成分、力学性能及组织不同的两种或两种以上的钢种，对机械加工的适应性及在工程结构使用过程中安全运行的能力，即异种金属焊接接头能否满足使用性能要求。异种钢的焊接性主要包括两种材料的结合性能和焊后的使用性能。结合性能主要解释的是异种材料在给定的焊接要求下，形成完整焊接接头的难易性。为了更好的制定防止接头产生缺陷的方法，一般由使用及结合性能的好坏来评判异种材料焊接接头对缺陷的敏感倾向。焊后的使用性能指焊接后接头在一定的结构及环境要求下，满足使用要求的程度。异种钢焊接接头的使用性能否满足技术条件要求，在实际工程实践中起着非常重要的作用。异种钢焊接由于在物理性能、化学成分、组织结构等方面存在较大的差异，焊接过程中易产生应力集中、裂纹及金属元素迁移扩散等问题，与同种钢材之间的焊接相比焊接性较差。若采用熔化焊对异种钢进行焊接，如果两种钢焊接过程中可以形成良好的固溶体，则这两者的焊接性比较优异；如果两种钢焊接过程中可以形成机械混合物或复杂的组织，则这两者的焊接性一般，可进行异种钢的焊接；若两种钢焊接过程中形成脆性的金属间化合物，则两者的焊接性较差，一般在熔化焊接时采用中间过渡层方法1.4。在异种钢焊接过程中，要充分考虑到被焊工件与焊缝的等强性。1.3.2 异种钢的焊接工艺1.3.2.1 异种钢的焊接方法焊接方法发展到现在，不仅有基本的焊接方法，而且有复合焊接方法。按照焊接过程中母材是否熔化以及对母材是否施加压力进行分类，可将基本的焊接方法分为熔化焊、压焊和钎焊三大类。（1）熔化焊熔化焊指的是在不施加压力的情况下，将待焊处的母材和填充金属加热熔化以形成焊缝。熔化焊的基本特征是焊接时母材熔化不施加压力。根据焊接热源的不同，熔化焊又可分为：焊条电弧焊、埋弧焊、鸽极惰性气体保护焊、熔化极僦弧焊、CO2气体保护电弧焊、等离子弧焊、气焊、电渣焊、电子束焊、激光焊等。一般来讲，这些熔化焊方法除了以化学热作为焊接热源的气焊、以熔渣电阻热作为热源的电渣焊及以高能束作为热源的电子束焊和激光焊外，其他常见的熔化焊方法基本以电弧热作为主要热源。在这些熔化焊焊接方法中，经常用到的是焊条电弧焊，因其焊接设备较易获得，操作容易，有较强的适应性。（2）压焊压焊是指焊接过程中必须对焊件施加压力（加热或不加热）才能完成焊接的方法。压焊基本特征是焊接时对焊件施加压力。此类方法有两种形式：一种是将焊接工件与电极的接触部分加热至塑性状态或局部熔化状态，然后施加一定的压力，使其形成牢固的焊接接头，如电阻焊、扩散焊、摩擦焊等；另一种是不加热，只是在焊接工件的接触面上施加足够大的压力，使接触面产生塑性变性而形成牢固的焊接接头，如爆炸焊、冷压焊等。（3）钎焊钎焊是指焊接时采用比母材熔点低的钎料，将钎料和待焊处的母材加热到高于钎料熔点,但低于母材熔点的温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙，并与母材相互扩散而实现连接的方法。焊接时母材不发生熔化，只有钎料发生熔化是钎焊的基本特征。根据钎料熔点是否高于450,可将钎焊分为硬钎焊（高于450）和软钎焊（低于450）。异种钢焊接方法的选择原则：选择异种钢的焊接方法时，既要考虑到异种钢的焊后质量（为防止裂纹的产生，尽可能减小融合比），又要考虑到焊接的效率和经济性。优先选择焊条电弧焊，原因是焊条种类多，适应性强。高碳马氏体钢与珠光体钢可采用CO2气体保护焊；合金含量高的异种钢焊接一般采用氮弧焊。1.3.2.2 焊接材料的选择原则选择焊接材料是要求焊缝金属力学性能及其他性能不低于母材中的较低的一侧的指标。主要原则有：焊接材料应经济、易得；应具有良好的工艺性能，使得焊缝成型美观；以焊接接头不产生裂纹为前提，应选择塑性较好的焊接材料；在一般情况下，焊缝金属只需要符合两种母材的一种，便能应用于焊接中。1.3.3 异种钢焊接存在的问题由于异种钢的化学成分、力学性能及组织结构存在着较大的差异，因此，与同种钢的焊接相比，异种钢的焊接存在较多问题，主要问题如下序打：1.3.3.1 物理性能方面由于异种钢的熔点不同，当低熔点的钢材在焊接过程中达到熔点熔化时，高熔点的钢材还未开始熔化，此时高温液态的低熔点钢材会渗入焊接过热区晶界，导致合金元素被烧损，焊接接头难以成型。因此，异种材料的熔点相差越多，焊缝成型越困难。当两种线膨胀系数相差较大的材料焊接时，将会造成焊接接头出现复杂的高内应力状态，一种材料产生压应力，另一种材料产生拉应力。产生拉应力的材料可能导致产生裂纹，甚至会导致焊缝金属与母材金属的剥离。因此，异种钢之间的线膨胀系数越大，焊接越困难。金属材料的热导率和比热容强烈地影响被焊材料的熔化、熔池的形成、焊接区温度场和焊缝金属的结晶过程。热导率过大会导致晶粒粗化，进而降低焊接接头的质量。因此，在选择焊接热源时要尽量选择强热源，而且热源位置最好在导热性良好的材料一侧。在异种钢熔焊时，若电磁性存在较大差距，有时会出现焊接电弧的偏吹现象，导致焊接性能变差，因此，异种钢之间的电磁性差别越小越有利于焊接。1.3.3.2 异种钢焊接接头的不均匀性首先，异种材料的焊接接头存在化学成分不均匀，其不仅取决于母材和填充材料自身的原始成分，而且也会随着焊接工艺的改变而改变；其次，异种材料的焊接接头存在组织不均匀，组织不均匀与是由母材和填充材料的化学成分、焊接方法、焊接工艺及焊后热处理的过程决定；第三，异种材料焊接各区域化学成分的不均匀性，造成了焊接接头性新能的不均匀，因此，接头各部分的强度、硬度及塑韧性等力学性能都有较大差异；第四，由于接头部位的塑性和材料的热导率存在差异，导致异种材料焊接接头中的焊接残余应力分布不均匀。1.3.3.3 金属间化合物的问题金属间化合物具有较强的开裂倾向和较大的脆性，在焊缝部位容易产生裂纹，严重时会造成脆断，致使焊接接头质量下降。因此，异种钢之间形成的金属间化合物越多，其焊接性越差。1.3.3.4 其他方面的问题异种钢在进行焊接时，由于其焊缝区域组织的改变或新的相的形成，接头的力学性能也会随之改变。这种改变将导致焊接接头部分区域的力学性能变差，而不能获得良好的塑性和韧性。1.3.4 我国异种钢焊接的研究现状随着异种材料焊接结构在工业生产中的应用与发展，与之相关的焊接工艺、焊接接头组织、力学性能等方面的研究也逐渐深入。目前我国学者对异种钢的焊接工艺及组织性能研究开展了大量的研究工作，已有较多关于异种材料焊接的文献发布。1.3.4.1 异种钢的焊接工艺研究张含涛M通过对异种钢Q235钢和ICrl3不锈钢的焊接性及焊接中存在的问题进行分析并对两者进行焊接试验。试验表明：Q235钢与ICrI3不锈钢焊接，若采用手工电弧焊，焊条选用E309,合理的选择焊接工艺参数并进行适当的焊后热处理，便能获得良好焊接效果，满足焊接结构的使用要求。杨丹丹等人M采用埋弧焊焊接工艺对不锈钢06Crl9Nil0与碳素钢Q235进行研究。结果表明：采用开坡口，大电流、快速度、多层埋弧焊工艺。自动埋弧焊采用3.2mmGWS-309焊丝。GXS-3OO焊齐J,对筒体施焊，焊接性能完全满足技术要求及压力容器行业标准要求。完全可以替代进口焊材，大大降低了焊接成本，提高了经济效益。朱学来3在奥氏体不锈钢与碳素结构钢之间焊接的基础上，对异种钢的焊接特点、焊接方法、焊接工艺进行了深入研究。研究表明：奥氏体不锈钢与碳素结构钢焊接时，选用气体保护焊，焊丝采用ER3O9,保护气体采用83%Ar+15%He+2%CCh,焊后对焊接接头进行渗透检测和水压检测，焊接接头质量合格，未发现裂纹等缺陷。1.3.4.2 异种钢焊接接头组织与性能的研究赵勇桃等人I采用手工电弧焊焊接工艺，填充A307焊条，对Q235钢和316不锈钢进行焊接并对其焊接接头组织及性能进行研究。研究表明：在Q235钢和316不锈钢焊接接头中，焊缝组织成柱状晶生长,在近焊缝一侧Q235钢产生脱碳层而软化,在Q235钢焊缝一侧出现增碳层而硬化。热影响区的晶粒相对较粗大，316不锈钢焊接热影响区和木长期区组织均为A,Q235钢焊接热影响区和母材区的组织均为F和P。陈今良”采用非熔化极惰性气体保护焊(TlG)工艺，在焊接电流为90120A条件下，选用直径为2.00的ER309焊丝对OerI8Ni9奥氏体不锈钢和Q235碳钢进行双面焊，并对焊接接头进行了分析。试验表明：采用高银焊丝Ni317时，焊缝组织中奥氏体成分大大增加；采用同种焊丝，当焊接电流在某一区间变化时，随着电流的增加，接头的抗拉强度增大,拉伸断口均出现韧窝,且采用ER309焊丝焊接得到的韧窝尺寸大而深;采用同种电流焊接时，选用ER309焊丝焊接的焊接接头的抗拉强度要高于选用Ni317焊丝焊接的焊接接头。卢东华选用鸨极氢弧焊，ER3091.焊丝及E308焊丝两种焊丝和手工电弧焊，A042焊条对3161.不锈钢和Q345钢进行异种钢焊接试验研究。通过采用各种分析方法对焊接接头组织的及性能进行分析，表明在此研究内相应的条件下，所选用的焊接工艺均能较高质量的实现3161.不锈钢和Q345钢的焊接。1.4 本课题研究内容(1)对Q235钢与3161.奥氏体不锈钢异种钢焊接工艺的分析；（2）对Q235钢与3161.奥氏体不锈钢焊接接头的分析。1.5 本课题研究的目的和意义本课题通过异种钢焊接的理论分析,对Q235钢与3161.奥氏体不锈钢进行焊接试验,目的是分析其在相应焊接条件下能否得到满足工艺要求的焊接接头、焊接后得到什么样的接头组织及接头力学性能是否良好等。随着我国经济的快速发展和科学技术的不断创新，新能源、新材料、新工艺等不断涌现，异种钢焊接结构逐渐增多，对其焊接要求也在不断提高。异种材料的焊接，由于异种材料之间的化学成分、物理性能及化学性能等之间存在较大差异，因此，其焊接比同种材料之间的焊接复杂的多。Q235钢含碳量低，塑韧性好，具有良好的焊接性且价格低廉，是应用最为普遍的钢。3161.奥氏体不锈钢因具有良好的抗腐蚀能力、易于加工和高强度等性能在海洋环境、石油及天然气管道应用十分广泛。因此，Q235钢与3161.奥氏体不锈钢在设计制造中常常被采用，以至于在化工业得到了广泛的应用。但Q235钢与3161.奥氏体不锈钢因其化学成分、性能上有很大不同，给焊接工艺实施带来了困难，从而对焊后接头质量保证提出了较高的要求。因此，这两种钢的焊接工艺和组织性能的研究具有重大的实用意义。2Q235与3161.异种钢焊接试验2.1 焊接试验材料本次焊接实验材料为Q235和3161.不锈钢，其化学成分如表2.1所示叫表2.1Q235钢和3161.不锈钢的化学成分（）钢种CSiMnPSCrNiMoQ2350.180.350.440.040.04-3161.0.020.091.860.030.0216.7712.342.29在Q235钢中，C元素含量较少，Mn元素含量较多。Mn元素和Fe元素可以形成固溶组织，使铁素体组织强度和硬度增大，而且Mn元素还可以细化晶粒I。在3161.不锈钢中，Ni元素可以减少C原子在奥氏体组织中的溶解度，起到稳定组织的作用；Mo元素可以增强3161.不锈钢的耐腐蚀性能，降低碳化物在晶界处形成网状结构的倾向,增强材料的耐晶间腐蚀能力。Q235钢的金相组织由铁素体和珠光体构成，属于珠光体钢；3161.不锈钢金相组织为等轴的奥氏体晶粒。Q235钢和3161.不锈钢的力学性能如表2.2所示。表2.2Q235钢和3161.不锈钢的力学性能钢种抗拉强度/MPa屈服强度/MPa伸长率/%硬度/HRC（厚度或直径（厚度或直径Q235370500<16mm)235<16mm)>2636-403161.58525540.2283161.不锈钢含有较多的合金元素，如Cr、Ni、MO等，其中Cr、Ni元素能够产生固溶强化效果，因此3161.不锈钢的抗拉强度高于Q235钢。与Q235钢相比，3161.不锈钢的含碳量较低，且塑韧性高，有着较大的伸长率和较小的屈服强度。2.2 Q235与3161.焊接性分析金属材料是否具有良好的焊接性，一般来说是由金属材料的化学成分来决定的。常用于分析金属材料焊接性的碳当量法，碳当量判断材料焊接性的方法主要用于粗略估计钢材淬硬及冷裂敏感性。由于焊接热影响区的淬硬和冷裂敏感性与焊接材料的化学成分直接有关，则可以用化学成分来估测冷裂敏感性的大小。在各种元素中，碳对冷裂的影响最显著，则将各种元素的作用按照相当于若干含碳量的作用折合并叠加起来，求得碳当量Ceqo以Ceq值的大小作为判断淬硬和冷裂敏感性的指标。根据实践经验：当时Ceq<0.4%0.6%时，焊接性良好当时Ceq=O.4%0.6%时，焊接性相对较差；当时Ceq>0.4%0.6%时，焊接性极差。根据国际焊接学会(HW)推荐的碳钢和低合金钢碳当量Ceq计算公式咒Cq=>(C)+-(Mn)+gco(Cr)+(Mo)+(V)+d?(M)+(Cu)(2-1)则Q235钢的碳当量Ceq计算式如下：C=<(c)+-(Mn)-M>)+(Mo)+(v)+q(m)+WC)0.26%(2-2)6515由上述计算分析得出，Q235钢，其碳当量值约为0.26%,表明其焊接性良好，冷裂敏感倾向小，焊后不易得到淬硬组织I。3161.不锈钢具有较好的焊接性，一般情况下焊缝金属冷裂敏感性倾向也较小。需要注意的是，焊接热循环对焊接接头的影响，由于会影响到接头的耐腐蚀性，因此要控制好焊接接头中焊缝和热影响区中的奥氏体与铁素体双相比。Q235珠光体钢与3161.奥氏体不锈钢焊接时，焊缝金属平均成分由两者同填充材料混合而成。由于珠光体钢中不含或含有少量的合金元素，若它溶入焊缝金属的份额增大，则会冲淡焊缝金属的合金浓度，从而改变焊缝金属的化学成分和组织状态，这种现象称为母材对焊缝金属的稀释作用。对于奥氏体不锈钢与珠光体钢的焊接，要求母材在焊缝金属中所占比例要小，也就是稀释度要小且熔合比稳定，主要目的在于减少焊缝裂纹，以保证焊接接头的质量。2.3焊接工艺设计2.3.1焊接方法的选择手工电弧焊具有发展较早、应用广泛、工艺简单、成本较低等优点，在部分特殊情况下手工电弧焊的生产效率较高。现以结构实际应用为出发点，根据现有的环境条件，考虑到生产效率和经济成本方面，本次试验采用手工电弧焊对Q235钢和316不锈钢进行焊接。2.3.2焊接材料的选择Q235钢与3161.不锈钢属于异种钢焊接，由于两者的化学成分及物理性能相差较大，因此要格外注意母材对焊缝金属的稀释作用。在Q235钢与3161.不锈钢的焊缝中，如果由于焊缝的过分稀释，可能会使焊缝中A形成元素不足，结果在焊缝中形成M组织，使焊缝的接头脆性增大，导致焊接接头出现裂纹。Q235钢与3161.不锈钢属于异种钢焊接一般在焊接过程中，会在熔合区附近出现碳迁移现象，从而导致接头的力学性能变差。由于银元素可以很好的控制碳迁移C，所以应该选择含银元素较高的不锈钢焊接材料。一般可借助于图2-1舍夫勒组织图来讨论分析几种材料能否施焊，确保焊缝中含有一定比例的焊后所需组织，以满足实际结构应用要求。首先将钢的各种合金元素含量按下列公式折算成倍当量(Creq)和银当量(Nieq),再在图2-1中找出相应的点，即可知材料焊接后所得焊缝的正常冷却组织中的相组成。辂当量(Creq)和银当量(Nieq)的公式如下：c%(%)=4。)+°(Mo)+1.5g(S。+0.5g(N0)(2-3)Nieq(%)=口(M)+30*)+0.5G(M)(2-4)根据公式2-3、2-4计算出Q235钢和3161.不锈钢的铝、银当量如表2.3所示.表2.3Q235钢和3161.不锈钢的铭、银当量牌号/型化学成分(质量分数，%)(Creq)(Nieq)图5-1中号CMnSiCrNi(%)(%)的位置Q2350.180.440.35-0.535.62a3161.0.021.860.0916.7712.3416.9113.87bQ235钢与3161.不锈钢焊接无填充时，母材金属的倍、银当量分别为8.72和9.75,在图2-1中c的位置。根据对部分文献所采用焊接材料的分析，当采用焊条电弧焊时,一般可选的焊条有AlO2、AO22、A307和A407等，对这几种焊条的熔敷金属进行铭、银当量的计算，计算结果如表2.4所示。表2.4焊条熔敷金属的铭银当量焊条牌号化学成分(质量分数，%)(Creq)(%)(Nieq)(%)图5-1中的位置CMnSiCrNiMoA1020.071.220.4619.208.50-19.8711.15dA0220.04-19.8012.402.8022.6013.60eA3070.081.280.5225.5012.55-26.2815.65fA4070.181.400.5426.2018.8-27.0124.90g当Q235钢与3161.不锈钢焊接有填充时,首先选用不锈钢焊条牌号A102(E308型)作为填充金属，其格、银当量对应于图2-1中d点。此焊条焊接这两种材料时，若两种母材熔入焊缝金属中的数量相同，即两种母材混合熔化后格、馍当量仍在原来的c点,则当母材的熔合比发生变化时，焊缝中的铭、银当量的质量分数沿Cd线段各点移动。当母材的熔合比为40%时，经计算，焊缝的铭、银当量的质量分数相当于h点；当母材的熔合比为30%时，经计算，焊缝成分的铭、银当量的质分数在i点，此时焊缝组织为A+M,焊接接头有形成裂纹的可能。在完全相同的条件下，选用A022牌号焊条（即E3161.型）作为填充材料，焊条熔敷金属铭、银当量在图21中e点。如果母材熔合比为40%,焊缝金属的铭、银当量相当于图2-1中j点，此时焊缝组织为A,由于是单相奥氏体组织，所以焊缝很有可能形成裂纹；如果母材的熔合比为30%,焊缝的铝、银当量相当于图21中k点，此时焊缝组织由1%F+A组成，对抗裂性和耐蚀性有利。若对焊条的熔敷金属成分进行调整，也就是在同样的条件下，选用A307牌号焊条（即E309型）施焊，焊条熔敷金属的铭、银当量相当于图2-1中f点。如果母材熔合比为40%,焊缝金属的铭、银当量相当于图51中1点，焊缝组织为A+1%F,与k点相似，由于焊缝组织是双相组织，焊缝金属的裂纹敏感性会有所降低，而耐蚀性会有所提高；如果母材的熔合比为30%,经计算，焊缝金属中的铭、银当量相当于图5-1中m点，此时焊缝金属含有体积分数为5%的铁素体的奥氏体组织，由于含有体积分数为5%的铁素体组织，因此可以有效防止焊接裂纹的产生，而且有利于提高材料的抗点蚀能力，此时的焊缝组织也是异种钢焊接要求获得的最为理想的焊缝金属组织。282420168481216202428323640Creq三Cr+Mo÷1.5Si÷0.5Nb%图2-1舍夫勒组织图当选用A402牌号焊条（E310型）作为填充材料，则焊条熔敷金属的铭、银当量相当于图21中g点，如果母材熔合比仍为30%40%（即焊缝金属的铝、银当量位于图2-1中Cf线段上的o、n两点），焊缝金属为单相奥氏体组织，易使焊接接头产生裂纹。根据上述内容分析，Q235钢与3161.不锈钢采用焊条电弧焊进行焊接，若选用A102焊条施焊，焊缝金属中出现脆硬的马氏体组织，导致焊缝出现裂纹是不可避免的。选用A022焊条施焊时，要将熔合比控制在30%以下，才能获较好的焊缝组织；选用A307焊条施焊时，当母材熔合比只需要控制在40%以下，便能获得较为理想的焊缝组织；而采用A407焊条，焊缝组织为单相奥氏体，焊接接头有形成热裂纹的倾向。综合考虑，本次试验选择的焊接材料为A307焊条。2. 3.3焊接工艺参数的选择本次试验对Q235钢和3161.不锈钢进行焊接工艺设计，以获得高质量焊接结构为原则，经过前期理论分析及相关试验砧"切，获得本次试验条件下的焊接工艺参数，具体的工艺参数如表2.5所示。表2.5焊接工艺参数项目内容焊接方法SMAW焊接材料A3O7电源极性直流反接焊条直径mm2.5电流/A100120电压/V18-20焊接速度cmmin"563. 3.4焊接过程将Q235及3161.母材加工成规格为100mm*10Omm*4mm的板材，由于板材厚度小，则不开坡口，焊接形式为对接，板材之间的间隙为23mm,如图22所示。焊接前，先对两种母材表面的水分、油污等杂质进行擦拭和清理；焊接过程中，尽可能的避免焊条的抖动，电弧长度控制在34mm的范围内，保证热量的集中，若是一条焊缝，焊接时尽量不要停下，以避免再次引弧造成缺陷；焊接完成后，待工件冷却几分钟，再将焊缝表面的药皮清理干净倒。焊接接头的宏观形貌如图2-3所示。Q235H3.图2-2板材对接焊缝示意图焊接结束后得到的焊缝表面形貌美观，对焊缝质量进行检验，未发现裂纹、咬边等焊接缺陷的产生。图23焊接接头的宏观形貌如图3试验结果及分析3.1Q235与3161.焊接接头组织分析利用小型手动切割机对焊后工件进行切割取样，取得规格为20×4×20的一个长方体试样。依次选用粒度为400、600、800、1000、1200的砂纸对试样进行磨制，用砂纸打磨结束后再用抛光机进行机械抛光，直至试样表面无明显划痕。对抛光完成后的试样进行金相腐蚀处理，由于两侧组织不同，因此采用两种不同的腐蚀剂，对试样两侧分别进行腐蚀，Q235钢一侧采用4%的硝