金屬材料焊接工藝 第3版 教案 8 中碳鋼的焊接

授課教案首頁學(xué)年第學(xué)期機(jī)械工程學(xué)院材料技術(shù)系（部）焊接技術(shù)及自動化教研室課程名稱金屬材料焊接工藝任課教師授課形式理論教學(xué)√課內(nèi)實(shí)踐□理實(shí)一體□習(xí)題復(fù)習(xí)□考核評價(jià)□其他活動□課時(shí)安排2課時(shí)序號8授課日期月日月日月日月日授課班級教學(xué)內(nèi)容：第二章非合金鋼及其焊接工藝3、中碳鋼的焊接教學(xué)目標(biāo)：知識目標(biāo)：1、了解中碳鋼的成分特點(diǎn)及焊接性能力目標(biāo)：1、掌握中碳鋼的焊接工藝要點(diǎn)素質(zhì)目標(biāo)：1、培養(yǎng)學(xué)生良好的操作習(xí)慣2、具有與人溝通、與人合作的社會交往能力重點(diǎn)難點(diǎn)及解決方法：使學(xué)生充分理解中碳鋼的特殊焊接工藝。授課地點(diǎn)：教室教學(xué)媒體：投影儀設(shè)備及材料：其它資源：學(xué)習(xí)效果評價(jià)方式：課堂提問及作業(yè)作業(yè)和思考題：為何中碳鋼在制造機(jī)器零件中應(yīng)用普遍，而在焊接結(jié)構(gòu)中仍盡量不用？碳鋼焊接主要應(yīng)用于那些范圍？碳鋼焊接時(shí)應(yīng)注意哪些問題？課后小結(jié)：填表說明：1.序號，指該課程授課的順序號，應(yīng)與授課計(jì)劃一致；2.授課形式在相應(yīng)的選項(xiàng)打“√”。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過程時(shí)間分配方法及手段一、教學(xué)組織1．引入10分鐘2．講解50分鐘3．提問15分鐘4.小結(jié)15分鐘二、教學(xué)內(nèi)容綜合知識模塊三中碳鋼的焊接能力知識點(diǎn)一中碳鋼的成分特點(diǎn)與焊接性中碳鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為wc=0.25%～0.60%，其強(qiáng)度和硬度較高，塑性和韌性較差，淬硬性較大，當(dāng)wc接近下限時(shí)焊接性良好，隨wc的增加焊接性嚴(yán)重惡化。同時(shí)在物理性能方面，中碳鋼比低碳鋼線膨脹系數(shù)略大，熱導(dǎo)率稍低，這也就增加了中碳鋼焊接時(shí)的熱應(yīng)力和過熱傾向。當(dāng)鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.15%時(shí)，碳本身的偏析以及它促進(jìn)硫等其它元素的偏析都明顯起來，如果鋼中的硫較多，則會因形成低熔點(diǎn)硫化物而導(dǎo)致熱裂紋傾向增加，因此用于焊接的中碳鋼必須嚴(yán)格控制硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；其次，由于碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大，在焊接冶金反應(yīng)中，C和FeO反應(yīng)生成的CO有可能產(chǎn)生CO氣孔；第三，碳的增加提高了鋼材的淬硬性，焊接時(shí)如果冷速較快則會在熱影響區(qū)產(chǎn)生馬氏體組織，且中碳鋼的馬氏體組織有較大的脆性，因此在焊接應(yīng)力作用下容易發(fā)生冷裂紋和脆斷中碳鋼的焊接性較差，且隨碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而越來越差，焊接時(shí)的主要問題是熱裂紋、冷裂紋、氣孔和脆斷，有時(shí)還會存在熱影響區(qū)強(qiáng)度降低，鋼中雜質(zhì)越多、結(jié)構(gòu)剛性越大，問題就越嚴(yán)重。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學(xué)方法如：項(xiàng)目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實(shí)物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡(luò)課程等。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過程時(shí)間分配方法及手段中碳鋼一般不用作焊接結(jié)構(gòu)材料，而是用作機(jī)器部件和工具較多，多利用其堅(jiān)硬耐磨的性能，而非利用其高強(qiáng)度。這種堅(jiān)硬耐磨性能通常是經(jīng)過熱處理來達(dá)到的，因此焊接時(shí)就要注意母材的熱處理狀態(tài)。如果是焊接已經(jīng)過熱處理的部件，則必須采取措施防止裂紋產(chǎn)生；如果是焊后進(jìn)行熱處理，要求熱處理后接頭與母材性能相匹配，則必須注意選擇焊接材料。能力知識點(diǎn)二中碳鋼的焊接工藝要點(diǎn)1．焊接方法中碳鋼焊接性較差，一般用作機(jī)器部件，其焊接一般是修補(bǔ)性的，所以焊接中碳鋼最合適的焊接方法是焊條電弧焊。2．焊接材料一般情況下選用去硫能力強(qiáng)，熔敷金屬擴(kuò)散氫含量低，塑、韌性較好的低氫型焊條；在要求焊縫金屬與母材等強(qiáng)度時(shí)，選相應(yīng)級別的低氫焊條；在不要求等強(qiáng)度時(shí)，選用強(qiáng)度級別低于母材的低氫焊條，例如焊接強(qiáng)度級別為490MPa的母材，可選擇E4315、E4316焊條，切不可選擇強(qiáng)度級別比母材高的焊條。對強(qiáng)度不做要求的中碳鋼工具、模具等，焊接時(shí)要考慮其焊前狀態(tài)：如果是在退火狀態(tài)下（熱處理前）焊接，選用焊條則必須要使焊縫金屬與母材化學(xué)成分接近，以使焊后經(jīng)熱處理的焊縫金屬達(dá)到與母材性能相同；如果是在熱處理后的部件上焊接，則要選擇低氫焊條，并采取相應(yīng)的工藝措施，以防止裂紋和熱影響區(qū)軟化。3．坡口制備中碳鋼焊接時(shí)為了限制焊縫金屬中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，應(yīng)減小熔合比，所以一般采用U形或V形坡口，并注意將坡口及兩側(cè)20mm范圍內(nèi)的油污、鐵銹等污物清理干凈。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學(xué)方法如：項(xiàng)目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實(shí)物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡(luò)課程等。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過程時(shí)間分配方法及手段4．預(yù)熱與后熱中碳鋼焊接時(shí)大多需要預(yù)熱和控制道間溫度，以降低焊縫金屬和熱影響區(qū)的冷卻速度，抑制馬氏體的形成，提高接頭的塑性，減小殘余應(yīng)力。預(yù)熱溫度取決于碳當(dāng)量、母材厚度、結(jié)構(gòu)剛度和焊條類型等，見表2-4。中碳鋼焊后應(yīng)立即進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，不能立即進(jìn)行熱處理的，也應(yīng)至少在冷卻到預(yù)熱溫度或道間溫度之前進(jìn)行，特別是在工件厚度和結(jié)構(gòu)剛度較大時(shí)更應(yīng)如此。熱處理溫度一般為600～650℃。表2-4中碳鋼焊接的焊條、預(yù)熱溫度及焊后熱處理溫度鋼牌號焊接性選用焊條牌號預(yù)熱溫度/℃焊后熱處理溫度/℃不要求等強(qiáng)度要求等強(qiáng)度25好E4303、E4301E5015、E5016＞50600～65030較好E4315、E4316E5015、E5016＞10035ZG270-500較好E4303、E4301E4315、E4316E5015、E5016＞15045ZG310-570較差E4303、E4301、E4315、E4316、E5015、E5016E5015、E5016＞25055ZG340-640較差E4303、E4301、E4315、E4316、E5015、E5016E5015、E5016--填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學(xué)方法如：項(xiàng)目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實(shí)物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡(luò)課程等。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過程時(shí)間分配方法及手段5．施焊特點(diǎn)中碳鋼焊接時(shí)，尤其是在不預(yù)熱的情況下焊接，應(yīng)采取工藝措施減小熔深，降低冷卻速度，防止產(chǎn)生裂紋。例如，選U形坡口減小熔合比；多層焊第一層焊道采用小直徑焊條、小電流焊接；將焊件置于立焊或半立焊位置、焊條橫向擺動（擺動幅度取焊條直徑的5～8倍，這樣就相當(dāng)于短段連續(xù)多道多層焊），以使母材熱影響區(qū)的任何一點(diǎn)都在短時(shí)間內(nèi)多次重復(fù)受熱以取得預(yù)熱和保溫效果。能力知識點(diǎn)三典型中碳鋼零件的焊接工藝1．焊條電弧焊焊接法蘭長軸法蘭長軸的主要尺寸見圖2-1，材料為35鋼。采用焊條電弧焊焊接，選用E5015低氫型焊條，焊前經(jīng)300～350℃烘干保溫1h；焊件仔細(xì)清理坡口兩側(cè)20mm范圍內(nèi)的油污、鐵銹等雜質(zhì)；焊件水平放置，焊縫處于立焊位置，預(yù)熱150～200℃，焊固定焊