金屬材料焊接工藝 第3版 教案 14 中碳調(diào)制鋼的焊接

授課教案首頁(yè)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(dòng)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(píng)價(jià)□其他活動(dòng)□課時(shí)安排2課時(shí)序號(hào)15授課日期月日月日月日月日授課班級(jí)教學(xué)內(nèi)容：4、中碳調(diào)制鋼的焊接教學(xué)目標(biāo)：知識(shí)目標(biāo)：1.了解中碳調(diào)制鋼的成分特點(diǎn)2、了解中碳調(diào)制鋼的焊接性能力目標(biāo)：掌握中碳調(diào)制鋼的焊接工藝要點(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(huì)交往能力重點(diǎn)難點(diǎn)及解決方法：要求學(xué)生熟悉中碳調(diào)制鋼的焊接工藝要點(diǎn)。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(píng)價(jià)方式：課堂提問(wèn)及作業(yè)作業(yè)和思考題：1、同一牌號(hào)的中碳調(diào)質(zhì)鋼分別在調(diào)質(zhì)狀態(tài)和退火狀態(tài)下焊接，其工藝有什么差別？課后小結(jié)：填表說(shuō)明：1.序號(hào)，指該課程授課的順序號(hào)，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(guò)程時(shí)間分配方法及手段一、教學(xué)組織1．復(fù)習(xí)引入10分鐘2．講解45分鐘3．提問(wèn)20分鐘4.小結(jié)15分鐘二、教學(xué)內(nèi)容中碳調(diào)制鋼中碳調(diào)質(zhì)鋼中碳和其他合金元素的含量都較高，通過(guò)調(diào)質(zhì)處理獲得較高的強(qiáng)度。其中加入合金元素的作用是保證淬透性和提高抗回火性，而其強(qiáng)度主要還是取決于含碳量。但隨含碳量的增加，鋼的焊接性明顯變差，焊接時(shí)必須采取嚴(yán)格的工藝措施，焊后必須經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理才能達(dá)到使用要求的接頭性能。能力知識(shí)點(diǎn)1中碳調(diào)質(zhì)鋼的成分和性能中碳調(diào)質(zhì)鋼都是在淬火+回火狀態(tài)下使用，屈服點(diǎn)達(dá)880～1176MPa以上，具有高的比強(qiáng)度和高硬度，可以用作火箭外殼和裝甲鋼等。其中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為wc=0.25%～0.5%，并加入合金元素（如Mn、Si、Ni、Cr、Mo、V、Ti等），以保證鋼的淬透性，消除回火脆性，再通過(guò)調(diào)質(zhì)處理獲得較好的綜合性能。中碳調(diào)質(zhì)鋼的淬硬性比低碳調(diào)質(zhì)鋼高得多，淬火后得到馬氏體組織，再經(jīng)回火得到的是片狀馬氏體，屬于硬脆組織，因此鋼的韌性較低，給焊接帶來(lái)很大困難。按照合金系統(tǒng)，中碳調(diào)質(zhì)鋼大概可以歸納為以下幾種：填表說(shuō)明：1.本頁(yè)可續(xù)頁(yè)；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(guò)程時(shí)間分配方法及手段1．Cr鋼40Cr是一種廣泛使用的含Cr調(diào)質(zhì)鋼，具有良好的綜合力學(xué)性能、較高的淬透性和較高的疲勞強(qiáng)度，用于制造較重要的在交變載荷下工作的機(jī)器零件，如齒輪和軸類。Cr能增加高溫或低溫的回火穩(wěn)定性，但Cr鋼有回火脆性。該鋼中wCr＜1.5%時(shí)能有效提高鋼的淬透性，繼續(xù)增加無(wú)實(shí)際意義；當(dāng)wCr=1%時(shí)對(duì)鋼的塑性和韌性略有提高；當(dāng)wCr＞2%時(shí)對(duì)塑性影響不大，但略使鋼的沖擊韌度降低。2．Cr-Mo鋼35CrMoA和35CrMoVA屬于Cr-Mo鋼系統(tǒng)，是在Cr鋼基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的中碳調(diào)質(zhì)鋼，具有良好的強(qiáng)度和韌性匹配，一般在動(dòng)力設(shè)備中用于制造一些承受負(fù)荷較高、截面較大的重要零部件，如汽輪機(jī)葉輪、主軸和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子等。Cr鋼中加入少量Mo（wMo=0.15%～0.25%）可以消除Cr鋼的回火脆性，提高淬透性和高溫強(qiáng)度；V可以細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度、塑性和韌性，增加高溫回火穩(wěn)定性。但由于鋼中的含碳量較高，淬透性較大，因此焊接性較差，一般要求焊前預(yù)熱和焊后熱處理。3．Cr-Mn-Si鋼30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A和40CrMnSiMoVA都屬于Cr-Mn-Si鋼系統(tǒng)，這類鋼的顯著特點(diǎn)是強(qiáng)度很高，但焊接性差，在飛機(jī)制造中應(yīng)用較多。30CrMnSiA是一種典型的Cr-Mn-Si系統(tǒng)的中碳調(diào)質(zhì)鋼，其中不含貴重的Ni，因此在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用。在退火狀態(tài)下，它的組織是鐵素體+珠光體，調(diào)質(zhì)狀態(tài)下的組織為回火索氏體。Cr-Mn-Si系鋼具有回火脆性的缺點(diǎn)，在300～450℃內(nèi)出現(xiàn)第一類回火脆性，同時(shí)還具有第二類回火脆性，因此高溫回火時(shí)必須采取快速冷卻的辦法，否則韌性會(huì)顯著降低。4．Cr-Ni-Mo鋼40CrNiMoA和34CrNi3MoA屬于Cr-Ni-Mo系統(tǒng)，具有良好的綜合性能，如強(qiáng)度高、韌性好、淬透性大等優(yōu)點(diǎn)，主要用于制造高負(fù)荷、大截面的軸類和承受沖擊載荷的構(gòu)件，如汽輪機(jī)、噴氣渦輪機(jī)軸、噴氣式客機(jī)的起落架及火箭發(fā)動(dòng)機(jī)外殼等。填表說(shuō)明：1.本頁(yè)可續(xù)頁(yè)；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(guò)程時(shí)間分配方法及手段能力知識(shí)點(diǎn)2中碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接性1．焊縫中的熱裂紋中碳調(diào)質(zhì)鋼含碳量及合金元素含量都較高，因此液-固相溫度區(qū)間大，結(jié)晶時(shí)成分偏析也較嚴(yán)重，焊接時(shí)易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋，具有較大的熱裂紋傾向。為防止熱裂紋，焊接時(shí)盡量采用含碳量低和雜質(zhì)S、P含量低的焊接材料；在焊接工藝上應(yīng)注意填滿弧坑和保證良好的焊縫成形，因?yàn)闊崃鸭y容易出現(xiàn)在未填滿的弧坑處，尤其是多層焊的第一層焊道的弧坑中以及焊縫的凹陷部位。2．焊接冷裂紋中碳調(diào)質(zhì)鋼含碳量及合金元素含量都較高，尤其是加入了增加淬透性的元素，因此淬硬傾向十分明顯，焊接熱影響區(qū)易出現(xiàn)硬脆的馬氏體組織，增大了焊接接頭的冷裂紋傾向。母材含碳量越高，淬硬性越大，焊接冷裂紋傾向也越大。同時(shí)，中碳調(diào)質(zhì)鋼由于Ms點(diǎn)較低，形成的馬氏體難以產(chǎn)生“自回火”作用，并且馬氏體中的含碳量較高，形態(tài)多為片狀甚至針狀，使得馬氏體的硬度和脆性也更大，因此中碳調(diào)質(zhì)鋼比低碳調(diào)質(zhì)鋼對(duì)冷裂紋的敏感性更大。3．熱影響區(qū)脆化中碳調(diào)質(zhì)鋼的淬硬傾向很大，在焊接熱影響區(qū)的過(guò)熱區(qū)容易產(chǎn)生大量的脆硬高碳馬氏體組織，導(dǎo)致過(guò)熱區(qū)脆化。生成的馬氏體越多，脆化越嚴(yán)重。中碳調(diào)質(zhì)鋼為防止過(guò)熱區(qū)脆化應(yīng)采用小的焊接熱輸入，同時(shí)采取預(yù)熱、緩冷和后熱等措施。4．熱影響區(qū)軟化對(duì)于必須在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接的中碳調(diào)質(zhì)鋼，需要考慮熱影響區(qū)軟化問(wèn)題。鋼材調(diào)質(zhì)狀態(tài)下被加熱到該鋼調(diào)質(zhì)處理的回火溫度以上時(shí)，焊接熱影響區(qū)將出現(xiàn)強(qiáng)度、硬度低于母材的軟化區(qū)，一般加熱溫度在Ac1～Ac3的部位軟化最明顯。填表說(shuō)明：1.本頁(yè)可續(xù)頁(yè)；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(guò)程時(shí)間分配方法及手段中碳調(diào)質(zhì)鋼強(qiáng)度級(jí)別越高，軟化越嚴(yán)重，并且軟化程度和軟化區(qū)的寬度與焊接熱輸入、焊接方法有很大關(guān)系。焊接熱輸入越小，加熱和冷卻速度越快，軟化程度越小，軟化區(qū)的寬度也越窄。從圖3-4可以看出，30CrMnSi采用氣焊時(shí)，軟化區(qū)的抗拉強(qiáng)度降為590～685MPa，而采用焊條電弧焊時(shí)軟化區(qū)強(qiáng)度為880～1030MPa；氣焊時(shí)的軟化區(qū)比電弧焊時(shí)要寬得多。因此，焊接熱源越集中，對(duì)減少軟化越有利。能力知識(shí)點(diǎn)3中碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接工藝特點(diǎn)中碳調(diào)質(zhì)鋼淬透性很大，焊后的淬火組織是脆硬的高碳馬氏體，不僅對(duì)冷裂敏感，而且焊后如果不經(jīng)過(guò)熱處理，熱影響區(qū)性能達(dá)不到母材性能。這類鋼一般是在退火狀態(tài)下焊接，焊后經(jīng)過(guò)整體調(diào)質(zhì)處理以獲得滿足要求的焊接接頭；但有時(shí)必須在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下進(jìn)行焊接，這種情況下熱影響區(qū)的性能惡化很難解決。一、在退火狀態(tài)下焊接1．焊接方法中碳調(diào)質(zhì)鋼焊接的合理工藝方案是在退火（或正火）狀態(tài)下進(jìn)行焊接，焊后再進(jìn)行整體調(diào)質(zhì)處理，實(shí)際上大多數(shù)中碳調(diào)質(zhì)鋼焊接是采用該方案。焊接時(shí)的主要問(wèn)題是裂紋，熱影響區(qū)性能可以通過(guò)焊后調(diào)質(zhì)處理來(lái)保證。因此對(duì)焊接方法幾乎沒有限制，常用的焊接方法有焊條電弧焊、埋弧焊和氣體保護(hù)焊等。采用熱量集中的脈沖氬弧焊、等離子弧焊及電子束焊等，有利于減小熱影響區(qū)寬度，獲得細(xì)晶組織，提高接頭力學(xué)性能。薄板焊接多采用氣體保護(hù)焊、鎢極氬弧焊和微束等離子弧焊等方法。2．焊接材料在選擇焊接材料時(shí)，除應(yīng)保證焊接時(shí)不產(chǎn)生冷裂紋、熱裂紋外，還應(yīng)考慮焊縫金屬的主要合金系統(tǒng)應(yīng)盡量與母材相似，并對(duì)能使焊縫金屬熱裂傾向增加和促使金屬脆化的元素（C、Si、S、P等）嚴(yán)格限制，以使焊縫金屬在焊后經(jīng)過(guò)與母材相同的調(diào)質(zhì)處理規(guī)范后，性能與母材相同。常用鋼種焊接材料選用見表3-17。填表說(shuō)明：1.本頁(yè)可續(xù)頁(yè)；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(guò)程時(shí)間分配方法及手段鋼牌號(hào)焊條電弧焊氣體保護(hù)焊埋弧焊保護(hù)氣體焊絲焊絲焊劑30CrMnSiAE8515-GE10015-GCO2H08Mn2SiMoAH08Mn2SiAH20CrMoAH18CrMoAHJ431HJ260ArH18CrMoA30CrMnSiNi2A-ArH18CrMoAH18CrMoAHJ350HJ26035CrMoAE8515-GArH20CrMoAH20CrMoAHJ26035CrMoVAE8515-GE10015-GArH20CrMoA--34CrNi3MoAE8515-GArH20Cr3MoNiA--40CrE8515-GE9015-GE10015-G----3．焊接參數(shù)在焊后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理的情況下，確定焊接參數(shù)的出發(fā)點(diǎn)主要是保證在調(diào)質(zhì)處理前不出現(xiàn)裂紋，接頭性能可不必考慮太多。一般中碳調(diào)質(zhì)鋼應(yīng)采用盡可能小的焊接熱輸入，這樣可以降低熱影響區(qū)脆化，同時(shí)采用預(yù)熱和后熱等措施以提高抗冷裂性能。4．預(yù)熱和后熱處理預(yù)熱和后熱處理是中碳調(diào)質(zhì)鋼焊接時(shí)的重要工藝措施，是否預(yù)熱及預(yù)熱溫度的高低取決于焊件結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)條件，除拘束度小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的薄板結(jié)構(gòu)不需預(yù)熱外，一般情況下，中碳調(diào)質(zhì)鋼焊接時(shí)都需要預(yù)熱和后熱處理，預(yù)熱溫度一般為200～350℃。常用中碳調(diào)質(zhì)鋼的預(yù)熱溫度見表3-19。鋼號(hào)預(yù)熱溫度/℃說(shuō)明30CrMnSiA200～300薄板可不預(yù)熱40Cr200～300-30CrMnSiNi2A300～350預(yù)熱溫度應(yīng)一直保持到焊后熱處理填表說(shuō)明：1.本頁(yè)可續(xù)頁(yè)；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(guò)程時(shí)間分配方法及手段對(duì)于焊后不能立即進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理的焊接結(jié)構(gòu)，為了保證冷卻到室溫后，在調(diào)質(zhì)前不出現(xiàn)延遲裂紋，需要在焊后及時(shí)進(jìn)行一次中間熱處理，即焊后在等于或高于預(yù)熱溫度下保溫一段時(shí)間的熱處理，如低溫回火或650～680℃的高溫回火。如果采用局部預(yù)熱，預(yù)熱的溫度范圍應(yīng)在焊縫兩側(cè)不小于100mm。常用中碳調(diào)質(zhì)鋼的焊后熱處理溫度見表3-20。鋼號(hào)焊后處理/℃說(shuō)明30CrMnSiA淬火+回火：480～700使焊縫金屬組織均勻化，焊接接頭獲得最佳性能30CrMnSiNi2A淬火+回火：200～30030CrMnSiA回火：500～700消除焊接應(yīng)力，以便于冷加工30CrMnSiNi2A二、在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接當(dāng)必須在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下進(jìn)行焊接時(shí)，主要問(wèn)題是焊接裂紋和熱影響區(qū)的脆化和軟化。為減小熱影響區(qū)軟化，應(yīng)盡量選擇熱量集中、能量密度大的焊接方法，而且焊接熱輸入越小越好。氣焊最不合適；氣體保護(hù)焊比較好，尤其是鎢極氬弧焊，熱量容易控制，焊接質(zhì)量容易保證；而脈沖氬弧焊、等離子弧焊和電子束焊效果更好；但從經(jīng)濟(jì)性和方便性考慮，目前焊接這類鋼還是焊條電弧焊應(yīng)用