Q235厚钢板焊后热处理工艺及组织性能分析.docx
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Q235厚钢板焊后热处理工艺及组织性能分析
毕业论文
题目:
Q235钢厚钢板焊后热处理工艺及组织性能分析
学院:
机械工程学院
专业:
材料成型及控制工程班级:
0802学号200802050224
学生姓名:
张博涵
导师姓名:
马红亮彭小敏
完成时间:
2012年6月20日
诚信声明
本人声明:
1、本人所呈交的毕业设计(论文)是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果;
2、据查证,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,毕业设计(论文)中不包含其他人已经公开发表过的研究成果,也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料;
3、我承诺,本人提交的毕业设计(论文)中的所有内容均真实、可信。
作者签名:
日期:
年月日
毕业设计(论文)任务书
题目:
Q235钢厚钢板焊后热处理工艺及组织性能分析
姓名张博涵学院机械工程学院专业材料成型班级0802学号200802050224
指导老师马红亮彭小敏职称讲师教研室主任李东锋
一、基本任务及要求:
1.查阅与本课题相关的文献资料及相关手册,了解焊后热处理的作用及其对焊缝组织性能的影响并归纳焊后热处理工艺确定原则,了解Q235钢组织性能特点、特别是焊接性能特点及Q235钢的应用,撰写文献综述;
2.设计确定Q235钢厚板焊后热处理工艺
3.对经不同热处理制度后,Q235钢焊件组织性能进行分析,评估热处理工艺,分析原因,获得优化后最佳工艺;
二、进度安排及完成时间:
1.3月1日~3月30日,查阅资料、撰写文献综述和开题报告;
2.4月1日~4月6日,课题调研、资料收集、方案设计;
3.4月7日~5月1日,试验研究及结果分析;
4.5月2日~5月22日,撰写毕业论文;
5.5月23日~6月5日,将毕业论文送指导老师审阅、评阅老师评阅;
6.6月7日~6月15日,毕业论文答辩和资料整理。
Q235钢厚钢板焊后热处理工艺及组织性能分析
摘要:
本文以Q235厚钢板为研究对象,采用手工电弧焊焊接方法进行焊接,通过对Q235厚钢板的焊后热处理,初步探讨其工艺过程,采用去应力退火热处理工艺,目的是消除焊后残余应力的影响。
并对热处理前和热处理后做了对比试验探究,主要对试件金相显微组织,试件的力学性能,硬度进行了研究。
研究结果表明:
Q235钢焊接性能良好,热处理前后的力学性能,硬度有很大差别,焊缝区的硬度明显高于母材硬度,去应力退火热处理后对应的母材和焊缝硬度都有所降低,经过热处理力学性能大体有所提高。
退火前后组织不变,退火后比退火前晶粒更细,分布更均匀。
关键词:
Q235厚钢板;焊后热处理;焊缝;力学性能;
Q235THICKSTEELPLATEHEATTREATMENTAFTERWELDINGTECHONLOLOGYANDMICROSTRUCTUREANALYSIS
Abstract:
BasedontheQ235thicksteelplateastheresearchobject,usingthemanualelectricarcweldingmethodforwelding,throughtotheQ235thicksteelplateheattreatmentafterwelding,preliminarydiscusstheprocess,usingstressannealingprocess,isdesignedtoeliminateweldingresidualstresseffect,andpassonbefore,afterheattreatmenttissuepreparationandmicroscopicobservationonthemicrostructure,mechanicalproperties,hardnesscontrasttestresearch,researchresultsshowthat:
goodweldingperformanceofQ235steelafterheattreatment,mechanicalproperties,hardnesshasverybigdifference,thehardnessofweldingseamareawassignificantlyhigherthanthatoftheparentmaterialhardness,stressannealingtreatmentafterthecorrespondingparentmaterialandweldhardnessaredecreased,andafterheattreatmentmechanicalpropertiessubstantiallyincreased.Organizationsdonotchangeafterannealing,afterannealingthegrainisfinerandmoreuniformdistribution.
KEYWORDS:
Q235thicksteelplate;heattreatmentafterwelding;contrastexperimentresearch;welding;mechanicalproperties;
第1章绪论
1.1引言
历史上,石器时代,青铜器时代,铁器时代,都是以材料为标志划分的。
但是自古以来,人们都要把材料合成一种结构才能更好地使用。
因此,材料和结合手段就一直密不可分,而且彼此相互促进,不断发展着。
20世纪初,电弧技术用于钢铁产品,促使焊接和钢结构出现了质的飞跃。
进入21世纪仅短短5年,我国钢产量已突破3亿t,成为世界第一生产钢国,比美,俄,日三大产量之和还多的多。
钢的品种和质量也迅速发展和提高,材料加工,焊接专业工作者的任务将更加繁重和光荣。
20世纪80年代以来,随着我国科研开发能力的提高,结合引进国外先进技术和装备,焊接材料生产的品种和制造规模迅速发展。
焊接材料的生产主要以焊条、实芯焊丝、药芯焊丝、埋弧焊焊丝和焊剂为主,满足了常用电弧焊焊接方法的需求,为大型工程的建设做出了重大贡献。
焊接过程是一个独立的焊接冶金过程,在熔化焊的条件下,焊接接头由两个互相联系而组织性能又有很大区别的两个部分组成,即焊缝和热影响区。
焊缝和热影响区经历了复杂但有规律的焊接热循环。
在焊接接头这个很小的区域中,几乎所有的物理冶金现象都可能出现,最终形成具有不同显微组织和性能的接头区域,对焊接接头的质量有直接影响[1]。
随着时代的进步,人们对焊接件的性能要求提高,发现热处理可以使得焊件的性能提高,故焊后热处理技术为人利用。
1.2课题的研究背景
焊接作为一种通用的共性技术,在制造业中被相当数量的企业用作关键的加工工艺,焊接直接决定着其产品质量的好坏。
根据我国产业类别的划分方法,焊接企业广泛分布在锅炉、压力容器、发电设备、核设施、石油化工、管道、冶金、矿山、铁路、汽车、造船、港口设施、航空航天、建筑、农业机械、水利设施、工程机械、机器制造、医疗器械、精密仪器和电子等行业中。
这些企业在我国工业经济建设中影响睬、涉及面广、具有举足轻重的影响和作用。
Q235钢是一种普通碳素结构钢,现大量应用于建筑及工程结构。
用以制作钢筋或建造厂房房架、高压输电铁塔、桥梁、车辆、锅炉、容器、船舶等,也大量用作对性能要求不太高的机械零件。
C、D级钢还可作某些专业用钢使用。
随着时代的发展厚板应用越来越多,对于厚钢板的研究是一个比较前沿的问题,也是比较难的问题。
本文将对Q235的焊后热处理及组织性能进行分析。
1.3课题的研究内容
1.3.1厚钢板的焊接技术
对于厚板、超厚板焊接时填充焊材熔敷金属量大,焊接时间长,热输进总量高,构件施焊时焊缝拘束度高、焊接残余应力大,焊后应力和变形大。
焊接施焊过程中,易产生热裂纹与冷裂纹[2]。
厚板在焊接前,钢板的板温较低,在开始焊时,电弧的温度高达1250~1300℃,厚板在板温冷热骤变的情况下,温度分布不均匀,使得焊缝热影响区轻易产生淬硬——马氏体组织,焊缝金属变脆,产生冷裂纹的倾向增大,为避免此类情况发生,厚板焊前必须进行加热。
在实际生产制造过程中,应对焊接过程进行控制,以防止焊接裂纹的产生。
(1)厚钢板焊接的常用方法和要求
①定位焊:
定位焊是厚板施工过程中最轻易出现题目的部位。
由于厚板在定位焊时,定位焊处的温度被四周的“冷却介质”很快冷却,造成局部过大的应力集中,引起裂纹的产生,对材质造成损坏。
解决的措施是厚板在定位焊时,进步预加热温度,加大定位焊缝长度和焊脚尺寸。
②多层多道焊:
在厚板焊接过程中,坚持的一个重要的工艺原则是多层多道焊,严禁摆宽道。
这是由于厚板焊缝的坡口较大,单道焊缝无法填满截面内的坡口,摆宽道焊接造成的结果是,母材对焊缝拘束应力大,焊缝强度相对较弱,轻易引起焊缝开裂或延迟裂纹的发生。
而多层多道焊有利的一面是:
前一道焊缝对后一道焊缝来说是一个“预热”的过程;后一道焊缝对前一道焊缝相当于一个“后热处理”的过程,有效地改善了焊接过程中应力分布状态,利于保证焊接质量。
③焊接过程中的检查:
厚板焊接不同于中薄板,需要几个小时乃至几十小时才能施焊完成一个构件,因此加强对焊接过程的中间检查,显得尤为重要,便于及时发现题目,中间检查不能使施工停止,而是边施工、边检查。
如在清渣过程中,认真检查是否有裂纹发生。
及时发现,及时处理。
④厚板对接焊后,应立即将焊缝及其两侧各100~150mm范围内的局部母材进行加热,加热时采用红外线电加热板进行。
加热温度到250~350℃后用石棉展盖进行保温,保温2~6h后空冷。
这样的后热处理可使因焊前清洁工作不当或焊剂烘焙不当而渗透熔池的扩散氢迅速逸出,防止焊缝及热影响区内出现氢致裂纹。
厚钢的超声波检测应在焊后48h或更长时间进行。
如进度答应,也可在构件出厂前再次进行检测,确保构件合格,以免延迟裂纹对工件的破坏。
(2)厚钢板的焊接工艺
厚钢板的焊接工艺包括厚钢板的切割,厚钢板的对接焊接[3]。
①厚钢板切割
对采用乙炔气切割和液化石油气切割做了分析比价试验,试验结果表明:
液化石油气切割与乙炔气切割相比,预热时间较长,切割速度较慢,但切割面光滑,不渗碳,成本下降15%以上,比较经济安全。
因此,最终确定采用液化石油气进行厚板切割。
②厚钢板的焊接
厚钢板的对接采用V型坡口手工电弧焊,厚钢板的对接只允许在长度方向对接。
手工电弧焊焊接技术使用不同的方法保护焊接熔池,防止和大气接触。
热能也是由电弧提供。
和MIG焊一样,电极为自耗电极。
金属电极外由矿物质熔剂包覆,熔剂熔化时形成焊渣盖住焊接熔池。
此外,包覆的熔剂还释放出气体保护焊接熔池,而且,还含有合金元素用来补偿合金熔池的合金损失。
在有些情况下,包覆的熔剂内含有所有合金元素,中部的焊条仅是碳钢。
然而,在采用这些类型的焊条时,需要特别小心,因为所有飞溅都具有软钢性质,在使用过程中焊缝会锈蚀。
a手工电弧焊的特点[4]
操作方便,使用灵活,适应性强。
适用于各种钢种,各种XX,各种位置和各种结构的焊接。
特别是对不规则的焊缝,短焊颖,仰焊缝,高空和位置狭窄的焊缝,均能灵活运用,操作自如。
焊接质量好。
因电弧温度高,焊接速度较快,热影响区小,焊接接头的机械性能较为理想。
另外,由于焊条和电焊机的不断改进,在常用的低碳钢和低合金钢的焊接结构中,焊缝的机械性能能够有效地控制,达到与母材等强的要求。
对于焊缝缺陷,在一定范围内可以通过提高焊工水平、改进工艺措施得到克服。
手工电弧焊易于分散应力和控制变形。
所有焊接结构中,因受热应力的作用,都存在着焊接残余应力和变形,外形复杂的焊缝、长焊缝和大工件上的焊缝,残余应力和变形问题更为突出。
采用手工电弧焊,可以通过工艺调整,如跳焊、逆向分段焊、对称焊等方法,来减少变形和改善应力分布。
设备简单,使用维护方便。
无论交流电焊机还是直流电焊机,焊工都容易掌握,使用可靠,维护方便。
不象埋弧焊、电渣焊设备那样复杂。
由于手工操作,生产效率低,焊工的劳动强度也比较大。
焊接质量不稳定。
手工电弧焊的焊接质量,与焊工的技能有关,培训焊工技能的难度较大,也由于手工操作的随意性比较大,使焊接质量不稳定,这是手工电弧焊的最大缺点。
b手工电弧焊的工艺及参数选择
不同的焊接方法有不同的焊接工艺。
焊接工艺主要根据被焊工件的材质、牌号、化学成分,焊件结构类型,焊接性能要求来确定。
首先要确定焊接方法,如手弧焊、埋弧焊、钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊等等,焊接方法的种类非常多,只能根据具体情况选择。
确定焊接方法后,再制定焊接工艺参数,焊接工艺参数的种类各不相同,如手弧焊主要包括:
焊条型号(或牌号)、直径、电流、电压、焊接电源种类、极性接法、焊接层数、道数、检验方法等等。
手工电弧焊的焊接工艺参数主要有焊条直径、焊接电流、电弧电压、焊接层数、电源种类及极性等。
1.3.2焊后热处理技术
焊后热处理一般选用退火或高温回火处理[5]。
对于电弧焊焊口采用去应力退火热处理。
这是因为普通焊的焊缝及热影响区的晶粒粗大,需要细化晶粒,残余应力大故采用去应力退火处理。
热处理的加热和冷却不宜过快,力求内外壁均匀。
本文主要研究去应力退火,现将其叙述如下:
(1)去应力退火工艺守则
a准备工作:
1将准备退火的工件,运至炉旁,并均具有检查合格证,无合格证者,不得入炉退火。
2检查工件的外形尺寸,是否年装炉。
3将退火用的设计资料与工艺文件准备齐。
4对设备进行检查、电气线路、冷却水路、炉内状况、周围环境。
5装炉时,垫平工件用的垫块准备齐全。
b装炉要求:
1工件下面应予以垫平或垂直。
2工件离炉底、炉壁及工件之间的距离不得小于100mm。
3工件不能相互叠放。
4工件应选择热状态变形最小的位置放置,如半环之类的结构件,开口不得向上。
5材厚相差悬殊的结构件,不得混合装炉退火。
c退火规范:
1开炉(盖盖)后,慢慢升温,2h内,升温到250℃以下;2h后,以每小时80℃的速度,加热到580℃~620℃,并保持炉内在加热过程中,各区的温度差不大于20℃。
2加热到580℃~620℃,在炉内进行保温,其温度时间,由计算决定,以焊接零件最厚的断面为准,每25mm为1h,但不得少于4h(即保温时间,经过计算,不足4h者,应保温4h)。
其中:
a.带“号字”产品的机座、支架的保温时间,要保持到5.5h~6h。
b.超高强度钢的焊接结构件的保温时间,保持到5h~5.5h。
c.厚钢板的保温时间按有效厚度mm×(3~4)min/mm计算
③在关闭的炉中,冷却到300℃以下时,将退火件从炉中移出,置于静止的空气中,冷却到室温。
其中:
条中a、b件,在室温低于20℃时,工件随炉冷却300℃以下后,吊开炉盖,在炉腔内冷却到室温,再移出。
d质量检查:
1对准备进行退火的焊接零件部件,在装炉前,按照图纸、工艺文件等进行质量复查(着重复查,2外形尺寸、焊缝表面质量以及易于变形的部位是否已焊牢工艺筋等)。
2按装炉要求,对焊接零部件退火的装炉是否符合要求进行检查。
3在退火过程中,对本守则第五章规定的退火规定的规范的执行进行检查。
温度、自动记录等情况,进行观察,若中途仪表、仪器等设备失灵,则要作好记录。
④焊接零部件退火后,按照图纸、技术条件、工艺文件等进行质量检查。
(2)去应力退火的目的
a降低钢的硬度,消除冷加工硬化,改善钢的性能,恢复钢的塑性变形能力。
b消除钢中的残余内应力,稳定组织,防止变形开裂。
c均匀钢的组织和化学成分。
去应力退火后冷却应尽量缓慢,以免产生新的应力[6]。
1.3.3金相显微分析
将热处理后的试样进行磨制,抛光,浸蚀,利用4X型金相显微镜以及金相分析仪对试样观察显微组织并进行金相组织分析。
主要观察焊缝影响区以及分析其组织机械性能
[7]。
1.3.4硬度测试
主要方法是:
利用HRS-150型数显洛氏硬度计对试样做热处理前后的硬度对比实验。
测量多组实验求平均值
1.3.5力学性能分析
主要方法:
利用液压式万能试验机(型号:
CMT3505)对试样热处理前后做拉伸实验,测试屈服强度、抗拉强度、屈强比等力学性能。
测多组数据取平均值[9]。
1.4课题的目的和意义
了解焊后热处理的作用及其对焊缝组织性能的影响并归纳焊后热处理工艺确定原则,了解Q235钢组织性能特点、特别是焊接性能特点及Q235钢的应用。
设计确定Q235钢厚板焊后热处理工艺。
对经不同热处理制度后,Q235钢焊件组织性能进行分析,评估热处理工艺,分析原因,获得优化后最佳工艺。
随着时代的进步,科技的发展,人们对厚板应用更加广泛。
厚板的焊接和处理难度较大,焊后热处理又是改善焊接后性能的必要的措施,故对此课题的研究有着重大意义。
本论文的研究将有助于对这些技术有更好地了解。
第2章实验设备及实验方法
2.1实验设备介绍
(1)天平,瓷钵(带有瓷棒)玻璃板,量筒
(2)交流弧焊机
交流弧焊机实际上是一种具有一定特性的降压变压器。
它把网路电压(220v或380v)的交流电变成适合于电弧焊的低压交流电。
其结构简单、价格便宜、使用方便、维修容易、空载损耗小,但电弧稳定性较差;
图2.1交流弧焊机
(3)金相细磨砂纸
所用金相砂纸的号数为00、02、03、04、05,用来对试样进行手工细磨,以便快速制备金相试样。
如图2.2所示:
图2.2金相砂纸
(4)金相试样预磨机
所用型号为M-2型,该机是一种湿式磨光机,它利用不同粒度的金相砂纸,对各种金属及合金的试样进行磨光。
采用本预磨机,除以机械磨光代替手工操作提高制备试样的效率以外,还能完全除去试样切割过程中产生的塑性变形和表面加热的痕迹,供进一步抛光后进行组织的显微测定。
预磨机在工作时,通过回转水且将冷却水不断注入旋转的磨盘中,砂纸在大气压的作用下可以紧贴在磨盘上,用来去除原材料表面的氧化物,为测量试样的硬度和下一步手工细磨做准备。
如图2.3所示:
图2.3预磨抛光机
(5)金相试样机械抛光机
金相试样抛光机由底座、抛盘、抛光织物、抛光罩及盖等基本元件组成。
电动机固定在底座上,固定抛光盘用的锥套通过螺钉与电动机轴相连。
抛光织物紧固在抛光盘上。
电动机通过底座上的开关接通电源起动后,便可用手对试样施加压力在转动的抛光盘上进行抛光。
抛光过程中加入的抛光液可通过固定在底座上的塑料盘中的排水管流入置于抛光机旁的方盘内。
本实验所用型号为P-2,对金相试样进行抛光处理,消除磨面上的磨痕及金属扰乱层,以便制出平整、光亮、无痕的金相磨面,如图2.4所示:
图2.4金相试样抛光机
(6)4X型金相显微镜
金相显微镜是将光学显微镜技术、光电转换技术、计算机图像处理技术完美地结合在一起而开发研制成的高科技产品,可以在计算机上很方便地观察金相图像。
本实验主要对金相试样进行显微组织观察和分析,如下图2.5所示:
图2.54X型金相显微镜的外形结构图
4X型金相显微镜实物图,如下图2.6:
图2.64X型金相显微镜
(7)金相分析仪
选用GX60-DS型金相综合分析系统,配备有高倍、中倍、低倍三个高质量物镜和数码视频采集与处理硬件,并配套有专用的微机和金相分析专业软件。
观察金相显微组织,拍照保存特征相图,金相分析仪如下图2.7示:
图2.7金相分析仪
(8)砂轮切割机(型号:
J3G-H1-400):
将焊好的钢板切成小的原始金属试样;如图2.8:
图2.8砂轮切割机
(9)砂轮打磨机(型号:
3SL-250):
修整原始金属试样;如图2.9:
图2.9砂轮打磨机
(10)箱形电阻炉(型号:
SRJX-3-9):
箱式电阻炉又称马弗炉,它是一种周期作业式加热炉,可供实验室淬火、回火、正火、退火等热处理加热用;如图2.10:
图2.10箱形电阻炉
(11)液压式万能试验机(型号:
CMT3505):
做拉伸实验,测试屈服强度、抗拉强度、屈强比等力学性能。
如图2.11:
图2.11液压式万能试验机
(12)HRS-150型数显洛氏硬度计
用来测试试样的硬度值,如图2.12所示是压头为120°的金刚石圆锥体的实物图,它主要测调质钢和淬火钢的硬度,有效值范围一般在20~70HRC。
图2.12HRS-150型数显洛氏硬度计
2.2实验过程及方法
2.2.1实验流程图
试验流程图2.13
2.2.2Q235厚板焊接实验过程
(1)取样:
取定30mm厚度的2块开有V型坡口的样板。
(2)焊接规范[10]
本实验采用手工电弧焊选用焊条直径为3.2mm,焊接电流110A,电压25V,焊接速度为10m/mm。
焊接规范如下表1所示:
表1焊接规范
焊接方法
焊丝直径(mm)
焊接电流
(A)
焊接电压
(V)
焊接速度(m/min)
手工电弧焊
d=4,d=3.2
110-180,80-130
20-27,20-26
4-20,3-12
埋弧自动焊
d=4
400-650
29-38
25-35
气体保护焊
d=1.2
80-400
20-40
(3)焊条选择:
汽蚀或磨损深处打底焊可选用J426、J427、J507、J506焊条;耐汽蚀表层堆焊可选用D276、D277、D237、D642、A102、A132焊条;耐泥沙磨损表层堆焊可选用D642、D237焊条;耐蚀同时要求耐磨的表层堆焊选用D237、D642焊条。
J427、J507、D277、D237焊条焊前应在300~400℃烘干2h。
D642、A102、A132焊条焊前应在100~150℃烘干1~2h。
(4)焊接预热温度100℃。
(5)焊接过程:
一般称第一层为打底焊,其余称为中间层焊道,最后一层称为盖面焊道.通常中、小管焊接时,以截面中心垂直线为界面分成两部分,先焊的一半叫前半周,后焊的一半叫后半周,施焊时按仰,立、平焊位置顺序由下向上进行,即在仰焊位置起焊,在平焊位置收尾,形成两个接头,打低焊实现单面焊双面成型。
(6)焊后冷却后拍摄焊后成品如图2.14:
图2.14焊后成品
(7)外观目视检验:
因Q235钢对应力集中敏感,故对接头外观应严格按有关规定的项目检查。
对于错边、咬边、凹坑、焊波不平、道间沟槽、焊疤留、余高过大均要按有关要求处理。
对于焊渣、飞溅等,为了后续工序,也须清除。
2.2.3焊后热处理工艺
对第二组试样2进行去应力退火[11],其工艺曲线图如2.15:
图2.15工艺曲线图
其中保温时间=有效厚度mm×(3~4)mm/min
经计算得保温时间为1.5~2h。
步骤叙述:
将试样2预热至120℃,装炉,以80℃/h的速度升温至580~620℃。
保温2h,以50℃/h的速度炉冷至300℃以下,空冷至室温。
2.2.4金相显微组织观察
将试样1,热处理后的试样2制备成金相观察试样[12]
(1)磨制
金相试样磨制分为粗磨和细磨两类。
粗磨目的是为了获得一个平整的金相磨面。
将金相试样,先依次在水砂纸,1#至5#金相砂纸上磨平,每换一道砂纸打磨方向要改变90°。
将粗磨后的试样用清水冲洗
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