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1、焊透率焊接工艺分析摘 要焊透率过低造成的直接影响就是未焊透缺陷，未焊透对焊接结构来说最直接的危害是减少承载截面，降低焊接接头的机械性能。同时，未焊透引起的应力集中远比强度降低的危害性还要承受交变载冲击载荷、应力腐蚀或低温下工作的结构，常常由此导致脆性断裂。未焊透缺陷是在役压力管道缺陷中存在的主要缺陷，研究其与焊接工艺之间的关系不仅具有重要的理论意义更具有重要的工程应用价值。研究采用的实验材料为工业上应用比较广泛的Q235钢板材料。对Q235钢板的焊透程度进行了理论的分析后，采用不同的焊接工艺利用手工电弧焊对Q235钢板进行不开坡口留2毫米间隙的焊接实验，并利用金相实验和显微硬度实验对Q235钢
2、板的焊透程度进行评定，利用评定结果分析焊接工艺对焊透率的影响。焊缝的焊透率的高低直接影响焊缝的质量，例如焊透率达到80%且有熔深的桥壳，其疲劳寿命可以提高20%以上，并提高桥壳的屈服极限。如果能够研究出采用哪种焊接工艺对提高焊缝的焊透程度有有利影响，就可以减少成本而更好地提高焊接的性能。手工电弧焊是现代工厂里应用最普遍的一种焊接方法，采用不同的焊丝和不同的焊接电流，进行一系列的焊接试验。据此，总结了不同的焊接工艺对焊透率的影响。按JB47081992的要求对焊接工艺进行评定。按焊缝基本标准的对钢板的对接接头进行检测，检测表明焊缝质量接近级，焊缝基本无裂纹、未融合等缺陷。金相实验和显微硬度实验表
3、明，不同的焊接工艺对焊透率的影响是不同的。对大量实验数据进行整理，编制出了“不同的焊接工艺对钢板焊透程度的影响”，作为二氧化碳气体保护选定工艺路线的依据。关键词：Q235钢板；焊接；焊透率；焊接工艺；未焊透Penetration rate welding process analysisAbstractLow penetration rate of the immediate impact is lack of penetration defects, incomplete penetration of the welded structure is the most direct beari
4、ng section is to reduce harm, reduce the mechanical properties of welded joints. Meanwhile, the lack of penetration caused by the stress concentration lower than the strength of the dangers but also to withstand impact loads of alternating load, stress corrosion, or low temperatures, the structure o
5、f the work, which often lead to brittle fracture. Incomplete penetration defects are defects in the service Pressure the main defect of the welding process and the relationship between not only has important theoretical meaning is more important application value.The experimental material used widel
6、y in industry for Q235 steel material in Study. Q235 steel plate penetration of the extent of the theoretical analysis, using different use of manual arc welding steel plates on the Q235 does not stay open 2 mm gap groove welding experiments and experiments using metallographic and microhardness exp
7、eriments Q235 steel assess the extent of penetration, the use of evaluation results of butt welding process through rate.Weld penetration rate directly affects the quality of welds, for example, penetration rate of 80% and a penetration depth of the axle housing, the fatigue life can be increased by
8、 20% or more, and increase the yield limit axle. If you can come up with what kind of welding technology to improve the degree of weld penetration beneficial effects to reduce costs and enhance better welding performance.SMAW is the most popular modern factory of a welding method, using different wi
9、res and different welding current, a series of welding tests. Accordingly, summed up the butt welding of different rate of penetration.JB4708-1992 according to the requirements of the welding process to be assessed. According to basic standards of weld butt joints of steel plate were detected near t
10、he weld quality testing showed that , almost no weld crack, fusion and other defects. Metallographic and microhardness test results show those butts welding of different rate of penetration are different.Organize a large number of experimental data, the preparation of a different welding processes o
11、n the degree of plate penetration of carbon dioxide gas as the basis for the selected process route.Key words: Q235 steel; welding; penetration rate; welding process; lack of penetration引 言第1章 绪 论1.1 课题的意义焊透率 （penetration rate ）是指点焊、凸焊和缝焊时焊件的焊透程度，以熔深与板厚的百分比表示即=h/-c100%（h-熔深 -工件厚度 C-压痕深度）。各种材料的焊透率要求是
12、不一致的。例如：两板上的焊透率一般允许介于20-80%之间。镁合金的最大焊透率只允许至60%。而钛合金则允许至90%。因此，深入地了解材料焊透率与焊接工艺之间的关系具有重要意义。目前我国在桥壳焊接时，其焊透率较低，易产生断裂，同时用户在超载时，桥壳的疲劳寿命降低，并会出现桥壳弯曲变形，导致一些不良现象的发生。当桥壳的焊透率达到80%以上，且有熔深时，桥壳疲劳寿命提高20%以上，并提高桥壳的屈服极限。焊透率较低时将会出现未焊透（图1-1）等缺陷。各国对未焊透缺陷都有严格的规定。美国ASME规范简单的规定不允许出现未焊透，一经查出必须返修:美国焊接协会AWS规范和美国石油协会API规范则视焊缝长度
13、、尺寸和未焊透间距确定接受与否;我国的压力容器检验规程规定:表面裂纹类缺陷(包括未融合、未焊透及夹渣)必须打磨消除。然后借助相应的标准或规范判断打磨留下的凹坑是否需要补焊。图1-1未焊透是工程实际焊接结构中最为常见的一种焊接不连续缺陷，其根部形貌复杂，极不规则，其存在往往会成为某些事故的潜在原因。这种缺陷减少了焊缝的有效面积，使接头强度下降。其次，未焊透引起的应力集中所造成的危害，比强度下降的危害大的多。未焊透严重降低焊缝的疲劳强度。未焊透可能成为裂纹源，是造成焊缝破坏的重要原因。但是，由于未焊透缺陷根部形貌和分散无规律的断裂韧度，目前还没有找出未焊透与焊接工艺之间的规律，致使未焊透工程简化和
14、缺陷安全评定问题一直是工程上的难题，制约了未焊透缺陷评定技术的发展。因此，为避免未焊透缺陷在焊缝中的出现，研究掌握未焊透缺陷与各种焊接工艺之间的关系，建立未焊透缺陷安全评定工程方法，不仅具有重要的理论意义，而且具有重要的工程应用价值。1.2 国内外未焊透的实验研究动态进入20世纪80年代后，在核电工业的支持下，美国、德国、日本、法国、英国等在压力管道领域内开展了许多研究工作，其中有多项大规模甚至是国际合作的研究计划，这些研究取得了不少成果和经验，也制订了相应的规范和标准，并在核工业及其它工业上得到了应用。最著名的试验研究有美国的退化管研究计划、日本管道可靠性实验研究计划、德国的压力管道研究计划
15、、国际管道完整性研究计划、美国短裂纹研究计划以及我国“九五”计划中的含缺陷压力管道研究计划等。美国的退化管研究计划是由于在核电站不锈钢管道发现大量应力腐蚀裂纹事件的推动下进行的。其主要目的是建立和改进用于核管道未破先漏(LBB)条件的极限载荷和断裂力学分析方法。研究内容包括先进的断裂力学分析方法，材料性能测试和全尺寸裂纹管道的断裂试验。日本管道可靠性实验研究计划是日本原子能研究所从开展的一项较大规模的管道研究计划。试验的主要内容包括裂纹稳态扩展断裂试验、管道疲劳试验以及管道断裂时的反冲撞击等，几乎涉及压力管道的所有研究方向。德国的压力管道研究计划是在德国核反应堆安全委员会(RKS)的组织下制订
16、的研究计划和发展计划，计划的内容包括含缺陷直管弯头与支管在准静态载荷动载下的LBB性能、裂纹扩展性能等。在这些试验研究的基础上，提出了基于安全概念和防止断裂评定概念，并成为德国核反应堆安全委员会的指导性文件。国际管道完整性研究计划，是由美国发起，由八个国家和地区组织起来成立的国际管道完整性研究组织(PIRIG)共同完成的计划。这个计划是针对地震工况下能否保证只漏不破(LBB)的安全评估技术。研究表明过去防止漏管而设立过多的固定支承设计是不必要和有害的。美国短裂纹研究计划是在美国NRC的要求和资助下，从1990年3月开始进行了“管中的短裂纹研究计划”，其主要目的是论证和改进包含周向短裂纹大直径管
17、道的评定方法。这里重点强调的是在该研究计划中，Battelle实验室将国际上已发表和未发表的管道断裂试验数据进行了整理，建立了管道断裂试验数据库(CRIUCMKC.WKI)，包括了220个轴向和700多个周向压力管道断裂试验的原始数据和试验结果，对压力管道缺陷安全评定技术的研究具有十分重要的意义。我国在“九五”期间，针对我国工业压力管道缺陷严重、普遍的突出问题，国家下达了重点科技攻关课题在役工业压力管道安全评估与重要压力容器寿命预测技术研究，其中的专题三为由锅检中心和华东理工大学共同负责的在役含缺陷压力管道安全评定关键技术研究，此专题通过三维有限元数据的全自动生成、局部减薄多影响因素化简、组合
18、载荷下大应变测试、数据分段拟合处理等分析计算，以及实验测试和爆破实验，全面、系统、深入地研究了环向(包括未焊透)、轴向和大面积局部减薄在不同压力、弯矩(拉力)组合载荷作用下对压力管道强度的影响，在含局部减薄压力管道的缺陷表征、失效模式建立、塑性极限分析及安全评定方法(尤其是免于评定条件建立)研究等方面取得了突破性进展，首次建立了塑性极限载荷数据库，给出了工程计算公式，并建立了无需进行管道内力的复杂计算、应用简便的含局部减薄、未焊透缺陷压力管道免于评定条件和塑性失效工程评定方法，达到国际领先水平。这些研究通过大量的实验，对现有的压力管道的焊缝安全评估技术进行了改进，并提出了一些新的理论和评定技术
19、，从而大大推动了压力管道完整性评定技术的进展，同时也对未焊透的安全评定起了推进的作用。1.3 本课题研究的内容本课题是在不同的焊接工艺条件下，采用对接接头方法焊接Q235钢板。然后通过制备金相试样，来观察焊缝的组织，利用显微实验观察和比较焊缝内部显微硬度在不同焊接工艺下的变化进而确定不同的焊接工艺对焊缝承载能力的影响。最后利用游标卡尺测量焊缝的焊透率进而得到不同的焊接工艺下焊缝的焊透率。根据以上实验所得数据与图像，进而比较不同焊接工艺下焊透率的大小关系。进而得到焊透率与各种焊接工艺参数之间的关系。第二章 实验条件与方法2.1前言实验的条件是实验研究能否成功的前提，如果要想使一个实验能够真正体现
20、出其价值，实验条件就必须要符合以下几点：1、 实验中实验器材是否符合标准，是不是可以在工厂里广泛使用。2、 试样的制作必须符合要求，否则无法观察到预期的结果，更无法得到有用的结论。3、 试样的选材必须慎重，必须要考虑现实中是否能够普遍使用。也就是说所选的材料是否具有研究价值。2.2 焊接工艺与试样材料2.1.1 试样材料试验所用的板材为Q235钢板，Q235钢是一种钢材的材质。Q代表的是这种材质的屈服度，后面的235，就是指这种材质的屈服值，在235MPa左右，并会随着材质的厚度的增加而使其屈服值减小。由于含碳适中，综合性能较好，强度、塑性和焊接等性能得到较好配合，用途最广泛。常轧制成盘条或圆
21、钢、方钢、扁钢、角钢、工字钢、槽钢、窗框钢等型钢，中厚钢板。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。其力学性能及化学成份见表2-l、表2-2，将钢板加工成10050的试板，板厚为5.6左右。表2-1 Q235钢的力学性能牌号拉伸强度（MPa）屈服强度（MPa）伸长率（%）Q23537550023526表2-2 Q235钢的化学成份牌号等级化学成分（质量分数）（%）CMnSiSPQ235A0.140.220.300.650.300.0500.045B0.120.200.300.700.045C0.
22、180.350.800.0400.040D0.170.0350.0352.2.2 焊接接头的形式Q235钢焊件焊缝要求达到工厂使用标准，考虑到加工便利的因素等，实验中采用对接焊接，间隙为2mm左右，焊接试件对接接头示意图见图2-1。图2-1 焊接试件接头示意图2.2.3 焊丝材料的选择要使一个焊接试样能够满足实验要求，焊丝材料的选择是必须要慎重的。焊接试样的目标是使焊缝和热影响区的强度、韧性、塑性和耐腐蚀性能能够与母材相同。焊接过程中，如果焊缝金属的化学成分与母材相同，由于热循环的作用，焊缝中的铁素体量会急剧增加，导致氮化物和二次奥氏体析出，从而使焊缝的韧性和耐腐蚀性降低。由于Q235钢是普碳
23、钢，而低碳钢的焊接性最好、最容易焊接的钢种，考虑到成本和工厂实际加工的需要，因此本试验选用J427(1.2)焊丝和J507(1.2)焊丝作为填充材料进行了对比分析。J427焊丝是低氢钠型药皮的低碳钢焊条，可以进行全位置焊接。具有优良的塑性、韧性和抗裂性能。适用于焊接受动载荷的低碳钢和同等强度等级的低合金钢管道、压力容器和钢结构，如Q235、20Cr、12Mn等钢种。其熔敷金属化学成分（%）及熔敷金属力学性能（焊态）如表2-3和表2-4所示。表2-3 熔敷金属的化学成分（%）元素CMnSiSPCrNiMoV标准值0.121.250.900.0350.0400.200.300.300.08表2-4
24、 熔敷金属的力学性能（焊态）项目抗拉强度（MPa）屈服强度（MPa）伸长率（%）-30冲击吸收功（J）标准值4203302227J507焊丝是低氢钠型药皮，耐海水腐蚀的低合金钢焊条。采用直流反焊，适用于全位置焊接。焊条工艺性能良好，所焊焊缝具有良好的塑性、低温韧性和耐海水腐蚀性能。适用于等强度级别的碳钢、低合金钢的焊接和铬铅合金系列等耐海水腐蚀用钢的焊接，如Q235、16Mn、10CrAl等钢。其熔敷金属化学成分（%）及熔敷金属力学性能（焊态）如表2-5和表2-6所示。表2-5熔敷金属的化学成分（%）元素CMnSiCrNiCuSP标准值0.100.500.800.300.500.500.800
25、.200.500.200.500.0350.35表2-6 熔敷金属的力学性能（焊态）项目抗拉强度（MPa）屈服强度（MPa）伸长率（%）-30冲击吸收功（J）标准值49039022272.2.4 焊接设备及工艺根据试验的要求和试验的方案确定试验过程中使用的主要设备有:1、 切割试样用的型材切割机J3G3-400（图2-2）。其主要用途及主要参数如下：图2-2 型材切割机J3G3-400其主要用途是：本电动工具适用于建筑五金、石油化工、钢铁冶金，船舶修造等部门。切割圆形或异形钢管、角钢、槽钢、扁钢等各种型材，也能切割直径不大的圆钢。当它用来切割不锈钢、轴承钢、各种合金钢、淬火钢等材料时，更有其突
26、出的优点。其主要参数如下表2-7：额定频率：50Hz额定电压：380V空载转速：2840r/min电机功率：3.0KW砂 轮：400mm32mm3mm切割能力：1355mm钢管10010MM 角钢50MM 圆钢夹钳角度：0-45型材切割机使用过程中需要注意的事项：（1）、 开机和使用中如出现异常声音，或发现问题应立即停机、断电，检查并修复后方可使用；（2）、切割机使用时，操作现场不应有易燃、易爆的气体、液体和物品；（3）、严禁在拆除防护罩的情况下进行操作；（4）、切割机在移动时，必须断开电源，严禁用手把直接拖动机器进行移动；（5）、切割机在使用期间或长时间不用时，严禁受日光暴晒、雨淋或受潮，并
27、做好日常的维护保养及存放。(轴承部位每半年加注黄油一次)只有严格执行以上事项，才能够更好的保护切割机，切割出符合要求的试样。2、 打磨试样的砂轮机（图2-3）图2-3 砂轮机砂轮机的构造：其主要是由基座、砂轮、电动机或其他动力源、托架、防护罩和给水器等所组成。由于砂轮较脆、转速很高，使用时应严格遵守安全操作规程。 其主要安全操作规程如下：（1）、砂轮机的旋转方向要正确，只能使磨屑向下飞离砂轮。 （2）、砂轮机启动后，应在砂轮机旋转平稳后再进行磨削。若砂轮机跳动明显，应及时停机修整。 （3）、砂轮机托架和砂轮之间应保持3mm的距离，以防工件扎入造成事故。 （4）、磨削时应站在砂轮机的侧面，且用力
28、不宜过大。 （5）、根据砂轮使用的说明书，选择与砂轮机主轴转数相符合的砂轮。 （6）、砂轮装好后，要装防护罩，挡板和托架。挡板和托架与砂轮之间的间隙，应保持在13毫米内，并要略低于砂轮的中心。 （7）、新装砂轮启动时，不要过急，先点动检查，经过5?/FONT10分钟试转后，才能使用。 （8）、初磨时不能用力过猛，以免砂轮受力不均而发生事故。 （9）、经常修整砂轮表面的平衡度，保持良好的状态。 （10）、吸尘机必须完好有效，如发现故障，应及时修复，否应停止磨刀。3、 观察试样金像试验的XJL-02A金像显微镜（图2-4）图2-4 金相显微镜系统原理简介KLX2000型铸造金相数码图像分析系统是一
29、套用于铸铁（灰口、球墨）等材料金相分析的专业分析仪器，该系统采用了最新的计算机信息技术和数码传输技术，显微图像管理系统采用显微镜+显微镜光电转换器（带缩小镜）+摄像机（数字CCD）+计算机+打印机（或视频打印机）的硬件要求来进行系统配置。这样就可以在显微镜上将观察到的图象通过摄像机（数字CCD）拍摄，得到的图象通过数字信号（USB口）传到计算机并在显示屏上显示图像，当看到一幅清晰的图象后就可以进行存储、自动分析、测量、并通过打印机（或视频图像打印机）直接将检测结果（或照片）以报告形式打印出来（视频打印机打印过程只需要4秒钟）。这样即快速、方便、效果好，又可省去了过去为照相而伤脑筋的问题，完全告
30、别暗室和冲印胶片的繁琐劳动，减轻了操作人员的劳动强度，提高了工作效益。同时还可以对所拍摄的图象进行几何参数等测量，并能存储、编辑、管理，并可按要求做出图文并茂的检测报告通过打印机将结果报告打印出来。软件特点可以从数码相机、CCD、扫描仪等设备将图像或者照片输入计算机中，建造您自己的资料馆。图片支持BMP、JPG、GIF、DIB等常用流行格式。摆脱暗房设备，迅速输出清晰的图片照片，照片的放大倍率随意可调。按照您的需要对图片测量、对照、输出，一切尽在您的掌握之中。球墨铸铁测量评级：球化率、石墨大小评定、珠光体、铁素体、磷共晶测量。球墨铸铁石墨含量定量分析：石墨的面积率、大小分布、统计、直方图。灰铸
31、铁测量评级：石墨长度、珠光体、铁素体、磷共晶测量。图片输入支持标准视频（CCD摄像头），数码相机、数字摄像头、扫描仪（TWIN）。由计算机根据图标检测方法计算，无需对照标准图谱进行主观判断，精确度高，人为误差因素少，重复性好。系统溶入了专业知识背景，操作人员无需具备较好的专业知识和经验。可人机对话，现学现用，自动化程度高。不断扩展新的功能，软件免费升级。分析系统配置1、计算机品牌商用机（512M内存80G硬盘128显存DVD光驱17纯平显示器标准配置）2、高速数字CCD：GY2000，200万像素1/2USB2.0接口16001280分辨率3、显微镜光电转换器（含专用缩小镜）4、品牌打印机5、
32、XJP-300倒置三目金相显微镜6、球墨铸铁测量分析软件包（球墨铸铁测量评级：球化率、石墨大小评定、珠光体、铁素体、磷共晶测量、石墨的面积率、大小分布、统计、直方图）7、灰铸铁测量分析软件包（灰铸铁测量评级：石墨长度、珠光体、铁素体、磷共晶测量）8、标准测试卡（0.01mm/0.05mm）9、安装、调试及培训4、 焊接试样的手工电弧焊机WSM-400（图2-5）。图2-5 手工电弧焊机WSM-400此焊机的特点是：（1）、功能齐全：具有直流氩弧焊、脉冲氩弧焊、直流手工电弧焊的功能；（2）、技术比较先进：采用先进独特的PWM脉宽调制技术，使逆变频率高达25KHz，动态响应速度快；（3）、保护措施
33、比较完善：具有防电流冲击缓启动、缺相保护、过流过热保护、缺水保护；经过严格的三防处理、EMI、EMC处理，工作安全可靠；（4）、突出的特点：体积小，重量轻，高效节能，比传统焊机节电40%以上；高频高压引弧，引弧成功率高。WSM-400焊机的应用比较广泛：可以焊接不锈钢、碳钢、铸铁、纯铜、钛及钛合金等金属材料；适合0.8mm以上厚度材料的焊接，还可用于中、厚板的封底焊，单面焊双面成形；适用于全位置的焊接；广泛应用于医疗器械、建筑装饰、厨房用品、机械、石油、化工、锅炉、压力容器、电力建设等行业。其主要参数如下表2-8所示:型号WSM-400输入电源三相 380V 50HZ额定输入功率（KW）12输
34、出电流ATIG 40400 /手工焊40315输出电压VTIG 11.626/手工焊21.632.65、制备金相试样过程中的仪器（抛光机图2-6、金像砂纸、毛玻璃等）、图2-6 抛光机试验的焊接工艺为：用手工电弧焊焊机使两块试件固定，然后在使用顺焊的方法焊接试样。在试样的焊接制备过程中需要注意以下几点：1、 焊前必须对焊件清除铁锈、油污、水分等杂质。2、 焊前焊条须经350烘焙，随烘随用。3、 焊接时须用短弧操作，以窄道焊为宜。经过多方面的考虑确定焊接过程中焊接工艺参数见表2-9所示：表2-9 焊接工艺参数：焊条类型输出电流（A）J42770 / 90 / 110 / 130J50770 /
35、90 / 110 / 1302.2.5 焊接前后保护措施焊接试验数据的准确与否，与焊接前后的保护有很重要的关系。因此，焊接过程中材料的保护非常重要，应避免碳钢、低熔点金属或其它杂质对焊缝的污染，从而影响焊接的质量，进而是试验的数据不准确。焊接和切割过程中应采取措施防止飞溅、弧击、渗碳、局部过热等。材料表面的弧击和起弧，是一个瞬间的高温过程，冷却速度很快，表面显微组织对裂纹和腐蚀很敏感，应尽量避免，如果产生必须用细砂轮打磨去除。为提高焊件耐腐蚀性能，对可能影响焊接质量的不规则或狭窄焊道部位进行打磨处理，防止产生未融合等焊接缺陷。焊道清理采用准备好的不锈钢工具，焊接过程中还要注意保持工具的清洁。2.3 本章小结第3章 验结果与分析3.1 焊接接头的金相组织分析3.1.1 焊缝区金相组织对比