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1、 存档编号 华北水利水电大学North China University of Water Resources and Electric Power 毕 业 论 文题目 耐磨钢NM360A钨极氩弧焊 接头组织结构性能分析学 院机械学院专 业材料成型及控制工程姓 名刘洋学 号200906407指导教师李刚完成时间2013年5月26日 目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1课题研究的目的和意义11.1.1课题研究内容11.1.2课题研究的意义11.2低合金高强度耐磨钢31.2.1耐磨钢的制备31.2.2低合金高强度耐磨钢的组织31.2.3低合金高强度耐磨钢的化学元素成分41.3对低合
2、金耐磨钢的研究51.3.1对低合金耐磨钢的组织性能研究51.3.2对低合金耐磨钢的焊接及接头性能的研究71.4低合金高强度耐磨钢的发展81.4.1国外低合金高强度耐磨钢的发展1081.4.2国内低合金高强度耐磨钢的发展及和国外的差距1191.5小结10第2章 耐磨钢NM360A实验操作过程112.1耐磨钢NM360A焊接性分析及焊接工艺确定112.1.1耐磨钢NM360基本性能112.1.2焊接性分析122.1.3焊接工艺参数选择1416142.2观察试样不同部位金相组织192.3测量试样不同部位硬度232.3.1维氏硬度测量概述232.3.2使用显微维氏硬度试验测量试样硬度252.4小结26
3、第3章 实验分析273.1金相组织观察结果及分析273.1.1基体显微组织及分析273.1.2热影响区显微组织及分析283.1.3焊缝区显微组织及分析293.1.4不同区域交界处显微组织293.2硬度试验结果及分析313.3小结32第四章 总结33参考文献34致 谢36附录 中文翻译37附录 英文原文47附录 任务书58附录 开题报告62华北水利水电大学毕业论文摘要低合金高强耐磨钢不仅具有高强度、高硬度特点，同时具有一定韧性和良好的耐磨性能，它在大型机械设备中广泛应用，因此研究其焊接及接头组织性能有重要意义。本文所选择的的材料为淬火+低温回火状态的NM360A，具有优秀的耐磨性能。试验利用钨极
4、氩弧焊焊接方法得到接头试样，采用组织观察分析和力学性能试验方法研究接头试样，得到接头各部位显微组织照片和显微维氏硬分布，并分析组织生成的原因和对硬度分布的影响。组织观察表明材料组织为回火马氏体，在马氏体基体上分布着碳化物颗粒或贝氏体颗粒，在热影响区的不同区域生成粗大的马氏体晶粒、铁素体组织、细小的马氏体以及粒状贝氏体等组织，在焊缝区，组织包括先共析铁素体和黑色颗粒珠光体。硬度测试表明，维氏硬度值大小关系：热影响区母材焊缝，硬度分布曲线呈现典型“马鞍形”，在热影响区与母材临近位置有明显的硬度下降，出现热影响区的软化。关键词：低合金高强度耐磨钢，焊接性，金相组织，硬度，回火马氏体AbstractL
5、ow alloy high strength wear resistant steel not only have the characteristics of high strength, high hardness, toughness and good wear resistance at the same time, widely used in the large machinery and equipment, so the welding fittings and organization performance has important significance.The ma
6、terial chosen for this paper is NM360A whose heat treatment state is quenching + tempering at low temperature,it has excellent wear resistant performance. Tungsten electrode argon arc welding welding methods were used to get the joint specimens. To research the joint specimens，I use the structure an
7、alysis and mechanical property test method.Then I get the joint microstructure images and micro vickers hardened distribution, the next I analysed the reason of tissue generated and the impact on the hardness distribution.The result showed that the Organization of material is tempering martensite mi
8、crostructure. The distribution of the carbide particles or bainite particles is on the martensitic matrix. In different areas of heat affected zone generated gross martensite and ferrite grains organization, fine martensite and other groups. In the weld zone, organizations including the proeutectoid
9、 ferrite and black granular pearlite.Hardness test showed that the vickers hardness value size relationships: weld heat-affected zonemother materialwelding line, the hardness distribution curve presents the typical saddle, in the heat affected zone and base near position showed a marked decline of h
10、ardness,it Appeared softening of heat affected zone.Keywords: High strength low alloy wear-resistant steel，weldability，metallographic structure，hardness，tempered martensiteII第1章 绪论1.1课题研究的目的和意义1.1.1课题研究内容选用钢材NM360，它是近些年来国内在耐磨钢系列的新产品，NM360通过调整低合金钢Q345中的合金元素而产生，课题涉及的NM360A对耐磨钢要求的质量等级A，对冲击韧性没有要求，一般情况下如
11、果没有特殊说明，NM360即指代NM360A。本文从以下几方面进行分析研究：（1）总结国内外关于耐磨钢研究的成果和进展，简述国内耐磨钢的发展状况，并指出国内在耐磨钢生产方面与国外先进产品之间的差距以及产生差距的主要技术问题和今后的努力方向。（2）制定NM360钢材焊接工艺，选定焊接参数，按照选定参数得到NM360钨极氩弧焊焊接接头试样。（3）打磨抛光试样,腐蚀，采用光学显微镜观察基体、热影响区、焊缝及其不同部位的组织形态、组织分布和晶粒大小，分析这些结果可能对材料造成的影响。（4）采用维氏显微硬度计测量试样不同部位维氏硬度值，由测得数据绘制硬度值曲线，分析试样不同部位产生不同硬度现象的原因以及
12、它和组织分布的关系。（5）总结材料组织结构和机械性能之间的关系，得到耐磨钢发挥耐磨性的一般结论。1.1.2课题研究的意义随着工业化大生产的推进和现代科技的发展，生产对机械设备的功能和性能要求也愈加苛刻，特别是在越来越高的速度和越来越严格的精度和强度要求下，零部件之间的磨损问题逐渐成为限制设备快速发展的一个障碍。目前在工业、生产业领域由于磨损造成的能源和材料的消耗以及磨损造成的设备寿命和生产效率的降低非常巨大的。据统计资料显示，世界发达工业化国家约30%的能源是以不同形式消耗在磨损上的。在美国，每年由于摩擦磨损和腐蚀造成的损失约1000亿美元，占国民经济总收入的4%。国内每年消耗金属耐磨材料约达
13、500万吨以上，各种破碎机衬板消耗近50万吨，轧辊消耗近60万，各种工程挖掘机、装载机、输送管道、破碎机锤头和鄂板等消耗超过50万吨，不完全统计，每年由于工件磨损而造成的经济损失约400亿元人民币1。因此，研究和发展耐磨材料，以减少金属磨损，对国民经济的发展有着重要的意义2。高强度耐磨钢广泛应用于矿山机械 、煤炭采运 、工程机械及水泥设备等行业领域，他们的高强度耐磨性能可以满足大型工程机械在恶劣环境下工作时需要的长寿命、高效率的使用要求。例如，在推土机、装载机的铲刀、铲斗部位、煤矿开采用的电铲部位、自动装卸矿用车及刮板运输机槽底衬板等。应该来说，在机械中凡是有相对运动的工件之间均会产生各种类型
14、的磨损，这都会要求提高工件材料耐磨性或使用耐磨钢2。近些年，低合金耐磨钢在国内矿山机械、农业机械、港口机械等工程机械领域得到了广泛的应用，尤其以级别NM360、NM400耐磨钢的用量较大。在采煤、矿山、港口、车辆等机械的挖掘头、铲斗、履带和装载运输等部位，因为它们往往在工程机械中磨损量最大，因而耐磨钢NM360广泛地应用于此。这些机械设备的零部件大量使用的是组合件，这就使得焊接成型在这些地方得到广泛的应用，在众多焊接方法中，钨极氩弧焊几乎可以用于所有金属和合金的焊接，而且它还有以下优点：(1)氩气的保护效果非常好，它能有效屏蔽空气和熔池，氩气既不和金属发生化学反应，也不溶于液态金属，因此熔池的
15、冶金反应容易得到控制，可以得到高质量的焊缝。(2)由钨极产生的电弧很稳定，在施加很小的电流值时电弧也可以稳定燃烧，这对电流大小要求不严格。(3)电弧热源和焊丝分离，他们可单独控制，所以可以方便的控制输入的热量，可以很理想的实现单面焊双面成型。(4)电流流经钨极端而不流经焊丝，所以焊丝融化不会飞溅，焊缝成形美观3。因此采用钨极氩弧焊焊接方法焊接NM360A，通过对接头组织结构及性能的分析来研究以NM360A为代表的低合金高强度耐磨钢在焊接接头中可能表现出来的性能，继而可了解耐磨钢焊接件在实际机械部件中的使用性能，这对实际应用很有意义。1.2低合金高强度耐磨钢1.2.1耐磨钢的制备目前，常用改善钢
16、材合金材料的抗磨损性能的途径有两种， 一种是增加表面的耐磨性，即在表面渗入微量元素或者对表面热处理以及在表面附着涂层，另一种方式是改善整体材料的性能，即在合金钢中调整合金元素成分，加入特定的适量的微量元素，如Ni，SI，V，Cr等元素。前种方式对材料耐磨性能确有改善，而且工艺成熟，经济有效，但他有诸多缺陷，比如表面较大脆性、有大量微裂纹、内应力大、涂层和基体材料的结合强度低等等，这就使得在一些场合不能大量应用。而后种方式是从材料的本质上进行改善，在不产生脆性应力等缺陷情况下其机械强度和摩擦磨损性能也能得到提高。应用第二种办法，在Q345钢中通过调整合金元素而开发出钢种NM360，在应用中这种钢
17、材表现出良好的抗冲击性，此外合金元素的调整使其抗粘着磨损性能抗冲蚀磨损性能都很高4。1.2.2低合金高强度耐磨钢的组织低合金耐磨钢中的产生的淬硬组织有马氏体（包括板条马氏休和片状马氏体）、贝氏体（上、下贝氏体）、残余奥氏体和未溶碳化物等。板条马氏体内含有大量高密度位错，在准解理断裂时能消耗较多的断裂功，从而提高了韧性；而片状马氏体断裂时往往伴有微裂纹，这显著地增加了钢材的脆性，因此板条马氏体的韧性高于片状马氏体。下贝氏体中含有不同位向的铁素体板条，在断裂时以此为最小断裂单元，这可能对吸收断裂功也有明显的效果，因此其韧性较高，高于相同硬度的回火马氏体高和上贝氏体的；贝氏体板条较细，含有较多碳，碳
18、化物大都以细小颗粒均布在基体上，抗变形能力较高，组织内应力较低，耐磨性方面，它高于组织为单一的回火马氏体钢的；在马氏体组织间隙或者下贝氏体组织中存在着残余奥氏体，残余奥氏体较软，它能使应力松驰，阻碍裂纹发展扩大，所以当材料在断裂时，如果有残余奥氏体存在，它能吸收大量能量从而改善韧性；未溶碳化物质地较硬，它的存在会形成裂纹源，产生应力集中，能加速裂纹扩展，促进脆断从而降低韧性。耐磨钢的耐磨性与钢材的硬度和韧性有关，当钢材具有较高硬度和足够的韧性的时，材料才能表现出良好的耐磨性，硬度相当时，材料韧性越好，耐磨性能越高5。由以上总结可知板条马氏体的耐磨性能高于片状马氏体；下贝氏体的耐磨性能优于同等硬
19、度的回火马氏体、上贝氏体。在不同的应力大小和不同冲击下，残余奥氏体对耐磨性能有不同的影响：低应力磨损下，随着残余奥氏体的增多，基体的硬度会显著的下降，耐磨性能也随之降低；高应力且低冲击磨损下，随着奥氏体的增多，它会对裂纹的形成和扩大产生明显的抑制作用，阻碍材料的变形和表层的磨损，从而提高耐磨性；在较大冲击磨损下，间隙中较多的残余奥氏体反而会对耐磨性能不利，这主要是因为在大冲击下会发生马氏体转变，因为奥氏体在转变为马氏体时产生体积膨胀，从而会使内部产生较大的内应力；在分布位置不同时，碳化物颗粒也不同程度的影响着材料的耐磨性：当碳化物存在于基体中时，它本身可能增加应力集中，同时在高应力下可能成为裂
20、纹的形成源，从而引起脆性断裂，这事不利于耐磨性能的，但是当碳化物弥散均布在马氏体-奥氏体岛中时，它能提高材料的耐磨性。1.2.3低合金高强度耐磨钢的化学元素成分低合金高强度耐磨钢通常采用微合金元素进行合金化，如铬镍钼等。通过淬火+低温回火热处理工艺获得马氏体回火组织。钢中的各种化学元素对耐磨钢的组织性能有着不同的影响：碳是钢铁材料的常见元素，也是影响耐磨钢组织的主要元素，它能有效提高材料硬度，一般来说，抗拉强度、屈服强度及硬度均随碳含量的增加而增加，但过高的碳含量会增加钢材的脆性，还须通过添加其它合金元素来进一步提高硬度并改善韧性。锰能大幅提高钢的强度和耐磨性，并能明显提高淬透性，锰价格较为低
21、廉，因此它是低合金高强度耐磨钢的主加元素，碳与锰相配合(Mn/C=811)，可以提高钢的加工硬化能力，提高抗磨性，锰与硼配合可扩大钢的贝氏体转变区，在较大冷速范围内得到贝氏体和马氏体的混合组织6。硅能够在冶炼时脱氧，对于耐磨钢的组织为淬火、回火马氏体的可以提高马氏体的回火稳定性，获得较好的综合性能。铬、钼不仅能够提高淬透性和回火稳定性，对钢的强度硬度和耐磨性也有很大有利作用。硼有助于提高材料的淬透性，质量分数较小时（小于0.005%）作用较大，这时它能够延缓多边形铁素体发生相变、促进形成细小颗粒贝氏体。1.3对低合金耐磨钢的研究1.3.1对低合金耐磨钢的组织性能研究值得一提的是由东北大学轧制技
22、术及连轧自动化国家重点实验室和南京钢铁股份有限公司的曹艺，王昭东，姜在伟等人7在耐磨钢研究方面的成果，他们采用Ti-Cr-B微合金化成分设计，并经过轧后淬火+回火工艺生产了NM360、NM400低合金耐磨钢，耐磨钢的特殊微观结构使钢板具有良好的耐磨性能、焊接性及低温冲击韧性。以下是他们得到的结果。(1)金相组织热处理后NM360、NM400光学显微金相组织如下图1.1(a) (b)(a)为NM360 (b)为NM400图1.1 NM360、NM400光学显微金相组织由图可知它们的基体组织均为板条马氏体的回火组织；NM360试样中渗碳体弥散分布在板条状基体组织上。(2)磨损性能将NM400、Q3
23、45和日本同级别J-400钢板在MLD-10型动载磨料磨损试验机上进行冲击磨料磨损实验。其实验结果如下：图1.2 不同钢种的磨损面形貌a-Q345；b-J-40；c-NM400不同钢种的磨损面形貌如上图1.2所示，NM400的显微组织为高硬度马氏体，因此在磨损时与其他结构相比，磨料何难磨损嵌入材料表面因而具有较好的冲击韧性。不同钢种的磨损量随磨损时间变化曲线如下图1.3所示，相比之下NM400磨损量较小，具有更好的耐磨性。图1.3 不同钢种的磨损量随磨损时间变化曲线1-Q345；2-J-40；3-NM400(3)焊接性能厚度32mm的NM400对接接头工艺为：80%Ar+20%CO2气体保护焊
24、，X型坡口，1.2mm BHG-3焊丝，电流270300A，预热温度75，电压3032V，焊速5.5mm/s观察焊缝及焊接热影响区微观组织。由微观组织分析可知，焊缝组织为针状铁素体；热影响区组织包括晶粒粗大的马氏体，细小的马氏体，极少量先共析铁素体；板条贝氏体+粒状贝氏体等。焊缝接头熔合较好，无气孔夹杂裂纹等宏观缺陷。由上可知，NM360、NM400的基体组织均为板条马氏体的回火组织；渗碳体弥散分布在耐磨钢的板条马氏体基体组织上，由此结构可知道耐磨钢具有较高耐磨性能的同时还具有较好的耐冲击韧性，这也在试验中得到证实。对混合气体保护焊的焊接接头组织性能分析可知接头状况良好，各项性能也可满足要求。
25、1.3.2对低合金耐磨钢的焊接及接头性能的研究在NM360高强耐磨钢板焊接工艺探讨中，李猛运、孟清义等人8对NM360焊接工艺进行一些研究，母材为NM360和ZG30SiMn的异种合金钢焊接，采用混合气体保护焊，为防止焊接裂缝，按照等强匹配原则使用GHS-70高强焊丝，预热点固，并整体预热120150，焊接采取对称多层多道压焊，焊接电流240260A，电压2628V。他们使用的焊接应力与变形的控制的方法：(1)将焊接后的工件放置在木板上从而降低冷却速度，防止焊缝冷裂纹产生。(2)为预防焊缝冷裂纹较小应力，锤击焊缝焊道。(3)采取550整体高温回火进行焊后热处理从而降低或消除焊后应力。耐磨钢接头
26、性能研究包括观察接头金相组织、接头硬度测试、接头耐磨性能测试、接头力学性能测试等等。在Q345钢的MAG焊接接头组织及力学性能分析文章中，中国矿业大学的杨永建、张绪平等人9采用MAG焊对Q345钢板焊接件的拉伸、冲击、弯曲等力学性能进行测试，并观察了焊缝区域显微组织。Q345属于低合金钢，其化学成分如下表1.1 表1.1 Q345化学成分(质量分数%)CMnPSSiV0.21.70.0450.0450.550.020.15文中实验用材料为12mm的Q345对接钢板，45V形坡口，1mm左右钝边，80%Ar+20%CO2气体保护焊焊接，1.2mm的焊丝ER50-6，采用如下表1.2焊接工艺：表1
27、.2 焊接工艺参数焊接电流(A)电弧电压(V)气体流量(L/min)26028026281820使用OLYMPUS-BX51光学显微镜对Q345钢焊接接头组织进行观察。在CSS-44300型电子万能试验机上进行弯曲试验和单向拉伸试验。使用JBN-300型摆锤式冲击机进行室温冲击试验。实验结果如下：Q345钢试样MAG焊接接头焊缝中心区显微组织形貌如下图1.4:图1.4 试样焊缝中心区组织由图可看出焊缝中心区域为块状晶粒，白色为先共析铁素体，中间夹杂少量黑色珠光体组织。下表1.3为试样接头各项力学性能测得值：表1.3 试样接头力学性能抗拉强度/MPa抗弯强度/MPa冲击吸收功/J(常温)3702
28、5758试样接头相对较高的力学性能和以下两个因素有关：(1)试样焊缝组织为经理细小先共析铁素体与少量珠光体组织；(2)当裂纹穿过试样焊缝中细小的铁素体与珠光体组织时，组织可发生形变，形变的组织可以减弱裂纹前端的应力集中，同时组织形变可使裂纹的扩展呈波浪起伏状，如果断裂，可形成韧窝状断口，吸收较大冲击功，因此冲击韧性比较高。总结以上可知Q345钢的MAG焊接接头中心组织为先共析铁素体和珠光体复合组织,它们的尺寸较小,因此具有较高的力学性能；组织可由变形削弱裂纹的扩展延伸，从而使组织拥有一定耐冲击韧性。1.4低合金高强度耐磨钢的发展1.4.1国外低合金高强度耐磨钢的发展10低合金高强度耐磨钢具有高
29、强度、高硬度 (强度不低于1000MPa，硬度不低于360HB)、较好的加工性能和耐磨性能的优点，使用寿命较高，通常数倍于传统结构钢板。另外这类钢材其生产工艺较为简单，一般采用轧后淬火+回火，或通过控轧、控冷工艺进行强化。国外著名的生产此类钢板的厂家有日本的JFE、德国迪林根、德国蒂森克虏伯、瑞典奥克隆德等。瑞典奥克隆德的HARDOX系列钢是多用途耐磨钢板，它的韧性较高，焊接性尚可。HARDOX500是一种马氏体和贝氏体复合组织耐磨钢板，晶粒细小没有碳化物，他能满足对耐磨性能要求苛刻的场合。HARDOX550平均硬度为550HB，与HARDOX500具有相同的韧性，但硬度相比相对较高，因而也有
30、较长寿命；HARDOX600平均硬度600HB，它是目前硬度最高的耐磨钢板。 XAR系列耐磨钢板由德国蒂森克虏伯钢铁公司生产，它的特殊结构具有较高的耐磨性能，它的组织热处理方式为淬火或淬火加回火，形成马氏体或马氏体、贝氏体复合结构。公司还成功地开发了三种新级别钢材：正火钢XAR300用于中低磨损环境， XAR400W可满足更高温度使用要求，超硬级XAR600，它的硬度级别已处于世界一流。因此可钢板硬度覆盖范围300600HB,几乎对任何使用环境均都提供适当的解决方案。德国迪林根DILLIDUR系列耐磨钢板按照其生产工艺和硬度值大小不同可分为不同级别。其中DILLIDUR400V、500V两个级
31、别的综合性能更为突出。DILLIDUR400V耐磨钢平均硬度400HB,广泛应用在高磨损条件下,此外它可加工性能、焊接性能良好。DILLIDUR400V应用于自卸车、传送设备、装载机、挖掘机、卡车、刀口等等。产品尺寸范围6150mm。DILLIDUR500V耐磨钢产品平均硬度500HB。供货产品厚度为8100mm。日本JFE EVERHARD系列含有类型较多的产品，含有不同类型系列：标准系列：主要侧重硬度指标。组成的化学元素相对简单,限制对B外的其它合金元素含量。合金系列：很近元素的含量高于标准系列。最后的钢板达到100mm,并能不影响硬度要求，与此同时也考虑具有一定的韧性。超耐磨级EH-SP
32、：能在不影响焊接和成型性能的前提下，其耐磨性能超过布氏硬度500级的钢板，从而寿命更加持久。高韧性耐磨钢板：EH360LE和EH500LE钢板可保证在-40下的韧性。它们最适合在低温和强冲击条件下对韧性的要求。同时EH360LE和EH500LE还具有良好的防焊裂能力,可保证焊缝的质量和安全性。1.4.2国内低合金高强度耐磨钢的发展及和国外的差距11我国在高强度耐磨钢的开发方面起步较晚，最近数十年的研究发展取得较大突破进展，在经济性和高性能性有所突破。我国生产低合金高强度耐磨钢的厂家主要有舞钢、武钢、宝钢、南钢等，但国产产品性能稳定性和整体品质与外国产品相比还存在一定差距。中国舞阳钢厂生产的WN
33、M360500系列耐磨钢是国内耐磨钢的代表，具有500万t钢、360万t宽厚板的生产能力。国外生产的耐磨钢，布氏硬度覆盖200600HB，厚度规格覆盖6120mm；而舞钢生产的耐磨钢的厚度规格只有880mm，鞍钢生产的耐磨钢的厚度规格目前只有2060mm，与国外先进水平存在较大差距。国内目前生产的多是单一组织的低合金耐磨钢，组织几乎都为回火马氏体，而国外生产的是部分贝氏体和马氏体复合组织的耐磨钢，复合组织结合了两者的优势，国外低合金耐磨钢优于国内的重要原因也就在于此。另一方面我国耐磨钢的纯净度、生产工艺稳定性也与国外存在一定差距，使得钢材组织和成分的均匀性较差12，这是耐磨钢性能低于国外的另一
34、主要原因。因此在合金钢的冶炼过程中寻求合适的化学成分、优化组织、提高设计生产工艺，获得均匀稳定的贝氏体和马氏体复合组织是低合金高强度耐磨钢发展的一个努力方向。1.5小结本章提出课题研究的内容、目的和意义，介绍了低合金耐磨钢的研制、组织成分及化学元素成分，并说明了组织成分和化学元素成分对耐磨性能的作用和影响，介绍了在低合金耐磨钢研究方面有代表意义的研究结果，总结了国内外低合金高强度耐磨钢发展状况及国内低合金高强度耐磨钢与国外先进钢种的差别。第2章 耐磨钢NM360A实验操作过程2.1耐磨钢NM360A焊接性分析及焊接工艺确定2.1.1耐磨钢NM360基本性能GB/T 241862009工程机械用
35、高强度耐磨钢板中NM360合金要求(质量分数，%)：C0.25，Si0.7，Mn1.6，P0.025，S0.015，Cr0.80，Ni0.50，Mo0.50，Ti0.050，B=0.00050.0006，Al0.010。中国舞阳钢厂生产的WNM360500系列耐磨钢是国内耐磨钢的代表。下表2.1表示舞钢WNM360系列成分：表2.1 NM360化学成分，钢板厚度50mm(质量分数，不大于%)CSiMnPS0.200.601.600.0250.015续表2.1NiCrMoB0.81.000.50.004交货状态为淬火+回火，它应用在：推土机、自卸车、挖掘机、破碎机、给料机、装载机、筛分机、装载机
36、、传送设备、溜槽(刮扳机)、刀刃和破断刃具等等。WNM360力学性能列于下表2.2表2.2 力学性能能：牌号硬度HBW拉伸性能Rp0.2(MPa)Rm(MPa)A50%WNM360320400800100010上表中“Rp0.2”表示钢板屈服强度；“Rm”表示钢板抗拉强度；“A50”表示钢板延伸率。钢板实物性能屈服强度约在1000MPa，抗拉强度约在1100MPa。在钢中加入Si、Mn增加了钢的强度及耐磨性，C与Mn相配合(Mn/C=811)，使钢具有加工硬化能力，提高抗磨性。Cr、Mo等合金元素可以降低临界冷却速度，促使钢生成马氏体组织，改善钢的焊接性能13。WNM360耐磨钢系列是平均布氏
37、硬度360HBW，其机械性能是通过热处理获得。钢板具备良好的抗裂性能，应用于既要求抗磨损又必须有良好的韧性的工况。2.1.2焊接性分析根据国际焊接学会(IIW)推荐的碳当量计算公式CE=C+1/6Mn+1/5(Cr+Mo+V)+1/15(Ni+Cu)(%)计算碳当量。(1)当CE0.60%时钢材的硬倾向较强，可焊性较差，属于较难焊接的钢种，这时必须采取较高的预热温度和严格的工艺措施，选取合适的焊接材料。按照元素含量最大值计算得出，NM360钢材的碳当量值CE=0.82%。由此可见，这种材料的焊接性不良，焊接时其硬倾向较大，热影响区热裂和冷裂倾向都会较大，尤其在调质状态下焊接，热影响区的冷裂倾向
38、将会表现得很突出，所以应在选取合适焊接材料的基础上，采取恰当的焊前预热温度、严格工艺措施和控制适当的层间温度的条件下，才能达到实现产品焊接的目的。为粗略确定预热温度，采用下列三个公式计算得到：Pcm=C+1/30Si+1/20Mn+1/20Cu+1/60Ni+1/20Cr+1/15Mo+1/10V+5BPc=Pcm+1/60H+1/600T0=1440Pc-392其中H为熔敷金属扩散氢量，在本焊接实验中此项影响不大可以忽略，T0即为计算得到的预热温度。按照较大的成分含量得到预热温度约193，考虑到焊接时冷却速度不大，拘束度不大等因素，在施焊操作中，预热温度选取113。强度级别较低的低合金高强钢
39、，由于钢中合金元素含量较少，其焊接性良好，接近与低碳钢，随着钢中合金元素的增加，强度级别的提高，钢的焊接性也逐渐变差。WNM360屈服强度在1000MPa以上，焊接性有所恶化，有以下表现：(1)热影响区性能变化：在母材的热影响区容易出现以下问题：由于焊接冷却速度快，焊后不进行热处理时，在过热区内易出现脆性组织从而诱发冷裂纹；调质状态下的钢材，只要加热温度超过它的回火温度，性能就会发生变化。粗晶区脆化：热影响区中被加热至1100以上的粗晶区，当焊接线能量过大时，粗晶区的晶粒将迅速长大或出现魏氏组织而使韧性下降，出现脆化段。因此基本上所有的低合金高强钢都会出现韧性下降的现象，并且材料随着强度级别的
40、提高韧性下降的越明显。(2)热影响区淬硬倾向增加：随着低合金高强钢强度级别的增加，焊接时会导致在热影响区出现马氏体组织，因而热影响区的淬硬倾向增加。(3)冷裂纹：产生冷裂纹的三个主要因素是：焊缝金属内残留的扩散氢，热影响区或焊缝金属的淬硬组织，焊接残余应力。焊接低合金高强钢时，氢的主要来源是焊条药皮中的水分和坡口表面的水分油污杂质等。这些物质在电弧高温作用下分解出氢，溶解在熔池金属内，熔池冷却凝固时氢来不及逸出，残留在焊缝内。在焊接过程中不可避免的是焊接热循环热量不均衡。脆硬组织出现概率随高强钢淬硬性增加而增加，当焊后冷却速度较快时出现晶格缺陷的几率增加，这些因素都会极大的增加冷裂纹的产生。焊
41、接时由于不均匀的加热和冷却以及构件本身的拘束作用，在焊缝内会产生很大的残余应力所以，低合金高强钢焊接时有较大的冷裂倾向。需要指出的是，WNM360中C、S的含量较低，形成低熔点共晶的几率减少，含Mn量较大，有利于和S反应生成高熔点硫化锰。而且，杂质含量控制严格，因此热裂纹倾向较小。由上分析，NM360的焊接应该注意以下要点：(1)NM360淬硬倾向较大，因此应该采用较慢的冷却速度，这就要求使用低的焊接速度，需要焊前预热。(2)NM360冷裂倾向较大，应限定焊接线能量的最低值，此外保持焊接材料的干燥，减少氢的来源，采用适当方法减小产生焊接应力。(3)有粗晶区脆化可能性，这要求限制过高的线能量防止
42、过热。(4)为消除残余应力，改善组织，可进行焊后热处理，同时也有让焊缝脱氢，预防延迟裂纹的目的。2.1.3焊接工艺参数选择1416(1)电源种类与极性钨极氩弧焊采用的电源种类与极性与被焊金属的材料有关，各种金属钨极氩弧焊时电源种类和极性选择见下表2.3表2.3 各种金属钨极氩弧焊时的电源种类和极性选择电源种类与极性被焊金属材料直流正极性低合金高强钢，不锈钢，耐热钢，钢，钛及合金直流反极性各金属的熔化极氩弧焊交流电源铝，镁及合金NM360属于低合金高强钢，采用直流正极性。直流正极性焊接时，工件接正极，温度较高，适用于焊接厚工件及散热快的金属。(2)焊丝及直径d通常钨极氩弧焊要求焊丝化学成分应与母
43、材化学成分相匹配，即等强匹配原则，同时严格控制其化学成分的纯度和质量。在焊接时，由于存在化学成分的损失，在焊接时焊丝的主要合金成分要高于母材。根据等强匹配原则，钨极氩弧焊焊丝选用GHS-70高强度焊丝。在中国船舶重工集团第七二五研究所的冯兆龙，薛旭斌发表在金属制品期刊的名为GHS70级气体保护焊丝用盘条研制及焊接性能研究的文章中，他们对根据成分设计要求研制出的焊丝进行熔敷金属化学成分分析，结果见下表2.4表2.4 GHS70焊丝熔敷金属化学成分w/%CSiMnSPNi0.0850.61.60.00560.00781.45续表2.4CrMoAlNHO0.420.350.0150.0020.000
44、10.003焊丝直径与焊件厚度，接头间隙有关，当焊件厚度接头间隙大时，焊丝直径可选大些。选择不当可造成焊缝成形不好，余高过大或过小或未焊透。在本实验中选用GHS-70高强度焊丝的直径规格为1.2mm。焊件厚度10mm，坡口形状如下图2.1。图2.1 钢板坡口示意图 (3)焊接电流与钨极直径：焊接电流通常由工件厚度，材质以及焊接接头的空间位置来选择，焊接电流较小钨极直径较大时，电流密度较低，钨极端部温度不够，会产生电弧漂移，破坏电弧稳定性，破坏保护区，熔池被氧化。反之当焊接电流较大钨极直径较小时，电流密度太大，钨极端部温度升高过高，可能产生钨极端部被熔化，破坏保护区使熔池氧化，同时还可能使熔池形
45、成夹钨缺陷。因此电流和钨极直径有着很密切的关系。同时，钨极直径直接决定焊枪尺寸和冷却形式。选择合适的焊接电流和钨极直径才能保证电弧的稳定性。下表2.5列出钨极直径和直流正接的焊接电流的适用范围表2.5 推荐的焊接电流值钨极直径(mm)0.51.01.62.5电流(A)520151870150150250续表2.5钨极直径(mm)3.04.05.0电流(A)250400400500500800选择钨极直径1.6mm，可选电流范围70150A。 (4)电弧电压Uh与电弧长度Lh：电弧长度与电弧电压成正比例关系，电弧电压随电弧长度的增加而增加，电弧长度增加时，电弧的热量也增大。但是当电弧过长时，随着
46、弧长增加，电弧截面积也增加，热输入效率下降，这时氩气保护效果变差。焊接电流和焊丝直径也影响着电弧长度，焊丝直径较大、焊接电流增加时弧长可适当增加，焊缝夹钨、接头未焊透、气体保护效果差等问题都有可能与电弧长度的选择不当有关。大多情况下钨极氩弧焊弧长Lh为13mm。采用短弧焊，即喷嘴到焊件的距离较短时，短小的电弧使热量集中且气体保护效果较好，短电弧对熔池的压力较大，这时有利于做到单面焊双面成形。对于某些焊接材料焊透性较差或者是在使用填充焊丝或者其他填充、物时可适当增大电弧长度，以便更好的操作施焊，选用电弧长度Lh=5mm。(5)喷嘴直径D与氩气流量Q：喷嘴直径越大，保护区范围越大，保护气的流量也越大，可按下式选择喷嘴的内径：D=(2.53.5)dw其中D喷