焊接工艺课程设计要点

焊接工艺课程设计

题目 焊接工艺与控制课程设计

指导教师 姓 名 学 号 专 业 班 级 完成日期

2014 年 6 月 1

23 日

三 峡 大 学 课 程 设 计 任 务 书

（ 2014年春季学期） 课题名称 学生姓名 班级 焊接工艺与控制课程设计 指导教师 课题概述： 根据提供的原始资料，进行平板对接焊或环焊缝焊接工艺设计。设计人员制定焊接方法和焊接工艺，要求同一课题的学生使用不同的焊接方法进行设计，焊接工艺可靠、合理。⒈ 制定焊接工艺卡。⒉ 课程设计说明书包括：摘要；被焊接材料的基本数据与焊接性分析；焊接方法的选择；焊接工艺的制定和论证（具体项目可参考焊接工艺卡）、焊后检验、参考文献等 原始资料及主要参数： 组号：19组 材料：30CrMoVA钢板两块， 规格：—1.5×100×300，平板对接

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焊 接 工 艺 卡

焊接零部件名称 钢板 焊接方法 钨极惰性气体保护焊 接头形式 对接接头，无需坡口 焊 前 准 备 预 热 预热温度 无需预热 焊件清理 对焊件进行装配 从左到右 焊 接 材 料 焊后 焊后立即将工件放在炉中加热至150热 oo处理 C—300C，保温一段时间，然后随炉冷却 保护气体 氩气 流量 6L/min 母材规格 牌号 30CrMoVA 板厚 1.5mm 焊接顺序 电源类型、极性 MOSFET逆变型直流电源 ，电流大小 5~160A选150A ，电压 70V 焊接 1．工艺 2．焊接速度 30cm/min ， 参数 3．其他事项： 对接接头单面焊，电弧长度3mm。 160直流氩弧焊机 焊接设备型号

焊接工装号 3

1．焊接位置：平焊 操 作 技 术 2．焊道层数： 单层单道 3．焊接顺序： 从左到右 4．运条方式： 直线型 5．清根方法： 手工打磨 焊后 检验 编制

使用磁粉探伤表面，当磁粉探伤不满足要求时使用超声波探伤 校对 审核 批准 4

目 录

1. 30CrMoVA钢的性能分析 ...................................................................................................... 6

1.1 材料： .............................................................................................................................. 6 1.2 化学成分及力学性能： .................................................................................................. 6 2. 15 30CrMoVA钢的焊接性能 ................................................................................................... 7

2.1 碳当量分析 ...................................................................................................................... 7 2.2 30CrMoVA的焊接性的主要表现 .................................................................................. 7 3 焊接方法的选择和分析 ............................................................................................................. 8

3.1 焊接方法选择时应考虑的因素 ...................................................................................... 8 3.2 焊接方法的选择 .............................................................................................................. 8 3.3 焊接方法主要特点分析 .................................................................................................. 9 4 焊接设备的选择 ......................................................................................................................... 9

4.1 焊接电源的选择 .............................................................................................................. 9 4.2 焊丝及焊剂的选择 ....................................................................................................... ...9 4.3、焊枪及喷嘴的选择..........................................................................................................9 4.4、钨极的选择....................................................................................................................10 5 焊接工艺参数的选择 ............................................................................................................... 10

5.1 焊接电流与电压的选择................................................................................................错误！未定义书签。

5.2 焊接速度的选择 ........................................................................................................ 10 5.3 钨极直径与保护气体流量 ............................................................ 错误！未定义书签。 6 焊前预热、焊接过程及焊后处理 ........................................................................................... 11

6.1 焊前预热 ........................................................................................................................ 11 6.2 焊接过程与焊后处理 .................................................................................................... 11 7 焊后检验 ................................................................................................................................... 12

7.1 外观检验 ........................................................................................................................ 12 8 总结........................................................................................................................................... 13 参考文献......................................................................................................................................... 14

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摘要：30CrMoVA属于Cr-Mo系统，是在Cr钢基础上发展起来的中碳调质钢。加入少量Mo(0.15%~0.25%)可以消除Cr钢的回火脆性，提高淬透性并使钢具有较好的强度和韧性匹配，同时Mo还可以提高钢的高温强度。V可以细化晶粒，提高强度，韧性和塑性。增加高温回火稳定性。这类钢一般用于制造动力设备中一些承受较高负荷，截面较大的重要零件，如汽车机叶轮，主轴和发电机转子等。这类钢的含碳量较高，淬透性较大，因此焊接性较差，一般要求焊前预热，焊后热处理等。下面分析了30CrMoVA钢的焊接性，并在此基础上运用所学的知识制定了30CrMoVA钢的平板对接工艺，包括材料焊接性能分析，电流选择，焊接速度的制定焊接检验等。本设计所选用焊接方法为埋弧焊。

1. 30CrMoVA钢的性能分析

1.1 材料：

30CrMoVA钢两块，规格：－1.5×100×300，平板对接；

1.2 化学成分及力学性能：

30CrMoVA钢中温强度较高具有一定的抗氢能力，工艺性能良好，蠕变极限： 持久强度

Mo可以显著提高钢的再结晶温度，并可以强化铁素体，但是会促进石化，所一般在Mo钢中加入0.5%～1.5%的Cr，能有效地抑制石墨化过程的进行，还加入W、V等强碳化物元素则效果更好。其化学成分见表1，力学性能见表2。

表1 30CrMoVA化学成分[10][8]

化学成分（质量分数）% 牌 号 30CrMoVA

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55010445Mpa5501/10450~70MpaC 0.25-0.35 Mn 0.40-0.70 Si 0.2-0.4 Cr 1.0-1.3 Mo 0.2-0.3 Ni - ≤S P ≤0.035 0.030

表 2 30CrMoVA钢力学性能

屈服极限σs/MPa 抗拉强度σb/MPa

伸长率δ5（%）

30CrMoVA

≥686 ≥814 ≥13

30CrMoVA钢根据化学成分属于中碳调质钢。中碳调质钢由于含碳量高，合金元素多，钢的淬硬倾向大，Ms点又低，因而在淬火区产生淬硬的马氏体，导致严重脆化。焊接焊前为调质状态的钢材时，热影响区被加热到超过调质处理的回火温度区域，将出现强度，硬度低于母材的软化区。如果焊后不在进行调质处理，该软化区可能成为降低接头强度的薄弱区。

牌号 2. 15 30CrMoVA钢的焊接性能

2.1 碳当量分析

按照国际焊接学会推荐的碳当量公式算得30CrMoVA的碳当量 Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 =0.30+0.55/6+(0.9+0.5+0)/5+(0.3+0)/15 ≈0.45

由此可见，30CrMoVA的Ceq值大于0.4%～0.6%，合金元素较多，冷裂纹的敏感性较大，加热后在空气中冷却时淬硬倾向较大，焊接时易在焊缝和热影响区形成对裂纹敏感的淬硬马氏体组织，焊接时需要采取预热、后热等一系列工艺措施。

2.2 30CrMoVA的焊接性的主要表现

30CrMoVA属于中碳调质钢，以加入Cr、Mo、V合金元素为主，合金元素Cr能形成致密的氧化膜，提高钢的抗氧化性能，也能有效组织石墨化过程。Mo是耐热钢中的强碳化物元素，形成碳化物能力比Cr弱，Mo优先溶于固溶体，起到固溶强化的作用。Mo也能有效组织石墨化，Mo的熔点高达2625℃，固溶后可提高钢的再结晶的温度，有效提高钢的高温强度和抗蠕变能力。Mo还可以减小钢的热脆倾向，同时提高钢的抗锈蚀能力，V可以细化晶粒，提高强度，韧性和塑性。增加高温回火稳定性。

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30CrMoVA钢的焊接性与低合金结构钢相近。因为在钢中加入Cr、Mo、V合金元素，使碳当量增加，钢的淬硬倾向增大，提高焊接热影响区的硬度，容易产生焊接冷裂纹。由于母材与焊缝金属中碳和合金元素含量的差异，当滞后相变的母材热影响发生奥氏体向马氏体转变时，氢一过饱和状态残存在马氏体中，产生氢致裂纹。当焊缝金属的碳当量和合金元素较高时，有可能使母材热影响区先于焊缝发生相变，氢就会从热影响区向焊缝扩散，使焊缝中氢处于过饱和。当焊缝冷却后转变为马氏体组织时，会产生焊缝冷裂纹。因此，在焊接时应进行焊前预热，焊后热处理。

具体说来30CrMoVA焊接时具有以下特点：

(1)淬硬性 钢的淬硬性取决于它的碳当量及合金成分含量。30CrMoVA钢中的主要合金元素Cr、Mo都能增大显著提高钢的淬硬性。特别是Mo作用，比Cr 约大50倍。这些合金元素推迟了钢在冷却过程中的转变，提高了过冷奥氏体的稳定性。

(2)消除应力处理裂纹倾向 30CrMoVA钢焊接接头消除应力裂纹倾向只要取决于钢中碳化物形成元素的特性及含量，它常常产生于焊接热影响区的粗晶段。这种裂纹一般在500℃～700℃温度范围内形成。采用焊前预热和焊后合理的热处理工艺，避免在敏感的温度区停留时间过长能防止裂纹的产生。

(3)回火脆性 火脆性指钢材及其焊接接头在350～500℃温度区域长期运行过程中发生剧烈脆变的现象。

3 焊接方法的选择和分析

3.1 焊接方法选择时应考虑的因素

（1）各种焊接方法的适用范围；

（2）待焊30CrMoVA耐热钢板的具体情况：钢板的结构类型、厚度，接头形式和焊接位置，母材的物理性能、力学性能、冶金性能；

（3）对焊缝质量的要求：如硬度、强度、塑性、外观，是否变形等。

3.2 焊接方法的选择

30CrMoVA钢的焊接通常采用气体保护焊、手工电弧焊，、埋弧自动焊和点焊等。采用热量集中地脉冲氩弧焊，等离子弧焊及真空电子束焊等方法，有利于缩小热影响区宽度，获得细晶组织，提高焊接接头的力学性能。中碳调质钢宜用小线能量焊接，这样可以降低淬火区的脆化硬度，如同时采用预热后热等措施，还能提高抗冷裂性能，改善淬火区的组织和性能，采用小线能量焊接还有利于缩小软化区，降低软化程度。由于本材质只有1.5mm的厚度，并且对接接头。故采用对接接头单面焊。

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3.3 焊接方法主要特点分析

TIG焊具有下列优点：

（1） 能够实现高品质焊接，得到优良的焊缝。

（2） 焊接过程中钨电极是不熔化的，故易于保持恒定的电弧长度，不变的焊接电流，

稳定的焊接过程，使焊缝很美观，平滑，均匀。

（3） 焊接电流的使用范围通常在5~500A。即使电流小于10A，仍能正常焊接，因此特

别适合薄板焊接。

（4） 在薄板焊接时无需填充焊丝。

（5） 钨极氩弧焊时的电弧是是各种电弧焊方法中稳定性最好的电弧之一。

埋弧焊的不足之处：

（1） 焊接效率低于其他方法；

（2） 氩气没有脱氧或去氢作用，所以焊前对焊件的除油，去锈，去水等准备工作要求严格，否则易产生气孔；

（3） 焊接时钨极有少量的熔化蒸发，钨微粒如果进入熔池会造成夹钨，影响焊缝质量。 （4）由于生产效率较低和惰性气体的价格较高，生产成本比焊条电弧焊，埋弧焊，和CO2气体保护焊都高。

4 焊接设备的选择

钨极氩弧焊的焊接设备主要包括焊接电源、控系统、引弧装置、稳弧装置、焊枪、焊接、供气系统和供水系统等。此外，还有面罩，敲渣锤，钢丝刷，和焊条保温筒等，后者统称辅助设备工具。

4.1 焊接电源的选择

在实际生产中，焊接耐热钢一般采用交流，国产的TIG焊机有WSJ—400型﹑WSJ—400—1 型和WSJ—500型，现选用WSJ—500型焊机。额定焊接电流为500A，具有陡降外特性，其大电流空载电压为60V，小电流档为88V。该机匹配PQ1—150﹑PQ1—350和PQ1—500等型号焊枪。为了避免交流电弧中产生直流分量，需配备一台BX—500—2型弧焊变压器。

4.2 焊丝及焊剂的选择

薄板焊接无需焊丝焊剂

4.3、焊枪及喷嘴的选择

钨极氩弧焊的焊枪的主要形式有气冷（空冷）和水冷两种。

气冷式焊枪通常是重量轻的，体积小且坚实，且比水冷式焊枪较便宜，但是，一般受限

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使用于约125A以下的焊接电流，正常情况下是使用于焊接薄板且使用率低之处，钨电极棒的操作温度比在水冷式焊枪中操作的较高，正因为如此，在使用纯钨电极棒时或在接近额定电流容量下焊接时，会引起钨粒子脱落掉入熔池中。

水冷式焊枪是被设计用于持续的高电流焊接，能以高至200A的焊接电流做持续的操作有些被设计可用于500A的最大焊接电流，比气冷式焊枪较重且较贵。

由于PQ1—150 型水冷焊枪的额定焊接电流为150A，与铝镁合金手工钨极氩弧焊参数相符故选用 PQ1—150型水冷焊枪。

喷嘴的形状尺寸对气流的保护性能影响很大。在喷嘴的下部为圆柱形通道，通道直径越大，保护范围越宽，但可达到性变差，且影响视线。综合考虑，选用收敛形喷嘴。

4.4、钨极的选择

在手工钨极氩弧焊焊接工艺中，对钨极的要求，一般要满足引弧及稳弧性能好，耐高温、不易损耗，电流容量大等条件。常用的钨极有纯钨电极、钍钨极、铈钨极等。综合各种因素考虑选择纯钨电极。

5 焊接工艺参数的选择

钨极氩弧焊的焊接工艺参数主要有焊接电流种类和极性、电弧电压、焊接速度、钨极直径、保护气体流量等。

5.1、焊接电流与电压的选择

焊接电流是决定焊缝熔深的最主要的参数，焊接电流电流过大容易产生烧穿或焊缝下陷、咬边等缺陷，还会引起钨极烧损或产生夹钨缺陷；电流过小，电弧燃烧不稳定甚至发生偏吹。要按照焊件材料、厚度、接头形式、焊 接位置等因素来选定。一般先确定电流类型和极性，然后确定电流的大小。因此选用WS— 160直流氩弧焊机 MOSFET逆变型直流电源 ，电流大小 5～160A选150A ，电压 70V

电弧电压主要影响焊缝宽度，它由电弧长度决定。钨极氩弧焊电弧长度根据电流值的大小通常在1.2～5mm 之间，需要填加焊丝时，要选择较长的电弧长度。

5.2、焊接速度的选择

当焊接电流确定后，焊接速度决定单位长度焊缝的热输入。高焊接速度，则减小热输入，溶深和溶宽均减小；反之则增大。氩弧焊在5～50cm/min的焊接速度下能够维持比 其他焊接方法更为稳定的电弧形态。根据这一特点，选用焊接速度为30cm/min

5.3、钨极直径与保护气体流量

焊接电流的大小是决定焊缝熔深的主要参数，它根据工件材质、厚度、接头形式、焊接位置等因素选择，钨极直径则根据电流大小、电流种类选择.一定条件下，气体流量和喷嘴直径有一个最佳范围，此时，气体保护效果最佳，有效保护区最大。如气体流量过低，气流挺度差，排除周围空气的能力弱，保护效果不佳：流量太大，容易变成紊流，使空气卷入，也会降低保护效果。同样，在流量子定时，喷嘴直径过小，保护范围小，且因气流速度过高而形成紊流；喷嘴过大，不仅妨碍焊工观察，而且气流流速过低，挺度小，保护效果也不好。

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所以，气体流量和喷嘴直径要有一

定配合。通常手工钨极氩弧焊喷嘴孔径为5～20mm，对应保护气体流量为6～10L/min。焊接电流增大，所对应的喷嘴孔径和气体流量取值也随之增大。

6 焊前预热、焊接过程及焊后处理

为了保证母材及焊缝的性能除了在焊接工艺上控制外，对母材焊后的制定合理的热处理方案是十分关键。焊前预热是防止在焊接时产生冷裂纹和消除应力裂纹的有效措施之一。

6.1 焊前预热

对耐热钢进行焊前预热，焊前将工件预热到150～300℃，保温15分钟再焊接。可使用氧-乙炔焰、电炉或喷灯等加热。预热可以使焊件减小变形、气孔等缺陷。对于30CrMoVA钢板预热的温度选择300℃，并控制焊接的层间温度在预热温度以上。预热温度过高，在最终热处理中已形成马氏体组织；在焊接时如果含氢量过高，就易形成焊接接头裂纹。为了防止裂纹的产生一般在焊后进行热处理。

6.2 焊接过程与焊后处理

采用单面单层单道焊( 这是由产品结构所确定)，焊缝厚度控制在1.4mm以上。 （1）起弧：通常使用“起弧”的方法是引起电子发射和气体离子化开始的方式；可经由能化的电极棒接触工作物且快速抽回到其所需的电弧长度，或使用导弧，或使用在 电极棒和工作物之间产生高频火花的辅助装置引弧，而得到此放射和离子的能量；电极棒从工作物上做机械式的抽回方式只能用于直流电焊机的机械化的焊接，然而，导弧起 动方式，可用于手操作和机械化焊接，但是也只限于直流电焊机，高频火花起弧方式可应用于交流或直流电焊机的手操作焊接，许多电焊机都有产生高频火花的装置作起弧和稳定电弧。

（2）电极棒和熔填金属位置：开始焊接时，电弧通常以打圆圈的方式移动直到足够的母材金属熔化以生产适宜大小的熔池。当达到适当的熔合时，将焊枪沿着焊接物接头的相邻边缘逐渐的移动。如此渐渐的熔接工作物，当熔填金属是以手操作添加时经常是保持在距工作物表面约15º的角度。且缓慢的进入熔池中，必须小心的送入熔填金属以避免扰乱气体保

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护或接触电极棒，且因熔填条端部氧化或电极棒的污染。熔填金属条可持续的加入或反复的“侵入”与“抽出”。熔填金属能以保持熔填条与焊道成线状排列的方式持续加入（时常使用以V形接头的多焊道接中）或者以熔填条和焊枪左右摆动的方式将熔填条送入熔池（时常使用以表面加层的一种方式）停止焊接时，将熔。填金属从熔池中抽回，但暂时的保持在气体保护下。以防止熔填金属氧化，然后在熄弧之前移动焊枪至熔池的前方边缘，将焊枪提升到刚好足以熄弧但又不足以引起熔坑和电极棒污染的高度而断弧，最佳的操作是以脚踏控制方式逐渐的减少电流而不需提升焊枪。 焊后处理：

为了防止接头裂纹的产生一般采取在焊后立即进行低温后热处理，可基本消除焊缝中的扩散氢，保证接头的质量。这种热处理也称为消氢处理。消氢处理温度一般在300℃～350℃。

焊接热处理不仅能消除焊接过程中产生的焊接残余应力。而且更重要的是能改善母材的组织，提高接头的综合力学性能。同时也是提高焊接接头的高温蠕变强度和组织稳定性，降低焊缝及热影响区的印硬度。

焊后热处理也分整体热处理和局部热处理。在平板对接中焊后一般采用局部热处理。焊后在草木灰中缓冷再及时进行即采用加热带缠绕焊缝，外缠保温层进行保温的热处理方

法。就能获得与母材。预热热处理工艺曲线见图2.消氢热处理工艺曲线见图3.最终焊后消除应力热处理曲线见图4。消氢处理要在焊后立即进行。

7 焊后检验

可能存在的焊接缺陷：焊后产生白口组织；焊接接头出现裂纹；冷热裂纹；夹渣。检验目的：保证焊缝质量，达到要求，及时处理不合格焊缝。

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7.1 外观检验

外观检验主要包括焊缝的平直度偏差、厚度及余高的检查；表面裂纹检查；咬边、焊肉不足检查；焊接件或产品的几何尺寸检查，包括形状及变形量是否超过技术规程的规定等。过程以目视检查实现.目视检查用于检查焊缝外观和尺寸，该如用低倍放大镜，尺寸计量工具等。通常要检查的是焊后的焊缝表面质量（熔渣清理，飞溅清理），表面成型质量（表面尺寸，凸凹，余高，焊缝宽度，焊角尺寸，焊透程度等），表面有无各 类焊接缺陷。其最基本的焊缝外形尺寸要均匀，焊道与焊道，焊道与基体金属之间应平滑过渡。属于初步检查。 00

无损检测的目的是检查焊缝的表面与内部裂纹，夹杂、气孔、未熔合和未焊透等工艺性缺陷。无损检测一般都安排在焊缝外观检测之后进行，本工艺采用X射线无损检测方法。由于本焊接工艺易于出现裂纹,所以可以用超声波探伤和磁粉探伤。

（1）超声波探伤 超声波探伤是利用频率超过20kHz的弹性波在试件中和试件内部缺陷中传播的不同声学特性，来判断是否存在缺陷与缺陷位置尺寸的一种无损检测手段。当声波通过材料时，能量会受到衰减，当遇到界面时就会发生反射。通过探测和分析在探伤仪屏幕显示 出来的反射声波的传播时间和波形，便可确定焊缝内部是否存在缺陷，并判断其性质和 位置。对于本次操作可以采用手工超声波探伤方法，根据质量要求，其检验等级分为A，B，C三级，对于5mm的铜板，采用A级检验，即采用一种角度的探头在焊缝的单面单侧 进行检验，只对允许扫查到的焊缝截面进行探测，一般不要求做横向缺陷的检验。对缺 陷进行评定时，超过评定线的信号应注意其是否有裂纹等危害性缺陷特征。如有怀疑时，应采取改变探头角度，增加探伤面，观察动态波形，结合结构工艺特征做判定。如对波 形不能准确判断时，应辅以其他检验做综合评定。

(2) 磁粉探伤 易于发现铁磁材料的表面缺陷，因此可以用来对本焊接结果的表面

检验且操作方便、安全可靠、操作简单。

8 总结

30CrMoVA是一种耐热钢，其主要的合金元素是Cr、Mo、V，具备高的高温力学

性能和一定的耐蚀性，这类钢一般用于制造动力设备中一些承受较高负荷，截面较大的重要零件，如汽车机叶轮，主轴和发电机转子等

（1）在正确制定有效、合理的焊接工艺的条件下，对厚度较小的母材，对接接头单面焊简单有效。

（2）焊接工艺设计是一个综合各种因素的设计过程，它涉及到材料的分析、设备的选用、实际的操作过程、焊前、后的处理、数据分析、焊后检验等。在各个环节中须认真执行，以获得高质量的焊缝。

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参考文献

[1] 中国机械工程学会·焊接学会.焊接手册（第2版）[M].机械工业出版社，2001. [2] 陈祝年.焊接工程师手册[M].机械工业出版社，2002

[3] 邹增大.焊接材料、工艺及设备手册[M].化学工业出版社，2001 [4] 王宗杰.工程材料焊接技术问答[M].机械工业出版社，2002 [5] 王宗杰.工程材料焊接技术问答[M].机械工业出版社，2002.

[6] 王永达，谢仕柜.低合金钢焊接基本数据手册[M].冶金工业出版社，1998. [7] 姜焕中.电弧焊及电渣焊[M].机械工业出版社，1980.

[8] 杨春利，林三宝.电弧焊基础[M].哈尔滨工业大学出版社，2003. [9] 埃里希.福克哈德.不锈钢焊接冶金[M].化学工业出版社，2004. [10] C.M.古列维奇.有色金属焊接手册[M].中国铁道出版社，1985.

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