（光学工程专业论文）x6b侧梁盖板焊接裂纹分析与制造工艺研究.pdf

北京交通大学丁程硕士学位论文 摘要 匿煎，随整铁路货车重载、提速的赢速发疑，彳亍车安全将蘧 临着巨大的挑战，货车的制造工艺也将面临着一次新的冲击。) ( 6 b 型集装箱专趱平是中国铁路集装箱运输懿重点车型，其甥l 粱盖投 焊接裂纹对行车安全有着至关重要的影响。如何在新车制造时准 确发现裂纹、螽何遴过合理的浑接工艺消除和减少使裂，从而使 裂纹得到有效的控制，这将是我们研究的重点。 本文首先介绍了集装箱运输的新发展。其次简要介绍了x 6 b 烈集装箱专用平车，回顾了其研发过程。然后分析分缓了焊接裂 纹的形成机理、分类及其形态，判定x 6 b 型集装箱专用平车侧梁 盖板爆接裂纹失结磊裂纹。为瑟本文从结晶裂纹形残梳理和影璃 因素入手，分析和探讨了母材和焊接材料的化学成份、焊接工艺、 焊接结构等对形成群接裂纹的影桶，迸丽制定出合理的焊接、组 装工艺，并提嫩了对焊接材料的要求，较好地预防了x 6 b 侧梁盖 板焊接裂纹的产生。 主题词x 6 b 侧粱盖板焊接裂纹焊接工艺焊接结构预 防搐施 北京交通大学工程硕士学位论文 a b s t r a e t 瑚盘专量瓣撼馥d e v e l 糟e 强 o f w a g o 臻k 鑫_ 夥l o 蕊鞠df a i s e 蹭e e d ， t h et r a f n c s a f e t y f a c e sa h u g ec h a l l e n g e ；t h ef r e i g h t v e h i c l e m 瑟骓f a c 钯辩e 慈交窿s o 主s 掇e i 程g 鑫蛰e wi 鞋攀a c t 。 弹ex 6 转c o 搬i 萎e f l a t 、a g o ni sm ek e yv e h i c l et y p eo fc h i n e s er a i l r o a dc o n t a i l l e r i z e d t r a 箍c ； t ss i d eb e 8 ml a pw e l de r a e l c 矗a st h ev e 搿i n p o 缱鞠t n 蠡娃e n e e f 0t h e 口a 撒cs a f e 研h o wt oa c c u r a t e l yd i s c o v e 拶m ec r a c kw h e nt h e n e wv e 菇c l ed o e s ，瓤o wt oe l i 蕊n a t ea n d 羚矗l e et h ee r a c kt 函o u g ht h e r e a s o n a b l ew e l d i n gc r a r ，t h u se n a b l et h ec r a c kt ob eu n d e rt h e e & c t i v ec o n 仃o l ，憾sw i l lb eak e yp o i n tw h i c hw es t u 蕊e s n i sa r t i c l e 是r s n yi n t r o d u c e sn e wd e v e l o 呻e n to fc o n t a i n e r i z e d 仃a 饿c n e x tb r i e n yi n 仃o d u c e s1 y p ex 6 bc o n t a i n e rf l a t ，a g o n ， r e v i e w si l s s e 射c ha n dd e v e l 印m e n tp r o c e s s 。t h e na n a l y s e sa n d i n 仃d d u c e sm ew e l dc r a c kf l o r m a t i o nm e c h a n i s m 。m 0c l a s s i f i c a t i o n 鞠ds 羹肇e ，d e t e 删n e s d cb e 黼1 印w e l dc f a c ；( o f 聊ex 6 b c o n t a i n e rf 1 a tw a g o na sm ec r y s t a l l i z a t i o nc r a c k s t a r t i n gw i t h 灸懿撇蛀o nl ￥狞e h 鑫藤s 越a n d h e 主n 霰h e 珏c e 甄e 幻fo fe f y s t 簸l i z a t 主。魏e 臻c 毽 t h i sa n i c l ea 1 1 a l y z e sa n dd i s c u s s e sc h e i m c a lc o m p o s i t i o n ，w e l d i n g e r a 羲，w e l d i 藏gs 瓤托趣f eo f 穗ep 猷e 毪t 珏犯t 8 la n dw 蘸d 弧g 耀a l e 娃蠢，a 狂娃 s oo nt o 贰，r m st h ew e l dc r a c kt h ei n n u e n c e 。t h e nf b n i 】u l a t e sm e r c a s o n a b l ow e l 蠢n ga n da s s e m b l ye f a 叠，氇n dp u lf o 懈8 撼w e l d 糯越e r 主a l r e q u e s t ，a 1 lt h i sp r e v e n t sx 6 bs i d eb e a m1 a pw e l dc r a c kp r o d u c t i o n k e y w o r d ：x 6 bs i d eb e a ml 印，聃l dc r a c k ，w e l d i n gc r a f t ，忙l d i n g s n u c m r e ，p r e v e n t i v em e a s u r e * 强一 1 0 裒交遴大学工稷硕士专娩学经谂文 第一耄绪论 爨装簇遮输从上篷鳃窃起步，到5 0 年代燕爨装罐运稳发展 酶第一除段。这个阶段的黪点怒各个黧家掇据囊己嬲螓溪囱行 发鼹集装辅运输，并懑观公铁联运。胬年代纛，集羧箱运输畜 了突飞猛避孵发震。迸入鞠年代，罴集装箱运输懿突薷狳毅， 主要番露下咒拿特点： l 、运燕不颧增长 在铁路运输方掰，近几年来，嚣方发达豳家酶熬装辍遮输 鏊本绦持了壤长豹势头。霸零铁黪蓥本上把全郝逶锻赞物都皴 入集装禳遮潦。1 9 年爨戆惑发送塞为5 7 万漶，其中集装箱 1 8 0 0 万t ，占3 3 。3 篱；货物麓转总u 蠡2 5 0 亿嚏公曩，其中寨鼗籀 l ? 0 亿魄公遐，占6 6 ，6 。燕圈铁路黥集装戆遮鲶仅次予煤炭， 孺第二馑。瓣榉在法国、德嚣甾敬溯溺家，纂装箱遮爨都占有 较大魄熏，一般可占戮慈费运豢豹l 蓠勰，莠激6 9 篱的速 度璞长。 综合露来，隧麓毽界经济移因际黉荔麓发惩，熬装臻遮输 将褥到不酝殴发袋。鲡客运囱舞速纯发展一样，赞携运输将态 集装纯发震。 j k 京交通大学工程硕士专业擎位论文 2 、设备不断更瓶 ( 1 ) 集装箱箱体向大型化发展。现在国际上使用的大部 分是2 0 英尺秘4 0 英尺蚋集装箱，耱宽都怒2 4 3 8 黼，籍离主要 有两静规格：2 4 3 8 删和2 5 9 l 黼，箱离发展刘2 5 9 l m m ，已经是现 行公路的极限了， 3 8 1 2 一( 1 2 1 9 + 2 5 9 1 ) = 2 1 1 1 l 珏 。所以集装箱的 发展在它的长度上。一方面大力发展4 0 英尺的集装箱( 现占集 装箱总数懿5 3 ) ，另一方藩更长瓣集装箱有所发鼹，这主要指 4 5 英尺始也有固定播孔，阂为它在4 。英尺处也商固定擒孔，所 以能使用4 0 英尺的拖车装载。 ( 2 ) 铁路集装箱车辆的彻底改革。装载集装箱的铁路车 辘从敞车、平车过渡到了嚣絮结构的集避渡爨了学架结搦的集 装箱专用平车。进入8 0 年代，美豳铁路穗现了蘸神全新缝构的 车辆：种是铰接在起，中闽共鼷一个转囊架。这种铰接在 一起，中间共用一个转向架。这种铰车组通常由5 辆车组成， 共袭用6 个转蠢絮，这样车辚自委裁减轻了缀多，并且这种车 适应性很广，可装载2 0 英尺、4 0 英尺、躺英尺的集装籀。邀 很适合漩载集装箱拖车。另j l ；孛车辆是双层集装籍专臻平车， 这种车辆的出现可称之为集装箱装运的一次革命。首先它降低 了车辆承载西豁高度，以後装载两鼷集装箱；冀次可根据铰接 北京交通大学工程硕士专业学位论文 车组的经验，把5 辆双层集装箱车铰接在一起，大大降低了车 辆的自重系数，并采用了高速转向架和先进的制动系统。从而 减少了牵引燃料的消耗，降低了运输成本，大大提高了铁路通 过能力。 3 、组织方法不断改进 ( 1 ) 建立集装箱运输通道，开行定期直达列车。日本在 组织集装箱直达列车方面很突出。集装箱直达列车的意义体现 在货物的时间价值上。如从洛杉矶芝加哥3 2 1 8 l ( i n ，双层集 装箱列车需运行5 2 h ，旅行速度达到6 2 k m h ，与我国的特快旅 客列车速度相近。例如，北京一昆明3 1 7 9 k m ，特快旅客列车需 要运行5 4 2 h ；又如，从东青森一隅田川的3 0 5 0 次列车，东青 森发车时间为1 8 ：0 0 ，到达隅田川的时间是次日早晨5 ：2 7 ， 还能赶上东京的早市，旅行速度也超过了6 0 k m h 。途中需要停 靠八户和盛冈进行集装箱装卸作业，由于装卸作业就在到发线 进行，一般只需2 0 3 0 m i n ，这样就大大提高了集装箱列车的旅 行速度，并能按运行图正点运行。1 9 9 8 年铁道部实行新图时， 就增开了快运直达了当达列车( 主要为集装箱) 。 ( 2 ) 国际多式联运和大陆桥运输。国际多式联运是指按 国际多式联运和大陆桥运输。国际多式联运是指按国际多式联 1 j e 京交通大学j ：程硕士专韭学位论文 运经营人，将货物从一国境内接篱货物的地点运至另一圈境内 交付货物的地点；大陆桥运输是以陆地上的铁路戚公路为桥梁 恕豫片海域连接起来的运输方式。大陆桥运辕往往包含予蓬际 多式联运之中，雨胬际多式联运往往又是以集装箱为媒介。现 已发展了以集装箱为中心的国际多式联运网。出予采明了国际 多式联运，改善了不同运输方式之间的连接，提高了综合运输 效益，籍他了运输手续，辫低运输成本，楚一种经济、傻捷的 逶输方式，受到国际客商的青睐。 北京交通大学工程硬专业学位论文 第二章x 6 8 型集装箱专用平车箍余 2 。 x 6 8 型集装箱专用平车骈发过程回颥 x 6 b 型集装箱专用平车是1 9 9 3 1 9 9 4 年度按铁道部铁 科技函( 1 9 9 3 ) 3 5 2 号文件关于下达x 6 b 型集装箱专用平车 设计任务书的通知的要求开发设计的。该车是在x 6 a 型 集装箱专用平车酌基稿上，按照整界银行专家韵愆见，以 运输l o 吨键为主，兼顾i s o l 6 6 8 8 8 系列l 集装纂一 分类尺寸和额定重量所规定的1 a a 、1 a 、l a x 、1 c c 、1 c 、 1 c x 及4 5 f t 长大集装箱，并要求装载l o 吨箱6 个、4 0 f t 箱1 个、4 5 f t 集装箱1 个、2 0 f t 集装箱2 个。t b j l 0 箱韵外 形尺寸为3 0 7 蜮2 5 0 0 x 2 6 5 0 燃，在车上横放，其镳各型簸在车上 顺放。该车原在京广、京沪、浙赣线使用，由于性能良好、使 用方便，现已在全国所有1 0 t 箱办理站使用。 该车经过了铁道部科学研究院的静强度试验、冲击试 验和线路动力学试验，并予1 9 9 5 年通过了铁道郝科按成 果鉴定( 鉴定证书编号：( 9 5 ) 铁道部技鉴字0 6 8 号) ，并 于同年开始投入批量生产。 该车箱锁装置最初为手动旋锁，因不适应我闺国情， e b 京交逶大学王疆硪士专馥学挺论变 盾改为翻扳式锁。 6 d b 京交通大学工程硕士专业学位论文 2 ，2x 6 b 型集装箱专用平车裳要技术参数及结构 下表为x 6 b 型集装箱专用平车主要披术参数： 载重 8 0 乞 自重 2 2 3 t 6 个t b j l o 掌蓦 6 x l o = 6 0 t i 装箱数量 2 个2 0 f t 箱( 1 c c 、1 c 、1 c x ) 2 x 2 4 = 4 8 t 及重量 1 个4 0 f t 箱( 1 a a 、l a 、l a x ) l x 3 0 4 8 = 3 0 。4 8 t 1 个4 5 f t $ 喜l x 3 0 4 8 = 3 0 。4 8 t 运行速度 1 0 0 k m h 车辆长度 1 6 3 3 8 | 珏班 车辆定躐 1 0 9 2 0 m m i 痣絮长度 1 5 矮0 0 l l l 疆 i 底架宽度 2 0 9 0 m m 车髂底粱为全镊焊接结构，中粱、侧粱等主要型镏麴 材质为q 2 3 5 一a ，板材材质为0 9 c u p t i r e 。中梁为3 6 0 工钢， 侧梁为4 0 0 工钢，均加上、下盖板组焊成箱形梁。端梁为 槽型结构，枕粱为箱形结构，中央有四穰大横粱，均为工 字澎结构。在车然端部宥瓣撑。 j 京交通大学= ：i 二程碟士专韭学位论文 2 3x 6 b 型集装箱专用平车效果图及运用图 图2 1x 6 b 型集装箱专用平车效果圈 图2 2x 6 b 型集装箱专用平车实际遴用图 j b 塞交远大学工程硕士专业学位论文 图2 。3x 妫型集装箱专露平车截垂( a 端) 图2 4x 6 b 型集装箱专用平车截面( b 端) 9 j e 泉交通大学工程硕士专业学位论文 蹙2 。5x 6 b 型集装箱专用平车车载装置 鳖2 。6x 褥型集装箱专焉乎车转淘架 1 0 北京交通大学工程硕士专业学位论文 焊接作为一种重要的生产手段，广泛应用于机器零件、工 程结构的生产制造。同时，焊接本身又是一种可能造成结构性 能千变万化的工艺过程。 x 6 b 集装箱专用平车曾是中国南车集团北京二七车辆厂的 主导产品，为工厂赢得了较好的经济效益。该车的底架为全钢 焊接结构，主要由中梁、侧梁、端梁及枕横梁等部件组成。该 车侧梁为箱形结构，其下盖板为两层，材质为0 9 c u p t i r e ，即耐 候钢，焊接方法为c 0 2 气体保护焊。在车辆大修过程中经常需 要更换侧梁，在修理中发现，侧梁两层下盖板间的角焊缝沿焊 缝中心频繁出现纵向裂纹，而且通过防护罩观察，这种焊接裂 纹是随着液态的焊缝金属结晶，沿焊接方向于焊缝中心形成一 条“黑线”，待焊缝金属凝固后，即形成了该纵向焊接裂纹。 经理论与金相分析，认为这种裂纹是在焊缝金属结晶过程 中产生的。因此，可以判定：这种裂纹属于结晶裂纹。 下面通过阐述结晶裂纹的形成机理，分析影响结晶裂纹产 生的主要因素，对x 6 b 侧梁盖板焊接裂纹进行分析，寻找其产 生的根本原因，以便选择冶金性能良好的焊接材料，制定出合 理的组装、焊接工艺，防止裂纹的再发生。 1 1 北裘交通大学工程硕士专业学姣论文 第三章焊接裂纹的形成机理、分类及其形态 焊接过程是一个具有其特点的焊接冶金过程。焊按时，焊 缝和热影响区金属要经受檄复杂又有规律的热过程。在焊接接 头这小小范溺，几乎所有冶金现象都要高现，例翔熔化、结晶、 气摆与金属反应，渣与金籍的反应稠固态摆变等等。因两整个 烬接过程是一个时间短、变化复杂而完整的物理冶金过程。 3 。1 焊接理论麓介 焊接的任务是摆涎块金属连按起来，霹采趱魄焊接方法麓 多种多样的，根据实现金属原子间结合的方式不同，可分为熔 化焊、压力焊和钎焊三大类。 3 1 1 焊接方法的优点 a 成形方便：焊接方法灵活多样，工艺简便；在制造大 型、复杂结构秘零件时，可采魇铸绰、锻浑方法，仡丈为小， 优复杂为篱单，再逐次装配焊接露成。 b 适应性强：采用相应的焊接方法，不仅可生产微型、 大型和复杂的金属构件，也能生产气密性好的高温、高压设备 帮化工设备；此外，采用焊接方法，还麓实现彝种金满或菲金 ， 北京交通大学_ 稷硕士专业学位论文 属豹连接。 c 生产成本低：与铆接相比，焊接结构可节雀材料l o 携 2 0 ，并可减少划线、钻孔、装配等工序。另外，采用焊接结 构能够按使用要求选用材料。在结构的不同部位，投强度、耐 蘑俄、藤腐蚀性、耐高溢等要求选餍不同材料，具有更好的经 济燃。 3 1 。2 焊接的特点 a 湿度高 以手工焊为例，电弧高温可达4 0 0 0 7 0 0 0 度，使焊件与焊 条发生强烈熔化和蒸发。外界气体n 、o 、h 大量分解，溶入熔 洼，其数鬣毙炼钢眩太缀多倍。因此，浮缝金属凝匿惹有产生 气孔的可能性，并降低机械性缝。 b 温差大 焊接烧局部加热。从冷态开始到加热熔化，形成熔池的温 度霹达2 0 度以上。蹲榜又楚冷态金属，黼者温差巨大，使 接头产生很大悫应力和变形，甚至可能产生裂缝和叛裂。 c 偏析现象严重 焊接熔池体积小，手工电弧焊时熔池约为3 一l o 立方厘米，自 动群也不：j 遣9 3 0 e m 立方，滓缝金属扶熔化弼凝固只有凡移锌 1 1 j 京交通大学工穗硕士专韭学位论文 时间。在这样短时间内，冶金反应是不平衡的，也是不完善的， 馕浮缝鑫属成分分布不均匀，有器亨区域编折缀大。 d 组织差别大 烽接过程中，溢度离，液体金演蒸发，化学元素烧攒，有些元 素在焊缀金属和基本金属之间相互扩散；近缝区锫段所处温度 又不闷，冷却籍焊接逸的盈徽组织麓鄹极大。弹缝金属是亩柱 状晶缀成的铸态组织，母材热影响区是在不同峰馕湿度焊接热 循环作溺下产生的撵度性组织特征。明蘧的组织差异影晌着接 头的性能。 3 1 。3 烨接接头形式 焊接方法不同，形成焊接接头怒不阀的。但是对熔化焊焊 接接头来说，从焊接金相分析看到豹都有髂忧焊缝、热影响区 及母材三部分构成。以下将从宏观鞠微观上分孝斤焊接接头形成 的特点。焊接方法的羊孛类缀多，翔麴是对焊接接头宏观结构， 从接头的横断面看，中问烂填充金属和母材混合熔化共同形成 懿焊缝，焊缝是熔化的铸态终织。熔合线外翻是母材的热影嗡 送，怒群接热循环作用的范灏。金属被加热到各张不同峰值泼 度，馊金属母材组织弱性裁发生了不两予原始母材的变化。此 区域称焊接热影响区。焊接接头就是由熔化焊缝、母材及焊接 1 4 北京交通大学工程硕士专业学位论文 热影响区三部分组成。 图3 1焊接接头宏观结构示意图 1 焊缝金属2 焊前坡口面 3 母材金属溶化4 热影响区5 母材 在微观上，焊缝与热影响区组织之间存在着一个组织与成 分有特征的过渡区域。应用一定化学试剂侵蚀焊接接头的横断 面组织，会进一步显示出不同组织区域，它比宏观区域更为 清楚表明焊缝与母材的结合关系，从图看到，熔化焊缝是由焊 接填充材料与母材熔合部分互相混合后形成的熔化组织。由于 焊接时温度高，熔化的填充金属与母材被熔化金属都处于液相 状态，互相混合在一起，由于熔池内液态金属复杂冶金过程， 即便是液态金属混合，也不是均匀的，仍然存在着成分和组织 上不均匀性。但是填充金属与母材金属基本上能完全混合在一 le 北京交通大学工程硕士专业学位论文 起的，就构成完全混合熔化区。在熔池填充金属与母材金属混 合时，熔沲藏层金属，由于刚达到熔化温度，运动熔池暂短的 停留，这层金满不麓发生对滚，扩教露闻又短，所以熔涟底都 这一簿层就是熔化母材成分丽未混合，形成未混合熔化区。与 它紧涟的是部分熔化区，因为靠近熔化隧，有部分金属晶粒是 晶界先熔化，有的龋粒熔化一部分，熔化金属液相在晶粒间流 动，有纯学成分懿变化。裁整个菇粒蔼言，晶蔽核心还是匿穗， 还没达到熔化温度。金属照粒间是产生避续的鼎闻液化薄膜， 金属液相与固相量相并存的区域。部分熔化区e | ；j l 于宽度极小， 在显微镜下经常是看不到的。在试剂的显示下，可以看到焊接 接头鹣熔合线，瑟徽鼹上蓄到熔合线就怒液藿酒福共存麴熔合 区，是焊缝金属与母材过渡的区域。 八一 a 。 图3 2 焊接接头金属的区域组成示意图 1 6 北京交通大学工程硕士专业学位论文 卜一焊缝中的完全混合熔化区 2 一焊缝中的未混合熔化区 3 一母材中的部分熔化区 4 一受热影响的母材区 5 一实际的熔化与未熔化部分的分界线 6 一未受热影响的母材区 3 1 4 手工电弧焊与氩弧焊的比较 a 手工电弧焊的原理和特点 其过程是利用焊条与工件间产生的电弧热，把工件和焊条 共同熔化形成熔池，凝固后构成焊缝。所以，手工焊接头，是 由焊条与母材共同形成的焊缝，不受热影响的母材及焊接热影 响区组成。 手工电弧焊接头特点是，焊接接头是由焊条熔化与被焊母 材共同构成焊缝金属。焊缝金属是熔化金属结晶凝固而成。被 焊母材在焊缝两侧受焊接电弧热作用，形成一个连续变化的组 织区域，称为焊接热影响区，两块金属是通过焊条熔化连接起 来的。 手工电弧焊接头。应用极为广泛，由单层焊、双面焊和多 层焊接头，是熔化焊中最常用和常见的焊接接头，焊缝是铸态 1 7 ! ! 室壅里奎堂三堡堡圭童些兰堡笙壅 组织，接头两侧的热影响区有连续的梯度变化的组织，由于线 能量小，热影响区宽度小。 b 氩弧烽靛簌淫和特点 氩弧焊以氩气作为保护气体，电弧发生在电极和工件之 间。电弧和熔化区由氲气流保护，褥易实现全位鼹自动化焊接。 明弧可见，便于操作。 电弧在气流压缩下燃浇，熬量集中，熔混较夺，群接速发 较快，热影响区较窄，焊詹变形小。同时氩弧烬电弧稳定，飞 溅小，焊缝致密，表面溶渣，成形美观。 3 1 5 常见焊接变彤及减少焊接应力与变形的王艺措施 焊接变形的基本形式有收缩变形、角变形、弯曲变形、波 浪变形和扭曲变形等。 焊接过程中，对焊件进行不均匀加热和冷却，是产生焊接 应力和变形的根本原因。减少焊接应力与变形的工艺措施主 要有： a 预留收缩变形量 根据理论计算和实践经验，在焊件备料及加工时预先考虑 收缩余量，以便焊届工件达到所要求的形状、尺寸。 r 北京交通大学工程硕士专业学位论文 b 反变形法 根据理论计算和实践经验，预先估计结构焊接变形的方向 和大小，然后在焊接装配时给予一个方向相反、大小相等的预 置变形，以抵消焊后产生的变形。 c 刚性固定法 焊接时将焊件加以刚性固定，焊后待焊件冷却到室温后再 去掉刚性固定，可有效防止角变形和波浪变形。此方法会增大 焊接应力，只适用于塑性较好的低碳钢结构。 d 选择合理的焊接顺序 尽量使焊缝自由收缩。焊接焊缝较多的结构件时，应先焊 错开的短焊缝，再焊直通长焊缝，以防在焊缝交接处产生裂纹。 如果焊缝较长，可采用逐步退焊法和跳焊法，使温度分布较均 匀，从而减少了焊接应力和变形。 e 锤击焊缝法 在焊缝的冷却过程中，用圆头小锤均匀迅速地锤击焊缝， 使金属产生塑性延伸变形，抵消一部分焊接收缩变形，从而减 小焊接应力和变形。 f 加热“减应区”法 焊接前，在焊接部位附近区域( 称为减应区) 进行加热使之 1 0 北京交通大学工程硕士专业学位论文 伸长，焊后冷却时，加热区与焊缝一起收缩，可有效减小焊接 应力和变形。 g 焊前预热和焊后缓冷 预热的目的是减少焊缝区与焊件其他部分的温差，降低焊 缝区的冷却速度，使焊件能较均匀地冷却下来，从而减少焊接 应力与变形。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 3 。2 焊接裂纹的彩成机理 裂纹是辫接缺陷中危寮最大丽又较簧遍酶一静。爨纹可以 成为络专勾和零件脆断、疲劳破坯、腐蚀破坏的超因，所以它不 仅可能使产品报废，而且逐可能因未检测出导致以后灾难性的 事故。随着建设的迅猛发展，各种低合金高强钢、专业用钢( 低 温、游煞、掰客、摭氢等钢耱) 戬及菜塑高台金钢在我国雩荨翻 了广泛应用。当采髑上述钢种制遗各神焊接结构时，狂在的主 要问题之一就是焊接裂纹。因此，为了提高焊接质量和结构运 行的可靠性，解决这类钢的焊接裂纹问题就成为现在焊接生产 中麓重要磷究谋题。 在焊接生产中因为使用的金属材料和结构类型不同，可熊 遇到各种裂纹类型如图3 3 所示。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 图3 3 各种裂纹的分布情况 l 焊缝上级向裂纹 2 滓缝上横蠢裂纹 3 _ h a z 纵向裂纹 4 _ h a z 横向裂纹 5 弧坑裂纹 8 簿遴下裂纹 ? 焊缝内晶间裂纹 8 h a z 焊缝贯穿裂纹 9 焊趾裂纹 1 0 弹缝根部裂纹 ， 北京交通大学工程硕士专业学位论文 裂纹有时分布在焊缝上，有时分布在焊接热影响区。有的 出现在表面；有的隐藏在接头内部。有的可用肉眼或放大镜看 见：有麓却懿要偌懿显擞镳才能发现。有横彝裂纹、缀向裂纹， 有时出现在断弧的地方，彤成放射型的所谓弧坑裂纹。 总之，在焊接生产中所遇到的裂纹是多种多样的，远非上 述所能概括。如按产生裂纹的本质来分，有热裂、再热裂、冷 裂、艨状赫裂等西秘裂纹。 焊接时，在焊接热源岭作用下，焊缝坡口虎的填充金属( 焊 条或焊丝) 被熔化，母材金属的边缘部分也被熔化，两者混合， 共同组成焊接熔池的液态金属。熔融的金属随后冷却凝固，建 立起牢固静强度联系，将嚣块金麟连接裁一个整体焊接接 头。不同形式的焊接裂缝，产生在焊接接头形成过程的不同阶 段。 金属从熔融状态开始，在凝固冷却的初始阶段，在数量上 液栩占主要地位；蠢予液体其有流动程，它可戳任意变形，表 现出优异的可塑性。随着结晶凝阑过程鲍进行，当固棚在数餐 上开始占有一定地位时，出现了脆性温度区；在这一温度范围 内，与凝固完成后的温度相比，金属的塑性极低，不大的应变 就可导致裂缝出现。在这一温度藏匿肉，与凝豳完成后酶温度 ， j e 塞交遥大学j ：程裂士专韭学健论文 相比，与结晶偏析有关，具体定名的裂缝有“结晶裂缝”与“液 纯裂缝”。激着温度的继续下降，在完成结晶凝豳之霜，在低 予固耀线的湿度下，结晶时墨现树技状熊器，发生平直化或者 发生荐缝晶鹣粒缨优，在突的条件下将使塑性褥度下降，形 成另脆性温度区；在这一温度区内容易产生的裂缝有高温低 邃懂裂缝。在一个院较宽的高温度区内，无论龋羿是甭发生迁 移 8 。7 ；对于低镰合金淹强钢鹾程5 届磁大予3 7 0 露不会基溉 结晶裂纹。但是锰含量不能一味增加，对于o 1 0 o 1 2 c 的 焊缝，锰含量在2 5 以前提高能改善焊缝金属的抗裂性，提 高到2 5 4 ，看不出有什么影嫡，超过4 抗裂性反而变差。 焊缝金属含碳量荛，1 3 0 2 0 时，锰麴有益份震仅在含量为 1 8 以下时才表现出来，超过2 。5 反而不剥。含碳基为 0 2 1 0 2 3 时，镟的有黼影响只在更窄的浓度范围内才有。 这是豳予存在碳时，焊缝中含锰离可能发生由易熔碳化物共晶 弓| 起懿结晶裂纹。 d 硅 硅是6 栩形成元素，故有利于消除结晶裂纹，但裢的含量 超过o 4 时，容易形成低熔点的硅酸赫夹杂，从而增加了结 鑫裂纹麴馕蠢。 e 钛、稀土 钛和稀土在钢中可以形成高熔点的硫化物，对消除结晶裂 纹有鼹好作用，但是，这些元素对氧亲力较大，不易有效地加 入辫缝中去。 6 北京交通大学工程硕士专业学位论文 f 镍 镰在含量小于2 5 时，随着含镍鬣增加，使浮缝韧性增 加，戆提高烬缝酶抗裂性。 3 5 2 工艺因素对产生结晶裂纹的影响 a 焊接速度 焊接速度增大，焊缝宽度减小，增大了焊缝深度与焊缝宽 度院( 舔增大霹缝影状系数) ，使柱状晶成长方向转向内铡，不 仅产生更强裂的中心线偏橱，丽显在嗣一郝绽更集中邀发生 收缩变形，加大结晶裂纹倾向。 b 焊接线能量( q v ) 透当增加焊接线能量，降低弹缝金满豹冷却速度，从而降 低结晶裂纹的倾囱。 c 焊根间隙 焊根留有间隙，焊缝受到的摭伸应力增加，易产生裂纹。 d 浮接顺序 尽量使大多数焊缝在较小剐度的条件下焊接，镬各条舜缝 都有收缩的可能，减少裂纹倾向。 北京交通大学工程硕士专业学经论文 3 ，5 。3 爆接缝构因素对产生缝箍裂纹的彩晌 a 孵缝瘦变豹影晌 烘缝应变是由绰缝金属在其结黼过程中受到接头较冷部 分掏寒缎产生麴收缩弓l 越酶，在焊接移动热源下应力分布安g 懑 3 ，l o 瓣示，随蘑结晶冷却，崮于收缩，群缝金属逐瀚从受题成 力转为受挝应力作臻的状态，戮此，增加结晶裂纹馁淘。 一时 露3 ，i 0 群接蟊寸烨接接头金属的缩晶与瘦力状态 b 掏柬瘟力的影瀚 翔豪敷力与辫件的结构钢梭有较大关系，钢链大，则焊缝 受到的搦壤应力就大，戮此就容易产生结晶裂纹。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 3 。6 本耄小结 烬缝在凝固过程中，隧著遗凄楚降低，容易鲞瑰各嵇焊接 裂纹。 焊接裂纹按形成温度可分为：热裂纹和冷裂纹两种；按彤 成区域又可分为：浑缝裂纹、热影响区裂纹、熔合线裂纹。 缨晶裂绞是热裂纹酸一嵇。冶金因素、工艺医素、焊接结 构三方面是影响焊接裂纹的主要因素。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 第四章x 6 b 平车侧梁盖板焊接裂纹分析与预防措施 4 1x 6 b 平车侧梁盖板焊接裂纹分析 依据前面对结晶裂纹形成机理的阐述和对影响结晶裂纹 形成因素的分析，我们对x 6 b 平车侧梁盖板产生的焊接裂纹从 化学成份、焊接工艺、焊接结构三方面进行分析： 411 化学成份 ax 6 b 侧梁下盖板化学成份分析 x 6 b 侧梁下盖板( 1 ) 和( 2 ) 均为0 9 c u ”i r e ，即耐候钢板， 厚度分别为1 2 m 和1 0 m m ，分别对产生裂纹的间批盖板料头取 两组试样做化学成份试验，结果如表4 1 。 表4 1 下盖板化学成份 表4 1 下盖板化学成份 试样名称 碳硅锰磷硫铜钛稀土 试样1 ，1 0 m m 0 1 1o2 604 30 0 8 1o 0 1 902 6o 【) 0 20 o ( 1 试样2 ，l o 0 1 00 2 5o 4 30 0 7 5 0 0 1 9o 2 5o 0 0 20 0 0 l 试样3 ，1 2 l i l l n 0 0 9o 3 0 o ，4 2o 0 9 6 o 0 2 0o 3 2o 0 0 5 o 0 0 5 试样4 1 2 m 0 0 9o 2 803 7 o 0 9 2 d 0 1 90 2 50 0 0 30 0 0 2 0 2 0 o 20 0 7 0 2 5加入量 t b l 9 7 98 7 ) 1 20 4 c0 5 e0 1 2 d 0 40 3 5 0 0 30 1 5 j s 京交逶大学_ ：程鹾士专韭学谯论文 通过与t b l 9 7 9 8 7 耐候钢化学成份对比，发现硫和磷的含量比 鞍适中，焉钦裙稀的含蕊特别低，浮按时不畿很好邋起到脱 硫的作髑，还可能锼较多的硫由母材过渡刘焊缝金属中，使焊 缝容易产生低熔点共器，导致焊接裂纹。 b 焊丝化学成份分析 为受难确逮对洋丝进行分析，对浑缝随枫孪蠢三盘焊丝， 难焊后分剐钻孔取三个试样进行化验，化验结果如表4 。2 。 表4 。2 耐候钢焊丝化学成份 试样名称碳硅锰磷硫铬镍镉 试样1o 0 8o 。6 0主3 5o 0 1 5o 0 1 40 4 0 o 。3 5 o 3 2 试样2o 。0 80 。5 31 2 5o 。0 2 90 。0 2 0o 。2 8 0 2 7 9 2 7 试样3 o 。0 8 0 5 11 4 1o 0 1 40 0 1 5o 2 6o 3 0 0 2 8 分别用取样的三盘焊丝焊接侧粱下盖板，结果发现使用试 样2 的簇二盘烬丝焊出的焊缝有裂纹出现，露熬它蘧盘均未发 现焊接裂纹。 分树诧验结果，三静试样台碳羹均为0 ，0 8 ，试样2 胬含 磷和硫比试样l 和试样3 高，而且锰、铬、镍、镧等能抑割裂 j e 京交通大学_ i 程硕士专照学位论文 纹产生晌化学元素含蘑却比试样l 和试样3 低，因此，使用第 二盘焊丝较餐易出现焊接裂绞。 e 焊缝金属纯掌戏谂分橇 为便予分糈，我们对产生辫接裂纹的辉缝帮未产生焊接袈 纹的焊缝分别取两组试样化验其化学成份，化验结果如表4 3 、 表4 4 ： 表。3产生爱纹的缂缝化学成份 试样名称碳硅锰磷硫铜 试群l o 。1 2o 。3 00 ，8 7 0 。0 4 5o 0 2 60 。2 8 试梯2 o 1 60 。2 9 o 6 70 。0 5 6o + 0 2 30 。2 表4 4来产生裂纹的焊缝化学成份 试禚名稼碳 硅镰磷残镪 试榉3 0 。o 飘3 l0 。8 6o 4 7o 0 2 2。2 6l 试样硅 o 1 lo 3 30 6 70 。0 螽o0 0 2 i o 2 5 试样1 和试样2 均为产生裂纹的焊缝试样，试样3 和试样 4 均为来产生裂纹的辫缝试样。从表4 。3 帮表4 + 4 中哥以看 出，第一绲试样中碳、硫、磷的含鐾略嵩予第二组，蔼其它合 戴衷变通大学工程臻士专业学拉论文 金元索的含量基本相当。 缀据蔫霭对碳、硫、磷的有害霾素分析，刿定这种裂纹酌 产生与碳、硫、磷的含量偏高有较大的关系。 j 京交逯大学工程硬专业攀黩论文 4 。1 2 焊接工艺 对产生焊接裂纹影响较大的焊接工艺主要是焊接规范和 焊接顺序。 a 焊接规范的邀择 x 龋铡粱盖板焊接，采沼。气体绦护焊簿按。 当焊接电流较大时，熔深大、母材熔化多，熔合比增加， 母材中碳、硫、磷向焊缝中过渡多，使烨缝中碳、硫、磷含量 镳赢，造成结晶迥艘区闼大大增加及形成 氐熔点共晶，增大 辫接裂纹倾向。 焊接电压应与焊接电流相匹配，以减少飞溅和保迁焊缝成 型。 爆接速度既大小，壹接影啕型焊缝影嵩爰系数( b ) 大小及 焊接线箍量( q v ) 的大小。闲诧，采用适渔的焊接速度可降低 焊接裂纹的倾向。 短路过渡时，对防止焊缝产生结晶裂纹较为有利，但考虑 到生产效率，函戴采耀较小逸滚懿大漓过渡形式。 经工艺试验，采蠲表4 5 所示焊接规范参数，焊缝不荔产 生裂纹，露且焊缝成型美观。 就家交逶大学工程联士专业学位论文 表4 5x 6 b 侧梁焊接规范参数 焊丝童径焊接电流 焊接电压气体流量爆接速度焊丝传蹬长 l 1 m av l m i nh n m l n度m 1 。63 0 0 3 6 0 3 4 4 02 0 3 04 0 0 5 0 01 5 2 0 b 浮接颥序的选择 出于下盏投焊缝比较集中，我们分别采取嚣张焊接顺序， 种如阕4 1 所标焊缝焊接顺序；另一种是同时焊接内侧梁 铡两道热焊缝压，褥焊另一铡蹰邀角烽缝，两遵电弧点寇焊 距离i 米以上，如图4 1 所示。 出 圈4 1 浑接顺序及方向 j 塞交逶大学工程硬士专韭学经论文 熹 j 中心 图4 2 弹接顺序及方向 经过辫磊鬣察，采敬强4 2 焊接顺序舜搂沈圈4 1 产生的裂纹 要少，因此，焊接顺序对焊接裂纹也有影响。 j b 赢交通大学工程颈士专业学位论文 4 + 1 。3 焊接结构 如图4 1 艨示，x 6 b 侧粱为箱形结构，下盏援为双层，为 保证铡粱制造精度，下盖板与侧粱下翼面、两层盖板问均先 按图纸尺寸饕求进行定位辫，因此增加了侧梁戆剐性，搜爆缝 受到瀚拘隶应力较大。 悠得注意的是，我们发现在下盖板( 1 ) 对接焊缝处，两屡 盏板闯缀向角焊缝磁现裂纹的概率比较简，瑙割炬将焊接裂纹 清除戡至焊缝根郝，发现缀装闻隙般为2 3 黼，霞此，在该 楚焊缝受到麴接应力较大，檄易产生焊接裂纹，成为裂纹产生 的源头。所以，下盏板组装闽隙对焊接裂纹的形成也有较大的 影晌。 j 京交逶大学工程硕士专韭举德论文 霹2 x 6 8 平车侧粱盖板焊接裂纹的预防措施 4 ，2 ， 结菇裂纹熬控割 在拟定焊接工艺时应当注意结最裂纹倾疯麴大小凌定予： 结晶期闷作掰主弹缝金属上的挝应力增长速度和大小。 焊缝的化学成分，它决定了焊缝金属褒结晶期间的性餍 和在脆性状态下停留的时间长短。 焊接熔邀熬形状，它影嚷到焊缝柱状晶成长舔方蠢。 缆分剐叙述如下： a 拉 枣威力 在实际焊接条件下，是不可能消除拉应力的，所以制定工 艺时应力求减少控应力。辫接蓠颈热、选择合遴酶焊接糇序鞠 焊接方法、弹接规范都是可供采霜的一些办法。预热麓提高碳 素结构钢及其他一些钢中摭热裂憷有效的措施。不产生裂纹蛉 预热温度根据焊缝金属的化学成份，焊件的结构、截面，以及 其健蔽索在l s o 5 裁圈肉变化。 b 焊缝的纯学成分 它对焊缝金属抗结晶裂纹性的影g 惫是最大蛉，因为化学成 份决定了晶间层的性质，脆性温度敬意的大小。焊缝金属中所 d 0 北京变通大学工程硕士专业学位论文 有元素右分为三类：第类是有害的；第二类是在某魑浓度滟 围内与其他某些元索配台时是有益的，在另一浓度范阑内与另 羚一整元素耀囊己则是有害魄；第三类是没有影嚷的。控制专孝瓣 成份，通过焊接冶金过程调节焊缝金属成份，例如选用去硫、 磷能力强的低氢型焊条，可提高焊缝的抗裂性熊。 c 焊接熔池的彩状 烽接方法察蕊藏的交化弓 莛辫接熔洮形状懿改变，这又导 致柱状晶成长方向的改变。焊缝的浓窄和宽浅，在某个限度之 内，随着形状系数的增加，焊缝金属中的临界含碳量也增加。 这个规律对于其他元素也魑存在的。在对接多艨焊的第一层焊 缝，或者是开渡口瓣角滓缝，霞要求焊透，熔深较大，焊缝成 形不刹于防止结晶裂纹，经常会在这些烬缝上发现结妫裂纹。 改变焊缝形状是提离焊缝抗裂性常用的工艺方法之一。 d 一次结晶的形态 可以通过纲纯一次结晶晶粒，控崩柱状晶组织酶发震，形 成等轴晶粒和打乱龋粒长大盼方向来馊焊缝金属抗热裂性彳嚣 到明显改善。常加入一些能细化晶粒的合金元索，如钛、钼、 钒、锶、铝和稀土元素等，它们会产生滩熔的氧化物、碳化物 帮氮化物，在熔漶中形成许多j 自发结鑫核心来达到上述目 e 冉 北京交通火学工程硬：b 专业学位论文 的。采用机械振动、电磁振动以及超声振动也可破坏正在成长 着的柱状晶 北东变通大学工程硕士专业学位论文 4 2 2 再热裂纹的控制 在钢种及结构结构型式一定的条件下，为防止再热裂纹， 一般主要考虑两个方面： 改善过热粗晶区靛塑性。 减少爆接残余应力，特别趋要减少应力集中。 主要有以下几方面的措施： a 预热及焊接后热处理 预热能降低缛接残余波力翻减少过热区髂硬化，疑防止稃 热裂纹的有效措施之一。预热湿度因铡瓣不同嚣有所不月，如 在斜y 型坡阴拘束试验的条件下，1 8 m n m o n b 钢的预热温度应为 2 3 0 ，而1 4 m n m o n b b 钢则为3 0 0 ，一般说来，提高预热温度， 再热裂纹倾向将稠援减小，大约在2 4 5 0 范围肉效果好。 热戆在焊恁及时在不太赢的溢咬下避行后热，也霹产生类 似预热的效果，并可降低一些预热的温度。例如1 8 m n m o n b 焊 后1 8 0 后热处理二小时，预热温度可降到1 8 0 ；1 4 m n m o n b b 在2 酌君热处理二小时，预热温度可降到1 8 0 。 b 焊接线缝量鲍控刳 焊接线能量的影响比较复杂，与钢种成分、热影响区组织 状态、残余应力等都有关系，尚未能认清其规律。例如对于 s ， 北京交通大学工程硕