高强钢30CrMnSi焊接工艺的研究(焊接论文正文)

1、南华大学机械工程学院毕业设计（论文）某型飞机零件高强钢30crmnsi焊接工艺的研究摘 要：30crmnsi低合金高强钢以其优异的强度特点，在航空领域广泛地用来制造机翼接头、起落架、发动机架、压气机叶片和压气机盘等重要零部件，本课题研究的是某型飞机零部件高强钢30crmnsi的焊接工艺研究。现代航空飞行工具结构十分复杂，随着飞行速度的增加和保证飞行的安全，要求航空飞行工具所用材料强度高、刚性大、质量轻、耐腐蚀能力强，因此制造工艺随之复杂化。通常飞机的零部件的连接方式主要包括焊接、机械连接和胶接这三种连接方式，而焊接工作量又居三大连接技术之首。一架先进的飞机有数百米焊缝和上万个焊点，但焊接作为重

2、要的连接方式又存在着许多危险与不足，如果重要的工作焊缝失效，将产生灾难性的后果。因此对飞机重要零部件所用的30crmnsi钢焊接工艺的研究是有用和十分必要的。对其焊接工艺的研究，有助于采取优化的焊接方法及焊接措施，从而提高焊接质量及生产效率。针对飞机零件的用途及其使用性能的要求和使用的材料选取合适的焊接方法、焊接材料、焊前预热和焊后热处理的措施以及防止氢致冷裂纹的措施。从而达到尽量减小焊缝脆化、热影响区的软化、冷裂纹和热裂纹的倾向及热影响区的结晶偏析所引起的热裂纹的倾向。从而提高焊接接头承受静载荷和冲击载荷的能力，保证飞机的正常飞行安全。本课题选用钨极氩弧焊焊接方法焊接2mm厚的30crmns

3、i钢板，主要研究实验方法为金相分析实验和显微硬度测试，用以研究焊缝成分及焊接热影响。关键词：30crmnsi；钨极氩弧焊；焊接缺陷；晶相分析the research on the welding process of the high-strength steel 30crmnsi in a certain type of airplanes parts absract: the low-alloy and high-strength steel 30crmnsi,is widely used in aviation to make some important parts of the ai

4、rplane(such as the wing joint、the landing gear、the launched frame、the blade of compressor and the roulette of compressor etc.)。the research of welding technology of the high-strength steel 30crmnsi in a certain type of airplanes parts is made in this paper。considering the complex of flight tools str

5、ucture in modern aviation and the increase of air speed and the flight safety，the materials of flight tools are asked to be high strength、big rigidity、light quality and nice in corrosion resistance。so the process of manufacture is becoming more and more complex。usually the connections of the parts o

6、f plane mainly include three ways。they are welding、mechanical connection and cementing。however the workload of welding is the biggest among the three ways。an advanced plane usually have hundreds of meters of weld and tens of solder joint。but welding，an important way of connection，still has many dang

7、erous and shortcoming，which will produce disastrous consequences if the weld were failure。so the research on the welding process of the high-strength steel 30crmnsi is very useful and necessary。the research on welding process can increase the quality of welding and the efficiency of production by ma

8、king contribution to the choice of welding method and welding measures。 according to the use of aircraft parts 、 the requirements of the use of performance and the use of materials，we can choose proper method and materials of welding and proper measures of the preheating before welding、heat treatmen

9、t after welding and the prevention of hydrogen cooling crack。thus，the embrittlement of weld、the softening of heat affected zone、the tendency of cold crack and hot crack as so as the tendency of the hot crack which caused by the segregation of heat affected zone can be minimized as far as possible。so

10、 the ability of welding joint to bear static load and impact load is improved，which can ensure the safety of flight。argon tungsten arc welding is used to weld the 2 mm-30crmnsi steel plate in this paper。the experiment of metallographic analysis and the hardness testing in micro，which are used to stu

11、dy the composition of welding and the heat affected of welding，are acked as the mainly experimental method in this topic。key words: 30crmnsi；gas tungsten arc welding；weld defects；phase analysis目 录1 绪论11.1 研究目的及意义11.2 国内外研究历史与现状21.3 合金结构钢的概念及合金元素在结构钢中的作用31.4 30crmnsi常用焊接方法52 30crmnsia钢的成分、基本性能132.1 3

12、0crmnsia化学成分132.2 30crmnsia力学性能143.30crmnsia钢的焊接性工艺设计153.1 30crmnsia钢的焊接性分析153.2 焊接式样的焊接工艺分析264 焊接工艺试验及分析404.1 钨极氩弧焊的焊接设备404.2焊接晶相实验试件制备434.3 金相分析454.4 显微硬度测试485 总结50参考文献52谢 辞54v30crmnsi用于制造飞机重要锻件，机械加工件和焊接件，如起落架，飞机挂架，螺栓，缘条，天窗盖，冷气瓶等；也有制造涡轮喷气发动机压气机转子的叶片盘和中框匣导向叶片；调质后该材料做砂轮轴，齿轮，链轮都可以。30crmnsi具有良好的加工性，加工

13、变形微小，抗疲劳性能相当好，其调质后有很高的强度和足够的韧性，淬透性也好。30crmnsi属中碳调质钢，强度高，焊接性能较差。焊接时容易出现一些较为严重的焊接缺陷，因此作为重要的航空材料对其的焊接工艺的研究是十分必要的。1 绪论1.1 研究目的及意义本课题研究的是某型飞机零部件高强钢30crmnsi的焊接工艺研究，现代航空飞行工具结构十分复杂，随着飞行速度的增加和保证飞行的安全，要求航空飞行工具所用材料强度高、刚性大、质量轻、耐腐蚀能力强。因此制造工艺随之复杂化，通常飞机的零部件的连接方式主要包括焊接、机械连接和胶接这三种连接方式，而焊接工作量又居三大连接技术之首，约占75。一架先进的飞机有数

14、百米焊缝和上万个焊点；一台高推重比的发动机，焊缝长达320m，焊点近8000个，钎焊面积近200021。但焊接作为重要的连接方式又存在着许多危险与不足，如果重要的工作焊缝失效，将产生灾难性的后果。因此对飞机重要零部件所用的30crmnsi钢焊接工艺的研究是十分必要地，通过对其焊接工艺的研究，有助于采取优化的焊接方法及焊接时采取的措施，从而提高焊接质量及生产效率。30crmnsia钢的化学成分（%）为:c 0.28-0.35,si 0.90-1.20,mn 0.80-1.10，cr 0.80-1.10，ni 0.30，s 0.030，p 0.035。按国际焊接学会推荐的碳当量计算公式2：ce(i

15、iw)=c+mn/6+cr/5+v/5+mo/5+ni/15+cu/15=0.73%，从碳当量值可以看出30crmnsia属高淬硬倾向的钢, 焊接性较差。中碳调质钢的冷裂倾向严重并不完全在于淬透性上,而主要在于马氏体的类型和性能上。30crmnsia钢焊后得到的组织为高碳马氏体, 而高碳马氏体由于入ms点（马氏体开始转变点）较低, 在低温下形成的马氏体一般难以产生像低碳马氏体的那称“自回火”效应，而且由于马氏体中含碳量很高, 有很大的过饱和度, 所以对冷裂的倾向性则较为严重因而焊接时需要采用复杂的工艺措施才能防止冷裂纹的产生也就是说对焊接材料的选择, 焊前预热温度及层间温度的要求, 焊接线能量

16、, 后热等都要严格规定3。因此对飞机挂架焊接工艺的研究是十分有必要、也是十分有意义的。针对飞机零件的用途及对使用性能的要求，根据使用材料选取合适的焊接方法及热输入、焊接材料、焊前预热焊后热处理的措施及防止氢致冷裂纹的其他措施。以达到尽量减小焊缝脆化、热影响区的软化、冷裂纹和热裂纹的倾向及热影响区的结晶偏析所引起的热裂纹的倾向。从而提高焊接接头承受静载荷和较大的冲击载荷的能力，同时满足具减小较高的周期疲劳性能、断裂韧性以及减小裂纹扩展速率、应力腐蚀、氢脆等各种焊接危害，保证飞机的正常飞行安全。现在飞机结构十分复杂，随着飞行速度的增加和保证飞行安全，要求飞机结构中的焊接接头能够承受静载荷和较大的冲

17、击载荷，同时要求有较高的周期疲劳性能、断裂韧性以及对裂纹扩展速率、应力腐蚀、氢脆等作出评价。现今飞机重要结构通常采用先进的气体保护焊、脉冲氩弧焊、等离子弧焊以及埋弧焊等焊接方法。1.2 国内外研究历史与现状30crmnsi是一种典型的cr-mn-si系统的中碳调质钢，因为它不含贵重的ni，在中国得到较为广泛的应用。这种钢退火状态下的组织是铁素体和珠光体，调质状态下的组织是回火索氏体。cr-mn-si钢具有回火脆性的缺点，在300450出现第一类回火脆性，因此回火时必须避开该温度范围。这类钢还有第二类回火脆性，因此高温回火时必须采取快冷的办法，否则冲击韧性会显著降低。国内有关于30crmnsi薄

18、壁容器双面成形的钨极氩弧焊焊接工艺研究，有针对中碳调质钢焊接热影响区脆化研究，该研究综述中碳调质钢焊接热影响区的分布，脆化类型及机理，总结分析粗晶区和再热粗晶区的脆化原因及防止措施，并指出中碳调质钢焊接热影响区研究的重点。也有针对如何从消除和降低焊接残余应力的影响的角度分析确保焊接构件质量的途径并进而确定构件的焊接工艺的有关30crmnsi焊接残余应力的分析研究，总之，有很多关于30crmnsi的各种性能的研究，且研究基本都是围绕着焊接冷裂纹、氢脆等问题展开，因此可以看出30crmnsi在焊接件中焊接冷裂纹、氢脆是其较常见且不是很容易解决的主要问题。航空工程中的一些主要构件通常采用先进的气体保

19、护焊、脉冲氩弧焊、等离子弧焊以及埋弧焊等焊接方法。同时，为了提高焊接过程中的机械化和自动化程度，对常规的焊接设备实行了微型计算机自动程序控制，对焊接工艺条件和规范参数进行微型计算机监控，以稳定航空工程结构的焊接质量。近年来，一系列焊接新工艺的不断出现，为航空飞行器新型号、新结构的发展发挥了推动作用。例如，把扩散焊工艺与塑性成形工艺相结合制造出形状复杂的飞机构件；采用电子束焊接方法成功地焊接了新型发动机压气机整体转子部分；采用激光焊接法拼焊了厚度仅为0.03，孔格为0.8的小格蜂窝芯。此外，采用低应力无变形焊接方法和相应的焊接装置焊接薄壁结构件，获得了焊后无明显变形的理想效果。采用扩散焊方法也实

20、现了新型航空飞行器结构气膜冷却层板结构的制造。1.3 合金结构钢的概念及合金元素在结构钢中的作用1.合金结构钢的概念合金结构钢是用作机械零件和各种工程构件并含有一种或数种一定量的合金元素的钢。这类钢由于具有合适的淬透性，经适宜的金属热处理后，显微组织为均匀的索氏体、贝氏体或极细的珠光体，因而具有较高的抗拉强度和屈强比（一般在0.85左右），较高的韧性和疲劳强度，和较低的韧性脆性转变温度，可用于制造截面尺寸较大的机器零件。合金元素在结构钢中的作用主要有三个方面：增大钢的淬透性。淬透性是指钢淬火时，从表层起淬成马氏体层的深度，是取得良好综合性能的主要参数。除co外，几乎所有合金元素如 mn、mo、

21、cr、ni、si和c、n、b等都能提高钢的淬透性，其中 mn、mo、cr、b的作用最强，其次是ni、si、cu。而强碳化物形成元素如 v、ti、nb等，只有溶于奥氏体中时才能增大钢的淬透性。影响钢的回火过程。由于合金元素在回火时能阻碍钢中各种原子的扩散，因而在同样温度下和碳素钢相比，一般均起到延迟马氏体的分解和碳化物的聚集长大作用，从而提高钢的回火稳定性,即提高钢的抗回火软化能力,v、w、ti、cr、mo、si的作用比较显著，al、mn、ni的作用不明显。含有较高含量的碳化物形成元素如v、w、mo等的钢，在500600回火时，析出细小弥散的特殊碳化物质点如v4c3、mo2c、w2c等,代替部分

22、较粗大的合金渗碳体,使钢的强度不再下降反而升高,即出现二次硬化（见回火）。mo对钢的回火脆性有阻止或减弱的作用。影响钢的强化和韧化。ni以固溶强化方式强化铁素体；mo、v、nb等碳化物形成元素,既以弥散硬化方式又以固溶强化方式提高钢的屈服强度；碳的强化作用最显著。此外，加入这些合金元素，一般都细化奥氏体晶粒，增加晶界的强化作用。影响钢的韧性因素比较复杂，ni改善钢的韧性；mn易使奥氏体晶粒粗化，对回火脆性敏感；降低p、s含量，提高钢的纯净度，对改善钢的韧性有重要作用（见金属的强化）。合金结构钢一般分为调质结构钢和表面硬化结构钢。调质结构钢 这类钢的含碳量一般约为0.250.55，对于既定截面尺

23、寸的结构件，在调质处理（淬火加回火）时，如果沿截面淬透，则力学性能良好，如果淬不透，显微组织中出现有自由铁素体，则韧性下降。对具有回火脆性倾向的钢如锰钢、铬钢、镍铬钢等，回火后应快冷。这类钢的淬火临界直径，随晶粒度和合金元素含量的增加而增大，例如，40cr和35simn钢约为3040mm，而40crnimo和30crni2mov钢则约为 60100mm，常用于制造承受较大载荷的轴、连杆等结构件。表面硬化结构钢 用以制造表层坚硬耐磨而心部柔韧的零部件,如齿轮、轴等。为使零件心部韧性高,钢中含碳量应低，一般在0.120.25，同时还有适量的合金元素，以保证适宜的淬透性。氮化钢还需加入易形成氮化物的

24、合金元素（如al、cr、mo等）。渗碳或碳氮共渗钢，经850950渗碳或碳氮共渗后，淬火并在低温回火(约200)状态下使用。氮化钢经氮化处理(480580)，直接使用，不再经淬火与回火处理。2.生产工艺根据钢种和钢的质量要求，合金结构钢的冶炼，可采用氧气顶吹转炉、平炉、电弧炉；或再加电渣重熔、真空除气。铸锭可采用连铸或模铸。钢锭应缓慢冷却或热送锻造、轧制。钢锭加热时，应力求温度均匀并有足够的保温时间，以改善偏析缺陷和避免锻、轧时变形不均匀；锻、轧后的钢材，尺寸小的、特别是含碳0.2左右的渗碳钢,在600以上时应快速冷却,以免加重带状组织；截面较大的锻件，应采取措施消除内应力和白点。调质钢应尽可

25、能淬火成马氏体组织，然后回火成索氏体组织；渗碳钢在渗碳过程中，渗层浓度梯度不宜过大,以免在渗层晶界上出现连续网状碳化物;氮化钢必需先经热处理得到所需的性能，再经最后精加工才能进行氮化。氮化处理后除将脆薄的“白层”研磨除去外，不再加工。3.合金结构钢的分类及应用合金结构钢可分为普通合金结构钢和特殊用途合金结构钢。前者包括低合金高强度钢、低温用钢、超高强度钢、渗碳钢、调质钢和非调质钢；后者包括弹簧钢、滚珠轴承钢、易切削钢、冷冲压钢等。要求具有较高的屈服强度、抗拉强度和疲劳强度，还有足够的塑性和韧性。一般采用电弧炉和氧气顶吹转炉冶炼，要求高的采用炉外精炼、电渣重熔或真空处理、真空感应炉冶炼或双真空冶

26、炼、合适的热处理。这类钢的合金元素含量都相当高，主要有耐蚀钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢以及具有其他特殊物理和化学性能的特殊钢。合金结构钢广泛用于船舶、车辆、飞机、导弹、兵器、铁路、桥梁、压力容器、机床等结构上。合金结构钢比碳素钢具有更好的力学性能，特别是热处理性能优良。其牌号通常是以“数字元素符号数字”的方法来表示。牌号中起首的两位数字表示钢的平均含碳量的万分数，元素符号及其后的数字表示所含合金元素及其平均含量的百分数。若合金元素含量小于1.5%，则不标其含量。高级优质钢在牌号尾部增加符号“a”例如，16mn a、20cr a、40mn2 a、30crmnsi a、38crmoala等。1.4 3

27、0crmnsi常用焊接方法焊接作为一种实现材料永久性连接的方法，被广泛地应用于机械制造、石油化工、桥梁、船舶、建筑、动力工程、交通车辆、航空、航天等各个工业部门，已成为现代机械制造工业中不可缺少的加工工艺方法。焊接方法发展到今天，其数量已不下几十种。如果按照族系法分类，它是按照焊接工艺特征来进行分类，即按照焊接过程中母材是否熔化以及对母材是否施加压力进行分类4。可以把焊接方法分为熔焊、圧焊和钎焊三大类，在每一大类方法中又分成若干小类，本设计中应用的焊接方法属于熔焊。熔焊是在不施加压力的情况下，将待焊处的母材熔化以形成焊缝的焊接方法。焊接时母材熔化而不施加压力是其基本特征。根据焊接热源的不同，熔

28、焊方法又可分为：以电弧作为主要热源的电弧焊，包括焊条电弧焊、埋弧焊、钨极惰性气体保护焊、熔化极氩弧焊、co2气体保护焊、等离子弧焊等；以化学热作为热源的气焊；以熔渣电阻热作为热源的电渣焊；以高能束作为热源的电子束焊和激光焊等。下面对几种常用的熔焊及高能束焊焊接方法进行简单的介绍。1.4.1 钨极氩弧焊钨极氩弧焊是使用纯钨或活化钨（如钍钨、铈钨等）作为非熔化极，采用氩气作为保护气体的电弧焊方法，简称为tig焊，是一种在非消耗性电极和被焊接件之间产生热量的电弧焊接方式；钨极被夹持在电极上，从焊枪的喷嘴中伸出一定长度。在伸出的钨极端部与焊接件之间产生电弧，对焊接件进行加热。与此同时，惰性气体氩气进入

29、枪体，从钨极的周围通过喷嘴喷向焊接区，以保护钨极、电弧及熔池，使其免受大气的侵害。为了能使钨极氩弧焊得到高品质的焊缝，焊前必须严格的对将要焊接的焊件除油、去锈、去水。如果使用熔填金属也必须清洁干净。钨极氩弧焊的优点是：由于电弧在惰性气氛中极为稳定，氩气对电弧及熔池的保护很可靠，能有效的排除氧、氮、氢等气体对焊接金属的侵害，能够实现高品质焊接，得到优良焊缝；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，使焊缝美观、平滑、均匀；焊接时焊接电流范围通常为5500a，即使电流小于10a，仍能正常焊接，因此特别适合于薄板焊接；焊接时焊丝不通过电流，所以不会因熔滴过

30、渡引起电弧电压和电流变化而产生的飞溅现象；可以焊接各种金属材料，如钢、铝、钛、镁等；可靠性高，可以用于核电站及航空、航天工业。缺点是：氩气没有脱氧和去氢作用，所以焊前对焊件的除油、去锈、去水等工作要求严格，否则易产生气孔，影响焊缝质量；焊接电流过大时钨极有少量的熔化蒸发，易造成焊缝的夹钨；由于钨极的电流承载能力有限，且电弧易扩展而不集中，所以焊接功率密度小，致使焊缝熔深浅，熔敷速度小，焊接速度不高和生产效率低；由于生产效率不高和氩气较贵，使其生产成本较高。钨极氩弧焊通常被用于焊接厚度为6mm以下的焊件。如果采用脉冲钨极氩弧焊，焊接厚度可以降到0.8mm以下。对于大厚度的重要构件（如压力容器、管

31、道），其一般只用于打底焊，即在坡口根部先用钨极氩弧焊焊接第一层，然后再用其他焊接方法焊满整个焊缝，这样可以确保底层焊缝的质量。图1.1 钨极氩弧焊原理图 图1.2 钨极氩弧焊示意图 图1.3 钨极氩弧焊焊接30crmnsia试件1.4.2 熔化极氩弧焊熔化极氩弧焊（metal argon arc welding）：是使用焊丝作为熔化电极，采用氩气或富氩混合气作为保护气体的电弧焊方法。当保护气体是惰性气体ar或ar+he时，通常称作熔化极惰性气体保护电弧焊，简称mig焊；当保护气体以ar为主，加入少量活性气体如o2或co2，或co2+o2等时，通常称作熔化极活性气体保护电弧焊，简称mag焊。由于

32、mag焊电弧也呈氩弧特征，因此也归入熔化极氩弧焊。焊接时，氩气或富氩混合气体从焊枪嘴中喷出，保护焊接电弧及焊接区；焊丝通过丝轮向待焊处送进，导电嘴导电，在母材与焊丝之间产生电弧，使焊丝被电弧加热熔化形成熔滴过渡到熔池中。冷却时，由焊丝和母材金属共同组成的熔池凝固结晶，形成焊缝。它和钨极氩弧焊的区别：一个是焊丝作电极，并被不断熔化填入熔池，冷凝后形成焊缝；另一个是采用保护气体，随着熔化极氩弧焊的技术应用，保护气体已由单一的氩气发展出多种混合气体的广泛应用，如ar 80co2 20的富氩保护气。通常前者称为mig，后者称为mag。从其操作方式看，目前应用最广的是半自动熔化极氩弧焊和富氩混合气保护焊

33、，其次是自动熔化极氩弧焊。熔化极氩弧焊的主要优点是：与tig焊相比，由于其采用焊丝作电极，焊丝和电弧的电流密度大，焊丝熔化速度快，熔敷效率高，母材熔深大，焊接变形小，焊接生产效率高。缺点是：其对工件、焊丝的焊前清理要求较高，即焊接过程对油、锈等污染比较敏感。图1.4 熔化极氩弧焊原理1.4.3 电子束焊电子束焊接：因为其具有不使用焊条、工艺重复性好、不易氧化及热变形量小的优点而广泛应用于航空航天、原子能、国防及军工、汽车和电气电工仪表等众多行业。电子束焊接的工作原理是电子枪中的阴极通过加热而发射电子，该电子在高压静电场的加速下再通过磁透镜的聚焦就可以形成能量密度极高的电子束，用此电子束去轰击待

34、焊的焊缝区域，巨大的动能转化为焊缝处的热能，使焊接处工件熔化，形成熔池，从而完成对工件的焊接。 根据电子束焊接的基本原理，西方国家在70年代末期研究开发出双金属锯带电子束焊接新工艺生产线，代替传统的普通高速钢锯带生产工艺，从而大量节省了高速钢，并提高了锯带的使用寿命。双金属锯带就是把具有弹性性能好的弹簧钢和切削能力强的高速钢通过电子束焊接方法而获得的一种新型锯带。我国在80年代后期相继从德国引进若干条生产线以满足国内市场高速发展的需要，但还不能完全满足其市场要求。由于电子束焊接包含了机械、真空、高电压和电磁场理论、电子光学、自动控制和计算机等多学科技术，对国内一般厂商来说技术难度较大，而引进费

35、用又昂贵，为此桂林电气科学研究所结合国外技术及多年从事电子束技术研究开发经验，研制成功了我国第一条国产双金属锯带生产线设备。其中高压电源是双金属锯带焊接设备的关键技术之一，它主要为电子枪提供加速电压，其性能好坏直接决定电子束焊接工艺和焊接质量。为此许多电子束焊机制造商及研究机构均对高压电源的可靠性、高压保护、高压打火对焊件的影响进行了研究，并相应制造出具有较高性能的高压电源，以满足不同的电子束焊机的需要。由于双金属焊接要求平行焊缝，要用高压电子束焊机(100kv以上)焊接双金属锯带。目前我国还不能生产高压电子束焊机，为此开展高压电源的开发和研究工作是非常必要的。电子束焊的优点主要是：焊接功率密

36、度大、加热集中热效率高及焊接接头需要的热输入量小；焊缝深宽比大；熔池周围气氛纯度高，几乎不存在焊缝金属的污染问题；参数调节范围广、适应性强。缺点主要是：焊接效率低，焊接成本很高；焊缝的形式必需为直线且焊件的尺寸也受到焊接真空室大小的限制。图1.5 电子束焊的工作原理图图1.6 电子束焊接30crmnsia试件1.4.4 激光焊激光焊：属于熔融焊接方式，以激光束为能源，冲击在焊件接头上。激光束可由平面光学元件（如镜子）导引，随后再以反射聚焦元件或镜片将光束投射在待焊处。激光焊接属非接触式焊接，作业过程不需加压，但需使用惰性气体以防熔池氧化。激光焊可以与mig焊组成激光mig复合焊，实现大熔深焊接

37、，同时热输入量比mig焊大为减小。激光焊接的主要优点：1） 可将热输入量降到最低的需要量，热影响区金相变化范围小，且因热传导所导致的变形亦最低；2） 不需使用电极，没有电极污染或受损的顾虑。且因不属于接触式焊接制程，机具的耗损及变形接可降至最低；3） 激光束易于聚焦、对准及受光学仪器所导引，可放置在离工件适当之距离，且可在工件周围的机具或障碍间再导引，其他焊接法则因受到上述的空间限制而无法发挥；4） 工件可放置在封闭的空间（经抽真空或内部气体环境在控制下）；5） 激光束可聚焦在很小的区域，可焊接小型且间隔相近的部件；6） 可焊材质种类范围大，亦可相互接合各种异质材料；7） 易于以自动化进行高速

38、焊接，亦可以数位或电脑控制；8） 焊接薄材或细径线材时，不会像电弧焊接般易有回熔的困扰；9） 不受磁场所影响（电弧焊接及电子束焊接则容易），能精确的对准焊件；10） 可焊接不同物性（如不同电阻）的两种金属；11） 不需真空，亦不需做x射线防护；12） 焊道深一宽比可达10:1；13） 可以切换装置将激光束传送至多个工作站。图1.7 激光焊原理图图1.8 激光焊切割30crmnsia试件1.4.5 本文主要研究内容及预期目标针对飞机零件的用途及对使用性能的要求，根据使用材料选取合适的焊接方法及热输入、焊接材料、焊前预热及焊后热处理的措施。以达到尽量减小焊缝脆化、热影响区的软化、冷裂纹和热裂纹的倾

39、向及热影响区的结晶偏析所引起的热裂纹的倾向。从而提高焊接接头承受静载荷和较大的冲击载荷的能力，同时满足具减小较高的周期疲劳性能、断裂韧性以及减小裂纹扩展速率、应力腐蚀、氢脆等各种焊接危害，保证飞机的正常飞行安全。具体研究方法及路线包括：(1)通过去工厂了解实际产品及其所采取的焊接方法、焊接工艺及所采取的焊接措施；(2)对焊接结构进行设计及合理性分析；(3)对焊接方法、焊接材料及焊接措施进行分析以及与其他的焊接方法进行对比并最终确定合适的焊接方法、焊接材料及焊接措施；(4)进行焊接实验，并对试件进行性能检验和金相分析；(5)对焊缝的质量以及对热影响区进行分析并采取相应的焊后处理措施。2 30cr

40、mnsia钢的成分、基本性能 2.1 30crmnsia化学成分30crmnsia钢的强度高,但属中碳调质钢,具有较大的淬透性,因此焊接性能较差。该材料调质后有很高的强度和足够的韧性，淬透性也较好。下表为30crmnsia钢的化学成分表5：表2.1 30crmnsia化学成分化学成分（重量百分比）牌 号30crmnsia碳(c)0.280.35锰(mn)0.801.10镍(ni)允许残余含量0.030硅(si)0.901.20磷(p)允许残余含量0.025硫(s)允许残余含量0.025铬(cr)0.801.10铜(cu)允许残余含量0.0252.2 30crmnsia力学性能表2.2 30cr

41、mnsia力学性能力 学 性 能牌 号30crmnsia热处理范围870890 油淬510550 回火870890 油淬200260 回火抗拉强度b (mpa)1078(110)1568（160）屈服强度s (mpa)835(85)伸长率5 ()105断面收缩率 ()45冲击韧性kv (j/cm2)49(5)25（2.5）硬度 hbw346363444试样毛坯尺寸为 mm25这种钢大都是在淬火+回火调质状态下使用。淬火后得到马氏体组织，经过不同温度的回火，得到回火索氏体或回火马氏体。与低碳调质的差别是，后者含碳量提高，马氏体的形态由板条状转变为片状，属于硬脆组织。合金调质钢的最终性能决定于回火

42、温度。一般采用500-650回火。通过选择恰当的回火温度，可以获得所要求的性能。为防止第二类回火脆性，回火后需要快冷（水冷或油冷），有利于韧性的提高。30crmnsia钢的纯度对焊接性有极明显的影响，特别是钢中硫、磷的含量的影响。钢材中硫会增加焊缝金属的结晶裂纹敏感性；而磷使金属的塑性与韧性降低，导致焊缝和热影响区金属的冷裂纹敏感性增大。即使钢中硫和磷的质量分数均为0.02左右时仍有焊接裂纹敏感性，因此要求对硫、磷严加控制。对于调质后s可达到1400mpa的钢，要求s、p均不大于0.015，为此要求母材与填充金属均需采用真空熔炼的工艺方法生产。3.30crmnsia钢的焊接性工艺设计3.1 3

43、0crmnsia钢的焊接性分析3.1.1 焊接性概念焊接性是指同质材料或异质材料在制造工艺条件下，能够焊接形成完整接头并满足预期使用要求的能力。换句话说，焊接性是材料对焊接的适应性，指材料在一定的焊接工艺条件下（包括焊接方法、焊接材料、焊接参数和结构形式等），获得优质焊接接头的难易程度和该焊接接头能否在使用条件下可靠运行。材料焊接性的概念有两个方面的含义：一是材料在焊接加工中是否容易形成接头或产生缺陷；二是焊接完成的接头在一定的使用条件下可靠运行的能力。也就是说，焊接性不仅包括结合性能，而且包括结合后的使用性能。分析和研究焊接性的目的，在于查明一定的材料在指定的焊接工艺条件下可能出现的问题，以

44、确定焊接工艺的合理性或材料的改进方向。因此，必须对整个焊接过程中的材料（母材、焊材）和焊接接头区（焊缝、熔合区和热影响区）的成分、组织和性能，包括工艺参数的影响和焊后接头区的使用性能等，进行系统的研究。焊接性可分为可分为工艺焊接性和使用焊接性6。（如表3.1）从焊接性慨念可知，虽然焊接性主要是材料本身所固有的性能，但工艺条件也起着重要的影响，所以分析焊接性不能完全脱离工艺条件。影响焊接性的四大因素是材料因素、设计因素、工艺因素及服役环境。表3.1 可焊性的分类可 焊 性含 义典型的试验方法工艺可焊性在一定的焊接工艺条件下，能否获得优质致密、无缺陷和具有一定使用性能的焊接接头的能力。焊接区最高硬

45、度试验，焊接裂纹试验使用可焊性焊接接头或整体焊接结构满足及时条件规定的各种性能的程度，包括常规的力学性能（强度、塑性、韧性等）或特定工作条件下的使用性能，如低温韧性、断裂韧性、高温蠕变强度、持久强度、疲劳性能以及耐蚀性、耐磨性等。焊道弯曲试验缺口韧性试验（却贝冲击试验），焊道接头拉伸试验（1）材料因素 所谓材料不仅仅是被焊母材本身，还包括所使用的焊接材料，如焊丝、焊条、焊剂、保护气体等。母材和焊材在焊接过程中直接参与熔池或熔合区的冶金反应，对焊接性和焊接质量有重要影响。其中，母材本身的材质对热影响区的性能起着决定性的影响。采用的焊接材料对焊缝金属的成分和性能是关键因素。如果焊接材料与母材匹配不

46、当，则可能引起焊接区内的裂纹、气孔等各种缺陷，也可能引起脆化、软化或耐腐蚀等性能变化。因此，正确选用母材和焊接材料是保证焊接良好的重要因素。（2）设计因素 焊接接头的结构设计影响其应力状态，从而对焊接性产生影响。设计结构时应使接头处的应力处于较小的状态，能够自由收缩，这样有利于应力集中和防止焊接裂纹。接头处的缺口、截面突变、堆高过大、交叉焊缝等都容易引起应力集中，要尽量避免。不必要的增大母材厚度或焊缝体积，会产生多向应力，也应避免。（3）工艺因素 对于同一种母材，采用不同的焊接方法和工艺措施，所表现出来的有很大差异。焊接方法对焊接性的影响主要可能在两个方面：首先表现在焊接热源能量密度、温度、以

47、及热输入上，它们可直接改变焊接热循环的各项参数，如线能量大小、高温停留时间、相变温度区间的冷却速度等。这些当然会影响接头的组织和性能，其次表现在对熔池和接头附近区域的保护方式上，如渣保护、气体保护、渣-气联合保护以及在真空中焊接等，这些都会影响焊接冶金过程。显然，焊接热过程和冶金过程必然对接头的质量和性能有着非常重要的影响。工艺措施对防止焊接缺陷，提高接头性能有重要的作用。最常采用的工艺措施是焊前预热、缓冷和焊后热处理，这些措施分别对防止热影响区淬硬脆、降低焊接残余应力、避免焊缝热裂纹或氢致冷裂纹等都是比较有效的。此外，严格烘干焊条、焊剂，清洗焊丝及坡口，合理安排焊接顺序，控制焊前冷作变形，保

48、证坡口形状尺寸及装配间隙等工艺措施，也都必须充分重视。（4）服役环境 焊接结构的服役环境多种多样，焊接结构必须符合使用条件下的要求。因而，使用条件是否严酷也必然影响工艺焊接性。焊接接头在高温下承载，必须考虑某些合金元素的扩散和整个结构发生蠕变的问题；承受冲击载荷或在低温下使用时，要考虑到脆性断裂的可能性；接头如需在腐蚀介质中工作或经受交变载荷作用时，又要考虑应力腐蚀或疲劳破坏的问题。总之，使用条件越是苛刻越是复杂，实际上就是对接头的质量提出了更高的要求，工艺焊接性也就越不容易保证。综上所述，焊接件与材料、设计、工艺及服役环境等因素都有密切的关系，所以不应脱离开这些因素而单纯从材料本身的性能来评

49、价焊接性。此外，从上述分析也可以看出，很难找到某一项技术指标可以概括材料的焊接性，只有通过综合多方面的因素，才能讨论出焊接件焊接性的问题。3.1.2 焊接性试验的内容及评定原则焊接性试验的内容包括：焊缝金属抵抗产生热裂纹的能力；焊缝及热影响区抵抗产生冷裂纹的能力；焊接接头抗脆性断裂的能力及焊接接头的使用性能。焊接评定方法分为：模拟类方法；实焊类方法及理论分析和计算类方法。评定焊接性的方法分间接法与直接法2。间接法：是以化学成分、裂纹敏感指数及临界应力、热模拟组织和性能、焊接连续冷却组织转变图（cct图）及焊接热影响区最高硬度来判断焊接性。这里只介绍最常用的碳当量法来进行间接评定。直接法：焊接冷

50、裂纹试验、焊接热裂纹试验、层状撕裂试验、再热裂纹试验、焊接气孔敏感性试验、热应变时效脆化试验等。碳当量法(calculation of carbon equivalents)是把钢材中包括碳在内的合金元素的含量对淬硬、冷裂和脆化的影响按相当于若干碳含量折算并叠加来计算，用以进行分析材料焊接性的间接试验方法。碳当量数值越高，则钢材的冷裂敏感性与淬硬倾向越大，焊接性越差。常用合金结构钢碳当量计算公式如下表：表3.2 常用合金结构钢碳当量公式序号碳当量公式适用钢种1国际焊接学会（iiw）推荐：含碳量较高（wc0.18%）、强度级别中等（b=500100mpa）的非调制低合金高强钢2日本jis标准规定

51、：低合金高强钢（b=5001000mpa），化学成分wc0.20%、wsi0.55%、wmn1.5%、wcu0.5%、wni2.5%、wcr1.25%、wv0.1%、wb0.006%3美国焊接学会（aws）推荐：碳钢和低合金高强钢，化学成分：wc0.6%、wmn1.6%、wni3.3%、wmo0.6%、wcr1.0%、wcu0.5%1.0%、wp0.5%1.5%根据碳当量ce值经验估算:(1) ceo.4，钢材的焊接性良好，淬硬倾向不明显，一般不需要采取预热等措施，就可以获得较优良的焊缝。(2) ceo.4o.6，钢材的焊接性一般，此类钢材在焊接过程中淬硬倾向较为明显，通常采取焊前的适当预热、

52、控制线能量及焊后缓冷等工艺措施。(3) ceo.6，钢材的焊接性差。淬硬倾向明显，属于难焊的材料，需采取较高的焊前预热温度及严格的焊接工艺措施。3.1.3 30crmnsia钢的焊接性30crmnsia钢是一种典型的cr-mn-si系中碳调制钢，碳含量较高，也属于调制钢，热处理强化钢。它的淬硬性比低碳钢高的多，具有很高的硬度和强度，但韧性相对较低，给焊接带来很大的困难，这类钢常用于强度要求很高的产品或部件3。通过对30crmnsia钢的手工焊及自动焊与焊后不同的热处理方法之后的焊缝的强度、硬度及组织变化进行了比较分析得出30crmnsia钢采用18crmnsia焊丝的手工氩弧焊和自动氩弧焊均可

53、以得到满意的焊接接头,焊前经淬火和回火,焊后未热处理,手工氩弧焊的室温拉伸性能强度为893948mpa,自动氩弧焊焊后未热处理的室温拉伸强度在9481174mpa左右(断于热影响区);焊后热处理,在空气炉中淬火回火焊接接头的拉伸强度为815925mpa；在保护气体炉中淬火回火处理,接头和母材拉伸强度:接头为10811114mpa,母材为10761103mpa。目前，飞机上的钢制零件如发动机架，机身加强隔框、接头、支座、起落架以及一些重要的螺栓等大都用它制造。据统计，起用量约占飞机上的钢制零件的80%。在航天发动机上，30crmnsia钢也被大量应用，如压气机叶片、压气机盘。其在焊接中易出现的问

54、题主要有：1.焊缝中的热裂纹30crmnsia钢属于中碳调质钢，碳、硅含量比较高，焊缝凝固结晶时，固-液相温度区间较宽，容易出现结晶偏析，所以这种钢对结晶裂纹较敏感，热裂倾向较大，焊接后容易在弧坑及焊缝中凹下的部位开裂。为了防止这种结晶裂纹，在选用焊接材料时应尽量选用含碳量比母材低的焊材以及选用含硫磷等杂质少的填充金属。在选用焊接参数是要注意降低焊道的熔合比，操作时应注意填满弧坑以及保证良好的焊接成形。2.冷裂纹冷裂纹是焊接30crmnsia钢焊接时容易出现的缺陷，而延迟裂纹又是冷裂纹中最为常见的一种形态，因此，延迟裂纹的危害性就特别严重。在焊接实践和理论研究中已经证明：在焊接接头的含氢量及其

55、分布位置、钢的淬硬倾向、焊接接头所承受的拘束应力状态是焊接高强钢时产生冷裂纹的三个主要因素7。这三个因素在一定条件下是相互促进和联系的。（1）氢在焊接区的溶解与扩散。在焊接接头中氢的主要来源包括焊材中的水及焊接母材区域中的水、油污、铁锈以及大气中的水等。水、铁锈等在焊接电弧高温的热作用下分解成了氢原子而进入到焊接熔池中。且由于熔池体积较小、冷却快8，快速的由液态凝固形成焊缝，在焊接过程中产生的氢除了向大气中扩散的以外，残余的就留在焊缝中呈过饱和状态，即为焊缝中存在的扩散氢，在溶解度差的作用下扩散氢会自发地向周围的热影响区扩散。此种由浓度差引起的扩散的速度与温度有关，见图3-1。温度较高时，氢能

56、很快从焊接接头中扩散出去;温度低时，氢的扩散就会受到抑制，因此都不会产生焊接冷裂纹。只有在一定温度区间（约-100100）的氢的破坏作用才显著存在，又根据氢脆理论，当此种扩散氢向应变的集中区（如有微裂纹或缺口尖端附近）扩散时，使该区氢浓度达到某一临界值时，裂纹便能继续扩展9。如果同时有较大的应力的作用存在时，就会产生冷裂纹。对于焊缝中氢同应力的相互作用关系，经过分析可以这么理解：氢在焊缝中的扩散还受到了焊缝所受的应力状态的影响，氢有向三向拉应力区扩散的趋势。氢常在应力集中或是缺口等有塑性应变的部位产生局部大量聚集，使该处的氢最早的达到了临界含量，使该区域由大量氢所产生的高压致使产生大量的微裂纹

57、，这便是氢的应力诱导扩散的现象。当应力的梯度愈大时，氢的扩散驱动力也就愈大，应力对氢诱导扩散作用也便愈大。图3.1氢在钢中的溶解度与扩散系数随温度的变化（2）钢的淬硬倾向。钢材的淬硬倾向越大或者其马氏体淬硬组织数量越多就越容易产生冷裂纹，这是冷裂纹产生的主要组织因素。因为马氏体是碳在铁中的过饱合间隙固溶体，是一种硬脆组织，马氏体较多时发生断裂只需要消耗较低的能量。冷裂纹常常起源于热影响区的粗晶区，由于在该区域的晶粒粗大，显著降低了相变的温度，同时也使晶界上的偏析物增多，因而在该区域冷裂的倾向增大。并且在淬硬组织中存在着大量的晶格缺陷，如位错、空位等，当存在应力的作用时，这些缺陷就会发生滑移和聚集，当它们聚集达到了一定尺寸后，就可能形成微小裂纹源，并进一步扩展成宏观的冷裂纹。（3）接头所承受的拘束应力状态。焊接接头在约束条件下产生的焊接应力对焊接延时裂纹的产生与扩展起着主导的作用10。在形成焊接冷裂纹过程中接头所承受的拘束应力状态主要是有组织应力、热应力及拘束应力。1）组织应力：由于钢材组织发生局部相变而引起。高强钢奥氏体在分解时，析出的