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1、生产工艺技术与异种钢的焊接工艺设计1绪论在科学技术飞速发展的当今时代，焊接已经成功地完成了自身的蜕变。很少有人注意到这个过程何时开始，何时结束。但它确确实实地发生在过去的某个时段。我们今天面对着这样一个事实：焊接已经从一种传统的热加工技艺发展到了集材料、冶金、结构、力学、电子等多门类科学为一体的工程工艺学科。而且，随着相关学科技术的发展和进步，不断有新的知识融合在焊接之中。1.1焊接技术概述焊接是一种将材料永久性的连接，并成为具有给定功能结构的制造技术。几乎所有的产品，从几十万吨巨轮到不足克的微电子元件，在生产制造中都不同程度地应用到焊接技术。焊接已经渗透到制造业的各个领域，直接影响到产品的质
2、量、可靠性和寿命以及生产的成本、效率和市场反应速度。近年来，焊接已由一个单一的加工工艺发展成为有科学基础有广泛应用范围和前景的焊接工程和焊接产业，在这些产业中，焊接在其中占有重要地位，是决定其产品使用安全的关键。有些直接出焊接产品或在现场装焊接后投入使用，有些是作成主体结构然后在其上安装动力和机电设备后应用，有焊接结构的质量和安全保证在整体结构设计合理的情况下，主要决定与焊接联结部位的结构、材料匹配、工艺设计、先进的焊接制造工艺及设备和准确的无损检测技术，这些都决定了焊接联结部位的的内在和外观质量，形成了分布在各工业和基础设施建设部门各具特色的焊接结构行业，同时也形成了结构焊接需要的焊接设备行
3、业和焊接材料行业。这些行业是互相关联促进的行业。焊接结构已有日新月异的发展:在装备制造业结构中用焊接结构局部或全部代替铸件或锻件结构和由局部铸件或锻件焊接成组合结构是大重型结构发展的方向，可大大节约大型铸锻车间及其设备的基本建设投资和生产过程的能源消费，同时还可缩短生产周期;在各种建筑行业广泛采用钢质焊接结构代替钢筋混凝土结构，可达到大跨度、轻自重、工厂造、设计优、工程在建周期短、环境污染少，基础费用省，折除后材料可循环使用，因而符合目前绿色制造和资源循环利用建设节约型社会的大潮流。目前我国微电子及IT行业中的发展，高强有色金属、光钎、超导和复合材料及高分子材料的应用，都对焊接工艺、设备和材料
4、提出了很多新的要求，因而得到了相应发展。1.2现代焊接的特征1.2.1焊接已成为最流行的连接技术在当今工业社会，没有哪一种连接技术象焊接那样被如此广泛、如此普遍地应用在各个领域。而其中最主要的原因就是其极具竞争力的性价比。1.2.2焊接显现了极高的技术含量和附加值在人类社会步入二十一世纪的今天，焊接已经进入了一个崭新的发展阶段。当今世界的许多最新科研成果、前沿技术和高新技术，诸如：计算机、微电子、数字控制、信息处理、工业机器人、激光技术等，已经被广泛地应用于焊接领域，这使得焊接的技术含量得到了空前的提高，并在制造过程中创造了极高的附加值。1.2.3焊接已成为关键的制造技术焊接作为组装工艺之一，
5、通常被安排在制造流程的后期或最终阶段，因而对产品质量具有决定性作用。正因为如此，在许多行业中，焊接被视为一种关键的制造技术。1.3异种材料焊接的发展近年来，环保问题越来越受到世界各国的重视，汽车工业为了节约燃料保护环境，不断努力减轻汽车重量，因此对汽车用材料提出了更高的要求。增加铝材的使用量是其中的重要措施之一，所以在汽车工业生产中，采用“钢+铝”双金属焊接结构成为汽车轻量化的首选方案，这必然涉及到铝和钢两种材料之间的连接。从21世纪初开始，国内外许多研究机构和汽车生产厂家便一直在寻找一种有效的焊接方法来减轻汽车的重量。美国成立了“新一代汽车合作计划”，即PNGV。1994年以来，美国政府已为
6、此投入了15亿美元的研究开发资金，减轻整车重量是其中的一个核心目的。布什新政府在2002年则推出了一个自由车项目，该项目的长期目标是高教，价廉，无污染，汽车轻量化也是重要研究内容之一。汽车轻量化的要求必然涉及到铝钢之间的焊接。而铝钢之间的焊接一直是焊接领域的热点问题和难点问题，铝钢焊接的主要问题是两者之间的的固溶度较低、热物理性能差异较大，并且两者极易反应生成脆性的金属问化合物，这种脆性的金属间化合物极大地降低了焊接接头的力学性能。从20世纪60年代开始，许多学者便对铝钢之间的连接进行了详细的研究。铝钢之间的焊接几乎涉及到焊接领域的各种方法，大体上可将其分为压焊，钎焊和熔焊。文中分别阐述了以上
7、三种方法的研究现状与进展，并且论述了不同方法的优势与劣势，对今后铝钢焊接研究进行了展望。1.4异种材料焊接的方法异种材料焊接常用的方法分为压焊，钎焊和熔焊三大类1.4.1压焊压焊时基体金属通常并不熔化，焊接温度低于金属的熔点。有的也加热至熔化状态，然后加压将液态金属挤出，但仍以固相结合而形成接头。异种材料焊接常采用的压焊方法有电阻焊、冷压焊、扩散焊、摩擦焊等。1.4.2钎焊钎焊是采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点，低于母材熔化的温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散，实现连接焊件的一种焊接方法。钎焊的关键是如何获得一个优质接头。显然，这样的接头首
8、先要保证熔化的钎料能很好地流入并填满接头的间隙，其次是钎料与母材相互扩散而形成金属结合。随着钎焊技术的发展，钎焊的种类越来越多。按钎焊温度的高低，钎焊通常分为低温钎焊，中温钎焊及高温钎焊。按钎焊的反应特点钎焊又分为毛细钎焊，大间隙钎焊以及反应钎焊。按加热方法不同还可以分为烙铁钎焊，火焰钎焊，炉中钎焊，电阻钎焊，感应钎焊等。1.4.3熔焊熔焊在异种材料焊接中应用很广，主要的熔焊方法有焊条电弧焊、气体保护焊、电子束焊、激光焊等。对于相互溶解度有限、物理化学性能差别很大的异种材料，由于熔焊时的互相扩散作用会导致接头部位的化学成分和金相组织不均匀或生成脆性化合物，所以异种材料熔焊时应降低稀释率，尽量用
9、小电流、高焊速，或是在坡口一侧或两侧堆焊中间合金过渡层。1.5异种材料焊接的工艺特点异种材料的焊接是指将不同化学成分，不同组织性能的俩种或俩种以上金属，在一定的工艺条件下焊接成规定设计要求的构件，并使形成的街头满足预定的服役要求。1.5.1异种材料焊接的困难异种材料的焊接与同种材料焊接相比，有很大的不同。异种材料焊接时存在的主要困难如下：1）异种采莲的线膨胀系数不同，容易引起热应力，而且这种热应力不易消除，结果会使接头处产生裂纹或较大的焊接变形。2）异种材料焊接过程中，由于金相组织的变化以及新生成的物相结合或化合物，可使焊接接头的性能恶化，给焊接带来很大的困难。3）异种材料焊接熔合区和热影响区
10、的力学性能较差，特点是塑性和韧性明显下降。4）由于接头塑性韧性的下降以及焊接应力的存在，异种材料焊接接头容易产生裂纹，尤其是焊接熔合区和热影响区更容易长生裂纹，甚至发生断裂。1.5.2影响异种材料焊接性的因素1）热物理性能的差异两种材料热物理性能的差异主要是指熔化温度，线膨胀系数，热导率等的差异，它们将影响焊接热循环过程，结晶条件，降低焊接接头的质量。当异种材料热物理性能的较大差异使熔化和结晶状态不一致时，就会给焊接造成一定的困难；俩种材料的线膨胀系数相差较大时，会使异种材料接头区产生较大的焊接应力和变形，易使焊缝及热影响区产生裂纹；异种材料电磁性相差较大时，焊接电弧不稳定，焊缝成形不好甚至形
11、成不了焊缝。2）结晶化学性能的差异结晶化学性能的差异主要是指晶格的类型，晶格参数，原子半径，原子的外层电子结构等的差异，也就是通常所说的“冶金学上的不相容性”。俩种被焊接材料在冶金学上是否相等，取决于它们在液态和固态时的互溶性以及做好俩种材料在焊接过程中是否产生新相结构或金属间化合物。材料的熔化温度，线膨胀系数，热导率和电阻率等物理性能直接影像馆焊接结晶条件和接头质量。为了改善异种材料的焊接性，防止在异种材料接头冷却过程产生的相变组织转变造成接头冷裂纹，对不能形成无限固溶体的异种材料和合金，可在俩种被焊材料之间加入过度层合金应该满足与俩种被焊金属均能形成固溶体的要求。3）材料的表面状态材料的表
12、面状态，如表面氧化层，结晶表面层，吸附的氧离子和水分，油污，杂质等，直接影响异种材料的焊接性，必须给予充分重视。生产中往往由于表面氧化膜和其他吸附物的存在给焊接带来极大地困难。此外，焊接异种材料时，必定会产生一层成分组织及性能与母材不同的过渡层，过渡层的性能对焊接接头的整体性能有很大的影响。过大的融合比，会增加母材对焊缝金属的稀释度，使过渡层更为明显；焊缝金属与母材的化学成分相差越大。熔池金属越不容易充分混合，过渡层越明显。所以，焊接异种材料时需要采取相应的工艺措施来控制过渡层以保证接头的性能。216MnR与20MnMoNb钢的焊接性2.116MnR的化学成分及力学性能介绍在板材里，属低合金系
13、列。在低合金的材质里，此种材质为最普通的。Q345过去的一种叫法为：16MnR。合金钢（C0.2%)，广泛应用于桥梁、车辆、船舶、建筑、压力容器等。Q代表的是这种材质的屈服，后面的345，就是指这种材质的屈服值，在345左右。并会随着材质的厚度的增加而使其屈服值减小16MnR是在碳素钢的基础上加入一定的合金元素所构成,低合金钢中的合金元素一般不超过5%，以提高钢的强度并保证其具有一定的塑性和韧性。主要用于制造各类中低压压力容器，其使用条件复杂，有的盛装易燃易爆物品，有的盛装有毒物品，这些易燃、易爆、有毒物品一旦泄漏，将会造成严重的环境污染并且危害人身安全，因此容器的质量好坏是保证人身安全、防止
14、环境污染的关键所在。16MnR作为压力容器用钢，应具备以下要求:首先要具有足够的强度。按现行压力容器设计标准，受压部件的强度计算是以弹性失效为设计准则，以理想化的薄壳理论为依据，虽然已经考虑了安全系数，但在开孔和几何形状不连续处的局部应力已接近或达到材料的屈服强度，因此16MnR钢必须具有足够的强度，特别是在经过热加工和多次热处理后要求钢材仍应保证强度性能不低于标准规定的下限值。其次要具有优良的焊接性。压力容器用钢具有优良的焊接性能是保证产品焊接质量的首要条件。第三要具有高的耐蚀性。压力容器用钢应具有足够的耐蚀性以确保压力容器的长期安全运行。与16Mn低合金钢相比16MnR降低了S、P含量，对
15、含碳量下限不作具体规定，化学成份见表2.1。对钢板的表面、内部质量提出更高要求，规定不得有裂纹、结疤、折叠、气泡、夹杂、分层和白点，并经需方要求，应保证超声波探伤质量；同时规定了冲击韧性指标。因此具有更好的塑性、韧性和焊接性能，更好的抗冷脆性能和较小的时效倾向，以保证压力容器的安全性和可靠性，以及低温韧性要求。为了适应较恶劣的操作条件，进一步提高钢的强度和韧性可加入少量的钒、铌、镍等，它们都易于形成强碳化物，同时又细化晶粒，镍是提高钢的韧性，降低韧脆转变温度的最有效的元素。它是使基体本身在低温不易于交叉滑移。从以上的阐述可以看出，16MnR是一种机械性能和焊接加工性能高于碳钢的低合金钢，但也要
16、注意它的使用范围和供货的要求，才能更好地保证压力容器选材的有效性、安全性和低成本性。第四要具有良好的塑性和韧性。压力容器用钢具有足够的塑性和韧性储备是压力容器抗脆断的必要条件之一，也是压力容器各种部件、封头、筒体、卷制、热压成形等制造工艺的需要。16MnR钢的各种力学性能见表2.2。表2.116MnR的化学成分（质量分数%）CMnSiSP0.201.21.600.200.550.0200.030屈服强度305（MPa）抗拉强度470500（MPa）延伸率20（%）0CV型横向冲击功/J31549061021211表2.216MnR的力学性能2.2合金元素在16MnR的作用16MnR化学成分为:C0.10%0.20%,Si0.3
