巩超 毕业设计 终稿.docx
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巩超毕业设计终稿
哈尔滨理工大学荣成学院
专科生毕业设计
题目：
ZG270-500焊接性及裂纹修补
专业年级：
08级焊接技术及自动化
学生姓名：
巩超
学号：
0801090211
指导教师：
杨丽丽
哈尔滨理工大学荣成学院
完成时间：
2011年5月25日
哈尔滨理工大学荣成学院
专科生毕业设计（论文）评语
学生姓名：
巩超学号：
0801090211
学院：
荣成学院专业：
焊接技术及自动化
任务起止时间：
2011年5月13日至2011年6月15日
毕业设计（论文）题目：
ZG270-500的焊接性及焊缝裂纹修补
指导教师对毕业设计（论文）的评语：
指导教师签名：
指导教师职称：
评阅教师对毕业设计（论文）的评语：
评阅教师签名：
评阅教师职称：
答辩委员会对毕业设计的评语：
答辩委员会评定，该生毕业设计（论文）成绩为：
答辩委员会主席签名：
职称：
年月日
哈尔滨理工大学荣成学院
专科生毕业设计（论文）任务书
学生姓名：
巩超学号：
0801090211
学院：
荣成学院专业：
焊接技术及自动化
任务起止时间：
2011年5月13日至2011年6月15日
毕业设计（论文）题目：
ZG270-500焊接性及焊缝裂纹修补
毕业设计工作内容：
铸钢是生产中常用的材料,但是由于其成分中含有杂质较多,铸造过程中冷却缓慢,使其组织粗大偏析比较严重给焊接带来困难.本文通过对ZG270-500及其焊接接头的常见缺陷进行分析，选用适当的焊接工艺参数进行焊接，并对焊后裂纹进行探伤及修补。
1、了解毕业设计的内容，查阅资料（5月13日—5月17日）
2、对铸钢的焊接性及焊接工艺进行分析，总结ZG270-500的焊接工艺及修补措施.撰写题纲（5月17日-5月19日）
3、撰写论文（5月20日-5月21日）
资料：
1、吕烨，许德株.机械工程材料.第三版.北京：
高等教育出版社，2008.6
2、刘会杰.焊接冶金与焊接性.北京：
机械工业出版社，2007.3
3、钟廷志，曹占伦，刘东明.新编常用金属材料手册.北京：
人民邮电出版社，2008.5
指导教师意见：
签名：
年月日
系主任意见：
签名：
年月日
ZG270-500的焊接性及焊缝裂纹修补
摘要
ZG270-500的碳当量约为0.45%，从碳当量上看焊接性尚可。
但由于其制作是通过铸造而来，其显微组织和性能有别于普通的碳素结构钢，铸锭的组织中存在裂纹、偏析等缺陷，使焊接过程比普通碳钢复杂一些，尤其是焊接裂纹和偏析在焊缝及热影响区中极易出现。
本文针对ZG270-500焊接时长出现的缺陷，从其成分和显微组织进行分析，最后总结出一套完整的焊接参数和焊接工艺。
另外真对已出现的裂纹根据前面焊接性的分析，整理出一套裂纹的修补工艺提。
关键词 ZG270-500；焊接性；裂纹补焊
不要删除行尾的分节符，此行不会被打印
目录
摘要……
第1章绪论1
1.1课题背景1
第2章ZG270-500的焊接性分析2
2.1ZG270-500成分与焊接性2
2.1.1ZG270-500和ZG275-485H的成分2
2.1.2ZG270-500、ZG275-485H及Q345的力学性能2
2.1.3ZG270-500焊接性分析2
2.2ZG270-500的组织与焊接性3
2.2.1铸锭的组织3
2.2.2ZG270-500的焊接性分析4
第3章ZG270-500焊接接头的组成及缺陷5
3.1焊接接头的组成5
3.2ZG270-500的熔合区5
3.3ZG270-500的热影响区5
3.4焊接接头的常见裂纹6
3.4.1焊接热裂纹6
3.4.2焊接冷裂纹6
第4章ZG270-500的焊接工艺7
4.1焊接方法的选择7
4.2焊接材料的选择及保存7
4.3焊接参数的选择7
4.4坡口清理8
4.5焊前预热8
4.6层间温度8
4.7焊接操作注意事项9
4.8焊后热处理9
第5章ZG270-500焊接接头裂纹的修补10
5.1裂纹的确认10
5.2裂纹的清除10
5.3坡口的清理10
5.4焊接方法及焊接材料的选择10
5.5焊接操作11
5.6焊后热处理11
5.7对补焊的焊缝进行超声波检测12
结论14
参考文献15
附录16
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第1章绪论
1.1课题背景
在生产中，铸钢是重要的金属结构材料，具有良好的综合机械性能和化学物理性能。
与铸铁相比，铸钢具有较高的强度、韧性、塑性和良好的焊接性。
与普通的碳钢相比，铸件是通过铸造工艺制作，可以制作外形比较复杂的工件，且制造的工艺比较简单，成本较低，在性能上没有锻件的各向异性。
另外，在铸钢中加入某些合金元素，还可以获得特殊性能。
因此在工业生产中应用十分的广泛。
尤其是碳素铸钢，有良好的综合机械性能和铸造性能，且对原料的要求不高，合金元素消耗少，成本低，熔炼和铸造工艺容易掌握，在各部门应用很广。
在铸钢的铸造过程中，为保证其有足够的强度、塑性和韧性，含碳量在0.15%～0.60%间。
由于铸钢的浇铸温度比钢锭的浇铸温度高，铸件的形状也比较复杂，其凝固条件的控制比钢锭困难的多，而且之后不经过锻压加工，一般情况下，铸钢件的结晶比较粗大，热节处和枝晶间的疏松难以避免，因此，铸钢的性能往往比成分相近的钢要差，在焊接性能上也是。
焊接时极易出现裂纹和偏析等缺陷。
华东重工有限公司是专门生产大型数控机床的公司，机床的导轨要求较高的强度和冲击韧性，对于结构简单的工件可以使用16Mn制作，但是对于结构复杂的导轨，使用铸铁无法满足其性能的要求，因此选用铸钢件，但是由于车间正处于起步阶段，对铸钢的焊接没有一套完整的焊接工艺指导焊接生产，致使焊件出现严重的缺陷，尤其以裂纹最常出现。
如图1-1，图1-2所示。
图1-1工件端部裂纹图1-2渗透探伤检测裂纹
第2章ZG270-500的焊接性分析
由于铸钢需要较高的强度和韧性,同时又要具备较好流动性,所以其在制作的过程中,加入很多的合金元素,使其成分与性能相近的碳钢的成分相差很多,首先从其成分上分析其焊接性,并与ZG275-485H和Q345进行比较。
之后通过显微组织对其焊接性进行分析。
2.1ZG270-500成分与焊接性
2.1.1ZG270-500和ZG275-485H的成分
ZG270-500、ZG275-485H及Q345的成分如表2-1所示[3]
表2-1
牌号
元素的最高含量/%（质量分数）
C
Si
Mn
S
P
ZG270-500
0.40
0.50
0.90
0.04
0.04
ZG275-485H
0.25
0.50
1.2
0.04
0.04
Q345
0.20
0.55
1.00-1.60
0.04
0.04
2.1.2ZG270-500、ZG275-485H及Q345的力学性能
ZG270-500、ZG275-485H及Q345的力学性能如表2-2所示
表2-2
牌号
元素的最高含量/%（质量分数）
Σs
σb
δ
ψ
Ak
ZG270-500
270
500
18
25
20
ZG275-485H
275
485
20
35
22
Q345
345
/
/
/
/
2.1.3ZG270-500焊接性分析
使用国际焊接学会（IIW）推荐的碳当量计算公式：
ZG270-500的碳当量约为0.45%，ZG275-500的碳当量约为0.46%。
一般情况下，当碳当量的值大于0.4%时，材料的冷裂敏感性增大，其焊接时主要问题是焊接热影响区易产生低塑性的淬硬组织，这种淬硬组织随着钢含碳量的增加而增大。
另外，铸钢铸锭的冷却速度缓慢，结构复杂，成分不均匀，完成后又不经过压力加工过程，所以组织较粗大，存在严重的偏析和夹杂，使其塑性和韧性降低，焊接性比普通的碳素钢差。
当焊接材料选择不当、焊接规范不合适时容易产生裂纹。
因此在焊接时需要预热和层间保温，以降低热影响区的冷却速度，以防止产生马氏体，减少裂纹的产生。
另外多层焊的第一层焊缝由于和母材接触，母材融合到焊缝中的比例较高，使焊缝的含碳量及硫和磷杂质的含量增加，也产生热裂纹。
因此对焊材的选用和焊缝坡口的制备也提出了要求，考虑用低氢的焊接方法。
同时还要进行焊后热处理，最好是焊后立即进行消除应力退火。
通过以上对ZG270-500和ZG275-485H成分及焊接性的分析，从碳当量分析，其焊接性相似，但是其成分存在很多的差异，ZG275-485H减少了碳的含量增加了锰的含量，从组织和合金元素上说其焊接性优于ZG270-500。
另外，ZG275-485H是在1000-1100℃范围内加热得到单一的奥氏体组织，具有良好的韧性，在受到高的冲击载荷和高压的情况下，表面迅速产生加工硬化，从而产生耐磨的表面层，而内部保持良好的冲击性，适合制作受冲击载荷的导轨，所以在设计机床导轨是可考虑用ZG275-485H代替ZG270-500。
但ZG275-485H的成本要远远高于ZG270-500，且ZG270-500的性能又能满足设备要求，所以很多工厂处于成本考虑还是选用ZG270-500制作机床导轨设备。
2.2ZG270-500的组织与焊接性
2.2.1铸锭的组织
ZG270-500的含碳量为0.4%，属于亚共析钢，其在室温的组织为铁素体和珠光体，与成分相似的锻压成形的碳钢的组织是相同的，不同点就是晶粒的形态，在此主要是从晶粒的形态和组织的偏析来分析ZG270-500的焊接性。
铸钢是通过铸造的工艺制作得到，由于铸锭的冷却过程缓慢，工件较大，因此了解铸锭各部分的组织和性能有助于焊接过程的进行，提高焊接质量[1]。
铸锭组织如图3-1所示
（1）、表层细晶粒区
（2）、中心粗大晶粒区图3-1铸锭组织
（3）、中心粗大等轴晶粒区
2.2.2ZG270-500的焊接性分析
铸锭表层细晶粒区的组织致密，力学性能好，但该区很薄，故对铸锭性能影响不大。
柱状晶粒区的组织比中心等轴晶粒区致密，但晶粒间常存在非金属夹杂物和低熔点杂质而形成脆弱面，在焊接时极易引起裂纹。
中心粗大等轴晶粒无脆弱面，但组织疏松，杂质较多，力学性能较低，焊接时应尽量避开此区域[4]。
在铸锭中，除组织不均匀外，还存在成分偏析、气孔、缩松、夹杂、裂纹等缺陷，给焊接过程带来困难。
第3章ZG270-500焊接接头的组成及缺陷
3.1焊接接头的组成
焊接接头是连接母材的部分，接头质量的好坏直接影响焊件的使用性能，只有充分的了解了焊接接头的组成及各部分的性能和接头常见到缺陷，才能在焊接工艺的制定、焊接过程中避开缺陷的产生，得到一个好的焊接接头。
焊接接头有三部分组成[2]：
（1）、焊缝焊接熔池凝固后形成的固体区域。
（2）、熔合区由填充材料和部分熔化的母材组成的区域。
（3）、热影响区受到焊接热影响，但未熔化，组织和性能发生变化的区域。
因为母材的组织和成分增加了铸钢焊接的难度，在华东重工最常用的是ZG270-500，因此在此对ZG270-500的熔合区和热影响区进行分析。
3.2ZG270-500焊接接头的组织
3.2.1ZG270-500的熔合区
由于ZG270-500的含碳量较高，且杂质元素较多，在焊接的过程中，母材中的杂质元素易向焊缝中过渡，在熔合区引起结晶裂纹和再热裂纹。
为减少合金元素的过渡，应尽量减小熔合比，减小坡口，采用多层多道焊的工艺，减少热输入量，减缓合金元素的扩散。
3.3ZG270-500的热影响区
因为ZG270-500中含碳量为0.40%，属于中碳钢，热影响区由完全淬火区、不完全淬火区组成。
（1）、完全淬火区
完全淬火区相当于低碳钢的过热区和正火区两部分。
过热区的部分晶粒严重长大，奥氏体的均匀化程度高，增加了淬硬倾向，易形成粗大的马氏体，该区域的塑性韧性较低。
正火区部分得到细小的马氏体和少量的贝氏体，力学性能优良。
（2）、不完全淬火区
相当于低碳钢的不完全重结晶区，铁素体基本不变但有所长大，组织为马氏体、铁素体和中间体，硬度较高，脆性较大。
3.4焊接接头的常见裂纹
3.4.1焊接热裂纹
热裂纹一般是指在较高温度下产生的裂纹。
大部分热裂纹在固、液相线温度区间产生结晶裂纹，也有少量在低于固相线温度时产生。
产生的位置多数在焊缝中，有时也产生在热影响区。
其裂口是贯穿表面并且断口是被氧化的，裂纹宽度约为0.05～0.5mm，比冷裂纹的0.001～0.01mm大几十倍，裂纹末端略呈圆形。
常见热裂纹有结晶裂纹。
产生原因是在焊缝结晶后期，由于低熔点共晶形成的液态薄膜削弱了晶粒间的结合，在拉应力的作用下产生裂纹。
最常出现的位置是焊缝中，裂纹沿着奥氏体晶界。
对应的材料有杂质较多的碳钢、低中合金钢、奥氏体钢及镍基合金[5]。
3.4.2焊接冷裂纹
焊接冷裂纹是相对于热裂纹来说的，一般是指在较低温度下产生的裂纹。
产生的原因是拘束应力、淬硬组织和氢共同作用。
产生的位置是在焊接接头中，尤其是焊接热影响区，个别情况下冷裂纹也产生在焊缝金属上。
常见到冷裂纹是延迟裂纹。
延迟裂纹出现的位置是焊缝，少量在热影响区。
裂纹沿奥氏体晶界或穿过晶粒。
对应材料有中、高碳钢，低、中合金钢，钛合金中。
第4章ZG270-500的焊接工艺
4.1焊接方法的选择
为保证焊件的焊接质量，打底时选用手工电弧焊；为保证生产效率填充使用CO2气体保护焊。
4.2焊接材料的选择及保存
因为铸钢的含碳量较高，晶粒粗大，存在较严重的偏析，焊接时容易产生裂纹等缺陷，因此选用塑性和韧性较好的低氢型焊条，焊丝选用成形较好的药芯焊丝[6]。
焊接材料的选择如表5-1所示。
表5-1
焊接方法
材料名称
牌号
尺寸（mm）
制造厂
CO2气体保护焊
药芯焊丝
YJ501Ni
Ф1.2
天津大桥
气体:
CO2
纯度≥99%
手工电弧焊
焊条
J507
Ф3.2,4.0
天津大桥
4.3焊接参数的选择
由于ZG270-500的焊接性较差，容易出现偏析、裂纹等缺陷，所以焊接时尽量选用小电流焊接，减少热输入提高焊接质量。
焊接参数如表5-2所示
电焊条使用前要经过烘干处理，否则不可以使用，烘干结束后将焊条放入保温箱中存储，随用随取，焊条在空气中暴露4h后要重新进行烘干处理，反复烘干的次数不可超过4次。
二保焊过程中，如果发现焊丝上有铁锈，则需要更换焊丝再进行焊接。
焊接结束后，焊丝焊条必须返还到储藏室中。
焊条烘干工艺如表5-3所示。
表5-2焊接参数选择
焊接方法
焊接位置
直径
（mm）
电源极性
电流
（A）
电压
（V）
气体流量
（l/min）
CO2气体保护焊
平焊
Ф1.2
直流反接
140~160
20~24
15
横焊
Ф1.2
直流反接
120~140
18~20
15
立焊
Ф1.2
直流反接
120~140
18~20
15
手工电弧焊
横焊
Ф3.2
直流反接
120~140
/
/
平焊
Ф3.2
直流反接
90~100
/
/
立焊
Ф3.2
直流反接
90~100
/
/
表5-3焊条烘干
焊接材料
标号
烘干温度
保温
低氢型焊条
JH.E5015
300~350℃
1h
4.4坡口清理
焊接之前应仔细清理坡口两侧，除去坡口两侧20-30mm的铁锈油污等。
4.5焊前预热
在焊接前要对工件进行预热，预热温度150℃，当焊件刚性比较大时预热的温度可提高到200℃。
如果是局部预热则加热范围为坡口两侧150～200mm范围。
预热时间1h左右[9]。
预热的目的是减小焊缝的冷却速度，有效防止结晶裂纹和延迟裂纹的产生。
如果预热温度过低，则不能抑制冷裂纹的产生；如果预热温度过高，焊缝中可能引起晶间碳化物沉淀和形成铁素体组织。
预热时间过长，等同于焊接热输入量增大，引起高温停留时间过长，奥氏体晶粒粗化，最终形成粗大的马氏体淬硬焊缝。
预热时要均匀，不得用大火短时间急剧加热，以防止局部应力过大而变形。
4.6层间温度
较合适的层间温度为125~250℃，其温度下限用以保证在多层焊中后道焊缝有起码的预热条件，其温度上限以避免出现热应力裂纹。
通过补充加热或缓慢焊接来控制层间温度。
4.7焊接操作注意事项
（1）、焊条打底时一定要保证质量，焊条可做小节距摆动，摆动幅度不可以超过焊条直径的2/3，不能出现未熔合、夹杂、未焊透等缺陷，如果发现缺陷应立刻将缺陷清理好在进行下一次焊接。
（2）、使用焊条电弧焊时采用短弧焊接，电弧长度不超过焊条直径的2/3。
（3）、使用CO2气体保护焊进行焊接时可使用小节距摆动，力求使每道焊缝都薄且窄以减少热输入和熔合比。
（4）、每焊完一层要仔细清理飞溅和熔渣，必要时用角磨机打磨至露出金属光泽。
（5）、每焊完2～3层要使用气镐等对焊缝进行锤击处理，以释放焊缝中的应力并细化晶粒，提高焊缝性能
（6）、焊接时焊丝或焊条在工件上打火，使铸钢件局部区域淬硬，且应力集中，极易产生微裂纹
（7）、焊接顺序如图5-1所示。
先沿着坡口两侧堆焊一层，最后焊接凹下的焊缝，在沿坡口堆焊一层再焊底部凹下部分，重复过程，直到焊缝填满[10]。
（6）、每一道焊缝尽量采用连续焊接，因为焊接接头容易出现缺陷。
如果有接头，则每个接头要搭接20mm左右，且接头要至少错开20mm。
4.8焊后热处理
对于大厚件、刚性较大的结构和工作条件为动载荷或冲击载荷的焊件，焊后应进行去除应力退火。
目的是消除机械应力，减低热影响区的硬度。
如果热影响区硬度存在差异，一旦受到弯曲应力的作用，就会在热影响区产生裂纹。
焊后热处理的工艺措施是：
对于大型铸钢件，可在焊缝区用电加热设备或火焰加热至200～250℃，保温2小时（保温时间视工件的厚度而定，可适当增长保温时间），并覆盖以防火岩棉使其缓冷；对于小型铸钢件，可用电加热设备或火焰加热至600～650℃，保温2小时后覆盖防火岩棉，使其缓冷。
在铸钢件加热时，加热温度要缓慢而均匀，加热区最高温度与最低温度不可以大于65℃。
第5章ZG270-500焊接接头裂纹的修补
因为第一次焊接时对母材又进行了一次加热过程，使熔合区和焊接热影响区组织变得更加粗大，偏析更为严重，使铸钢件的力学性能和焊接性能更差。
焊接时比第一次焊接更容易出现裂纹缺陷，所以要注意热输入的控制，防止裂纹缺陷的再次产生。
5.1裂纹的确认
焊补之前先将裂纹周围清理干净，去除油污飞溅等污物。
使用超声波探伤仪对焊缝的周围进行探伤检查，尤其是在裂纹延伸方向上，确定裂纹的起始位置。
5.2裂纹的清除
使用超声波探伤仪器确定裂纹的起始位置后，如果裂纹比较浅可用角磨机打磨去除裂纹；如果裂纹比较深，则先用电钻在裂纹的起始位置钻孔，孔的直径在6mm左右，孔深依据裂纹的深度而定，一般比裂纹深，防止裂纹的继续扩展，之后在裂纹两侧200～300mm附近用火焰预热0.5小时左右，预热功率要小，之后用碳弧气刨将裂纹清除。
使用气刨时，碳棒选用小直径，电流越小越好。
5.3坡口的清理
使用碳弧气刨开坡口后，要用角磨机或小磨头将坡口两侧的氧化膜去除干净，直至露出金属光泽。
如果坡口两侧有氧化膜存在,在焊接时氧化膜吸收大量的热,致使母材不能有效的熔化,产生咬边、夹杂等缺陷。
5.4焊接方法及焊接材料的选择
由于第一次焊接时焊接接头的热影响区再次加热，组织晶粒变得更加粗大，偏析等缺陷更为严重，焊接时比第一次焊接更要注意焊接热输入的影响。
在补焊时选用手工电弧焊，焊条选用A102焊条和J507焊条。
使用A102焊条打底，J507焊条填充。
因为A102焊条焊接的焊缝塑性韧性好，抗裂性能好，防止裂纹的产生。
同时A102焊条中含有的合金元素较多，可以有效的细化焊缝组织，提高焊缝的力学性能。
焊接参数如表6-1所示。
焊条使用前一定要进行烘干，烘干工艺如表6-2所示[7]。
表6-1焊接参数
焊接方法
焊接位置
直径
（mm）
电源极性
电流
（A）
电压
（V）
气体流量
（l/min）
A102焊条
平焊
Ф2.5
直流反接
90~100
/
/
横焊
Ф2.5
直流反接
80~90
/
/
立焊
Ф2.5
直流反接
80~90
/
/
J507焊条
横焊
Ф3.2
直流反接
120~140
/
/
平焊
Ф3.2
直流反接
90~100
/
/
立焊
Ф3.2
直流反接
90~100
/
/
表6-2焊条烘干
焊接材料
标号
烘干温度
保温
不锈钢焊条
A102
350℃
1h
低氢型焊条
E5015
300~350
1h
5.5焊接操作
铸钢件裂纹补焊的方式基本同第一次焊接。
在控制热输入上更为严格。
（1）、焊缝的坡口两侧前两层使用φ2.5的不锈钢焊条，并使用小电流以减小热输入[8]。
（2）、焊接顺序如图5-1所示，但不能进行连续焊接，要分层分段焊接，每道焊缝的长度不超过200mm，焊道厚度不超过4mm，目的是减小热输入和热量集中。
焊接方法如图6-1所示。
（3）、对于缺陷较多的工件，先焊接小的缺陷，再焊大缺陷，最后焊接穿透缺陷。
（4）、焊接过程中切忌出现焊道过热现象，严格控制每道焊缝间的层间温度。
5.6焊后热处理
铸钢件补焊的焊后热处理与第一次焊接时的热处理相同。
5.7对补焊的焊缝进行超声波检测
探伤的工艺评定报告如表6-3所示。
表6-3焊缝超声波探伤检测报告
单位：
威海华东重工有限公司
工件名称
/
编号
1＃
检测时间
/
材质
ZG270-500
表面状态
打磨
合格级别
Ⅱ级
仪器型号
BSM360
验收标准
GB11345-89
检测面
双面
检测方法
超声波检测
检测比例
100%
耦合剂
机油
探头
5M10×10K2
试块
CSK-IBCSK-3A
/
探头前沿
I0=10mm
距离波幅实测值
孔深mm
0
0
0
0
0
0
探头K值
K=2
波幅%
8
8
6
0
0
焊缝号
检测区段
缺陷编号
缺陷指示（mm）
始点S
长度L
深度
距两侧距离
1＃
A面
1＃
距M侧S1：
75
L1:
16
11.9
距Aa1:
0
1＃
A面
2＃
距M侧S2：
510
L1:
10
37
距A面a2:
20
1＃
B面
3＃
距N侧S3：
80
L1:
19
26
距B面b1:
12
检测人员姓名
检测人员等级
从探伤结果看，补焊后的焊缝中虽然仍存在裂纹，但是探伤结果符合合格等级Ⅱ级的要求，所以该焊缝裂纹的焊补工艺可行，能得到一个良好的补焊焊缝。
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