八方钢的异种材料焊接工艺

河南工程学院《压力焊》考查课

专业论文

八方钢的异种材料焊接工艺

学生姓名： 冯师超 学 院： 机械工程学院 专业班级： 材料成型及控制工程1142 专业课程： 压力焊 任课教师： 孙玉福

2014 年 11 月 13 日

八方钢的异种材料焊接工艺

生产背景

某工厂想要生产长度为1300mm的八方钢，其具体材质为（1000mm长20钢+300mm长1Cr18Ni9），八方钢的外接圆直径为80mm。该八方钢将用于工程结构件。

分析：所需八方钢可有80mm圆柱体切削加工而成，如图1所示。

图1. 八方刚工件截面图

由于异种材料焊接，可选择焊接方法为预热闪光对焊和相位摩擦焊，具体分析如下。

一、异种材料的焊接

现代工程结构中不仅需要对大量的同种材料进行焊接，也需要对相当数量的异种材料进行焊接。采用异种材料制造的焊接结构，不仅能满足不同工作条件对材质提出的不同要求，而且可节约大量的优质贵重材料，降低成本，充分发挥不同材料的性能优势。近年来，异种材料焊接结构在机械、化工、电力及核工业等行业得到广泛应用，对异种材料的焊接也越来越受到重视根据金相组织，钢材可以分为珠光体钢(碳钢和低合金钢)、铁素体钢和铁素体-马氏体钢（高铬钢）、奥氏体钢和奥氏体-铁素体钢（铬镍钢）三大类。于珠光体钢与奥氏体钢的物理性能、化学成分（尤其是含Cr量）存在差异，其焊接时存在如下三大问题：⑴ 焊缝成分稀释⑵ 熔合区性能恶化（包括形成凝固过渡层和碳迁移过渡层）⑶ 接头应力复杂。

二、焊接性分析

20钢强度比15号钢稍高，很少淬火，无回火脆性。冷变形塑性高、一般供弯曲、压延、弯边和锤拱等加工，电弧焊和接触焊的焊接性能好，气焊时厚度小，外形要求严格或形状复杂的制件上易发生裂纹。切削加工性冷拔或正火状态较退火状态好、一般用于制造受力不大而韧性要求高的。低碳钢由于其含碳量和合金元素量较少，其焊接性较好!焊接低碳钢时，一般不需要采取特殊的工艺措施，对焊接电源没有特殊要求，交\直流弧焊电源均可!低碳钢焊缝的综合力学性能较好，产生裂纹和气孔的倾向性小!只是对于沸腾钢，由于其脱氧不完全，硫\磷等杂质分布不均匀，焊接时热裂纹倾向比较大，厚板焊接时还会有层状撕裂产生!该钢属于优质低碳碳素钢，冷挤压、渗碳淬硬钢。该钢强度低，韧性、塑性和焊接性均好。抗拉强度为355~500MPa，伸长率≥24%。

20钢化学成分

碳钢板（Q20）含碳量较低，可焊性较好，奥氏体不锈钢管（1Cr18Ni9Ti）含有18%左右的Cr和9%左右的Ni，而碳钢没有这些成分，焊接时如不添加一定量的Cr、Ni元素，由两种钢组成的焊缝金属其化学成分必然显著降低，即形成焊缝稀释。焊缝稀释的结果是形成马氏体组织，使焊缝的力学性能变硬变脆，并产生冷裂纹。

1Cr18Ni9Ti 化学成分

Cr18Ni9奥氏体不锈钢的导热系数大约只 珠光体钢相对于奥氏体金属填充材料

来说，合金元素含量少，因此它们对焊缝金属有一定的稀释作用，而焊缝金属的成分是由填充金属与母材的成分及熔合比确定的，稀释会导致焊缝金属中奥氏体形成元素减少，使焊缝中出现脆性的马氏体组织而降低焊接接头的质量，严重时甚至可能出现裂纹。有低碳钢的一半,而线膨胀系数却大得多,所以焊后在接头中会产生较大的焊接内应力。1Crl8Ni9奥氏体不锈钢中的成分,如碳、硫、镍等会在熔池中形成低熔点共晶。如硫与镍形成的Ni3S2熔点为645℃,而Ni—Ni3S2共晶的熔点只有625℃。1Cr18Ni9奥氏体不锈钢的液、固相线的区间较大,结晶时间较长,且奥氏体结晶的枝晶方向性强,所以杂质偏析现象比较严重.1Cr18Ni9奥氏体不锈钢焊接时比较容易产生焊接热裂纹于大截面工件的焊接,闪光对焊工艺显然具有其他焊接方法无可比拟的优点。 三、预热闪光对焊

近年来国外闪光焊技术发展很快,在工件的送进控制上,已经发展到液压系统控制;在控制电压的方式上,已发展到晶闸管控制;在闪光焊接的供电波形上,由传统的相交流,发展到次级整流。闪光焊的应用范围不断扩大,同时焊机的容量也不断增大。进入20世纪80年代,计算机技术也开始应用到闪光焊过程控制与参数监测之中。同时一些闪光焊焊接参数检测与记录装置也被研制出来,为闪光焊焊接质量的检测与分析提供了必要的依据。与国外相比,中国对闪光焊的研究与应用存在很大的差距。尤其是高水平大功率的闪光焊机还完全依靠进口。因此在中国,开发研制大型闪光焊机具有重要的现实意义和生产应用价值。

预热闪光对焊是在连续闪光焊前增加一次预热过程，以扩大焊接热影响区。其工艺过程包括：预热、闪光和顶锻过程。施焊时先闭合电源，然后使两根钢筋端面交替地接触和分开，这时钢筋端面的间隙中发出断续的闪光，而形成预热过程。当钢筋达到预热温度后进入闪光阶段，随后顶锻而成。闪光对焊可分为连续闪光对焊和预热闪光对焊,连续闪光对焊主要由闪光阶段和顶锻阶段两个阶段组成,预热闪光对焊是在闪光阶段前再增加一个预热阶段。由于预热闪光焊的焊接工艺更适合于大截面工件的对接,因此选用了预热闪光焊的焊接。

工艺为预热闪光焊工艺控制流程图

预热阶段的目的是在基本保持工件端面不烧损的情况下,使工件端面达到一个合适的温度值(对钢来说是进入奥氏体区的温度区域,一般为800～900℃),然后再进行闪光和顶锻。采用短路预热的方法,通过控制预热前进阀,预热后退阀的动作,实现送进短路和后退断路交替进行。预热阶段所需控制的参数主要有:短路预热电流,短路预热时间,预热次数及预热开路时间。通过预热后,接头两侧的温度场分布明显改善,在接口附近一定深度的区域都达到塑性变形的温度,对于大截面工件来说,更易于顶锻。闪光阶段的作用主要是加热工件。为了得到高质量的焊接接头,保持闪光过程的稳定,必须满足两个条件: 1)动夹具的送进速度vg必须等于闪光烧化速度vs。在闪光过程中,工件逐渐缩短,端头温度不断升高。随着端头温度的升高,闪光烧化的速度将加快,因此工件的送进速度也必须逐渐加快。2)闪光后期使焊件端面保持有一层均匀的液态金属,靠激烈的闪光所造成的气氛保护液态金属,避免被空气氧化和污染。对于后者,要求在闪光后期和顶锻之前有足够高的闪光速度。在各控制参数中,闪光末速v2是最重要的。闪光一结束,即转入顶锻,形成焊接接头。但闪光过程结束前,必须使工件整个端面形成一层液态金属层,并在一定深度上使金属达到塑性变形温度。为了提高接头的质量,闪光必须稳定而且强烈。闪光过程结束后,应立即进入顶锻。为了防止氧化和有利于排除液体金属,必须尽可能减少封闭间隙的时间。要求瞬间有一个较大的顶锻速度,比闪光速度要高出十几倍甚至几十倍。研究表明,顶锻速度越高,焊接接头的质量就越高。因此顶锻速度是评价焊接接头质量的重要参数之一。本焊机采用了气囊式蓄能器和滚动导轨。通过焊接工艺试验测得顶锻速度可高达65mm /s,达到了很高的水平。

八方钢的外接圆直径为80mm，由表可以查出总留量29mm，预热与闪光21mm，丁锻7.5mm。预热时间95s，闪光与顶锻17s。

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