15CrMo与20钢焊接工艺

本科毕业设计（文献综述）

题目 15CrMo与20钢焊接性能研究姓名万景

专业材料成型及控制工程

学号201146119

指导教师王爱珍

郑州科技学院机械工程学院

二○一五年三月

目录

1 异种材料发展形势 (1)

2 15CrMo与20钢各自特性 (2)

3 焊接接头的坡口形式 (2)

4 焊接区的应力及应变状态 (3)

应力状态 (3)

应变状态 (3)

5 焊接工艺 (4)

6 接头的组织变化特征 (4)

6.1熔合区微观组织分析 (4)

6.2热影响区域微观组织 (5)

7 力学性能 (5)

8 结论 (6)

参考文献 (7)

[摘要]从15CrMo与20钢的焊接的组织特性、断口形态、显微组织、应力应变状态和焊后热处理等几个方面，对15CrMo与20钢焊接性能研究及其工艺设计进行综述。

关键词: 15CrMo;20钢;异种钢焊接;焊接性;显微组织;焊后热处理

1 异种材料焊接的发展形势

异种材料焊接在工程机械、交通运输、石油化工、电站锅炉、航天航空和机械电子等行业的机械设备和构件中得到广泛应用。这种构件的强度和使用寿命在很大程度上取决于焊接接头的性能及其工艺,特别是组织、成分和性能等与母材非常不同的过渡区或称熔合区部位的组织和性能。例如在国内外许多的实际调查中都发现 ,超高压和亚临界电站锅炉中的爆管事故大部分发生在异种钢焊接接头部位 ,它不仅影响电厂的正常生产,造成重大的经济损失 ,还会造成人身伤亡。

异种材料焊接重要的是焊接接头。而异种钢焊接接头一般主要指奥氏体钢或铁素体钢之间的连接形式。这种焊接有时是不可避免的和必须的,有时也是从经济和便利等方面考虑而采用的,但是其所存在的一些固有的特殊问题,也妨碍或限制了它的广泛采用,主要有以下几点：

1.在室温下,异种钢焊接接头区的力学性能如拉伸、冲击、弯曲等一般优于被焊母材的性能 ,但高温下或高温长期运行后,接头区的性能劣于母材。

2.在奥氏体焊缝与珠光体钢母材之间存在一个马氏体熔合区,该区韧性较低,是一个高硬度脆性层,也是导致构件失效破坏的薄弱区,它会降低焊接结构的使用可靠性。

3.焊后热处理或高温运行过程中,在焊接边界两侧各产生一个富碳区和贫碳区, 是裂纹源焊接边界的主要原因之一。

4. 构件的失效破坏与使用时间、温度及交变应力等条件有关。

5.焊后热处理不能消除焊接接头区的残余应力。

2 15CrMo与20钢各自特性

1、15CrMo钢系珠光体组织耐热钢，在高温下具有较高的热强性

（δb≥440MPa）和抗氧化性，并具有一定的抗氢腐蚀能力。由于钢中含有较高含量的Cr、C和其它合金元素，钢材的淬硬倾向较明显，焊接性差。

2、20钢强度低，韧性、塑性和焊接性均好。但是由于含碳量低，锰、硅含量也少，所以，不会在焊接而产生严重硬化组织或淬火组织。焊接不需预热，控制层间温度和后热，焊后也不必采用热处理改善组织，整个焊接不必采取特殊工艺措施，焊接性优良。

3 焊接的坡口形式

为使被焊接接头满足熔焊和焊接成型的要求，以获得优质的焊接接头，通常根据设计或工艺需求，在焊件待焊部位加工并装配成一定几何形状的沟槽，这种沟槽称为坡口。在此15CrMo与20钢采用两种典型坡口形式如图4-1。分析异种钢焊接接头的冲击断口形态,可以评定接头各特征区的力学性能和脆一韧转变。按照各种标准所制备的冲击断口试样一般很难直接观察到区域很窄的熔合区的断口形态 ,特别是很难对从焊缝、熔合区、热影响区至母材连续的断口形态变化中进行直观分析,因为当缺口开在熔合区时,冲击断口常常是沿熔合区剥离 ,得不到连续的断口形态。另外,冲击值也很分散,一些研究者不得不采取热模拟的方法制备大块样品进行断裂研究。

图4-1坡口形式

1-15CrMo;2-20钢

4 焊接区的应力及应变状态

4.1 应力状态

焊接接头中的应力/应变状态较为复杂,综述起来,有以下特点:

（1）体钢和珠光体钢的热膨胀系数不同,导致在焊接界面处产生很大的热应力。工程上为了减缓接头区的应力集中,常采用热膨胀系数介于二者之间基合金作过渡层。

（2）在焊后热处理或高温下运行时,由于碳迁移形成了具有塑性变形能力的脱碳层和变形能力差的增碳层。接头冷却时,拘束应力在脱碳层可得到松弛,导致拘束力集中在增碳层,形成局部应力集中。

（3）热处理不能彻底除残余应力,只能使应力重新分布。

（4）也对接头的应力/ 应变状态有影响,如管型接头的内压力、外部弯曲应力、交变加载和接头坡口形状等。关于熔合区的应力分布状态, 目前有一些不同的观点,多数研究者认为焊缝和熔合区附近的金属受拉伸应力作用,H A Z 中稍远离焊接边界处的金属受压缩应力,更远处又为拉伸应力. 结果为,焊缝和热影响区为拉伸应力,熔合区附近处于平衡区,无应力作用,但热处理后,焊缝区拉应力不变,而热影响区(H A Z ) 变为压应力。利用奥氏体(面心立方结构)焊缝与珠光体钢(体心立方结构)母材在焊接边界上因晶格常数的差异造成失配来计算应力,得出奥氏体焊缝中为压应力,母材珠光体钢为拉应力,并用切片法进行了X 射线应力分布测定。

4.2应变状态

大多数研究者认为,焊缝区和熔合区受拉应力、热影响区受压应力的分析较为合理,因为焊接接头中的应力状态不仅与两材料之间的热膨胀系数和晶格常数的差异有关,还与焊接中的凝固收缩和固态相变等有关。对于奥氏体焊缝来说, 在冷却过程,大多数为先析出各Fe相模式凝固结晶,然后进行相变,这两个过程均产生体积收缩,必然会在焊缝及过渡区引起较大的拉伸应力。此相反,对于珠光体钢的热影响区(H A Z )来说,其在焊接热循环冷却过程中经历的是护a固态转变,是一个体积增大过程,必然会产生压应力。另外, 焊接时的外加拘束也对接头区的应力分布和大小有很大的影响。目前对异种钢焊接接头中的应力/ 应变状态的研究还仅处于定性分析阶段,这将对接头的失效分析,特别是使用寿命的准确预测