Q390钢平板埋弧焊工艺设计

Q390钢平板埋弧焊工艺设计

学生：张琪

指导老师：石增敏

（机械与动力学院）

摘要：本说明书分析了Q390钢的化学成分、力学性能和它的焊接性，并在此基础上制定了一套埋弧焊的设计工艺，包括材料的焊接性能分析、埋弧焊设备描述、埋弧焊用的焊剂和焊丝以及埋弧焊的各项工艺参数、焊接前的准备、焊后处理以及焊接检验。

关键词：Q390钢；埋弧焊；高强度钢焊接

1母材的基本数据及性能分析

1.1 钢的介绍

材料名称：低合金高强度结构钢

热处理规范：正火，880℃；回火620℃。

特性及应用：Q390是一种低合金高强度结构钢，综合力学性能好，焊接性、冷、热加工性能和耐腐蚀性能均良好，C、D、E级钢具有良好的低温韧性。常应用于船舶、锅炉、压力容器、石油储罐、桥梁、电站设备、起重机、运输机等机械及其他较高载荷的焊接结构件。

1.2母材的化学成分及力学性

Q390钢板两块，规格：－20×100×300。母材的力学性能如表1所示，

母材化学成分如表2所示。

1.3 Q390钢的焊接性

由于Q390是一种低合金高强度钢，而高强度钢在焊接时，一般应选择与母材强度相当的材料，必须综合考虑焊缝金属的韧性、塑性及强度。只要焊缝强度或焊接接头的实际强度不低于产品要求即可。对于普通低合金高强度钢，厚度小于40mm时，一般不需要提前预热，不需控制层间温度和后热，焊后也不需要采用热处理来改善组织。但是为了要获得焊缝组织优良的强韧性，防止冷裂纹，则需要提前预热，控制焊接的冷却速度。低合金高强度钢在焊接过程中会遇到如下问题：

(1)容易出现冷裂纹（延迟裂纹），它是高强度钢焊接的突出问题之一，随着钢碳当量的增加，延迟裂纹的倾向也增加。延迟裂纹主要产生于热影响区的粗晶区，有时也出现于焊缝。

(2)过热区的脆化，Q390钢在焊接冷却过程中，热影响区容易形成淬火组织-马氏体，使近缝区的硬度提高，塑性下降。结果导致焊后发生裂纹。

(3)热裂纹，采用质量不符合要求的焊条，使焊缝金属中的碳、硫含量过高，会导致产生裂纹。如某厂采用酸性焊条焊接Q390-A钢时，因焊条药皮中锰铁的含碳量过高，会引起焊缝产生热裂纹。

(4)某些焊接方法会降低低合金钢焊接接头的质量。如电渣焊，由于线能量大，会使焊接热影响区的粗晶区晶粒长得十分粗大，引起冲击韧度的严重下降，焊后必需进行细化晶粒的正火处理，以提高冲击韧度。

1.4 钢的碳当量分析

按照国际焊接学会推荐的碳当量公式算得16Mn钢碳当量为： Ceq＝C＋Mn／6＋(Cr＋Mo＋V)／5+(Ni＋Cu)／15

≈0.20＋1.3／6＋(0.3＋0＋0.02)／5＋(0.02＋0)／15

≈0.44

由此可见Q390钢的焊接性较好

2焊接方法的选择和分析

焊接方法必须根据被焊材料的焊接性，接头的形式，焊接厚度，焊缝空间位置，焊接结构特点以及工作等多方面因素综合考虑后予以选择确定。焊接方法选择的总原则是在保证产品质量条件下，优先选择常用的焊接方法，若生产批量大，还必须考虑尽量提高生产效率和降低成本。

现在提供的母材是两块规格为：―20×100×300的Q390钢，要求平板对接，由于焊接要求相对简单，焊条电弧焊、埋弧焊，电阻焊以及气焊都可满足要求，其中焊条电弧焊和埋弧焊都比较常用，生产批量按大批量生产，则可选用埋弧焊，因为焊接位置简单，可实现自动化焊接，大批量生产能提高效率和降低成本。

2.1埋弧焊的原理

埋弧焊（Submerged Arc Welding）是电弧在

焊剂下燃烧以进行焊接的熔焊方法。按照机械化

程度，可分为自动焊和半自动焊两种。两者的区

别是：前者焊丝送进和电弧相对移动都是自动的，

而后者仅焊丝送进是自动的，电弧移动是手动的。

由于自动焊的应用远比半自动广泛，因此，通常

所说的埋弧焊一般指的是自动埋弧焊。埋弧焊的

工作原理如右图所示，焊接电源的两极分别接到

导电嘴和焊件。焊接时，颗粒状焊剂由焊剂漏斗

经软管均匀地堆敷到焊件的待焊处，焊丝由焊丝

盘经送丝机构和掉电嘴送入焊接区，电弧在焊剂

下面的焊丝与母材之间燃烧。电弧热使焊丝、焊

剂及母材局部熔化和部分蒸发。金属蒸汽、焊剂

蒸汽和冶金过程中析出的气体在电弧的周围形成一个空腔，熔化的焊剂在空腔上部形成一层熔渣膜。这层熔渣膜如同一个屏障，使电弧、液体金属与空气隔离，而且能将弧光遮蔽在空腔中。在空腔的下部，母材局部熔化形成熔池；空腔的上部，焊丝熔化形成焊滴，并以渣壁过渡的形式向熔池中过渡，只有少数熔滴采取自由过渡。随着电弧的向前移动，电弧力将液态金属推向后方并逐渐冷却凝固成焊缝，熔渣则凝固成渣壳覆盖在焊缝表面。在焊接过程中，焊剂不仅起着保护焊接金属的作用，而且起着冶金处理的作用，即通过冶金反应清除有害的杂质和过渡有益的合金元素[1]。

2.2埋弧焊的主要特点

1.埋弧焊的优点

(1)焊缝质量好一方面埋弧焊的电弧被掩埋在颗粒状焊剂及熔渣之下，电弧及熔池

均处在渣保护之中，对外界的隔离作用好；另一方面埋弧焊大大降低了焊接过程对焊工操作技能的依赖程度，焊接过程稳定，焊缝化学成分和力学性能的稳定性较好。

(2)生产率高埋弧焊时焊接电流可达1000A以上，电流密度也很大，这样埋弧焊的电弧功率、熔深及焊丝熔化速度都相应很大，熔敷速度快。埋弧焊在特定条件下，可实现10―20mm钢板单面焊双面成形。埋弧焊的最高焊接速度可达60 ~ 150m/h，而焊条电弧焊则不超过6 ~ 8m/h。另外，埋弧焊过程中焊剂和熔渣的隔热保护作用是电弧热辐射损失较少，金属飞溅损失也受到有效控制，电弧热效率大大提高，有利于提高生产率。

(3)节省焊接材料和电能埋弧焊可获得较大的熔深，故埋弧焊的工件可不开火小开坡口，减少了焊缝中焊丝的填充量，也节省了因加工坡口而消耗的焊件金属。另外，由于焊剂的保护，焊接时金属烧损和飞溅极少，又没有类似焊条电弧焊焊条头的损失，节约了焊接材料。埋弧焊的热量集中，热利用率较高，故在单位长度焊缝上所消耗的电能也大为降低。

(4)改善劳动条件埋弧焊实现了焊接过程自动化，操作简便。电弧在焊剂层下燃烧没有弧光的有害影响，放出的烟尘也较少。这样就减轻了操作者的劳动强度，改善了劳动条件。

2.埋弧焊的缺点

(1)焊接适用的位置受到限制由于采用颗粒状的焊剂进行焊接，因此一般只适用于平焊位置的焊接，如平焊位置的对接接头、角接接头以及堆焊等。

(2)焊接厚度受到限制这主要是由于当焊接电流小于100A时电弧的稳定性通常变差，因此不适用于焊接厚度小于1mm的薄板。

(3)对焊件坡口加工与装配要求较严这是因为埋弧焊时不能直接观察电弧与坡口的相对位置，故必须保证坡口的加工和装配精度，或者采用焊缝自动跟踪装置才能保证不焊偏[1]。

2.3埋弧焊的冶金特点

埋弧焊与焊条电弧焊相似，都是在电弧热作用下，产生气体、液体熔渣、液体金属之间的化学冶金反应，化学冶金过程决定了焊缝的化学成分，但埋弧焊方法也有自己的冶金特点。

1.焊缝保护效果好焊条电弧焊都是气―渣联合保护焊缝区。埋弧焊则是焊剂熔化形成液态熔渣膜围绕电弧空间，可有效阻止空气侵入电弧空间，保护作用好于焊条电弧焊。分析低碳钢焊缝金属中的含氮量可以证明，埋弧焊焊缝金属中氮的体积分数为0.002%，焊条电弧焊焊缝金属中氮的体积分数为0.02% ~0.03%。因此，埋弧焊时焊缝虽有明显的铸造组织，但仍具有较高的韧性。

2.冶金反应充分埋弧焊对焊缝的热输入打，焊缝区的金属处于液态的时间长（比焊条电弧焊长几倍），因而使得液态金属、液态熔渣和气相之间的化学冶金反应更充分，熔