授課教案首頁學年第學期機械工程學院材料技術系（部）焊接技術及自動化教研室課程名稱金屬材料焊接工藝任課教師授課形式理論教學√課內實踐□理實一體□習題復習□考核評價□其他活動□課時安排2課時序號13授課日期月日月日月日月日授課班級教學內容：3、低碳低合金調制鋼的焊接教學目標：知識目標：1、了解低碳調制鋼的成分特點2、了解低碳調制鋼的焊接性能力目標：掌握低碳調制鋼的焊接工藝要點素質目標：1、培養學生良好的操作習慣2、具有與人溝通、與人合作的社會交往能力重點難點及解決方法：要求學生熟悉低碳調制鋼的焊接工藝要點。授課地點：教室教學媒體：投影儀設備及材料：其它資源：學習效果評價方式：課堂提問及作業作業和思考題：5．低碳調質鋼的成分和性能有何特點？6．簡述低碳調質鋼的焊接工藝要點。課后小結：填表說明：1.序號，指該課程授課的順序號，應與授課計劃一致；2.授課形式在相應的選項打“√”。授課教案教學內容及過程時間分配方法及手段一、教學組織1．復習引入10分鐘2．講解45分鐘3．提問20分鐘4.小結15分鐘二、教學內容屈服點大于490MPa的高強鋼必須采用調質處理，通過組織強化獲得很高的綜合力學性能。低碳調質鋼屬于熱處理強化鋼。這類鋼既有較高的強度，又有良好的塑性和韌性，在工程結構中的應用日益廣泛。能力知識點1低碳調質鋼的成分與性能為了保證良好的綜合性能和焊接性，低碳調質鋼要求鋼中碳的質量分數不大于0.22%（實際上一般wc≤0.18%），此外添加一些合金元素如Mn、Cr、Ni、Mo、V、Nb、B、Cu等，目的是為了提高鋼的淬透性和馬氏體的回火穩定性。這類鋼由于含碳量低，淬火后得到低碳馬氏體，而且會發生“自回火”，脆性小，具有良好的焊接性。部分低碳調質鋼的化學成分和力學性能見表3-10和3-11。（教材P43和P44）抗拉強度600Mpa、700MPa的低碳調質鋼（HQ60、HQ70）主要用于工程機械、動力設備、交通運輸機械和橋梁等，這類鋼可在調質狀態下焊接，焊后不再進行調質處理，必要時可進行消除應力處理。抗拉強度800MPa的低碳調質鋼如14MnMoNbB、HQ80和HQ80C也在工程中獲得廣泛應用。為了改善野外施工焊接條件和提高低溫韌性，開發了一種含碳極低（wc≤0.09%）的調質鋼，即焊接無裂紋鋼（簡稱CF鋼），焊接時采用超低氫焊接材料，在板厚50mm以下或在0℃都可焊前不預熱。填表說明：1.本頁可續頁；2.教學方法如：項目教學、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發引導等；3.教學手段如：課件演示、模型講解、實物講解、掛圖講解、視頻講解、網絡課程等。授課教案教學內容及過程時間分配方法及手段能力知識點2低碳調質鋼的焊接性低碳調質鋼主要是作為高強度的焊接結構用鋼，因此其中碳的質量分數限制得較低，在合金成分的設計上也考慮了焊接性的要求。低碳調質鋼是熱處理強化鋼，是通過調質處理獲得強化效果的，因此焊接時在熱影響區內除會發生脆化外還有軟化問題，在選擇焊接材料時應著重考慮。一、焊接裂紋1．焊接熱裂紋低碳調質鋼一般含碳量都較低，而含Mn量較高，且對S、P的限制也較嚴格，因此焊縫金屬的結晶裂紋傾向較小。但對一些高Ni低Mn類型的低合金高強鋼來講，由于Ni的作用會增加結晶裂紋傾向，但只要選擇合適的焊接材料，提高焊縫金屬的含Mn量，就可以避免產生這種裂紋。2．焊接冷裂紋低碳調質鋼在嚴格控制焊縫擴散氫含量的情況下，對冷裂紋不敏感。一般焊縫組織為馬氏體或貝氏體。馬氏體雖然屬于淬火組織，但由于含碳量低，仍保持了較高的韌性；而且這類鋼的Ms點比較高（400℃），如果焊接時控制在Ms點附近的冷卻速度比較低，馬氏體形成后可以進行一次“自回火”過程，使韌性得到改善，因此可以避免產生冷裂紋。低碳調質鋼對擴散氫比較敏感，如果焊縫中擴散氫含量較多時，冷裂紋敏感性還是相當高的。因此，焊接時必須選用低氫或超低氫焊接材料，并嚴格控制焊接區氫的來源。3．消除應力裂紋低碳調質鋼中大都含有Cr、Ni、Mo、V、Nb、B等提高消除應力裂紋敏感性的元素，其中影響最大的是V，其次是Mo，二者共存時情況更嚴重。一般認為Mo-V系的鋼，特別是Cr-Mo-V系的鋼對消除應力裂紋最敏感；Mo-B和Cr-Mo系的鋼也有一定的敏感性。但不同成分的鋼對該裂紋的敏感溫度范圍有所差別，焊接時可通過一定的工藝措施，如控制預熱和后熱溫度、降低消除應力退火溫度等，來防止消除應力裂紋的發生。填表說明：1.本頁可續頁；2.教學方法如：項目教學、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發引導等；3.教學手段如：課件演示、模型講解、實物講解、掛圖講解、視頻講解、網絡課程等。授課教案教學內容及過程時間分配方法及手段二、熱影響區性能變化1、熱影響區脆化低碳調質鋼熱影響區脆化的原因和規律與熱軋及正火鋼都不同。這類鋼經調質處理后的組織是低碳馬氏體或下貝氏體，都有較高的韌性，因此產生正常的淬火組織不是引起脆化的原因。典型低碳調質鋼連續冷卻曲線如圖3-2所示，可以看出奧氏體向珠光體的轉變大大推遲，當冷卻速度較低時，會形成由鐵素體F、高碳馬氏體M和高碳貝氏體B組成的混合組織，這種混合組織是過熱區嚴重脆化的主要原因。2．熱影響區軟化熱影響區軟化是指其強度和硬度下降的現象，是焊接調質鋼時普遍存在的問題。熱影響區內凡是加熱溫度高于母材回火溫度至Ac1的區域，由于組織轉變及碳化物的沉淀和聚集長大引起軟化，而且溫度越接近Ac1的區域，軟化越嚴重，如圖3-3所示。鋼材的強度級別越高，焊前母材強化程度越大（母材調質處理的回火溫度越低），焊后熱影響區的軟化越嚴重。低碳調質鋼熱影響區的軟化是由母材的強化特性決定的，只能通過一定的工藝措施來防止。軟化區的寬度和軟化程度與焊接方法和熱輸入有很大關系，低碳調質鋼焊接時不宜采用大的焊接熱輸入和較高的預熱溫度。填表說明：1.本頁可續頁；2.教學方法如：項目教學、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發引導等；3.教學手段如：課件演示、模型講解、實物講解、掛圖講解、視頻講解、網絡課程等。授課教案教學內容及過程時間分配方法及手段圖圖3-3調質鋼熱影響區的硬度分布A-焊前淬火+低溫回火B-焊前淬火+高溫回火C-焊前退火1-淬火區2-部分淬火區3-回火區能力知識點3低碳調質鋼的焊接工藝要點低碳調質鋼焊接時要注意兩個基本問題：一是要求在馬氏體轉變時的速度不能太快，使馬氏體能夠發生“自回火”過程，以免產生冷裂紋；二是要使熱影響區在800～500℃之間的冷卻速度大于產生脆性混合組織的臨界冷卻速度。這兩個問題是制定低碳調質鋼焊接工藝的主要依據。1．焊前準備對于屈服點大于600MPa的低碳調質鋼，接頭形式盡量采用對接接頭，坡口以U形或V形為好,為減小應力還可采用雙U形或雙V形坡口。低碳調質鋼可以用氣割方法切割坡口，但割縫邊緣有硬化層，應通過加熱或機械加工消除。板厚小于100mm時，切割前不需預熱；板厚大于100mm時，應進行100～150℃的預熱。強度級別較高的鋼，應盡量采用機械切割或等離子切割方法，以減小硬化層。2．焊接方法低碳調質鋼在焊接時需要解決的問題：一是防止裂紋；二是在保證獲得高強度的同時，提高焊縫金屬和熱影響區的韌性。屈服點σs≥980MPa的低碳調質鋼焊接時，需要采用鎢極氬弧焊或真空電子束焊才能獲得毛滿足要求的焊接接頭；對于屈服點σs＜980MPa的低碳調質鋼，焊條電弧焊、埋弧焊、熔化極氣體保護焊和鎢極氬弧焊等焊接方法都可以采用，但對屈服點σs≥686MPa的低碳調質鋼，熔化極氣體保護焊（如Ar+CO2混合氣體保護焊）是最合適的焊接方法。填表說明：1.本頁可續頁；2.教學方法如：項目教學、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發引導等；3.教學手段如：課件演示、模型講解、實物講解、掛圖講解、視頻講解、網絡課程等。授課教案教學內容及過程時間分配方法及手段3．焊接材料：低碳調質鋼焊接材料的選擇原則是“等強匹配”或“低強匹配”，任何情況下都不可選擇“超強匹配”。不同強度級別的低碳調質鋼焊接材料的選用見表3-12。鋼種焊條電弧焊埋弧焊氣體保護焊焊絲焊劑焊絲保護氣14MnMoVNE7015-D2E7015-GH08Mn2NiMoAH08Mn2NiMoVAHJ250HJ350H08Mn2SiAH08Mn2MoACO2或Ar+CO214MnMoNbBE7015-D2E7015-GE7515-GE8015-GH08Mn2MoAH08Mn2Ni2CrMoAHJ350H08Mn2MoAH08MnNi2MoCO2或Ar+CO2HQ80E8015-GE7515-G--H08MnNi2MoAER110CO2或Ar+CO2(20%)HQ100E9015-GE1005-G--H08MnNi2CrMoAAr+CO2(5%～20%)4．焊接參數（1）焊接熱輸入：從防止熱影響區脆化出發，要求冷卻速度較快為好；而從防止冷裂來講，要求冷卻速度越慢越好，因此確定冷卻速度應該兼顧兩者的要求，選擇一個合適的范圍，上限要不產生冷裂，下限要不產生引起脆化的混合組織，如圖3-2中的陰影區域是既能得到良好韌性，又能保證不產生冷裂的冷卻速度范圍。選擇焊接熱輸入的原則是：在保證不出現裂紋和滿足熱影響區韌性的條件下，應選擇盡可能大的焊接熱輸入。例如，HQ70鋼焊接時的預熱溫度和最大焊接熱輸入見表3-13。鋼種板厚/mm預熱溫度/℃道間溫度/℃焊接熱輸入/kJ·cm-1焊條電弧焊氣體保護焊埋弧焊HQ706～13502550≤150≤2513～2675～1005050～75≤200≤4526～5012575100≤220≤48HQ80C6～13505050≤150≤2513～2675～10050～7575～100≤200≤4526～50125100125≤220≤48填表說明：1.本頁可續頁；2.教學方法如：項目教學、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發引導等；3.教學手段如：課件演示、模型講解、實物講解、掛圖講解、視頻講解、網絡課程等。授課教案教學內容及過程時間分配方法及手段（2）預熱和后熱溫度低碳調質鋼在板厚不大、接頭拘束度較小的情況下焊接時可以不預熱。但當焊接熱輸入提高到最大允許值還不能避免裂紋時，就必須采取預熱措施。一般采用較低的預熱溫度（T0≤200℃）。預熱主要為降低馬氏體轉變時的冷卻速度，使馬氏體能實現“自回火”來提高抗裂性能。預熱溫度過高，不僅對防止冷裂沒有必要，反而會使800～500℃的冷卻速度低于出現脆性混合組織的臨界冷卻速度，使熱影響區韌性下降。所以要避免不必要的提高預熱溫度，也包括道間溫度。兩種低碳調質鋼的最低預熱溫度和道間溫度見表3-14。低碳調質鋼焊接結構一般是在焊態下使用，正常情況下不進行焊后熱處理。除非焊后接頭區強度和韌性過低、結構要求耐應力腐蝕以及焊后需要進行高精度加工來保證結構尺寸等，才進行焊后熱處理。為了保證材料的強度性能，焊后熱處理溫度必須比母材原調質處理的回火溫度低30℃。板厚/mm14MnMoVN14MnMoNbB＜13--13～1650～100100～15016～19100～150150～0019～22100～150150～20022～25150～200200～25025～35150～200200～250能力知識點4典型鋼WCF62的焊接工藝要點WCF62鋼是在940℃水淬+630℃回火調制狀態下進行加工和焊接的。為了保證母材性能在制造過程中不下降，不允許采用熱彎、熱卷成形，矯正的加熱溫度不得超過焊前回火溫度。焊接方法一般用焊條電弧焊、CO2或（Ar+CO2）氣體保護電弧焊。焊條選用E6015–G型，如J607RH等。焊條烘焙溫度400℃×1h，烘后應立即放入低溫干燥保溫桶內，隨用隨取。焊條在保溫桶內存放的時間不應超過4h。烘后焊條允許在大氣中放置的時間按生產廠家的規定。填表說明：1.本頁可續頁；2.教學方法如：項目教學、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發引導等；3.教學手段如：課件演示、模型講解、實物講解、掛圖講解、視頻講解、網絡課程等。授課教案教學內容及過程時間分配方法及手段氣體保護焊焊絲為Mn-Si-Mo系或Mn-Ni-Mo系焊絲。保護氣體的純度及含水量應嚴加控制，CO2氣體應符合GB/T6052-1993中規定的Ⅰ級或Ⅱ級1類氣體的要求。焊接熱輸入對熱影響區的韌性有明顯的影響，熱輸入上升，韌性下降。最佳熱輸入為17～25kJ/cm，允許熱輸入為10～40kJ/cm。預熱溫度與擴散氫[H]有關，當焊條經400℃烘干，[H]＜2mL/100g時可不進行預熱。板厚較大或母材的CE（或Pcm）偏高時，應進行50℃的預熱。一般情況下，焊后不需進行熱處