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15授課日期月日月日月日月日授課班級教學內容：4、中碳調制鋼的焊接教學目標：知識目標：1.了解中碳調制鋼的成分特點2、了解中碳調制鋼的焊接性能力目標：掌握中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：要求學生熟悉中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：1、同一牌號的中碳調質鋼分別在調質狀態和退火狀態下焊接，其工藝有什么差別？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、教學內容中碳調制鋼中碳調質鋼中碳和其他合金元素的含量都較高，通過調質處理獲得較高的強度。其中加入合金元素的作用是保證淬透性和提高抗回火性，而其強度主要還是取決于含碳量。但隨含碳量的增加，鋼的焊接性明顯變差，焊接時必須采取嚴格的工藝措施，焊后必須經過調質處理才能達到使用要求的接頭性能。能力知識點1中碳調質鋼的成分和性能中碳調質鋼都是在淬火+回火狀態下使用，屈服點達880～1176MPa以上，具有高的比強度和高硬度，可以用作火箭外殼和裝甲鋼等。其中碳的質量分數為wc=0.25%～0.5%，并加入合金元素（如Mn、Si、Ni、Cr、Mo、V、Ti等），以保證鋼的淬透性，消除回火脆性，再通過調質處理獲得較好的綜合性能。中碳調質鋼的淬硬性比低碳調質鋼高得多，淬火后得到馬氏體組織，再經回火得到的是片狀馬氏體，屬于硬脆組織，因此鋼的韌性較低，給焊接帶來很大困難。按照合金系統，中碳調質鋼大概可以歸納為以下幾種：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1．Cr鋼40Cr是一種廣泛使用的含Cr調質鋼，具有良好的綜合力學性能、較高的淬透性和較高的疲勞強度，用于制造較重要的在交變載荷下工作的機器零件，如齒輪和軸類。Cr能增加高溫或低溫的回火穩定性，但Cr鋼有回火脆性。該鋼中wCr＜1.5%時能有效提高鋼的淬透性，繼續增加無實際意義；當wCr=1%時對鋼的塑性和韌性略有提高；當wCr＞2%時對塑性影響不大，但略使鋼的沖擊韌度降低。2．Cr-Mo鋼35CrMoA和35CrMoVA屬于Cr-Mo鋼系統，是在Cr鋼基礎上發展起來的中碳調質鋼，具有良好的強度和韌性匹配，一般在動力設備中用于制造一些承受負荷較高、截面較大的重要零部件，如汽輪機葉輪、主軸和發電機轉子等。Cr鋼中加入少量Mo（wMo=0.15%～0.25%）可以消除Cr鋼的回火脆性，提高淬透性和高溫強度；V可以細化晶粒，提高強度、塑性和韌性，增加高溫回火穩定性。但由于鋼中的含碳量較高，淬透性較大，因此焊接性較差，一般要求焊前預熱和焊后熱處理。3．Cr-Mn-Si鋼30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A和40CrMnSiMoVA都屬于Cr-Mn-Si鋼系統，這類鋼的顯著特點是強度很高，但焊接性差，在飛機制造中應用較多。30CrMnSiA是一種典型的Cr-Mn-Si系統的中碳調質鋼，其中不含貴重的Ni，因此在我國得到廣泛應用。在退火狀態下，它的組織是鐵素體+珠光體，調質狀態下的組織為回火索氏體。Cr-Mn-Si系鋼具有回火脆性的缺點，在300～450℃內出現第一類回火脆性，同時還具有第二類回火脆性，因此高溫回火時必須采取快速冷卻的辦法，否則韌性會顯著降低。4．Cr-Ni-Mo鋼40CrNiMoA和34CrNi3MoA屬于Cr-Ni-Mo系統，具有良好的綜合性能，如強度高、韌性好、淬透性大等優點，主要用于制造高負荷、大截面的軸類和承受沖擊載荷的構件，如汽輪機、噴氣渦輪機軸、噴氣式客機的起落架及火箭發動機外殼等。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中碳調質鋼的焊接性1．焊縫中的熱裂紋中碳調質鋼含碳量及合金元素含量都較高，因此液-固相溫度區間大，結晶時成分偏析也較嚴重，焊接時易產生結晶裂紋，具有較大的熱裂紋傾向。為防止熱裂紋，焊接時盡量采用含碳量低和雜質S、P含量低的焊接材料；在焊接工藝上應注意填滿弧坑和保證良好的焊縫成形，因為熱裂紋容易出現在未填滿的弧坑處，尤其是多層焊的第一層焊道的弧坑中以及焊縫的凹陷部位。2．焊接冷裂紋中碳調質鋼含碳量及合金元素含量都較高，尤其是加入了增加淬透性的元素，因此淬硬傾向十分明顯，焊接熱影響區易出現硬脆的馬氏體組織，增大了焊接接頭的冷裂紋傾向。母材含碳量越高，淬硬性越大，焊接冷裂紋傾向也越大。同時，中碳調質鋼由于Ms點較低，形成的馬氏體難以產生“自回火”作用，并且馬氏體中的含碳量較高，形態多為片狀甚至針狀，使得馬氏體的硬度和脆性也更大，因此中碳調質鋼比低碳調質鋼對冷裂紋的敏感性更大。3．熱影響區脆化中碳調質鋼的淬硬傾向很大，在焊接熱影響區的過熱區容易產生大量的脆硬高碳馬氏體組織，導致過熱區脆化。生成的馬氏體越多，脆化越嚴重。中碳調質鋼為防止過熱區脆化應采用小的焊接熱輸入，同時采取預熱、緩冷和后熱等措施。4．熱影響區軟化對于必須在調質狀態下焊接的中碳調質鋼，需要考慮熱影響區軟化問題。鋼材調質狀態下被加熱到該鋼調質處理的回火溫度以上時，焊接熱影響區將出現強度、硬度低于母材的軟化區，一般加熱溫度在Ac1～Ac3的部位軟化最明顯。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中碳調質鋼強度級別越高，軟化越嚴重，并且軟化程度和軟化區的寬度與焊接熱輸入、焊接方法有很大關系。焊接熱輸入越小，加熱和冷卻速度越快，軟化程度越小，軟化區的寬度也越窄。從圖3-4可以看出，30CrMnSi采用氣焊時，軟化區的抗拉強度降為590～685MPa，而采用焊條電弧焊時軟化區強度為880～1030MPa；氣焊時的軟化區比電弧焊時要寬得多。因此，焊接熱源越集中，對減少軟化越有利。能力知識點3中碳調質鋼的焊接工藝特點中碳調質鋼淬透性很大，焊后的淬火組織是脆硬的高碳馬氏體，不僅對冷裂敏感，而且焊后如果不經過熱處理，熱影響區性能達不到母材性能。這類鋼一般是在退火狀態下焊接，焊后經過整體調質處理以獲得滿足要求的焊接接頭；但有時必須在調質狀態下進行焊接，這種情況下熱影響區的性能惡化很難解決。一、在退火狀態下焊接1．焊接方法中碳調質鋼焊接的合理工藝方案是在退火（或正火）狀態下進行焊接，焊后再進行整體調質處理，實際上大多數中碳調質鋼焊接是采用該方案。焊接時的主要問題是裂紋，熱影響區性能可以通過焊后調質處理來保證。因此對焊接方法幾乎沒有限制，常用的焊接方法有焊條電弧焊、埋弧焊和氣體保護焊等。采用熱量集中的脈沖氬弧焊、等離子弧焊及電子束焊等，有利于減小熱影響區寬度，獲得細晶組織，提高接頭力學性能。薄板焊接多采用氣體保護焊、鎢極氬弧焊和微束等離子弧焊等方法。2．焊接材料在選擇焊接材料時，除應保證焊接時不產生冷裂紋、熱裂紋外，還應考慮焊縫金屬的主要合金系統應盡量與母材相似，并對能使焊縫金屬熱裂傾向增加和促使金屬脆化的元素（C、Si、S、P等）嚴格限制，以使焊縫金屬在焊后經過與母材相同的調質處理規范后，性能與母材相同。常用鋼種焊接材料選用見表3-17。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鋼牌號焊條電弧焊氣體保護焊埋弧焊保護氣體焊絲焊絲焊劑30CrMnSiAE8515-GE10015-GCO2H08Mn2SiMoAH08Mn2SiAH20CrMoAH18CrMoAHJ431HJ260ArH18CrMoA30CrMnSiNi2A-ArH18CrMoAH18CrMoAHJ350HJ26035CrMoAE8515-GArH20CrMoAH20CrMoAHJ26035CrMoVAE8515-GE10015-GArH20CrMoA--34CrNi3MoAE8515-GArH20Cr3MoNiA--40CrE8515-GE9015-GE10015-G----3．焊接參數在焊后進行調質處理的情況下，確定焊接參數的出發點主要是保證在調質處理前不出現裂紋，接頭性能可不必考慮太多。一般中碳調質鋼應采用盡可能小的焊接熱輸入，這樣可以降低熱影響區脆化，同時采用預熱和后熱等措施以提高抗冷裂性能。4．預熱和后熱處理預熱和后熱處理是中碳調質鋼焊接時的重要工藝措施，是否預熱及預熱溫度的高低取決于焊件結構和生產條件，除拘束度小，結構簡單的薄板結構不需預熱外，一般情況下，中碳調質鋼焊接時都需要預熱和后熱處理，預熱溫度一般為200～350℃。常用中碳調質鋼的預熱溫度見表3-19。鋼號預熱溫度/℃說明30CrMnSiA200～300薄板可不預熱40Cr200～300-30CrMnSiNi2A300～350預熱溫度應一直保持到焊后熱處理填表說明：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對于焊后不能立即進行調質處理的焊接結構，為了保證冷卻到室溫后，在調質前不出現延遲裂紋，需要在焊后及時進行一次中間熱處理，即焊后在等于或高于預熱溫度下保溫一段時間的熱處理，如低溫回火或650～680℃的高溫回火。如果采用局部預熱，預熱的溫度范圍應在焊縫兩側不小于100mm。常用中碳調質鋼的焊后熱處理溫度見表3-20。鋼號焊后處理/℃說明30CrMnSiA淬火+回火：480～700使焊縫金屬組織均勻化，焊接接頭獲得最佳性能30CrMnSiNi2A淬火+回火：200～30030CrMnSiA回火：500～700消除焊接應力，以便于冷加工30CrMnSiNi2A二、在調質狀態下焊接當必須在調質狀態下進行焊接時，主要問題是焊接裂紋和熱影響區的脆化和軟化。為減小熱影響區軟化，應盡量選擇熱量集中、能量密度大的焊接方法，而且焊接熱輸入越小越好。氣焊最不合適；氣體保護焊比較好，尤其是鎢極氬弧焊，熱量容易控制，焊接質量容易保證；而脈沖氬弧焊、等離子弧焊和電子束焊效果更好；但從經濟性和方便性考慮，目前焊接這類鋼還是焊條電弧焊應用