12MnNiCuV 焊接性分析
学 校：湖北工业大学学 院：机械工程学院专业班级：材料成型及控制工程专业学生姓名：夏中杰学 号：指导老师：王志伟老师
级 焊接1班 0910100a11 王立世老师
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目 录
一．12MnNiCuV化学成分及主要合金元素的作用··············1
二．12MnNiCuV的力学性能································4
三．12MnNiCuV的SHCCT图分析····························5
四．12MnNiCuV的焊接性分析······························6
五．12MnNiCuV的焊材搭配································8
六．参考资料···········································11
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一.12MnNiCuV化学成分及主要合金元素的作用
12MnNiCuV是一种低合金高强钢，低合金高强钢碳含量较低，一般碳的质量分数在0.22%以下，屈服强度为295~490MPa，在正火状态下使用，属于非热处理强化钢。这类钢价格便宜，具有良好的综合力学性能和加工工艺性能，广泛应用于常温下工作的一些受力结构，如压力容器、动力设备、工程机械、桥梁、建筑结构和管线等。12MnNiCuV化学成分比例如下表1所示。
表1：12MnNiCuV的化学成分组成（%）【1】
C Si Mn S P Cr — Ni 0.70 Mo — Cu V Al 0.128 0.354 1.19 0.012 0.009 0.59 0.125 0.009
12MnNiCuV主要的化学元素除了C以外有Si、Mn、Ni、Cu、V等和少量的S、P等元素，每种元素在钢种的作用不同，除了S、P等一些危害元素外，大部分都可以提高12MnNiCuV的性能。
1.1.碳（C）的作用
钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当碳量0.23%超过
时，钢的焊接性能变坏。低碳量还会提高12MnNiCuV钢的耐大气腐蚀能力。
1.2.硅(Si)的作用
在12MnNiCuV钢中，硅能提高此钢的硬度和强度，其作用仅次于磷，较锰、镍、铬、钨、钼和钒等元素强。硅还能能提高钢的弹性极限、屈服强度和屈服比(σs/σb)以及疲劳强度等。含硅的钢在氧化气氛中加热时，表面将形成一层SiO2薄膜，从而提高钢在高温时的抗氧化性。
但是硅还能降低钢的焊接性能，而且硅与氧的亲合力硅比铁强，在焊接时容易生成低熔点的硅酸盐，增加熔渣和熔化金属的流动性，引起喷溅现象，影响焊缝质量。
1.3.锰（Mn）的作用
能消除或减弱由于硫所引起的钢的热脆性，从而改善钢的热加工性能。 锰和铁形成固
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溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度；同时又是碳化物形成元素，进入渗碳体中取代一部分铁原子。锰在钢中由于降低临界转变温度。起到细化珠光体的作用。也间接地起到提高珠光体钢强度的作用；锰稳定奥氏体组织的能力仅次于镍，也强烈增加钢的淬透性。
1.4.硫（S）的作用
硫在钢中为有害元素。在高温下，降低钢的塑性，是一种有害元素，它以熔点较低的FeS的形式存在；单独存在的FeS的熔点只有1190℃ ，而在钢中与铁形成共晶体的共晶温度更低，只有988℃ ，当钢凝固时，硫化铁析集在原生晶界处。钢在1100-1200℃进行轧制时，晶界上的FeS就将熔化，大大地削弱了晶粒之间的结合力，导致钢的热脆现象。钢中含硫量偏高，焊接时由于SO2的产生，将在焊接金属内形成气孔和疏松，因此对硫应严加控制，在为了防止因硫导致的脆性，在此钢中锰的量远高于硫，使其形成熔点较高的MnS。
1.5.磷（P）的作用
一般来说，磷是钢中的有害元素。因此通常要求钢中含磷量小于0.045%，优质钢要求更低些。它使焊接性能变坏；特别是使钢的脆性转折温度急剧上升，即提高钢的冷脆性（低温变脆），使冷弯性能变坏。磷能提高钢的强度，但降低塑性和韧性。由于磷的有害影响，同时考虑到磷有较大的偏析，因而对其含量要严格的控制。但是在含碳量比较低的钢种中，磷的冷脆危害比较小。在这种情况下，可以用磷来提高钢的强度，如生产的高强度IF钢就需要加入磷。另外，在适当的情况下，还利用磷的其他一些有益作用，如增加钢的抗大气腐蚀能力，如集装箱用钢；提高磁性，如电工硅钢；改善钢材的易切削加工性，减少热轧薄板的粘结等。
1.6.镍（Ni）的作用
镍能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性。镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。但由于镍是较稀缺的资源，故应尽量采用其他合金元素代用镍铬钢。
在钢中的作用：（1）可提高钢的强度而不显著降低其韧性。（2）镍可降低钢的脆性转变温度，即可提高钢的低温韧性。（3）改善钢的加工性和可焊性。（4）镍可以提高钢的抗腐蚀能力，不仅能耐酸，而且能抗碱和大气的腐蚀。
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1.7.铜（Cu）的作用
铜是奥氏体形成元素。作用有：改善耐蚀能力，低碳钢含铜1％，抵抗大气腐蚀较不含铜的高出4倍；不锈钢中加铜3－4％，也有帮助不锈钢防蚀作用。可以增加钢的强度，不宜超过0.2％，借助沉淀硬化来提高合金的抗拉强度；铜在那些不发生沉淀硬化的钢中能够轻微的提高屈服强度。在碳钢中它提高淬透性并降低延展性。提高钢的深冲性能，如0Cr18Ni9Cu3，可以做成各种耐蚀的铆钉。作为强化元素加入，起到沉淀硬化的作用。在抗菌不锈钢中加入，特殊处理后，析出相有较好的杀菌作用。缺点是在热加工时容易产生热脆，铜含量超过0.5%塑性显著降低。当铜含量小于0.50%对焊接性无影响。铜有石墨化作用。
1.8.钒（V）的作用
钒是显著的强化元素，能提高焊缝金属的屈服点和抗拉强度。在一定的含量范围内，能改善焊后状态焊缝金属的冲击韧性。但是当含钒的焊缝金属进行消除应力处理时，由于形成了共格碳化物而使韧性急剧下降，强度性能大大提高。应此，含钒的焊缝金属最好不作焊后消除应力处理。如必要作消除应力处理，则必须严格控制焊件在消除应力处理时的温度。为不使焊件的热处理工艺复杂化，焊缝金属中的钒含量应在0.08%以下。
1.9.铝（Al）的作用
铝是钢中常用的脱氧剂。用作炼钢时的脱氧定氮剂，细化晶粒，提高冲击韧性。抑制低碳钢的时效，改善钢在低温时的韧性，特别是降低了钢的脆性转变温度；提高钢的抗氧化性能。当铝和铬配合并用时，其抗氧化性能有更大的提高。由于铝的这一作用，常把铝作为合金元素加入耐热钢中。铝与铬、硅合用，可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力。此外，铝还能提高对硫化氢的抗腐蚀性。 其缺点是：①脱氧时如用铝量过多，将促进钢的石墨化倾向。②当含铝较高时．其高温强度和韧性较低。是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。
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二.12MnNiCuV的力学性能
12MnNiCuV其机械强度如表2所示：
表2：12MnNiCuV的力学性能【1】
钢材型号 机械强度（N/mm²） σb 579 σs 463 12MnNiCuV 测定条件：Tm=1350℃
由表2可知，12MnNiCuV具有良好的综合力学性能和加工工艺性能，并且
这类钢价格便宜 ，在世界各国都得到了广泛的应用。
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三.12MnNiCuV的SHCCT图分析
图1:12MnNiCuV的焊接SHCCT图【1】
从图中可以看出，有上到下依次是F:铁素体转变区，P:珠光体转变区，Zw:中间组织转变区以及M:马氏体转变区。不同的冷却曲线经过了不同的区域就会得到不相同的室温组织。通过分析这些曲线可以控制冷却速度从而达到改变焊接组织的目的。正火钢随合金元素的增多，淬硬倾向增大，12MnNiCuV高温转变区内过冷奥氏体较稳定，冷却下来很容易得到贝氏体和马氏体，冷裂倾向较大 。
曲线b-d为从奥氏体开始析出铁素体的曲线；c-e为从奥氏体开始析出珠光体的曲线，同时也是铁素体析出结束曲线；a-b-c-f为从奥氏体析出中间组织的曲线，其中b-c也是铁素体析出结束曲线，c-f为珠光体析出结束曲线；Ms-a-g为马氏体开始转变曲线，其中a-g为中间组织转变结束线。
例如当室温组织HV=365时，冷却速度为（400-100）/（100-10）=3.33℃/s，得到的组织为15%贝氏体+85%马氏体，当想要使马氏体的含量增加，贝氏体的含量减少时，即使该曲线往左移，使冷却速度增大。
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四.母材12MnNiCuV的焊接性分析
根据合金钢强度的分类可知，12MnNiCuV是属于热轧及正火钢。
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热轧及正火钢的焊接性：
1）裂纹及影响因素
（1）冷裂纹：热轧钢含有少量的合金元素，碳当量比较低，一般情况下冷裂倾向不大。
正火钢随碳当量及板厚的增加，淬硬性及冷裂倾向增大。
碳当量：通常，碳当量越高，冷裂敏感性越大。
计算公式为CE = C + Mn/6 + Si/24 + Ni/40 + Cr/5 + Mo/4 + V/14(%)，计算结果为CE=0.353，一般认为CE≤0.4%时，钢材在焊接过程中基本无淬硬倾向，冷裂敏感性小。并且由表3可知，该钢材可不用预热。
表3：根据钢材强度和碳当量确定预热温度 钢材强度级别σb/MPa 500 600 700 800 碳当量界限Cep（JIS）（%） 0.46 0.52 0.52 0.62 工艺措施 焊接时不需预热 焊前预热750C 焊前预热100C 焊前预热1500C 0
（2）热裂纹：热裂纹敏感指数的计算公式为 HCS=C(S+P+Si/25+Ni/100)/(3Mn+Cr+Mo+V)*100%
经过计算可知，12MnNiCuV的HCS=1.46，当HCS小于4的时候一般不会产生热裂纹。 （3）消除应力裂纹：消除裂纹一般产生在热影响区的粗晶区，裂纹沿熔合区方向在粗晶区的奥氏体晶界断续发展，产生原因与杂志元素在奥氏体晶界偏聚及碳化物“二次硬化”导致的晶界催化有关。消除应力裂纹的产生一般须有较大的焊接残余应力，因此在拘束度大的厚大工件中或应力集中部位更易于出现消除应力裂纹。
其判断公式：△G%＝Cr+3.3Mo+8.1V+10C-2。△G%＞2时，对消除应力裂纹敏感；1.5＜△G%＜2时，一般；△G%＜1.5时，对消除应力裂纹不敏感。
经过计算，可知12MnNiCuV的△G%=0.2925＜1.5，对消除应力裂纹不敏感。 （4）层状撕裂：只有经过精炼，含S量在0.005%以下的钢才具有良好的抗层状撕裂性能。12MnNiCuV含S量大于0.005%，要采取预热和降低氢含量的措施。
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2）热影响区的脆化
（1）过热区脆化：过热区是指热影响区中熔合线附近母材被加热到1100℃以上的区域。由于该区温度高，奥氏体晶粒显著长大和一些难熔化质点而导致了性能的改变。 正火钢过热区的脆化问题：正火钢除固溶强化外，还有沉淀强化作用，须通过正火提高性能。在热轧态时，沉淀相不能充分均匀析出，强度、韧性都下降。焊接正火钢时，焊接热影响区（HAZ）高于1100℃区，焊接线能量大时，破坏材料原先正火态的有利组织状态和良好综合性能，恢复到正火前的热轧状态，因此焊后重新正火处理可改善塑韧性。同时采用小热输入焊接可避免这类正火钢过热区脆化。
（2）热应变脆化：是指在200~AC1摄氏度温度范围内，受较大的塑性变形（5%~10%）之后，出现断裂韧性明显下降，脆性转变温度明显升高的现象。热应变脆化容易发生于一些固溶氮含量较高的低碳钢和强度级别不高的低合金钢。
预防措施：加入足量N化物形成元素（Al、Ti、V等），可使脆性倾向降低。
若发生了热应变脆化，则可采用焊后退火处理来有效消除热应变脆化。
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五.12MnNiCuV的焊材搭配
根据合金钢强度的分类可知，12MnNiCuV是属于热轧及正火钢，板厚为5mm。板厚不大，
对于高强钢焊接方法的选取,大都采用焊接热输入密度集中、效率高、熔池保护及脱氢效果好、焊接变形小的CO2焊或者富氩混合气体保护或者低氢型焊条的焊条电弧焊。这里采用焊条电弧焊。因为焊后一般不调质，故要求所得焊缝金属在焊态下应具有接近母材的力学性能，即采用等强原则。可选用牌号为J556RH、型号为E5516-G的焊条。
该焊条是低氢钾型药皮的超低氢高韧性焊条，交直流两用，可全位置焊，焊缝具有优良的塑、韧性和抗裂性；用于船舶、压力容器等低合金钢重要焊接结构。其熔敷金属化学成分及力学性能见表4。
熔敷金属化学成分/% C ≤0.12 力学性能 Mo 其他 σb/MPa σ— ≥540 0.2Mn Si Cu Ni /Mpa δ5/% Akv/J ≥1.0 0.30~0.70 — ≤0.85 — ≥440 （40℃） ≥17 ≥34表4 E5516-G焊条的熔敷金属化学成分及力学性能【3】
计算焊缝化学成分：C0=θCb+（1-θ）Ce（θ=0.3）【4】
式中 C0--某元素在焊缝金属中的原始质量百分浓度（%）； Cb--该元素在母材中的质量百分浓度（%）； Ce--该元素在焊条中的质量百分浓度（%）； θ--熔合比。
表 5 焊缝中各元素化学成分
C ≤0.1224 Si 0.3162~0.5962 Mn ≥1.057 S P Cr — Ni ≤0.805 Mo — Cu V Al 0.0036 0.0027 0.177 0.0375 0.0027
焊接参数的选择
对12MnNiCuV钢进行碳当量及冷裂纹敏感指数计算，得到CE=0.353，HCS=1.46， △G%=0.2925，可知焊前不需预热。选用低氢钾型焊条E5516-G，由表6和表7可选焊条 直径为3.2mm，选用焊接电流100A，交、直流电源两用。【5】
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表6 焊条直径的选择
焊件厚度（mm） ≤1.5 2 3 4~5 6~12 ≥13 焊条直径（mm） 1.5 2
3.2 3.2~4 4~5 4~6 表7 电流大小和极性选择
项目 焊接电流强度 焊条直径（mm） 1.6 焊接电流（A） 25~40 2.0 选择依据 2.5 3.2 4.0 5.0 5.8 40~65 50~80 100~130 160~210 200~270 260~300 平焊时，可选用较大的电流进行焊接；横焊、立焊、仰焊时，电流比平焊小10%~20%。 电流种类和极性 低氢钾型焊条和酸性焊条，使用于交直流电源两用；低氢钠型焊条适用于直流反接。
焊后热处理：热轧及正火钢一般不需要焊后热处理。由前面计算可知，12MnNiCuV冷裂敏 感性及热裂敏感性均都比较小，不易产生冷裂纹及热裂纹，而且该钢材对消 除应力裂纹不敏感。由于母材的板厚为5mm，层状撕裂倾向不明显，但是该 母材的含硫量为0.009%＞0.005%，所以可以采取适当的预热措施。
注意事项：1.焊接前焊条需经350-400℃烘焙1-1.5h，放在100-150℃的保温箱内，随用 随取，其允许重复烘干次数为3次。 2.焊前清除焊件铁锈、油污、水分等杂质。 3.焊接时采用短弧，以窄道焊为宜。
4.焊接工作结束时，应及时回收剩余的焊接材料。回收的焊接材料必须标记清 楚，整洁、无污染。
焊后质量检测 1. 焊缝外观检测
主要以肉眼观察为主，可采用样板、量具和放大镜对焊缝外观尺寸、成形情况进行检
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测，要求如下：外观尺寸符合设计图样的规定，无裂纹、气孔、未熔合、未焊透、咬边等，焊缝与母材过渡圆滑。 2 .焊缝内部检测
根据所学有四种无损检测方法：射线检测、超声波检测、磁力检测、渗透检测，它们都有各自的优势和应用范围。这里采用渗透检测方法。
着色渗透探伤法属于无损探伤中的一种方法，就是在清洗过的工件表面涂上渗透剂，如果有缺陷，渗透剂就会渗入缺陷中。然后把工件表面多余的渗透剂清除干净，再涂上显像剂，由于毛细现象，缺陷里残存的渗透剂被吸出。【6】
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六．参考资料
【1】《焊接连续冷却转变图及其应用》顾玉熹 王宗杰机械工业出版社 【2】《焊接冶金学--材料焊接性》李亚江 主编 机械工业出版 【3】《焊接材料的选用》李亚江 主编 化学工业出版社 【4】《焊接冶金学（基本原理）》张文铖 主编 机械工业出版社 【5】《简明焊工技术手册》 刘森 编著 金盾出版社 【6】《焊接检验》 赵熹华 主编 机械工业出版社
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