硕士毕业论文34650

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1、学校代号 10731 学 号 092430105009 分 类 号 TG172；TG455 密 级 公开 工程硕士学位论文42CrMo机车零件焊接修复及其磁痕分析学位申请人姓名 培 养 单 位 材料科学与工程学院 导师姓名及职称 教授 学 科 专 业 材料工程 研 究 方 向 先进焊接技术 论文提交日期 2011年4月20日 学校代号：10731学号：092430105009密级：公开兰州理工大学硕士学位论文42CrMo机车零件焊接修复及其磁痕分析学位申请人姓名： 导师姓名及职称： 教授 培养单位： 材料科学与工程学院 专业名称： 材料工程 论文提交日期： 2011年4月20日 论文答辩日期：

2、 2011年5月30日 答辩委员会主席： 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全

3、部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日摘 要4Abstract5第1章 绪论61.1 引言61.2 曲轴和连杆的应用和发展61.2.1曲轴61.2.2连杆71.3 TIG和堆焊的特点及应用111.3.1 TIG特点及应用111.3.2堆焊的特点及应用121.4 现阶段无损检验主要方法131.4.1 无损检测的概述和研究进展131无损检测的定义132无损检测与评价的特点143无损

4、检测的研究与实践意义141.4.2磁粉检测151磁粉检测的特点152磁粉检测的物理基础153影响铁磁性的主要因素164磁粉检测的原理以及主要影响因素175磁痕分析的意义181.5.本课题的研究意义19第2章 42CrMo的焊接性能202.1 母材202.1.1 42CrMo钢的化学成分及机械性能202.1.2 42CrMo钢的特征及适用范围212.1.3 40CrMo钢的热处理工艺222.2 42CrMo的焊接性能分析232.2.1 焊接产生的热裂纹232.2.2 焊缝的淬透性和冷裂纹232.3 42CrMo焊接材料的选择252.4 42CrMo的焊接方法262.5 42CrMo的焊接工艺特点

5、262.6 本章小结27第3章 焊接过程和焊接结果分析283.1 焊接工艺的制定283.1.1 焊接方法的选择283.1.2 实验设备283.1.3 焊接材料的选择293.1.4 焊接规范293.1.5 焊接前的准备293.1.6 直流反接的特点303.2 焊接过程及焊后无损检测结果303.2.1 焊缝外貌形状303.2.2 焊后处理303.3.3 焊接质量检验313.3.4 渗透检测验证323.4 焊缝的金相组织分析333.4.1 实验材料的制备333.4.2 金相实验制备333.4.3 金相组织分析343.4.4 硬度分析393.5 本章小结42第4章 焊后热处理及磁痕处理方法434.1

6、非相关磁痕的分析434.2 焊后热处理及分析444.2.1 热处理规范444.2.2 热处理后的宏观形貌444.2.2 热处理后的金相组织分析454.2.3 相关的物理分析494.3 本章小结50结 论51参 考 文 献53致 谢55附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录56摘 要随着我国经济的高速持续发展，已经成为人们日常出行的不过可替代的工具。因此，目前国内的机车市场需求量不断地提升就要求机车制造行业不断地加大产量，提供了车辆行业的良好的发展前景。但是再大产量的背后仍然有许多诸如质量问题的存在。尤其是机车的各个核心部位的零件上的质量问题更加应该令人重视。42CrMo因其具有良好的强度和韧

7、性，淬透性也较好，无明显的回火脆性，调质处理后有较高的疲劳极限和抗多次冲击能力，低温冲击韧性良好。广泛用于重要的大截面机器零件，如制造高功率内燃机的曲轴、连杆、汽轮发电机的主轴、叶轮等，或作为500以下的高温零件的原材料耐热钢使用。由于42CrMo的焊接性能较差，本文针对此种材料的焊接性能进行了分析。采用了H08Mn2SiA焊丝不用预热的焊接方法进行实验，并在不同焊接电流下进行了焊接质量的比较。针对焊后出现的热影响区的脆化和软化现象制定了焊后热处理工艺进行改善。针对焊后进行磁粉检测时出现的现象进行了分析。指出并非所有磁痕显示都是由于裂纹导致，此次磁痕现象是由于热影响区的组织差异过大导致磁导率突

8、变造成的。分析微观组织，结果证明热影响区的组织大部分为马氏体和渗碳体组织，而母材大部分为索氏体，焊缝为珠光体和铁素体。马氏体磁导率较低造成磁力线外溢形成磁痕。经过热处理后，组织均匀化，磁痕现象得到了改善。关键词：堆焊；焊接性；热处理；非相关显示AbstractWith the domestics economic situation high rapid development, locomotive have become necessary transport gradually into people's lives in everyday. So at the domestic

9、 market Requirement of Locomotive Continue to improve require Locomotive manufacturing industries continue to increase production at present. Provide the Good prospects for development of Locomotive manufacturing industries. But in the back of manufacture have many problem of the parts quality. Espe

10、cially in the core parts of locomotive parts should be pay more attention to the quality.42CrMo have good strength and toughness, hardenability. Temper brittleness is not obvious. It is hardened and tempered will have a high limit of fatigue, Anti-shocks and low temperature impact toughness. It is u

11、sed in large and important section of machine parts wildly. For example, it is used for high power internal combustion engine crankshaft, the link, turbine spindle, impeller and so on. Or it is used for heat-resistant steel below 500 as high temperature components.Because of the poor weldability in

12、42CrMo In this paper, the weldability of this material was analyzed because of the poor weldability in 42CrMo. We have experiments for H08Mn2SiA welding wire in the situation of without preheating, and compare the quality of welding under different welding current. Formulated a plan of heat hreatmen

13、t after welded to improve the phenomenon which Heat affected zone is embrittlement and softening. Analyzed the the problem of Magnetic particle testing after welding. It indicated that the magnetic trace was because of heat affected zone have difference microstructure, the difference microstructure

14、have difference magnetic permeability. Not because of it have crack in the weld. The metallographic character was described and it proved the heat affected zone was fulled martensite and cementite, the majority of the base metal is sorbite, the majority of the weld is pearlite and ferrite. Martensit

15、ic have low Magnetic permeability cause magnetic field lines spillover. After heat treatment, metallographic structure is homogenizing, the phenomenon of magnetic marks have improved.Key words: overlaying; weldability; heat treatment; non relevant indications第1章 绪论1.1引言随着我国经济的高速持续发展，机车逐渐步入人们的生活，已经成为

16、人们日常出行的不过可替代的工具。因此，目前国内的机车市场需求量不断地提升就要求机车制造行业不断地加大产量，提供了车辆行业的良好的发展前景。但是再大产量的背后仍然有许多诸如质量问题的存在。尤其是机车的各个核心部位的零件上的质量问题更加应该令人重视。因此，本文以曲轴连杆为对象，对其修复及修复后的问题进行研究。1.2曲轴和连杆的应用和发展1.2.1曲轴1曲轴概述曲轴（图1.1）是引擎的主要旋转机件，装上连杆后，可承接连杆的上下(往复)运动变成循环(旋转)运动。它是发动机上的一个重要的机件，主要包括主轴颈和连杆颈。主轴颈被安装在缸体上，连杆颈与连杆大头孔连接，连杆小头孔与汽缸活塞连接，是一个典型的曲柄

17、滑块机构。曲轴的旋转是发动机的动力源，也是整个机械系统的最核心的部位1。曲轴在工作过程中既要承受周期性变化的气体压力、往复惯性力和离心力，又要承受他们所产生的扭矩和弯矩。因此，在上述载荷的作用下，曲轴承受着很大的弯曲、扭转应力，扭转振动和附加应力，以及交变负荷的冲击2。这些载荷不仅数值较大，而且一般呈周期性变化，故容易使曲轴产生扭转和弯曲变形，甚至产生裂纹和断裂3。图1.1 典型的曲轴结构示意图2曲轴的材料选择目前，车用发动机曲轴材质有球墨铸铁和钢两类。由于球墨铸铁的切削性能良好，可获得较理想的结构形状，并且和钢质曲轴一样可以进行各种热处理和表面强化处理来提高曲轴的抗疲劳强度、硬度和耐磨性。而

18、球墨铸铁曲轴成本只有调质钢曲轴成本的1/3左右，所以球墨铸铁曲轴在国内外得到了广泛应用。据统计资料显示，车用发动机曲轴采用球墨铸铁材料的比例：美国为90%、英国为85%、日本为60%，此外德国、比利时等国家也已经大批量采用球墨铸铁材料。国内采用球墨铸铁曲轴的趋势则更加明显，85%以上的中、小型功率发动机曲轴均采用球墨铸铁材料3。就大功率车用柴油机曲轴而言，锻钢曲轴具有较高的综合机械性能。许多高强化的中高速大功率四冲程柴油机都无一例外地采用锻钢曲轴。排量在1.6L以上的发动机也都采用钢质模锻曲轴4。3曲轴的加工工艺进入21世纪以后，发动机曲轴在制造工艺、刀具等方面都发生了巨大的变化。领导了近半个

19、多世纪的多刀车削工艺和手工磨削工艺，由于加工精度、低和柔性差等原因，正在逐步退出历史舞台。高速、高效的复合加工技术及装备迅速进入汽车及零部件制造业，高速高效复合加工技术在曲轴加工生产中已有相当程度的应用，并将是其必然发展趋势。目前，国内较陈旧的曲轴生产线多数由普通机床和专用机床组成，生产效率和自动化程度相对较低。粗加工设备一般采用多刀车床车削曲轴主轴颈及连杆轴颈，工序质量稳定性差，容易产生较大的加工应力，难以达到合理的加工余量。精加工普遍采用MQ8260等普通曲轴磨床进行粗磨、半精磨、精磨、抛光，通常靠人工操作，加工质量不稳，尺寸一致性差。 老式生产线一个主要的特点就是普通设备太多，按加工球墨

20、铸铁曲轴来计算，一条生产线有3540台设备。粗加工采用普通外铣加工主轴颈和连杆颈，然后数控精车主轴颈和连杆颈，再经过多道工序的磨削方转入精加工工序。所以这条生产线设备达60多台，导致产品周转线长、场地占用面积大，其生产效率完全是靠多台设备分解工序和余量来提高的。另外由于曲轴的材料为高强度合金钢，难于加工和断屑，而且曲轴主轴颈和连杆轴颈几何形状复杂，因此作为发动机五大零件(缸体、缸盖、曲轴、连杆、凸轮轴)之一的曲轴，其加工难度、加工工艺复杂程度在发动机各零部件中都首屈一指，它的结构参数和加工工艺水平直接影响着整机的尺寸和重量，以及发动机的可靠性和寿命。因此世界各国对去曲轴的生产都非常重视，不断改

21、善曲轴的加工工艺和加工设备。我国目前的曲轴生产也步入了正规化、国产化，但是在生产中的关键性技术仍然依靠国外，设备和刀具也依赖与国外。因材，在曲轴的加工上，对于设备和工艺的研究仍然有待提高。571.2.2连杆1连杆概述连杆（见图1.2）在汽车发动机中是重要零件，连接着活塞和曲轴，其主要作用是将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，并把作用在活塞上的力传给曲轴以输出功率。连杆组由连杆体、连杆盖、连杆螺栓和连杆轴瓦等组成。连杆多为钢件，其主体部分的截面多为圆形或工字形，两端有孔，孔内装有青铜或滚针轴承，供装入轴销而构成铰接。连杆机构中两端分别与主动和从动构件铰接以传递运动和力的杆件。例如在往复活塞式动

22、力机械和压缩机中，用连杆来连接活塞与曲柄。连杆在工作中，除承受燃烧室燃气产生的压力外，还要承受纵向和横向的惯性力。因此，连杆在一个复杂的应力状态下工作。它既受交变的拉压应力、又受弯曲应力。89图1.2 连杆2连杆的材料选择传统连杆加工工艺中其材料一般采用45钢、42CrMo、40Cr或40MnB等调质钢，但现在国外所广泛采用的先进连杆裂解（conrod fracture splitting）的加工技术要求其脆性较大，硬度更高，因此，以德国汽车企业生产的新型连杆材料如C70S6高碳微合金非调质钢、SPLITASCO系列锻钢、FRACTIM锻钢和S53CV-FS锻钢等(以上均为德国din标准)。合

23、金钢虽具有很高强度，但对应力集中很敏感。所以，在连杆外形、过度圆角等方面需严格要求，还应注意表面加工质量以提高疲劳强度，否则高强度合金钢的应用并不能达到预期果10。本文针对42CrMo调质钢连杆的修复进行研究。表2.1东风汽车有限公司商用车发动机厂几种不同连杆的不同材料品种EQ491EQ6102EQ61006C材料QT700-240MnVZ40MB或35MnV38MnSiV353连杆的工作状态连杆工作时（见图1.3），承受活塞顶部气体压力和惯性力的作用，而这些力的大小和方向都是周期性变化的。因此，连杆受到的是压缩、拉伸和弯曲等交变载荷。这就要求连杆强度高，刚度大，重量轻。图1.3 连杆的工作状

24、态4连杆的研究现状根据连杆的机构特点和精度要求，连杆的加工工艺主要是针对连杆的加工基准的合理选择，保证加工精度的前提下确定夹紧力的方向和着力点，以免造成连杆受力集中形成断裂。目前在国内的连杆生产一般都是整体锻造，然后将毛坯断开，铣出，或者分别锻造连杆体和连杆盖。然后对连杆体和连杆盖的结合面进行磨削加工。当用螺栓孔定位时，常采用多道工序，用精加工设备分别加工连杆体及连杆盖上的螺栓孔，与其配合使用的螺栓要求很高(需精磨或滚花结合面)。如果用连杆和连杆盖的结合面定位，则需要在连杆及连杆盖上加工定位凸台和定位槽，有的连杆采用止推面定位，有的采用定位环定位，这些结合面的定位方式非常复杂，加工精度与装配质

25、量难以控制，生产效率低，制造成本高，废品率高，装拆也不方便。同国外相比，工序能力指数及自动化程度均较低。有些关键工序也有采用高精设备和新工艺的，如螺栓孔枪钻、枪铰和冷挤，拉削技术的应用，体盖组立扭矩+转角，刀具自动补偿功能的大小孔精镗，电子综合测量技术等。大的生产厂家主要有一汽集团、二汽集团、上柴、潍柴、康明斯等。相比较而言，一汽大众、上海大众、沈阳航天三菱等轿车连杆生产线已接近于国外先进水平，加工手段更多采用双端面磨、体盖胀断、大孔铰珩、大小端自动去重等先进工艺，加工能力和自动化程度相对较高。在国际上，主要的汽车制造业每年需要连杆大约2亿根，其中87.5%为模锻连杆11，为满足发动机连杆的大

26、量需求，大多数采用锤上热模锻发在自动化锻造生产线上大批量生产。5曲轴和连杆所面临的问题：(1).曲轴轴颈在工作时表面要承受很大的压力，与此同时很高的滑动摩擦速度，轴颈散热效果较差，各轴颈表面容易受到磨料磨损。常见的曲轴损伤形式主要有轴颈磨损、裂纹、烧伤、弯曲、折断等。轴颈的磨损是由于作用于轴颈上的力沿圆周方向分布不均匀引起的。发动机工作时，连杆轴颈所受的综合作用力始终作用在连杆轴颈的内侧，方向沿曲柄半径向外，造成连杆轴颈内侧磨损最大，形成椭圆形。此外，连杆弯曲、气缸中心线与曲轴中心线不垂直等原因都有会使轴颈沿轴向受力不均而使磨损偏斜。主轴颈的磨损主要是由于受到连杆、连杆轴颈及曲柄臂离心力的影响

27、，使靠近连杆轴颈的一侧与轴承产生的相对磨损较大12。曲轴的弯曲是由于曲轴在长时间的高强度、高温、高压、高速、有化学腐蚀的环境下服役，并且在回转中受到各缸交变的气体力、往复惯性力和离心力以及由其所引起的弯矩、扭矩的作用。这些力不仅随曲柄转角变化，也随负荷变化。曲轴的形状复杂，截面变化多，刚度不足，受力复杂。属于高周低应力疲劳破坏。主要是扭矩产生的应力再加上扭转振动产生的扭转应力。一般发生在油孔处，并在轴颈上沿与轴线成45度角的两个方向扩展，且在运行初期发生，扭转振动节点附近的曲柄。曲轴的断裂主要是发生在应力集中轴颈圆角部位和油孔处，因此在检修时要求用磁粉检测来检验是否存在裂纹，如有超过20mm的

28、裂纹则应用堆焊等方式进行修复。曲轴的烧伤主要是由于润滑有的不足造成滑动摩擦系数过大从而引起的。(2)连杆的主要损坏形式是疲劳断裂和过量变形。通常疲劳断裂的部位是在连杆上的三个高应力区域。连杆的工作条件要求连杆具有较高的强度和抗疲劳性能；又要求具有足够的钢性和韧性。因此在实际的应用中，连杆会因为各种受力情况的变化导致弯曲。如图为连杆的弯曲检测。图1.4连杆的弯曲检测1.3TIG和堆焊的特点及应用1.3.1 TIG特点及应用Tungsten Inert Gas，缩写TIG。直译就是钨极惰性气体焊。TIG是用纯钨或活化钨（钍钨、铈钨、锆钨、镧钨）作为不熔化电极的惰性气体保护电弧焊，质量高但速度较慢。

29、钨极惰性气体保护焊焊接时，在焊炬中夹持的非熔化的钨极和工件之间燃烧着的电弧所产生的能量使材料熔化。通常使用焊棒作为填充材料进行焊接。惰性保护气体如氩、氦或它们的混合气体保护钨极和焊缝，使之免受空气的侵入，工件的加热集中在由针状钨极产生的小电弧区域上，因此特别有利于薄壁构件的焊接。钨极惰性气体保护焊接时，既不形成熔渣，也不会出现焊缝表面的氧化现象13。应用范围：适用于工件厚度 0.54.0mm范围内的钢及有色金属全位置连接焊接；以及堆焊（见图1.5）。钨极氩弧焊按操作方式分为手工焊、半自动焊和自动焊三类。手工钨极氩弧焊时，焊枪的运动和添加填充焊丝完全靠手工操作；半自动钨极氩弧焊时，焊枪运动靠手工

30、操作，但填充焊丝则由送丝机构自动送进；自动钨极氩弧焊时，如工件固定电弧运动，则焊枪安装在焊接小车上，小车的行走和填充焊丝可以用冷丝或热丝的方式添加。热丝是指提高熔敷速度。某些场合，例如薄板焊接或打底焊道，有时不必添加填充焊丝。 TIG为今日各主要焊接方法中的一种，其特点为焊接品质佳，及具焊接薄板的能力，由于没有使用焊剂，故可减少夹渣机会，如此可提升焊道的品质，TIG已被需高品质焊接的航天工业所引用。图1.5TIG堆焊示意图1.3.2堆焊的特点及应用1堆焊的定义堆焊是指将具有一定使用性能的合金材料借助一定的热源手段熔覆在母体材料的表面，以赋予母材特殊使用性能或使零件恢复原有形状尺寸的工艺方法。2

31、堆焊的特点14堆焊层与母材具有典型的冶金结合，堆焊层在服役过程中的剥落倾向小，而且可以根据服役性能选择或设计堆焊合金，使材料或零件表面具有良好的耐磨、耐腐蚀、耐高温、抗氧化、耐辐射等性能，在工艺上有很大的灵活性。从物理本质看，堆焊的热过程、冶金过程、以及堆焊金属层的凝固结晶和相变过程与普通熔焊工艺是相同的，但是，堆焊是以获得具有特殊性能的表面层为目的，因此，须注意堆焊过程中可能会受到的影响：（1）堆焊时，熔敷金属因母材的熔入而被稀释。因此，在选择堆焊金属时，既要考虑与母材之间相容性问题，又要充分估计这种稀释给堆焊层的性能带来影响。尤其是在修复工作中母材的材质复杂，几乎包括了所有类型的金属，也许

32、待堆焊面原先就是堆焊层，必须对其化学成分进行检测；在选择堆焊方法和制定堆焊工艺时，应以减小稀释率为主要选择原则。（2）由于基体与堆焊层合金成分和物理性能存在差别，在堆焊层的熔合区上可能出现延性下降的脆性层；在高温条件下工作，熔合区上可能出现碳迁移层；由于线膨胀系数差别大，堆焊后的冷却、热处理和运行过程中产生的热应力，严重时可能导致堆焊层开裂或剥离；在钢制基体上堆焊有色金属将受到铁的污染等。因此，在选择堆焊金属时，尽量选择与母材金属有相近性能的材料。不然，就须考虑预置中间（过渡）层，以减小化学成分和物理性能上的差别。（3）当多道或多层堆焊时，先焊焊道受多次热循环作用，其化学成分、金相组织变得不均

33、匀；晶粒可能粗化；碳化物或相可能析出；由于热应力作用而引起热疲劳、应变时效等。这些均影响堆焊层的工作性能15。（4）在制造业中当工件采用堆焊结构时，母材（即基体）是可以选择的。选择时，除须满足结构设计（通常是强度和刚度）和成形方式的要求外，还须考虑与堆焊金属的焊接性和匹配件问题。如果工件的堆焊层性能是主要的，而对母材没特殊要求，这时宜选择易焊的金属材料作母材，如的碳素钢。若兼顾焊接性和强度，则宜选用中碳钢，或者是碳当量较低的普通低合金高强度钢。3我国堆焊技术的发展概况堆焊技术在我国起源于20世纪50年代末，几乎与焊接技术同步发展。发展初期主要用于修复领域，即恢复零件的形状尺寸，60年代已经将恢

34、复形状尺寸与强化表面及表面改性相结合，改革开放后堆焊技术的应用领域进一步扩大，堆焊技术从修理业扩展到制造业，90年代受先进制造技术理念的影响，堆焊方法与智能控制技术和精密磨削技术相结合的近净形技术（Near Net Shape）引起了制造业的广泛关注，这也是堆焊技术从技艺走向科学的重要标志。堆焊技术在我国历经近50年的风雨历程，不仅是延长材料或零件服役寿命的工艺方法，而且成为先进制造技术的发展基础。我国堆焊专家围绕提高堆焊质量和效率开展了大量工作。堆焊方法方面，相继开发了电弧堆焊（单丝、多丝、单带极、多带极）、电渣堆焊（窄带极、宽带极、躺极）、MIG堆焊、等离子弧粉末堆焊、高能光束（激光、聚焦

35、光束）粉末堆焊等，就熔敷效率而言，已从单丝电弧堆焊的11kg/h 发展到多带极电弧堆焊的70 kg/h16，而稀释率从电弧堆焊的30%60%降低到等离子弧、激光、聚焦光束堆焊的5左右17。在堆焊材料方面，针对被修复零件的服役要求，相继开发了耐磨的硬质合金复合堆焊材料（包WC的管状焊条以及含碳化物的钴基合金、镍基合金、铁基合金粉末），耐冷热疲劳的CrNiWMoNb及镍马氏体时效钢等模具堆焊材料，以及用于轧辊修复的低合金钢堆焊材料(30CrMnSi，40CrMn)、热作模具钢堆焊材料(3Cr2W8，Cr5Mo)、弥散硬化钢堆焊材料(15Cr3Mo2MnV，25Cr5WMoV，27Cr3Mo2W2M

36、nVSi)、马氏体不锈钢堆焊材料（1Cr13NiMo 配SJ11 烧结焊剂，0Cr14Ni2Si 配SJ11 烧结焊剂）18.等。在堆焊材料的使用形式方面，已从堆焊发展初期的以焊条为主转向焊条、实心焊丝配焊剂、焊带配焊剂、药芯焊丝及粉末等多种使用形式，而且药芯焊丝的使用比例呈逐年增长趋势。与堆焊技术的国际发展前沿相比较，我国在堆焊基础理论方面（如堆焊合金的设计、堆焊缺陷的形成机理等）并不落后于工业发达国家，但堆焊材料和设备的工业发展水平与发达国家存在较大差距，我国堆焊材料方面的突出特点是“焊条多焊丝少、熔炼焊剂多烧结焊剂少、实心焊丝多药芯焊丝少，而堆焊设备方面的现状则是“改装设备多专用设备少、

37、机械化设备多智能化设备少，因此，无论是堆焊材料的品种和质量，还是堆焊设备的自动化、智能化水平等方面均亟待发展和提高。1.4现阶段无损检验主要方法1.4.1 无损检测的概述和研究进展1无损检测的定义现代无损检测的定义是：在不损坏试件的前提下，以物理或化学方法为手段，借助先进的技术和设备器材，对试件的内部及表面的结构、性质、状态进行检查和测试的方法19。无损检测是在现代科学技术发展的基础上产生的。例如，用于探测工业产品缺陷的X射线是在德国物理科学家伦琴发现X射线基础上发生的，超声波检测是在二次世界大战中迅速发展的声纳技术和雷达技术的基础上开发出来的，磁粉检测建立在电磁学理论的基础上，而渗透检测得益

38、于物理化学的进展，等等。2无损检测与评价的特点与破坏性检测相比，无损检测与评价具有以下显著特点20。（1）非破坏性 检测不会损害破坏被检对象的使用性能，因此，无损检测又称非破坏性检测。（2）全面性 由于检测是非破坏性的，因此必要时可对被检对象进行100%的全面检测，这是破坏性检测所办不到的。（3）全程性 破坏性检测一般只是用于对原材料进行检测，如机械工程中普遍采用的拉伸、压缩、弯曲、疲劳的破坏性检验都是针对制造用原材料进行的，对于产成品和在用品，除非不准备让其继续服役,否则是不能进行破坏性检验的。而无损检测因不损坏被检对象的使用性能。所以，不仅可对制造用原材料、各中间工艺环节、直至最终的产成品

39、进行全程检测也可对服役中的设备进行检测，如桥梁、房屋建筑、各类输送管道、机械零部件及成套设备、汽车、机车、飞机、轮船、核反应堆、宇航设备及电力设备等，都可进行无损检测。（4）可靠性问题 目前还没有一种对所有材料或者缺陷都可靠的无损检测方法，如无损检测结论的正确与否还有待其他手段（如解体检测）的检验，其可靠性还有待提高。3无损检测的研究与实践意义无损检测作为一项工业技术，被应用于产品的整个制造、服役过程中，是现代工业发展必不可少的有效工具，不仅能提高产品质量，而且能带来巨大的经济效益和社会效益。因此世界各国对无损检测技术的研究都非常重视，大力开展了无损检测技术的研究工作。例如，美国为保持它在世界

40、上科学技术的领先地位，在1979年的政府工作报告中提出要成立六大科技中心，其中之一就是无损检测技术中心。1981年，美国前总统里根在给美国无损检测学会成立40周年大会的贺信中就说过：“你们能够给飞机和空间飞行器、发电厂、船舶、汽车和建筑物等带来更大程度的可靠性。没有无损检测我们就不可能享有目前在这些领域和其他领域的领先地位。”根据1988年美国无损检测学会(ASNT)公布的材料，全美有100多所高校开设无损检测与评价课程，很多高校都建立了无损检测与评价研究中心，其中23所院校招收无损检测专业博士研究生21。日本认为，现代工业是建立在无损检测基础之上的，工业中坚持普遍采用无损检测技术，使其产品质

41、量大大提高，占领了广泛的国际市场。德国是工业发达国家中在无损检测与评价技术方面比较先进的国家，这是德国的机器制造业水平保持领先水平的重要因素之一22。前苏联对无损检测技术也很重视，政府把资金拨给九个无损检测中心，无损检测技术的发展直接支持了前苏联工业产品和武器生产，特别是国防工业和航空航天领域的发展。发展中国家为了建立本国的工业基础，也把无损检测作为提高产品质量的有力工具。例如，拉丁美洲等18个发展中国家组成了无损检测联合体来互相支援、发展工业23。我国随着工业发展的需要，无损检测技术得到了迅速的发展，很多工业部门近年来加强了无损检测技术的应用。可以说，无损检测与评价技术的发展标志着一个国家的

42、现代化工业水平，其复杂系统集成技术己经广泛应用于交通、制造、石油、核发电站以及国防等工业领域，渗透到各个工业结构与产品的全寿命质量控制和质量管理中，并利用最低的成本来获取最大的效益。其中在曲轴焊缝探伤中，也有了很好的应用2024。1.4.2磁粉检测1磁粉检测的特点磁粉检测具有操作简便、迅速且灵敏度高等优点，主要用于检测铁磁性材料和工件表面或近表面裂纹，对材料内部缺陷的检出率随埋藏深度的增加而迅速下降。当焊件进行磁粉检测时，对于焊接性能差的钢种或是特厚钢板应每焊一层进行一次检验，以保证及时发现焊接过程中产生的裂纹。检测区域为焊缝区及热影响区24。检测前要清理焊缝的表面污垢、焊接飞溅和氧化皮等。使

43、用干粉或与清洗液不同的磁悬液时，必须等焊缝干燥后才可检验。应在焊缝两个相互垂直的方向分别磁化一次，一般采用连续法磁化。磁粉检测最大的局限是只能用于铁磁性焊件，且检测后要退磁和清洗25。2磁粉检测的物理基础1、磁场强度H： 磁场强度是描述磁场强弱的物理量，用符号H磁场强度的SI是单位是安/米（A/m），工程单位是奥斯特（Oe），转换关系如下：2、磁感应强度B： 磁介质在磁场的作用下，会被磁化，并在其内部产生一定强度的磁场，这个磁场的强度称为磁感应强度，用符号B表示，它也是一个矢量，既有大小，也有方向。磁感应强度和磁场强度之间存在如下关系：介质的磁导率真空中的磁导率介质的相对磁导率3磁化强度M：磁

44、感应强度是介质在磁场的磁化作用下产生的，换句话说，磁场的磁化作用使原磁场在介质中发生了变化。因此，磁感应强度也可以表述为原磁场强度和附加磁场强度（磁化磁场强度）的叠加，即：代入上式得可得磁化强度图1.6 条形磁铁磁力线 4磁力线：为了形象地描述磁场强度和磁感应强度在磁场中的分布情况而引入磁力线概念，磁场强度和磁感应强度的大小用穿过单位面积的磁力线的多少或磁力线的密集程度来描述。如图1.6所示是条形磁铁的磁力线，可见，在条形磁铁的两端，磁力线的密度较大，磁场强度高，而其他区域的磁力线的密度较小，磁场强度较低。5磁通量：磁通量也是磁学中经常用到的一个物理量，用来描述穿过某截面的磁力线的多少，用符号

45、表示26。3影响铁磁性的主要因素由于在此份检测中，只对铁磁性材料感兴趣，故在此只讨论铁磁性材料的此特性的影响因素。铁磁性材料的铁磁性不是恒定不变的，它会受其晶格结构、化学成分、组织、冷热变形等因素的影响27。晶格结构的影响：铁磁性材料的晶格结构不同，其磁特性会有显著变化。在常温下，面心立方晶格的铁是非磁性材料，而体心立方晶格的铁则是铁磁性材料。化学成分的影响：随着含碳量的增加，碳钢的矫顽力几乎呈线性增大，而最大的相对磁导率却随之下降。合金化将增大刚才的矫顽力，使其磁性硬化。冷变形的影响：钢材的矫顽力和剩磁将随压缩变形率的增加而增加。热处理的影响：一般而言，退火和正火使钢材的磁特性改变不大，而淬

46、火则可以提高钢材的矫顽力。随着淬火以后回火温度的提高，矫顽力又有所下降。晶粒大小的影响：晶粒越粗，钢材的磁导率越大，而矫顽力越小。4磁粉检测的原理以及主要影响因素1主要原理：磁粉检测的基本原理就是利用缺陷漏磁场对外加磁粉或磁悬液中的磁性颗粒的聚集，得到尺寸更大、对比度更高的磁痕，以此显示缺陷的存在24。漏磁场就是指被磁化的物体内部的磁力线在缺陷或磁路截面发生突变的部位溢出物体表面所形成的磁场28。漏磁场的形成起因于磁导率在缺陷处的突变。射有一被磁化的工件上存在缺陷，由于缺陷内含物质的磁导率一般远低于铁磁性材料的磁导率，因此，磁力线在缺陷附近弯曲和压缩。如果该缺陷位于工件的表面或近表面，则工件内

47、部的部分磁力线就会在缺陷处逸出工件表面进入空气，绕过缺陷后再折回工件，由此形成漏磁场，如图1.7-a示。而当缺陷较深时，虽然磁力线在缺陷出任仍会弯曲，但不能逸出工件，也就不能形成漏磁场，如图1.7-b示29。图1.7 缺陷漏磁场当在工件的漏磁场处施加磁导率较高的磁性颗粒（磁粉或磁悬液）时，磁性颗粒将会在漏磁场处聚集，形成比缺陷本身的尺寸大很多倍的显示（称为磁痕），由此指示缺陷的存在30，如图1.8所示。图1.8 磁粉在缺陷漏磁场的聚集为了进一步提高缺陷的显现能力，使磁痕更易于观察，通常采用着色磁粉或者磁悬液，以增大磁痕与被检件表面的反差。也可采用荧光磁粉或磁悬液，荧光物质在特定波长的灯光下（黑

48、光灯）照射下会发出人眼最为敏感的黄绿色光，有利于缺陷的检出。由于较深的缺陷不能形成漏磁场，也不能被检出。因此磁粉检测只能检测表面或近表面缺陷31。2影响漏磁场强度的主要因素磁粉检测的灵敏度与漏磁场强度有关32。在实际检测过程中，影响缺陷漏磁场强度的因素主要有外加磁场强度、缺陷特征（类型、位置、尺寸、形状、取向、磁导率等）、集体材料的状态、被检表面的状态（有无、覆层等）。（1）磁场强度的影响 缺陷漏磁场强度的大小与工件被磁化的程度有关。一般而言，如果外加磁场能使被检件的磁感应强度达到其饱和值的80%以上，缺陷漏磁场的强度就会显著增加。（2）缺陷特征的影响 缺陷的类型、位置、尺寸、形状、取向、磁导

49、率都会对漏磁场产生影响。当其他条件不变时，缺陷越大，漏磁场也越大；缺陷与基体的磁导率相差越大，漏磁场也越大；浅缺陷的漏磁场大于深缺陷；缺陷切割磁力线的角度越接近正交（90°），其漏磁场强度越大。事实上，磁粉检测很难检出与被检表面所夹角度小于20°的夹层。此外，在其他条件不变的情况下，表面缺陷的漏磁场强度随着其深、宽比的增加而增加。（3）被检件表面状况的影响 表面油污和覆层（如涂料）等会降低缺陷漏磁场的强度。（4）集体材料的状态 基体材料的成分、组织、冷变形及热处理状态的改变均会影响材料的磁特性，进而影响缺陷的漏磁场。5磁痕分析的意义磁粉检测是利用磁粉聚集形成的磁痕来显示工件

50、上的不连续性和缺陷的33。通常把磁粉检测时磁粉聚集形成的图像称为磁痕，磁痕的宽度为不连续性和缺陷宽度的数倍，即磁痕对缺陷的宽度具有放大作用，所以磁粉检测能将目视不可见的缺陷显示出来，具有很高的检测灵敏度34。能够形成磁痕显示的原因是很多的，由缺陷产生的漏磁场形成的磁痕显示称为相关显示，由工件截面突变和材料磁导率差异产生的漏磁场形成的磁痕显示称为非相关显示；不是由漏磁场形成的磁痕显示称为伪显示。虽然都是磁痕显示，但其区别是：相关显示与非相关显示是由漏磁场吸附磁粉形成的，而伪显示不是由漏磁场吸附磁粉形成的；只有相关显示影响工件的使用性能，而非相关显示和伪显示都不影响工件的使用性能。因此，磁粉检测人

51、员应具有丰富的实践经验，并能结合工件的材料、形状和加工工艺，熟练掌握各种磁痕显示的特征、产生原因及鉴别方法，必要时用其它无损检测方法进行验证，做到去伪存真是至关重要的35。磁痕的意义主要有以下几方面： 第一，正确的磁痕分析可以避免误判。如果把相关显示误判为非相关显示或伪显示，则会产生漏检，造成重大的质量隐患。相反，如果把非相关显示和伪显示误判为相关显示，则会把合格的工件拒收或报废，造成不必要的经济损失。 第二，由于磁痕显示能反映出不连续性和缺陷的位置、大小、形状和严重程度，并可大致确定缺陷的性质，所以磁痕分析可为产品设计和工艺改进提供较可靠的信息。第三，在工件使用后进行磁粉检测，用于发现疲劳裂

52、纹，并可间断检测和监视疲劳裂纹的扩展速率，可以做到及早预防，避免设备和人身事故发生36。1.5.本课题的研究意义在车辆生产中，要保证交付的是优质曲轴，磁粉检验是一根重要的衡量准绳；要持续改进各类零件质量，磁粉检验又是生产者的一个良好助手。而磁粉检验标准，不管是国内还是国外的，都是从无损检测专业的角度出发制定的，而没有明确指出磁粉检验能检测出铸件的缺陷类型，更没有对缺陷产生的原因进行分析。42CrMo属于中碳调质钢，其中合金的碳当量高达0.893%，可焊性较差，焊后容易出现裂纹。另外42CrMo曲轴连杆焊接修复后进行磁粉探伤，表面要求没有任何缺陷。某些磨损或者缺陷按照设计要求，须对这些缺陷进行剔

53、除并焊补缺陷部位。进行补焊后发现补焊部位会出现磁粉聚集现象，用渗透探伤是没有发现任何缺陷，剖开工件会发现聚磁部位也没有缺陷存在。而用户在接收产品时要按照技术要求进行磁粉探伤。因此，聚磁现象37的存在往往会引起不必要的误解。本课题将会对42CrMo曲轴连杆的焊接性能进行讨论，聚粉现象进行研究、探讨并要求做大量实验，在此基础上提出聚粉现象原因和方法，并深入研究聚粉现象的物理本质。第2章 42CrMo的焊接性能2.1 母材2.1.1 42CrMo钢的化学成分及机械性能需要修复的机车曲轴和连杆均是42CrMo钢。因此本实验的母材选择42CrMo材料。42CrMo其对应国际标准组织牌号：42CrMo4、

54、对应日本牌号：SCM440、对应德国牌号：42CrMo4、近似对应美国牌号：4140。根据国标GB/T3077-1999其化学成分见表2.1，其力学性能见表2.2，不同截面42CrMo钢材热处理后的力学性能见表2.3表2.1 42CrMo钢的化学成分（质量分数%）CSi Mn PSCrMo NiCu0.380.450.17 0.370.50 0.800.0350.0350.901.200.150.250.0300.020表2.2 42CrMo钢的机械性能抗拉强度/MPa屈服强度/MPa伸长率/断面收缩率/冲击功/J冲击韧性值/J/cm2钢材退火或高温回火

55、供应状态布氏硬度HB100/1000不大于试样尺寸1080（110）930（95）12456378（8）217HB试样毛坯尺寸25mm表2.3 不同截面42CrMo钢材热处理后的力学性能毛坯直径/mm热处理制度取样位置RmReLAZKV2/J·cm-2备注/MPa/%5585022min油淬，54090min回火水冷86060min油淬54090min回火水冷900油淬，600回火油冷1/2R中心1/2R中心中心762788806765905574556638599-23.321.120.719.42468.867.062.862.862.0191189134140108（65）31

56、1112注： 1 .用钢成分（%）：0.43 C， 0.88Mn，1.09Cr，0.22Mo，1.017P，0.027S； 2 .用钢成分（%）：0.39C，1.11Cr，0.20Mo; 3 .括弧内为横向冲击值作为机车的曲轴和连杆，材料的高强度和高韧性是必不可缺少的力学条件。另外连杆和曲轴的滑动摩擦会造成零件的烧损，这就要求材料还要有一定的耐热性。因此，在结构钢中，42CrMo无疑是最经济实用的材料。但是42CrMo的本身的含碳量决定了其在拥有良好的强度性能之外，还导致了材料的焊接性能较差。根据碳当量的计算公式CEQ(W)=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15(%)可得

57、出碳当量ceq高达0.88%，而在碳当量大于0.45%时，材料的淬硬倾向明显。Cr与Fe形成连续固溶体，缩小奥氏体区域，减缓奥氏体的分解速度，能有效地提高钢的淬透性，但是含量高于1.5%时怎没有显著效果。Cr也是碳化物形成元素可形成金属间化合物相（FeCr），在焊接时若有相析出，会使冲击韧性下降，Cr也能增加低温和高温的回火稳定性，提高材料的耐磨性能，但是Cr能增加钢的回火脆性，并且Cr在钢中容易形成偏析，降低塑性。Cr促使钢的表面形成钝化膜，当有一定Cr时显著提高耐腐蚀性能（特别硝酸），若有铬碳化物析出则会造成耐腐蚀性能降低。Mo（WMo=0.150.25%）在钢中可固溶于铁素体、奥氏体和碳

58、化物中，可以调高钢的强度，是缩小奥氏体区域的元素，Mo的增加提高淬透性，使钢的强度和韧性得到一定的平衡。Mo还能增加钢的回火稳定性，作为单一元素存在时，增加回火脆性；与Cr共存时，Mo又降低其他元素所导致的回火脆性。2.1.2 42CrMo钢的特征及适用范围42CrMo钢属于超高强度钢，具有高强度和韧性，淬透性也较好，无明显的回火脆性，调质处理后有较高的疲劳极限和抗多次冲击能力，低温冲击韧性良好。由于42CrMo强度、淬透性高，韧性好，淬火时变形小，高温时有高的蠕变强度和持久强度。主要用于制造要求较35CrMo钢强度更高和调质截面更大的锻件，如机车牵引用的大齿轮、增压器传动齿轮、后轴、受载荷极

59、大的连杆及弹簧夹，也可用于 2000m以下石油深井钻杆接头与打捞工具，并且可以用于折弯机的模具等。经调质处理后, 42CrMo 钢具有中碳调质钢的焊接性能,焊接中常出现热裂纹、淬硬性和冷裂纹等现象。2.1.3 40CrMo钢的热处理工艺所谓调质钢，一般是指含碳量在0.30.6%的中碳钢。一般用这类钢制作的零件要求具有很好的综合机械性能，即在保持较高的强度的同时又具有很好的塑性和韧性，人们往往使用调制处理来达到这个目的，所以人们习惯上就把这一类钢称作调质钢。各类机器上的结构零件大量采用调质钢，是结构钢中使用最广泛的一类钢。为了保证42CrMo能够承受拉伸、压缩、弯曲、剪切等不同的作用力，在保证其

60、高强度的情况下，还要有良好的塑性和韧性，有时还要求一定的耐磨性，通常将42CrMo钢进行调质处理来达到这个目的。调质处理工艺及部分机械性能如下：1退火760±10退火，炉冷至400空冷。梅花试棒（试验），性能如下：抗拉787、屈服430、延伸17%、收缩35%" HB<2162退火850±10随炉冷至500度，后出炉空冷。 HRC<203 球化退火740保温3小时，随炉冷却于400度后出炉空冷(注意保护防止脱碳)。梅花试棒保温两小时的机械性能：抗拉810、屈服675、延伸17、收缩45。球化级别是6级最优JB/T5094-91标准评级。 HB220-2

61、304 正火860±10正火，出炉空冷。5调质840±10淬水或油（视产品型状复杂程度），680-700度回火。 HB<2176 调质840±10淬油，再470度回火处理。 HRC41-457 调质840±10淬油，再480度回火处理。 HRC35-458 调质850淬油，再510度回火处理。 HRC38-429 调质850淬油，再500度回火处理。 HRC40-4310 调质850淬油，再510回火处理。 HRC36-4211 调质850淬油，再560回火处理。 HRC32-3612 调质860淬油，再390度回火处理。 HRC48-52经过调质处理后的42CrMo的机械性能更加良好，保证了作为曲轴和连杆的正常使用。42CrMo的性能主要取决于其中的化学成分，尤其是C和Cr元素的含量。其较高的强度主要是取决于含碳量较高，其含碳量为0.38%0.45%，而Cr、Mo等合金元素是碳化物形成元素，融入奥氏体中处在不同程度上降低珠光体和贝氏体的转变速度，使过冷奥氏体等温转变曲线向右移动外，还能改变其形状。因此Cr的加入大大提高了淬透性。另外加入防止第二类回火脆性的元素，含Ni、Cr、Mn的合金调质钢，高温回火慢冷时易产生第二类回火脆性。在钢中加入Mo可以防止第二类回火脆性，Mo的质量分数为0.15%