Q345钢埋弧焊综合训练报告

材料性能分析综合训练报告指导老师：纪秀林、严春妍姓名：侯耀学号：1061410214专业：金属材料2013/12/17综合训练提要试验前言埋弧焊工艺制定及焊接操作金相样品的制备焊缝区域显微组织观察与分析金属材料维氏硬度试验试验过程总结一、试验前言试验材料选用δ=16mm的Q345（16Mn）钢板，对钢板进行焊接性分析并参照标准制定合理的埋弧焊焊接工艺，在其上堆焊一层埋弧焊焊缝，待焊后冷却之后用钢锯条手工锯出一合适大小的焊缝试样，进行金相试样的制备，经磨光、抛光、浸蚀、烘干操作后，借助于金相显微镜观察显微组织，并且进行焊缝截面的硬度测量，以此评定焊缝性能。试验采用相关试验设备如下：试验材料δ=16mmQ235钢板一块（已加工成合适大小）焊机A310—1000埋弧焊机金相观察XJG-05卧式显微镜硬度测量HXD-1000TMC显微硬度计二、埋弧焊工艺制定及焊接操作1、埋弧焊（SubmergedArcWelding，SAW）原理简介埋弧焊是以电弧作为热源的一种机械化焊接方法，埋弧焊实施过程如图1所示，它由4个部分组成：①焊接电源接在导电嘴和工件之间用来产生电弧；②焊丝由焊丝盘经送丝机构和导电嘴送入焊接区；③颗粒状焊剂由焊剂漏斗经软管均匀地堆敷到焊缝接口区；④焊丝及送丝机构、焊剂漏斗和焊接控制盘等通常装在一台小车上，以实现焊接电弧的移动。埋弧焊焊缝形成过程如图2所示。埋弧焊时，连续送进的焊丝在一层可熔化的颗粒状焊剂覆盖下引燃电弧。当电弧热使焊丝、母材和焊剂熔化以致部分蒸发后，在电弧区便由金属和焊剂蒸气构成一个空腔，电弧就在这个空腔内稳定燃烧。空腔底部是熔化的焊丝和母材形成的金属熔池，顶部则是熔融焊剂形成的熔渣。电弧附近的熔池在电弧力的作用下处于高速紊流状态，气泡快速溢出熔池表面，熔池金属受熔渣和焊剂蒸气的保护不与空气接触。随着电弧向前移动，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。焊接时焊丝连续不断地送进，其端部在电弧热作用下不断的熔化，焊丝送进速度和熔化速度相互平衡，以保持焊接过程的稳定进行。依据应用场合和要求的不同，焊丝有单丝、双丝和多丝，有的应用中还以药芯焊丝代替裸焊丝，或用钢带代替焊丝。图2.埋弧焊电弧和焊缝的形成示意1-焊剂2-焊丝3-电弧4-熔池5-熔渣6-焊缝7-焊件8-渣壳2、优缺点分析优点：生产效率高焊接质量高而且稳定节省材料和电能消耗改善劳动条件，降低劳动强度缺点：埋弧焊采用颗粒状焊剂进行保护，一般只适合于平焊和平角焊位置的焊接，其他位置的焊接，则需采用特殊装置来保证焊剂对焊缝区的覆盖和防止熔池金属的漏淌。埋弧焊焊接时不能直接观察电弧和坡口的相对位置，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来保证焊炬对准焊缝不焊偏。埋弧焊使用电流较大，电弧的电场强度较高，电流小于100A时，电弧稳定性较差，因此不适合焊厚度小于1mm的薄件。3、δ=16mmQ235钢板埋弧焊焊接工艺制定Q345（16Mn）化学成分及力学性能化学成分（%）CSiMnPSQ3450.180.321.320.0050.021力学性能σs/MPaσb/MPaδ/%冲击/JHBQ34536050023193158表1Q345（16Mn）化学成分及力学性能依据国际焊接学会（IIW）推荐的碳当量公式：CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15(%)由上式可计算出Q345碳当量：CE=0.18+1/6(%)≈0.35%。一般认为CE0.4%的钢材在焊接中基本无淬硬倾向，冷裂敏感性小。所以Q345拥有良好的焊接性，因此适用的焊接方法比较多。焊前准备对于δ=16mm钢板，由于是表面堆焊，因此不必开坡口，焊前需将钢板表面清理干净，除去将焊接部位表面的锈蚀、油污、水分、氧化皮等清除干净。一般采用喷丸喷砂处理将焊丝表面的油污、铁锈等污物清除干净。此外，焊剂也要求烘干，如HJ431，要求在250℃下烘干两个小时。焊件清理干净之后就要进行焊件装配，本试验中焊件钢板待焊位置应置于埋弧焊焊丝的正下方，焊缝的走向同焊车的运动方向一致。焊接材料的选择与匹配选择焊接焊丝和焊剂一般遵循以下三个要点：①根据“等强匹配”原则，一般要求焊缝的强度性能与母材等强或稍低于母材。焊缝中碳的质量分数不应超过0.14%，焊缝中其他合金元素也要求低于母材中的含量，以防止裂纹及焊缝强度过高。②考虑熔合比和冷却速度的影响③考虑焊后热处理对焊缝力学性能的影响依据《熔焊方法与设备》教材第五章“埋弧焊”P107表5-7：这里我们选用HJ431与H10Mn2焊丝相匹配。相关化学成分如下图所示表2H10Mn2焊丝标准化学成分（GB/T14957—1994）表3HJ431焊剂的化学成分（GB/T14957—1994）焊接参数的选择针对本试验不开坡口埋弧堆焊，板厚16mmQ345钢板，查阅相关资料确定如表4所示的焊接参数：表410mmQ345钢板对接埋弧焊时所用焊接参数焊接具体操作过程本实验所用的埋弧焊机型号为MZ-1000(A310-1000)。焊接的具体操作过程如下：1)在焊料斗内装上HJ431焊剂；2)在焊机上安装H10Mn2焊丝；3)将经过表面清理过的钢板在埋弧焊工作台上放置好；牌号化学成分（质量分数，%）H10Mn2CSiMnNbCrNiSP≤0.12≤0.071.50~1.900.015~0.050≤0.2≤0.3≤0.040≤0.040焊剂化学成分（质量分数，%）HJ431SiO2MnOAl2O3CaOMgOCaF2FeOSP40~4434~38465~83~71.80.050.05工件厚度/mm焊丝直径/mm焊接电流/A电弧电压/V焊接速度/cm·min-11644653246.24)将埋弧焊机上的送丝按钮轻轻按下，之后手动推动焊接小车，确保小车运动轨迹同焊缝位置线重合；5)轻轻按下送丝按钮，待焊丝与工件刚刚将要接触时停止，之后向焊机焊料斗中加入HJ431焊剂；6)向工件上覆盖一层焊剂，需覆盖整块钢板；7)按照表4的标准设置焊接参数；8)将焊料斗上的闸门打开；9)按下焊机上的启动按钮，埋弧焊机自动引弧和焊接；10)在焊接小车移动到焊缝末端位置时关闭按钮，焊接过程结束；11)清理钢板上的焊剂，敲去渣科，冷却后进行后续操作。三、金相样品的制备1、原理用金相显微镜观察经过特别磨制的金相试样以研究金属和合金组织及其内部缺陷的方法，叫做显微分析法。金属样品是在显微镜下进行分析和研究的试样。用金相显微镜观察和研究金属内部组织的步骤为：首先制备所取试样的表面，使其观察面为光洁程度很高的平面；然后选用合适的腐蚀剂，通过浸蚀是不同的相呈现出来，即可在显微镜下观察显微组织的特征。试样表面比较粗糙时，由于对入射光产生漫反射，无法用显微镜观察及内部组织，因此要对试样表面加工，通常用磨光和抛光的方法，从而得到光亮如镜的表面。这个表面在显微镜下只能看到白亮的一片而看不到其组织的细节，因此要用合适的腐蚀剂对试样表面进行浸蚀，是表面有选择性的溶解掉某些部分（如晶界），从而显示出式样的组织形貌、大小和分布。2、金相试样的制备过程为了在金相显微镜下清楚地观察到金属内部的显微组织，金属试样必须进行精心的制备。式样的制备过程包括：取样、粗加工（磨平）、镶嵌（对于Q345试样来说，此步可以省略）、磨光、抛光和浸蚀。取样及粗加工在钳工工作台上，用虎钳夹住，使用钢锯，截取一段试样。如下图，中间突起直线状的为焊缝。镶嵌步骤略去。粗磨：用砂轮机打磨试样表面，磨平观察金相的一面和其对面，同时磨平边角，以防抛光时撕坏抛光布。（打磨时需用水冷却，防止组织变化）细磨：用400、800、1000、02、04、06号砂纸细磨金相观察面。磨制时需注意，在试样上用力要均匀，试样在同一张砂纸上磨痕方向要一致。待前一道砂纸磨痕完全消失时才能更换用下一张砂纸。每次更换砂纸时，都要注意将试样、玻璃板清理干净，并把手冲洗干净，防止前一道砂纸的粗砂粒带到下一张砂纸上。磨制试样时用力要轻，同时要及时调整试样的受力点。抛光：抛光的目的是去除细磨后磨面上的细微磨痕，得到光滑的表面。用水浸湿抛光布，并在试样抛光面上涂抹适量的抛光膏。抛光时要注意：试样要沿抛光盘径向往返缓慢移动，在抛光时要经常添加适量的水，以保持抛光布的湿度。抛光时间应尽量较短，防止试样表面产生严重变形层。浸蚀：将抛光后的试样用清水冲洗干净，再用棉签沾硝酸酒精涂抹在试样表面（3S左右），腐蚀之后需用无水酒精擦拭干净，且用吹风机吹干，防止氧化。然后在显微镜下观察表面是否有划痕、污渍等。只有磨面上没有细微磨痕，在显微镜下观察平整光洁的试样才能在腐蚀后得到真实的显微组织。经过以上多道工序，试样便制作完成，接下来进行试样金相组织观察工作。四、焊缝区域显微组织观察与分析1、金相显微镜（此处以普通光学显微镜为例加以说明）系统简介：电脑型金相显微镜或是数码金相显微镜是将光学显微镜技术、光电转换技术、计算机图像处理技术完美地结合在一起而开发研制成的高科技产品，可以在计算机上很方便地观察金相图像，从而对金相图谱进行分析，评级等以及对图片进行输出、打印。金相显微镜基本构造金相显微镜的种类和型式很多，最常见的有台式、立式和卧式三大类。金相显微镜的构造通常由光学系统、照明系统和机械系统三大部分组成，有的显微镜还附带有多种功能及摄影装置。目前，已把显微镜与计算机及相关的分析系统相连，能更方便、更快捷地进行金相分析研究工作。1)光学系统其主要构件是物镜和目镜，它们主要起放大作用。并获得清晰的图象。物镜的优劣直接影响成象的质量。而目镜是将物镜放大的象再次放大2)照明系统光源的种类：包括白炽灯（钨丝灯）、卤钨灯、碳弧灯、氙灯和水银灯等。常用的是白炽灯和氙灯，一般白炽灯适应于作为中、小型显微镜上的光源使用，电压为6—12伏，功率15—30瓦。而氙灯通过瞬间脉冲高压点燃，一般正常工作电压为18伏，功率为150瓦，适用于特殊功能的观察和摄影之用。一般大型金相显微镜常同时配有两种照明光源，以适应普通观察和特殊情况的观察与摄影之用。3)机械系统主要包括载物台，镜筒、调节螺丝和底座。（1）载物台：用于放置金相样品。（2）镜筒：用于联结物镜、目镜等部件。（3）调节螺丝：有粗调和细调螺丝，用于图象的聚焦调节。（4）底座：起支承镜体的作用。成像原理显微镜的成象放大部分主要由两组透镜组成。靠近观察物体的透镜叫物镜，而靠近眼睛的透镜叫目镜。通过物镜和目镜的两次放大，就能将物体放大到较高的倍数，见图3，显微镜的放大光学原理图。物体AB置于物镜前，离其焦点略远处，物体的反射光线穿过物镜折射后，得到了一个放大的实象A1B1，若此象处于目镜的焦距之内，通过目镜观察到的图象是目镜放大了的虚象A2B2。ABF1F2A1B1A2B2BA显微镜放大倍数物镜的放大倍数M物=A1B1/AB≈L╱F1目镜的放大倍数=A2B2/A1B1≈D╱F2两式相乘：M物×M目=A1B1/AB×A2B2/A1B1=A2B2/AB=L╱F1×D╱F2=L×250╱F1×F2=M总式中：L—为光学镜筒长度（即物镜后焦点到目镜前焦点的距离）F1—物镜的焦距。F2—目镜的焦距D—明视距离（人眼的正常明视距离为250mm）即显微镜总的放大倍数等于物镜放大倍数和目镜放大倍数的乘积。一般金相显微镜的放大倍数最高可达1600到2000倍。由此可看出：因为L光学镜筒长度为定值，可见物镜的放大倍数越大，其焦距越短。在显微镜设计时，目镜的焦点位置与物镜放大所成的实象位置接近，并使目镜所成的最终倒立虚象在距眼睛250毫米处成象，这样使所成的图象看得很清楚。显微镜的主要放大倍数一般通过物镜来保证，物镜的最高放大倍数可达100倍，目镜的最高放大倍数可达25倍。放大倍数分别标注在物镜和目镜各自的镜筒上。在用金相显微镜观察组织时，应根据组织的粗细情况，选择适当的放大倍数，以使组织细节部分能观察清楚为准，不要只追求过高的放大倍数，因为放大倍数与透镜的焦距有关，放大倍数越大，焦距越小，会带来许多缺陷。2