Q345钢焊接接头组织性能分析

摘要：对Q345钢焊接性分析并制定Q345钢板（板厚δ=10mm）的对接埋弧焊工艺，依照工艺进行埋弧焊；对Q345埋弧焊接头典型部位截取试样，进行金相显微试样的制备；观察显微组织，测量显微维氏硬度，作显微组织和力学性能分析。1实验原理：1.1Q345（16Mn）焊接性分析及焊接方法的选择Q345应用最广用量最大的低合金高强度结构钢，综合性能好，低温冲击韧性，冷冲压性及切削性能均好，屈服强度≥345MPa，抗拉强度≥490Mpa，适用于多种焊接方法，本次实验选择焊接性能良好的埋弧焊。牌号化学成分（质量分数，%）Q345CSiMnNbSP0.12~0.180.551.0~1.600.015~0.0500.025~0.045≤0.0501.2埋弧焊焊接工艺1.2.1埋弧焊简介埋弧自动焊是指电弧在颗粒状焊剂层下燃烧的一种自动焊方法，是目前广泛使用的一种高效的机械化焊接方法。广泛用于锅炉、压力容器、石油化工、船舶、桥梁、冶金及机械制造工业中。1.2.2埋弧焊焊接原理埋弧焊的焊接过程：先送丝，经导电嘴与焊件轻微接触，焊剂堆敷在待焊处，引弧。随着电弧向前移动，熔池液态金属冷却凝固形成焊缝，液态熔渣冷却而形成渣壳。焊接时，焊机的启动、引弧、送丝、机头(或焊件)移动等过程全由焊机机械化控制。1.2.3焊前准备1.坡口的选择与加工由于埋弧焊的使用的电流比较大，熔透深度比较大，因此当焊件厚度小于14mm时可以不开坡口，这样仍能保证焊透和良好的焊缝成形；因为此次实验所选钢板为10mm厚，故不开坡口。2.焊件的清理焊接前，必须将坡口及焊接部位表面的锈蚀、油污、水分、氧化皮等清楚干净。方法有手工清除、机械清除等。3.焊丝的清理和焊剂的烘干焊接前，必须将焊丝表面的油污、铁锈等污物清除干净。为防止氢侵入焊缝，对焊剂必须严格烘干，而且要求烘干后立即使用。不同类型的焊剂要求烘干温度不同，这次实验所用焊剂为HJ431，查焊接材料手册知要求250℃、2h烘干。4.焊件的装配焊件装配时，必须保证间隙均匀，高低平整。定位焊的位置应在第一道焊缝的背面，长度一般应大于30mm。此次定位焊选用CO2气体保护焊。1.2.4焊接方法的选择为了焊接过程的方便简洁，选择悬空双面焊法，即不用衬垫，焊接第一面时所用焊接参数稍小，通常使焊缝的熔深达到或略小于焊件厚度的一半即可。然后翻转焊件，采用比较大的焊接参数，使焊缝的熔深达到焊件厚度的60%~70%，以保证焊件焊透。1.2.5焊接材料的选择埋弧焊焊剂和焊丝的匹配是获得高质量焊缝的关键。在焊接低碳钢和强度等级较低的低合金钢时，应按照等强原则选用与母材相匹配的焊接材料。此次选用的为HJ431高锰高硅焊剂和低碳钢焊丝H08Mn2相配合。1.2.6焊接参数的选择此次实验所选参数如下表：工件厚度/cm焊丝直径/cm焊接顺序焊接电流/A焊接电压/V焊接速度/cm·min-1104正56031.346反62033.3461.3埋弧焊焊接焊接过程本实验所用的埋弧焊机型号为MZ-1000(A310-1000)。具体操作步骤如下：1、在焊料斗内装上HJ431焊剂；2、在焊机上安装H10Mn2焊丝；3、将表面清理过并进行定位焊（CO2气保焊）后的焊件在工作台上放置好；4、合上电源，打开焊机开关，让焊接小车预行走，对正焊缝；5、按表5设置10mm的Q345对接接头正面焊接参数；6、将焊料斗上的闸门打开；7、按下启动按钮，埋弧焊机自动进行引弧和焊接；8、正面焊接完成后，待焊件稍微冷却后清除焊缝上渣皮，翻转焊件；9、设定反面焊接参数，继续进行另一面的焊接；10、反面焊接完成后，按下停止按钮。2．金相显微试样的制备用金相显微镜来研究金属的显微组织和缺陷的方法称为显微镜分析，显微镜分析能测定金属的晶粒度大小，显示金属的显微组织特征，测定金属的镀层和化学热处理扩散层的深度，鉴定金属中非金属夹杂物和各种缺陷等。（1）取样用锯子在焊好的钢板上进行手工截取，宽度在2cm~3cm，为了磨制方便再将长度进行截取，但不可过短，要保留热影响区、母材，否则在后面的金相观察和分析中看不到HAZ和母材。（2）磨光将截取的试样在砂轮机上进行粗磨，表面尽量磨平，以尽量消除手工截取时留下的粗大磨痕。为了后面的打硬度比较方便和准确，将两端尽量都磨平，试样有尖角的地方要磨平。在砂轮机上进行磨平时，要一边沾水一边磨，以降低磨制面的温度。然后用纱布进行粗磨，之后用金相砂纸逐级细磨，按粗细砂纸从01~06逐级变细，在磨制时要注意顺序。磨制试样时，每换一号砂纸，磨面磨削的方向应与前号砂纸磨制方向垂直，以便于观察磨制面上的划痕磨平情况。每换一次砂纸的时候要注意观察磨面上是否都是朝一个方向的划痕，如果有不一致的则应该继续在磨，直到磨面的划痕都是朝着磨制方向。（3）抛光抛光的目的是去除磨面上的磨痕而获得光滑的镜面。其方法有机械抛光法、电解抛光和化学抛光，此次实验采用机械抛光。机械抛光在机械抛光机上进行。抛光机由电动机带动水平圆盘旋转，盘上铺细帆布和绒布等。抛光时可以在试样上涂上少许抛光液以便于抛光，抛光时试样要抓紧，但不要压力太大，一直抛到表面明亮如镜。（4）浸蚀为了显示试样的显微组织，必须对试样表面进行腐蚀。金相试样浸蚀的方法有化学浸蚀发、电解浸蚀法和热染法等。本次实验采用化学浸蚀法，用的浸蚀剂为3%~4%的硝酸酒精溶液。浸蚀主要是靠浸蚀剂对金属的溶解或电化学腐蚀过程，使金属试样表面的晶粒与晶界及各组成相之间呈现轻微的凹凸不平，在显微镜下可以清楚的观察到试样表面的显微组织及形貌。浸蚀方法是将试样磨制面浸入浸蚀剂中，或用棉花沾上浸蚀剂擦拭试样磨制表面，浸蚀时间要适当，一般试样磨制面发暗就可以停止了。经浸蚀后的试样用清水冲洗，然后用酒精擦净，再用吹风机吹干即可。2.2金相试样显微组织的观察与维氏硬度的测量2.2.1金相试样显微组织的观察过程1、仪器的开机：接通总电源，然后向上扳动仪器上的总电源开关，指示灯亮，向上扳动白炽灯开关，指示灯亮，开启相连的电脑。2、装上目镜、物镜等（根据要求选择合适倍数的物镜、目镜）。3、打开电脑桌面快捷方式进入软件，显示图像。4、把试样放在载物台上（试样要经过预磨、抛光、腐蚀）。5、调整粗、微调旋钮进行调焦，观察电脑屏幕显示的图像，直至观察到清晰的图像为止。6、调整载物台位置，找到关心的视场，调整图像的亮度、对比度，进行金相分析。7、对图像进行采集和保存（叠加标尺）。8、全部完成后，取下物镜、目镜并收藏好。9、仪器的关机：向下扳动白炽灯开关，指示灯灭。向下扳动仪器上的总电源开关，指示灯灭。电脑关机，切断总电源。2.2.2维氏硬度的测量过程采用正四棱锥体金刚石压头，在试验力作用下压入试样表面，保持规定时间后，卸除试验力，测量试样表面压痕对角线长度。试验力除以压痕表面积的商就是维氏硬度值。维氏硬度值按下式计算：HV=常数×试验力/压痕表面积≈0.1891F／d2式中：HV————维氏硬度符号；F――――试验力，N；d————压痕两对角线d1、d2的算术平均值，mm实用中是根据对角线长度d通过查表得到维氏硬度值。国家标准规定维氏硬度压痕对角线长度范围为0.020～1.400mm维氏硬度计测量的具体过程如下：1、开启电脑和维氏硬度计，打开维氏硬度测量软件。2、转动变荷手轮，选择合适的试验力（本实验中设置为4.903N）。在硬度计下方按键上选择合适的加载时间（本实验中设置为10s）。3、在菜单里设置好相关数据及试样材料。4、转动转盘，使40X物镜处于前方位置（此时光路系统总放大倍率为400х）。5、将试样放在十字试台上，转动升降手轮使试台上升，观察电脑屏幕，当试件离物镜下端1mm左右时，屏幕视场内出现明亮光斑，此时应缓慢上升试台，直至屏幕中观察到试样表面清晰成像。6、将压头转至前方位置，转动时应小心缓慢地进行，防止过快产生冲击。7、按“启动”键，此时加试验力，键盘上显示“10、9、8、……0秒倒计时，当加载时间重新跳回设定值时，表示加卸试验力结束。8、将40х物镜转到前方，在屏幕中可看到压痕，稍微转动升降手轮将其调到最清楚。9、点击电脑屏幕右侧的“图像态”，此时图像中会出现两条红色的竖线，点击鼠标左键将其中一根竖线拖至与菱形横向压痕角相切的位置后，再点击右键将另一根竖线拖至与相对角相切的位置，此时出现确定第一条对角线测量的对话框。确定后出现出现两条红色的横线，点击鼠标左键将其中一条横线拖至与菱形竖向压痕角相切的位置，再点击鼠标右键将另一根横线拖至与对角相切的位置。此时出现维氏硬度测量结果。确认测量结果。并按照以上步骤进行其他点的测量。10、所有硬度点测量结束后，生成测试报告。3实验结果与分析对Q345钢焊接接头进行观察，可以看到第一面的焊缝和第二面的焊缝较好的熔合在一起，没有形成漏焊的情况，并且焊缝没有咬边、气孔、夹渣等缺陷，焊缝成形较好。对Q345钢焊接接头的相关尺寸进行测量。测量结果如图1所示。计算得第二面焊缝的熔深为焊件厚度的65.8%，符合焊接工艺的要求。3.1焊接接头显微组织分析Q345钢焊接接头如下图所示。其中对应标号位置的金相显微图片分别如图1、2、3、4所示。1234焊缝母材熔合线热影响区焊接接头组织示意图图1焊缝显微组织示意图图2HAZ显微组织示意图图3母材纤维组织示意图图4正反焊缝中心组织示意（1）焊缝金属显微组织主要为柱状晶分布，晶界处为铁素体，晶类为索氏体和针块状分布的铁素体。冷却时，由于向外散热，故使焊缝的熔融金属沿热扩散方向结晶而获得柱状晶，此时，先共析的铁素体沿柱状晶界析出，由于温度较高，且冷却速度稍快，因此组织呈过热特征。但随后的冷却过程中，奥氏体因过冷度较大，而转变为索氏体组织。（2）热影响区显微组织1.熔合区即焊缝与母材相邻的部位，又称半熔化区（温度处于固液相线之间）。此区在化学成分上和组织性能上都有较大的不均匀性，对焊接街头的强度、韧性都有很大的影响。2.过热区此区的温度范围是处在固相线以下到1100℃左右，金属是处于过热状态，奥氏体晶粒发生严重的长大现象，冷却之后便得到粗大的组织，常出现魏氏组织。3.相变重结晶区组织为晶粒细小的铁素体和珠光体，由于加热温度超过了Ac3，所以铁素体，所以铁素体和珠光体已全部转化为奥氏体，又由于加热温度低于1100℃，奥氏体晶粒并未显著长大，因此在空气中冷却以后会得到均匀而细小的珠光体和铁素体组织。4.不完全重结晶区焊接时处于Ac1～Ac3之间范围内的热影响区就是属于不完全重结晶区。有一部分发生了相变重结晶过程，成为晶粒细小的F和P，另一部分是始终未能溶入A的F，成为粗大的Ｆ。所以此区的特点是晶粒大小不一，组织不均匀，因此力学性能也不均匀。3．母材显微组织组织为细晶粒的铁素体和珠光体，并呈带状，如图和见。4正反焊缝中心显微组织由图可见，正反焊接时两面对接较好，没有形成漏焊的情况，并且焊缝没有咬边、气孔、夹渣等缺陷，焊缝成形较好。3.2维氏硬度的测量采用正四棱锥体金刚石压头，在试验力作用下压入试样表面，保持规定时间后，卸除试验力，测量试样表面压痕对角线长度。如下图所示。显微硬度测试点的分布如图8所示，测量点间距为1mm。按照从母材到焊缝的顺序，依次将测量点编号为1、2、3……10。得到不同硬度数据，经过绘图如下所示。显微维氏硬度分布表从硬度值的测量结果可以看到热影响区的硬度值是比较大的，并且硬度值不均匀，而焊缝硬度平均值要低于母材。这在一定程度上可以说明焊缝的韧性要比母材好。过热粗晶区的韧性要比焊缝和母材都低，这就是由于该区存在粗大的魏氏组织导致。之后的相变重结晶区，因为相当于正火，获得的组织是细致均匀的，拥有较好的力学性能，韧性和强度都较高。不完全重结晶区由于存在粗大的Ｆ，组织不均匀，所以韧性较低，并且硬度值也有起伏。总结在这次的材料性能分析综合训练中，我对埋弧焊和金相显微组织的分析有了更深一步的了解。在课堂上学习这方面的时候总是存在一些困惑和不理解，经过这次综合分析训练，在实际操作中学到了很多。可谓受益匪浅。实践和理论知识的联系使我对所学的想东西有了更深层次的理解，也激发了我对这方面只是更大的兴趣，我会继续努