西安工大设计型综合实验焊接实验.docx
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西安工大设计型综合实验焊接实验
XI`ANTECHNOLOGICALUNIVERSITY
实验报告
实验课程名称设计型综合实验
专业：
金属材料工程专业
班级：
邓紫棋
姓名：
邓紫棋
学号：
邓紫棋
实验学时：
指导教师：
邓紫棋
成绩：
2016年12月27日
西安工业大学实验报告
专业
金属材料工程
班级
邓紫棋
姓名
邓紫棋
学号
邓紫棋
实验课程
设计型综合实验
指导教师
邓紫棋
实验日期
同实验者
邓紫棋
实验项目
Q235钢板不同焊接结构下的焊接性能研究
实验设备及器材
逆变手工直流弧焊机，空气等离子弧切割机，拉伸试验机，金相显微镜
摘要：
在生产实践中，某些焊接结构有透气或者渗透液体的需求，本实验以使用较为广泛的Q235钢为例研究其在不同的焊接结构下的焊接性能。
针对Q235钢板的焊接性能进行焊接试验、力学性能检测和金相分析的等一系列的试验及研究。
试验结果表明Q235钢板焊接结构不同对于焊接性能有一定的影响。
关键词：
Q235钢板，焊接性能，焊接结构
目录
前言
1.低碳钢焊接性能概述3
2.手工电弧焊试验3
2.1焊接基材3
2.2实验焊接方法4
2.2.1焊材4
2.2.2相关参数4
2.2.3不同焊接结构介绍4
2.2.4常见缺陷及其解决方法6
2.2.5焊接注意事项7
3.检验及分析7
3.1不同焊接结构理论分析7
3.2焊后观察7
3.3金相检验8
3.3.1金相检验过程8
3.3.2注意事项8
3.3.3实验观察到的焊缝组织形态8
3.4拉伸试验9
3.4.1拉前准备9
3.4.2焊接接头的强度和塑性10
4.结论10
参考文献10
0前言
在生产实践中，大多数情况下需要进行满焊操作，也就是把准备焊在一起的两个工件所有接触的地方都进行熔焊，要把一条焊缝全部焊满就是满焊，用于求焊接强度较高的条件下。
但是在对连接强度要求不是太高的情况下，可以间断地进行焊接，即焊一段、间隔一段，俗称“花焊”。
Q235钢作为优质的低合金钢，其具有良好的综合力学性能、低温冲击韧性冷冲压性及切削性，价格低廉，生产量大，在我国应用面极广，可以作为大型船舶、铁路车辆、桥梁、管道、锅炉、压力容器、石油储存罐、起重机械、厂房钢架等承受负荷的焊接结构。
本文对Q235钢板在连接强度要求不是太高的情况下的力学性能做相应的研究和实验验证。
1低碳钢焊接性能概述
低碳钢的焊接性能良好，其退火组织为铁素体和少量珠光体，且随着含碳量的降低，其组织有其强度硬度较低，塑性和韧性较好。
含碳量少,一般组织由铁素体和珠光体组成,淬火后多为板条马氏体；低碳钢韧性大,硬度低,耐磨性差.随含碳量增加,珠光体含量增加,而铁素体则相应减少.故高碳钢的强度较高,而塑性、韧性相应较低.且淬火后多为片状马氏体；高碳钢脆性大,硬度高,耐磨性好.一般碳的含量越高硬度越大,韧性降低!
由于低碳钢含碳量低，锰，硅含量也少，通常情况下不会因焊接而产生严重硬化组织或者淬火组织。
低碳钢焊接以后的接头塑性和冲击韧性良好，焊接时，一般不需要预热，空盒子层间温度和后热，焊接也不必采用热处理改善组织们整个焊接过程不必采取特殊的工艺措施，焊接性能优异。
2手工电弧焊试验
2.1焊接基材
Q235钢作为优质的低合金钢，Q代表的是这种钢材的屈服极限，“235”，就是指这种材质的屈服值在235MPa左右。
并会随着材质的厚度的增加而使其屈服值减小，由于含碳适中，综合性能较好，强度、塑性和焊接等性能得到较好配合，用途最广泛。
本试验根据实际情况，拟选用厚度为5mm的Q235钢板，选用试样尺寸为400mm×150mm×5mm进行实验，其化学成分见表1，力学性能见表2。
表1 Q235钢的化学成分（%）
元素
C
Mn
Si
S
P
V
Nb
Ti
Cr
Ni
Cu
标准值
≤0.20
≤1.70
≤0.50
≤0.035
≤0.035
≤0.15
≤0.07
≤0.20
≤0.30
≤0.50
≤0.30
表2 Q235钢的力学性能
力学性能
ób【MPa】
ós【MPa】
δ【％】
Α0
实测值
450
285
32
合格
2.2实验焊接方法
现场拼接及焊接安装时多采用设备轻便的焊条电弧焊，虽然其焊接质量较难控制，且受工艺参数等的影响较大。
但是按照拼接安装现场条件、焊接成本等综合考虑，最终决定采用手工电弧焊进行焊接。
使用逆变手工直流弧焊机。
2.2.1焊材
根据焊材和焊接方法综合考虑，采用J422【E4303】酸性焊条。
2.2.2相关参数
表3手工电弧焊焊接缝成形系数
焊道方法
焊缝宽度
焊缝计算厚度
焊缝成形系数
手工电弧焊
12-14
2-3
5.2
表4手工电弧焊伏安条件与焊接速度关系
焊接电流A
焊接电压V
焊接速度cm/min
80-90
18-20
9
100-110
20-22
12
110-120
20-22
14
表5低碳钢焊件厚度与焊条直径关系表
焊件厚度
≤1.5
2
3
4-5
6-12
焊条直径
1.6
2.5
3.2
3.2-4
4-5
对于低碳钢I=【33-55】D
对于5mm厚的钢板，
I=50×4=200A
U=0.05×200+14+2v=24v，
综上所述，焊接电流选择200A，焊接电压选择24V。
2.2.3不同焊接结构介绍
图1
A方案：
如图1所示，将约6cm的焊缝分为2+2+2方式进行焊接。
经过手工电弧焊得出如图2的试样，试样焊缝如图3所示。
图2
图3
图4
B方案：
如图4所示，将约6cm的焊缝分为3+3，方式进行焊接。
B方案由同组实验者邓紫棋同学完成，此处不再赘述。
2.2.4常见缺陷及其解决方法
对于可能产生的各种缺陷，我们根据每种缺陷的特点，结合实际使用环境进行有针对性的制定控制工艺。
1，热裂纹的控制：
采取小的焊接热输入，并采用双面对接焊，控制焊接时的热量来避免热裂纹的产生。
2，冷裂纹控制：
采取焊前预热、焊后后热来降低焊缝区域的冷却速度；焊缝采用高韧性填充材料，尽量使焊缝组织接近纯奥氏体，这样可以溶解更多的氢，避免了焊缝中的氢向熔合区扩散；控制氢的来，降低接头处氢的含量。
采取多层多道焊、小的焊接热输入，降低焊接接头处的应力集中。
3，热影响区的脆化及软化控制:
热影响区的脆化通过焊后热处理来去除。
软化主要是通过缩短热影响区在高温区的停留时间来控制，所以我们应该选用热量集中、能量密度大的焊接方法，并采用小的热输入焊接，并且预热温度取低值；另外采取多层多道焊。
4，夹渣：
在焊缝熔池中的一些杂质应当被翻出在熔池的表面形成药皮被清掉，但当杂质在熔池凝固前未被翻出，被凝固在焊道内便形成夹渣，手工电弧焊因形成的熔池较小，停留时间短，所以泛渣能力差，若操作过程中形成的单道焊肉太厚容易造成夹渣缺陷。
焊道内的杂物，如黑色氧化铁，渗碳层等也会因熔化后不能及时翻出，形成夹渣。
5，气孔：
焊丝受潮，焊缝内潮气过大，油漆、油污等原因，都会引起焊缝内产生气孔，焊道形成太厚，熔池内的气体不能及时溢出扩散，便在焊道内形成气孔。
6，未熔合：
焊道与母材或者相邻的焊道之间不能很好地熔合在一起，在焊道内就形成了未熔合。
未熔合可以因坡口母材表面存在黑色氧化铁或气刨留下的渗碳层影响焊缝的熔合性而产生，另外焊接形成的单道焊道太厚，使形成的焊肉流坠到旁边的焊道和母材表面形成未熔合。
如果因为干丝伸长长度过长也会产生未熔合。
针对夹渣，气孔，未熔合的缺陷应采取的保护措施：
1，焊前做好预热，清除焊缝内的水汽，可以避免气孔产生。
2，保护好焊丝和焊条不要受潮，焊丝受潮后容易产生气孔，焊条要放在干燥的地方，杜绝用凉焊条和受潮焊丝焊接。
3，清理焊缝内的杂物和铁锈、黑色氧化铁、气刨产生的渗碳层等，打磨必须露出金属光泽，可以改善熔合性和避免气孔和夹渣的产生。
对于气刨产生的渗碳层表面硬度增加，不利于熔合。
2.2.5焊接注意事项
1，焊接时靠近母材的几道焊缝采用较大焊缝成型系数、不摆动，降低融合比，以降低母材对焊缝金属的稀释。
采用双面对接焊。
减小每道焊缝余高，焊道与焊道之间缓慢过度。
2，通过参考板，使每道焊缝处于水平位置，便于操作，提高焊接质量。
3，适当提高焊接速度，减小焊接的热输入。
3.检验及分析
3.1不同焊接结构理论分析
高中在化学实验课上做萃取实验，萃取剂的取用采取少量多次的原则,这样做能让原溶质被分离得更干净.而在人文科学中，“少量多次”原则本质上来源于经济学上的“边际收益递减”定律，因为资源投入的边际收益一般是递减的，所以我们在进行资源投入时就应当将资源划分为较多的“小块”资源分期分批地投入，而不是整体性地一次投入。
据此，我断定A方案焊接性能更好。
3.2焊后观察
焊接试件焊缝余高为1～2mm，有一个试样出现表面裂纹，因此这个试样作废，如图5所示。
图5
另外选择了焊缝及热影响区表面无裂纹、未熔合、夹渣、弧坑及气孔等缺陷，且符合焊接手册上相关标准的试样进行下一步的实验。
3.3金相检验
3.3.1金相检验过程
简单地说分为:
取样→镶嵌→磨光与抛光→侵蚀（4%硝酸酒精溶液）→观察照相等五个步骤。
3.3.2注意事项
1，试片打磨，抛光时应拿紧，并力求与磨面接触平稳。
两人不得同时在一个旋转盘上操作。
2，金相腐蚀的操作室应注意通风，检查是否停水，检查紧急情况下备用的中和酸碱伤害溶液。
3，金相试验用过的废液应经必要的处理后方可排放，不得将未经处理的废料倒入下水道。
4，现场进行金相试验时应有防止试剂、溶液泼洒滴落的措施;作业完毕后应将杂物、废液清理干净。
3.3.3实验观察到的焊缝组织形态
图6
图7
经微观组织的金相分析,母材区,组织为铁素体和珠光体,分布较均匀，为焊缝区,可见大量魏氏组织,其特征是先共析铁素体沿奥氏体晶界呈网状析出,或从奥氏体晶粒内部沿一定方向析出,具有长短不一的粗针状或条片状,直接插入珠光体之中,晶粒较热影响区和母材显著增大。
由资料可知还有部分相变区,组织为粗大的铁素体和细小的珠光体;细晶区,珠光体和铁素体均匀分布,晶粒细小;过热区,由部分聚集的铁素体和珠光体组成,晶粒较粗大;熔合区,该区域组织为大量聚集的铁素体。
3.4拉伸试验
3.4.1拉前准备
遵循《焊接接头拉伸试验方法》的相关标准进行取样，并在材料拉伸试验机上进行拉伸试验，试样从焊接接头垂直于焊缝轴线方向截取，加工完后，焊缝的轴线位于试样平行长度部分的中间，试样的厚度与焊接接头处母材的厚度相等。
3.4.2焊接接头的强度和塑性
图8
将做好试样做拉伸实验，焊条电弧焊焊接接头拉伸断裂位置在母材区，同时焊缝区出现了一定的裂纹拉，断后形貌如图7，从拉伸应力和时间的关系图可以看出，最大应力为49556.000N，抗拉强度为495.560N/mm2。
说明焊缝区抗拉强度满足条件焊接质量良好。
四，结论：
由于焊接实验经验不足，在手工电弧焊，金相检测中虽然出现一些失误，但是在后来均有所改进和弥补，这在金相图片中可以反映。
在拉伸实验过程中，由于两种不同的花焊结构的实验结果相差不明显，因此可以得出在花焊过程中方案B比方案A要好，因为操作起来比较简便，且与操作复杂的方案A焊接强度无明显差别。
参考文献：
1，赵异萍.《Q235钢CO2气体保护焊与手工电弧焊的工艺对比》太原重型机械学院学报.1997.06
2，王可.《254SMO_Q235B异种钢焊接接头显微组织》焊接学报第34卷第2期.2013.02
3，李渝黔.《对E4303焊条焊接09CuPTiXt耐候钢与A3钢的探讨》铁道部贵阳车辆工厂.1991.04
4，喻巧红《Q235焊接接头的缝隙腐蚀行为》金属学报.50卷11期.2014.11
5，赵本纲.《典型结构件焊接工艺编制及焊接项目化课程的设计与实施》昆明冶金高等专科学校学报.第31卷5期2015.10
6，王洪光.《实用焊接工艺手册》.化学工业出版社.2010.03.
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