材料制备实验焊条的制备及工艺性测试实验报告文档格式.doc

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2）通过不同熔敷金属成分焊条堆焊的对比，了解焊芯成分、堆焊工艺对焊缝组织性能的影响。

二、实验原理

为了解决实际生产问题和进行科学研究，往往需要进行电焊条的配制，本实验通过查阅资料，选择合适的药皮配方，并掌握压涂技术，用所制备的焊条堆焊Q235钢板，焊接时工艺性能和焊后焊接接头的组织和力学性能能够反映焊条的质量。

三、实验仪器

　　各种化学药品、天平、玻璃板、量筒、焊芯、电焊机、烘箱、金相显微镜、显微硬度计。

四、实验内容

1．焊条的制备

（1）焊芯的选取：

焊芯的设计主要考虑焊条直径和焊条技术要求，包括理化性能和合金元素的过渡等。

目前焊接材料有数百种，其中大多数品种系列选用H08A焊芯，借助焊条药皮过渡合金元素，以获得各种不同用途的焊条。

H08A焊芯直径为3.2mm，其化学成分如下表所示。

焊芯牌号

化学成分（质量分数，%）

H08A

C

Si

Mn

S

P

Ni

Cr

Cu

＜0.10

＜0.03

0.3~0.55

（2）药皮类型的制定：

最常用的钛钙型药皮，特点是含较多量的氧化钛，焊条工艺性能良好，电弧稳定，再引弧方便，飞溅很小，熔深较浅，熔渣覆盖性良好，脱渣容易，焊缝波形特别美观，可进行全位置焊接，尤其适宜于薄板焊接，但是焊缝塑性和抗裂性稍差。

随药皮中钾钠等用量的变化，钛钙型药皮可分为高钛钾型、高钛钠型等。

本实验选用药皮成分如下表所示。

药皮成分

大理石

萤石

菱苦土

钾长石

石英

钛白粉

云母

纯碱

合计

质量分数

44%

24%

4%

5%

15%

3%

1%

100%

（3）水玻璃的调配：

水玻璃又名泡花碱，是一种可溶性硅酸盐，有一种内含不同比例的碱金属氧化物和二氧化硅等组成的复合溶济。

焊条用水玻璃有钠水玻璃，钾水玻璃，钾钠混合水玻璃。

其中钠水玻璃的粘结性比钾水玻璃大，价格便宜，常应用在铁合金较多的碱性焊条。

钾水玻璃粘结性差，单独使用很少，但其加在焊条药皮中能减小熔池深度，减少焊条药皮在烘焙时的开裂现象，并具有良好的稳弧性能。

本实验选用模数为2.5~2.8的钾钠水玻璃（模数决定着水玻璃的粘结性能）。

（4）焊条药皮外径尺寸的控制及其参数：

药皮的厚薄，直接影响到焊条的焊接工艺性能和焊缝金属质量。

过厚，易使药皮套筒增长，直接影响电弧稳定及再引弧性，过薄，保护不当，因此要严格控制。

药皮重量系数K按下式计算：

式中　g1——药皮重量，单位g；

g2——药皮部分的焊芯重量，单位g。

本实验K取0.4。

（5）用砂纸将焊芯打磨去锈，校直，用天平称出一根焊芯的重量。

（6）取药皮重量系数K＝0.4，计算每种焊条所需药皮的重量。

（7）将称出的各种辅料放入瓷钵，用瓷棒搅拌均匀，要求药粉颜色一致，不得有块状、粒状存在，不得将干粉撒出。

为防止搓制焊条时药皮粘玻璃板，可留出少量干粉，但搓制后期必须全部用到焊条上。

（8）逐渐加入水玻璃，轻轻搅拌，直至可以形成“面团状”。

（实验时可一滴一滴地加入水玻璃，切不可一次加入过多。

）

（9）将湿混好的湿粉沿焊芯长度方向均匀分布涂在焊芯上，再用双手使焊芯在玻璃板上轻轻滚动，使药皮逐渐均匀牢固地粘在焊芯上，注意焊芯的一端留出20mm左右的无药皮夹持端，非夹持端要漏出焊芯，不要形成包头。

（10）搓好的焊条经24小时晾干，然后再放入烘箱内烘干，在180~220℃烘干2小时。

（11）烘干后的焊条，需要磨头、检查质量，如药皮有裂缝、剥落即为不合格。

药品准备

药品配置过程制作药皮过程

图一制作焊条过程

2．焊条工艺性能分析

利用自制焊条及市售J422进行焊接，观察并分析焊接电弧的稳定性、焊缝成形、飞溅、脱渣性、焊接发尘量等工艺性能。

（1）电弧稳定性测定

1）灭弧、喘息次数测定：

在5mm×

100mm×

300mm的Q235钢板上，在直流焊机上施焊，焊条尾端余50mm，记录每根焊条的灭弧、喘息次数。

折合灭弧次数＝灭弧次数+1/2喘息次数

2）再引弧性能测定：

用焊条在5mm×

300mm的Q235钢板上焊接15秒后断弧，立即在5mm×

300mm的Q235钢板上再引弧，记录断弧后至再引弧之间的间隔时间为1、2、3、4、5、6、7秒，每次再引弧应在钢板的冷点上进行，引弧成功两次或两次以上者判为再引弧通过。

再引弧时以焊条熔化端与钢板接触为准，不得做敲击动作，不得破坏焊条套筒。

3）飞溅的测定：

用300mm×

5mm的Q235钢板，竖直放在厚3mm的紫铜板上，用1mm厚、300mm高的紫铜板围成椭圆形直筒，加以屏蔽。

在钢板上面用φ3.2mm焊条进行单道焊，每根焊条熔化350mm，焊后将其筒内飞溅（渣和铁珠）收集（钢板和焊缝上的飞溅可忽略不计），用天平称其重量。

飞溅率（%）＝飞溅量（g）/（焊前焊条重-焊后焊条重）×

100%

（4）熔化系数、熔敷系数、焊条效率的测定

将300mm×

5mm钢板称重，用φ3.2mm的焊条利用交流焊机焊接，焊接电流200A±

5A，焊条熔化长度350mm，用秒表记录时间。

1）焊条熔化系数（g/Ah）＝（焊前焊芯重g-焊后焊芯重g）/焊接电流A×

焊接时间h）

2）焊条熔敷系数（g/Ah）＝（焊后板重g-焊前板重g）/（焊接电流A×

3）焊条效率（%）＝焊条熔敷金属重量g/熔化焊芯的重量g

（5）焊缝成形及流动性

1）Q235钢试板尺寸为300mm×

5mm，与水平面成10°

角放置，用焊条进行上坡焊和下坡焊，上坡焊时焊条与母材成10°

角，下坡焊时焊条与母材成80°

角。

焊接过程中观察熔渣流动性是否适宜，有无赶渣情况等，并作好记录。

2）焊后脱渣，观察其焊缝成形，看焊缝两边是否整齐，波纹是否均匀美观，焊缝宽窄是否一致，并拍照。

（6）脱渣性

在两块300mm×

5mm的Q235钢板间开70°

坡口，用φ3.2mm的焊条在坡口中间焊一层长250mm的焊缝，焊接电流200A±

10A，焊后用铁锤锤击试板中心。

脱渣长度测量可分三种情况：

1）未脱渣：

渣完全未脱，呈焊后原始状态。

2）严重沾渣，渣表面已脱落，但仍有薄渣层，未露出金属表面。

3）轻微沾渣：

焊缝两侧有粘渣，中间部分已全露出焊缝金属。

4）未脱渣总长＝未脱渣长度＋0.5×

严重粘渣长度＋0.2×

轻微粘渣长度

5）脱渣率＝（焊缝总长－未脱渣总长）/焊缝总长×

6）拍照。

自制焊条焊接过程焊后焊缝外观图

图二自制焊条焊接过程

　　3．焊接接头金相组织及硬度

（1）自制焊条焊接接头金相组织的观察

1）取自制焊条焊接的焊缝，用手工锯切开，制取试样。

打平、磨光、抛光、用体积分数3%的硝酸酒精腐蚀，然后在金相显微镜下观察。

手工具切开焊缝用砂轮机打磨

用砂纸打磨试样打磨抛光后的试样

图三制作金相试样

2）用HV1000型显微硬度计测量焊接接头的硬度，分别测量母材、热影响区、过渡区、焊缝区，各测三个点，求其平均值。

维氏硬度计使用方法如下：

①连接电源，打开电源开关。

②降低工作台支撑面，将试样放在支撑面上。

③调整支撑面的高度，直到从目镜中观察到清晰的试样表面。

④调整试样位置，使欲测硬度点位于视场中心。

⑤将硬度头顺时针旋转90°

正对准试样。

⑥调高支撑面，使试样刚好与硬度头接触。

⑦施加负荷，并保持15s。

⑧卸载，降低支撑面，将硬度头逆时针旋转90°

，使显微镜系统对准试样表面。

⑨调整支撑面高度，直到视场中看到清晰的压痕。

⑩测量压痕两对角线的长度，取平均值，查表得出该点的硬度值。

（2）焊接接头金相组织硬度对比

用HV1000型显微硬度计测量焊接接头的硬度，分别测量母材、热影响区、过渡区、焊缝区，各测三个点，求其平均值，比较各区域显微硬度的大小。

显微硬度仪测试样显微硬度

图四测量焊接接头的显微硬度

（3）焊接接头金相组织

五实验结果与分析

（1）自制焊条焊接接头金相组织的观察

取自制焊条焊接的焊缝，用手工锯切开，制取试样。

打平、磨光、抛光、用体积分数3%的硝酸酒精腐蚀，然后在金相显微镜下观察，分别记录焊缝区，热影响区和母材区的金相组织。

观察分析焊缝区，热影响区和母材区的金相组织特点可发现，在焊缝区存在均匀的等轴晶，其晶粒大小和母材区比较相近，在焊缝和热影响区的交界处，熔池金属在结晶时沿着冷却速度最快的方向优先生长，从而形成了具有一定方向性的柱状晶，在热影响区可发现，由于热影响区的组织在高温下发生了二次结晶和生长，从而形成了比较粗大的等轴晶，而且，离焊缝区和热影响区的交界处越近，晶粒越粗大。

由于焊缝区含有较多的杂质元素和缺陷，而且热影响区由于组织粗大，从而性能较差，往往是材料失效的源头区域。

焊缝区热影响区

母材区焊缝区热影响区母材区过渡

图五焊接接头的金相组织图

（2）焊接接头金相组织及硬度对比

焊接接头区域

焊缝区

热影响区

母材区

显微硬度（HV）

175

213

130.3

焊接后，焊缝的硬度比母材区要大，因为焊缝区有很多的杂质元素以及焊接缺陷，而在焊缝区和热影响区交界处，这种缺陷和杂质更加明显，所以越靠近交界处，显微硬度越大，因而热影响区硬度最大。

六　思考题

1、焊条药皮的作用是什么？

机械保护作用：

产生气体和熔渣，隔绝空气，防止熔滴和熔池金属与空气接触，凝固的渣壳覆盖在焊缝表面，可以防止高温的焊缝金属被氧化和氮化，可减慢焊缝金属的冷却速度

冶金处理作用，去除有害元素，进行脱氧，去硫，去磷，去氢等焊接冶金反应，增添有用元素，药皮中含有的合金元素过渡到熔池中，可改善焊缝金属的性能。

改善焊接工艺性能作用，使电弧易引燃，燃烧稳定，飞溅小，焊缝成形美观，易脱渣，适宜全位置焊。

2、制备焊条的过程包括哪些步骤？

选取焊芯，确定药皮类型，调配水玻璃，控制焊条药皮外径及其参数，打磨焊芯去锈，称量各种辅料，加入水玻璃，将药皮均匀粘在焊芯上，将焊条烘干，质量检测。

3、影响焊条脱渣性的因素有哪些？

脱渣性是指焊后从焊缝表面清除渣壳的难易程度，其影响因素有a：

熔渣的热膨胀系数，与焊缝金属的热膨胀系数差别越大，脱渣性越好，b：

熔渣的氧化性，熔渣的氧化性越强，脱渣性越差，c：

熔渣的松脆性，脱渣性越松脆越容易清除。

4、焊接接头分为哪些区域？

各有什么组织？

其硬度有何规律？

焊接接头由焊缝，热影响区和母材区组成。

低碳钢焊缝组织为粗大铁素体和少量的状体组成，过热时产生魏氏体组织，其组织质量分数的不同和性能的不同取决于冷却速度，当冷却速度越大，铁素体含量越少。

热影响区的组织和性能变化取决于焊接热循环过程中的二次结晶特点，在这已趋于由于被加热的最高温度和在这一温度区间停留的时间长短不同以及随后的冷却速度不同，而导致产生不同的显微组织和力学性能的差异，热影响区又可分为熔合区，过热区，完全重结晶区和不完全重结晶区，其中，只有完全重结晶区（正火区）的性能最好，由于焊接工艺性的影响，焊接接头各部位的硬度也有很大的不同。

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