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焊接冶金学实验指导书

《焊接冶金学》实验指导书

郭玉波闫红彦编

洛阳理工学院机电系

2014年2月

目录

学生实验守则1

实验一：

焊接材料认知及焊接工艺试验2

实验二焊缝金属中扩散氢含量测定3

实验三焊缝及热影响区组织观察6

实验四焊接缺陷观察9

学生实验守则

一、学生在实验前必须认真预习实验内容，掌握实验原理、实验目的和实验方法，经实验指导教师抽查合格后方能开始实验。

未达到预习要求的学生应重新预习，经指导教师检查合格后方能进行实验。

二、学生实验时应听从教师指导，严格按照仪器设备操作规程进行操作，严格遵守实验室各项规章制度。

三、学生要爱护实验仪器设备和室内其他设施，节约实验材料，使用前应仔细检查设备，准备好后经实验指导教师许可后方可实验。

如遇设备故障应及时报告实验指导教师，对丢失或操作不当者，要及时报告，并按“洛阳理工学院仪器设备损坏、丢失赔偿制度”进行处理。

四、实验结束后要如实填写“实验仪器设备使用记录本”。

经实验室工作人员检查仪器设备、工具材料无误后方可离开。

五、实验时不准大声喧哗和打闹，不准吸烟和随地吐痰，不准乱丢纸屑和杂物，不准穿拖鞋、背心和裤衩进入实验室，要保持实验室整洁和肃静。

六、学生未经许可不得动用与本实验无关的仪器设备和其他物品，不准私自携带物品出室。

七、学生应认真按时完成实验报告，对教师退回的报告要认真重做。

前次实验报告不合格或未交者，不准参加后续实验。

最后一次实验结束后，应将实验报告交实验指导教师留存。

八、实验时应注意安全，防止发生人身和设备事故。

如发生事故应立即切断电源，迅速报告指导教师，并保护现场（不得自行处理），待指导教师查明原因后排除故障方可继续实验。

实验一：

焊接材料认知及焊接工艺试验

一、实验目的

学生观察认识焊接材料中的焊条、焊丝、焊剂及保护气体，对焊接材料的型号及牌号进行初步了解。

根据各焊条、焊丝的特点，焊接设备如何选择焊接材料，并写出实验报告。

了解手弧焊的基本理论，熟练掌握手工电弧焊的基本操作及焊接规范参数调整的方法。

观察焊接电流，焊接电压及焊条直径对焊缝成型的影响。

二、实验内容

焊条类型的选择及焊接规范的正确预置，各种焊接位置的操作及焊接规范对焊接成型的影响。

三、实验要求

1、在5秒钟内完成引弧，并建立稳定电弧。

2、能够将一根完整的焊条不断弧烧完。

3、焊缝熔宽、堆高均匀，无气孔、夹渣。

4、测试分析焊接电流对焊缝成型的影响。

5、其它同学观看电弧形态

四、实验装置

1、电焊机1台

2、焊板若干

3、焊条（酸性）若干

4、锤1把

5、砂纸、钢丝刷1把

五、实验步骤

1、按下图将电焊机接好：

2、选定焊条类型及直径。

3、预调焊接电流值。

4、采用短路或划擦方法引燃电弧。

六、实验数据及处理

1、选择几组成型最好的焊接数据记录下表中。

2、记录所选焊件的堆高、熔宽、气孔、夹渣等。

电弧电压

电弧电流

成型分析

堆高

熔宽

电弧电压

电弧电流

成型分析

堆高

熔宽

七、实验报告要求

1、按以上记录说明最佳规范的参数。

2、分析手工电弧焊设备及工作原理。

3、说明焊接电流的调整方法（根据实验时采用的不同焊条）。

4、焊条的基本组成，分类和焊条的选用原则。

实验二焊缝金属中扩散氢含量测定

一、实验目的

1、掌握测定焊缝扩散氢含量的一种方法。

2、了解手工电弧焊时影响焊缝扩散氢含量的几个因素。

二、实验内容

1、在正常焊接条件下，比较J422、J507两种焊条焊缝的扩散氢含量；

2、比较J422、J507两种焊条不烘与焊前烘干温度为200℃×2h的扩散氢含量。

三、实验准备

1、试样材质选择与试验焊条强度等级相近的钢材。

2、试样尺寸为130×25×12mm，尺寸精度为±1mm，每组三个试样。

3、试样预先做去氢处理：

在650℃保温1小时或250±10℃保温6-8小时。

4、试样去除氧化皮和锈。

编号、乙醇去水、丙酮去油。

清洗后的试样不得接触油水等物，称重精确至0.1g，记为G。

四、实验方法与步骤

实验方法：

焊缝扩散氢含量的测定可以采用几种不同的方法。

如甘油法、水银法等。

我国国家标准规定采用甘油法（GB3965-83）。

本次实验即采用甘油法，其测定装置如图1。

在整个测试过程中应使甘油槽内的温度恒定为45±1℃。

实验步骤：

1、准备好焊机选用Φ4直径的焊条，调整好焊接规范，焊接电流比焊条生产厂家推荐的最大电流低15A，误差为±5A。

2、在准备好的试样中间堆焊一道长为115mm、宽为4mm的焊缝，焊接时采用短弧，焊接过程中若灭弧，则该试样作废。

3、停焊后2秒内将试样投入0-20℃的冷却水里摆动冷却，10秒后立即取出。

4、试样取出后清除飞溅物和渣皮，丙酮清洗迅速吹干后放入收集管内。

自试样焊完至放入收集管中的时间不超过60秒。

5、24小时后读取所测得的氢的体积，以ml表示。

6、取出试样洗净吹干，冷却后再称重，精确至0.1g，记为G1。

图1甘油法测定扩散氢含量装置示意图

五、实验设备和仪器

1、交、直流焊机

2、甘油法测定扩散氢含量装置（图1）

3、天平、烘箱、温度计

图2试样及焊缝尺寸

六、实验及实验报告要求

1、严格按照指导书有关内容进行实验。

2、认真做好实验记录、填好附表。

3、根据表中的数据，计算出每块试样焊缝的扩散氢含量，并注明实验条件。

4、将有关数据进行比较，分析影响焊缝扩散氢含量的主要因素。

七、扩散氢含量的计算

按以下公式计算出标准状态下每100g熔敷金属中的扩散氢含量[H]。

[H]=（PVT0/P0WT）×100ml/100g

式中：

[H]-标准状态下每100g熔敷金属中扩散氢含量（ml/100g）

V-集气瓶中收集到的实际扩散氢气体量（ml）

P0-标准大气压（760mmHg）

P-实验室气压（mmHg）

T0-273K

T-（273+t）K

t-恒温收集箱的环境温度

W-（G1-G0）g

一、实验记录用表

见附表。

试样号

焊条

G1（g）

G0（g）

t（s）

V（ml）

[H]

备注

牌

号

直

径

烘干工艺

实验三焊缝及热影响区组织观察

一、实验目的

1.仔细观察焊缝和热影响区及母材金属的显微组织

2.了解焊缝进检验方法。

二、概述

焊接工艺是一种应用极为广泛的热加工成型工艺。

为了仔细观察分析焊缝金属组织和检查焊缝质量，除了外观检查法、机械性能实验、X射线和

射线透视法、电弧检查法以及水压实验等方法外，金相分析方法是一个重要的方法、占有突出地位的手段之一。

焊缝金属的凝固好似一个小小的金属摸铸锭，其组织具有清晰的柱状晶。

柱状晶的生长方向与散热方向相反，多半是垂直于溶和线向焊缝心部分布。

焊缝及热影响区各部分由于离溶池距离不同饿而被加热到不同的温度。

焊后冷却时又以不同的冷却速度冷却下来，因而所得到的组织各不相同。

焊缝及热影响区各个部分被加热的最高温度及其冷却后的组织可与铁碳相图结合分析。

1.焊缝区的显微组织

从焊缝宏观组织观察，焊缝凝固后的组织特征之一是形成柱状晶。

其生长方向有名显的方向性，与散热最快的方向一致，即垂直于溶和线方向焊缝中心方向发展。

对于常用的焊接结构钢（如低碳钢）从液态到固态的一次结晶形成柱状晶奥氏体，然后进一步冷却到室温还要经历二次结晶过程，呈柱状晶的奥氏体在冷却过程中分解为铁素体和珠光体。

由于含碳较低，有先共析铁素体沿奥氏体晶界析出，把原奥氏体的柱状晶轮廓勾画出来，也称为柱状铁素体。

柱状铁素体十分粗大，其间隙为少量珠光体，往往呈魏氏体组织状态。

2.热影响区的显微组织

受焊接过程热循环（加热及冷却）的作用，焊缝附近的热影响区相当于经历了“特殊的热处理”过程一样。

焊缝及热影响区部分由于离熔池距离不同而被加热到不同的温度，焊后冷却时又由以不同的冷却速度冷却下来，因此，使该区组织复杂化。

由于焊缝周围金属的导热作用，焊缝和热影响区的冷却速度很快，有时可达淬火的程度。

冷却速度受材料的导热性、板厚和接头形状及钢板在焊前初始温度（包括环境温度或预热温度）等因素的影响。

钢板尺寸越大，冷却越快，钢板初始温度越高（预热），冷却越慢。

用于焊接的结构钢可分为两类：

一类是低碳钢和普通低碳合金钢如20钢、Q235钢、16Mn、15MnTi等，另一类是中碳钢和调质合金钢等。

前者叫不易淬火钢，后者叫易淬火钢。

3.不易淬火钢的热影响区

附图4-29为焊接热影响区和铁碳相图之间的关系。

以此来分析20钢焊接热影响区的组织变化。

组织发生显著变化的热影响区可分为四个区域，见图4-29。

（1）熔合区即熔合线附近焊缝金属到基体金属的过渡部分，温度处在固相线附近与液相线之间，金属仍处于局部熔化状态，晶粒十分粗大，化学成分和组织极不均匀，冷却后的组织为过热组织，呈典型的魏氏组织。

这段区域很窄（0.1~1mm），金相组织观察实际上很难明显的区分出来，但该区对于焊接接头的强度，塑性都有很大影响，熔合线附近常是裂纹和脆断的发源地。

（2）过热区（粗晶粒区）加热温度范围Tka~Tm（Tks为晶粒开始急剧长大的温度；Tm为熔点），当加热到11000C以上至熔点，奥氏体晶粒急剧长大，尤其在13000C以上，奥氏体晶粒急剧粗化，焊接空冷条件下呈粗大的魏氏体组织，塑性韧性降低，使接头处易出现裂缝。

（3）正火区（细晶粒区）即相变重结晶区，加热温度范围Ac3~Tks之间，约为900~11000C，全部为奥氏体，空冷后得到均匀细小的铁素体+珠光体组织，见照片9-3，相当于热处理中的正火组织，故又称正火区。

（4）部分相变区即不完全重结晶区，加热温度Ac1---Ac3,约750~9000C，钢被加热到奥氏体+部分铁素体区域，冷却后的组织微细小铁素体+珠光体+部分大块未变化的铁素体。

晶粒大小不均匀。

温度在Ac1以下的区域，组织仍保持母材的原始组织：

铁素体+珠光体。

4、易淬火钢的热影响区

这类钢（45钢）具有高的淬透性，易获得马氏体组织。

易淬火钢热影响区的各部分的组织划分如图4-29所示。

（1）淬火区加热到Ac3以上温度（相当于不易淬火钢的过热区+正火区），焊后冷却时很容易获得淬火组织，故叫淬火区。

靠近焊接缝处为粗大马氏体，而相当于正火区这部分组织为细小马氏体或马氏体+粒状贝氏体混合组织。

（2）不完全淬火区加热到Ac1~Ac3之间，铁素体几乎不变，珠光体转变为奥氏体，冷却后得到铁素体+马氏体。

如果含碳量和合金元素不高或冷却速度不大，这部分奥氏体也可能转变为索氏体或珠光体。

以上两区的组织与焊前金属的原始状态无关。

（3）回火区加热到低于Ac1温度时，焊前母材为退火状态时，组织不发生变化；焊前母材为淬火状态时，随着该区被加热温度的不同，得到不同的回火组织；回火索氏体、回火屈氏体、回火马氏体；焊条为调质状态，该区低于调治回火温度无组织变化。

三、实验内容

1、熟悉光学显微镜的使用

2、观察20钢、45钢焊接试样的母材、焊缝及热影响区组织

四、实验装置

1、光学显微镜40台

2、20钢焊缝试样若干

3、45钢焊缝试样若干

五、实验步骤

1、了解不易淬火钢和淬火钢的分类及试样特点

2、用宏观方法观察焊缝位置

3、用放大倍数400以上的视场观察20钢、45钢焊接试样，注意缓慢调整，依次观察焊缝、热影响区、母材的组织。

六、实验报告要求

1、绘出不易淬火钢焊缝及热影响区的组织示意图，要求标明材料、区域、焊接方法、放大倍数、腐蚀介质等。

2、分析不易淬火钢和易淬火钢热影响区的划分。

实验四焊接缺陷观察

一、实验目的

1.观察焊接时产生的缺陷（气孔、夹杂或裂纹）

2.了解焊接时产生的缺陷的原因及防止措施。

二、概述

气孔和夹杂是焊接生产中经常遇到的一种缺陷，它不仅削弱焊缝的有效工件断面，同时也会带来应力集中，显著降低焊缝金属的强度和韧性，对动载强度和疲劳强度更为不利。

在个别情况下，气孔和夹杂还会引起裂纹。

因此，在焊接生产中对气孔和夹杂的间题都重视

一、焊缝中的气孔

在焊接生产中遇到气孔问题是十分普遍的，几乎从碳钢到高合金钢、有色金属都有产生气孔的可能。

例如焊条、焊剂烘干不足，被焊金属和焊丝表面有锈、油污或其他杂质，焊接工艺不够稳定（电弧电压偏高、焊速太大和电流太小等），以及焊接区保护不良等都会不同程度地出现气孔。

（一）气孔的类型及其分布特征

第一类:

高温时某些气体溶解于熔池金属中，当凝固和相变时，气体的溶解度突然下降面来不及逸出残留在焊缝内部的气体，如氢和氮；

第二类:

由于冶金反应产生的不溶于金属的气体，如CO和H2O等。

1.

氢气孔对于低碳钢和低合金钢的焊接来讲，在大多数情况下，氢气孔出现在焊缝的表面上，气孔的断面形状如同螺钉状，在焊缝的表面上看呈喇叭口形，而气孔的四周有光滑的内壁，如图3-59所示。

但这类气孔在个别的情况下也会出现在焊缝的内部。

如焊条药皮中含有较多的结晶水，使焊缝中的含氢量过高，因而在凝固时来不及上浮而残存焊缝内部，对于铝、镁合金的氢气孔也常出现在焊缝内部。

关于氮气引起的气孔，其机理一般认为与氢气孔相似，气孔的类型也多在焊缝表面，但多数情况下是成堆出现，与蜂窝相似。

在焊接生产中由氮引起气孔较少。

氮的来源，主要是由于保护不好，有较多的空气侵入熔池所致。

2.CO气孔这类气孔主要是在焊接碳钢时，由于冶金反应产生了大量的CO，在结晶过程中来不及逸出面残留在焊缝内部形成气孔。

气孔沿结晶方向分布，有些像条虫状卧在焊缝内部.如图3-60所示。

在高温时冶金反应所产生的CO就会以气泡的形式从熔池中高速逸出，并不会形成气孔。

但是，当热源离开以后，熔池开始凝固时,由子铁碳合金溶质浓度偏析的结果（即先结晶的较纯，后结晶的溶质浓度偏高，杂质较多），可使熔池中的氧化铁和碳的浓度在某些局部地方偏高,有利进行下列反应：

因凝固结晶时，熔池金属的粘度不断增大，此时产生的CO就不易逸出，很容易被围困在晶粒之间，特别是在树枝状晶体凹陷最低处产生的CO更不易逸出。

另外，这种反应是吸热过程，会促使凝固加快，因而由CO形成的气泡来不及逸出时便产生了气孔。

（二）焊缝中形成气孔的机理

从试验研究可以知道，产生气孔的过程是由三个相互联系面又彼此不同的阶段所组成，即气泡的生核、长大和上浮。

它们各自都有本身所遵循的规律。

二、焊缝中的夹杂

焊缝或母材中有夹杂物存在时，不仅降低焊缝金属的韧性，增加低温脆性，同时也增加了热裂纹和层状撕裂的倾向。

焊缝中常遇到的夹杂物有以下三种:

1.氧化物焊接金属材料时，氧化物夹杂是普遍存在，在手工电弧焊和埋弧自动焊低碳钢时，氧化物夹杂主要是SiO2,其次是TiO，和Al2O3等，一般多以硅酸盐的形式存在。

这种夹杂物如果密集地以块状或片状分布时，在焊缝中会引起热裂纹，在母材中也易引起层状撕裂。

2.氮化物焊接低碳钢和低合金钢时，氮化物夹杂主要是Fe4N。

Fe4N是焊缝在时效过程中由过饱和固溶体中析出的，并以针状分布在晶粒上或贯穿晶界。

3.硫化物硫化物夹杂主要来源于焊条药皮或焊剂，经冶金反应转入熔池的。

但也有时是由于母材或焊丝中含硫量偏高而形成硫化物夹杂。

硫在铁中的溶解度随温度而有较大的变化。

高温时。

硫在δ铁中的溶解度为0.18%，而在γ铁中的溶解度只有0.05%，所以在冷却过程中，硫便从过饱和固溶体中析出而成为硫化物夹杂。

焊缝中的硫化物夹杂，主要有两种，即MnS和FeS。

三、焊接裂纹

在焊接生产中由于钢种和结构的类型不同，可能出现各种裂纹（见图5-4所示）。

裂纹的形态和分布特征都是很复杂的，按产生裂纹的本质来分，大体上可分为以下五大类：

图5一4焊接裂纹的宏观形态及其分布

a）纵向裂纹b）横向裂纹c）星形裂纹

（1）热裂纹热裂纹是在焊接时高温产生的，它的特征是沿原奥氏体晶界开裂。

人们把热裂纹分为结晶裂纹、液化裂纹和多边化裂纹等三类。

结晶裂纹主要产生在含杂质较多的碳钢、低合金钢焊缝中〔含硫、磷、碳、硅偏高）和单相奥氏体钢、镍基合金以及某些铝合金的焊缝中。

个别情况下，结晶裂纹也能在热影响区产生；液化裂纹主要发生在含有铬镍的高强钢、奥氏体钢，以及某些镍基合金的近缝区或多层焊层间部位。

母材和焊丝中的硫、磷、硅、碳偏高时，液化裂纹的倾向将显著增高；多边化裂纹多发生在纯金属或单相奥氏体合金的焊缝中或近缝区。

（2）再热裂纹厚板焊接结构，并采用含有某些沉淀强化合金元素的钢材，在进行消除应力热处理或在一定温度下服役的过程中，在焊接热影响区粗晶部位发生的裂纹。

再热裂纹多发生在低合金高强钢、珠光体耐热钢、奥氏体不锈钢和某些镍基合金的焊接热影响区粗晶部位。

再热裂纹的敏感温度，约在550-650℃。

这种裂纹也是具有沿晶开裂的特征，但在本质上与结晶裂纹不同。

（3）冷裂纹冷裂纹是焊接生产中较为普遍的一种裂纹，它是焊后冷至较低温度下产生的。

冷裂纹主要发生在低合金钢、中合金钢、中碳和高碳钢的焊接热影响区。

冷裂纹也有不同的类别，大致可分延迟裂纹，淬硬脆化裂纹，低塑性脆化裂纹三种。

（4）层状撕裂层状撕裂是属于低温开裂，一般低合金钢，撕裂的温度不超过400℃，但它的特征与冷裂纹截然不同。

层状撕裂易发生在厚壁结构的T型接头、十字接头和角接头，是一种难以修复的失效类型，甚至会造成灾难性事故。

（5）应力腐蚀裂纹焊接构件，如容器、管道等在腐蚀介质和拉伸应力的共同作用下（包括工作应力和残余应力）产生一种延迟破坏的现象，称为应力腐蚀裂纹（StressCorrosionCracking），简称SCC裂纹。

三、实验内容

1、熟悉光学显微镜的使用

2、观察焊接缺陷试样

四、实验装置

1、光学显微镜40台

2、焊缝试样若干

五、实验步骤

1、了解焊接缺陷试样特点

2、用宏观方法观察焊接缺陷位置及制样方法

3、用放大倍数100、400以上的视场观察焊接缺陷试样，注意缓慢调整。

六、实验报告要求

1、绘出焊接气孔的形态示意图。

2、分析焊接裂纹的种类及特征。