焊接冶金學(xué)實(shí)驗指導(dǎo)書

1、焊接冶金學(xué)實(shí)驗指導(dǎo)書郭玉波 閆紅彥 編洛陽理工學(xué)院機(jī)電系2014年2月目錄學(xué)生實(shí)驗守則1實(shí)驗一：焊接材料認(rèn)知及焊接工藝試驗2實(shí)驗二 焊縫金屬中擴(kuò)散氫含量測定3實(shí)驗三 焊縫及熱影響區(qū)組織觀察6實(shí)驗四 焊接缺陷觀察9學(xué)生實(shí)驗守則一、 學(xué)生在實(shí)驗前必須認(rèn)真預(yù)習(xí)實(shí)驗內(nèi)容，掌握實(shí)驗原理、實(shí)驗?zāi)康暮蛯?shí)驗方法，經(jīng)實(shí)驗指導(dǎo)教師抽查合格后方能開始實(shí)驗。未達(dá)到預(yù)習(xí)要求的學(xué)生應(yīng)重新預(yù)習(xí)，經(jīng)指導(dǎo)教師檢查合格后方能進(jìn)行實(shí)驗。二、學(xué)生實(shí)驗時應(yīng)聽從教師指導(dǎo)，嚴(yán)格按照儀器設(shè)備操作規(guī)程進(jìn)行操作，嚴(yán)格遵守實(shí)驗室各項規(guī)章制度。三、學(xué)生要愛護(hù)實(shí)驗儀器設(shè)備和室內(nèi)其他設(shè)施，節(jié)約實(shí)驗材料，使用前應(yīng)仔細(xì)檢查設(shè)備，準(zhǔn)備好后經(jīng)實(shí)驗指導(dǎo)教師許可后

2、方可實(shí)驗。如遇設(shè)備故障應(yīng)及時報告實(shí)驗指導(dǎo)教師，對丟失或操作不當(dāng)者，要及時報告，并按“洛陽理工學(xué)院儀器設(shè)備損壞、丟失賠償制度”進(jìn)行處理。四、實(shí)驗結(jié)束后要如實(shí)填寫“實(shí)驗儀器設(shè)備使用記錄本”。經(jīng)實(shí)驗室工作人員檢查儀器設(shè)備、工具材料無誤后方可離開。五、實(shí)驗時不準(zhǔn)大聲喧嘩和打鬧，不準(zhǔn)吸煙和隨地吐痰，不準(zhǔn)亂丟紙屑和雜物，不準(zhǔn)穿拖鞋、背心和褲衩進(jìn)入實(shí)驗室，要保持實(shí)驗室整潔和肅靜。六、學(xué)生未經(jīng)許可不得動用與本實(shí)驗無關(guān)的儀器設(shè)備和其他物品，不準(zhǔn)私自攜帶物品出室。七、學(xué)生應(yīng)認(rèn)真按時完成實(shí)驗報告，對教師退回的報告要認(rèn)真重做。前次實(shí)驗報告不合格或未交者，不準(zhǔn)參加后續(xù)實(shí)驗。最后一次實(shí)驗結(jié)束后，應(yīng)將實(shí)驗報告交實(shí)驗指導(dǎo)教師

3、留存。八、實(shí)驗時應(yīng)注意安全，防止發(fā)生人身和設(shè)備事故。如發(fā)生事故應(yīng)立即切斷電源，迅速報告指導(dǎo)教師，并保護(hù)現(xiàn)場（不得自行處理），待指導(dǎo)教師查明原因后排除故障方可繼續(xù)實(shí)驗。實(shí)驗一：焊接材料認(rèn)知及焊接工藝試驗一、實(shí)驗?zāi)康膶W(xué)生觀察認(rèn)識焊接材料中的焊條、焊絲、焊劑及保護(hù)氣體，對焊接材料的型號及牌號進(jìn)行初步了解。根據(jù)各焊條、焊絲的特點(diǎn)，焊接設(shè)備如何選擇焊接材料，并寫出實(shí)驗報告。了解手弧焊的基本理論，熟練掌握手工電弧焊的基本操作及焊接規(guī)范參數(shù)調(diào)整的方法。觀察焊接電流，焊接電壓及焊條直徑對焊縫成型的影響。二、實(shí)驗內(nèi)容 焊條類型的選擇及焊接規(guī)范的正確預(yù)置，各種焊接位置的操作及焊接規(guī)范對焊接成型的影響。三、實(shí)驗要求

4、1、在5秒鐘內(nèi)完成引弧，并建立穩(wěn)定電弧。2、能夠?qū)⒁桓暾暮笚l不斷弧燒完。3、焊縫熔寬、堆高均勻，無氣孔、夾渣。4、測試分析焊接電流對焊縫成型的影響。5、其它同學(xué)觀看電弧形態(tài)四、實(shí)驗裝置1、電焊機(jī) 1臺2、焊板 若干3、焊條（酸性） 若干4、錘 1把5、砂紙、鋼絲刷 1把五、實(shí)驗步驟1、按下圖將電焊機(jī)接好：2、選定焊條類型及直徑。3、預(yù)調(diào)焊接電流值。4、采用短路或劃擦方法引燃電弧。六、實(shí)驗數(shù)據(jù)及處理1、選擇幾組成型最好的焊接數(shù)據(jù)記錄下表中。2、記錄所選焊件的堆高、熔寬、氣孔、夾渣等。電弧電壓電弧電流成型分析堆高熔寬電弧電壓電弧電流成型分析堆高熔寬七、實(shí)驗報告要求1、按以上記錄說明最佳規(guī)范的參

5、數(shù)。2、分析手工電弧焊設(shè)備及工作原理。3、說明焊接電流的調(diào)整方法（根據(jù)實(shí)驗時采用的不同焊條）。4、焊條的基本組成，分類和焊條的選用原則。實(shí)驗二 焊縫金屬中擴(kuò)散氫含量測定一、實(shí)驗?zāi)康?、 掌握測定焊縫擴(kuò)散氫含量的一種方法。2、 了解手工電弧焊時影響焊縫擴(kuò)散氫含量的幾個因素。二、實(shí)驗內(nèi)容1、 在正常焊接條件下，比較J422、J507兩種焊條焊縫的擴(kuò)散氫含量；2、 比較J422、J507兩種焊條不烘與焊前烘干溫度為2002h的擴(kuò)散氫含量。三、實(shí)驗準(zhǔn)備1、 試樣材質(zhì)選擇與試驗焊條強(qiáng)度等級相近的鋼材。2、 試樣尺寸為1302512mm，尺寸精度為1mm，每組三個試樣。3、 試樣預(yù)先做去氫處理：在650保

6、溫1小時或25010保溫6-8小時。4、 試樣去除氧化皮和銹。編號、乙醇去水、丙酮去油。清洗后的試樣不得接觸油水等物，稱重精確至0.1g，記為G。四、實(shí)驗方法與步驟實(shí)驗方法：焊縫擴(kuò)散氫含量的測定可以采用幾種不同的方法。如甘油法、水銀法等。我國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用甘油法（GB3965-83）。本次實(shí)驗即采用甘油法，其測定裝置如圖1。在整個測試過程中應(yīng)使甘油槽內(nèi)的溫度恒定為451。實(shí)驗步驟：1、準(zhǔn)備好焊機(jī) 選用4直徑的焊條，調(diào)整好焊接規(guī)范，焊接電流比焊條生產(chǎn)廠家推薦的最大電流低15A，誤差為5A。2、在準(zhǔn)備好的試樣中間堆焊一道長為115mm、寬為4mm的焊縫，焊接時采用短弧，焊接過程中若滅弧，則該試樣

7、作廢。3、停焊后2秒內(nèi)將試樣投入0-20的冷卻水里擺動冷卻，10秒后立即取出。4、試樣取出后清除飛濺物和渣皮，丙酮清洗迅速吹干后放入收集管內(nèi)。自試樣焊完至放入收集管中的時間不超過60秒。5、24小時后讀取所測得的氫的體積，以ml表示。6、取出試樣洗凈吹干，冷卻后再稱重，精確至0.1g，記為G1。1、 收集到的氫2、 氫氣收集管3、 甘油4、 試板5、 甘油槽6、 恒溫加熱器7、 支撐板 圖1 甘油法測定擴(kuò)散氫含量裝置示意圖五、實(shí)驗設(shè)備和儀器1、 交、直流焊機(jī)2、 甘油法測定擴(kuò)散氫含量裝置（圖1）3、 天平、烘箱、溫度計圖2 試樣及焊縫尺寸六、實(shí)驗及實(shí)驗報告要求1、 嚴(yán)格按照指導(dǎo)書有關(guān)內(nèi)容進(jìn)行實(shí)

8、驗。2、 認(rèn)真做好實(shí)驗記錄、填好附表。3、 根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，計算出每塊試樣焊縫的擴(kuò)散氫含量，并注明實(shí)驗條件。4、 將有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分析影響焊縫擴(kuò)散氫含量的主要因素。七、擴(kuò)散氫含量的計算按以下公式計算出標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下每100g熔敷金屬中的擴(kuò)散氫含量H。H=(PVT0/P0WT)100 ml/100g式中：H-標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下每100g熔敷金屬中擴(kuò)散氫含量（ml/100g） V-集氣瓶中收集到的實(shí)際擴(kuò)散氫氣體量（ml） P0-標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（760mmHg） P-實(shí)驗室氣壓（mmHg） T0-273K T-(273+t)K t-恒溫收集箱的環(huán)境溫度 W-（G1-G0）g一、 實(shí)驗記錄用表見附表。試樣號焊 條

9、G1（g）G0（g）t（s）V（ml）H備注牌號直徑烘干工藝實(shí)驗三 焊縫及熱影響區(qū)組織觀察一、實(shí)驗?zāi)康?. 仔細(xì)觀察焊縫和熱影響區(qū)及母材金屬的顯微組織2. 了解焊縫進(jìn)檢驗方法。二、概述焊接工藝是一種應(yīng)用極為廣泛的熱加工成型工藝。為了仔細(xì)觀察分析焊縫金屬組織和檢查焊縫質(zhì)量，除了外觀檢查法、機(jī)械性能實(shí)驗、X射線和 射線透視法、電弧檢查法以及水壓實(shí)驗等方法外，金相分析方法是一個重要的方法、占有突出地位的手段之一。焊縫金屬的凝固好似一個小小的金屬摸鑄錠，其組織具有清晰的柱狀晶。柱狀晶的生長方向與散熱方向相反，多半是垂直于溶和線向焊縫心部分布。焊縫及熱影響區(qū)各部分由于離溶池距離不同餓而被加熱到不同的溫度

10、。焊后冷卻時又以不同的冷卻速度冷卻下來，因而所得到的組織各不相同。焊縫及熱影響區(qū)各個部分被加熱的最高溫度及其冷卻后的組織可與鐵碳相圖結(jié)合分析。1. 焊縫區(qū)的顯微組織從焊縫宏觀組織觀察，焊縫凝固后的組織特征之一是形成柱狀晶。其生長方向有名顯的方向性，與散熱最快的方向一致，即垂直于溶和線方向焊縫中心方向發(fā)展。對于常用的焊接結(jié)構(gòu)鋼（如低碳鋼）從液態(tài)到固態(tài)的一次結(jié)晶形成柱狀晶奧氏體，然后進(jìn)一步冷卻到室溫還要經(jīng)歷二次結(jié)晶過程，呈柱狀晶的奧氏體在冷卻過程中分解為鐵素體和珠光體。由于含碳較低，有先共析鐵素體沿奧氏體晶界析出，把原奧氏體的柱狀晶輪廓勾畫出來，也稱為柱狀鐵素體。柱狀鐵素體十分粗大，其間隙為少量珠

11、光體，往往呈魏氏體組織狀態(tài)。2. 熱影響區(qū)的顯微組織受焊接過程熱循環(huán)（加熱及冷卻）的作用，焊縫附近的熱影響區(qū)相當(dāng)于經(jīng)歷了“特殊的熱處理”過程一樣。焊縫及熱影響區(qū)部分由于離熔池距離不同而被加熱到不同的溫度，焊后冷卻時又由以不同的冷卻速度冷卻下來，因此，使該區(qū)組織復(fù)雜化。由于焊縫周圍金屬的導(dǎo)熱作用，焊縫和熱影響區(qū)的冷卻速度很快，有時可達(dá)淬火的程度。冷卻速度受材料的導(dǎo)熱性、板厚和接頭形狀及鋼板在焊前初始溫度（包括環(huán)境溫度或預(yù)熱溫度）等因素的影響。鋼板尺寸越大，冷卻越快，鋼板初始溫度越高（預(yù)熱），冷卻越慢。用于焊接的結(jié)構(gòu)鋼可分為兩類：一類是低碳鋼和普通低碳合金鋼如20鋼、Q235鋼、16Mn、15Mn

12、Ti等，另一類是中碳鋼和調(diào)質(zhì)合金鋼等。前者叫不易淬火鋼，后者叫易淬火鋼。3. 不易淬火鋼的熱影響區(qū)附圖4-29為焊接熱影響區(qū)和鐵碳相圖之間的關(guān)系。以此來分析20鋼焊接熱影響區(qū)的組織變化。組織發(fā)生顯著變化的熱影響區(qū)可分為四個區(qū)域，見圖4-29。（1）熔合區(qū) 即熔合線附近焊縫金屬到基體金屬的過渡部分，溫度處在固相線附近與液相線之間，金屬仍處于局部熔化狀態(tài)，晶粒十分粗大，化學(xué)成分和組織極不均勻，冷卻后的組織為過熱組織，呈典型的魏氏組織。這段區(qū)域很窄（0.11mm），金相組織觀察實(shí)際上很難明顯的區(qū)分出來，但該區(qū)對于焊接接頭的強(qiáng)度，塑性都有很大影響，熔合線附近常是裂紋和脆斷的發(fā)源地。（2）過熱區(qū)（粗晶粒

13、區(qū)）加熱溫度范圍TkaTm(Tks為晶粒開始急劇長大的溫度；Tm為熔點(diǎn))，當(dāng)加熱到11000C以上至熔點(diǎn)，奧氏體晶粒急劇長大，尤其在13000C以上，奧氏體晶粒急劇粗化，焊接空冷條件下呈粗大的魏氏體組織，塑性韌性降低，使接頭處易出現(xiàn)裂縫。（3）正火區(qū)（細(xì)晶粒區(qū)） 即相變重結(jié)晶區(qū)，加熱溫度范圍Ac3Tks之間，約為90011000C，全部為奧氏體，空冷后得到均勻細(xì)小的鐵素體+珠光體組織，見照片9-3，相當(dāng)于熱處理中的正火組織，故又稱正火區(qū)。（4）部分相變區(qū) 即不完全重結(jié)晶區(qū)，加熱溫度Ac1-Ac3,約7509000C，鋼被加熱到奧氏體+部分鐵素體區(qū)域，冷卻后的組織微細(xì)小鐵素體+珠光體+部分大塊未

14、變化的鐵素體。晶粒大小不均勻。溫度在Ac1以下的區(qū)域，組織仍保持母材的原始組織：鐵素體+珠光體。4、 易淬火鋼的熱影響區(qū)這類鋼（45鋼）具有高的淬透性，易獲得馬氏體組織。易淬火鋼熱影響區(qū)的各部分的組織劃分如圖4-29所示。（1）淬火區(qū) 加熱到Ac3以上溫度（相當(dāng)于不易淬火鋼的過熱區(qū)+正火區(qū)），焊后冷卻時很容易獲得淬火組織，故叫淬火區(qū)。靠近焊接縫處為粗大馬氏體，而相當(dāng)于正火區(qū)這部分組織為細(xì)小馬氏體或馬氏體+粒狀貝氏體混合組織。（2）不完全淬火區(qū) 加熱到Ac1Ac3之間，鐵素體幾乎不變，珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，冷卻后得到鐵素體+馬氏體。如果含碳量和合金元素不高或冷卻速度不大，這部分奧氏體也可能轉(zhuǎn)變?yōu)樗?/p>

15、氏體或珠光體。以上兩區(qū)的組織與焊前金屬的原始狀態(tài)無關(guān)。（3）回火區(qū) 加熱到低于Ac1溫度時，焊前母材為退火狀態(tài)時，組織不發(fā)生變化；焊前母材為淬火狀態(tài)時，隨著該區(qū)被加熱溫度的不同，得到不同的回火組織；回火索氏體、回火屈氏體、回火馬氏體；焊條為調(diào)質(zhì)狀態(tài)，該區(qū)低于調(diào)治回火溫度無組織變化。三、實(shí)驗內(nèi)容1、 熟悉光學(xué)顯微鏡的使用2、 觀察20鋼、45鋼焊接試樣的母材、焊縫及熱影響區(qū)組織四、實(shí)驗裝置1、光學(xué)顯微鏡 40臺2、20鋼焊縫試樣 若干3、45鋼焊縫試樣 若干五、實(shí)驗步驟 1、了解不易淬火鋼和淬火鋼的分類及試樣特點(diǎn) 2、用宏觀方法觀察焊縫位置 3、用放大倍數(shù)400以上的視場觀察20鋼、45鋼焊接試

16、樣，注意緩慢調(diào)整，依次觀察焊縫、熱影響區(qū)、母材的組織。六、實(shí)驗報告要求1、繪出不易淬火鋼焊縫及熱影響區(qū)的組織示意圖，要求標(biāo)明材料、區(qū)域、焊接方法、放大倍數(shù)、腐蝕介質(zhì)等。2、分析不易淬火鋼和易淬火鋼熱影響區(qū)的劃分。實(shí)驗四 焊接缺陷觀察一、實(shí)驗?zāi)康?. 觀察焊接時產(chǎn)生的缺陷（氣孔、夾雜或裂紋）2. 了解焊接時產(chǎn)生的缺陷的原因及防止措施。二、概述氣孔和夾雜是焊接生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的一種缺陷，它不僅削弱焊縫的有效工件斷面，同時也會帶來應(yīng)力集中，顯著降低焊縫金屬的強(qiáng)度和韌性，對動載強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度更為不利。在個別情況下，氣孔和夾雜還會引起裂紋。因此，在焊接生產(chǎn)中對氣孔和夾雜的間題都重視 一、焊縫中的氣孔在焊接

17、生產(chǎn)中遇到氣孔問題是十分普遍的，幾乎從碳鋼到高合金鋼、有色金屬都有產(chǎn)生氣孔的可能。例如焊條、焊劑烘干不足，被焊金屬和焊絲表面有銹、油污或其他雜質(zhì)，焊接工藝不夠穩(wěn)定(電弧電壓偏高、焊速太大和電流太小等)，以及焊接區(qū)保護(hù)不良等都會不同程度地出現(xiàn)氣孔。 (一)氣孔的類型及其分布特征第一類:高溫時某些氣體溶解于熔池金屬中，當(dāng)凝固和相變時，氣體的溶解度突然下降面來不及逸出殘留在焊縫內(nèi)部的氣體，如氫和氮； 第二類:由于冶金反應(yīng)產(chǎn)生的不溶于金屬的氣體，如CO和H2O等。 1. 氫氣孔 對于低碳鋼和低合金鋼的焊接來講，在大多數(shù)情況下，氫氣孔出現(xiàn)在焊縫的表面上，氣孔的斷面形狀如同螺釘狀，在焊縫的表面上看呈喇叭口

18、形，而氣孔的四周有光滑的內(nèi)壁，如圖3-59所示。但這類氣孔在個別的情況下也會出現(xiàn)在焊縫的內(nèi)部。如焊條藥皮中含有較多的結(jié)晶水，使焊縫中的含氫量過高，因而在凝固時來不及上浮而殘存焊縫內(nèi)部，對于鋁、鎂合金的氫氣孔也常出現(xiàn)在焊縫內(nèi)部。 關(guān)于氮?dú)庖鸬臍饪?，其機(jī)理一般認(rèn)為與氫氣孔相似，氣孔的類型也多在焊縫表面，但多數(shù)情況下是成堆出現(xiàn)，與蜂窩相似。在焊接生產(chǎn)中由氮引起氣孔較少。氮的來源，主要是由于保護(hù)不好，有較多的空氣侵入熔池所致。 2.CO氣孔 這類氣孔主要是在焊接碳鋼時，由于冶金反應(yīng)產(chǎn)生了大量的CO，在結(jié)晶過程中來不及逸出面殘留在焊縫內(nèi)部形成氣孔。氣孔沿結(jié)晶方向分布，有些像條蟲狀臥在焊縫內(nèi)部.如圖3-

19、60所示。在高溫時冶金反應(yīng)所產(chǎn)生的CO就會以氣泡的形式從熔池中高速逸出，并不會形成氣孔。但是，當(dāng)熱源離開以后，熔池開始凝固時,由子鐵碳合金溶質(zhì)濃度偏析的結(jié)果(即先結(jié) 晶的較純，后結(jié)晶的溶質(zhì)濃度偏高，雜質(zhì)較多)，可使熔池中的氧化鐵和碳的濃度在某些局部地方偏高,有利進(jìn)行下列反應(yīng)： 因凝固結(jié)晶時，熔池金屬的粘度不斷增大，此時產(chǎn)生的CO就不易逸出，很容易被圍困在晶粒之間，特別是在樹枝狀晶體凹陷最低處產(chǎn)生的CO更不易逸出。另外，這種反應(yīng)是吸熱過程，會促使凝固加快，因而由CO形成的氣泡來不及逸出時便產(chǎn)生了氣孔。 (二)焊縫中形成氣孔的機(jī)理從試驗研究可以知道，產(chǎn)生氣孔的過程是由三個相互聯(lián)系面又彼此不同的階段

20、所組成，即氣泡的生核、長大和上浮。它們各自都有本身所遵循的規(guī)律。二、焊縫中的夾雜 焊縫或母材中有夾雜物存在時，不僅降低焊縫金屬的韌性，增加低溫脆性，同時也增加了熱裂紋和層狀撕裂的傾向。 焊縫中常遇到的夾雜物有以下三種: 1.氧化物 焊接金屬材料時，氧化物夾雜是普遍存在，在手工電弧焊和埋弧自動焊低碳鋼時，氧化物夾雜主要是SiO2,其次是TiO，和Al2O3等，一般多以硅酸鹽的形式存在。這種夾雜物如果密集地以塊狀或片狀分布時，在焊縫中會引起熱裂紋，在母材中也易引起層狀撕裂。2. 氮化物 焊接低碳鋼和低合金鋼時，氮化物夾雜主要是Fe4N。Fe4N是焊縫在時效過程中由過飽和固溶體中析出的，并以針狀分布

21、在晶粒上或貫穿晶界。3.硫化物 硫化物夾雜主要來源于焊條藥皮或焊劑，經(jīng)冶金反應(yīng)轉(zhuǎn)入熔池的。但也有時是由于母材或焊絲中含硫量偏高而形成硫化物夾雜。硫在鐵中的溶解度隨溫度而有較大的變化。高溫時。硫在鐵中的溶解度為0.18%，而在鐵中的溶解度只有0.05%，所以在冷卻過程中，硫便從過飽和固溶體中析出而成為硫化物夾雜。焊縫中的硫化物夾雜，主要有兩種，即MnS和FeS 。三、焊接裂紋在焊接生產(chǎn)中由于鋼種和結(jié)構(gòu)的類型不同，可能出現(xiàn)各種裂紋(見圖5-4所示)。裂紋的形態(tài)和分布特征都是很復(fù)雜的，按產(chǎn)生裂紋的本質(zhì)來分，大體上可分為以下五大類：圖5一4焊接裂紋的宏觀形態(tài)及其分布a)縱向裂紋 b）橫向裂紋 c）星形裂紋 (1) 熱裂紋 熱裂紋是在焊接時高溫產(chǎn)生的，它的特征是沿原奧氏體晶界開裂。人們把熱裂紋分為結(jié)晶裂紋、液化裂紋和多邊化裂紋等三類。結(jié)晶裂紋主要產(chǎn)生在含雜質(zhì)較多的碳鋼、低合金鋼焊縫中含硫、磷、碳、硅偏高)和單相奧氏體鋼、鎳基合金以及某些鋁合金的焊縫中。個別情況下，結(jié)晶裂紋也能在熱影響區(qū)產(chǎn)生；液化裂紋主要發(fā)生在含有鉻鎳的高強(qiáng)鋼、奧氏體鋼，以及某些鎳基合金的近縫區(qū)或多層焊層間部位。母材和焊