焊接工艺实验

1、焊接工艺学实验焊接工艺学实验 授课教师：余进授课教师：余进 Tel: 84315776(O)Tel: 84315776(O)13814036653 办公室：材料系办公室：材料系338338栋栋301301室室 一、焊接工艺学实验的作用和地位一、焊接工艺学实验的作用和地位 二、如何上好焊接工艺学实验课？二、如何上好焊接工艺学实验课？ 三、焊接工艺学实验课的安排三、焊接工艺学实验课的安排 四、焊接工艺学实验课的要求四、焊接工艺学实验课的要求 实验绪论及准备知识实验绪论及准备知识 二、如何上好焊接工艺学实验课？二、如何上好焊接工艺学实验课？ 1 1、每次实验课前要求预习（完

2、成预习报告）、每次实验课前要求预习（完成预习报告） 2 2、实验中认真操作和记录实验数据，并进行适、实验中认真操作和记录实验数据，并进行适 当数据处理（经过初步处理的实验的原始数据必当数据处理（经过初步处理的实验的原始数据必 须有教师签名）须有教师签名） 3 3、实验完成后要求完成实验报告、实验完成后要求完成实验报告 4 4、按时交实验报告、按时交实验报告 实验课的安排实验课的安排 1 1、每班根据人数分为若干组、每班根据人数分为若干组 2 2、每五位同学一组、每五位同学一组 3 3、实验课成绩有两部分组成：、实验课成绩有两部分组成： 平时表现平时表现(40%)(40%)、实验报告、实验报告(

3、60%)(60%) 焊接工艺学实验课的要求焊接工艺学实验课的要求 1 1、按时到实验室、按时到实验室 2 2、上课时应注意秩序，不许大声喧哗。、上课时应注意秩序，不许大声喧哗。 3 3、应注意用电安全，化学药品废弃物应、应注意用电安全，化学药品废弃物应 放入专用瓶。实验后注意卫生保持及用品放入专用瓶。实验后注意卫生保持及用品 的整洁。的整洁。 主要参考书主要参考书 1 1、中国机械工程学会焊接学会编著、中国机械工程学会焊接学会编著. . 焊接金相图谱焊接金相图谱. .机械工业出版社机械工业出版社 .1987.1987. 实验一实验一 30CrMnSiA30CrMnSiA钢焊接接头的金相组织钢焊

4、接接头的金相组织 观察分析观察分析 一、实验目的一、实验目的 ( (一一) )了解了解30CrMnSiA30CrMnSiA钢焊接热形响区的组织变化规律。钢焊接热形响区的组织变化规律。 ( (二二) )熟悉焊接热影响区组织变化与硬度的关系。熟悉焊接热影响区组织变化与硬度的关系。 二、实验内容二、实验内容 1 1掌握掌握30CrMnSiA30CrMnSiA钢的焊接特点。钢的焊接特点。 2 2 30CrMnSiA30CrMnSiA钢焊接接头的金相组织钢焊接接头的金相组织 观察分析观察分析 三、实验装置及实验材科三、实验装置及实验材科 1 1粗、细金相砂纸粗、细金相砂纸 2 2玻璃平板、机械抛光机、抛

5、光粉玻璃平板、机械抛光机、抛光粉 3 3无水乙醇、无水乙醇、4 4硝酸酒精溶液、吹风机、脱脂棉硝酸酒精溶液、吹风机、脱脂棉 4 4金相显微镜金相显微镜 四、实验原理四、实验原理 ( (一一)30CrMnSiA)30CrMnSiA钢焊接热影响区组织变化特点钢焊接热影响区组织变化特点 ( (二二) )焊接热影响区域组织与硬度的关系焊接热影响区域组织与硬度的关系 ( (一一)30CrMnSiA)30CrMnSiA钢焊接热影响区组织变化特点钢焊接热影响区组织变化特点 30CrMnSiA30CrMnSiA钢属于中碳调质钢，是淬火倾向较大的钢种。钢属于中碳调质钢，是淬火倾向较大的钢种。 一般情况下，易淬火

6、钢焊接接头热影响区的组织分布与毋材一般情况下，易淬火钢焊接接头热影响区的组织分布与毋材 焊接前的热处理状态有关。如果母材焊接前是正火或退火状焊接前的热处理状态有关。如果母材焊接前是正火或退火状 态，则焊后热影响区的组织仅为以下两个区域：完全淬火态，则焊后热影响区的组织仅为以下两个区域：完全淬火 区区加热温度超过加热温度超过Ac3Ac3以上，焊后冷却时出现马氏体、贝以上，焊后冷却时出现马氏体、贝 氏体、珠光体组织；不完全淬火区氏体、珠光体组织；不完全淬火区加热温度为加热温度为Ac1Ac1 Ac3Ac3，焊后冷却时出现马氏体、贝氏体、铁素体组织。如果，焊后冷却时出现马氏体、贝氏体、铁素体组织。如果

7、 母材在焊接前处于调质状态，则焊接热影响区除存在上述两母材在焊接前处于调质状态，则焊接热影响区除存在上述两 个区域以外，还可能有发生不同程度回火处理的区域，称为个区域以外，还可能有发生不同程度回火处理的区域，称为 回火区。回火区为加热温度低于回火区。回火区为加热温度低于Ac1Ac1且冷却较慢的区域，它且冷却较慢的区域，它 的组织、性能发生变化的程度，取决于焊前调质状态的回火的组织、性能发生变化的程度，取决于焊前调质状态的回火 温度。温度。 为了估计焊接热影响区的组织招性能，最好借助于为了估计焊接热影响区的组织招性能，最好借助于“模拟焊接热影模拟焊接热影 响区连续冷却组织转变图响区连续冷却组织转

8、变图”即即SHCCTSHCCT图。但是，图。但是，SHCCTSHCCT图的建立比图的建立比 较复杂，需要高精度的测试仪表和大量试试验工作，目前仅有少量钢种确较复杂，需要高精度的测试仪表和大量试试验工作，目前仅有少量钢种确 立了立了SHCCTSHCCT图，因而只好利用一般的连续冷却组织转变图，即图，因而只好利用一般的连续冷却组织转变图，即CCTCCT曲曲 线。对焊接热影响区的组织做粗略估计。图线。对焊接热影响区的组织做粗略估计。图1(a)1(a)为为30CrMnSiA30CrMnSiA钢的钢的CCTCCT 曲线，为了明确曲线各区域的组织及便于比较，也列出了该钢种的恒温转曲线，为了明确曲线各区域的

9、组织及便于比较，也列出了该钢种的恒温转 变曲线变曲线( (图图1(b)1(b)。图中纵坐标表示强度，横坐标表示时间。标注。图中纵坐标表示强度，横坐标表示时间。标注1 1、 2 2、55的五条曲线分别是不同冷却速度的曲线。利用它们与的五条曲线分别是不同冷却速度的曲线。利用它们与CCTCCT曲线曲线 相交的位置，可以推算冷却后的组织。例如，曲线相交的位置，可以推算冷却后的组织。例如，曲线1 1为图中冷却速度最快为图中冷却速度最快 的曲线，按曲线的曲线，按曲线1 1冷却后，钢的组织为马氏体十贝氏体组织；同理按曲线冷却后，钢的组织为马氏体十贝氏体组织；同理按曲线 3 3冷却后的组织为铁素体十贝氏体十珠

10、光体；按曲线冷却后的组织为铁素体十贝氏体十珠光体；按曲线5 5冷却后的组织为铁冷却后的组织为铁 素体十珠光体。以此类推，只要知道冷却曲线，就可以预知冷却后所得的素体十珠光体。以此类推，只要知道冷却曲线，就可以预知冷却后所得的 组织。组织。 根据根据30CrMnSiA30CrMnSiA钢的钢的CCTCCT曲线可以预料焊接热影响区的组织将是几种曲线可以预料焊接热影响区的组织将是几种 组织的混晶组织。如果焊接方法不同，则焊接后热影响区的组织也会不同。组织的混晶组织。如果焊接方法不同，则焊接后热影响区的组织也会不同。 例如，采用电弧焊时，由于它的热源温度较高，能量较集中，因而出气焊的例如，采用电弧焊时

11、，由于它的热源温度较高，能量较集中，因而出气焊的 热循环曲线更陡。相应的冷却速度较快。因此，气焊焊接头的热影响区宽度热循环曲线更陡。相应的冷却速度较快。因此，气焊焊接头的热影响区宽度 远远大于电弧焊的热影响区宽度，其中尤以粗晶区差别最大。气焊接头的粗远远大于电弧焊的热影响区宽度，其中尤以粗晶区差别最大。气焊接头的粗 晶区为粗大的贝氏体；且主要为上贝氏体组织；电焊接头的粗晶区中则针状晶区为粗大的贝氏体；且主要为上贝氏体组织；电焊接头的粗晶区中则针状 下贝氏体所占比例较大，同时亦有上贝氏体及马氏体。下贝氏体所占比例较大，同时亦有上贝氏体及马氏体。 30CrMnSiA30CrMnSiA钢虽为中碳调质

12、钢，但它又是珠光体类钢，因而焊接接头中加钢虽为中碳调质钢，但它又是珠光体类钢，因而焊接接头中加 热稍超过热稍超过Ac3Ac3转变温度的区域，当冷却速度较慢对，并不产生马氏体转变，转变温度的区域，当冷却速度较慢对，并不产生马氏体转变， 而为组织细小且均匀的珠光体类组织。该区域与不易淬火钢中的不完全重结而为组织细小且均匀的珠光体类组织。该区域与不易淬火钢中的不完全重结 晶区相当，其组织为经过相变后组织细化的珠光体和铁素体，以及未发生相晶区相当，其组织为经过相变后组织细化的珠光体和铁素体，以及未发生相 变，组织粗大的铁素体。变，组织粗大的铁素体。 (二二)焊接热影响区域组织与硬度的关系焊接热影响区域

13、组织与硬度的关系 焊接热影响区的组织变化会引起其性能的一系列变化。例如：母材焊焊接热影响区的组织变化会引起其性能的一系列变化。例如：母材焊 前为退火状态或正火状态时，热影响区中的淬火组织使这部分金属的强度前为退火状态或正火状态时，热影响区中的淬火组织使这部分金属的强度 增高、塑性降低；当母材焊前为调质状态时，焊接热影响区除了会产生淬增高、塑性降低；当母材焊前为调质状态时，焊接热影响区除了会产生淬 火组织时，还有因焊接过程中被重新加热超过焊前回火温度的软化区域。火组织时，还有因焊接过程中被重新加热超过焊前回火温度的软化区域。 虽然焊接热影响区尺寸不宽，一般仅为几毫米宽，并且焊接热影响区各个虽然焊

14、接热影响区尺寸不宽，一般仅为几毫米宽，并且焊接热影响区各个 区域的尺寸更窄。但热影响区各部分却因具有不同组织，从而具有不同的区域的尺寸更窄。但热影响区各部分却因具有不同组织，从而具有不同的 性能，导致焊接接头工作性能的降低。若用常规的方法，定量地测定热影性能，导致焊接接头工作性能的降低。若用常规的方法，定量地测定热影 响区各部分的种种性能，显然是不可能的。但焊接热模拟技术的发展，却响区各部分的种种性能，显然是不可能的。但焊接热模拟技术的发展，却 为研究焊接热影响区各个微小区域的性能开辟了道路。一般的条件下，还为研究焊接热影响区各个微小区域的性能开辟了道路。一般的条件下，还 可以利用硬度与强度的

15、相应关系，用热影响区硬度的变化表示性能的变化。可以利用硬度与强度的相应关系，用热影响区硬度的变化表示性能的变化。 硬度的测定简单易行，所需设备通用性强，是金属材料焊接性的常用试验硬度的测定简单易行，所需设备通用性强，是金属材料焊接性的常用试验 方法之一。硬度测定法除了用于一般鉴定焊接热影响区组织变化与性能的方法之一。硬度测定法除了用于一般鉴定焊接热影响区组织变化与性能的 关系外，国际焊接学会还推荐，用热影响区最高硬度试验作为测定金属材关系外，国际焊接学会还推荐，用热影响区最高硬度试验作为测定金属材 料淬硬倾向的判据。料淬硬倾向的判据。 图图2为合金钢焊接接头硬度分布的曲线，图中曲为合金钢焊接接

16、头硬度分布的曲线，图中曲 线线C，表示母材焊前为退火状态的硬度曲线，曲线，表示母材焊前为退火状态的硬度曲线，曲线A、 B表示母材焊前为淬火加低温回火及高温回火的硬度表示母材焊前为淬火加低温回火及高温回火的硬度 曲线。由于焊前热处理状态不同，焊接热影响区中软曲线。由于焊前热处理状态不同，焊接热影响区中软 化区的温度范围，以及软化程度会有很大差别。回火化区的温度范围，以及软化程度会有很大差别。回火 温度越低，软化区的温度范围越大，它相对于母材的温度越低，软化区的温度范围越大，它相对于母材的 软化程度也越大。反之，焊接前回火温度越高，软化软化程度也越大。反之，焊接前回火温度越高，软化 的温度区间越小

17、，软化程度也越小。的温度区间越小，软化程度也越小。 采用不同的焊接方法，所得的焊接热影响区采用不同的焊接方法，所得的焊接热影响区 宽度及组织均有差异，因而硬度分布曲线也不宽度及组织均有差异，因而硬度分布曲线也不 同。焊接接头中粗晶区的硬度值略高于气焊接同。焊接接头中粗晶区的硬度值略高于气焊接 头相应部位的硬度。头相应部位的硬度。 五、实验方法及步骤五、实验方法及步骤 (一一)试样的制作试样的制作 (二二)观察及测定各区域宽度观察及测定各区域宽度 ( (一一) )试样的制作试样的制作 1准备合适的准备合适的30CrMnSiA钢试样。钢试样。 2试样焊前进行退火处理试样焊前进行退火处理(890保温

18、保温1小时，随炉小时，随炉 冷却到室温冷却到室温)，消除母材中的带状组织。，消除母材中的带状组织。 3为了防止产生焊接缺陷，待焊接试样必须去除油为了防止产生焊接缺陷，待焊接试样必须去除油 污及表面氧化物。；污及表面氧化物。； 4将焊接试样切成将焊接试样切成502025mm的小块，用的小块，用 砂轮磨平端面并行光试件边缘毛刺砂轮磨平端面并行光试件边缘毛刺 5制作金相试样。试件经磨制，机械抛光及化学浸制作金相试样。试件经磨制，机械抛光及化学浸 蚀蚀(浸蚀剂为浸蚀剂为4的硝酸酒精溶液，浸蚀的硝酸酒精溶液，浸蚀35s)再冲洗，吹再冲洗，吹 干。干。 ( (二二) )观察及测定各区域宽度观察及测定各区域

19、宽度 在显微镜下仔细观察已制各好的金相试样。首先辩认焊在显微镜下仔细观察已制各好的金相试样。首先辩认焊 缝区、热影响区以及母材，然后分析及判别焊缝区，热影缝区、热影响区以及母材，然后分析及判别焊缝区，热影 响区各部分和母材的各种组织：如铁素体、珠光体、索氏响区各部分和母材的各种组织：如铁素体、珠光体、索氏 体、贝氏体、马氏体等，掌握它们的金相特征，分析不同体、贝氏体、马氏体等，掌握它们的金相特征，分析不同 区域中组织差异的原因。区域中组织差异的原因。 从焊缝中心向一侧移动试样，记录焊接热影响区各区域从焊缝中心向一侧移动试样，记录焊接热影响区各区域 的宽度。的宽度。 六、实验报告要求六、实验报告

20、要求 1 1观察焊接接头的显微组织，并将各区域宽度及组织观察焊接接头的显微组织，并将各区域宽度及组织 填入表中。填入表中。 2 2分析分析30CrMnSiA30CrMnSiA钢钢( (退火状态退火状态) )焊接接头各区域的组焊接接头各区域的组 织及硬度分布织及硬度分布 七、实验注意事项七、实验注意事项 1.1. 试样制备时同组的同学进行配合，应注意操作安全；试样制备时同组的同学进行配合，应注意操作安全； 2.2.试样磨制时需要注意平整度；试样磨制时需要注意平整度； 思考题思考题 ( (一一) 30CrMnSiA) 30CrMnSiA钢的焊接热影响淬火区，为什么不是钢的焊接热影响淬火区，为什么不

21、是 纯马氏体组织纯马氏体组织? ? ( (二二) )焊缝的硬度值为什么低于淬火区的硬度值焊缝的硬度值为什么低于淬火区的硬度值? ? ( (三三) )同一种易淬火钢，若焊前分别为调质状态和退火状同一种易淬火钢，若焊前分别为调质状态和退火状 态，焊接条件相同，试问焊后它们的热影响区组织有何异态，焊接条件相同，试问焊后它们的热影响区组织有何异 同同? ? 实验二实验二 不锈钢焊接接头的显微组织观察与分析不锈钢焊接接头的显微组织观察与分析 一、实验目的一、实验目的 ( (一一) )观察与分析不锈钢焊接接头的金相组织观察与分析不锈钢焊接接头的金相组织 ( (二二) )了解不锈钢焊接接头显微组织特征及产生

22、了解不锈钢焊接接头显微组织特征及产生 晶间腐蚀机理晶间腐蚀机理 二、实验内容二、实验内容 1掌握掌握18-8钢的焊接特点。钢的焊接特点。 218-8钢焊接接头的显微组织观察与分析。钢焊接接头的显微组织观察与分析。 三、实验装置及实验材科三、实验装置及实验材科 1 11Crl8Ni9Ti (1Crl8Ni9Ti (或或1Crl8Ni9) 1Crl8Ni9) 钢、吹风机、各号钢、吹风机、各号 金相砂纸金相砂纸 2 2玻璃平板、机械抛光机、抛光粉玻璃平板、机械抛光机、抛光粉 3 3无水乙醇、丙酮、王水、无水乙醇、丙酮、王水、1010草酸水溶液、草酸水溶液、 脱脂棉脱脂棉 4 4金相显微镜金相显微镜

23、四、实验原理四、实验原理 晶间腐蚀是沿晶粒边界发生的腐蚀现象。现以晶间腐蚀是沿晶粒边界发生的腐蚀现象。现以188188型奥氏型奥氏 体不锈钢中最适用的含稳定元素的体不锈钢中最适用的含稳定元素的1Crl8Ni9Ti1Crl8Ni9Ti钢为例，来讨论钢为例，来讨论 晶间腐蚀的问题。晶间腐蚀的问题。 1Crl8Ni9Ti1Crl8Ni9Ti钢含钢含0.12C0.12C和和0.80.8Ti Ti，碳在室温奥氏体中的最，碳在室温奥氏体中的最 大溶解度为大溶解度为0.030.03，多余的碳则通过固溶处理与钛结合形成，多余的碳则通过固溶处理与钛结合形成 稳定的碳化钛。由于钛对碳的固定作用，避免了在晶界形成稳

24、定的碳化钛。由于钛对碳的固定作用，避免了在晶界形成 碳化铬，从而防止了晶间腐蚀的产生。故碳化铬，从而防止了晶间腐蚀的产生。故1Crl8Ni9Ti1Crl8Ni9Ti钢具有抗钢具有抗 晶间腐蚀产生的能力。晶间腐蚀产生的能力。 然而在焊接接头中情况有所不何，奥氏体不锈钢的焊接接然而在焊接接头中情况有所不何，奥氏体不锈钢的焊接接 头，通常可分为以下几个区域。头，通常可分为以下几个区域。 ( (一一) )焊缝金属焊缝金属 主要为柱状树枝晶，是单相奥氏体组织还是主要为柱状树枝晶，是单相奥氏体组织还是 十十 双相双相 组织，将取决于母材和填充金属的化学成分。组织，将取决于母材和填充金属的化学成分。 ( (

25、二二) )过热区过热区 加热超过加热超过12001200的近缝区，晶粒有明显的长大。的近缝区，晶粒有明显的长大。 ( (三三) )敏化区敏化区 加热峰值温度在加热峰值温度在60010006001000的它的区城，组织无明且的它的区城，组织无明且 变化。对于不含稳定元素的变化。对于不含稳定元素的188188钢，可能出现晶界碳化铬的输出，产生钢，可能出现晶界碳化铬的输出，产生 贫铬层，有晶间腐蚀倾向。贫铬层，有晶间腐蚀倾向。 ( (四四) )母材金属母材金属 对于含稳定元素的对于含稳定元素的188188钢，如钢，如1Crl8Ni9Ti1Crl8Ni9Ti钢，峰值温钢，峰值温 度超过度超过12001

26、200的过热区产生的过热区产生TiCTiC分解，合金元素钛和碳分别固溶于奥氏体分解，合金元素钛和碳分别固溶于奥氏体 中。峰值温度愈高，中。峰值温度愈高，TiCTiC分解量愈大，从而使稳定化作用大为减弱，甚至分解量愈大，从而使稳定化作用大为减弱，甚至 完全消失。在随后的冷却过程中，由于碳原子的体积很小，扩散能完全消失。在随后的冷却过程中，由于碳原子的体积很小，扩散能 力比力比 铁原子强，碳原于趋于向奥氏体晶界扩散迁移，而钛原子来来不及扩散仍铁原子强，碳原于趋于向奥氏体晶界扩散迁移，而钛原子来来不及扩散仍 保留在奥氏体点阵节点上。因此，碳原子析集于晶界附近成为过饱和状态。保留在奥氏体点阵节点上。因

27、此，碳原子析集于晶界附近成为过饱和状态。 当上述过热区再次受到当上述过热区再次受到600600一一800800中温敏化加热或长期工作中温敏化加热或长期工作 于上述温度范围时，碳原子优先以很快的速度向晶界扩散。此时，于上述温度范围时，碳原子优先以很快的速度向晶界扩散。此时， 铬原子的扩散速度虽比碳原子慢，但比钛原子快，且浓度也远比铬原子的扩散速度虽比碳原子慢，但比钛原子快，且浓度也远比 钛高，因而易于在晶界附近形成铬的碳化物钛高，因而易于在晶界附近形成铬的碳化物(FeCr(FeCr)23C6)23C6。温度。温度 越高，越高，TiCTiC分解后合金元素碳和铬的固溶量越多，碳化物析出量分解后合金元

28、素碳和铬的固溶量越多，碳化物析出量 越大。上述碳化物的铬、碳舍量很高，但晶粒内部铬的扩散速度越大。上述碳化物的铬、碳舍量很高，但晶粒内部铬的扩散速度 比碳的扩散速度慢。所以在形成铬的碳化物时，富集在晶界的碳，比碳的扩散速度慢。所以在形成铬的碳化物时，富集在晶界的碳， 与晶粒表层一个薄层严重缺铬，铬的浓度低于临界值与晶粒表层一个薄层严重缺铬，铬的浓度低于临界值1212CrCr。 此时，奥氏体晶粒内和晶界碳化物由于含铬量高而带正电位，而此时，奥氏体晶粒内和晶界碳化物由于含铬量高而带正电位，而 贫铬层由于含铬量低于贫铬层由于含铬量低于1212而带负电位。如果为这种具备电化学而带负电位。如果为这种具备

29、电化学 腐蚀条件的焊接接头放入腐蚀介质中，带负电位的贫铬层就会成腐蚀条件的焊接接头放入腐蚀介质中，带负电位的贫铬层就会成 为被消耗的阳极而遭受腐蚀为被消耗的阳极而遭受腐蚀。 这样，由于这样，由于“高温过热高温过热”和和“中温敏化中温敏化”这两个依次进这两个依次进 行的热作用过程，造成了含稳定化元素的行的热作用过程，造成了含稳定化元素的188188钢特殊的晶钢特殊的晶 间腐蚀，这种腐蚀只发生在紧靠焊缝的过热区间腐蚀，这种腐蚀只发生在紧靠焊缝的过热区3535个晶粒个晶粒 范围，在工件表面上较宽，向接头内部逐渐变窄，呈刀形，范围，在工件表面上较宽，向接头内部逐渐变窄，呈刀形， 故又称故又称“刀蚀刀蚀”。 由此可见，由此可见，“高温过热高温过热”和和“中温敏化中温敏化” ” 是产生刀独的是产生刀独的 必要条件。对于焊接接头，必要条件。对于焊接接头，“高温过热高温过热”这一条件是由焊这一条件是由焊 接热作用过程自然形成的。因此只需要进行一次接热作用过程自然形成的。因此只需要进行一次“中温敏中温敏 化化”处理，就可根据处理，就可根据GB122375GB122375标准进行晶间腐蚀试验。标准进行晶间腐蚀试验。 这样，由于这样，由于“高温过热高温过热