西安工业大学设计型综合实验焊接实验报告

1、XIAN TECHNOLOGICAL UNIVERSITY实验报告实验课程名称 设计性综合实验（Q345B钢焊接性能研究） 专 业： 金属材料工程 班 级： 邓紫棋 姓 名： 邓紫棋 学 号： 邓紫棋 实验学时： 4周 指导教师： 成 绩： 2016 年 11月 焊接综合实验报告-Q345B钢板焊接性能研究摘 要 为了研究汽车起重机吊臂所用的一种材料Q345B钢的焊接性能。针对Q345B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Q345B钢板不仅有好的力学性能,还具有良好的焊接性能。关键词 Q345B钢板 焊接性能实验研究目 录0 前 言31.低合金

2、高强钢焊接性概述32.焊接工艺试验32.1焊接基材32.2实验焊接方法42.2.1焊材 42.2.2焊接接头形式 42.2.3相关参数 42.2.4常见问题及其解决方法52.2.5常见缺陷：夹杂，气孔，未熔合52.2.6焊接注意事项63.检验及分析63.1 Q345B钢板理论分析63.2焊后观察73.3焊接区硬度测定73.4金相检验73.4.1金相检验过程及注意事项73.4.2实验观察到的焊缝组织形态73.5拉伸试验103.5.1拉前准备103.5.2焊接接头的强度和塑性114.结 论11参考文献120 前 言 重型机械在工程建设中起着十分重要的作用，起重起重机吊臂在物料搬用中占据重大比例。吊

3、臂是汽车起重机最重要的工作部件。吊臂的设计和成功制作则决定汽车起重机的起重性能，焊接工艺是其中机械吊臂金属结构制造的主要工艺。焊接质量直接影响起重机械产品的质量。Q345B 钢作为优质的低合金钢 ，它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均好，在我国应用面极广，可以制造大型船舶、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，这就要求其不仅有好的力学性能，还要有好的焊接性能。本文对Q345B钢板在满足汽车起重机吊臂工作环境下的力学性能做相应的研究和实验验证。1 低合金高强钢焊接性概述 低合金调质其焊接性良好,接近于低碳钢。随着钢中合金元素

4、的增加,强度级别提高,淬硬性大,钢的焊接性也逐渐变差,出现的问题主要包括两个方面,其一是裂纹敏感性,其二高强钢含碳量较低,一般都在以下,其高强度及良好的综合机械性能是通过在低碳基础上加入多种提高淬透性的合金元素和调质热处理获得强度高、韧性好的低碳板条马氏体和部分下贝氏体组织而得到的。强度级别较低的低合金高强钢,如一级,由于钢中合金元素含量较少,是焊接热影响区的力学性能。世纪中后期,低合金高强钢取得了突显的进展,微合金钢技术、精炼技术、形变热处理、控轧控冷技术等一些先进技术的广泛应用,使得现代钢的焊接性显著提高,特别是冷列裂纹敏感性明显降低,大幅度提高了粗晶区韧性,高效率、大线能量焊接工艺被广泛

5、应用。但新的问题也伴随着出现,如多层焊接头中的局部脆性区问题、由于母材的低碳当量高强度化迫使冷裂纹从转移到焊缝金属当中等。2 焊接工艺试验 2.1 焊接基材 低合金高强度结构钢 Q345B在起重机械中用的比较多，具有良好的综合力学性能，在我国应用比较广泛。南方气温高，多使用 Q345B、Q345C，而北方气温低，冬天易出现极寒天气，多选用低温性能好的 Q345D、Q345E。本试验根据实际情况，参考表3拟选用厚度为5mm的 Q345B 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3。表1. Q345B钢的化学成分（质量

6、百分数）元素CMnSiSPVNbTiCrNiCu标准值0.201.700.500.0350.0350.150.070.200.300.500.30表2. Q345钢等级区别等级Q345A Q345BQ345CQ345DQ345E冲击温度不做冲击20度常温0度-20度-40度注：等级的区分，主要是冲击的温度有所不同。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或CO2气体保护焊，但其焊接质量较难控制，受工艺参数等的影响较大。按照拼接安装现场条件、焊接成本等综合考虑，拟设计采用手工电弧焊进行焊接。使用交流焊机1。2.2.1 焊材根据焊材和焊接方法综合考虑，选用E5001或E

7、5015型焊条。2.2.2 焊接接头形式根据工作条件和材料情况综合考虑选用对接接头，为了方便焊接进行，开双面V型坡口，单边坡度10°，坡口钝边4mm，坡口间隙2 mm，焊接层数为上下两层1。焊前将坡口两侧各30 mm 范围内的锈、油污等杂质用酒精和角向磨光机清除干净。如图所示：图1.试样接头样图 =60°，p=4mm, b=2mm，=5mm2.2.3 相关参数表3. 焊接相关参数板厚/mm焊条直径/mm焊接电流/A焊接层数/层53.290-1202 注：为了使焊接焊缝区域准确连接，采用一面用95A电流，背面采用105A电流进行焊接。 由于热量公式：。所以先用95A再用105

8、A，二次焊接时热量较高会让熔深更大，确保焊缝中间区域充分融合。2.2.4 常见问题及其解决方法l 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

9、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。2.2.5 常见缺陷：夹杂，气孔，未熔合l 形成原因：现场发现的夹渣、气孔、未熔合是伴随出现的，可以分析每种缺陷形成的过程。1) 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。2

10、) 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。3) 未熔合 焊道与母材和相邻的焊道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。l 采取措施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，杜绝使用凉焊条和受潮焊丝焊接。3

11、) 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。4) 对于这3种缺陷因为操作手法不合适，也给焊缝带来很大影响，对于焊缝的每层、每道拉得太厚，将给焊缝带来很多缺陷，所以对于每次每道焊缝要拉薄，薄薄的焊肉将利于熔池内的杂物翻出，以及池内的气体外溢，能有效避免夹渣和气孔产生，另外薄薄的焊肉之间不会因为熔化金属的流动产生未熔合。2.2.6 焊接注意事项l 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

12、与焊道之间缓慢过度。l 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。l 适当提高焊接速度，减小焊接的热输入。3 检验及分析 3.1 Q345B钢板理论分析 表4. 试样的力学性能根据表1、表4可看出,Q345B钢板是在Q235的基础上增添了较多的锰和少量的硅而形成的,锰和硅都能溶入铁,起固溶强化作用,显然锰的强化作用大,和Q235相比,强度有所提高,冲击韧性优于Q235,塑性有所降低。3.2 焊后观察 焊接试件焊缝余高为12mm，焊缝及热影响区表面无裂纹、未熔合、夹渣、弧坑及气孔，无咬边现象，符合焊接手册上相关标准。3.3 焊接区硬度测定按 GB/ T2654 进行2，对焊接试

13、板的母材、热影响区和焊缝分别进行洛氏硬度试验，试验结果见表 5。表5.Q345钢板对接焊接接头洛氏硬度试验结果硬度（HBC）母材热影响区焊缝热影响区母材标准值实测值121520141340.8通过硬度值可以看出，各个区域的硬度值满足焊接接头硬度基本规律并在该材料标准硬度1的范围内，所以它能满足自身的工作条件。3.4 金相检验3.4.1 金相实验过程及注意事项1) 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2) 注意事项a) 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。b) 金相腐蚀的操作室应通风良好，并设有自来水和急救酸、碱

14、伤害时中和用的溶液。c) 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。d) 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。3.4.2 实验观察到的焊缝组织形态1) 焊缝金属的显微组织（如图2）,柱状晶分布,晶界处为铁素体,晶内为索氏体和针、块状分布的铁素体。冷却时,由于向外散热,故使焊缝的熔融金属沿热扩散方向结晶而获得柱状晶,此时,先共析的铁素体沿柱状晶界析出,由于温度较高,且冷速又稍快,因此组织呈过热特征,但随后的冷却过程中,奥氏体因过冷度较大,而转变为索氏体组织。焊缝组织下方为融合区,此处融合情况良好。图2. 焊缝金属

15、的显微组织50×2) 过热区的显微组织（如图3）,组织为针状或块状分布的铁素体和索氏体,此处晶粒粗大,呈魏氏组织。这是该区加热温度高,奥化体晶粒显著长大,冷却后得到粗大的过热组织,使冲击韧性降低。图3. 过热区的显微组织50×3) 重结晶区:组织为晶粒细小的铁素体和珠光体(如图4),由于加热温度超过了AC3,所以铁素体和珠光体已全部转化为奥化体,又由于加热温度较低(一般低于1100)奥氏体晶粒未显著长大,因此在空气中冷却以后会得到均匀而细小的铁素体和珠光体。a. b.图4. 重结晶区 a.10× b.50×4) 母材的显微结构组织:铁素体和珠光体呈带状（

16、如图5）。从金相组织可看出,过热区形成了魏氏组织,容易产生脆化,构成了接头的薄弱环节,这时宜以小线能量焊接,在过热区获取板条马氏体,韧性会大大改善。图5. 母材的显微结构组织10×3.5 拉伸试验3.5.1 拉前准备按照 焊接接头拉伸试验方法相关标准取样，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，焊缝余高磨平最终试样尺寸如图6：a.b. 图6. a.试样相关尺寸 b.所做试样.3.5.2 焊接接头的强度和塑性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（图8）可以看出，最大应力为52222.000N，抗拉强度为522.220N/mm2。抗拉强度高于母材的抗拉强度500Mpa,说明焊缝区抗拉强度满足条件焊接质量良好。图7. 断后形状4 结 论Q345钢板焊缝的化学成份与母材的相近,焊接接头的抗拉强度、硬度较高,但韧性较低;焊接接头的过热区形成了魏氏组织,容易产生脆化,构成了接头的