Q345钢板焊接性能分析

1、Q345钢板焊接性能分析摘 要：本文进行了Q345钢板焊接性能分析。首先根据板材制定了埋弧焊对接试验，然后用卧式显微镜对焊接接头进行宏观和微观分析，并用维氏硬度测试仪检测焊接接头的维氏硬度，同时通过磁粉检测对焊接试样进行了无损检测。最终通过对试验数据进行分析，得出此种材料的焊接性能，并与理论进行分析比较，总结了影响Q345焊接性的因素。关键词：Q345；埋弧焊；卧式显微镜；维氏硬度；磁粉检测The Welding Performance Analysis of Q345 Steel Plate Abstract: This article has conducted the welding p

2、erformance analysis of Q345 steel plate. First of all, on the basis of the plate, we drew up a submerged arc welding butt joint test, then used horizontal microscope to analyze the macrostructure and microstructure of the welding joint, and used HV tester to test its Vickers hardness, at the same ti

3、me, using the magnetic particle testing to detect the welding sample on the nondestructive testing. Finally analyzed the test data, summing up such material welding performance, and carried on the analysis comparison theory, summarized the influence factors of Q345 weld ability.Keywords:Q345; Submer

4、ged Arc Welding; Horizontal Microscope; HV; Magnetic Particle TestingQ345(16Mn)是应用最广用量最大的低合金高强度结构钢，综合性能好，低温冲击韧性，冷冲压性及切削性能均好，屈服强度345MPa，抗拉强度490Mpa，适用于多种焊接方法，本次实验选择焊接性能良好的埋弧焊。本实验所用试样为Q345（250×40×10）1、埋弧焊工艺1.1 埋弧焊方法简介埋弧焊是指电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法，为电弧焊的一种。埋弧焊的特点是在电弧热的作用下，焊丝、焊剂和焊件被熔化形成的一层由熔渣和气体组成的保护膜，对

5、焊接区起到隔离空气、绝热和屏蔽光辐射的作用。这种焊接方法，生产率高，焊缝质量好，无弧光辐射和火花飞溅，在室内和室外都可焊接各种钢结构。适用于焊接低碳钢、低合金钢及不锈钢等金属。图11 埋弧焊设备如图11所示，埋弧焊设备包括埋弧焊机和各种辅助设备。其中，埋弧焊机是核心部分，由机械系统、焊接电源和控制系统三部分组成。辅助设备是为了使焊缝处于最佳施焊位置，或为了达到某些工艺目的所配置的工艺装置，包括使焊件准确定位和夹紧的焊接夹具，使焊件旋转、倾斜、翻转的焊件变位机，使焊接机头准确送到待焊位置的焊机变位机，以及能自动回收焊剂的焊剂回收器等。1.2 焊接过程1.2.1 焊前准备（1）坡口的选择由于埋弧焊

6、使用的电流比较大，熔透深度比较大，因此当焊件厚度小于14mm时可以不开坡口，这样仍能保证良好的焊缝成形。试验所用焊件厚度为10mm，因此，不开坡口。（2）焊件的清理焊接前，用砂纸打磨焊件待焊部位及其周边部位，以清除其表面的锈蚀、油污、水分、氧化皮等。（3）焊丝的清理和焊剂的烘干焊接前，将焊丝表面清理干净。同时，将试验所用焊剂HJ431按250、2h烘干。（4）焊件的装配焊件装配时，必须保证间隙均匀，高低平整。定位焊的位置应在第一道焊缝的背面，长度一般应大于30mm。此次定位焊选用CO2气体保护焊，在焊件的对接部位两端焊接1cm左右长的焊缝，防止埋弧焊过程中焊件的开裂。本实验所用试样为Q345（

7、250×40×10），不开坡口，对接接头双面焊，选用焊丝H10Mn2（1.2）、焊剂HJ431。根据试样厚度及焊丝直径查熔焊方法与设备一书中表5-13选择埋弧焊工艺参数如下表11所示：表11 不开坡口对接接头双面焊的焊接参数本实验所用的埋弧焊机型号为MZ-1000(A310-1000)。具体操作步骤如下：1、在焊料斗内装上HJ431焊剂；2、在焊机上安装H10Mn2焊丝；3、将表面清理过并进行定位焊（CO2气保焊）后的焊件在工作台上放置好；4、合上电源，打开焊机开关，让焊接小车预行走，对正焊缝；5、按表5设置10mm的Q345对接接头正面焊接参数；6、将焊料斗上的闸门打开；

8、7、按下启动按钮，埋弧焊机自动进行引弧和焊接；8、正面焊接完成后，待焊件稍微冷却后清除焊缝上渣皮，翻转焊件；9、设定反面焊接参数，继续进行另一面的焊接；10、反面焊接完成后，按下停止按钮。金相显微分析是研究金属和合金组织的主要方法之一，为了探索金属材料的性能，经常需要进行金相组织的检查和分析。金相显微分析是利用显微镜的光学理论借助于试样表面对光线的放射特点来进行的。为了对金相显微组织进行鉴别和研究，需要将所分析的金属材料制备成一定尺寸的试样，并经研磨、抛光与腐蚀等工序，最后通过金相显微镜来观察和分析金相的显微组织状态及分布情况。显微组织包括相的组成、数量、形态、大小、分布。显微缺陷则包括各种非

9、金属夹杂物、裂纹(性质、大小、形态、走向及其与显微组织的关系等)、显微孔洞(大小、分布)、珠光体球化程度和石墨化程度、脱碳、过烧、过热。光学金相显微分析广泛用于火电厂，已成为电厂金属监督中不可缺少的一种重要分析方法。放大镜是最简单的一种光学仪器，它实际上是一块会聚透镜（凸透镜），利用它就可以将物体放大。但金相显微镜不象放大镜那样由单个透镜组成，而是由两组透镜组成。金相显微镜是依靠光学系统实现放大作用的，其基本原理如图21所示。光学系统主要包括物镜、目镜及一些辅助光学零件。对着被观察物体A B的一组透镜叫物镜O1；对着眼睛的一组透镜叫目镜O2。现代显微镜的物镜和目镜都是由复杂的透镜系统所组成。图

10、21 金相显微镜光路图光学显微镜的放大倍数可达到16002000倍。当被观察物体AB置于物镜前焦点略远处时，物体的反射光线穿过物镜经折射后，得到一个放大的倒立实像A1B1（称为中间象）。若A1B1处于目镜焦距之内，则通过目镜观察到的物象是经目镜再次放大了的虚象A1B1。由于正常人眼观察物体时最适宜的距离是250mm（称为明视距离），因此在显微镜设计上，应让虚象A1B1正好落在距人眼250mm处，以使观察到的物体影像最清晰。金相显微镜总的放大倍数应为物镜与目镜放大倍数的乘积，即M总=M物M目 。在使用显微镜观察试样时，应根据其组织的粗细情况，选择适当的放大倍数。以细节部分观察得清晰为准。 显微镜

11、的鉴别能力（鉴别率）是显微镜也是物镜最重要的特性，它是指显微镜对于试样上最细微部分所能获得清晰映象的能力。物镜的数值孔径，表示物镜的聚光能力。物镜的数值孔径越大，表明物镜的鉴别能力也就是显微镜的鉴别能力越高。2.1.2 金相显微镜的操作步骤金相显微镜是一种精密光学仪器，在使用时要求细心和谨慎，严格按照使用规程进行操作。 将显微镜的光源插头接在低压（6V8V）变压器上，接通电源。 根据放大倍数，选用所需的物镜和目镜，分别安装在物镜座上和目镜筒内，旋动物镜转换器，使物镜进入光路并定位（可感觉到定位器定位）。 将试样放在样品台上中心，使观察面朝下并用弹簧片压住。 转动粗调手轮先使镜筒上升，同时用眼观

12、察，使物镜尽可能接近试样表面（但不得与之相碰），然后反向转动粗调手轮，使镜筒渐渐下降以调节焦距，当视场亮度增强时，再改用微调手轮调节，直到物象最清晰为止。 适当调节孔径光栏和视场光栏，以获得最佳质量的物象。 如果使用油浸系物镜，可在物镜的前透镜上滴一些松柏油，也可以将松柏油直接滴在试样上，油镜头用后，应立即用棉花沾取二甲苯溶液擦净，再用擦镜纸擦干。本实验所用设备为卧式金相显微镜。大型卧式显微镜主要由电源箱、照明光源、显微镜主体、垂直照明器、投影与摄影装置等部分组成，如图22所示。这种显微镜采用双筒目镜，使观察更为方便。光源方面增加了氙灯，这是一种较新颖的光源，提高了光源强度，有利于高倍、偏光、

13、暗场的观察并提高显微镜摄影的质量。图22 卧式显微镜该设备直接与计算机相连接，可以直观的在计算机上显示金属试样的微观组织，并且可以拍摄所需组织的金相照片，操作方便简洁。金相试样制备的质量好坏，直接影响到组织观察的结果。如果样品制备不符合特定要求，就有可能由于出现假象而产生错误的判断，致使整个分析得不到正确的结论。因此，为了得到合乎要求的理想金相显微组织试样，需要经过一系列的制备过程。2.2.1 试样制备过程：（1）截取所需试样的表面选择合适的、有代表性的试样是进行金相显微分析及其重要的一步。金相试样的选择要考虑取样部位、取样方法和试样尺寸三部分。l 取样部位及检测面的选择取决于被分析材料或零件

14、的特点、加工工艺过程及热处理过程，应选择有代表性的部位；l 生产中常规检验所用试样的取样部位、形状、尺寸都有明确的规定； l 检验和分析失效的原因时，应根据失效的原因，除了在材料失效的部位取样外，还需要在距离破坏处较远的部位取样，以便于对比分析； l 对于一般经热处理后的零件，由于金相组织比较均匀，试样截取可在任一截面进行。l 取样时，应该保证不使被观察的截面由于截取而产生组织变化，因此对不同的材料要采用不同的截取方法；l 对于软材料，可以用锯、车、刨等加工方法；l 对于硬材料，可以用砂轮切片机切割或电火花切割、线切割等方法； l 对于硬而脆的材料，如白口铸铁，可以用锤击方法；l 在大工件上取

15、样，可用氧气切割等方法；l 在用砂轮机切割或电火花切割时，应采取冷却措施，以减少由于受热而引起的试样组织变化。试样上由于截取而引起的变形层或烧损层必须在后续工序中去掉。l 金相试样的大小以便于握持、易于磨制为准。通常显微试样为直径1625mm、高1620mm的圆柱体或边长为25mm的立方体；l 对于形状特殊或尺寸细小不易握持的试样，要进行镶嵌或机械夹持。 注意事项：l 试样取下后一般先用砂轮磨平，对于很软的材料（如铝、铜等有色金属）可用锉刀搓平；l 在一般情况下，试样的周界要用砂纸或锉刀磨成圆角，以免在磨光及抛光时将砂纸或抛光织物划破；l 对于需要观察表层组织（如渗碳层、脱碳曾）的试样，则不能

16、将边缘磨圆，这种试样最好进行镶嵌。（2）试样表面的磨光与抛光金相试样截取好之后，就要对要观察表面进行磨光与抛光： 基本步骤：将要观察试样的截面在砂轮机进行粗磨，直到表面比较平整光滑为止。在打磨过程中，要经常用冷水将试样冷却，防止过热使金相试样组织发生变化； 选用金相砂纸进行精磨。金相砂纸是磨光金相试样的重要材料，一般采用的磨料为碳化硅和氧化铝。手工磨光试样时，砂纸应放在玻璃板上，依次用280号、500号、水砂纸、01、03、05、06号金相砂纸磨光，在磨制过程中，每换一号砂纸，试样磨制方向旋转90，且要将上一号砂纸磨制的划痕磨平后才能换下一号砂纸；在抛光机上对试样表面进行抛光，抛光的目的是在于

17、去除金相磨面由细磨所留下的细微磨痕及表面变形层，使磨面成为无划痕的光滑镜面。 注意事项：l 横截面：试样从中心到边缘组织分布的渐变情况，像表面渗层、硬化层、镀层等表面处理的深度及其组织，表面缺陷以及非金属夹杂物在横截面上的分布情况；l 纵截面：非金属夹杂物在纵截面上的分布情况、大小、数量及形状，金属的变形程度，如有无带状组织的存在；l 选择互相垂直的磨面，研究立体形貌；l 严禁在磨片机旋转时更换砂纸、砂布；l 试片打磨，抛光时应拿紧，并力求与磨面接触平稳；l 抛光操作时，对试样所施加的压力要均衡，且应先重后轻。在抛光初期，试样上的磨痕方向应与抛光盘转动的方向垂直，以利较快的抛除磨痕。在抛光后期

18、，需将试样缓缓转动，这样有利于获得光亮平整的磨面，同时能防止夹杂物及硬性的相产生曳尾现象。（3）试样表面侵蚀本实验选用化学侵蚀法，此法是利用化学试剂的溶液，借助于化学或电化学作用显示金属的组织。将试样磨面朝上平放在工作台上，以蘸有酒精的棉花在磨面上轻轻揩擦，用吹风机吹干。然后用蘸有硝酸酒精的棉花在磨面上轻轻擦拭，持续时间23s后，立即用酒精将表面擦拭干净，再用吹风机吹干。仪器的开机：接通总电源，然后向上扳动仪器上的总电源开关，指示灯亮，向上扳动白炽灯开关，指示灯亮，开启相连的电脑。装上目镜、物镜等（根据要求选择合适倍数的物镜、目镜）。打开电脑桌面快捷方式进入软件，显示图像。把试样放在载物台上（

19、试样要经过预磨、抛光、腐蚀）。调整粗、微调旋钮进行调焦，观察电脑屏幕显示的图像，直至观察到清晰的图像为止。调整载物台位置，找到关心的视场，调整图像的亮度、对比度，进行金相分析。 对图像进行采集和保存（叠加标尺）。全部完成后，取下物镜、目镜并收藏好。仪器的关机：向下扳动白炽灯开关，指示灯灭。向下扳动仪器上的总电源开关，指示灯灭。电脑关机，切断总电源。宏观分析主要内容为：观察与分析焊缝成形、焊缝金属结晶方向和宏观缺陷等。图31所示为焊接接头的宏观组织，可分为三部分：中心区为焊缝：靠近焊缝的是热影响区；两边未受影响的是母材区。图31 焊接接头宏观组织显微分析的主要内容为：借助于放大100倍以上的光学

20、金相显微镜进行观察，分析焊缝的结晶形态、焊接热影响区金属的组织变化和焊接接头的微观缺陷等。钢材焊接后，焊接接头主要由焊缝和热影响区组成。其中，焊缝由经过熔化的金属部分组成，热影响区是焊缝两侧发生组织和性能变化的区域。焊缝的组织取决于焊接时达到的最高温度和随后的冷却速度。由于从熔化区到母材区的变化是连续发生的，所以热影响区也没有非常明显的分界线。下列各图为试验中所拍摄的显微金相组织：图a）为焊缝与母材的过渡区显微组织。中间有一条很明显的分界线（熔合线），在熔合线的左上半部分为等轴晶区，该区为焊缝组织；熔合线右下部分成带状的组织为母材组织。图a）图b）为焊缝金属的显微组织，柱状晶分布，晶界处为铁素

21、体，晶内为索氏体和铁素体。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。焊缝晶粒较细，从金像照片看，存在大量树枝晶，焊缝结晶形态由合金浓度、结晶速度、温度梯度、过冷度 决定，焊缝结晶为非自发形核，即开始结晶是以熔合线处半熔化状态的母材晶粒为晶核，在焊缝边缘，合金浓度较小，温度梯度大，结晶速度较快，形核后的晶粒以枝晶形式向焊缝中心生长，越到焊缝中心，温度梯度逐渐变小，合金浓度逐渐升高，过冷度逐渐下降，结晶速度逐渐减慢，到焊缝中心时

22、可能出现平面晶，因此，从熔合线至焊缝中心，结晶形态为柱状晶柱状晶、平面晶共存平面晶，大多数情况下，焊缝中心不存在平面晶，即焊缝结晶形态为柱状晶柱状晶、平面晶共存。图c）为母材的显微结构组织，铁素体和珠光体呈带状如图c）。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c）3.3.1 维氏硬度测量原理采用正四棱锥体金刚石压头，在试验力作用下压入试样表面，保持规定时间后，卸除试验力，测量试样表面压痕对角线长度。试验力除以压痕表面积的商就是维氏硬度值。维氏硬度值按下式计算： HV = 常数×试验力/

23、压痕表面积 0.1891 Fd2式中：HV 维氏硬度符号；F 试验力，N；d 压痕两对角线d1、d2的算术平均值，mm实用中是根据对角线长度d通过查表得到维氏硬度值。3.3.2 维氏硬度计测量的具体过程开启电脑和维氏硬度计，打开维氏硬度测量软件。转动变荷手轮，选择合适的试验力（本实验中设置为4.903N）。在硬度计下方按键上选择合适的加载时间（本实验中设置为10s）。在菜单里设置好相关数据及试样材料。转动转盘，使40X物镜处于前方位置（此时光路系统总放大倍率为400）。 将试样放在十字试台上，转动升降手轮使试台上升，观察电脑屏幕，当试件离物镜下端1mm左右时，屏幕视场内出现明亮光斑，此时应缓慢

24、上升试台，直至屏幕中观察到试样表面清晰成像。将压头转至前方位置，转动时应小心缓慢地进行，防止过快产生冲击。按“启动”键，此时加试验力，键盘上显示 “10、9、8、0秒倒计时，当加载时间重新跳回设定值时，表示加卸试验力结束。将40物镜转到前方，在屏幕中可看到压痕，稍微转动升降手轮将其调到最清楚。点击电脑屏幕右侧的“图像态”，此时图像中会出现两条红色的竖线，点击鼠标左键将其中一根竖线拖至与菱形横向压痕角相切的位置后，再点击右键将另一根竖线拖至与相对角相切的位置，此时出现确定第一条对角线测量的对话框。确定后出现出现两条红色的横线，点击鼠标左键将其中一条横线拖至与菱形竖向压痕角相切的位置，再点击鼠标右

25、键将另一根横线拖至与对角相切的位置。此时出现维氏硬度测量结果。确认测量结果。并按照以上步骤进行其他点的测量。 所有硬度点测量结束后，生成测试报告。3.3.3 实验结果与分析采用正四棱锥体金刚石压头，在试验力作用下压入试样表面，保持规定时间后，卸除试验力，测量试样表面压痕对角线长度。如下图所示。图32 维氏硬度测量图示实验找到六个不同点，每点之间距离约为1mm左右，测得其硬度值，其中三个点的分布如图32右图所示，得到不同硬度数据，经过绘图如下图33所示：图33 实验测得维氏硬度分布图分析：从硬度值的测量结果可以看到热影响区的硬度值是比较大的，并且硬度值不均匀，而焊缝硬度平均值要低于母材。这在一定

26、程度上可以说明焊缝的韧性要比母材好。过热粗晶区的韧性要比焊缝和母材都低，这就是由于该区存在粗大的魏氏组织导致。之后的相变重结晶区，因为相当于正火，获得的组织是细致均匀的，拥有较好的力学性能，韧性和强度都较高。不完全重结晶区由于存在粗大的，组织不均匀，所以韧性较低，并且硬度值也有起伏。无损检测技术是第二次世界大战后迅速发展起来的一门新的综合性工程科学，它已经广泛地应用于众多的科技领域特别是工业领域。无损检测技术主要是根据物质的各种物理特性变化，在不损伤被检物使用性能与形状的条件下可以实现百分之百检查，从而判断被检物的质量状况。为了保障在役设备的安全运行，无损检测技术可以充分发挥其非破坏性及可靠性

27、并且在许多情况下更可以实施原位检测(即不需拆卸解体)的特长。因此，无损检测技术的应用已经在工业生产、物理研究和生物工程等广大科技领域获得极大的重视和迅猛发展，已经成为控制产品质量、保证设备安全运行等方面的极为重要的技术手段。尽管无损检测技术本身并非是一种生产技术，但其技术水平却能反映该部门、该行业、该地区甚至该国的工业技术水平。然而，在一般设备或者普通民用设备的诊断维护工程中目视检测等常规无损检测都尚未受到足够的重视和广泛应用。4.1 目视检测（Visual Testing）4.1.1 目视检测基本方法目视检查在无损检测中占有重要地位，许多重要故障都是在目视发现问题后再用仪器检查的，随着CCD

28、技术的发展，用以辅助目视检测的仪器也发展很快，可以列入此类的有视频显微镜系统、视频内窥镜、视频孔探仪等。目视检测，是国内实施的比较少，但在国际上非常重视的无损检测第一阶段首要方法。按照国际惯例，目视检测要先做，以确认不会影响后面的检验。按照国际惯例，目视检测要先做，以确认不会影响后面的检验，再接着做四大常规检验。经过国际级的培训，其VT检测技术会比较专业，而且很受国际机构的重视。VT常常用于目视检查焊缝，焊缝本身有工艺评定标准，都是可以通过目测和直接测量尺寸来做初步检验，发现咬边等不合格的外观缺陷，就要先打磨或者修整，之后才做其他深入的仪器检测。例如焊接件表面和铸件表面较多VT做的比较多，而锻

29、件就很少，并且其检查标准是基本相符的。4.1.2 表面目视检验的条件l 直接目视检验时，眼睛与被检表面的距离不得大于610mm，视线与被检表面所成的视角不小于30°。l 被检表面应有足够的照明，一般检验时光照度不得低于1601x；对细小缺陷进行鉴别时，光照度不得低于5401x。l 可以使用25倍的放大镜，对细小缺陷进行鉴别。4.1.3 检验工具检验用的焊接检验尺、量具和仪器必须经计量检定部门的检验合格。 几何外形尺寸测量用的样板应符合有关工程技术标准的规定。4.1.4 目视结果与分析焊后焊材的一部分如图41所示，可以明显地看到母材表面有飞溅和凹坑。图41 目视检测照片分析：上述的凹坑

30、可能是在取样过程中，被其他工件碰坏的，不是焊接造成的。飞溅造成的原因是，焊接过程中焊接电流过大，造成熔滴飞溅。4.2 磁粉检测（Magnetic Particle Testing）4.2.1 磁粉检测基本原理铁磁性材料工件被磁化后，由于不连续性的存在，使工件表面和近表面的磁力线发生局部畸变 而产生漏磁场，吸附施加在工件表面的磁粉，在合适的光照下形成目视可见的磁痕，从而显示出不连续性的位置、大小、形状和严重程度。4.2.2 磁粉检测适用范围1. 适用于检测铁磁性材料表面和近表面缺陷，例如：表面和近表面间隙极窄的裂纹和目视难以看出的其他缺陷。 不适合检测埋藏较深的内部缺陷。2. 适用于检测铁镍基铁磁性材料，例如：马氏体不锈钢和沉淀硬化不锈钢材料，不适用于检测非磁性材料，例如：奥氏体不锈钢材料。3. 适用于检测未加工的原材料（如钢坯）和加工的半成品、成品件及在役与使用过的工件。4. 适用于检测管材棒材板材形材和锻钢件铸钢件及焊接件。5. 适用于检测工件表面和近表面的延伸方向与磁力线方向尽量垂直的缺陷，但不适用于检测延伸方向与磁力线方向夹角小于20度的缺陷。6