金屬材料焊接試驗(yàn)

1、材料焊接性實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2005年實(shí)驗(yàn)一 低合金結(jié)構(gòu)鋼焊接性試驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、初步了解低合金結(jié)構(gòu)鋼焊接性試驗(yàn)方法。2、掌握斜 Y 坡口對(duì)接裂紋試驗(yàn)方法及試驗(yàn)結(jié)果的一般分析方法。二、實(shí)驗(yàn)原理合金結(jié)構(gòu)鋼焊接時(shí)的主要問(wèn)題之一是裂紋， 強(qiáng)度級(jí)別越高的鋼， 其冷裂紋傾向越大。 焊接冷裂傾向的測(cè)定方法很多。常用的測(cè)定方法有：最高硬度法，斜 Y 坡口對(duì)接裂紋 試驗(yàn)法（“小鐵研式”抗裂試驗(yàn)） 、插銷試驗(yàn)等。按照接頭的拘束類型可把抗裂試驗(yàn)分 成自拘束型抗裂試驗(yàn)和外拘束型抗裂試驗(yàn)兩大類。外拘束型抗裂試驗(yàn)適用于定量評(píng)定 材料的裂紋傾向，并可以比較深入地進(jìn)行有關(guān)理論研究工作，但這類試驗(yàn)都需要

2、專用 的試驗(yàn)機(jī)，其中插銷試驗(yàn)法，試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，應(yīng)用靈活，節(jié)省試驗(yàn)材料和時(shí)間，因此 比較容易普及。自拘束型抗裂試驗(yàn)方法很多，其中“小鐵研式”抗裂試驗(yàn)是常用的抗 裂性試驗(yàn)之一。此法所用的試樣如圖 1 所示，試板用被焊材料制成，兩端各 60mm范圍 內(nèi)先用焊縫固定，試板之間予留間隙 23mm。圖 1 斜 Y 坡口對(duì)接裂紋試樣試板中間（ 80mm處）焊試驗(yàn)焊縫（單道焊），焊接規(guī)范為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范， 焊條直徑 4mm， 焊接電流 170A，電弧電壓 24V，焊速 150mm/min。試驗(yàn)焊縫兩端都不得與拘束焊縫相連， 應(yīng)各相距 23mm，試驗(yàn)焊縫焊后至少放置 24 小時(shí)，然后進(jìn)行裂紋檢查。 首先用放大鏡 目測(cè)

3、檢查焊縫金屬表面裂紋，然后沿焊縫長(zhǎng)度方向均勻截成六段，從同一側(cè)面檢查每 一試片的斷面裂紋，計(jì)算出裂紋率。由于兩端固定，對(duì)試驗(yàn)焊縫有拘束作用，其拘束程度往往比實(shí)際結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)焊縫還 要大，所以一般認(rèn)為只要表面裂紋率不超過(guò) 20%，在實(shí)際生產(chǎn)中就不致發(fā)生裂紋。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、了解常用的焊接性試驗(yàn)方法，重點(diǎn)了解斜 Y 型坡口試驗(yàn)方法及特點(diǎn)。2、對(duì)斜 Y 型坡口對(duì)接裂紋試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析。四、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1、說(shuō)明插銷試驗(yàn)法和斜 Y 型坡口對(duì)接裂紋試驗(yàn)方法的特點(diǎn)及應(yīng)用。2、試分析焊接接頭冷卻速度和焊縫含氫量對(duì)冷裂紋的影響。實(shí)驗(yàn)二 低合金結(jié)構(gòu)鋼焊接接頭顯微組織和冷裂紋形態(tài)的觀察一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解低合金結(jié)構(gòu)鋼焊接

4、熱影響區(qū)顯微組織變化規(guī)律。2、了解低合金結(jié)構(gòu)鋼焊接冷裂紋的形成條件及形貌特征。二、實(shí)驗(yàn)原理（一）焊接接頭熱影響區(qū)的組織特征 焊接時(shí)母材熱影響區(qū)上各點(diǎn)距焊縫的遠(yuǎn)近不同， 所經(jīng)歷的焊接熱循環(huán)不同， 因此熱 影響區(qū)的組織分布是不均勻的。對(duì)于一般常用的低碳鋼和淬硬傾向小的低合金結(jié)構(gòu)鋼如16Mn、15MnV、15MnTi 等，其熱影響區(qū)根據(jù)組織上的特征， 可分為熔合區(qū) （半熔化區(qū)）、過(guò)熱區(qū)、相變重結(jié)晶區(qū) （正 火區(qū)）、不完全重結(jié)晶區(qū)。熔合區(qū)（溫度處于液固相線之間） ，范圍雖然很窄，但在化學(xué)成分上和組織性能上 都有較大的不均勻性，所以對(duì)焊接接頭的強(qiáng)度、韌性都有很大的影響。過(guò)熱區(qū)， 母材被加熱到固相線以下的

5、 1100左右的溫度范圍， 金屬處于過(guò)熱狀態(tài)， 奧氏體晶粒發(fā)生嚴(yán)重長(zhǎng)大，冷卻后得到粗大的組織，在低碳鋼和不易淬火的低合金鋼 中，常出現(xiàn)魏氏組織。相變重結(jié)晶區(qū)，母材被加熱到 Ac3 以上，發(fā)生了重結(jié)晶，空冷后得到均勻細(xì)小的珠 光體和鐵素體，相當(dāng)于熱處理時(shí)的正火組織。不完全重結(jié)晶區(qū)， 溫度處于 Ac1Ac3 之間，只有一部分組織發(fā)生了相變重結(jié)晶， 組 織得到細(xì)化，另一部分未轉(zhuǎn)變成奧氏體的鐵素體仍是比較粗大的，所以該區(qū)組織粗細(xì) 不均勻。對(duì)焊接淬硬傾向較大的鋼種，包括低碳調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼（如 18MnMoN）b、中碳調(diào)質(zhì)高強(qiáng) 鋼（如 30CrMnSi 等），焊接熱影響區(qū)的組織分布與母材焊前的熱處理狀態(tài)有關(guān)。

6、如果母材焊前是退火或正火狀態(tài)， 則焊后熱影響區(qū)的組織可分為完全淬火區(qū)和不完 全淬火區(qū)。完全淬火區(qū)，母材加熱溫度超過(guò) Ac3，由于鋼的淬火傾向大，故焊后得到淬 火組織，在靠近焊縫的部位（相當(dāng)于低碳鋼的過(guò)熱區(qū)） ，由于晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大，故得粗大 的馬氏體，而相當(dāng)于正火區(qū)的部位，得到細(xì)小的馬氏體。根據(jù)冷卻速度和線能量的不 同，還可能出現(xiàn)部分貝氏體組織。不完全淬火區(qū)，母材被加熱到Ac1Ac3 之間，在快速加熱條件下，鐵素體很少溶入奧氏體，而珠光體、貝低體、索氏體等轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體， 在隨后快冷時(shí)，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，原鐵素體保持不變，并有不同程度的長(zhǎng)大，最 后形成馬氏體和鐵素體的組織，若含碳量和合金元素含量不

7、高或冷卻速度較小時(shí)，也 可能出現(xiàn)索氏體和珠光體。如果母材在焊前是調(diào)質(zhì)狀態(tài)， 則熱影響區(qū)除存在上述兩個(gè)區(qū)域以外， 還可能有發(fā)生不同程度回火的區(qū)域，稱為回火區(qū)，該區(qū)的加熱溫度低于Ac1，其組織性能變化的程度取決于焊前調(diào)質(zhì)狀態(tài)的回火溫度。例如，焊前調(diào)質(zhì)時(shí)的回火溫度為T1，那么母材受熱溫度低于 T1的部位，其組織、性能不發(fā)生變化，而溫度高于 T1 的部位，組織、性能將 發(fā)生變化而出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。由此可見(jiàn)，焊接接頭熱影響區(qū)的組織和性能不僅與母材的化學(xué)成分、 接頭的冷卻速 度有關(guān)，同時(shí)也與焊前的熱處理狀態(tài)有關(guān)。（二）焊接接頭冷裂紋的金相形態(tài) 鋼在馬氏體轉(zhuǎn)變溫度 Ms點(diǎn)以下所產(chǎn)生的焊接裂紋，通常稱為冷裂紋。冷

8、裂紋主要 發(fā)生在高、中碳鋼，低、中合金高強(qiáng)鋼的近縫區(qū)，其中，最常出現(xiàn)的是延遲裂紋，這 種裂紋的形核、擴(kuò)展、決定于焊接接頭的拘束應(yīng)力、被焊金屬的淬硬傾向及焊縫金屬 中的擴(kuò)散氫含量。根據(jù)延遲裂紋在焊接接頭中出現(xiàn)的部位可分為以下幾種：1、焊趾裂紋：裂紋起源于焊趾 （焊縫表面與母材的交界處）具有明顯應(yīng)力集中處， 從表面開(kāi)始，向熱影響區(qū)的深處擴(kuò)展，止于近縫區(qū)粗晶部分的邊緣、裂紋主要沿原始 奧氏體晶界發(fā)展。2、焊根裂紋：這是最常見(jiàn)的一種延遲裂紋。裂紋起源于第一層焊道根部應(yīng)力集中 最大的部位，然后向熱影響區(qū)或焊縫中延伸。究竟向何處延伸，取決于母材和焊縫的 強(qiáng)韌程度及根部的形狀。這種裂紋主要發(fā)生在含氫量較高、

9、予熱溫度不足的情況下。3、焊道下裂紋：經(jīng)常發(fā)生在焊道下方母材中，離熔合線不遠(yuǎn)的粗晶區(qū)內(nèi)。裂紋一 般平行熔合線發(fā)展，但也有垂直于熔合線的。這是一種微小的裂紋，往往不能在焊件 表面上發(fā)現(xiàn)，它不是一條連續(xù)的裂紋，而是由一條條小的顯微裂紋集合而成。這種裂 紋往往在使用含氫量高的焊條、小線能量電弧焊接高強(qiáng)度鋼時(shí)發(fā)現(xiàn)。幾種冷裂紋的分布示意圖如圖焊道下裂紋 焊根裂紋 焊趾裂紋圖 2 幾種冷裂紋的分布示意圖、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、觀察分析低合金結(jié)構(gòu)鋼焊接接頭各區(qū)顯微組織。2、低合金結(jié)構(gòu)鋼焊接冷裂紋的金相分析 （ 形態(tài)特征 ）四、試驗(yàn)報(bào)告1、比較中碳調(diào)質(zhì)鋼與低碳鋼焊接接頭各區(qū)顯微組織的差別。2、說(shuō)明低合金高強(qiáng)度鋼延遲裂紋

10、的形成條件及分布形態(tài)。實(shí)驗(yàn)三 鑄鐵焊接一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解鑄鐵焊接存在的主要問(wèn)題。2、觀察分析不同的焊接材料和焊接工藝對(duì)焊接接頭組織和性能的影響。二、實(shí)驗(yàn)原理鑄鐵焊接的主要問(wèn)題是： （1）鑄鐵結(jié)晶及固態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程對(duì)冷卻速度非常敏感， 在一 般電弧焊時(shí)因冷卻速度快，焊接接頭易產(chǎn)生白口和淬硬組織，焊接接頭的加工性能差； （2）灰口鑄鐵塑性差、強(qiáng)度低，在焊接應(yīng)力作用下，焊接接頭易出現(xiàn)裂紋。解決上述 問(wèn)題應(yīng)從二方面著手。1、改變焊縫的化學(xué)成分，即采用不同的焊接材料焊接。目的是加強(qiáng)焊縫的石墨化 能力（如用鑄 208、鑄 248 焊條焊接），或者改變碳在焊縫中的存在形式、避免滲碳體 及淬硬組織的產(chǎn)生（如采用鎳基焊條、銅基焊條和高釩焊條的電弧冷焊） 。2、減慢焊接接頭的冷卻速度，使焊縫和熱影響區(qū)不易出現(xiàn)白口和淬硬組織，還要 注意采取各種措施，以降低焊接接頭的應(yīng)力。球墨鑄鐵可焊性有基本與灰口鑄鐵相同的一面， 但又有其自身的一些特點(diǎn)： （1）白 口化傾向及淬硬傾向比灰口鑄鐵大； （ 2）由于球鐵的機(jī)械性能高，故相應(yīng)對(duì)焊接接頭 的機(jī)械性能要求也高。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、觀察分析鑄 208、鑄 248、鑄 308 電弧冷焊及電弧熱焊灰鑄鐵焊接接頭各區(qū)的顯