焊接綜合性設(shè)計(jì)試驗(yàn)

1、XIAN TECHNOLOGICAL UNIVERSITY綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告(Q345B鋼焊接工藝設(shè)計(jì)及性能研究)專 業(yè)： 金屬材料工程班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 姓 名： 托 兒 所實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：指導(dǎo)教師： 成 績(jī)： 目錄1、 低合金高強(qiáng)度鋼焊接性概述12、 焊接工藝設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)12.1、焊接基材12.2、焊接實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及分析22.2.1焊接方法及焊接參數(shù)的確定22.2.2、常見問題及其解決方法32.2.3常見缺陷：氣孔、夾雜、未熔合等及相應(yīng)的措施32.2.4、焊接注意細(xì)則42.2.5、焊縫檢測(cè)（選做）43、 焊接材料及焊縫的力學(xué)性能53.1、焊后的切割設(shè)計(jì)及切割53.2、焊接區(qū)硬度的測(cè)定63.3、金相實(shí)驗(yàn)63

2、.3.1、金相試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作及注意事項(xiàng)63.3.2分析焊縫和母材組織形態(tài)63.4、拉伸實(shí)驗(yàn)83.4.1、拉前準(zhǔn)備83.4.2、焊接接頭強(qiáng)度和塑性84、結(jié)論95、【參考書籍文獻(xiàn)】9摘要為了研究火車皮用的一種材料Q345E（16Mn）鋼的焊接性能。針對(duì)Q345B鋼板通過焊條電弧焊接性能進(jìn)行焊接工藝設(shè)計(jì)、力學(xué)性能檢測(cè)和金相分析的等一系列的試驗(yàn)及研究。試驗(yàn)結(jié)果表明Q345E鋼板不僅有好的力學(xué)性能,還具有良好的焊接性能。關(guān)鍵詞：Q345E鋼板 焊條電弧焊 顯微組織 力學(xué)性能 實(shí)驗(yàn)研究1、 低合金高強(qiáng)度鋼焊接性概述低合金調(diào)質(zhì)其焊接性良好,接近于低碳鋼。隨著鋼中合金元素的增加,強(qiáng)度級(jí)別提高,淬硬性大,鋼的

3、焊接性也逐漸變差,出現(xiàn)的問題主要包括兩個(gè)方面,其一是裂紋敏感性,其二高強(qiáng)鋼含碳量較低,一般都在以下,其高強(qiáng)度及良好的綜合機(jī)械性能是通過在低碳基礎(chǔ)上加入多種提高淬透性的合金元素和調(diào)質(zhì)熱處理獲得強(qiáng)度高、韌性好的低碳板條馬氏體和部分下貝氏體組織而得到的。強(qiáng)度級(jí)別較低的低合金高強(qiáng)鋼,如一級(jí),由于鋼中合金元素含量較少,是焊接熱影響區(qū)的力學(xué)性能。世紀(jì)中后期,低合金高強(qiáng)鋼取得了突顯的進(jìn)展,微合金鋼技術(shù)、精煉技術(shù)、形變熱處理、控軋控冷技術(shù)等一些先進(jìn)技術(shù)的廣泛應(yīng)用,使得現(xiàn)代鋼的焊接性顯著提高,特別是冷列裂紋敏感性明顯降低,大幅度提高了粗晶區(qū)韌性,高效率、大線能量焊接工藝被廣泛應(yīng)用。但新的問題也伴隨著出現(xiàn),如多層

4、焊接頭中的局部脆性區(qū)問題、由于母材的低碳當(dāng)量高強(qiáng)度化迫使冷裂紋從轉(zhuǎn)移到焊縫金屬當(dāng)中等。2、 焊接工藝設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)2.1、焊接基材低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q345在工業(yè)領(lǐng)域用的比較多，具有良好的綜合力學(xué)性能，在我國(guó)應(yīng)用比較廣泛。南方氣溫高，多使用Q345B、Q345C，而北方氣溫低，冬天易出現(xiàn)極寒天氣，多選用低溫性能好的Q345D、Q345E。本試驗(yàn)根據(jù)實(shí)際情況，參考表3擬選用厚度為5mm的Q345E鋼板，選用試樣尺寸為400mm×150mm×5mm進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其化學(xué)成分見下表，力學(xué)性能見下表。Q345E鋼的化學(xué)成分%（質(zhì)量）CCSSiMMnPSNbVTiCrNiCuNNMoBAl0.1

5、80.51.700.0250.0200.070.150.200.300.500.300.0120.10-0.015Q345E鋼的力學(xué)性能牌號(hào)厚度/mm抗拉強(qiáng)度（Mpa）屈服強(qiáng)度（Mpa）伸長(zhǎng)率%沖擊實(shí)驗(yàn)溫度沖擊吸收能量Q345E不小于不小于不小于6-40470-63032520-403440-63470-63031520-40342.2、焊接實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及分析2.2.1焊接方法及焊接參數(shù)的確定a、焊接方法：現(xiàn)場(chǎng)拼接及焊接安裝時(shí)多采用設(shè)備輕便的焊條電弧焊或CO2氣體保護(hù)焊，由于Q345E鋼可適合常規(guī)的熔焊方法和焊接質(zhì)量較難控制，受工藝參數(shù)等的影響較大。按照拼接安裝現(xiàn)場(chǎng)條件、焊接成本等綜合考慮，擬設(shè)計(jì)

6、采用手工電弧焊進(jìn)行焊接。使用直流焊機(jī)。b、焊條選擇：根據(jù)焊材和焊接方法綜合考慮，選用E5001（牌號(hào)j503）c、焊接接頭形式：根據(jù)工作條件和材料情況綜合考慮選用對(duì)接接頭，從焊接手冊(cè)中得知當(dāng)焊接板材厚度小于6mm以下不用開坡口和焊前預(yù)熱，本試驗(yàn)為了焊接牢固方便焊接進(jìn)行開雙面V型坡口，單邊坡度30°，坡口深度為1mm，根部間隙為2mm,焊接層數(shù)為上下兩層。焊前將坡口兩側(cè)各30 mm 范圍內(nèi)的銹、油污等雜質(zhì)用酒精和角向磨光機(jī)清除干凈。焊接接頭如下：d、焊接電流、線能量及接法等相關(guān)參數(shù)的確定：焊接電流由焊條直徑確定關(guān)系為I=10D2=10*4*4=160A；焊接線能量主要取決于過熱區(qū)脆化和

7、冷裂對(duì)于含碳偏低的Q345對(duì)線能量基本沒有嚴(yán)格限制，過熱敏感性不大，淬硬傾向和冷裂敏感性不大；直流正接時(shí)陽(yáng)極產(chǎn)熱高熔深大適用于厚板的接法，由于本試驗(yàn)的板厚比較薄故采用直流反接。根據(jù)焊接速度的情況決定焊接層數(shù)，本試驗(yàn)每面各兩層。相關(guān)參數(shù)如下：板厚/mm焊條直徑/mm焊接電流/A焊接層數(shù)/層54.0160-21022.2.2、常見問題及其解決方法對(duì)于可能產(chǎn)生的各種缺陷，我們根據(jù)每種缺陷的特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際使用環(huán)境進(jìn)行有針對(duì)性的制定控制工藝。a、熱裂紋的控制：采取小的焊接熱輸入，并采用雙面對(duì)接焊，控制焊接時(shí)的熱量來(lái)避免熱裂紋的產(chǎn)生。b、冷裂紋控制：采取焊前預(yù)熱、焊后后熱來(lái)降低焊縫區(qū)域的冷卻速度；焊縫采用

8、高韌性填充材料，盡量使焊縫組織接近純奧氏體，這樣可以溶解更多的氫，避免了焊縫中的氫向熔合區(qū)擴(kuò)散；控制氫的來(lái)，降低接頭處氫的含量。采取多層多道焊、小的焊接熱輸入，降低焊接接頭處的應(yīng)力集中。c、熱影響區(qū)的脆化及軟化控制：熱影響區(qū)的脆化通過焊后熱處理來(lái)去除。 軟化主要是通過縮短熱影響區(qū)在高溫區(qū)的停留時(shí)間來(lái)控制，所以我們應(yīng)該選用熱量集中、能量密度大的焊接方法，并采用小的熱輸入焊接，并且預(yù)熱溫度取低值；另外采取多層多道焊。2.2.3常見缺陷：氣孔、夾雜、未熔合等及相應(yīng)的措施a、 夾雜：在焊縫熔池中的一些雜質(zhì)應(yīng)當(dāng)被翻出在熔池的表面形成藥皮被清掉，但當(dāng)雜質(zhì)在熔池凝固前未被翻出，被凝固在焊道內(nèi)便形成夾渣，手工

9、電弧焊因形成的熔池較小，停留時(shí)間短，所以泛渣能力差，若操作過程中形成的單道焊肉太厚容易造成夾渣缺陷。焊道內(nèi)的雜物，如黑色氧化鐵，滲碳層等也會(huì)因熔化后不能及時(shí)翻出，形成夾渣。b、 氣孔：焊條受潮，焊縫內(nèi)潮氣過大，油漆、油污等原因，都會(huì)引起焊縫內(nèi)產(chǎn)生氣孔，焊道形成太厚，熔池內(nèi)的氣體不能及時(shí)溢出擴(kuò)散，便在焊道內(nèi)形成氣孔。c、 未熔合：焊道與母材和相鄰的焊道不能很好地熔合在一起，在焊道內(nèi)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鐵或氣刨留下的滲碳層影響焊縫的熔合性而產(chǎn)生，另外焊接形成的單道焊道太厚，使形成的焊肉流墜到旁邊的焊道和母材表面形成未熔合。如果因?yàn)楦山z伸長(zhǎng)長(zhǎng)度過長(zhǎng)也會(huì)產(chǎn)生未熔合。d、

10、采取措施：焊前做好預(yù)熱，清除焊縫內(nèi)的水汽，可以避免氣孔產(chǎn)生；保護(hù)好焊絲和焊條不要受潮，焊絲受潮后容易產(chǎn)生氣孔，焊條要放在干燥的地方，杜絕使用涼焊條和受潮焊絲焊接；清理焊縫內(nèi)的雜物和鐵銹、黑色氧化鐵、氣刨產(chǎn)生的滲碳層等，打磨必須露出金屬光澤，可以改善熔合性和避免氣孔和夾渣的產(chǎn)生。對(duì)于氣刨產(chǎn)生的滲碳層表面硬度增加，不利于熔合。對(duì)于這3種缺陷因?yàn)椴僮魇址ú缓线m，也給焊縫帶來(lái)很大影響，對(duì)于焊縫的每層、每道拉得太厚，將給焊縫帶來(lái)很多缺陷，所以對(duì)于每次每道焊縫要拉薄，薄薄的焊肉將利于熔池內(nèi)的雜物翻出，以及池內(nèi)的氣體外溢，能有效避免夾渣和氣孔產(chǎn)生，另外薄薄的焊肉之間不會(huì)因?yàn)槿刍饘俚牧鲃?dòng)產(chǎn)生未熔合。2.2.

11、4、焊接注意細(xì)則v焊接時(shí)靠近母材的幾道焊縫采用較大焊縫成型系數(shù)、不擺動(dòng)，降低融合比，以降低母材對(duì)焊縫金屬的稀釋。采用雙面對(duì)接焊。減小每道焊縫余高，焊道與焊道之間緩慢過度。v通過參考板，使每道焊縫處于水平位置，便于操作，提高焊接質(zhì)量。v適當(dāng)提高焊接速度，減小焊接的熱輸入。2.2.5、焊縫檢測(cè)（選做）滲透檢測(cè)步驟：3、 焊接材料及焊縫的力學(xué)性能3.1、焊后的切割設(shè)計(jì)及切割查閱資料得出拉伸板材標(biāo)準(zhǔn)和切割，過程如下： 3.2、焊接區(qū)硬度的測(cè)定按GB/T2654 進(jìn)行，對(duì)焊接試板的母材、熱影響區(qū)和焊縫分別進(jìn)行洛氏硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見下表Q345E鋼板對(duì)接焊接接頭洛氏硬度試驗(yàn)結(jié)果硬度（HBC）母材熱影響區(qū)

12、焊縫熱影響區(qū)母材標(biāo)準(zhǔn)值實(shí)測(cè)值151220141340.8通過硬度值可以看出，各個(gè)區(qū)域的硬度值滿足焊接接頭硬度基本規(guī)律并在該材料標(biāo)準(zhǔn)硬度的范圍內(nèi)，所以它能滿足自身的工作條件。3.3、金相實(shí)驗(yàn)3.3.1、金相試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作及注意事項(xiàng)a、 過程簡(jiǎn)單地說分為:取樣鑲嵌磨光與拋光侵蝕（4%硝酸酒精溶液）觀察照相等五個(gè)步驟b、注意事項(xiàng)v試片打磨，拋光時(shí)應(yīng)拿緊，并力求與磨面接觸平穩(wěn)。兩人不得同時(shí)在一個(gè)旋轉(zhuǎn)盤上操作。v金相腐蝕的操作室應(yīng)通風(fēng)良好，并設(shè)有自來(lái)水和急救酸、堿傷害時(shí)中和用的溶液。v金相試驗(yàn)用過的廢液應(yīng)經(jīng)必要的處理后方可排放，不得將未經(jīng)處理的廢料倒入下水道。v現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行金相試驗(yàn)時(shí)應(yīng)有防止試劑、溶液潑灑

13、滴落的措施;3.3.2分析焊縫和母材組織形態(tài)a、焊縫金屬的顯微組織（如下圖）,柱狀晶分布,晶界處為鐵素體,晶內(nèi)為索氏體和針、塊狀分布的鐵素體。冷卻時(shí),由于向外散熱,故使焊縫的熔融金屬沿?zé)釘U(kuò)散方向結(jié)晶而獲得柱狀晶,此時(shí),先共析的鐵素體沿柱狀晶界析出,由于溫度較高,且冷速又稍快,因此組織呈過熱特征,但隨后的冷卻過程中,奧氏體因過冷度較大,而轉(zhuǎn)變?yōu)樗魇象w組織。焊縫組織下方為融合區(qū),此處融合情況良好。Q345焊縫金屬的顯微組織50×b、母材的顯微結(jié)構(gòu)組織:鐵素體和珠光體呈帶狀（如下圖）。從金相組織可看出,過熱區(qū)形成了魏氏組織,容易產(chǎn)生脆化,構(gòu)成了接頭的薄弱環(huán)節(jié),這時(shí)宜以小線能量焊接,在過熱區(qū)

14、獲取板條馬氏體,韌性會(huì)大大改善。Q345母材的顯微結(jié)構(gòu)組織10×3.4、拉伸實(shí)驗(yàn)3.4.1、拉前準(zhǔn)備按照 焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)取樣，并在材料拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試樣從焊接接頭垂直于焊縫軸線方向截取，加工完后，焊縫的軸線位于試樣平行長(zhǎng)度部分的中間。 試樣的厚度與焊接接頭處母材的厚度相等，焊縫余高磨平最終試樣尺寸如下圖拉伸參數(shù)如下：拉伸曲線如下：3.4.2、焊接接頭強(qiáng)度和塑性將做好試樣做拉伸實(shí)驗(yàn)，焊條電弧焊焊接接頭拉伸斷裂位置在母材區(qū)，同時(shí)焊縫區(qū)出現(xiàn)了一定的裂紋拉，斷后形貌如下圖，從拉伸曲線圖（下圖）可以看出，最大應(yīng)力為42555.6N，抗拉強(qiáng)度為550N/mm2?？估瓘?qiáng)度

15、低于母材的抗拉強(qiáng)度500Mpa,說明焊縫沒有焊好出現(xiàn)了裂紋。4、結(jié)論v Q345鋼板具有較好的焊接性。v Q345鋼板由于第一層焊接時(shí)焊接速度過快焊縫出現(xiàn)宏觀裂紋。v Q345鋼板焊縫的化學(xué)成分靠近母材，經(jīng)金相分析組織為珠光體鐵素體和滲碳體組織，拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果其強(qiáng)度為550Mpa,具有較高的強(qiáng)度，能滿足材料的使用環(huán)境。v 從硬度測(cè)量結(jié)果看，熱影響區(qū)硬度值（HRC12）較大且硬度不均勻焊縫硬度低于母材從而說明焊縫任性比母材號(hào)。v 從硬度實(shí)驗(yàn)和拉伸實(shí)驗(yàn)看，Q345具有良好的綜合力學(xué)性能。5、【參考書籍文獻(xiàn)】1現(xiàn)代焊接技術(shù)手冊(cè) 曾樂 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社2電焊條選用指南吳樹雄 第四版 化學(xué)工業(yè)出版社3焊

16、接缺陷分析與對(duì)策李亞江 王娟 第二版 化學(xué)工業(yè)出版社4焊接組織性能與質(zhì)量控制李亞江 化學(xué)工業(yè)出版社5低合金鋼焊接及工程應(yīng)用李亞江 王娟 劉鵬 化學(xué)工業(yè)出版社6“Q345鋼的焊接工藝設(shè)計(jì)及焊接工藝評(píng)定實(shí)踐” 陳斌珍.福建市福建科學(xué)研究所，2011.7“Q345鋼板焊接性能研究” 劉志剛、蘇白蘭、韋弦 河南冶金,2003.02.XIAN TECHNOLOGICAL UNIVERSITY復(fù)合材料綜述專業(yè)：金屬材料工程班級(jí)： 14030106姓名： 謝 志 平復(fù)合材料(Composite materials)，是以一種材料為基體(Matrix)，另一種材料為增強(qiáng)體(reinforcement)組合而成

17、的材料。各種材料在性能上互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。復(fù)合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強(qiáng)材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬絲和硬質(zhì)細(xì)粒等。復(fù)合材料使用的歷史可以追溯到古代。從古至今沿用的稻草增強(qiáng)粘土和已使用上百年的鋼筋混凝土均由兩種材料復(fù)合而成。20世紀(jì)40年代，因航空工業(yè)的需要，發(fā)展了玻璃纖維增強(qiáng)塑料（俗稱玻璃鋼），從此出現(xiàn)了復(fù)合材料這一名稱。50年代以后，陸續(xù)發(fā)展了碳纖維、石墨纖維和硼纖維等高

18、強(qiáng)度和高模量纖維。70年代出現(xiàn)了芳綸纖維和碳化硅纖維。這些高強(qiáng)度、高模量纖維能與合成樹脂、碳、石墨、陶瓷、橡膠等非金屬基體或鋁、鎂、鈦等金屬基體復(fù)合，構(gòu)成各具特色的復(fù)合材料。復(fù)合材料按其組成分為金屬與金屬?gòu)?fù)合材料、非金屬與金屬?gòu)?fù)合材料、非金屬與非金屬?gòu)?fù)合材料。按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又分為：纖維復(fù)合材料。將各種纖維增強(qiáng)體置于基體材料內(nèi)復(fù)合而成。如纖維增強(qiáng)塑料、纖維增強(qiáng)金屬等。夾層復(fù)合材料。由性質(zhì)不同的表面材料和芯材組合而成。通常面材強(qiáng)度高、??；芯材質(zhì)輕、強(qiáng)度低，但具有一定剛度和厚度。分為實(shí)心夾層和蜂窩夾層兩種。細(xì)粒復(fù)合材料。將硬質(zhì)細(xì)粒均勻分布于基體中，如彌散強(qiáng)化合金、金屬陶瓷等。混雜復(fù)合材料。由兩種或兩種

19、以上增強(qiáng)相材料混雜于一種基體相材料中構(gòu)成。與普通單增強(qiáng)相復(fù)合材料比，其沖擊強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和斷裂韌性顯著提高，并具有特殊的熱膨脹性能。分為層內(nèi)混雜、層間混雜、夾芯混雜、層內(nèi)層間混雜和超混雜復(fù)合材料。60年代，為滿足航空航天等尖端技術(shù)所用材料的需要，先后研制和生產(chǎn)了以高性能纖維（如碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維等）為增強(qiáng)材料的復(fù)合材料，其比強(qiáng)度大于4×106厘米（cm），比模量大于4×108cm。為了與第一代玻璃纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料相區(qū)別，將這種復(fù)合材料稱為先進(jìn)復(fù)合材料。按基體材料不同，先進(jìn)復(fù)合材料分為樹脂基、金屬基和陶瓷基復(fù)合材料。其使用溫度分別達(dá)250350、3501200和1200以上。先進(jìn)復(fù)合材料除作為結(jié)構(gòu)材料外，還可用作功能材料，如梯度復(fù)合材料(材料的化學(xué)和結(jié)晶學(xué)組成、結(jié)構(gòu)、空隙等在空間連續(xù)梯變的功能復(fù)合材料)、機(jī)敏復(fù)合材料（具有感覺、處理和執(zhí)行功能，能適應(yīng)環(huán)境變化的功能復(fù)合材料）、仿生復(fù)合材料、隱身復(fù)合材料等復(fù)合材料中以纖維增強(qiáng)材料應(yīng)用最廣、用量最大。其特點(diǎn)是比重小、比強(qiáng)度和比模量大。例如碳纖維與環(huán)氧樹脂復(fù)合的材料，其比強(qiáng)度和比模量均比鋼和鋁合金大數(shù)倍，還具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、減摩耐磨、自潤(rùn)滑、耐熱、耐疲勞、耐蠕變、消聲、電絕緣等性能。石墨纖維與樹脂復(fù)合可得到膨脹系數(shù)幾乎等于零的材料。纖維增強(qiáng)