Q235焊接工艺课程设计Word下载.docx
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1.3焊接操作注意事项及安全要求
焊条电弧焊操作时，必须注意安全与防护，安全与防护技术主要有防止触电、弧光辐射、火灾、爆炸和有毒气体与烟尘中毒等。
1.3.1防止触电
焊条电弧焊时，电网电压和焊机输出电压以及手提照明灯的电压等都会有触电危险。
因此，要采取防止触电措施。
或接零。
焊接电缆和焊钳绝缘要良好，如有损坏，要及时修理。
焊条电弧焊时，要穿绝缘鞋，戴电焊手套。
在锅炉、压力容器、管道、狭小潮湿的地沟内焊接时，要有绝缘垫，并有人在外监护。
使用手提照明灯时，电压不超过安全电压36V，高空作业时不超过12V。
高空作业时，在接近高压线5m或离低压线2.5m以内作业，必须停电，并在电闸上挂警告牌，设人监护。
万一有人触电，要迅速切断电源，并及时抢救。
1.3.2防止弧光辐射
焊接电弧强烈的弧光和紫外线对眼睛和皮肤有损害。
焊条电弧焊时，必须使用带弧焊护目镜片的面罩，并穿工作服，戴电焊手套。
多人焊接操作时，要注意避免相互影响，宜设置弧光防护屏或采取其他措施，避免弧光辐射的交叉影响。
6级以上大风时，没有采取有效的安全措施不能进行露天焊接作业和高空作业，焊接作业现场附近应有消防设施。
电焊作业完毕应拉闸，并及时清理现场，彻底消除火种。
1.3.3防止火灾
在焊接作业点火源10米以内、高空作业下方和焊接火星所及范围内，应彻底清除有机灰尘、木材、木屑、棉纱棉丝、草垫干草、石油、汽油、油漆等易燃物品。
如有不能撤离的易燃物品，诸如木材、未拆除的隔热保温的可燃材料等，应采取可靠的安全措施，如用水喷湿，覆盖湿麻袋、石棉布等。
1.3.4防止爆炸
在焊接作业点10米以内，不得有易爆物品，在油库、油品室、乙炔站、喷漆室等有爆炸性混合气体的室内，严禁焊接作业。
没有特殊措施时，不得在内有压力的压力容器和管道上焊接。
在进行装过易燃易爆物品的容器焊补前，要将盛装的物品放尽，并用水、水蒸气或氮气置换，清洗干净：
用测爆仪等仪器检验分析气体介质的浓度；
焊接作业时，要打开盖口，操作人员要躲离容器孔口。
1.3.5防止有毒气体和烟尘中毒
焊条电弧焊时会产生可溶性氟、氟化氢、锰、氮氧化物等有毒气体和粉尘，会导致氟中毒、锰中毒、电焊尘肺等，尤其是碱性焊条在容器、管道内部焊接更甚。
因此，要根据具体情况采取全面通风换气、局部通风、小型电焊排烟机组等通风排烟尘措施。
1.4焊接工艺参数对Q235焊接性能的影响
Q235属于对焊接方法的选择无特殊要求，焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊、电渣焊、氩焊等焊接方法均可采用。
本实验采用的是最常用的焊条电弧焊。
焊接时，为保证焊接质量，必须选择合理的工艺参数，所选定的焊接工艺参数总称为焊接工艺规范。
例如，手工电弧焊的焊接工艺规范包括：
焊接电流、焊条直径、焊接速度、电弧长度和多层焊焊接层数等，其中电弧长度和焊接速度一般由操作者在操作中视实际情况自行掌握，其他参数均在焊接前确定。
1.4.1焊条直径
焊条直径根据焊件的厚度和焊接位置来选择。
一般，厚焊件用粗焊条，薄焊件用细焊条。
立焊、横焊和仰焊的焊条应比平焊细。
焊条直径是根据焊件厚度、焊接位置、接头形式、焊接层数等进行选择的。
1）对根部要求均匀焊透的Ⅰ形坡口角接、T形接、搭接焊缝和背面根部底焊的对接焊缝，焊条直径可根据焊件厚度进行选用。
2）焊件厚度相同但所处焊接位置不同，应选用不同直径的焊条。
如在横焊、立焊焊接时，很少使用直径5.0mm的焊条。
3）不同的接头形式应选用不同直径的焊条。
如T形接头、搭接接头，由于散热条件比对接接头好，所以可选用较粗直径的焊条。
4）开坡口的接头第一层打底焊时应选用直径较细的焊条，如对接接头打底焊时可选用直径3.2mm的焊条，其余各层可选用直径4.0mm的焊条。
5）平焊低碳钢时,焊条的直径与焊件的厚度有一个大体的对应关系。
1.4.2焊缝的空间位置
按焊缝在空间所处的位置，可分为平焊、仰焊、立焊和横焊四种。
其中平焊操作方便，易于保证焊接质量，生产率高，应尽可能地应用。
其他位置施焊，金属液因重力作用容易下流，施焊困难，应尽量避免。
若确需采用这些位置时，应采取一定的焊接措施。
因此在做此次实验时采用的是平焊。
1.4.3焊接电流和焊接速度
焊接电流是影响焊接接头质量和生产率的主要因素。
电流过大，金属熔化快，熔深大、金属飞溅大，同时易产生烧穿、咬边等缺陷；
电流过小，易产生未焊透、夹渣等缺陷，而且生产率低。
确定焊接电流时，应考虑到焊条直径、焊件厚度、接头型式、焊接位置等因素，其中主要的是焊条直径。
可根据生产经验选择焊接电流：
看飞溅，焊接电流大致使电弧力增大。
飞溅大；
焊接电流小时电弧力小，熔渣与铁水不易分清。
看焊缝成型：
焊接电流大容易咬边，余高小；
焊接电流小，焊缝窄而高。
看焊条熔化状况：
焊接电流大，焊条熔化快而发红，焊接电流小容易粘弧。
一般，细焊条选小电流，粗焊条选大电流。
焊接低碳钢时，焊接电流和焊条直径的关系可由下列经验公式确定：
I=（30～40）d
式中：
I为焊接电流（A），d为焊条直径（mm）。
由于老师已指定焊条直径为3.2mm，且为平板堆焊，合适电流应在96A～128A之间，为了比较不同电流对焊缝的影响，我们组在实验中选用了四个焊接电流，分别是80A、100A、120A、140A.我在实验中用的焊接电流为120A。
焊接速度是指焊条沿焊缝长度方向单位时间移动的距离，它对焊接质量影响很大。
焊速过快，易产生焊缝的熔深浅、熔宽小及未焊透等缺陷；
焊速过慢，焊缝熔深、熔宽增加，特别是薄件易烧穿。
确定焊接电流和焊接速度的一般原则是：
在保证焊接质量的前提下，尽量采用较大的焊接电流值，在保证焊透且焊缝成形良好的前提下尽可能快速施焊，以提高生产率。
1.4.4焊件坡口
根据设计或工艺需要，在焊件的待焊部位加工出一定几何形状的沟槽称为坡口。
手弧焊时，当被焊工件较薄（板厚≤6mm）时，可采用I型坡口，当焊件厚度大于6mm时，为了保证焊缝区焊透，按板厚的不同，需要在接头处开出一定形状的坡口。
本实验只是为观察不同焊接电流条件下的组织和力学性性能，并且由于时间和技术有限，虽然板厚为12mm，并未开破口。
1.4.5焊接接头形式
根据施焊金属件的空间位置，常见的焊接接头型式有：
对接接头、搭接接头、角接接头和丁字接头等。
其中对接接头受力均匀，是应用最多的接头型式。
搭接接头受力时将产生附加弯矩，而且消耗金属量大，但不需开坡口，装配尺寸要求不高。
1.4.6焊接电压和电弧长度的选择
焊条电弧焊中电弧电压不是焊接工艺的重要参数，一般不须确定。
但电弧电压是由电弧长度来决定的，电弧长则电弧电压高，反之则低电弧长度是焊条芯的融化端到焊接熔池表面的距离。
它的长短的控制主要取决于焊工的知识、经验和技巧。
在焊接过程中，电弧长短直接影响焊缝的质量和成形。
如果电弧长，电弧飘摆，燃烧不稳定，飞溅增加，熔深小，熔宽大，易形成气孔缺陷。
电弧短，则经常出现短路。
正常的电弧长度可用经验公式来确定，即:
L=（0.5～1）d（d为焊条直径）。
电弧长度往往是个抽象的概念，判断时可根据具体的情况灵活掌握。
实际操作中，电弧长，则电弧发出“呼呼”的响声，且熔深浅，焊缝中出现水珠状的铁水；
电弧短时，铁水和熔渣分辨不清，有时会看到铁水淹没焊条末端，看不到熔池形状；
电弧适中时，可看到熔池与母材有两条清晰的界限，熔池形状呈桃状，铁水与熔渣有明显的层次感。
分组
查阅文献
确定焊接电流
切试样
磨金相组织
焊接
观察组织
组织拍照
硬度测试
得出结论
2实验过程
数据分析
图2—1实验流程图
2.1试验原理
电弧焊作为一种熔化焊，是通过加热使被焊金属的联接处达到熔化状态，焊缝金属凝固后实现金属的焊接。
焊接接头处[2]的焊缝金属和母材具有交互结晶的特征，图2-2为母材和焊缝金属交互结晶的示意图。
由图可知，焊缝金属与联接处母材具有共晶现象，即熔池金属的结晶是从熔合区母材的半熔化晶粒上开始向焊缝中心成长的。
这种结晶形式称为交互结晶或联生结晶。
当晶体最易长大方向与散热最快方向一致时，晶体便优先得到成长，有的晶体由于取向不利于成长，晶粒的成长会被遏止。
这就是所谓选择长大，并形成焊缝中的柱状晶。
图2—3
在图2-2中显示，随着晶粒的成长，熔池中晶粒界面前的浓度过冷和温度梯度也随着发生变化。
因而，熔池全部凝固以后，各处将会出现不同的结晶形态。
在焊接熔池的熔化边界上，温度梯度G较大，结晶速度R很小，因此此处的浓度过冷最小，随着焊接熔池的结晶。
温度梯度G由熔化边界处直到焊缝中心逐渐变小，熔池的结晶速度R却逐渐增大，到焊缝中心处，温度梯度最小，结晶速度最大。
热影响区是焊接或切割过程中，材料因受热的影响（但未熔化）而发生金相组织和力学性能变化的区域。
按其组织特征又可分为以下四个区域：
（a）过热区（粗晶区）
指焊接热影响区中，具有过热组织或晶粒显著粗大的区域。
此区的温度范围为固相线至1100℃，因加热温度过高，奥氏体晶粒急剧长大，使其塑性明显下降，尤其是冲击韧度下降20％-30％，对于易淬火钢，此区脆性更大，是热影响区中性能最差的部位。
焊接刚度大的结构件时，常在过热粗晶区产生脆化或裂纹。
（b）细晶区
细晶区是焊接时母材被加热到1100℃～Ac3的部位，将发生重结晶，将发生重结晶，即铁素体和珠光体全部变为奥氏体，然后在空气中冷却得到细小均匀的铁素体和珠光体，相当于热处理的正火组织。
此区域的塑性和韧性都较好，是焊接热影响区中性能最好的区域。
（c）熔合区
熔合区为焊缝与母材相邻的部位，又称半熔化区，温度处于液相线与固相线之间。
这个区域的微观行为十分复杂，焊缝与母材的不规则结合，形成了参差不齐的分界面。
此区域的范围很窄，但由于在化学成分上和组织性能上都有较大的不均匀性，所以对焊接接头的强度、韧性有很大影响。
在许多情况下熔合区是产生裂纹、脆性破坏的发源地。
（d）不完全重结晶区
加热温度Ac1-Ac3，约750-900℃，钢被加热奥氏体+部分铁素体区域，冷却后的组织为细小铁素体+珠光体+部分大块未变化的铁素体，晶粒大小不均匀。
此区特点是晶粒大小不一，组织不均匀，因此力学性能也不均匀。
2.2实验材料与设备
2.2.1实验设备
钨极交、直流方波氩弧焊焊机（焊机型号WANBO-WSE-350）、BM-4XDV倒置金相显微镜、维氏显微硬度计HV—1000A、型材切割机（J1G-DI-355）、250毫米落地砂轮机、金相砂纸、金相抛光机，J422系列焊条等。
图2-4粗抛设备图2-5精抛设备
图2-6BM-4XDV倒置金相显微镜
2.2.2实验概述
在光学显微镜下观察、辨别和分析金属的微观组织的金相检验，多是用专门制备的试样。
由于金属试样对一般光线的不透明性，所以要经过特殊的制备，使金属试样表面既要平整如镜，又要界限分明，以便在显微镜视场中不同程度地反射光源，从而显示出清晰的图象。
2.2.3金相试样的制备[5]步骤：
1）取样
取样部位及检验面地选择取决于被分析材料或零件的特点、加工工艺过程及热处理过程，应选择有代表性的部位。
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。
对于轧材，要研究材料表层的缺陷和非金属夹杂物的分布时，应在垂直轧制方向上取横向试样。
研究夹杂物的类型、材料的变形程度，晶粒被拉长的程度、带状组织等应在平行于轧制方向取纵向试样。
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。
软材料：
可以用锯、车、刨等加工方法；
硬材料：
可以用砂轮切片机切割或用电；
火花切割等方法，切割过程中要不断地进行水冷却；
硬而脆的材料：
可以用锤击方法。
金相试样的大小以便于握持、易于磨制为准，通常金相试样为的圆柱体或相当尺寸的立方体。
2）镶样
一般情况下，如果试样大小合适，则不需要镶样。
但试样尺寸过小或形状极不规则者以及化学热处理的试样，如带、丝、片、管，渗碳制备试样十分困难，我们就必须把试样镶嵌起来。
一般常采用塑料镶嵌，镶嵌材料有胶木粉、聚氯乙烯等，也可以采用机械镶嵌法，即用夹具夹持试样。
3）磨样
磨样分为粗磨和细磨,粗磨就是将试样在砂轮机上磨出一个平面,并倒45的倾斜角。
细磨即将试样在金相砂纸上磨，我们使用的金相砂纸是：
0号（320＃）；
01号（400＃）；
02号（500＃）；
03号（600＃）；
－04号（800＃），号数越大,砂纸越细,细磨时从最粗的开始磨,磨的步骤如下:
为了保证磨面平整不产生塌边和弧度，应单方向进行。
磨削时应顺号进行，不宜跳号。
当新的磨痕盖过旧的磨痕,更换下一号砂布。
换砂布时，试样转90，使新的磨痕垂直旧磨痕，易于观察粗痕的逐渐消除。
以此类推，一直磨到05号。
4）抛光
经细磨后的试样需要清洗，除去铁屑、砂，以便于进一步抛光，抛光的目的是除去细磨时遗留下来的细微磨痕而获得光亮无疵的镜面。
金相抛光一般可分为机械抛光，电解抛光和化学抛光。
实验中我们采用机械抛光。
下面介绍机械抛光机的工作原理：
机械抛光在金相制样抛光机上进行，抛光机主要是由一个电动机和被带动的一个或两个抛光盘组成，转速200～600转/分，抛光盘上铺以不同材料的抛光布，粗抛时常用帆布粗抛，细抛时常用绒布、细呢或丝绸。
抛光时在抛光盘上不断滴注抛光液，抛光液一般为AlO、MgO和CrO等。
在水中的悬浮液，有时也在抛光盘上涂以极细钻石粉制成的膏状抛光剂。
机械抛光是靠极细的抛光粉末与磨面间产生的相对磨削和滚压作用来消除磨痕的。
抛光时应将试样磨面均匀地、平正地压在旋转着地抛光盘近中心处，压力不宜过大，并沿盘的边缘到中心不断地来回移动。
在抛光的最后阶段，可将试样转180作反向抛光，防止夹杂物的“拖尾”现象。
5）腐蚀
试样抛光后（化学抛光除外），在显微镜下只能看到光亮的磨面及夹杂物等，要对试样的组织进行显微分析，试样还须经过腐蚀，常用的腐蚀方法为化学腐蚀法。
化学腐蚀是将抛光好的样品磨面在化学腐蚀剂中腐蚀一定时间，从而显示出试样的组织。
实验中常用的腐蚀剂为4％的硝酸酒精溶液。
2.3硬度测试
本次试验测试的力学性能指标为硬度，采用的硬度测试设备为华银HV-1000A维氏显微硬度计。
硬度测定是机械性能试验中最简单、最常用的一种方式，常用的方法为压入法。
其标志为反映固体材料在受到其他物体压入时所表现出的抵抗弹性变形、塑性变形和破裂的综合能力。
若将硬度测量对象缩小到显微尺寸以内，就称为显微硬度试验。
显微硬度测试试验采用静力压入法，压头是一个极小的金刚石角锥体，如图2—7所示
图2—7华银HV-1000A维氏显微硬度计
在测试硬度时，要根据组织的分布来确定每个区的硬度分布。
转动目镜，使目镜对着试样，缓慢摇动右下方手柄直至目镜内出现试样组织，然后小心摇动手柄，以防试样和物镜相碰。
当目镜里组织最清晰时停止摇动手柄。
按下操作界面上的加载按钮，压头自动加载、保荷、卸荷，卸荷后目镜自动转回中心位置，这时目镜里会出现如图2-8所示的小菱形，通过目镜两边手柄测量菱形的两条对角线并记录下来。
显微维氏硬度压头为菱面锥体压头，它的硬度值是用试验力除以压痕表面积所得的商表示，压痕面积根据压痕对角线长度求的。
在具体操作时，只需按选定的试验力，将测得的对角线长度输入系统，即可获得显微硬度值。
图2-8硬度压痕测试图
3试验结果与讨论
3.1不同电流对焊接工艺性的影响
表3-1焊接电流对焊接的工艺性影响
焊条直径
组别
焊接电流
引弧性
稳弧性
飞溅
电弧吹力
渣的覆盖情况
脱渣性
焊缝成形
焊接缺陷
3.2
1
60
差
一般
小
脱节
2
80
好
较好
无
3
120
较大
很好
4
140
随着电弧焊接电流的增大，焊接的引弧性、稳弧性、脱渣性及焊缝成形性都逐渐变好，但是焊接飞溅和电弧吹力也较大，作用在焊件上的电弧力增加，焊条熔化快，熔宽略有增加，焊接效率也高。
但是焊接电流太大时，飞溅和烟雾大，焊条尾部易发红，部分涂层要失效或崩落，而且容易产生咬边、焊瘤、烧穿等缺陷，增大焊件变形，还会使接头热影响区晶粒粗大，焊接接头的韧性降低；
焊接电流太小，则引弧困难，焊条容易粘连在工件上，电弧不稳定，易产生未焊透、未熔合、气孔和夹渣等缺陷，且生产率低。
可以看出焊条直径为3.2mm时，焊接电流120A的焊接工艺较好。
3.2焊接电流对硬度的影响
表3-2焊接电流对硬度的影响
直径
组别
电流
Q235低碳钢焊接接头硬度值表（HV）
焊缝区
均值
热影响区
146.5
133.2
145.7
141.8
161.2
172.7
159.2
164.4
100
213.3
204.9
193.6
203.9
143.3
146.2
130.7
140.1
150.5
156.8
157.9
155.1
176.5
171.4
164.3
170.7
144
139.6
132.1
138.6
134.9
133.7
134.5
母材
平均硬度为151.5
图3-1120A各区硬度曲线
图3-2不同电流热影响区硬度曲线图3-3不同电流焊缝区硬度曲线
上图中显示，焊接电流逐渐增大，熔合区、热影响区和焊缝区硬度[4]均体现出逐渐增大的趋势。
各直径下的电流中，低电流硬度较为低，电流过高则硬度过高，从而使低碳钢的韧性和塑性降低，只有中间电流的力学性能最为合适。
3.3焊接电流对Q235焊接接头组织的影响
3.3.1母材组织图
图3-4母材40倍图3-6母材100倍
图3-6母材400倍
上图为不同放大倍数下的Q235钢母材的组织图，块状多面体组织为铁素体,黑色多面体组织为珠光体,铁素体和珠光体较为均匀地混合分布着。
3.3.2焊缝组织图
图3-7焊缝40倍图3-8焊缝100倍
图3-9焊缝400倍
焊缝区的显微组织[3]在显微镜下观察，焊缝凝固后的组织主要特征之一是形成柱状晶。
其生长有明显的方向性，与散热最快的方向一致，即垂直于熔合线向焊缝中心发展。
对于常用的焊接结构钢（低碳钢）从液态向固态的一次结晶形成柱状晶奥氏体，然后进一步冷至室温还要经历二次结晶过程，呈柱状晶的奥氏体在冷却过程中分解为铁素体和珠光体。
由于含碳较低，由先共析体素体沿奥氏体晶界析出，把原奥氏体的柱状晶轮廓勾画出来，也称为柱状铁素体。
柱状铁素体十分粗大，其间隙中为少量珠光体，往往成魏氏组织形态。
若为多层焊接，焊缝二次结晶组织变为细小铁素体加少量珠光体。
这是由于后一层焊缝相对前一层焊缝进行加热，使其发生相变再结晶，从而柱状晶消失，形成细小的等轴晶。
合金钢二次结晶的组织，则受到合金元素和焊接条件的影响而会出现不同的组织一般焊缝中合金元素较多，淬透性较好或冷却速度加快时出现贝氏体-马氏体组织。
3.3.3热影响区组织图
图3-9热影响区40倍图3-10热影响区100倍
图3-11热影响区400倍
热影响区的显微组织受焊接过程热循环（加热和冷却）的作用焊缝附近的热影响区相当于经历了“特殊的热处理”过程一样。
焊缝及热影响区各部分由于离焊池距离不同而被加热到不同的温度，焊后冷却时又以不同的冷速冷却下来,因此使该区的组织变得复杂。
由于焊缝周围的金属导热作用，焊缝和热影响的冷却速度很快，有时可达淬火的程度。
冷却速度受材料的导热性、板厚和接头形状及钢板在焊前初始温度（包括环境温度或预热温度）等因素的影响。
钢板尺寸越大，冷却越快，钢板初始温度越高（预热），冷速越慢。
通过一组同学的对比观察到的组织随焊接电流的变大，焊缝区、熔合区和热影响区组织晶粒度逐渐粗化，由铁素体逐渐变为珠光体和魏氏组织。
结论
（1）在其他条件一定的情况下，随着电弧焊焊接电流增大，焊接的引弧性、
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