實驗報告
指導老師：楊順貞、趙建華
姓名：秦志偉
學號：0861410120
2023年12月22日
實驗提要：
一、 實驗前言
二、 埋弧焊及其焊接
三、 金相樣品的製備
四、 焊接接頭巨集觀及顯微組織觀察與分析
五、 金屬材料硬度試驗
六、 實驗總結
一、實驗前言：
實驗材料為q345鋼（16mn）。對q345鋼焊接性分析並制定q345鋼板（兩塊，板厚δ=10mm）的對接埋弧焊工藝，依照制定工藝進行埋弧焊（a310—1000埋弧焊機）；對q345埋弧焊接頭典型部位擷取試樣，進行金相顯微試樣的製備；觀察顯微組織（xjg-05臥式顯微鏡），測量顯微維氏硬度（hxd-1000tmc顯微硬度計），作顯微組織和力學效能分析。
實驗實驗內容：
二、埋弧焊及其焊接
1. 埋弧焊原理：
埋弧焊是電弧在焊劑層下燃燒的一種電弧焊方法。
焊接時，顆粒狀焊劑由焊劑漏斗經軟管均勻地堆敷到焊件待焊處，焊絲由焊絲盤經送絲機構和導電夾送入焊接區，電弧在焊劑下面的焊絲與母材之間燃燒。電弧熱使焊絲、焊劑及母材區域性熔化和部分蒸發。金屬蒸氣、焊劑蒸氣和冶金過程中析出的氣體在電弧的周圍形成乙個空腔，熔化的焊劑在空腔上部形成一層熔渣膜，使電弧、液體金屬與空氣隔離，將弧光遮蔽在空腔中。
在空腔的下部，母材區域性熔化形成熔池；空腔的上部，焊絲熔化形成熔滴，並以渣壁過渡的形式向熔池中過渡，只有少數熔滴採取自由過渡。隨著電弧的向前移動，電弧力將液態金屬推向後方並逐漸冷卻凝固成焊縫，熔渣則凝固成渣殼覆蓋在焊縫表面。
在焊接過程中，焊劑不僅起著保護焊接金屬的作用，而且起著冶金處理的作用。
2. 埋弧焊的優缺點：
● 優點：
（1） 生產效率高
（2） 焊接質量高而且穩定
（3） 節省材料和電能消耗
（4） 改善勞動條件，降低勞動強度
● 缺點：
（1） 埋弧焊採用顆粒狀焊劑進行保護，一般只適合於平焊和平角焊位置的焊接，其他位置的焊接，則需採用特殊裝置來保證焊劑對焊縫區的覆蓋和防止熔池金屬的漏淌。
（2） 埋弧焊焊接時不能直接觀察電弧和坡口的相對位置，故必須保證坡口的加工和裝配精度，或者採用焊縫自動跟蹤裝置來保證焊炬對準焊縫不焊偏。
（3） 埋弧焊使用電流較大，電弧的電場強度較高，電流小於100a時，電弧穩定性較差，因此不適合焊厚度小於1mm的薄件。
3. 10mmq345鋼埋弧焊焊接工藝
1) q345（16mn）化學成分及力學效能
表1 q345（16mn）化學成分及力學效能
國際焊接學會（iiw）推薦的碳當量公式：
ce=c+mn/6+(cr+mo+v)/5+(cu+ni)/15 (%)
由（1）式可計算出q345碳當量：ce=0.18+1/6(%)≈0.35%。
一般認為ce<0.4%的鋼材在焊接中基本無淬硬傾向，冷裂敏感性小。所以q345擁有良好的焊接性，因此適用的焊接方法比較多。
2) 焊接準備
由於埋弧焊熔深較大，對於10mm厚度的鋼板可以選擇不開坡口，相應的，裝配間隙則為0~1mm。將焊接部位表面的鏽蝕、油汙、水分、氧化皮等清除乾淨。所選用的焊絲表面的油汙、鐵鏽等汙物也要清除乾淨。
此外，焊劑也要求烘乾，如hj431，要求在250℃下烘乾兩個小時。焊件清理乾淨之後就要進行焊件裝配，要求間隙均勻、高低平整。定位焊長度要足夠，本實驗採用co2 氣體保護焊，焊接長度在10mm左右。
3) 焊接過程
為了焊接過程的方便簡潔，選擇懸空雙面焊法，即不用襯墊，焊接第一面時所用焊接引數稍小，通常使焊縫的熔深達到或略小於焊件厚度的一半即可。然後翻轉焊件，採用比較大的焊接引數，使焊縫的熔深達到焊件厚度的60%~70%，以保證焊件焊透。
4) 焊絲與焊劑的選測
選擇焊接焊絲和焊劑一般遵循以下三個要點：
a) 根據「等強匹配」原則，一般要求焊縫的強度效能與母材等強或稍低於母材。焊縫中碳的質量分數不應超過0.14%，焊縫中其他合金元素也要求低於母材中的含量，以防止裂紋及焊縫強度過高。
b) 考慮熔合比和冷卻速度的影響
c) 考慮焊後熱處理對焊縫力學效能的影響
5) 對於10mmq345鋼板的對接接頭埋弧焊，本實驗選用hj431焊劑與h10mn2焊絲相匹配。
表2 h10mn2焊絲標準化學成分（gb/t 14957—1994）
表3 hj431焊劑的化學成分
6) 選擇焊接引數
針對本實驗不開坡口對接接頭懸空雙面焊，查閱手冊可得如表4所示的焊接引數。
表4 不開坡口對接接頭懸空雙面焊的焊接引數
所以實驗時採用以下引數：
表5 10mmq345鋼板對接埋弧焊時所用焊接引數
本實驗所用的埋弧焊機型號為mz-1000(a310-1000)。焊接的具體操作過程如下：
a) 在焊料斗內裝上hj431焊劑；
b) 在焊機上安裝h10mn2焊絲；
c) 將表面清理過並進行定位焊（co2氣保焊）後的焊件在工作台上放置好；
d) 合上電源，開啟焊機開關，讓焊接小車預行走，對正焊縫；
e) 按表5設定10mm的q345對接接頭正面焊接引數；
f) 將焊料斗上的閘門開啟；
g) 按下啟動按鈕，埋弧焊機自動進行引弧和焊接；
h) 正面焊接完成後，待焊件稍微冷卻後清除焊縫上渣皮，翻轉焊件；
i) 設定反面焊接引數，繼續進行另一面的焊接；
j) 反面焊接完成後，按下停止按鈕。
三、金相樣品的製備
1. 原理
用金相顯微鏡觀察經過特別磨製的金相試樣以研究金屬和合金組織及其內部缺陷的方法，叫做顯微分析法。金屬樣品是在顯微鏡下進行分析和研究的試樣。用金相顯微鏡觀察和研究金屬內部組織的步驟為：
首先製備所取試樣的表面，使其觀察面為光潔程度很高的平面；然後選用合適的腐蝕劑，通過浸蝕是不同的相呈現出來，即可在顯微鏡下觀察顯微組織的特徵。試樣表面比較粗糙時，由於對入射光產生漫反射，無法用顯微鏡觀察及內部組織，因此要對試樣表面加工，通常用磨光和拋光的方法，從而得到光亮如鏡的表面。這個表面在顯微鏡下只能看到白亮的一片而看不到其組織的細節，因此要用合適的腐蝕劑對試樣表面進行浸蝕，是表面有選擇性的溶解掉某些部分（如晶界），從而顯示出式樣的組織形貌、大小和分布。
2. 金相樣品的製備
為了在金相顯微鏡下清楚地觀察到金屬內部的顯微組織，金屬試樣必須進行精心的製備。式樣的製備過程包括：取樣、粗加工（磨平）、鑲嵌（對於q345試樣來說，此步可以省略）、磨光、拋光和浸蝕。
（1） 取樣及粗加工
在鉗工工作台上，用虎鉗夾住，使用鋼鋸，擷取一段試樣。如右圖，中間突起直線狀的為焊縫。
（2） 鑲嵌略。
（3） 試樣的磨光
a) 粗磨。 將擷取好的試樣在砂輪機上粗磨。注意操作的時候不能戴手套，避免將手捲進砂輪機，要注意安全。
磨的時候要拿穩，避免試樣被砂輪帶動飛出，發生意外。將試樣盡量磨成矩形，為了防止試樣溫度公升高而引起組織變化，通常用冷卻水冷卻，接觸壓力盡量減輕，以減少表面層的變形。可將試樣的表面的四周磨成倒角，以避免在細磨和拋光時撕裂砂紙或拋光布。
b) 細磨。 可用手工磨光。手工磨光是在金相砂紙上進行，金相砂紙按粗細分為01號、02號、03號、04號、05號、06號等6種，磨光時在桌面上墊上一塊玻璃，而後在其上依次墊上01,02……06，然後將試樣從01號砂紙磨到06號，注意每張砂紙的磨向垂直，交叉著磨。
將試樣磨麵磨到磨痕方向完全一致方可換下一張砂紙。
（4） 拋光
拋光的目的是去除細磨時遺留下來的細微磨痕而獲得光亮鏡面。常用機械拋光，它是借助拋光膏或拋光粉與水的混合液在砂布拋光機上磨成光滑表面。
機械拋光法是在轉動的圓盤拋光機上進行，圓盤上敷以尼絨拋光布。拋光時，將試樣麻麵平整地壓在已有的拋光機的圓盤表面上，並隨時轉動試樣和適當新增拋光劑，待磨麵形成光亮的鏡面為止，然後用水沖洗，並繼續以酒精洗滌，吹風機吹乾，對於比較精密的不能擦乾或烘乾。
（5） 浸蝕
浸蝕的方法有浸入法和擦蝕法。浸入法是把拋光洗滌乾淨後的試樣表面直接浸入腐蝕劑中數秒中；擦蝕法是用夾鉗將棉花蘸藥劑後，在試樣表面輕輕擦拭。在一般情況下，試樣表面微微發暗和失去金屬光澤是蝕透的標誌。
對於不同的金屬和合金，以及研究的目的不同，所用浸蝕劑和浸蝕程度是不同的，這都要根據具體情況而定。通常對鋼鐵試樣採用4%的硝酸酒精溶液浸蝕就可達到一般所需要的目的。本實驗即採用4%的硝酸酒精溶液來浸蝕q345焊接試樣。
這樣試樣就製備完成，下面進行顯微觀察和硬度試驗。
四、焊接接頭巨集觀及顯微組織觀察與分析
金相顯微組織觀察所用的儀器為xjg-05大型光學金相顯微鏡。具體的操作過程如下：
1) 儀器的開機：接通總電源，然後向上扳動儀器上的總電源開關，指示燈亮，向上扳動白熾燈開關，指示燈亮，開啟相連的電腦。
2) 裝上目鏡、物鏡等（根據要求選擇合適倍數的物鏡、目鏡）。
3) 開啟電腦桌面快捷方式進入軟體，顯示影象。
4) 把試樣放在載物台上（試樣要經過預磨、拋光、腐蝕）。
5) 調整粗、微調旋鈕進行調焦，觀察電腦螢幕顯示的影象，直至觀察到清晰的影象為止。
6) 調整載物台位置，找到關心的視場，調整影象的亮度、對比度，進行金相分析。
7) 對影象進行採集和儲存（疊加標尺）。
8) 全部完成後，取下物鏡、目鏡並收藏好。
9) 儀器的關機：向下扳動白熾燈開關，指示燈滅。向下扳動儀器上的總電源開關，指示燈滅。電腦關機，切斷總電源。
a. 焊接接頭成形和相關尺寸（巨集觀組織）
焊接接頭的巨集觀組織，可分為三個部分：中心焊縫區；靠近焊縫的熱影響區；兩邊未受影響的母材區。
對q345製備好的試樣進行觀察，可以看到第一道的焊縫和第二道的焊縫較好的熔合在一起，沒有形成漏焊的情況，焊縫成形較好。對q345鋼焊接接頭的相關尺寸進行測量。測量結果下圖所示。
計算得第二道焊縫的熔深為焊件厚度的 61%。符合焊接工藝的要求。
b. 焊接接頭的顯微組織分析
顯微分析主要內容有：借助×100以上的光學金相顯微鏡或者電子顯微鏡進行觀察，分析焊縫的結晶形態、焊接熱影響區金屬的組織變化和焊接接頭的微觀缺陷等。
鋼材焊接後，焊接接頭主要由焊縫及熱影響區組成。其中焊縫經過熔化的金屬部分組成，熱影響區是焊縫兩側發生組織和效能變化的區域。焊縫的組織取決於焊接時達到的最高溫度和隨後的冷卻速度。
由於從熔化區到母材的變化是連續發生的，所以熱影響區也沒有非常明顯的分界線。大致區域如下圖所示。
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