双丝埋弧焊

毕业论文

题目: 45钢双丝埋弧焊

工艺研究

学院(直属系):材料科学与工程学院

年级、专业:2009级材料成型及控制工程

学生姓名:魏东杰

学号: 312011********* 指导教师:廖东波

完成时间: 20 15 年 5 月 25 日

目录

摘要 (Ⅰ)

第1章绪论 (1)

1.1 引言 (1)

1.2研究内容与意义 (1)

第2章45钢焊接性分析 (3)

第3章试验方法与过程 (4)

3.1双丝埋弧焊焊接工艺过程 (4)

3.2金相制备 (6)

3.3硬度测试 (7)

3.4本章小结 (7)

第4章试验结果与分析 (8)

4.1 焊接缺陷分析 (8)

4.2 金相组织分析 (9)

4.3 焊接接头硬度分析 (11)

4.4本章小结..........................................1 3 第5章结论 (14)

总结与体会 (15)

致谢 (17)

参考文献 (18)

摘要

通过使用双丝埋弧焊法，采用悬空双面焊法和焊剂垫双面焊法对45钢进行了焊接，最后进行了焊接接头的缺陷分析、金相分析和硬度分析，绘制了硬度变化曲线图。结果表明，焊剂的烘干、焊条打磨干净对焊缝的成形至关重要，渗透探伤结果显示只有2道焊缝达到了第Ⅳ等级，焊接接头粗晶区硬度高于母材，采用悬空双面焊法得到的焊缝比采用焊剂垫双面焊法得到的焊缝质量要好。

关键词：悬空双面焊法，焊剂垫双面焊法，45钢，渗透探伤，金相分析，硬度分析

Abstract

Through the use of the double wire submerged arc welding method, USES the impending double-sided welding and solder pads of 45 steel double-sided welding welding, finally analyzed the defects of welding joint, metallographic analysis and hardness analysis, drawing the hardness change curve. The results show that the flux of the dry clean, electrode grinding of weld forming is crucial, penetration testing results showed that only 2 welding seam reached the first level of Ⅳ, welded joint coarse grain zone is higher than the parent metal hardness, dangling double-sided welding method is used to get the weld than solder pad double-sided welding method is used to get the weld quality is better. Key words:Dangling double-sided welding, solder pad double-sided welding, 45 steel, penetration testing, metallographic analysis, hardness analysis

第1章绪论

1.1 引言

现代结构中，需要大量的同种或异种材料的焊接结构件。焊接材料的发展与应用在工程及制造中显得越来越重要。埋弧焊作为自动焊的一种随着科技的进步越来越受人们青睐，它需要工人的手工技巧很少，工作环境较焊条电弧焊、气保焊要好的多，适合大批量、单一件的生产，效率极高[1]。

45钢也叫油钢，常用中碳调质结构钢，市场上热轧居多。该钢冷塑性一般退火、正火比调质状态要稍好，拥有较高的强度、较好的切削加工性能，经合适的热处理后可以获得较好的塑性、韧性和耐磨性，材料来源广。焊接前需要预热，焊接后需要去应力退火。主要成分为铁素体，且含有以下少量元素：

C：0.42~0.50%，Si：0.17~0.37%，Mn：0.50~0.80%，P：≤0.035%，S：≤0.035%，Cr：≤0.25%，Ni：≤0.25%，Cu：≤0.25% ，密度7.85g/cm3，弹性模量210GPa，泊松比0.269[2]。

45号钢在机械制造业中用途广泛，该钢机械性能好，缺点在于是这是一种中碳钢，淬火性能不好。 45号钢可以淬硬到HRC42~46，所以若需要表面硬度的同时，又希望得到45#钢优越的机械性能，常将45钢表面淬火，以获得需要的表面硬度[3]。

埋弧焊拥有生产效率高、焊缝性能好、机械化程度高、劳动条件优越等优点。埋弧焊技术的迅猛发展对造船、压力容器、铁路车辆、重型机械等领域的生产有重大意义。其适用于碳钢、低合金钢，不锈钢，中碳结构钢，铜及其合金的焊接。随着科学技术突飞猛进，高效化的焊接技术越来越受到人们的青睐，而埋弧焊的高效化焊接已然成为国内外焊接加工技术研究与应用的重点[4]。

1.2研究内容与意义

本实验的主要研究内容：采用不同的焊接工艺参数，采用双丝埋弧自动焊对碳钢进行焊接工艺研究。通过查阅资料，掌握碳钢双丝埋弧焊焊接的要点，确定出最佳焊接方案并施焊，控制焊缝产生热裂纹和冷裂纹，通过分析接头性能找到最

佳的焊接工艺流程和焊接工艺参数组合

本实验研究的意义：双丝串列式埋弧焊作为现代高效埋弧焊中的一种，与单丝埋弧焊相比，最大的优点是熔敷率和焊接速度提高了25％~100％。在相同的焊接电流下双丝埋弧焊的熔敷率时单丝埋弧焊的1倍。其次，双丝串列式埋弧焊双丝之间的距离和双丝与焊接工件之间的夹角时可以调节的，这大大增加了焊接工艺的适应性。在焊接薄板时，其焊接速度较快，大大减小了焊接变形。双丝埋弧焊前丝和后丝可以采用互不干扰的焊接电源，很大程度上消除了焊缝咬边的情况。双丝埋弧焊的优点如此之多，研究双丝埋弧焊工艺，将它更好的应用与现代生产，时发展社会生产力不可或缺的一步。

第2章 45钢焊接性分析

45钢作为高强度的中碳调质钢，其塑性和韧性一般，具有较好的切削、加工性，采用调质处理，可使综合力学性能较好，45钢的淬透性较差，水淬容易出现裂纹。中小型零件可以获得较高的强度和较好的韧性，大型零件需采用正火处理。但是，45钢的焊接性能较差，焊前需进行预热，焊后需进行热处理。主要原因在于45钢的C含量较高，在焊接时容易产生气孔、裂纹、焊接接头脆化等缺陷。焊前和焊后的热处理都是为了消除焊接时产生的应力。在焊前处理时，油污、氧化皮也是影响焊缝成形的一大因素，所以焊缝表面在焊前需清理干净。焊前的预热有利于减小中碳钢热影响区的最高硬度，防止冷裂纹的产生。同时，也是为了改善接头的塑性，减小焊后残余应力。预热温度一般选择150℃~250℃。焊接件太大时刻采用局部预热的方法，预热范围为坡口两侧100㎜左右的位置。焊后热处理在600℃~650℃之间进行，热处理完成后需进行缓冷。如果工件厚度太厚，焊接时需要开坡口，最好开成U形坡口，这样有利于减小母材熔于焊缝金属的比例，这样就降低了焊缝的含碳量，有利于防止冷裂纹的产生[5]。

第3章实验方法与过程

3.1双丝埋弧焊试验方法与过程

3.1.1焊接材料

本实验使用的材料为：45号钢，其大小为：500×120×10（㎜），SJ301焊剂，J506焊条，H08A焊丝，数量若干的废钢板。

3.1.2焊前准备

首先对45号钢即将对接的边极其周围用角磨机进行打磨，打磨的目的是为了去除铁锈、氧化膜，降低焊缝出现气孔、裂纹等缺陷的机率，使工件的导电率增大，使2对接街头处平整且平行与工件长度方向。同时还需对作为熄弧板和引弧板的废钢板进行打磨，保证其能够与工件与焊接工作台接触良好。

对于坡口问题，由于工件厚度仅10毫米，不用开坡口也能保证有足够的熔深。

这次实验要用焊条电弧焊打底和点固，所以要将焊条J506置于烘干箱内烘干备用，烘干温度为350℃，时间为1小时。焊条不能多次烘干，若经2次烘干后仍未使用，则不能在使用。

3.1.3 45钢焊接工艺

3.1.3.1悬空双面焊法

打底焊焊条：J506，焊接电流I=100A。埋弧焊焊丝：H08A（直径=5㎜），焊剂：SJ301。两板均不开坡口，对接时两板间隙D=0，前丝与后丝均垂直于工件焊接表面，前丝直流反接，后丝交流，双熔池，两丝间距d=100㎜，焊丝排列方式为纵列式，直流焊丝带动交流焊丝沿焊缝方向运动。表3.1列出了采用悬空双面焊法时焊接电流和焊接电压的具体值。

表3.1 悬空双面焊法焊接电流电压值 焊接速度为78㎝/min 。

焊接时，工件借助垫板与工作台间接接触，由于部分同学操作不当，工作台上有许多焊瘤，安放垫板时要使其平稳，再将工件放到垫板上，使焊丝始终在焊缝正上方运动，焊丝的干伸长度为20㎜，最后实施焊接。

3.1.3.2焊剂垫双面焊法

点固焊条：J506，焊接电流I=100A 。埋弧焊焊丝：H08A(直径5㎜)，焊剂：SJ301。两板均不开坡口，对接点固时两板间隙D=1㎜，前丝与后丝均垂直于工件表面，前丝直流反接，后丝交流，双熔池，两丝间距d=100㎜，两丝排列方式为纵列式，直流带动交流沿焊缝方向运动。

表3.2 焊剂垫双面焊法焊接电流电压值

焊接速度为78㎝/min 。

焊接时，工件放置在平铺在工作台上的焊剂垫上，因焊剂垫不能导电，故工

电流（A ） 电压（V ） 前丝

后丝 前丝 后丝 第 一

面

480 450 34 36 第二

面

510 490 34 36

电流（A ） 电压（V ） 前丝

后丝 前丝 后丝 第 一

面

460 440 35 38 第二

面 500 470 35 38

件边缘远离焊缝处要放置导电板，导电板与工件和工作台接触处无锈迹，同时要使焊丝始终在焊缝的正上方运动，焊丝干伸为20㎜，最后实施焊接。

3.2金相制备

3.2.1金相试样的选取

金相试样的选取原则：

一、试样长度必须包含母材、热影响区、融合区、焊缝且以焊缝为中心线

两端长度大致相同。

二、若焊缝出现裂纹，应截取裂纹部分，同时还需远离裂纹源截取试样以

作为对比参照。

确定好试样截取区域后用电火花切割机且下选定部分，切割过程注意切线是否沿给定轨迹运行。若选取部分存在内部缺陷，如：气孔、未焊透，则缺陷处切线不能按给定轨迹行走，这会大大增加我们之后的工作量，有时甚至会出现切线断裂的现象。遇到这些情况后，可用一小段导电细丝靠近切线工作部分，增加其导电量，直至切线恢复正常行走[6]。

3.2.2金相的磨制

金相的磨制分为粗磨和细磨两部分。首先进行的是粗磨。现用砂轮将需要表面打磨平整，此时应注意使试件受力均匀，且压力不宜过大，同时需要用水冷却，避免金相组织受热产生变化[7]。

然后进行细磨，选取120＃、180＃、240＃、320＃、500＃砂纸对试样进行细磨。砂纸使用顺序从小号到大号。细磨的目的是为了消除粗磨时产生的磨痕，为后面的抛光做准备，当试样表面达到条件后，即可停止。

3.2.3金相的抛光和腐蚀

抛光的目的是为了去除金相磨制时表面的划痕。不同的材料抛光液和抛光布的选择不同，45号钢直接用水抛光即可，抛光布选择常用的硬质抛光布。最终使试件表面无划痕且光亮如镜面即可。抛光结束后用清水冲洗，再用吹风机吹干，为接下来的抛光做准备[8]。

腐蚀的目的是为了金相试样能够在金相显微镜下显示出其组织。腐蚀液的选

择也是因材料而定，45钢4％的硝酸酒精溶液即可，腐蚀时间一般为4~5 S即可，腐蚀结束后立即用清水冲洗，并用吹风机吹干。若观察时发现金界不明显，则需延长腐蚀时间。

3.3.硬度测试

首先需要用到仪器和材料为：HVS-1000数显显微硬度计、金相式样。HVS-1000的使用方法如下：

1、选择载荷，打开电源的开关。

2、按特殊功能键3次（SPECL）,将目镜的两条游动丝并拢（用目镜上的鼓轮），

按下CL清零（注意：按几下LIGHT+，将灯亮起来）。

3、用400的目镜选择好观测区域后，握住小手柄逆时针旋转是压头压倒试样

表面上。

4、按下开始键（START）,等3盏灯熄灭后，顺时针旋转小手柄使目镜正对压

头所压区域。

5、用目镜中的游动丝测量压痕对角线长度，注意带“+”的游动丝在没带“+”

的游动丝右边，然后按下目镜上方的黑色小按钮，再将目镜旋转90°，压痕垂直对角线，最后再按下黑色小按钮。测试结果在右侧显示屏上显示出来[9]。

这样反复的操作，就得到了我们需要区域的硬度值，两测试点的直线距离为D=0.5㎜。现测试结果如下：

3.4本章小结

1、焊条烘干后要及时使用，不能多次烘干。

2、切割金相试样时要使切线行走方向与边界线平行，否则会大大增加磨制金相的工作量。

3、打显微硬度时注意试样在载物台上每次移动的距离要相等。

第4试验结果与分析

4.1焊接缺陷分析

图4.1~图4.4展示了不同情况下焊缝的成形。

图4.1焊剂垫双面焊法改良前图4.2焊剂垫双面焊法改良后

图4.3悬空双面焊法第一面图4.4悬空双面焊法第二面

图4.1中的焊缝主要缺陷有气孔和咬边，所以该次工艺改良主要针对与气孔来进行的。由气孔的形状和深度可以判断出这些气孔大致是“H”气孔，焊缝中“H”的来源不外乎是水和一些氧化物。就水而言，焊接环境即空气中的水份是一方面，另一方面就是焊接材料中的水份。经观察和思考得出：这次焊接出现的气孔极有可能来至于焊剂和焊丝。

首先由于未改良的焊前准备不充分，并未对焊剂进行烘干处理，本次实验用到的焊剂为：SJ301,此焊剂为烧结焊剂，烘干温度为350℃，烘干时间为3小时且炉内保温1小时。这样做的目的是尽可能的减少焊剂中的水分以降低焊缝成形后气孔的出现机率。由于实验室的埋弧焊机为教学使用，长时间不使用后，焊丝上的铜保护层失效，且出现了一层锈迹，必须用砂纸将锈迹打磨掉。打磨结束后还要用干净的布擦拭焊丝，去除焊丝表面残留的沙粒和汗渍，避免杂质进入焊缝影响焊缝成形，同时再次杜绝水份进去焊缝。

经过改良后，用焊剂垫双面焊法焊接第二面，焊缝成形后观察，焊缝中的气孔大大的减少了，焊缝成形美观。又将此改良用于悬空双面焊法中，焊缝成形依然完整、美观，本次改良成功。

最后，经过渗透探伤检测，焊剂垫双面焊法第一面没达到要求（报废），第二

面达到第Ⅳ等级。悬空双面焊法第一面没有达到要求（报废），第二面达到第Ⅳ等级。

4.2金相组织分析

图4.5~图4.14展示了采用两种焊接工艺得到的焊接接头区域的组织。

图4·5焊缝图4·6焊缝

图4·7母材图4·8热影响区细晶区

图4·9热影响区粗晶区图4·10熔合区

图4·13熔合线附近图4·14熔合线附近

图4.5中组织为先共析珠光体和共析珠光体，在其周围分布着大量得铁素体，少量的渗碳体从奥氏体中析出分布在珠光体上，此组织晶粒较为粗大。

图4.6中基体为柱状珠光体和呈网状分布的铁素体。少量的铁素体从晶界渗透到晶内，构成过热的魏氏组织，焊接接头冷却速度过快，导致在共析转变时出现伪共析组织，使基体中的片状珠光体增多。

图4.7中母材的显微组织由铁素体和珠光体组成，铁素体为白色不规则多边形，珠光体呈片层状不规则多边形。45钢本身为中碳调质钢，随着碳的质量分数的增大，珠光体数量增多，铁素体数量减少，其强度、硬度增加，塑性、韧性降低。同时由此图可以大致判断出母材的供货状态为热轧态。

比较图4.8和图4.9，由于热影响区距离焊缝远近不同，导致其接收到的热量不同，故而形成了粗晶区与细晶区。从图4.6到图4.7可以明显的发现铁素体的变化，它从怪状为主逐渐过渡到网状为主，并且还伴有针状铁素体—魏氏体组织出现，针状铁素体的数量增加，奥氏体晶粒粗化，这使得材料的韧性大幅度的降低。所以，在保证能焊透的前提下，尽可能的降低焊接热输入，使母材受影响区域减小。

图4.10为熔合线附近焊缝部分。焊缝部分由于焊接线能量的作用，使片状珠光体的渗碳体发生球粒化，这也使得该处的强度和硬度有所下降，塑性和韧性大大提高，具有这种球粒化组织的钢材料，具有防止冷变形开裂的能力，同时作为冲模时，可延长其使用寿命。

图4.11为熔合线区域，左边为焊缝部分，右边为热影响区。右边为极细片状珠光体和少量呈白色网状的铁素体，少量的先共析铁素体言奥氏体晶界析出，继

而析出托式体。在400倍的显微镜下还可以看出托式体是由短.细的渗碳体和铁素体构成的机械混合物。

图4.12同样为熔合线区域，不同的是左边为热影响区，右边为焊缝。左边部分为先共析珠光体和后共析珠光体，周围分布少量铁素体，珠光体作为基体，渗碳体大致均匀的分布于其上，因此造成其硬度和强度提高，塑性和韧性大幅度下降。因此在埋弧焊焊接完成后需等待其反应一段时间，尽量使其冷却速度变慢，使球粒渗碳体有足够的时间析出。使基体分解为索式体，材料的综合力学性能也就显著提高了。右边焊缝部分组织为：作为基体的中碳马氏体，少量的残留奥氏体和少量沿晶界分布的黑色团状托式体。其中托式体的含量略大，若此结构用于结晶温度以上的压力加工，因托式体的含量超标，会导致加工硬化和再结晶软化不能相互抵销，无论哪一方面增大，都将降低钢结构的综合力学性能。托式体的消除方法仍与冷却有关，若条件允许，可对焊接结构件进行回火处理。使其缓慢冷却，表面温度和焊缝中心温度尽可能的缩小差距。

4.3焊接接头的硬度分析

图4.13焊缝—母材硬度变化图

本次焊接45钢采用的焊接材料为：SJ301+H08A。表4.1列出了H08A 的主要成分。

表4.1 H08A的主要成分

牌号/

成分

C Mn Si S P Mo Ni Cu Cr

含量（％）≤

0.10

0.30~0.55 ≤

0.03

≤

0.03

0.03 ―――≤

0.30

≤

0.20

≤

0.20

表4.2列出了烧结焊剂SJ301的主要成分。

表4.2 SJ301的主要成分

成分SiO2+TiO2 CaO+MgO Al2O3+MnO CaF2 S P

含量

（％）

40 25 25 10 0.08 0.06

由它们的主要成分可以看出，焊缝金属与母材属于低强匹配，虽然习惯上大家在设计时都会采用焊缝与母材等强匹配的方法。但我们焊接的是45号钢，根据它的强度和硬度，采用低强匹配有一下几个优点：45好钢属于结构钢，而低强匹配焊接裂纹敏感性较高强匹配来说相对较低，同时焊缝金属的韧性也相对较高，这样就能很好的控制焊接接头冷裂纹的产生，同时也保证了接头的抗断性能。

可以通过母材的拘束强化，使一定范围内焊接接头与母材等强。

同等强匹配或高强匹配相比较，低强匹配的焊接接头焊接残余应力峰值水平相对较低，同时焊缝金属由于强度要求降低便减少了合金成分含量，由此组织淬硬倾向得到了降低，焊接冷裂纹产生机率也相对较低，从而可以降低预热、焊后热处理的工艺要求[10]。

由图 4.13我们也可以看出，虽然采用低强匹配，但焊缝的强度与母材差别不大，反而是熔合区的强度有了显著的提高，采用低强匹配时焊接结构的断裂多发生在焊缝金属上，而焊接接头强度的提高反而抑制了其断裂，所以此处采用低强匹配是成功的。图中红色曲线表示采用悬空双面焊法焊接的焊接接头，与蓝色曲线表示的焊剂垫双面焊法焊接的焊接接头相比较，其综合机械性能略优。同时，焊缝粗晶区硬度可能会高于焊缝。

4.4本章小结

1、焊前准备是十分重要的，焊剂是否烘干，焊条表面是否有锈迹将严重影响焊缝能否成形良好。

2、对于热输入较大的双丝埋弧焊焊后冷却很重要，要充分考虑材料的性能，避免出现裂纹。

3、用双丝埋弧焊（双面焊双面成形）焊接10㎜厚的45钢时，采用悬空双面焊法比采用焊剂垫双面焊法得到的焊接接头质量要好。

第5章结论

通过对焊缝金相组织、硬度分析和结合工艺推导综合分析得出总结如下：

1、双丝埋弧焊焊接10㎜厚的45号钢采用双面焊双面成形，电流控制在450~500采用悬空双面焊法得到的焊接接头综合性能较好。

2、双丝埋弧焊本身产生的焊接线能量很大，45钢焊后须采用缓慢冷却的方式。

3、采用低组配焊接结构钢使焊接接头机械性能远高于焊缝，有效的抑制了接头断裂。

4、渗透探伤检测结果表明，悬空双面焊法得到的焊缝第一面未达到要求，第二面达到第Ⅳ等级，焊剂垫双面焊法得到的第一面未达到要求，第二面达到第Ⅳ等级。

5、采用低组配时焊缝粗晶区硬度有时会高于母材。

总结与体会

本次毕业设计历经2个多月的时间终于要接近尾声了，回想起这2个多月的经历，酸甜苦辣，各种滋味尝了个便。45钢双丝埋弧焊的工艺研究从学习埋弧焊的相关知识开始，在这个学习的过程中也让我意识到了自己知识储备的不足，对一些细小的地方总是忽略，关键知识点有些模糊不清，同时也是借此机会重新弥补了自己的不足，为自己的大学学习阶段画上了个句号。

实验操作阶段让我深切的体会到理论与实际的重要性。特别是双丝埋弧焊焊接电流大小这一块，我们需要考虑工件的厚度，焊丝的排列方式，焊丝之间的距离，焊丝的直径，焊接速度，焊缝金属材料等诸多因素。本次焊接实验使用的是华远的MZS-1250自动埋弧焊机，焊丝直径与焊接电流的关系为1㎜/100A（粗丝），采用的是双面焊双面成形。焊接第一面时必须保证50％的熔深，所以刚开始我们将欠死电流定在500A左右，但我们却没考虑到其他因素，如：工件本身为10㎜，但实际上我们还得对焊缝周围进行打磨，最终实验时工件的厚度坑定小于10㎜的。同时由于焊丝有了锈迹，也是要经过打磨的，但焊丝的打磨对实验数据的影响很小。通过焊机的控制面板预调输入焊接电流、电压的大小时，注意电流电压的最大值与电表刻度盘的关系，而且值得注意的是这只是预调，可能你调节的电流是500A,可实际的工作电流只有480A，所以还得需要在焊机正常行走时进行精细调节。在正式焊接工件前一定要反复的空车行走焊机，确保焊丝始终在焊缝的正上方且焊机行走正常，放可进行焊接。要确保焊缝被焊剂掩埋充分，焊接过程中不得出现弧光。焊接结束后，不要急于扒开焊剂，是焊缝裸露在空气中，应使其反应充分且缓慢冷却一段时间。由于本实验采用双面焊接成形，在第一面未冷却时不得焊接第二面，否则会破坏焊缝组织性能。

磨制金相期间，反复打磨的过程是枯燥的，需要极大的耐心，相对于合金结构来说，钢结构的金相处理已经很简单了。磨制金相最终必须做到待磨金相表面无明显划痕，待磨表面始终处于同一水平面上。达到这两个要求后才能进行抛光和腐蚀，最后在金相显微镜下观测。在抛光和腐蚀阶段应该清楚自己材料所对应的抛光剂和腐蚀剂。45钢可直接用清水抛光，然后再用4％的硝酸酒精溶液腐蚀4~5 S即可，若晶界不清晰可延长腐蚀时间1~2秒。

本次课题操作的最后阶段是打显微硬度，由于我们需要打阶梯硬度，所以在试样放置好了后不要随意动载物台的横向和纵向旋钮，同时需要明白横向和纵向旋钮旋转一周运动的距离，其原理和螺旋测微器的原理相同。主轴一个刻度为1㎜，副轴旋转一圈前进1毫米，共50个小刻度，每个刻度为0.02㎜。

今后的工作中一定要重视理论与实际结合这一环节，同时还要不断强化终身学习的观念，毕业设计只是对我们即将步入社会的一次小检测，今后还有更多的困难等着们，一定要把这种不怕困难的精神和终身学习的观念延续下去。

本论文涉及的观点若有错误，望您及时指出。您的指导是我前进的方向。