Q345钢焊接接头组织性能分析

摘要：对Q345钢焊接性分析并制定Q345钢板（板厚δ=10mm）的对接埋弧焊工艺，依照工艺进行埋弧焊；对Q345埋弧焊接头典型部位截取试样，进行金相显微试样的制备；观察显微组织，测量显微维氏硬度，作显微组织和力学性能分析。

1实验原理：
1.1 Q345（16Mn）焊接性分析及焊接方法的选择
Q345应用最广用量最大的低合金高强度结构钢，综合性能好，低温冲击韧性，冷冲压性及切削性能均好，屈服强度≥345MPa，抗拉强度≥490Mpa，适用于多种焊接方法，本次实验选择焊接性能良好的埋弧焊。

1.2埋弧焊焊接工艺
1.2.1埋弧焊简介
埋弧自动焊是指电弧在颗粒状焊剂层下燃烧的一种自动焊方法，是目前广泛使用的一种高效的机械化焊接方法。

广泛用于锅炉、压力容器、石油化工、船舶、桥梁、冶金及机械制造工业中。

1.2.2埋弧焊焊接原理
埋弧焊的焊接过程：先送丝，经导电嘴与焊件轻微接触，焊剂堆敷在待焊处，引弧。

随着电弧向前移动，熔池液态金属冷却凝固形成焊缝，液态熔渣冷却而形成渣壳。

焊接时，焊机的启动、引弧、送丝、机头(或焊件)移动等过程全由焊机机械化控制。

1.2.3焊前准备
1.坡口的选择与加工
由于埋弧焊的使用的电流比较大，熔透深度比较大，因此当焊件厚度小于14mm时可以不开坡口，这样仍能保证焊透和良好的焊缝成形；因为此次实验所选钢板为10mm厚，故不开坡口。

2.焊件的清理
焊接前，必须将坡口及焊接部位表面的锈蚀、油污、水分、氧化皮等清楚干净。

方法有手工清除、机械清除等。

3.焊丝的清理和焊剂的烘干
焊接前，必须将焊丝表面的油污、铁锈等污物清除干净。

为防止氢侵入焊缝，对焊剂必须严格烘干，而且要求烘干后立即使用。

不同类型
的焊剂要求烘干温度不同，这次实验所用焊剂为HJ431，查焊接材料手册知要求250℃、2h烘干。

4.焊件的装配
焊件装配时，必须保证间隙均匀，高低平整。

定位焊的位置应在第一道焊缝的背面，长度一般应大于30mm。

此次定位焊选用CO2气体保护焊。

1.2.4焊接方法的选择
为了焊接过程的方便简洁，选择悬空双面焊法，即不用衬垫，焊接第一面时所用焊接参数稍小，通常使焊缝的熔深达到或略小于焊件厚度的一半即可。

然后翻转焊件，采用比较大的焊接参数，使焊缝的熔深达到焊件厚度的60%~70%，以保证焊件焊透。

1.2.5焊接材料的选择
埋弧焊焊剂和焊丝的匹配是获得高质量焊缝的关键。

在焊接低碳钢和强度等级较低的低合金钢时，应按照等强原则选用与母材相匹配的焊接材料。

此次选用的为HJ431高锰高硅焊剂和低碳钢焊丝H08Mn2相配合。

1.2.6焊接参数的选择
此次实验所选参数如下表：
1.3埋弧焊焊接焊接过程
本实验所用的埋弧焊机型号为MZ-1000(A310-1000)。

具体操作步骤如下：
1、在焊料斗内装上HJ431焊剂；
2、在焊机上安装H10Mn2焊丝；
3、将表面清理过并进行定位焊（CO2气保焊）后的焊件在工作台上放置好；
4、合上电源，打开焊机开关，让焊接小车预行走，对正焊缝；
5、按表5设置10mm的Q345对接接头正面焊接参数；
6、将焊料斗上的闸门打开；
7、按下启动按钮，埋弧焊机自动进行引弧和焊接；
8、正面焊接完成后，待焊件稍微冷却后清除焊缝上渣皮，翻转焊件；
9、设定反面焊接参数，继续进行另一面的焊接；
10、反面焊接完成后，按下停止按钮。

2．金相显微试样的制备
用金相显微镜来研究金属的显微组织和缺陷的方法称为显微镜分析，显微镜分析能测定金属的晶粒度大小，显示金属的显微组织特征，测定金属的镀层和化学热处理扩散层的深度，鉴定金属中非金属夹杂物和各种缺陷等。

（1）取样
用锯子在焊好的钢板上进行手工截取，宽度在2cm~3cm，为了磨制
方便再将长度进行截取，但不可过短，要保留热影响区、母材，否则在后面的金相观察和分析中看不到HAZ和母材。

（2）磨光
将截取的试样在砂轮机上进行粗磨，表面尽量磨平，以尽量消除手工截取时留下的粗大磨痕。

为了后面的打硬度比较方便和准确，将两端尽量都磨平，试样有尖角的地方要磨平。

在砂轮机上进行磨平时，要一边沾水一边磨，以降低磨制面的温度。

然后用纱布进行粗磨，之后用金相砂纸逐级细磨，按粗细砂纸从01~06逐级变细，在磨制时要注意顺序。

磨制试样时，每换一号砂纸，磨面磨削的方向应与前号砂纸磨制方向垂直，以便于观察磨制面上的划痕磨平情况。

每换一次砂纸的时候要注意观察磨面上是否都是朝一个方向的划痕，如果有不一致的则应该继续在磨，直到磨面的划痕都是朝着磨制方向。

（3）抛光
抛光的目的是去除磨面上的磨痕而获得光滑的镜面。

其方法有机械抛光法、电解抛光和化学抛光，此次实验采用机械抛光。

机械抛光在机械抛光机上进行。

抛光机由电动机带动水平圆盘旋转，盘上铺细帆布和绒布等。

抛光时可以在试样上涂上少许抛光液以便于抛光，抛光时试样要抓紧，但不要压力太大，一直抛到表面明亮如镜。

（4）浸蚀
为了显示试样的显微组织，必须对试样表面进行腐蚀。

金相试样浸蚀的方法有化学浸蚀发、电解浸蚀法和热染法等。

本次实验采用化学浸蚀法，用的浸蚀剂为3%~4%的硝酸酒精溶液。

浸蚀主要是靠浸蚀剂对金属的溶解或电化学腐蚀过程，使金属试样表面的晶粒与晶界及各组成相之间呈现轻微的凹凸不平，在显微镜下可以清楚的观察到试样表面的显微组织及形貌。

浸蚀方法是将试样磨制面浸入浸蚀剂中，或用棉花沾上浸蚀剂擦拭试样磨制表面，浸蚀时间要适当，一般试样磨制面发暗就可以停止了。

经浸蚀后的试样用清水冲洗，然后用酒精擦净，再用吹风机吹干即可。

2.2金相试样显微组织的观察与维氏硬度的测量
2.2.1金相试样显微组织的观察过程
1、仪器的开机：接通总电源，然后向上扳动仪器上的总电源开关，指示灯亮，向上扳动白炽灯开关，指示灯亮，开启相连的电脑。

2、装上目镜、物镜等（根据要求选择合适倍数的物镜、目镜）。

3、打开电脑桌面快捷方式进入软件，显示图像。

4、把试样放在载物台上（试样要经过预磨、抛光、腐蚀）。

5、调整粗、微调旋钮进行调焦，观察电脑屏幕显示的图像，直至观察到清晰的图像为止。

6、调整载物台位置，找到关心的视场，调整图像的亮度、对比度，进行金相分析。

7、对图像进行采集和保存（叠加标尺）。

8、全部完成后，取下物镜、目镜并收藏好。

9、仪器的关机：向下扳动白炽灯开关，指示灯灭。

向下扳动仪器上的总电源开关，指示灯灭。

电脑关机，切断总电源。

2.2.2维氏硬度的测量过程
采用正四棱锥体金刚石压头，在试验力作用下压入试样表面，保持规定时间后，卸除试验力，测量试样表面压痕对角线长度。

试验力除以压痕表面积的商就是维氏硬度值。

维氏硬度值按下式计算：
HV = 常数×试验力/压痕表面积≈0.1891 F／d2
式中：HV————维氏硬度符号；
F――――试验力，N；
d————压痕两对角线d1、d2的算术平均值，mm 实用中是根据对角线长度d通过查表得到维氏硬度值。

国家标准规定维氏硬度压痕对角线长度范围为0.020～1.400mm 维氏硬度计测量的具体过程如下：
1、开启电脑和维氏硬度计，打开维氏硬度测量软件。

2、转动变荷手轮，选择合适的试验力（本实验中设置为4.903N）。

在硬度计下方按键上选择合适的加载时间（本实验中设置为10s）。

3、在菜单里设置好相关数据及试样材料。

4、转动转盘，使40X物镜处于前方位置（此时光路系统总放大倍率为400х）。

5、将试样放在十字试台上，转动升降手轮使试台上升，观察电脑屏幕，当试件离物镜下端1mm左右时，屏幕视场内出现明亮光斑，此时应缓慢上升试台，直至屏幕中观察到试样表面清晰成像。

6、将压头转至前方位置，转动时应小心缓慢地进行，防止过快产生冲击。

7、按“启动”键，此时加试验力，键盘上显示“10、9、8、 0
秒倒计时，当加载时间重新跳回设定值时，表示加卸试验力结束。

8、将40х物镜转到前方，在屏幕中可看到压痕，稍微转动升降手轮将其调到最清楚。

9、点击电脑屏幕右侧的“图像态”，此时图像中会出现两条红色的竖线，点击鼠标左键将其中一根竖线拖至与菱形横向压痕角相切的位置后，再点击右键将另一根竖线拖至与相对角相切的位置，此时出现确定第一条对角线测量的对话框。

确定后出现出现两条红色的横线，点击鼠标左键将其中一条横线拖至与菱形竖向压痕角相切的位置，再点击鼠标右键将另一根横线拖至与对角相切的位置。

此时出现维氏硬度测量结果。

确认测量结果。

并按照以上步骤进行其他点的测量。

10、所有硬度点测量结束后，生成测试报告。

3实验结果与分析
对Q345钢焊接接头进行观察，可以看到第一面的焊缝和第二面的焊缝较好的熔合在一起，没有形成漏焊的情况，并且焊缝没有咬边、气孔、夹渣等缺陷，焊缝成形较好。

对Q345钢焊接接头的相关尺寸进行测量。

测量结果如图1所示。

计算得第二面焊缝的熔深为焊件厚度的65.8%，符合焊接工艺的要求。

3.1焊接接头显微组织分析
Q345钢焊接接头如下图所示。

其中对应标号位置的金相显微图片分别如图1、2、3、4所示。

焊接接头组织示意图
图1焊缝显微组织示意图图2 HAZ显微组织示意图
图 3 母材纤维组织示意图图4正反焊缝中心组织示意（1）焊缝金属显微组织
主要为柱状晶分布，晶界处为铁素体，晶类为索氏体和针块状分布的铁素体。

冷却时，由于向外散热，故使焊缝的熔融金属沿热扩散方向结晶而获得柱状晶，此时，先共析的铁素体沿柱状晶界析出，由于温度较高，且冷却速度稍快，因此组织呈过热特征。

但随后的冷却过程中，奥氏体因过冷度较大，而转变为索氏体组织。

（2）热影响区显微组织
1.熔合区
即焊缝与母材相邻的部位，又称半熔化区（温度处于固液相线之间）。

此区在化学成分上和组织性能上都有较大的不均匀性，对焊接街头的
强度、韧性都有很大的影响。

2.过热区
此区的温度范围是处在固相线以下到1100℃左右，金属是处于过热状态，奥氏体晶粒发生严重的长大现象，冷却之后便得到粗大的组织，常出现魏氏组织。

3.相变重结晶区
组织为晶粒细小的铁素体和珠光体，由于加热温度超过了Ac3，所以铁素体，所以铁素体和珠光体已全部转化为奥氏体，又由于加热温度低于1100℃，奥氏体晶粒并未显著长大，因此在空气中冷却以后会得到均匀而细小的珠光体和铁素体组织。

4.不完全重结晶区
焊接时处于Ac1～Ac3之间范围内的热影响区就是属于不完全重结晶区。

有一部分发生了相变重结晶过程，成为晶粒细小的F和P，另一部分是始终未能溶入A的F，成为粗大的Ｆ。

所以此区的特点是晶粒大小不一，组织不均匀，因此力学性能也不均匀。

3．母材显微组织
组织为细晶粒的铁素体和珠光体，并呈带状，如图和见。

4正反焊缝中心显微组织
由图可见，正反焊接时两面对接较好，没有形成漏焊的情况，并且焊缝没有咬边、气孔、夹渣等缺陷，焊缝成形较好。

3.2维氏硬度的测量
采用正四棱锥体金刚石压头，在试验力作用下压入试样表面，保持规
定时间后，卸除试验力，测量试样表面压痕对角线长度。

如下图所示。

显微硬度测试点的分布如图8所示，测量点间距为1mm。

按照从母材到焊缝的顺序，依次将测量点编号为1、2、3……10。

得到不同硬度数据，经过绘图如下所示。

显微维氏硬度分布表
从硬度值的测量结果可以看到热影响区的硬度值是比较大的，并且硬度值不均匀，而焊缝硬度平均值要低于母材。

这在一定程度上可以说明焊缝的韧性要比母材好。

过热粗晶区的韧性要比焊缝和母材都低，这就是由于该区存在粗大的魏氏组织导致。

之后的相变重结晶区，因为相当于正火，获得的组织
是细致均匀的，拥有较好的力学性能，韧性和强度都较高。

不完全重结晶区由于存在粗大的Ｆ，组织不均匀，所以韧性较低，并且硬度值也有起伏。

总结
在这次的材料性能分析综合训练中，我对埋弧焊和金相显微组织的分析有了更深一步的了解。

在课堂上学习这方面的时候总是存在一些困惑和不理解，经过这次综合分析训练，在实际操作中学到了很多。

可谓受益匪浅。

实践和理论知识的联系使我对所学的想东西有了更深层次的理解，也激发了我对这方面只是更大的兴趣，我会继续努力，不断的学习这方面的知识。

注意事项：
1、在埋弧焊焊接过程中要注意用电安全，操作要符合规范。

2、在进行金相显微试样的制备时，要注意砂轮机的使用安全。

3、在维氏硬度的测量过程中，在切换物镜和压头的过程中要小心谨慎，防止损坏压头和物镜。

参考文献：
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