Q345钢板焊接性能分析解读.docx
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Q345钢板焊接性能分析解读
Q345钢板焊接性能分析
摘要:
本文进行了Q345钢板焊接性能分析。
首先根据板材制定了埋弧焊对接试验,然后用卧式显微镜对焊接接头进行宏观和微观分析,并用维氏硬度测试仪检测焊接接头的维氏硬度,同时通过磁粉检测对焊接试样进行了无损检测。
最终通过对试验数据进行分析,得出此种材料的焊接性能,并与理论进行分析比拟,总结了影响Q345焊接性的因素。
关键词:
Q345;埋弧焊;卧式显微镜;维氏硬度;磁粉检测
TheWeldingPerformanceAnalysisofQ345SteelPlate
Abstract:
ThisarticlehasconductedtheweldingperformanceanalysisofQ345steelplate.Firstofall,onthebasisoftheplate,wedrewupasubmergedarcweldingbuttjointtest,thenusedhorizontalmicroscopetoanalyzethemacrostructureandmicrostructureoftheweldingjoint,andusedHVtestertotestitsVickershardness,atthesametime,usingthemagneticparticletestingtodetecttheweldingsampleonthenondestructivetesting.Finallyanalyzedthetestdata,summingupsuchmaterialweldingperformance,andcarriedontheanalysiscomparisontheory,summarizedtheinfluencefactorsofQ345weldability.
Keywords:
Q345;SubmergedArcWelding;HorizontalMicroscope;HV;MagneticParticleTesting
Q345(16Mn)是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。
牌号
化学成分〔质量分数,%〕
Q345
C
Si
Mn
Nb
S
P
~
1.0~
~
~≤
本实验所用试样为
Q345〔250×40×10〕
1、埋弧焊工艺
埋弧焊方法简介
埋弧焊是指电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法,为电弧焊的一种。
埋弧焊的特点是在电弧热的作用下,焊丝、焊剂和焊件被熔化形成的一层由熔渣和气体组成的保护膜,对焊接区起到隔离空气、绝热和屏蔽光辐射的作用。
这种焊接方法,生产率高,焊缝质量好,无弧光辐射和火花飞溅,在室内和室外都可焊接各
种钢结构。
适用于焊接低碳钢、低合金钢及不锈钢等金属。
1.1.1焊接设备
图1—1埋弧焊设备
如图1—1所示,埋弧焊设备包括埋弧焊机和各种辅助设备。
其中,埋弧焊机是
核心局部,由机械系统、焊接电源和控制系统三局部组成。
辅助设备是为了使焊缝处于最正确施焊位置,或为了到达某些工艺目的所配置的工艺装置,包括使焊件准确定位和夹紧的焊接夹具,使焊件旋转、倾斜、翻转的焊件变位机,使焊接机头准确送到待焊位置的焊机变位机,以及能自动回收焊剂的焊剂回收器等。
1.2焊接过程
1.2.1焊前准备
〔1〕坡口的选择
由于埋弧焊使用的电流比拟大,熔透深度比拟大,因此当焊件厚度小于14mm时可以不开坡口,这样仍能保证良好的焊缝成形。
试验所用焊件厚度为
10mm,因此,不开坡口。
〔2〕焊件的清理
焊接前,用砂纸打磨焊件待焊部位及其周边部位,以去除其外表的锈蚀、油污、水分、氧化皮等。
〔3〕焊丝的清理和焊剂的烘干
焊接前,将焊丝外表清理干净。
同时,将试验所用焊剂HJ431按250℃、2h烘干。
〔4〕焊件的装配
焊件装配时,必须保证间隙均匀,上下平整。
定位焊的位置应在第一道焊缝
的反面,长度一般应大于30mm。
此次定位焊选用CO2气体保护焊,在焊件的对
接部位两端焊接1cm左右长的焊缝,防止埋弧焊过程中焊件的开裂。
1.2.2焊接工艺参数的选择
本实验所用试样为Q345〔250×40×10〕,不开坡口,对接接头双面焊,选用焊丝H10Mn2〔Φ1.2〕、焊剂HJ431。
根据试样厚度及焊丝直径查?
熔焊方法与设备?
一书中表5-13选择埋弧焊工艺参数如下表1—1所示:
表1—1不开坡口对接接头双面焊的焊接参数
工件厚度/cm
焊丝直径
焊接电流/A
焊接电压/V
焊接速度
焊接顺序
/m·h-1
/mm
10
正
560
31
4
610
32
反
1.2.3焊接操作过程
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、将外表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,翻开焊机开关,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、将焊料斗上的闸门翻开;
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,待焊件稍微冷却后去除焊缝上渣皮,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.金相试样的制备
2.1金相显微镜
金相显微分析是研究金属和合金组织的主要方法之一,为了探索金属材料的
性能,经常需要进行金相组织的检查和分析。
金相显微分析是利用显微镜的光学理论借助于试样外表对光线的放射特点来进行的。
为了对金相显微组织进行鉴别
和研究,需要将所分析的金属材料制备成一定尺寸的试样,并经研磨、抛光与腐蚀等工序,最后通过金相显微镜来观察和分析金相的显微组织状态及分布情况。
显微组织包括相的组成、数量、形态、大小、分布。
显微缺陷那么包括各种非金属
夹杂物、裂纹(性质、大小、形态、走向及其与显微组织的关系等)、显微孔洞(大
小、分布)、珠光体球化程度和石墨化程度、脱碳、过烧、过热。
光学金相显微分析广泛用于火电厂,已成为电厂金属监督中不可缺少的一种重要分析方法。
金相显微镜放大原理
放大镜是最简单的一种光学仪器,它实际上是一块会聚透镜〔凸透镜〕,利用它就可以将物体放大。
但金相显微镜不象放大镜那样由单个透镜组成,而是由两组透镜组成。
金相显微镜是依靠光学系统实现放大作用的,其根本原理如图2—1所示。
光学系统主要包括物镜、目镜及一些辅助光学零件。
对着被观察物体AB的一组
透镜叫物镜O1;对着眼睛的一组透镜叫目镜O2。
现代显微镜的物镜和目镜都是由复杂的透镜系统所组成。
图2—1金相显微镜光路图
光学显微镜的放大倍数可到达1600~2000倍。
当被观察物体AB置于物镜前焦点略远处时,物体的反射光线穿过物镜经折射后,得到一个放大的倒立实像A1B1〔称为中间象〕。
假设A1B1处于目镜焦距之内,那么通过目镜观察到的物象是经
目镜再次放大了的虚象A1’B1’。
由于正常人眼观察物体时最适宜的距离是250mm〔称为明视距离〕,因此在显微镜设计上,应让虚象A1’B1’正好落在距
人眼250mm处,以使观察到的物体影像最清晰。
金相显微镜总的放大倍数应为物镜与目镜放大倍数的乘积,即M总=M物ХM目。
在使用显微镜观察试样时,应根据其组织的粗细情况,选择适当的放大
倍数。
以细节局部观察得清晰为准。
显微镜的鉴别能力〔鉴别率〕是显微镜也是物镜最重要的特性,它是指显微镜对于试样上最细微局部所能获得清晰映象的能力。
物镜的数值孔径,表示物镜的聚光能力。
物镜的数值孔径越大,说明物镜的鉴别能力也就是显微镜的鉴别能力越高。
金相显微镜的操作步骤
金相显微镜是一种精密光学仪器,在使用时要求细心和谨慎,严格按照使用规程进行操作。
①将显微镜的光源插头接在低压〔6V~8V〕变压器上,接通电源。
②根据放大倍数,选用所需的物镜和目镜,分别安装在物镜座上和目镜筒内,旋动物镜转换器,使物镜进入光路并定位〔可感觉到定位器定位〕。
③将试样放在样品台上中心,使观察面朝下并用弹簧片压住。
④转动粗调手轮先使镜筒上升,同时用眼观察,使物镜尽可能接近试样外表〔但不得与之相碰〕,然后反向转动粗调手轮,使镜筒渐渐下降以调节焦距,当视场亮度增强时,再改用微调手轮调节,直到物象最清晰为止。
⑤适当调节孔径光栏和视场光栏,以获得最正确质量的物象。
⑥如果使用油浸系物镜,可在物镜的前透镜上滴一些松柏油,也可以将松柏油
直接滴在试样上,油镜头用后,应立即用棉花沾取二甲苯溶液擦净,再用擦镜纸擦干。
2.1.3卧式显微镜
本实验所用设备为卧式金相显微镜。
大型卧式显微镜主要由电源箱、照明光
源、显微镜主体、垂直照明器、投影与摄影装置等局部组成,如图2—2所示。
这种显微镜采用双筒目镜,使观察更为方便。
光源方面增加了氙灯,这是一种较
新颖的光源,提高了光源强度,有利于高倍、偏光、暗场的观察并提高显微镜摄影的质量。
图2—2卧式显微镜
该设备直接与计算机相连接,可以直观的在计算机上显示金属试样的微观组织,并且可以拍摄所需组织的金相照片,操作方便简洁。
2.2金相试样的制备
金相试样制备的质量好坏,直接影响到组织观察的结果。
如果样品制备不符合特定要求,就有可能由于出现假象而产生错误的判断,致使整个分析得不到正确的结论。
因此,为了得到符合要求的理想金相显微组织试样,需要经过一系列的制备过程。
2.2.1试样制备过程:
〔1〕截取所需试样的外表
选择适宜的、有代表性的试样是进行金相显微分析及其重要的一步。
金相试样的选择要考虑取样部位、取样方法和试样尺寸三局部。
a.取样部位
取样部位及检测面的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;检验和分析失效的原因时,应根据失效的原因,除了在材料失效的部位取样外,还需要在距离破害处较远的部位取样,以便于比照分析;
对于一般经热处理后的零件,由于金相组织比拟均匀,试样截取可在任一截面进行。
b.试样的截取方法
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;
对于软材料,可以用锯、车、刨等加工方法;
对于硬材料,可以用砂轮切片机切割或电火花切割、线切割等方法;对于硬而脆的材料,如白口铸铁,可以用锤击方法;
在大工件上取样,可用氧气切割等方法;
在用砂轮机切割或电火花切割时,应采取冷却措施,以减少由于受热而引起的试样组织变化。
试样上由于截取而引起的变形层或烧损层必须在后续工序中去掉。
c.试样尺寸
金相试样的大小以便于握持、易于磨制为准。
通常显微试样为直径16~
25mm、高16~20mm的圆柱体或边长为25mm的立方体;
对于形状特殊或尺寸细小不易握持的试样,要进行镶嵌或机械夹持。
考前须知:
试样取下后一般先用砂轮磨平,对于很软的材料〔如铝、铜等有色金属〕
可用锉刀搓平;
在一般情况下,试样的周界要用砂纸或锉刀磨成圆角,以免在磨光及抛光时将砂纸或抛光织物划破;
对于需要观察表层组织〔如渗碳层、脱碳曾〕的试样,那么不能将边缘磨圆,这种试样最好进行镶嵌。
(2〕试样外表的磨光与抛光
金相试样截取好之后,就要对要观察外表进行磨光与抛光:
根本步骤:
①将要观察试样的截面在砂轮机进行粗磨,直到外表比拟平整光滑为止。
在
打磨过程中,要经常用冷水将试样冷却,防止过热使金相试样组织发生变化;
②选用金相砂纸进行精磨。
金相砂纸是磨光金相试样的重要材料,一般采用的磨料为碳化硅和氧化铝。
手工磨光试样时,砂纸应放在玻璃板上,依次用
280号、500号、水砂纸、01、03、05、06号金相砂纸磨光,在磨制过程中,每换一号砂纸,试样磨制方向旋转90
后才能换下一号砂纸;
③在抛光机上对试样外表进行抛光,抛光的目的是在于去除金相磨面由细磨所留下的细微磨痕及外表变形层,使磨面成为无划痕的光滑镜面。
考前须知:
横截面:
试样从中心到边缘组织分布的渐变情况,像外表渗层、硬化层、镀层等外表处理的深度及其组织,外表缺陷以及非金属夹杂物在横截面上的分布情况;
纵截面:
非金属夹杂物在纵截面上的分布情况、大小、数量及形状,金属的变形程度,如有无带状组织的存在;
选择互相垂直的磨面,研究立体形貌;
严禁在磨片机旋转时更换砂纸、砂布;
试片打磨,抛光时应拿紧,并力求与磨面接触平稳;
抛光操作时,对试样所施加的压力要均衡,且应先重后轻。
在抛光初期,试样上的磨痕方向应与抛光盘转动的方向垂直,以利较快的抛除磨痕。
在抛光后期,需将试样缓缓转动,这样有利于获得光亮平整的磨面,同时能防止夹杂物及硬性的相产生曳尾现象。
〔3〕试样外表侵蚀
本实验选用化学侵蚀法,此法是利用化学试剂的溶液,借助于化学或电化学作用显示金属的组织。
将试样磨面朝上平放在工作台上,以蘸有酒精的棉花在磨面上轻轻揩擦,
用吹风机吹干。
然后用蘸有硝酸酒精的棉花在磨面上轻轻擦拭,持续时间2~3s后,立即用酒精将外表擦拭干净,再用吹风机吹干。
2.2.2金相试样显微组织的观察与拍摄步骤
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〔根据要求选择适宜倍数的物镜、目镜〕。
③翻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、比照度,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。
3.焊接接头宏观及微观组织分析
3.1焊接接头的宏观组织
宏观分析主要内容为:
观察与分析焊缝成形、焊缝金属结晶方向和宏观缺陷等。
图3—1所示为焊接接头的宏观组织,可分为三局部:
①中心区为焊缝:
②靠近焊缝的是热影响区;③两边未受影响的是母材区。
图3—1焊接接头宏观组织
3.2显微组织的观察
显微分析的主要内容为:
借助于放大100倍以上的光学金相显微镜进行观察,分析焊缝的结晶形态、焊接热影响区金属的组织变化和焊接接头的微观缺陷等。
钢材焊接后,焊接接头主要由焊缝和热影响区组成。
其中,焊缝由经过熔化的金属局部组成,热影响区是焊缝两侧发生组织和性能变化的区域。
焊缝的组织取决于焊接时到达的最高温度和随后的冷却速度。
由于从熔化区到母材区的变化是连续发生的,所以热影响区也没有非常明显的分界线。
以下各图为试验中所拍摄的显微金相组织:
图a〕为焊缝与母材的过渡区显微组织。
中间有一条很明显的分界线〔熔合线〕,在熔合线的左上半局部为等轴晶区,该区为焊缝组织;熔合线右下局部成带状的组织为母材组织。
图a〕
图b〕为焊缝金属的显微组织,柱状晶分布,
晶界处为铁素体,晶内为索氏体和铁素体。
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,且冷速又稍快,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。
焊缝晶粒较细,从金
像照片看,存在大量树枝晶,焊缝结晶形态
由合金浓度、结晶速度、温度梯度、过冷度
图b〕
决定,焊缝结晶为非自发形核,即开始结晶是以熔合线处半熔化状态的母材晶粒
为晶核,在焊缝边缘,合金浓度较小,温度梯度大,结晶速度较快,形核后的晶
粒以枝晶形式向焊缝中心生长,越到焊缝中心,温度梯度逐渐变小,合金浓度逐
渐升高,过冷度逐渐下降,结晶速度逐渐减慢,到焊缝中心时可能出现平面晶,
因此,从熔合线至焊缝中心,结晶形态为柱状晶→柱状晶、平面晶共存→平面晶,大多数情况下,焊缝中心不存在平面晶,即焊缝结晶形态为柱状晶→柱状晶、平面晶共存。
图c〕为母材的显微结构组织,铁素体和珠光体呈带状如图c〕。
从金相组织可看出,
过热区形成了魏氏组织,容易产生脆化,构
成了接头的薄弱环节,这时宜以小线能量焊
接,在过热区获取板条马氏体,韧性会大大改善。
图c〕
3.3维氏硬度的测量
维氏硬度测量原理
采用正四棱锥体金刚石压头,在试验力作用下压入试样外表,保持规定时间后,卸除试验力,测量试样外表压痕对角线长度。
试验力除以压痕外表积的商就是维氏硬度值。
维氏硬度值按下式计算:
2
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~
维氏硬度计测量的具体过程
①开启电脑和维氏硬度计,翻开维氏硬度测量软件。
②转动变荷手轮,选择适宜的试验力〔本实验中设置为〕。
在硬度计下方按键上选择适宜的加载时间〔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外表清晰成像。
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。
3.3.3实验结果与分析
采用正四棱锥体金刚石压头,在试验力作用下压入试样外表,保持规定时间后,卸除试验力,测量试样外表压痕对角线长度。
如以下图所示。
图3—2维氏硬度测量图示
实验找到六个不同点,每点之间距离约为1mm左右,测得其硬度值,其中三个点的分布如图3—2右图所示,得到不同硬度数据,经过绘图如以下图3—3所示:
图3—3实验测得维氏硬度分布图
分析:
从硬度值的测量结果可以看到热影响区的硬度值是比拟大的,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。
4.焊件的无损检测
无损检测技术是第二次世界大战后迅速开展起来的一门新的综合性工程科
学,它已经广泛地应用于众多的科技领域特别是工业领域。
无损检测技术主要是根据物质的各种物理特性变化,在不损伤被检物使用性能与形状的条件下可以实
现百分之百检查,从而判断被检物的质量状况。
为了保障在役设备的平安运行,无损检测技术可以充分发挥其非破坏性及可靠性并且在许多情况下更可以实施
原位检测(即不需拆卸解体)的特长。
因此,无损检测技术的应用已经在工业生产、
物理研究和生物工程等广阔科技领域获得极大的重视和迅猛开展,已经成为控制
产品质量、保证设备平安运行等方面的极为重要的技术手段。
尽管无损检测技术本身并非是一种生产技术,但其技术水平却能反映该部门、该行业、该地区甚至该国的工业技术水平。
然而,在一般设备或者普通民用设备的诊断维护工程中目视检测等常规无损检测都尚未受到足够的重视和广泛应用。
目视检测〔VisualTesting〕
4.1.1目视检测根本方法
目视检查在无损检测中占有重要地位,许多重要故障都是在目视发现问题后再用仪器检查的,随着CCD技术的开展,用以辅助目视检测的仪器也开展很快,可以列入此类的有视频显微镜系统、视频内窥镜、视频孔探仪等。
目视检测,是
国内实施的比拟少,但在国际上非常重视的无损检测第一阶段首要方法。
按照国际惯例,目视检测要先做,以确认不会影响后面的检验。
按照国际惯例,目视检
测要先做,以确认不会影响后面的检验,再接着做四大常规检验。
经过国际级的培训,其VT检测技术会比拟专业,而且很受国际机构的重视。
VT常常用于目视检查焊缝,焊缝本身有工艺评定标准,都是可以通过目测
和直接测量尺寸来做初步检验,发现咬边等不合格的外观缺陷,就要先打磨或者
修整,之后才做其他深入的仪器检测。
例如焊接件外表和铸件外表较多VT做的比拟多,而锻件就很少,并且其检查标准是根本相符的。
外表目视检验的条件
直接目视检验时,眼睛与被检外表的距离不得大于610mm,视
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