焊接质量检测课程设计

1、 题 目： 焊接质量检测课程设计(综合实训)说明书 学 院： 机械工程学院 专 业： 焊接技术与工程1301 学生姓名： 陈帅 学 号： 201302210106 指导老师： 吴安如 孙小刚 董丽君 耿晓峰 2016年 6 月 27 日1、文 献 综 述手工电弧焊试样力学和金相质量检测摘要：本文介绍了如何前期选择焊接材料和焊接工艺来进行手工电弧焊接，焊接完成后使用切割机把焊接好的板材按照一定的尺寸来进行切割，切好后把一定尺寸的焊接试样在磨砂轮上进行打磨，打磨成不同用途的试样（拉伸试样，弯曲试样，晶相试样），把打磨好的试样进行拉伸弯曲试验，晶相组织测试。再通过试验结果，判定不同的焊接工艺对焊接质

2、量的影响。0. 引言 焊接质量检测是保证焊接结构的完整性，可靠性，安全性和使用性，除了对焊接技术和焊接工艺的要求以外，焊接质量检测也是焊接结构质量管理的重要一环。通过焊接质量检测可以从不同的焊接方法中选取一个最为合理的，从而选定为合理的焊接方法。通过力学和晶相质量检测也是选取合理焊接方法的一个途径。1. 手工电弧焊手工电弧焊使用各种各样的方法保护焊接熔池，防止和大气接触。热能由电弧提供。和MIG焊一样，电极为自耗电极。金属电极外由矿物质熔剂包覆，熔剂熔化时形成焊渣(药皮)盖住焊接熔池。包覆的熔剂释放出气体保护焊接熔池，含有合金元素用来补偿合金熔池的合金损失。 有些情况下，包覆的熔剂内含有所有合

3、金元素，中部的焊条仅是碳钢。然而，在采用这些类型的焊条时，需要特别小心，因为所有飞溅都具有软钢性质，在使用过程中焊缝会锈蚀2. 焊接质量检测焊接质量检测是保证焊接结构的完整性，可靠性，安全性和使用性，除了对焊接技术和焊接工艺的要求以外，焊接质量检测也是焊接结构质量管理的重要一环。焊接检测的职能(1) 焊接质量检测的一般步骤如下: 1.明确质量要求 2.进行项目检测 3.评定测试结果 4.报告检验结果 (2) 焊接质量检测的职能有以下三方面: 1.质量保证的职能 2.缺陷预防的职能 3.结果报告的职能3. 材料的拉伸试验拉伸试验是指在承受轴向拉伸载荷下测定材料特性的试验方法。利用拉伸试验得到的数

4、据可以确定材料的弹性极限、伸长率、弹性模量、比例极限、面积缩减量、拉伸强度、屈服点、屈服强度和其它拉伸性能指标。从高温下进行的拉伸试验可以得到蠕变数据。金属拉伸试验的步骤可参见ASTM E-8标准。塑料拉伸试验的方法参见ASTM D-638标准、D-2289标准(高应变率)和D-882标准(薄片材)。ASTM D-2343标准规定了适用于玻璃纤维的拉伸试验方法;ASTM D-897标准中规定了适用于粘结剂的拉伸试验方法;ASTM D-412标准中规定了硬橡胶的拉伸试验方法。 图1，拉伸试验机 图2，一般结构钢的拉伸伸长关系图 拉伸试验是指在承受轴向拉伸载荷下测定材料特性的试验方法。利用拉伸试验

5、得到的数据可以确定材料的弹性极 限、伸长率、弹性模量、比例极限、面积缩减量、拉伸强度、屈服点、屈服强度和其它拉伸性能指标。从高温下进行的拉伸试验可以得到蠕变数据。 金属拉伸试验的步骤可参见ASTM E-8标准。塑料拉伸试验的方法参见ASTM D-638标准、D-2289标准（高应变率）和D-882标准（薄片材）。ASTM D-2343标准规定了适用于玻璃纤维的拉伸试验方法；ASTM D-897标准中规定了适用于粘结剂的拉伸试验方法；ASTM D-412标准中规定了硬橡胶的拉伸试验方法。4. 材料的弯曲试验 测定材料承受弯曲载荷时的力学特性的试验，是材料机械性能试验的基本方法之一。弯曲试验主要用

6、于测定脆性和低塑性材料(如铸铁、高碳钢、工具钢等)的抗弯强度并能反映塑性指标的挠度。弯曲试验还可用来检查材料的表面质量。弯曲试验在万能材料机上进行，有三点弯曲和四点弯曲两种加载荷方式。试样的截面有圆形和矩形，试验时的跨距一般为直径的10倍。对于脆性材料弯曲试验一般只产生少量的塑性变形即可破坏，而对于塑性材料则不能测出弯曲断裂强度，但可检验其延展性和均匀性展性和均匀性。塑性材料的弯曲试验称为冷弯试验。试验时将试样加载，使其弯曲到一定程度，观察试样表面有无裂缝。 图，3 弯曲曲线，又称M-f曲线或者F-f曲线。它是将弯矩M(或者载荷F)作为纵坐标，试样的挠度f作为横坐标，表示弯矩或者载荷与试样中心

7、线偏离原始位置的关系。5.晶相试验金相分析是金属材料试验研究的重要手段之一，采用定量金相学原理，由二维金相试样磨面或薄膜的金相显微组织的测量和计算来确定合金组织的三维空间形貌，从而建立合金成分、组织和性能间的定量关系。将计算机应用于图像处理，具有精度高、速度快等优点，可以大大提高工作效率。结合焊接结构设计，焊接工艺参数，拉伸弯曲试验，晶相组织观察和参考众多的文献，可以得出怎样才能对特定的材料选择特定的焊接工艺，从而得到合格的焊接材料。参 考 文 献1 边美华，许先果. 铝合金复合焊接技术的发展现状J, 电焊机, 2005, 35（8）:2933

8、. 2 李亚江.焊接冶金学材料焊接性M.北京：机械工业出版社，2006.103 龙伟民，刘胜新.焊接工程质量评定方法及检测技术M.北京：机械工业出版社，2015.104方洪渊.焊接结构学M.北京：机械工业出版社，2008.45朱艳.钎焊M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2012.11（2015.8重印）6焊接材料手册M.薛松柏等主编.北京：机械工业出版社，2006,1：1-170.7刘红兰. 低碳钢焊接工艺评定试样的试验方法J.南方金属，2006，（150）：23-29. 8樊东黎,金相腐蚀剂介绍.HeatTreatingProgress,December, 2001:9821019

9、张文钺.焊接冶金学（基本原理）M.机械工业出版社，2004,2.10朱张校.工程材料M.清华大学出版社，2001.1. 2、试验设备及过程1、 焊接接头的设计采用手工电弧焊，分别用酸性焊条和碱性焊条焊接试板各十二副，待焊试板为长条形，厚度约为2mm厚，宽约15mm，长度约120mm，成分为Q235。五副用于拉伸实验，五副用于弯曲实验，两副用于金相实验。 图.4焊接反变形及防止方法采用手工电弧焊，分别用酸性焊条和碱性焊条在长条形的焊接试板上堆焊，每条上焊两道，酸性和碱性各三条。用钢锯分别从接头和熔敷金属上锯取适量样品，进行金相样品制备和观察。2. 使用的实验设备 钨极交、直流方波氩弧焊焊机（焊机

10、型WANBO-WSE-350）、BM-4XDV倒置金相显微镜、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（粗抛机、精抛机）、拉伸试验机。3. 手工电弧焊 保证实验是空气流通良好，检查切割机、焊机、焊条、母材是否适合焊接的操作，保证焊机周围没有易燃易爆物品，焊机必须接地，焊接电缆需有良好的绝缘外层，焊接时需穿戴好安全防护用具、并且不能穿化纤的衣服要穿棉质的长裤，焊接时需严格遵守焊接使用章程。步骤如下：（1） 选取标准钢材，把Q235钢材切割成12个尺寸相近的小试样。（2）对试样进行双层焊堆焊焊接。（3）进行焊接，依次观察并记录引弧性，稳弧性，飞溅，电弧吹力，渣

11、的覆盖情况，脱渣性，焊缝成形，焊接缺陷（气孔、咬边、夹杂物、裂纹、焊接变形、未溶合、咬边等）等工艺性能的好坏。（4）待焊件冷却将焊件切割成适合打磨的小块。（5）先用砂轮机把试样表面磨平，再用砂纸打磨试样直到最后一道砂纸磨出的试样只有同方向的浅划痕，打磨砂纸要从粗到细依次使用，最后用抛光机粗抛、精抛抛光试样，然后在显微镜下观察组织并拍照。（6）用拉伸试验机测量力学性能。（7）进行实验分析。 图.5 焊后板材5. 材料的拉伸试验 检测步骤 1.准备试件。用刻线机在原始标距 范围内刻划圆周线（或用小钢冲打小冲点），将标距内分为等长的10格。用游标卡尺在试件原始标距内的两端及中间处两个相互垂直的方向上

12、各测一次直径，取其算术平均值作为该处截面的直径，然后选用三处截面直径的最小值来计算试件的原始截面面积A。（取三位有效数字）。 2.调整试验机。根据低碳钢的抗拉强度b和原始横截面面积估算试件的最大载荷，配置相应的摆锤，选择合适的测力度盘。开动试验机，使工作台上升10mm左右，以消除工作台系统自重的影响。调整主动指针对准零点，从动指针与主动指针靠拢，调整好自动绘图装置。 3.装夹试件。先将试件装夹在上夹头内，再将下夹头移动到合适的夹持位置，最后夹紧试件下端。 4.检查与试车。请实验指导教师检查以上步骤完成情况。开动试验机，预加少量载荷 （载荷对应的应力不能超过材料的比例极限），然后卸载到零，以检查

13、试验机工作是否正常。 5.进行试验。开动试验机，缓慢而均匀地加载，仔细观察测力指针转动和绘图装置绘出 图的情况。注意捕捉屈服荷载值，将其记录下来用以计算屈服点应力值S,屈服阶段注意观察滑移现象。过了屈服阶段，加载速度可以快些。将要达到最大值时，注意观察“缩颈”现象。试件断后立即停车，记录最大荷载值。 6.取下试件和记录纸。 7.用游标卡尺测量断后标距。 8.用游标卡尺测量缩颈处最小直径d1。6. 晶相组织分析 实验步骤：本体取样-试块镶嵌-粗磨-精磨-抛光-腐蚀-观测 第一步:试样选取部位确定及截取方式 选择取样部位及检验面，此过程综合考虑样品的特点及加工工艺，且选取部位需具有代表性。 第二步

14、:镶嵌。 如果试样的尺寸太小或者形状不规则，则需将其镶嵌或夹持。 第三步:试样粗磨。 粗磨的目的是平整试样，磨成合适的形状。一般的钢铁材料常在砂轮机上粗磨，而较软的材料可用锉刀磨平。 第四步:试样精磨。 精磨的目的是消除粗磨时留下的较深的划痕，为抛光做准备。对于一般的材料磨制方法分为手工磨制和机械磨制两种。 第五步:试样抛光。 抛光的目的是把磨光留下的细微磨痕去除，成为光亮无痕的镜面。一般分为机械抛光、化学抛光、电解抛光三种，而最常用的为机械抛光。 第六步:试样腐蚀。 要在显微镜下观察到抛光样品的组织必须进行金相腐蚀。腐蚀的方法很多种，主要有化学腐蚀、电解腐蚀、恒电位腐蚀，而最常用的为化学腐蚀

15、。 图.6 打磨砂纸 图.7 粗抛光机 图.8 精抛光机组织观察 本次试验采用金相显微镜进行组织观察，试样浸蚀后观察其金相组织，在BM-4XD倒置金相显微镜下拍照，具体操作如下： 1）首先了解显微镜各个主要部件的作用及所有位置。 2）打开显微镜开关。 3）把试样分成几个有代表性区域。同一区域下用先低倍（4×）物镜进行调试，即转动粗调手轮，将载物台将至最低位置，然后从目镜中观察的同时缓慢转动粗调手轮使载物台慢慢上升，待看到组织出现，即停止粗调进行微调，调至组织清晰为止。 4）然后用高倍的物镜观察，轻轻转动物镜座，将所需物镜转到试样下方，再稍微调整即可清晰。 5）调节孔径光栏至最佳位置，

16、×可提高映像的清晰度。 6）寻找相应的组织区进行观察，并分别进行拍照存档。 7)试样不动，旋转物镜到10×、40×，重复以上3、4、5、6的步骤。 8）移动试样换个区域，重复以上3、4、5、6、7的步骤。3、试验结果及分析1 焊接接头组织 接头金属及填充金属熔化后，又以较快的速度冷却凝固后形成。焊缝组织是从液体金属结晶的铸态组织，晶粒粗大，成分偏析，组织不致密。但是，由于焊接熔池小，冷却快，化学成分控制严格，碳、硫、磷都较低，还通过渗合金调整焊缝化学成分，使其含有一定的合金元素，因此，焊缝金属的性能问题不大，可以满足性能要求，特别是强度容易达到。 熔合区附近，焊缝

17、与母材不规则结合，形成了分界面，非自发晶核会依附在这个表面上以柱状晶的形态向焊缝中心生长，形成柱状晶区。在过热区金属处于过热状态，奥氏体经晶粒发生严重长大，冷却后会得到粗大的组织，导致硬度下降，相变重结晶区的金属由于发生重结晶，空气中冷却后会形成均匀细小的铁素体和珠光体组织，此区的塑性和韧性都比较好，不完全重结晶区只有一部分组织发生了相变重结晶过程，而始终未溶入奥氏体的铁素体，在加热时会发生长大，变成较粗大的铁素体组织，所以该区域金属的组织是不均匀的，晶粒大小不一，一部分是经过重结晶的晶粒细小的铁素体和珠光体，力学性能也不均匀。 2 焊接缺陷分析 焊接接头的不完整性称为焊接缺欠，主要有焊接裂纹

18、、孔穴，固体加杂，未熔合，未焊透、形状缺陷等。这些缺欠减少焊缝截面积，降低承载能力，产生应力集中，引起裂纹；降低疲劳强度，易引起焊件破裂导致脆断。其中危害最大的是焊接裂纹和未熔合。在焊接应力及其它致脆因素共同作用下，材料的原子结合遭到破坏，形成新界面而产生的缝隙称为裂纹。它具有尖锐的缺口和长宽比大的特征，易引起较高的应力集中，而且有延伸和扩展的趋势，所以是最危险的缺陷。 图.9 实际焊接过程中的缺陷3 焊接试样金相组织分析本试验的试样是Q235钢用直径为2.5mm的J422焊条手工电弧焊得到的，观察其焊接接头各区域的金相组织得到以下结论： 图.10 母材显微组织示意图 图.11 母材区显微组织

19、示意图 图.12 热影响区显微组织示意图 图.13 焊缝区显微组织示意图图.10，11 为母材的金相组织图，可以看出Q235焊缝区的组织主要由灰白色铁素体和黑色马氏体、粒状贝氏。图.12 是不同放大倍数下观察到的焊接热影响区组织图，这个区域组织主要有铁素体、珠光体，和少量的贝氏体和马氏体组成，且晶粒大小不一，应该是不完全重结晶区。由于焊接接头各区域经历的热循环不同，出现了以上有代表性的各种组织，焊缝金属在熔化焊时，同样经历重新熔化、结晶凝固、转变过程，其组织特征呈现出铁素体转变珠光体、马氏体以及魏氏组织。从以上金属显微组织照片中可以观察到，在焊缝区堆焊金属中组织成块状分布，晶粒比较均匀化；在热

20、影响区，组织的晶粒有所长大，显微组织变得粗大而且分布呈现树枝状。4力学试验数据试样 1试样尺寸 mm面积mm2试件标距(mm)试验速度屈服应力MPa断裂应力MPa最大应力MPa断裂延伸率(%)最大力延伸率%17.4*2.848.72501211.1212.4247.79.712.4 试样 2试样尺寸 mm面积mm2试件标距(mm)试验速度屈服应力MPa断裂应力MPa最大应力MPa断裂延伸率(%)最大力延伸率%17*3.2555.25502213.8272.6281.49.917.7试样 3试样尺寸 mm面积mm2试件标距(mm)试验速度屈服应力MPa断裂应力MPa最大应力MPa断裂延伸率(%)

21、最大力延伸率%17.8*2.6446.99505250.2406.2406.221.321.3试样 4试样尺寸 mm面积mm2试件标距(mm)试验速度屈服应力MPa断裂应力MPa最大应力MPa断裂延伸率(%)最大力延伸率%15.3*3.2449.57505/217.1217.19.17.9分析: 试样3:与其他试样相比，有较高的屈服应力，断裂应力。说明在焊接过程中存在的缺陷比较少，相对于其他试样的质量，有比较好的质量。 试样4:数据中没有屈服力和屈服应力说明在焊接过程中的焊接质量不合格，在没有发生屈服现象就断了，说明焊接接头存在未焊透，未熔合以及虚焊的情况。导致了焊接接头的断裂。4、综合实训感想经历了一周的焊接质量检测的实验，我觉得自己学到了很多东西，虽然大二的时候自己也在金工实习的时候学过电焊，但是那时候自己对焊接原理是完全不了解，到现在基本学习完了焊接学基础的理论教学再来做实验的我感觉轻松了，因为我懂得了很多焊接学的原理。也知道了焊接不只是电焊，另外还有气焊等等。这一周的焊接学实验我们总的来说学习了手工电弧焊的焊接工艺于方法，还有焊后的检测方法，如：磁粉检测，超声波检测等等。还有对焊缝质量的力学性能检测，如：拉伸力学实验，弯曲