1、XIAN TECHNOLOGICAL UNIVERSITY綜合設計實驗報告(Q345B鋼焊接工藝設計及性能研究)專 業： 金屬材料工程班 級： 學 號： 姓 名： 托 兒 所實驗學時：指導教師： 成 績： 目錄1、 低合金高強度鋼焊接性概述12、 焊接工藝設計實驗12.1、焊接基材12.2、焊接實驗設計及分析22.2.1焊接方法及焊接參數的確定22.2.2、常見問題及其解決方法32.2.3常見缺陷：氣孔、夾雜、未熔合等及相應的措施32.2.4、焊接注意細則42.2.5、焊縫檢測（選做）43、 焊接材料及焊縫的力學性能53.1、焊后的切割設計及切割53.2、焊接區硬度的測定63.3、金相實驗63

2、.3.1、金相試驗前的準備工作及注意事項63.3.2分析焊縫和母材組織形態63.4、拉伸實驗83.4.1、拉前準備83.4.2、焊接接頭強度和塑性84、結論95、【參考書籍文獻】9摘要為了研究火車皮用的一種材料Q345E（16Mn）鋼的焊接性能。針對Q345B鋼板通過焊條電弧焊接性能進行焊接工藝設計、力學性能檢測和金相分析的等一系列的試驗及研究。試驗結果表明Q345E鋼板不僅有好的力學性能,還具有良好的焊接性能。關鍵詞：Q345E鋼板 焊條電弧焊 顯微組織 力學性能 實驗研究1、 低合金高強度鋼焊接性概述低合金調質其焊接性良好,接近于低碳鋼。隨著鋼中合金元素的增加,強度級別提高,淬硬性大,鋼的

3、焊接性也逐漸變差,出現的問題主要包括兩個方面,其一是裂紋敏感性,其二高強鋼含碳量較低,一般都在以下,其高強度及良好的綜合機械性能是通過在低碳基礎上加入多種提高淬透性的合金元素和調質熱處理獲得強度高、韌性好的低碳板條馬氏體和部分下貝氏體組織而得到的。強度級別較低的低合金高強鋼,如一級,由于鋼中合金元素含量較少,是焊接熱影響區的力學性能。世紀中后期,低合金高強鋼取得了突顯的進展,微合金鋼技術、精煉技術、形變熱處理、控軋控冷技術等一些先進技術的廣泛應用,使得現代鋼的焊接性顯著提高,特別是冷列裂紋敏感性明顯降低,大幅度提高了粗晶區韌性,高效率、大線能量焊接工藝被廣泛應用。但新的問題也伴隨著出現,如多層

4、焊接頭中的局部脆性區問題、由于母材的低碳當量高強度化迫使冷裂紋從轉移到焊縫金屬當中等。2、 焊接工藝設計實驗2.1、焊接基材低合金高強度結構鋼Q345在工業領域用的比較多，具有良好的綜合力學性能，在我國應用比較廣泛。南方氣溫高，多使用Q345B、Q345C，而北方氣溫低，冬天易出現極寒天氣，多選用低溫性能好的Q345D、Q345E。本試驗根據實際情況，參考表3擬選用厚度為5mm的Q345E鋼板，選用試樣尺寸為400mm×150mm×5mm進行實驗，其化學成分見下表，力學性能見下表。Q345E鋼的化學成分%（質量）CCSSiMMnPSNbVTiCrNiCuNNMoBAl0.1

5、80.51.700.0250.0200.070.150.200.300.500.300.0120.10-0.015Q345E鋼的力學性能牌號厚度/mm抗拉強度（Mpa）屈服強度（Mpa）伸長率%沖擊實驗溫度沖擊吸收能量Q345E不小于不小于不小于6-40470-63032520-403440-63470-63031520-40342.2、焊接實驗設計及分析2.2.1焊接方法及焊接參數的確定a、焊接方法：現場拼接及焊接安裝時多采用設備輕便的焊條電弧焊或CO2氣體保護焊，由于Q345E鋼可適合常規的熔焊方法和焊接質量較難控制，受工藝參數等的影響較大。按照拼接安裝現場條件、焊接成本等綜合考慮，擬設計

6、采用手工電弧焊進行焊接。使用直流焊機。b、焊條選擇：根據焊材和焊接方法綜合考慮，選用E5001（牌號j503）c、焊接接頭形式：根據工作條件和材料情況綜合考慮選用對接接頭，從焊接手冊中得知當焊接板材厚度小于6mm以下不用開坡口和焊前預熱，本試驗為了焊接牢固方便焊接進行開雙面V型坡口，單邊坡度30°，坡口深度為1mm，根部間隙為2mm,焊接層數為上下兩層。焊前將坡口兩側各30 mm 范圍內的銹、油污等雜質用酒精和角向磨光機清除干凈。焊接接頭如下：d、焊接電流、線能量及接法等相關參數的確定：焊接電流由焊條直徑確定關系為I=10D2=10*4*4=160A；焊接線能量主要取決于過熱區脆化和

7、冷裂對于含碳偏低的Q345對線能量基本沒有嚴格限制，過熱敏感性不大，淬硬傾向和冷裂敏感性不大；直流正接時陽極產熱高熔深大適用于厚板的接法，由于本試驗的板厚比較薄故采用直流反接。根據焊接速度的情況決定焊接層數，本試驗每面各兩層。相關參數如下：板厚/mm焊條直徑/mm焊接電流/A焊接層數/層54.0160-21022.2.2、常見問題及其解決方法對于可能產生的各種缺陷，我們根據每種缺陷的特點，結合實際使用環境進行有針對性的制定控制工藝。a、熱裂紋的控制：采取小的焊接熱輸入，并采用雙面對接焊，控制焊接時的熱量來避免熱裂紋的產生。b、冷裂紋控制：采取焊前預熱、焊后后熱來降低焊縫區域的冷卻速度；焊縫采用

8、高韌性填充材料，盡量使焊縫組織接近純奧氏體，這樣可以溶解更多的氫，避免了焊縫中的氫向熔合區擴散；控制氫的來，降低接頭處氫的含量。采取多層多道焊、小的焊接熱輸入，降低焊接接頭處的應力集中。c、熱影響區的脆化及軟化控制：熱影響區的脆化通過焊后熱處理來去除。 軟化主要是通過縮短熱影響區在高溫區的停留時間來控制，所以我們應該選用熱量集中、能量密度大的焊接方法，并采用小的熱輸入焊接，并且預熱溫度取低值；另外采取多層多道焊。2.2.3常見缺陷：氣孔、夾雜、未熔合等及相應的措施a、 夾雜：在焊縫熔池中的一些雜質應當被翻出在熔池的表面形成藥皮被清掉，但當雜質在熔池凝固前未被翻出，被凝固在焊道內便形成夾渣，手工

9、電弧焊因形成的熔池較小，停留時間短，所以泛渣能力差，若操作過程中形成的單道焊肉太厚容易造成夾渣缺陷。焊道內的雜物，如黑色氧化鐵，滲碳層等也會因熔化后不能及時翻出，形成夾渣。b、 氣孔：焊條受潮，焊縫內潮氣過大，油漆、油污等原因，都會引起焊縫內產生氣孔，焊道形成太厚，熔池內的氣體不能及時溢出擴散，便在焊道內形成氣孔。c、 未熔合：焊道與母材和相鄰的焊道不能很好地熔合在一起，在焊道內就形成了未熔合。未熔合可以因坡口母材表面存在黑色氧化鐵或氣刨留下的滲碳層影響焊縫的熔合性而產生，另外焊接形成的單道焊道太厚，使形成的焊肉流墜到旁邊的焊道和母材表面形成未熔合。如果因為干絲伸長長度過長也會產生未熔合。d、

10、采取措施：焊前做好預熱，清除焊縫內的水汽，可以避免氣孔產生；保護好焊絲和焊條不要受潮，焊絲受潮后容易產生氣孔，焊條要放在干燥的地方，杜絕使用涼焊條和受潮焊絲焊接；清理焊縫內的雜物和鐵銹、黑色氧化鐵、氣刨產生的滲碳層等，打磨必須露出金屬光澤，可以改善熔合性和避免氣孔和夾渣的產生。對于氣刨產生的滲碳層表面硬度增加，不利于熔合。對于這3種缺陷因為操作手法不合適，也給焊縫帶來很大影響，對于焊縫的每層、每道拉得太厚，將給焊縫帶來很多缺陷，所以對于每次每道焊縫要拉薄，薄薄的焊肉將利于熔池內的雜物翻出，以及池內的氣體外溢，能有效避免夾渣和氣孔產生，另外薄薄的焊肉之間不會因為熔化金屬的流動產生未熔合。2.2.

11、4、焊接注意細則v焊接時靠近母材的幾道焊縫采用較大焊縫成型系數、不擺動，降低融合比，以降低母材對焊縫金屬的稀釋。采用雙面對接焊。減小每道焊縫余高，焊道與焊道之間緩慢過度。v通過參考板，使每道焊縫處于水平位置，便于操作，提高焊接質量。v適當提高焊接速度，減小焊接的熱輸入。2.2.5、焊縫檢測（選做）滲透檢測步驟：3、 焊接材料及焊縫的力學性能3.1、焊后的切割設計及切割查閱資料得出拉伸板材標準和切割，過程如下： 3.2、焊接區硬度的測定按GB/T2654 進行，對焊接試板的母材、熱影響區和焊縫分別進行洛氏硬度試驗，試驗結果見下表Q345E鋼板對接焊接接頭洛氏硬度試驗結果硬度（HBC）母材熱影響區

12、焊縫熱影響區母材標準值實測值151220141340.8通過硬度值可以看出，各個區域的硬度值滿足焊接接頭硬度基本規律并在該材料標準硬度的范圍內，所以它能滿足自身的工作條件。3.3、金相實驗3.3.1、金相試驗前的準備工作及注意事項a、 過程簡單地說分為:取樣鑲嵌磨光與拋光侵蝕（4%硝酸酒精溶液）觀察照相等五個步驟b、注意事項v試片打磨，拋光時應拿緊，并力求與磨面接觸平穩。兩人不得同時在一個旋轉盤上操作。v金相腐蝕的操作室應通風良好，并設有自來水和急救酸、堿傷害時中和用的溶液。v金相試驗用過的廢液應經必要的處理后方可排放，不得將未經處理的廢料倒入下水道。v現場進行金相試驗時應有防止試劑、溶液潑灑

13、滴落的措施;3.3.2分析焊縫和母材組織形態a、焊縫金屬的顯微組織（如下圖）,柱狀晶分布,晶界處為鐵素體,晶內為索氏體和針、塊狀分布的鐵素體。冷卻時,由于向外散熱,故使焊縫的熔融金屬沿熱擴散方向結晶而獲得柱狀晶,此時,先共析的鐵素體沿柱狀晶界析出,由于溫度較高,且冷速又稍快,因此組織呈過熱特征,但隨后的冷卻過程中,奧氏體因過冷度較大,而轉變為索氏體組織。焊縫組織下方為融合區,此處融合情況良好。Q345焊縫金屬的顯微組織50×b、母材的顯微結構組織:鐵素體和珠光體呈帶狀（如下圖）。從金相組織可看出,過熱區形成了魏氏組織,容易產生脆化,構成了接頭的薄弱環節,這時宜以小線能量焊接,在過熱區

14、獲取板條馬氏體,韌性會大大改善。Q345母材的顯微結構組織10×3.4、拉伸實驗3.4.1、拉前準備按照 焊接接頭拉伸試驗方法相關標準取樣，并在材料拉伸試驗機上進行拉伸試驗，試樣從焊接接頭垂直于焊縫軸線方向截取，加工完后，焊縫的軸線位于試樣平行長度部分的中間。 試樣的厚度與焊接接頭處母材的厚度相等，焊縫余高磨平最終試樣尺寸如下圖拉伸參數如下：拉伸曲線如下：3.4.2、焊接接頭強度和塑性將做好試樣做拉伸實驗，焊條電弧焊焊接接頭拉伸斷裂位置在母材區，同時焊縫區出現了一定的裂紋拉，斷后形貌如下圖，從拉伸曲線圖（下圖）可以看出，最大應力為42555.6N，抗拉強度為550N/mm2。抗拉強度

15、低于母材的抗拉強度500Mpa,說明焊縫沒有焊好出現了裂紋。4、結論v Q345鋼板具有較好的焊接性。v Q345鋼板由于第一層焊接時焊接速度過快焊縫出現宏觀裂紋。v Q345鋼板焊縫的化學成分靠近母材，經金相分析組織為珠光體鐵素體和滲碳體組織，拉伸實驗結果其強度為550Mpa,具有較高的強度，能滿足材料的使用環境。v 從硬度測量結果看，熱影響區硬度值（HRC12）較大且硬度不均勻焊縫硬度低于母材從而說明焊縫任性比母材號。v 從硬度實驗和拉伸實驗看，Q345具有良好的綜合力學性能。5、【參考書籍文獻】1現代焊接技術手冊 曾樂 上海科學技術出版社2電焊條選用指南吳樹雄 第四版 化學工業出版社3焊

16、接缺陷分析與對策李亞江 王娟 第二版 化學工業出版社4焊接組織性能與質量控制李亞江 化學工業出版社5低合金鋼焊接及工程應用李亞江 王娟 劉鵬 化學工業出版社6“Q345鋼的焊接工藝設計及焊接工藝評定實踐” 陳斌珍.福建市福建科學研究所，2011.7“Q345鋼板焊接性能研究” 劉志剛、蘇白蘭、韋弦 河南冶金,2003.02.XIAN TECHNOLOGICAL UNIVERSITY復合材料綜述專業：金屬材料工程班級： 14030106姓名： 謝 志 平復合材料(Composite materials)，是以一種材料為基體(Matrix)，另一種材料為增強體(reinforcement)組合而成

17、的材料。各種材料在性能上互相取長補短，產生協同效應，使復合材料的綜合性能優于原組成材料而滿足各種不同的要求。復合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬絲和硬質細粒等。復合材料使用的歷史可以追溯到古代。從古至今沿用的稻草增強粘土和已使用上百年的鋼筋混凝土均由兩種材料復合而成。20世紀40年代，因航空工業的需要，發展了玻璃纖維增強塑料（俗稱玻璃鋼），從此出現了復合材料這一名稱。50年代以后，陸續發展了碳纖維、石墨纖維和硼纖維等高

18、強度和高模量纖維。70年代出現了芳綸纖維和碳化硅纖維。這些高強度、高模量纖維能與合成樹脂、碳、石墨、陶瓷、橡膠等非金屬基體或鋁、鎂、鈦等金屬基體復合，構成各具特色的復合材料。復合材料按其組成分為金屬與金屬復合材料、非金屬與金屬復合材料、非金屬與非金屬復合材料。按其結構特點又分為：纖維復合材料。將各種纖維增強體置于基體材料內復合而成。如纖維增強塑料、纖維增強金屬等。夾層復合材料。由性質不同的表面材料和芯材組合而成。通常面材強度高、薄；芯材質輕、強度低，但具有一定剛度和厚度。分為實心夾層和蜂窩夾層兩種。細粒復合材料。將硬質細粒均勻分布于基體中，如彌散強化合金、金屬陶瓷等。混雜復合材料。由兩種或兩種

19、以上增強相材料混雜于一種基體相材料中構成。與普通單增強相復合材料比，其沖擊強度、疲勞強度和斷裂韌性顯著提高，并具有特殊的熱膨脹性能。分為層內混雜、層間混雜、夾芯混雜、層內層間混雜和超混雜復合材料。60年代，為滿足航空航天等尖端技術所用材料的需要，先后研制和生產了以高性能纖維（如碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維等）為增強材料的復合材料，其比強度大于4×106厘米（cm），比模量大于4×108cm。為了與第一代玻璃纖維增強樹脂復合材料相區別，將這種復合材料稱為先進復合材料。按基體材料不同，先進復合材料分為樹脂基、金屬基和陶瓷基復合材料。其使用溫度分別達250350、3501200和1200以上。先進復合材料除作為結構材料外，還可用作功能材料，如梯度復合材料(材料的化學和結晶學組成、結構、空隙等在空間連續梯變的功能復合材料)、機敏復合材料（具有感覺、處理和執行功能，能適應環境變化的功能復合材料）、仿生復合材料、隱身復合材料等復合材料中以纖維增強材料應用最廣、用量最大。其特點是比重小、比強度和比模量大。例如碳纖維與環氧樹脂復合的材料，其比強度和比模量均比鋼和鋁合金大數倍，還具有優良的化學穩定性、減摩耐磨、自潤滑、耐熱、耐疲勞、耐蠕變、消聲、電絕緣等性能。石墨纖維與樹脂復合可得到膨脹系數幾乎等于零的材料。纖維增強