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1、材料成型及控制工程专业综合实验指导书实验一 焊条电弧焊工艺1、实验目的与任务（1）比较不同类型焊条的焊接工艺性及对焊缝成形的影响。（2）观察分析低碳钢熔化焊接头金相组织变化情况。（3）分析焊接接头组织变化对机械性能的影响。2、实验原理焊条电弧焊采用的焊条药皮类型有酸性、碱性、纤维素型和金红石型等。不同药皮的焊条在焊接时表现出不同的工艺性。比如，酸性药皮中含有较多的稳弧物质和脱渣物质，易于引弧，电弧稳定，飞溅小，脱渣能力强，焊缝成形美观。但焊缝中氢的含量不易控制，焊缝金属的冲击韧性一般。碱性药皮焊条稳弧物质较少，不易引弧，电弧不稳，易于断弧，飞溅较大，脱渣能力差，焊缝成形也稍差。但焊缝金属中氢含
2、量低，属低氢型焊缝，冲击韧性高。低碳钢电弧焊焊接接头包括焊缝金属、熔合区（熔合线）和热影响区三个主要区域。其中，焊缝金属为液态熔池结晶而成，位于接头断面的中心，其显微组织是典型的柱状晶。熔合区为半熔化的母材结晶和冷却而成，位于焊缝金属两侧，与之紧密相连，焊缝金属的柱状晶“镶嵌”于此。热影响区是母材受到焊接热输入影响产生了组织形态变化的固态区，紧邻熔合区，向着远离焊缝中心的方向分别是过热区、正火区、部分相变区和再结晶区。过热区是母材在焊接时温度处于奥氏体区的高温区，奥氏体严重长大，冷却后得到的组织为粗大的铁素体+珠光体等轴晶，其间夹杂着针状的魏氏组织；正火区是母材在焊接时温度处于奥氏体均匀化的温
3、度区间，在空冷条件下发生相变，相当于进行了一次正火热处理，为均匀细小的铁素体+珠光体等轴晶；部分相变区是母材在焊接时温度处于奥氏体-铁素体两相区的温度区间，一部分铁素体发生了奥氏体相变，冷却后得到组织不均匀的铁素体+珠光体组织；再结晶区是母材在焊接时温度处于再结晶温度区，轧制的带状组织发生了回复和再结晶，成为均匀细小的等轴晶。由于接头各部分组织形态的不同，其力学性能也存在差异，从焊缝中心向两侧测量其硬度，硬度曲线将出现一个峰值，峰值位置位于正火区，说明该区域的力学性能指标较高。3、实验仪器、设备及材料仪器、设备及工具：火焰切割机、刨床、交、直流电弧焊机、电火花线切割机、光学金相显微镜、金相试样
4、抛光机、吹风机、显微硬度计。材料：810mm厚Q235钢板、直径4.0mm的J422和J507焊条、4%硝酸酒精溶液、无水酒精、Cr2O3粉末、水、05号金相砂纸、呢子布。4、实验步骤（1）取厚810mm ，宽50mm的Q235钢带，用火焰切割机切割成20050mm的板条，简单清理熔渣和氧化皮；（2）用刨床在板条中心加工出纵向V型槽，代替V型坡口，开口角60，深度68mm；（3）分别选用直径4.0mm的J422焊条和J507焊条，采取如表1所示的焊接工艺在V型槽处进行连续焊接，观察并记录电弧稳定性和飞溅情况，清理药皮；表1 焊接工艺参数焊条牌号电流极性电流/A电压/V焊接速度/mm/minJ4
5、22交流/直流反接17024150J507直流反接15022150（4）观察焊缝成形波纹，测量焊缝成形参数（熔宽和余高），分析产生区别的原因；（5）用电火花线切割机横向切取金相试样，将引弧端和收弧端各25mm舍弃，余下部分切成5010mm长条；（6）磨制金相试样：依次采用05号金相砂纸打磨，用Cr2O3粉与水的混合物作为抛光剂抛光，用4%硝酸酒精溶液浸蚀，用无水酒精冲洗，用吹风机吹干；（7）在光学金相显微镜下观察接头各区域的显微组织形貌，绘制其示意图，标注于温度-组织坐标系中；（8）用显微硬度计从焊缝中心开始，每个1.5mm测量一个硬度值，记录在距离-硬度坐标系中；分析硬度变化的规律及其原因。
6、5、预期结果得出不同类型焊条工艺性、焊缝成形的区别及其原因；手工绘制焊接接头各区域的距离-温度-组织图；绘制距离-硬度曲线，分析硬度变化的原因。实验二 焊缝金属中扩散氢的测定1、实验目的与任务（1）了解手工电弧焊时影响焊缝中扩散氢含量的因素。（2）掌握甘油法测定扩散氢含量的方法。2、实验原理氢对焊接接头的影响极大。氢不仅能在焊缝中生成气孔，而且是裂纹产生的主要原因之一。所致裂纹常有延迟性，往往使焊件在工作一段时间后开裂，因此其危险性更大。氢也引起金属的微裂等，虽然这些微观缺陷不致于导致焊件的破坏，但却能明显地降低金属的强度、屈服极限、冲击韧性、延伸率等，尤其对疲劳强度有较大的影响。因此控制焊缝
7、中的氢含量对于提高焊缝质量有着重要的意义。虽然焊缝的氢对焊缝的质量影响较大，但扩散氢的含量却很少（每100克金属中最多含几十毫升），通常采用气体液法把扩散氢收集到一个密闭的集气管内测量，由金属表面扩散逸出的微小氢气必须通过收集介质浮升到集气管顶部，为使氢气泡通过介质时不至于对测量的氢有影响，必须要求收集的介质具有一定的物理和化学性能，要求是：对氢气的溶解度较小，具有低的蒸汽压力，化学稳定性好，对人体无害和液体的低黏度。目前试验用的介质有甘油、石蜡油、酒精、水银以及硅油等。采用这种方法测得的扩散氢体积（mL）首先要换成温度为0、标准大气压（760mm汞柱）下的氢的体积，再算出100g熔敷金属中析
8、出的扩散氢含量，其计算公式如下： 式中，H扩每100g熔敷金属中扩散氢的含量，mL。V集气管中收集的扩散氢体积，mL。G0试样原始质量，g。G1试样焊后质量，g。P试验环境大气压，毫米汞柱。P0标准大气压，760毫米汞柱。T试验环境温度，K。T0标准大气温度，273K。3、实验仪器、设备及材料仪器设备及工具：火焰切割机、砂轮机、干燥箱、交流弧焊机、直流弧焊机、气体收集器、水浴锅、电子天平、吹风机、钢丝刷、钢字头、焊接夹具、小锤、水槽、干布。材料：810mmQ235钢板、氧气、乙炔气、砂布、无水酒精、甘油、4.0mmJ422焊条、4.0mmJ507焊条、乙醚。4、实验步骤（1）将810mmQ23
9、5钢板切割成5020mm试件，用砂轮机清理切割熔渣和氧化皮，用干燥箱在25010加热作1h去氢处理。取出清理表面，用砂布去除氧化物，用乙醇去水，乙醚去油，吹干冷却，把每个试件打印标号，然后用天平称出每个试件的重量G0。（2）将试件放在夹具上进行焊接。分别选用直径4.0mm的J422焊条和J507焊条，电流170A，弧长4mm，焊速150mm/min。不摆动。（3）停焊后5s内立即将试件投入020的水中急冷并摆动试件，避免局部温度过高，10s后取出。（4）试件从水中取出后，迅速消除焊渣及其他脏物，把试件擦干并用酒精去水，乙醚去油。（5）将去水去油的试件用干净的棉纱擦净并用吹风机的冷风吹干，把试件
10、立即放入气体收集器内。（6）试件在45恒温下放置24h，记录恒温集气箱的温度和实验现场的气压P。把试件从收集器中取出，清洗吹干，称出重量G1,根据上述公式计算出扩散氢含量。（7）在不同的工艺条件下进行焊接试验，以了解工艺因素对扩散氢的影响。5、预期结果得到不同焊条和不同电流种类的条件下，熔敷金属中扩散氢含量的结果，填写表2。进行对比分析。得出影响规律。表2 不同焊接材料及工艺条件下的扩散氢测量值试验次数J422J507未烘焙250保温2h未烘焙350保温2h交流直流交流直流123平均值实验三 钨极氩弧焊工艺1、实验目的与任务（1）熟悉TIG焊设备的组成，掌握手工TIG焊的操作要领。（2）了解不
11、同电流极性下铝合金焊接时电弧的阴极雾化作用。2、实验原理TIG焊是在惰性气体的保护下，利用钨极和工件之间产生的焊接电弧熔化母材及焊丝的一种焊接方法。焊接时，惰性气体从焊枪的喷嘴中喷出，把电弧周围一定范围的空气排出焊接区，避免熔池、电弧和钨极收到空气的侵蚀。填丝的TIG焊熔滴过渡是连桥过渡，没有飞溅，焊缝成形美观均匀。TIG焊可以采用直流正极性或交流，前者用于焊接钢、钛等，后者用来焊接铝、镁等合金。因为铝、镁等合金极易生成致密的氧化膜，需要利用钨极电弧的阴极雾化作用清理氧化膜，同时还要保护钨极尽量少地受到烧损，所以需要用交流焊接。3、实验仪器、设备及材料仪器设备及工具：TIG焊机，钢丝刷。材料：
12、6mm铝合金板、钨极、氩气。4、实验步骤（1）制备试板：将6mm铝合金板剪切成3060mm的试板。（2）磨制钨极，使其前端呈60锥角，预留直径2mm平台。（3）调整焊机，使其电流极性、电流值和氩气流量合适。（4）用钢丝刷清理铝板表面，迅速引弧焊接，观察不同电流极性下阴极雾化作用。5、预期结果描述不同电流极性时阴极雾化现象，分析原因。实验四 不锈钢焊接接头的晶间腐蚀1、实验目的与任务（1）观察和分析不锈钢焊接接头的显微组织。（2）了解不锈钢焊接接头产生晶间腐蚀的机理及晶间腐蚀区显微组织特征。2、实验原理晶间腐蚀是沿着晶界发生的腐蚀现象，多产生于奥氏体不锈钢中。晶间腐蚀的产生源于晶间贫铬现象。不锈
13、钢焊接时，热影响区中温度在450850停留足够的时间，碳原子会在晶界处与铬原子化合成铬的碳化物，如Cr7C3、Cr23C6等。由于Cr扩散速度较慢，来不及补充，造成晶间贫铬，导致腐蚀。产生晶间腐蚀的条件有两方面：一是钢中有较高的含碳量（0.03%以上），二是焊接时热影响区在敏化温度区间停留足够的时间。所以，预防晶间腐蚀可以从材料角度和工艺角度综合考虑。一方面控制钢中的碳含量，或者添加稳定化元素，比如Ti、Nb等，这些元素优先与碳形成碳化物，稳定了碳，就不会消耗Cr，而保持不锈钢的耐蚀性。另一方面是通过小电流快速焊的方法控制热输入，减少钢在敏化温度区间的停留时间，避免Cr与C的化合。发生晶间腐蚀
14、的不锈钢在显微镜下显示较宽的晶界，晶界边缘粗糙。宏观形貌显示晶界呈网状。3、实验仪器、设备及材料仪器设备及工具：等离子弧切割机、砂轮机、直流弧焊机、箱式电阻炉、砂轮切割机、试样抛光机、吹风机、光学金相显微镜。材料：610mm不锈钢板、3.2mmA302焊条、砂布、金相砂纸、Cr2O3抛光粉、硝酸、盐酸、无水酒精、吸水纸。4、实验步骤（1）用等离子切割机将610mm的0Cr18Ni9钢板切割成10020mm的试板，用砂轮机打磨切口的熔渣和氧化皮，用砂布打磨待焊表面，露出钢板光泽。（2）调整焊接电流为100A，用直径3.2mm的A302焊条在试板上堆焊，焊接速度在100mm/min，电弧长度在3m
15、m。（3）彻底清理药皮，用砂轮切割机将试件切割成2010mm的试样，用砂布打磨断面，去除毛刺和氧化皮。（4）将箱式电阻炉升温至800，将试样放入炉中，待重新升温至800，保温5min后断电，至炉温400时取出空冷。（5）用15号金相砂纸磨制，用抛光机抛光，用王水腐蚀，吹干。（6）用光学金相显微镜观察热影响区。5、预期结果拍下晶间腐蚀的显微形貌照片。描述晶间腐蚀的特征。实验五 材料的焊接性1、实验目的与任务（1）分析材料的焊接性（低碳钢、中碳钢和低合金钢任选其一）。（2）掌握搭接接头焊接裂纹试验方法。2、实验原理依据GB/T4675.2搭接接头CTS焊接裂纹试验方法和ISO9018:2003金属材料焊缝的破坏性试验十字街头和搭接接头的拉伸试验，用于碳钢、低合金钢冷裂纹敏感性试验。其中的CTS为“可控热拘束”的英文缩写。基本原理如图1所示：制备一个带有拘束焊缝的搭接接头，从试验搭接焊缝上截取试件，将横断面磨制、抛光、腐蚀，用金相显微镜观察断面裂纹，并测量裂纹长度，如图2所
