材料成形綜合實驗指導(dǎo)書

1、材料成型及控制工程專業(yè)綜合實驗指導(dǎo)書實驗一 焊條電弧焊工藝1、實驗?zāi)康呐c任務(wù)（1）比較不同類型焊條的焊接工藝性及對焊縫成形的影響。（2）觀察分析低碳鋼熔化焊接頭金相組織變化情況。（3）分析焊接接頭組織變化對機(jī)械性能的影響。2、實驗原理焊條電弧焊采用的焊條藥皮類型有酸性、堿性、纖維素型和金紅石型等。不同藥皮的焊條在焊接時表現(xiàn)出不同的工藝性。比如，酸性藥皮中含有較多的穩(wěn)弧物質(zhì)和脫渣物質(zhì)，易于引弧，電弧穩(wěn)定，飛濺小，脫渣能力強(qiáng)，焊縫成形美觀。但焊縫中氫的含量不易控制，焊縫金屬的沖擊韌性一般。堿性藥皮焊條穩(wěn)弧物質(zhì)較少，不易引弧，電弧不穩(wěn)，易于斷弧，飛濺較大，脫渣能力差，焊縫成形也稍差。但焊縫金屬中氫含

2、量低，屬低氫型焊縫，沖擊韌性高。低碳鋼電弧焊焊接接頭包括焊縫金屬、熔合區(qū)（熔合線）和熱影響區(qū)三個主要區(qū)域。其中，焊縫金屬為液態(tài)熔池結(jié)晶而成，位于接頭斷面的中心，其顯微組織是典型的柱狀晶。熔合區(qū)為半熔化的母材結(jié)晶和冷卻而成，位于焊縫金屬兩側(cè)，與之緊密相連，焊縫金屬的柱狀晶“鑲嵌”于此。熱影響區(qū)是母材受到焊接熱輸入影響產(chǎn)生了組織形態(tài)變化的固態(tài)區(qū)，緊鄰熔合區(qū)，向著遠(yuǎn)離焊縫中心的方向分別是過熱區(qū)、正火區(qū)、部分相變區(qū)和再結(jié)晶區(qū)。過熱區(qū)是母材在焊接時溫度處于奧氏體區(qū)的高溫區(qū)，奧氏體嚴(yán)重長大，冷卻后得到的組織為粗大的鐵素體+珠光體等軸晶，其間夾雜著針狀的魏氏組織；正火區(qū)是母材在焊接時溫度處于奧氏體均勻化的溫

3、度區(qū)間，在空冷條件下發(fā)生相變，相當(dāng)于進(jìn)行了一次正火熱處理，為均勻細(xì)小的鐵素體+珠光體等軸晶；部分相變區(qū)是母材在焊接時溫度處于奧氏體-鐵素體兩相區(qū)的溫度區(qū)間，一部分鐵素體發(fā)生了奧氏體相變，冷卻后得到組織不均勻的鐵素體+珠光體組織；再結(jié)晶區(qū)是母材在焊接時溫度處于再結(jié)晶溫度區(qū)，軋制的帶狀組織發(fā)生了回復(fù)和再結(jié)晶，成為均勻細(xì)小的等軸晶。由于接頭各部分組織形態(tài)的不同，其力學(xué)性能也存在差異，從焊縫中心向兩側(cè)測量其硬度，硬度曲線將出現(xiàn)一個峰值，峰值位置位于正火區(qū)，說明該區(qū)域的力學(xué)性能指標(biāo)較高。3、實驗儀器、設(shè)備及材料儀器、設(shè)備及工具：火焰切割機(jī)、刨床、交、直流電弧焊機(jī)、電火花線切割機(jī)、光學(xué)金相顯微鏡、金相試樣

4、拋光機(jī)、吹風(fēng)機(jī)、顯微硬度計。材料：810mm厚Q235鋼板、直徑4.0mm的J422和J507焊條、4%硝酸酒精溶液、無水酒精、Cr2O3粉末、水、05號金相砂紙、呢子布。4、實驗步驟（1）取厚810mm ，寬50mm的Q235鋼帶，用火焰切割機(jī)切割成200×50mm的板條，簡單清理熔渣和氧化皮；（2）用刨床在板條中心加工出縱向V型槽，代替V型坡口，開口角60°，深度68mm；（3）分別選用直徑4.0mm的J422焊條和J507焊條，采取如表1所示的焊接工藝在V型槽處進(jìn)行連續(xù)焊接，觀察并記錄電弧穩(wěn)定性和飛濺情況，清理藥皮；表1 焊接工藝參數(shù)焊條牌號電流極性電流/A電壓/V焊

5、接速度/mm/minJ422交流/直流反接17024150J507直流反接15022150（4）觀察焊縫成形波紋，測量焊縫成形參數(shù)（熔寬和余高），分析產(chǎn)生區(qū)別的原因；（5）用電火花線切割機(jī)橫向切取金相試樣，將引弧端和收弧端各25mm舍棄，余下部分切成50×10mm長條；（6）磨制金相試樣：依次采用05號金相砂紙打磨，用Cr2O3粉與水的混合物作為拋光劑拋光，用4%硝酸酒精溶液浸蝕，用無水酒精沖洗，用吹風(fēng)機(jī)吹干；（7）在光學(xué)金相顯微鏡下觀察接頭各區(qū)域的顯微組織形貌，繪制其示意圖，標(biāo)注于溫度-組織坐標(biāo)系中；（8）用顯微硬度計從焊縫中心開始，每個1.5mm測量一個硬度值，記錄在距離-硬度坐

6、標(biāo)系中；分析硬度變化的規(guī)律及其原因。5、預(yù)期結(jié)果得出不同類型焊條工藝性、焊縫成形的區(qū)別及其原因；手工繪制焊接接頭各區(qū)域的距離-溫度-組織圖；繪制距離-硬度曲線，分析硬度變化的原因。實驗二 焊縫金屬中擴(kuò)散氫的測定1、實驗?zāi)康呐c任務(wù)（1）了解手工電弧焊時影響焊縫中擴(kuò)散氫含量的因素。（2）掌握甘油法測定擴(kuò)散氫含量的方法。2、實驗原理氫對焊接接頭的影響極大。氫不僅能在焊縫中生成氣孔，而且是裂紋產(chǎn)生的主要原因之一。所致裂紋常有延遲性，往往使焊件在工作一段時間后開裂，因此其危險性更大。氫也引起金屬的微裂等，雖然這些微觀缺陷不致于導(dǎo)致焊件的破壞，但卻能明顯地降低金屬的強(qiáng)度、屈服極限、沖擊韌性、延伸率等，尤其

7、對疲勞強(qiáng)度有較大的影響。因此控制焊縫中的氫含量對于提高焊縫質(zhì)量有著重要的意義。雖然焊縫的氫對焊縫的質(zhì)量影響較大，但擴(kuò)散氫的含量卻很少（每100克金屬中最多含幾十毫升），通常采用氣體液法把擴(kuò)散氫收集到一個密閉的集氣管內(nèi)測量，由金屬表面擴(kuò)散逸出的微小氫氣必須通過收集介質(zhì)浮升到集氣管頂部，為使氫氣泡通過介質(zhì)時不至于對測量的氫有影響，必須要求收集的介質(zhì)具有一定的物理和化學(xué)性能，要求是：對氫氣的溶解度較小，具有低的蒸汽壓力，化學(xué)穩(wěn)定性好，對人體無害和液體的低黏度。目前試驗用的介質(zhì)有甘油、石蠟油、酒精、水銀以及硅油等。采用這種方法測得的擴(kuò)散氫體積（mL）首先要換成溫度為0、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（760mm汞柱）下的

8、氫的體積，再算出100g熔敷金屬中析出的擴(kuò)散氫含量，其計算公式如下： 式中，H擴(kuò)每100g熔敷金屬中擴(kuò)散氫的含量，mL。V集氣管中收集的擴(kuò)散氫體積，mL。G0試樣原始質(zhì)量，g。G1試樣焊后質(zhì)量，g。P試驗環(huán)境大氣壓，毫米汞柱。P0標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，760毫米汞柱。T試驗環(huán)境溫度，K。T0標(biāo)準(zhǔn)大氣溫度，273K。3、實驗儀器、設(shè)備及材料儀器設(shè)備及工具：火焰切割機(jī)、砂輪機(jī)、干燥箱、交流弧焊機(jī)、直流弧焊機(jī)、氣體收集器、水浴鍋、電子天平、吹風(fēng)機(jī)、鋼絲刷、鋼字頭、焊接夾具、小錘、水槽、干布。材料：810mmQ235鋼板、氧氣、乙炔氣、砂布、無水酒精、甘油、4.0mmJ422焊條、4.0mmJ507焊條、乙醚。

9、4、實驗步驟（1）將810mmQ235鋼板切割成50×20mm試件，用砂輪機(jī)清理切割熔渣和氧化皮，用干燥箱在250±10加熱作1h去氫處理。取出清理表面，用砂布去除氧化物，用乙醇去水，乙醚去油，吹干冷卻，把每個試件打印標(biāo)號，然后用天平稱出每個試件的重量G0。（2）將試件放在夾具上進(jìn)行焊接。分別選用直徑4.0mm的J422焊條和J507焊條，電流170A，弧長4mm，焊速150mm/min。不擺動。（3）停焊后5s內(nèi)立即將試件投入020的水中急冷并擺動試件，避免局部溫度過高，10s后取出。（4）試件從水中取出后，迅速消除焊渣及其他臟物，把試件擦干并用酒精去水，乙醚去油。（5）

10、將去水去油的試件用干凈的棉紗擦凈并用吹風(fēng)機(jī)的冷風(fēng)吹干，把試件立即放入氣體收集器內(nèi)。（6）試件在45恒溫下放置24h，記錄恒溫集氣箱的溫度和實驗現(xiàn)場的氣壓P。把試件從收集器中取出，清洗吹干，稱出重量G1,根據(jù)上述公式計算出擴(kuò)散氫含量。（7）在不同的工藝條件下進(jìn)行焊接試驗，以了解工藝因素對擴(kuò)散氫的影響。5、預(yù)期結(jié)果得到不同焊條和不同電流種類的條件下，熔敷金屬中擴(kuò)散氫含量的結(jié)果，填寫表2。進(jìn)行對比分析。得出影響規(guī)律。表2 不同焊接材料及工藝條件下的擴(kuò)散氫測量值試驗次數(shù)J422J507未烘焙250保溫2h未烘焙350保溫2h交流直流交流直流123平均值實驗三 鎢極氬弧焊工藝1、實驗?zāi)康呐c任務(wù)（1）熟悉

11、TIG焊設(shè)備的組成，掌握手工TIG焊的操作要領(lǐng)。（2）了解不同電流極性下鋁合金焊接時電弧的陰極霧化作用。2、實驗原理TIG焊是在惰性氣體的保護(hù)下，利用鎢極和工件之間產(chǎn)生的焊接電弧熔化母材及焊絲的一種焊接方法。焊接時，惰性氣體從焊槍的噴嘴中噴出，把電弧周圍一定范圍的空氣排出焊接區(qū)，避免熔池、電弧和鎢極收到空氣的侵蝕。填絲的TIG焊熔滴過渡是連橋過渡，沒有飛濺，焊縫成形美觀均勻。TIG焊可以采用直流正極性或交流，前者用于焊接鋼、鈦等，后者用來焊接鋁、鎂等合金。因為鋁、鎂等合金極易生成致密的氧化膜，需要利用鎢極電弧的陰極霧化作用清理氧化膜，同時還要保護(hù)鎢極盡量少地受到燒損，所以需要用交流焊接。3、實

12、驗儀器、設(shè)備及材料儀器設(shè)備及工具：TIG焊機(jī)，鋼絲刷。材料：6mm鋁合金板、鎢極、氬氣。4、實驗步驟（1）制備試板：將6mm鋁合金板剪切成30×60mm的試板。（2）磨制鎢極，使其前端呈60°錐角，預(yù)留直徑2mm平臺。（3）調(diào)整焊機(jī)，使其電流極性、電流值和氬氣流量合適。（4）用鋼絲刷清理鋁板表面，迅速引弧焊接，觀察不同電流極性下陰極霧化作用。5、預(yù)期結(jié)果描述不同電流極性時陰極霧化現(xiàn)象，分析原因。實驗四 不銹鋼焊接接頭的晶間腐蝕1、實驗?zāi)康呐c任務(wù)（1）觀察和分析不銹鋼焊接接頭的顯微組織。（2）了解不銹鋼焊接接頭產(chǎn)生晶間腐蝕的機(jī)理及晶間腐蝕區(qū)顯微組織特征。2、實驗原理晶間腐蝕是

13、沿著晶界發(fā)生的腐蝕現(xiàn)象，多產(chǎn)生于奧氏體不銹鋼中。晶間腐蝕的產(chǎn)生源于晶間貧鉻現(xiàn)象。不銹鋼焊接時，熱影響區(qū)中溫度在450850停留足夠的時間，碳原子會在晶界處與鉻原子化合成鉻的碳化物，如Cr7C3、Cr23C6等。由于Cr擴(kuò)散速度較慢，來不及補(bǔ)充，造成晶間貧鉻，導(dǎo)致腐蝕。產(chǎn)生晶間腐蝕的條件有兩方面：一是鋼中有較高的含碳量（0.03%以上），二是焊接時熱影響區(qū)在敏化溫度區(qū)間停留足夠的時間。所以，預(yù)防晶間腐蝕可以從材料角度和工藝角度綜合考慮。一方面控制鋼中的碳含量，或者添加穩(wěn)定化元素，比如Ti、Nb等，這些元素優(yōu)先與碳形成碳化物，穩(wěn)定了碳，就不會消耗Cr，而保持不銹鋼的耐蝕性。另一方面是通過小電流快速

14、焊的方法控制熱輸入，減少鋼在敏化溫度區(qū)間的停留時間，避免Cr與C的化合。發(fā)生晶間腐蝕的不銹鋼在顯微鏡下顯示較寬的晶界，晶界邊緣粗糙。宏觀形貌顯示晶界呈網(wǎng)狀。3、實驗儀器、設(shè)備及材料儀器設(shè)備及工具：等離子弧切割機(jī)、砂輪機(jī)、直流弧焊機(jī)、箱式電阻爐、砂輪切割機(jī)、試樣拋光機(jī)、吹風(fēng)機(jī)、光學(xué)金相顯微鏡。材料：610mm不銹鋼板、3.2mmA302焊條、砂布、金相砂紙、Cr2O3拋光粉、硝酸、鹽酸、無水酒精、吸水紙。4、實驗步驟（1）用等離子切割機(jī)將610mm的0Cr18Ni9鋼板切割成100×20mm的試板，用砂輪機(jī)打磨切口的熔渣和氧化皮，用砂布打磨待焊表面，露出鋼板光澤。（2）調(diào)整焊接電流為1

15、00A，用直徑3.2mm的A302焊條在試板上堆焊，焊接速度在100mm/min，電弧長度在3mm。（3）徹底清理藥皮，用砂輪切割機(jī)將試件切割成20×10mm的試樣，用砂布打磨斷面，去除毛刺和氧化皮。（4）將箱式電阻爐升溫至800，將試樣放入爐中，待重新升溫至800，保溫5min后斷電，至爐溫400時取出空冷。（5）用15號金相砂紙磨制，用拋光機(jī)拋光，用王水腐蝕，吹干。（6）用光學(xué)金相顯微鏡觀察熱影響區(qū)。5、預(yù)期結(jié)果拍下晶間腐蝕的顯微形貌照片。描述晶間腐蝕的特征。實驗五 材料的焊接性1、實驗?zāi)康呐c任務(wù)（1）分析材料的焊接性（低碳鋼、中碳鋼和低合金鋼任選其一）。（2）掌握搭接接頭焊接裂

16、紋試驗方法。2、實驗原理依據(jù)GB/T4675.2搭接接頭CTS焊接裂紋試驗方法和ISO9018:2003金屬材料焊縫的破壞性試驗十字街頭和搭接接頭的拉伸試驗，用于碳鋼、低合金鋼冷裂紋敏感性試驗。其中的CTS為“可控?zé)峋惺钡挠⑽目s寫?；驹砣鐖D1所示：制備一個帶有拘束焊縫的搭接接頭，從試驗搭接焊縫上截取試件，將橫斷面磨制、拋光、腐蝕，用金相顯微鏡觀察斷面裂紋，并測量裂紋長度，如圖2所示。以評定材料冷裂紋敏感性。 圖1 搭接接頭CST試驗焊縫分布示意圖 圖2 試樣截取及裂紋測量方法3、實驗儀器、設(shè)備及材料（1）儀器、設(shè)備及工具：火焰切割機(jī)、砂輪機(jī)、鉆床、弧焊機(jī)、電火花線切割機(jī)、金相試樣拋光機(jī)、

17、吹風(fēng)機(jī)、光學(xué)金相顯微鏡。（2）材料：10mm低合金鋼板、M12螺栓組、直徑4mm的J506焊條、1-5號金相砂紙、Cr2O3拋光粉、硝酸、無水酒精、吸水紙。4、實驗步驟（1）用火焰切割機(jī)將10mm低合金鋼板切割成75×75mm的試板和175×100mm的底板，用砂輪機(jī)磨去切口處的毛刺、熔渣。（2）在試板上劃鉆孔位置，將試板和底板定位焊，用鉆床在兩塊板上鉆出直徑12.5-13.5mm的通孔。（3）用M12螺栓組將試板和底板連接牢固。（4）焊接拘束焊縫：焊條為直徑4mm的J506焊條，電流170A，電壓24V（弧長4mm），焊接速度150mm/min，每個焊縫焊接兩道。（5）待

18、拘束焊縫完全冷卻至室溫，焊接試驗焊縫：焊條為直徑4mm的J506焊條，電流170A，電壓24V（弧長4mm），焊接速度150mm/min，每個焊縫焊接一道。（6）切割：試驗焊縫完全冷卻至室溫，放置48h后，用電火花線切割機(jī)沿著圖2所示位置將試件切開，每條焊縫取3個試樣。（7）制樣：將試樣用金相砂紙打磨，用試樣拋光機(jī)拋光，用4%硝酸酒精腐蝕，用吹風(fēng)機(jī)吹干。（8）將金相試樣盡快用金相顯微鏡觀察裂紋情況，用顯微鏡上的標(biāo)尺測量斷面上的焊縫總程度，6個試樣裂紋長度取平均值，手工繪制裂紋出現(xiàn)的部位示意圖。5、預(yù)期結(jié)果得出裂紋平均長度，說明裂紋出現(xiàn)的部位及形狀、分布情況。實驗六 焊接變形1、實驗?zāi)康呐c任務(wù)（

19、1）了解不同焊接接頭焊接變形的形式和特點。（2）了解焊接方法和焊接工藝對焊接變形大小的影響。（3）掌握測量接頭變形量的方法。2、實驗原理當(dāng)焊接收縮應(yīng)力超過了材料的屈服強(qiáng)度就會導(dǎo)致焊件（結(jié)構(gòu)）變形。焊接變形是焊接應(yīng)力釋放的一種表現(xiàn)。焊縫加熱時膨脹及焊后的冷卻都是連續(xù)的且是局部進(jìn)行的。焊接變形分為瞬時變形和參與變形。瞬時變形在焊接過程中出現(xiàn)，在焊接結(jié)束后消除，對焊接制造過程產(chǎn)生影響。焊接參與變形是焊接結(jié)束后永久殘留在結(jié)構(gòu)中的變形，對結(jié)構(gòu)質(zhì)量產(chǎn)生影響。不同結(jié)構(gòu)（接頭）形式、不同板厚、不同的焊接方法和工藝參數(shù)對焊接變形影響很大。導(dǎo)致焊接變形的形式、大小均不相同。比如，平板對接接頭最容易發(fā)生的變形是尺寸

20、縮短、角變形和彎曲變形；T形接頭最容易產(chǎn)生角變形好彎曲變形。薄板接頭除了上述變形，還會產(chǎn)生波浪翹曲變形。焊接熱輸入越大，焊接時的熱膨脹越大，隨之焊接收縮變形也越大。電渣焊、埋弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊、焊條電弧焊等焊接方法，其熱輸入較大，焊接的熱膨脹與冷收縮較大，導(dǎo)致的變形也較大。等離子弧焊、激光焊、電子束焊等焊接方法，熱源能量集中，焊接速度快，熱輸入小，變形也較小，甚至可以忽略不計。拘束度對焊接變形也有很大影響。拘束來自結(jié)構(gòu)本身，也可能來自工裝卡具。拘束越大，變形量越小，但是殘余應(yīng)力值增加，會提高結(jié)構(gòu)在使用過程中產(chǎn)生變形乃至破壞的風(fēng)險。各種變形的大小通過測量獲得數(shù)據(jù)?？梢员容^不同接頭形式、板厚、焊接方法、