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1、金属材料焊接课程实验指导书重庆科技学院材控教研室焊接实验室二00七年十月九日目 录前言实验一 斜Y坡口焊接裂纹试验- 13实验二 不锈钢焊接接头的晶间腐蚀实验- 57实验三 不锈钢焊接工艺设计及验证- 810实验四 铝合金焊接工艺设计及验证- 1213实 验 须 知1 实验前必需预习实验指导书,了解实验目的、原理及实验步骤。2 按时参加实验,不得迟到和缺席。因故不能参加实验者,应事先向实验指导老师办理请假手续。3 进入实验室,应衣着端正,保持室内安静,不准随地吐痰、吸烟、乱抛纸屑。4 操作仪器前,应把仪器有关部分的功用及操作方法搞清楚。与本实验无关及未经指导教师同意操作的仪器,不得随意使用。5
2、 要爱护仪器。要少用手直接接触精密表面,不要对精密表面或光学镜头呵气或咳嗽。6 实验报认真进行实验和填写告。实验一 斜Y坡口焊接裂纹试验一、实验目的1、掌握金属焊接性及其评定、分析方法及金属焊接性综合实验的实验方法;2、评定碳钢和低合金高强度钢焊接热影响区对冷裂纹的敏感性。二、实验装置及实验材料直流电弧焊机 2 台游标卡尺 2套试件 15CrMo钢板 200×75×22mm 4块砂轮切割机 1台角向砂轮机 3台焊条E5515-B2(R307) 4mm 若干 渗透剂 1瓶三、实验原理 斜Y坡口冷裂纹实验用于评定高强钢焊缝及热影响区的裂纹倾向,实验方法简便,是国际上采用较多的抗
3、裂性实验方法之一。四、实验方法及步骤1、试件制备(1)试板形状及尺寸如图1所示,钢材板厚=9-38mm,对接接头坡口用机械方法加工。(2)焊条烘干350/1h,2、施焊(1)按图1装配,保证中间待焊试样焊缝处有2mm间隙;(2)试板两端各在60mm范围内施焊拘束焊缝(R307,4mm),采用双面焊,注意防止角变形和未焊透。(3)试验焊缝焊接。用R3074mm焊条,焊接电流170±10A,焊接电压24±2V,焊接速度150±10mm/min,焊缝如图2所示。(4)焊完后的试件经自然冷却24h;(5)喷渗透剂,放置10分钟,测量表面裂纹;(6)用砂轮切割机切断试样,并
4、用角向砂轮磨平,检测根部裂纹;(7)用砂轮切割机在试验焊缝上切下5块试片,并用角向砂轮磨平,检测5个断面上的裂纹深度。五、实验记录(1)表面裂纹率根据图3按下式计算:Cf lf /L100%;Cf表面裂纹率(%); lf表面裂纹长度之和(mm);L试验焊缝长度(mm)。(2)根部裂纹率:根据图3按下式计算:Cr lr /L100%;Cr根部裂纹率(%); lr根部裂纹长度之和(mm);(3)断面裂纹率:根据图34按下式计算:Cs Hs / H100%Cs断面裂纹率(%); Hs5个断面上裂纹深度之和(mm); H5个断面焊缝最小厚度之和(mm);图3六、说明由于斜Y形坡口焊接裂纹试验接头的拘束
5、度比实际结构大,根部尖角又有应力集中,所以试验条件比较苛刻。对低合金钢,在这种试验中表面裂纹率不超过20(但不应有根部裂纹),在实际结构焊接时就不致发生裂纹。 实验二 不锈钢焊接接头的晶间腐蚀实验一、实验目的1、了解不同焊接方法和参数对不锈钢焊接性能的影响;2、了解焊接过程对不同化学成分A不锈钢晶间腐蚀影响。二、实验装置及实验材料C法电解浸蚀装置1 套金相显微镜1 台吹风机1 个10%草酸(C2H2O4·2H2)水溶液 1000mL1Cr18Ni9Ti(或1Cr18Ni9)钢手弧焊或TIG焊试片6对秒表1只乙醇、丙酮、棉花、各号金相砂纸等若干三、实验原理图1 奥氏体不锈钢焊接接头各区
6、示意图晶间腐蚀是沿晶粒边界发生的腐蚀现象 。现以18-8型奥氐体不锈钢中最常用的含稳定元素的1Cr18Ni9Ti钢为例 ,来讨论晶间腐蚀的问题。1Cr18Ni9Ti钢含0.02%C和0.8%Ti。碳在室温奥氏体中的最大溶解度低于0.03%,多余的碳则通过固熔处理与钛结合形成稳定的碳化物TiC。由于钛对碳的固定作用,避免了在晶界形成碳化铬,从而防止了晶间腐蚀的产生。故1Cr18Ni9Ti钢具有抗晶间腐蚀能力,一般不会产生晶间腐蚀现象。然而在焊接接头中,情况有所不同。奥氏体不锈钢的焊接接头,通常可分为以下几个区域(见图1)1、焊缝金属 主要为柱状树枝晶,是单相奥氏体组织还是双相组织,将取决于母材和
7、填充金属的化学成分。2、过热区 加热超过1200的近缝区,晶粒有明显的长大。3、敏化区 加热峰值温度在600-1000的区域,组织无明显变化。对于不含稳定化元素的18-8钢,可能出现晶界碳化铬的析出。产生贫铬层,有晶间腐蚀倾向。4、母材金属 对于含稳定化元素的18-8钢,如1Cr18Ni9Ti钢,峰值温度超过1200的过热区发生TiC分解量愈大,从而使稳定化作用大为减弱,甚至完全消失。在随后的冷却过程中,由于碳原子的体积很小,扩散能力比钛原子强,碳原子趋于向奥氏体晶界扩散迁移,而钛原子则来不及扩散仍保留在奥氏体点阵节点上。因此,碳原子析集于晶界附近成为过饱和状态。当上述过热区再次受到600-8
8、00中温敏化加热或长期工作在上述温度范围时,碳原子优先以很快的速度向晶界扩散。此时,铬原子的扩散速度虽比碳原子慢,但比钛原子快,且浓度也远比钛高,因而易于在晶界附近形成铬的碳化物(Fe,Cr)23C6。温度愈高,TiC分解后合金元素碳和铬的固溶量愈多,碳化物析出量愈大(图2)。上述碳化物的铬、碳含量很高,但晶粒内部铬的扩散速度比碳的扩散速度慢,所以在形成铬的碳化物时,富集在晶界的碳,与晶粒表层的铬结合以后,晶粒中的铬不能及时均匀化,致使靠近晶界的晶粒表面一个薄层严重缺铬,铬的浓度低于临界值12%Cr(图3)。此时,奥氏体晶粒内和晶界碳化物(图3中的1、2部分)由于含铬量高而带正电位,而贫铬层(
9、图3中的3部分)由于含铬量低于12%而带负电位。如果将这种具备电化学腐蚀条件的焊接接头放入腐蚀介质中,带负电位的贫铬层就会成为被消耗的阳极而遭受腐蚀。这样,由于“高温过热”和“中温敏化”这两个依次进行的热作用过程,造成了含稳定化元素的18-8钢特殊的晶间腐蚀,这种腐蚀只发生在紧靠焊缝的过热区3-5个晶粒范围,在工件表面上较宽,向接头内部逐渐变窄,呈刀形,故又称“刀蚀”。预防措施:采用超低碳不锈钢,含碳量希望小于0.06%。在工艺上,尽量减小近缝区过热,特别要避免在焊接过程中就产生“中温敏化”的加热效果。由此可见,“高温过热”和“中温敏化”是产生刀蚀的必要条件。对于焊接接头,“高温过热”这一条件
10、是由焊接热作用过程自然形成的,因此只需要进行一次“中温敏化”处理,就可根据GB1223-75标准进行晶间腐蚀试验。图2 188钢热影响区碳化物分布(a) 敏化加热前;(b)敏化加热后。1奥氏体晶粒;2晶界处碳化物;3贫铬层图3 析出碳化物对晶界处铬浓度的影响四、实验方法及步骤 无论是晶间腐蚀还是刀口腐蚀,都是经过腐蚀介质作用之后才发生的。为了确定产品在使用条件下是否有足够的抗晶间腐蚀和抗刀蚀的能力,必须在产品焊接之前,先用相同的材料在相同的工艺条件下焊出试样,经腐蚀试验合格后才正式投产。腐蚀试验最理想的方法,是在产品实际工作条件下 (包括工作温度、介质等)进行长时间的试验,但由于周期太长,故通
11、常是在实验室进行小型试样的加速试验。 (一)试验方法 根据国家标准GBl223-75试验晶间腐蚀倾向的方法共有五种,对于18-8钢主要采用C法、T法和X法三种试验方法。 1、C法 草酸电解浸蚀试验,又称草酸阳极腐蚀试验,实验装置如图5.1所示。图中不锈钢容器接电源的负极。若采用玻璃烧杯作容器,则负极端接一厚度为lmm左右的不锈钢薄板,并放置于杯底,腐蚀液采用10%的草酸水溶液。该试验简单、方便、迅速,一般不超过两分钟,但不如其它试验方法严格,常作为其它试验方法前的筛选试验方法 (不适用于含钼、钛的不锈耐酸钢),也可做为独立的无损检验方法。 2.T-法 铜屑、硫酸铜和硫酸沸腾试验。该试验方法是将
12、规定尺寸的试样放在加有铜屑的硫酸铜和硫酸的水溶液中沸腾24小时,然后弯曲成90度,用10倍放大镜观察,以不出现横向裂纹为合格,或在金相显微镜下规察,如发现晶间有明显的腐蚀痕迹,即为有晶间腐蚀倾向。3、X法 硝酸沸腾试验。该试验方法是将试片放在65%沸腾硝酸中,每周期沸腾48小时,试验三个周期。每周期试验后取出试样,刷洗干净、干燥、称重。然后按下式计算腐蚀速度,以其中最大者为准。 式中 S一 一腐蚀速度 (mm/a);W一 一每周期试样失重 (g);A一 一试样表面积 ();d一 一试样密度 ()。S>2mm/a时不合格。4T法和X法分别为国际通用的B法和E法,试验条件严格,需要一定的专门
13、装置,试验周期较长,因此一般常用C法进行试验。当C法试验评定认为有问题时,进一步做T法或义法试验,并以T法或X法试验结果为准。对于18-8钢焊接接头,由于母材一般已经过晶间腐蚀试验评定合格,故可采用C法与母材同时进行对比试验。(二)实验步骤1、 试样制备(1)从同一钢板上取材,按表1要求制备试样(焊条电弧焊焊条为A307,焊接电流为90A)。表1腐蚀试样的制备及试样尺寸试样数量(个)试样尺寸(mm)说 明长宽厚母 材2205沿轧制方向选取单条焊缝2205焊缝位于试样中部交叉焊缝4305焊缝交叉点位于试样中部 (2)部分试样进行“中温敏化”处理,加热至650-700,保温1-2小时。部分试样进行
14、固溶处理 (1050-1150/30min 水冷)+ 敏化处理。 (3)用砂轮或挫刀将试片表面加工,去掉棱角。 (4)按金相试片要求,用各号砂纸将试样检验表面磨平磨光,并用水冲洗干净。 (5)抛光试样表面,表面光洁度不低于10(0.8um),用水冲净,再用棉花酒精或丙酮擦净检验表面,吹干。(6)将试样检验表面浸入10%草酸溶液(把100克草酸溶于900毫升蒸馏水中),试件接电源 “+”端,同时接通电路。电流密度按试样检验表面积计算,为,试验溶液温度为20-5O,试验时间1.5-2min。 (7)取出试样用水冲洗净,用酒精或丙酮擦净检验表面,吹干。2、观察与评定 (1)用金相显微镜观察试样浸蚀表
15、面,放大倍数为150-500倍。 (2)焊接试样的浸蚀组织分为三级:一级 近缝区及母材晶界清晰,无腐蚀沟,晶粒间呈台阶状,焊缝金属铁素体被显现,如图6(a)。二级 近缝区或母材晶界有不连续腐蚀沟,晶界局部变宽,或焊缝金属铁素体被腐蚀,如图6(b)。三级 近缝区或母材晶界有连续腐蚀沟,个别晶粒的晶界被腐蚀沟完全包围,或焊缝金属铁素体严重腐蚀。(a)(b)图6 1Cr18Ni9Ti钢TIG焊熔全区附近显微组织 200(a) 未敏化处理; (b) 焊后670°C保温一小时炉冷。具体评定标准见图7。7五、实验结果的整理与分析 1、根据金相观察画出焊接接头显微组织示意图。 2、分析焊接接头各区域显微组织特征。 3、焊接接头试样产生晶间腐蚀的部位、宽度、组织特征及评定。 4、分析该焊接接头试样产生晶间腐蚀的原因。六、思考题 1、lCrl8Ni9钢和lCrl8Ni9Ti钢在焊接接头产生晶间腐蚀的机理上有何区别? 2、在晶间腐蚀试验中敏化处理的作用是什么?
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