钨极氩弧焊对低碳钢组织和性能的影响

1钨极氩弧焊对低碳钢组织和性能的影响学院：材料科学与工程学院专业：金属材料焊接专业班级：08级焊接1班姓名：郑志凯学号：080102010038指导教师：郑春雷2钨极氩弧焊对低碳钢组织和性能的影响郑志凯摘要：本文的试验采用钨极氩弧焊（TIG）方法焊接4mm厚的低碳钢钢板，分析了焊接工艺参数对焊缝金属显微组织和硬度的影响，对于选择合理的低碳钢焊接工艺有所帮助。实验结果表明，在焊接热影响区有魏氏组织形成，使焊接接头的塑性和韧性下降;随着焊接电流的增加，焊缝金属晶粒粗化。此外，焊接电流较大的情况下时，焊接接头的显微硬度会产生突变，降低了焊接接头的力学性能和使用性能。关键词：低碳钢钨极氩弧焊焊接接头焊接热影响区显微组织显微硬度中图分类号：TG406;TG407文献标识码：B低碳钢中的含碳量低，锰、硅含量较少，因此，通常情况下焊缝和热影响区不会因焊接而产生严重硬化组织或淬火组织。低碳钢焊后的接头塑性和冲击韧度良好，焊接时，一般不需预热、控制层间温度和后热，焊后也不必采用热处理改善组织，整个焊接过程不必采取特殊的工艺措施，焊接性优良，在焊接薄焊缝可以不采用焊丝做填充金属。极氩弧焊（TIG）的应用非常广泛，具有设备较简单、惰性气体保护效果好、电弧稳定、焊接质量好、可靠性高等优点，但不足的是生产效率比较低，并且对焊接施工者的技术要求较高。TIG焊可以用于几乎所有金属和合金钢的焊接，一般用于薄板的焊接及多层焊时的打底焊等情况。本文就TIG焊低碳钢钢薄板的焊接接头金属的组织形态和硬度值的变化进行了研究分析，设计一种低碳钢TIG焊的合理的焊接工艺。1.实验条件1.1实验材料与设备采用低碳钢试样，Q235薄钢板（δ=4mm），具体成分如下表1所示。表1试验用钢的化学成分（wt%）CSiMnSPAlFe0.180.21.050.0070.0150.022其余实验设备：WS-400逆变式手工/氩弧直流弧两用焊机、显微硬度计、预热干3燥器氩气（99.95%）、XJL-02A型立式金相显微镜、PF-20型抛光机、线切割机、卡尺等。1.2试验方法及步骤采用TIG直流正极性焊接，焊前对焊接表面进行打磨处理直至露出金属光泽。焊接时采用对接焊，焊件间装配间隙为0.5mm，不开破口，单面单道焊。具体焊接工艺参数如表2所示表2TIG焊接工艺参数试样编号电流极性焊接电流（A）气体流量（L/min）焊接间隙（mm）6-1直流正接120150.56-2直流正接140150.5焊后采用电火花线切割法，以焊缝中心线为对称轴且垂直于焊缝方向加工试样，试样尺寸为20mm×5mm×5mm。试样经不同粒度砂纸（150#、500#、800#、1000#）打磨，并在PF-20型抛光机上进行抛光，用4%的硝酸酒精溶液腐蚀后，分别采用XJL-02A型立式金相显微镜和显微硬度计进行接头组织观察和硬度测试。2.实验结果与分析2.2焊接接头金相显微组织分析图1为母材金相显微组织，Q235母材金相组织为细晶铁素体与片状珠光体组织。图2为焊接接头焊缝区金相组织。由图可见，图a试样1焊缝组织为沿柱状晶界分布的片状或条状先共析铁素体、晶内有少量的针状铁素体和珠光体；图b试样2的焊缝组织为沿原奥氏体晶界析出的大块状先共析铁素体，晶内有少量珠光体出现。这是由于试样1焊接时焊接电流小，焊接热输入少，导致焊缝金属冷却速度变大，所以高温停留时间短，形成少而较小的片状或细条状先共析铁素体，继续冷却在原奥氏体晶内形成针状铁素体和珠光体。而试样2的焊接电流大，冷却速度反而较50um图1母材金相组织50um50umab图2焊缝区金相组织4小，焊缝金属在高温停留的时间足够长，形成由奥氏体晶界析出的大块状先共析铁素体,又因焊缝中渗碳体有足够时间扩散，剩余较少量的渗碳体与铁素体混合形成少量的珠光体。另外，试样2焊缝金属晶粒尺寸比试样1的大，这是因为随着焊接电流的增大，焊接热输入提高，金属冷却速度减小，所以液态金属高温停留时间长，金属晶粒严重长大。以上分析表明，随着焊接电流的增加，焊缝金属的晶粒尺寸变大。因细小的晶粒可以提高焊缝的强韧性，所以试样1的焊缝较试样2焊缝具有较好的综合力学性能。图3为试样热影响区细晶区和粗晶区金相图。细晶区又称完全重结晶区，组织特征为晶粒细小而均匀的铁素体和珠光体，因而该区的塑性和韧性都比较好，具有较高的力学性能，甚至优于母材本身；粗晶区又称过热区，其紧邻熔合区，组织特征是晶粒粗大的铁素体和珠光体，甚至形成魏氏组织，因而该区脆性大，韧性低，甚至产生裂纹，是焊接接头的薄弱环节。比较图3a、b及c、d可以看出，试样1和试样2的组织形态有所变化，这是因为由于焊接热循环的影响，焊接热影响区的铁素体首先沿奥氏体晶界呈网状析出。但随着焊接电流的增大，焊接热输入提高，因此在首先析出的网状铁素体中扩展生长出相互平行的针状铁素体，然后富碳的奥氏体转变为珠光体，即形成魏氏组织。图3d，试样2的粗晶区中由于过热部分区域有魏氏组织形成。比较以上两种工艺可以看出，采用较大的焊接电流，热影响区易出现魏氏组织，恶化了焊接接头的使用性能。2.3焊接接头硬度测试分析50um50um50um50um50umabcd图3热影响区金相组织（a、b分别为试样1和试样2的细晶区，c、d分别为试样1和试样2的粗晶区）5用显微硬度计对接头横截面进行硬度测试，施加载荷为0.98N，载荷加载时间为10秒，测试方向从焊缝区中心到母材区。图4为焊接接头硬度分布曲线。如图4所示，两个试样接头金属硬度值曲线起伏较大，硬度峰值出现在焊接热影响区。这是因为热影响区的细晶区晶粒细小提高了金属的强韧性，强度和硬度之间有一定正比关系，所以硬度峰值出现在焊接热影响区。（曲线中在热影响区两侧出现的硬度值突变可能是显微硬度打在了某些硬质所致。）硬度分布100.0120.0140.0160.0180.0200.0220.00.00.40.81.21.62.02.42.83.54.55.5距焊缝中心距离/mm硬度值HV试样1试样2图4焊接接头显微硬度分布从图4中还可以看出，试样1的总体硬度值高于试样2，但在靠近焊缝金属的热影响区试样2的硬度值高于试样1。这是由于随着焊接电流的增大，焊接热输入增大，高温停留时间较长，进而促使焊缝金属的晶粒长大，试样1的焊缝金属晶粒小于试样2，所以试样1的总体硬度值高于试样2是晶粒细化所致。而在靠近焊缝金属的热影响区试样2的硬度值高于试样1，是因为试样2的焊接热影响区出现了魏氏组织，魏氏组织在很大程度上降低了金属的塑性和韧性，提高了金属的硬度。如上分析，试样2焊接接头的硬度突变较大，硬度突变越大，接头存在的残余应力越大，造成应力集中，进而恶化焊接接头的使用性能。比较而言试样1焊接接头比试样2具有较好的使用性能和力学性能。63.结论采用不同的焊接工艺参数（焊接电流）对低碳钢材料进行焊接，研究了在不同的焊接热输入情况下焊接接头的显微组织，测量了接头中的显微硬度，分析试验结果得到以下结论：3.1随着焊接热输入的增大，焊接接头的显微硬度值减小，焊缝区和热影响区的显微硬度值比母材高，显微硬度峰值出现在整个接头的热影响区部位，焊接热影响区的硬度突变会使整个接头的力学性能降低，在使用过程中容易残生裂纹.，恶化接头使用性能。3.2焊接参数不同，接头的组织和性能也会发生较大的变化。一定焊接速度下，随着焊接电流的增加，焊接热输入提高，焊缝金属晶粒越容易粗化，接头的力学性能变得越差；焊接热影响区可能会出现魏氏组织，恶化焊接接头的使用性能。参考文献[1]崔忠圻，覃耀春.金属学与热处理[M].北京：机械工业出版社，2007［2］刘会杰.焊接冶金与焊接性［M］．北京:机械工业出版社，2007.［3］王宗杰．熔焊方法及设备［M］．北京:机械工业出版社，2006．［4］李亚江.焊接组织性能与质量控制［M］．北京:化学工业出版社，2005.［5］王文翰.焊接技术手册［M］．河南科学技术出版社.［6］中国机械工程学会焊接学会.焊接手册-材料的焊接［M］．北京:机械工业出版社，2001.［7］孙茂才.金属力学性能［M］．哈尔滨工业大学出版社.