45钢是一种优质碳素结构钢，硬度不高易切削加工，在工程技术领域应用特别广泛。本次实验主要通过采用不同电流值对45钢进行施焊，研究不同的电流值对45钢焊接工艺性和焊接接头组织性能的影响规律。

本次实验主要采用了直径为3.2mm焊条在80A、100A、120A、140A时对45钢进行施焊，并观察焊接过程中，焊接电流对45钢焊接工艺性的影响，分析焊接电流对焊接接头组织性能的影响规律，最终得出在焊条直径为3.2mm时最适合45钢焊接的电流值。

实验结果表明，焊接工艺参数对焊接工艺性有很大的影响，在使用3.2mm直径焊条对45钢进行施焊时，当选取电流值为120A时候，45钢焊接工艺性较好；当使用直径3.2mm焊条对45钢进行施焊时，随着电流值的增大，所得到焊接接头焊缝区和热影响区的组织晶粒变粗大，其硬度值也逐渐增大。

综上所述：当使用直径为3.2mm的焊条进行45钢的焊接时，电流为120A时45钢的焊接工艺最好。

关键词：焊接工艺   焊接电流   显微组织  显微硬度

目 录

1.引言    - 3 -

1.1焊接工艺    - 3 -

1.1.1焊条直径    - 4 -

1.1.2焊缝的空间位置    - 4 -

1.1.3焊接电流    - 5 -

1.1.4焊件坡口    - 5 -

1.2 碳钢焊接工艺    - 5 -

1.3 45钢焊接工艺    - 6 -

1.4 45钢焊接工艺参数确定    - 6 -

2. 实验过程    - 7 -

2.1 实验材料    - 7 -

2.1.1 母材成分    - 7 -

2.2实验设备    - 8 -

2.3  实验原理    - 11 -

2.4 实验流程    - 12 -

2.5 实验方案    - 13 -

2.6 实验步骤    - 14 -

2.6.1 取样    - 14 -

2.6.2 施焊    - 14 -

2.6.3 制样    - 15 -

2.6.4 磨样    - 15 -

2.6.5 抛光    - 15 -

2.6.6 腐蚀    - 16 -

2.6.7 拍照    - 16 -

2.6.8 硬度测试    - 16 -

3. 实验结果与分析    - 18 -

3.1不同电流对焊接工艺性的影响    - 18 -

3.2 焊接电流对硬度的影响    - 19 -

3.3 不同电流对焊接接头金相组织的影响    - 19 -

3.3.1电流为140A时焊接接头金相显微组织    - 19 -

3.3.3 不同电流值焊缝区显微组织    - 20 -

3.3.4 不同电流值热影响区显微组织    - 21 -

结 论    - 23 -

参考文献    - 25 -

1.引言

1.1焊接工艺

焊接工艺包括焊接方法、焊前准备、焊接材料、焊接设备、焊接顺序、焊接操作、工艺参数以及焊后热处理等。

1.1.1焊条直径

焊条直径是根据焊件厚度、焊接位置、接头形式、焊接层数等进行选择的[3]。

（1）对根部要求均匀焊透的和背面根部底焊的对接焊缝，焊条直径可根据焊件厚度进行选用。

（2）焊件厚度相同但所处焊接位置不同，应选用不同直径的焊条。

（3）不同的接头形式应选用不同直径的焊条。

（4）开坡口的接头第一层打底焊时应选用直径较细的焊条；

（5） 平焊碳钢时, 焊条的直径与焊件的厚度有一个大体的对应关系。

表1—1 焊条直径与工件厚度的关系

按焊缝在空间所处的位置，可分为平焊、仰焊、立焊和横焊四种。其中平焊操作方便，易于保证焊接质量，生产率高，应尽可能地应用。其他位置施焊，金属液因重力作用容易下流，施焊困难，应尽量避免。若确需采用这些位置时，应采取一定的焊接措施。因此在做此次实验时采用的是平焊。

1.1.3焊接电流

焊接电流是影响焊接接头质量和生产率的主要因素。一般情况下，细焊条选小电流，粗焊条选大电流。焊接低碳钢时，焊接电流和焊条直径的关系可由下列经验公式确定：I=（35～55）d 式中：I为焊接电流（A），d为焊条直径（mm）。由于老师已指定焊条直径为3.2mm，且为平板焊接，合适电流应在100A～130A之间，为了比较不同电流对焊缝的影响，我们组在实验中选用了四个焊接电流，分别是80A、100A、120A、140A。我在本次实验中用的焊接电流为140A。

1.1.4焊件坡口

 根据设计或工艺需要，在焊件的待焊部位加工出一定几何形状的沟槽称为坡口。手弧焊时，当被焊工件较薄（板厚≤6mm）时，可采用I型坡口，当焊件厚度大于6mm时，为了保证焊缝区焊透，按板厚的不同，需要在接头处开出一定形状的坡口[1]。本实验只是为观察不同焊接电流条件下的组织和力学性性能，并且由于时间和技术有限，虽然板厚为15mm，并未开破口。

1.2 碳钢焊接工艺

碳钢的焊接性随含碳量的增加会发生明显变化。含碳量越高，工件厚度越大，则在焊接热循环作用下，近缝区产生低塑性的淬硬组织，这种脆性状态加上较大的收缩应力，会导致在近缝区产生冷裂缝。对于产生裂纹敏感性来说，在国际上用碳当量形容。当碳当量大于0.60时，就具有相当高的裂纹敏感性。为避免产生裂纹，必须采用严格的焊接工艺措施[2]。

中碳钢的碳的质量分数为0.25%～0.60%。当碳的质量分数接近0.25%而含锰量不高时，焊接性良好。随着含碳量的增加，焊接性逐渐变差。

对于中碳钢来说，通过焊前和焊后处理，以及焊接条件的选择上做到以下几个方面，可以避免很多的缺陷。

1.预热  有利于减少中碳钢热影响区的最高硬度，可以防止冷裂纹。

2.焊条  在条件允许的情况下可以选择碱性焊条。

3.坡口形式 焊件的开口尽量用U形状，如果是铸件缺陷，铲挖出的坡口外形应圆滑，其目的是减少母材熔入焊缝金属中的比例，以降低焊缝中的含碳量，防止裂纹产生。

4.焊接工艺参数  由于母材熔化到第一层焊缝金属中的比例最高达30%左右，所以第一层焊缝焊接时，应尽量采用小电流、慢焊接速度，以减小母材的熔深。

5.焊后热处理  焊后最好对焊件立即进行消除应力热处理，特别是对于大厚度焊件、高刚性结构件以及严厉条件下（动载荷或冲击载荷）工作的焊件更应如此。消除应力的回火温度为600～650℃。

1.3 45钢焊接工艺

45钢由于含C量较高,其焊接性较差,容易产生热裂纹、冷裂纹、气孔、焊接接头脆化等缺陷。当采用不同电流对45钢进行手弧焊焊接，焊后进行一些力学性能测试可知四种焊接电流中，焊接电流越大，焊接接头同一特征区晶粒越粗大；各特征区域的硬度越高；同一焊接电流下，焊缝区硬度较低，热影响区硬度较高。

1.4 45钢焊接工艺参数确定

1.焊接电源：采用交流电源；

2.焊材的选择：焊条为J422，直径为Ф3.2mm；

3.坡口：由于时间和技术的，此次实验中没有开坡口；

4.焊接电流的选择：此次焊接电流为100~130A；

5.焊前处理：焊件最好要经过前处理，此次实验没有进行焊前处理； 

6.焊前预热：用火焰加热到200℃左右，此次实验没有进行焊前预热；

7.焊后热处理：焊后立即进行热处理600-650℃左右，然后缓冷；焊前预热有利于减低中碳钢热影响区的最高硬度，防止产生冷裂纹，这是焊接中碳钢的主要工艺措施，预热还能改善接头塑性，减小焊后残余应力。此次焊接实验没有进行焊后热处理；

2. 实验过程

2.1 实验材料

2.1.1 母材成分

本次实验所用所用母材主要是45钢钢板，厚度为15mm。45钢主要成分是:C含量0.42%-0.50%、Mn含量0.50%-0.80%、Si含量0.17%-0.37%、Cr含量不大于0.25%、Ni含量不大于0.30%。

2.1.2 焊接材料

J422焊条的组成：由焊芯和药皮两部分组成。焊条中被药皮包覆的金属芯是焊芯，其主要作用是导电，在焊条端部形成电弧，同时焊芯靠电弧热熔化后，冷却形成具有一定成分的熔敷金属。焊条中涂在焊芯表面上的涂料称为药皮。其主要作用是机械 保护作用、冶金处理作用和改善焊接工艺性能。

J422焊条主要用于焊接较重要的低碳钢结构和强度等级低的低合金钢，一般用于焊接钢结构和普通碳钢管道的焊接。J422焊条直径从2.5mm到6.0mm不等，可以进行全位置焊接，交直流两用。具有优良的焊接工艺性能和力学性能，电弧稳定，飞溅少，脱渣容易，焊缝成型美观。

2.2实验设备

本实验使用到的实验设备及主要工具有：钨极交、直流方波氩弧焊电源（焊机型号WANBO-WSE-350）如图2-3，型材切割机（J1G-DI-355）如图2-4，250毫米落地砂轮机如图2-5，华银HV-1000A维氏显微硬度计如图2-6，粗抛光机如图2-7,精抛光机如图2-8， BM-4XD倒置金相显微镜如图2-9，砂纸，腐蚀剂，抛光粉，锉刀，量杯，烧杯，镊子，医用棉球等。  

图2-3钨极交、直流方波氩弧焊电源         图2-4型材切割机

图2-5 落地砂轮机

               图2-6 华银HV-1000A显微硬度计

图2-7粗抛机                       图2-8 精刨机

                  图2-9  BM-4XD倒置金相显微镜

2.3  实验原理

图2—11 熔池金属结晶示意图

电弧焊作为一种熔化焊，是通过加热使被焊金属的联接处达到熔化状态，焊缝金属凝固后实现金属的焊接。焊接接头处的焊缝金属和母材具有交互结晶的特征，图2—10为母材和焊缝金属交互结晶的示意图。由图可知，焊缝金属与联接处母材具有共晶现象，即熔池金属的结晶是从熔合区母材的半熔化晶粒上开始向焊缝中心成长的。这种结晶形式称为交互结晶或联生结晶。当晶体最易长大方向与散热最快方向一致时，晶体便优先得到成长，有的晶体由于取向不利于成长，晶粒的成长会被遏止。这就是所谓选择长大，并形成焊缝中的柱状晶[4]。

在图中显示，随着晶粒的成长，熔池中晶粒界面前的浓度过冷和温度梯度也随着发生变化。因而，熔池全部凝固以后，各处将会出现不同的结晶形态。在焊接熔池的熔化边界上，温度梯度G较大，结晶速度R很小，因此此处的浓度过冷最小，随着焊接熔池的结晶。温度梯度G由熔化边界处直到焊缝中心逐渐变小，熔池的结晶速度R却逐渐增大，到焊缝中心处，温度梯度最小，结晶速度最大。

     热影响区是焊接或切割过程中，材料因受热的影响（但未熔化）而发生金相组织和力学性能变化的区域。按其组织特征又可分为以下四个区域：过热区（粗晶区） 指焊接热影响区中，具有过热组织或晶粒显著粗大的区域此区的温度范围为固相线至1100℃，因加热温度过高，奥氏体晶粒急剧长大，使其塑性明显下降，尤其是冲击韧度下降20％-30％，对于易淬火钢，此区脆性更大，是热影响区中性能最差的部位。焊接刚度大的结构件时，常在过热粗晶区产生脆化或裂纹。

   细晶区是焊接时母材被加热到1100℃～Ac3的部位，将发生重结晶，将发生重结晶，即铁素体和珠光体全部变为奥氏体，然后在空气中冷却得到细小均匀的铁素体和珠光体，相当于热处理的正火组织。此区域的塑性和韧性都较好，是焊接热影响区中性能最好的区域。

熔合区为焊缝与母材相邻的部位，又称半熔化区，温度处于液相线与固相线之间。这个区域的微观行为十分复杂，焊缝与母材的不规则结合，形成了参差不齐的分界面。此区域的范围很窄，但由于在化学成分上和组织性能上都有较大的不均匀性，所以对焊接接头的强度、韧性有很大影响。在许多情况下熔合区是产生裂纹、脆性破坏的发源地[5]。

2.4 实验流程

                            图2—12 实验流程图

2.5 实验方案

焊接电流是影响焊接接头质量和生产率的主要因素。电流过大，金属熔化快，熔深大、金属飞溅大，同时易产生烧穿、咬边等缺陷；电流过小，易产生未焊透、夹渣等缺陷，而且生产率低。确定焊接电流时，应考虑到焊条直径、焊件厚度、接头型式、焊接位置等因素，其中主要的是焊条直径。可根据生产经验选择焊接电流：看飞溅，焊接电流大致使电弧力增大。飞溅大； 焊接电流小时电弧力小， 熔渣与铁水不易分清。 看焊缝成型：焊接电流大容易咬边，余高小；焊接电流小，焊缝窄而高。看焊条熔化状况：焊接电流大，焊条熔化快而发红，焊接电流小容易粘弧[6]。 

一般情况下，细焊条选小电流，粗焊条选大电流。焊接低碳钢时，焊接电流和焊条直径的关系可由下列经验公式确定：I=（35～55）d  式中：I为焊接电流（A），d为焊条直径（mm）。由于老师已指定焊条直径为3.2mm，且为平板焊接，合适电流应在100A～130A之间，为了比较不同电流对焊缝的影响，我们组在实验中选用了四个焊接电流，分别是80A、100A、120A、140A。我在实验中用的焊接电流为140A。  

2.6 实验步骤

2.6.1 取样

 在进行焊接前，我们要将45钢的15mm的钢板切割成条状，以便我们焊接，同时也可以节省原材料，避免原材料的浪费。

2.6.2 施焊

这是很重要的一环，在焊接过程中，我们要特别注意安全，所以我们要注意每一个步骤。

（1）将工件放置在焊机附近。确定交流电开关的位置防止突发事件的发生。确保焊机接地。

（2）保证焊机和工件周围区域干燥。

（3）保证电弧附近没有易燃物质，现场准备好灭火器材。

（4）根据工作需求，选择所需直径的焊条。

（5）设置适合的极性和焊接电流。

（6）将电缆连接到工件上，仍需把现场的地面打扫干净。

（7）准备好焊条、焊接安全用具（防护面罩、防护帽、防护手套和皮鞋）。从步骤（1）开始就应该带防护眼镜，并一直与防护面罩一起使用。

（8）开启焊机，将焊条夹人焊钳，拉下防护面罩，然后引弧并开始焊接。熟悉以上步骤以后，选取所需要的试样和所需的电流和焊条，按照安全步骤焊接

2.6.3 制样

为了便于后续的步骤，取样时应考虑取样的部位、光整，切取的方法，以及检验面的选择等。金相试样的大小，以便于握持，易于磨制为好，不易过大或过小。

2.6.4 磨样

磨样分为粗磨和细磨,粗磨就是将试样在砂轮机上磨出一个平面,并倒45 的倾斜角。细磨即将试样在金相砂纸上磨，我们 使用的金相砂纸是：0号（320 ＃）；01 号（400 ＃）；02号（500 ＃）；03号（600 ＃）；－04号（800 ＃），号数越大, 砂纸越细,细磨时从最粗的开始磨,磨的步骤如下: 为了保证磨面平整不产生塌边和弧度，应单方向进行。磨削时应顺号进行，不宜跳号。当新的磨痕盖过旧的磨痕,更换下一号砂布。换砂布时，试样转90 ，使新的磨痕垂直旧磨痕，易于观察粗痕的逐渐消除。以此类推，一直磨到05号。 

2.6.5 抛光

经细磨后的试样需要清洗，除去铁屑、砂，以便于进一步抛光，抛光的目的是除去细磨时遗留下来的细微磨痕而获得光亮无疵的镜面。金相抛光一般可分为机械抛光，电解抛光和化学抛光。实验中我们采用机械抛光。下面介绍机械抛光机的工作原理：机械抛光在金相制样抛光机上进行，抛光机主要是由一个电动机和被带动的一个或两个抛光盘组成，转速200～600 转/分，抛光盘上铺以不同材料的抛光布，粗抛时常用帆布粗抛，细抛时常用绒布、细呢或丝绸。抛光时在抛光盘上不断滴注抛光液，抛光液一般为Al O  、Mg O和Cr O 等 。在水中的悬浮液，有时也在抛光盘上涂以极细钻石粉制成 的膏状抛光剂。 

机械抛光是靠极细的抛光粉末与磨面间产生的相对磨削和滚压作用来消除磨痕的。抛光时应将试样磨面均匀地、平 正地压在旋转着地抛光盘近中心处，压力不宜过大，并沿盘的边缘到中心不断地来回移动。在抛光的最后阶段，可将试样转180作反向抛光，防止夹杂物的“拖尾”现象。 

2.6.6 腐蚀 

试样抛光后（化学抛光除外），在显微镜下只能看到光亮的磨面及夹杂物等，要对试样的组织进行显微分析，试样还须经过腐蚀，常用的腐蚀方法为化学腐蚀法。化学腐蚀是将抛光好的样品磨面在化学腐蚀剂中腐蚀一定时间，从而显示出试样的组织。实验中常用的腐蚀剂为4％的酒精溶液。

2.6.7 拍照

拍照主要是找到我们所需要的区域，便于以后的组织分析，主要是对母材、焊缝和热影响区的观察。

2.6.8 硬度测试

本次试验测试的力学性能指标为硬度，采用的硬度测试设备为华银HV-1000A维氏显微硬度计。硬度测定是机械性能试验中最简单、最常用的一种方式，常用的方法为压入法。其标志为反映固体材料在受到其他物体压入时所表现出的抵抗弹性变形、塑性变形和破裂的综合能力。若将硬度测量对象缩小到显微尺寸以内，就称为显微硬度试验[7]。

显微硬度测试试验采用静力压入法，压头是一个极小的金刚石角锥体，在测试硬度时，要根据组织的分布来确定每个区的硬度分布[6]。转动目镜，使目镜对着试样，缓慢摇动右下方手柄直至目镜内出现试样组织，然后小心摇动手柄，以防试样和物镜相碰。当目镜里组织最清晰时停止摇动手柄。按下操作界面上的加载按钮，压头自动加载、保荷、卸荷，卸荷后目镜自动转回中心位置，这时目镜里会出现如图2-13所示的小菱形，通过目镜两边手柄测量菱形的两条对角线并记录下来。显微维氏硬度压头为菱面锥体压头，它的硬度值是用试验力除以压痕表面积所得的商表示，压痕面积根据压痕对角线长度求的。在具体操作时，只需按选定的试验力，将测得的对角线长度输入系统，即可获得显微硬度值。

图2—13 菱形形状

3. 实验结果与分析

3.1不同电流对焊接工艺性的影响

表3—1焊接电流对焊接工艺性的影响

综上所述，焊条直径为3.2mm时，焊接电流120A的焊接工艺性较好。

3.2 焊接电流对硬度的影响

表3—2硬度测试值表 

     从以上图中显示，焊接电流逐渐增大，熔合区、热影响区和焊缝区硬度均体现出逐渐增大的趋势。各直径下的电流中，电流比较低时，硬度也比较低，但是电流过高则硬度过高，从而使碳钢的韧性和塑性降低，只有中间电流的力学性能最为合适。

3.3 不同电流对焊接接头金相组织的影响

3.3.1电流为140A时焊接接头金相显微组织 

(a)焊缝区显微组织 400X                  （b）热影响区显微组织 400X

                         （c）母材显微组织 400X

图3—2 电流为140A时焊接接头金相显微组织

 本次我所做的实验是电流为140A时45钢焊接工艺的设计。通过以上金相显微组织图的对比可以得到，母材的组织为铁素体和珠光体，焊接后，

焊接接头的组织逐渐转变为柱状晶。

3.3.2 不同电流值焊缝区显微组织

80A焊缝区显微组织 400X           100A焊缝区显微组织 400X

120A焊缝区显微组织 400X         140A焊缝区显微组织 400X

图3—3不同电流值焊缝区的显微组织

由以上图表分析可以得出，焊缝区由液相向奥氏体(快冷、成柱状)转变，随后冷却时由柱状奥氏体晶界上析出铁素体把柱状结晶的轮廓勾划出来。

3.3.3 不同电流值热影响区显微组织

80A热影响区显微组织 400X      100A热影响区显微组织 400X

 120A热影响区显微组织 400X       140A热影响区显微组织 400X

图3—4不同电流值热影响区显微组织

由于母材是45钢，它比低碳钢有较好的可淬性，在焊后的冷却过程中，母材热影响区过热区出现大量的马氏体。马氏体相变的产生使热影响区存在很大的组织应力，很容易发生开裂。

结 论

本实验主要研究了焊条直径为3.2mm时焊接电流对45钢焊接接头的焊缝区、熔合区和热影响区硬度值和显微组织的影响。通过一系列的试验和分析讨论可以得到以下结论：

（1） 在其他条件一定的情况下，随着手工电弧焊焊接电流的增大，焊接的引弧形，稳弧形，脱渣性以及焊缝成形性都逐渐变好，但是电弧吹力和飞溅比较大；

（2） 焊条直径相同时，随着焊接电流的增大，焊接接头焊缝区、熔合区和热影响区的显微组织晶粒随之变大；晶粒度逐渐粗化；

（3） 随着焊接电流的增大，焊接接头焊缝区、熔合区和热影响区的硬度值也随之变大。

（4）焊条直径为3.2mm时，45钢最佳的焊接电流是120A。

参考文献

[1]  张文钺主编. 焊接冶金学（基本原理）.北京：机械工业出版社，1999

[2]  李亚江主编. 焊接冶金学（材料焊接性）.北京：机械工业出版社，2006

[3]  廖立乾等. 焊条的设计，制造与使用.北京：机械工业出版社，1988

[4]  张文钺. 金属熔焊原理及工艺（上册）.北京：机械工业出版社，1980

[5]  王宗杰主编. 熔焊方法及设备.北京：机械工业出版社，2006

[6]  朱张校，姚可夫主编. 工程材料.北京：清华大学出版社，2009

[7]  吴培英主编. 金属材料学.北京：国防工业出版社，1981下载本文