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1、Chapter 2 Chapter 2 金属材料金属材料 的焊接性能的焊接性能 第一篇 连接成形理论基础 1 返 回 本章讲授目的 重点掌握： 焊接性概念和评价方法，尤其是碳当量法 利用焊接性分析材料在指定焊接工艺条件 下可能出现的问题 2 金属材料的焊接性 碳钢的焊接 本章主要内容 有色金属的焊接 铸铁的焊补 3 p1. 金属材料焊接性的概念 焊接性（Weldability） 指被焊金属在限定的施工条件（焊接方法、焊接材料 、工艺参数及结构型式），焊接成按规定设计要求的构件 ，并满足预定服役要求的能力。 即金属材料在一定的焊接工艺条件下，表现出的焊接 难易程度。 一、金属材料的焊接性 工艺简
2、单、接头质量高、性能好称为焊接性好 4 讨论： p 正确区别“焊接”和“焊接性”； p 分析研究焊接性的目的。 5 工艺焊接性:金属或材料在一定的焊接工艺条件下， 能否获得优质致密、无缺陷和具有一定使用性能的焊接 接头的能力。 使用焊接性:焊接接头或整体焊接结构满足技术条件 所规定的各种性能的程度，包括常规的力学性能(强度 、塑性、韧性等)或特定工作条件下的使用性能，如低 温韧性、断裂韧性、高温蠕变强度、持久强度、疲劳性 能以及耐蚀性、耐磨性等。 使用焊接性 工艺焊接性 接头使用可靠性 焊接缺陷倾向 （1）焊接性分类 6 焊接过程 热过程,HAZ 冶金过程,WM 热焊接性 冶金焊接性 冶金焊接
3、性:指熔焊高温下的熔池金属与气相、熔渣等 相之间发生化学冶金反应所引起的焊接性变化。 热焊接性:焊接过程中要向接头区域输人很多热量，对 焊缝附近区域形成加热和冷却过程，这对靠近焊缝的热影响 区的组织性能有很大影响，从而引起热影响区硬度、强度、 韧性、耐蚀性等的变化。 7 （2）影响焊接性的因素： 材料（母材和焊材的化学成份和性能等） 例如：碳及合金元素含量增加使焊接区容易开裂 工艺设计（焊接方法、焊接工艺、结构） 例如：活泼性Ti采用氩弧焊焊接性好、结构设计时注 意减少焊接缺陷、多向应力和应力集中 服役环境（工作温度、环境和负荷等） 例如：工作温度高时，可能产生蠕变；工作温度低或 载荷为冲击载
4、荷时，容易发生脆性破坏；工作介质有 腐蚀性时，接头要求具有耐腐蚀性。使用条件越不利 ，焊接性就越不易保证。 8 材料因素如：焊接材料 焊 接 材 料 种类 供给方式 电极 药芯焊丝 实心焊丝 烧结型 熔炼型 焊条 焊丝 焊剂 保护气体 焊炬保护气体 背面保护气体 控制熔池用气体 控制电弧用气体 自保护 连续供给 手工 固定 填入 熔化 非熔化 9 设计因素：结构类型、接头形式 接 头 形 式 对接接头 T型接头 十字接头 角接接头 搭接接头 堆 焊 结 构 类 型 圆筒结构 球形结构 管 结 构 平板结构 框架结构 装配结构 完全焊透 部分焊透 双面焊 单面焊 衬垫焊 无衬垫 水冷铜壁板 10
5、 工艺因素如：熔焊方法 熔 焊 方 法 手工电弧焊 自动埋弧焊 MIG/MAG TIG 等离子弧焊 气电立焊 自保护电弧焊 电渣焊 电子束焊 激光焊 气焊 其它 焊 接 位 置 平焊 横焊 立焊 仰焊 11 各种金属材料焊接难易程度一览表 12 横看：没有一种母材所有焊接方法都适用 竖看：没有一种焊接方法所有母材都适用 13 p2. 钢的焊接性评价方法 碳、合金元素含量 焊接性 国际焊接学会 IIW 碳钢及低 合金钢 碳对冷裂纹敏感性的影响最明显，其它元素的影响 折合成碳的影响。 间接方法 （1）碳当量 14 CE0.4%，钢材塑性良好，淬硬和冷裂纹倾向不 明显，可焊性良好。一般不会产生裂纹，
6、但对厚大工件 或低温下焊接时应考虑预热。 CE=0.4%0.6%，钢材塑性下降，淬硬和冷裂倾向 明显，可焊性较差。需要焊前预热，焊后缓冷及一定的 焊接工艺措施。 CE0.6%，钢材塑性较低，淬硬和冷裂倾向很强 ，可焊性很差。焊前预热，减少焊接应力和防止开裂， 焊后热处理。 碳当量越高，焊接性越差 板厚和焊接条件影响？ 15 u日本JIS u此式适用于低合金调质钢，其化学成分范围：C0.2 或0.18；Si 0.55；Mn1.5%；Cu 0.5%； Ni2.5%；Cr1.25%；Mo 0.7%；V0.1%； B0.006%。 碳当量其它公式 16 根据钢材强度和碳当量确定预热要求 钢钢材强度级别
7、级别 b/MPa碳当量Ceq（JIS）/%工艺艺措施 5000.46焊时焊时 不需预热预热 6000.52焊焊前预热预热 75 7000.52 焊焊前预热预热 100 8000.62 焊焊前预热预热 150 钢板厚度小于25mm，采用焊条电弧焊，焊接热输入17KJ/cm。 17 u美国焊接学会AWS u此式适合化学成分范围：C0.6；Mn1.6%；Ni 3.3% ；Cr 1.0%；Mo0.6%；P：0.050.15%。Cu：0.51.0% ；当Cu0.5或P0.05时不计入。 18 焊接性与碳当量的关系 19 不同条件下的预热要求 焊焊接性 用普通酸性焊焊 条 用低氢焊氢焊 条 消除应应 力
8、敲击处击处 理 优优 良 不需预热预热不需预热预热 不需不需 较较 好 预热预热 40100 -10 以上不需预预 热热 任意任意 尚好预热预热 150预热预热 40100希望希望 可以预热预热 150200预热预热 100必须须 希望 20 （2）焊接冷裂纹敏感指数法 考虑化学成分、焊缝金属组织、扩散氢含量H、接头 拘束度（板厚）等，依据Y形坡口铁研试验，得出 冷裂纹敏感性公式/%预热温度/应用条件 适用于wC0.17%的低 合金钢，H1- 5mL/100g，19- 50mm 适用于wC0.17%的低 合金钢，H 5mL/100g，R500- 33000MPa PHT考虑了氢在熔区附 近的聚
9、集 为冷裂纹敏感系数， 21 （3）焊接热裂纹敏感指数法 考虑化学成分对焊接热裂纹敏感性的影响 热裂纹敏感系数HCS，越大热裂纹敏感性越高。 临界应变增长率CST，CST6.5104时可防止热裂纹 （4）消除应力裂纹敏感性指数法，利用合金元素对 消除应力裂纹敏感性的影响 （5）层状撕裂敏感性指数法 （6）焊接热影响区最高硬度法Hmax GB 4675.5-1984焊接性试验 焊接热影响区最高硬度试验方法 22 从一般焊接工艺焊 后有无裂缝或裂缝多少， 初步评定试板材料的可焊 性；调整工艺（如预热、 缓冷等）再焊接试板，达 到不裂，从而制订出合理 的焊接工艺规程与规范。 直接方法 针对钢材在焊接
10、过程中出现的裂纹设计的直观评价 23 焊接冷裂纹试验：插销试验、斜Y坡口对接试验、拉伸 拘束裂纹试验（TRC）、刚性拘束裂纹试验（RRC） 焊接热裂纹试验：窗形拘束对接裂纹试验、刚性固定对 接裂纹试验等 再热裂纹试验：H型拘束试验、缺口试棒应力松弛试验 、U形弯曲试验等 层状撕裂试验：Z向拉伸、Z向窗口试验等 脆性断裂试验：低温冲击试验、落锤试验、裂纹张开位 移试验等 直接方法包括： 24 二、碳钢和合金钢的焊接 碳钢的分类（按碳的质量百分数） 低碳钢（C：0.25） 中碳钢（C：0.25 C 0.6） 高碳钢（C：0.6） 合金钢的分类（按合金元素含量 ） 低合金钢（合金含量10%） 25
11、低碳钢含碳量不大于0.25%，塑性好，一般没有 淬硬倾向，对焊接热过程不敏感，可焊性良好。 p1. 低碳钢的焊接 可以采用各种方法进行焊接，应用最广泛的是焊 条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊和电阻焊等。 26 通常焊接时，不需要采取特殊的工艺措施，通常 在焊后不需要热处理（电渣焊除外?请同学们思 考一下原因）。 大于50mm的低碳钢结构常用大电流多层焊，焊后 进行消除内应力退火。低温焊接大结构件时，应进行 焊前预热，防止应力和变形。 焊材与工艺主要保证焊接接头与工件材料等强度 。 27 p2. 中、高碳钢的焊接 中、高碳钢含碳量在0.25%以上，随含碳量 的增加，淬硬倾向愈发明显，可焊性逐渐变差
12、。 28 热影响区易产生淬硬组织和冷裂缝 中碳钢属于易淬火钢，HAZ被加热超过淬火温度的区 段时，受工件低温部分的迅速冷却作用，将出现M等淬硬组 织。刚性较大或工艺不恰当时，焊接接头焊后冷却到相变 温度以下或常温后产生冷裂纹。 焊缝金属热裂纹倾向较大 因母材含碳量与硫、磷杂质远远高于焊条钢芯，母 材熔化后进入熔池，使焊缝金属含碳量增加塑性下降，加 上硫、磷低熔点杂质的存在，焊缝及熔合区在相变前就可 能因内应力而产生裂纹（热裂纹）。 中碳钢焊接特点： 29 焊条电弧焊，选用抗裂能力较强的低氢型焊条，如 J506、J507或J427等。 采用细焊条、小电流、开坡口、多层焊，防止焊件 过多熔入焊缝（
13、增加碳含量，降低塑性），同时减小 HAZ宽度。 焊前必须进行预热，使焊接时工件各部分的温差减 小，以减小焊接应力，同时减慢热影响区的冷却速度 ，避免产生淬硬组织。焊后热处理。 焊材及工艺 30 p3. 合金结构钢的焊接 低合金钢的焊接特点 ： 热影响区的淬硬倾向 HAZ可能产生淬硬组织，淬硬程度与钢材的化学成 分和强度级别有关。碳及合金元素越多，钢材强度级别 越高，HAZ的淬硬倾向也越大。强度级别大于450MPa级 的低合金钢，淬硬倾向增加，热影响区容易产生马氏体 组织，形成淬火区，硬度明显增加，塑性、韧性则下降 。 焊接接头的裂纹倾向 钢材强度级别提高，产生冷裂纹的倾向加剧。由于 合金元素M
14、n的存在，有利于脱硫，热裂纹倾向不大。 31 强度级别低的钢材，焊接同低碳钢。 低温、大刚度、大厚件进行小焊脚、短焊缝焊接时 ，应防止淬硬组织。增大电流、慢速焊接、选用抗裂性 强的低氢型焊条，必要时进行预热。 对锅炉等重要件，当厚度大于20mm时，焊后必须进 行退火处理，消除内应力。 对强度级别高的低合金钢件，焊前必须进行预热， 调整焊接参数减慢热影响区的冷却速度。焊后进行热 处理，消除内应力。 焊材及工艺 32 不锈钢的焊接 马氏体不锈钢（Cr13型） 奥氏体不锈钢含铬大于18%，还含有 8%左右 的镍及少量钼、钛、氮等元素 （Cr18Ni9型） 304（0Cr18Ni9） 铁素体不锈钢含铬
15、1230%（Cr17型） 不锈钢的种类 焊接性较差 （冷裂纹和淬硬脆化 ） 焊前预热，焊后缓冷及热处理 ，采用奥氏体不锈钢焊条。 焊接性良好 焊接性较差（过热晶粒引起 脆化和裂纹） 低温预热（ 150 ）减少高温停留时间 33 三、铸铁的焊补 铸铁的焊接特点： （1）局部加热，冷速快，熔合区易产生硬度高难机加工 的白口组织； （2）铸铁强度低、塑性差，应力下易产生裂纹； （3）高含碳量形成CO和CO2，快冷时来不及逸出，易 产生气孔 Fe-C相图上， 2.11%含碳量6.69%，碳含量高 ，组织不均匀，塑性低，焊接性很差。通常用于局部损 坏或断裂的修补工作焊补。 34 p1. 热焊法 热焊 铸件预热到600700进行焊接，焊后缓冷 。 焊接方法： 气焊、手工电弧焊（铸铁焊条） 焊补质量好， 成本高，劳动条件差，生产率低， 中等厚度铸件及焊后要加工的复杂、重要的 铸件, 如：内燃机缸盖、气缸体、机床床身等 。 特点： 应用 ： 35 p 2. 冷焊法 冷焊 铸件一般不预热或较低温度预热。 特点：依靠焊条来调整焊缝的化学成分，以防止白口 组织和裂纹。 应用： 镍基焊条 结构钢焊条 补焊质量好，成本高。 用于重要铸铁件加工表面焊补 焊补质量低，用于非
