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1、焊接冶金与金属焊接性,第六章 金属焊接性与焊接方法,第一节：焊接性与焊接性试验 第二节：合金钢的焊接 第三节：异种钢焊接问题 第四节：焊接方法特点,1-1 金属焊接性概念,一、金属焊接性概念 金属材料在限定的施工条件下，焊接成规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。GB/T3375-94焊接术语 ,它包括两方面的内容： A、结合性能：即在一定的焊接工艺条件下，被焊金属形成焊接缺陷（裂纹、夹渣、气孔等）的敏感性； B、使用性能：即在一定的焊接工艺条件下，被焊金属的焊接接头对使用性能要求的适应性。,好焊与不好焊的问题,第六章 金 属 焊 接 性,（二）工艺焊接性,材料具有一定的焊接性，但不一
2、定能够形成一个真正能用的焊接接头，要考虑工艺焊接性。即实际工艺的可行性。,理论上具有焊接性，但实际实施非常困难，需要复杂的苛刻的施工条件才能完成焊接施工；或者即使完成焊接施工，焊接接头质量（使用性能）也不能保证。,焊接性不良,（三）使用焊接性 使用焊接性是指焊接接头或整体结构满足各种使用性能的程度，其中包括常规的力学性能，低温韧性，高温蠕变，疲劳性能，持久强度，以及抗腐蚀性和耐磨性等。,第六章 金 属 焊 接 性,（四）、焊接性评价标准,焊缝及HAZ产生裂纹的敏感性如何,焊缝及HAZ产生气孔的敏感性如何,焊接热循环对HAZ组织结构的影响,焊接接头满足规定性能的可能性,使用焊接性,工艺焊接性,第
3、六章 金 属 焊 接 性,（五）、影响焊接性的因素,（1）材料因素,焊接金属、焊接材料（焊条、焊丝、焊剂、保护气体）所有材料影响熔池冶金和结晶过程，焊接金属主要影响焊接HAZ区性能,（2）工艺因素 同一材料，不同的方法不同的焊接性 焊前预热、焊后热处理 焊条焊剂的烘干，坡口清理等：严格按规范执行,第六章 金 属 焊 接 性,纯铝焊接：气焊热源温度低、热量分散、保护不良难以避免气孔、未焊透等缺陷焊接性很差；氩弧焊焊接性良好焊接接头质量满足性能要求。,过热敏感的低合金高强钢：为了降低焊接线能量，避免过热，可采用电子束焊、等离子焊和脉冲电弧焊等,铸铁：防止产生白口，加大线能量，减缓冷却速度，宜采用电
4、渣焊、气焊等，焊接热源分散，功率密度低，冷却慢,第六章 金 属 焊 接 性,（3）结构因素 焊接接头的刚度、应力集中和多轴应力等，在拘束尽量小的条件下焊件,（4）使用条件 焊接结构必需符合使用条件的要求。 载荷性质、工作温度、介质性质 极端条件下的焊接：腐蚀环境（海洋平台），高温环境（汽轮机、发电机），低温环境（低温设施），辐射环境（核设施），等,常用金属材料的焊接性能,（续表）,二、如何分析金属的焊接性,（一）从金属的特性分析焊接性 1.化学成分 1）碳当量法 钢材中的各种元素，碳对淬硬及冷裂影响最显著，所以有人将钢材中各种元素的作用按照相当于若干含碳量折合并迭加起来，求得所谓的“碳当量”(
5、Ceq)，以Ceq值的大小估价冷裂纹倾向的大小，认为Ceq值越小，钢材的焊接性能越好。,第六章 金 属 焊 接 性,2）焊接冷裂纹敏感系数 除碳当量外，考虑到焊缝含氢量和接头拘束度 2.利用物理性能分析 金属的熔点、导热系数、密度、线胀系数、热容量等因素、都对热循环、熔化、结晶、相变等过程产生影响 3.利用化学性能分析 铝、钛合金与氧的亲和力较强，在焊接高温下极易氧化因而需要采取较可靠的保护方法，如：惰性气体保护焊，真空中焊接等,第六章 金 属 焊 接 性,4.利用合金相图分析 主要是分析热裂纹倾向。依照成分范围，查找相图，可知道结晶范围，脆性温度区间的大小，是否形成低熔点共晶物，形成何组织等
6、 5.利用CCT图或SHCCT图分析,第六章 金 属 焊 接 性,（二）从焊接工艺条件分析焊接性 1.热源特点 各种焊接方法所采用的热源在功率、能量密度、最高加热温度等方面有很大的差别，使金属在不同工艺条件下焊接时显示出不同的焊接性 2.保护方法 保护方法是否恰当也会影响金属焊接性的效果,第六章 金 属 焊 接 性,3.热循环的控制 正确选择焊接工艺规范控制焊接热循环 预热、缓冷、层间温度改变焊接性 4.其它工艺因素 彻底清理坡口及其附近 焊接材料处理、烘干、除锈、保护气体要提纯、去杂质后使用 合理安排焊接顺序 正确制定焊接规范,第六章 金 属 焊 接 性,第六章 金 属 焊 接 性,三、焊接
7、性试验,（一）试验内容 1、焊缝金属抵抗产生热裂纹的能力 2、焊缝及HAZ区抵抗产生冷裂纹的能力 3、焊接接头金属抗脆性转变能力 4、焊接接头的使用性能,（二）焊接性试验方法 模拟类方法，实焊类方法，理论计算类方法,（三） 焊接性评定及试验方法,1、间接评定 1）、碳当量方法 目的：评价低合金钢冷裂纹敏感性 A、国际焊接学会（IIW）推荐： CECMn/6（NiCu）/15（CrMoV）/5（%） 适用对象：中、高强度的非调质低合金高强钢（b=500-900MPa） 对 20mm的钢材 ： CE0.4%时，钢材的淬硬性不大，焊接性良好，焊前不需要预热 CE0.4-0.6%时，钢材易于淬硬，需预
8、热，预热温度70-200； CE0.6%时，钢材的淬硬倾向大，焊接性差。,碳当量越小，焊接性越好,B、日本工业标准（JIS）和WES协会推荐的公式 ： CeqCMn/6Si/24Ni/40Cr/5Mo/4V/14（%） 适用对象：低合金调质钢（b=500-1000MPa） 成分要求：wC0.2%；wSi0.55%；wMn1.5%；wCu2.5%；wNi2.5%； wCr1.25%；wMo0.7%；wV0.1%；wB0.006%。 当板厚25mm的钢材，焊条电弧焊线能量17KJ/cm时，预热范围大致为： b500MPa，Ceq0.46%时，可不预热 b600MPa，Ceq0.52%时，预热75
9、b700MPa，Ceq0.52%时，预热100 b800MPa，Ceq0.62%时，预热150 C、美国焊接学会（AWS）推荐的公式 ： CeqCMn/6Si/24Ni/15Cr/5Mo/4Cu/13P/2 （%） 适用对象：碳钢和低合金高强钢,2）、冷裂纹敏感系数法,PcmCMn/20Si/30Cu/20Ni/60Cr/20Mo/15V/105B（%） 适用条件： wC0.07-0.22%；wSi0.60%；wMn0.4-1.40%；wCu0.50%；wNi1.20%；wCr1.20%；wMo0.7%；wV0.12%；wNb0.04%；wTi0.05%；wB0.005%。19-50mm；H1
10、.0-5.0mL/100g。,板厚（mm） R-拘束度（MPa） H焊缝中扩散氢含量（mL/100g）； HD熔敷金属中的有效扩散氢含量（mL /100g） 有效系数（低氢型焊条=0.5，HD= H；酸性焊条=0.48，HD= H/2）,3）、热裂纹敏感指数法 4）、消除应力裂纹敏感性指数法 5）、层状撕裂敏感性指数法 6）、焊接热影响区（HAZ）最高硬度法,在切点点两侧各取7个以上的点（测点15个以上），各点的间距0.5mm,（二）、直接试验法,主要针对焊接中产生裂纹,（1）目的 评定打底焊缝以及HAZ的冷裂倾向 防止冷裂纹的临界预热温度 （2）应用对象 碳素钢焊接接头热影响区冷裂纹倾向 低
11、合金高强钢打底焊缝及其热影响区冷裂纹倾向,1、焊接冷裂纹敏感性试验方法 1）、斜Y坡口试验,=938mm,（3）试验方法 1）焊接拘束焊缝。先焊背面，再焊正面，交替焊满坡口。 2）焊接试验焊缝。若评定钢材的冷裂敏感性，焊接参数: Ig=17010A; Ug=242V; 焊速V=15010mm/min; 焊条直径4。 若拟定焊接工艺，焊接参数是调整的对象。,（4）计算方法,（1）目的 主要用来考核材料的氢致延迟裂纹敏感性 也可用来考核再热裂纹和层状撕裂等的敏感性 （2）应用 低合金钢,2）、插销试验,插销试样形状、尺寸实例,1试板；2支点；3加压；4油缸；5插销试样；6加载夹头 7加载棒；8应变
12、片；9载荷；10支柱；11导线,如果保持载荷达到16h不断，此应力为临界应力cr。 试验结果可画出曲线。 判据：当 cr s 时，认为工艺安全。,（3）优缺点 优点 节省材料（试棒小） 热循环接近实际焊接热循环 通过调整基体板板厚来调整焊接热循环 方便、灵活、实用 缺点 需要专用设备 不适合现场用,2、焊接热裂纹敏感性试验方法 1）压板对接（FISCO) 焊接裂纹试验方法GB4675.4-84), 可用于评定焊条焊缝的热裂纹敏感性。 （1）准备试件 试件材质与焊件相 同，采用原板厚，开 I形坡口。 采用机械加工方法。,（2）试验装置,（3）试验步骤 把试件安装在C形装置中，调好坡口间隙。将螺栓
13、旋紧，在水平、垂直方向顶紧试板。用待试焊条焊4条长约40mm的试验焊缝。10min后，取出试件，沿焊缝弯断，观察断面有无裂纹。 （4）计算裂纹率C C = (li / Li ) 100% 式中：li 4条试验焊缝上的裂纹长度之和（mm）； Li 4条焊缝的长度之和（mm ）。,（三） 使用焊接性直接试验方法 不同产品有不同使用性能要求，共同的性能要求是必需满足常规的力学性能要求。 1、焊接接头常规力学性能试板制备 宽度：应满足焊接接头拉伸试样、弯曲试样长度要求； 长度：应满足制取各种性能试样以及舍弃部分的要求； 厚度：为焊件板厚。,2、焊接接头拉伸试验 板接头板形拉伸试样如图所示，至少1个。
14、按GB228-87金属拉伸试验法，在拉力机上进行。,3、焊接接头弯曲试验 试样种类和数量按相关标准制取。如无注明，可制取正弯、背弯、侧弯试样各不少于1个，纵弯不少于2个。尺寸按GB2649-89中的规定。 试验按GB232-88金属弯曲试验法，在拉力机上进行。,4、焊接接头冲击试验 试样尺寸如图所示：,缺口按要求可开在焊缝、熔合线或HAZ，如图所示。 冲击试样每组3个。 试验按GB2106-80金属夏比（V形缺口）冲击试验方法和GB4159-84金属低温夏比冲击试验方法，在冲击试验机上进行。 （五）其它特殊性能试验 如：耐腐蚀性能试验、高温性能试验等。,（四）析因理化试验 目的：分析影响金属焊
15、接性的内在原因。 主要包括： （1）焊接材料熔敷金属扩散氢测定试验； （2）焊接接头金相分析试验； （3）焊接接头维氏硬度试验； （4）化学成分分析试验； （5）焊接接头断口分析试验。,1、焊接材料熔敷金属扩散氢测定试验 试验方法有甘油法、水银法、色谱法等，常用的 是甘油法。 （1） 甘油法试验原理： 焊接试样，利用仪器收 集从试样扩散出来的氢气。 （2 ） 测定装置：如图所示。 （3 ） 试样：焊条电弧焊： 1002512mm （ 4 ） 试验方法：试样焊接 以后，用丙酮清洗、吹干； 在90s内放入氢气收集器内； 经72h后读取气体读数Vo。,（ 5） 计算： V o = PVTo/PoWT 100 式中： P 实验室气压 KPa ; V 收集的氢气体积数 ml ; W 熔敷金属质量 （焊后试样质量焊前试样质量） g ; Po 101 KPa ; To 273 K ; T （273+t） k ; t 恒温箱中的温度 。 每组做4个试样，求平均值。,2、焊接接头金相分析试验 从裂纹试件截取金相分析试样，对断面进行磨光、抛光和浸蚀，在光学显微镜下观察。 观察部位：焊缝、熔合 区、HAZ、母材。 3、焊接接头维氏硬度试验 在金相分析试样断面画一 条平行于表面，且穿过各个区 的直线，在维氏硬度计上打硬 度。每隔0.5mm打一硬度，分 布曲线如图所示，取HVmax为
