第四章 金属焊接性基础课件

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1、1,第五章 金属焊接性基础,Basis of weldability,2,切削不同材料：低碳钢 铜 铸铁 镍基合金 焊接实验： Q235 铜 45钢,3,4,反映出材料的一种性能，尽管这种材料性能不是一成不变的,材料的加工性能。,定义材料的性能，一般经常用到：,材料的物理性能：导电、导热、导磁等 材料的化学性能：耐腐蚀性能、稳定性、氧化还原性等 材料的力学性能：s、b、-1、ak、CVN、KIc 材料的工艺性能：材料的冷加工性能、热加工性能 如：焊接性,5,内 容,焊接性的概念 影响金属焊接性的因素 评价金属焊接性的目的、内容、方法 间接推算类焊接性评价方法 直接模拟类焊接性评价方法,6,一、

2、焊接性的概念,金属是否适应焊接加工，获得完整的、具有一定使用性能的焊接接头的性能。 结合性能：在一定工艺条件下形成完整接头的性能，没有气孔、裂纹、夹渣等缺陷，“好焊不好焊的问题” 使用性能：接头能够满足工作要求的性能，“好用不好用的问题” 材料的性能,7,二、影响金属焊接性的因素,1. 材料的因素 成分组织性能，每种材料成分不同，各种性能当然不同。焊接过程牵涉的材料因素，包括母材、填充金属、其他焊接材料（保护气体等） 同种母材：如铝vs低碳钢，母材成分不同，物理化学性能不同，焊接性不同 异种母材：低碳钢与低碳钢焊接vs低碳钢与不锈钢焊接，两种母材，有焊接的问题 焊接材料：铸铁焊接用低碳钢焊条难

3、焊，焊接性较差，用镍基合金焊条较好焊,8,2. 工艺因素,工艺因素主要包括焊接方法、焊接工艺规程 焊接方法体现在两个方面：能量密度、保护条件 如钛的化学活泼性极强，用普通的焊接方法极其困难，所以以前认为钛的可焊性很不好，但氩弧焊的出现，使钛及其合金的焊接结构已在工业中广泛采用。随着等离子焊、电子束焊、激光焊等新的焊接方法相继出现，使高熔点的金属(钨、钼、钽、铌和锆等)及其合金的焊接成为可能。 焊接工艺规程的影响：如中碳调质钢在调质态焊接很难，如果能够在退火态焊接，焊后调质处理就好焊多了 焊接工艺参数：线能量、Tmax、t8/5等，如有淬硬倾向的钢冷却不能太快，否则易产生冷裂纹，如果增加热输入、

4、提高t8/5、采取后热等措施可大大改善其焊接性,9,3. 结构因素 焊接接头处的刚度、应力集中、多轴应力都会促进缺陷的产生，降低承载能力 为避免缺陷产生、应尽量减小结构刚度、减少焊缝交叉、减少截面突变 如16Mn当厚度超过30mm，焊后应回火消除残余应力,10,4. 使用条件 苛刻的使用条件对焊接接头提出了更高的要求，本来好焊的材料焊接性变差，如不锈钢如果不考虑耐腐蚀的要求，只是连接的要求也不难焊,载荷性质： 静 变 冲击 疲劳 脆断,工作温度： 高 低 蠕变 脆断,工作介质： 腐蚀 应力腐蚀 腐蚀疲劳,11,三、评价金属焊接性的目的、内容、方法,1. 评价金属焊接性的目的 评价某种材料的焊接

5、性，揭示焊接过程可能出现的问题 研制开发新焊接材料 制定焊接工艺：根据实际条件制作试样进行实验，再经过焊接工艺评定投入使用,12,2. 评价金属焊接性的内容 （1）基础试验： 母材的化学成分： 母材的力学性能试验： 掌握母材情况，进行焊接性分析，如硬度 母材缺陷检验：,13,（2）工艺焊接性试验： 针对结合性能，鉴定焊接接头产生各种工艺缺陷的敏感性 焊接裂纹敏感性试验 冷、热、层、再热、应力腐蚀 焊接接头金相试验： 焊接接头硬度试验 焊接接头无损检测,14,（3）使用焊接性试验 焊缝及接头的力学性能试验：拉伸、弯曲等 焊接接头断裂韧性试验：CTOD、KIC 特殊要求试验：水压、爆破,15,3.

6、评价金属焊接性的方法,（1）直接模拟试验 按照实际焊接条件，观察焊接缺陷的发生及发生程度 （2）间接推算类： 根据材料的化学成分、金相组织、力学性能、联系热循环过程分析焊接性的优略 （3）使用性能类： 在使用条件下对接头进行各方面的性能试验 如力学性能试验：拉、压、弯； 高温蠕变试验、断裂韧性试验、水压实验、爆破试验等,16,四、间接推算类焊接性评价方法,（1）利用物理性能分析 （2）利用材料的化学性能分析 （3）利用相图或SHCCT图分析 （4）利用经验公式 （5）仿真模拟,17,四、间接推算类焊接性评价方法,1.碳当量法Ceq 碳当量法：将C在内的合金元素对淬硬倾向、冷裂及脆化的影响折合成

7、碳的含量，用以进行焊接性分析。 但是碳当量法比较粗略，因为计算碳当量的公式是经验公式，只包括几种元素，而且未考虑各种元素间的相互作用，在不同的合金系中各种元素的作用是不同的。所以碳当量法只能进行粗略的估计，进一步的焊接性分析需要进行直接模拟类焊接性试验。 注意每种计算碳当量公式的使用范围,18,（1）国际焊接学会IIWInternational Institute of Welding,适用于中、高强度的低合金非调质钢 Ceq0.6%,淬硬倾向大，焊接性差，需预热到较高温度、焊后热处理,19,（2）日本工业标准JISJapanese Standards Association,该式主要适用于低

8、碳调质的低合金高强度钢(b=5001000 MPa) 如：板厚小于25 mm，手工焊线能量为17 kJ/cm时，确定的预热温度大致如下： b=500 MPa,Ceq(JIS)0.46%,不预热b=600 MPa,Ceq(JIS)0.52%,预热75 b=700 MPa,Ceq(JIS)0.52%,预热100 b=800 MPa,Ceq(JIS)0.62%,预热150 ,20,美国焊接协会 AWSAmerican Welding Society 另外还有新日铁、美国金属学会、美国海军、苏联、捷克等等 注意每种计算碳当量的使用范围 只考虑了化学成分，但忽略了材料板厚、焊缝含氢量等因素，不可能直接用

9、于判断是否发生冷裂纹 日本伊藤等人用2000多种钢进行大量试验，求出钢材焊接冷裂缝敏感系数Pc。,21,2. 冷裂敏感指数法,冷裂敏感指数：综合了化学成分、H含量、板厚等因素的评价焊接性的指标,该式适用于C=0.07%0.22%,b=4001000 MPa的低合金高强度钢。 斜Y坡口条件下不产生冷裂纹的预热温度为： T0=1440Pcm-392(),22,热裂纹敏感指数法 消除应力裂纹敏感性指数法 层状撕裂敏感性指数法,23,3. SHCCT图Simulating Heat-affected-zoneContinuous Cooling Transformation diagram,16Mn的

10、SHCCT图,24,用SHCCT图评价材料的焊接性,（1）用临界冷却时间Cf评价钢的抗冷裂性能 Cf是从A3（806）冷却到500的临界冷却时间 当实际冷却时间t8/5 Cf时，HAZ有高温组织转变，不会产生冷裂纹 当实际冷却时间t8/5 Cf时，HAZ无高温组织转变，可能发生中温转变，形成贝氏体组织，甚至产生完全的马氏体组织，淬硬倾向大可能产生冷裂纹,25,（2）用临界组织含量评价冷裂倾向 组织决定性能 对于b=600MPa的钢，铁素体、贝氏体的体积分数要大于40 对于b=700MPa的钢，中间组织贝氏体的含量要大于25 对于b=800MPa的钢，中间组织贝氏体的含量要大于10,26,（3）

11、用临界硬度评价冷裂倾向 如16Mns=353MPa，b=520637MPa，非调质态的临界最高硬度HVmax390， 左边第一条线硬度为440，大于临界硬度，所以在这种焊接工艺下16Mn有冷裂倾向,27,GB/T 4675.5-1984焊接性试验 焊接热影响区最高硬度试验方法,1）试样制备,28,2）试验条件 1室温焊接 4焊条，17010A，15010mm/min的速度焊接 空冷12h 3）硬度测定 机加工切割中部断面作为测量硬度截面 0.5mm的间隔测维氏硬度,4）评价方法： 测得硬度是否大于该种金属允许的最高硬度,29,五、直接模拟类焊接性评价方法,1、 斜Y坡口试验 YSlit Cra

12、cking Test GB/T 4675.5-1984 （1）目的：冷裂敏感性 （2）试样：,30,（3）试验条件：,4焊条，17010A，242V，15010mm/min的速度焊接 焊一道 空冷48h,31,表面裂纹率： 根部裂纹率： 端面裂纹率：5个断面 一般认为表面裂纹20%，是安全的，但不能有根部裂纹,（4）检测与计算：,32,2. 插销试验 Implant Test GB/T 94461988 （1）目的：冷裂敏感性 （2）试样： 直径8或6的插销 开4个插销孔和8个热电偶孔,33,（3）试验程序： 插入插销，与底板平齐 焊好热电偶 按要求的线能量堆焊，使插销的缺口应该位于HAZ的粗

13、晶区 焊后冷却至100150时加载 记录发生断裂的时间 未断裂，保持1624h，切开后观察有无根部裂纹 调整载荷，经多次试验获得不发生断裂的临界载荷，及对应的临界应力cr。 （4）评价方法： 比较cr评价不同材料的抗冷裂的能力。,34,3.拉伸拘束试验 Tensile Restraint Cracking Test TRC,（1）目的：冷裂纹 （2）试样：,35,（3）试验过程： 固定到实验机上，调好间隙 17010A，242V，15010mm/min的速度焊接 冷却至100150时拉伸加载，模拟拘束应力 保持24h 经过系列试验获得不裂的临界载荷及对应的临界应力cr （4）评价方法：用cr评

14、价抗冷裂性能,36,4. 压板对接裂纹试验 FISCO试验 GB/T 4675.4-1984,（1）目的：焊缝金属热裂纹敏感性 （2）试样：,37,（3）试验过程,试样装夹到C形夹具内，保证间隙，用水平螺栓顶紧 按生产要求的工艺参数，按顺序焊接4条焊缝 焊后10min内取出，冷至室温后，沿纵向弯断 （4）评价方法： 计算断面裂纹率，评价抗热裂性能优略,38,5.可调拘束试验 Varestraint Test,（1）目的：结晶裂纹、液化裂纹的敏感性 （2）试样：纵向试样和横向试样,39,（3）试验过程： 17010A，242V，15010mm/min的焊接工艺焊接 从A到B时施加载荷，使试板与弧

15、形模板贴和，发生一定量的应变，电弧继续到C点结束 （4）评价方法： 材料不产生结晶裂纹的最大应变量 某应变水平下裂纹的总长度,40,6. 刚性固定对接裂纹试验,（1）目的：焊缝冷热裂纹、HAZ冷裂纹 （2）试样：底板、焊接试板,41,（3）试验过程： 先将试板点固到底板上 按实际焊接工艺参数焊接试验焊缝 （4）评价方法： 静置48h切开6段，测量裂纹，计算表面裂纹率、断面裂纹率,42,7. Z向拉伸层状撕裂试验,（1）目的：钢材的层状撕裂敏感性 （2）试样： 试样需采用电弧焊或摩擦方法接长,43,（3）试验过程： 拉伸试验过程 （4）评价方法： 计算拉断后断面收缩率作为评价指标。,44,1焊接

16、性试验 GB4675.1-1984 焊接性试验 斜Y型坡口焊接裂纹试验方法2焊接性试验 GB4675.2-1984 焊接性试验 搭接接头（ CTS ）焊接裂纹试验方法3焊接性试验 GB4675.3-1984 焊接性试验 T型接头焊接裂纹试验方法4焊接性试验 GB4675.4-1984 焊接性试验 压板对接（FISCO ) 焊接裂纹试验方法5焊接性试验 GB4675.5-1984 焊接热影响区最高硬度试验方法6焊接性试验 GB9447-1988 焊接接头疲劳裂纹扩展速率试验方法7焊接性试验 GB2358-1980 裂纹张开位移（COD）试验方法 8焊接性试验 GB7032-1986 T 型角焊接头弯曲试验方法9焊接性试验 GB9446-1988 焊接用插销冷裂纹试验方法10焊接性试验 GB4909.12-1985 裸电线试验方法 镀层可焊性试验焊球法 11焊接性试验 GB2424.17-1982 电工电子产品基本环境试验规程