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1、1第 2 章焊接性及其试验评定 1 焊接性焊接性：同种材料或异种材料在制造工艺条件下，能够焊接形成完整接头并满 足使用要求的能力。 2.工艺焊接性工艺焊接性：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或特定工作条件下的使用性能，如低 温韧性、断裂韧性、持久强度、耐磨性等 3.使用焊接性使用焊接性：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或特定工作条件下的使用性能，如低温韧性、断裂韧性、 持久强度、耐磨性等 4.影响焊接性的因素影响焊接性的因素：材料因素材料因素，材料因素包括母材本身和使用的焊接材料， 如焊
2、条、焊丝、焊剂以及保护气体等。正确的选用母材和焊接材料是保证焊接 性良好的重要因素。设计因素设计因素，焊接接头的结构设计会影响应力状态，从而 对焊接性产生影响。设计结构时应使接头的盈利处于交系哦啊状态，能够自由 收缩，这样有利于减少应力集中和防止焊接裂纹。工艺因素工艺因素，工艺措施对防 止焊接缺陷，提高接头使用性能有重要作用。发展新的焊接方法和新的工艺措 施是改善工艺焊接性的重要措施。服役环境服役环境，使用条件月不利，焊接性就越 不易保证。 5.常用的低合金钢焊接冷裂纹试验方法常用的低合金钢焊接冷裂纹试验方法：斜 Y 形坡口对接裂纹试验、插销试验、 十字接头裂纹试验、RRC 试验、TRC 试验
3、等 6 焊接性的间接评定焊接性的间接评定（1）碳当量法 （2）焊接冷裂纹敏感指数法 （3）热裂纹 敏感性指数法 （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）焊接热影响区最高硬度法 热轧及正火钢的焊接性热轧及正火钢的焊接性（1）冷裂纹及影响因素 a.淬硬倾向与冷裂倾向的关系热 轧钢含 c 量不高，但含有少量的合金元素，这类钢的淬硬倾向比低碳钢的淬硬 倾向大，并且随着钢材强度级别的提高淬硬倾向逐渐增大。正火钢的强度级别 较高，合金元素含量较多，高温转变区较稳定，焊接冷却下来很易得到贝氏体 和马氏体。因此，其冷裂纹倾向随着强度级别的提高而增大。b.碳当量与冷裂纹 倾向的关系热轧
4、钢碳当量都比较低，除环境温度很低或钢板厚度很大，一般情 况下其裂纹倾向都不大。当正火钢碳当量不超过 0.5时，淬硬倾向比热轧钢大， 但不算严重，焊接性尚可。但对于厚板往往需要进行预热。当碳当量大于 0.5 时钢的淬硬倾向和冷裂倾向逐渐增加。防止措施：严格控制线能量、预热和焊 后热处理等。c.热影响区的最高硬度值与冷裂倾向关系为了避免产生对冷裂敏感 的淬硬组织，可将热影响区的最高硬度控制在某一刚好不出现冷裂纹的临界值； 反过来也可根据测得的热影响区的最高硬度值来判断材料的冷裂倾向和确定预 热温度。 （2）热裂纹和消除应力裂纹焊缝中出现热裂纹主要与热轧及正火钢中 C、S、P 等元素含量偏高或严重偏
5、析有关。消除应力裂纹一般产生在热影响区 的粗晶区。裂纹沿熔合区方向在粗晶区的奥氏体晶界断续发展，产生原因与杂 质元素在奥氏体晶界偏聚及碳化物析出“二次硬化”导致晶界脆化有关。 （3） 非调制钢焊缝的组织和韧性（4）热影响区脆化热轧钢：焊接线能量过大：导致 冷速过慢，过热区将因晶粒长大或出现魏氏组织等而使韧性降低；线能量过小： 由于过热区组织中马氏体比例增大而使韧性降低，这在含碳量偏高时较明显。 （5）层状撕裂 层状撕裂主要发生在要求熔透的角接接头和 T 形接头的厚板结构中。 3.2.3 热轧及正火钢的焊接工艺 热轧和正火钢对焊接方法无特殊要求，常用的焊接方法如手工电弧焊、埋弧焊、 气体保护焊和
6、电渣焊都可选用。 焊接材料的选择焊接材料的选择 选择相应强度级别的焊接材料 考虑熔合比和冷却速度的影响 必须考虑焊后热处理对焊缝力学性能的影响 焊接工艺参数的确定焊接工艺参数的确定 焊接线能量的确定主要取决于过热区的脆化和冷裂两个因 素。因为各类钢的脆化倾向和冷裂倾向不同，所以对线能量的要求也不同。焊 接时进行预热的目的是防止裂纹和适当地改善焊接接头性能。热扎正火钢一般 焊后不需要热处理 3.3.2 低碳调质钢的焊接性分析低碳调质钢的焊接性分析（1）焊缝强韧性匹配焊缝强韧性匹配低的屈强比有利于加工成形， 高的屈强比使钢材的潜力得以较大的发挥。 （2）冷裂纹冷裂纹限制焊缝含氢量在超低 氢水平对于
7、防止低碳调质钢焊接冷裂纹十分重要。低碳调质钢是通过加入提高 淬透性的合金元素，保证获得强度高、塑性和韧性好的低碳马氏体和部分下贝 氏体。由于淬透性增加，使得 CCT 曲线大大右移，除非冷却速度很缓慢，高温 转变一般不会发生。但是，这类钢马氏体含碳量很低，马氏体开始转变温度 Ms 较高，在该温度下以较慢的速度冷却，形成的马氏体还能来得及进行一次“自 回火”处理，所以实际上冷裂倾向并不一定很大。若马氏体转变时冷却速度较 快，得不到“自回火”效果，冷裂倾向就会增大。 （3）热裂纹及消除应力裂纹热裂纹及消除应力裂纹 低碳调质钢中 S、P 杂质控制严，含 C 量低、含 Mn 量较高因此热裂纹倾向较 小。
8、对一些高 Ni 低 Mn 型低合金高强调质钢（HY80） ，焊缝中的含 Mn 量可通 过焊接材料加以调整，焊接热裂纹是不会产生的。从合金系统来说，为加强其 淬透性和提高抗回火性能，加入的合金元素 Cr、Mo、V、Ti、Nb、B 等，大多 数都能引起再热裂纹其中 V 的影响最大，Mo 的影响次之。 （4）热影响区性热影响区性 能变化过热区的脆化能变化过热区的脆化焊接热影响区的软化（原因是奥氏体晶粒粗化，上贝氏体 和 M-A 组元的形成） 3.3.3 低碳调质钢的焊接工艺特点低碳调质钢的焊接工艺特点（1）焊接方法和焊接材料的选择焊接方法和焊接材料的选择调质钢只要加 热温度超过其回火温度，它的性能(
9、综合机械性能)就会降低，问题随调质钢强度 级别的提高而变得更加显著。通常解决办法是焊后重新调质处理，尽量限制焊 接过程中的热量输入。低碳调质钢焊后般不再进行热处理，要求焊缝金属在 焊接状态具有与母材近似相等的机械性能。特殊情况(结构刚度很大)，为避免裂 纹可选择比母材强度稍低些的焊接材料。 （2）焊接参数的选择焊接参数的选择焊接线能量在保 证不出裂纹，满足热影响区塑性、韧性的条件下，线能量应该尽可能选择大些。 预热温度预热温度当线能量的数值达到了最大允许值时还不能避免裂纹的发生，必须采 取预热措施。预热主要是为了防止冷裂，但从 800500区间的冷却速度来 看，由于预热减缓了该区域内的冷却速度
10、，获得上贝氏体的可能性增加，热影 响区的塑性和韧性会受到不利的影响，预热温度一般低于 200。焊后热处理焊后热处理低 碳马氏体+下贝氏体组织的低碳调质钢能保证其焊接热影响区在快速冷却时获得 高强度及塑性和韧性，为了防止焊件脆断的消除应力退火就没有必要。消除应 力退火处理只用于要求耐应力腐蚀的焊件，为了保证材料的性能，消除应力退 火的温度应比该钢材调质时的回火温度低 30左右。 （3）低碳调质钢焊接接头低碳调质钢焊接接头 的力学性能的力学性能为了消除液化裂纹和提高焊接效率，一般采用熔化极气体保护焊 （MIG）和活性气体保护焊（MAG）等自动化或半自动机械化焊接方法。 3.中碳调质钢的焊接性分析中
11、碳调质钢的焊接性分析（1）焊缝中的热裂纹尽可能选用含碳量低以及含 S、P 杂质少的焊接材料。在焊接工艺上应注意填满弧坑和保证良好的焊缝成形。 （2）淬硬性和冷裂纹降低焊接接头的含氢量，除了采取焊前预热外，焊后须及 时进行回火处理。 （3）热影响区脆化和软化热影响区产生大量脆硬的马氏体组 织。措施：采用小热输入，同时采取预热，缓冷和后热等措施。焊接热源越集 中，对减少软化越有利。 3.中碳调质钢的焊接工艺特点中碳调质钢的焊接工艺特点（1）退火或正火状态下焊接（2）调质状态下焊接 （3）焊接方法及焊接材料焊条电弧焊、气体保护焊、埋弧焊等；采用可能小的 焊接热输入，同时采取预热和后热措施。中碳调质钢
12、对冷裂纹的敏感性之所以 比低碳调质钢大，除了淬硬倾向大外，还由于 Ms 点较低，在低温下形成的马氏 体难以产生“自回火”效应。 3.5.2 珠光体耐热钢的焊接性分析（1）热影响区硬化及冷裂纹珠光体耐热钢焊接 过程中最常见的焊接缺陷之一就是在热影响区的粗晶区产生冷裂纹，在实际生 产中，为了防止冷裂纹的出现，一般都采用焊前预热、控制层间温度、焊后去 氢处理、改善组织状态以及减小和消除应力等处理方法。可采用低氢焊条和控 制焊接热输入在合适的范围，加上适当的预热、后热措施，来避免产生焊接冷 裂纹。 （2）消除应力裂纹这类钢中加入少量的合金元素 Cr、Mo、V、Ti、Nb 等， 它们都是强烈碳化物形成元
13、素，会增加钢的再热裂纹敏感性。再热裂纹的产生 部位一般都在工件较厚的地方。所以，在厚板结构的焊接过程中，当焊缝焊到 一定厚度后，先进行次中间消除应力热处理，有利于防止再热裂纹的产生。 （3）回火脆性 Cr-Mn 钢产生回火脆化的主要原因是由于在回火脆化温度范围内 长期加热后，杂质元素 P、As、Sn 和 Sb 等在晶界上偏析而引起的晶界脆化现象， 此外与促进回火脆化元素 Mn 和 Si 也有定关系。因此，对基休金属来说，严 格控制有害杂质元素的含量，同时降低 Mn 和 Si 含量是解决脆化的有效措施。 3.5.3 珠光体耐热钢的焊接工艺特点珠光体耐热钢的焊接工艺特点 常用焊接方法和焊接材料焊接
14、生产中最常用 的两种焊接方法是钨极氩弧焊封底手工电弧焊盖面和埋弧自动焊。 焊接材料的选择应力求焊缝金属成分和机械性能与母材相匹配。另外，在焊补 缺陷或者焊后不能进行热处理的情况下，还可以选用奥氏体钢焊条，这样可以 防止冷裂纹的产生。但这种接头长期在高温下工作会导致焊缝金属的相脆性。 4.1 不锈钢及耐热钢的分类及特性 4.1.4Fe-Cr、Fe-Ni 相图及合金元素的影响 Cr 是缩小奥氏体相区的元素，是强铁素体形成元素 Ni 是强奥氏体形成元素C 是强奥氏体化元素，会使奥氏体相区增大，而铁素体相区减小 N 是强奥氏体 化元素，N 在奥氏体不锈钢中不易形成脆性析出相钼 Mo 也是铁素体形成元素
15、 锰 Mn 是奥氏体化元素 奥氏体化元素对热裂纹的影响 元素奥氏体单相组织焊缝双相组织焊缝 Ni显著增大热裂倾向显著增大热裂倾向 C含量为 0.3%-0.5%时，同时 有 Nb、Ti 等元素时减少热 裂倾向增大热裂倾向Mn含量为 5%-7%时，显著减 少热裂倾向，但有 Cu 时增 加热裂倾向减少热裂倾向 但若使铁素体相消失 时增大热裂倾向N提高抗裂性提高抗裂性4.2.2 奥氏体不锈钢焊接性分析（1）奥氏体不锈钢焊接接头的耐蚀性晶间腐蚀 HAZ 敏化区焊缝区熔合区 贫铬 防止：通过焊接材料，使焊缝 金属或超低碳情况或含有足够稳定化元素 Nb；调整焊缝成分以获得一定量的铁 素体相。指焊接热影响区中
16、加热峰值温度处于敏化加热区间的部位（故称敏化 区）所发生的晶间腐蚀。焊接工艺上应采取小热输入，快速焊过程，以减少处 于敏化加热的时间。刀状腐蚀只发生在有 Nb 和 Ti 的 18-8Nb 和 18-8Ti 钢的熔 合去，其实质也是与 M23C6沉淀形成贫铬层有关。越靠近熔合区，贫铬越严重。 高温过热和中温敏化相继作用，是刀状腐蚀的必要条件。 防止碳化物在晶内 的沉淀，有效防止刀状腐蚀。应力腐蚀开裂(简称 SCC)退火消除焊接残余应力 最为重要，为消除应力，加热温度 T 的作用效果远大于加热保温时间 t 的作用。 点蚀Mo减少 Cr、Mo 偏析；采用较母材更高 Cr、Mo 含量的所谓“超 合金化”焊接材料（2）热裂纹焊缝金属凝固期间存在较大拉应力是产生热裂纹 的必要条件。化学成分限制有害杂质的含量 S、P 等适当的合金化配比获得所需 组织，从而改善热裂纹合金元素在不同钢中作用差异 焊接工艺的影响 小的 E 为避免焊缝枝晶粗大和过热区晶粒粗化 不预热降低层间温度 焊接速度不要过大，适当降低焊接电流（3）析出现象（4）低温脆化 焊缝低温 脆化
