材料焊接性全

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1、焊接冶金学,兰州理工大学 王晓军,材料焊接性,Q345E,16Mnq（南京长江大桥）,以“渤海8号” 自升式钻井平 台为例，悬臂 梁选用588 MPa级高强 度钢，牌号为 WELLEN60。,Q235A,Q460，化学成分16Mn钢为基础，不添加V元素，添加约0.02的Nb元素，采用控轧控冷工艺(TMCP)主要依靠晶粒细化和析出强化提高钢材强度。（鸟巢）,S355K2G3 （16Mn）,铜合金螺旋桨ZQAl10-3Fe-1.5Mn,课程基本信息,课程英文名称：Materials Weldability 课程编号：301501 课程学时/学分：32/1.5，其中讲课：28；实验：4 课程类别：专

2、业课 考试方式：笔试、闭卷 试题类型：选择、判断、填空、简答、综合分析 成绩评定方式：平时成绩30%+期末考试70%,焊接金属学,焊接工艺学,焊接力学,焊接工程学,标准,新技术,焊接系统工程学,设计,材料,施工,试验检验,性能评价,材料选择,生产设计,生产管理,质量管理,人为因素,生产性,经济性,可靠性,安全性,焊 接 网 络,焊接网络图,材料焊接性课程要解决的问题,如何解决实际工程中的焊接技术、焊接质量问题？这就是材料焊接性课程要解决的问题。即要解决以下两个问题： 1. 从工程实际提取理论研究对象； 2. 如何把理论应用到工程实践中去。,理论与实践结合,焊接工作者的两大努力方向,1、如何把材

3、料焊得好！ 解决材料的焊接性，研究焊接接头的性能和工艺方法，焊接参数之间的关系。 2、如何焊得快！ 在保证焊接接头性能的前提下，研究采用什么工艺手段，使焊接的效率提高。,好而快,主要参考资料,1、李亚江，金属焊接性，机械工业出版社 2、陈伯蠡，金属焊接性基础，机械工业出版社 3、顾钰熹，焊接连续冷却转变图及其应用 机械工业出版社,第1章 概述,1.1材料在工程中的发展及应用 发展及应用,石器,青铜器,铁器时代,先进材料,中国6.267亿吨，河北，宝钢，鞍本，武钢，沙钢，首钢 世界14.14亿吨，米塔尔，浦项，新日铁，JFE,生产工具是生产力发展水平的标志,1.1.1钢结构的发展及应用,表1-1

4、 国外近几年在不同结构上使用低合金钢的比例,表1-2 主要工业部门对低合金钢的需求,1 、低合金钢的发展,铆接；设计参数:抗拉强度； 钢的强化:碳、单一合金元素。,采用焊接技术；设计参数： 屈服强度、韧性和焊接性,低合金高强钢快速发展， 钢中碳的质量分数降低到 0.1%以下,20世纪20年代以前,20世纪20-60年代,20世纪70年代以后,2、合金结构钢的应用,低合金钢 锅炉和压力容器用钢 船舶用低合金钢 低温钢,建筑、桥梁、 工程机械等,可以热轧、退火、正火、 回火或调质状态供货,船舶用钢的合金系统基本 上为C-Mn和C-Mn-V-Nb,用各种液态烯烃 低温贮存设备,1.1.2 有色金属的

5、发展及应用,当前全世界金属材料的总产量约8亿t，其中有色金属材料约占5，处于补充地位，但有色金属的特殊作用却是钢铁材料无法代替的。,航天,电子、信息、汽车、 交通、轻工等,有色金属及合金分类：,合金组分总 的质量分数,根据组成合 金元素数目,按基体金属,铝合金、铜合金、 钛合金、镍合金等,二元合金、 三元合金和多元合金,小于2.5%的为低合金， 2.5%-10%的为中合金， 大于10的为高合金。,1.铝及 铝合金,特点,应用,密度低、强度高、耐腐蚀 导电导热性好、可焊接及 加工性能好，应用仅次于 钢铁，成为第二大金属。,航空航天 、汽车、高速 列车、地铁车辆、飞机、 舰船等,2.铜及 铜合金,

6、较高的导电导热性、 抗磁性、耐蚀性、 加工性。,特点,分类,纯铜,黄铜（铜锌合金）,青铜（ 黄铜、白铜 以外的铜合金 ）,白铜（铜镍合金）,3.钛及 钛合金,日本神户 制钢公司,美国汽车 公司,在飞机机 体制造,轿车和运动摩托车排气 系统用新型钛合金， 最高温度可达800。,汽车弹簧、发动机连杆 和阀门上也采用了 钛合金材料。,树脂基复合材料和 钛合金用量增加。,1.1.3 先进材料的发展及应用,根据其使用性能可分为结构材料和功能材料，具有高强度、高韧性、耐高温、抗腐蚀等优点。 先进陶瓷,优点：耐更高温，但焊接难 度很大。在新能源、航天以 及海洋开发等特殊领域 具有广泛的应用前景。,金属间 化

7、合物 先进复 合材料,具有许多独特的 物理、化学和力 学性能，是一种 很有发展前景的 高温结构材料。,克服单一材料 的局限性,Ti3Al在航空航天应用十分广泛。,Fe3A1能够在熔 炉高温装置以及 航空航天、电 力等的应用。,1.2 本课程的任务、内容和特点,1.2.1 本课程的目的和任务,目的,培养学生掌 握对材料进 行焊接性分 析的基本方 法,任务,培养学生对专 业基本概念的 理解,加强学生 独立归纳整理 和分析的能力。,1.2.2 本课程的内容和教学要求,内 容,由概述、焊接性及其试验 评定、合金结构钢的焊接、 不锈钢及耐热钢的焊接、 有色金属的焊接、铸铁焊 接、先进材料的焊接和异 种材

8、料的焊接等章节组成。,思考题： 根据本章所述内容，举例说明低合金钢焊接在工程结构中的重要作用。,第1章金属焊接性及其试验方法,由于在焊接过程中, 焊接接头中的各种物理化学反应, 在温度和化学成分都处于极不平衡的特定条件下进行的, 引起两方面的后果: 1. 在焊接区内产生各种类型的缺陷,使焊接接头丧失其连续性; 2. 即使没有产生缺陷, 也可能降低了某些必要的性能, 影响焊接结构的使用寿命。,第1章金属焊接性及其试验方法,因此，金属本身固有的基本性能，还不能直接表明它在焊接时出现什么问题，以及焊后接头性能是否满足使用要求。这样就要求人们从焊接的角度来分析研究金属某些特有的性能焊接性。,1 焊接性

9、及影响因素,一、焊接性概念 焊接性同质材料或异质材料在制造工艺条件下，能够焊接形成完整接头并满足预期使用要求的能力。,讨论： 1. 正确区别“焊接”和“焊接性”； 2. 分析研究焊接性的目的。,1、工艺焊接性、使用焊接性,工艺焊接性是指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。 使用焊接性是指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。,2、冶金焊接性、热焊接性,焊接过程,热过程,HAZ

10、,冶金过程,WM,热焊接性,冶金焊接性,2、冶金焊接性、热焊接性,(1)冶金焊接性 冶金焊接性是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。 (2)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。,二、影响焊接性的因素,四大因素：材料、设计、工艺及服役环境。,1、材料 母材和焊材以一定熔合比形成熔池，正确选用母材和焊材是保证焊接性良好的重要因素。若选择不当，影响化学成分，力学性能等性能，甚至导致焊接缺欠。,2、设计 焊接接头的结构设计会

11、影响应力状态，从而对焊接性产生影响。设计时注意减少焊接缺陷、多向应力和应力集中。,1. 材料因素如：焊接材料,焊 接 材 料,种类 供应方式 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,2. 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,3、工艺 对于同一母材，采

12、用不同的焊接方法和工艺措施，所表现出来的焊接性有很大的差异。 焊接方法的影响首先表现在焊接热源能量密度、温度以及热量输入上，其次表现在保护熔池及接头附近区域的方式上，如渣保护、气体保护、渣-气联合保护以及在真空中焊接等。 工艺措施（预热、层温、缓冷和焊后热处理）对防止焊接缺陷，提高接头使用性能有重要的作用。,3. 工艺因素如：熔焊方法,熔 焊 方 法,手工电弧焊 自动买弧焊 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 水平固定管 （全位置）,返回,横看：没有一种母材所有焊接方法都适用 竖看：没有一种焊

13、接方法所有母材都适用,铝返回,4、服役环境 焊接结构的服役环境多种多样，如工作温度高低、工作介质种类、载荷性质等都属于使用条件。工作温度高时，可能产生蠕变；工作温度低或载荷为冲击载荷时，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。,2 焊接性试验的内容及评定原则,一、焊接性试验的内容 1. WM，热裂纹？,2 焊接性试验的内容及评定原则,一、焊接性试验的内容 2. WM，HAZ冷裂纹？,淬硬倾向,氢的作用,拘束度,冷裂纹,2 焊接性试验的内容及评定原则,一、焊接性试验的内容 3. 焊接接头，脆性转变能力？,2 焊接性试验的内容及评定原则,一

14、、焊接性试验的内容 4. 焊接接头，使用能力？,2 焊接性试验的内容及评定原则,二、评定焊接性的原则 1、评定焊接接头产生工艺缺陷的倾向，为制定合理的焊接工艺提供依据； 2、评定焊接接头能否满足结构使用性能的要求。 选择已有的或设计新的焊接性试验方法应符合下述原则： 1、可比性 尽可能接近实际焊接条件 2、针对性 应针对具体的焊接结构 3、再现性 结果要稳定可靠，具有很好的再现性 4、经济性 力求少耗材，易加工，短周期，低费用,2 焊接性试验的内容及评定原则,三、焊接性评定方法的分类 1. 模拟类 2. 实焊类 3. 理论分析和计算类,利用CCT图或SHCCT图分析,1、模拟类 Gleeble

15、 3500,2、实焊类方法,在一定条件下进行焊接，通过实焊过程来评价焊接性。主要有：裂纹敏感性试验、焊接接头的力学性能试验、低温脆性试验、断裂韧性试验、高温蠕变及持久强度试验等。 (1)焊接冷裂纹试验 “小铁研” 试验、插销试验、TRH、RRC等。 (2)焊接热裂纹试验 可调拘束裂纹试验、FISCO等。 (3)消除应力裂纹试验 “小铁研” 试验、H形拘束试验、插销式消除应力裂纹试验法等。 (4)层状撕裂试验 Z向拉伸试验、Z向窗口试验等。 (5)应力腐蚀裂纹试验 U形弯曲试验、缺口试验等。,3、理论分析和计算类方法,利用物理性能分析Tm、利用化学成分分析CE Ceq 利用化学性能分析 （Ti+

16、O2TiO 4Al+3O22Al2O3） 利用CCT图或SHCCT图分析 利用合金相图,根据金属的特性,3 焊接性的评定及试验方法,间接分析法 直接试验法,焊接性试验方法,碳是各元素中对冷裂敏感性影响最显著的，因而人们就将各种元素都按相当与若干含碳量折合叠加起来求得所谓碳当量（CE或Ceq），用来估计冷裂倾向的大小。,加权、权重,一、焊接性的间接评定,1、碳当量法,碳当量法,国际焊接协会（IIW） 此式适用于中、高强度的非调质低合金高强钢。CE0.45，焊接25mm的板可以不预热。C 0.207时，焊接厚度37mm的板可以不预热。,碳当量法,日本JIS 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.