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1、高等职业教育“十一五”规划教材（焊接专业） 金 属 材 料 焊 接 工 艺,李荣雪 主编 机械工业出版社,绪 论 第一单元 金属材料焊接性及分析试验方法 第二单元 非合金钢（碳钢）及其焊接工艺 第三单元 合金钢结构钢及其焊接工艺 第四单元 不锈钢及其焊接工艺 第五单元 耐热钢及其焊接工艺 第六单元 铸铁及其焊接工艺 第七单元 非铁金属材料及其焊接工艺,绪 论,能力知识点1 焊接技术的发展及应用 能力知识点2 本课程的主要内容,返回主目录,第一单元 金属材料焊接性 及分析试验方法,综合知识模块一 金属材料的焊接性 综合知识模块二 金属材料焊接性的评定内容和试验方法种类 综合知识模块三 金属材料焊
2、接性评定与试验 【综合训练】,综合知识模块一 金属材料的焊接性,能力知识点一 金属材料焊接性的概念 金属材料焊接性根据GB/T3375-1994焊接术语的定义：“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”。 优质焊接接头应具备的两个条件：一是接头中不允许存在超过质量标准规定的缺陷；二是要具有预期的使用性能。 金属材料焊接性是指金属材料对焊接加工的适应性，它包括工艺焊接性和使用焊接性。,1工艺焊接性 工艺焊接性是指金属材料对各种焊接方法的适应能力，也就是在一定的焊接工艺条件下能否获得符合要求的优质焊接接头的能力。 它不是金属材料本身所固有的性能，但取决于金属的
3、成分和性能，并且随着焊接方法、焊接材料和工艺措施的发展而变化。 2使用焊接性 使用焊接性是指焊接接头或整体结构满足技术条件中所规定的使用性能的能力。它取决于焊接结构所满足的技术条件规定的各种性能。,能力知识点二 金属材料焊接性的影响因素 材料因素 工艺因素 结构因素 使用条件 常用金属材料焊接难易程度见表1-1,表1-1 常用金属材料焊接难易程度,注：A-通常采用，B-有时采用，C-很少采用，D-不采用,表1-1 常用金属材料焊接难易程度（续）,注：A-通常采用，B-有时采用，C-很少采用，D-不采用,综合知识模块二 金属材料焊接性的评定内容和试验方法种类,能力知识点一 金属材料焊接性的评定内
4、容 1焊缝金属抵抗热裂纹的能力 2焊缝及热影响区金属抵抗冷裂纹的能力 3焊接接头抵抗脆性断裂的能力 4焊接接头的使用性能 能力知识点二 金属材料焊接性试验方法种类（表1-3）,表1-3 金属材料焊接性试验方法种类,综合知识模块三 金属材料焊接性评定与试验,能力知识点一 金属材料焊接性分析与评定方法 1碳当量法 2焊接冷裂纹敏感指数法 3利用金属材料的物理性能分析 4利用金属材料的化学性能分析 5利用合金相图或SHCCT（CCT）图分析,1碳当量法 在钢材所含有的各种元素中，碳对冷裂敏感性的影响最显著，因此将钢中各种元素都按相当于若干含碳量折合并叠加起来即为“碳当量”，并以此来判断钢材的淬硬倾向
5、和冷裂敏感性，进而推断钢材的焊接性。 目前应用的碳当量计算公式：国际焊接学会（IIW）推荐的CE、日本工业标准（JIS）规定和美国焊接学会推荐的 Ceq。 碳当量计算公式和应用范围见表1-4,表1-4 碳当量计算公式和应用范围,使用国际焊接学会（IIW）推荐的CE：对板厚小于20mm的钢材， 当CE0.4%时，钢材的淬硬倾向不大，焊接性良好，焊前不需预热； 当CE=0.40.6%时，钢材易于淬硬，焊接性较差，焊接时必须预热才能防止裂纹，随着板厚及碳当量的增加，预热温度也相应提高； 当CE0.6%时，钢材淬硬倾向很大，焊接性差，焊接时必须采用严格的工艺措施如预热、后热、缓冷等，以防止产生裂纹。,
6、使用日本工业标准（JIS）规定的Ceq(JIS)：对板厚小于20mm的钢材和采用焊条电弧焊时，对于强度等级不同钢材规定了不产生裂纹的临界值和相应的预热措施，见表1-5,表1-5 钢材强度级别与碳当量和预热温度的关系,使用美国焊接学会推荐的Ceq(AWS)：应根据Ceq(AWS) 值再结合焊件厚度，先从图1-1查出该钢种焊接性的优劣等级，再根据表1-6确定出其焊接的最佳工艺措施。,表1-6 钢材焊接性等级不同时的最佳焊接工艺措施,图1-1 焊接性与碳当量和板厚的关系,2焊接冷裂纹敏感指数法 焊接冷裂纹敏感指数（Pc）不仅包括了母材的化学成分，又考虑了熔敷金属含氢量与拘束条件（板厚）的作用。 斜Y
7、形坡口焊接裂纹试验的冷裂纹敏感指数公式： Pc=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B+/600+H/60 （%） 根据Pc值可以通过经验公式求出斜Y型坡口对接裂纹试验条件下，为了防止冷裂纹所需要的最低预热温度T0（） T0=1440 Pc 392,3利用金属材料的物理性能分析 金属材料的物理性能，对焊接热循环、熔池冶金过程、结晶与相变过程等都有明显的影响。 热导率大的材料（铜），传热快，焊接时熔池结晶速度快容易产生气孔和熔透不足； 而热导率低的材料（钛、不锈钢），焊接时由于温度梯度大会产生较大的应力及变形，而且还会因为高温停留时间延长而导致焊缝金属
8、晶粒粗大。 焊接线胀系数大的材料（如不锈钢），接头的应力和变形必然更严重； 焊接密度小的材料（如铝及其合金），则容易在焊缝中产生气孔和夹杂。,4利用金属材料的化学性能分析 化学性质比较活泼的金属（如铝、镁、钛及其合金），在焊接条件下极易被氧化。 有些金属材料甚至对氧、氮、氢等气体都极为敏感，焊接这些材料时需要采取惰性气体保护焊和在真空中焊接等保护可靠的焊接方法，有时甚至在焊缝背面也要进行保护。 钛对氧、氮、氢等气体都极为敏感，吸收这些气体后力学性能显著降低，特别是韧性降低严重，因此要严格控制这些气体对焊缝及热影响区的影响。,5利用合金相图或SHCCT（CCT）图分析 例如对于共晶相图，其固、液
9、相线之间的温度区间大，会造成结晶时的成分偏析、低熔点共晶的生成和脆性温度区间的大，热裂纹倾向大。 对于各种低合金钢来说，可以利用各自的连续冷却组织转变图（CCT图）或模拟热影响区的连续冷却组织转变图（SHCCT图）分析其焊接性。 可以根据转变图预测热影响区组织、性能和硬度变化，从而预测某种钢焊接热影响区的淬硬倾向和产生冷裂纹的可能性，以便确定适当的焊接工艺条件。,能力知识点二 金属材料焊接性试验方法 一、斜Y型坡口焊接裂纹试验法 二、焊接热影响区最高硬度试验法 三、插销试验法 四、刚性固定对接裂纹试验法,一、斜Y型坡口焊接裂纹试验法,用于评定碳钢和低合金高强度钢焊接热影响区对冷裂纹的敏感性 属
10、于自拘束裂纹试验 其试验要求应遵从GB/T4675.1-1984焊接性试验-斜Y型坡口焊接裂纹试验法的规定。,1试件制备 试件的尺寸和形状如图1-2所示， 板厚为938mm 采用机械方法加工试件坡口 试板两端各焊接 60mm的拘束焊缝 采用双面焊 试件中间待焊 部位有2mm的间隙。,图1-2 试件尺寸和形状,2、施焊条件 用焊条电弧焊施焊的试验焊缝如图1-3a所示，用自动送进装置施焊的试验焊缝如图1-3b所示。 试验焊缝只焊一道，不要求填满坡口，并可在不同温度下施焊。 焊后静置和自然冷却48h后截取试样和进行裂纹检测。 焊接参数：焊条直径4mm，焊接电流（17010）A，电弧电压（2224）V
11、，焊接速度（15010）mm/min。,图1-3 施焊时的焊缝示意图 a）焊条电弧焊试验焊缝 b）焊丝自动送进的试验焊缝,3、裂纹检测 （1）表面裂纹率Cf 如图1-4a Cf=lf /L100% （2）根部裂纹率 检测根部裂纹时，应将试件着色后拉断或折断，按图1-4b进行根部裂纹测量。 Cr=lr/L100% （3）断面裂纹率Cs 在试验焊缝上，用机械加工方法等分切取46块试样，如图1-4c所示，检查5个断面上的裂纹深度，按下式计算Cs Cs=Hs/H100%,图1-4 试样裂纹长度计算 A）表面裂纹 b）根部裂纹 c）断面裂纹,二、焊接热影响区最高硬度试验法,试验标准GB/T4675.5-
12、1984，适用于焊条电弧焊。 试板尺寸和形状如图1-5和表1-7所示，试板采用气割下料，试验标准厚度为20mm，当材料厚度超过20mm时须用机加工成20mm，并保留一个轧制表面；当材料厚度小于20mm时则无须加工。,表1-7 热影响区最高硬度试件尺寸,图1-5 热影响区最高硬度试板,试样表面经研磨、腐蚀后，按图1-6位置测量硬度。,图1-6 硬度测量的位置,一般用于焊接结构的钢材都应提供其最高硬度值，常用的低合金结构钢允许的热影响区最高硬度值见表1-8。 表1-8 常用低合金钢的碳当量及允许的热影响区最大硬度,三、插销试验法,插销试验法是一种定量测定低合金钢焊接热影响区冷裂纹敏感性的试验方法，
13、属于外拘束裂纹试验法。 该试验方法消耗材料少，结果稳定可靠，因此在国内外得到广泛应用。 我国已制定国家标准GB/T9446-1988焊接用插销冷裂纹试验方法。,插销试验的基本原理是根据产生冷裂纹的三要素（即钢的淬硬倾向、焊缝含氢量及接头的应力状态），定量测出被焊钢材产生焊接冷裂纹的“临界应力”作为冷裂纹敏感性的评定指标。 1试样制备 把被焊钢材加工成直径为8mm或6mm的圆柱形试棒（称为插销），形状和尺寸如图1-7所示，各部位尺寸见表1-9，插销上端有环形或螺形缺口。将插销插入底板直径相应的孔中，使带缺口一端与底板表面平齐，如图1-8所示。,图1-7 插销试棒的形状 a）环形缺口插销 b）螺形
14、缺口插销,图1-8 插销试棒、底板及熔敷焊道 a）环形缺口插销 b）螺形缺口插销,2试验过程 按选定的焊接方法和严格控制的工艺参数，在底板上熔敷焊道，尽量使焊道中心线通过插销的端面中心，其熔深应保证缺口尖端位于热影响区的粗晶部位，焊道长度约100150mm。 在焊后冷却至100150时（有预热时应在冷至高出预热温度5070）加载，当保持载荷16h或24h（有预热）期间试棒发生断裂，即得到该试验条件下的“临界应力”；如果在保持载荷期间未发生断裂，应调整载荷直至发生断裂。改变含氢量、焊接热输入和预热温度，可得到不同的临界应力。临界应力越小，说明材料对冷裂纹越敏感。,3插销试验特点： 1）试件尺寸小
15、，底板与插销材料可以不同，且底板可重复使用，因此试验消耗材料少。 2）调整焊接热输入和底板厚度可得到不同的接头冷却速度。 3）插销可从被试验材料任意方向截取，还方便从全熔敷金属中取样来测定焊缝金属对冷裂纹的敏感性。 4）试验要求环形缺口必须位于焊缝的粗晶区，要求较严格。 5）环形缺口整个圆周温度不十分均匀，影响试验结果的准确性，造成数据分散，再现性不是很好。,四、刚性固定对接裂纹试验法,该方法主要用于测定焊缝的冷裂纹和热裂纹倾向，也可以测定焊接热影响区的冷裂纹倾向，适用于低合金钢焊条电弧焊、埋弧焊和气体保护焊等。 试件尺寸和形状如图1-10所示，试件在不小于厚度为40mm的钢板上以角焊缝形式四
16、周焊接牢固。当试件板厚12mm时，取焊角尺寸与板厚相等；当板厚12mm时，焊角尺寸取12mm。试件坡口由机械方法加工。,图1-10 刚性固定对接裂纹试验试件尺寸和形状 1-试件 2-刚性底板,试验焊缝可用手工焊或自动焊方法焊接，焊接参数可采用实际焊接时的参数。焊后将试件在室温放置24h，先检查焊缝有无表面裂纹；再横向切取焊缝，取2块试样磨片检查有无裂纹。 该试验焊缝所受到的拘束度较大，评定标准是以试验结果有无裂纹为依据，一般要求每种焊接条件下需焊接2块试样。,综合训练,一、理论部分 1简答题： （1）什么是金属材料的焊接性？工艺焊接性与使用焊接性有什么不同？ （2）金属材料的焊接性是否属于金属材料的固有性能？“凡是能够获得优质焊接接头的金属，焊接性都很好”这种说法对吗？为什么？ （3）什么是碳当量？如何利用碳当量法评定金属的焊接性？它的使用范围如何？ （4）为什么热影响区的最高硬度可以说明金属材料对冷裂纹的敏感性
