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1、第 2 章 焊接性及其试验评定2.1 焊接性及其影响因素2.1.1 焊接性概念 概念：指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。 工艺焊接性：结合性能，就是一定的材料在给定的焊接工艺条件下对形成焊接缺陷的敏感性。 使用焊接性：使用性能，指一定的材料在规定的焊接工艺条件下所形成的焊接接头适应使用要求的能力。2.1.2 影响焊接性的因素影响因素： 材料因素、设计因素、工艺因素、服役因素2.2 焊接性试验的内容2.2.1 焊接性试验的内容（1）焊缝金属抵抗产生热裂纹的能力 （ 2）焊缝及热影响区抵抗产生冷裂纹的能力（ 3）焊接接头抗脆性断裂的能力 （4）焊接
2、接头的使用性能2.3 焊接性的评定及试验方法2.3.1 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2.3.2 焊接性的直接试验方法（1）焊接冷裂纹试验方法 （ 2）焊接热裂纹试验方法 （3）焊接消除应力裂纹试验方法 （ 4）层状撕裂试 验方法第 3 章 合金结构钢的焊接3.2 热轧及正火钢的焊接3.2.2 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，
3、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
4、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
5、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、气体保护焊和电渣焊都可 选用。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 低碳调质钢的焊接3.
6、3.2 低碳调质钢的焊接性分析（1）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 限制焊缝含氢量在超低氢水平对于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，
7、冷裂倾向就会增大。（3）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。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（1）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
8、性能 （ 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 800C500C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，获得上
9、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 Co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 C左右。（3）低碳调质钢焊接接头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。3.4 中碳调质钢的焊接3.4.2 中碳调质钢的焊接性分析（1）焊缝中的热裂纹尽可
10、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。3.4.3 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
11、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 珠光体耐热钢的焊接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素，会增加钢的再热裂 纹敏感性。再热裂纹的产生部位
12、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，先进行一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也有一定关系。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。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
13、。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。第4章不锈钢及耐热钢的焊接4.1不锈钢及耐热钢的分类及特性、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
14、NbTi等元素时减少热裂倾向增大热裂倾向Mn含量为5%-7%寸，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铁素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Cr形成Cr-Ni高熔点共晶，细化晶粒当Cr/Ni 1.9-2.3 时，提高抗裂性Mo显著提高抗裂性细化晶粒，减小热裂倾向4.2奥氏体不锈钢的焊接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。指焊接热影响区中加热
15、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Ms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）T的作用效果远大于加热保温时间t的作用退火消除焊接残余应力最为重要，为消除应力，加热温度 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。热裂纹与凝固模式合金1凝固开始到结束都是单相 5相组织。以5相完成整个凝固过程(只是在继续冷却时发生5y转变)凝固模式以F表示合金2初生相5超过AB面后L+ 5宀L+ 5 + 丫宀5 + 丫以FA表示合金3初生相y超过AB面后L + 丫宀L + 丫 + 5宀丫 + 5以
