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1、第第2章章 焊接性及其试验评定焊接性及其试验评定机器人及焊接自动化重点实验室：李玉龙焊接性问题的引出n材料无论强弱焊接过程中都可能出现问题n但从材料强度不能知道焊接中是否会出现问题，焊后能否使用n焊接性（表征能否焊、能否用）焊接性定义：金属材料在限定的施工条件下，焊接性定义：金属材料在限定的施工条件下，焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定工作服役要求的能力，即材料对焊接加工的工作服役要求的能力，即材料对焊接加工的适应性和使用可靠性适应性和使用可靠性能不能焊，焊接接头性能如何，能不能使用能不能焊，焊接接头性能如何，能不能使用焊接性焊接性工艺焊接性（结合性能
2、）工艺焊接性（结合性能）使用焊接性（使用性能）使用焊接性（使用性能）在一定工艺条件下能否获得优在一定工艺条件下能否获得优质无缺陷的焊接接头的能力质无缺陷的焊接接头的能力焊接接头或者说整体结构满足焊接接头或者说整体结构满足某种使用要求的能力某种使用要求的能力2冶金焊接性和热焊接性（问题角度不同）n冶金过程、热过程n冶金焊接性n热焊接性n思考：如何改善冶金焊接性和热焊接性？焊接性影响因素n1.材料因材料因素素成分、组织、性能成分、组织、性能Al 、Fe、CuM、 P、 F母材：母材：强度、强度、塑性等塑性等结构钢结构钢强度高强度高 硬度大硬度大 裂纹敏感性大（冷）裂纹敏感性大（冷）焊接材料：根据母
3、材选择焊接材料：根据母材选择n2. 结构设计因素结构设计因素板厚、接头形式、多板厚、接头形式、多道焊缝焊接顺序道焊缝焊接顺序n3. 工艺因素工艺因素焊接方法：焊接方法：工艺参数：工艺参数：热输入量热输入量冷却速度冷却速度冷冷裂纹倾向裂纹倾向焊接速度焊接速度焊缝处集中大焊缝处集中大量低熔共晶夹量低熔共晶夹杂杂热裂纹倾向热裂纹倾向n4. 接头使用条件接头使用条件（服役环境）（服役环境）腐蚀、应力、低温、高温腐蚀、应力、低温、高温金属焊接难易、常见问题n表2-1n表2-2n2.2.1焊接性试验内容n1)焊缝（和HAZ）抗热裂的能力n2)焊缝和HAZ抗冷裂的能力n3)焊接接头抗脆性转变（断裂）的能力n
4、4)接头的使用性能n什么是热裂纹？n什么是冷裂纹？n什么是脆性断裂？n共晶：共晶反应eutecticreaction一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应叫做共晶反应。所生成的两相混合物叫共晶体。发生共晶反应时有三相共存,它们各自的成分是确定的,反应在恒温下平衡地进行。2.2.2评定焊接性的原则n针对工艺焊接性、使用焊接性n工艺焊接性工艺焊接性n使用焊接使用焊接性性直接模拟试验直接模拟试验间接推算法间接推算法接头性能检测接头性能检测碳当量判据碳当量判据冷裂纹敏感指数冷裂纹敏感指数小铁研小铁研热裂纹热裂纹层状撕裂层状撕裂有损检测、无损检测有损检测、无损检测n可比性尽量接近实际焊接条件n针对性n
5、再现性尽量避免人为因素影响n经济性2.2.3焊接性评定分类n1模拟类方法（简化的焊接方法）n一般不进行实际焊接，也有进行焊接（简化焊接），在能够进行焊接热力模拟的机器上实现焊接过程的热、力条件，观察并分析裂纹产生与否：简化的焊接方法，与实际有出入。热模拟法、焊接热热模拟法、焊接热-应力模拟法。应力模拟法。nhonjieremonlshlyon焊接热模拟试验(weldingthermalsimula-tiontesting)用各种各样的特殊热处理技术，在材料上得到具有一定体积的、实际焊接显微组织近似的、可供试验用的试样的试验。为此目的，已研制成功各种成熟的焊接热模拟机(如美国研制的使用最多的Gl
6、eeble试验机)，这些模拟机通常都是用电阻加热并用水冷试样以实现模拟焊接热循环。用铂(Pt)一铂佬(Pt一13%Rh)热电偶或镍铬(Ni一Cr)一镍铝(Ni一AI)热电偶点焊到试样表面，能在热模拟机上按照任何所要求的“温度一时间”图形进行程序模拟，并且在记录仪上画出这种热循环。同时也可用膨胀计记录相变。如有必要，模拟机还可像加热与冷却一样同时对试样施加拉、压载荷。n2.实焊类方法小型焊接构件直接产品试验大型构件，焊接特定试样，进行比对。冷裂纹热裂纹消除应力层状撕裂应力腐蚀裂纹n3.理论分析和计算类方法利用物理性能利用化学性能利用相图或SHCCT图利用经验公式n模拟焊接热影响区连续冷却转变图是
7、模拟焊接热影响区金属某一点处的焊接热循环所测定的连续冷却转变图。它是表征钢材焊接热影响区某一点(以熔合线附近为主的金属，在连续冷却条件下组织开始转变和转变终了的温度、时间、转变产物(组织)、室温硬度与冷却速度之间的曲线图谱。典型的热影响区连续冷却转变图如图1-51所示。图1-51中A区为奥氏体组织，F为铁素体转变区，P为珠光体转变区，ZW为中间组织(贝氏体类组织)转变区，M为马氏体转变区；f-g、p-q、e-s、z-f-p-e、p-e、d-z-h、z-h、Mf表示各类组织开始转变和转变终了的曲线；R1-R2为连续冷却曲线。分别表示以A3作为时间计算起点的不同冷却过程；两类曲线交点处的数字表示在
8、该冷却条件下形成的组织在金属中所占的百分比(体积比)；注在各条冷却曲线末端的数字，则表示在该冷却条件下的金属在室温下的平均维氏硬度。n2.3焊接性的评定及试验方法n（又可）分为间接法和直接试验法n直接试验法以外的其他方法都是间接方法n试验类方法：每一种只考察某一特定焊接性特征2.3.1焊接性的间接评定n1.碳当量法n评定焊接热影响区淬硬及冷裂纹倾向钢焊接性判据钢焊接性判据n1碳当量法碳当量法 碳当量法含义碳当量法含义 国际焊接学会推荐公式国际焊接学会推荐公式 日本焊接学会推荐公式日本焊接学会推荐公式注意公式的适用范围注意公式的适用范围粗略估计冷裂纹倾向粗略估计冷裂纹倾向淬硬倾向、不能判断能否产
9、生淬硬倾向、不能判断能否产生n碳当量法局限性p22-23n碳当量值只能在一定范围内，对钢材概括地、相对地评价其焊接性，这是因为：n1）如果两种钢材的碳当量值相等，但是含碳量不等，含碳量较高的钢材在施焊过程中容易产生淬硬组织，其裂纹倾向显然比含碳量较低的钢材来得大，焊接性较差。因此，当钢材的碳当量值相等时，不能看成焊接性就完全相同。n2）碳当量计算值只表达了化学成分对焊接性的影响，没有考虑到冷却速度不同，可以得到不同的组织，冷却速度快时，容易产生淬硬组织，焊接性就会变差。n3）影响焊缝金属组织从而影响焊接性的因素，除了化学成分和冷却速度外，还有焊接循环中的最高加热温度和在高温停留时间等参数，在碳
10、当量值计算公式中均没有表示出来。n因此，碳当量值的计算公式只能在一定的钢种范围内，概括地、相对地评价钢材的焊接性，不能作为准确的评定指标。2冷裂纹敏感指数冷裂纹敏感指数(Pc)n淬硬倾向、拘束度、扩散氢含量淬硬倾向、拘束度、扩散氢含量n冷裂纹敏感指数冷裂纹敏感指数Pc 比比碳当量碳当量Ceq估算的准确估算的准确都只是估算都只是估算3热裂纹敏感性指数法n考虑化学成分对焊接热裂纹敏感性的影响，在试验研究的基础上提出可预测或评估金属材料热裂纹倾向的指(系)数方法焊接热裂纹(weldinghotbreaking)多产生于接近固相线的高温下，有沿晶界分布的特征，有时也能在低于固相线的温度下沿着“多边化边
11、界”形成。焊接热裂纹通常产生于焊缝金属内，也可能在焊接熔合线邻近的热影响区组织内(母材金属)。按裂纹产生的机理、形态和温度区间不同，焊接热裂纹可分为:凝固裂纹，液化裂纹，多边化裂纹和失塑裂纹4种。热裂纹：焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区产生的焊接裂纹。4.消除应力裂纹敏感性指数法n再热裂纹是低合金高强度钢在焊后热处理过程中产生的裂纹。它是在加热消除应力的过程中，焊接接头发生变形，其变形量超过了热影响区金属在该温度下塑性变形的能力而产生的。防止措施有:(1)减小热影响区的过热倾向，细化奥氏体晶粒尺寸。(2)选用合适的焊接材料，提高金属在消除应力热处理温度时的塑性，以提高承担
12、松弛应变的能力。(3)提高预热温度，焊后缓冷，焊缝表面与母材一圆滑过渡，以减小焊接残余应力和应力集中。(4)采用正确的热处理规范和工艺，尽量不在热敏感区长时间停留。5.层状撕裂敏感性指数法n层状撕裂，焊接时，在焊接构件中沿钢板轧层形成的呈阶梯状的一种裂纹。n在焊接构件中沿钢板轧层形成的呈梯状的一种裂纹称为层状撕裂。层状撕裂经常发生在T形接头和角接接头中，其走向和钢板表面相平行，见图(图中箭头表示接头的受力方向)。产生层状撕裂的原因是在轧制钢板中存在硫化物、氧化物和硅酸盐等低熔点非金属夹杂物，其中尤以硫化物的作用为主，在轧制过程中被延展成片状，分布在与表面平行的各层中，在垂直于厚度方向的焊接应力
13、作用下，夹杂物首先开裂并扩展，以后这种开裂在各层之间相继发生，连成一体，造成层次撕裂的阶梯性。6.焊接热影响区最高硬度法2.3.2焊接性直接试验方法(针对性)n（1）斜）斜Y形形坡口焊接裂纹试验坡口焊接裂纹试验(小铁研法小铁研法) 用来检验母材金属热影响区的冷裂纹倾向用来检验母材金属热影响区的冷裂纹倾向 焊接规范不变，采用不同的焊接预热温度，焊接规范不变，采用不同的焊接预热温度，可获得防止冷裂纹的预热温度，作为生产中可获得防止冷裂纹的预热温度，作为生产中预热温度参考数据预热温度参考数据 试验结果准确性关键在于坡口间隙的准确性试验结果准确性关键在于坡口间隙的准确性n 1冷裂纹试验方法冷裂纹试验方
14、法n它适用于碳钢和低合金高强度钢焊接热影响区冷裂纹的试验方法，通称为“铁研式”抗裂试验，后经改进称为“小铁研式”。此试验方法已列为国家标准(GB4675.1-84)，与日本JISZ3158-1966等效。(1)试件的制备：试件的形状和尺寸如图所示。试件的坡口采用机械切削加工。(2)试验条件试验用焊条采用低碳钢及低合金高强度钢焊条，与试验的钢材相匹配，焊前要严格烘干。拘束焊缝采用双面焊接，注意不要产生角变形和未焊透。试件达到试验温度后，原则上以标准规范进行试验焊缝的焊接。(3)试验步骤按图装配试件，先焊拘束焊缝。当采用手弧焊时，试验焊缝按图所示进行，当采用自动送进装置焊接时，按图所示进行。焊完试
15、件放置48h以后，开始进行裂纹检测和解剖。n检测裂纹及裂纹率的计算方法:用肉眼或手持放大镜来检查焊接接头的表面和断面是否有裂纹，并按下列方法分别计算表面裂纹率、根部裂纹率和断面裂纹率。n根部裂纹率：采用试件着色的方法，然后拉断，并按下式计算出根部裂纹率：断面裂纹率：在试验焊缝上切出同样厚度4-6块，检查5个断面上的裂纹深度，按下式计算断面裂纹率：拉伸拘束裂纹和刚性拘束裂纹n（2）TRCn拉伸拘束裂纹试验（TRC试验）tensilerestraintcrackingtest一种定量测定焊接冷裂纹试验方法。试验时将试板固定在专门的试验机上。施焊后立即施加一橫向拉伸载荷，并调整拉伸应力使其达到某一定
16、值，长时间保持这个应力，直至产生裂纹或断裂为止。如果不裂，则一般保持24小时，可用产生冷裂纹的临界应力和加载的持续时间（即裂纹的潜伏期）来评定冷裂纹的敏感性和影响因素。n刚性拘束裂纹P30n拘束距离-拘束度刚性固定对接裂纹试验n焊缝冷裂纹、热裂纹；热影响区冷裂纹n焊缝的焊脚K窗型拘束裂纹插销试验两种两种缺口缺口n插销试验优缺点2.焊接热裂纹试验方法n什么是焊接热裂纹？n焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区产生的焊接裂纹。n凝固裂纹，液化裂纹，多边化裂纹和失塑裂纹4种凝固裂纹n凝固裂纹又称结晶裂纹，产生在焊缝金属凝固过程后期的脆性温度区间。此时焊缝金属结晶接近完成，但晶粒间尚存
17、在着很薄的液相层，塑性很低。当由冷却不均匀收缩而产生的拉伸变形超过临界值时，即沿晶界液相层开裂。液化裂纹n液化裂纹，是焊接时近缝区金属或焊缝层间金属，在高温下使这些区域的奥氏体晶界上的低熔点共晶被重新熔化，在拉伸应力的作用下沿奥氏体晶界开裂所形成的，一般尺寸比较小。还有就是在不平衡的加热冷却条件下，由于金属间化合物分解和元素的扩散，造成了局部地区共晶成分偏高而发生的局部晶间液化。多边化裂纹n在固相线以下再结晶温度区间，由晶格缺陷发生移动和聚集而形成的二次边界处于低塑性状态，在焊接应力作用下产生的沿奥氏体晶界开裂的裂纹。n由于焊接的高温过热和不平衡的结晶条件，使奥氏体结晶中形成大量空位和位错，在
18、一定温度和应力作用下排列成亚晶界多边形化晶界，当此晶界与有害杂质富集区重合时，往往会在拉应力作用下形成多边化裂纹。失塑性裂纹n失塑裂纹又称高温低塑性裂纹。在焊接热影响区或多层焊的前一焊道上，因焊接热循环的作用致使塑性陡降，在拉伸应力下沿二次结晶晶界形成的热裂纹。其裂纹敏感温度区域略低于再结晶温度。多数发生在奥氏体钢和合金及少数高强度钢的焊接接头中。其裂纹产生条件有些类同于多边化裂纹，但其裂纹形成机制和裂纹形态却各不相同。压板对接焊接裂纹检测n1压板对接(FISCo)焊接裂纹试验方法的试验装置装配图n将试件安装在试验装置里，在试件坡口的两端按试验要求装入相应尺寸的塞片，以保证坡口间隙。坡口的间隙可在06mm范围内变化。n将水平方向的螺栓紧固，紧到顶住试件即可。垂直方向的螺栓要用测力扳手，以1200kgfcm的扭矩紧固好。n按图3所示，顺次焊接4条长约40mm的试验焊缝，焊缝间距约10mm。焊接弧坑原则上不填满。可调拘束裂纹实验层状撕裂试验方法
