金属焊接性及实验方法

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1、 金属焊接性金属焊接性 是是焊接冶金（基本原理）焊接冶金（基本原理）课程的后续课程课程的后续课程 ，重点介绍基础知识和基本概，重点介绍基础知识和基本概念，并念，并注重引入了有关新金属材料的焊接性及其注重引入了有关新金属材料的焊接性及其连接新技术、新标准的相关内容，其中部分内容连接新技术、新标准的相关内容，其中部分内容是作者在近年的科学研究工作中所取得的研究成是作者在近年的科学研究工作中所取得的研究成果。果。绪言绪言1目录第一章 金属焊接性基础第二章 碳钢及低合金钢的焊接第三章 耐热钢及不锈钢的焊接第四章 铜、镍及其合金的焊接第五章 钛及其合金的焊接第六章 铝、镁及其合金的焊接第七章 铸铁的焊接

2、2焊接工作者的两大努力方向焊接工作者的两大努力方向1、如何把材料、如何把材料焊得好焊得好！ 解决材料的焊接性，研究焊接接头的性能解决材料的焊接性，研究焊接接头的性能和工艺方法，焊接参数之间的关系。和工艺方法，焊接参数之间的关系。2、如何、如何焊得快焊得快！ 在保证焊接接头性能的前提下，研究采用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。什么工艺手段，使焊接的效率提高。好而快3第第1章金属焊接性及其试验方法章金属焊接性及其试验方法 由于在焊接过程中由于在焊接过程中, 焊接接头中的各种物理化学焊接接头中的各种物理化学反应反应, 在温度和化学成分都处于极不平衡的特定条件在温度

3、和化学成分都处于极不平衡的特定条件下进行的下进行的, 引起两方面的后果引起两方面的后果:1. 在焊接区内产生各种类型的缺陷在焊接区内产生各种类型的缺陷,使焊接接头丧失其使焊接接头丧失其连续性连续性;2. 即使没有产生缺陷即使没有产生缺陷, 也可能也可能降低降低了某些必要的了某些必要的性能性能, 影响焊接结构的使用寿命。影响焊接结构的使用寿命。4第第1章金属焊接性及其试验方法章金属焊接性及其试验方法 因此，因此，金属本身固有的基本性能金属本身固有的基本性能，还不能，还不能直接表明它在焊接时出现什么问题，以及焊后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。这样就要求人们接头性

4、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从焊接的角度来分析研究金属某些特有的性能焊接性焊接性。51.1 1.1 金属焊接性及其测试方法金属焊接性及其测试方法金属焊接性金属焊接性就是金属是否能适应焊接加工就是金属是否能适应焊接加工, ,即即材料在一定的焊接工艺条件下（包括焊接方法、焊接材料、焊接参数和结构形式等），形成完整的、具备一定使用性形成完整的、具备一定使用性能的焊接接头的特性。金属焊接性的概念有两方面内容：一能的焊接接头的特性。金属焊接性的概念有两方面内容：一是金属在焊接加工中是否容易形成缺陷；二是焊成的接头在是金属在焊接加工中是否容易形成缺陷；二是焊成

5、的接头在一定的使用条件下可靠运行的能力。简而言之，焊接性就是一定的使用条件下可靠运行的能力。简而言之，焊接性就是指金属材料指金属材料“好焊不好焊好焊不好焊”以及焊成的接头以及焊成的接头“好用不好用好用不好用”。 金属焊接性金属焊接性6 焊接性又可分成工艺焊接性和使用焊接性。焊接性又可分成工艺焊接性和使用焊接性。工艺焊接性工艺焊接性是指在一定焊接工艺条件下，获得优质、无缺陷是指在一定焊接工艺条件下，获得优质、无缺陷的焊接接头的能力。如果一种金属材料可以在很简单的工艺条的焊接接头的能力。如果一种金属材料可以在很简单的工艺条件下焊接而获得完好的接头且能够满足使用要求，就可以说其件下焊接而获得完好的接

6、头且能够满足使用要求，就可以说其焊接性良好；反之，则焊接性较差。焊接性良好；反之，则焊接性较差。使用焊接性使用焊接性是指焊接接头满足某种使用性能的能力，通常包是指焊接接头满足某种使用性能的能力，通常包括常规的力学性能、低温韧性、抗脆断性能、高温蠕变、疲劳括常规的力学性能、低温韧性、抗脆断性能、高温蠕变、疲劳性能、持久强度以及抗腐蚀性和耐磨性等指标。性能、持久强度以及抗腐蚀性和耐磨性等指标。7工艺性能：冶金焊接性和热焊接性对于熔焊来说，焊接过程一般包括冶金过程和热过程这两个必不可少的过程。在焊接接头区域，冶金过程主要影响焊缝金属的组织和性能，而热过程主要影响热影响区的组织和性能。 8(1) 冶金

7、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。这些冶金过程包括：合金元素的氧化、还原、蒸发，从而影响焊缝的化学成分和组织性能；氧、氢、氮等的溶解、析出对生成气孔或对焊缝性能的影响；在焊缝结晶及冷却过程中，由于焊接熔池的化学成分、凝固结晶条件以及接头区热胀冷缩和拘束应力等影响，有时产生热裂纹或冷裂纹。 9(2) 热焊接性 焊接过程中要向接头区域输入很多热量，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、韧性、耐蚀性等的变化。与焊缝金属不同，焊接时热影响区的化学成分一般不会发生明显的变化，而且

8、不能通过改变焊接材料来进行调整，即使有些元素可以由熔池向熔合区或热影响区粗晶区扩散，那也是很有限的。为了改善热焊接性，除了选择母材之外，还要正确选定焊接方法和热输入。 10焊接性评价标准焊接性评价标准焊缝及焊缝及HAZHAZ产生裂纹的敏感性如何产生裂纹的敏感性如何 n n焊缝及焊缝及HAZHAZ产生气孔的敏感性如何产生气孔的敏感性如何 n n焊接热循环对焊接热循环对HAZHAZ组织结构的影组织结构的影响响 n n焊接接头满足规定性能的可能性焊接接头满足规定性能的可能性 使用焊接性使用焊接性l研究焊接性的目的：目的在于查明一定的材料在指定的焊接工艺条件下可能出现的问题，以确定焊接工艺的合理性或材

9、料的改进方向。 工艺焊接性工艺焊接性11 影响焊接性的因素影响焊接性的因素 材料因素材料因素 材料因素不仅包括被焊母材本身而且包括所使用的焊接材材料因素不仅包括被焊母材本身而且包括所使用的焊接材料，如焊条电弧焊时的焊条、埋弧焊时的焊丝和焊剂、气体保护焊时的料，如焊条电弧焊时的焊条、埋弧焊时的焊丝和焊剂、气体保护焊时的保护气体等。他们在焊接过程中直接参与熔池或熔合区的冶金反应，对保护气体等。他们在焊接过程中直接参与熔池或熔合区的冶金反应，对焊接性和焊接质量有重要影响。焊接性和焊接质量有重要影响。 工艺因素工艺因素 焊接热源：能量密度、温度以及热量输入等，它们可以直焊接热源：能量密度、温度以及热量

10、输入等，它们可以直接改变焊接热循环的各项参数。接改变焊接热循环的各项参数。对熔池和接头附近区域的保护：如熔对熔池和接头附近区域的保护：如熔渣保护、气体保护、渣渣保护、气体保护、渣-气联合保护或真空保护等，这些都将影响焊接冶气联合保护或真空保护等，这些都将影响焊接冶金过程。可通过焊前预热、缓冷、焊后热处理等防止热影响区淬硬变脆、金过程。可通过焊前预热、缓冷、焊后热处理等防止热影响区淬硬变脆、减小焊接应力、避免裂纹以提高接头使用性能。减小焊接应力、避免裂纹以提高接头使用性能。12结构因素结构因素 结构因素主要是指焊接结构形状、尺寸、厚度以及接头坡口结构因素主要是指焊接结构形状、尺寸、厚度以及接头坡

11、口形式和焊缝布置等。焊接结构的形状、板厚和焊缝的布置决定接头的刚形式和焊缝布置等。焊接结构的形状、板厚和焊缝的布置决定接头的刚度和拘束度，对接头的应力状态产生影响。在设计焊接结构过程中，尽度和拘束度，对接头的应力状态产生影响。在设计焊接结构过程中，尽量避免接头缺口、截面突变、堆高过大、交叉焊缝等。量避免接头缺口、截面突变、堆高过大、交叉焊缝等。服役条件服役条件 服役条件指工件的工作温度、负载条件和工作介质等。一定服役条件指工件的工作温度、负载条件和工作介质等。一定的工作环境和运行条件要求焊接结构具有相应的使用性能。例如，在低的工作环境和运行条件要求焊接结构具有相应的使用性能。例如，在低温工作的

12、焊接结构必须具备抗脆性断裂性能，在高温工作的焊接结构要温工作的焊接结构必须具备抗脆性断裂性能，在高温工作的焊接结构要具备抗蠕变性能，在交变载荷下工作的焊接结构具有良好的抗疲劳性能，具备抗蠕变性能，在交变载荷下工作的焊接结构具有良好的抗疲劳性能，在一定腐蚀介质中工作的焊接容器应具备抗腐蚀性能等在一定腐蚀介质中工作的焊接容器应具备抗腐蚀性能等13（1 1）利用金属的化学成分分析）利用金属的化学成分分析 碳当量法碳当量法(Carbon Equivalent) 所有元素中，碳对淬硬所有元素中，碳对淬硬和冷裂纹的影响最为显著。因而，人们就将各种元素的作用和冷裂纹的影响最为显著。因而，人们就将各种元素的作

13、用按照相当于若干含碳量折合并叠加起来求得所谓的碳当量按照相当于若干含碳量折合并叠加起来求得所谓的碳当量(CE或或Ceq)，并以此来评估冷裂倾向的大小。低合金钢的淬，并以此来评估冷裂倾向的大小。低合金钢的淬硬及冷裂纹敏感性常用碳当量法来估计。硬及冷裂纹敏感性常用碳当量法来估计。1. 1. 从金属的特性分析焊接性从金属的特性分析焊接性如何分析金属的焊接性如何分析金属的焊接性14国际焊接学会国际焊接学会(IIW)推荐：推荐： 适用范围：中、高强度的非调质低合金高强钢（强度为适用范围：中、高强度的非调质低合金高强钢（强度为 500900MPa）CE0.45%时，焊接厚度时，焊接厚度25mm的板可以不预

14、热；的板可以不预热；CE0.41%且含且含C0.207%时，焊接厚度时，焊接厚度37mm的板可以不预热。的板可以不预热。式中元素符号为钢中该元素含量的质量百分数，其值取成分范围的上限。式中元素符号为钢中该元素含量的质量百分数，其值取成分范围的上限。 15当当 0.4%时，时， 塑性良好，塑性良好， 淬硬和冷裂倾向小，淬硬和冷裂倾向小， 焊接性好，焊接性好， 当当 =0.40.6%时，时， 塑性下降，塑性下降， 淬硬及冷裂倾向明显，淬硬及冷裂倾向明显， 焊接性较差。焊接性较差。 焊前适当预热，焊后缓慢冷却。焊前适当预热，焊后缓慢冷却。 当当 0.6%时，时， 塑性较差。塑性较差。 淬硬和冷裂倾向

15、严重，淬硬和冷裂倾向严重， 焊接性很差，焊接性很差， 焊前需要高温预热，焊前需要高温预热， 焊接时要采取减少焊接应力和防止裂纹的工艺措施，焊接时要采取减少焊接应力和防止裂纹的工艺措施， 焊后需要进行适当热处理等。焊后需要进行适当热处理等。 一般焊件不会产生裂纹。一般焊件不会产生裂纹。 16日本的日本的JIS和和WES推荐：推荐： 此式适用于低合金调质钢，其化学成分范围：此式适用于低合金调质钢，其化学成分范围：C0.2%或或0.18%；Si0.55%；Mn1.5%；Cu0.5%；Ni2.5%；Cr1.25%；Mo0.7%；V0.1%；B0.006%。当。当板厚板厚25mm，手弧焊线能量，手弧焊线

16、能量17kJ/cm时，预热范围大致如下：时，预热范围大致如下：钢材钢材 =500MPa， Ceq =0.46%时，可不预热；时，可不预热；钢材钢材 =600MPa， Ceq =0.52%时，预热时，预热75；钢材钢材 =700MPa， Ceq =0.52%时，预热时，预热100；钢材钢材 =800MPa， Ceq =0.62%时，预热时，预热150。17美国焊接学会美国焊接学会(AWS)推荐：推荐：适用对象：适用对象：碳钢和低合金高强钢碳钢和低合金高强钢 此式适用化学成分范围为：此式适用化学成分范围为：C0.6%；Mn1.6%；Ni3.3%；Cr1.0%；Mo0.6%；Cu0.5%1.0%；P

17、0.05%0.15%。当。当Cu0.5%或或P0.05%时，不可计入。时，不可计入。 18焊接冷裂纹敏感指数焊接冷裂纹敏感指数 日本学者采用日本学者采用Y Y形坡口形坡口“小铁研试验小铁研试验”对对200200多种不同成分钢材、不同厚度及不同的焊缝含氢量进行试验，求得焊多种不同成分钢材、不同厚度及不同的焊缝含氢量进行试验，求得焊接冷裂纹敏感指数接冷裂纹敏感指数P PC C： 此式适用条件：此式适用条件：C0.07%C0.07%0.22%0.22%；Si0.60%Si0.60%；Mn0.40%Mn0.40%1.40%1.40%；Cu0.50%Cu0.50%；Ni1.20%Ni1.20%；Cr1.

18、20%Cr1.20%；Mo0.70%Mo0.70%；V0.12%V0.12%；Nb0.04%Nb0.04%；Ti0.05%Ti0.05%；B0. 005%B0. 005%；板厚；板厚=19=1950mm50mm；扩散氢含量；扩散氢含量H=1.0H=1.05.0mL/100g(GB3965-835.0mL/100g(GB3965-83测氢法测氢法) )。19根据上式求得根据上式求得Pc后，利用下式即可求出斜后，利用下式即可求出斜Y型坡口对接裂纹试验条型坡口对接裂纹试验条件下，为防止冷裂所需要的最低预热温度件下，为防止冷裂所需要的最低预热温度T0()： 20焊接热影响区最高硬度法焊接热影响区最高硬

19、度法 根据焊接接头焊接热影响区的最高硬度根据焊接接头焊接热影响区的最高硬度(Hmax)可以相对地评价被焊钢材的淬硬倾向和冷裂纹敏感性，已被国际可以相对地评价被焊钢材的淬硬倾向和冷裂纹敏感性，已被国际焊接学会焊接学会(IIW)推荐采用。推荐采用。我国焊接热影响区最高硬度试验方法标准我国焊接热影响区最高硬度试验方法标准(GB/T 4675.5-1984)：试样的标准厚度为试样的标准厚度为20mm，长度为，长度为200mm，宽度为，宽度为150mm；采用焊条直径采用焊条直径4mm，焊接电流，焊接电流(17010)A，焊接速度，焊接速度(0.250.02)cm/s，沿轧制试样表面的宽度中心线方向焊长度

20、沿轧制试样表面的宽度中心线方向焊长度(12510)mm的焊缝；的焊缝；焊后自然冷却焊后自然冷却12h，垂直切割焊缝中部，在断面上截取硬度测试试样并，垂直切割焊缝中部，在断面上截取硬度测试试样并测量其硬度。测量其硬度。213、热裂纹敏感性指数法、热裂纹敏感性指数法(1) 热裂纹敏感系数热裂纹敏感系数HCS HCS4，无热裂纹；，无热裂纹；HCS越大，热裂纹越敏感。越大，热裂纹越敏感。(2)临界应变增长率临界应变增长率CST(3) CST6.510-4，无裂纹。，无裂纹。l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低合金结构钢热裂纹敏感性指数的方法。224、消除应力裂

21、纹敏感性指数法、消除应力裂纹敏感性指数法(1) G法法 （%） G0时，对裂纹不敏感；时，对裂纹不敏感； G 0时，敏感。时，敏感。 wC0.1%的低合金钢，上式可修正为： （%） 时，对裂纹不敏感；时，对裂纹不敏感； G2时，敏感。时，敏感。预测低合金结构钢焊接性时，根据合金元素对再热裂纹敏感性的影响，可采用再热裂纹敏感性指数法进行评定。一般有两种评定方法：23(2) PSR法 此法主要是用于考虑合金结构钢焊接时Cu、Nb、Ti等元素对再热裂纹的影响，计算公式为：PSR=Cr+Cu+2Mo+5Ti+7Nb+ 10V-2 (%) 此公式适用范围为：wCr1.5%；wMo2.0%；wCu1.0%

22、；0.10%wC0.25%；wV+wNb+wTi0.15%。当PSR0时，对产生再热裂纹较敏感。245、层状撕裂敏感性指数法、层状撕裂敏感性指数法层状撕裂属于低温开裂，主要与钢种中夹杂物的数量、种类和分布等有关。在对抗拉强度500-800MPa低合金结构钢的插销试验（沿板厚方向截取试棒）和窗形拘束裂纹试验的基础上，提出下述计算层状撕裂敏感性指数的公式：25（2 2）利用物理、化学性能分析）利用物理、化学性能分析 金属的熔点、导热系数、线膨胀系数、密度、热容量等因素，都会对焊金属的熔点、导热系数、线膨胀系数、密度、热容量等因素，都会对焊接热循环、熔化、结晶、相变等过程产生影响，从而影响材料的焊接

23、性。接热循环、熔化、结晶、相变等过程产生影响，从而影响材料的焊接性。 纯铜纯铜 导热系数高，焊接时热量散失迅速，坡口不易熔化，焊接热功率导热系数高，焊接时热量散失迅速，坡口不易熔化，焊接热功率不足时会产生未熔透缺陷；不足时会产生未熔透缺陷；不锈钢与钛不锈钢与钛 导热系数低导热系数低 焊接温度梯度大，残余应力高、变形大，当高温停焊接温度梯度大，残余应力高、变形大，当高温停留时间长时热影响区晶粒粗大；留时间长时热影响区晶粒粗大；金属密度小的铝及铝合金金属密度小的铝及铝合金 熔池中的气泡和非金属夹杂不易上浮逸出，会导熔池中的气泡和非金属夹杂不易上浮逸出，会导致焊缝气孔和夹渣缺陷；致焊缝气孔和夹渣缺陷

24、；与氧的亲和力较强的金属与氧的亲和力较强的金属 需要采取较可靠的保护方法。需要采取较可靠的保护方法。 26(3) 利用合金相图分析利用合金相图分析 大多数被焊材料都是合金，或至少含有大多数被焊材料都是合金，或至少含有某些杂质元素，因而可以利用它们的相图分析焊接性。某些杂质元素，因而可以利用它们的相图分析焊接性。共晶型相图共晶型相图 固相线与液相线之间的温度区间大小会影响结晶过程的固相线与液相线之间的温度区间大小会影响结晶过程的成分偏析成分偏析，影响生成低熔点共晶的程度，也影响脆性温度区间的大，影响生成低熔点共晶的程度，也影响脆性温度区间的大小，这对分析热裂倾向是重要的参考依据。小，这对分析热裂

25、倾向是重要的参考依据。单相组织单相组织 焊缝晶粒粗大焊缝晶粒粗大27(4) 利用利用CCT图连续或图连续或SHCCT图分析图分析图图1-1 16Mn钢的连续冷却曲线钢的连续冷却曲线(图中虚线表示的曲线是相当于厚板手弧焊时的冷却速度图中虚线表示的曲线是相当于厚板手弧焊时的冷却速度)T()282. 从焊接工艺条件分析焊接性从焊接工艺条件分析焊接性 （1）热源特点）热源特点 各种焊接方法所采用的热源在功率、能量密度、各种焊接方法所采用的热源在功率、能量密度、最高加热温度等方面有很大的差别，从而影响焊接质量。最高加热温度等方面有很大的差别，从而影响焊接质量。电渣焊电渣焊 功率大、能量密度低，最高加热温

26、度不高，高温停留时间功率大、能量密度低，最高加热温度不高，高温停留时间长，热影响区晶粒粗大，冲击韧度显著降低长，热影响区晶粒粗大，冲击韧度显著降低激光焊激光焊 功率不大、能量密度很高、加热迅速，高温停留时间短，功率不大、能量密度很高、加热迅速，高温停留时间短，热影响区窄，没有晶粒长大的危险。热影响区窄，没有晶粒长大的危险。29（2）保护方法）保护方法 熔焊时，对熔池和热影响区金属的保护方法熔焊时，对熔池和热影响区金属的保护方法有渣保护、气保护和真空保护等几种。有渣保护、气保护和真空保护等几种。钢铁焊接钢铁焊接 多用渣为主的保护：手弧焊、埋弧焊等；有时也采用多用渣为主的保护：手弧焊、埋弧焊等；有

27、时也采用气保护，如气保护，如CO2保护焊、氩弧焊等。保护焊、氩弧焊等。铝、镁、钛（活泼合金）铝、镁、钛（活泼合金） 多采用惰性气体保护：多采用惰性气体保护：TIG、MIG。30（3）热循环控制）热循环控制 正确选择焊接工艺规范、预热、缓冷、层正确选择焊接工艺规范、预热、缓冷、层间温度等工艺措施控制焊接热循环。间温度等工艺措施控制焊接热循环。（4）其他工艺因素）其他工艺因素 焊前清理、焊接材料的处理、焊接顺序焊前清理、焊接材料的处理、焊接顺序和焊接规范等。和焊接规范等。31第第2节节 焊接性试验焊接性试验一、一、 焊接性试验的内容焊接性试验的内容焊缝金属抵抗产生热裂纹的能力焊缝金属抵抗产生热裂纹

28、的能力 热裂纹是一种经常发生热裂纹是一种经常发生又是危害严重的缺陷，与焊接材料关系密切又是危害严重的缺陷，与焊接材料关系密切, 通常是通过通常是通过热裂纹试验来进行的。热裂纹试验来进行的。焊缝及热影响区金属抵抗产生冷裂纹的能力焊缝及热影响区金属抵抗产生冷裂纹的能力 冷裂纹在低冷裂纹在低合金高强钢焊接中较为常见合金高强钢焊接中较为常见,是针对母材进行的试验。是针对母材进行的试验。焊接接头抗脆性转变能力焊接接头抗脆性转变能力 在低温下工作的焊接结构和承在低温下工作的焊接结构和承受冲击载荷的焊接结构，韧性损失是个严重的问题。受冲击载荷的焊接结构，韧性损失是个严重的问题。焊接接头的使用性能焊接接头的使

29、用性能 焊接接头耐放射性辐照的能力、蠕焊接接头耐放射性辐照的能力、蠕变强度、疲强度、抗晶间腐蚀能力等。变强度、疲强度、抗晶间腐蚀能力等。32二、二、 焊接性试验方法分类焊接性试验方法分类（1）直接模拟试验）直接模拟试验 仿照实际焊接的条件，通过焊接过程仿照实际焊接的条件，通过焊接过程观察是否发生某种焊接缺陷或发生缺陷的程度，观察是否发生某种焊接缺陷或发生缺陷的程度，直观地评价直观地评价焊接性的优劣焊接性的优劣 。 1)焊接冷裂纹试验焊接冷裂纹试验 “小铁研小铁研” 试验、插销试验、试验、插销试验、TRC（拉伸拘（拉伸拘束）、束）、RRC （刚性拘束）等。（刚性拘束）等。2)焊接热裂纹试验焊接热

30、裂纹试验 可调拘束裂纹试验、可调拘束裂纹试验、FISCO （压板对接）等。（压板对接）等。3)消除应力裂纹试验消除应力裂纹试验 “小铁研小铁研” 试验、试验、H形拘束试验、插销式形拘束试验、插销式消除应力裂纹试验法等。消除应力裂纹试验法等。4)层状撕裂试验层状撕裂试验 Z向拉伸试验、向拉伸试验、Z向窗口试验等。向窗口试验等。5)应力腐蚀裂纹试验应力腐蚀裂纹试验 U形弯曲试验、缺口试验等。形弯曲试验、缺口试验等。33（2）间接推算）间接推算 不需要焊出焊缝不需要焊出焊缝，而只是根据材料的化学成，而只是根据材料的化学成分、金相组织、力学性能之间的关系，联系焊接热循环过程进分、金相组织、力学性能之间

31、的关系，联系焊接热循环过程进行行推测推测或评估，从而确定焊接性优劣以及所需要的焊接条件。或评估，从而确定焊接性优劣以及所需要的焊接条件。 主要包括：主要包括：碳当量法、焊接裂纹敏感指数法、连续冷却组织碳当量法、焊接裂纹敏感指数法、连续冷却组织转变曲线法、焊接热转变曲线法、焊接热-应力模拟法、焊接热影响区最高硬度法及应力模拟法、焊接热影响区最高硬度法及焊接区断口金相分析等。焊接区断口金相分析等。34（3 ）使用性能试验）使用性能试验(最直观最直观) 将施焊的接头甚至产品在将施焊的接头甚至产品在使用使用条件下条件下进行各方面性能的试验，以试验结果来评定其焊接性。进行各方面性能的试验，以试验结果来评

32、定其焊接性。 主要包括：主要包括：焊缝及接头的拉伸、弯曲、冲击等力学性能试焊缝及接头的拉伸、弯曲、冲击等力学性能试验、高温蠕变及持久强度试验、断裂韧性试验、低温脆性试验、验、高温蠕变及持久强度试验、断裂韧性试验、低温脆性试验、耐腐蚀及耐磨试验、疲劳试验等。直接用产品做的试验有水压耐腐蚀及耐磨试验、疲劳试验等。直接用产品做的试验有水压试验、爆破试验等。试验、爆破试验等。 35焊接性焊接性试验方法试验方法直接法直接法间接法间接法工艺工艺焊接性焊接性使用使用焊接性焊接性层状撕裂试验层状撕裂试验焊接热裂纹试验焊接热裂纹试验焊接冷裂纹试验焊接冷裂纹试验再热裂纹试验再热裂纹试验热应变时效脆化试验热应变时效

33、脆化试验焊接气孔敏感性试验焊接气孔敏感性试验由碳当量推测焊接性由碳当量推测焊接性裂纹敏感指数及临界应力裂纹敏感指数及临界应力裂纹敏感性的临界冷却时间裂纹敏感性的临界冷却时间连续冷却组织转变图连续冷却组织转变图断口分析、金相组织分析断口分析、金相组织分析焊接热影响取最高硬度焊接热影响取最高硬度焊接热、力模拟试验焊接热、力模拟试验焊接专家系统、仿真系统等焊接专家系统、仿真系统等实际产品结构运行的服役试验实际产品结构运行的服役试验压力容器的爆破试验压力容器的爆破试验焊缝及接头的常规力学性能试验焊缝及接头的常规力学性能试验焊缝及接头的低温脆性试验焊缝及接头的低温脆性试验焊缝及接头的断裂韧性试验焊缝及接

34、头的断裂韧性试验焊缝及接头的高温性能试验焊缝及接头的高温性能试验焊缝及接头的疲劳、动载试验焊缝及接头的疲劳、动载试验焊缝及接头的抗腐蚀性、耐磨性试验焊缝及接头的抗腐蚀性、耐磨性试验应力腐蚀开裂试验应力腐蚀开裂试验直接法直接法间接法间接法36 评定焊接接头能否满足结评定焊接接头能否满足结构使用性能的要求构使用性能的要求评定焊接接头产生工艺缺陷评定焊接接头产生工艺缺陷的倾向为制定合理的焊接工的倾向为制定合理的焊接工艺提供依据艺提供依据原则原则主要主要包括包括选择已有的或设计新选择已有的或设计新的焊接性试验方法应的焊接性试验方法应符合下述的原则：符合下述的原则： 可比性可比性 针对性针对性 再现性再

35、现性 经济性经济性 三、选择或制定试验方法的原则三、选择或制定试验方法的原则37(1) 可比性 焊接性试验条件应尽可能接近实际焊接时的条件，只有在这样有可比性的情况下，才有可能使试验结果比较确切地反映实际焊接结构的焊接性本质。(2) 针对性 所选择或自行设计的试验方法，应针对具体的焊接结构制定试验方案，其中包括母材、焊接材料、接头形式、接头应力状态、焊接工艺参数等。同时试验条件还应考虑到产品的使用条件。这样才能使焊接性试验具有良好的针对性，试验结果才能比较确切地反映出实际生产中可能出现的问题。 38 (3) 再现性 焊接性试验的结果要稳定可靠，具有较好的再现性。实验数据不可过于分散，否则难以找

36、出变化规律和导出正确的结论。严格试验程序，防止随意性。(4) 经济性 在符合上述原则并可获得可靠的试验结果的前提下，应力求做到消耗材料少、加工容易、试验周期短，以节省试验费用。 39焊接性的直接试验方法大多是针对钢材在焊接过程中出现的裂纹而设计的。采用焊接性的直接试验方法，可以通过在焊接过程中观察是否发生某种焊接缺陷或发生缺陷的程度，直观地评价焊接性的优劣。例如可以定性或定量地评定被焊金属产生某种裂纹的倾向，揭示产生裂纹的原因和影响因素。由此确定防止裂纹等焊接缺陷必要的焊接工艺措施，包括焊接方法、焊接材料、工艺参数、等。各种金属材料可能产生的焊接裂纹类型见表2-9。第第3节节 常用焊接性实验方

37、法常用焊接性实验方法4041焊焊接接冷冷裂裂纹纹试试验验方方法法42焊接热裂纹试验方法焊接热裂纹试验方法43（1 1）目的）目的）目的）目的 n n主要用于评价打底焊缝及其热影响区冷裂纹倾向。试验焊缝只有一道，目主要用于评价打底焊缝及其热影响区冷裂纹倾向。试验焊缝只有一道，目主要用于评价打底焊缝及其热影响区冷裂纹倾向。试验焊缝只有一道，目主要用于评价打底焊缝及其热影响区冷裂纹倾向。试验焊缝只有一道，目的是鉴定第一层焊道根部裂纹敏感性。的是鉴定第一层焊道根部裂纹敏感性。的是鉴定第一层焊道根部裂纹敏感性。的是鉴定第一层焊道根部裂纹敏感性。n n确定防止冷裂纹的临界预热温度确定防止冷裂纹的临界预热温

38、度确定防止冷裂纹的临界预热温度确定防止冷裂纹的临界预热温度（2 2）应用对象）应用对象）应用对象）应用对象n n碳素钢焊接接头热影响区冷裂纹倾向碳素钢焊接接头热影响区冷裂纹倾向碳素钢焊接接头热影响区冷裂纹倾向碳素钢焊接接头热影响区冷裂纹倾向n n低合金高强钢打底焊缝及其热影响区冷裂纹倾向低合金高强钢打底焊缝及其热影响区冷裂纹倾向低合金高强钢打底焊缝及其热影响区冷裂纹倾向低合金高强钢打底焊缝及其热影响区冷裂纹倾向 1 1、小铁研试验（斜、小铁研试验（斜、小铁研试验（斜、小铁研试验（斜Y Y坡口试验）坡口试验）坡口试验）坡口试验）44 图1-2 斜Y形坡口焊接裂纹试验用试件形式及尺寸 被焊钢材厚度

39、为938mm；坡口经机械加工，焊条使用前应严格烘干。焊接工艺参数为：焊条直径4mm，焊接电流(17010)A，焊接电压(242)V，焊接速度(15010)mm/min。试板两端各在60mm范围内施焊拘束焊缝，应事先焊好，采用双面焊，注意防止角变形和未焊透。试验焊缝两端都不得与拘束焊缝相连试验焊缝两端都不得与拘束焊缝相连，应各相距，应各相距2-3mm。45 试验焊缝采用手弧焊和自动送进焊条电弧焊时应分别按照图1-3中(a)和(b)所示进行。 46(1-8)(1-6)(1-7)表面裂纹率 根部裂纹率断面裂纹率 焊后静置24h后，截取试样解剖并检测裂纹。沿焊缝长度方向均匀截取试样，检查其中五个断面的

40、裂纹情况。根据下列各式计算裂纹率： 表面裂纹长度之和(mm) 试验焊缝长度(mm)根部裂纹长度之和(mm) 5个断面上裂纹深度之和(mm) 5个断面焊缝最小厚度之和(mm) 47 由于斜由于斜Y形坡口对接裂纹试验的接头拘束度很大，焊缝根部形坡口对接裂纹试验的接头拘束度很大，焊缝根部尖角应力集中，试验条件相对比较苛刻，冷裂纹敏感性很大。尖角应力集中，试验条件相对比较苛刻，冷裂纹敏感性很大。所以，一般认为在这种试验中若表面裂纹率不超过所以，一般认为在这种试验中若表面裂纹率不超过20，用于，用于一般焊接结构生产是安全的。一般焊接结构生产是安全的。 除上述斜除上述斜Y形坡口之外，还有一种直形坡口之外，

41、还有一种直Y形坡口的试验方法，形坡口的试验方法，主要用于考核主要用于考核焊缝金属焊缝金属的裂纹敏感性。其试验程序与斜的裂纹敏感性。其试验程序与斜Y形坡形坡口相同。口相同。48（5 5）优缺点）优缺点）优缺点）优缺点 优点优点: 不需要专用设备不需要专用设备在施工现场可以应用在施工现场可以应用 缺点缺点: 要进行大量的解剖检查要进行大量的解剖检查49 （1 1）目的）目的）目的）目的 主要用来考核材料的氢致延迟裂纹敏感性主要用来考核材料的氢致延迟裂纹敏感性主要用来考核材料的氢致延迟裂纹敏感性主要用来考核材料的氢致延迟裂纹敏感性 也可用来考核再热裂纹和层状撕裂等的敏感性也可用来考核再热裂纹和层状撕

42、裂等的敏感性也可用来考核再热裂纹和层状撕裂等的敏感性也可用来考核再热裂纹和层状撕裂等的敏感性 （2 2）应用）应用）应用）应用低合金钢低合金钢低合金钢低合金钢 2 2、插销试验、插销试验、插销试验、插销试验50插插销销试试验验(图图1-4)是是将将被被焊焊钢钢材材加加工工成成圆圆柱柱形形的的插插销销试试棒棒。试试棒棒插插入入底底板板上上的的孔孔中中，试试棒棒上上端端与与底底板板表表面面平平齐齐。插插销销试试棒棒上上端端附附近近有有环环形形或或螺螺形形缺缺口口。试试验验时时在在底底板板上上以以规规定定的的线线能能量量熔熔敷敷一一条条焊焊道道，其其中中心心线线通通过过试棒的中心，其熔深应使缺口尖端

43、位于热影响区的粗晶区内。试棒的中心，其熔深应使缺口尖端位于热影响区的粗晶区内。图图1-4 插销试棒、底板及熔敷焊道插销试棒、底板及熔敷焊道 a)环形缺口插销环形缺口插销 b)螺形缺口插销螺形缺口插销51图1-5 插销试棒的形状 a)环形缺口试棒 b)螺形缺口试棒插销试棒具体形状、尺寸如插销试棒具体形状、尺寸如图图1-5 及及表表1-1所示，缺口位置所示，缺口位置如如表表1-2所示，底板材料应与被焊钢材相同或热物理常数基所示，底板材料应与被焊钢材相同或热物理常数基本一致，其形状及尺寸见本一致，其形状及尺寸见图图1-6。521 1螺形螺形6 6环环形形1 1螺形螺形大于底板的大于底板的厚度，一般厚

44、度，一般约为约为30301501508 8环环形形缺口缺口类别类别表表1-1 插销试棒的尺寸插销试棒的尺寸a(mm)1.351.451.8522.12.4E(KJ/cm)91013151620表表1-2 缺口位置与线能量缺口位置与线能量E的关系的关系53图图1-6 底板形状及尺寸底板形状及尺寸54 施焊时应测定施焊时应测定t8/5值。如不预热，焊后冷却至值。如不预热，焊后冷却至100150时加载；如时加载；如有预热，应在高于预热温度有预热，应在高于预热温度5070时加载。载荷应在时加载。载荷应在1min之内，且在之内，且在冷却至冷却至100或高于预热温度或高于预热温度5070之前施加完毕。如有

45、后热，应在后之前施加完毕。如有后热，应在后热之前加载。热之前加载。 在无预热的条件下，载荷保持在无预热的条件下，载荷保持16h而试棒未断裂即可卸载。如有预热而试棒未断裂即可卸载。如有预热条件下，载荷保持至少条件下，载荷保持至少24h才可卸载。经多次改变载荷，即可求出在试验才可卸载。经多次改变载荷，即可求出在试验条件下不出现断裂的临界应力条件下不出现断裂的临界应力 。临界应力。临界应力 可以用启裂准则，也可以用启裂准则，也可以用断裂准则，但应加以注明。可以用断裂准则，但应加以注明。 的大小，即可相对比较材料抵抗产的大小，即可相对比较材料抵抗产生冷裂纹的能力。生冷裂纹的能力。55（3 3）优缺点）

46、优缺点）优缺点）优缺点 优点优点优点优点 节省材料（试棒小）节省材料（试棒小）节省材料（试棒小）节省材料（试棒小） 热循环接近实际焊接热循环热循环接近实际焊接热循环热循环接近实际焊接热循环热循环接近实际焊接热循环 通过调整基体板板厚来调整焊接热循环通过调整基体板板厚来调整焊接热循环通过调整基体板板厚来调整焊接热循环通过调整基体板板厚来调整焊接热循环 方便、灵活、实用方便、灵活、实用方便、灵活、实用方便、灵活、实用 缺点缺点缺点缺点 需要专用设备需要专用设备需要专用设备需要专用设备 不适合现场用不适合现场用不适合现场用不适合现场用56主要用于评定低合金主要用于评定低合金钢焊缝金属的热裂纹敏钢焊缝

47、金属的热裂纹敏感性，也可以做钢材与感性，也可以做钢材与焊条匹配性的试验，试焊条匹配性的试验，试验装置如图验装置如图1-7。试件材质与焊件相同，试件材质与焊件相同，采用原板厚，开采用原板厚，开I形坡口。形坡口。图图1-7 压板对接压板对接(FISCO)实验装置实验装置1C形拘束框架形拘束框架 2试板试板 3紧固螺栓紧固螺栓 4齿形底座齿形底座 5定位塞片定位塞片 6调节板调节板 （3）压板）压板(FISCO)对接焊接裂纹试验法对接焊接裂纹试验法 (GB4675.4-84)572) 2) 试验步骤试验步骤将试件安装在试验装置内，将试件安装在试验装置内，在试件坡口的两端按试验要在试件坡口的两端按试验

48、要求装入相应尺寸的定位塞片，求装入相应尺寸的定位塞片，以保证坡口间隙（变化范围以保证坡口间隙（变化范围0-6mm0-6mm）。先将横向螺栓紧）。先将横向螺栓紧固，再将垂直方向的螺栓用固，再将垂直方向的螺栓用指针式扭力扳手紧固。按生指针式扭力扳手紧固。按生产上使用的工艺参数按顺序产上使用的工艺参数按顺序焊接焊接4 4条长度约条长度约40mm40mm的试验的试验焊缝，焊缝间距约焊缝，焊缝间距约10mm10mm，弧，弧坑不必填满。坑不必填满。图图1-7 压板对接压板对接(FISCO)实验装置实验装置1C形拘束框架形拘束框架 2试板试板 3紧固螺栓紧固螺栓 4齿形底座齿形底座 5定位塞片定位塞片 6调

49、节板调节板 58图2-21 压板对接（FISCO）试板尺寸及裂纹计算 a) 试板尺寸 b) 焊缝裂纹长度计算裂纹率按下式计算：裂纹率按下式计算： FISCO试验的试验的裂纹裂纹率率(%)4条试验焊缝上裂纹长度之和条试验焊缝上裂纹长度之和(mm)4条焊缝长度之和条焊缝长度之和(mm)焊后经过10min后将试件从装置上取出，待试件冷却至室温后，将试板沿焊缝纵向弯断，观察断面有无裂纹并测量裂纹长度，如图2-21b所示。594）可调拘束裂纹实验法60（5）其它焊接试验方法拉伸拘束裂纹试验拉伸拘束裂纹试验(TRC-Tensile Restraint Cracking Test)刚性拘束裂纹试验刚性拘束裂

50、纹试验(RRC-Rigid Restraint Cracking Test) 其原理图如其原理图如图图1-10所示所示.刚性固定对接裂纹试验刚性固定对接裂纹试验(Restrained-Butt Joint Cracking Test)其试件形状、尺寸其试件形状、尺寸如图如图1-11。拘束裂纹试验拘束裂纹试验(Window Type Restraint Cracking Test) 示意图见示意图见图图1-12Z向拉伸试验向拉伸试验(Z-direction Tensile Test) 图图1-13611）拉伸拘束裂纹试验（）拉伸拘束裂纹试验（TRC）基本原理是模拟焊接接头承受的基本原理是模拟焊接

51、接头承受的平均拘束应力平均拘束应力，在一定坡口形状在一定坡口形状和一定尺寸的试板间施焊后和一定尺寸的试板间施焊后，冷冷却到规定温度时在焊缝横向施加却到规定温度时在焊缝横向施加一拉伸载荷并保持恒定一拉伸载荷并保持恒定，直到产直到产生裂纹或断裂生裂纹或断裂，主要评定冷裂纹，主要评定冷裂纹敏感性。敏感性。 此法设备较大而复杂，所需此法设备较大而复杂，所需试板也很大。试验结果常与插销试板也很大。试验结果常与插销试验结果一致，现在用的不多。试验结果一致，现在用的不多。622）刚性拘束裂纹试验（）刚性拘束裂纹试验（RRC） 基本原理是模拟焊接接基本原理是模拟焊接接头承受外部拘束，由于接头头承受外部拘束，由

52、于接头冷却时金属收缩所产生的应冷却时金属收缩所产生的应力而引起裂纹。力而引起裂纹。 可以用作评价冷裂纹敏可以用作评价冷裂纹敏感性的尺度。此试验比感性的尺度。此试验比TRC拉伸拘束试验的恒载拉伸拘束试验的恒载拉伸更接近实际焊接情况。拉伸更接近实际焊接情况。图1-10 刚性拘束裂纹试验原理图 a)假设情况 b)实际焊接情况63（巴东试验）（巴东试验）这种试验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、气体保护焊等。焊后24h看有无裂纹3) 刚性固定对接裂纹试验（Restrained Butt Joint Cracking Test）6

53、4图1-12 窗形拘束裂纹试验 a)窗口及试板 b)焊后解剖试板检查裂纹方式 此法主要用于测定多层焊时焊缝横向冷裂纹及热裂纹的敏感性，此法主要用于测定多层焊时焊缝横向冷裂纹及热裂纹的敏感性，为选择焊接材料和确定工艺条件提供试验依据。焊后放置焊后放置24小时小时再检查，一般以有无裂纹为准，也可以裂纹率为相对比较。再检查，一般以有无裂纹为准，也可以裂纹率为相对比较。4). 窗形拘束裂纹试验窗形拘束裂纹试验655)、Z向拉伸试验向拉伸试验 此法用于测定此法用于测定层状撕裂敏感性层状撕裂敏感性。试棒拉伸破坏。试棒拉伸破坏后，以后，以Z向断面收缩率向断面收缩率为层状撕裂敏感性的判据。为层状撕裂敏感性的判据。 1525%时，才时，才能较好地抵抗层状撕裂。能较好地抵抗层状撕裂。图图1-13Z向拉伸试验向拉伸试验a）取样部位）取样部位b）试棒）试棒666)、Z向窗口试验向窗口试验在大拘束板（300mm350mm30mm）的中心开一“窗口”（见图2-26a），将试验板插入此窗口（见图2-26b），按图2-26c所示的顺序焊4条角焊缝，其中1、2为拘束焊缝，3、4为试验焊缝。装配时应将未加工的表面放在试验焊缝一侧，焊后在室温下放置24h后再切取试样检查裂纹率。计算裂纹率计算裂纹率CRlF裂纹长度之和；裂纹长度之和；LF焊缝长度之和。焊缝长度之和。67