《金属焊接性》PPT课件.ppt

1、第九章 金属焊接性,长江大学材料成型专业,第一节 金属焊接性概念,一 金属焊接性的定义 在GB/T3375-1994焊接术语中下的定义是： 金属焊接性是指金属材料在限定的焊接施工条件下，焊接成规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。 内涵：1 结合性能 ：金属焊接时对缺陷的敏感性。 2 使用性能 ：焊成的接头在指定的使用条件下可靠运行的能力,二 金属焊接性的影响因素,1 材料因素 （1）化学成分； （2）物理、化学性能；（3）冶炼方法等。 2 制造因素 （1）焊接方法； （2）焊接材料； （3）焊接参数等。 3 结构因素（含服役条件） （1）结构形式； （2）服役条件,4.使用条件 焊接

2、接头所承受载荷的性质和工作温度的高低、工作介质的腐蚀性等均属于使用条件，使用条件的苛刻程度也必然影响到金属材料的焊接性,三、金属焊接性的评定方法 1 按试验者与研究对象的关系分类 （1）间接试验：以推理或模拟为主要特征； （2）直接试验：以焊接试件为主要特征。 2 按照金属焊接性的内涵分类 （1） 工艺焊接性试验：评定结合性能； （2） 使用焊接性试验：评定使用性能,第二节 钢焊接性判据,一 金属焊接性间接试验方法 有碳当量法、冷裂敏感指数法、SH-CCT图法、焊接热模拟试验法等。 1 碳当量法 (1) 由国际焊接学会（IIW）推荐的公式 CE(IIW)= C + Mn /6 +（Cr + M

3、o+V）/5+（Cu+ Ni）/15 适用范围：中、高强度的非调质低合金高强钢（强度为 500900MPa） 判据：当CE（IIW） 0.45%，且板厚小于25时，可不预热；当CE（IIW） 0.41%，且板厚小于37时，可不预热,2）由美国焊接学会（AWS）推荐的公式 CE = C + Mn/6 + Si/24 + Ni/15 + Cr/5 + Mo/4 + (Cu/13 + P/2,W(C当量)0.4时，钢材塑性良好，淬硬倾向不明显，可焊性良好。 W(C当量)0.40.6时，钢材塑性下降，淬硬倾向明显，可焊性较差。 W(C当量) 0.6时，钢材塑性较低，淬硬倾向很强，可焊性不好,二、碳钢的

4、焊接 1、低碳钢的焊接 低碳钢含碳量不大于0.25，塑性好，一般没有淬硬倾向，对焊接过程不敏感，可焊性良好。不需要采用特殊工艺措施。 厚度大于50mm的低碳钢结构，需用大电流多层焊，焊后进行消除应力退火。低温环境下焊接较大刚度结构时，应进行焊前预热,2、中、高碳钢的焊接 中碳钢含碳量在0 .250.6之间，随着含碳量的增加，淬硬倾向愈发明显，可焊性逐渐变差。在实际生产中，主要是焊接各种中碳钢的铸钢件和锻件。中碳钢件的焊接特点是： （1）热影响区易产生淬硬组织和冷裂纹 （2）焊缝金属热裂缝倾向较大 焊前必须预热，减小焊接时温差,以减小应力。减慢热影响区的冷却速度，避免产生淬硬组织，预热温度可选为

5、150250,焊接中碳钢时，应选用抗裂能力较强的低氢型焊条。要求焊缝与母材等强度时，可选用结506、507、606、607焊条。不论采用哪种焊条焊接，均应采用细焊条、小电流、开坡口进行多层焊，以防止母材过多地熔入焊缝，同时减小焊接热影响区宽度。 中碳钢焊接时一般采用手弧焊，但厚板可考虑应用电渣焊，能提高生产效率，但应进行热处理。 高碳钢的焊接特点基本与中碳钢相似，由于含碳量更高，使可焊性变得更差，应采用更高的预热温度，更严格的工艺措施才可进行焊接。实际上，高碳钢的焊接只限于修补工件（作,三、合金结构钢的焊接 1、常用焊接合金结构钢的类型 合金结构钢分为机械制造用合金结构钢和普通低合金结构钢两大

6、类。 用于机械制造合金结构钢（包括调质钢和渗碳钢），一般都采用轧制和锻制的坯料，焊接结构较少。如需焊接，可焊性与中碳钢相似，焊接结构中，用得最多的是普通低合金结构钢。 我国低合金钢含碳量都较低，但因其它合金元素种类与含量不同，所以性能上的差异很大，可焊性的差别比较显著,2、低合金钢的焊接特点 1. 热影响区的淬硬倾向 低合金钢焊接时，热影响区可能产生淬硬组织，淬硬程度与钢材的化学成分的强度级别有关。钢中含碳及合金元素越多，钢材强度级别越高，焊后热影响区的淬硬倾向越大。如300MPa级的钢材淬硬倾向很小，焊接性能与一般低碳钢基本一样,350MPa级的钢淬硬倾向也不大，但碳当量接近允许上限或焊接规

7、范不当时，也有可能出现马氏体淬硬组织。强度级别大于450MPa级的低合金钢，淬硬倾向增加，热影响区易产生马氏体淬硬组织,2. 焊接接头的裂缝倾向 随着钢材强度级别的提高，产生冷裂缝的倾向也加剧。影响产生冷裂缝的因素一般认为有三个方面：一是焊缝及热影响区的含氢量，其次是热影响区的淬硬程度，第三是焊接接头的应力大小。冷裂缝是在这三种因素综合作用下产生的，而氢常常是重要因素。由于液态合金钢容易吸收氢，凝固后，氢在金属中扩散、集聚和诱发裂缝需要一定时间，因此冷裂缝常具有延迟现象，故又称延迟裂缝,3. 低合金钢的焊接措施 根据低合金钢的焊接特点，生产中可采取相应措施：对强度级别较低的钢采用适当的焊接规范

8、及焊后进行消除应力退火。对强度级别高的低合金钢，焊前必须预热，焊接时应调整焊接规范以控制热影响区的冷却速度，焊后还应及时进行热处理以消除内应力,2 冷裂敏感指数法 冷裂敏感指数有PC 、PW 、PH 、PHT等。 举例： PC = Pcm+ H/60 + /600 To = 1440PC 392 式中 ： Pcm 化学成分冷裂敏感指数 Pcm = C + Si/30 +（Mn + Cu+ Cr）/20 + Ni/60 + Mo/15 + V/10 +5B H 熔敷金属中扩散氢含量（采用甘油法） ml/100g； 被焊金属板厚 mm； To 预热温度,二、金属焊接性试验的目的和内容,一） 金属焊

9、接性试验的目的 1 评定金属材料的焊接性；（按照有关标准规定的试件尺寸和焊接参数试验） 2 研制和开发新型的焊接材料；（同上） 3 拟定产品的焊接工艺；（试件尺寸应符合产品特点，焊接工艺参数是调整的对象） 二） 金属焊接性试验的内容 1 工艺焊接性试验 目的：考察金属材料的结合性能 （1）焊接裂纹敏感性试验 a 焊接冷裂纹敏感性试验 b 焊接热裂纹敏感性试验 c 焊接再热裂纹敏感性试验 d 层状撕裂敏感性试验等,2） 析因理化试验 a 焊接材料熔敷金属扩散氢试验 b 焊缝和母材化学成分分析试验 c 焊接接头金相试验 d 焊接接头硬度试验等 2 使用焊接性试验 目的：考察焊接接头的使用性能 （1

10、） 焊接接头力学性能试验 如：拉伸试验、弯曲试验、冲击试验等。 （2）其它特殊性能试验 如：焊接接头抗脆断试验、耐腐蚀性试 验、高温性能试验等。 （3） 析因理化试验 如：焊接断口试验，焊接金相试验等,第三节 常用焊接裂纹试验方法,焊接裂纹敏感性试验是工艺焊接性直接试验法。 在焊接缺陷中，最危险的缺陷是裂纹，因此是考查的重点。 （一）焊接冷裂纹敏感性试验方法 1 斜Y 形坡口焊接裂纹试验方法（GB4675.1-84） 可用于评定钢材的冷裂敏感性，也可用于拟定焊接工艺。 （1）制备试样，如下图,2）试验方法 1）焊接拘束焊缝。先焊背面，再焊正面，交替焊满坡口。 2）焊接试验焊缝。若评定钢材的冷裂

11、敏感性，焊接参数为： Ig=17010A; Ug=242V; 焊速V=15010mm/min; 焊条直径4。 若拟定焊接工艺，焊接参数是调整的对象,3) 检测和计算 试件放置48h后，用眼睛或放大镜检查焊接接头表面是否有裂纹。 1）表面裂纹率Cf Cf = （Lf / L） 100% 式中：Lf表面裂纹长度之和（mm)； L 试验焊缝长度(mm)。 2）根部裂纹率Cr 先将试件着色弯断，检查焊根处的裂纹。 Cr = (Lr / L)100% 式中：Lr焊根裂纹长度之和（mm），见下图； L试验焊缝长度（mm,3 ）断面裂纹率Cs 对试验焊缝，沿长度方向切取四等份，检查5个断面的裂纹深度。 Cs

12、 = ( Hc / H ) 100% 式中：Hc 断面裂纹的高度（mm),见下图； H 试验焊缝的最小厚度（mm),见下图,动画,2 插销冷裂纹试验方法（GB9446-88) 该方法是一种定量分析的试验方法。 （1）制备试件 1）插销试件,2）底板 （2）装配试件,3）试验方法,1）堆焊焊缝 按选定的焊接参数堆焊一道长100150mm长的焊缝。 2）施加拉伸静载荷 当试件冷却到150时加预选载荷，在100前加载完毕,动画,3）保持载荷，并记时。 如果保持载荷达到16h不断，此应力为临界应力 cr。试验结果可画出曲线。 判据：当 cr s 时，认为工艺安全,二）焊接热裂纹敏感性试验方法 1 压板

13、对接（FISCO) 焊接裂纹试验方法GB4675.4-84), 可用于评定焊条焊缝的热裂纹敏感性。 （1）准备试件 试件材质与焊件相 同，采用原板厚，开 I形坡口。 采用机械加工方法,2）试验装置,3）试验步骤 把试件安装在C形装置中，调好坡口间隙。将螺栓旋紧，在水平、垂直方向顶紧试板。用待试焊条焊4条长约40mm的试验焊缝。10min后，取出试件，沿焊缝弯断，观察断面有无裂纹。 （4）计算裂纹率C C = (li / Li ) 100% 式中：li 4条试验焊缝上的裂纹长度之和（mm）； Li 4条焊缝的长度之和（mm,三 使用焊接性直接试验方法 不同产品有不同使用性能要求，共同的性能要求是

14、必需满足常规的力学性能要求。 （一）焊接接头常规力学性能试板制备 宽度：应满足焊接接头拉伸试样、弯曲试样长度要求； 长度：应满足制取各种性能试样以及舍弃部分的要求； 厚度：为焊件板厚,二）焊接接头拉伸试验 板接头板形拉伸试样如图所示，至少1个。 按GB228-87金属拉伸试验法，在拉力机上进行,三）焊接接头弯曲试验 试样种类和数量按相关标准制取。如无注明，可制取正弯、背弯、侧弯试样各不少于1个，纵弯不少于2个。尺寸按GB2649-89中的规定。 试验按GB232-88金属弯曲试验法，在拉力机上进行,四）焊接接头冲击试验 试样尺寸如图所示,缺口按要求可开在焊缝、熔合线或HAZ，如图所示。 冲击试

15、样每组3个。 试验按GB2106-80金属夏比（V形缺口）冲击试验方法和GB4159-84金属低温夏比冲击试验方法，在冲击试验机上进行。 （五）其它特殊性能试验 如：耐腐蚀性能试验、高温性能试验等,析因理化试验 目的：分析影响金属焊接性的内在原因。 主要包括： （1）焊接材料熔敷金属扩散氢测定试验； （2）焊接接头金相分析试验； （3）焊接接头维氏硬度试验； （4）化学成分分析试验； （5）焊接接头断口分析试验,一）焊接材料熔敷金属扩散氢测定试验 试验方法有甘油法、水银法、色谱法等，常用的 是甘油法。 1 甘油法试验原理： 焊接试样，利用仪器收 集从试样扩散出来的氢气。 2 测定装置：如图所示

16、。 3 试样：焊条电弧焊： 1002512mm 4 试验方法：试样焊接 以后，用丙酮清洗、吹干； 在90s内放入氢气收集器内； 经72h后读取气体读数Vo,5 计算： V o = PVTo/PoWT 100 式中： P 实验室气压 KPa ; V 收集的氢气体积数 ml ; W 熔敷金属质量 （焊后试样质量焊前试样质量） g ; Po 101 KPa ; To 273 K ; T （273+t） k ; t 恒温箱中的温度 。 每组做4个试样，求平均值,二）焊接接头金相分析试验 从裂纹试件截取金相分析试样，对断面进行磨光、抛光和浸蚀，在光学显微镜下观察。 观察部位：焊缝、熔合 区、HAZ、母材

17、。 （三）焊接接头维氏硬度试验 在金相分析试样断面画一 条平行于表面，且穿过各个区 的直线，在维氏硬度计上打硬 度。每隔0.5mm打一硬度，分 布曲线如图所示，取HVmax为 评定参数,图示,第四节 利用焊接性试验拟定焊接工艺的基本思路,一 焊接工艺 在GB1T3375-1994焊接术语中下的定义是： 焊接工艺是制造焊件所有关的加工方法和实施要求。包括： 1 焊前准备 2 选择焊接方法 3 选择焊接材料 4 选择焊接参数：例如：焊接电流、电弧电压、焊接速度等。 5 制定工艺措施：例如：预热、焊后缓冷、焊后热处理 、焊后去氢处理等 。 6 制定操作要求,二 拟定焊接工艺的基本思路,1 选择焊接方

18、法 依据：a 被焊材料的种类； b 焊接产品的结构特点； c 生产效率和生产成本。 2 选择焊接材料 依据：a 被焊材料的化学成分或力学性能； b 产品的工作条件和使用性能要求； c 焊件刚性的大小、几何形状的复杂程度； d 焊接施工条件； f 劳动生产率和经济合理性,3 选择焊接参数 （1）利用间接的焊接性试验方法分析材料的焊接性和初步拟定焊接参数。 （2）利用直接的焊接性试验方法对初步拟定的焊接参数进行检验和调整。 a 利用工艺焊接性试验（焊接冷裂纹敏感性试验）确定热输入E的下限 E = 36IU/V b 利用使用焊接性试验（焊接接头冲击试验）确定热输入E的上限。 4 确定工艺措施 当按上

19、述方法确定的热输入下限高于上限时，应考虑采用预热、缓冷、后热、焊后热处理等工艺措施,返回,焊接方法简介,1.焊条电弧焊，用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法，称为焊条电弧焊。焊条电弧焊的焊接材料是电焊条。焊条由焊芯和药皮两部分组成，焊接时可作为电极和填充材料。 (1)焊接特点 1)设备简单、操作灵活。可在室内、室外及各种空间位置焊接；对于不同接头形式，短的或曲折的焊缝，均能方便地进行焊接。 2)容易控制形状复杂焊件的焊接变形。 3)焊条品种齐全可以按技术要求选配与母材相应的焊条，能获得性能优良的焊绕金属。 焊条电弧焊由于受到使用电流范围的限制，焊条熔敷率较低；进行长焊缝焊接时需不断地更换焊条，每

20、道焊缝焊后必须清除熔渣，增加了辅助时间，降低了焊接生产率。劳动强度大；焊接质量受焊工操作水平和体力影响。 (2)适用范围 可焊接碳钢、低合金高强度钢、不锈钢及耐热钢。也可用于铸铁和铝、铜及其合金的焊接。最小焊接厚度为0.5mm,2.埋弧焊 电弧在焊剂层下燃烧，利用电气和机械装置控制送丝和移动电弧的埋弧焊方法。 埋弧焊的焊接材料主要是焊剂和焊丝。 (1)焊接特点 1)熔敷率高，是焊条电弧焊的510倍；焊缝成形美观、质量好；由于采用焊剂保护，可采用大电流进行焊接，能获得较大的熔深30mm以下的焊件短焊缝时，可开I形坡口或开小角度坡口，提高了生产率、节省了焊接材料。 2)容易实现焊接过程自动化，同时

21、无弧光辐射，改善了焊工劳动强度。 3)一般只能用于水平位置和船形位置的焊接。对于短焊缝、小直径环继纵缝、形状不规则焊缝、以及处在狭窄空间位置的焊接、薄板的焊接等，均受到限制。 4)焊接时看不见电弧，对坡口加工与装配要求较高；同时，这种方法占地面积较大，设备投资费用较高。但目前，多丝和窄间隙埋弧焊等特种形式的工艺方法已应用于生产，提高了产品质量和效率。 (2)适用范围 目前主要用于碳素钢、低合金高强度钢、耐热钢以及不锈钢长焊缝的水平位置焊接，特别适用于厚度20mm以上的纵缝、环绕焊接。这种焊接方法已在锅炉等压力容器、金属构件、船舶和车辆制造中广泛应用,3气焊 利用气体火焰作热源的焊接方法。 气体

22、火焰由可燃气体和助燃气体燃烧形成，最常用的氧乙炔焊就是用乙炔做燃气，氧气做助燃气。气焊通常要使用焊丝和助熔剂。 (1)焊接特点 1)氧乙炔焊与电弧焊相比，火焰温度低，加热速度慢。 2)火焰和焊丝是各自独立的，气体的火焰性质可随意调整，因而能够顺利地用来焊接需要预热和缓冷的金属材料。 3)可以在各种复杂位置焊接，同时也能够方便地观察焊接过程。 4)设备简单、移动方便、具有很大的通用性，特别是在没有电的情况下也能焊接。 (2)适用范围 主要应用于焊接薄钢板、薄壁小直径管子。 氧乙炔焊也可焊接铝、铜、铸铁，可进行钎焊和堆焊硬质合金等。焊接有色金属、铸铁及不锈钢等材料时，必须采用助熔剂。 氧乙炔焊由于

23、生产效率低，热量不集中，因此焊件热影响区宽，过热严重、变形大，接头性能较差。目前，很多方面它己被新的焊接工艺替代，但在有色金属、铸铁焊接，以及某此特定场合，氧乙炔焊依旧具有重要地位,4气体保护焊 利用外加气体作为电弧介质，并保护电弧、金属熔滴、焊接熔池和焊接区高温金属的电弧焊方法。 生产常用的外加气体有氩、氦、二氧化碳、氩加二氧化碳和氧的混合气体、氩加二氧化碳的混合气体等。 (1)焊接特点 与其它焊接方法相比有以下持点： 1)明弧焊接，熔池可见度好，操作方便；适用于各种空间位置的焊接，有利于实现机械化和自动化。 2)电弧在保护气流的压缩下热量集中，焊接熔池和热影响区较小，因此焊件的变形和裂纹倾

24、向不大，尤其适用于薄板焊接。 3)采用氩、氦等惰性气体作保护，焊接化学性质活泼的金属和合金时，具有很高的焊接质量。但引弧较困难(因氩、氦电离电位高)。 4)焊接区的保护气体抗外界干扰能力弱，电弧的光辐射较强，焊接设备较复杂。 (2)适用范围 用氩气作为保护气体的电弧焊，特别适宜焊化学性质活泼的金属，例如不锈钢和铝、镁、钛及其合金。通常适用0.55mm范围的薄板或管的全位置焊接和堆焊。氩弧焊还常使用在锅炉及压力容器重要受压元件根部的打底焊，从而确保焊缝根部的质量。 用二氧化碳气体或其它混合气体作为保护气体的电弧焊，可以用于低碳钢、低合金钢的薄、中及厚板的全位置焊接。在汽车、船舶、工程机械、机车车

25、辆及矿山机械等制造部门应用较普遍。在压力容器、锅炉制造中，一些支座角焊缝、容器附件、膜式水冷壁的焊接，已逐步取代焊条电弧焊,5等离子弧焊接 是利用特殊构造的等离子焊枪所产生的高温等离子弧来熔化金属的焊接方法。等离子弧焊接采用直流陡降外特性电源，通常与非熔化极气体保护焊相似。此外，等离子弧有两种特殊的焊接方法，即等离子弧穿孔焊接与微弧等离子焊接。 (1)焊接特点 1)与氩弧焊相比，等离子弧焊能量高度集中，热影响区小。 2)电弧的温度梯度极大。等离子弧的横截面面积很小(一般约3mm)，从温度最高的弧柱中心到温度最低的弧柱边沿，温度的差别是非常大的。 3)有良好的电弧稳定性。由于等离子弧电离程度极高

26、，所以放电过程稳定。弧柱呈圆柱形，挺度好、使焊件受热面积几乎不变，当弧长变化时，电弧电压与焊接电流变化都较小。 4)具有很强的机械冲刷力。等离子弧发生装置内通入常温压缩气体，受电弧高温加热而膨胀，在喷嘴的阻碍下使气体的压缩力大大增加，当高压气流由喷嘴的细小通道中喷出时，可达到很高的速度(可超过声速)，所以等离子弧有很强的机械冲刷力。 (2)适用范围 主要应用于热敏感性能强的不锈钢及各种高合金钢和钨、铜、钴等难熔及特种金属材料的焊接,电阻焊是压力焊中应用最广的一大类焊接方法，包括点焊、缝焊、凸焊、电阻对焊及闪光对焊。应用范围极广且易于实现机械化和自动化并有各种工业电阻焊机器人，机械手工作在流水线

27、和自动线上。据统计，大约有1/4左右的焊接工作量是由电阻焊方法完成的。 电阻焊的主要优缺点： 1）热量集中。 2）冶金过程单一，不需填充材料和保护气体。 3）工艺操作简单。 4）适合于同种及异种金属的焊接。 5）生产率极高。 6）设备复杂，一次性投资大；电容量大，对电网冲击严重；缺少有效的在线检测手段,常用电阻焊方法 1点焊 点焊的接头形式都是搭接。点焊时，将焊件压紧在两圆柱形电极间，并通以很大的电流，利用两焊件接触电阻较大，产生大量热量，迅速将焊件接触处加热到熔化状态，形成似透镜状的液态熔池(焊核)。当液态金属达到一定数量后断电，在压力的作用下，冷却凝固形成焊点。 点焊主要用于带蒙皮的骨架结

28、构，铁丝网和钢筋交叉点等的焊接。 2缝焊 缝焊与点焊相似它的电极是旋转的滚盘，以代替点焊的圆柱形电极，焊件在旋转滚盘的带动下前进。当电流断续或连续)地通过焊件时，形成一个个彼此重迭的焊点，就成为一条连续的焊缝,常用钎焊方法 钎焊是一种古老的焊接方法。它的过程是将钎料(作填充金属用)放置于焊件接缝间隙附近或间隙内，当加热到钎料熔化温度后，钎料就熔化(钎料的熔点都较焊件金属熔点低)，并渗入到固态焊件的间隙内，冷却凝固后就形成牢固的联接。 钎焊与其它焊接方法相比有以下特点： 1)钎焊时加热温度低于焊件金属的熔点，所以钎焊时钎料熔化，焊件不熔化，焊件金属的组织和性能变化较小。钎焊后，焊件的应力与变形也

29、较小，可以用于焊接尺寸精度要求较高的焊件。 2)可以一次焊几条、几十条焊缝，甚至更多，所以生产率高。它还可以焊接用其它焊接方法无法焊接的结构形状复杂的接头。 3)钎焊不仅可以焊接同种金属，也适宜焊接异种金属，甚至可以焊接金属与非金属，因此应用范围很广。 钎焊最简单、常见的加热方法是用烙铁和气体火焰(常用的是氧乙炔火焰)加热。这两种方法，设备简单，使用灵活方便，但生产率低，且不能焊接复杂结构。除此两种加热方法外，还有电阻、高频感应、炉中、盐浴等加热方法。 4)钎焊的主要缺点是：在一般的情况下钎焊缝的强度和耐热能力都较基本金属低。为了弥补强度低的缺点，可以用增加搭接接触面积的办法来解决,特种焊接方法 1电子束焊 随着近代国防工业和尖端技术的发展，高熔点金