金属焊接性基础第1章_金属焊接性基础

1、金属焊接性基础 金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 金属焊接性基础是金属焊接性基础是 是是焊接冶金（基本焊接冶金（基本原理）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，重点介绍基础知识和基本概念，并基本概念，并注重引入了有关新金属材料的焊接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，其中部性及其连接新技术、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分内容是作者在近年的科学研究工作中所取得的研究成果。研究成果。绪言绪言金属焊接性基

2、础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 目录v 第一章 金属焊接性基础v 第二章 碳钢及低合金钢的焊接v 第三章 耐热钢及不锈钢的焊接v 第四章 铜、镍及其合金的焊接v 第五章 钛及其合金的焊接v 第六章 铝、镁及其合金的焊接v 第七章 铸铁的焊接v 第八章 堆焊及金属表面改性金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 第1章 金属焊接性基础金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京

3、化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 1.1 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而形成完整的、具就是金属是否能适应焊接加工而形成完整的、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：一是金属在焊接加工中是否容易形成缺陷；二是方面内容：一是金属在焊接加工中是否容易形成缺陷；二是焊成的接头在一定的使用条件下可靠运行的能力。简而言之，焊成的接头在一定的使用条件下可靠运行的能力。简而言之，焊接性就是指金属材料焊接性就是指金属材料

4、“好焊不好焊好焊不好焊”以及焊成的接头以及焊成的接头“好好用不好用用不好用”。 1.1.11.1.1金属焊接性金属焊接性1.1.1.1金属焊接性概念金属焊接性概念金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 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

5、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。蠕变：固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。它与塑性变形不同，蠕变性变形通常在应力超过弹性极限之后才出现，而蠕变只要

6、应力的作用时间相当长，它在应力小于弹性极限时也能出现金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 1.1.1.2 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

7、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，它们可以焊接热源：能量密度、温度以及热量输入等，它们可以直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：如直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：如熔渣保护、气体保护、渣熔渣保护、气体保护、渣-气联合保护或真空保护等，这些都将影响焊接气联合保护或真空保护等，这些都将影响焊接冶金过程。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。变

8、脆、减小焊接应力、避免裂纹以提高接头使用性能。金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 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

9、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

10、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金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 （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，碳对淬硬和冷裂纹的影响所有元素中，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按照相当于若干含碳量折合并最为显著。因而，人们就将各种元素的作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。

11、低，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。合金钢的淬硬及冷裂纹敏感性常用碳当量法来估计。 1.1.1.3 1.1.1.3 金属焊接性分析金属焊接性分析1.1.1.3.1从金属的特性分析焊接性从金属的特性分析焊接性此式适用于中、高强度的非调质低合金高强钢。此式适用于中、高强度的非调质低合金高强钢。CE0.45%时，焊接厚度时，焊接厚度25mm的板可以不预热；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。国际焊接学会国际焊接学会(IIW)推荐：推荐： (%)1556CuNiVMoCrMnCC

12、E金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 日本的日本的JIS（Japan Industry Standards）和）和WES（Welding Engineering Standard）推）推荐：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，手弧焊线能量17kJ/cm时，预热范

13、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100。(%)144540246VMoCrNiSiMnCCeqbbbb金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 美国焊接学会美国焊接学会(AWS)推荐：推荐： 此式适用化学成分范围为

14、：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%；P0.05%0.15%。当。当Cu0.5%或或P0.05%时，不可计入。时，不可计入。 )(%)213(4515246PCuMoCrNiSiMnCCeq金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 焊接冷裂纹敏感指数焊接冷裂纹敏感指数 日本学者采用斜日本学者采用斜Y Y形坡口形坡口“小铁研试验小铁研试验”对对200200多多种不同成分钢材、不同厚度及不同的焊缝含氢量进行试验，求得焊接

15、冷裂种不同成分钢材、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%；Cr1.20%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

16、(GB3965-835.0mL/100g(GB3965-83测氢法测氢法) )。(%)60600510152060202030HBVMoCrNiCuMnSiCPc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件下，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为防止冷裂所需要的最低预热温度T0()： 39214400cPT金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 焊接热影响区最高硬度法焊接热影响区最高硬度法 根据焊接接头焊接热影响区的最

17、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沿轧制试样表面的宽度中心线方向焊长

18、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。金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 （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性。接热循环、熔化、结晶、相变等

19、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；停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；与氧的亲和力较强的金属与氧的亲

20、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。 金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 (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

21、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金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 (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()金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化

22、学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 1.1.1.3.2 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

23、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。金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 （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；有时也采多用渣为主的保护：手弧焊、埋弧焊等；有时也采用气保护，如用气保护，如CO2保护焊、氩弧焊等。保护焊

24、、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。（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。金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 1.1.2 焊接性试验焊接性试验 1.1.2.

25、1 焊接性试验的内容焊接性试验的内容v 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的能力 热裂纹是一种经常发生又是危害严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重的缺陷，与焊接材料关系密切, 通常是通过热裂纹试验来进行的。通常是通过热裂纹试验来进行的。v 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 冷裂纹在低合金高强钢冷裂纹在低合金高强钢焊接中较为常见，是针对母材进行的试验。焊接中较为常见，是针对母材进行的试验。v 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受冲击载荷在低温下工作的焊接结构和承受冲击载荷的

26、焊接结构，韧性损失是个严重的问题。的焊接结构，韧性损失是个严重的问题。v 焊接接头的使用性能焊接接头的使用性能 焊接接头耐放射性辐照的能力、蠕变强度、疲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。强度、抗晶间腐蚀能力等。金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 1.1.2.2 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

27、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 。 主要包括：主要包括：焊接冷裂纹试验、焊接热裂纹试验、再热裂焊接冷裂纹试验、焊接热裂纹试验、再热裂纹试验、层状撕裂试验、应力腐蚀裂纹试验和脆性断裂试验。纹试验、层状撕裂试验、应力腐蚀裂纹试验和脆性断裂试验。 金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 （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

28、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。金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 （3 ）使用性能试验）使用性能试验(最直观最直观) 将施焊的

29、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。 金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工

30、业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 1.1.2.3选择或制定试验方法的原则选择或制定试验方法的原则v (1)针对性针对性 焊接性试验的条件要尽量与实际焊接时的条件相一致。焊接性试验的条件要尽量与实际焊接时的条件相一致。v (2)再现性再现性 焊接性试验的结果要稳定可靠，具有较好的再现性。试验焊接性试验的结果要稳定可靠，具有较好的再现性。试验方法应尽可能减少或避免人为因素的影响，多采用自动化、机械化的方法应尽可能减少或避免人为因素的影响，多采用自动化、机械化的操作，少采用人工操作。另外，应将试验条件规定得严格些，防止随操作，少采用人工操作。另外，应将试验条件规定得严格些，防止

31、随意性。意性。v (3)经济性经济性 力求减少材料消耗，避免复杂昂贵的加工工序，节省试验力求减少材料消耗，避免复杂昂贵的加工工序，节省试验费用。费用。金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 1.1.3 常用焊接性试验方法常用焊接性试验方法（1）斜）斜Y形坡口焊接裂纹试验法形坡口焊接裂纹试验法(Y-Slit Type Cracking Test) 斜斜Y形坡口焊接裂纹试验形坡口焊接裂纹试验又称为又称为“小铁研小铁研”试验试验,主要用于主要用于评定碳钢和低合金高强钢焊接热影响区对冷裂纹的敏感性。

32、评定碳钢和低合金高强钢焊接热影响区对冷裂纹的敏感性。 试件的形状及尺寸如图试件的形状及尺寸如图1-2 所示。所示。金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 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。拘束焊缝为双面焊接，应事先焊好，注意防止角变形和未焊透。金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编-

33、 -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 图1-3试验焊缝的焊接方式a)手弧焊 b)自动送进焊条电弧焊 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。 金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 fC(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裂纹情况。根据下列各式计算裂纹率：%100cfcfllC%100

34、crcrllC%100hhCss 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) fclclcrlshh金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 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

35、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，还有一种直Y形坡口的试验方法，形坡口的试验方法，主要用于考核焊缝金属的裂纹敏感性。其试验程序与斜主要用于考核焊缝金属的裂纹敏感性。其试验程序与斜Y形坡形坡口相同。口相同。金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 （2）插销试验）插销试验(Implant Test) 是测定钢材焊接热影响区冷裂纹敏感是测定钢材焊接热影响区冷裂纹敏感性的一种定

36、量试验方法。附加其它装置，也可用于测定再热裂纹和层状性的一种定量试验方法。附加其它装置，也可用于测定再热裂纹和层状撕裂敏感性。撕裂敏感性。 插销试验插销试验(图图1-4)是将被焊钢材加工成圆柱形的插销试棒。试棒插入是将被焊钢材加工成圆柱形的插销试棒。试棒插入底板上的孔中，试棒上端与底板表面平齐。插销试棒上端附近有环形或底板上的孔中，试棒上端与底板表面平齐。插销试棒上端附近有环形或螺形缺口。试验时在底板上以规定的线能量熔敷一条焊道，其中心线通螺形缺口。试验时在底板上以规定的线能量熔敷一条焊道，其中心线通过试棒的中心，其熔深应使缺口尖端位于热影响区的粗晶区内。过试棒的中心，其熔深应使缺口尖端位于热

37、影响区的粗晶区内。插销试棒具体形状、尺寸如图插销试棒具体形状、尺寸如图1-5 及表及表1-1所示，缺口位置如表所示，缺口位置如表1-2所示，底板材所示，底板材料应与被焊钢材相同或热物理常数基本一致，其形状及尺寸见图料应与被焊钢材相同或热物理常数基本一致，其形状及尺寸见图1-6。金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 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(a)(b)金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟

38、庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 图1-5 插销试棒的形状 a)环形缺口试棒 b)螺形缺口试棒(b)(a)金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 1 1螺形螺形6 6环形环形1 1螺形螺形大于底板的大于底板的厚度，一般厚度，一般约为约为30301501508 8环形环形缺口类别缺口类别)(mmh)(mmA)()(mmR)(mmRmml /05.005.05.0224002.002.01.005.005.05.0224002.00

39、2.01.0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的关系的关系金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 图图1-6 底板形状及尺寸底板形状及尺寸金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 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

40、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

41、。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的大小，即可相对比较材料抵抗产生冷裂纹的能力。产生冷裂纹的能力。crcrcr金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 （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) 主要用于主要用于评定低合金钢焊缝金属的热裂纹敏感性，也可以做钢材与焊条匹评定低合金钢焊缝金属的热裂纹敏感性，也可以做钢材与焊条匹配性的试验，试验装

42、置如图配性的试验，试验装置如图1-7。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 金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 图图1-8 FISCO试验试板尺寸及焊缝位置试验试板尺寸及焊缝位置金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 裂纹率按下式计算：裂纹率按下式计算：

43、 %100FFFLlC（1-9）FCFISCO试验的试验的裂纹裂纹率率(%)Fl4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)FL4条焊缝长度之和条焊缝长度之和(mm)金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 （4）可调拘束裂纹试验）可调拘束裂纹试验 (Varestraint Test) 主要用于评定低合主要用于评定低合金钢的热裂纹金钢的热裂纹(结晶裂纹、液化裂纹等结晶裂纹、液化裂纹等)敏感性。其基本原理是在敏感性。其基本原理是在焊缝凝固后期施加不同的应变值，研究产生裂纹的规律。当

44、外加焊缝凝固后期施加不同的应变值，研究产生裂纹的规律。当外加的应变值在某一温度下超过焊缝或热影响区金属的塑性变形能力的应变值在某一温度下超过焊缝或热影响区金属的塑性变形能力时，就会产生热裂纹，以此来评定产生焊接热裂纹的敏感性。可时，就会产生热裂纹，以此来评定产生焊接热裂纹的敏感性。可调拘束裂纹试验可分为纵向和横向两种方法，如图调拘束裂纹试验可分为纵向和横向两种方法，如图1-9所示，加载所示，加载变形有快速和慢速两种形式。变形有快速和慢速两种形式。金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 图图1

45、-9可调拘束裂纹试验示意图可调拘束裂纹试验示意图a）纵向实验法）纵向实验法b）横向试验）横向试验金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 （5）其它焊接试验方法）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-TensileRestraintCrackingTest) 刚性拘束裂纹试验刚性拘束裂纹试验(RRC-RigidRestraintCrackingTest)其原理图其原理图如图如图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-ButtJo

46、intCrackingTest)其试其试件形状、尺寸如图件形状、尺寸如图1-11。 拘束裂纹试验拘束裂纹试验(WindowTypeRestraintCrackingTest)示意图见示意图见图图1-12 Z向拉伸试验向拉伸试验(Z-directionTensileTest)图图1-13金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 图1-10 刚性拘束裂纹试验原理图 a)假设情况 b)实际焊接情况金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chap

47、ter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 图图1-11刚性固定对接裂纹试验试件刚性固定对接裂纹试验试件金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 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金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 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）试棒金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学

48、工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 1.2 焊缝金属的凝固及相变特征1.2.1 1.2.1 焊缝金属的凝固焊缝金属的凝固 焊接熔池焊接熔池是指由熔化的局部母材和填加材料所组成的具有一定几是指由熔化的局部母材和填加材料所组成的具有一定几何形状的液态区域。焊接熔池的凝固过程是从液相转变成固相的焊接何形状的液态区域。焊接熔池的凝固过程是从液相转变成固相的焊接一次结晶过程。焊接一次结晶过程中产生的焊接缺陷及形成的粗大柱一次结晶过程。焊接一次结晶过程中产生的焊接缺陷及形成的粗大柱状晶，不仅显著降低焊缝金属的强度和塑性，而且还往往是焊接结构状晶，不仅显著降低焊缝金属

49、的强度和塑性，而且还往往是焊接结构断裂事故的起源。为改善焊缝金属的质量，必须了解焊接熔池凝固的断裂事故的起源。为改善焊缝金属的质量，必须了解焊接熔池凝固的特点，掌握熔池凝固的规律，从而控制焊缝金属凝固过程的目的。特点，掌握熔池凝固的规律，从而控制焊缝金属凝固过程的目的。金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 v 非平衡的动态结晶非平衡的动态结晶 焊接熔池体积小，冷却速度快，极易形成气孔、裂纹、焊接熔池体积小，冷却速度快，极易形成气孔、裂纹、夹杂、偏析等缺陷。熔池的过热度和温度梯度大，使非自发

50、晶核质点大为减夹杂、偏析等缺陷。熔池的过热度和温度梯度大，使非自发晶核质点大为减少，柱状晶得到显著发展。少，柱状晶得到显著发展。v 联生结晶和竞争成长联生结晶和竞争成长 焊接熔池的结晶一般是从熔池边界开始的，依附在半焊接熔池的结晶一般是从熔池边界开始的，依附在半熔化的母材晶粒表面非自发形核，以柱状晶的形式由半熔化的母材晶粒向焊熔化的母材晶粒表面非自发形核，以柱状晶的形式由半熔化的母材晶粒向焊缝中心成长，成长的取向与母材晶粒相同，即所谓的联生结晶。缝中心成长，成长的取向与母材晶粒相同，即所谓的联生结晶。v 结晶速度和方向动态变化结晶速度和方向动态变化 焊接熔池中，晶粒由熔池边界开始结晶一直成长焊

51、接熔池中，晶粒由熔池边界开始结晶一直成长到最后，晶粒成长的方向和速度均随结晶过程呈动态变化，成长方向由垂直到最后，晶粒成长的方向和速度均随结晶过程呈动态变化，成长方向由垂直于焊接方向逐渐转向焊接方向，成长速度于焊接方向逐渐转向焊接方向，成长速度( (结晶速度结晶速度) )由零逐渐增大到焊接速由零逐渐增大到焊接速度。度。1.2.1.11.2.1.1焊接熔池的结晶特点焊接熔池的结晶特点金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 1.2.1.2 熔池金属的结晶形态熔池金属的结晶形态熔池结晶后所形成的固

52、态焊缝熔池结晶后所形成的固态焊缝中，主要存在两种晶粒，即中，主要存在两种晶粒，即柱状晶粒柱状晶粒（通过平面结晶、胞状结晶、胞状树枝结晶或树枝状结晶形成）和少量（通过平面结晶、胞状结晶、胞状树枝结晶或树枝状结晶形成）和少量的的等轴晶粒等轴晶粒（通过树枝状结晶形成）。（通过树枝状结晶形成）。焊接熔池的结晶形态焊接熔池的结晶形态完全取决于结晶期间固完全取决于结晶期间固-液界面前沿成分过冷的程液界面前沿成分过冷的程度度 ，成分过冷主要受熔池金属中溶质含量，成分过冷主要受熔池金属中溶质含量W、熔池结晶速度、熔池结晶速度R和液相温和液相温度梯度度梯度G的影响，因而可直接从的影响，因而可直接从W、R和和G的

53、综合作用来考察、判定熔池的综合作用来考察、判定熔池金属的结晶形态，如图金属的结晶形态，如图1-14所示。所示。 金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 1.2.1.3 结晶组织的分布结晶组织的分布 在焊接熔池中，不同部位具有不同的温度梯度在焊接熔池中，不同部位具有不同的温度梯度G和结晶速度和结晶速度R，因而具有不同的成分过冷，出现不同的结晶形态。因而

54、具有不同的成分过冷，出现不同的结晶形态。图图1-15 焊缝中结晶组织的分布焊缝中结晶组织的分布 金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 1.2.2焊缝的相变组织焊缝的相变组织 对于具有同素异构转变的焊缝金属来讲，焊接熔池完全对于具有同素异构转变的焊缝金属来讲，焊接熔池完全结晶后所形成的固态焊缝，在随后的连续冷却过程中还将发结晶后所形成的固态焊缝，在随后的连续冷却过程中还将发生相的转变，从形而成相变组织，即焊缝的最终组织。就钢生相的转变，从形而成相变组织，即焊缝的最终组织。就钢铁材料而言，铁材

55、料而言，相变组织相变组织主要取决于焊缝金属的化学成分和冷主要取决于焊缝金属的化学成分和冷却条件。却条件。金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 1.2.2.1低碳钢焊缝的相变组织低碳钢焊缝的相变组织 低碳钢焊缝低碳钢焊缝具有较低的含碳量，发生固态相变后的组织主具有较低的含碳量，发生固态相变后的组织主要由铁素体和少量的珠光体组成。铁素体一般在原奥氏体边界要由铁素体和少量的珠光体组成。铁素体一般在原奥氏体边界析出，其晶粒十分粗大。冷却速度越快，焊缝金属中的珠光体析出，其晶粒十分粗大。冷却速度越快

56、，焊缝金属中的珠光体越多，且组织细化。多层焊或对焊缝进行焊后热处理可破坏焊越多，且组织细化。多层焊或对焊缝进行焊后热处理可破坏焊缝的柱状晶，获得细小的铁素体和少量珠光体，从而起到改善缝的柱状晶，获得细小的铁素体和少量珠光体，从而起到改善焊缝组织的作用。当低碳钢焊缝发生过热时，还可能出现塑性焊缝组织的作用。当低碳钢焊缝发生过热时，还可能出现塑性和韧性很差的魏氏组织，如图和韧性很差的魏氏组织，如图1-16所示。所示。 金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 图1-16 低碳钢焊缝中的魏氏组织金属

57、焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 1.2.2.2 低合金钢焊缝的相变组织低合金钢焊缝的相变组织 低合金钢焊缝二次组织，随匹配焊接材料化学成分和冷低合金钢焊缝二次组织，随匹配焊接材料化学成分和冷却条件的不同，可形成以铁素体却条件的不同，可形成以铁素体F、珠光体、珠光体P、贝氏体、贝氏体B及马及马氏体氏体M等相变组织，而且它们还会呈现出多种形态，从而具等相变组织，而且它们还会呈现出多种形态，从而具有不同的性能。对有不同的性能。对低合金钢焊缝低合金钢焊缝，铁素体铁素体是焊缝的主要组成。是焊缝的主

58、要组成。至于珠光体、贝氏体和马氏体等组织的转变则居次要地位至于珠光体、贝氏体和马氏体等组织的转变则居次要地位金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属焊接性基础金属焊接性基础 铁素体转变铁素体转变 ： 晶界铁素体晶界铁素体(GBF) 也称先共析铁素体，也称先共析铁素体，770680沿奥氏体晶界首先析沿奥氏体晶界首先析出的铁素体。沿晶界扩展的长条形，也可以是沿晶界分布的块状多边形出的铁素体。沿晶界扩展的长条形，也可以是沿晶界分布的块状多边形侧板条铁素体侧板条铁素体(FSP) 也称无碳贝氏体，在也称无碳贝氏体，在70050

59、0，是从奥氏体晶界开，是从奥氏体晶界开始，但以板条状向晶内成长，从形态上看有些像镐牙状始，但以板条状向晶内成长，从形态上看有些像镐牙状针状铁素体针状铁素体(AF) 在在500左右形成，大部分在奥氏体内左右形成，大部分在奥氏体内细晶铁素体细晶铁素体(FGF) 也称贝氏铁素体，是介于铁素体与贝氏体之间的转变也称贝氏铁素体，是介于铁素体与贝氏体之间的转变产物，在奥氏体晶粒内形成，一般来讲都要含有细化晶粒元素产物，在奥氏体晶粒内形成，一般来讲都要含有细化晶粒元素(如如Ti、V、B等等)金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主编- -北京化学工业出版社北京化学工业出版社Chapter1 金属

60、焊接性基础金属焊接性基础 珠光体转变珠光体转变 在转变温度为在转变温度为Ac1550接近平衡状态下发生珠光体转变。在接近平衡状态下发生珠光体转变。在焊接状态下，发生非平衡转变，原子不能充分扩散，珠光体转变受焊接状态下，发生非平衡转变，原子不能充分扩散，珠光体转变受到抑制，扩大了铁素体和贝氏体的转变区域，致使焊缝中很少产生到抑制，扩大了铁素体和贝氏体的转变区域，致使焊缝中很少产生珠光体组织。只有在预热、缓冷及后热等冷速缓慢的情况下，才能珠光体组织。只有在预热、缓冷及后热等冷速缓慢的情况下，才能在焊缝中形成少量的珠光体。在焊缝中形成少量的珠光体。金属焊接性基础金属焊接性基础- -孟庆森主编孟庆森主