金属材料焊接性与工艺评定

1、金属材料焊接性与工艺评定金属材料焊接性与工艺评定 技术中心压力容器检测站 2010年12月4日焊接概念焊接概念v焊接技术又叫连接工程，是一种重要的材料加工工艺。v概括讲，被焊工件的材质，通过加热或加压或二者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材质达到原子间的结合而形成永久性连接的工艺过程称为焊接。v焊接与其他连接方式不同，不仅在宏观上形成了永久性的接头，而且在微观上建立了组织上的内在联系。v焊接的本质：v宏观上讲：形成永久性连接。v微观上讲：建立组织间联系。v焊接方法分为：熔化焊、压力焊 、钎焊。v焊接能源:主要是热能和机械能，是实现焊接的的基本条件。其中热能是熔化焊的主要能源，主要有电弧热、

2、化学热、电阻热、高频感应热、等离子焰、电子束、激光束等。 目前，新的焊接热源不断开发，如微波热、太阳能。v一、金属焊接性一、金属焊接性v焊接性是指金属材料在限定的制作条件下，是否能够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。v金属材料的焊接性具有两方面内容：一是金属在焊接加工中是否容易形成缺陷，二是焊接接头在一定的使用条件下可靠的运行能力。这也说明，焊接性不仅包括结合性能，而且也包括结合后的使用性能。v一般来说，金属材料焊接工艺过程简单而接头质量高、性能好时，就称焊接性好，反之，就称焊接性差。v二、如何分析金属焊接性二、如何分析金属焊接性v1.从金属特性分析焊接性v1.1利用

3、化学成分分析：主要方法包括碳当量法，焊接冷裂纹敏感指数法。v1.2利用物理性能分析：金属熔点、导热系数、线膨胀系数、密度、热容量等因素，都对热循环、熔化、结晶、相变等过程产生影响，从而影响焊接性。如线膨胀系数大，接头变形和应力将很严重。v1.3利用化学性能分析：如钛对氧、氮等亲和力强，吸收后，力学性能显著降低。v1.4利用合金相图分析:被焊材料大多为金属，或至少含某些杂质元素，因而可以利用他们相图分析。v1.5 CCT图(连续冷却曲线)或SHCCT图（模拟焊接HAZ连续冷却曲线）分析：一般，此分析仅对于各类低合金钢，进行焊接性分析。v2.从焊接工艺条件分析焊接性，主要从热源特点，保护方法，热循

4、环控制等分析。v二、焊接性试验二、焊接性试验v 评定母材金属的试验叫做焊接性试验。v1.焊接性试验内容：1）焊缝金属抵抗产生热裂纹的能力，2）焊缝及HAZ金属抵抗产生冷裂纹的能力，3）焊接接头抗脆性转变能力，4）焊接接头的使用性能。v2.焊接性试验分类v焊接性试验研究分为工艺焊接性和使用焊接性两大类，两类试验研究方法均含直接法和间接法。v工艺焊接性直接法包括：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；脆性断裂试验。 v工艺焊接性间接法包括：碳当量法；焊接裂纹敏感指数法；连续冷却组织转变曲线法；焊接热应力模拟法；焊接热影响区最高硬度法；焊接区断口金相法。v使用

5、焊接性直接法包括：实际产品运行的服役试验；压力容器的水压试验、爆破试验。v使用焊接性间接法包括：焊缝及接头的拉伸、弯曲、冲击等力学性能试验；焊接接头的高温蠕变及持久强度试验；焊接接头断裂韧性试验；焊接接头低温脆性试验；焊接接头耐腐蚀、耐磨试验；焊接接头的动载、疲劳试验。v1.工艺焊接性v工艺焊接性是指在一定焊接工艺条件下，能否获得优良致密、无缺陷焊接接头的能力。这并不是钢材（金属材料）本身固有的性能，而是根据某种焊接方法和所采用的具体工艺措施来进行评定的，因此，钢材（金属材料）的工艺焊接性与焊接过程密切相关。v对于熔化焊，一般要经历传热过程和冶金反应过程，因而又可以将工艺焊接性分为热焊接性和冶

6、金焊接性。v热焊接性是指焊接热循环对焊接热影响区组织性能以及产生缺陷的影响程度，用来评定被焊钢材（金属材料）对热的敏感性：如晶粒长大，组织与性能变化等，主要与被焊钢材（金属材料）和焊接工艺有关。v冶金焊接性是指在一定冶金过程的条件下，物理化学变化对焊缝性能和产生缺陷的影响程度。主要包括合金元素的氧化、还原、氮化、蒸发、氢、氧、氮的溶解等对形成气孔、夹渣、裂纹等缺陷的影响，用来评价钢材（金属材料）对冶金缺陷的敏感性。v2.使用焊接性v使用焊接性是指焊接接头或整个结构在一定使用条件下，满足产品技术条件规定的使用性能的程度。v使用焊接性取决于焊接结构的工作条件和设计上的具体技术要求，一般包括焊缝及接

7、头的拉伸、弯曲、冲击等力学性能试验；焊接接头的高温蠕变及持久强度试验；焊接接头断裂韧性试验等。v 总之，钢材（金属材料）的焊接性不仅于材料本身固有的性能有关，同时也与焊接工艺条件有关。在不同的焊接工艺条件下，同一材料也会具有不同的焊接性。v3. 选择或制定焊接性试验方法的原则选择或制定焊接性试验方法的原则v3.1针对性v焊接性试验的条件要尽量与实际焊接时的条件相一致，这些条件包括母材、焊接材料、接头形式、环境温度、接头受力状态、焊接工艺参数等，而且试验条件还应考虑到产品的使用条件，尽量使之接近，只有这样才能使焊接性试验具有良好的针对性，其试验结果能比较确切的显示实际生产时可能发生的问题或可能获

8、得的结果。v3.2再现性v焊接试验的结果要稳定可靠，具有较好的再现性。试验所得数据不可过于分散，只有这样才能正确显示变化规律，获得能够指导生产实践的结论，为了做到这样，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、机械化的操作，少采用人工操作。另外，应将试验条件规定的比较严格，防止随意性 。v3.3可比性v 只有试验条件完全相同时，两个试验研究结果才具有可比性。因此，凡是国家或国际上已经颁布的标准试验方法应优先选择，并严格按标准规定进行试验。还未建立标准的，应优先选择国内外同行业中较为通用的或公认的试验方法进行研究。若无标准可供参考，需自行设计焊接性试验研究方法时，应把试验研究条件规

9、定的明确具体，并在报告中详细说明试验研究结果的试验研究条件。v3.4经济性v 应注意试验方法的经济性，在符合上述原则下，并可获得可靠结果的前提下，要力求减少材料消耗，减少试验项目，避免复杂昂贵的加工工序，节省试验费用。v4.影响钢材（金属材料）焊接性的因素影响钢材（金属材料）焊接性的因素 v4.1材料因素v 材料包括母材和焊接材料。在相同的焊接条件下，决定母材焊接性的主要因素是母材本身的物理化学性能。 v4.2工艺因素v 工艺因素包括焊接方法、焊接工艺规范、装配顺序、预热、后热、焊后热处理等。焊接方法对焊接性影响很大，主要表现在热源特性和保护条件两个方面。v不同的焊接方法，热源在功率、能量密度

10、、最高加热温度等方面有很大区别。不同热源焊接金属将显示出不同的焊接性。如：电渣焊功率大，但能量密度低，最高加热温度也不高，焊接时加热缓慢，高温停留时间长，使得HAZ晶粒粗大，冲击韧性显著降低，必须经过正火处理才能改善。 v 调整工艺参数，采取多层多道焊，保持层间温度，后热等工艺参数，可以调节和控制焊接热循环，从而改变金属材料的焊接性。v4.3结构因素v 结构因素主要指焊接结构和焊接接头的设计形式，比如形状、尺寸、厚度、坡口形式、焊缝布置、焊缝截面形状等因素对钢材（金属材料）的焊接性影响。 v设计中减少焊接接头的刚度、减少交叉焊缝、避免焊缝过于密集以及减少造成应力集中的各种因素，都是改善焊接性的

11、重要措施。 v4.4使用条件v使用条件是指焊接结构服役期间的工业温度、负载条件等，这些工作环境和运行条件要求焊接结构具有相适应的使用性能。如：在低温环境服役的焊接结构，必须具备抗脆性断裂的性能 ，在交变载荷环境服役的焊接结构必须具有良好的抗疲劳性能等 。v三、常用焊接性试验方法v1.斜Y型坡口焊接裂纹试验 v斜Y型坡口焊接裂纹试验（小铁研试验）主要用于评定碳钢和低合金高强钢焊接HAZ及焊缝金属对冷裂纹的敏感性。执行GB 4675.1-84斜Y型坡口焊接裂纹试验方法。v焊接工艺参数：焊条直径4mm，焊接电流17010A，电弧电压24 2V，焊速15010mm/minv试验结果：表面裂纹率，根部裂

12、纹率，断面裂纹率。v2.厚度特性方向试验厚度特性方向试验 v对于造船、锅炉压力容器、特大型桥梁等重要焊接结构的钢板，不仅要求沿宽度和长度方向的力学性能，而且还要求厚度方向（Z向）有良好的抗层状撕裂性能。钢板的抗层状撕裂性能采用厚度方向拉力试验的Z向断面收缩率来评定。执行GB/T 5313-1985厚度方向性能钢板 。v2.1层状撕裂概念 v层状撕裂指大型厚壁结构，在焊接过程中会沿钢板的厚度方向出现较大拉伸应力，如果v钢中有较多夹杂，那么沿钢板轧制方向出现一种台阶状裂纹，一般称为层状撕裂。v层状撕裂一般在钢表面难以发现，即使用UT检测合格钢板，仍可能经焊接后出现层状撕裂，层状撕裂是一种内部沿轧向

13、的应力开裂，特征呈阶梯状，这是其他裂纹所没有的。v层状撕裂容易发生在较厚钢板的十字形和T形接头的多层焊时，以及在钢板厚度方向承受大的拘束力的情况下 。一般对接接头很少出现，但在焊趾和焊根处由于冷裂诱发也会出v现层状撕裂。v层状撕裂与冷裂纹不同，它的产生与钢种强度无关，主要是钢板中存在着非金属夹杂物（主要是硫化物），使其钢的连续性受到某种程度的破坏，加上结构在板厚方向的拘束力、应变过大造成的。因此，对某些重要焊接结构的厚板，高拘束度焊接，要求钢板在厚度方向具有较好的塑性，特别要在钢板中减少非金属夹杂物的存在，使其具有良好的抗层状撕裂性能。 v2.2层状撕裂的判据v由于层状撕裂 的危害很严重，必须

14、在施工之前，对钢材层状撕裂 的敏感性进行判断。常用方法有z向拉伸断面收缩率和插销z向临界应力。vz向拉伸断面收缩率z为判据v一般为防止层状撕裂 ， z15，希望z 1520， z25，抗层状撕裂优异。 v2.3防止层状撕裂 的措施v1）.选用具有抗层状撕裂钢材，主要降低钢种S%，如抗裂钢。v2）设计和工艺上措施v.a.应尽量避免单侧焊缝，改用双侧焊缝，这样可以缓和焊缝根部应力状态，并防止应力集中。vb.在强度允许的情况下，尽量采用焊接量少的对称角焊缝代替焊接量大的全焊透焊缝，v以避免过大的应力。vC.应在承受Z向应力的一侧开坡口。vd.对于T形接头，可在横板上预先堆焊一层低强熔敷金属，以防止焊根出现裂纹。ve.为防止由冷裂引起的层状撕裂，应尽量采用一些防止冷裂的措施，如适当提高预热。v焊接工艺评定焊接工艺评定v术语v焊接工艺评定:为验证所拟定的焊件焊接工艺的正确性而进行的试验过程及结果评价。v焊接工艺指导书：为验证性试验所拟定的、经评定合格的、用于指导生产的焊接工艺文件。v焊接工艺评定报告：按规定格式记载验证性试验结果，对拟定焊接工艺的正确性进行评价的记录报告。v总则v1.焊接工艺评定应以可