金属材料焊接第一章第一节金属焊接性

金属材料焊接本课程学习目的：1.掌握常用材料的焊接性分析2.焊接过程中易出现的问题及其产生原因、影响因素、解决问题的工艺措施与途径。3.为保证焊接质量如何选择焊接材料与焊接工艺。第一单元第一节金属材料的焊接性一、金属“焊接性”的概念金属材料焊接性根据GB/T3375-1994《焊接术语》的定义：“金属材料在限定的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”。优质焊接接头应具备的两个条件：一是接头中不允许存在超过质量标准规定的缺陷；二是要具有预期的使用性能。金属材料焊接性是指金属材料对焊接加工的适应性和使用的可靠性，它包括工艺焊接性和使用焊接性。1．工艺焊接性工艺焊接性是指金属材料对各种焊接方法的适应能力，也就是在一定的焊接工艺条件下能否获得符合要求的优质焊接接头的能力。它不是金属材料本身所固有的性能，但取决于金属的成分和性能，并且随着焊接方法、焊接材料和工艺措施的发展而变化。2．使用焊接性使用焊接性是指焊接接头或整体结构满足技术条件中所规定的使用性能的能力。它取决于焊接结构所满足的技术条件规定的各种性能。二影响金属焊接性的因素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（工艺）因素（1）焊接方法；（2）焊接材料；（3）焊接参数等。3结构因素4使用条件三、分析金属焊接性的方法1．碳当量法2．焊接冷裂纹敏感指数法3．利用金属材料的物理性能分析4．利用金属材料的化学性能分析5．利用合金相图或SHCCT（CCT）图分析1．碳当量法在钢材所含有的各种元素中，碳对冷裂敏感性的影响最显著，因此将钢中各种元素都按相当于若干含碳量折合并叠加起来即为“碳当量”，并以此来判断钢材的淬硬倾向和冷裂敏感性，进而推断钢材的焊接性。目前应用的碳当量计算公式：国际焊接学会（IIW）推荐的CE、日本工业标准（JIS）规定和美国焊接学会推荐的Ceq。碳当量计算公式和应用范围见表1-4

表1-4碳当量计算公式和应用范围碳当量计算公式适用范围国际焊接学会（IIW）推荐CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15(%)中高强度的非调质低合金高强度钢wc≥0.18%σb=500～900Mpa日本工业标准（JIS）规定Ceq(JIS)=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14(%)调质低合金高强度钢Rm=500～1000MPa化学成分wc≤0.20%、wsi≤0.55%、wMn≤1.5%、wCu≤0.5%、wNi≤2.5%、wCr≤1.25%、wMo≤0.7%、wV≤0.1%、wB≤0.006%美国焊接学会（AWS）推荐Ceq(AWS)=C+Mn/6+Si/24+Ni/15+Cr/5+Mo/4+Cu/13+P/2(%)碳钢和低合金高强钢化学成分wc＜0.6%、wMn＜1.6%、wNi＜3.3%、wCr＜1.0%、wMo＜0.6%、wCu=0.5%～1%、wP=0.05%～0.15%使用国际焊接学会（IIW）推荐的CE：对板厚小于20mm的钢材，当CE<0.4%时，钢材的淬硬倾向不大，焊接性良好，焊前不需预热；当CE=0.4～0.6%时，钢材易于淬硬，焊接性较差，焊接时必须预热才能防止裂纹，随着板厚及碳当量的增加，预热温度也相应提高；当CE＞0.6%时，钢材淬硬倾向很大，焊接性差，焊接时必须采用严格的工艺措施如预热、后热、缓冷等，以防止产生裂纹。

使用日本工业标准（JIS）规定的Ceq(JIS)：对板厚小于20mm的钢材和采用焊条电弧焊时，对于强度等级不同钢材规定了不产生裂纹的临界值和相应的预热措施，见表1-5

表1-5钢材强度级别与碳当量和预热温度的关系钢材强度级别（σb/MPa）Ceq(JIS)（%）临界值预热温度（℃）5000.46不预热6000.52757000.521008000.62150使用美国焊接学会推荐的Ceq(AWS)：应根据Ceq(AWS)值再结合焊件厚度，先从图1-1查出该钢种焊接性的优劣等级，再根据表1-6确定出其焊接的最佳工艺措施。

表1-6钢材焊接性等级不同时的最佳焊接工艺措施焊接性等级酸性焊条碱性焊条消除应力Ⅰ（优良）不需预热不需预热不需Ⅱ（较好）预热40～100℃-10℃以上不预热两可Ⅲ（尚好）预热150℃预热40～100℃需要Ⅳ（尚可）预热150～200℃预热100℃需要图1-1焊接性与碳当量和板厚的关系

2．焊接冷裂纹敏感指数法焊接冷裂纹敏感指数（Pc）不仅包括了母材的化学成分，又考虑了熔敷金属含氢量与拘束条件（板厚）的作用。斜Y形坡口焊接裂纹试验的冷裂纹敏感指数公式：Pc=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B+δ/600+［H］/60（%）根据Pc值可以通过经验公式求出斜Y型坡口对接裂纹试验条件下，为了防止冷裂纹所需要的最低预热温度T0（℃）T0=1440Pc–392斜Y型坡口焊接裂纹试验法用于评定碳钢和低合金高强度钢焊接热影响区对冷裂纹的敏感性属于自拘束裂纹试验其试验要求应遵从GB/T4675.1--1984《焊接性试验--斜Y型坡口焊接裂纹试验法》的规定。1．试件制备试件的尺寸和形状如图1-2所示，板厚为9～38mm采用机械方法加工试件坡口试板两端各焊接60mm的拘束焊缝采用双面焊试件中间待焊部位有2mm的间隙。图1-2试件尺寸和形状2、施焊条件用焊条电弧焊施焊的试验焊缝如图1-3a所示，用自动送进装置施焊的试验焊缝如图1-3b所示。试验焊缝只焊一道，不要求填满坡口，并可在不同温度下施焊。焊后静置和自然冷却48h后截取试样和进行裂纹检测。焊接参数：焊条直径4mm，焊接电流（170±10）A，电弧电压（22～24）V，焊接速度（150±10）mm/min。图1-3施焊时的焊缝示意图a）焊条电弧焊试验焊缝b）焊丝自动送进的试验焊缝3、裂纹检测（1）表面裂纹率Cf如图1-4aCf=∑lf/L×100%（2）根部裂纹率检测根部裂纹时，应将试件着色后拉断或折断，按图1-4b进行根部裂纹测量。Cr=∑lr/L×100%（3）断面裂纹率Cs在试验焊缝上，用机械加工方法等分切取4～6块试样，如图1-4c所示，检查5个断面上的裂纹深度，按下式计算CsCs=∑Hs/∑H×100%图1-4试样裂纹长度计算A）表面裂纹b）根部裂纹c）断面裂纹3．利用金属材料的物理性能分析金属材料的物理性能，对焊接热循环、熔池冶金过程、结晶与相变过程等都有明显的影响。热导率大的材料（铜），传热快，焊接时熔池结晶速度快容易产生气孔和熔透不足；而热导率低的材料（钛、不锈钢），焊接时由于温度梯度大会产生较大的应力及变形，而且还会因为高温停留时间延长而导致焊缝金属晶粒粗大。焊接线胀系数大的材料（如不锈钢），接头的应力和变形必然更严重；焊接密度小的材料（如铝及其合金），则容易在焊缝中产生气孔和夹杂。4．利用金属材料的化学性能分析化学性质比较活泼的金属（如铝、镁、钛及其合金），在焊接条件下极易被氧化。有些金属材料甚至对氧、氮、氢等气体都极为敏感，焊接这些材料时需要采取惰性气体保护焊和在真空中焊接等保护可靠的焊接方法，有时甚至在焊缝背面也要进行保护。钛对氧、氮、氢等气体都极为敏感，吸收这些气体后力学性能显著降低，特别是韧性降低严重，因此要严格控制这些气体对焊缝及热影响区的影响。5．利用合金相图或SHCCT（CCT）图分析例如对于共晶相图，其固、液相线之间的温度区间大，会造成结晶时的成分偏析、低熔点共晶的生成和脆性温度区间的大，热裂纹倾向大。对于各种低合金钢来说，可以利用各自的连续冷却组织转变图（CCT图）或模拟热影响区的连续冷却组织转变图（SHCCT图）分析其焊接性。可以根据转变图预测热影响区组织、性能和硬度变化，从而预测某种钢焊接热影响区的淬硬倾向和产生冷裂纹的可能性，以便确定适当的焊接工艺条件。表1-1常用金属材料焊接难易程度金属及合金焊条电弧焊埋弧焊CO2气体保护焊氩弧焊电渣焊电子束焊气焊电阻焊非合金钢低碳钢AAABAAAA中碳钢AAABBAAA高碳钢ABBBBAAD铸铁灰铸铁ADADBDBD低合金钢锰钢AAABBABD铬钒钢AAABBABD不锈钢马氏体不锈钢AABACABC铁素体不锈钢AABACABA奥氏体不锈钢AAAACABA注：A--通常采用，B--有时采用，C--很少采用，D--不采用

表1-1常用金属材料焊接难易程度（续）金属及合金焊条电弧焊埋弧焊CO2气体保护焊氩弧焊电渣焊电子束焊气焊电阻焊非铁金属材料纯铝BDDA