金属熔焊原理及材料焊接第六章-金属材料的焊接性及课件

第六章金属焊接性及评定第一节金属材料的焊接性第二节金属材料焊接性评定方法第一节金属材料的焊接性能力知识点一金属材料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，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。能力知识点二金属材料焊接性的影响因素材料因素工艺因素结构因素使用条件

焊接性不是金属固有的属性常用金属材料焊接难易程度见表1表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BDDADABA非热处理强化铝合金BDDADABA热处理强化铝合金BDDADABA镁合金DDDADBCA钛合金DDDADADA铜合金BDCADBBC注：A--通常采用，B--有时采用，C--很少采用，D--不采用

第二节金属材料焊接性的评定方法能力知识点一金属材料焊接性的评定内容1．焊缝金属抵抗热裂纹的能力2．焊缝及热影响区金属抵抗冷裂纹的能力3．焊接接头抵抗脆性断裂的能力4．焊接接头的使用性能能力知识点二金属材料焊接性评定及试验方法（表3）表3金属材料焊接性评定及试验方法工艺焊接性使用焊接性直接法焊接热裂纹试验焊接冷裂纹试验消除应力裂纹试验层状撕裂试验焊接气孔敏感性试验实际产品结构运行的服役试验压力容器的爆破试验间接法用碳当量推测焊接性裂纹敏感指数及临界应力为判据连续冷却组织转变图断口分析及相组织分析焊接热影响区最高硬度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断裂韧性试验焊缝及接头高温性能试验焊缝及接头耐蚀性、耐磨性及应力腐蚀开裂试验能力知识点二常用焊接性分析与评定方法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

以上均为间接法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4

表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

Rb=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5

表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查出该钢种焊接性的优劣等级，再根据表6确定出其焊接的最佳工艺措施。

表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–3923．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。能力知识点三常用焊接性试验方法一、斜Y型坡口焊接裂纹试验法二、焊接热影响区最高硬度试验法三、插销试验法四、刚性固定对接裂纹试验法五、其他试验法注意：二为间接法、其他为直接法一、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3a所示，用自动送进装置施焊的试验焊缝如图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3施焊时的焊缝示意图a）焊条电弧焊试验焊缝b）焊条自动送进的试验焊缝3、裂纹检测（1）表面裂纹率Cf

如图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4试样裂纹长度计算A）表面裂纹b）根部裂纹c）断面裂纹二、焊接热影响区最高硬度试验法试验标准GB/T4675.5-1984，适用于焊条电弧焊。试板尺寸和形状如图5和表7所示，试板采用气割下料，试验标准厚度为20mm，当材料厚度超过20mm时须用机加工成20mm，并保留一个轧制表面；当材料厚度小于20mm时则无须加工。试件号试件长度L试件宽度B焊缝长度l1号试件20075125±102号试件200150125±10表7热影响区最高硬度试件尺寸图5热影响区最高硬度试板试样表面经研磨、腐蚀后，按图6位置测量硬度。图6硬度测量的位置一般用于焊接结构的钢材都应提供其最高硬度值，常用的低合金结构钢允许的热影响区最高硬度值见表8。表8常用低合金钢的碳当量及允许的热影响区最大硬度钢种Pcm(%)CE(IIW)(%)最大硬度HV非调质调质非调质调质非调质调质Q2350.2485-0.4150-390-Q3900.2413-0.3993-400-Q4200.3091-0.4943-410380(正火)14MnMoV0.2850-0.5117-420390(正火)18MnMoNb0.3356-0.5782--420(正火)14MnMoNbB-0.2658-0.4593-450三、插销试验法插销试验法是一种定量测定碳钢、低合金钢焊接热影响区冷裂纹敏感性的试验方法，属于外拘束裂纹试验法。该试验方法消耗材料少，结果稳定可靠，因此在国内外得到广泛应用。我国已制定国家标准GB/T9446-1988《焊接用插销冷裂纹试验方法》。插销试验的基本原理是根据产生冷裂纹的三要素（即钢的淬硬倾向、焊缝含氢量及接头的应力状态），定量测出被焊钢材产生焊接冷裂纹的“临界应力”作为冷裂纹敏感性的评定指标。1．试样制备把被焊钢材加工成直径为8mm或6mm的圆柱形试棒（称为插销），形状和尺寸如图7所示，各部位尺寸见表9，插销上端有环形或螺形缺口。将插销插入底板直径相应的孔中，使带缺口一端与底板表面平齐，如图8所示。图7插销试棒的形状a）环形缺口插销b）螺形缺口插销图8插销试棒、底板及熔敷焊道a）环形缺口插销b）螺形缺口插销2．试验过程按选定的焊接方法和严格控制的工艺参数，在底板上熔敷焊道，尽量使焊道中心线通过插销的端面中心，其熔深应保证缺口尖端位于热影响区的粗晶部位，焊道长度约100～150mm。在焊后冷却至100～150℃时（有预热时应在冷至高出预热温度50～70℃）加载，当保持载荷16h或24h（有预热）期间试棒发生断裂，即得到该试验条件下的“临界应力”；如果在保持载荷期间未发生断裂，应调整载荷直至发生断裂。改变含氢量、焊接热输入和预热温度，可得到不同的临界应力。临界应力越小，说明材料对冷裂纹越敏感。3．插销试验特点：1）试件尺寸小，底板与插销材料可以不同，且底板可重复使用，因此试验消耗材料少。2）调整焊接热输入和底板厚度可得到不同的接头冷却速度。3）插销可从被试验材料任意方向截取，还方便从全熔敷金属中取样来测定焊缝金属对冷裂纹的敏感性。4）试验要求环形缺口必须位于焊缝的粗晶区，要求较严格。5）环形缺口整个圆周温度不十分均匀，影响试验结果的准确性，造成数据分散，再现性不是很好。4.结果评定试验结果有“启裂准则”和“断裂准则”两种评定方法，我国普遍采用“断裂准则”。加载期间试棒断裂，即得到该试验条件下的“临界应力”。如未发生断裂，则应调整载荷直至发生断裂为止。然后降低10MPa载荷再试验，如未断裂，则此载荷即为“断裂准则”的“临界应力”。临界应力越小，其冷裂纹敏感性越大。四、刚性固定对接裂纹试验法该方法主要用于测定焊缝的冷裂纹和热裂纹倾向，也可以测定焊接热影响区的冷裂纹倾向，适用于低合金钢焊条电弧焊、埋弧焊和气体保护焊等。试件尺寸和形状如图10所示，试件在不小于厚度为40mm的钢板上以角焊缝形式四周焊接牢固。当试件板厚≤12mm时，取焊角与板厚相等；当板厚＞12mm时，焊角取12mm。试件坡口由机械方法加工。图10刚性固定对接裂纹试验试件尺寸和形状1-试件2-刚性底板试验焊缝可用手工焊或自动焊方法焊接，焊接参数可采用实际焊接时的参数。焊后将试件在室温放置24h，先检查焊缝有无表面裂纹；再横向切取焊缝，取2块试样磨片检查有无裂纹。该试验焊缝所受到的拘束度较大，评定标准是以试验结果有无裂纹为依据，一般要求每种焊接条件下需焊接2块试样。五、其他试验法1.里海拘束裂纹试验适用评定碳钢、低合金钢和奥氏体不锈钢焊缝金属的热裂纹和冷裂纹敏感性。