金属材料的焊接性和焊接结构的设计

金属材料的焊接性和焊接结构的设计第一节金属材料焊接性的概念及评估方法一、可焊性的概念

金属材料的可焊性，是指被焊金属在采用一定的焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构型式条件下，获得优质焊接接头的难易程度，即金属材料在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。焊接性包括两个方面：一是工艺焊接性主要是指焊接接头产生工艺缺陷的倾向，尤其是出现各种裂纹的可能性；二是使用焊接性

主要是指焊接接头在使用中的可靠性，包括焊接接头的力学性能及其它特殊性能(如耐热、耐蚀性能等)。第2页,共43页，2024年2月25日，星期天金属材料的焊接性可通过估算和试验方法来确定。二、估算钢材可焊性的方法碳当量法：碳钢及低合金结构钢的碳当量经验公式为：

各种化学元素对焊缝组织性能、夹杂物的分布以及对焊接热影响区的淬硬程度等的影响不同，对产生裂纹倾向的影响也不同。在各种元素中，碳的影响最为明显，其它元素的影响可折合成碳的影响。影响钢材焊接性的主要因素是化学成分。第3页,共43页，2024年2月25日，星期天根据经验：

C当量＜0.4%时，钢材塑性良好，淬硬倾向不明显，可焊性良好。在一般的焊接工艺条件下，焊件不会产生裂缝，但对厚大工件或低温下焊接时应考虑预热。

C当量=0.4%～0.6%时，钢材塑性下降，淬硬倾向明显，可焊性较差。焊前工件需要适当预热，焊后应注意缓冷，要采取一定的焊接工艺措施才能防止裂缝。

C当量＞0.6%时，钢材塑性较低，淬硬倾向很强，可焊性不好。焊前工件必须预热到较高温度，焊接时要采取减少焊接应力和防止开裂的工艺措施，焊后要进行适当的热处理，才能保证焊接接头质量。第4页,共43页，2024年2月25日，星期天三、小型抗裂试验

从应用一般焊接工艺焊后试板有无裂缝或裂缝多少，可初步评定材料的可焊性好坏；若有裂缝，应调整工艺（如预热、缓冷等）再焊接试板，直至达到不裂。因此可通过参考抗裂试验制订出合理的焊接工艺规程与规范。第5页,共43页，2024年2月25日，星期天第二节碳钢的焊接

低碳钢含碳量不大于0.25%，塑性好，一般没有淬硬倾向，对焊接热过程不敏感，可焊性良好。焊这类钢时，不需要采取特殊的工艺措施，通常在焊后也不需要进行热处理（电渣焊除外）。一、低碳钢的焊接

低碳钢可以用各种焊接方法进行焊接。应用最广泛的：焊条电弧焊、埋弧焊、电渣焊、气体保护焊和电阻焊等。

熔焊法焊接结构钢时，焊接材料及工艺的选择主要应保证焊接接头与工件材料等强度。

第6页,共43页，2024年2月25日，星期天焊条电弧焊焊接一般低碳钢结构，可选用E4313(J421)、E4303(J422)、E4320(J424)焊条。焊接动载荷结构、复杂结构或厚板结构时，应选用E4316(J426)、E4315(J427)或E5015(J507)焊条。

埋弧焊时，一般采用H08A或H08MnA焊丝配焊剂431进行焊接。二、中、高碳钢的焊接

中碳钢含碳量在0.25%～0.6%之间，随含碳量的增加，淬硬倾向愈发明显，可焊性逐渐变差。在实际生产当中，主要是焊接各种中碳钢的铸钢件与锻件。第7页,共43页，2024年2月25日，星期天热影响区易产生淬硬组织和冷裂缝

中碳钢属于易淬火钢，热影响区被加热超过淬火温度的区段时，受工件低温部分的迅速冷却作用，将出现马氏体等淬硬组织。如焊件刚性较大或工艺不恰当时，就会在淬火区产生冷裂缝，即焊接接头焊后冷却到相变温度以下或冷却到常温后产生裂缝。中碳钢的焊接特点：第8页,共43页，2024年2月25日，星期天焊缝金属热裂缝倾向较大

焊接中碳钢时，因母材含碳量与硫、磷杂质远远高于焊条钢芯，母材熔化后进入熔池，使焊缝金属含碳量增加塑性下降，加上硫、磷低熔点杂质的存在，焊缝及熔合区在相变前就可能因内应力而产生裂缝。第9页,共43页，2024年2月25日，星期天焊接前：焊接中碳钢构件，焊前必须进行预热，使焊接时工件各部分的温差小，以减小焊接应力，同时减慢热影响区的冷却速度，避免产生淬硬组织。一般情况下，35钢和45钢的预热温度可选为150～250℃。结构刚度较大或钢材含碳量更高时，预热温度应再提高些。焊接后：由于中碳钢主要用于制造各类机器零件，焊缝一般有一定的厚度，但长度不大：焊接中碳钢多采用焊条电弧焊。

厚件可考虑采用电渣焊，但焊后要进行相应的热处理。第10页,共43页，2024年2月25日，星期天焊条选择焊接中碳钢焊件，应选用抗裂能力较强的低氢型焊条（碱性焊条）。

要求焊缝与工件材料等强度时，可根据钢材强度选用E5016(J506)、E5015(J507)、E6016－D1(J606)、E6015－D1(J607)焊条。若不要求等强度时，可选用E4315(J427)型强度低些的焊条，以提高焊缝的塑性。不论用哪种焊条焊接中碳钢件，均应选用细焊条、小电流，开坡口进行多层焊，以防止工件材料过多地熔入焊缝，同时减小焊接热影响区的宽度。第11页,共43页，2024年2月25日，星期天高碳钢的焊接：特点：高碳钢的焊接特点与中碳钢基本相似。由于含碳量更高，焊接性变得更差。工艺：进行焊接时，应采用更高的预热温度、更严格的工艺措施。应用：实际上，高碳钢的焊接一般只限采用焊条电弧焊进行修补工作。第12页,共43页，2024年2月25日，星期天

合金结构钢分类：

机械制造用合金结构钢

低合金结构钢用于机械制造的合金结构钢零件(包括调质钢、渗碳钢)，一般都采用轧制或锻造的坯料，焊接结构较少。如需焊接，因其焊接性与中碳钢相似，所以其焊接工艺措施与中碳钢基本相同。第三节合金结构钢的焊接第13页,共43页，2024年2月25日，星期天

焊接结构中，用得最多的是低合金结构钢，又称低合金高强钢。其焊接特点如下：(1)热影响区的淬硬倾向低合金结构钢焊接时，热影响区可能产生淬硬组织，淬硬程度与钢材的化学成分和强度级别有关。钢中含碳及合金元素越多，钢材强度级别越高，则焊后热影响区的淬硬倾向越大。如300MPa级的09Mn2、09Mn2Si等钢材的淬硬倾向很小，其焊接性与一般低碳钢基本一样。

350MPa级的

Q345(即16Mn)钢淬硬倾向也不大，但当实际含碳量接近允许上限或焊接参数不当时，过热区也完全可能出现马氏体等淬硬组织。

强度级别大于450MPa级的低合金钢，淬硬倾向增加，热影响区容易产生马氏体组织，硬度明显增高，塑性和韧度则下降。第14页,共43页，2024年2月25日，星期天(2)焊接接头的裂纹倾向

随着钢材强度级别的提高，产生冷裂纹的倾向也加剧。

影响冷裂纹的因素主要有三个方面：焊缝及热影响区的含氢量；热影响区的淬硬程度；焊接接头的应力大小。对于热裂纹，由于我国低合金结构钢系统其含碳量低，且大部分含有一定的锰，对脱硫有利。因此产生热裂纹的倾向不大。第15页,共43页，2024年2月25日，星期天

根据低合金结构钢的焊接特点，生产中可分别采取以下措施进行焊接。对于强度级别较低的钢材：在常温下焊接时与对待低碳钢基本一样。在低温或在大刚度、大厚度构件上进行小焊脚、短焊缝焊接时，应防止出现淬硬组织，要适当增大焊接电流、减慢焊接速度、选用抗裂性强的低氢型焊条。必要时需采用预热措施。对锅炉、受压容器等重要构件，当厚度大于20mm时，焊后必须进行退火处理，以消除应力。第16页,共43页，2024年2月25日，星期天

不同环境温度的预热要求：

工件厚度/mm：16以下，不低于-10℃不预热,-10℃以下预热100～150℃

工件厚度/mm：16～24，不低于-5℃不预热,-5℃以下预热100～150℃

工件厚度/mm：24～40，不低于0℃不预热,0℃以下预热100～150℃

工件厚度/mm：40以上，均应预热100～150℃低合金钢的焊接措施第17页,共43页，2024年2月25日，星期天对于强度级别高的低合金结构钢件：焊前一般均需预热。焊接时，应调整焊接参数，以控制热影响的冷却速度不宜过快。焊后还应进行热处理以消除内应力。不能立即热处理时，可先进行消氢处理，即焊后立即将工件加热到200～350℃，保温2～6h，以加速氢扩散逸出，防止产生因氢引起的冷裂纹。第18页,共43页，2024年2月25日，星期天第19页,共43页，2024年2月25日，星期天第四节铸铁的焊补一、铸铁的焊接特点：

熔合区易产生白口组织；易产生裂缝；易产生气孔；只适于平焊。

热焊法是焊前将工件整体或局部预热到600～700℃，焊后缓慢冷却。热焊法可防止工件产生白口组织和裂缝，焊补质量较好，焊后可以进行机械加工。但热焊法成本较高，生产率低，焊工劳动条件差。一般用于焊补形状复杂焊后需要加工的重要铸件，如床头箱、汽缸体等。二、热焊法第20页,共43页，2024年2月25日，星期天三、冷焊法

焊补之前，工件不预热或只进行400℃以下低温预热的焊补方法通常称为冷焊法，主要依靠焊条来调整焊缝化学成分以防止或减少白口组织和避免裂缝。冷焊法方便灵活生产率高、成本低、劳动条件好。但焊接处切削加工性能较差。生产中多用于焊补要求不高的铸件以及怕高温预热引起变形的工件。焊接时，应尽量采用小电流、短弧、窄焊缝、短焊道（每段不大于50mm）并在焊后及时轻轻锤击焊缝以松弛应力，防止焊后开裂。常用的焊条有：

1.钢芯铸铁焊条；高强度铸铁和球墨铸铁的补焊。

2.镍基铸铁焊条；重要铸件加工面的补焊。

3.铜基铸铁焊条。一般灰铸铁的补焊。第21页,共43页，2024年2月25日，星期天第五节有色金属的焊接一、铜及铜合金的焊接

铜及铜合金的焊接比低碳钢困难得多，其原因是：铜的导热性很高（紫铜约为低碳钢的8倍），焊接时热量极易散失。因此，焊前工件要预热，焊接时要选用较大电流或火焰，否则容易造成焊不透缺陷。铜在液态易氧化，生成的Cu2O与铜组成低熔点共晶，分布在晶界形成薄弱环节；又因铜的膨胀系数大，凝固时收缩率也大，容易产生较大的焊接应力。因此，焊接过程中极易引起开裂。第22页,共43页，2024年2月25日，星期天铜在液态时吸气性强，特别容易吸氢。凝固时气体从熔液中析出，来不及逸出就会生成气孔。铜的电阻极小，不适于电阻焊接。铜合金中的合金元素有的比铜更易氧化，使焊接的困难增大。例如黄铜（铜锌合金）中的锌沸点很低，极易烧蚀蒸发并生成氧化锌（ZnO）。改变接头化学成分、降低接头性能，而且形成氧化锌烟雾易引起焊工中毒。铝青铜中的铝，焊接时易生成难熔的氧化铝，增大熔渣粘度，生成气孔和夹渣。

铜及铜合金可用氩弧焊、气焊、碳弧焊、钎焊等方法进行焊接。采用氩弧焊是保证紫铜和青铜焊接质量的有效方法。第23页,共43页，2024年2月25日，星期天二、铝及铝合金的焊接

工业上用于焊接的主要是纯铝（熔点658℃）、铝锰合金、铝镁合金及铸铝。铝及铝合金的焊接也比较困难，其焊接特点是：铝与氧的亲和力很大，极易氧化生成氧化铝（Al2O3）。氧化铝组织致密，熔点高达2050℃，它覆盖在金属表面，能阻碍金属熔合。此外，氧化铝密度大，易使焊缝夹渣。铝的导热系数较大，要求使用大功率或能量集中的热源，厚度较大时应考虑预热。铝的膨胀系数也较大，易产生焊接应力与变形，并可能导致裂缝的产生。第24页,共43页，2024年2月25日，星期天液态铝能吸收大量的氢，铝在固态时又几乎不溶解氢，因此在溶池凝固时易生成气孔。铝在高温时强度及塑性很低，焊接时常由于不能支持熔池金属而引起焊缝塌陷，因此常需采用垫板。

目前焊接铝及铝合金的常用方法有氩弧焊、气焊、点焊、缝焊和钎焊。

氩弧焊是焊接铝及铝合金的较好的方法。不论采用哪种焊接方法焊接铝及铝合金，焊前必须彻底清理焊件的焊接部位和焊丝表面的氧化膜与油污，清理质量的好坏将直接影响焊缝性能。第25页,共43页，2024年2月25日，星期天13.6异种金属的焊接性分析

异种金属焊接通常要比同种金属的焊接困难，因为除了金属本身的物理化学性能对焊接有影响外，两种金属材料性能的差异会更大程度上影响它们之间的焊接性能。结晶化学性的差异冶金学上的不相容，包括晶格的类型、晶格参数、原子半径、原子的最外层电子结构等差异。物理性能的差异熔点、线膨胀系数、热导率和比热、电阻率。金属的氧化性金属间化合物焊缝与母材不等强性第26页,共43页，2024年2月25日，星期天

为了获得优质的异种金属焊接接头，除合理地选用焊接方法和填充材料，正确地制定焊接工艺外，还可采取如下一些工艺措施：尽量缩短被焊金属在液态下相互接触时间，以防止或减少生成金属间化合物。熔焊时要很好地保护被焊金属，防止金属与周围空气的相互作用，产生使接头熔合不好的氧化物。采用与两种被焊金属的焊接性都很好的中间层或堆焊中间过渡层，以防止生成金属间化合物。在焊缝中加入某些合金元素，以阻止金属间化合物相的产生和增长。第27页,共43页，2024年2月25日，星期天异种金属的焊接方法熔焊采用熔焊最大特点是控制稀释率和金属间化合物的产生。因此，为了减少稀释率，降低熔合比或控制不同金属母材的熔化量，常可选用热源能量密度较高的电子束焊、激光焊、等离子弧焊等方法。解决母材金属稀释问题，可用堆焊隔离层的方法实现。对一些熔合不理想的金属，可通过增加过渡层金属，使其能更好地熔合在一起。第28页,共43页，2024年2月25日，星期天堆焊隔离层的应用第29页,共43页，2024年2月25日，星期天压焊大多数压焊方法都只是将被焊金属加热至塑性状态或甚至不加热，而施加一定压力为基本特征。与熔焊相比，当焊接异种金属接头时，压焊具有一定的优越性，只要接头形式允许，采用压焊往往是比较合理的选择。钎焊钎焊本身就是钎料与母材之间的异种金属连接方法。还可采用较特殊的钎焊方法，如熔焊-钎焊法（钎料与其中一种母材相同）、共晶钎焊法或共晶扩散焊法（使两种母材在结合面处形成低熔点共晶体）和液相过渡焊（在接缝之间加入可熔化的中间夹层）等方法。第30页,共43页，2024年2月25日，星期天第十四章

焊接结构设计第31页,共43页，2024年2月25日，星期天第一节焊接材料的选择

焊接结构在满足工作性能要求的前提下，首先要考虑选择焊接性较好的材料。

①低碳钢（wc<0.25%)和碳当量小于0.4％的低合金钢都具有良好的焊接性，设计中应尽量选用；

含碳量大于0.4％的碳钢、碳当量大于0.4％的合金钢，焊接性不好，设计时一般不宜选用。若必须选用，应在设计和生产工艺中采取必要措施。②焊接异种金属时，一般要求接头强度不低于被焊钢材中的强度较低者，并应在设计中对焊接工艺提出要求，按焊接性较差的钢种采取措施，如预热或焊后热处理等。第32页,共43页，2024年2月25日，星期天③设计焊接结构时，应多采用工字钢、槽钢、角钢和钢管等型材，以降低结构重量，减少焊缝数量、简化焊接工艺，增加结构件的强度和刚性。对形状比较复杂的部分，还可以选用铸钢件、锻件或冲压件来焊接。第33页,共43页，2024年2月25日，星期天第二节焊接接头的工艺设计一、焊缝的布置合理的焊缝位置是焊接结构设计的关键，与产品质量、生产率、成本及劳动条件密切相关。其一般工艺设计原则如下：(1)焊缝布置应尽量分散焊缝密集或交叉，会造成金属过热，加大热影响区，使组织恶化。因此两条焊缝的间距一般要求大于三倍板厚，且不小于100mm。第34页,共43页，2024年2月25日，星期天(2)焊缝的位置应尽可能对称布置如图所示的焊件，焊缝位置偏离截面中心，在同一侧。由于焊缝的收缩，会造成较大的弯曲变形。应使焊缝位置对称，焊后不会发生明显的变形。第35页,共43页，2024年2月25日，星期天(3)焊缝应尽量避开最大应力断面和应力集中位置对于受力较大、结构较复杂的焊接构件，在最大应力断面和应力集中位置不应该布置焊缝。

大跨度的焊接钢梁：板坯的拼料焊缝应避免放在梁的中间。第36页,共43页，2024年2月25日，星期天(3)焊缝应尽量避开最大应力断面和应力集中位置对于受力较大、结构较复杂的焊接构件，在最大应力断面和应力集中位置不应该布置焊缝。

压力容器的封头应有一直壁段：如图b应改为e状态，使焊缝避开应力集中的转角位置。直壁段不小于25mm。第37页,共43页，2024