第二章-材料焊接性

1、Chapter 2 金属材料的焊接性能,第一篇 连接成形理论基础,2,返 回,本章讲授目的,重点掌握： 焊接性概念和评价方法，尤其是碳当量法 利用焊接性分析材料在指定焊接工艺条件下可能出现的问题,3,金属材料的焊接性,碳钢的焊接,本章主要内容,有色金属的焊接,铸铁的焊补,4,1. 金属材料焊接性的概念,焊接性（Weldability） 指被焊金属在限定的施工条件（焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构型式），焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。 即金属材料在一定的焊接工艺条件下，表现出的焊接难易程度。,一、金属材料的焊接性,工艺简单、接头质量高、性能好称为焊接性好,5,讨论： 正

2、确区别“焊接”和“焊接性”； 分析研究焊接性的目的。,6,工艺焊接性:金属或材料在一定的焊接工艺条件下，能否获得优质致密、无缺陷和具有一定使用性能的焊接接头的能力。 使用焊接性:焊接接头或整体焊接结构满足技术条件所规定的各种性能的程度，包括常规的力学性能(强度、塑性、韧性等)或特定工作条件下的使用性能，如低温韧性、断裂韧性、高温蠕变强度、持久强度、疲劳性能以及耐蚀性、耐磨性等。,使用焊接性,工艺焊接性,接头使用可靠性,焊接缺陷倾向,（1）焊接性分类,7,焊接过程,热过程,HAZ,冶金过程,WM,热焊接性,冶金焊接性,冶金焊接性:指熔焊高温下的熔池金属与气相、熔渣等相之间发生化学冶金反应所引起的

3、焊接性变化。 热焊接性:焊接过程中要向接头区域输人很多热量，对焊缝附近区域形成加热和冷却过程，这对靠近焊缝的热影响区的组织性能有很大影响，从而引起热影响区硬度、强度、韧性、耐蚀性等的变化。,8,（2）影响焊接性的因素：,材料（母材和焊材的化学成份和性能等） 例如：碳及合金元素含量增加使焊接区容易开裂 工艺设计（焊接方法、焊接工艺、结构） 例如：活泼性Ti采用氩弧焊焊接性好、结构设计时注意减少焊接缺陷、多向应力和应力集中 服役环境（工作温度、环境和负荷等） 例如：工作温度高时，可能产生蠕变；工作温度低或载荷为冲击载荷时，容易发生脆性破坏；工作介质有腐蚀性时，接头要求具有耐腐蚀性。使用条件越不利，

4、焊接性就越不易保证。,9, 材料因素如：焊接材料,焊 接 材 料,种类 供给方式 电极,药芯焊丝 实心焊丝,烧结型 熔炼型,焊条 焊丝 焊剂 保护气体,焊炬保护气体 背面保护气体 控制熔池用气体 控制电弧用气体 自保护,连续供给 手工 固定 填入,熔化 非熔化,10,设计因素：结构类型、接头形式,接 头 形 式,对接接头 T型接头 十字接头 角接接头 搭接接头 堆 焊,结 构 类 型,圆筒结构 球形结构 管 结 构 平板结构 框架结构 装配结构,完全焊透 部分焊透,双面焊 单面焊,衬垫焊 无衬垫 水冷铜壁板,11, 工艺因素如：熔焊方法,熔 焊 方 法,手工电弧焊 自动埋弧焊 MIG/MAG

5、TIG 等离子弧焊 气电立焊 自保护电弧焊 电渣焊 电子束焊 激光焊 气焊 其它,焊 接 位 置,平焊 横焊 立焊 仰焊,12,各种金属材料焊接难易程度一览表,13,横看：没有一种母材所有焊接方法都适用 竖看：没有一种焊接方法所有母材都适用,14,2. 钢的焊接性评价方法,碳、合金元素含量,焊接性,国际焊接学会IIW,碳钢及低合金钢,碳对冷裂纹敏感性的影响最明显，其它元素的影响 折合成碳的影响。,间接方法,（1）碳当量,15,CE0.4%，钢材塑性良好，淬硬和冷裂纹倾向不明显，可焊性良好。一般不会产生裂纹，但对厚大工件或低温下焊接时应考虑预热。 CE=0.4%0.6%，钢材塑性下降，淬硬和冷裂

6、倾向明显，可焊性较差。需要焊前预热，焊后缓冷及一定的焊接工艺措施。 CE0.6%，钢材塑性较低，淬硬和冷裂倾向很强，可焊性很差。焊前预热，减少焊接应力和防止开裂，焊后热处理。,碳当量越高，焊接性越差,板厚和焊接条件影响？,16,日本JIS 此式适用于低合金调质钢，其化学成分范围：C0.2或0.18；Si 0.55；Mn1.5%；Cu 0.5%；Ni2.5%；Cr1.25%；Mo 0.7%；V0.1%；B0.006%。,碳当量其它公式,17,根据钢材强度和碳当量确定预热要求,钢板厚度小于25mm，采用焊条电弧焊，焊接热输入17KJ/cm。,18,美国焊接学会AWS 此式适合化学成分范围：C0.6

7、；Mn1.6%；Ni 3.3%；Cr 1.0%；Mo0.6%；P：0.050.15%。Cu：0.51.0%；当Cu0.5或P0.05时不计入。,19,焊接性与碳当量的关系,20,不同条件下的预热要求,21,（2）焊接冷裂纹敏感指数法,考虑化学成分、焊缝金属组织、扩散氢含量H、接头拘束度（板厚）等，依据Y形坡口铁研试验，得出,为冷裂纹敏感系数，,22,（3）焊接热裂纹敏感指数法,考虑化学成分对焊接热裂纹敏感性的影响,热裂纹敏感系数HCS，越大热裂纹敏感性越高。,临界应变增长率CST，CST6.5104时可防止热裂纹,（4）消除应力裂纹敏感性指数法，利用合金元素对消除应力裂纹敏感性的影响,（5）层

8、状撕裂敏感性指数法,（6）焊接热影响区最高硬度法Hmax GB 4675.5-1984焊接性试验 焊接热影响区最高硬度试验方法,23,从一般焊接工艺焊后有无裂缝或裂缝多少，初步评定试板材料的可焊性；调整工艺（如预热、缓冷等）再焊接试板，达到不裂，从而制订出合理的焊接工艺规程与规范。,直接方法,针对钢材在焊接过程中出现的裂纹设计的直观评价,24,焊接冷裂纹试验：插销试验、斜Y坡口对接试验、拉伸拘束裂纹试验（TRC）、刚性拘束裂纹试验（RRC）,焊接热裂纹试验：窗形拘束对接裂纹试验、刚性固定对接裂纹试验等,再热裂纹试验：H型拘束试验、缺口试棒应力松弛试验、U形弯曲试验等,层状撕裂试验：Z向拉伸、Z

9、向窗口试验等,脆性断裂试验：低温冲击试验、落锤试验、裂纹张开位移试验等,直接方法包括：,25,二、碳钢和合金钢的焊接,碳钢的分类（按碳的质量百分数） 低碳钢（C：0.25） 中碳钢（C：0.25 C 0.6） 高碳钢（C：0.6）,合金钢的分类（按合金元素含量） 低合金钢（合金含量10%）,26,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。,1. 低碳钢的焊接,可以采用各种方法进行焊接，应用最广泛的是焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊和电阻焊等。,27,通常焊接时，不需要采取特殊的工艺措施，通常在焊后不需要热处理（电渣焊除外?请同学们思考一下原因）。 大

10、于50mm的低碳钢结构常用大电流多层焊，焊后进行消除内应力退火。低温焊接大结构件时，应进行焊前预热，防止应力和变形。,焊材与工艺主要保证焊接接头与工件材料等强度。,28,2. 中、高碳钢的焊接,中、高碳钢含碳量在0.25%以上，随含碳量的增加，淬硬倾向愈发明显，可焊性逐渐变差。,29,热影响区易产生淬硬组织和冷裂缝,中碳钢属于易淬火钢，HAZ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M等淬硬组织。刚性较大或工艺不恰当时，焊接接头焊后冷却到相变温度以下或常温后产生冷裂纹。,焊缝金属热裂纹倾向较大,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

11、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纹（热裂纹）。,中碳钢焊接特点：,30,焊条电弧焊，选用抗裂能力较强的低氢型焊条，如J506、J507或J427等。 采用细焊条、小电流、开坡口、多层焊，防止焊件过多熔入焊缝（增加碳含量，降低塑性），同时减小HAZ宽度。,焊前必须进行预热，使焊接时工件各部分的温差减小，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。焊后热处理。,焊材及工艺,31,3. 合金结构钢的焊接,低合金钢的焊接特点：,热影响区的淬硬倾向,HAZ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。碳及合金元素越多，钢材

12、强度级别越高，HAZ的淬硬倾向也越大。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，形成淬火区，硬度明显增加，塑性、韧性则下降。,焊接接头的裂纹倾向,钢材强度级别提高，产生冷裂纹的倾向加剧。由于 合金元素Mn的存在，有利于脱硫，热裂纹倾向不大。,32,强度级别低的钢材，焊接同低碳钢。 低温、大刚度、大厚件进行小焊脚、短焊缝焊接时，应防止淬硬组织。增大电流、慢速焊接、选用抗裂性强的低氢型焊条，必要时进行预热。,对锅炉等重要件，当厚度大于20mm时，焊后必须进行退火处理，消除内应力。 对强度级别高的低合金钢件，焊前必须进行预热，调整焊接参数减慢热影响区的冷却速度。

13、焊后进行热处理，消除内应力。,焊材及工艺,33,不锈钢的焊接,马氏体不锈钢（Cr13型） 奥氏体不锈钢含铬大于18%，还含有 8%左右的镍及少量钼、钛、氮等元素 （Cr18Ni9型）304（0Cr18Ni9） 铁素体不锈钢含铬1230%（Cr17型）,不锈钢的种类,焊接性较差 （冷裂纹和淬硬脆化）,焊前预热，焊后缓冷及热处理，采用奥氏体不锈钢焊条。,焊接性良好,焊接性较差（过热晶粒引起脆化和裂纹）,低温预热（ 150 ）减少高温停留时间,34,三、铸铁的焊补,铸铁的焊接特点：,（1）局部加热，冷速快，熔合区易产生硬度高难机加工的白口组织； （2）铸铁强度低、塑性差，应力下易产生裂纹； （3）高

14、含碳量形成CO和CO2，快冷时来不及逸出，易产生气孔,Fe-C相图上， 2.11%含碳量6.69%，碳含量高，组织不均匀，塑性低，焊接性很差。通常用于局部损坏或断裂的修补工作焊补。,35,1. 热焊法,热焊 铸件预热到600700进行焊接，焊后缓冷。,焊接方法： 气焊、手工电弧焊（铸铁焊条）,焊补质量好， 成本高，劳动条件差，生产率低，,中等厚度铸件及焊后要加工的复杂、重要的铸件, 如：内燃机缸盖、气缸体、机床床身等。,特点：,应用：,36,2. 冷焊法,冷焊 铸件一般不预热或较低温度预热。,特点：依靠焊条来调整焊缝的化学成分，以防止白口 组织和裂纹。,应用：,镍基焊条 结构钢焊条,补焊质量好

15、，成本高。 用于重要铸铁件加工表面焊补,焊补质量低，用于非加工表面，（采用小直径、小电流、短弧）,37,四、有色金属的焊接,1. 铜及铜合金的焊接,纯铜、黄铜（Cu-Zn）、青铜（Cu-Sn）、白铜（Cu-Ni）,铜和铁物理性能比较,38,（1）铜及铜合金的焊接比低碳钢困难： 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，容易造成焊不透缺陷。 熔化的铜氧化生成Cu2O与铜形成低熔点共晶，导致热裂纹；铜的膨胀系数和收缩率大，容易产生较大的焊接应力，极易引起开裂。 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

16、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）。,39,TIG与气焊适用于1-4mm薄件焊接，TIG质量好但成本高。 板厚5mm以上的长焊缝宜采用SAW、MIG焊和电子束焊。（思考：埋弧焊的优点？） 厚板建议用电渣焊,（2）焊材及工艺,MIG焊焊缝晶粒较细，含O2低，塑性比SAW好，但8mm以上件易成形不良，飞溅多，需要预热。 纯铜焊丝、脱氧剂、无锌焊丝（用于黄铜）焊前清理，防止氧氢致裂纹和气孔。大能量焊接及焊前预热。,铜及铜合金可用氩弧焊（TIG）、气焊、埋弧焊（SAW）、钎焊等方法进行焊接。,40,2. 铝及铝合金的

17、焊接,工业纯铝 不能热处理强化铝合金 热处理强化铝合金,焊接性好,分类, 焊接性差,接头软化热裂纹,问题,氧化：形成Al2O3和MgO氧化膜，成为夹杂，阻碍融合 气孔：铝液大量溶解氢气，结晶时形成气孔 热裂纹：加热冷却快形成易熔共晶体导致的焊缝凝固裂纹以及近缝区的液化裂纹,41,导热性强，线胀系数大，应采用能量集中的热源，以保证熔合良好。 铝在高温时强度及塑性很低，由于熔池金属得不到支持而引起焊缝塌陷，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。 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，减少氢的来源。,保护效果好，有“阴极破碎”作用,焊接方法及

18、工艺,42,3. 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，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。,结晶化学性的差异 物理性能的差异 熔点 线膨胀系数 导热率和比热 金属的氧化性 金属间化合物 焊缝与母材不等强性,43,选用合理的焊接方法和填充材料，正确地制定焊接工艺外，还可采取一些工艺措施：,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。 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

19、某些合金元素，以阻止金属间化合物相的产生和增长。,44,一、选择题 1、板厚200 mm的低碳钢板的立焊缝，要一次焊成应选用（ ）。 A、焊条电弧焊 B、埋弧焊 C、气体保护焊 D、电渣焊,2、焊接铝及其合金，为保证焊接质量，应选用（ ）。 A、焊条电弧焊 B、埋弧焊 C、气焊 D、氩气保护焊 3、焊接接头中，性能最差的是（ ）。 A、焊缝 B、熔合区 C、过热区 D、部分相变区 4、下列材料中，可焊性最好的是（ ）。 A、20钢 B、HT200 C、T10A D、铝及其合金,思考题,45,5、在焊接性估算中，（ ）钢材焊接性比较好。 A、碳含量高，合金元素含量低 B、碳含量中，合金元素含量中

20、； C、碳含量低，合金元素含量高 D、碳含量低，合金元素含量低。 二、判断题 1、低碳钢和强度级别较低的低合金钢是制造焊接结构件的主要材料（ ） 2、70钢比20钢焊接性能好。（ ） 3、钢材的碳含量越大，则焊接性能也越差。（ ）,46,三、计算题 试比较下列钢材的焊接性。,47,解： 碳当量的经验计算公式： W(c)当量= W(c)+ W(Mn)/6+ W(Cr)+ W(Mo)+W(V)/5+ W(Ni)+ W(Cu)/15 %带入数据进行计算得： W(09Mn2Cu)当量=0.35%； W(09MnV)当量=0.34%； W(14MnMoV)当量=0.5%. 由碳当量可知：09Mn2Cu=0.35碳当量小于0.4%，板材薄，焊接性较好；09MnV的碳当量小于0.4%