金属焊接性基础第1章_金属焊接性基础.

金属焊接性基础《金属焊接性基础》-孟庆森主编-北京化学工业出版社Chapter1金属焊接性基础《金属焊接性基础是》是《焊接冶金（基本原理）》课程的后续课程，重点介绍基础知识和基本概念，并注重引入了有关新金属材料的焊接性及其连接新技术、新标准的相关内容，其中部分内容是作者在近年的科学研究工作中所取得的研究成果。绪言《金属焊接性基础》-孟庆森主编-北京化学工业出版社Chapter1金属焊接性基础目录第一章金属焊接性基础第二章碳钢及低合金钢的焊接第三章耐热钢及不锈钢的焊接第四章铜、镍及其合金的焊接第五章钛及其合金的焊接第六章铝、镁及其合金的焊接第七章铸铁的焊接第八章堆焊及金属表面改性《金属焊接性基础》-孟庆森主编-北京化学工业出版社Chapter1金属焊接性基础第1章金属焊接性基础《金属焊接性基础》-孟庆森主编-北京化学工业出版社Chapter1金属焊接性基础§1.1金属焊接性及其测试方法金属焊接性就是金属是否能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。金属焊接性的概念有两方面内容：一是金属在焊接加工中是否容易形成缺陷；二是焊成的接头在一定的使用条件下可靠运行的能力。简而言之，焊接性就是指金属材料“好焊不好焊”以及焊成的接头“好用不好用”。§1.1.1金属焊接性1.1.1.1金属焊接性概念《金属焊接性基础》-孟庆森主编-北京化学工业出版社Chapter1金属焊接性基础焊接性又可分成工艺焊接性和使用焊接性。工艺焊接性是指在一定焊接工艺条件下，获得优质、无缺陷的焊接接头的能力。如果一种金属材料可以在很简单的工艺条件下焊接而获得完好的接头且能够满足使用要求，就可以说其焊接性良好；反之，则焊接性较差。使用焊接性是指焊接接头满足某种使用性能的能力，通常包括常规的力学性能、低温韧性、抗脆断性能、高温蠕变、疲劳性能、持久强度以及抗腐蚀性和耐磨性等指标。蠕变：固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。它与塑性变形不同，蠕变性变形通常在应力超过弹性极限之后才出现，而蠕变只要应力的作用时间相当长，它在应力小于弹性极限时也能出现《金属焊接性基础》-孟庆森主编-北京化学工业出版社Chapter1金属焊接性基础1.1.1.2影响焊接性的因素◆材料因素材料因素不仅包括被焊母材本身而且包括所使用的焊接材料，如焊条电弧焊时的焊条、埋弧焊时的焊丝和焊剂、气体保护焊时的保护气体等。他们在焊接过程中直接参与熔池或熔合区的冶金反应，对焊接性和焊接质量有重要影响。◆工艺因素①焊接热源：能量密度、温度以及热量输入等，它们可以直接改变焊接热循环的各项参数。②对熔池和接头附近区域的保护：如熔渣保护、气体保护、渣-气联合保护或真空保护等，这些都将影响焊接冶金过程。③可通过焊前预热、缓冷、焊后热处理等防止热影响区淬硬变脆、减小焊接应力、避免裂纹以提高接头使用性能。《金属焊接性基础》-孟庆森主编-北京化学工业出版社Chapter1金属焊接性基础◆结构因素结构因素主要是指焊接结构形状、尺寸、厚度以及接头坡口形式和焊缝布置等。焊接结构的形状、板厚和焊缝的布置决定接头的刚度和拘束度，对接头的应力状态产生影响。在设计焊接结构过程中，尽量避免接头缺口、截面突变、堆高过大、交叉焊缝等。◆服役条件服役条件指工件的工作温度、负载条件和工作介质等。一定的工作环境和运行条件要求焊接结构具有相应的使用性能。例如，在低温工作的焊接结构必须具备抗脆性断裂性能，在高温工作的焊接结构要具备抗蠕变性能，在交变载荷下工作的焊接结构具有良好的抗疲劳性能，在一定腐蚀介质中工作的焊接容器应具备抗腐蚀性能等《金属焊接性基础》-孟庆森主编-北京化学工业出版社Chapter1金属焊接性基础（1）利用金属的化学成分分析碳当量法(CarbonEquivalent)所有元素中，碳对淬硬和冷裂纹的影响最为显著。因而，人们就将各种元素的作用按照相当于若干含碳量折合并叠加起来求得所谓的碳当量(CE或Ceq)，并以此来评估冷裂倾向的大小。低合金钢的淬硬及冷裂纹敏感性常用碳当量法来估计。1.1.1.3金属焊接性分析1.1.1.3.1从金属的特性分析焊接性此式适用于中、高强度的非调质低合金高强钢。CE≤0.45%时，焊接厚度＜25mm的板可以不预热；CE≤0.41%且含C＜0.207%时，焊接厚度＜37mm的板可以不预热。国际焊接学会(IIW)推荐：(%)1556CuNiVMoCrMnCCE《金属焊接性基础》-孟庆森主编-北京化学工业出版社Chapter1金属焊接性基础日本的JIS（JapanIndustryStandards）和WES（WeldingEngineeringStandard）推荐：此式适用于低合金调质钢，其化学成分范围：C≤0.2%或0.18%；Si≤0.55%；Mn≤1.5%；Cu≤0.5%；Ni≤2.5%；Cr≤1.25%；Mo≤0.7%；V≤0.1%；B≤0.006%。当板厚＜25mm，手弧焊线能量17kJ/cm时，预热范围大致如下：钢材=500MPa，Ceq=0.46%时，可不预热；钢材=600MPa，Ceq=0.52%时，预热75℃；钢材=700MPa，Ceq=0.52%时，预热100℃；钢材=800MPa，Ceq=0.62%时，预热100℃。(%)144540246VMoCrNiSiMnCCeqbbbb《金属焊接性基础》-孟庆森主编-北京化学工业出版社Chapter1金属焊接性基础美国焊接学会(AWS)推荐：此式适用化学成分范围为：C≤0.6%；Mn≤1.6%；Ni≤3.3%；Cr≤1.0%；Mo≤0.6%；Cu0.5%～1.0%；P0.05%～0.15%。当Cu＜0.5%或P＜0.05%时，不可计入。)(%)213(4515246PCuMoCrNiSiMnCCeq《金属焊接性基础》-孟庆森主编-北京化学工业出版社Chapter1金属焊接性基础焊接冷裂纹敏感指数日本学者采用斜Y形坡口“小铁研试验”对200多种不同成分钢材、不同厚度及不同的焊缝含氢量进行试验，求得焊接冷裂纹敏感指数PC：此式适用条件：C0.07%～0.22%；Si≤0.60%；Mn0.40%～1.40%；Cu≤0.50%；Ni≤1.20%；Cr≤1.20%；Mo≤0.70%；V≤0.12%；Nb≤0.04%；Ti≤0.05%；B≤0.005%；板厚=19～50mm；扩散氢含量H=1.0～5.0mL/100g(GB3965-83测氢法)。(%)60600510152060202030HBVMoCrNiCuMnSiCPc根据上式求得Pc后，利用下式即可求出斜Y型坡口对接裂纹试验条件下，为防止冷裂所需要的最低预热温度T0(℃)：39214400cPT《金属焊接性基础》-孟庆森主编-北京化学工业出版社Chapter1金属焊接性基础焊接热影响区最高硬度法根据焊接接头焊接热影响区的最高硬度(Hmax)可以相对地评价被焊钢材的淬硬倾向和冷裂纹敏感性，已被国际焊接学会(IIW)推荐采用。我国焊接热影响区最高硬度试验方法标准(GB/T4675.5-1984)：试样的标准厚度为20mm，长度为200mm，宽度为150mm；采用焊条直径4mm，焊接电流(170±10)A，焊接速度(0.25±0.02)cm/s，沿轧制试样表面的宽度中心线方向焊长度(125±10)mm的焊缝；焊后自然冷却12h，垂直切割焊缝中部，在断面上截取硬度测试试样并测量其硬度。《金属焊接性基础》-孟庆森主编-北京化学工业出版社Chapter1金属焊接性基础（2）利用物理、化学性能分析金属的熔点、导热系数、线膨胀系数、密度、热容量等因素，都会对焊接热循环、熔化、结晶、相变等过程产生影响，从而影响材料的焊接性。纯铜导热系数高，焊接时热量散失迅速，坡口不易熔化，焊接热功率不足时会产生未熔透缺陷；不锈钢与钛导热系数低焊接温度梯度大，残余应力高、变形大，当高温停留时间长时热影响区晶粒粗大；金属密度小的铝及铝合金熔池中的气泡和非金属夹杂不易上浮逸出，会导致焊缝气孔和夹渣缺陷；与氧的亲和力较强的金属需要采取较可靠的保护方法。《金属焊接性基础》-孟庆森主编-北京化学工业出版社Chapter1金属焊接性基础(3)利用合金相图分析大多数被焊材料都是合金，或至少含有某些杂质元素，因而可以利用它们的相图分析焊接性。共晶型相图固相线与液相线之间的温度区间大小会影响结晶过程的成分偏析，影响生成低熔点共晶的程度，也影响脆性温度区间的大小，这对分析热裂倾向是重要的参考依据。单相组织焊缝晶粒粗大《金属焊接性基础》-孟庆森主编-北京化学工业出版社Chapter1金属焊接性基础(4)利用CCT图连续或SHCCT图分析图1-116Mn钢的连续冷却曲线(图中虚线表示的曲线是相当于厚板手弧焊时的冷却速度)T(℃)《金属焊接性基础》-孟庆森主编-北京化学工业出版社Chapter1金属焊接性基础1.1.1.3.2从焊接工艺条件分析焊接性（1）热源特点各种焊接方法所采用的热源在功率、能量密度、最高加热温度等方面有很大的差别，从而影响焊接质量。电渣焊功率大、能量密度低，最高加热温度不高，高温停留时间长，热影响区晶粒粗大，冲击韧度显著降低激光焊功率不大、能量密度很高、加热迅速，高温停留时间短，热影响区窄，没有晶粒长大的危险。《金属焊接性基础》-孟庆森主编-北京化学工业出版社Chapter1金属焊接性基础（2）保护方法熔焊时，对熔池和热影响区金属的保护方法有渣保护、气保护和真空保护等几种。钢铁焊接多用渣为主的保护：手弧焊、埋弧焊等；有时也采用气保护，如CO2保护焊、氩弧焊等。铝、镁、钛（活泼合金）多采用惰性气体保护：TIG、MIG。（3）热循环控制正确选择焊接工艺规范、预热、缓冷、层间温度等工艺措施控制焊接热循环。（4）其他工艺因素焊前清理、焊接材料的处理、焊接顺序和焊接规范等。《金属焊接性基础》-孟庆森主编-北京化学工业出版社Chapter1金属焊接性基础§1.1.2焊接性试验1.1.2.1焊接性试验的内容焊缝金属抵抗产生热裂纹的能力热裂纹是一种经常发生又是危害严重的缺陷，与焊接材料关系密切,通常是通过热裂纹试验来进行的。焊缝及热影响区金属抵抗产生冷裂纹的能力冷裂纹在低合金高强钢焊接中较为常见，是针对母材进行的试验。焊接接头抗脆性转变能力在低温下工作的焊接结构和承受冲击载荷的焊接结构，韧性损失是个严重的问题。焊接接头的使用性能焊接接头耐放射性辐照的能力、蠕变强度、疲强度、抗晶间腐蚀能力等。《金属焊接性基础》-孟庆森主编-北京化学工业出版社Chapter1金属焊接性基础1.1.2.2焊接性试验方法分类（1）直接模拟试验仿照实际焊接的条件，通过焊接过程观察是否发生某种焊接缺陷或发生缺陷的程度，直观地评价焊接性的优劣。主要包括：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、应力腐蚀裂纹试验和脆性断裂试验。《金属焊接性基础》-孟庆森主编-北京化学工业出版社Chapter1金属焊接性基础（2）间接推算不需要焊出焊缝，而只是根据材料的化学成分、金相组织、力学性能之间的关系，联系焊接热循环过程进行推测或评估，从而确定焊接性优劣以及所需要的焊接条件。主要包括：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及焊接区断口金相分析等。《金属焊接性基础》-孟庆森主编-北京化学工业出版社Chapter1金属焊接性基础（3）使用性能试验(最直观)将施焊的接头甚至产品在使用条件下进行各方面性能的试验，以试验结果来评定其焊接性。主要包括：焊缝及接头的拉伸、弯曲、冲击等力学性能试验、高温蠕变及持久强度试验、断裂韧性试验、低温脆性试验、耐腐蚀及耐磨试验、疲劳试验等。直接用产品做的试验有水压试验、爆破试验等。《金属焊接性基础》-孟庆森主编-北京化学工业出版社Chapter1金属焊接性基础1.1.2.3选择或制定试验方法的原则(1)针对