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第六章船用金属材料的焊接教学目标:１．重点理解与掌握一般强度船用结构钢和高强度船用结构钢的焊接；２．一般理解与掌握金属材料的焊接性及焊接性试验方法；3．一般了解不锈钢及非铁金属材料的焊接。第一节金属材料的焊接性•内容:•金属材料的焊接性及焊•接性试验方法。•目的：•通过焊接性实验正确选•择焊接工艺。一、金属焊接性概念1．定义金属材料的焊接性是指金属材料对焊接加工的适应性，即在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。2．含义一是焊接工艺性的优劣，如焊接接头产生的缺陷，尤其是出现各种裂纹倾向的大小；二是焊接接头在使用过程中的可靠性，如焊接接头的力学性能、耐蚀、耐热、导电、导磁等方面性能的持久性。在目前的技术状况下，绝对不可能焊接的材料是极少的，所以其焊接性好坏只是相对而言的。随着焊接技术的发展，金属材料的焊接性也在改变。二、金属焊接性影响因素（一）材料因素（二）工艺因素（三）结构因素（四）使用条件三、金属焊接性评定焊接性评定有间接判断法和直接试验法。（一）焊接性间接判断法1．碳当量法所谓碳当量是指把钢中的合金元素（包括碳）的含量按其作用换算成碳的相当含量，作为评定钢材焊接性的一种参考指标。国际焊接协会推荐，估算碳钢和低合金钢碳当量的公式为：CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15(%)根据经验：CE越小，焊接性越好。当CE＜0.25％时，接性优良；当CE＝0.25%～0.4%时，焊接性良好；CE＝0.4％～0.6％时，焊接性尚可；当CE＞0.6％时，焊接性差。2．焊接冷裂纹敏感指数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的作用。公式如下：Pc=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+B/5+δ/600+H/60式中：δ—板厚（mm）；H—焊缝中扩散氢含量（mL/100g）。当产品的结构材料及工艺已定，Pc数值越大，表示冷裂纹的倾向越大。用公式计算粗步判断金属材料焊接性以后，还需进行试验加以检验。（二）焊接性直接试验法焊接性直接试验法可分为抗裂性试验，接头使用性能试验和工艺适应性试验。由于焊接裂纹是焊接接头中最危险的缺陷，所以用得最多的是焊接裂纹试验。通过焊接性试验，可以用较小得代价达到以下几个目的：第一、选择适用于基本金属的焊接材料。第二、确定合适的焊接工艺规范参数，包括焊接电流，电弧电压，焊接速度以及预热温度，层间温度，焊后缓冷及热处理等。第三、发展和研制新型材料，确定它的适应性并作出评价。1．抗裂性试验这种试验的目的在于了解材料焊接后产生裂缝的倾向，常用的抗裂试验方法有：（1）Y型坡口裂纹实验；（2）菲斯柯裂纹试验（FISCO）；（3）插销试验；（4）Z向拉伸试验。抗裂性试验结果的评定，一般是用比较的方法，即把未知焊接性的材料与已知焊接性的材料进行对比；或在不同工艺措施下（如不同预热温度）的结果进行比较，也可以裂或不裂作为标准。2．接头使用性能试验这类试验是为保证焊接接头或整个结构在预定试验条件下安全运行而进行的。包括力学性能试验、接头腐蚀试验及产品技术条件中所规定的其它性能试验。常用的接头使用性能试验方法有：T字型弯曲试验；缺口冲击试验；接头腐蚀试验。3．工艺适应性试验这种试验主要是根据实际生产条件而设计的。如多次重复焊接，火焰切割（如碳弧气刨）后的影响，定位焊试验等。第二节一般强度船用结构钢的焊接•内容:•一般强度船用结构钢焊接性及焊接工艺。•目的：•了解一般强度船用结构钢的焊接工艺。一、一般强度船用结构钢的焊接性一般强度船用结构钢含碳量≤0.22%，属于低碳钢，焊接性良好，焊接时一般不需要采取特殊的工艺措施。但为了获得良好的焊接接头，操作时应注意以下问题：1．当焊件厚度大，结构刚性大，或施焊环境温度较低时，尤其是对D、E钢的焊接。要求进行预热。2．为了获得良好的焊缝形状，应适当增加焊缝宽度，特别是埋弧自动焊，使焊缝的成型系数大于1.5为佳，以防止产生热裂纹。二、一般强度船用结构钢的焊接工艺（一）焊接方法一般强度船用结构钢几乎适用各种焊接方法进行焊接，船厂常用的焊接方法是焊条电弧焊、埋弧自动焊、CO2气体保护焊以及电渣焊等。（二）焊接材料可根据“等强度原则”选择焊条或焊丝。焊接一般简单且承受静载荷的船体结构，可选用酸性焊条；焊接承受动载荷和复杂或大厚度的重要船体结构，最好选用碱性焊条；焊丝常采用H08A、H08MnA或H08Mn2SiA；焊剂常用HJ431。（三）焊接工艺要点1．一般不需要预热、保持层间温度和后热处理；2．在低温环境下焊接厚件时，应预热焊件，防止产生冷裂纹；3．厚度超过50mm的焊件，应进行焊后热处理以消除应力；4．电渣焊焊件焊后应正火以细化HAZ晶粒。第三节高强度船用结构钢的焊接•内容:•高强度船用结构钢焊接性•及焊接工艺。•目的：•了解高强度船用结构钢的•焊接工艺。一、高强度船用结构钢的焊接性高强度船用结构钢的含碳量≤0.18%，同时由于钢中通过加入合金元素来提高强度和韧性，因此对焊接性的影响也很复杂。强度级别较低时具有良好的焊接性，焊接过程中不需要采用特殊的工艺措施便可保证接头质量，但对强度级别大于450MPa级以上，其厚度较大或结构刚性较大的焊件，焊接时就必须采取一定的工艺措施，避免出现缺陷。高强度船用结构钢焊接时易出现的主要问题有：（一）焊接接头中产生裂纹（二）热影响区淬硬倾向（三）对焊接热输入的敏感性•（一）焊接接头中产生裂纹•裂纹是船体结构中最危险的一种缺陷，各种裂纹的分布情况如图6-1。图6－1各种裂纹的分布情况1-焊道下裂纹2-焊趾裂纹3-根部裂纹4-热影响区裂纹5-焊缝纵向裂纹6-焊缝横向裂纹•1．热裂纹•（1）热裂纹的特点•①产生的温度和时间在高温下，是处于焊接过程中；•②产生的部位热裂纹绝大多数是出现在焊缝金属中；•③外观特征热裂纹沿焊缝长度方向分布，大多数向表面开口，有明显的氧化色彩。•④金相特征热裂纹都发生在晶界上，具有晶间断裂特征，所以又称为晶间裂纹。（2）热裂纹产生的原因产生热裂纹的原因就在于焊缝中存在液态薄膜和在焊缝凝固过程中有拉应力共同作用的结果。因此，低熔点共晶所形成的液态薄膜是产生热裂纹的根本原因，而拉伸应力是产生热裂纹的必要条件。（3）防止热裂纹的措施①选择合适的焊接材料；②采用合适的焊接工艺参数；③采用引弧板和熄弧板；④减小焊接应力。•2.冷裂纹•（1）冷裂纹的特点•①产生的温度和时间温度通常在200℃～300℃以下。它产生的时间主要在焊接接头冷却到室温后，甚至在一定时间（几小时、几天、甚至十几天）后才出现。•②产生的部位大多产生在焊缝和热影响区，热影响区居多。•③外观特征垂直于熔合线或焊缝轴线的横向裂纹，具有发亮的金属光泽。•④金相特征是晶间裂纹，也可以是晶内（穿晶）断裂，而且常常可以见到晶间与晶内的混合断裂。•（2）冷裂纹产生的原因•①焊接应力；②淬硬组织；③含氢量。•高强度钢焊接时，产生冷裂纹的原因在于钢种淬硬之后，受氢的诱发和促进使之脆化，在焊接应力的作用下形成了裂纹。大量的生产实践和试验研究证明，产生冷裂纹的原因是由上述三大因素综合作用的结果。•（3）防止冷裂纹的措施•①选用低氢型焊条；•②严格遵守焊接材料的保管、烘焙和使用制度，谨防受潮。•③仔细清理坡口边缘的油污、水分和锈迹，减少氢的来源。•④根据材料等级、含碳量、构件厚度、施焊环境等，选择合理的焊接工艺参数和采用合适的焊接工艺措施，改善焊件的应力状态，降低扩散氢含量，避免热影响区过热、晶粒粗大所造成的接头脆化现象。（二）热影响区淬硬倾向一般是含碳量和所含合金元素量越高，焊件在焊接后冷却速度越快，其淬硬倾向就越大。（三）对焊接热输入的敏感性过大的焊接线能量，会造成焊接接头过热，从而导致接头塑性，韧性下降。二、高强度船用结构钢焊接工艺1．焊接方法一般采用焊条电弧焊、埋弧自动焊和CO2气体保护焊；较厚件可采用电渣焊；屈服强度大于500MPa的高强度船用结构钢，宜采用富氩混合气体（如Ar80%+CO220%）保护焊。2．焊接材料的选择一般可选用与焊件强度相当的低氢焊条、碱度较高的埋弧焊焊剂，见表6－3高强度船用结构钢焊接材料的选用。3．焊接规范的选择根据具体情况选择合适的焊接规范参数。4．焊后热处理造船结构绝大多数是不进行焊后热处理的，所以应从焊接工艺上采取措施。第四节不锈钢的焊接•内容:•不锈钢的焊接性及焊接工艺。•目的：•不锈钢的焊接工艺。不锈钢按室温组织的不同有奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢。本节主要介绍奥氏体不锈钢及奥氏体不锈钢与低碳钢（异种材料）的焊接。一、奥氏体不锈钢的焊接性奥氏体不锈钢的焊接性良好，焊接时一般不需要采取特别的工艺措施。二、奥氏体不锈钢的焊接工艺（一）焊接方法目前在生产上常用的方法有焊条电弧焊、氩弧焊和埋弧自动焊。埋弧自动焊由于热输入大，易破坏奥氏体不锈钢的耐蚀性和出现热裂纹，故应慎重选用。（二）焊接材料奥氏体不锈钢的焊接材料基本上应按“等成分原则”选择，常用奥氏体不锈钢焊接材料的选用见表6－5。。三、不锈钢与低碳钢的焊接（一）异种钢的焊接1．主要问题：是焊缝中不锈钢与低碳钢熔合部分的成分。2．焊接工艺：①先在碳钢接头的坡口堆焊一层高铬镍奥氏钢；②然后在过渡层与不锈钢之间再选用与不锈钢基本金属相应的焊条来进行焊接；③接头坡口角度的选取在碳钢部位应大些，一般不锈钢的一侧为30º，低碳钢的一侧为40º。（二）不锈复合钢板的焊接由不锈钢复层和碳钢（或低合金钢）基层复合而成的钢板称为不锈复合钢板。由复层保证耐蚀性能，而强度主要靠基层获得。焊接时应遵循的原则：先焊基层，后焊不锈钢。焊接工艺：①基层与基层的焊接采用与基层材料相应的结构钢焊条；②基层与复层交界处可用高铬镍奥氏体焊条（A302和A307等）先焊一层过渡层，以减少碳钢对不锈钢合金成分的稀释作用；③最后复层与复层之间的焊接，可采用与复层材料相应的不锈钢焊条。第五节非铁金属材料的焊接•内容:•主要介绍铝及铝合金、铜及铜合金的焊接，并简要介绍钛及•钛合金的焊接。•目的：•非铁金属材料的焊接工艺。一、铝及铝合金的焊接（一）铝及铝合金的焊接性铝及铝合金的焊接性比低碳钢差，铝及铝合金焊接的主要问题有：1．容易氧化；2．容易烧穿；3．容易形成气孔；4．焊接变形和形成热裂纹的倾向大。（二）铝及铝合金的焊接工艺1．焊接方法•铝及铝合金的焊接方法很多，各种方法有其各自应用场合。•表6－6中列出常用几种铝及铝合金焊接方法的特点及应用范围。•焊条电弧焊时电弧热的调节和操作较困难，所以使用较少。氩弧焊是焊接铝及铝合金较满意的熔焊方法，钨极氩弧焊一般适用于焊接薄板，厚板一般用熔化极氩弧焊。气焊由于经济、方便，在要求不高的纯铝和非热处理强化铝合金是采用。2．焊接材料在气焊、氩弧焊时需填加填充焊丝，焊丝可分为同质焊丝和异质焊丝。（1）同质焊丝焊丝成分与母材成分相同，有时可以将母材上切下的板条作为填充金属。（2）异质焊丝主要是为了适应抗裂性的要求而研制的焊丝，其成分与母材有较大的差异。通常用于焊接硬铝之类高强度铝合金，抗裂性较好。•（三）铝合金新型的焊接方法•1．铝合金搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊接过程示意图•2．钢－铝合金结构过渡接头的爆炸焊•铝合金上层建筑与钢主体的连接采用结构过渡接头STJ（StructuralTransitionJoint－STJ）直接焊接的形式日益增多，如图6－5所示。采用熔化焊接法很难保证接头质量，而采用爆炸焊方法制造钢－铝结构过渡接头.爆炸焊是以炸药为能源进行金属间焊接的方法,如图6-6所示。图6－6爆炸焊示意图图6－5铝合金上层建筑与钢主体的结构过渡接头二、铜及铜合金的焊接（一）铜及铜合金的焊接性铜及铜合金的焊接性比较差，主要表现在以下几个方面：1．难熔合；2．易氧化；3．易产生气孔4．易变形。（二）铜及铜合金的焊接工艺1．焊接方法铜及铜合金的焊接方法很多，薄板以钨极氩弧焊及气焊为好；中厚板采用埋弧焊、熔化极氩弧焊和电子束焊较为合理；厚板则推荐采用熔化极氩弧焊和电渣焊。2．焊接材料焊条药皮采用低氢型