常见金属材料的焊接性

第六章常见金属材料的焊接6.1焊接性概念6.1.1金属焊接性概念：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。含义：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。评价标准：（1）焊缝以及HAZ产生裂纹的敏感性如何。（2）焊缝HAZ产生气孔的敏感性如何。（3）焊接热循环对HAZ组织结构的影响，比如HAZ容易不容易出现晶粒长大现象以及出现马氏体等脆硬组织等。（4）焊接接头满足规定性能的可能性，比如强度、韧性、低温性能、抗腐蚀性等。金属焊接性的具体内容包括工艺焊接性和使用焊接性，上面四点中，前三点属于工艺焊接性，最后一点属于使用焊接性。6.1.2工艺焊接性工艺焊接性是指某种金属在一定焊接条件下，能否获得优质致密、无缺陷焊接接头的能力。分析和研究金属的工艺焊接性时，必然要涉及到焊接过程。对于熔化焊来讲，焊接过程一般都要经历传热和冶金反应。因此，把工艺焊接性又分成“热焊接性”和“冶金焊接性”。热焊接性是指在焊接过程条件下，对HAZ组织性能及产生缺陷的影响程度。它是评定被焊金属对热的敏感性（晶粒长大和组织性能变化等），主要与被焊材质及焊接工艺条件有关。冶金焊接性是指冶金反应对焊缝性能和产生缺陷的影响程度。它包括合金元素的氧化、还原、氮化、蒸发以及氢、氧、氮的溶解，对气孔、夹杂、裂纹等缺陷的敏感性，它们是影响焊缝金属化学成分和性能的主要方面。影响工艺焊接性的因素（1）材料因素（2）设计因素（3）工艺因素（4）使用因素6.1.3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所规定的各种使用性能的程度。6.1.4如何分析金属的焊接性6.1.4.1从金属的特性分析焊接性（1）化学成分①碳当量法②焊接冷裂纹敏感系数（2）利用物理性能分析（3）利用化学性能分析（4）利用合金相图分析（5）利用CCT图或SHCCT图分析6.1.4.2从焊接工艺条件分析焊接性（1）热源特点（2）保护方法（3）热循环的控制（4）其它工艺因素6.2金属的焊接性试验6.2.1焊接性试验的目的及内容金属焊接性试验的目的1）评定金属材料的焊接性；2）研制和开发新型的焊接材料；3）拟定产品的焊接工艺（试件尺寸应符合产品特点，焊接工艺参数是调整的对象。具体来讲，焊接性试验的内容可以归纳为以下四个方面：1)焊缝和HAZ抗热裂的能力2)焊缝和HAZ抗冷裂的能力3)焊接接头抗脆性转变的能力4)接头的使用性能6.2.2焊接性试验方法的分类（1）模拟类方法特点：①节约材料和工时，试验周期短；②可以将接头内某一区域局部放大，从而使有些因素孤立出来，便于分析研究和寻求改善焊接性的途径。③和实际焊接相比有一些差别，因为很多条件是被简化了的。最常用的有热一应力模拟试验、插销试验等。（2）实焊类方法在一定条件下进行焊接，通过实焊来评价焊接性。有时是在生产条件下进行焊接，然后检查焊接接头是否发生缺陷，或进行力学性能或其它方面的试验。也有时是使用一定形状尺寸的试样在规定条件下进行焊接，再作各种检查。常用方法：斜Y坡口对接裂纹试验、窗口拘束试验、刚性固定对接裂纹试验以及不锈钢晶间腐蚀试验。（3）理论计算类方法在大量生产和科学研究经验的基础上归纳总结出来的理论计算方法。它们主要依据母材或焊缝金属的化学成分，加上某些其它条件（如接头拘束度、焊缝扩散氢含量），然后通过一定的经验公式计算，估计冷裂、热裂、再热裂纹的倾向大小。由于是经验公式，这类方法的应用更是有条件限制的，且多半是间接，粗略估计焊接性问题。6.2.3选择或制定焊接性试验方法的原则（1）针对性：尽量接近实际焊接条件。（2）可靠性：尽量避免人为因素影响。（3）经济性。6.3常用焊接性试验方法金属的焊接性评定方法有两类：一是通过焊接性试验直接确定接头HAZ以及焊缝产生裂纹的倾向；一是通过钢的成分间接评定它的焊接性。具体现行焊接性试验方法很多，这里只介绍最常用的几种。6.3.1斜Y坡口对接裂纹试验（小铁研试验）这种方法广泛用于评定打底焊缝以及HAZ的冷裂倾向。焊接规范为标准规范，焊条直径4mm，I=170A，U=24V，V焊=150mm/min。一般采用三个平行试样。熔敷焊缝试验以后，至少放置24小时，然后进行裂纹检验。首先用放大镜或磁粉检查表面裂纹，然后沿焊缝长度方向将试验焊缝均匀截取6段，检查5个端面的裂纹情况，各类裂纹率的计算见图6-6及以下公式。①％试验焊缝长度纵断面上裂纹长度总和根部裂纹率＝100100%llCCR②％试验焊缝长度表面裂纹长度总和表面裂纹率＝100100%llCCF③％焊缝厚度横断面上裂纹深度总和断面裂纹率＝100100%5Hh图6-4斜Y坡口对接裂纹试验试样由于斜Y坡口对接裂纹试验接头拘束度很大，根部尖角又有应力集中，所以试验条件苛刻，一般认为在这种试验中裂纹率不超过20%，那么在实际焊接结构中就不会发生裂纹。当然，试验中如果保持规范不变而采用不同预热温度进行试验，也可以测得能够防止冷裂纹的临界预热温度。与斜Y坡口对接裂纹试验非常相似的是直Y坡口对接裂纹试验（图6-7），两者的不同处只是坡口形式一个是斜Y，一个是直Y。直Y坡口时，裂纹容易在焊缝根部尖角处起裂，所以适合考核焊缝金属对根部裂纹的敏感性。图6-7直Y坡口对接裂纹试验试样铁研试验的优点是不需要专用设备，在施工现场可以应用。缺点是要进行大量的解剖检查。6.3.2插销试验插销试验主要用来考核材料的氢致延迟裂纹敏感性，也可以用来考核再热裂纹和层状撕裂等的敏感性。试验时，在基体板上熔敷焊道，焊道通过插销中心，并将插销端部和基体板同时熔化形成焊缝，这样试棒紧靠焊缝的区域就成为了HAZ，如果缺口到试棒端面的距离a合适，那么缺口尖端会正好落在熔合线附近的粗晶区。那么，焊后当缺口温度冷却到150℃时加载，直到试棒断裂。由于粗晶区有缺口，存在应力集中，所以试棒断裂一般都是断在缺口处。缺口温度降到150℃时加载，直到试棒断裂，需要一定的时间。在较大的外加载荷P1下测得一个断裂时间t1，然后减小外载，P2又对应一个断裂时间t2，然后再减小外载，这样一直持续下去，直到试棒能够保持16小时也不断裂（有预热的话，要至少24小时），这时所加的载荷就是临界载荷，对应的应力就是临界应力。材料的临界应力小冷裂倾向大。因为开裂条件是：σσcr，所以σcr越大越好。插销试验的优点是：①节省材料（试棒小）②热循环接近实际焊接热循环，而且通过调整基体板板厚就可以调整焊接热循环③方便、灵活、实用。比如，用被测材料做试棒可以评价材料的脆应倾向，用全熔敷金属做试棒可以测定焊缝金属的冷裂敏感性，对轧制钢材可以取与轧制方向呈各个方向的插销试棒，研究轧制方向对开裂敏感性的影响，从而评价材料对层状撕裂的敏感性，等等。插销试验的缺点是：需要专用设备，不适合现场用。图6-8插销试验1—试板；2—支点；3—加压；4—油缸；5—插销试样；6—加载夹头7—加载棒；8—应变篇；9—载荷；10—支柱；11—导线图6-9插销试样形状、尺寸实例6.3.3刚性固定对接裂纹试验主要用来测定焊缝的热裂敏感性，也可以测定HAZ的冷裂敏感性，试样形状和尺寸见图6-10。图6-10刚性固定对接裂纹试验这种方法对焊缝的拘束过于严重，所以即使在在这个试验中焊缝出现裂纹，实际生产中也不一定出现，也就是这个试验得出的结论比较保守。其它的还有FISCO试验和窗口拘束对接裂纹试验。图6-11FISCO试验图6-12窗口拘束试验6.3.4HAZ最高硬度试验可以间接判断母材的脆硬倾向和冷裂敏感性。图6-13HAZ最高硬度试验6.3.5碳当量方法（1）国际焊接协会推荐：Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15(%)适用范围：中、高强度的非调质低合金高强钢（强度为500～900MPa）判据：当Ceq≤0.45%，且板厚小于25mm时，可不预热；当Ceq＜0.41%且C0.207％时，板厚小于37mm可不预热。根据经验：Ceq0.4----焊接性良好；Ceq=0.4-0.6----焊接性中等；Ceq0.6----焊接性较差。（2）由美国焊接学会（AWS）推荐的公式Ceq=C+Mn/6+Si/24+Ni/15+Cr/5+Mo/4+(Cu/13+P/2)(%)适用范围：C0.6%；Mn1.6%；Ni3.3%；Cr1.0%；Mo0.6%；Cu＝0.5～1%，P=0.05～0.15%，当Cu0.5％或P0.05%时，则可以不计入。6.3.6冷裂敏感指数碳当量只是反映了钢材的脆硬倾向，而实际接头会不会出现冷裂纹，扩散氢、拘束度以及热循环条件等都有很大影响，所以日本的伊藤庆典提出了冷裂敏感指数的计算公式：其中，H是扩散氢含量（ml/100g），h是板厚（mm），Pw是考虑到拘束度的焊接裂纹敏感指数（％），Pc为焊接裂纹敏感指数（％），RF为焊缝拉伸拘束度［N/(mm2)，Pcm为合金元素的冷裂敏感系数（％）。按它可以求出需要的预热温度T0＝1440Pc-392（℃）该公式适用的钢材有一定的化学成分范围，对焊缝的扩散氢含量、板厚以及焊接线能量也有规定，T0又是根据铁研试验确定的，所以，这种方法的应用范围很小。适用范围：C：0.07～0.22%；Si：0～0.60%；Mn：0.4～1.4%；Cu：0～0.50%；Ni：0～1.20%；Cr：0～1.20%；Mo：0～0.07%；V：0～0.12%；B：0～0.005％。此外扩散氢1.0～5.0ml/100g；板厚19~50mm；焊接线能量17～30kJ/cm。6.4利用焊接性试验拟定焊接工艺的基本思路6.4.1焊接工艺焊接工艺是制造焊件所有关的加工方法和实施要求。包括：（1）焊前准备（2）选择焊接方法（3）选择焊接材料（4）选择焊接参数：例如：焊接电流、电弧电压、焊接速度等。（5）制定工艺措施：例如：预热、焊后缓冷、焊后热处理、焊后去氢处理等。（6）制定操作要求6.4.2拟定焊接工艺的基本思路（1）选择焊接方法依据：a被焊材料的种类；b焊接产品的结构特点；c生产效率和生产成本。（2）选择焊接材料依据：a被焊材料的化学成分或力学性能；b产品的工作条件和使用性能要求；c焊件刚性的大小、几何形状的复杂程度；d焊接施工条件；f劳动生产率和经济合理性。（3）选择焊接参数①利用间接的焊接性试验方法分析材料的焊接性和初步拟定焊接参数。②利用直接的焊接性试验方法对初步拟定的焊接参数进行检验和调整。a利用工艺焊接性试验（焊接冷裂纹敏感性试验）确定热输入E的下限E=36IU/Vb利用使用焊接性试验（焊接接头冲击试验）确定热输入E的上限。（4）确定工艺措施当按上述方法确定的热输入下限高于上限时，应考虑采用预热、缓冷、后热、焊后热处理等工艺措施。6.4碳钢的焊接碳钢又称为碳素钢，是钢材中产量最多、应用最广的材料。6.4.1低碳钢的焊接（1）焊接性分析①低碳钢因含碳及其他合金元素少，塑性、韧性好，一般无淬硬倾向，不易产生焊接裂纹等缺陷，焊接性能优良。②焊接低碳钢，一般不需要采取预热和焊后热处理等特殊工艺措施。③手工电弧焊焊接低碳钢时可适合全位置焊接，且焊接工艺和操作技术比较简单，容易掌握。④不需要选用特殊和复杂的设备，对焊接电源无特殊要求，一般交流、直流弧焊机都可焊接。（2）焊接材料熔化焊时用的焊接材料可以根据等强度的原则选用，也就是使焊缝的强度等于或接近于母材的强度。（3）焊接工艺要点如果母材和焊接材料合格，这种钢焊接时一般不需要预热、保持层间温度和后热处理，也能获得优良的焊接接头。只有在下列情况下才能采取相应的措施：1在低温环境下焊接厚件时，应预热焊件，防止产生冷裂纹；2厚度超过50mm的焊件，应进行焊后热处理以消除应力；3电渣焊焊件焊后应正火以细化HAZ晶粒。6.4.2中碳钢的焊接中碳钢主要是在铸、锻毛坯的组合件以及补焊工作中应用。（1）焊接性l热影响区易产生低塑性的淬硬组织，含碳量越高，板厚越大，焊件刚性越大，焊条选用不当时，容易产生冷裂纹。2焊缝金属易产生热裂纹。3焊缝区易产生气孔。4焊前经