8.0金属焊接性及实验方法

《金属焊接性》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焊接工作者的两大努力方向1、如何把材料焊得好！解决材料的焊接性，研究焊接接头的性能和工艺方法，焊接参数之间的关系。2、如何焊得快！在保证焊接接头性能的前提下，研究采用什么工艺手段，使焊接的效率提高。好而快第1章金属焊接性及其试验方法由于在焊接过程中,焊接接头中的各种物理化学反应,在温度和化学成分都处于极不平衡的特定条件下进行的,引起两方面的后果:1.在焊接区内产生各种类型的缺陷,使焊接接头丧失其连续性;2.即使没有产生缺陷,也可能降低了某些必要的性能,影响焊接结构的使用寿命。第1章金属焊接性及其试验方法因此，金属本身固有的基本性能，还不能直接表明它在焊接时出现什么问题，以及焊后接头性能是否满足使用要求。这样就要求人们从焊接的角度来分析研究金属某些特有的性能——焊接性。§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,即材料在一定的焊接工艺条件下（包括焊接方法、焊接材料、焊接参数和结构形式等），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。工艺性能：冶金焊接性和热焊接性对于熔焊来说，焊接过程一般包括冶金过程和热过程这两个必不可少的过程。在焊接接头区域，冶金过程主要影响焊缝金属的组织和性能，而热过程主要影响热影响区的组织和性能。(1)冶金焊接性冶金焊接性是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焊接性变化。这些冶金过程包括：合金元素的氧化、还原、蒸发，从而影响焊缝的化学成分和组织性能；氧、氢、氮等的溶解、析出对生成气孔或对焊缝性能的影响；在焊缝结晶及冷却过程中，由于焊接熔池的化学成分、凝固结晶条件以及接头区热胀冷缩和拘束应力等影响，有时产生热裂纹或冷裂纹。(2)热焊接性焊接过程中要向接头区域输入很多热量，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、韧性、耐蚀性等的变化。与焊缝金属不同，焊接时热影响区的化学成分一般不会发生明显的变化，而且不能通过改变焊接材料来进行调整，即使有些元素可以由熔池向熔合区或热影响区粗晶区扩散，那也是很有限的。为了改善热焊接性，除了选择母材之外，还要正确选定焊接方法和热输入。焊接性评价标准焊缝及HAZ产生裂纹的敏感性如何焊缝及HAZ产生气孔的敏感性如何焊接热循环对HAZ组织结构的影响焊接接头满足规定性能的可能性——使用焊接性工艺焊接性研究焊接性的目的：目的在于查明一定的材料在指定的焊接工艺条件下可能出现的问题，以确定焊接工艺的合理性或材料的改进方向。§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。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。◆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（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.从金属的特性分析焊接性如何分析金属的焊接性国际焊接学会(IIW)推荐：•适用范围：中、高强度的非调质低合金高强钢（强度为500～900MPa）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。(%)1556CuNiVMoCrMnCCE式中元素符号为钢中该元素含量的质量百分数，其值取成分范围的上限。当＜0.4%时，EC塑性良好，淬硬和冷裂倾向小，焊接性好，当=0.4~0.6%时，EC塑性下降，淬硬及冷裂倾向明显，焊接性较差。焊前适当预热，焊后缓慢冷却。当＞0.6%时，EC塑性较差。淬硬和冷裂倾向严重，焊接性很差，焊前需要高温预热，焊接时要采取减少焊接应力和防止裂纹的工艺措施，焊后需要进行适当热处理等。一般焊件不会产生裂纹。日本的JIS和WES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150℃。(%)144540246VMoCrNiSiMnCCeqbbbb美国焊接学会(AWS)推荐：适用对象：碳钢和低合金高强钢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焊接冷裂纹敏感指数日本学者采用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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。3、热裂纹敏感性指数法(1)热裂纹敏感系数HCSHCS≤4，无热裂纹；HCS越大，热裂纹越敏感。(2)临界应变增长率CSTCST≥6.5×10-4，无裂纹。310310025VMoCrMnNiSiPSCHCS4100.75.6187.659.30.18.02.972.19BNbMnNiCuSCCST考虑化学成分对焊接热裂纹敏感性的影响，在试验研究的基础上提出可预测或评估低合金结构钢热裂纹敏感性指数的方法。4、消除应力裂纹敏感性指数法(1)△G法（%）△G0时，对裂纹不敏感；△G≥0时，敏感。wC＞0.1%的低合金钢，上式可修正为：（%）△G’1.5时，对裂纹不敏感；△G’≥2时，敏感。21.83.3VMoCrGCVMoCrCGG1021.83.310预测低合金结构钢焊接性时，根据合金元素对再热裂纹敏感性的影响，可采用再热裂纹敏感性指数法进行评定。一般有两种评定方法：(2)PSR法此法主要是用于考虑合金结构钢焊接时Cu、Nb、Ti等元素对再热裂纹的影响，计算公式为：PSR=Cr+Cu+2Mo+5Ti+7Nb+10V-2(%)此公式适用范围为：wCr≤1.5%；wMo≤2.0%；wCu≤1.0%；0.10%≤wC≤0.25%；wV+wNb+wTi≤0.15%。当PSR≥0时，对产生再热裂纹较敏感。5、层状撕裂敏感性指数法SHPPcmL660BVMoCrNiCuMnSiCPcm510152060202030层状撕裂属于低温开裂，主要与钢种中夹杂物的数量、种类和分布等有关。在对抗拉强度500-800MPa低合金结构钢的插销试验（沿板厚方向截取试棒）和窗形拘束裂纹试验的基础上，提出下述计算层状撕裂敏感性指数的公式：（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。(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(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(℃)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