金属材料焊接基础及常见问题

耐蚀性
晶间腐蚀 ➢ 焊缝和HAZ敏化区晶间腐蚀：焊态下析出了Cr23C6相。 刀状腐蚀 ➢ 只发生在含有Ti、Nb等稳定化元素的奥氏体钢焊接接头中。
腐蚀部位沿熔合线发展，处于HAZ的过热区，由于区域很 窄，形状有如刀削切口。
➢ 高温过热和中温敏化是导致接头过热区产生刀蚀的重要条 件。刀蚀产生原因也与晶界碳化铬沉淀造成贫铬层有关。
409L焊接接头三区在1%HCI溶液中的 阳极极化曲线
五、铸铁的焊接性
铸铁的特点及应用
铸铁具有成本低，铸造性能、减震性能、耐磨性 能与切削加工性能优良等很多优点，而且熔化设备 简单，所以在机械制造业中获得了非常广泛的应用。 焊接在铸铁中的应用
➢铸造缺陷的焊补 ➢已损坏的铸铁成品件的焊补 ➢零件的生产，即把铸铁件(主要是球墨铸铁件)与钢
（二） 冷裂纹敏感指数法
对于低碳微合金高强钢碳当量法已不适用，日本伊藤等提
出了焊接冷裂纹敏感指数法，公式：
Pc
C
Mn 20
Si 30
Cu 20
Ni 60
Cr 20
Mo 15
V 10
5B
δ 600
[H](%) 60
δ－板厚（mm） H－焊缝金属中扩散氢含量（mL/100g）
其他金属焊接性评定方法
脆化，小的热输入会形成淬硬马氏体而发生脆化。
热影响区脆化
正火钢的脆化
近缝区加热温度高，母材中沉淀相如TiC、VC等将溶入奥 氏体中，沉淀相的钉扎晶界作用消失，奥氏体晶粒显著粗化。 在冷却过程中，由于Ti、V扩散能力很低，来不及充分析出， 而固溶在铁素体中导致铁素体硬度升高，韧性下降。
低碳调质钢的脆化
材料科学与工程学院焊接系
金属材料的焊接性基础
课程内容
一 二 三 四 五 六 七
一、焊接接头的组同材质或者不同材质）通过加热 或加压或两者并用，采用或不用填充金属，使被焊 工件达到原子间结合而形成永久性连接的工艺过程。
焊接方法分类
• 气焊 • 电弧焊 • 电渣焊 • 激光焊
热轧钢一般淬硬倾向小。强度较高时要求预热。 正火钢随着强度的增大冷裂倾向增大。 低碳调质钢淬透性较大，但马氏体含碳量较低，Ms点较
高，此时可以配合工艺条件进行“自回火”获得回火马氏 体，避免冷裂纹的产生。 中碳调质钢难以产生“自回火”效应，对冷裂纹敏感，焊 接时必须预热，焊后及时回火。
热影响区脆化
部分熔化区 粗晶过热区 细晶正火区 不完全正火区
回火区
温度/℃ 熔点温度以上
熔点温度 1350～熔点温度
1350～1100 1100～AC3 AC3～AC1 AC1～回火温度
典型焊接接 头区域划分
焊接接头宏观形貌及热影区分区
焊接接头不同区域微观组织
二、金属材料的焊接性及评定方法
金属焊接性的概念及影响因素
粒长大或出现魏氏组织而降低韧性；
焊接热输入过小，粗晶区中马氏体组织比例增大而降低韧性。
正火钢（如Q420 ）：含有碳、氮化物形成元素，采用过大焊接 热输入时，粗晶区的V（C、N）析出相基本固溶。 此时，V（C、 N）化合物抑制A晶粒长大和组织细化作用被削弱；
低碳调质钢的焊接性
低碳调质钢作为高强度焊接结构用钢，碳含量限制较低。主 要问题和工艺与正火钢相似，差别只在于热影响区有软化问题。
组织差别大
焊缝为铸铁组织，热影响区为 梯度性组织特征。
焊接接头组成
焊接 接头 宏观 结构
焊缝结 晶凝固 时熔合 区状态
熔融的焊缝金属
成长中的晶体
母材近缝区晶粒 熔合线 熔化的晶界 晶间液化薄膜
焊接接头特征区划分
焊接接头区域 焊缝金属
熔合区（熔合线）
热影响区（HAZ）
特征区 完全混合熔化区 未混合熔化区
接头脆化
475℃脆性出现在含铁素体的奥氏体钢焊接接头中。 相脆化：脆硬的金属间化合物FeCr从δ相或相中 产生，在晶界析出。 避免措施：限制焊缝中δ相；采用较小的线能量；固 溶处理。
其他不锈钢的焊接性
铁素体不锈钢的焊接性特点: ➢ 加热冷却过程中无相变，焊缝及HAZ晶粒长大严重，易形
成粗大铁素体组织，导致接头韧性比母材低； ➢ 多层焊时，易产生σ相析出和475℃脆性，导致接头的脆化； ➢ 耐蚀条件下使用的铁素体不锈钢，近缝区的晶间腐蚀倾向。
这类钢获得M+(10～30%)BL韧性最佳，t8/5存在 最佳值。出现Bu和M-A组元韧性下降。 热影响区软化
凡加热温度超过母材回火温度至Ac1的区域，由于 碳化物的聚集长大而软化，温度愈接近Ac1，软化 愈严重。
中碳调质钢焊接性
焊缝热裂纹
碳及合金元素含量较高，液-固相区间大，偏析严重，具 有较大热烈倾向。选材时应尽可能选用低碳，S、P杂质少 的填充材料；工艺上保证填满弧坑和焊缝良好成形。
国际焊接学会（ⅡW）推荐碳当量的计算公式：
CE
C
Mn 6
Cr
Mo V 5
Ni Cu 15
(%)
式中化学元素符号都表示该元素在钢中的含量。
当CE<0.4%时，钢材焊接时冷裂倾向不大，焊接性能良好，一般不需加热； 当CE=0.4～0.6%时，冷裂倾向明显，焊接性较差； 当CE>0.6%时，钢材焊接时冷裂倾向严重，焊接性差，需要采取较高的预 热温度和其它严格的工艺措施。
三、合金结构钢的焊接性
常用钢铁的分类
低碳钢，含碳量＜0.25％ 碳 素 中碳钢，含碳量：0.25％~0.6%
常 钢 高碳钢，含碳量＞0.6％
用 钢
热轧钢
铁 合 非调质钢 正火钢 σb＜600MPa
金 结
控轧钢
构
低碳调质钢
钢 调质钢
σb≥600MPa
中碳调质钢
热轧及正火钢的焊接性
热轧及正火钢中碳和合金元素的含量都较低，焊接性总体较好， 但随合金元素含量的增加，焊接性变差。焊接时需要注意的问 题是焊接裂纹和热影响区性能变化。
珠光体耐热钢的焊接
主要焊接问题：焊缝及HAZ的冷裂纹敏感性、过热区 再热裂纹敏感性、回火脆性。
冷裂纹 Cr、Mo提高钢的淬硬性。
再热裂纹 珠光体耐热钢中含有V、Nb、Ti、Cr、Mo等强碳化物形成
元素，粗晶部位容易出现再热裂纹。 回火脆性
Cr-Mo钢及其焊接接头在370～565℃长期运行过程中会发生 渐进的脆变现象，称为回火脆性或长时脆性。 产生原因：P、As、Sb和Sn等沿晶界扩散偏析。
当冷却速度不当时，热影响区也会由于奥氏体晶粒粗化和 形成上贝氏体和M-A组元而发生脆化。
中碳调质钢的脆化
过热区很容易形成脆硬高碳马氏体，冷速越大，脆化严重。
四、耐热钢和不锈钢的焊接性
耐热钢和不锈钢特点及分类
耐热钢分类及特性
在高温下工作，具有一定强度和抗氧化性、耐蚀性的铁基合金。 耐热钢的分类 ➢按特性分类：热稳定钢，热强钢 ➢按合金元素含量分：低合金～、中合金～、高合金～。 ➢按正火后组织：珠光体～、马氏体～、铁素体～和奥氏体～。
马氏体不锈钢的焊接性: 冷裂纹；焊接接头的脆化；接头HAZ的软化问题。
双相不锈钢具有良好的焊接性。
典型不锈钢的焊接
图 5 母材及焊缝金属的显微组织 (a) 母材 (b) 熔合区 (c) 焊缝
304焊接接头三区在1% HCl溶液中的 阳极极化曲线
304焊接接头三区6%FeCl3溶液中的 阳极极化曲线
微合金控轧钢：碳当量都很低，冷裂纹敏感性较低，焊接性 较好。除超厚焊接结构外，490MPa级的微合金控轧钢焊接 一般不需要预热。
热裂纹和再热裂纹
热轧及正火钢：C%较低、而Mn%较高，Mn/S比能达到要求， 具有较好的抗热裂性能。 个别情况在焊缝中出现热裂纹原因：C、S、P等元素含量偏 高或严重偏析有关。
1、冷裂纹及影响因素
存 2、热裂纹和再热裂纹
在 问
3、焊缝的组织和韧性
题 4、热影响区脆化
5、层状撕裂
冷裂纹及影响因素
热轧钢：含有少量合金元素，碳当量比较低，一般情况下 （除环境温度很低或钢板厚度很大时）冷裂倾向不大。
正火钢：含合金元素较多，淬硬倾向有所增加。强度级别及 碳当量较低的正火钢，冷裂纹倾向不大；但随着正火钢碳当 量及板厚的增加，淬硬性及冷裂倾向随之增大。 需要采取控制焊接热输入、降低扩散氢含量、预热和焊后热 处理等措施。
不锈钢分类及特性
在大气或一定介质中具有耐蚀性的钢的统称。 不锈钢的分类 ➢ 按室温下基体组织分：奥氏体～（高铬镍钢、高铬锰氮钢）、
铁素体～和马氏体～（高铬钢）、铁素体-奥氏体双相～。
珠光体耐热钢的焊接
耐热钢焊接接头性能的特殊要求 ➢接头的热强性与母材相当 ➢接头的抗氧化性基本相同 ➢接头的组织稳定性 ➢接头的热物理性能与母材基本相同
件或其他金属件焊接起来作成零部件。国内采用很 少，国外有的国家已逐渐在采用。
铸铁的焊接性
焊接接头易出现白口组织和淬硬组织及裂纹
➢ 焊缝区：由于焊缝冷却度远大于铸件在砂型中的冷却速度， 焊缝主要为共晶渗碳体、二次渗碳体及珠光体所组成，即焊缝 基本为白口铸铁组织。 ➢ 焊接接头对冷却速度变化敏感，对冷、热裂纹敏感，强度 低，基本无塑性，因此铸铁的焊接性不良。 防治方法：采用适当工艺减缓焊缝的冷速，调整成分来增强石 墨化能力、采用异种金属进行焊接。
• 电阻焊 • 摩擦焊 • 扩散焊 • 高频焊
• 烙铁钎焊 • 火焰钎焊 • 炉中钎焊
焊接过程特点
温度高
焊接区的温度较高，电弧高温可达 4000～7000℃，引起金属强烈的 熔化和蒸发。
温差大
熔池温度达2000 ℃，母材为冷态 金属，两者温差大，产生较大 的内应力和变形。
偏析严重
熔池体积小，凝固时间短，冶 金反应不平衡和不完善，造成金 属成分分布不均匀。
冷裂纹
冷裂纹较严重，淬硬倾向大，Ms点较低。
热影响区性能变化
过热区脆化 M脆化 采用小线能量，同时预热、缓冷和后热等措施。
热影响区软化 退火状态下焊接，焊后调质处理无软化问题。 调质状态下焊接，焊后不处理，软化是不可避免的，软
化程度和宽度与焊接线能量、方法关系大。
合金结构钢焊接性对比
冷裂倾向比较
脆化区常出现在熔合区、过热区和部分相变区（不完全重结 晶区）。
热轧钢的脆化 当含碳量偏低(wC<0.2%)时：采用大热输入焊接时，过热区
奥氏体晶粒粗大，冷却时会形成粗大的魏氏组织而发生脆化； 采用小热输入时，可减小晶粒粗化现象，并且快冷时容易形 成韧性较好的低碳马氏体，可避免热影响区脆化。
当含碳量偏高时(wC0.2%)时：大的热输入会形成魏氏组织
不锈钢的焊接
奥氏体不锈钢的焊接性
主要问题：热裂纹、耐蚀性、脆化 热裂纹 ➢ 合金元素，尤其是镍易和硫、磷等杂质形成低熔点共晶相。
硼、硅等的偏析，也将促使产生热裂纹。 ➢ 奥氏体钢焊缝易形成方向性强的粗大柱状晶组织，有利于有
害杂质元素的偏析，从而促使形成连续的晶间液膜，提高了 热裂纹敏感性。 ➢ 奥氏体钢的热导率小、线膨胀系数大，在焊接不均匀加热时 易形成较大的拉应力，进一步促进焊接热裂的产生。
当wC=0.12%：Mn/S≥10 wC=0.16%：Mn/S≥40
不出现热裂纹
Si：Si的有害作用与促使S的偏析有关 Si含量高时，热裂纹倾向也增加
热影响区脆化
粗晶区脆化
被加热到1200℃以上的热影响区过热区可 能产生粗晶区脆化，韧性明显降低。
原因：热轧钢焊接时，采用过大的焊接热输入，粗晶区将因晶
金属焊接性是金属材料对焊接加工的适应性。它主要指在一定的焊接工 艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。 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”。
金属焊接性能材料、 工艺、组织结构、服 役条件、性能关系图
结构形式和 服役条件
金属材料焊接性的间接评价方法
（一）碳当量
影响金属焊接性能主要因素是化学成分。
再热裂纹
合金元素中大多属引起再热裂纹元素，如Cr、Mo、Cu、 V、Nb、Ti和B等，V、Mo影响较大。
Mo-V钢，特别Cr-Mo-V钢对再热裂纹较敏感； Mo-B，Cr-Mo钢有再热裂纹倾向； Cr-Ni-Mo、 Cr-Ni-Mo-V、Ni-Mo-V 钢要注意再热裂纹。
焊接热影响区的性能变化
过热区脆化
焊缝中的热裂纹
C低、Mn高；S、P低，热倾向较小。对高Ni低Mn钢热倾向 有所增加。
热影响区液化裂纹
在高Ni低Mn可能出现液化裂纹。
冷裂纹
合金化原理：在低碳的基础上，加入多种提高淬透性的 元素，保证获得高强度、高韧性的M和部分BL
奥氏体的稳定高，易获得淬硬组织。
有无“自回火”条件，是这类刚冷裂纹产生的关键。
焊接接头易出现裂纹
➢ 冷裂纹 冷裂纹可发生在焊缝及热影响区上，常发生在400℃以下。 当焊缝为灰铸铁型时，石墨片两端会产生严重的应力集中、基