金属焊接性

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同类钢材，成分不同，其焊接性差异也 很大。 如低碳钢的焊接性就很易获得优质接头， 但中、高碳钢，仅仅由于含碳量的提高，就 使其焊接显著变差，特别是高碳钢，即便采 用了特别工艺措施，也不易获得可靠的优质 接头。
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②焊接方法与工艺 不同的焊接方法：例如氩弧焊，不 论什么材料，均易获得优质接头。
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焊接材料按等强度原则确定。手工电弧焊 用焊条一般采用J422 级，强度较高母材也有 采用J50级的。
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对于二、三类压力容器或锅炉受压壳体 以及承受冲击载荷的均要求采用碱性低氢型 药皮焊条，而一类容器或一般结构，可采用 酸性药皮焊条。
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埋弧自动焊时，焊剂多采用 HJ431 ，焊 丝视具体钢号有所区别：Q235、10钢等多采 用 H08A ； 而 20R 、 20g 、 20 钢 多 采 用 H08MnA。
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若最高硬度超过HV350，就要考虑预热 或焊后热处理。
但对于低碳调质合钢来说，最高硬度大 于HV350也不一定产生冷裂纹，因为低碳马 氏体的韧性较好。 故有人主张将最高硬度放宽至HV400。对 不同材料的试验结果要正确判断，区别对待。
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8.2 低、中碳钢的焊接 8.2.1 低碳钢的焊接
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式中，C、Mn、Cr…为相应钢材化学成分的 质量百分比。
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根据经验： 当Ce<0.4％时，钢材淬硬倾向不明显，板 厚≤ 37mm 时，焊接时一般不必预热，焊接 性良好；
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当 Ce ： 0.4 ％～ 0.6 ％时，钢材淬硬倾向逐 渐明显，焊接时应适当预热，属焊接性较差； 当Ce>0.6％时，淬硬倾向强，易产生冷裂 纹，应采取较高的预热温度和严格的工艺措 施，属焊接性差或不好。
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切割时必须边冷却边加工，以免焊接热 影响区的硬度因断面温度升高而降低。硬度 测量试样的检测面经研磨后，再加以腐蚀， 然后如图5—5所示：
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划一条既切于熔合线底部切点 O ，又平 行于试板轧制表面的直线。在此直线上每隔 0.5mm进行室温下载荷为100N的维氏硬度测 定。切点O及两侧各7个点以上作为硬度测定 点。
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大于 30mm 的厚板壳体制造，往往需要 用电渣焊来完成焊接工作。由于电渣焊的焊 缝有极明显的铸造组织，粗大柱状晶，所以 焊后要进行正火处理。
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因此，尽管我们说低碳钢焊接性极好， 而对于实际结构，还要按具体情况具体分析 处理。
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⑵低碳钢焊接工艺要点
①焊接方法与焊接材料 焊接低碳钢广泛采用的焊接方法是：手工 电弧焊、埋弧自动焊、 CO2 气体保护焊，电 渣焊的应用亦较多。为保证焊接质量，不少 打底焊采用氩弧焊。
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焊接性通常分为工艺焊接性及使用焊接性两类: 工艺焊接性考虑的是在焊接过程中如何避免产 生缺陷，如焊接裂纹、夹渣、气孔、未焊透等， 以获得优质的焊缝。 使用焊接性则要考虑钢材焊接后性能的变化是 否会影响到使用的可靠性，如强度和韧性指标， 耐高温或耐低温及耐腐蚀性能的变化等等。
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⑵焊接性的影响因素 ①焊件母材的种类与化学成分 不同类别的材料，其焊接性差异很大。 例如碳钢与不锈钢，前者主要是保证焊 接接头的强度和韧性与母材一致，但后者主 要是保证接头具有足够的耐蚀性。
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②冷裂纹敏感性指数法 碳当量法只考虑了钢材的化学成分，没 有考虑板厚及焊缝含氢量等对冷裂纹的影响。 为此，日本有人对二百多种钢材进行了大量 的试验，求出钢材焊接冷裂纹敏感指数 Pc 为：
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式中，h为板厚，mm；H为焊缝金属中扩散 氢含量，10-2L／kg。
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用Pc值估价钢材的冷裂纹倾向比 Ce全面。 通过试验还得出了在斜 Y 坡口对接裂纹试验 时，为防止冷裂纹所需的最低预热温度Tp为：
⑴承压壳体常用钢号及其焊接性 锅炉、压力容器等焊制受压壳体，我国 规定必须采用含碳量C≤0.25 ％的低碳钢， 常用的有Q235—A(B、C)、20R、20g等。
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这类钢由于含碳量低，且无添加其他合金 元素，钢材本身又有良好的塑性，没有淬硬倾向， 故其焊接性极好。 一般焊接时不需要采取特殊工艺措施，焊后 也不需要进行热处理，且各种焊接方法都适用。 但是仍然应该注意： 焊接接头应保证等强；焊缝中不应有超过标 准规定的气孔、夹渣等缺陷。
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工艺焊接性评定通常是采用估算法 和试验法进行。
对于实际承压过程设备焊接结构，应特 别重视试验法。
估算法多作为试验法之前的初步评估或 选择试验方法的参考，最后评定必须以 试验结果为依据。
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⑴裂纹敏感性估计法
①碳当量法 根据化学成分对钢材焊接热影响区 淬硬性的影响程度，粗略评价钢材产生 冷裂纹的倾向或脆化倾向的方法。
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④焊件的使用条件
使用条件主要是温度、载荷性质和介质 的腐蚀性等。 例如含氯化物介质易使奥氏体不锈钢焊 接接头产生应力腐蚀破坏；低温环境会使接 头的韧性显著降低，脆性转变温度升高等。
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8.1.2 工艺焊接性的评定方法
当低合金钢在压力容器中得到广泛应用 后，容器焊接经常遇到的是裂纹问题，尤其 以冷裂纹占大多数。所以，工艺焊接性评定 几乎全部是针对焊接生产中出现的裂纹问题 进行设计的。
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由于坡口形式改变，裂纹也改变为从焊 缝根部尖角处开始，并在焊缝中扩展，也可 能贯穿至表面。这种方法主要用于考核焊缝 金属根部裂纹敏感性。
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斜Y和直Y坡口试验，试样焊后均要放臵 24h后再检测和解剖。
首先用放大镜或磁粉探伤检测表面裂纹 长度，然后沿垂直试验焊缝方向取5个横截面 检查内部裂纹。
第八章 金属材料焊接性
主讲：李淑华
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目 录 第8章 金属材料焊接性 8.1 金属焊接的焊接性及其评定 8.1.1 焊接性及其影响因素 8.1.2 工艺焊接性的评定方法 8.2 低、中碳钢的焊接 8.2.1 低碳钢的焊接 8.2.2 中碳钢的焊接
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8.3 普通低合金钢的焊接 8.3.1 普低钢的分类与强化原理 8.3.2 普低钢的焊接性 8.3.3 普低钢的焊接
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以标准规范直径4mm焊条，电流170A， 电弧电压24V，焊接速度150mm／min，在3 个试件上重复Biblioteka Baidu验。
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由于两端固定对焊缝有拘束作用，其拘 束程度往往比实际结构，如球形容器等长焊 缝还要大，所以一般认为只要裂纹总长小于 焊缝长度20％，在实际结构中就不致发生裂 纹。
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直Y坡口对接裂纹试验，与斜Y坡口试样 十分相似，只是坡口形式有些差别，如图5-1 下剖面所示。
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电渣焊时，由于焊剂的更新少，若仍按埋 弧焊选用 H08A 焊丝，与高 Mn 高 Si 焊剂配合， 则焊缝金属中的Mn、Si元素会不足，特别是 母材和焊丝中原有的Mn还会烧损。故低碳钢 电渣焊时，往往选用中 Mn 高 Si 中 F 熔炼焊剂 HJ360 与 10Mn2 或 H10MnSi 焊丝配合。也可 用HJ431与H10MnSi配合。
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⑵焊接性的抗裂性试验 焊接裂纹是最引人关注的，国内外的焊 接工作者均在这方面倾注了大量的人力、物 力，提出的试验方法也有几百种，但均不外 乎从材料焊接工艺和结构几方面来评定焊接 裂纹的倾向，所以亦称抗裂性试验。
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抗裂性试验可用来确定母材及热影响区 的裂纹倾向，达到正确选择母材及焊接材料 的目的，它也可以用来选择正确的焊接方法 和工艺措施。
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焊接时，在试件两端要支承架空，试件 下面要有足够的空间。
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焊接规范原则上为：
焊 接 电 流 (170±10)A ， 焊 接 速 度 (150±10)mm/min 。试件焊后在静止的空气 中自然冷却，不进行任何热处理。
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焊后至少要经过12h后才能取测量硬度的 试样，取后要尽快测试硬度。采用机械加工 方法垂直切割焊缝的中部，然后在此断面上 取硬度的测量试件。
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我国于 1984 年颁布了焊接性试验方法的 国家标准GB 4675—1984，其中规定了5种国 际通用的试验方法。
①斜Y和直Y坡口对接裂纹试验 通称为小铁研法。此法主要试验低合金高强 度钢热影响区和焊缝的冷裂倾向，其应用十 分广泛。
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斜Y坡口对接抗裂试验，其试验如图5-1 所示。 用被焊件相同厚度材料制成的试板，两 端先用焊缝固定，试板之间预留间隙2～ 3mm，试板中间焊试验焊缝。试验焊缝只焊 一道焊缝，且两端不与拘束焊缝接触。
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由于碳含量对产生冷裂纹的影响最 大，因此把其他合金元素对裂纹的影响 折算成相当的碳含量，即用碳当量来估 计钢材的焊接性。
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碳当量的计算式繁多，其适用钢种和条 件均有各自的局限性，应予注意。对于碳钢 和低合钢，国际焊接学会推荐的，适用于 бb=500 ～ 600MPa 的非调质高强度钢碳当 量的公式为：
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③最高硬度试验 该法适用于手工电弧焊，是以热影响区 最高硬度来相对评价冷裂倾向的试验方法。 对判断不同成分的低合金高强度钢焊接热影 响区产生冷裂纹的倾向有一定的参考价值。 其试件的形状和尺寸如图5-4所示。
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试件的标准厚度为 20mm ，若板厚超过 20mm ，则须机械切削加工成 20mm 厚，并 保留一个轧制表面；若板厚小于 20mm ，则 毋须加工。
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试件可采用气割下料。GB4675中规定有 两种试件： 1号试件L×B＝200mm×75mm，在室温下 焊接； 2 号试件 L×B=200mm×150mm ，在预热 条件下焊接。试验焊道均在轧制表面的中心 线上，长为(125±10)mm。
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焊接前应采取适当的方法去除试件表面 有害于焊接的水、油、铁锈及过厚的氧化皮。 焊条原则上应适合于所焊的试件 ，直径为 4mm。
不同的焊接工艺措施和规范参数： 例
如焊接线能量的大小，焊前预热与不预 热，焊接材料的不同等，都对接头的质 量有重要影响。
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③焊件的结构 结构主要表现在刚度或拘束度的大小。 结构的刚度或拘束度大，焊接中产生的 应力就大，对于高强度易淬钢的防裂不利。 所以在材料与焊接工艺相同时，大厚件的焊 接难度通常更大些。
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在冬天(0~10℃)焊接12～ 32mm的低碳 钢板，尤其是用不同类型焊条对不同板厚作 手工堆焊或 T 形角焊时，会产生不同程度的 微裂纹。
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用钛铁矿焊条焊厚度超过12mm的角焊接头 时就会产生这种裂纹；用低氢焊条焊厚度超 过 32mm 的 500MPa 强度钢角焊缝时，焊缝 中也会产生微裂纹。
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第8章 金属材料焊接性 8.1 金属焊接的焊接性及其评定 8.1.1 焊接性及其影响因素 ⑴焊接性概念 金属材料的焊接性，亦称可焊性。它是 指在一定的焊接工艺条件下，金属材料可以 获得优质焊接接头的难易程度。
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焊接工艺应包括与焊接有关的全部工艺 条件，如焊接方法、焊接材料、焊接规范、 热处理、预热和缓冷、坡口形式、施焊环境 等。 优质焊接接头指全部性能均能完好地达 到规定的指标，如承载能力、抗腐蚀能力、 低温工作性能等。
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按图5-2所示(a)、(b)、(c)和下列各式分 别表示焊件的根部裂纹率、表面裂纹率和断 面裂纹率：
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⑵刚性固定对接试验 试件尺寸及装配见图 5-3 。试验前，先 用角焊缝将试板固定在厚度≥ 50mm 底板上。 当焊接试验焊缝时，焊缝承受严重的刚性拘 束，所以焊缝金属的裂纹敏感性很强。
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当焊接线能量过大时，热影响区粗晶区的 晶粒可能会过于粗大，甚至产生魏氏体组织， 使冲击韧性降低。
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近年来，在锅炉制造中发现，中等厚度 20g 板的埋弧焊时，焊后冷弯试验通不过， 且已经发现当钢中 C 、 S 、 P 都偏上限时，就 容易冷弯通不过。
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若按新标准选用钢材，则能克服C、S、P 都偏高的现象， 20g 埋弧焊可望能通过冷弯 试验。
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首先检查焊缝表面有无裂纹，然后从焊 缝中切出两块 15mm 厚的横向磨片，进行低 倍放大检验有无裂纹。一般以无裂纹作为评 定标准或测定裂纹率的大小。
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刚性固定法对焊缝的拘束过于严重，较 实际焊接结构受到拘束度大得多，因此不产 生裂纹。 也就是说，即使在这种试验中出现了裂 纹，在实际生产中焊接时也不一定会发生裂 纹。在分样试验结果时，要注意这个问题。
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此法主要用于测定焊缝的热裂纹倾向， 也可测定热影响区的冷裂倾向。
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试件固定焊角尺寸 K=δ ( 板厚 ) ，当δ >12mm 时，取 K ＝ 12mm 。固定焊缝焊完冷 却至室温后，方可焊接试验焊缝。
试验焊缝按实际生产时的焊接规范，可以 单道，也可以多层。焊后在室温放臵 24h 后 进行检验和解剖。