金属的焊接性及其评定

第4章金属的焊接性及其评定
• 4. 1金属焊接性基础知识 • 4. 2金属材料焊接性的分析与试验
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第4章金属的焊接性及其评定
• 随着工业技术的发展，焊接技术被广泛用于大型、高参数设备的制造 中。这些设备所用的母材，大多具有强度高，耐热性、耐蚀性优良等 某些特殊性能。为了确保焊接质量，必须掌握这些材料的焊接性，从 而采取针对性的工艺措施。
衡量材料焊接性的重要标准之一。 • (3)其他裂纹试验 • 焊接再热裂纹和层状撕裂试验。 • (4)焊接接头的使用性能 • 包括常温、高温力学性能、低温韧性、耐蚀性及产品技术条件中所规
定的其他性能要求。
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4. 2金属材料焊接性的分析与试验
• 4.2.3焊接性试验方法分类
• 按照不同目的，主要的焊接性试验可分为以下几类，实际应用时可根 据需要选用其中几类。
• 4.2.2焊接性试验的内容
• 评定母材焊接性的试验，称为焊接性试验。
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4. 2金属材料焊接性的分析与试验
• 例如，焊接裂纹、接头力学性能和接头腐蚀试验等。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，可以用较小的代价达到以下几个目的:第一是选择 适用于母材的焊接材料;第二是确定合适的焊接参数，包括焊接电流、 焊接速度以及预热温度、层间保温、焊后缓冷及热处理方面的要求; 第三是发展和研究新型材料。
• 这里主要应从结构的刚度、应力集中和多向应力等方面来考虑。使焊 接接头处于刚度较小的状态，能够自由收缩，有利于防止焊接裂纹。 缺口、截面突变、焊缝余高过大、交叉焊缝等容易引起应力集中，要 尽量避免。不必要地增大母材厚度或焊缝体积，会产生多向应力，也 应注意防止。
• 4.使用要求 • 焊接结构的使用要求是多种多样的，有在高温或低温下工作，在腐蚀
• 工艺措施对防止焊接接头缺陷的产生，提高使用性能也有重要的作用。 最常见的工艺措施是焊前预热、焊后缓冷和消氢处理，它们对防止热 影响区淬硬变脆，降低焊接应力，避免氢致冷裂纹是比较有效的措施。
• 3.构件类型 • 焊接接头和结构设计会影响应力状态，从而对焊接性也有影响。
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4. 1金属焊接性基础知识
• (2)焊接冷裂纹敏感指数(Pc) • Pc值不仅包括了母材的化学成分，而且考虑了扩散氢与拘束条件的作
用。根据Pc值可以通过经验公式得出为防止冷裂纹所需的最低预热温 度。 • 2.利用CCT图分析 • 根据CCT图或SHCCT图可以判断在不同冷却条件下所获得的组织与 硬度，故可估计出在一定的焊接工艺条件下，产生冷裂纹或淬硬组织 的可能性。
• 实践证明，各种材料由于成分与状态的不同，焊接过程将对其组织与 性能产生不同的影响。例如普通低碳钢，几乎可以用任何焊接方法焊 接，并且焊缝都能保证质量，热影响也无明显变化。但对于碳含量大 于0. 3%的碳钢或某些合金钢来说，为了获得优质的焊接接头必须采 用特殊的工艺措施。
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第4章金属的焊接性及其评定
的冷裂纹敏感性越高，焊接性越差。 • 碳当量是指把钢中合金元素(包括碳)的含量按其作用换算成碳的相当
含量。可作为评定钢材焊接性的一种参考指标。由于钢材的化学成分 是决定焊接热影响区是否淬硬的基本条件，碳又是引起钢材淬硬的主 要元素，其他合金元素对淬硬也有一定的影响。
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4. 2金属材料焊接性的分析与试验
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4. 2金属材料焊接性的分析与试验
• 4.利用材料的化学性能分析 • 化学性能活泼的金属，在焊接过程中极易氧化(如铝、钛及其合金)，
有些金属甚至对氧、氢、氮等气体都极为敏感。因此在焊接时，需要 采取更为可靠的保护方式(如惰性气体保护或在真空中焊接)。有时焊 缝背面也要加以保护，以防止氧、氢、氮等对焊缝及热影响区的污染。 • 上面列出了分析焊接性的几个主要依据，作为分析焊接性时的参考。 但是无论从哪个方面进行分析，其结论都是粗略的、近似的，只有通 过焊接性试验才能得到准确的结果。
• 对某些金属，虽然防止焊接缺陷并不十分困难，但为了全面满足母材 的性能要求，仍需辅以专门的工艺措施。这些都表明不同的金属获得 优质焊接接头的难易程度不同，或者说各种金属对焊接工艺的适应性 不同。这种适应性就是通常所说的焊接性。
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4. 1金属焊接性基础知识
• 金属的焊接性与铸造性、机械加工性一样，同属于金属材料的工艺性 能。因此，焊接性不仅取决于金属本身的成分与组织，同时与焊接的 热作用有直接关系。焊接性并不是金属材料的固有性能，而是随焊接 技术的发展而变化的。对于不同材料、不同工作条件下的焊件，焊接 性的主要内容是不同的。例如，低合金高强度钢，对于淬硬和冷裂纹 是比较敏感的，因此在焊接这种材料时，如何解决淬硬和冷裂纹问题 就成为低合金高强度钢焊接性的主要内容;又如焊接奥氏体不锈钢时， 其主要问题则是晶间腐蚀和热裂纹问题。即使对于同一金属材料，当 采用不同焊接方法、焊接材料及不同的工作条件时，其焊接性也可能 有很大差别。
• 4.1.2影响焊接性的因素
• 1.材料因素 • 材料因素包括母材本身和使用的焊接材料等等。如:焊条电弧焊时的
焊条;埋弧焊时的焊丝和焊剂;气体保护焊时焊丝和保护气体等等。它 们在焊接时都直接参与熔池或熔合区的冶金过程，影响焊接质量。
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4. 1金属焊接性基础知识
• 母材或焊接材料选用不当时，会造成焊缝金属化学成分不合格，力学 性能和其他使用性能降低，还会出现气孔、裂纹等缺陷，从而使接合 性能变差。由此可见，正确选用母材和焊接材料是保证焊接性良好的 重要基础，必须十分重视。
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4. 1金属焊接性基础知识
• ①工艺焊接性是指金属材料对各种焊接方法的适应能力。它不仅取决 于金属本身的成分与性能，面且与焊接热源的性质、保护方式、预热 及后热等工艺措施有关。有些金属材料(如高合金钢、铝、钛等)，在 采用不同焊接方法焊接时，焊接质量会有较明显的区别。
• ②使用焊接性是指焊接接头或整体结构，满足技术条件中所规定的使 用性能的能力。显然，使用焊接性与产品的工作条件有密切的关系。
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4. 2金属材料焊接性的分析与试验
• 3.利用材料的物理性能分析 • 金属的熔点、热导率、线膨胀系数、热容以及密度等物理性能，对焊
接热循环、化学冶金反应以及凝固相变等过程都有明显的影响。根据 金属材料物理性能的特点，可以估计出在焊接过程出现的问题，并设 法加以解决。如焊接热导率高的材料铜时，由于散热快，很容易产生 熔透不足的缺陷，在凝固过程中又很容易产生气孔;而有些热导率低 的材料，则会因焊接时温度梯度大，产生较大的应力或变形，或是由 于在高温停留时间较长而导致晶粒粗化等。此外，焊接线膨胀系数大 的金属，接头的应力变形必然严重;焊接密度小的金属(如铝及其合金)， 则容易在焊缝中形成气孔或夹杂物。
• 焊接性试验的内容主要如下。 • (1)焊接热裂纹试验 • 焊缝金属的热裂纹(主要是结晶裂纹)是焊缝中最常见的严重缺陷，它
与焊缝金属的冶金条件有密切关系。
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4. 2金属材料焊接性的分析与试验
• 因此，常以焊缝金属的抗热裂能力作为衡量某些金属材料冶金焊接性 的重要标志。
• (2)焊接冷裂纹试验 • 对一些冷裂纹敏感性较强的材料，焊缝和热影响区的抗冷裂能力则是
介质中工作以及在静载或动载条件下工作等。当在高温工作时，可能 产生蠕变;低温工作或冲击载荷工作时，容易发生脆性破坏;在腐蚀介 质中工作时，接头要求具有耐腐蚀性。
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4. 1金属焊接性基础知识
• 总之，使用条件越不利，焊接性就越不容易保证。 • 综上所述，金属的焊接性与材料成分、焊接方法、构件类型、使用要
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4. 1金属焊接性基础知识
• 随着焊接新工艺、新技术的出现，某些材料在焊接中的难题将不断被 解决。
• 4.1.1金属焊接性的概念
• 在GB/T3375-1994《焊接术语》中，焊接性被定义为:“材料在限定的 施工条件下焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能 力”，即金属材料对焊接加工的适应性。焊接性包含两方面的内容: 其一是焊成的构件符合设计的要求，其二是满足预定的使用条件，能 够安全运行。根据这两方面的内容，优质的焊接接头应具备两个条件， 即接头中不存在超过质量标准规定的缺陷，同时具有预期的使用性能。 根据讨论问题的着眼点不同，焊接性可分为工艺焊接性和使用焊接性。
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4. 2金属材料焊接性的分析与试验
• 当 ≤0.45%时，焊接厚度不大于25mm的钢板可以不预热。当 <0.41%且含ω(c)<0. 207%Байду номын сангаас，焊接厚度小于37mm的钢板可以不预 热。焊接条件与碳当量的关系如图4-1所示。焊接预热条件见表4-1。
• 根据经验:当 < 0.4%时，钢材的淬硬倾向不明显，焊接性优良，焊 接时不必预热;当 = 0. 4%~0. 6%时，焊接性较差，钢材的淬硬倾 向逐渐明显，需要采用适当预热等工艺措施;当 > 0.6%时，焊接 性差到低劣，淬硬倾向更强，属于较难焊的材料，需采用较高的预热 温度和严格的工艺措施。
• 必须指出，用这种方法来判断钢材的焊接性只能作近似的估计，并不 能完全代表材料实际的焊接性。
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4. 2金属材料焊接性的分析与试验
• 例如Q345(16Mn)钢的碳当量约在0. 34%~0. 444 % ,焊接性尚好，但 厚度增大，焊接性就会变差。因此对于钢材的焊接性，一般可根据焊 件的实际情况，通过直接试验法来确定。
• 焊接工艺对金属的作用，也可归纳为冶金处理作用与热作用两个方面。 冶金处理作用主要影响焊缝的成分，从而影响其组织与性能;热作用 则是决定热影响区组织与性能的主要因素。由于二者的作用和解决问 题的手段都不相同，故焊接性又可分为冶金焊接性与热焊接性。
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4. 1金属焊接性基础知识
• 焊接性是一个相对的概念。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，并能够满足使用要求，就可以说焊接性 良好;反之，如果必须在保证很复杂的工艺条件(如高温预热、高能量 密度、高纯度保护气体或高真空度、焊后复杂的热处理等)下焊接， 才能够满足使用要求，就可以说是焊接性较差。
• 1.对母材进行试验 • 为了保证母材符合产品的技术条件，以确保接头质量，生产中必须对
母材进行必要的试验，主要试验内容有: • ①母材化学成分分析。 • ②母材力学性能实验，除常规拉伸、弯曲、冲击等力学性能试验外，
有时还需根据产品使用条件做低温冲击、疲劳和蠕变试验等。 • ③母材断裂韧性试验，目的在于评定焊接结构在使用时的脆断倾向。
• 则换算成碳当量后，碳当量越高，焊接性越差。由于这种方法使用简 便，所以目前被广泛应用于低合金结构钢焊接性的估算。
• 碳当量计算公式很多，常用的是国际焊接学会推荐的公式:
• 式中元素符号表示该元素在钢中的质量分数，计算碳当量时，应取其 成分上限。
• 碳当量计算公式的使用条件为:可用于HT50-60级非调质高强钢。
• 2.焊接方法 • 对于同一母材，当采用不同的工艺方法和工艺措施时，所表现的焊接
性也不同。例如，钛合金对氧、氮、氢极为敏感，用气焊和焊条电弧 焊不可能焊好，而用氩弧焊或真空电子束焊，能防止氧、氮、氢等的 侵入，使之容易焊接。
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4. 1金属焊接性基础知识
• 焊接方法对焊接性的影响，主要表现在焊接热源能量密度的大小，温 度的高低以及热输入量的多少上。对于有过热敏感的高强钢，从防止 过热出发，宜选用窄间隙焊接、等离子弧焊接、电子束焊接等方法， 从而有利于改善焊接性。相反地，对于容易产生白口的铸铁来说，从 防止白口出发，应选用气焊、电渣焊等方法。
求等因素都有密切的关系，所以不应脱离这些因素而单纯从材料本身 的性能来评价焊接性。此外，从上述分析也可以看出，很难找到某一 项技术指标可以概括材料的焊接性，只有通过综合多方面的因素，才 能分析焊接性问题。
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4. 2金属材料焊接性的分析与试验
• 4.2.1焊接性分析
• 1.利用化学成分分析 • (1)碳当量法 • 钢材的碳当量可以判断其淬硬倾向与裂纹敏感性。碳当量值越大，钢