焊接技术讲义

3.焊接缺欠分类及影响
• （1）狭义的分类 • GB6417将焊接缺欠区分为六大类， • 第一类缺欠：裂纹；（微观、纵横、放射状、弧坑、 间断、枝状裂纹）； • 第二类缺欠：气孔（球形、均布、局布密集、条形、 虫形、表面、缩孔、弧坑气孔）； • 第三类缺欠：夹杂（夹渣、氧化物、金属夹杂〔夹钨、 铜〕）； • 第四类缺欠：未熔合和未焊透； • 第五类缺欠：形状缺欠（咬边、余高过高、未焊满、 烧穿、下塌、焊瘤； • 第六类缺欠：其他缺欠如偏折、错边、飞溅、电弧擦 伤等。
当铜含量较高时，由于改善了钢液的流动性， 会给焊接带来困难，增加钢的脆性倾向；对热 加工带来不利的影响。
2.2焊接接头各区域的组织分析
• 焊接过程是一个在焊接热源作用下，局部、快速、不 平衡的连续加热和凝固过程。焊接接头是一个物理、 化学、组织、性能不均匀体，并由不同特点的区域构 成。不同的母材、不同的焊材会得到不同的成分、组 织和性能。
焊接这类奥氏体钢的工艺原则：
• • • • 采用低的焊接热输入； 低的层间温度； 尽量使用全氩弧焊接； 无法有效防止Cl-对HAZ污染时，应进行 PWHT； • 焊后尽量不作冷作变形。
2.5异种钢焊接接头包括：
a）不同铁素体钢的焊接； b）不同奥氏体钢的焊接； c）铁素体钢与奥氏体钢的焊接； d）为达到表层耐磨、耐腐蚀目的等的堆 焊焊接； e）同种钢材选择异质填充金属的焊接。
Nb（铌）
• 缩小A（奥氏体）区，显著提高钢的相变点， 减小钢的淬硬倾向。 • 强碳化物形成元素，碳化铌沉淀强化了铁素体， 细化了晶粒，对屈服点和抗拉强度提高的效果 很大，但同时塑性和韧性有所下降。 • 铌可防止过热，减小钢的时效敏感性，改善钢 的焊接性能。 • 提高钢的室温、中温强度和热强性。 • 提高钢的耐蚀性、抗氧化性，防止晶间腐蚀。
1.3按金相组织分类
（1）铁素体钢:碳在α－Fe中的间隙固溶体. （2）珠光体钢:奥氏体在723℃（726℃）发生共 析反应的产物，由铁素体和滲碳体片层交替构 成一个组织组成体，为两相混合组织. （3）马氏体钢:碳在α－Fe中的过饱和固溶体 （4）贝氏体钢:奥氏体介于珠光体和马氏体转变 温度之间的转变 ，其组织由过饱和的α固溶体 和碳化物组成 （5）奥氏体钢:碳在γ－Fe中的间隙固溶体。碳 钢在高温下存在，奥氏体钢在室温下存在
Ti（钛）
• 缩显著提高钢的相变点，减小钢的淬硬倾向。 • 极强碳化物形成元素，在普通低合金钢和低合 金耐热钢中加入Ti，主要是通过形成碳化物起 沉淀强化作用，以此提高钢的室温、中温强度 和热强性。 • Ti可减小钢的过热倾向、时效敏感性，改善钢 的焊接性能。 • 提高钢的耐蚀性、抗氧化性，防止钢的石墨化。
晶间腐蚀倾向性检验实例
奥氏体不锈钢失效实例
运行4万小时左右
奥氏体不锈钢失效实例
运行17万小时
运行4万小时
1Cr18Ni9类不锈钢长期运行后组织变化
TP304H运行9万小时 晶界碳化物的析出，导致强度、硬度下降，规律 性尚需进一步研究
2.4奥氏体不锈钢的应力腐蚀：
• 介 质：同时含有溶解氧和 Cl-，PH=6-7时 敏感性比较高。 • 应力σ：但当σ 低于一临界值时，应力腐蚀 不发生。 • 冷变形：在冷变形量小时，应力腐蚀倾向 随变形量的增加而增大。
铁素体钢与奥氏体不锈钢的焊接
• 铁素体钢与奥氏体不锈钢焊接应按下述规定选用焊接 材料： • a）当设计温度低于或等于425 ℃时可选用铬镍含量为 25% Cr-13%Ni型的焊接材料； • b）当设计温度高于425 ℃时宜选用镍基焊接材料。
4.焊接结构设计
焊接结构设计的基本原则 （1）合理选择和利用材料 a.使用性能-强度、韧性、耐磨、抗腐蚀 b.加工性能-保证材料的焊接性 国际焊接协会推荐的碳当量公式： Cqe=C+Mn/6+Cr/5+Mo/5+V/5+Ni/15+Cu/15 根据以上计算公式判断钢材焊接性。 该公式主要适用于中高强度低合金钢（σb=500~900mp） • 使用国际焊接协会推荐的碳当量公式评价钢材焊接性 时，应以当次炉批号的材质单的化学成分来计算。 碳当量与焊接性的关系 Cqe＜0.40 焊接性良好 Cqe=0.40~0.60 在一定条件下焊接 Cqe＞0.60 不适合焊接
火电站异种钢焊接接头早期失效断口
3.焊接材料的选择
3.1焊材选用原则： 1.化学成分（同成分） 2.力学性能 (等强度） ※焊接接头等强度应理解为其强度性能不低于母材标准 规定的下限值
3.2异种钢焊接接头焊材的选用
不同铁素体钢的焊接
• 不同强度级别的低碳钢、低合金钢、珠光体耐热钢之 间的异种钢焊接接头，可按合金含量较低一侧母材或 介于两者母材之间选用焊接材料，也可按合金含量较 高一侧母材选用焊接材料，但应优先按合金含量较低 一侧母材选用焊接材料。（低匹配原则）
不同奥氏体不锈钢的焊接 • 不同奥氏体不锈钢的焊接接头，应选用保证
熔敷金属的Cr、Ni、Mo或Cu等的主要合金元 素的含量不低于合金含量较低一侧母材标准规 定的下限值的焊接材料。 • 有防止晶间腐蚀要求的焊接接头，应选用保 证熔敷金属中含有稳定化元素Ti、Nb或保证熔 敷金属含碳量小于或等于0.04%的焊接材料。
a 下图为低碳钢热影响区所处的温度区域、加热时发生 的变化和冷却到室温所得到的金相组织
b.不锈钢焊接接头各个区域组织和性能 奥氏体不锈钢焊接接头：焊缝、过热区、σ相脆化区、敏化区 ◇ 焊缝——奥氏体＋少量δ铁素体（少于5％）；单一铁素体。 ◇ 过热区——1100℃～1500℃。不锈钢在加热和冷却过程中不 发生相变，故该区域在高温或室温下均为奥氏体或铁素体。 该区温度高，接近钢熔点，晶粒长大严重，材料的塑性和 韧性降低。 ◇ σ相脆化区——650℃～850℃。在这一温度范围内若停留时间 长，铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢均可能析出σ相。结果材料的 塑性和韧性降低严重，抗腐蚀能力也有所下降。 ◇ 敏化区——450℃～850℃。材料在这一温度范围内停留一定 时间后，奥氏体不锈钢中的Cr和C在晶界形成碳化鉻 （Cr23C6），使奥氏体晶界处贫鉻，失去抗晶间腐蚀的能力。 不锈钢的σ相脆化区、敏化区、是在一定条件下出现的，只要 控制好焊接规范则可避免。关键在于控制温度的保持时间，希望 越短越好。故需要采用小规范、快速冷却等工艺措施，焊接中避 免工件温度过高。
Mo（钼）
Mo：能显著地提高钢的蠕变极限和持久 强度极限。能有效地抑制渗碳体的聚 集，并促进弥散的特殊碳化物析出。 Mo是决定奥氏体热强钢的高温蠕变断 裂强度的重要合金元素之一，它主要 起到了固溶强化作用。
Cu（铜）
Cu：在钢中不易形成碳化物，但是适量的Cu 可以起到复合强化的效果：在Cu溶于基体 中，对基体起到了固溶强化；经固溶处理后 Cu可产生沉淀强化作用。
Cr（鉻）
• 提高钢的抗氧化能力和耐蚀性，Cr2O3薄 膜。 • 高鉻钢中形成σ相，脆性的9～12％Cr钢 中形成Laves脆性相。 • 由于鉻能提高钢的淬透性，在焊缝及热 影响区易出现淬硬组织，甚至引起焊接 裂纹，故含鉻量高的钢可焊性差。 • 此外，高鉻钢易产生晶间腐蚀。
Ni（镍）
• Ni可细化晶粒，在提高强度的同时，使 钢的韧性、塑性保持良好，提高钢的抗 疲劳能力，减小钢的缺口敏感性，有效 地降低钢的时效敏感性。 • 增加钢的组织稳定性，提高钢的蠕变抗 力和耐腐蚀性。
1.2按用途分类 （1） 结构钢： 碳素结构钢、合金结构钢 （2） 耐热钢：低合金耐热钢、中合金耐热钢、耐热不锈钢 （3） 弹簧钢 （4） 轴承钢 （5）耐酸不锈钢 1.3按质量分类 （1）普通钢（磷含量≤0.045%，硫含量≤0.055%；或磷、硫 含量均≤0.050%） （2）优质钢（磷、硫含量均≤0.040%） （3）高级优质钢（磷含量≤0.035%，硫含量≤0.030%）
2.3 奥氏体不锈钢的晶间腐蚀
• 敏化区间：450℃～850℃ • 机理：在敏化温度区间组织性质不稳定，最易析出连 续的、网状的Cr23C6，导致晶界附近Cr的贫化 • 开裂形式：在应力作用下管样沿外壁向内壁呈现沿晶 开裂 • 防止措施：低碳不锈钢，含C量≤0.03%，碳含量的降 低可有效的减少碳化物析出造成的晶间腐蚀。加入碳 化物稳定化元素。 • 检验手段：晶间腐蚀倾向性检验
1.4按冶炼方法分类
（1）平炉钢（酸性平炉钢、碱性平炉钢） （2）转炉钢（酸性转炉钢、碱性转炉钢） （3）电炉钢（电弧炉钢、电渣炉钢、感应炉钢、 真空感应炉钢、真空自耗炉钢、电子束炉钢）
2.金属学基本知识 2.1合金元素在钢中的作用
C（碳）
• 碳含量增加，钢的常温、中、高温拉伸强度、 硬度提高，塑性、韧性下降。但随着温度的提 高，碳的这种影响亦减弱。 • 碳含量增加，钢的焊接性能劣化，热影响区产 生淬硬组织；冷变形性能变差；但碳含量增加 可降低钢的时效敏感性，故也不宜过低。
• 2．缺欠与缺陷的区别和关系
(1）对于焊接接头的使用性能（Fitness-For-Purpose，简 写为FFP）构成危险的缺欠即为缺陷。 （2）缺陷是必须予以去除或修补的一种状况。缺陷 （Defect）意味着焊接接头是不合格的，因而必须采用 修理（复）措施，否则就应报废。 （3）缺欠可否容许，由具体技术标准规定，对有具体缺 欠的接头是否判废，要根据使用性准则（FFP准则）来 判断，如果不能满足具体产品的具体使用要求，则应 判为“缺陷”，否则便不应看作“缺陷”，而应视为 “缺欠”。〔缺欠是标准允许的，缺陷是标准不允许〕
• （2）广义的分类 • 1）从表观上分为三类：成形缺欠、接合缺欠、性能缺 欠。 • 2）从主要成因上分为三类：构造缺欠、工艺缺欠、冶 金缺欠。 • 3）从缺欠分布上分类：焊缝缺欠、HAZ缺欠、熔合区 缺欠和母材缺欠。也可分为表面缺欠（外观可见）和 内部缺欠（须用无损探伤方法检测）。 • 4）从影响断裂机制分类 • ①平面缺欠——裂纹、未熔合、未焊透及线状夹渣； • ②非平面缺欠——气孔及圆形夹渣；
〔缺欠的定义〕 缺欠就是焊接接头上出现的一种不连续 性，诸如力学性能、冶金特性或物理特性上的不均匀 性。 美国AWS对缺欠的定义为，它是泛指焊接接头中一切不 连续性、不完善性、不健全性、不均匀性等，缺欠就 是有所欠缺。 [ 缺陷的定义] 性质或累积效应（如裂纹总长）某一零件 或产品达不到有关验收标准或材料最低要求的单个或 多个不连续。这一术语表示拒收。
（2）合理设计结构形式
a.尽量减少焊接量 V形坡口加工方便，但对同样厚度的焊件，采用V形坡 口比采用X形坡口多耗费近1倍的焊条或焊丝 b.合理布置焊缝 焊缝宜对称的布置，有利于控制焊接变形；要避免焊缝 立体交叉和在一处集中大量焊缝
(二)焊接缺欠与对策
1.焊接缺欠与缺陷的定义 不论采用何种焊接方法施焊，都会在焊缝上产生 裂纹、气孔、夹渣、未焊透、未熔合、偏析、 咬边、焊瘤、内凹以及偏折、错口、等“缺 陷”。这个缺陷这是我们习惯的称法。但是， 它分不清哪些是规程（规范）中允许的，哪 些是不允许的。因此，国际焊接学会（IIW ） 明确表示不推荐采用缺陷（Defect ）一词， 推荐采用缺欠(Imperfection)一词。
热裂纹：焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相 线附近的高温区产生的焊接裂纹。 弧坑裂纹：引弧或息弧时在弧坑中产生的热裂纹。
横向裂纹
15MnVN钢埋弧自动焊缝典型 的中心偏析引起的பைடு நூலகம்晶裂纹
冷裂纹：焊接接头冷却到较低温度下（对于钢来说在MS温度 以下）时产生的焊接裂纹。
气孔:焊接时，熔池中的气泡在凝固时未能逸出而残留下来所形 成的空穴。气孔可分为密集气孔、条虫状和针状气孔等。 根据形成气孔的气体来源，焊缝中的气孔主要有氢气孔、氮气
焊接技术讲义
内 容
（一）焊接基本知识 （二）焊接缺欠与对策 （三）焊接质量控制
（一）焊接基本知识
1.钢铁材料的分类 1.1 按化学成分分类 （1） 碳素钢 低碳钢（碳含量≤0.25%） 中碳钢（碳含量0.25%～0.60%） 高碳钢（碳含量>0.60%） （2） 合金钢 低合金钢（合金元素含量≤5%） 中合金钢（合金元素含量5%～10%） 高合金钢（合金元素含量>10%）