12 金屬的焊接性能1

1、過程裝備制造工藝 2013 癸巳年 十二 金屬的 焊接性能 1 金屬焊接性概念 為評價材料在焊接加工過程中難易程度，提出焊接性，便 于正確評定材料所具有的焊接加工性能，從而制訂出相應 合理的焊接工藝。 被焊金屬在采用一定的焊接方法、焊接材料、工藝參數(shù)及 結(jié)構(gòu)型式條件下，獲得優(yōu)良接頭的難易程度。 一是工藝可焊性，指焊接加工中是否容易形成缺陷（如裂 紋、氣孔等），即對冶金缺陷的敏感性； 二是使用可焊性，焊接接頭使用中的可靠性，包括焊接接 頭的機械性能及其他特殊性能（如耐熱、耐蝕性能等） 2 焊接接頭中存在的問題 熱影響區(qū)的性能變化 脆化 過熱區(qū)的脆化最為嚴重，也是普遍存在的問題。 過熱區(qū)脆化的原因

2、與含碳量有關(guān) 含碳量較低熱軋鋼，如16Mn，減小線能量，則能防止出 現(xiàn)粗晶組織，避免脆化。 含碳量偏高熱軋鋼，線能量過大引起粗晶脆化，線能量偏 小，冷速過大時還會形成硬脆的馬氏體組織而引起脆化。 正火鋼 脆化不僅與線能量有關(guān)，與沉淀元素的含量有關(guān)。對于含 碳量較高、合金元素較多的正火鋼，線能量過小還會使過 熱區(qū)因為出現(xiàn)硬脆的馬氏體而脆化。 調(diào)質(zhì)鋼 低碳調(diào)質(zhì)鋼，焊接線能量較大，冷卻速度較慢時，引起 晶粒粗化，由于析出的鐵素體量增多，馬氏體和貝氏體中 的碳含量增高而導致過熱區(qū)脆化。 中碳調(diào)質(zhì)鋼，合金元素多，冷速越快，馬氏體數(shù)量多， 接頭脆化越嚴重。 軟化 調(diào)質(zhì)鋼，熱影響區(qū)中加熱峰值溫度超過鋼的調(diào)質(zhì)

3、處理的回 火溫度并低于Acl的部位都會出現(xiàn)軟化 接頭軟化的程度和范圍與焊接線能量及預熱溫度有關(guān)。線 能量越低，加熱冷卻速度越快，軟化程度越小 低碳調(diào)質(zhì)鋼，采用較小的線能量，可減輕軟化程度，又有 利于防止脆化 中碳調(diào)質(zhì)鋼，采用集中熱源 焊接裂紋 裂紋是接頭的成分、組織、和應力綜合作用的結(jié)果，有的 裂紋還與介質(zhì)有關(guān)。 斷裂力學研究， 從量的方面確定在一定的工作條件下允 許存在的裂紋(部位、形狀和尺寸) 。 焊接裂紋可能產(chǎn)生在焊縫區(qū) 也可能產(chǎn)生在熱影響區(qū)或熔合處 有時出現(xiàn)縱向裂紋、有時出現(xiàn)橫向裂紋 在斷弧處還會出現(xiàn)弧坑裂紋 裂紋本質(zhì)分為熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋、層狀撕裂等 熱裂紋 形成 焊縫凝固或高

4、溫時形成 外形特征具有晶間破壞的性質(zhì)，在多數(shù)情況下裂紋面上有 強烈氧化的顏色(深藍色或黑色)，多出現(xiàn)在焊縫上。 分微觀裂紋和宏觀裂紋兩種，微觀裂紋沿晶界分布 焊縫凝固過程成分偏析，晶粒間和熔池的中心部位雜質(zhì)偏 聚，當存在低熔點共晶體，熔池的其它部位都凝固時，而 晶粒間和熔池的中心局部還處于液態(tài)，變形阻力幾乎為零 時，若焊接拉伸應變很大，則可能使晶界被拉開，冷卻后 就成為裂紋。 這種低熔點共晶體較多，能在晶粒間形成一定大小面積的 薄膜層時，就具備形成熱裂紋的條件。 熱裂紋主要影響因素 與焊接拉伸應變情況等因素有關(guān) 與焊縫凝固過程中低熔點共晶體的數(shù)量及分布因素有關(guān) 實踐證明，熱裂紋的形成主要是由于

5、硫在晶間形成低熔點 的硫化物及其共晶體，受到一定拉伸應力而引起的，并且 硫的有害作用與鋼中的其它一些元素有著密切的聯(lián)系。 C，Si，Ni促進結(jié)晶裂紋的形成；大多數(shù)情況看，焊縫金 屬中存在低熔點共晶體是形成熱裂紋的必要條件。 預防措施 根本措施是嚴格選材，控制焊縫化學成分，限制碳、硫、磷 含量。 在工藝上采取下列措施，預防高溫熱脆，避免熱裂紋產(chǎn)生； 同時還要控制焊接應力。 a 焊縫中加入細化晶粒元素和脫雜質(zhì)元素 Mn與S結(jié)合成MnS利于除硫，當焊縫中MnS比值達到一定的 數(shù)值時，即可防止結(jié)晶裂縫。 b 變質(zhì)處理 焊縫摻入較高熔點的合金元素Ti、V等 增加結(jié)晶時熔池中的晶核數(shù)量，細化晶粒，生成的低

6、熔點共 晶體更分散而不能形成薄膜狀，達到控制熱裂紋的作用。 代替焊縫中的C元素，保證強度前提下降低C含量，降低焊縫 凝固時的成分偏聚程度，對控制熱裂紋有利。 C 其它方法 焊前預熱、大的線能量等，降低焊接速度，降低剛性 防止弧坑裂紋關(guān)鍵，弧坑由于冷速更快，凝固收縮時約束 更大，故容易出現(xiàn)熱裂紋。 d 焊接工藝及焊件結(jié)構(gòu) 焊接接頭的拘束度，反映在拉伸應變上 提示：預防熱裂紋的根本措施是嚴格選材，控制焊縫化學 成分,限制碳、硫、磷含量?？刂颇覆幕瘜W成分，其它只 是輔助辦法。 對壓力容器等重要構(gòu)件，設置引弧板和熄弧板 冷裂紋 低、中合金高強鋼，冷裂紋是一個研究的主要問題 隨著強度級別的提高，問題變得

7、愈來愈嚴重 高強鋼焊接中冷裂紋占90% 冷裂紋形態(tài) 冷裂紋分布形態(tài)是復雜多樣 焊道下、熱影響區(qū)冷裂紋，一般不露于焊縫表面 缺口冷裂紋，有應力集中的缺口部位，與應力集中及組織 塑性差直接相關(guān) 橫裂紋，裂紋起源于熔合線，走向垂直于熔合線 過渡層裂紋，只發(fā)生于奧氏體焊條焊接合金結(jié)構(gòu)鋼時的過 渡層或焊縫未熔合區(qū) 冷裂紋生成溫度200以下，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度以下 冷裂紋可很快生成 也可延遲幾天生成-延遲裂紋，制造過程中無法檢測， 更具有危險性 冷裂紋斷裂面屬脆性斷口 冷裂紋的生成條件 應力因素；擴散氫；淬硬組織 拉應力是造成裂紋的必要條件 應力與焊接結(jié)構(gòu)的形式、板厚度、材料機械性能、接頭形 式、焊接工藝等多

8、種因素有關(guān)。 擴散氫 不同材料氫的溶解度不同 應力集中或缺口等有塑性應變的部位常會產(chǎn)生氫的局部聚 集，氫的“應力誘導擴散”現(xiàn)象。 若氫的擴散速度較慢或含氫量較少，則氫的聚集就要在焊 后經(jīng)過一段時間才能出現(xiàn)，形成延遲裂紋延遲裂紋。 脆性組織 塑性好是阻止裂紋擴展的重要條件 低塑性組織基本是馬氏體，是淬火的產(chǎn)物，粗馬民體比細 馬民體更脆,含碳量高的更脆 低碳合金結(jié)構(gòu)鋼 較高溫度生成的馬民體自身回火效應，降低脆性 控制冷裂紋措施 減少擴散氫，降低接頭內(nèi)應力，降低接頭組織的脆性 尤其避免生成粗大的較高含碳量的馬氏休 預熱 預熱對克服冷裂織有綜合作用，不宜過高以免過熱嚴重而 降低接頭塑性、韌性。 多層焊

9、 但是，層間溫度沒有合理控制，時效果可靠性就差多了 再熱裂紋 實際有消除焊接應力效果的加熱過程中 消除應力處理裂紋 更多見于壁厚容器焊縫中 特征 發(fā)生在近縫區(qū)的粗品區(qū)中，具有晶間斷裂性質(zhì) 以大的殘余應力或應變?yōu)闂l件 有一個敏感溫度區(qū)，低合金高強度鋼一般在500700， 隨鋼種而異。 還未能對生成機理有全面確切的了解 解釋不盡相同，各解釋只能適應某些特征 晶內(nèi)二次硬化 晶內(nèi)受熱時出現(xiàn)沉淀相，碳化物是沉淀相。析出沉淀相后 晶內(nèi)強于晶界,于是品界就成為應變集中處。 晶界雜質(zhì)的析集 晶界上在再加熱時析集有害雜質(zhì)降低晶界塑變能力 材料成份起主導作用 控制措施 慎重選用材料的合金系統(tǒng) 降低焊接應力，減小接

10、頭剛度 預熱，200400 降低焊縫強度 選擇合理的焊后熱處理工藝， 避開敏感溫度區(qū) 3 金屬焊接性評價和試驗 工藝焊接性還是使用焊接性 評定判斷方法有三種 實際焊接法 模似焊接法 理論估算法 3.1 工藝焊接性試驗方法 指定的焊接工藝條件下，獲得組織、性能均勻一致，無缺 陷的焊接接頭的能力，對焊接缺性的敏感程度。 試驗方法分兩類：間接估算法，直接試驗法 間接估算法：碳當量法，冷裂紋敏感性估算法，熱影響區(qū) 最高硬度法 碳當量Ceq 習慣把合金元素對淬硬、冷裂影響折合成碳的影響 Ceq 例如：鋼材中每增加含錳量WMn=0.6對鋼材淬硬、冷裂 的影響相當于增加含碳量WC=0.1的效果，則錳的含量以

11、 1/6計入碳當量。 國際焊接學會的碳當量Ceq(W)公式 (%) 5156 )( VMoCrCuNiMn CC Weq Ceq0.60%，塑性較低，淬硬傾向很強，焊接性不好。 必須預熱到較高溫度 采取減少焊接應力和防止開裂的工藝措施 焊后進行適當?shù)臒崽幚?碳當量法適用于中、高強度的非調(diào)質(zhì)低合金鋼 冷裂紋敏感系數(shù)冷裂紋敏感系數(shù)Pc 日本的伊藤用斜Y形坡口分別用200多種鋼進行大量實驗， 求出鋼材焊接冷裂紋敏感性系數(shù)Pc如下： h板厚mm； H焊縫金屬中擴散氫含量ml(100g)-1 Pc適用普通低合金鋼 斜Y形坡口對接裂紋試驗時，最低預熱溫度P P=1 440Pc-392() (%) 60 6

12、00 5 10152060202030 Hh B VMoCrNiCuMnSi CP C 焊接熱影響區(qū)最高硬度法焊接熱影響區(qū)最高硬度法 通過控制熱影響區(qū)最高硬度低于某一值，使過熱區(qū)不出現(xiàn) 裂紋，相當于控制過熱區(qū)組織。 鋼種鋼種s/MPas/MPab/MPab/MPaPcPcCeq(IIW)Ceq(IIW)HVmaxHVmax 16MnR16MnR353353520520637637 0.24850.24850.41500.4150390390 15MnVR15MnVR392392559559676676 0.24130.24130.39930.3993400400 斜斜Y形坡口焊接裂紋試驗法形坡

13、口焊接裂紋試驗法 小鐵研式抗裂試驗 試板 被焊材料制成試板，兩端用焊縫固定，中間為試驗焊縫。 試板坡口如圖所示 固定焊縫與試驗焊縫間預留間隙23mm 兩端固定對焊縫有拘束作用，其拘束程度往往比實際結(jié)構(gòu) 的長焊縫還要大。 試驗焊縫如圖所示 斜Y形坡口試樣裂紋大多從焊縫根部尖角處開始，這里既 有組織轉(zhuǎn)變引起的脆化，又有力學角度上的缺口效應引起 的應力集中，最容易開裂。 裂紋發(fā)生率計算裂紋發(fā)生率計算 表面裂紋發(fā)生率計算 用放大鏡觀察表面裂紋，記錄整個表面裂紋長度 表面裂紋發(fā)生率(L1L2)/( Lc)100% (Li/Lc)100% 斷面裂紋發(fā)生率計算斷面裂紋發(fā)生率計算 將試件焊縫橫向切成同樣厚度的

14、6片，檢查5個斷面的裂 紋深度。 斷面裂紋發(fā)生率(h1h2)/(5H)100% 一般認為，只要裂紋發(fā)生率小于20，在實際生產(chǎn)中就不 致發(fā)生裂紋 評定焊接接頭或焊接結(jié)構(gòu) 的使用性能 需要試驗的內(nèi)容更為復雜 常規(guī)力學性能試驗常規(guī)力學性能試驗 測定焊接接頭(包括母材焊縫金屬和熱影響區(qū))在不 同載荷作用下的強度、塑性和韌性。 拉伸試驗 沖擊試驗 帶V形缺口或U形缺口 彎曲試驗 應變時效敏感性試驗 焊接接頭及堆焊金屬硬度試驗法 焊接接頭抗脆斷性能試驗焊接接頭抗脆斷性能試驗 抗脆性能與溫度的關(guān)系非常密切 GB6803一1986做落錘試驗，溫度逐漸，則會產(chǎn)生無塑性 變形的完全斷裂(脆斷) 無塑(延)性轉(zhuǎn)變溫度(NDT) 表示材料接近屈服強度并存在小缺陷的情況下，發(fā)生脆 性破壞的最高溫度 彈性斷裂轉(zhuǎn)變溫度（FTE) 溫度達到FTE后，斷裂強度不管缺陷尺寸如