材料成形工藝：第12章 金屬構(gòu)件的焊接工藝設(shè)計(jì)

1、第12章金屬構(gòu)件的焊接工藝設(shè)計(jì)Metal structure welding & design 第三講 金屬連接成形工藝1第一節(jié) 金屬構(gòu)件常用材料的焊接第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)2焊接性合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接 熱軋鋼; 低碳調(diào)質(zhì)鋼; 中碳調(diào)質(zhì)鋼;不銹鋼鋁合金斷裂韌性降低,焊接接頭局部脆化.粗晶脆化,再熱脆化1 金屬焊接性金屬焊接性是指金屬材料是否具有適應(yīng)焊接加工，以及在焊接加工后是否能在使用條件下安全運(yùn)行的能力。兩方面的內(nèi)容： 結(jié)合性能； 例：低碳鋼與鑄鐵 使用性能； 例：不銹鋼第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)31.1 影響材料焊接性的因素（一）材料因素 材料本身的化學(xué)成分、組織狀態(tài)和力學(xué)性能

2、（二）工藝因素焊接方法和焊接工藝規(guī)程，熱處理工藝（三） 結(jié)構(gòu)因素 剛度、拘束應(yīng)力（四） 使用條件 承受載荷的性質(zhì)和工作溫度的高低、工作介質(zhì)的腐蝕性第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)4第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)1.2 焊接性的評(píng)定 1) 根據(jù)被評(píng)定材料的有關(guān)數(shù)據(jù)或圖表(如化學(xué)成分、化學(xué)性能、物理性能、CCT圖或SHCCT圖等)對(duì)其焊接性進(jìn)行初步分析。對(duì)于生產(chǎn)單位，分析要結(jié)合產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式與具體的生產(chǎn)條件。 2) 在上述分析的基礎(chǔ)上，還必須進(jìn)行焊接性試驗(yàn)。按照試驗(yàn)性質(zhì)的不同，焊接性實(shí)驗(yàn)又可分為實(shí)焊性試驗(yàn)與模擬性試驗(yàn)兩類。 51.3 分析金屬焊接性的方法一、利用化學(xué)成分分析1.碳當(dāng)量法2.焊接冷

3、裂紋敏感指數(shù)(Pc)二、利用CCT圖分析臨界冷卻時(shí)間、冷卻速度與組織三、利用材料的物理性能分析金屬的熔點(diǎn)、導(dǎo)熱系數(shù)、密度、線脹系數(shù)、熱容量等因素，都對(duì)熱循環(huán)、熔化、結(jié)晶、相變等過程產(chǎn)生影響第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)6四、利用材料的化學(xué)性能分析鋁、鈦合金與氧的親和力較強(qiáng)，在焊接高溫下極易氧化因而需要采取較可靠的保護(hù)方法，如：惰性氣體保護(hù)焊，真空中焊接等五、利用合金相圖分析主要是分析熱裂紋傾向。依照成分范圍，查找相圖，可知道結(jié)晶范圍，脆性溫度區(qū)間的大小，是否形成低熔點(diǎn)共晶物，形成何組織等7第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)六、從焊接工藝條件分析焊接性熱源特點(diǎn)各種焊接方法所采用的熱源在功率、能量

4、密度、最高加熱溫度等方面有很大的差別，使金屬在不同工藝條件下焊接時(shí)顯示出不同的焊接性電渣焊：功率很大，能量密度很低，最高加熱溫度也不高，加熱緩慢，高溫停留時(shí)間長(zhǎng)，焊接熱影響區(qū)晶粒粗大，沖擊韌度下降電子束焊、激光焊：功率小、能量密度高、加熱迅速、高溫停留時(shí)間段、熱影響區(qū)窄、沒有晶粒長(zhǎng)大危險(xiǎn)保護(hù)方法保護(hù)方法是否恰當(dāng)也會(huì)影響金屬焊接性的效果8六、從焊接工藝條件分析焊接性熱循環(huán)的控制正確選擇焊接工藝規(guī)范控制焊接熱循環(huán)預(yù)熱、緩冷、層間溫度改變焊接性其它工藝因素徹底清理坡口及其附近焊接材料處理、烘干、除銹、保護(hù)氣體要提純、去雜質(zhì)后使用合理安排焊接順序正確制定焊接規(guī)范第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)9第12

5、章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)1 國(guó)際焊接學(xué)會(huì)（IIW）推薦的公式為： Ceq=C+Mn/6+(Ni+Cu)/15+(Cr+Mo+V)/5(%) 適用于中、高強(qiáng)度的低合金非調(diào)質(zhì)鋼。 Ceq0.6%時(shí)，鋼材的淬硬傾向大，焊接性差。10第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)Ceq值作為評(píng)定冷裂敏感性指標(biāo)，只涉及鋼材本身，并未考慮其他一些因素，如接頭拘束度、擴(kuò)散氫等的影響，因此，不能準(zhǔn)確反映實(shí)際構(gòu)件的冷裂紋傾向。11第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)2. 冷裂紋敏感指數(shù)（Pc） Pc公式綜合考慮了產(chǎn)生冷裂紋三要素(淬硬傾向、拘束度和擴(kuò)散氫含量) 的影響，使計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確，Pc公式如下：Pc=Pcm+H/60+/

6、600(%) Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu +Cr) /20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B(%) 式中 Pcm化學(xué)成分的冷裂敏感指數(shù)；板厚（mm）； H焊縫中擴(kuò)散氫含量（mL/100g） 此式適用條件： C ：0.07%0.12%；Si0.60%； Mn：0.4%1.40%； Cu0.5%；Ni1.20%；;Cr1.20%； Mo0.70%； V0.12%；Nb0.04%； Ti0.05%；B0.005%；=1950mm；H=1.05.0mL/100g(GB369583測(cè)氫法)12HSLA 的焊接性 焊接問題: 凝固裂紋 冷裂紋 HAZ 脆化 HAZ 軟化第12章 金屬構(gòu)件焊

7、接的工藝設(shè)計(jì)13第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)延遲裂紋14第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)solidification cracking15可焊性較好;適應(yīng)各種焊接方法Shielded metal arc welding (SMAW) ,or Manual arc weldingSubmerged arc welding (SAW)Carbon-dioxide arc weldingElectron-slag welding, etc.主要有兩類問題：1）冶金缺陷：裂紋2）性能變化：脆化2.1.1 熱軋、正火鋼的焊接性分析2、合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接2.1 熱軋、正火鋼的焊接第12章 金屬構(gòu)件焊接的

8、工藝設(shè)計(jì)16冷裂紋：是這類鋼的主要問題。 焊接過程中是否形成對(duì)氫敏感的淬硬組織是評(píng)定材料焊接性的重要指標(biāo)。鋼材的化學(xué)成分、淬硬傾向和冷裂傾向三者之間存在密切聯(lián)系，這是分析問題的出發(fā)點(diǎn)。第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)17A.淬硬傾向與冷裂傾向的關(guān)系熱軋鋼：第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)18第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)19母材：第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)203# M100第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)214# B3M97第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)226# F5B86M9第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)237# F10P5B85第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)2412# F60

9、P40第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)25第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)26 7# 11# 母材 1# 3# 4#第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)27正火鋼：15MnVN第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)2818MnMoNbB.碳當(dāng)量與冷裂傾向的關(guān)系 一般認(rèn)為：CE0.4%時(shí)，基本無淬硬現(xiàn)象，與低碳鋼相同；s=294392MPa的熱軋鋼屬此。16Mn,14MnNb.CE=0.40.6%時(shí)，鋼的淬硬性增加，屬于有淬硬傾向的鋼， s=441490MPa的正火鋼屬此。 CE不超過0.5%時(shí)，焊接性尚可，隨板厚增加，要采用預(yù)熱措施。15MnVN,CE0.5%時(shí)，淬硬性增加，冷裂傾向增加，就需采用嚴(yán)格的

10、工藝措施。18MnMoNb第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)29C. HAZ最高硬度值與冷裂傾向的關(guān)系Hmax HV350.序號(hào)預(yù)熱溫度()最高硬度(HV)斜Y型坡口試驗(yàn)裂紋率%表面斷面1室溫38419702503750433100329016.84130-00第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)302.1.2 HAZ的性能變化1） 過熱區(qū)脆化 1200C熔點(diǎn)區(qū)域，A顯著長(zhǎng)大，難熔質(zhì)點(diǎn)熔入（C，N化物）； 冷卻后，易形成魏氏體、粗大馬氏體以及塑性很低的混合組織。 過熱區(qū)的韌性與線能量、化學(xué)成分有很大的關(guān)系。第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)31熱軋鋼：線能量過大，粗晶區(qū)將晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大或出現(xiàn)魏氏組織，降

11、低韌性； 線能量過小，粗晶區(qū)M比例增大而降低韌性。正火鋼：粗晶區(qū)組織受焊接熱輸入的影響更為顯著，Nb,V微合金化的14MnNb 、Q420等在熱輸入過大時(shí)，粗晶區(qū)的Nb(C,N)、V(C,N)析出將固熔于A中，失去組織細(xì)化作用，粗晶區(qū)將產(chǎn)生粗大的粒狀貝氏體、上貝氏體使韌性降低，還會(huì)在不完全相變區(qū)形成M-A組元，使其脆化。第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)32第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)33第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)34第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)3520#魏氏組織第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)3620#魏氏組織第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)3716Mn過熱區(qū)魏氏組織第12章 金

12、屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)382）熱應(yīng)變脆化第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)392.1.3熱軋及正火鋼的焊接工藝特點(diǎn) 1）焊接材料的選擇按強(qiáng)度選擇焊接材料，而不是按化學(xué)成分選擇材料；要考慮熔合比和冷卻速度；必須考慮焊后熱處理對(duì)焊縫機(jī)械性能的影響；第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)402）焊接工藝參數(shù)的確定（1）焊接線能量16Mn;15MnVN;18MnMoNb (2) 預(yù)熱a.與材料的淬硬現(xiàn)象有關(guān)；b.與焊接時(shí)的冷速有關(guān)；c.與拘束度有關(guān)；d.與焊后是否熱處理有關(guān)第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)41（3）焊接后熱及焊后熱處理 a.焊接后熱及消氫處理 b.焊后熱處理 c.消除應(yīng)力處理第12章 金屬構(gòu)件焊

13、接的工藝設(shè)計(jì)42 低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接性主要問題是冷裂紋、熱影響區(qū)組織脆化及軟化。2.2低碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)432.2.1 低碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接性分析1）焊縫中的熱裂紋 含C量低，S、P雜質(zhì)控制很嚴(yán)。2）HAZ液化裂紋 關(guān)鍵是控制C和S，保證高的Mn/S比，在高Ni時(shí)，更應(yīng)如此。 TFeS=1190 C T( FeS-r)共晶=913 C TFe3P=1160 C T( Fe3P-r)共晶=1050 C T( Ni3S2)=644 C T(Ni3S2 -Ni)共晶=880 C T( Ni3Si)=1150 C 工藝因素對(duì)液化裂紋也有重要作用，如線能量。第12章 金屬構(gòu)件焊接的

14、工藝設(shè)計(jì)443）冷裂紋 Ms點(diǎn)很高，若冷速較慢，則有自 回火作用，可以避免冷裂(下圖為T-1鋼)。第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)45HT80第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)464）再熱裂紋 為加強(qiáng)淬透性和抗回火性加入一些合金元素中，大多是能引起再熱裂紋的元素，如：Cr、Mo、Cu、V、Nb、Ti、B、V的影響最大，Mo次之，V和Mo同時(shí)加入時(shí)就更為嚴(yán)重。 一般認(rèn)為：Cr-Mo-V鋼，Cr-Ni-Mo鋼，Cr-Ni-Mo-V鋼，Ni-Mo-V鋼對(duì)再熱裂紋敏感。 如：HT80，14MnMoNbB等。650 C 的焊后回火要注意。第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)47第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)

15、48 5）HAZ的性能變化 A. 過熱區(qū)脆化 與t 8/5以及獲得的組織有關(guān)和晶粒尺寸有關(guān)。第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)49第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)50第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)51 B. HAZ的軟化 是焊接低碳調(diào)質(zhì)鋼的普遍問題，強(qiáng)度越高，軟化越嚴(yán)重，軟化程度和軟化區(qū)的寬度與焊接工藝有關(guān)。第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)522.2.2 低碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接工藝特點(diǎn) 1）焊接工藝方法和焊接材料的選擇 焊后不再進(jìn)行熱處理時(shí)，必須盡量限制焊接過程中熱量對(duì)母材的作用。s980N/mm2,必須采用鎢極氬弧焊、電子束焊；s980N/mm2，手工焊，埋弧焊，氬弧焊等都可采用，焊接材料按等強(qiáng)原

16、則選用，剛性很大時(shí)，可采用低強(qiáng)原則。第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)53 2）焊接工藝參數(shù)的選擇第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)542.3 中碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接在退火狀態(tài)下進(jìn)行焊接，焊接接頭的性能靠焊后調(diào)質(zhì)處理來保證。焊接過程主要防止裂紋，焊后要及時(shí)進(jìn)行消除應(yīng)力的退火處理，焊前也需要預(yù)熱和保溫處理。焊接材料的選擇要保證調(diào)質(zhì)熱處理的強(qiáng)度要求。第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)553.不銹鋼的焊接鐵素體不銹鋼的焊接問題:焊縫和HAZ的晶粒長(zhǎng)大, 脆性和韌性接頭脆性晶間腐蝕焊接要點(diǎn)予熱低熱輸入,以及后熱第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)56CNTiCuCr0.0080.010.30.4321第12章 金屬構(gòu)

17、件焊接的工藝設(shè)計(jì)57馬氏體不銹鋼的焊接問題 :焊接性差冷裂紋HAZ的軟化 焊接要點(diǎn)TIG or MIG 焊預(yù)熱 后熱第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)58奧氏體不銹鋼的焊接問題:焊接性好晶間腐蝕 應(yīng)力腐蝕開裂焊接要點(diǎn)不預(yù)熱避免過熱和后熱第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)594.鋁及鋁合金的焊接焊接問題:氧化氫氣孔 焊縫熱裂紋 低的接頭強(qiáng)度 低的耐蝕性 燒穿問題第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)60焊接要點(diǎn) 鋁及鋁合金的獨(dú)特性質(zhì),焊接工藝參數(shù)和設(shè)備與焊接合金鋼不同; 與鋼相比,鋁及鋁合金的導(dǎo)熱及導(dǎo)電性能更好;焊接與鋼相同的厚度時(shí),要求更高的電壓和電流;第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)61鋁的熱脹和冷縮

18、是是鋼的2倍; 焊接變形比焊接鋼要大;鋁比鋼軟,因此夾具要有差別. For GMA (MIG) welding thick structural parts, such as 6 mm ( in.) or thicker, a 208A or 220A machine is recommended 第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)62第二節(jié) 焊接方法的選擇第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)63General joining processesSMAWGas weldingSAWTIG(GTAW)MIG(GMAW) ,MAG,CO2PLAWEBW, Laser WeldingResistance

19、welding, (Table 14-1)第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)64第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)6566第三節(jié) 金屬構(gòu)件焊接接頭的設(shè)計(jì)第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)67第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)一、熔焊接頭及焊縫設(shè)計(jì)1. 焊縫的基本型式對(duì)接焊縫和角焊縫682 . 焊接接頭型式及坡口選擇第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)69焊接材料的消耗量，對(duì)于同樣厚度的焊接接頭，采用 X形坡口比V形坡口能省較多的焊接材料、電能和工時(shí)，構(gòu)件越厚節(jié)省的越多?？珊傅叫?，它是選擇坡口型式的重要條件之一。一般說，要根據(jù)構(gòu)件能否翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)難易，或內(nèi)外兩側(cè)的焊接條件而定。對(duì)不能翻轉(zhuǎn)的和內(nèi)徑較小的容器、轉(zhuǎn)子及軸類的對(duì)接焊縫，為了避免大量的仰焊和不能或不便從內(nèi)側(cè)施焊，都宜采用V形或U形坡口。坡口加工，X形和V形坡口可用氣割或等離子切割，亦可用機(jī)械切削加工。但， U形和雙U形坡口， 一般需用刨邊機(jī)加工。焊接變形，采用不適當(dāng)?shù)钠驴谛褪饺菀桩a(chǎn)生較大的焊接變形，如果坡口型式適宜，工藝合理，則可有效地減小焊接變形。第12章 金屬構(gòu)件焊接的工藝設(shè)計(jì)坡口設(shè)計(jì)與選擇原則：703. 焊縫設(shè)計(jì) 焊縫的位置應(yīng)便于施工; 盡量減小焊縫數(shù)量； 避開高精度加工表面； 避開應(yīng)力集中部位； 避免截面突變； 避免多條焊縫相交和銳角連接； 避免加蓋板； 承受