金屬焊接性及其試驗(yàn)方法課件

1、金屬焊接性及其試驗(yàn)方法第一節(jié) 金屬焊接性概念一、金屬焊接性（Weldability)金屬焊接性：就是金屬是否能適應(yīng)焊接加工而形成完整的、具備一定使用 性能的焊接接頭的特性。金屬焊接性的概念有兩方面內(nèi)容：金屬在焊接加工中是否容易形成缺陷結(jié)合性能（好不好焊）焊成的接頭在一定的使用條件下可靠運(yùn)行的能力使用性能（好不好用）衡量金屬焊接性的好壞的標(biāo)準(zhǔn)： 焊接性好：焊接工藝過程簡單而接頭質(zhì)量高、性能好時(shí)，就稱作焊接性好。 焊接性差：焊接工藝過程復(fù)雜而接頭質(zhì)量低、性能差時(shí)，就稱作焊接性差。 金屬焊接性的影響因素： 金屬焊接性主要是金屬本身所固有的性能，但母材和焊接材料的成分以及焊接工藝條件都對(duì)焊接性有重要的

2、影響，因此，分析焊接性不能完全脫離工藝條件。二、金屬的焊接性分析 除直接采用焊接試驗(yàn)的方法來確定金屬的焊接性之外，通過分析金屬的化學(xué)成分、物理特性、與各種氣體的親和力、相圖特點(diǎn)、CCT圖或SHCCT圖、熱處理狀態(tài)、焊接工藝條件、保護(hù)方式、工藝措施等，均可以在某種程度上評(píng)價(jià)金屬的焊接性。（一）從金屬的特性分析焊接性利用化學(xué)成分分析（1）碳當(dāng)量（Carbon Equivalent, CE或Ceq)：為評(píng)估鋼材的焊接性,將各種合金元素按其對(duì)鋼材淬硬、冷裂及脆化等現(xiàn)象的影響作用大小折算成碳的相當(dāng)含量,稱為碳當(dāng)量國際焊接學(xué)會(huì)(IIW)采用：上式適用于中、高強(qiáng)度的非調(diào)質(zhì)低合金高強(qiáng)鋼。日本JIS和WES采用

3、：此式適用于低合金調(diào)質(zhì)鋼美國焊接學(xué)會(huì)采用：此式適用化學(xué)成分范圍為：C0.6；Mn 1.6%；Ni 3.3%；Cr 1.0%； Mo 0.6%； Cu 0.5%1.0%；P0.05%0.15%。當(dāng)Cu 0.5%或P 0.05%時(shí)，可不計(jì)入。由上述公式計(jì)算出來的Ceq越大，冷裂傾向也越大。但用Ceq估計(jì)焊接性是比較粗略的，大多只用于對(duì)鋼材焊接性從理論上的初步分析，因?yàn)椋汗街兄话藥追N元素，而實(shí)際鋼材中還有其他元素；在不同含量和不同合金系統(tǒng)中元素作用的大小不可能是相同的；元素之間相互抵消或加強(qiáng)影響也不能用簡單的公式反映(2) 焊接冷裂紋敏感指數(shù) 除碳當(dāng)量外，焊縫含氫量和接頭拘束度都對(duì)冷裂傾向有

4、很大影響。焊接冷裂紋敏感指數(shù)Pc：式中 d 板厚（mm) H 焊縫中擴(kuò)散氫含量（Ml/100g)3 利用化學(xué)性能分析鋁及鈦合金化學(xué)性質(zhì)活潑，在焊接高溫下極易氧化，需要惰性氣體保護(hù)，否則吸收氧、氮、氫等氣體后，力學(xué)性能顯著降低。4利用合金相圖分析大多數(shù)被焊材料都是合金，或至少含有某些雜質(zhì)元素，因而可以利用他們的相圖分析焊接性問題。例如，對(duì)于共晶型相圖來說，其固相線與液相線之間的溫度區(qū)間大小，會(huì)影響結(jié)晶時(shí)的成分偏析，影響生成低熔共晶的程度，也影響脆性溫度區(qū)間的大小，這對(duì)分析熱裂紋傾向是重要的參考依據(jù)。 另外，若結(jié)晶凝固時(shí)形成單相組織，則焊縫晶粒易于粗大，也是形成熱裂紋的重要影響因素。5利用CCT圖

5、或SHCCT圖(模擬焊接熱影響區(qū)的連續(xù)冷卻曲線) 分析對(duì)于各類低合金鋼，可以利用其各自的連續(xù)冷卻曲線CCT圖或SHCCT圖分析其焊接性問題。這些曲線可以大體上說明在不同焊接熱循環(huán)條件下將獲得什么樣的金相組織和硬度，可以估計(jì)有無冷裂的危險(xiǎn)，以便確定適當(dāng)?shù)暮附庸に嚄l件。（二）從焊接工藝條件分析焊接性 1 熱源特點(diǎn) 各種焊接方法所采用的熱源在功率、能量密度、最高加熱溫度等方面可有很大差別，從而影響焊接質(zhì)量，使金屬在不同工藝條件下焊接時(shí)顯示出不同的焊接性。如電渣焊功率很大，但能量密度很低，最高加熱溫度也不高，焊接時(shí)加熱緩慢，高溫停留時(shí)間長，使得熱影響區(qū)晶粒祖大，沖擊韌度顯著降低，必須經(jīng)正火處理才得改善

6、。相反，電子束焊、激光焊等方法，功率雖不算大，但能量密度很高，加熱迅速，高溫停留時(shí)間短暫，熱影響區(qū)極窄，沒有晶粒長大的危險(xiǎn)。當(dāng)然，選擇熱源應(yīng)考慮所焊材料的特點(diǎn)以及焊件的厚度等因素。 4其他工藝因素 為改善焊按性，防止各類缺陷的發(fā)生，對(duì)工藝因素的其他環(huán)節(jié)也應(yīng)給予足夠的重視，其中主要的幾個(gè)環(huán)節(jié)如下：(1)徹底清理坡口及其附近區(qū)域 清除油、銹對(duì)低合金鋼焊接時(shí)防止氣孔、裂紋是十分重要的。去除鋁及鋁合金表面氧化鋁膜對(duì)防止氣孔和夾渣也很有效。(2)嚴(yán)格按規(guī)定處理焊接材料 焊條、焊劑應(yīng)按規(guī)定烘干和保存；焊絲應(yīng)嚴(yán)格除油、除銹；保護(hù)氣體要經(jīng)提純?nèi)コs質(zhì)后使用。(3)合理安排焊接順序 大件或復(fù)雜形狀的工件焊接時(shí)，

7、為減少應(yīng)力及變形，必須安排好各條焊縫的焊接次序。焊接次序安排不當(dāng)，會(huì)影響接頭性能，甚至引起焊接缺陷，從而使焊接性變差。 (4)正確制定焊接規(guī)范 只有焊接規(guī)范適當(dāng)時(shí)，才能保證良好的熔合比和焊縫形狀系數(shù)。這不僅對(duì)防止產(chǎn)生裂紋等缺陷是必要的，而且對(duì)保證接頭性能也是十分重要的。除了控制線能量外，還要控制焊接電流、電弧電壓及焊接速度，使之保持在一定的范圍內(nèi)。此外，預(yù)熱溫度和層間溫度的控制也是不可忽視的。第二節(jié)焊接性試驗(yàn)一、焊接性試驗(yàn)的內(nèi)容 針對(duì)材料的不同性能特點(diǎn)和不同使用要求，焊接性試驗(yàn)的內(nèi)容可以有以下幾種：(一)焊縫金屬抵抗產(chǎn)生熱裂紋的能力 熔池金屬結(jié)晶時(shí)，由于存在一些有害的元素(如低熔點(diǎn)的共晶物)并

8、受熱應(yīng)力的作用，就可能在結(jié)晶末期發(fā)生熱裂紋。熱裂紋是一種較常發(fā)生又是危害嚴(yán)重的缺陷，所以焊縫抵抗產(chǎn)生熱裂紋的能力就是焊接性的一項(xiàng)重要內(nèi)容，通常是通過熱裂紋試驗(yàn)來進(jìn)行的。(二)焊縫及熱影響區(qū)金屬抵抗產(chǎn)生冷裂紋的能力 焊縫及熱影響區(qū)金屬在焊接熱循環(huán)作用下，由于組織及性能變化，加之受焊接應(yīng)力和擴(kuò)散氫的影響，可能發(fā)生冷裂紋。冷裂紋在低合金高強(qiáng)鋼焊接中是較為常見的缺陷，而且也是一種嚴(yán)重的缺陷，是焊接性試驗(yàn)中很重要，又最常用到的一項(xiàng)試驗(yàn)內(nèi)容。冷裂紋試驗(yàn)是針對(duì)母材進(jìn)行的試驗(yàn)。(三)焊接接頭抗脆性轉(zhuǎn)變能力 經(jīng)過焊接冶金反應(yīng)、熱循環(huán)、結(jié)晶、固態(tài)相變等一系列過程，焊接接頭由于受脆性組織、硬脆的非金屬夾雜物、時(shí)效脆

9、化、冷作硬化等作用的結(jié)果，可能使韌性嚴(yán)重下降，即發(fā)生所謂焊接接頭的脆件轉(zhuǎn)變。(四)焊接接頭的使用性能 由于使用性能對(duì)焊接性提出許多不同的要求，所以有很多焊接性試驗(yàn)項(xiàng)目是從使用性能角度出發(fā)制定的。即根據(jù)特定的使用條件制定專門的焊接性試驗(yàn)方法。屬于這方面的試驗(yàn)內(nèi)容如：焊接接頭耐放射性輻照的能力、蠕變強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、抗晶間腐蝕能力等。此外，還有一些針對(duì)具體特定結(jié)構(gòu)的專門試驗(yàn)方法，如：厚板焊接時(shí)的層狀撕裂試驗(yàn)、某些低合金鋼的再熱裂紋試驗(yàn)、應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)、鋁合金的鑄環(huán)試驗(yàn)等。二、烽接性試驗(yàn)方法分類評(píng)定焊接性的方法有許多種，按照其特點(diǎn)可以歸納為以下幾種類別： (一)直接模擬試驗(yàn)類 這類焊接性評(píng)定方法一般是仿

10、照實(shí)際焊接的條件，通過焊接過程觀察是否發(fā)生某種焊接缺陷或發(fā)生缺陷的程度，直觀地評(píng)價(jià)焊接性的優(yōu)劣，有時(shí)還可以從中確定必要的焊接條件。(1)焊接冷裂紋試驗(yàn) 常用的有插銷試驗(yàn)、斜Y坡口對(duì)接裂紋試驗(yàn)、拉伸拘束裂紋試驗(yàn)(TRC)、剛性拘束裂紋試驗(yàn)(RRC)等。(2)焊接熱裂紋試驗(yàn) 常用的有可調(diào)拘束裂紋試險(xiǎn)、壓板對(duì)接（FISCO）焊接裂紋試驗(yàn)、窗形拘束對(duì)接裂紋試驗(yàn)、剛性固定對(duì)接裂紋試驗(yàn)等(3)再熱裂紋試驗(yàn) 有H型拘束試驗(yàn)、缺口試棒應(yīng)力松弛試驗(yàn)、U形彎曲試驗(yàn)等。還可以利用插銷試驗(yàn)進(jìn)行再熱裂紋試驗(yàn)。(4) 層狀撕裂試驗(yàn) 常用的有Z向拉伸試驗(yàn)、Z向窗口試驗(yàn)、Cranfield試驗(yàn)等。 (5) 應(yīng)力腐蝕裂紋試驗(yàn)

11、有U形彎曲試驗(yàn)、缺口試驗(yàn)、預(yù)制裂紋試驗(yàn)等； (6) 脆性斷裂試驗(yàn) 除低溫沖擊試驗(yàn)外，常用的還有落錘試驗(yàn)、裂紋張開位移試驗(yàn)（COD)以及Wells寬板拉伸試驗(yàn) (二)間接推算類 這類焊接性評(píng)定方法一般不需要焊出焊縫，而只是根據(jù)材料的化學(xué)成分、金相組織、力學(xué)性能之間的關(guān)系，聯(lián)系焊接熱循環(huán)過程進(jìn)行推測(cè)或評(píng)估，從而確定焊接性優(yōu)劣以及所需要的焊接條件。 用于這一類的方法主要有：碳當(dāng)量法、焊接裂紋敏感指數(shù)法、連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變曲線法、焊接熱-應(yīng)力模擬法、焊接熱影響區(qū)最高硬度法及焊接區(qū)斷口金相分析等。 (三)使用性能試驗(yàn)類 這類焊接性評(píng)定方法最為直觀，它是將實(shí)焊的接頭甚至產(chǎn)品在使用條件下進(jìn)行各方面性能的試驗(yàn)，

12、以試驗(yàn)結(jié)果來評(píng)定其焊接性。通常較小的焊接構(gòu)件可以直接用產(chǎn)品做試驗(yàn)，而大型焊接構(gòu)件只能以試樣做試驗(yàn)。 屬于這一類的方法主要有：焊縫及接頭的拉伸、彎曲、沖擊等力學(xué)性能試驗(yàn)、高溫蠕變及持久強(qiáng)度試驗(yàn)、斷裂韌性試驗(yàn)、低溫跪性試驗(yàn)、耐腐蝕及耐磨試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)等。直接用產(chǎn)品做的試驗(yàn)有水壓試驗(yàn)、爆破試驗(yàn)等。三、選擇或制定焊接性試驗(yàn)方法的原則選擇或制定焊接性試驗(yàn)方法時(shí)必須符合下述的原則：1 焊接性試驗(yàn)的條件要盡量與實(shí)際焊接時(shí)的條件相一致 這些條件包括母材、焊接材料、接頭形式、環(huán)境溫度、接頭受力狀態(tài)、焊接工藝參致等，而且試驗(yàn)條件還應(yīng)考慮列產(chǎn)品的使用條件，盡量使之接近。只有這樣才能使焊接性試驗(yàn)具有良好的針對(duì)性，其試

13、驗(yàn)結(jié)果能比較確切地顯示出實(shí)際生產(chǎn)時(shí)可能發(fā)生的問題或可能獲得的結(jié)果。第三節(jié) 常用焊接性試驗(yàn)方法最常用的幾種冷裂紋試驗(yàn)和熱裂紋試驗(yàn)冷裂紋試驗(yàn)：1 斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)法：焊接熱影響區(qū)的冷裂2 插銷試驗(yàn)：焊接熱影響區(qū)的冷裂、再熱裂紋及層狀撕裂敏感性熱裂紋試驗(yàn)：1 壓板對(duì)接（FISCO）焊接裂紋試驗(yàn)法：熱裂紋敏感性2 可調(diào)拘束裂紋試驗(yàn)法：熱裂紋敏感性斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)法主要用于評(píng)定碳鋼和低合金高強(qiáng)鋼焊接熱影響區(qū)對(duì)冷裂敏感性一般認(rèn)為，表面裂紋率小于20%，用于生產(chǎn)時(shí)安全的，但不應(yīng)有根部裂紋焊縫金屬的裂紋敏感性，用一種直Y坡口的試驗(yàn)方法。試驗(yàn)程序與斜Y形坡口相同，試驗(yàn)焊縫處的坡口形式如圖所示。在底板上以規(guī)定的線能量熔敷一條焊道，其中心線通過試棒的中心，其熔深應(yīng)使缺口尖端位于熱影響區(qū)的粗晶區(qū)插銷試驗(yàn)施焊時(shí)應(yīng)測(cè)定t8/5值如不預(yù)熱，焊后冷卻至100150時(shí)加載；如有預(yù)熱，應(yīng)在高于預(yù)熱溫度5070 時(shí)加載。如有后熱，應(yīng)在后熱之前加載。注意：載荷應(yīng)在1分鐘之內(nèi)，且在冷卻至100或高于預(yù)熱溫度5070 時(shí)加載完畢。載荷保持：無預(yù)熱，16小時(shí)而試棒未斷裂即可卸載；有預(yù)熱，至少24小時(shí)。經(jīng)多次改變載荷，即可求出在試驗(yàn)條件下不出現(xiàn)斷裂的臨界應(yīng)力scr。壓板對(duì)接（FISCO）焊接裂紋試驗(yàn)法熱裂紋率計(jì)算公式垂直方向：3105N橫 向： 6104N 縱向可調(diào)拘束裂紋試驗(yàn)主要用于測(cè)試結(jié)晶