金屬材料焊接第一章第一節(jié)金屬焊接性

金屬材料焊接本課程學(xué)習(xí)目的：1.掌握常用材料的焊接性分析2.焊接過程中易出現(xiàn)的問題及其產(chǎn)生原因、影響因素、解決問題的工藝措施與途徑。3.為保證焊接質(zhì)量如何選擇焊接材料與焊接工藝。第一單元第一節(jié)金屬材料的焊接性一、金屬“焊接性”的概念金屬材料焊接性根據(jù)GB/T3375-1994《焊接術(shù)語》的定義：“金屬材料在限定的施工條件下焊接成規(guī)定設(shè)計(jì)要求的構(gòu)件，并滿足預(yù)定服役要求的能力”。優(yōu)質(zhì)焊接接頭應(yīng)具備的兩個(gè)條件：一是接頭中不允許存在超過質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的缺陷；二是要具有預(yù)期的使用性能。金屬材料焊接性是指金屬材料對(duì)焊接加工的適應(yīng)性和使用的可靠性，它包括工藝焊接性和使用焊接性。1．工藝焊接性工藝焊接性是指金屬材料對(duì)各種焊接方法的適應(yīng)能力，也就是在一定的焊接工藝條件下能否獲得符合要求的優(yōu)質(zhì)焊接接頭的能力。它不是金屬材料本身所固有的性能，但取決于金屬的成分和性能，并且隨著焊接方法、焊接材料和工藝措施的發(fā)展而變化。2．使用焊接性使用焊接性是指焊接接頭或整體結(jié)構(gòu)滿足技術(shù)條件中所規(guī)定的使用性能的能力。它取決于焊接結(jié)構(gòu)所滿足的技術(shù)條件規(guī)定的各種性能。二影響金屬焊接性的因素1材料因素（1）化學(xué)成分；（2）物理、化學(xué)性能；（3）冶煉方法等。2制造（工藝）因素（1）焊接方法；（2）焊接材料；（3）焊接參數(shù)等。3結(jié)構(gòu)因素4使用條件三、分析金屬焊接性的方法1．碳當(dāng)量法2．焊接冷裂紋敏感指數(shù)法3．利用金屬材料的物理性能分析4．利用金屬材料的化學(xué)性能分析5．利用合金相圖或SHCCT（CCT）圖分析1．碳當(dāng)量法在鋼材所含有的各種元素中，碳對(duì)冷裂敏感性的影響最顯著，因此將鋼中各種元素都按相當(dāng)于若干含碳量折合并疊加起來即為“碳當(dāng)量”，并以此來判斷鋼材的淬硬傾向和冷裂敏感性，進(jìn)而推斷鋼材的焊接性。目前應(yīng)用的碳當(dāng)量計(jì)算公式：國(guó)際焊接學(xué)會(huì)（IIW）推薦的CE、日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JIS）規(guī)定和美國(guó)焊接學(xué)會(huì)推薦的Ceq。碳當(dāng)量計(jì)算公式和應(yīng)用范圍見表1-4

表1-4碳當(dāng)量計(jì)算公式和應(yīng)用范圍碳當(dāng)量計(jì)算公式適用范圍國(guó)際焊接學(xué)會(huì)（IIW）推薦CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15(%)中高強(qiáng)度的非調(diào)質(zhì)低合金高強(qiáng)度鋼wc≥0.18%σb=500～900Mpa日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JIS）規(guī)定Ceq(JIS)=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14(%)調(diào)質(zhì)低合金高強(qiáng)度鋼Rm=500～1000MPa化學(xué)成分wc≤0.20%、wsi≤0.55%、wMn≤1.5%、wCu≤0.5%、wNi≤2.5%、wCr≤1.25%、wMo≤0.7%、wV≤0.1%、wB≤0.006%美國(guó)焊接學(xué)會(huì)（AWS）推薦Ceq(AWS)=C+Mn/6+Si/24+Ni/15+Cr/5+Mo/4+Cu/13+P/2(%)碳鋼和低合金高強(qiáng)鋼化學(xué)成分wc＜0.6%、wMn＜1.6%、wNi＜3.3%、wCr＜1.0%、wMo＜0.6%、wCu=0.5%～1%、wP=0.05%～0.15%使用國(guó)際焊接學(xué)會(huì)（IIW）推薦的CE：對(duì)板厚小于20mm的鋼材，當(dāng)CE<0.4%時(shí)，鋼材的淬硬傾向不大，焊接性良好，焊前不需預(yù)熱；當(dāng)CE=0.4～0.6%時(shí)，鋼材易于淬硬，焊接性較差，焊接時(shí)必須預(yù)熱才能防止裂紋，隨著板厚及碳當(dāng)量的增加，預(yù)熱溫度也相應(yīng)提高；當(dāng)CE＞0.6%時(shí)，鋼材淬硬傾向很大，焊接性差，焊接時(shí)必須采用嚴(yán)格的工藝措施如預(yù)熱、后熱、緩冷等，以防止產(chǎn)生裂紋。

使用日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JIS）規(guī)定的Ceq(JIS)：對(duì)板厚小于20mm的鋼材和采用焊條電弧焊時(shí)，對(duì)于強(qiáng)度等級(jí)不同鋼材規(guī)定了不產(chǎn)生裂紋的臨界值和相應(yīng)的預(yù)熱措施，見表1-5

表1-5鋼材強(qiáng)度級(jí)別與碳當(dāng)量和預(yù)熱溫度的關(guān)系鋼材強(qiáng)度級(jí)別（σb/MPa）Ceq(JIS)（%）臨界值預(yù)熱溫度（℃）5000.46不預(yù)熱6000.52757000.521008000.62150使用美國(guó)焊接學(xué)會(huì)推薦的Ceq(AWS)：應(yīng)根據(jù)Ceq(AWS)值再結(jié)合焊件厚度，先從圖1-1查出該鋼種焊接性的優(yōu)劣等級(jí)，再根據(jù)表1-6確定出其焊接的最佳工藝措施。

表1-6鋼材焊接性等級(jí)不同時(shí)的最佳焊接工藝措施焊接性等級(jí)酸性焊條堿性焊條消除應(yīng)力Ⅰ（優(yōu)良）不需預(yù)熱不需預(yù)熱不需Ⅱ（較好）預(yù)熱40～100℃-10℃以上不預(yù)熱兩可Ⅲ（尚好）預(yù)熱150℃預(yù)熱40～100℃需要Ⅳ（尚可）預(yù)熱150～200℃預(yù)熱100℃需要圖1-1焊接性與碳當(dāng)量和板厚的關(guān)系

2．焊接冷裂紋敏感指數(shù)法焊接冷裂紋敏感指數(shù)（Pc）不僅包括了母材的化學(xué)成分，又考慮了熔敷金屬含氫量與拘束條件（板厚）的作用。斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)的冷裂紋敏感指數(shù)公式：Pc=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B+δ/600+［H］/60（%）根據(jù)Pc值可以通過經(jīng)驗(yàn)公式求出斜Y型坡口對(duì)接裂紋試驗(yàn)條件下，為了防止冷裂紋所需要的最低預(yù)熱溫度T0（℃）T0=1440Pc–392斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)法用于評(píng)定碳鋼和低合金高強(qiáng)度鋼焊接熱影響區(qū)對(duì)冷裂紋的敏感性屬于自拘束裂紋試驗(yàn)其試驗(yàn)要求應(yīng)遵從GB/T4675.1--1984《焊接性試驗(yàn)--斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)法》的規(guī)定。1．試件制備試件的尺寸和形狀如圖1-2所示，板厚為9～38mm采用機(jī)械方法加工試件坡口試板兩端各焊接60mm的拘束焊縫采用雙面焊試件中間待焊部位有2mm的間隙。圖1-2試件尺寸和形狀2、施焊條件用焊條電弧焊施焊的試驗(yàn)焊縫如圖1-3a所示，用自動(dòng)送進(jìn)裝置施焊的試驗(yàn)焊縫如圖1-3b所示。試驗(yàn)焊縫只焊一道，不要求填滿坡口，并可在不同溫度下施焊。焊后靜置和自然冷卻48h后截取試樣和進(jìn)行裂紋檢測(cè)。焊接參數(shù)：焊條直徑4mm，焊接電流（170±10）A，電弧電壓（22～24）V，焊接速度（150±10）mm/min。圖1-3施焊時(shí)的焊縫示意圖a）焊條電弧焊試驗(yàn)焊縫b）焊絲自動(dòng)送進(jìn)的試驗(yàn)焊縫3、裂紋檢測(cè)（1）表面裂紋率Cf如圖1-4aCf=∑lf/L×100%（2）根部裂紋率檢測(cè)根部裂紋時(shí)，應(yīng)將試件著色后拉斷或折斷，按圖1-4b進(jìn)行根部裂紋測(cè)量。Cr=∑lr/L×100%（3）斷面裂紋率Cs在試驗(yàn)焊縫上，用機(jī)械加工方法等分切取4～6塊試樣，如圖1-4c所示，檢查5個(gè)斷面上的裂紋深度，按下式計(jì)算CsCs=∑Hs/∑H×100%圖1-4試樣裂紋長(zhǎng)度計(jì)算A）表面裂紋b）根部裂紋c）斷面裂紋3．利用金屬材料的物理性能分析金屬材料的物理性能，對(duì)焊接熱循環(huán)、熔池冶金過程、結(jié)晶與相變過程等都有明顯的影響。熱導(dǎo)率大的材料（銅），傳熱快，焊接時(shí)熔池結(jié)晶速度快容易產(chǎn)生氣孔和熔透不足；而熱導(dǎo)率低的材料（鈦、不銹鋼），焊接時(shí)由于溫度梯度大會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力及變形，而且還會(huì)因?yàn)楦邷赝Ａ魰r(shí)間延長(zhǎng)而導(dǎo)致焊縫金屬晶粒粗大。焊接線脹系數(shù)大的材料（如不銹鋼），接頭的應(yīng)力和變形必然更嚴(yán)重；焊接密度小的材料（如鋁及其合金），則容易在焊縫中產(chǎn)生氣孔和夾雜。4．利用金屬材料的化學(xué)性能分析化學(xué)性質(zhì)比較活潑的金屬（如鋁、鎂、鈦及其合金），在焊接條件下極易被氧化。有些金屬材料甚至對(duì)氧、氮、氫等氣體都極為敏感，焊接這些材料時(shí)需要采取惰性氣體保護(hù)焊和在真空中焊接等保護(hù)可靠的焊接方法，有時(shí)甚至在焊縫背面也要進(jìn)行保護(hù)。鈦對(duì)氧、氮、氫等氣體都極為敏感，吸收這些氣體后力學(xué)性能顯著降低，特別是韌性降低嚴(yán)重，因此要嚴(yán)格控制這些氣體對(duì)焊縫及熱影響區(qū)的影響。5．利用合金相圖或SHCCT（CCT）圖分析例如對(duì)于共晶相圖，其固、液相線之間的溫度區(qū)間大，會(huì)造成結(jié)晶時(shí)的成分偏析、低熔點(diǎn)共晶的生成和脆性溫度區(qū)間的大，熱裂紋傾向大。對(duì)于各種低合金鋼來說，可以利用各自的連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖（CCT圖）或模擬熱影響區(qū)的連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖（SHCCT圖）分析其焊接性。可以根據(jù)轉(zhuǎn)變圖預(yù)測(cè)熱影響區(qū)組織、性能和硬度變化，從而預(yù)測(cè)某種鋼焊接熱影響區(qū)的淬硬傾向和產(chǎn)生冷裂紋的可能性，以便確定適當(dāng)?shù)暮附庸に嚄l件。表1-1常用金屬材料焊接難易程度金屬及合金焊條電弧焊埋弧焊CO2氣體保護(hù)焊氬弧焊電渣焊電子束焊氣焊電阻焊非合金鋼低碳鋼AAABAAAA中碳鋼AAABBAAA高碳鋼ABBBBAAD鑄鐵灰鑄鐵ADADBDBD低合金鋼錳鋼AAABBABD鉻釩鋼AAABBABD不銹鋼馬氏體不銹鋼AABACABC鐵素體不銹鋼AABACABA奧氏體不銹鋼AAAACABA注：A--通常采用，B--有時(shí)采用，C--很少采用，D--不采用

表1-1常用金屬材料焊接難易程度（續(xù)）金屬及合金焊條電弧焊埋弧焊CO2氣體保護(hù)焊氬弧焊電渣焊電子束焊氣焊電阻焊非鐵金屬材料純鋁BDDA