金屬材料的焊接性和焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計

關(guān)于金屬材料的焊接性和焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計12第一節(jié)金屬材料焊接性的概念及評估方法一、可焊性的概念

金屬材料的可焊性，是指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)質(zhì)焊接接頭的難易程度，即金屬材料在一定的焊接工藝條件下，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。焊接性包括兩個方面：一是工藝焊接性主要是指焊接接頭產(chǎn)生工藝缺陷的傾向，尤其是出現(xiàn)各種裂紋的可能性；二是使用焊接性

主要是指焊接接頭在使用中的可靠性，包括焊接接頭的力學(xué)性能及其它特殊性能(如耐熱、耐蝕性能等)。第2頁,共46頁，2024年2月25日，星期天3金屬材料的焊接性可通過估算和試驗方法來確定。二、估算鋼材可焊性的方法碳當(dāng)量法：碳鋼及低合金結(jié)構(gòu)鋼的碳當(dāng)量經(jīng)驗公式為：

各種化學(xué)元素對焊縫組織性能、夾雜物的分布以及對焊接熱影響區(qū)的淬硬程度等的影響不同，對產(chǎn)生裂紋傾向的影響也不同。在各種元素中，碳的影響最為明顯，其它元素的影響可折合成碳的影響。影響鋼材焊接性的主要因素是化學(xué)成分。第3頁,共46頁，2024年2月25日，星期天4根據(jù)經(jīng)驗：

C當(dāng)量＜0.4%時，鋼材塑性良好，淬硬傾向不明顯，可焊性良好。在一般的焊接工藝條件下，焊件不會產(chǎn)生裂縫，但對厚大工件或低溫下焊接時應(yīng)考慮預(yù)熱。

C當(dāng)量=0.4%～0.6%時，鋼材塑性下降，淬硬傾向明顯，可焊性較差。焊前工件需要適當(dāng)預(yù)熱，焊后應(yīng)注意緩冷，要采取一定的焊接工藝措施才能防止裂縫。

C當(dāng)量＞0.6%時，鋼材塑性較低，淬硬傾向很強(qiáng)，可焊性不好。焊前工件必須預(yù)熱到較高溫度，焊接時要采取減少焊接應(yīng)力和防止開裂的工藝措施，焊后要進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，才能保證焊接接頭質(zhì)量。第4頁,共46頁，2024年2月25日，星期天5三、小型抗裂試驗

從應(yīng)用一般焊接工藝焊后試板有無裂縫或裂縫多少，可初步評定材料的可焊性好壞；若有裂縫，應(yīng)調(diào)整工藝（如預(yù)熱、緩冷等）再焊接試板，直至達(dá)到不裂。因此可通過參考抗裂試驗制訂出合理的焊接工藝規(guī)程與規(guī)范。第5頁,共46頁，2024年2月25日，星期天6第二節(jié)碳鋼的焊接

低碳鋼含碳量不大于0.25%，塑性好，一般沒有淬硬傾向，對焊接熱過程不敏感，可焊性良好。焊這類鋼時，不需要采取特殊的工藝措施，通常在焊后也不需要進(jìn)行熱處理（電渣焊除外）。一、低碳鋼的焊接

低碳鋼可以用各種焊接方法進(jìn)行焊接。應(yīng)用最廣泛的：焊條電弧焊、埋弧焊、電渣焊、氣體保護(hù)焊和電阻焊等。

熔焊法焊接結(jié)構(gòu)鋼時，焊接材料及工藝的選擇主要應(yīng)保證焊接接頭與工件材料等強(qiáng)度。

第6頁,共46頁，2024年2月25日，星期天7焊條電弧焊焊接一般低碳鋼結(jié)構(gòu)，可選用E4313(J421)、E4303(J422)、E4320(J424)焊條。焊接動載荷結(jié)構(gòu)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)或厚板結(jié)構(gòu)時，應(yīng)選用E4316(J426)、E4315(J427)或E5015(J507)焊條。

埋弧焊時，一般采用H08A或H08MnA焊絲配焊劑431進(jìn)行焊接。二、中、高碳鋼的焊接

中碳鋼含碳量在0.25%～0.6%之間，隨含碳量的增加，淬硬傾向愈發(fā)明顯，可焊性逐漸變差。在實際生產(chǎn)當(dāng)中，主要是焊接各種中碳鋼的鑄鋼件與鍛件。第7頁,共46頁，2024年2月25日，星期天8熱影響區(qū)易產(chǎn)生淬硬組織和冷裂縫

中碳鋼屬于易淬火鋼，熱影響區(qū)被加熱超過淬火溫度的區(qū)段時，受工件低溫部分的迅速冷卻作用，將出現(xiàn)馬氏體等淬硬組織。如焊件剛性較大或工藝不恰當(dāng)時，就會在淬火區(qū)產(chǎn)生冷裂縫，即焊接接頭焊后冷卻到相變溫度以下或冷卻到常溫后產(chǎn)生裂縫。中碳鋼的焊接特點：第8頁,共46頁，2024年2月25日，星期天9焊縫金屬熱裂縫傾向較大

焊接中碳鋼時，因母材含碳量與硫、磷雜質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于焊條鋼芯，母材熔化后進(jìn)入熔池，使焊縫金屬含碳量增加塑性下降，加上硫、磷低熔點雜質(zhì)的存在，焊縫及熔合區(qū)在相變前就可能因內(nèi)應(yīng)力而產(chǎn)生裂縫。第9頁,共46頁，2024年2月25日，星期天10焊接前：焊接中碳鋼構(gòu)件，焊前必須進(jìn)行預(yù)熱，使焊接時工件各部分的溫差小，以減小焊接應(yīng)力，同時減慢熱影響區(qū)的冷卻速度，避免產(chǎn)生淬硬組織。一般情況下，35鋼和45鋼的預(yù)熱溫度可選為150～250℃。結(jié)構(gòu)剛度較大或鋼材含碳量更高時，預(yù)熱溫度應(yīng)再提高些。焊接后：由于中碳鋼主要用于制造各類機(jī)器零件，焊縫一般有一定的厚度，但長度不大：焊接中碳鋼多采用焊條電弧焊。

厚件可考慮采用電渣焊，但焊后要進(jìn)行相應(yīng)的熱處理。第10頁,共46頁，2024年2月25日，星期天11焊條選擇焊接中碳鋼焊件，應(yīng)選用抗裂能力較強(qiáng)的低氫型焊條（堿性焊條）。

要求焊縫與工件材料等強(qiáng)度時，可根據(jù)鋼材強(qiáng)度選用E5016(J506)、E5015(J507)、E6016－D1(J606)、E6015－D1(J607)焊條。若不要求等強(qiáng)度時，可選用E4315(J427)型強(qiáng)度低些的焊條，以提高焊縫的塑性。不論用哪種焊條焊接中碳鋼件，均應(yīng)選用細(xì)焊條、小電流，開坡口進(jìn)行多層焊，以防止工件材料過多地熔入焊縫，同時減小焊接熱影響區(qū)的寬度。第11頁,共46頁，2024年2月25日，星期天12高碳鋼的焊接：特點：高碳鋼的焊接特點與中碳鋼基本相似。由于含碳量更高，焊接性變得更差。工藝：進(jìn)行焊接時，應(yīng)采用更高的預(yù)熱溫度、更嚴(yán)格的工藝措施。應(yīng)用：實際上，高碳鋼的焊接一般只限采用焊條電弧焊進(jìn)行修補(bǔ)工作。第12頁,共46頁，2024年2月25日，星期天13

合金結(jié)構(gòu)鋼分類：

機(jī)械制造用合金結(jié)構(gòu)鋼

低合金結(jié)構(gòu)鋼用于機(jī)械制造的合金結(jié)構(gòu)鋼零件(包括調(diào)質(zhì)鋼、滲碳鋼)，一般都采用軋制或鍛造的坯料，焊接結(jié)構(gòu)較少。如需焊接，因其焊接性與中碳鋼相似，所以其焊接工藝措施與中碳鋼基本相同。第三節(jié)合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接第13頁,共46頁，2024年2月25日，星期天14

焊接結(jié)構(gòu)中，用得最多的是低合金結(jié)構(gòu)鋼，又稱低合金高強(qiáng)鋼。其焊接特點如下：(1)熱影響區(qū)的淬硬傾向低合金結(jié)構(gòu)鋼焊接時，熱影響區(qū)可能產(chǎn)生淬硬組織，淬硬程度與鋼材的化學(xué)成分和強(qiáng)度級別有關(guān)。鋼中含碳及合金元素越多，鋼材強(qiáng)度級別越高，則焊后熱影響區(qū)的淬硬傾向越大。如300MPa級的09Mn2、09Mn2Si等鋼材的淬硬傾向很小，其焊接性與一般低碳鋼基本一樣。

350MPa級的

Q345(即16Mn)鋼淬硬傾向也不大，但當(dāng)實際含碳量接近允許上限或焊接參數(shù)不當(dāng)時，過熱區(qū)也完全可能出現(xiàn)馬氏體等淬硬組織。

強(qiáng)度級別大于450MPa級的低合金鋼，淬硬傾向增加，熱影響區(qū)容易產(chǎn)生馬氏體組織，硬度明顯增高，塑性和韌度則下降。第14頁,共46頁，2024年2月25日，星期天15(2)焊接接頭的裂紋傾向

隨著鋼材強(qiáng)度級別的提高，產(chǎn)生冷裂紋的傾向也加劇。

影響冷裂紋的因素主要有三個方面：焊縫及熱影響區(qū)的含氫量；熱影響區(qū)的淬硬程度；焊接接頭的應(yīng)力大小。對于熱裂紋，由于我國低合金結(jié)構(gòu)鋼系統(tǒng)其含碳量低，且大部分含有一定的錳，對脫硫有利。因此產(chǎn)生熱裂紋的傾向不大。第15頁,共46頁，2024年2月25日，星期天16

根據(jù)低合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接特點，生產(chǎn)中可分別采取以下措施進(jìn)行焊接。對于強(qiáng)度級別較低的鋼材：在常溫下焊接時與對待低碳鋼基本一樣。在低溫或在大剛度、大厚度構(gòu)件上進(jìn)行小焊腳、短焊縫焊接時，應(yīng)防止出現(xiàn)淬硬組織，要適當(dāng)增大焊接電流、減慢焊接速度、選用抗裂性強(qiáng)的低氫型焊條。必要時需采用預(yù)熱措施。對鍋爐、受壓容器等重要構(gòu)件，當(dāng)厚度大于20mm時，焊后必須進(jìn)行退火處理，以消除應(yīng)力。第16頁,共46頁，2024年2月25日，星期天17

不同環(huán)境溫度的預(yù)熱要求：

工件厚度/mm：16以下，不低于-10℃不預(yù)熱,-10℃以下預(yù)熱100～150℃

工件厚度/mm：16～24，不低于-5℃不預(yù)熱,-5℃以下預(yù)熱100～150℃

工件厚度/mm：24～40，不低于0℃不預(yù)熱,0℃以下預(yù)熱100～150℃

工件厚度/mm：40以上，均應(yīng)預(yù)熱100～150℃低合金鋼的焊接措施第17頁,共46頁，2024年2月25日，星期天18對于強(qiáng)度級別高的低合金結(jié)構(gòu)鋼件：焊前一般均需預(yù)熱。焊接時，應(yīng)調(diào)整焊接參數(shù)，以控制熱影響的冷卻速度不宜過快。焊后還應(yīng)進(jìn)行熱處理以消除內(nèi)應(yīng)力。不能立即熱處理時，可先進(jìn)行消氫處理，即焊后立即將工件加熱到200～350℃，保溫2～6h，以加速氫擴(kuò)散逸出，防止產(chǎn)生因氫引起的冷裂紋。第18頁,共46頁，2024年2月25日，星期天19第19頁,共46頁，2024年2月25日，星期天20第四節(jié)鑄鐵的焊補(bǔ)一、鑄鐵的焊接特點：

熔合區(qū)易產(chǎn)生白口組織；易產(chǎn)生裂縫；易產(chǎn)生氣孔；只適于平焊。

熱焊法是焊前將工件整體或局部預(yù)熱到600～700℃，焊后緩慢冷卻。熱焊法可防止工件產(chǎn)生白口組織和裂縫，焊補(bǔ)質(zhì)量較好，焊后可以進(jìn)行機(jī)械加工。但熱焊法成本較高，生產(chǎn)率低，焊工勞動條件差。一般用于焊補(bǔ)形狀復(fù)雜焊后需要加工的重要鑄件，如床頭箱、汽缸體等。二、熱焊法第20頁,共46頁，2024年2月25日，星期天21三、冷焊法

焊補(bǔ)之前，工件不預(yù)熱或只進(jìn)行400℃以下低溫預(yù)熱的焊補(bǔ)方法通常稱為冷焊法，主要依靠焊條來調(diào)整焊縫化學(xué)成分以防止或減少白口組織和避免裂縫。冷焊法方便靈活生產(chǎn)率高、成本低、勞動條件好。但焊接處切削加工性能較差。生產(chǎn)中多用于焊補(bǔ)要求不高的鑄件以及怕高溫預(yù)熱引起變形的工件。焊接時，應(yīng)盡量采用小電流、短弧、窄焊縫、短焊道（每段不大于50mm）并在焊后及時輕輕錘擊焊縫以松弛應(yīng)力，防止焊后開裂。常用的焊條有：

1.鋼芯鑄鐵焊條；高強(qiáng)度鑄鐵和球墨鑄鐵的補(bǔ)焊。

2.鎳基鑄鐵焊條；重要鑄件加工面的補(bǔ)焊。

3.銅基鑄鐵焊條。一般灰鑄鐵的補(bǔ)焊。第21頁,共46頁，2024年2月25日，星期天22第五節(jié)有色金屬的焊接一、銅及銅合金的焊接

銅及銅合金的焊接比低碳鋼困難得多，其原因是：銅的導(dǎo)熱性很高（紫銅約為低碳鋼的8倍），焊接時熱量極易散失。因此，焊前工件要預(yù)熱，焊接時要選用較大電流或火焰，否則容易造成焊不透缺陷。銅在液態(tài)易氧化，生成的Cu2O與銅組成低熔點共晶，分布在晶界形成薄弱環(huán)節(jié)；又因銅的膨脹系數(shù)大，凝固時收縮率也大，容易產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力。因此，焊接過程中極易引起開裂。第22頁,共46頁，2024年2月25日，星期天23銅在液態(tài)時吸氣性強(qiáng)，特別容易吸氫。凝固時氣體從熔液中析出，來不及逸出就會生成氣孔。銅的電阻極小，不適于電阻焊接。銅合金中的合金元素有的比銅更易氧化，使焊接的困難增大。例如黃銅（銅鋅合金）中的鋅沸點很低，極易燒蝕蒸發(fā)并生成氧化鋅（ZnO）。改變接頭化學(xué)成分、降低接頭性能，而且形成氧化鋅煙霧易引起焊工中毒。鋁青銅中的鋁，焊接時易生成難熔的氧化鋁，增大熔渣粘度，生成氣孔和夾渣。

銅及銅合金可用氬弧焊、氣焊、碳弧焊、釬焊等方法進(jìn)行焊接。采用氬弧焊是保證紫銅和青銅焊接質(zhì)量的有效方法。第23頁,共46頁，2024年2月25日，星期天24二、鋁及鋁合金的焊接

工業(yè)上用于焊接的主要是純鋁（熔點658℃）、鋁錳合金、鋁鎂合金及鑄鋁。鋁及鋁合金的焊接也比較困難，其焊接特點是：鋁與氧的親和力很大，極易氧化生成氧化鋁（Al2O3）。氧化鋁組織致密，熔點高達(dá)2050℃，它覆蓋在金屬表面，能阻礙金屬熔合。此外，氧化鋁密度大，易使焊縫夾渣。鋁的導(dǎo)熱系數(shù)較大，要求使用大功率或能量集中的熱源，厚度較大時應(yīng)考慮預(yù)熱。鋁的膨脹系數(shù)也較大，易產(chǎn)生焊接應(yīng)力與變形，并可能導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。第24頁,共46頁，2024年2月25日，星期天25液態(tài)鋁能吸收大量的氫，鋁在固態(tài)時又幾乎不溶解氫，因此在溶池凝固時易生成氣孔。鋁在高溫時強(qiáng)度及塑性很低，焊接時常由于不能支持熔池金屬而引起焊縫塌陷，因此常需采用墊板。

目前焊接鋁及鋁合金的常用方法有氬弧焊、氣焊、點焊、縫焊和釬焊。

氬弧焊是焊接鋁及鋁合金的較好的方法。不論采用哪種焊接方法焊接鋁及鋁合金，焊前必須徹底清理焊件的焊接部位和焊絲表面的氧化膜與油污，清理質(zhì)量的好壞將直接影響焊縫性能。第25頁,共46頁，2024年2月25日，星期天2613.6異種金屬的焊接性分析

異種金屬焊接通常要比同種金屬的焊接困難，因為除了金屬本身的物理化學(xué)性能對焊接有影響外，兩種金屬材料性能的差異會更大程度上影響它們之間的焊接性能。結(jié)晶化學(xué)性的差異冶金學(xué)上的不相容，包括晶格的類型、晶格參數(shù)、原子半徑、原子的最外層電子結(jié)構(gòu)等差異。物理性能的差異熔點、線膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率和比熱、電阻率。金屬的氧化性金屬間化合物焊縫與母材不等強(qiáng)性第26頁,共46頁，2024年2月25日，星期天27

為了獲得優(yōu)質(zhì)的異種金屬焊接接頭，除合理地選用焊接方法和填充材料，正確地制定焊接工藝外，還可采取如下一些工藝措施：盡量縮短被焊金屬在液態(tài)下相互接觸時間，以防止或減少生成金屬間化合物。熔焊時要很好地保護(hù)被焊金屬，防止金屬與周圍空氣的相互作用，產(chǎn)生使接頭熔合不好的氧化物。采用與兩種被焊金屬的焊接性都很好的中間層或堆焊中間過渡層，以防止生成金屬間化合物。在焊縫中加入某些合金元素，以阻止金屬間化合物相的產(chǎn)生和增長。第27頁,共46頁，2024年2月25日，星期天28異種金屬的焊接方法熔焊采用熔焊最大特點是控制稀釋率和金屬間化合物的產(chǎn)生。因此，為了減少稀釋率，降低熔合比或控制不同金屬母材的熔化量，常可選用熱源能量密度較高的電子束焊、激光焊、等離子弧焊等方法。解決母材金屬稀釋問題，可用堆焊隔離層的方法實現(xiàn)。對一些熔合不理想的金屬，可通過增加過渡層金屬，使其能更好地熔合在一起。第28頁,共46頁，2024年2月25日，星期天29堆焊隔離層的應(yīng)用第29頁,共46頁，2024年2月25日，星期天30壓焊大多數(shù)壓焊方法都只是將被焊金屬加熱至塑性狀態(tài)或甚至不加熱，而施加一定壓力為基本特征。與熔焊相比，當(dāng)焊接異種金屬接頭時，壓焊具有一定的優(yōu)越性，只要接頭形式允許，采用壓焊往往是比較合理的選擇。釬焊釬焊本身就是釬料與母材之間的異種金屬連接方法。還可采用較特殊的釬焊方法，如熔焊-釬焊法（釬料與其中一種母材相同）、共晶釬焊法或共晶擴(kuò)散焊法（使兩種母材在結(jié)合面處形成低熔點共晶體）和液相過渡焊（在接縫之間加入可熔化的中間夾層）等方法。第30頁,共46頁，2024年2月25日，星期天31第十四章

焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計第31頁,共46頁，2024年2月25日，星期天32第一節(jié)焊接材料的選擇

焊接結(jié)構(gòu)在滿足工作性能要求的前提下，首先要考慮選擇焊接性較好的材料。

①低碳鋼（wc<0.25%)和碳當(dāng)量小于0.4％的低合金鋼都具有良好的焊接性，設(shè)計中應(yīng)盡量選用；

含碳量大于0.4％的碳鋼、碳當(dāng)量大于0.4％的合金鋼，焊接性不好，設(shè)計時一般不宜選用。若必須選用，應(yīng)在設(shè)計和生產(chǎn)工藝中采取必要措施。②焊接異種金屬時，一般要求接頭強(qiáng)度不低于被焊鋼材中的強(qiáng)度較低者，并應(yīng)在設(shè)計中對焊接工藝提出要求，按焊接性較差的鋼種采取措施，如預(yù)熱或焊后熱處理等。第32頁,共46頁，2024年2月25日，星期天33③設(shè)計焊接結(jié)構(gòu)時，應(yīng)多采用工字鋼、槽鋼、角鋼和鋼管等型材，以降低結(jié)構(gòu)重量，減少焊縫數(shù)量、簡化焊接工藝，增加結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度和剛性。對形狀比較復(fù)雜的部分，還可以選用鑄鋼件、鍛件或沖壓件來焊接。第33頁,共46頁，2024年2月25日，星期天34第二節(jié)焊接接頭的工藝設(shè)計一、焊縫的布置合理的焊縫位置是焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵，與產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)率、成本及勞動條件密切相關(guān)。其一般工藝設(shè)計原則如下：(1)焊縫布置應(yīng)盡量分散焊縫密集或交叉，會造成金屬過熱，加大熱影響區(qū)，使組織惡化。因此兩條焊縫的間距一般要求大于三倍板厚，且不小于100mm。第34頁,共46頁，2024年2月25日，星期天35(2)焊縫的位置應(yīng)盡可能對稱布置如圖所示的焊件，焊縫位置偏離截面中心，在同一側(cè)。由于焊縫的收縮，會造成較大的彎曲變形。應(yīng)使焊縫位置對稱，焊后不會發(fā)生明顯的變形。第35頁,共46頁，2024年2月25日，星期天36(3)焊縫應(yīng)盡量避開最大應(yīng)力斷面和應(yīng)力集中位置對于受力較大、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的焊接構(gòu)件，在最大應(yīng)力斷面和應(yīng)力集中位置不應(yīng)該布置焊縫。

大跨度的焊接鋼梁：板坯的拼料焊縫應(yīng)避免放在梁的中間。第36頁,共46頁，2024年2月25日，星期天37(3)焊縫應(yīng)盡量避開最大應(yīng)力斷面和應(yīng)力集中位置對于受力較大、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的焊接構(gòu)件，在最大應(yīng)力斷面和應(yīng)力集中位置不應(yīng)該布置焊縫。

壓力容器的封頭應(yīng)有一直壁段：如圖b應(yīng)改為e狀態(tài)，使焊縫避開應(yīng)力集中的轉(zhuǎn)角位置。直壁段不小于25mm。第37頁,共46頁，2024年2月25日，星期天38(3)焊縫應(yīng)盡量避開最大應(yīng)力斷面和應(yīng)力集中位置對于受力較大、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的焊接構(gòu)件，在最大應(yīng)力斷面和應(yīng)力集中位置不應(yīng)該布置焊縫。

在構(gòu)件截面有急劇變化的位置或尖銳棱角部位：則易產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)避免布置焊縫。例如圖c應(yīng)改為f的狀態(tài)。第38頁,共46頁，2024年2月25日，星期天39

(4)焊縫應(yīng)盡