金屬材料的焊接性和焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

金屬材料的焊接性和焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(gè)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43頁，2024年2月25日，星期天金屬材料的焊接性可通過估算和試驗(yàn)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(yàn)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43頁，2024年2月25日，星期天根據(jù)經(jīng)驗(yàn)：

C當(dāng)量＜0.4%時(shí)，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(shí)應(yīng)考慮預(yù)熱。

C當(dāng)量=0.4%～0.6%時(shí)，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(shí)，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(shí)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43頁，2024年2月25日，星期天三、小型抗裂試驗(yàn)

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(yàn)制訂出合理的焊接工藝規(guī)程與規(guī)范。第5頁,共43頁，2024年2月25日，星期天第二節(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(shí)，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(shí)，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43頁，2024年2月25日，星期天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(dòng)載荷結(jié)構(gòu)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)或厚板結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)選用E4316(J426)、E4315(J427)或E5015(J507)焊條。

埋弧焊時(shí)，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(shí)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43頁，2024年2月25日，星期天熱影響區(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(shí)，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(shí)，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(diǎn)：第8頁,共43頁，2024年2月25日，星期天焊縫金屬熱裂縫傾向較大

焊接中碳鋼時(shí)，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(diǎn)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43頁，2024年2月25日，星期天焊接前：焊接中碳鋼構(gòu)件，焊前必須進(jìn)行預(yù)熱，使焊接時(shí)工件各部分的溫差小，以減小焊接應(yīng)力，同時(shí)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(shí)，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43頁，2024年2月25日，星期天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(shí)，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(shí)，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(shí)減小焊接熱影響區(qū)的寬度。第11頁,共43頁，2024年2月25日，星期天高碳鋼的焊接：特點(diǎn)：高碳鋼的焊接特點(diǎn)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(shí)，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(shí)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43頁，2024年2月25日，星期天

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43頁，2024年2月25日，星期天

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(diǎn)如下：(1)熱影響區(qū)的淬硬傾向低合金結(jié)構(gòu)鋼焊接時(shí)，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(shí)際含碳量接近允許上限或焊接參數(shù)不當(dāng)時(shí)，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43頁，2024年2月25日，星期天(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(gè)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43頁，2024年2月25日，星期天

根據(jù)低合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接特點(diǎn)，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(shí)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(shí)，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(shí)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(shí)，焊后必須進(jìn)行退火處理，以消除應(yīng)力。第16頁,共43頁，2024年2月25日，星期天

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43頁，2024年2月25日，星期天對于強(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(shí)，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(shí)，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43頁，2024年2月25日，星期天第19頁,共43頁，2024年2月25日，星期天第四節(jié)鑄鐵的焊補(bǔ)一、鑄鐵的焊接特點(diǎn)：

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(dòng)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43頁，2024年2月25日，星期天三、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(dòng)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(shí)，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(shí)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43頁，2024年2月25日，星期天第五節(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(shí)熱量極易散失。因此，焊前工件要預(yù)熱，焊接時(shí)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(diǎn)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(shí)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43頁，2024年2月25日，星期天銅在液態(tài)時(shí)吸氣性強(qiáng)，特別容易吸氫。凝固時(shí)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(diǎn)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(shí)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43頁，2024年2月25日，星期天二、鋁及鋁合金的焊接

工業(yè)上用于焊接的主要是純鋁（熔點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(shí)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43頁，2024年2月25日，星期天液態(tài)鋁能吸收大量的氫，鋁在固態(tài)時(shí)又幾乎不溶解氫，因此在溶池凝固時(shí)易生成氣孔。鋁在高溫時(shí)強(qiáng)度及塑性很低，焊接時(shí)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(diǎn)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43頁，2024年2月25日，星期天13.6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?yàn)槌私饘俦旧淼奈锢砘瘜W(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(diǎn)、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43頁，2024年2月25日，星期天

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(shí)間，以防止或減少生成金屬間化合物。熔焊時(shí)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43頁，2024年2月25日，星期天異種金屬的焊接方法熔焊采用熔焊最大特點(diǎn)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(shí)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43頁，2024年2月25日，星期天堆焊隔離層的應(yīng)用第29頁,共43頁，2024年2月25日，星期天壓焊大多數(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(shí)，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(diǎn)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43頁，2024年2月25日，星期天第十四章

焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第31頁,共43頁，2024年2月25日，星期天第一節(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(jì)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(jì)時(shí)一般不宜選用。若必須選用，應(yīng)在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝中采取必要措施。②焊接異種金屬時(shí)，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(jì)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43頁，2024年2月25日，星期天③設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，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43頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)焊接接頭的工藝設(shè)計(jì)一、焊縫的布置合理的焊縫位置是焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，與產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)率、成本及勞動(dòng)條件密切相關(guān)。其一般工藝設(shè)計(jì)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43頁，2024年2月25日，星期天(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43頁，2024年2月25日，星期天(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43頁，2024年2月25日，星期天(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43頁，2024