12 金屬的焊接性能1

1、過程裝備制造工藝 2013 癸巳年 十二 金屬的 焊接性能 1 金屬焊接性概念 為評價(jià)材料在焊接加工過程中難易程度，提出焊接性，便 于正確評定材料所具有的焊接加工性能，從而制訂出相應(yīng) 合理的焊接工藝。 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)良接頭的難易程度。 一是工藝可焊性，指焊接加工中是否容易形成缺陷（如裂 紋、氣孔等），即對冶金缺陷的敏感性； 二是使用可焊性，焊接接頭使用中的可靠性，包括焊接接 頭的機(jī)械性能及其他特殊性能（如耐熱、耐蝕性能等） 2 焊接接頭中存在的問題 熱影響區(qū)的性能變化 脆化 過熱區(qū)的脆化最為嚴(yán)重，也是普遍存在的問題。 過熱區(qū)脆化的原因

2、與含碳量有關(guān) 含碳量較低熱軋鋼，如16Mn，減小線能量，則能防止出 現(xiàn)粗晶組織，避免脆化。 含碳量偏高熱軋鋼，線能量過大引起粗晶脆化，線能量偏 小，冷速過大時(shí)還會(huì)形成硬脆的馬氏體組織而引起脆化。 正火鋼 脆化不僅與線能量有關(guān)，與沉淀元素的含量有關(guān)。對于含 碳量較高、合金元素較多的正火鋼，線能量過小還會(huì)使過 熱區(qū)因?yàn)槌霈F(xiàn)硬脆的馬氏體而脆化。 調(diào)質(zhì)鋼 低碳調(diào)質(zhì)鋼，焊接線能量較大，冷卻速度較慢時(shí)，引起 晶粒粗化，由于析出的鐵素體量增多，馬氏體和貝氏體中 的碳含量增高而導(dǎo)致過熱區(qū)脆化。 中碳調(diào)質(zhì)鋼，合金元素多，冷速越快，馬氏體數(shù)量多， 接頭脆化越嚴(yán)重。 軟化 調(diào)質(zhì)鋼，熱影響區(qū)中加熱峰值溫度超過鋼的調(diào)質(zhì)

3、處理的回 火溫度并低于Acl的部位都會(huì)出現(xiàn)軟化 接頭軟化的程度和范圍與焊接線能量及預(yù)熱溫度有關(guān)。線 能量越低，加熱冷卻速度越快，軟化程度越小 低碳調(diào)質(zhì)鋼，采用較小的線能量，可減輕軟化程度，又有 利于防止脆化 中碳調(diào)質(zhì)鋼，采用集中熱源 焊接裂紋 裂紋是接頭的成分、組織、和應(yīng)力綜合作用的結(jié)果，有的 裂紋還與介質(zhì)有關(guān)。 斷裂力學(xué)研究， 從量的方面確定在一定的工作條件下允 許存在的裂紋(部位、形狀和尺寸) 。 焊接裂紋可能產(chǎn)生在焊縫區(qū) 也可能產(chǎn)生在熱影響區(qū)或熔合處 有時(shí)出現(xiàn)縱向裂紋、有時(shí)出現(xiàn)橫向裂紋 在斷弧處還會(huì)出現(xiàn)弧坑裂紋 裂紋本質(zhì)分為熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋、層狀撕裂等 熱裂紋 形成 焊縫凝固或高

4、溫時(shí)形成 外形特征具有晶間破壞的性質(zhì)，在多數(shù)情況下裂紋面上有 強(qiáng)烈氧化的顏色(深藍(lán)色或黑色)，多出現(xiàn)在焊縫上。 分微觀裂紋和宏觀裂紋兩種，微觀裂紋沿晶界分布 焊縫凝固過程成分偏析，晶粒間和熔池的中心部位雜質(zhì)偏 聚，當(dāng)存在低熔點(diǎn)共晶體，熔池的其它部位都凝固時(shí)，而 晶粒間和熔池的中心局部還處于液態(tài)，變形阻力幾乎為零 時(shí)，若焊接拉伸應(yīng)變很大，則可能使晶界被拉開，冷卻后 就成為裂紋。 這種低熔點(diǎn)共晶體較多，能在晶粒間形成一定大小面積的 薄膜層時(shí)，就具備形成熱裂紋的條件。 熱裂紋主要影響因素 與焊接拉伸應(yīng)變情況等因素有關(guān) 與焊縫凝固過程中低熔點(diǎn)共晶體的數(shù)量及分布因素有關(guān) 實(shí)踐證明，熱裂紋的形成主要是由于

5、硫在晶間形成低熔點(diǎn) 的硫化物及其共晶體，受到一定拉伸應(yīng)力而引起的，并且 硫的有害作用與鋼中的其它一些元素有著密切的聯(lián)系。 C，Si，Ni促進(jìn)結(jié)晶裂紋的形成；大多數(shù)情況看，焊縫金 屬中存在低熔點(diǎn)共晶體是形成熱裂紋的必要條件。 預(yù)防措施 根本措施是嚴(yán)格選材，控制焊縫化學(xué)成分，限制碳、硫、磷 含量。 在工藝上采取下列措施，預(yù)防高溫?zé)岽啵苊鉄崃鸭y產(chǎn)生； 同時(shí)還要控制焊接應(yīng)力。 a 焊縫中加入細(xì)化晶粒元素和脫雜質(zhì)元素 Mn與S結(jié)合成MnS利于除硫，當(dāng)焊縫中MnS比值達(dá)到一定的 數(shù)值時(shí)，即可防止結(jié)晶裂縫。 b 變質(zhì)處理 焊縫摻入較高熔點(diǎn)的合金元素Ti、V等 增加結(jié)晶時(shí)熔池中的晶核數(shù)量，細(xì)化晶粒，生成的低

6、熔點(diǎn)共 晶體更分散而不能形成薄膜狀，達(dá)到控制熱裂紋的作用。 代替焊縫中的C元素，保證強(qiáng)度前提下降低C含量，降低焊縫 凝固時(shí)的成分偏聚程度，對控制熱裂紋有利。 C 其它方法 焊前預(yù)熱、大的線能量等，降低焊接速度，降低剛性 防止弧坑裂紋關(guān)鍵，弧坑由于冷速更快，凝固收縮時(shí)約束 更大，故容易出現(xiàn)熱裂紋。 d 焊接工藝及焊件結(jié)構(gòu) 焊接接頭的拘束度，反映在拉伸應(yīng)變上 提示：預(yù)防熱裂紋的根本措施是嚴(yán)格選材，控制焊縫化學(xué) 成分,限制碳、硫、磷含量?？刂颇覆幕瘜W(xué)成分，其它只 是輔助辦法。 對壓力容器等重要構(gòu)件，設(shè)置引弧板和熄弧板 冷裂紋 低、中合金高強(qiáng)鋼，冷裂紋是一個(gè)研究的主要問題 隨著強(qiáng)度級別的提高，問題變得

7、愈來愈嚴(yán)重 高強(qiáng)鋼焊接中冷裂紋占90% 冷裂紋形態(tài) 冷裂紋分布形態(tài)是復(fù)雜多樣 焊道下、熱影響區(qū)冷裂紋，一般不露于焊縫表面 缺口冷裂紋，有應(yīng)力集中的缺口部位，與應(yīng)力集中及組織 塑性差直接相關(guān) 橫裂紋，裂紋起源于熔合線，走向垂直于熔合線 過渡層裂紋，只發(fā)生于奧氏體焊條焊接合金結(jié)構(gòu)鋼時(shí)的過 渡層或焊縫未熔合區(qū) 冷裂紋生成溫度200以下，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度以下 冷裂紋可很快生成 也可延遲幾天生成-延遲裂紋，制造過程中無法檢測， 更具有危險(xiǎn)性 冷裂紋斷裂面屬脆性斷口 冷裂紋的生成條件 應(yīng)力因素；擴(kuò)散氫；淬硬組織 拉應(yīng)力是造成裂紋的必要條件 應(yīng)力與焊接結(jié)構(gòu)的形式、板厚度、材料機(jī)械性能、接頭形 式、焊接工藝等多

8、種因素有關(guān)。 擴(kuò)散氫 不同材料氫的溶解度不同 應(yīng)力集中或缺口等有塑性應(yīng)變的部位常會(huì)產(chǎn)生氫的局部聚 集，氫的“應(yīng)力誘導(dǎo)擴(kuò)散”現(xiàn)象。 若氫的擴(kuò)散速度較慢或含氫量較少，則氫的聚集就要在焊 后經(jīng)過一段時(shí)間才能出現(xiàn)，形成延遲裂紋延遲裂紋。 脆性組織 塑性好是阻止裂紋擴(kuò)展的重要條件 低塑性組織基本是馬氏體，是淬火的產(chǎn)物，粗馬民體比細(xì) 馬民體更脆,含碳量高的更脆 低碳合金結(jié)構(gòu)鋼 較高溫度生成的馬民體自身回火效應(yīng)，降低脆性 控制冷裂紋措施 減少擴(kuò)散氫，降低接頭內(nèi)應(yīng)力，降低接頭組織的脆性 尤其避免生成粗大的較高含碳量的馬氏休 預(yù)熱 預(yù)熱對克服冷裂織有綜合作用，不宜過高以免過熱嚴(yán)重而 降低接頭塑性、韌性。 多層焊

9、 但是，層間溫度沒有合理控制，時(shí)效果可靠性就差多了 再熱裂紋 實(shí)際有消除焊接應(yīng)力效果的加熱過程中 消除應(yīng)力處理裂紋 更多見于壁厚容器焊縫中 特征 發(fā)生在近縫區(qū)的粗品區(qū)中，具有晶間斷裂性質(zhì) 以大的殘余應(yīng)力或應(yīng)變?yōu)闂l件 有一個(gè)敏感溫度區(qū)，低合金高強(qiáng)度鋼一般在500700， 隨鋼種而異。 還未能對生成機(jī)理有全面確切的了解 解釋不盡相同，各解釋只能適應(yīng)某些特征 晶內(nèi)二次硬化 晶內(nèi)受熱時(shí)出現(xiàn)沉淀相，碳化物是沉淀相。析出沉淀相后 晶內(nèi)強(qiáng)于晶界,于是品界就成為應(yīng)變集中處。 晶界雜質(zhì)的析集 晶界上在再加熱時(shí)析集有害雜質(zhì)降低晶界塑變能力 材料成份起主導(dǎo)作用 控制措施 慎重選用材料的合金系統(tǒng) 降低焊接應(yīng)力，減小接

10、頭剛度 預(yù)熱，200400 降低焊縫強(qiáng)度 選擇合理的焊后熱處理工藝， 避開敏感溫度區(qū) 3 金屬焊接性評價(jià)和試驗(yàn) 工藝焊接性還是使用焊接性 評定判斷方法有三種 實(shí)際焊接法 模似焊接法 理論估算法 3.1 工藝焊接性試驗(yàn)方法 指定的焊接工藝條件下，獲得組織、性能均勻一致，無缺 陷的焊接接頭的能力，對焊接缺性的敏感程度。 試驗(yàn)方法分兩類：間接估算法，直接試驗(yàn)法 間接估算法：碳當(dāng)量法，冷裂紋敏感性估算法，熱影響區(qū) 最高硬度法 碳當(dāng)量Ceq 習(xí)慣把合金元素對淬硬、冷裂影響折合成碳的影響 Ceq 例如：鋼材中每增加含錳量WMn=0.6對鋼材淬硬、冷裂 的影響相當(dāng)于增加含碳量WC=0.1的效果，則錳的含量以

11、 1/6計(jì)入碳當(dāng)量。 國際焊接學(xué)會(huì)的碳當(dāng)量Ceq(W)公式 (%) 5156 )( VMoCrCuNiMn CC Weq Ceq0.60%，塑性較低，淬硬傾向很強(qiáng)，焊接性不好。 必須預(yù)熱到較高溫度 采取減少焊接應(yīng)力和防止開裂的工藝措施 焊后進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?碳當(dāng)量法適用于中、高強(qiáng)度的非調(diào)質(zhì)低合金鋼 冷裂紋敏感系數(shù)冷裂紋敏感系數(shù)Pc 日本的伊藤用斜Y形坡口分別用200多種鋼進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)， 求出鋼材焊接冷裂紋敏感性系數(shù)Pc如下： h板厚mm； H焊縫金屬中擴(kuò)散氫含量ml(100g)-1 Pc適用普通低合金鋼 斜Y形坡口對接裂紋試驗(yàn)時(shí)，最低預(yù)熱溫度P P=1 440Pc-392() (%) 60 6

12、00 5 10152060202030 Hh B VMoCrNiCuMnSi CP C 焊接熱影響區(qū)最高硬度法焊接熱影響區(qū)最高硬度法 通過控制熱影響區(qū)最高硬度低于某一值，使過熱區(qū)不出現(xiàn) 裂紋，相當(dāng)于控制過熱區(qū)組織。 鋼種鋼種s/MPas/MPab/MPab/MPaPcPcCeq(IIW)Ceq(IIW)HVmaxHVmax 16MnR16MnR353353520520637637 0.24850.24850.41500.4150390390 15MnVR15MnVR392392559559676676 0.24130.24130.39930.3993400400 斜斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)法形坡

13、口焊接裂紋試驗(yàn)法 小鐵研式抗裂試驗(yàn) 試板 被焊材料制成試板，兩端用焊縫固定，中間為試驗(yàn)焊縫。 試板坡口如圖所示 固定焊縫與試驗(yàn)焊縫間預(yù)留間隙23mm 兩端固定對焊縫有拘束作用，其拘束程度往往比實(shí)際結(jié)構(gòu) 的長焊縫還要大。 試驗(yàn)焊縫如圖所示 斜Y形坡口試樣裂紋大多從焊縫根部尖角處開始，這里既 有組織轉(zhuǎn)變引起的脆化，又有力學(xué)角度上的缺口效應(yīng)引起 的應(yīng)力集中，最容易開裂。 裂紋發(fā)生率計(jì)算裂紋發(fā)生率計(jì)算 表面裂紋發(fā)生率計(jì)算 用放大鏡觀察表面裂紋，記錄整個(gè)表面裂紋長度 表面裂紋發(fā)生率(L1L2)/( Lc)100% (Li/Lc)100% 斷面裂紋發(fā)生率計(jì)算斷面裂紋發(fā)生率計(jì)算 將試件焊縫橫向切成同樣厚度的

14、6片，檢查5個(gè)斷面的裂 紋深度。 斷面裂紋發(fā)生率(h1h2)/(5H)100% 一般認(rèn)為，只要裂紋發(fā)生率小于20，在實(shí)際生產(chǎn)中就不 致發(fā)生裂紋 評定焊接接頭或焊接結(jié)構(gòu) 的使用性能 需要試驗(yàn)的內(nèi)容更為復(fù)雜 常規(guī)力學(xué)性能試驗(yàn)常規(guī)力學(xué)性能試驗(yàn) 測定焊接接頭(包括母材焊縫金屬和熱影響區(qū))在不 同載荷作用下的強(qiáng)度、塑性和韌性。 拉伸試驗(yàn) 沖擊試驗(yàn) 帶V形缺口或U形缺口 彎曲試驗(yàn) 應(yīng)變時(shí)效敏感性試驗(yàn) 焊接接頭及堆焊金屬硬度試驗(yàn)法 焊接接頭抗脆斷性能試驗(yàn)焊接接頭抗脆斷性能試驗(yàn) 抗脆性能與溫度的關(guān)系非常密切 GB6803一1986做落錘試驗(yàn)，溫度逐漸，則會(huì)產(chǎn)生無塑性 變形的完全斷裂(脆斷) 無塑(延)性轉(zhuǎn)變溫度(NDT) 表示材料接近屈服強(qiáng)度并存在小缺陷的情況下，發(fā)生脆 性破壞的最高溫度 彈性斷裂轉(zhuǎn)變溫度（FTE) 溫度達(dá)到FTE后，斷裂強(qiáng)度不管缺陷尺寸如