金屬焊接性及碳鋼焊接培訓課件

1、金屬焊接性及金屬焊接性及碳鋼的焊接碳鋼的焊接20162016年年2 2月月 主講：劉偉主講：劉偉第一節(jié)第一節(jié) 金屬焊接性基礎金屬焊接性基礎一、概述 金屬焊接性是指金屬材料對焊接加工的適應性，即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。它包含：1、結(jié)合性能又稱工藝焊接性，即在一定的焊接工藝（焊接方法、焊接材料、焊接工藝參數(shù)、結(jié)構(gòu)形式等）條件下，被焊金屬形成焊接缺陷（裂紋、夾渣、氣孔等）的敏感性、傾向性和嚴重性(其中裂紋的危害最大)，簡稱“好焊不好焊”。2、使用性能又稱使用焊接性，即在一定的焊接工藝條件下，被焊金屬的焊接接頭對使用性能要求的適應性，即焊接接頭或整體結(jié)構(gòu)能否滿足技術(shù)條件規(guī)定

2、的使用性能要求，如常規(guī)力學性能、低溫韌性、高溫蠕變、持久強度、疲勞性能、耐磨性能、耐腐蝕性能等，簡稱“好用不好用”。二、金屬焊接性的影響因素1、材料因素：材料的化學成分、組織狀態(tài)、力學性能對焊接性有重要影響。如：Al和Ti的化學性質(zhì)很活潑，容易氧化和燒損，故其焊接較困難；不同金屬材料間的焊接，其物理化學性能和晶體結(jié)構(gòu)越接近，越容易實現(xiàn)良好焊接。2、工藝因素：不同的焊接方法和焊接工藝流程對焊接性有不同影響。如：Al和Ti屬化學性質(zhì)較活潑的金屬，采用一般焊接方法不易焊接；而采用保護良好的氬弧焊后，使其高質(zhì)量的焊接成為現(xiàn)實。3、結(jié)構(gòu)因素：焊接接頭的結(jié)構(gòu)設計直接影響其剛度、應力的大小和方向，因此，應盡

3、量減少焊接接頭的剛度、減少交叉焊縫、減少應力集中。4、使用條件：焊接接頭所承受的載荷、工作溫度高低、工作環(huán)境的腐蝕情況等對焊接接頭有重要影響。如：高溫下工作的焊接接頭，必須考慮元素的擴散和結(jié)構(gòu)的蠕變問題；低溫下工作且承受沖擊載荷的焊接接頭，應考慮脆性斷裂問題；腐蝕條件下工作的焊接接頭，應考慮耐腐蝕破壞問題。三、金屬焊接性的評定方法1、工藝焊接性評定：主要評定對焊接缺陷的敏感性，尤其是裂紋形成傾向。A、直接模擬實驗：按照實際焊接條件，通過焊接過程觀察焊接缺陷及其程度。主要有：冷裂紋實驗、熱裂紋實驗、應力腐蝕實驗、脆性斷裂實驗等。B、間接推算法：根據(jù)材料的化學成分、金相組織、力學性能的關系，并聯(lián)系

4、焊接熱循環(huán)過程對焊接進行評定。主要有：抗裂紋判據(jù)、焊接應力模擬等。2、使用焊接性評定：將焊接接頭在使用條件下進行性能實驗，對實驗結(jié)果進行焊接性評定。主要有：常規(guī)力學性能實驗、高溫力學性能實驗、低溫脆性實驗、耐腐蝕實驗、耐磨損實驗、疲勞實驗等。四、鋼的焊接性判據(jù)對鋼焊接性好壞的判斷，可以通過在大量實驗基礎上建立的抗裂紋經(jīng)驗公式進行評判。最主要的是對材料冷裂紋敏感性的判斷。1、碳當量法該法可粗略估計低合金鋼的焊接冷裂紋敏感性。在各種元素中，碳對冷裂紋的產(chǎn)生最敏感，設其系數(shù)為1，將其它元素的影響按照碳的影響進行折合并迭加，即構(gòu)成“碳當量”。碳當量越大，淬硬冷裂的傾向越大，焊接性就越差。對中、高強度的

5、低合金非調(diào)質(zhì)鋼，國際焊接學會推薦的經(jīng)驗公式為：Ceq=Wc+1/6WMn+1/15W(Ni+Cu)+1/5W(Cr+Mo+V) %當Ceq0.4%時，鋼材的淬硬性不大，焊接性良好；當Ceq=0.4%0.6%時，鋼材易于淬硬，需預熱才能防止形成冷裂紋；當Ceq0.6%時，鋼材的淬硬性傾向大，焊接性差。對低合金調(diào)質(zhì)鋼，日本溶接學會推薦的公式為： Ceq=Wc+1/6WMn+1/40WNi+1/5WCr+1/24WSi+1/4WMo+1/14WV%其中，C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V、B等均有一定的成分范圍。對于普通低碳鋼： Ceq=Wc+1/2Wp+1/4WMo+1/5WCr+1/24

6、WSi+1/6WMn+1/13WCu +1/15WNi%一般而言，當碳當量Ceq0.35時，其焊接性能良好；當碳當量Ceq=0.400.50時，其焊接性變差。為改善其焊接性能，焊接前應進行200400的預熱處理，并在焊后進行正火。2、冷裂紋敏感指數(shù)（Pc）為更全面對冷裂紋的形成進行評估，將對冷裂紋有影響的淬硬傾向、拘束度、擴散氫含量進行綜合考慮，形成了冷裂紋敏感指數(shù)Pc。Pc= Pcm+H/60+/600%Pcm=Wc+1/30WSi+1/20W（Mn+Cu)+1/60WNi+1/15WMo+1/10WV+1/5WB% 式中，Pcm化學成分的冷裂紋敏感指數(shù)；板厚（mm）；H焊縫中的擴散氫含量（

7、mL/100 g）。將求出的Pc代入防止冷裂紋的最低預熱溫度公式：to=1440 Pc 392 即可得知相應的應該預熱的溫度。五、常用焊接裂紋實驗方法焊接裂紋敏感性實驗是在實際的焊接工藝過程中經(jīng)常使用的直接模擬實驗，該實驗方法十分接近實際工況、直觀、可靠性好。 1、斜Y形坡口焊接裂紋實驗：該法亦稱“小鐵研”實驗，主要用于檢測母材金屬熱影響區(qū)的冷裂紋傾向。圖1 斜Y形坡口焊接裂紋實驗試件的形狀及尺寸試驗的焊接規(guī)范為：焊條直徑：4mm；焊接電流：170A；電弧電壓：24V；焊接速度：150mm/min。焊后經(jīng)不少于24小時時效后再做裂紋檢查。首先用放大鏡目測或磁性熒光粉檢查焊縫表面裂紋，然后進行斷

8、面解剖，檢查斷面的裂紋情況。由于斜Y形坡口對接裂紋實驗在接頭處的約束很大，根部尖角處應力集中十分明顯，故容易產(chǎn)生裂紋。一般認為，在此實驗中，若裂紋率不超過20%，則在實際結(jié)構(gòu)焊接時，就不會產(chǎn)生裂紋。裂紋率的計算：1、表面裂紋率Cf:Cf=(lf）/L100%2、根部裂紋率Cr:Cr=(lr)/L100%3、斷面裂紋率Cs:Cs=Hs/H100%圖2 試樣裂紋長度計算2、焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗：焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗是以熱影響區(qū)最高硬度來評價鋼材冷裂紋傾向的試驗方法。該法適用于低合金鋼焊接熱影響區(qū)由于馬氏體轉(zhuǎn)變而引起的裂紋試驗，也適用于碳素鋼。 圖3 試件形狀試件尺寸焊接前先去除試件表面上的

9、水分、鐵銹、油污及氧化皮等雜質(zhì)。所用焊條原則上應適合于所焊的試件，直徑為4mm。1號試件在室溫下、2號試件在預熱溫度下進行焊接。焊接參數(shù)為：焊接電流：17010A，焊接速度為15010mm/min。試件焊后在靜止的空氣中自然冷卻，不進行任何熱處理。不同強度等級和不同含碳量的鋼種，有不同的最高硬度值。3、插銷冷裂紋試驗法：插銷試驗是使用專門設備（插銷試驗機）評定焊接冷裂紋敏感性的一種試驗方法。試驗采用圓柱形試樣，試樣由被試鋼材加工而成，并插入底板的孔中，使帶缺口一端的端面與底板表面平齊。底板上熔敷一焊道，盡量使焊道中心線通過插銷端面中心。焊后在完全冷卻以前，給插銷施加一拉伸靜載荷，試驗既可用啟裂

10、也可用斷裂作為判斷準則。圖4 插銷試驗示意圖a、環(huán)形缺口試樣 b、螺形缺口試樣六、焊接接頭的常見缺陷焊接缺陷：焊接過程中在焊接接頭內(nèi)產(chǎn)生的不符合標準要求的缺陷。評定焊接接頭質(zhì)量優(yōu)劣的依據(jù)是缺陷的種類、大小、數(shù)量、形態(tài)、分布及危害程度。常見的焊接缺陷有焊接裂紋、氣孔、夾渣、未熔合和未焊透等。1、裂紋：焊接裂紋是指金屬在焊接應力及其它致脆因素共同作用下，焊接接頭中局部地區(qū)金屬原子結(jié)合力遭到破壞而形成的新界面所產(chǎn)生的縫隙。焊接裂紋具有尖銳的缺口和長寬比大的特征，是焊接結(jié)構(gòu)中最危險的缺陷。按溫度范圍可分為熱裂紋、冷裂紋及再熱裂紋。熱裂紋：在固相線附近的高溫區(qū)形成的裂紋稱熱裂紋。熱裂紋主要發(fā)生在晶界處。

11、由于裂紋形成的溫度較高，在與空氣接觸的開口部位表面有強烈的氧化特征，呈藍色或天藍色，這是區(qū)別冷裂紋的重要特征。根據(jù)裂紋形成機理的不同，熱裂紋可分為結(jié)晶裂紋、液化裂紋和高溫失塑裂紋。冷裂紋：焊接接頭冷卻到Ms溫度以下時形成的裂紋稱為冷裂紋。冷裂紋主要發(fā)生在焊接熱影響區(qū)，對某些合金成分多的高強度鋼而言，也可能發(fā)生在焊縫金屬中。常見的冷裂紋可分為氫致裂紋、淬火裂紋和層狀撕裂。再熱裂紋：工件焊接后，若再次被加熱（如消除應力處理、多層焊或使用過程中被加熱）到一定溫度而產(chǎn)生的裂紋稱為再熱裂紋。再熱裂紋多發(fā)生在含Cr、Mo、V的低合金結(jié)構(gòu)鋼、含Nb的奧氏體不銹鋼以及析出硬化顯著的Ni基耐熱合金材料中。再熱裂

12、紋常出現(xiàn)在粗晶區(qū)中，并沿粗大奧氏體晶粒邊界擴展，且多發(fā)生在咬邊等應力集中處，可形成沿熔合線的縱向裂紋，也可形成粗晶區(qū)中垂直于熔合線的網(wǎng)狀裂紋，其斷口有被氧化的顏色。2、氣孔：焊接時，熔池中的氣泡在凝固時未能逸出而殘留下來所形成的空穴稱為氣孔。氣孔有時以單個出現(xiàn)，有時以成堆的形式聚集在局部區(qū)域，其形狀有球形、條蟲形等。 3、夾渣：焊后殘留在焊縫中的熔渣稱為夾渣。夾渣的形狀較復雜，一般呈線狀、長條狀、顆粒狀及其它形式。夾渣主要發(fā)生在坡口邊緣和每層焊道之間非圓滑過渡的部位，在焊道形狀發(fā)生突變或存在深溝的部位也容易產(chǎn)生夾渣。在橫焊、立焊或仰焊時產(chǎn)生的夾渣比平焊時多。4、未熔合和未焊透：在焊縫金屬和母材

13、之間或焊道金屬與焊道之間未完全熔化的部分稱為未熔合。未熔合常出現(xiàn)在坡口的側(cè)壁、多層焊的層間及焊縫的根部。未焊透是指母材金屬之間應該熔合而未焊上的部分。該缺陷一般出現(xiàn)在單面焊的坡口根部及雙面焊的坡口鈍邊。未焊透易造成較大的應力集中，往往從其末端產(chǎn)生裂紋。第二節(jié)第二節(jié) 碳鋼的焊接碳鋼的焊接一、概述一、概述 碳鋼是以鐵為基礎，碳為合金元素，碳的質(zhì)量分數(shù)一般在1.0%以下，且具有較好的力學性能和工藝性能的碳素鋼。按含碳量不同，碳鋼可分為低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼；按用途不同，碳鋼可分為結(jié)構(gòu)鋼和工具鋼。碳鋼的焊接性主要取決于碳含量的高低。隨含碳量的增加，焊接性逐漸變差。碳鋼焊接性與碳含量的關系二、低碳鋼的焊

14、接二、低碳鋼的焊接1、低碳鋼的焊接特點：a、可裝配成各種不同的接頭，適合各種不同位置的施焊，且焊接工藝和技術(shù)簡單，容易掌握；b、焊前一般不需預熱；c、塑性好，焊接接頭產(chǎn)生裂紋的傾向小，適合制造各類大型結(jié)構(gòu)件和受壓容器；d、不需使用特殊和復雜設備，對焊接電源（交流直流）和焊接材料（酸性堿性）無特殊要求。2、低碳鋼的焊接工藝：低碳鋼幾乎可采用所有的焊接方法進行焊接，并都能保證焊接接頭的良好質(zhì)量。其中，焊條電弧焊、埋弧焊、CO2氣體保護焊用得最多。焊條電弧焊:焊條電弧焊時，關鍵是選擇電焊條。焊條的選用原則主要是根據(jù)母材的強度等級及焊接結(jié)構(gòu)的工作條件來確定。焊接低碳鋼所用焊接材料當母材的厚度較大或周圍

15、環(huán)境溫度較低時，由于焊縫金屬及熱影響區(qū)的冷卻速度很快，有可能出現(xiàn)裂紋，此時需要對焊件進行適當預熱。如：在寒冷地區(qū)室外焊接、溫度小于或等于0的情況下需要預熱；直徑大于或等于3000mm、且壁厚大于或等于50mm的情況下，以及壁厚大于或等于90mm的產(chǎn)品的第一層焊道的焊接，焊前都應進行預熱。預熱溫度一般為80-150。 對于焊接受壓件，當壁厚大于或等于20mm時，應考慮采用焊后熱處理或相應的消除應力措施；壁厚大于30mm時，必須進行焊后熱處理，溫度為600-650；壁厚大于200mm時，待焊至工件厚度的1/2時，應進行一次中間熱處理后，再繼續(xù)焊接。中間熱處理溫度為550-600，焊后熱處理溫度為6

16、00-650。埋弧焊：與焊條電弧焊相比，埋弧焊可以采用較大的熱輸入，生產(chǎn)效率較高，熔池也較大。生產(chǎn)中，采用埋弧焊焊接較厚工件時，可以用一道或多道焊來完成。多層埋弧焊焊第一道焊縫時，母材的熔入比例大，若母材的含碳量較高時，焊縫金屬的含碳量就會升高，并在第一道埋弧焊處容易形成不利的O形焊縫斷面，易產(chǎn)生熱裂紋。故多層埋弧焊焊接厚板時，要求在坡口根部第一道焊縫時采用的熱輸入要小些，如采用焊條電弧焊打底的埋弧焊就可避免上述情況。CO2氣體保護焊：為使焊縫金屬具有足夠的力學性能和良好的抗裂紋及氣孔的能力，低碳鋼采用CO2氣體保護焊時可采用含Mn和Si的焊絲如H08Mn2Si、H08Mn2SiA等。起保護作

17、用的CO2氣體質(zhì)量也很重要。若在CO2氣體中N和H的含量過高，焊接時即使焊縫保護良好、Mn和Si的數(shù)量也足夠，仍可能在焊縫中出現(xiàn)氣孔。CO2氣體保護焊時，為使電弧燃燒穩(wěn)定，應采用較高的電流密度，但電弧電壓不能過高，否則焊接時易出現(xiàn)飛濺及電弧燃燒不穩(wěn)。3、低碳鋼零件焊接舉例：油田輸油管線材質(zhì)為20無縫鋼管，其外徑為60mm、壁厚3.5mm，采用手工鎢極氬弧焊打底，焊條電弧焊蓋面進行施焊。圖5 油田輸油管線采用Y形坡口，角度為605，間隙1.5mm，采用機械加工或砂輪機打磨坡口，并將坡口兩側(cè)20mm范圍內(nèi)的鐵銹、油污、水分清除干凈，且露出金屬光澤。焊條可用E5015（J507）或E5016（J50

18、6）堿性低氫焊條，直徑為3.2mm；焊絲選用H08Mn2SiA，直徑為2.0mm。焊縫表面不允許有氣孔、裂紋、夾渣等缺陷。焊接工藝參數(shù)三、中碳鋼的焊接1、中碳鋼的焊接特點：中碳鋼的碳含量比低碳鋼高0.2-0.3%，但焊接性卻嚴重惡化。在物理性能方面，中碳鋼比低碳鋼線膨脹系數(shù)略高，熱導率稍低，也增加了中碳鋼焊接的熱應力和過熱傾向。碳含量的提高使中碳鋼的強度增加，但保護碳免于燒損的難度加大，C和FeO的還原反應：C+FeOFe+CO，生成的CO使氣孔形成傾向增大。當鋼中的碳含量大于0.15%時，碳本身的偏析以及它促使硫等其它元素的偏析逐漸明顯，導致鋼的熱裂傾向增大，故用于焊接的中碳鋼需要嚴格限制P

19、、S含量。碳使鋼的焊接性變壞的主要原因是碳提高了鋼的淬硬性。中碳鋼的馬氏體由于有較大的脆性，在焊接應力和擴散氫的作用下容易發(fā)生冷裂紋和脆斷。隨碳質(zhì)量分數(shù)的增加，中碳鋼的焊接性變壞，其主要的焊接缺陷是熱裂紋、冷裂紋、氣孔和接頭脆性。當鋼中的雜質(zhì)較多、剛性較大時，焊接問題將更突出。2、中碳鋼的焊接工藝：焊接方法：焊條電弧焊是中碳鋼最好的焊接法，應采用相應強度級別的堿性低氫型焊條。坡口制備：為限制中碳鋼焊縫中的碳含量、減少熔合比，一般開U形或V形坡口，并將坡口兩側(cè)的油、污、銹等清除干凈。預熱：預熱溫度取決于碳當量、母材厚度、結(jié)構(gòu)剛度、焊條類型和工藝方法。通常35鋼、45鋼的預熱溫度為150-250。

20、焊接電源：一般選用直流弧焊電源，反極性，以減少熔深，降低裂紋傾向和氣孔敏感性。焊后熱處理：焊后盡量立即進行消除應力熱處理，尤其對于厚度大或剛性大的工件。消除應力回火溫度一般為600-800。若焊后不能進行消除應力處理，也要進行后熱，即采用保溫、緩冷措施，使擴散氫逸出，以減少裂紋的產(chǎn)生。3、中碳鋼焊接零件舉例：法蘭長軸：材料為35鋼圖6 法蘭長軸焊接采用焊條電弧焊進行焊接。焊條選用E5015（J507）堿性低氫型焊條，焊前進行300-350一小時烘干。焊件在150-200時預熱，焊前仔細清理焊口，點固焊縫4-5段，每段長50mm。焊件水平放置，圓周焊縫分成6段或4段，分段跳焊以減少焊接應力和變形

21、。機車用萬向軸：材料為40Cr圖7 萬向軸焊接采用焊條電弧焊進行焊接。焊條選用E8515（J857）的低氫型焊條，焊前進行烘干。焊件預熱溫度為300，焊后立即用石棉灰保溫緩冷，然后進行550-600的退火處理以消除應力，可使焊縫有較高的強度。四、高碳鋼的焊接高碳鋼由于碳含量很高，故焊接性很差，一般采用焊條電弧焊或氣焊。1、高碳鋼的焊接特點：a、高碳鋼比中碳鋼更易產(chǎn)生焊接熱裂紋；b、高碳鋼對淬火更加敏感，近縫區(qū)極易形成馬氏體淬硬組織，產(chǎn)生冷裂紋；c、受焊接高溫的影響，高碳鋼焊接時晶粒長大快，碳化物容易在晶界上聚集、長大，焊縫脆弱，使接頭強度降低；d、高碳鋼導熱性比低碳鋼差，熔池急劇冷卻時易在焊縫中引起很大