第二章-材料焊接性

1、Chapter 2 金屬材料的焊接性能,第一篇 連接成形理論基礎(chǔ),2,返 回,本章講授目的,重點(diǎn)掌握： 焊接性概念和評(píng)價(jià)方法，尤其是碳當(dāng)量法 利用焊接性分析材料在指定焊接工藝條件下可能出現(xiàn)的問題,3,金屬材料的焊接性,碳鋼的焊接,本章主要內(nèi)容,有色金屬的焊接,鑄鐵的焊補(bǔ),4,1. 金屬材料焊接性的概念,焊接性（Weldability） 指被焊金屬在限定的施工條件（焊接方法、焊接材料、工藝參數(shù)及結(jié)構(gòu)型式），焊接成按規(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。 即金屬材料在一定的焊接工藝條件下，表現(xiàn)出的焊接難易程度。,一、金屬材料的焊接性,工藝簡(jiǎn)單、接頭質(zhì)量高、性能好稱為焊接性好,5,討論： 正

2、確區(qū)別“焊接”和“焊接性”； 分析研究焊接性的目的。,6,工藝焊接性:金屬或材料在一定的焊接工藝條件下，能否獲得優(yōu)質(zhì)致密、無缺陷和具有一定使用性能的焊接接頭的能力。 使用焊接性:焊接接頭或整體焊接結(jié)構(gòu)滿足技術(shù)條件所規(guī)定的各種性能的程度，包括常規(guī)的力學(xué)性能(強(qiáng)度、塑性、韌性等)或特定工作條件下的使用性能，如低溫韌性、斷裂韌性、高溫蠕變強(qiáng)度、持久強(qiáng)度、疲勞性能以及耐蝕性、耐磨性等。,使用焊接性,工藝焊接性,接頭使用可靠性,焊接缺陷傾向,（1）焊接性分類,7,焊接過程,熱過程,HAZ,冶金過程,WM,熱焊接性,冶金焊接性,冶金焊接性:指熔焊高溫下的熔池金屬與氣相、熔渣等相之間發(fā)生化學(xué)冶金反應(yīng)所引起的

3、焊接性變化。 熱焊接性:焊接過程中要向接頭區(qū)域輸人很多熱量，對(duì)焊縫附近區(qū)域形成加熱和冷卻過程，這對(duì)靠近焊縫的熱影響區(qū)的組織性能有很大影響，從而引起熱影響區(qū)硬度、強(qiáng)度、韌性、耐蝕性等的變化。,8,（2）影響焊接性的因素：,材料（母材和焊材的化學(xué)成份和性能等） 例如：碳及合金元素含量增加使焊接區(qū)容易開裂 工藝設(shè)計(jì)（焊接方法、焊接工藝、結(jié)構(gòu)） 例如：活潑性Ti采用氬弧焊焊接性好、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)注意減少焊接缺陷、多向應(yīng)力和應(yīng)力集中 服役環(huán)境（工作溫度、環(huán)境和負(fù)荷等） 例如：工作溫度高時(shí)，可能產(chǎn)生蠕變；工作溫度低或載荷為沖擊載荷時(shí)，容易發(fā)生脆性破壞；工作介質(zhì)有腐蝕性時(shí)，接頭要求具有耐腐蝕性。使用條件越不利，

4、焊接性就越不易保證。,9, 材料因素如：焊接材料,焊 接 材 料,種類 供給方式 電極,藥芯焊絲 實(shí)心焊絲,燒結(jié)型 熔煉型,焊條 焊絲 焊劑 保護(hù)氣體,焊炬保護(hù)氣體 背面保護(hù)氣體 控制熔池用氣體 控制電弧用氣體 自保護(hù),連續(xù)供給 手工 固定 填入,熔化 非熔化,10,設(shè)計(jì)因素：結(jié)構(gòu)類型、接頭形式,接 頭 形 式,對(duì)接接頭 T型接頭 十字接頭 角接接頭 搭接接頭 堆 焊,結(jié) 構(gòu) 類 型,圓筒結(jié)構(gòu) 球形結(jié)構(gòu) 管 結(jié) 構(gòu) 平板結(jié)構(gòu) 框架結(jié)構(gòu) 裝配結(jié)構(gòu),完全焊透 部分焊透,雙面焊 單面焊,襯墊焊 無襯墊 水冷銅壁板,11, 工藝因素如：熔焊方法,熔 焊 方 法,手工電弧焊 自動(dòng)埋弧焊 MIG/MAG

5、TIG 等離子弧焊 氣電立焊 自保護(hù)電弧焊 電渣焊 電子束焊 激光焊 氣焊 其它,焊 接 位 置,平焊 橫焊 立焊 仰焊,12,各種金屬材料焊接難易程度一覽表,13,橫看：沒有一種母材所有焊接方法都適用 豎看：沒有一種焊接方法所有母材都適用,14,2. 鋼的焊接性評(píng)價(jià)方法,碳、合金元素含量,焊接性,國際焊接學(xué)會(huì)IIW,碳鋼及低合金鋼,碳對(duì)冷裂紋敏感性的影響最明顯，其它元素的影響 折合成碳的影響。,間接方法,（1）碳當(dāng)量,15,CE0.4%，鋼材塑性良好，淬硬和冷裂紋傾向不明顯，可焊性良好。一般不會(huì)產(chǎn)生裂紋，但對(duì)厚大工件或低溫下焊接時(shí)應(yīng)考慮預(yù)熱。 CE=0.4%0.6%，鋼材塑性下降，淬硬和冷裂

6、傾向明顯，可焊性較差。需要焊前預(yù)熱，焊后緩冷及一定的焊接工藝措施。 CE0.6%，鋼材塑性較低，淬硬和冷裂傾向很強(qiáng)，可焊性很差。焊前預(yù)熱，減少焊接應(yīng)力和防止開裂，焊后熱處理。,碳當(dāng)量越高，焊接性越差,板厚和焊接條件影響？,16,日本JIS 此式適用于低合金調(diào)質(zhì)鋼，其化學(xué)成分范圍：C0.2或0.18；Si 0.55；Mn1.5%；Cu 0.5%；Ni2.5%；Cr1.25%；Mo 0.7%；V0.1%；B0.006%。,碳當(dāng)量其它公式,17,根據(jù)鋼材強(qiáng)度和碳當(dāng)量確定預(yù)熱要求,鋼板厚度小于25mm，采用焊條電弧焊，焊接熱輸入17KJ/cm。,18,美國焊接學(xué)會(huì)AWS 此式適合化學(xué)成分范圍：C0.6

7、；Mn1.6%；Ni 3.3%；Cr 1.0%；Mo0.6%；P：0.050.15%。Cu：0.51.0%；當(dāng)Cu0.5或P0.05時(shí)不計(jì)入。,19,焊接性與碳當(dāng)量的關(guān)系,20,不同條件下的預(yù)熱要求,21,（2）焊接冷裂紋敏感指數(shù)法,考慮化學(xué)成分、焊縫金屬組織、擴(kuò)散氫含量H、接頭拘束度（板厚）等，依據(jù)Y形坡口鐵研試驗(yàn)，得出,為冷裂紋敏感系數(shù)，,22,（3）焊接熱裂紋敏感指數(shù)法,考慮化學(xué)成分對(duì)焊接熱裂紋敏感性的影響,熱裂紋敏感系數(shù)HCS，越大熱裂紋敏感性越高。,臨界應(yīng)變?cè)鲩L率CST，CST6.5104時(shí)可防止熱裂紋,（4）消除應(yīng)力裂紋敏感性指數(shù)法，利用合金元素對(duì)消除應(yīng)力裂紋敏感性的影響,（5）層

8、狀撕裂敏感性指數(shù)法,（6）焊接熱影響區(qū)最高硬度法Hmax GB 4675.5-1984焊接性試驗(yàn) 焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)方法,23,從一般焊接工藝焊后有無裂縫或裂縫多少，初步評(píng)定試板材料的可焊性；調(diào)整工藝（如預(yù)熱、緩冷等）再焊接試板，達(dá)到不裂，從而制訂出合理的焊接工藝規(guī)程與規(guī)范。,直接方法,針對(duì)鋼材在焊接過程中出現(xiàn)的裂紋設(shè)計(jì)的直觀評(píng)價(jià),24,焊接冷裂紋試驗(yàn)：插銷試驗(yàn)、斜Y坡口對(duì)接試驗(yàn)、拉伸拘束裂紋試驗(yàn)（TRC）、剛性拘束裂紋試驗(yàn)（RRC）,焊接熱裂紋試驗(yàn)：窗形拘束對(duì)接裂紋試驗(yàn)、剛性固定對(duì)接裂紋試驗(yàn)等,再熱裂紋試驗(yàn)：H型拘束試驗(yàn)、缺口試棒應(yīng)力松弛試驗(yàn)、U形彎曲試驗(yàn)等,層狀撕裂試驗(yàn)：Z向拉伸、Z

9、向窗口試驗(yàn)等,脆性斷裂試驗(yàn)：低溫沖擊試驗(yàn)、落錘試驗(yàn)、裂紋張開位移試驗(yàn)等,直接方法包括：,25,二、碳鋼和合金鋼的焊接,碳鋼的分類（按碳的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)） 低碳鋼（C：0.25） 中碳鋼（C：0.25 C 0.6） 高碳鋼（C：0.6）,合金鋼的分類（按合金元素含量） 低合金鋼（合金含量10%）,26,低碳鋼含碳量不大于0.25%，塑性好，一般沒有淬硬傾向，對(duì)焊接熱過程不敏感，可焊性良好。,1. 低碳鋼的焊接,可以采用各種方法進(jìn)行焊接，應(yīng)用最廣泛的是焊條電弧焊、埋弧焊、氣體保護(hù)焊和電阻焊等。,27,通常焊接時(shí)，不需要采取特殊的工藝措施，通常在焊后不需要熱處理（電渣焊除外?請(qǐng)同學(xué)們思考一下原因）。 大

10、于50mm的低碳鋼結(jié)構(gòu)常用大電流多層焊，焊后進(jìn)行消除內(nèi)應(yīng)力退火。低溫焊接大結(jié)構(gòu)件時(shí)，應(yīng)進(jìn)行焊前預(yù)熱，防止應(yīng)力和變形。,焊材與工藝主要保證焊接接頭與工件材料等強(qiáng)度。,28,2. 中、高碳鋼的焊接,中、高碳鋼含碳量在0.25%以上，隨含碳量的增加，淬硬傾向愈發(fā)明顯，可焊性逐漸變差。,29,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，HAZ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)M等淬硬組織。剛性較大或工藝不恰當(dāng)時(shí)，焊接接頭焊后冷卻到相變溫度以下或常溫后產(chǎn)生冷裂紋。,焊縫金屬熱裂紋傾向較大,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

11、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)生裂紋（熱裂紋）。,中碳鋼焊接特點(diǎn)：,30,焊條電弧焊，選用抗裂能力較強(qiáng)的低氫型焊條，如J506、J507或J427等。 采用細(xì)焊條、小電流、開坡口、多層焊，防止焊件過多熔入焊縫（增加碳含量，降低塑性），同時(shí)減小HAZ寬度。,焊前必須進(jìn)行預(yù)熱，使焊接時(shí)工件各部分的溫差減小，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。焊后熱處理。,焊材及工藝,31,3. 合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接,低合金鋼的焊接特點(diǎn)：,熱影響區(qū)的淬硬傾向,HAZ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(jí)別有關(guān)。碳及合金元素越多，鋼材

12、強(qiáng)度級(jí)別越高，HAZ的淬硬傾向也越大。強(qiáng)度級(jí)別大于450MPa級(jí)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，形成淬火區(qū)，硬度明顯增加，塑性、韌性則下降。,焊接接頭的裂紋傾向,鋼材強(qiáng)度級(jí)別提高，產(chǎn)生冷裂紋的傾向加劇。由于 合金元素Mn的存在，有利于脫硫，熱裂紋傾向不大。,32,強(qiáng)度級(jí)別低的鋼材，焊接同低碳鋼。 低溫、大剛度、大厚件進(jìn)行小焊腳、短焊縫焊接時(shí)，應(yīng)防止淬硬組織。增大電流、慢速焊接、選用抗裂性強(qiáng)的低氫型焊條，必要時(shí)進(jìn)行預(yù)熱。,對(duì)鍋爐等重要件，當(dāng)厚度大于20mm時(shí)，焊后必須進(jìn)行退火處理，消除內(nèi)應(yīng)力。 對(duì)強(qiáng)度級(jí)別高的低合金鋼件，焊前必須進(jìn)行預(yù)熱，調(diào)整焊接參數(shù)減慢熱影響區(qū)的冷卻速度。

13、焊后進(jìn)行熱處理，消除內(nèi)應(yīng)力。,焊材及工藝,33,不銹鋼的焊接,馬氏體不銹鋼（Cr13型） 奧氏體不銹鋼含鉻大于18%，還含有 8%左右的鎳及少量鉬、鈦、氮等元素 （Cr18Ni9型）304（0Cr18Ni9） 鐵素體不銹鋼含鉻1230%（Cr17型）,不銹鋼的種類,焊接性較差 （冷裂紋和淬硬脆化）,焊前預(yù)熱，焊后緩冷及熱處理，采用奧氏體不銹鋼焊條。,焊接性良好,焊接性較差（過熱晶粒引起脆化和裂紋）,低溫預(yù)熱（ 150 ）減少高溫停留時(shí)間,34,三、鑄鐵的焊補(bǔ),鑄鐵的焊接特點(diǎn)：,（1）局部加熱，冷速快，熔合區(qū)易產(chǎn)生硬度高難機(jī)加工的白口組織； （2）鑄鐵強(qiáng)度低、塑性差，應(yīng)力下易產(chǎn)生裂紋； （3）高

14、含碳量形成CO和CO2，快冷時(shí)來不及逸出，易產(chǎn)生氣孔,Fe-C相圖上， 2.11%含碳量6.69%，碳含量高，組織不均勻，塑性低，焊接性很差。通常用于局部損壞或斷裂的修補(bǔ)工作焊補(bǔ)。,35,1. 熱焊法,熱焊 鑄件預(yù)熱到600700進(jìn)行焊接，焊后緩冷。,焊接方法： 氣焊、手工電弧焊（鑄鐵焊條）,焊補(bǔ)質(zhì)量好， 成本高，勞動(dòng)條件差，生產(chǎn)率低，,中等厚度鑄件及焊后要加工的復(fù)雜、重要的鑄件, 如：內(nèi)燃機(jī)缸蓋、氣缸體、機(jī)床床身等。,特點(diǎn)：,應(yīng)用：,36,2. 冷焊法,冷焊 鑄件一般不預(yù)熱或較低溫度預(yù)熱。,特點(diǎn)：依靠焊條來調(diào)整焊縫的化學(xué)成分，以防止白口 組織和裂紋。,應(yīng)用：,鎳基焊條 結(jié)構(gòu)鋼焊條,補(bǔ)焊質(zhì)量好

15、，成本高。 用于重要鑄鐵件加工表面焊補(bǔ),焊補(bǔ)質(zhì)量低，用于非加工表面，（采用小直徑、小電流、短?。?37,四、有色金屬的焊接,1. 銅及銅合金的焊接,純銅、黃銅（Cu-Zn）、青銅（Cu-Sn）、白銅（Cu-Ni）,銅和鐵物理性能比較,38,（1）銅及銅合金的焊接比低碳鋼困難： 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，容易造成焊不透缺陷。 熔化的銅氧化生成Cu2O與銅形成低熔點(diǎn)共晶，導(dǎo)致熱裂紋；銅的膨脹系數(shù)和收縮率大，容易產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力，極易引起開裂。 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(huì)生成氣孔。 銅的電阻極小，不適于電阻焊接。 銅合

16、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）。,39,TIG與氣焊適用于1-4mm薄件焊接，TIG質(zhì)量好但成本高。 板厚5mm以上的長焊縫宜采用SAW、MIG焊和電子束焊。（思考：埋弧焊的優(yōu)點(diǎn)？） 厚板建議用電渣焊,（2）焊材及工藝,MIG焊焊縫晶粒較細(xì)，含O2低，塑性比SAW好，但8mm以上件易成形不良，飛濺多，需要預(yù)熱。 純銅焊絲、脫氧劑、無鋅焊絲（用于黃銅）焊前清理，防止氧氫致裂紋和氣孔。大能量焊接及焊前預(yù)熱。,銅及銅合金可用氬弧焊（TIG）、氣焊、埋弧焊（SAW）、釬焊等方法進(jìn)行焊接。,40,2. 鋁及鋁合金的

17、焊接,工業(yè)純鋁 不能熱處理強(qiáng)化鋁合金 熱處理強(qiáng)化鋁合金,焊接性好,分類, 焊接性差,接頭軟化熱裂紋,問題,氧化：形成Al2O3和MgO氧化膜，成為夾雜，阻礙融合 氣孔：鋁液大量溶解氫氣，結(jié)晶時(shí)形成氣孔 熱裂紋：加熱冷卻快形成易熔共晶體導(dǎo)致的焊縫凝固裂紋以及近縫區(qū)的液化裂紋,41,導(dǎo)熱性強(qiáng)，線脹系數(shù)大，應(yīng)采用能量集中的熱源，以保證熔合良好。 鋁在高溫時(shí)強(qiáng)度及塑性很低，由于熔池金屬得不到支持而引起焊縫塌陷，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。 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，減少氫的來源。,保護(hù)效果好，有“陰極破碎”作用,焊接方法及

18、工藝,42,3. 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，除了金屬本身的物理化學(xué)性能對(duì)焊接有影響外，兩種金屬材料性能的差異會(huì)更大程度上影響它們之間的焊接。,結(jié)晶化學(xué)性的差異 物理性能的差異 熔點(diǎn) 線膨脹系數(shù) 導(dǎo)熱率和比熱 金屬的氧化性 金屬間化合物 焊縫與母材不等強(qiáng)性,43,選用合理的焊接方法和填充材料，正確地制定焊接工藝外，還可采取一些工藝措施：,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。 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

19、某些合金元素，以阻止金屬間化合物相的產(chǎn)生和增長。,44,一、選擇題 1、板厚200 mm的低碳鋼板的立焊縫，要一次焊成應(yīng)選用（ ）。 A、焊條電弧焊 B、埋弧焊 C、氣體保護(hù)焊 D、電渣焊,2、焊接鋁及其合金，為保證焊接質(zhì)量，應(yīng)選用（ ）。 A、焊條電弧焊 B、埋弧焊 C、氣焊 D、氬氣保護(hù)焊 3、焊接接頭中，性能最差的是（ ）。 A、焊縫 B、熔合區(qū) C、過熱區(qū) D、部分相變區(qū) 4、下列材料中，可焊性最好的是（ ）。 A、20鋼 B、HT200 C、T10A D、鋁及其合金,思考題,45,5、在焊接性估算中，（ ）鋼材焊接性比較好。 A、碳含量高，合金元素含量低 B、碳含量中，合金元素含量中

20、； C、碳含量低，合金元素含量高 D、碳含量低，合金元素含量低。 二、判斷題 1、低碳鋼和強(qiáng)度級(jí)別較低的低合金鋼是制造焊接結(jié)構(gòu)件的主要材料（ ） 2、70鋼比20鋼焊接性能好。（ ） 3、鋼材的碳含量越大，則焊接性能也越差。（ ）,46,三、計(jì)算題 試比較下列鋼材的焊接性。,47,解： 碳當(dāng)量的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式： W(c)當(dāng)量= W(c)+ W(Mn)/6+ W(Cr)+ W(Mo)+W(V)/5+ W(Ni)+ W(Cu)/15 %帶入數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得： W(09Mn2Cu)當(dāng)量=0.35%； W(09MnV)當(dāng)量=0.34%； W(14MnMoV)當(dāng)量=0.5%. 由碳當(dāng)量可知：09Mn2Cu=0.35碳當(dāng)量小于0.4%，板材薄，焊接性較好；09MnV的碳當(dāng)量小于0.4%