Chapter14金属构件焊接的工艺设计.ppt

材料加工工程,材料科学与工程学院,主讲教授：李远才、刘顺洪、周华民、王新云,HUAZHONG UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY,教学内容,铸造XXXX,1,锻压XXXX,2,焊接XXXX,3,注塑XXXX,4,第三讲 金属连接成形工艺,主讲教授：刘顺洪,Chapter 11: 金属连接成形原理及途径 Chapter 12: 金属连接成形的主要工艺 Chapter 13: 焊接新技术及相关技术 Chapter 14: 金属构件焊接的工艺设计 Chapter 15: 焊接成形件的缺陷及检测,第三讲 金属连接成形工艺,金属构件焊接的工艺设计,第14章,Metal structure welding & design,第三讲 金属连接成形工艺,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,Focuses: 1) 高强度低合金钢的焊接 2) 不锈钢的焊接 3) 铝及铝合金的焊接 4) 焊接工艺 5) 焊接接头的设计,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,第一节 金属构件常用材料的焊接,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,1. 高强度低合金钢的焊接,高强钢的广泛应用. 热轧钢; 低碳调质钢; 中碳调质钢; 优良的综合力学性能. 焊接过程对高强钢性能的影响.,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,300mw Power plant flame boiler,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,nuclear power station,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,f-15 battleplane,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,jian-10 battleplane,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,Su-30 battleplane,Guided missile,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,Tank,断裂韧性降低,焊接接头局部脆化. 粗晶脆化,再热脆化,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,1.1 低合金高强钢的焊接性,金属焊接性是指金属材料是否具有适应焊接加工，以及在焊接加工后是否能在使用条件下安全运行的能力。 两方面的内容： 结合性能； 例：低碳钢与铸铁 使用性能； 例：不锈钢,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,1.1.1影响材料焊接性的因素 （一）材料因素 材料本身的化学成分、组织状态和力学性能 （二）工艺因素 焊接方法和焊接工艺规程 （三） 结构因素 刚度、拘束应力 （四） 使用条件 承受载荷的性质和工作温度的高低、工作介质的腐蚀性,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,1.1.2焊接性的评定,1)首先，根据被评定材料的有关数据或图表(如化学成分、化学性能、物理性能、CCT图或SHCCT图等)对其焊接性进行初步分析。对于生产单位，分析要结合产品的结构形式与具体的生产条件。 2)在上述分析的基础上，还必须进行焊接性试验。按照试验性质的不同，焊接性实验又可分为实焊性试验与模拟性试验两类。,1.1.3 分析金属焊接性的方法,一、利用化学成分分析 1.碳当量法 2.焊接冷裂纹敏感指数(Pc) 二、利用CCT图分析 三、利用材料的物理性能分析 四、利用材料的化学性能分析 五、利用合金相图分析 主要是分析热裂纹倾向。依照成分范围，查找相图，可知道结晶范围，脆性温度区间的大小，是否形成低熔点共晶物，形成何组织等,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,六、从焊接工艺条件分析焊接性 热源特点 各种焊接方法所采用的热源在功率、能量密度、最高加热温度等方面有很大的差别，使金属在不同工艺条件下焊接时显示出不同的焊接性 电渣焊：功率很大，能量密度很低，最高加热温度也不高，加热缓慢，高温停留时间长，焊接热影响区晶粒粗大，冲击韧度下降 电子束焊、激光焊：功率小、能量密度高、加热迅速、高温停留时间段、热影响区窄、没有晶粒长大危险 保护方法 保护方法是否恰当也会影响金属焊接性的效果,六、从焊接工艺条件分析焊接性 热循环的控制 正确选择焊接工艺规范控制焊接热循环 预热、缓冷、层间温度改变焊接性 其它工艺因素 彻底清理坡口及其附近 焊接材料处理、烘干、除锈、保护气体要提纯、去杂质后使用 合理安排焊接顺序 正确制定焊接规范,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,1 国际焊接学会（IIW）推荐的公式为： Ceq=C+Mn/6+(Ni+Cu)/15+(Cr+Mo+V)/5(%) 适用于中、高强度的低合金非调质钢。计算的Ceq0.6%时，钢材的淬硬倾向大，焊接性差。,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,Ceq值作为评定冷裂敏感性指标，只涉及钢材本身，并未考虑其他一些因素，如接头拘束度、扩散氢等的影响，因此，不能准确反映实际构件的冷裂纹倾向。,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,2. 冷裂纹敏感指数（Pc）,Pc公式综合考虑了产生冷裂纹三要素(淬硬倾向、拘束度 和扩散氢含量) 的影响，使计算结果更准确，Pc公式如下：Pc=Pcm+H/60+/600(%) Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu +Cr) /20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B(%) 式中 Pcm化学成分的冷裂敏感指数；板厚（mm）； H焊缝中扩散氢含量（mL/100g） 此式适用条件： C ：0.07%0.12%；Si0.60%； Mn：0.4%1.40%； Cu0.5%；Ni1.20%；;Cr1.20%； Mo0.70%； V0.12%；Nb0.04%； Ti0.05%；B0.005%；=1950mm；H=1.05.0mL/100g(GB369583测氢法),HSLA 的焊接性 焊接问题: 凝固裂纹 冷裂纹 HAZ 脆化 HAZ 软化,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,延迟裂纹,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,solidification cracking,可焊性较好; 适应各种焊接方法 Shielded metal arc welding(SMAW) ,or Manual arc welding Submerged arc welding(SAW) Carbon-dioxide arc welding Electron-slag welding,etc. 主要有两类问题： 1）冶金缺陷：裂纹 2）性能变化：脆化,1.2.1 热轧、正火钢的焊接性分析,1.2 热轧、正火钢的焊接,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,冷裂纹：是这类钢的主要问题。 焊接过程中是否形成对氢敏感的淬硬组织是评定材料焊接性的重要指标。钢材的化学成分、淬硬倾向和冷裂倾向三者之间存在密切联系，这是分析问题的出发点。,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,A.淬硬倾向与冷裂倾向的关系,热轧钢：,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,母材：,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,3#,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,4#,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,6#,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,7#,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,12#,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,7# 11# 母材,1# 3# 4#,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,正火钢：,15MnVN,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,18MnMoNb,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,B.碳当量与冷裂倾向的关系,一般认为： CE0.4%时，基本无淬硬现象，与低碳钢相同；s=294392MPa的热轧钢属此。16Mn,14MnNb. CE=0.40.6%时，钢的淬硬性增加，属于有淬硬倾向的钢， s=441490MPa的正火钢属此。 CE不超过0.5%时，焊接性尚可，随板厚增加，要采用预热措施。15MnVN, CE0.5%时，淬硬性增加，冷裂倾向增加，就需采用严格的工艺措施。18MnMoNb,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,C. HAZ最高硬度值与冷裂倾向的关系,Hmax HV350.,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,1.2.2 HAZ的性能变化,1. 过热区脆化 1200C熔点区域，A显著长大，难熔质点熔入（C，N化物）； 冷却后，易形成魏氏体、粗大马氏体以及塑性很低的混合组织。 过热区的韧性与线能量、化学成分有很大的关系。,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,热轧钢：线能量过大，粗晶区将晶粒严重长大或出现魏氏组织，降低韧性； 线能量过小，粗晶区M比例增大而降低韧性。 正火钢：粗晶区组织受焊接热输入的影响更为显著，Nb,V微合金化的14MnNb 、 Q420等在热输入过大时，粗晶区的Nb(C,N)、V(C,N)析出将固熔于A中，失去组织细化作用，粗晶区将产生粗大的粒状贝氏体、上贝氏体使韧性降低，还会在不完全相变区形成M-A组元，使其脆化。,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,20#魏氏组织,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,20#魏氏组织,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,16Mn过热区魏氏组织,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,2.热应变脆化,16Mn,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,15MnVN,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,1.2.3热轧及正火钢的焊接工艺特点,焊接材料的选择 按强度选择焊接材料，而不是按化学成分选择材料； 要考虑熔合比和冷却速度； 必须考虑焊后热处理对焊缝机械性能的影响；,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,2.焊接工艺参数的确定 （1）焊接线能量 16Mn;15MnVN;18MnMoNb (2) 预热 a.与材料的淬硬现象有关； b.与焊接时的冷速有关； c.与拘束度有关； d.与焊后是否热处理有关,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,（3）焊接后热及焊后热处理 a.焊接后热及消氢处理 b.焊后热处理 c.消除应力处理,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,1.4 典型钢种焊接及实例,14MnNbq正火钢箱形梁的焊接 武钢生产，s=345Pa，正火状态供货；横向-40C charpy冲击功100J，=50mm厚板抗层状撕裂性能良好，z=66%. 焊接性研究表明： q 小，HAZ会产生淬硬组织；有一定的冷裂敏感性； q 大，HAZ有过热脆化；,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,长江大桥钢梁焊接，弦杆箱形梁,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,1）手工定位焊工艺,焊接材料：E5015，4 .0mm。 烘干及保存条件：350-400C、保温1h，烘干后放入保温筒中，2小时内使用。 施焊环境：温度5C，湿度80%。 预热温度：16-24mm，不预热；44-50mm，预热 80 C。 工艺参数：焊接电流160-200A；电弧电压23-26V。,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,2）对接接头埋弧焊焊接工艺,坡口型式： 24mm，采用X形坡口，76；32mm,采用双u形坡口，根部R8； 焊接材料：焊丝：H08Mn2E,焊剂：SJ101，使用前进行350 C保温2h烘干。 预热及道间温度：不预热，焊道间温度不超过200 C； 工艺参数： 1.6mm焊丝，320-360A、32-36V，21 .5-25mm/h; 5.0焊丝，660-700A，32V、21.5m/h。 其他：第1道焊接时，用焊剂衬垫，翻身焊时，背面清根，翻身焊方向与第1道焊方向相反。,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,3）开坡口角接头埋弧焊工艺,坡口形式：竖板开45 V形坡口； 施焊位置：船形位置焊接； 焊接材料：焊丝：H08MnE,焊剂：SJ101，使用前进行350 C保温2h 烘干； 预热及道间温度：打底焊预热温度 50 C。 焊道间温度不超过200 C； 工艺参数：打底焊道采用1.6mm焊丝、240-260A、22-24V，21 .5mm/h; 其他焊道采用5.0焊丝，680-700A，30-32V、18m/h。 焊丝伸出长度： 1.6：20-25mm, 5.0:35-40mm.,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,4）棱角接头埋弧焊工艺,坡口形式：水平板开半U形坡口，根部R10； 施焊位置：平焊； 焊接材料：焊丝：H08MnE,焊剂：SJ101，使用前进行350 C保温2h 烘干； 预热及道间温度：打底焊预热温度 50 C。 焊道间温度不超过200 C； 工艺参数：打底焊道采用1.6mm焊丝、240-260A、22-24V，21 .5mm/h; 其他焊道采用5.0焊丝，680-700A，30-32V、18m/h。 焊丝伸出长度： 1.6：20-25mm, 5.0:35-40mm,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,低碳调质钢焊接性主要问题是冷裂纹、热影响区组织脆化及软化。,1.3 低碳调质钢的焊接,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,1.3.1 低碳调质钢的焊接性分析,1）焊缝中的热裂纹 含C量低，S、P杂质控制很严。 2）HAZ液化裂纹 关键是控制C和S，保证高的Mn/S比，在高Ni时，更应如此。 TFeS=1190 C T( FeS-r)共晶=913 C TFe3P=1160 C T( Fe3P-r)共晶=1050 C T( Ni3S2)=644 C T(Ni3S2 -Ni)共晶=880 C T( Ni3Si)=1150 C 工艺因素对液化裂纹也有重要作用，如线能量。,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,3）冷裂纹 Ms点很高，若冷速较慢，则有自 回火作用，可以避免冷裂(下图为T-1钢)。,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,HT80,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,4）再热裂纹 为加强淬透性和抗回火性加入一些合金元素中，大多是能引起再热裂纹的元素，如：Cr、Mo、Cu、V、Nb、Ti、B、V的影响最大，Mo次之，V和Mo同时加入时就更为严重。 一般认为：Cr-Mo-V钢，Cr-Ni-Mo钢，Cr-Ni-Mo-V钢，Ni-Mo-V钢对再热裂纹敏感。 如：HT80，14MnMoNbB等。 650 C 的焊后回火要注意。,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,5）HAZ的性能变化 A. 过热区脆化 与t 8/5以及获得的组织有关和晶粒尺寸有关。,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,B. HAZ的软化 是焊接低碳调质钢的普遍问题，强度越高，软化越严重，软化程度和软化区的宽度与焊接工艺有关。,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,1.3.2 低碳调质钢的焊接工艺特点,1.焊接工艺方法和焊接材料的选择 焊后不再进行热处理时，必须尽量限制焊接过程中热量对母材的作用。 s980N/mm2,必须采用钨极氩弧焊、电子束焊； s980N/mm2，手工焊，埋弧焊，氩弧焊等都可采用， 焊接材料按等强原则选用，刚性很大时，可采用低强原则。,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,2.焊接工艺参数的选择,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,1.4 中碳调质钢的焊接,在退火状态下进行焊接，焊接接头的性能靠焊后调质处理来保证。 焊接过程主要防止裂纹，焊后要及时进行消除应力的退火处理，焊前也需要预热和保温处理。 焊接材料的选择要保证调质热处理的强度要求。,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,2. 不锈钢的焊接,铁素体不锈钢的焊接问题: 焊缝和HAZ的晶粒长大, 脆性和韧性 接头脆性 晶间腐蚀 焊接要点 予热 低热输入,以及 后热,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,马氏体不锈钢的焊接问题 : 焊接性差 冷裂纹 HAZ的软化 焊接要点 TIG or MIG 焊 预热 后热,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,奥氏体不锈钢的焊接问题: 焊接性好 晶间腐蚀 应力腐蚀开裂 焊接要点 不预热 避免过热和后热,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,3. 铝及铝合金的焊接,焊接问题: 氧化 氢气孔 焊缝热裂纹 低的接头强度 低的耐蚀性 烧穿问题,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,焊接要点 铝及铝合金的独特性质,焊接工艺参数和设备与焊接合金钢不同; 与钢相比,铝及铝合金的导热及导电性能更好; 焊接与钢相同的厚度时,要求更高的电压和电流;,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,铝的热胀和冷缩是是钢的2倍; 焊接变形比焊接钢要大; 铝比钢软,因此夹具要有差别. For GMA (MIG) welding thick structural parts, such as 6 mm ( in.) or thicker, a 208A or 220A machine is recommended,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,GTA (TIG) Welding Process,GTA (TIG) welding is certainly not a new process, but its gaining more attention in the industry for use on aluminum. GTA (TIG) welding uses an arc between a non-consumable tungsten electrode and the weld puddle on the workpiece, and 100 percent argon shielding gas is used. The use of a filler rod is an option, but is almost always used on aluminum due to aluminums unique properties.,Advantages of GTA (TIG) welding Has many advantages that make it desirable for welding of aluminum and, with proper training, allow for consistent results. The weld is spatter-free and there is precise control of the welding variables. GTA (TIG) welding also has limitations and possible problems that can occur. Its difficult to shield the weld zone in drafty conditions. Contamination of the weld site can easily occur if the gas shield is inadequate or the tungsten electrode gets caught in the weld puddle.,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,GTA (TIG) Welding Variables The main adjustment on a GTA welding machine is the amperage, which has a direct affect on penetration. Voltage can also be increased or decreased based on the amount of amperage being used. Higher voltage is achieved by using a larger, more rounded electrode and by increasing the arc length. GTA (TIG) welding machines operate in three different polarity modes:,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,Direct Current Electrode Negative (DCEN) Direct Current Electrode Positive (DCEP) Alternating Current (AC). Continuous high frequency (HF) is required when AC welding aluminum to help initiate a non-touch start and help produce a stable arc. As a result, HF noise can cause interference and even harm to some computers, telephone lines, communication systems and other electronic devices.,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,Square wave AC That allowed the AC to change from positive to negative in a square wave pattern rather than a conventional wave pattern. Maximum cleaning or penetration can both occur. Machines are now available that allow for the AC output frequency, or number of times per second that amperage changes from positive to negative, to be adjusted.,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,GTA (TIG) Welding Techniques Torch speed along with torch angle as two variables to help determine the amount of penetration. Travel speed and technique also help determine the welding bead width. Filler rod is almost always used when GTA (TIG) welding aluminum. The tungsten electrode type and size are selected using reference guides based on the type of material to be welded.,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,GMA (MIG) Welding Advantages GMA (MIG) welding can be used on a wide variety of aluminum alloys and thicknesses and has a good production rate. For shielding gas for GMA (MIG) welding aluminum, 100 percent argon is used. This makes aluminum GMA (MIG) welding a truly inert gas process. Pure argon provides a good cleaning action, a stable arc, and is easy to control on thin aluminum.,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,Three electrode transfer methods are most often recommended for GMA (MIG) welding aluminum: Short-circuit, less penetration and small weld puddles Spray-arc and meso spray-arc producing little or no spatter. pulsed spray-arc. The chances of burnthrough are lessened on thin aluminum.,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,GMA (MIG) welding aluminum works best using the push technique. The push technique is when the welding gun is pointed and pushed away from the weld puddle. This technique helps direct the shielding gas at the front of the weld puddle, providing an arc-cleaning action to remove aluminum oxide from the surface. The pull technique, commonly used when welding steel.,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,第二节 焊接方法的选择,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,General joining processes SMAW Gas welding SAW TIG(GTAW) MIG(GMAW) ,MAG,CO2 PLAW EBW, Laser Welding Resistance welding, (Table 14-1),Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,Chapter 14 金属构件焊接的工艺设计,第三节 金属构件焊接接头的设计,Chapter