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第一部分材料基础知识一、金属材料的性能：包括使用性能和加工工艺性能两个方面。使用性能金属材料在使用条件下所表现的性能。它包括材料的物理、化学和力学性能。物理、化学性能密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性、抗氧化性、耐腐蚀性等。力学性能是指金属在外力作用下所显示与弹性和非弹性反应相关或涉及应力-应变关系的性能，或金属在外力作用时表现出来的性能。它是反映金属抵抗各种损伤作用能力的大小，是衡量金属材料使用性能的重要指标。力学性能指标主要包括强度、塑性、韧性、硬度和断裂力学等。加工工艺性能：材料承受各种冷、热加工的能力。冷加工：切削性能等。达到规定的几何形状和尺寸，公差配合，表面粗糙度等的要求。热加工：铸造性能、压力加工性能、焊接性能、热处理等。（液态成形）（塑性变形）（连接）（性能潜力）二、影响金属材料性能的因素：化学成分、组织结构及加工工艺等的影响。化学成分含碳量c%增加，则强度、硬度提高，而塑性、韧性下降。合金元素各有不同的作用：mn增加可提高强度（但应控制1.9%），强化元素。v、ti、nb等元素可以细化晶粒，提高韧性及材料致密度。mo提高钢的热强性能、在高温时保持足够强度、细化晶粒，防止钢的过热倾向。cr、ni提高钢的热强性能、高温氧化性和耐腐蚀性。有害元素：p、s形成低熔点化学物，导致热脆性和冷脆性，使塑性、韧性下降。微量元素re、稀土元素，综合力学性能有所提高。组织结构、晶粒度及供贷状态等。常见的显微组织：奥氏体（a）强度硬度不高，塑性韧性很好，无磁性。铁素体（f）强度硬度低，塑性韧性好。渗碳体（fe3c）硬而脆，随c%增加，强度硬度提高，而塑性韧性下降。珠光体（p）性能介于f与fe3c之间。马氏体（m）具有很高的强度和硬度，但很脆；延展性差，易导致裂纹。魏氏组织粗大的过热组织，塑性韧性下降，使钢变脆。带状组织双相共存的金属材料在热变形时沿主伸长方向呈带状或层状分布的组织。晶粒度：常见18级。8级细小而均匀、综合力学性能好。热轧、调质、正火状态供货，以正火状态组织性能最好。加工工艺对组织性能影响冷作变形会带来纤维组织、加工硬化及残余内应力。热变形会提高材料塑性变形能力及降低变形抗力。三、金属材料性能方面的名词术语：强度金属抵抗永久变形和断裂的能力。常用的强度判据如屈服强度、抗拉强度。屈服强度当金属材料呈屈服现象时，在试验期间达到塑性变形发生而力不增加的应力点。上屈服强度reh、下屈服强度rel。抗拉强度试样在屈服阶段之后所能抵抗最大应力。rm2、塑性断裂前材料发生不可逆永久变形能力。常用的塑性判据是伸长率a和断面收缩率z。伸长率原始标距的伸长（lu-lo）与原始标距（lo）之比的百分率。断后伸长率lu-lo为断后标距的残余伸长。断面收缩率断裂后试样横断面积的最大缩减量（so-su）与原始横截面积（so）之比的百分率。 冷弯性能用于衡量材料在室温时的塑性。是焊接接头常用的一种工艺性能试验方法，它不仅可以考核焊接接头的塑性，还可以检查受拉面的缺陷，分面弯、背弯、侧弯三种。韧性金属在断裂前吸收变形能量的能力。金属的韧性通常随加载速度提高、温度降低、应力集中程度加剧而减小。冲击韧度(冲击值)冲击试样缺口底部单位横截面积上的冲击吸收功。蠕变在规定温度及恒定力作用下，材料塑性变形随时间而增加的现象。蠕变极限在规定温度下，引起试样在一定时间内蠕动总伸长率或恒定蠕变速率不超过规定值的最大应力。持久强度在规定温度及恒定力作用下，试样至断裂的持续时间的强度。疲劳材料在循环应力和应变作用下，在一处或几处产生局部永久性累积性损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。高周疲劳材料在低于其屈服强度的循环应力作用下，经105以上循环次数而产生的疲劳。低周疲劳材料在接近或超过其屈服强度的循环应力作用下，经102105塑性应变循环次数而产生的疲劳。热疲劳温度循环变化产生的循环热应力所导致的疲劳。腐蚀疲劳腐蚀环境和循环应力（应变）的复合作用所导致的疲劳。四、金属材料分类(以钢材为主)：1、按化学成分分类：碳素钢：简称碳钢。除铁、碳外主要含有少量si、mn及p、s等杂质，这些总含量不超过2%，按含碳量不同分为：低碳钢含碳量小于0.25%中碳钢含碳量等于0.25%0.60%高碳钢含碳量大于0.60%合金钢：碳钢所含元素外，还含有其它一些合金元素：cr、ni、mo、w、v、b等，按合金元素含量不同分类：低合金钢合金元素含量小于5%中合金钢合金元素含量等于5%10%高合金钢合金元素含量大于10%按用途分类：结构钢碳钢、低合金钢等。工具钢特殊用途用钢不锈钢、耐候钢、耐热钢、磁钢等。按冶炼中的脱氧方式分类：沸腾钢 f镇静钢 z半镇静钢 b特殊镇静钢 tz按品质分类：p、s杂质含量分类：普通钢优质钢高级优质钢a特级优质钢e举例说明：q235-af，16mnr，0cr18ni9 q235-b q235-c q235-d 五特种设备对材料方面的要求：主要包括低碳钢、低合金钢、耐热钢、低温钢、不锈钢等。使用条件（服役条件）设计温度、设计压力、介质特性和操作要点等。设计温度选材类别及t。设计压力受压元件厚度。介质特性选材类别。操作要点频繁启动，疲劳作用等选材类别及状态。材料的焊接性能：焊接性良好。制造工艺要求：冷、热加工能力，设备、设施、热处理能力等。经济合理性。六特种设备常用材料标准：钢板：gb/t 699-1999 优质碳素结构钢gb/t 700-1988 碳素结构钢gb 3274-1988 碳素结构钢和低合金结构钢热轧厚钢板及钢带gb/t 710-1991 优质碳素结构钢热轧薄钢板和钢带gb/t 711-1988 优质碳素结构钢热轧厚钢板和宽钢带gb/t 912-1989 碳素结构钢和低合金结构钢热轧薄钢板和钢带gb/t 713-1997 锅炉用钢板gb/t 13237-1991 优质碳素结构钢冷轧薄钢板和钢带gb 6654-1996 压力容器用钢板gb 4237-1992 不锈钢热轧板gb 3280-1992 不锈钢冷轧板gb 4238-1992 耐热钢板gb/t 3531-1996 低温压力容器用低合金钢板yb（t）40-1987 压力容器用碳素钢和低合金厚钢板yb（t）41-1987 锅炉用碳素钢及低合金厚钢板钢管gb/t 8163-1999 输送流体用无缝钢管gb 3087-1999 低中压锅炉用无缝钢管gb 5310-1995 高压锅炉用无缝钢管gb 6479-2000 高压化肥设备用无缝钢管gb/t 9948-1988 石油裂化用无缝钢管gb/t 13296-1991 锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管焊接材料：gb/t 983-1995 不锈钢焊条gb/t 984-1985 堆焊焊条gb/t 5117-1995 碳钢焊条gb/t 5118-1995 低合金钢焊条gb/t 14957-1994 熔化焊用钢丝gb/t 14958-1994 气体保护焊用钢丝 gb/t 5293-1999 埋弧焊用碳钢焊丝和焊剂gb/t 8110-1995 气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝 gb/t 12470-1990 低合金钢埋弧焊用焊剂gb/t 17854-1999 埋弧焊用不锈钢焊丝和焊剂gb/t 10045-1988 碳钢药芯焊丝gb/t 17493-1998 低合金钢药芯焊丝 锻件：jb 4726-2000 压力容器用碳素钢和低合金钢锻件jb 4727-2000 低温压力容器用低合金钢锻件jb 4728-2000 压力容器用不锈钢锻件第二部分焊接基础知识一常用的焊接方法分类：按工艺特点分为熔焊、压焊及钎焊。 熔焊将待焊处的母材金属熔化以形成焊缝的焊接方法。压焊焊接过程中必须对焊件施加压力(加热或不加热)以完成焊接的方法。钎焊采用比母材熔点低的金属材料做钎料,将焊件和钎料加热到高于钎料熔点,低于母材熔化温度,利用液体钎料润湿母材,填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接焊件的方法。软钎焊熔点低于450的钎料进行焊接。硬钎焊熔点高于450的钎料进行焊接。焊接 熔焊气焊、气割电弧焊手弧焊(焊条电弧焊)埋弧焊气保焊惰性气保焊氩弧焊co2气保焊（粗丝、细丝）混合气保焊药芯焊丝气保焊 等离子弧焊与切割电渣焊电子束焊（微弧）激光焊与切割太阳能焊铝热焊压焊锻焊摩擦焊（t、p）气压焊电阻焊点焊缝焊对焊凸焊冷压焊超声波焊爆炸焊扩散焊高频焊钎焊g、r主要选用手弧焊、埋弧焊、及气保焊等方法。焊条电弧焊手弧焊手持焊矩、焊枪、或焊钳进行操作的焊接方法。焊条电弧焊特点： 能源电加热，电能热能保护方式气渣联合保护适用位置任意焊缝空间位置 施焊材料大部分钢材及部分有色金属 缺点:生产率低,劳动强度大,劳动条件恶劣,对焊工操作技能水平要求高。埋弧焊电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法埋弧焊特点：焊接过程中引弧、熄弧，送进焊丝。移动焊缝或工件由机械自动完成的为自动焊。优点：与手弧焊相比：1）生产率高：2-5倍，i q集中 ，熔深，连续送给。2）焊接接头组织与性能好：保护效果好，熔渣保护，焊接质量稳定，焊缝成分均匀，成形美观。3）节约金属与电能，工艺损失少，不开坡口。4）改善劳动条件：无弧光、烟尘少，机械操作。缺点：1）设备昂贵，辅助设备、设施要求高。2）装配要求严格。3）焊接位置受限制。氩弧焊用氩气做保护气体的气保焊。氩弧焊特点：优点: 保护效果好，焊缝质量好。电弧稳定，易实现单面焊双面成形。可全位置焊。设备简单，操作灵活。缺点：生产率较低（t1g），适用薄板。成本较高。二常见焊接接头型式及坡口型式。焊接接头由两个或两个以上零件要用焊接组合或已经焊合的接点。检验焊接接头性能时应考虑焊缝、熔合区及热影响区甚至母材等不同部位的相互影响。 (gbt3375 焊接术语)焊缝焊件经焊接后所形成的结合部分. 熔合区焊缝与母材交接的过渡区,即熔合线处微观显示的母材半熔化区 热影响区焊接与切割过程中,材料因受热影响(但未熔化)而发生的金相组织与力学性能变化的区域.常见焊接接头型式对接接头 两件表面构成135,180夹角的接头。角接接头 两件表面构成30,135夹角的接头。搭接接头 两部件重叠构成的接头。丁字接头 一 一件端面与另一件表面构成直角或近似直角的接头. 塞焊结构焊缝型式对接焊缝或角焊缝。常见坡口型式坡口根据设计或工艺需要,在焊件的待焊部位加工并装配成的一定几何形状的沟槽.gb985气焊、手工电弧焊及气体保护焊焊缝坡口的基本形式与尺寸gb986埋弧焊焊焊缝坡口的基本形式与尺寸i型坡口 (不开坡口): 6mm,v型坡口 (y ): =626mmx型坡口 ( x k ): =1260mmu型坡口 ( u ): =2060mm组合坡口 ( u ) 30mm,不等厚板坡口组合时,须按规定削薄。坡口几何尺寸作用: 坡口角度保证焊透,便于清渣。 钝边p防止焊穿、焊瘤。 间隙b保证焊透。u型增大坡口根部空间,保证根部焊透，节约填充金属。坡口选用原则 板厚 保证焊透 节约金属，填充金属尽量少，提高效率 便于施焊，改善劳动条件 不同焊接工艺方法 加工条件:加工可能性，u、x加工对设备要求高 减少焊后变形量:双面坡口对称焊接坡口加工气割、等离子切割、刨边机、车削、碳弧气刨等。常用对焊接接头：a、b类对接焊缝,结构连续平稳,承载后应力分布均匀.但接头截面改变时余高造成应力集中，焊缝过渡处的应力集中。焊接接头是焊接结构中的薄弱环节。 焊缝金属存在缺陷:破坏金属的连续性和致密性 接头区性能下降(塑性、韧性) 脆性破坏 结构应力水平提高: 焊后残余拉伸应力、局部应力集中,使应力水平 断裂焊接接头系数焊接接头强度系数(容规43条，gb150 3.7 条)根据接头型式及无损探伤长度确定。 双面对接接头或相当于双面焊(单面焊)的焊透对接接头. 100%无损检测 =1 20%无损检测 =0.85 单面焊对接接头(沿焊缝根部有紧贴基本金属的垫板) 100%无损检测 =0.9 20%无损检测 =0.8三焊接接头的组织与性能及其影响因素：焊接热循环在焊接热源作用下，焊件上某点的温度随时间变化的过程。主要特点：急剧加热且温度高，发生过热，热影响区晶粒长大。急速冷却且速度快，易发生淬硬，形成淬硬组织，导致冷裂纹。影响焊接热循环的因素：焊接方法、焊接工艺参数、预热、层间温度、焊件厚度、接头型式和材料导热性等。热输入（线能量）熔焊时，由焊接能源输入给单位长度焊缝上的热量。焊接接头的组织与性能及其影响因素。对焊缝金属有害的元素:h2、n2 、02(有害气体)，p、s(杂质)焊缝金属的组织与性能:焊缝金属结晶时冷却速度大,过热状态及运动状态下结晶,形成晶粒长大和柱状晶的特点:一次结晶焊接溶池从液相向固相的转变过程。二次结晶焊缝金属的固态相变过程。金属的性能取决于化学成分和组织结构。以低碳钢为例(不易淬火钢) 焊缝金属:大量f+少量p ,t魏氏组织,粗大状晶粒 热影响区:1)不完全熔化区:液相线固相线,极窄,熔合区。 2)过热区: 固相线1100,粗大a过热组织使 塑性,韧性 是接头中最危险的区域。 3)正火区1100a3线,细小而均匀的晶粒,正火组织, 综合力学性能好。 4)部分相变区(不完全结晶区):a3a1线，晶粒大小与 分布不均匀使强度稍。 5)再结晶区:a1500，进行再结晶,力学性能影响不大 6)蓝脆区(热应变脆化区) 500200强度稍 塑性 稍 发生蓝脆现象。 合金钢(淬火钢):淬火区, 不完全淬火区，回火区, 不变化区。影响焊接接头的性能的因素及质量控制: 材料匹配:母材焊材。 焊接工艺方法:焊条电弧焊、埋弧焊、气保焊等。 熔合比(坡口型式和尺寸)。 焊接规范及热输入。 操作方法多层多焊道，单焊道。 焊后热处理目的。四、焊接应力与变形焊接应力与变形的概念:焊接应力焊接构件由焊接而产生的内应力。焊接变形焊接构件由焊接而产生的变形。焊接应力分类: 引起应力的基本原因1) 热应力温度分布不均匀2) 组织应力组织结构变化 应力存在时间1) 瞬间应力在一定的温度及刚性条件下,某一瞬间存在的应力2) 残余应力焊接结束后和完全冷却后仍然存在的应力 应力作用方向1) 纵向应力与焊缝轴线相平行2) 横向应力与焊缝轴线相垂直 应力在空间的方向1) 单向应力在焊件上沿一个方向存在2) 双向应力应力作用在一个平面内不同方向上,亦称平面应力3) 三向应力应力沿空间所有方向存在,亦称体积应力焊接变形分类 纵向收缩平行焊缝长度方向的变形 收缩变形 横向收缩垂直焊缝长度方向的变形 弯曲变形:纵向、横向变形叠加而成 扭曲变形:纵向、横向收缩无规律 角变形 :厚度方向上,横向收缩不一致 波浪形变形: 薄板10mm焊接应力与变形的形成 焊接接头不均匀加热与冷却温度分布不均匀(热应力) 焊接结构本身或外加刚性拘束条件(拘束应力)拘束度衡量焊接接头刚性大小的一个定量指标。 通过力、温度和组织结构等因素变化(相变应力)焊接应力的防止措施:主要基点是：温度分布均匀,焊缝能自由收缩： 合理装配焊接顺序: 自由收缩 焊前预热: 减小温差,降低焊后冷却速度 结构设计: 对称分布,小坡口空间,短焊缝,减应法,小热输入等消除焊接应力的方法: 热处理法:高温回火消除应力退火（焊后热处理） 加载法(机械法): 产生塑变1 机械拉伸法: 加载使塑变区拉伸2 温差拉伸法: 低温消除应力法 振动法:低频振动控制焊接变形的措施: 设计措施 预留收缩余量法收缩变形 反变形法角变形 合理装配焊接顺序: 先纵后环、先短后长 刚性固定法:外加刚性拘束 热调整法热输入 锤击法:补偿收缩、锤击伸长矫正焊接变形的措施 机械矫正冷加工 火焰矫正热加工焊接应力与变形带来的危害 降低装配的焊接质量 降低接头性能及结构承载能力，缩短设备使用寿命 增加制造成本 导致裂纹和低应力脆性破坏事故的产生五、焊接工艺、预热、后热和热处理的作用1、焊接工艺制造焊件所有关的加工方法和实施要求，包括焊接准备、材料选用、焊接方法选定，焊接参数、操作要求等。2、焊接工艺规范（程）制造焊件所有关的加工和实践要求的细则文件，可保证由熟练焊工或操作工操作时质量的再现性。3、预热焊接开始前，对焊件的全部（或局部）进行加热的工艺措施。目的降低焊后冷却速度，防止裂纹产生。预热温度因材料不同而异。4、后热焊接后立即对焊件的全部（或局部）进行加热或保温，使其缓冷的工艺措施。目的消除应力。5、焊后热处理焊后，为改善焊接接头的组织和性能或消除残余应力而进行的热处理。六、常见焊接缺陷的产生原因、危害和防止措施。焊接缺陷焊接过程中在焊接接头中产生的不连续性、不致密性或连接不良的现象。 根据在接头中所处的位置不同，可分为外部缺陷和内部缺陷。 gb6417金属熔化焊焊缝缺陷分类及说明将焊接缺陷分为六类. 第一类：裂纹:热裂、冷裂、再热裂纹、层状撕裂。 第二类：孔穴：气孔,缩孔等 第三类：固态夹渣：夹渣、氧化物、金属夹杂。 第四类：未焊透，未熔合。 第五类：形状缺陷：咬边、缩沟、超标余高、焊缝外表形状不良、错边、焊瘤、烧穿、未焊满、焊脚不对称、根部收缩、接头处结合不良等。 第六类：其它缺陷：电弧擦伤、飞溅、表面撕裂、打磨过量、定位焊缺陷等。缺欠泛指对技术要求的偏离，广义名词。有的缺欠未必危及产品的“使用适应性”。而有的缺欠则可能对产品的结构构成危害，损及其质量，成为焊接缺陷，应判废或返修。焊接缺欠泛指焊接接头中的不连续性、不均匀性、不完善性及其它不健全的缺欠（原称焊接缺陷）。焊接缺陷不符合具体焊接产品性能要求的焊接缺欠。焊接缺陷标志判废或必须返修。外观缺陷表面缺陷，形状缺陷。咬边由于焊接参数选择不当或操作方法不正确，沿焊趾的母材部位产生的沟槽或凹陷。焊趾焊缝表面与母材的交接处。产生原因：电流过大 运条速度不当焊条角度及运条不当电弧过长等。防止措施：焊瘤焊接过程中，熔化金属流淌到焊缝之外未熔合的母材上所形成的金属瘤。产生原因：操作技能差 运条不当电弧过长速度慢电流过大单面焊钝边小、间隙大。防止措施： 3.未焊满由于填充金属不足，在焊缝表面形成的连续或断续的沟槽。产生原因：热输入小 焊条过细运条不当层次安排不合理防止措施：4.凹坑焊后在焊缝表面或焊缝背面形成的位于母材表面的局部低洼部分。产生原因：操作技能差 电流过大运条不当层次安排不合理防止措施：5.烧穿焊接过程中，熔化金属自坡口背面流出形成穿孔的缺陷。产生原因：电流过大焊速过慢坡口间隙大，钝边小操作技能差。防止措施： 6.成型不良： 对接焊缝：余高超标，成型高低宽窄不均匀，圆滑过度不良。 角焊缝：焊脚高不均匀。 7.错边两工件在厚度方向上错开一定的距离。 8.下塌（塌陷）单面熔化焊时，由于焊接工艺不当，造成焊缝金属过量，透过背面而使焊缝正面塌陷，背面凸起的现象。 9.各种焊接变形收缩（纵向、横向）、角变形、弯曲、扭曲、波浪变形等。 10.表面气孔 11.弧坑缩孔等。气孔焊接时，溶池中的气体未在金属凝固前逸出，残留于焊缝中所形成的空穴。气体来源： 周围大气或冶金反应产生。 坡口不干净，铁锈、油污、水分等。 焊条受潮没洪干。气孔分类： 形状分类：球状、条虫状 数量分类：单个、群状（均匀分布、密集状、链状之分） 气孔内气体成分：n2、h2、co、co2等。形成机理液体金属的凝固速度大于气体逸出速度。产生原因： 坡口未清理 焊条受潮没烘干气体纯度不够,焊丝表面不干净。 保护条件不好。 操作运条不当电弧偏吹。焊接规范：电流过大、过小，焊速过快，电弧过长等。防止措施：工艺和冶金措施两方面。夹渣焊后残余在焊缝中的焊渣。1. 分类：金属夹渣非金属夹渣2. 形状与分布：单个点状、条状、链状和密集状。3. 产生原因：坡口型式和尺寸不合理。 坡口面不干净，多层焊清渣不干净。 电流小，焊速快，运条不当，操作技能差。 溶渣粘度大。未焊透、未熔合：未焊透焊接时接头根部未完全熔透的现象。未熔合熔焊时，焊道与母材之间或焊道与焊道之间未完全熔化结合的部分。产生原因：坡口未清理，尺寸形状不合格，钝边过大角度小、间隙小。 磁偏吹，焊条偏心度大。 热输入小。 操作技能差。 层间及焊根清理不彻底。裂纹在焊接应力及其它致脆因素共同作用下，焊接接头中局部地区的金属原子结合力遭到破坏而形成新界面所产生的缝隙。裂纹特征： 尖锐缺口 大的长宽比。分类产生原因及温度不同热裂纹焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区产生的焊接裂纹。特点：断面有高温氧化色彩、晶间裂纹。产生原因：低熔点化合物，在拉伸应力作用下开裂防止措施：1）p、s控制。c%限制，加入金属元素。 2）合适的焊接规范。预热缓冷。 3）碱性焊条及焊剂。 4）多层多焊道添满弧坑。 5）合理装配焊接顺序。冷裂纹焊接接头冷却到较低温度下（ms温度以下）（200300）时产生的裂纹。延迟裂纹焊接接头冷却到室温后并在一定时间（几小时、几天、甚至十几天）才会出现的冷裂纹。 特点断口白色、穿晶裂纹 产生原因：1）焊接残余拉伸应力 2）淬硬组织形成。 3）扩散氢的存在与聚集。防止措施1）焊前预热，焊后缓冷。 2）减少氢含量措施。 3）碱性焊条、焊剂：低氢型。 4）合理焊接工艺及规范。 5）焊后热处理、消氢处理、消应处理。 6）合理装配焊接顺序，改善应力状态。再热裂纹在焊后消除应力热