金属焊接性与焊接方法讲解.ppt

焊接冶金与金属焊接性,第六章 金属焊接性与焊接方法,第一节：焊接性与焊接性试验 第二节：合金钢的焊接 第三节：异种钢焊接问题 第四节：焊接方法特点,1-1 金属焊接性概念,一、金属焊接性概念 金属材料在限定的施工条件下，焊接成规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。GB/T3375-94焊接术语 ,它包括两方面的内容： A、结合性能：即在一定的焊接工艺条件下，被焊金属形成焊接缺陷（裂纹、夹渣、气孔等）的敏感性； B、使用性能：即在一定的焊接工艺条件下，被焊金属的焊接接头对使用性能要求的适应性。,好焊与不好焊的问题,第六章 金 属 焊 接 性,（二）工艺焊接性,材料具有一定的焊接性，但不一定能够形成一个真正能用的焊接接头，要考虑工艺焊接性。即实际工艺的可行性。,理论上具有焊接性，但实际实施非常困难，需要复杂的苛刻的施工条件才能完成焊接施工；或者即使完成焊接施工，焊接接头质量（使用性能）也不能保证。,焊接性不良,第六章 金 属 焊 接 性,工艺焊接性包括冶金焊接性与热焊接性 （1）冶金焊接性 冶金焊接性是指冶金反应对焊缝性能和产生缺陷的影响程度，它包括合金元素的氧化、还原、蒸发、氢、氧、氮的溶解，对气孔、夹杂、裂纹等缺陷的敏感性。 （2）热焊接性 热焊接性是指焊接热过程对焊接热影响区组织性能及产生缺陷的影响程度，它用于评定被焊金属对热作用的敏感性。,（三）使用焊接性 使用焊接性是指焊接接头或整体结构满足各种使用性能的程度，其中包括常规的力学性能，低温韧性，高温蠕变，疲劳性能，持久强度，以及抗腐蚀性和耐磨性等。,第六章 金 属 焊 接 性,（四）、焊接性评价标准,焊缝及HAZ产生裂纹的敏感性如何,焊缝及HAZ产生气孔的敏感性如何,焊接热循环对HAZ组织结构的影响,焊接接头满足规定性能的可能性,使用焊接性,工艺焊接性,第六章 金 属 焊 接 性,（五）、影响焊接性的因素,（1）材料因素,焊接金属、焊接材料（焊条、焊丝、焊剂、保护气体）所有材料影响熔池冶金和结晶过程，焊接金属主要影响焊接HAZ区性能,（2）工艺因素 同一材料，不同的方法不同的焊接性 焊前预热、焊后热处理 焊条焊剂的烘干，坡口清理等：严格按规范执行,第六章 金 属 焊 接 性,纯铝焊接：气焊热源温度低、热量分散、保护不良难以避免气孔、未焊透等缺陷焊接性很差；氩弧焊焊接性良好焊接接头质量满足性能要求。,过热敏感的低合金高强钢：为了降低焊接线能量，避免过热，可采用电子束焊、等离子焊和脉冲电弧焊等,铸铁：防止产生白口，加大线能量，减缓冷却速度，宜采用电渣焊、气焊等，焊接热源分散，功率密度低，冷却慢,第六章 金 属 焊 接 性,（3）结构因素 焊接接头的刚度、应力集中和多轴应力等，在拘束尽量小的条件下焊件,（4）使用条件 焊接结构必需符合使用条件的要求。 载荷性质、工作温度、介质性质 极端条件下的焊接：腐蚀环境（海洋平台），高温环境（汽轮机、发电机），低温环境（低温设施），辐射环境（核设施），等,常用金属材料的焊接性能,（续表）,二、如何分析金属的焊接性,（一）从金属的特性分析焊接性 1.化学成分 1）碳当量法 钢材中的各种元素，碳对淬硬及冷裂影响最显著，所以有人将钢材中各种元素的作用按照相当于若干含碳量折合并迭加起来，求得所谓的“碳当量”(Ceq)，以Ceq值的大小估价冷裂纹倾向的大小，认为Ceq值越小，钢材的焊接性能越好。,第六章 金 属 焊 接 性,2）焊接冷裂纹敏感系数 除碳当量外，考虑到焊缝含氢量和接头拘束度 2.利用物理性能分析 金属的熔点、导热系数、密度、线胀系数、热容量等因素、都对热循环、熔化、结晶、相变等过程产生影响 3.利用化学性能分析 铝、钛合金与氧的亲和力较强，在焊接高温下极易氧化因而需要采取较可靠的保护方法，如：惰性气体保护焊，真空中焊接等,第六章 金 属 焊 接 性,4.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 5.利用CCT图或SHCCT图分析,第六章 金 属 焊 接 性,（二）从焊接工艺条件分析焊接性 1.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 2.保护方法 保护方法是否恰当也会影响金属焊接性的效果,第六章 金 属 焊 接 性,3.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 4.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,第六章 金 属 焊 接 性,第六章 金 属 焊 接 性,三、焊接性试验,（一）试验内容 1、焊缝金属抵抗产生热裂纹的能力 2、焊缝及HAZ区抵抗产生冷裂纹的能力 3、焊接接头金属抗脆性转变能力 4、焊接接头的使用性能,（二）焊接性试验方法 模拟类方法，实焊类方法，理论计算类方法,（三） 焊接性评定及试验方法,1、间接评定 1）、碳当量方法 目的：评价低合金钢冷裂纹敏感性 A、国际焊接学会（IIW）推荐： CECMn/6（NiCu）/15（CrMoV）/5（%） 适用对象：中、高强度的非调质低合金高强钢（b=500-900MPa） 对 20mm的钢材 ： CE0.4%时，钢材的淬硬性不大，焊接性良好，焊前不需要预热 CE0.4-0.6%时，钢材易于淬硬，需预热，预热温度70-200； CE0.6%时，钢材的淬硬倾向大，焊接性差。,碳当量越小，焊接性越好,B、日本工业标准（JIS）和WES协会推荐的公式 ： CeqCMn/6Si/24Ni/40Cr/5Mo/4V/14（%） 适用对象：低合金调质钢（b=500-1000MPa） 成分要求：wC0.2%；wSi0.55%；wMn1.5%；wCu2.5%；wNi2.5%； wCr1.25%；wMo0.7%；wV0.1%；wB0.006%。 当板厚25mm的钢材，焊条电弧焊线能量17KJ/cm时，预热范围大致为： b500MPa，Ceq0.46%时，可不预热 b600MPa，Ceq0.52%时，预热75 b700MPa，Ceq0.52%时，预热100 b800MPa，Ceq0.62%时，预热150 C、美国焊接学会（AWS）推荐的公式 ： CeqCMn/6Si/24Ni/15Cr/5Mo/4Cu/13P/2 （%） 适用对象：碳钢和低合金高强钢,2）、冷裂纹敏感系数法,PcmCMn/20Si/30Cu/20Ni/60Cr/20Mo/15V/105B（%） 适用条件： wC0.07-0.22%；wSi0.60%；wMn0.4-1.40%；wCu0.50%；wNi1.20%；wCr1.20%；wMo0.7%；wV0.12%；wNb0.04%；wTi0.05%；wB0.005%。19-50mm；H1.0-5.0mL/100g。,板厚（mm） R-拘束度（MPa） H焊缝中扩散氢含量（mL/100g）； HD熔敷金属中的有效扩散氢含量（mL /100g） 有效系数（低氢型焊条=0.5，HD= H；酸性焊条=0.48，HD= H/2）,3）、热裂纹敏感指数法 4）、消除应力裂纹敏感性指数法 5）、层状撕裂敏感性指数法 6）、焊接热影响区（HAZ）最高硬度法,在切点点两侧各取7个以上的点（测点15个以上），各点的间距0.5mm,（二）、直接试验法,主要针对焊接中产生裂纹,（1）目的 评定打底焊缝以及HAZ的冷裂倾向 防止冷裂纹的临界预热温度 （2）应用对象 碳素钢焊接接头热影响区冷裂纹倾向 低合金高强钢打底焊缝及其热影响区冷裂纹倾向,1、焊接冷裂纹敏感性试验方法 1）、斜Y坡口试验,=938mm,（3）试验方法 1）焊接拘束焊缝。先焊背面，再焊正面，交替焊满坡口。 2）焊接试验焊缝。若评定钢材的冷裂敏感性，焊接参数: Ig=17010A; Ug=242V; 焊速V=15010mm/min; 焊条直径4。 若拟定焊接工艺，焊接参数是调整的对象。,（4）计算方法,（1）目的 主要用来考核材料的氢致延迟裂纹敏感性 也可用来考核再热裂纹和层状撕裂等的敏感性 （2）应用 低合金钢,2）、插销试验,插销试样形状、尺寸实例,1试板；2支点；3加压；4油缸；5插销试样；6加载夹头 7加载棒；8应变片；9载荷；10支柱；11导线,如果保持载荷达到16h不断，此应力为临界应力cr。 试验结果可画出曲线。 判据：当 cr s 时，认为工艺安全。,（3）优缺点 优点 节省材料（试棒小） 热循环接近实际焊接热循环 通过调整基体板板厚来调整焊接热循环 方便、灵活、实用 缺点 需要专用设备 不适合现场用,2、焊接热裂纹敏感性试验方法 1）压板对接（FISCO) 焊接裂纹试验方法GB4675.4-84), 可用于评定焊条焊缝的热裂纹敏感性。 （1）准备试件 试件材质与焊件相 同，采用原板厚，开 I形坡口。 采用机械加工方法。,（2）试验装置,（3）试验步骤 把试件安装在C形装置中，调好坡口间隙。将螺栓旋紧，在水平、垂直方向顶紧试板。用待试焊条焊4条长约40mm的试验焊缝。10min后，取出试件，沿焊缝弯断，观察断面有无裂纹。 （4）计算裂纹率C C = (li / Li ) 100% 式中：li 4条试验焊缝上的裂纹长度之和（mm）； Li 4条焊缝的长度之和（mm ）。,（三） 使用焊接性直接试验方法 不同产品有不同使用性能要求，共同的性能要求是必需满足常规的力学性能要求。 1、焊接接头常规力学性能试板制备 宽度：应满足焊接接头拉伸试样、弯曲试样长度要求； 长度：应满足制取各种性能试样以及舍弃部分的要求； 厚度：为焊件板厚。,2、焊接接头拉伸试验 板接头板形拉伸试样如图所示，至少1个。 按GB228-87金属拉伸试验法，在拉力机上进行。,3、焊接接头弯曲试验 试样种类和数量按相关标准制取。如无注明，可制取正弯、背弯、侧弯试样各不少于1个，纵弯不少于2个。尺寸按GB2649-89中的规定。 试验按GB232-88金属弯曲试验法，在拉力机上进行。,4、焊接接头冲击试验 试样尺寸如图所示：,缺口按要求可开在焊缝、熔合线或HAZ，如图所示。 冲击试样每组3个。 试验按GB2106-80金属夏比（V形缺口）冲击试验方法和GB4159-84金属低温夏比冲击试验方法，在冲击试验机上进行。 （五）其它特殊性能试验 如：耐腐蚀性能试验、高温性能试验等。,（四）析因理化试验 目的：分析影响金属焊接性的内在原因。 主要包括： （1）焊接材料熔敷金属扩散氢测定试验； （2）焊接接头金相分析试验； （3）焊接接头维氏硬度试验； （4）化学成分分析试验； （5）焊接接头断口分析试验。,1、焊接材料熔敷金属扩散氢测定试验 试验方法有甘油法、水银法、色谱法等，常用的 是甘油法。 （1） 甘油法试验原理： 焊接试样，利用仪器收 集从试样扩散出来的氢气。 （2 ） 测定装置：如图所示。 （3 ） 试样：焊条电弧焊： 1002512mm （ 4 ） 试验方法：试样焊接 以后，用丙酮清洗、吹干； 在90s内放入氢气收集器内； 经72h后读取气体读数Vo。,（ 5） 计算： V o = PVTo/PoWT 100 式中： P 实验室气压 KPa ; V 收集的氢气体积数 ml ; W 熔敷金属质量 （焊后试样质量焊前试样质量） g ; Po 101 KPa ; To 273 K ; T （273+t） k ; t 恒温箱中的温度 。 每组做4个试样，求平均值。,2、焊接接头金相分析试验 从裂纹试件截取金相分析试样，对断面进行磨光、抛光和浸蚀，在光学显微镜下观察。 观察部位：焊缝、熔合 区、HAZ、母材。 3、焊接接头维氏硬度试验 在金相分析试样断面画一 条平行于表面，且穿过各个区 的直线，在维氏硬度计上打硬 度。每隔0.5mm打一硬度，分 布曲线如图所示，取HVmax为 评定参数。,（三）、常用焊接工艺措施,1、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，预热需达到的温度称为预热温度。 （1）作用： A、减缓焊后的冷却速度，便于焊缝扩散氢的逸出，同时减轻焊缝及HAZ淬硬程度，提高接头抗裂性； B、降低焊接应力； C、降低焊接结构的拘束度，降低裂纹发生率。 但焊前预热将增加能耗，同时使焊接条件恶化，因此，只要可能都应采用不预热或低温预热；铬镍A钢，预热将增加晶间腐蚀倾向，一般不能进行预热。,（2）预热温度选择：,多层多道焊时，应保证层间温度不低于预热温度。,（3）预热方法： 对接接头每侧加热宽度不得小于板厚的5倍，一般在坡口两侧各75-100mm范围内保持一个均热区域； 局部预热，应根据被焊工件拘束度而定，一般应为焊缝区周围各3倍壁厚，且不小于150-200mm。,2）、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。 后热的作用可避免形成淬硬组织及使氢逸出焊缝表面，防止裂纹产生。 消氢处理：焊后立即将焊件加热到250-350温度范围，保温2-6h后空冷，它可使焊缝中的扩散氢加速逸出，大大降低焊缝和HAZ中的氢含量，防止冷裂纹。 对于焊后要求进行热处理的焊件，热处理过程中可以除氢，不需另做消氢处理。 后热的加热方法、加热区宽度与预热相同。,3、焊后热处理 焊接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。 （1）应用范围 A、母材金属强度等级较高，产生延迟裂纹倾向大的低合金钢； B、处在低温下工作的压力容器及其它焊接结构，尤其在脆性转变温度一下使用的压力容器； C、厚度超过一定限度的压力容器，如GB150-1998规定，碳钢32mm，16MnR 30mm，16MnV 28mm; D、焊后机械加工余量大，或对尺寸稳定性要求高的焊接结构； E、有应力腐蚀危险的结构。,（2）热处理种类 去应力退火：加热温度一般为600-650，与高温回火相同；含V低合金钢，应在550-590下进行（在600-620会导致塑性和韧性变差）； 保温时间：按厚度1-2min/mm确定，厚度超过50mm，每增加25mm加15min，最短不少于30min，最多不超过3h。 （3）焊后热处理方法 A、整体热处理：将焊件整体置于加热炉中，可消除80-90%残余应力。 焊件进炉和出炉温度应在300以下，在300以上的加热和冷却速度与板厚有关，一般应满足 v20025/（v：冷却速度）,B、局部热处理 局部热处理应保证焊缝两侧有足够的加热宽度，对筒体： B=5(R）1/2 B：筒体加热宽度； R：筒体半径。 （4）注意事项 A、母材和焊缝金属性能恶化：如低温用Ni钢经消除应力处理后，断裂韧度下降； B、对含有一定量Cr、Mo、V等的低合金钢结构，应防止出现再热裂纹； C、A不锈钢应防止出现晶间腐蚀倾向； D、母材为调质钢的，焊后消除应力退火温度应比母材回火温度低30-60； E、热处理过程中，要注意防止结构变形。,四 利用焊接性试验拟定焊接工艺的基本思路,一 焊接工艺 在GB1T3375-1994焊接术语中下的定义是： 焊接工艺是制造焊件所有有关的加工方法和实施要求。包括： 1 焊前准备 2 选择焊接方法 3 选择焊接材料 4 选择焊接参数：例如：焊接电流、电弧电压、焊接速度等。 5 制定工艺措施：例如：预热、焊后缓冷、焊后热处理 、焊后去氢处理等 。 6 制定操作要求,二 拟定焊接工艺的基本思路,1 选择焊接方法 依据：a 被焊材料的种类； b 焊接产品的结构特点； c 生产效率和生产成本。 2 选择焊接材料 依据：a 被焊材料的化学成分或力学性能； b 产品的工作条件和使用性能要求； c 焊件刚性的大小、几何形状的复杂程度； d 焊接施工条件； f 劳动生产率和经济合理性。,3 选择焊接参数 （1）利用间接的焊接性试验方法分析材料的焊接性和初步拟定焊接参数。 （2）利用直接的焊接性试验方法对初步拟定的焊接参数进行检验和调整。 a 利用工艺焊接性试验（焊接冷裂纹敏感性试验）确定热输入E的下限 E = 36IU/V b 利用使用焊接性试验（焊接接头冲击试验）确定热输入E的上限。 4 确定工艺措施 当按上述方法确定的热输入下限高于上限时，应考虑采用预热、缓冷、后热、焊后热处理等工艺措施。,1、热扎钢 ：S 294343Mpa，基本属于C-Mn，Mn-Si系列的钢种，有时通过固溶强化获得高强度、或在特殊状态下以V、Nb代替部分Mn，以达到细化晶粒和沉淀强化的作用。 典型钢种：16Mn 组织：细晶铁素体+珠光体 特例：15MnV V细化晶粒和沉淀强化,第二节 合金钢的焊接,一、热轧及正火钢的焊接 热轧及正火钢的分类、成分、性能,2、正火钢：固溶强化基础上，通过细化晶粒和沉淀强化提高强度保证韧性的低合金高强钢 S 343490 Mpa 成分：C-Mn，Mn-Si系列基础上加入一些碳化物和氮化物的形成元素V、Nb、Ti、Mo等 正火的目的：使合金元素以细小的化合物质点从固溶体中充分析出，并同时细化晶粒，提高强度的同时改善塑性、韧性、达到最佳的综合性能,16Mn化学成分,第六章 金 属 焊 接 性,（一）焊接性分析,焊接缺陷（裂纹）；材料性能（脆化）,1、热裂纹 热裂纹是在焊接高温下产生的，其中危害最为严重的是结晶裂纹，由于结晶裂纹是在结晶后期，由低熔点物质所形成液态薄膜而引发的。它与焊缝金属的成分，主要是C、S、Mn有关。 16Mn含w(C)较低，w(Mn)较高，Mn/S比可以达到要求，具有较好的抗热裂性能、抗结晶裂纹性能，正常情况下不会出现热裂纹。 当成分不合格，出现波动，偏析C、S含量偏高Mn/S比 低于要求出现裂纹 可以通过焊接材料调整焊缝金属成分。降低焊剂中的C、S含量,第六章 金 属 焊 接 性,2、冷裂纹 大量的生产实践和理论研究表明，钢种的淬硬倾向、一定的含氢量和足够的约束应力是焊接时产生冷裂纹的三大主要因素。 （1）淬硬倾向： 16Mn由于其含碳量低，故在淬火时，如冷却速度不是太快，就会得到低碳马氏体组织，或者是铁素体十珠光体组织，由于这些组织的硬度不高.因而其淬硬倾向小，只有在冷却速度较快时，才会得到高碳马氏体组织，则有一定的淬硬倾向。 （2）拘束应力 焊接时，焊缝中的应力主要包括热应力、组织应力和由于自身拘束条件所造成的应力。 由式可见，拘束度与材料板厚有很大关系，板厚越大，所造成的拘束度也越大，则拘束应力也就越大，因而我们只要选择合适的板厚，就可以控制拘束应力。,（3）含氢量 焊缝中的氢主要来源干焊接材料中的水分、焊件坡口处的铁锈、油污，以及环境湿度等。对16Mn来说，只要板厚不太大，冷却速度控制得当，由于焊接温度高，增强了氢的话动能力，使大部分氢会从焊缝中扩散逸出；同时，当焊缝冷却时，其组织会由奥氏体向铁素体等转变，由于氢在奥氏体中的溶解度大大高于在铁素体中的溶解度，又会有部分氮逸出。因而到最后，焊缝中的残余氢量就不足以形成冷裂纹。,（4）脆硬倾向,（5）碳当量,（6）热影响区最高硬度 热影响区最高硬度是评定刚才脆硬倾向的一个简单办法。 Hmax350HV 现在不适用,因此，16Mn钢在板厚不是太大，冷却速度适当的情况下是不会出现冷裂纹的，只有在板厚(40mm以上)太大，冷速较快的情况下，才有出现冷裂纹的倾向，不过，我们可以通过焊前适当预热等措施来预防。,3、再热裂纹 再热裂纹是由于钢中含有Cr, Mo,V,Nb等强碳化物形成元素，以及存在一定的残余应力，并在焊后进行再次加热的情况下产生的。由表可知,16Mn不含强碳化物形成元素，在热轧状态下供货，焊后一般不进行热处理，因而对再热裂纹不敏感. 如有强碳化物形成元素，则要注意。例如： 18MnMoNb和14MnMoV有轻微的再热裂纹敏感性。 18MnMoNb 预热温度：180提高到220 或焊后立即1802h的后热,第六章 金 属 焊 接 性,4、层状撕裂 主要与板厚有关，不受钢材限制。 板厚16mm以下，不易出现 冶金轧制质量，片状硫化物带状分布，影响大 抗层状裂纹的Z向钢。Z向断面收缩率达到20%， 即不会出现层状撕裂 对于16Mn来说，其本身杂质与有害元素含量控制严格，所以只要我们控制其板材厚度与选择合适焊接工艺，其层状撕裂是可以减少或避免的.,第六章 金 属 焊 接 性,5、HAZ的性能 主要是过热区的脆化问题。 合金化方式影响过热区脆化。 Mn-Si，固溶强化，合金元素在完全固溶条件下有 优良的综合性能 Mn-V、Mn-Nb、Mn-Ti等，固溶强化，沉淀强化 正火处理 正火钢的过热敏感性比热轧钢大 出现冷裂，采用小线能量焊接，可降低脆化,过热脆化主要产生在被加热到1100到熔点以下的区域，它的产生原因与钢材成分及强化方式有关。对16Mn钢来说，当碳含量偏于下限(0.12%-0.14%)时，由于其本身含碳量少，又是通过固溶强化方式来获得较好的强度和韧性的，因而其脆化倾向小。只有当焊接线能量过大时，会导致过热区奥氏体晶粒严重粗化，冷却时生成魏氏组织，这时才会出现脆化现象。 而当含碳量偏于上限（0.20%）时，此时不仅线能量过大会因形成魏氏组织而脆化，而且当线能量偏低、冷速过大时还会因形成高碳马氏体而发生脆化。 因而只要我们控制16Mn钢的成分与线能量，其过热区脆化也是可以减少或避免的。,综合以上分析，我们知道在裂纹方面,16Mn对热裂纹、再热裂纹和层状撕裂不敏感，只有当板材厚度过大，且冷却 过快时对冷裂纹有一定的敏感性；在脆化方面, 16Mn有一定 的热应变脆化现象，对过热区脆化不敏感。在生产实际中， 我们只要通过一些简单的焊接工艺就可以解决16Mn中由于 部分原因对焊接性带来的不利影响。 因而，总的来说，16Mn具有优良的焊接性，这正是它广泛用于各种焊接结构中的一个重要原因。,第六章 金 属 焊 接 性,（二）焊接工艺特点 焊接方法不是关键，无特殊要求。 根据材料厚度、产品结构和具体施工条件选择： 手弧焊、埋弧焊、气体保护焊、电渣焊,1、热轧钢 （1）主要特点 碳当量较低，强度不高，具有较好的塑性、韧性及焊接性，HAZ淬硬倾向略大于低碳钢。焊件较厚，接头刚性大，环境温度低时易产生冷裂纹。,第六章 金 属 焊 接 性,（2）工艺措施 要求焊缝与母材等强的焊件，选用相应强度级别的焊条； 不要求等强的焊件，选用强度略低的焊条，提高塑性、韧性； 尽量使用低氢焊条；对强度级别低地低合金钢、非动载荷构件，可使用酸性焊条； 板厚增加，刚性变大，应提高预热温度； 在环境温度0oC以下施工，构件预热100150oC 酸性焊条150250oC烘干，碱性焊条350 450oC烘干后在100150oC保温。,第六章 金 属 焊 接 性,（3）焊接规范 295MPa级，Ceq0.280.35%，09Mn2、09Mn2Cu、 09Mn2Si、09MnV、12Mn、18Nb6等，可以不预热，不后热， 常采用J422、J423、J426、J427焊条。 345MPa级，Ceq0.310.39%，16Mn、16MnCu、16MnRe 、16MnSiCu、12MnNb、14MnNb等，厚度大于40mm，需要 大于100预热 ，焊后600650 回火，常采用J502、J503、 J506、J507焊条。 390MPa级，Ceq0.380.42%，15MnV、15MnCu、 15MnVRe、16MnNb、15MnTi、15MnTiCu，厚度大于32mm ，需要大于100 预热 ，用J506、J507焊条，焊后560590 回 火；用J556、J557焊条，焊后600650 回火。,第六章 金 属 焊 接 性,2、正火钢 （1）主要特点 碳当量较高，焊接HAZ有明显的淬硬倾向，焊后于800500 冷却速度越大，淬硬越严重，冷裂敏感性增加。输入焊接线能量不可过低（焊接电流小，焊接线速度高），否则易产生淬硬组织；线能量过高，过热度大，晶粒粗大，接头塑性降低。,第六章 金 属 焊 接 性,（2）工艺措施 要求焊缝与母材等强的焊件，选用相应强度级别的焊条； 不要求等强的焊件，选用强度略低的焊条，提高塑性、韧性； 使用低氢焊条；适当控制线能量和焊后冷却速度； 强度级别高或厚度较大的焊件，焊后应及时热处理，或在200350 保温26 h； 焊件、焊条应保持低氢状态，定位焊也应采取预热措施； 严禁在非焊接部位引弧。 焊条350450 烘干，使用前100150 保温,第六章 金 属 焊 接 性,（3）焊接规范 440MPa级，Ceq0.410.43%，15MnVN、 15MnVNCu、15MnVTiRe、14MnVTiRe等，厚度大于 32mm，需要大于100oC预热，常采用J556、J557、J606 、J607焊条。 490MPa级，Ceq0.500.55%，18MnMoNb、 14MnMoV、15MnMoVCu、14MnMoVN等，大于150oC 预热，焊后600650oC回火；12Ni4CrMoV钢，大于 150oC预热，保持层温150300oC，焊后600650oC回火 ；常采用J607、J606焊条。 540MPa级，Ceq0.47%，14MnMoVB，200250oC 预热，焊后55020oC或66020oC回火，用J706、J707焊条,三、热轧及正火钢的焊接工艺 焊接方法的选择无特殊要求，在此仅讨论焊接材料和工艺参数的确定。 坡口加工、装配及定位焊 焊接材料的选择 考虑两个问题： 无焊接缺陷； 满足使用性能要求。,对于热轧、正火钢，裂纹一般不会产生，主要根据使用性能要求来选择焊接材料。 注意以下问题： 1、选择与母材力学性能匹配的相应级别的焊接材料 等强匹配或低强匹配，C0.14%，合金元素低于母材。,2、同时考虑熔合比和冷却速度的影响 焊缝金属的化学成分、力学性能取决于： 母材的熔入量即熔合比； 组织的过饱和度。 组织的过饱和度取决于：冷却速度 3、考虑焊后热处理对焊缝力学性能的影响,焊接工艺参数的确定 1、焊接热输入（线能量） 焊接线能量的确定，取决于： 过热区的脆化； 冷裂纹。 对于Ceq小于0.40%的热轧正火钢，焊接线能量可适当放宽； 对于Ceq0.40%-0.60%正火钢，小焊接线能量预热。,典型工艺参数： 1）焊条电弧焊 打底焊道和非平焊位置，焊条直径小些，在保证质量前提下，尽量采用大焊条、大电流。表3-7 2）自动焊 埋弧焊、电渣焊、CO2气体保护焊。表3-8、9 3）氩弧焊 主要用于打底焊。,2、预热和焊后热处理 目的：防止裂纹，改善组织、性能。 1) 预热,2）焊后热处理 a) 不要超过母材原来的回火温度，以免影响母材本身的性能； b) 对于有回火脆性的材料，避开出现回火脆性的温度区域。,焊接接头的力学性能 WM和HAZ的力学性能是影响接头使用可靠性的基本性能，而其中强度与韧性又是关键的考核要素。表3-14,二 低碳调质钢焊接,低碳调质钢 碳含量：在0.09-0.23%，大部分0.16-0.18% 强化机理：相变强化（调质处理) 屈服强度：为490MPa 980MPa 合金系 ：低C、Mn-Ni-Cr-Mo系 主合金化元素： Mn、Ni、Cr（1.6%）、Mo 辅合金化元素：V、Nb、Ti、B、Cu 热处理状态：淬火回火，低碳马氏体或下贝氏体， 综合机械性能好 典型钢种：14MnMoVN、HT60-HT80、HY80-HY130,CF钢,低碳调质钢中的焊接无裂纹钢(CF钢)，其特点是含碳量低 (0.09)、总碳当量低(CEQ2=0.39%)、裂纹敏感系数低(PCM0.19)。由于在钢材生产过程中采用新技术，如在线余热淬火等，在碳当量不大情况下，增加其淬透性，并加入多种微量元素，所以能在保证高强度的同时提高其塑性和韧性(-40时其AKv200J甚至达300以上)。,过热区脆化 HAZ软化 裂纹,(一)、焊接性分析,含碳量很低，而且对硫、磷等杂质控制严格，因而有良好的焊接性,1.裂纹,（1）热裂纹 A、结晶裂纹：C低、Mn高，S、P控制严， Mn/S高，敏感性小 B、HAZ液化裂纹： 在高Ni、低Mn的低合金高强钢中出现，其产生与Mn/S有关，C高，要求Mn/S高； 线能量越大，过热区晶粒粗大，晶界熔化严重，晶界面积减少，容易形成液态薄膜，液化裂纹敏感性增大 熔池凹度越大，敏感性大,预防液化裂纹措施： （1）Ni高时，控制C、S含量，提高Mn/S比； （2）小q； （3）控制熔池形状，减小凹度。,（2）冷裂纹 含碳低，合金元素多，得到低碳M或B，在Ms附近冷速低， Ms 较高，M能进行“自回火”，可避免产生冷裂纹。 低碳调质钢对扩散氢H比较敏感，当H控制不严时，冷裂纹敏感性还是相当高,自回火：碳原子通过扩散沿晶体缺陷偏聚而使M强化的现象,（3）层状撕裂 低碳调质钢对杂质控制严格，抗层状撕裂能力较好,（3）再热裂纹 MoV钢，特别是CrMoV钢对再热裂纹的敏感性最高 MoB钢、Cr-Mo钢也有一定的敏感性 低碳调质钢中合金元素，提高再热裂纹敏感性作用最大的是V、其次是Mo，Cr影响与含量有关，当wCr1%，随其含量增加，再热裂纹敏感性降低。,2.过热区脆化,原因:冷速较低时， F首先析出后剩余的奥氏体富碳，这部分高碳A在继续冷却时将转变为高碳的M或B。这种由F、高碳M和高碳B组成的混合组织使过热区严重脆化。,但也不是冷速越高越好，过分提高冷速可能使塑性下降并导致冷裂纹产生，对强度级别高的钢都存在一个韧性最佳的冷却时间t8/5，此时对应的组织为M+B下（10-30%）；,低合金调质钢当含Ni较高时，形成的高Ni马氏体（甚至上B）都有很高的韧性，因此，增加钢中的含Ni量能改善近缝区的韧性,预防：提高冷却速度 ，避免或尽可能减少先共析F的析出 但过分提高冷速也会使塑性降低或产生冷裂纹,低碳调质钢中由于含有较多固C、N的元素，一般不出现热应变脆化。,母材的强度越高，软化越显著 调质处理的回火温度越低，软化区越宽 焊接热源越不集中，软化区越宽 焊接E越大、预热温度过高，软化加重,3.HAZ软化,软化： 热影响区的强度低于母材焊前强度的现象。 软化部位：加热温度为t回Ac1之间的区域,（二）、低碳调质钢的焊接工艺特点 BM组织：ML+BL； 注意问题：M转变时的冷却速度不能太快，使M自回火，防止冷裂；800-500的冷却速度大于产生脆性组织的临界速度。 焊接方法、材料的选择,第3节低碳调质钢的焊接,解决问题：裂纹；保证强度的同时，提高韧性。 一般无PWHT，焊后强度、韧性下降时可采用PWHT。常采用的焊接方法有SMAW、MIG、MAG。 采用热量集中的气保焊或焊条电弧焊焊接高强高韧性钢。 采用低强匹配焊材和气保焊焊接不同强度级别的两种低碳调质钢接头。,第3节低碳调质钢的焊接,焊接参数的选择 1、焊接热输入的确定，应合适 冷却速度的上限不产生冷裂纹，下限HAZ不出现脆化混合组织。Wc=0.18%是ML形成界限。,先根据HAZ韧性确定热输入，再通过冷裂确定预热,tbt8/5tm,2、预热温度、焊后热处理 预热目的是降低M转变时的冷却速度，通过M自回火作用来提高抗裂性能。PWHT温度比BM原回火温度低约30。一般焊态使用。,焊接接头的力学性能,WCF62钢焊接 生产：940水淬十630回火。为了保证母材性能在制造过程中不下降，不允许采用热弯、热卷成形，矫正的加热温度不得超过焊前回火温度。 焊接方法：一般用焊条电弧焊、CO2或Ar+20CO2气体保护电弧焊。 焊接材料：焊条选用E60l5-G型，如J607RH等。焊条烘焙温度4001h，烘后应立即放人低温干燥保温筒内，随用随取。在保温筒内存放时间不应超过4h。气体保护焊焊丝为H08MnSiMo、或MnNiMo系焊丝。保护气体的纯度及含水量应严加控制，CO2气体应符合GB6052中规定的I级或II级1类气体的要求。,成分：,焊接线能量：在E为1725kJcm时韧性最高；超过25kJcm，且低于17 kJcm时，韧性下降幅度不大，超过50 kJcm时，则韧性明显下降。因此，最佳线能量为1725 kJcm，允许线能量为10一40 kJcm。 预热温度：与H有关，当焊条经400烘干，H2m1100g时可不进行预热。板厚较大或母材CE（或Pcm）偏高时，应进行50的预热。 热处理：一般焊后不得进行热处理。当36 mm时，要求进行消除应力退火。退火温度应低于焊前回火温度，若超过回火温度强度将明显下降。综合考虑保证性能及防止消除应力裂纹，退火温度应选在550一580之间，保温时间为/25（mm）h，加热速度在300以上时不超过120h，保温后随炉冷至300后再出炉空冷。 为了防止消除应力裂纹，可采用以下措施： A、降低消除应力退火温度。B、控制母材中V、B的含量。 C、适当预热（100）。D、焊后及时进行200 x（0.5-1）h后热。,中碳调质钢的焊接,一、中碳调质钢 强化机理：相变强化（调质处理 屈服强度：为880MPa1176MPa 合金系：中C（0.25% 0.5%）、Cr-Mn-Ni-Mo-Si系 主合金化元素：Cr-Mn-Ni-Mo-Si 辅合金化元素：V 热处理状态：淬火回火 组织：S回、M回 ，M为片状 典型钢种：30CrMnSi、40Cr、35CrMoA、35CrMoVA,分类： A、Cr钢 ：以Cr为主加元素 （1%，提高回火稳定性 ），有回火脆性 ； 典型：40Cr ，用于制造在交变载荷下工作的重要零件，如大型齿轮、轴等 。 B、Cr-Mo钢 ：Cr钢中加入Mo（0.15-0.25，消除其回火脆性，提高淬透性，并提高钢的中温强度 ）； 典型： 35C rMoA。33CrMoVA，用于制造动力设备上承受高负荷的大截面零部件。 C、 Cr-Mn-Si钢 ：价格低廉，在退火状态下具有P+F，调质状态下为回火M或回火S ，有回火脆性 典型： 30CrMnSiNi2A制造飞机上的一些构件 D、Cr-Ni-Mo钢 ：加入Ni和Mo，使钢具有强度高、韧性好、淬透性大 典型： 40CrNiMoA、34 CrNiMoA ，用于制造高负荷、大截面的轴类以及承受冲击载荷的构件，如汽轮机、喷气涡轮机轴以及喷气式客机的起落架和火箭发动机外壳等,二、焊接性分析,1、热裂倾向 （结晶裂纹） CS、P偏析热裂倾向 C多，合金多TB（液固相区间）热裂 容易在弧坑和焊缝中凹下的部位开裂。 预防： A、选用焊接材料时，应尽量选用含碳量比母材低，硫磷等杂质少的填充金属 ； B、选用焊接参数时要注意降低熔合比 ； C、操作时应注意填满弧坑及保证良好的焊缝成形。,2、冷裂敏感性 在焊接中常见的低合金钢中，中碳调质钢具有最大的冷裂纹敏感性 ，原因： A、C 、Ceq大，易得到淬硬组织 B、 C ，使Ms点下降，M没有“自回火”效应 C、获得的马氏体C，硬度与脆性高 预防：焊接时，T0+Tp（焊后及时进行回火处理） 3、过热区脆化 原因：在冷速较大时很容易形成硬脆的高碳M ； 预防：尽量降低800-500温度范围内的冷却速度 ，采取预热、缓冷和适当加大线能量相配合的措施，既可减少A在相变温度以上停留的时间，又可降低在共析转变温度范围内的冷却速度，获得韧性较高的组织。,4、HAZ软化 与低碳调质钢一样。软化最明显区域： Ac1- Ac3。,中碳调质钢在调质状态下焊接时，防止冷裂纹、脆化和软化的措施是互有矛盾的，只能在防止冷裂的前提下尽量降低软化的程度，,三、焊接工艺,1、指导思想 防止裂纹、过热区脆化和HAZ软化,2、在退火态下焊接，焊后整体结构进行淬火+回火处理 原则：防止裂纹 ，接头性能则由焊接材料与焊后热处理来保证 A、焊接方法：由于不强调线能量对接头性能的影响，基本上不受限制。 B、不顾虑回火区的软化，可以采用较大的线能量+适当高温预热，从而防止冷裂。般预热温度及层间温度可控制在200-350之间。 C、焊接材料：为保证焊缝与母材在相同的热处理条件下获得相同的性能，应保证熔敷金属的成分与母材基本相同。同时，为了防止产生热裂纹，要求采用低碳焊丝，焊丝中的碳的质量分数应控制在0.15%以内，最高不超过0.25%，并且控制硫、磷的质量分数应小于0.03%0.035%。 。 D、为了防止延迟裂纹，焊后应及时进行热处理。若及时进行调质处理有因难，可进行中间退火或在高于预热的温度下保温一段时间（如低温回火或650680高温回火 ）。作用：排除扩散氢并软化热影响区组织；消除应力的作用。 E、对结构复杂、焊缝较多的产品，为防止由于焊接时间过长而在中间发生裂纹，可在焊完一定数量的焊缝后，进行一次中间退火。 F、在焊后回火时，注意回火脆性。,3、钢在调质态下焊接 原则：保证不产生裂纹的前提下尽量保证接头的性能。 工艺要点： A、预热、焊后及时回火处理：预热温度、层间温度及焊后回火温度均应低于焊前回火温度50以上 B、焊接方法：采用热量集中、能量密度高的焊接热源，在保证焊透的条件下尽量用小线能量，以减小热影响区的软化。选用氩弧焊或等离子弧焊、电子束焊效果较好 ； C、因焊后不再进行调质处理，焊接材料成分可与母材有较大差别。为了防止冷裂纹，可以用奥氏体不锈钢焊条或镍基焊条 ，此时工艺注意异种钢焊接。,4焊接方法及焊接材料 1）焊接方法 焊条电弧焊、气保焊、埋弧焊；脉冲氩弧焊、等离子弧焊及电子束焊等。小E、预热、后热 2）焊接材料 采用低碳合金系、降S、P。 3）预热和焊后热处理 预热和PWHT是其焊接的重要工艺措施。 预热温度一般为200-350。,例：30CrMnSiA钢的焊接,典型中碳调质钢，属于Cr-Mn-Si系统，前苏联的主要合金钢种，不含贵重的Ni元素，在我国得到了较为广泛的应用。 退火状态组织：F+P 调质状态组织：回火索氏体 低温回火组织：回火马氏体 第一类回火脆性：300450 第二类回火脆性：450600,30CrMnSiA钢的焊接工艺,3.2 U=20-25V I=90-110A,0.8,Q=10-14l/min U=17-19V I=85-110A V=150-180m/h,2.5 U=21-38V I=290-400A V=27m/h,第六章 金 属 焊 接 性,第三节 异种钢焊接问题,焊接方法,第四节 焊接方法特点,一、手工电弧焊,手弧焊是用手工操纵焊条进行焊接的一种电弧焊。,第六章 金 属 焊 接 性,一、手工电弧焊 1、特点 （1）操作灵活 适合各种位置（全位置）焊接，平焊、立焊、仰焊，对接、搭接、角接、T型接头等，室内室外，复杂结构 （2）待焊接头装配要求低 焊接过程主要由焊工操作控制 （3）可焊金属材料广 几乎没有什么限制 （4）熔覆速度低 焊接电流小，需更换焊条 （5）依赖性强 焊接接头的性能对焊工的操作水平和临场发挥依赖性强,第六章 金 属 焊 接 性,2、手弧焊设备 焊接电源 电源外特性、动特性、规范调节特性 交流弧焊机、旋转式直流弧焊发电机、弧焊整流器、逆变弧焊整流器（新型直流电源，体积小、质量小、高效节能、动态响应好）,3、手弧焊辅助设备 电焊钳（焊把），面罩和护目镜，电焊条保温筒 ，焊缝接头尺寸监测器，清渣榔头和钢丝刷，夹具及 变位器，气动打渣工具及高速角向砂轮机,第六章 金 属 焊 接 性,4、手弧焊电源选择 （1）根据焊接金属材质、焊条类型、焊接结构选择: 酸性焊条焊接低碳钢：交流弧焊变压器 碱性焊条焊接高压容器、高压管道等重要结构，焊接 非铁金属、合金钢、铸铁等：弧焊整流器、弧焊发电等直流电源 通用性较强地交、直流焊机：多用途 （2）根据焊接结构所用材料、板厚范围、结构形式等因素确定所需弧焊电源的容量，参照弧焊电源技术数据，选用相应的电源 （3）价格、效率、电网容量、操作维修费用、占地面积以及场地设施等,二、埋弧自动焊 以裸金属焊丝与焊件（母材）间所形成电弧为热 源，以覆盖在电弧周围的颗粒状焊剂及其熔渣作保护 的电弧焊方法。,第六章 金 属 焊 接 性,焊接电弧在焊丝与工件之间燃烧。电弧热将焊丝端部及电弧附近的母材和焊剂熔化、熔化的金属形成溶池，熔融的焊剂称为熔渣、溶池受熔渣和焊剂蒸汽的保护，不与空气接触。 埋弧焊有自动埋弧焊和半自动埋弧焊两种方式。,第六章 金 属 焊 接 性,第六章 金 属 焊 接 性,1、特点 优点： （1）焊缝质量高 电弧掩埋在焊剂及熔渣之下，保护性好； 对焊工的依赖性小，焊缝化学成分、机械性能稳定性好。 （2）生产率高 焊接电流和电流密度均高于手弧焊，保护性好 （3）劳动条件好 无弧光辐射，焊工的主要工作是操纵焊机,第六章 金 属 焊 接 性,缺点： （4）焊接位置：只适用于平焊 颗粒状焊剂 （5）对焊剂要求高 成分控制要严，难以焊接铝、镁等氧化性强的金属及其合金 （6）只适合于长焊缝 短焊缝的生产率还低于手弧焊 （7）电弧弧柱电位梯度大，不适合1mm以下的薄板,第六章 金 属 焊 接 性,2、设备 等速送丝式，变速送丝式埋弧自动焊 （1）组成及要求 送丝及行走机构，弧焊电源，送丝及行走电机 拖动控制系统，焊头调整机构。 （2）机械结构类型 小车式，门架式（大车式），悬臂式（容器环 缝、纵缝专用）。,第六章 金 属 焊 接 性,3、高生产率的埋弧自动焊方法 （1）双丝和多丝串列电弧埋弧自动焊 沿焊接方向前后串列的双丝或多丝埋弧自动焊：提高焊接效率 前列电弧可采用足够大的电流以保证熔深，后随电弧则用来改善焊缝成形，可采用较低的电流和稍高的电弧电压；焊丝之间的距离和倾角可以调整焊缝形状。,第六章 金 属 焊 接 性,（2）窄间隙埋弧自动焊 超过100mm的超厚板，传统的X或U型坡口： 生产率低，性能差 近年发展窄间隙埋弧自动焊 关键： a 研制能在窄坡口中实现埋弧焊的焊嘴 能伸入窄坡口的导电嘴、焊剂输出口，焊缝跟踪自动检测传感器 b 研制在窄坡口条件下具有良好脱渣性的专用焊剂,第六章 金 属 焊 接