第一章 焊接的基本概念ppt课件.ppt

金属焊接基础,主讲：,第一章金属焊接性及其试验方法,复习思考题,第三节常用的焊接性试验方法,第二节金属焊接性试验,第一节金属的焊接性,前言,2,2、焊接分类焊接方式可分为三大类：熔化焊：电弧焊、气体保护焊、气焊、等离子焊、电渣焊、激光焊；压力焊：电阻焊、摩擦焊、超声波焊、冷压焊、锻焊；钎焊：烙铁钎焊、火焰钎焊、高频钎焊、炉中钎焊、盐浴钎焊、真空钎焊。,1、焊接定义焊接是通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件达到结合的一种方法。,前言,3,1）熔焊将待焊处母材金属熔化以形成焊缝的焊接方法称为熔焊。2）压焊焊接过程中，必须对焊件施加压力，以完成焊接的方法称为压焊。3）钎焊钎焊是硬钎焊和软钎焊的总称。采用比焊件熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点、低于焊件熔点的温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接焊件的方法。,前言,4,液态金属结晶,液态金属由游动的原子团组成，原子没有固定的位置，处在瞬息万变的热震动和热运动状态中。原子间距比固态时大。,液态金属,液态金属分子结构示意图,金属由液态转变为固态的过程实质上就是：原子从一种无序的排列状态过渡为一种规律排列状态的过程，也称为结晶过程。,5,液态金属结晶,焊后浇水应选择在这个区域内进行,焊后不得搬动和碰撞的区域,6,焊接的实质是使两个分离的物体通过加热或加压，或两者并用，在用或不用填充材料的条件下借助于原子间或分子间的联系与质点的扩散作用形成一个整体的过程。,焊接的实质,在焊接过程中，焊缝区金属从常温被加热到最高温度，然后再逐渐冷却到常温。在焊接热源作用下，焊件上某点的温度随时间变化的过程称为焊接热循环。,焊接热过程对焊接接头组织、性能的影响,焊接基本原理,7,焊接接头的组织与性能,焊接接头由焊缝、熔合区和热影响区组成,焊接接头由焊缝金属区、熔合区和热影响区组成,热影响区,熔合区,焊缝金属,8,焊接接头的组织与性能,焊缝金属区,熔合区,焊缝金属区指在焊接接头横截面上测量的焊缝金属的区域。,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域。,热影响区,是焊接或切割过程中，材料因受热的影响（但未熔化）而发生金相组织和力学性能变化的区域。,9,焊接接头的组织与性能,焊接时在焊接热源的作用下，焊件上所形成的具有一定几何形状的液态金属部分，称为熔池,熔池,不加填充材料时，熔池由熔化的母材组成,加填充材料时，熔池由熔化的母材和填充材料组成,熔化金属形成的熔池,10,焊接接头的组织与性能,随着热源的离去，温度下降，熔池金属开始了从液态到固态转变的凝固过程，并在继续冷却中发生固态相变。熔池的凝固与焊缝的固态相变决定了焊缝金属的结晶结构、组织与性能。在焊接热源的特殊作用下，大的冷却速度还会使焊缝的化学成分与组织结构出现不均匀现象，并有可能产生焊接缺陷。,焊缝金属的固态相变,焊缝金属,11,焊接接头的组织与性能,熔合区的组织和性能,熔合区是焊接接头中焊缝与母材交界的过度区，该处的化学成分不同于焊缝金属也不同于母材金属。该区靠近母材的一侧为过热组织，晶粒粗大，塑性和韧性较低，容易产生裂纹、发生局部脆性破坏，是焊接接头中的薄弱环节。,焊接热影响区的组织与性能,焊接时，焊缝两侧未熔化的母材也要经历一定的热循环而发生组织的转变。分为加热时组织的转变和冷却时组织的转变两种。热影响区的宽度对焊接接头中产生的应力和变形有较大的影响，热影响区越窄接头中的内应力越大，越容易出现裂纹。,12,前言,13,由于在焊接过程中,焊接接头中的各种物理化学反应，是在温度和化学成分都处于极不平衡的特定条件下进行的，因此会引起两方面的后果:在焊接区内产生各种类型的缺陷,使焊接接头丧失其连续性;即使没有产生缺陷,也可能降低了某些必要的性能,影响焊接结构的使用寿命。因此，金属本身固有的基本性能，还不能直接表明它在焊接时出现什么问题，以及焊后接头性能是否满足使用要求。这样就要求人们从焊接的角度来分析研究金属某些特有的性能焊接性。,14,第一节金属的焊接性,一金属焊接性概念二影响金属焊接性的因数三分析金属焊接性的方法,15,一金属材料焊接性的概念金属材料焊接性根据GB/T3375-1994焊接术语的定义：“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”。优质焊接接头应具备的两个条件：一是接头中不允许存在超过质量标准规定的缺陷；二是要具有预期的使用性能。金属材料焊接性是指金属材料对焊接加工的适应性，它包括工艺焊接性和使用焊接性。,16,1工艺焊接性工艺焊接性是指金属材料对各种焊接方法的适应能力，也就是在一定的焊接工艺条件下能否获得符合要求的优质焊接接头的能力。它不是金属材料本身所固有的性能，但取决于金属的成分和性能，并且随着焊接方法、焊接材料和工艺措施的发展而变化。2使用焊接性使用焊接性是指焊接接头或整体结构满足技术条件中所规定的使用性能的能力。它取决于焊接结构所满足的技术条件规定的各种性能。,17,18,二金属材料焊接性的影响因素材料因素工艺因素结构因素使用条件常用金属材料焊接难易程度见表1-1,19,表1-1常用金属材料焊接难易程度,注：A-通常采用，B-有时采用，C-很少采用，D-不采用,20,表1-1常用金属材料焊接难易程度（续）,注：A-通常采用，B-有时采用，C-很少采用，D-不采用,21,22,就是焊接熔池的温度从800度降到500的时间，这个很重要，因为通过控制t8/5可以改变熔池的冷却速度，从而达到防止冷裂纹、控制组织以达到满意的性能。,23,24,使用因素指焊接结构的工作温度、负荷条件(动载、静载、冲击、高速等)和工作环境(化工区、沿海及腐蚀介质等)。一般来讲环境温度越低钢结构越易发生脆性破坏，承受交变载荷的焊接结构易发生疲劳破坏。,25,金属材料特性分析焊接性方法1碳当量法2焊接冷裂纹敏感指数法3利用金属材料的物理性能分析4利用金属材料的化学性能分析5利用合金相图或SHCCT（CCT）图分析,金属材料焊接性分析方法,金属材料特性分析焊接性方法从焊接工艺条件分析焊接性,26,1碳当量法在钢材所含有的各种元素中，碳对冷裂敏感性的影响最显著，因此将钢中各种元素都按相当于若干含碳量折合并叠加起来即为“碳当量”，并以此来判断钢材的淬硬倾向和冷裂敏感性，进而推断钢材的焊接性。,27,表1-2碳当量计算公式和应用范围,28,29,临界碳当量,30,使用美国焊接学会推荐的Ceq(AWS)：应根据Ceq(AWS)值再结合焊件厚度，先根据图1查出该钢种焊接性的优劣等级，再根据表1-3确定出其焊接的最佳工艺措施。,表1-3钢材焊接性等级不同时的最佳焊接工艺措施,Ceq=C+Mn/6+Si/24+Ni/15+Cr/5+Mo/4+Cu/13+P/2(%),31,图1焊接性与碳当量和板厚的关系,32,一般用途的普通钢结构类的焊接，通过碳当量来考虑材料中各元素对焊接性的影响，基本就能满足实际工艺的需要，而其他相关因素的影响不是特别明显，那就没必要再过细的考虑其他分析方法。但对某些材料的焊接或较重要的用途的焊接结构，对各种相关因素的影响都比较敏感，那就应该进行综合、充分的考虑和分析，此时，就不宜单纯片面的关注碳当量，而应该采用裂纹敏感指数来进行更加全面的分析。,33,2焊接冷裂纹敏感指数法焊接冷裂纹敏感指数（Pc）不仅包括了母材的化学成分，又考虑了熔敷金属含氢量与拘束条件（板厚）的作用。斜Y形坡口焊接裂纹试验的冷裂纹敏感指数公式：根据Pc值可以通过经验公式求出斜Y型坡口对接裂纹试验条件下，为了防止冷裂纹所需要的最低预热温度T0（）T0=1440Pc392,34,3利用金属材料的物理性能分析金属材料的物理性能，对焊接热循环、熔池冶金过程、结晶与相变过程等都有明显的影响。热导率大的材料（铜），传热快，焊接时熔池结晶速度快容易产生气孔和熔透不足；而热导率低的材料（钛、不锈钢），焊接时由于温度梯度大会产生较大的应力及变形，而且还会因为高温停留时间延长而导致焊缝金属晶粒粗大。焊接线胀系数大的材料（如不锈钢），接头的应力和变形必然更严重；焊接密度小的材料（如铝及其合金），则容易在焊缝中产生气孔和夹杂。,35,4利用金属材料的化学性能分析化学性质比较活泼的金属（如铝、镁、钛及其合金），在焊接条件下极易被氧化。有些金属材料甚至对氧、氮、氢等气体都极为敏感，焊接这些材料时需要采取惰性气体保护焊和在真空中焊接等保护可靠的焊接方法，有时甚至在焊缝背面也要进行保护。钛对氧、氮、氢等气体都极为敏感，吸收这些气体后力学性能显著降低，特别是韧性降低严重，因此要严格控制这些气体对焊缝及热影响区的影响。,36,5利用合金相图或SHCCT（CCT）图分析例如对于共晶相图，其固、液相线之间的温度区间大，会造成结晶时的成分偏析、低熔点共晶的生成和脆性温度区间的大，热裂纹倾向大。对于各种低合金钢来说，可以利用各自的连续冷却组织转变图（CCT图）或模拟热影响区的连续冷却组织转变图（SHCCT图）分析其焊接性。可以根据转变图预测热影响区组织、性能和硬度变化，从而预测某种钢焊接热影响区的淬硬倾向和产生冷裂纹的可能性，以便确定适当的焊接工艺条件。,37,Q295钢热影响区CCT图的临界冷却曲线和临界冷却时间,1,2,3,4,38,（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3热循环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其他工艺因素：1）彻底清理坡口及其附近；2）严格按规定处理焊接材料3）合理安排焊接顺序；4）正确制定焊接规范,39,第二节金属焊接性试验,一、焊接性试验的内容二、焊接性试验方法分类三、焊接性试验方法的选择原则,40,一焊接性试验的内容,从获得完整的和具有一定使用性能的焊接接头出发，针对材料的不同性能特点和不同的使用要求，焊接性试验的内容有以下四种。1焊缝金属抵抗产生热裂纹的能力热裂纹是一种经常发生又危害严重的焊接缺陷，热裂纹的产生与母材和焊接材料有关。焊缝熔池金属在结晶时，由于存在S、P等有害元素（如形成低熔点的共晶物）并受到较大热应力作用，可能在结晶末期产生热裂纹，这是焊接中必须避免的一种缺陷。焊缝金属抵抗产生热裂纹的能力常常被作为衡量金属焊接性的一项重要内容。通常通过热裂纹敏感指数和热裂纹试验来评定焊缝的热裂纹敏感性。,41,2焊缝及热影响区抵抗产生冷裂纹的能力冷裂纹在合金结构钢焊接中是最为常见的缺陷，这种缺陷的发生具有延迟性并且危害很大。在焊接热循环作用下，焊缝及热影响区由于组织、性能发生变化，加之受焊接应力作用以及扩散氢的影响，可能产生冷裂纹（或延迟裂纹），这也是焊接中必须避免的严重缺陷，常被作为衡量金属焊接性的重要内容。一般通过间接计算和焊接性试验来评定冷裂纹敏感性。,一焊接性试验的内容,42,一焊接性试验的内容,3焊接接头抗脆性断裂的能力由于受焊接冶金反应、热循环、结晶过程的影响，可能使焊接接头的某一部分或整体发生脆化（韧性急剧下降），尤其对在低温条件下使用的焊接结构影响更大。对于在低温下工作的焊接结构和承受冲击载荷的焊接结构，经冶金反应、结晶、固态相变等过程，焊接接头由于受脆性组织、硬脆的非金属夹杂物、热应变时效脆化、冷作硬化等作用的结果，发生所谓的焊接接头脆性转变。所以焊接接头抗脆性断裂（或抗脆性转变）的能力也是焊接性试验的一项内容。,43,一焊接性试验的内容,4焊接接头的使用性能根据焊接结构使用条件对焊接性提出的性能要求来确定试验内容，包括力学性能和产品要求的其他使用性能，如不锈钢的耐腐蚀性、低温钢的低温冲击韧性、耐热钢的高温蠕变强度或持久强度等。,44,二焊接性试验方法分类,45,表1-4金属材料焊接性方法种类,46,根据上表可知，工艺焊接性和使用焊接性两大方面的试验，每一大方面又分为直接法和间接法两种类型。直接法有两种情况：一种是仿照实际焊接的条件，通过焊接过程考察是否发生某种焊接缺陷，或发生缺陷的严重程度，直接去评价焊接性的优劣（即焊接性对比试验）。也可以通过试验确定出所需的焊接条件（即工艺适应性试验）。这种情况多在工艺焊接性试验中使用；另一种是直接在实际产品上进行测定其焊接性能的试验，这种情况主要用于使用焊接性方面的试验。间接法一般不需要焊出焊缝，只需对产品实际使用的材料作化学成分、金相组织或力学性能等的试验分析与测定，然后根据分析与测定的结果，对该材料的焊接性进行推测与评估。例如，碳当量法，只需从产品用的材料中测定出其化学成分，代入碳当量计算公式，利用算出碳当量的大小去判断该材料的焊接性。,47,评定焊接性的原则评定焊接性的原则主要包括：一是评定焊接接头产生工艺缺陷的倾向，为制定合理的焊接工艺提供依据；二是评定焊接接头能否满足结构使用性能的要求。一般情况下，选择已有的或设计新的焊接性试验方法应符合下述四个的原则：(1)可比性焊接性试验条件应尽可能接近实际焊接时的条件，只有在这样有可比性的情况下，才有可能使试验结果比较确切地反映实际焊接结构的焊接性本质。,三焊接性试验方法的选择原则,48,(2)针对性所选择或自行设计的试验方法，应针对具体的焊接结构制定试验方案，其中包括母材、焊接材料、接头形式、接头应力状态、焊接工艺参数等。同时试验条件还应考虑到产品的使用条件。这样才能使焊接性试验具有良好的针对性，试验结果才能比较确切地反映出实际生产中可能出现的问题。(3)再现性焊接性试验的结果要稳定可靠，具有较好的再现性。实验数据不可过于分散，否则难以找出变化规律和导出正确的结论。严格试验程序，防止随意性.(4)经济性在符合上述原则并可获得可靠的试验结果的前提下，应力求做到消耗材料少、加工容易、试验周期短，以节省试验费用。,49,金属材料焊接性试验方法一、斜Y型坡口焊接裂纹试验法二、焊接热影响区最高硬度试验法三、插销试验法四、其他焊接性试验方法简介（刚性固定对接裂纹试验法等）,第三节常用的焊接性试验方法,50,一、斜Y型坡口焊接裂纹试验法,用于评定碳钢和低合金高强度钢焊接热影响区对冷裂纹的敏感性属于自拘束裂纹试验其试验要求应遵从GB/T4675.1-1984焊接性试验-斜Y型坡口焊接裂纹试验法的规定。,51,1试件制备试件的尺寸和形状如图1-2所示，板厚为938mm采用机械方法加工试件坡口试板两端各焊接60mm的拘束焊缝采用双面焊试件中间待焊部位有2mm的间隙。,图1-2试件尺寸和形状,52,2、施焊条件用焊条电弧焊施焊的试验焊缝如图1-3a所示，用自动送进装置施焊的试验焊缝如图1-3b所示。试验焊缝只焊一道，不要求填满坡口，并可在不同温度下施焊。焊后静置和自然冷却48h后截取试样和进行裂纹检测。焊接参数：焊条直径4mm，焊接电流（17010）A，电弧电压（2224）V，焊接速度（15010）mm/min。,53,图1-3施焊时的焊缝示意图a）焊条电弧焊试验焊缝b）焊丝自动送进的试验焊缝,54,3、裂纹检测（1）表面裂纹率Cf如图1-4aCf=lf/L100%（2）根部裂纹率检测根部裂纹时，应将试件着色后拉断或折断，按图1-4b进行根部裂纹测量。Cr=lr/L100%（3）断面裂纹率Cs在试验焊缝上，用机械加工方法等分切取46块试样，如图1-4c所示，检查5个断面上的裂纹深度，按下式计算CsCs=Hs/H100%,55,图1-4试样裂纹长度计算A）表面裂纹b）根部裂纹c）断面裂纹,56,二、焊接热影响区最高硬度试验法,试验标准GB/T4675.5-1984，适用于焊条电弧焊。试板尺寸和形状如图1-5和表1-5所示，试板采用气割下料，试验标准厚度为20mm，当材料厚度超过20mm时须用机加工成20mm，并保留一个轧制表面；当材料厚度小于20mm时则无须加工。,表1-5热影响区最高硬度试件尺寸,57,图1-5热影响区最高硬度试板,58,图1-6试样表面经研磨、腐蚀后，按图位置测量硬度。,59,一般用于焊接结构的钢材都应提供其最高硬度值，常用的低合金结构钢允许的热影响区最高硬度值见表1-6。表1-6常用低合金钢的碳当量及允许的热影响区最大硬度,60,三、插销试验法,插销试验法是一种定量测定低合金钢焊接热影响区冷裂纹敏感性的试验方法，属于外拘束裂纹试验法。该试验方法消耗材料少，结果稳定可靠，因此在国内外得到广泛应用。我国已制定国家标准GB/T9446-1988焊接用插销冷裂纹试验方法。,61,插销试验的基本原理是根据产生冷裂纹的三要素（即钢的淬硬倾向、焊缝含氢量及接头的应力状态），定量测出被焊钢材产生焊接冷裂纹的“临界应力”作为冷裂纹敏感性的评定指标。1试样制备把被焊钢材加工成直径为8mm或6mm的圆柱形试棒（称为插销），形状和尺寸如图1-7所示，插销上端有环形或螺形缺口。将插销插入底板直径相应的孔中，使带缺口一端与底板表面平齐，如图1-8所示。,62,图1-7插销试棒的形状a）环形缺口插销b）螺形缺口插销,63,图1-8插销试棒、底板及熔敷焊道a）环形缺口插销b）螺形缺口插销,64,2试验过程按选定的焊接方法和严格控制的工艺参数，在底板上熔敷焊道，尽量使焊道中心线通过插销的端面中心，其熔深应保证缺口尖端位于热影响区的粗晶部位，焊道长度约100150mm。在焊后冷却至100150时（有预热时应在冷至高出预热温度5070）加载，当保持载荷16h或24h（有预热）期间试棒发生断裂，即得到该试验条件下的“临界应力”；如果在保持载荷期间未发生断裂，应调整载荷直至发生断裂。改变含氢量、焊接热输入和预热温度，可得到不同的临界应力。临界应力越小，说明材料对冷裂纹越敏感。,65,3插销试验特点：1）试件尺寸小，底板与插销材料可以不同，且底板可重复使用，因此试验消耗材料少。2）调整焊接热输入和底板厚度可得到不同的接头冷却速度。3）插销可从被试验材料任意方向截取，还方便从全熔敷金属中取样来测定焊缝金属对冷裂纹的敏感性。4）试验要求环形缺口必须位于焊缝的粗晶区，要求较严格。5）环形