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上海海事大学硕士论文 y 1 0 0 8 4 5 0 高强度船体结构铡焊接性硬奠焊接裂纹的形成和预防的研究 摘要 随着科学技术的进步，现代船舶同益向大型化、超大型化发展。而由于船舶主 尺度的不断增大，以及大吨位船舶在整个新造船份额中所占的比例不断地增大，各种 太厚度的高强度船体结构钢的使用越来越广泛，而针对大厚度的高强度船体结构钢的 各种焊接方法也不断地运用到实际工作中。为了满足各种大厚度、高强度船体结构钢 在船舶结构中的性能要求，从而促使焊接结构也同益向高参数、大型化方向发展。这 就对高强度船体结构钢的焊接性以及其相应的焊接工艺提出了越来越高的要求，不仅 要求具有良好的综合力学性能，而且要有良好的加工工艺性能，同时还应具有较高的 工作效率。 论文对金属焊接性进行了介绍，并对金属焊接性的影响因素进行了分析。论文 还介绍了金属焊接性的试验方法，并介绍了工程上常用的焊接性试验方法。同时，针 对高强度船体结构钢厚板焊接工艺、焊接方法的研究中所涉及的技术要求，介绍了中 国船级社( c c s ) 规定的金属焊接性评定方法。 论文还介绍了焊接裂纹的危害性，对焊接裂纹进行了分类并分析了一般特征。 针对高强度船体结构钢厚板焊接过程中容易产生的热裂纹和冷裂纹进行了详细分析， 分别从裂纹的特征、种类、尤其是其形成机理和影响因素等各个方面进行了深入的研 究和阐述。 在理论研究的基础上，论文还以厚度为4 0 m m 的中国船级社认可的e 3 6 级高强 度船体结构钢的焊接为对象，对高强度船体结构钢的焊接工艺进行了试验与研究。分 别通过采用双面埋孤自动焊、单面c o ：气体保护焊与埋弧自动焊混合焊、c o ：气保护半 自动焊、x 形坡口c 0 ：半自动焊等不同的焊接方法，制定不同的焊接工艺参数进行实 焊试验与研究，并以中国船级社规定的金属焊接性评定方法进行评定，结果完全符合 要求，防止了该类高强度船体结构钢焊接裂纹的形成。在此基础上，论文还对高强度 船体结构用钢焊接裂纹的形成机理和预防措施进行了分析、总结。文中还通过实船生 产中的实例论证了新焊接工艺规范的实际应用。 关键词：高强度船体结构钢，焊接性，焊接工艺，裂纹 上海海事大学硕l 论文 高强度船体结构钢焊接性及j 焊接裂纹的形成和预防的刮f 究 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，t h em o d e r ns h i p sa r e g e t t i n gm o r ea n dm o r el a r g e a l lk i n d so fg r e a tt h i c k n e s sh i g h e rs t r e n g t hh u l l s t r u c t u r a ls t e e lp l a t ea r eu s e dm o r ea n dm o r e ，a l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo ft h em a i n d i m e n s i o no ft h es h i pa n dt h ei n c r e a s eo fp r o p o r t i o no fb i g s h i po ng r o s s t h e d i f f e r e n tk i n d so fw e l d i n gp r o c e s st h a ta r ea i m e da tt h eg r e a tt h i c k n e s s h i g h s t r e n g t h h u l l - s t r u c t u r es t e e l p l a t e a r ea l s oc o n t i n u o u s l y d e v e l o p e di n a c t u a l w o r k i no r d e rt om e e tt h ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so fd i f f e r e n tk i n d so fg r e a t t h i c k n e s sh i g hs t r e n g t hh u l l s t r u c t u r es t e e li nt h es h i p ss t r u c t u r e s ，t h ew e l d i n g s t r u c t u r ei sa l s ot od e v e l o pt oh i g hp a r a m e t e ra n dm o r e l a r g e i t n e e dt h e w e l d a b i l i t ya n dw e l d i n gp r o c e d u r eo fh i g hs t r e n g t hh u l l s t r u c t u r es t e e lt oh a v en o t o n l yt h ew e l lm e c h a n i c a lp r o p e r t y b u ta l s ot h ew e l lp r o c e s s i n gp r o p e r t ya n ds t i l l o u g h tt oh a v eh i g h e rw o r k i n ge f f i c i e n c ym o r e o v e r t h ew e l d a b i l i t yo fm e t a li si n t r o d u c e di nt h et h e s i s ，a l s ot h ef a c t o r so f a f f e c t i n gt h ew e l d a b i l i t yo fm e t a la r ea n a l y z e d t h et e s tm e t h o d so fw e l d a b i l i t yo f m e t a la r ei n t r o d u c e di nt h et h e s i s a n dt h et e s tm e t h o d si nc o m m o nu s ei nt h ef i e l d o fe n g i n e e r i n ga r ea l s oi n t r o d u c e di nt h et h e s i s i na d d i t i o n ，a i m i n ga tt e c h n o l o g y r e q u e s to fw e l d i n gp r o c e d u r eo fg r e a tt h i c k n e s sh i g hs t r e n g t hh u l l s t r u c t u r es t e e l p l a t ea n dr e s e a r c ho fw e l d i n gp r o c e s s e s ，t h et e s tm e t h o d so fw e l d a b i l i t yo fm e t a l w h i c hc o m p l yw i t hc h i n ac l a s s i f i c a t i o ns o c i e t y ( c c s ) a r ei n t r o d u c e di nt h et h e s i s t h eh a m lo fw e l dc r a c ki sa l s oi n t r o d u c e di nt h et h e s i s a n dt h ew e l dc r a c ki s c l a s s e da n da n a l y z e d t h eh o tc r a c ka n dc o l dc r a c ki sa n a l y z e di nd e t a i ld u r i n gt h e w e l d i n go fg r e a tt h i c k n e s sh i g hs t r e n g t hh u l l s t r u c t u r es t e e lp l a t e c r a c k sc h a r a c t e r a n dc r a c k sc l a s s e sa r er e s p e c t i v e l yr e s e a r c h e da n de x p o u n d e dd e e p l y , e s p e c i a l l y c r a c k s f o r m i n gm e c h a n i s ma n df a c t o r sc a u s i n gc r a c k sa r ee m p h a s i z e di nt h e t h e s i s - - 上海海事火学硕士论文高强度船体结构钢焊接性及其焊接裂纹的形成和预防的研究 b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h e o r y ，t h ew e l d i n gp r o c e d u r eo fg r e a tt h i c k n e s s h i g hs t r e n g t hh u l l s t r u c t u r es t e e lp l a t ei si n t r o d u c e db ys a m p l e so fe 3 6o fw e l d i n g p r o c e d u r ec o m p l i e d w i t hr u l e so fc c so f4 0 m mt h i c k n e s s h i g h s t r e n g t h h u l l s t r u c t u r es t e e lp l a t e t h r o u g hr e s e a r c h e so fs e v e r a lw e l d i n gp r o c e s s e s ，t h a t a r eb o t h s i d es u b m e r g e da r cw e l d i n g ，t h ec o m p l e xw e l d i n go fs i n g l eb e v e lc 0 2g a s s h i e l d e da r cw e l d i n ga n ds u b m e r g e da r ca u t o m a t i cw e l d i n g ，c 0 2g a ss h i e l d e d s e m i a u t o m a t i cw e l d i n g ，a n dxs h a p e dg r o o v ec 0 2g a ss h i e l d e ds e m i a u t o m a t i c w e l d i n g ，d i f f e r e n tw e l d i n gp a r a m e t e r sa r eu s e di np r a c t i c e ，a n dt h et e s tr e s u l ti s v a l u e db yr u l e so fc c s t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tt h eu s e dw e l d i n g p r o c e s s e sc a nf u l l ym e e tt h en e e d so ft h er u l e so fc c s ，a n dp r e v e n tt h i sk i n do f s t e e l p l a t e sf r o mf o r m i n gw e l d i n g c r a c k sb a s e do nt h e e x p e r i m e n t sa n d r e s e a r c h e s ，f o r m i n gm e c h a n i s m o fc r a c k sa n df a c t o r s c a u s i n g c r a c k sa r e e m p h a s i z e di n t h et h e s i s a n dt h e s ew e l d i n gp a r a m e t e r sh a v et h ei n s t r u c t e d s i g n i f i c a n c ei np r a c t i c e ， l i nh a o ( m a r i n ee n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yg uz h u o m i n q k e y w o r d ：h i g hs t r e n g t hh u l l s t r u c t u r es t e e l ，w e l d a b i l i t y ，w e l d i n gp r o c e d u r e c r a c k i i l 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 论文除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他机构已经 发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已 在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 储橼越呈 吼 论文使用授权声明 碰：生 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 名：毕翩虢嫩魄掣 上海海事火学硕士论文 高强度船体结构钢焊接性及填焊接裂纹的形成和预防的研究 第一章前言 1 1 课题研究的背景与意义“1 我国造船业起始于上世纪7 0 年代，经过3 0 年的发展取得了长足进步，成为世 界上继日、韩之后的第三大造船国。在8 0 年代初期，中国的年造船产量还只有3 0 万载重吨，年产量也只排在世界的第1 7 位，而在现在，这个数字已经增长了1 0 多倍， 年造船量已经占到世界造船总量的9 左右。目前“中国造”的船舶品种不断增加， 造船吨位和造船设施也趋向大型化，除少数几种高技术船舶尚未开发外，中国船厂能 建造国际航运界所需船型的9 5 左右，能够建造的散货船已由7 万载重吨发展到1 7 5 万载重吨，油轮由1 1 8 万吨发展到3 0 万吨，已经能够制造国际主流的5 4 0 0 标箱和 5 6 0 0 标箱第五代集装箱船，已有9 座3 0 吨级造船船坞。 因此，随着科学技术的不断进步，现代船舶将日益向大型化、超大型化发展。 而由于船舶主尺度的不断增大，以及大吨位船舶在整个新造船份额中所占的比例不断 地增大，各种大厚度的高强度船体结构钢的使用越来越广泛，而针对大厚度的高强度 船体结构钢的各种焊接方法也不断地运用到实际工作中。为了满足各种大厚度、高强 度船体结构钢在船舶结构中的性能要求，从而促使焊接结构也日益向高参数、大型化 方向发展。这就对高强度船体结构钢的焊接性以及其相应的焊接工艺提出了越来越高 的要求，不仅要求具有良好的综合力学性能，而且要有良好的加工工艺性能，同时还 应具有较高的工作效率。 因此，各国对大型船舶的高强度船体结构钢厚板( 如用于主甲板、舷顶列板区 域的钢板) 的焊接工艺、焊接方法都予以了较为广泛的研究、开发，使其不仅能满足 焊接接头的力学性能等技术指标，更要体现船舶焊接技术的发展方向，即提高造船焊 接机械化、自动化水平，推广运用高效、节能、环保型焊接设备。因此，如何能更加 高效、节能、环保地实现这类钢的焊接，同时又能保证其优良的焊接接头性能将成为 今后研究的主题。 本课题以厚度为4 0 r a m 的c c s 认可的e 3 6 级高强度船体结构钢的焊接为例， 上海海事大学硕士论文高强度船体结构铡焊接性发其焊接裂纹的形成和预防的研究 对高强度船体结构钢的焊接工艺进行了研究。并对高强度船体结构用钢焊接裂纹的形 成机理和预防措施进行了分析、总结。本文研究成果在某船厂5 6 8 8 标箱大型集装箱 船的建造过程中得到了成功应用，有较大的经济、技术效益。 1 。2 国内外研究的动态和水平 1 2 1国外研究的动态和水平”“7 1 目前，世界各主要造船企业在2 0 世纪9 0 年代中期已普遍完成一轮现代化改造， 在此基础上又陆续启动了新一轮现代化改造计划，投资目标集中于高新技术，投资力 度进一步加大，大量采用全新的造船焊接工艺流程、高度柔性的自动化焊接生产系统 和先进的焊接机器人技术，这样做的结果是，有力地保证了这些造船大国具有竞争中 的技术优势。 造船发达国家在高新技术改造方面重点是发展机器人技术和计算机技术。 在焊接机器人的应用方面，同本的f t 立造船在1 9 9 2 年应用机器人焊接的工作量 已达到总焊接量的2 0 ，近几年来正向着5 0 的目标努力，而远期的目标要达到8 0 。 丹麦欧登塞船厂采用日本的曰立造船公司开发的轻便型数控机器人和自行开发 的大型门式焊接机器人，计划使该厂造船生产中2 0 一2 5 的焊缝由焊接机器人来完 成。日本钢管( n k k ) 津船厂在1 9 9 5 年已建成小合拢装焊焊接机器人群的工作系统， 实现了小合拢装焊车间无人化。 同样，造船发达国家在大型船舶的建造技术、工艺水平方面也领先于我国。日 本、韩国已经制造了9 0 0 0 标箱的集装箱船，他们对于大厚度的高强度船体结构钢的 焊接工艺，以及配套的焊接材料的研究也领先于我国。 r 本船厂对于大型集装箱船的船体构造方面。如船底外板和货舱舱口围板等的 焊接，通常使用可以实现高效立焊的焊接工艺“气电焊方法”。而对于板厚达到8 0 r a m 的极厚板焊接时，为了防止由于过大的热输入量，而造成难以保证焊缝质量，在这种 情况下以极厚板的高效化高质量化为目的而开发出来两电极s e g a r c 焊接法。两电 极s e g a r c 焊接法具有如下特点： 1 使用为大热输入量设计的两种药芯焊丝( d w s - - 5 0 g t f 、d w s - - 5 0 g t r ) ， 来提高焊缝金属的力学性能和焊接作业性。 2 从工艺的角度，为了便于焊接各种板厚的钢材，可使单侧电极在一定范围 上海海事人学硕士论文高强度船体结构钢焊接性及其焊接裂纹的形成和预防的研究 内摆动。两电极s e g a r c 焊接法对板厚在5 5 - - 8 0 m m 的板材，可以实现单焊道的高 效自动焊接，对提高造船效率有很大贡献。 1 2 2 国内研究的动态和水平 1 国内高强度船体结构钢的发展“”“” 近年来，我国造船业的高速发展也促进了金属冶金行业的进步和发展。高强度船 体结构钢由于其强度高、韧性好，为节约钢材和减轻焊接结构自重创造了条件，并且 可以节约能源、提高运载能力和工作效率，近年来得到了迅速发展。采用性能优良的 低合金调质高强度钢可以促进船舶结构向大型化、轻量化和高效能方向发展。国内某 钢厂生产的e 3 6 钢，其屈服点o ；为3 7 5 n m m 2 ，抗拉强度ob 为5 4 0 n r a m 2 ，在零下4 0 平均冲击功达2 0 0 j 以上，完全满足船级社的规范要求。 一般来说，高强度船体结构钢均为合金钢，在热轧及f 火条件下，合金钢中的合 金元素对塑性和韧性的影响与其强化作用相反，即强化效果越大，塑性和韧性的降低 越多，当钢中合金元素超出一定范围后，则会出现韧性大幅度下降。因此，高强度船 体结构钢为了获得较高的强度和良好的塑性、韧性，添加了不同含量的合金成份，如 m n 、c r 、n i 、m o 、v 、n b 等f 其中n i 、v 、t i 的含量还应符合“n b + v + t i o 1 2 ”1 ， 添加这些元素主要是为了提高钢的淬透性和马氏体的回火稳定性。因为这类元素可以 推迟珠光体和贝氏体的转变，使马氏体转变的i 临界冷却速率降低。同时，高强度船体 结构钢的交货状态采用不同的热处理工艺，从而获得良好的机械性能。为了保证良好 的综合性能和焊接性，钢中含碳量不高于0 2 2 。故高强度船体结构钢由于含碳量低， 淬火后得到低碳马氏体，而且会发生“自回火”现象，脆性小，保证了良好的焊接性。 目前，国产高强度船体结构钢厚板与国外先进国家船板相比，质量上存在差距。 主要反映在中厚板轧机高压水除鳞压力上，国内大多数厂家除鳞压力1 2 0 1 4 0 m p a ，而 国外均大于1 6 0 m p a ，所以除鳞效果不好，容易在钢板表面氧化铁皮压入产生麻点。其 次，自动测长、测宽、测厚等设各尚不完善，钢板尺寸偏差也较大，特别是对角线的 偏差上。另外，船板化学成分中s 、p 含量高于日本同类产品。高强度级别船板的抗拉 强度o b 、屈服强度o ；、v 型缺口a k 值富余量均偏低，造成船板生产一次性能合格率偏 低，产生成本增高。 2 国内高强度船体结构钢厚板焊接的现状“”“” 上海海事大学硕士论文高强度船体结构钢焊接性及其焊接裂纹的形成和预防的研究 目前国内各船厂对于厚度超过4 0 m m 的高强度船体结构钢的焊接，通常采用多层 多道焊。因为要满足船级社规范对e 级钢以及其焊缝的低温冲击韧性( 4 0 。c ) 要求， 对板厚3 0 6 0 m m 超厚板不能采用单面焊一次成型的技术，因为如果采用大的线能量 焊接，将不能达到低温冲击韧性的指标。因此，通常采用c 0 2 多层多道单面焊技术， 实现自动化焊接，来确保超厚板e 级钢的焊缝质量和焊接效率。或者采用双面埋弧多 层自动焊等焊接方法。但无论采用那种焊接方法，焊前均需预热至1 2 0 1 5 0 ，并要 确保层间温度不低于预热温度。这些焊接方法虽然效率不高，但焊缝质量容易得到保 证，而且也相对简单、易行。 上海海事大学硕士论文高强度船体结构钢焊接性及其焊接裂纹的形成和预防的研究 第二章钢材焊接性及其试验方法 2 1 焊接| 生概念“”“” 2 1 1 金属的焊接性 金属焊接性是金属能否适应焊接加工而形成完整的、具备一定使用性能的焊接接 头的特性。金属焊接性包括两个方面：一是金属在经受焊接加工时对缺陷的敏感性； 二是焊成的接头在一定的使用条件下可靠运行的能力。也可以认为，焊接性不仅要考 虑到金属的结合性能，而且还要考虑到焊接后的使用性能。 理论上，只要在高温熔化状态下相互能够形成溶液或共晶的任何两种金属或合金 都可以采用熔化焊的方法进行焊接。从这点出发，同种金属或合余之间就应是当然可 形成焊接接头的，或者说是具有良好焊接性的。很多异种金属或合金之间也是可以形 成焊接接头的，必要时还可以通过增加过渡层的办法来实现焊接接头，这也可以看作 是具有一定的焊接性。但这里所说的只不过是理论上的焊接性，并没有将实际生产中 是否能实现这种焊接这个因素考虑在内。例如，焊接时是否会产生质量问题而造成使 用性能不合格；是否需要特殊的焊接材料或复杂的工艺措施；成本费用是否过高等。 因此，在分析焊接性的时候，必须十分重视具体工艺条件。也就是说要着重于分析“工 艺焊接性”。 2 1 2 工艺焊接性 工艺焊接性是一个相对的概念。如果一种余属材料可以在很简单的工艺条件下焊 接而获得完好的接头，能够满足使用要求，就可以说是焊接性良好。反之，如果必须 保证很复杂的工艺条件( 如高温预热、高能量密度、高纯度保护气氛或高真空度，以 及焊接后复杂热处理等) 才能够焊接，或者所焊的接头在性能上不能很好的满足使用 要求，就可以说是焊接性较差。虽然焊接性主要取决于金属材料本身固有的性能，但 是还必须看到工艺条件也有着重要的影响。工艺焊接性就是金属在定的工艺条件下 形成具有一定使用性能的焊接接头的能力。 2 1 3 影响工艺性的因素 1 材料因素 上海海事大学硕士论文高强度船体结构钢焊接性发_ | ；焊接裂纹的形成和预防的研究 所谓材料不仅仅是被焊母材本身，还包括使用的焊接材料，如焊丝、焊条、焊剂、 保护气体等。所有这些材料在焊接时都直接参与熔池或熔合区的物理化学反应，其中， 母材本身的材质对影响区的性能起着决定性的影响。显然，所采用的焊接材料对焊缝 金属的成分和性能也是关键的因素。如果焊接材料与母材匹配不当，则不仅可以引起 焊接区内的裂纹、气孔等各种缺陷，而且也可能引起脆化、软化或耐腐蚀等性能变化。 所以，为保证良好的焊接性，必须对材料因素给予充分的重视。 2 工艺因素 大量的实践证明，同一种母材，在采用不同的焊接方法和工艺措施的条件下，其 工艺焊接性会表现出极大的差别。 焊接方法对工艺焊接性的影响主要可能在两个方面：首先是焊接热源的特点，也 就是功率密度、加热最高温度、功率大小等，它们可直接改变焊接热循环的各项参数， 如线能量大小、高温停留时间、相变温度区间的冷却速度等。这些当然会影响接头的 组织和性能；其次是对熔池和接头附近区域的保护方式，如熔渣保护、气体保护、气 一渣联合保护或是在真空中焊接等，这些都会影响焊接冶金过程。显然，焊接热过程 和冶金过程对接头的质量和性能均会有决定性的影响。 众所周知，纯铝焊接时若采用气焊方法，由于热源温度低、热量分散以及保护不 良等原因，很难避免气孔、未焊透等缺陷，接头性能很差；如果采用氩弧焊方法，则 接头质量可完全满足使用要求。某些对过热十分敏感的低合金高强钢，为了降低焊接 时的线能量，宜于选择电子束焊、等离子焊和脉冲电弧焊之类的方法。与此相反，对 于容易产生白口组织的铸铁来说，却需要加大焊接线能量而减缓冷却速度，采用电渣 焊、气焊等功率密度低，加热较为分散的方法，对防止铸铁焊接时产生白口组织有利。 所有这些都是利用各种焊接方法的不同特点来改善工艺焊接性的实例。 在各种工艺措旌中，采用最多的就是焊前预热和焊后热处理，这些措施分别对降 低焊接残余应力，减缓冷却速度以防止热影响区淬硬脆化，避免焊缝热裂纹或氢致冷 裂纹等都是比较有效的。大厚板船用高强度钢焊接通常都采用焊前预热和层间温度的 控制来减少焊接缺陷的产生。此外，严格烘干焊条、焊剂，清洗焊丝及坡口，合理安 排焊接顺序，控制焊前冷作变形，保证坡口形状尺寸及装配间隙等工艺措施，也都必 须充分重视。 3 结构因素 l 海海事大学硕上论立高强度船体结构钢焊接性驶其焊接裂纹的形成和预防的研究 焊接接头的结构设计影响其受力状态，这里所指的是接头处的刚度、应力集中和 多轴应力等方面的因素。这些因素既可能影响焊接时是否发生缺陷，又可能影响焊接 后接头的强度、韧性等承载能力。当然，设计焊接结构时，应尽量使接头处于拘束度 较小、能够较为自由地伸缩的状态，这样有利于防止焊接裂纹。存在缺口、截面突变、 堆高过大、焊缝交叉等都应尽量避免，否则会造成应力集中，不利于使用性能的提高。 母材厚度或焊缝体积很大时会造成多轴应力状态，实际上影响承载能力，也就会影响 工艺焊接性。 4 使用条件 焊接结构必须符合使用条件的要求。因而，使用条件是否严酷，也必然影响工艺 焊接性。载荷的性质、工作温度的高低、工作介质有无腐蚀性等都属于使用条件。 焊接接头在高温下承载，必须考虑到某些合金元素的扩散和整个结构发生蠕变的 问题；承受冲击载荷或在低温下使用时，要考虑到脆性断裂的可能性；接头如需在腐 蚀介质中工作或经受交变载荷作用时，又要考虑应力腐蚀或疲劳破坏的问题。总之， 使用条件越是苛刻，实际上就是对接头的质量提出了更高的要求，工艺焊接性也就越 不容易保证。 综上所述，焊接性与材料、工艺、结构和使用条件等因素都有密切的关系，所以 不应脱离开这些因素而单纯从材料本身的性能来评价焊接性。此外，从上述分析也可 以看出，很难找到某一项技术指标可以概括材料的焊接性，只有通过综合多方面的因 素，才能讨论焊接性问题。 2 1 _ 4 冶金焊接性与热焊接性 金属在一定的工艺条件下进行熔化焊接时，在形成熔池及随后结晶成为焊缝的区 域会发生冶金反应和固态相变；而在热影响区内，主要发生固态相变。习惯上，人们 对前者引起的焊接性问题称作冶金焊接性，对后者引起的焊接性问题称作热焊接性。 也就是说，在焊缝区内主要是冶金焊接性，在热影响区内主要是热焊接性。冶金焊接 性所涉及的主要是化学冶金问题，热焊接性所涉及的主要是物理冶令问题。 1 冶金焊接性 由母材和焊接材料共同组成的熔池金属在高温液态下与熔渣和气相之间发生物 理化学反应、成分偏析以及随后的凝固结晶等过程中焊接性的变化都属于冶金焊接性 研究的范围。在上述的冶金过程中，由于合会元素的氧化、还原、蒸发等，易造成焊 上海海事大学硕士论文 高强度船体结构钢焊接性及其焊接裂纹的形成和预防的研究 缝金属化学成分、金相组织和各种性能的改变；氧、氮、氢等杂质气体溶入、析出， 可以造成气孔或影响焊缝金属的性能；熔池结晶时的成分偏析及结晶方向等还可能导 致发生热裂纹。 金属本身的材质对其冶金焊接性固然有着很重要的影响，但还应该充分认识到焊 接材料、焊接方法、保护条件及其他一些工艺措施对冶余焊接性的重要作用。尤其像 焊接材料的影响，甚至有可能超出金属本身材质的影响。在大多数情况下，对于焊接 工作者来说，提高冶金焊接性的途径并非研制新钢种或改进已有的钢种，而是应该着 重于开发新型焊接材料和焊接方法、改善保护条件等方面。 2 热焊接性 熔化焊接时，一般都要向接头区域输入很多热量，这就对邻近焊缝的金属形成了 加热和冷却的热处理过程，使金属发生固态相变，并引起其性能( 强度、韧性、耐腐 蚀性等) 变化，或由于脆化及应力而造成裂纹等缺陷，这些均属热焊接性问题。 与焊缝金属不同，热影响区的母材金属化学成分一般不可能发生明显的变化，焊 接材料中的合会元素通过熔池、熔合区向热影响区的母材金属扩散是微乎其微的。所 以，热焊接性基本上完全决定于母材的化学成分、热处理状态和焊接时的热循环条件。 工程上所使用的结构材料大都是合余，它们经过焊接热循环后都会有组织和性能的变 化。例如，过热区因产生粗大晶粒而脆化，熔合区因从高温急冷而淬硬脆化，回火区 的软化等。即使是没有相变的单相奥氏体钢或一些纯金属如纯铝等，也可能由于晶粒 长大、形变硬化作用消失或晶界一些微量元素的扩散迁移而使其性能发生明显的变 化。 改善热焊接性的方法，除f 确选择母材之外，主要是正确选择焊接方法和焊接规 范。例如在需要减少线能量时，应该选用那些功率密度大、加热时间短、焊接速度快 的焊接方法，诸如脉冲电弧焊、电子柬焊等。此外，预热、缓冷、浸水或加冷却挚板 等工艺措施都可以对热焊接性发生影响。 2 2 焊接性的试验“”“ 评价焊接性的试验方法是多种多样的，每一种试验方法都是从某一特定的角度来 考核或说明焊接性的某一方面。因此，往往需进行一系列的试验才可能较全面地说明 焊接性，从而有助于确定焊接方法、焊接材料、工艺规范及必要的工艺措施等。 2 2 1 焊接性试验的内容 l 海海事大学硕士论文高强度船体结构钢焊接件及其焊接裂纹的形成和预防的研究 从获得完整的、具有一定使用性能的焊接接头出发，焊接性试验主要有以下几种： 1 焊缝金属抵抗产生热裂纹的能力 熔池金属在结晶时，由于有害元素的存在并受到大的拉伸应力作用，就可能发生 热裂纹，这是焊接时比较常见的一种严重缺陷，所以焊缝金属抵抗产生热裂纹的能力 常被当做衡量焊接性的重要标志。热裂纹试验的方法也是很多。 2 焊缝及热影响区金属抵抗产生冷裂纹的能力 在焊接热循环的作用下，焊缝及热影响区金属由于组织、性能发生变化，内应力 作用及扩散氢的影响，就可能发生冷裂纹，这也是一种常见的严重缺陷，所以冷裂纹 试验的方法也有很多种。 3 焊接接头金属抗脆性转变能力 由于焊接时的冶金反应、热循环、结晶过程的结果，可能使焊接接头的某一部分 或整体发生脆化，尤其对在低温条件下使用的结构影响更大。所以接头金属抗脆性转 变能力往往也是焊接性的一项标志。 4 焊接接头使用性能 包括机械性能和产品要求的其他性能，如不锈钢的耐腐蚀性、低温钢的低温冲击 韧性、耐热钢的蠕变强度等。 此外，为满足一些在特定的条件下使用的产品的需要，还制定了专门的焊接性试 验方法，如厚板焊接时的层状撕裂试验( 板厚方向的拉伸试验、窗口试验等) ：铝合 金的铸环试验等。 2 2 2 焊接性试验方法分类 1 _ 模拟类方法 这类焊接性试验方法一般不需要实际的焊接接头，而只是利用模拟焊接热循环， 人为制造缺口或电解充氢等手段，估价金属在焊接时可能发生的变化和问题，为制定 合理的焊接工艺条件提供依据。这类方法的优点是节省材料和工时，试验周期一般可 以比较短，而且可以将接头内某一区域局部放大，从而使有些因素孤立出来，便于分 析研究和寻求改善焊接性的途径。当然，这类方法与实际焊接相比是有一些差别的， 因为很多条件是被简化了的。 这类方法最常用的有热一应力模拟试验、插销试验等。 2 实焊类方法 上海海事大学硕上论文高强度船体结构钢焊接性及其焊接裂纹的形成和预防的研究 这类方法的特点在于要在一定条件下进行焊接，通过实焊来评价焊接性。有时是 在生产条件下进行焊接，然后检查焊接接头是否发生缺陷，或进行机械性能或其他方 面的试验。也有时是使用一定形状尺寸的试样在规定的条件下进行焊接，再做各种检 查。 属于这类方法常用的有斜y 坡口对接裂纹试验、窗口拘束试验、刚性固定对接裂 纹试验以及不锈钢晶间腐蚀试验等。中国船级社( c c s ) 对焊接工艺的评定也是通过 按照制定的焊接工艺进行实际焊接，通过试验焊接接头的各项性能参数来判定焊接工 艺的可行性。 3 理论计算类方法 这是一类在大量生产和科学研究经验的基础上归纳总结出来的理论计算方法。它 们主要是根据母材或焊缝金属的化学成分，加上某些其他条件( 如接头拘束度、焊缝 扩散氢含量) ，然后通过一定的经验公式计算，估计冷裂、热裂、再热裂纹的倾向大 小。由于是经验公式，这些方法的应用更是有条件限制的，而且多半是间接、粗略地 估计焊接性问题。这类方法中应用较多的是碳当量法及冷裂纹敏感系数等。 2 2 3 选择或制定焊接性试验方法的原则 1 针对性 进行焊接性试验时，其试验条件应尽可能接近实际焊接时的条件。只要在这样有 明显针对性的情况下，才有可能在节省工时的条件下，使试验结果能够比较确切地说 明焊接性问题。 2 可靠性 焊接性试验应尽量避免人为因素的影响，试验结果要有较好的再现性，数据不可 过于分散。如果试验结果很不稳定，数据很分散，就很难看出变化规律，更不可能用 于指导生产实践。为此，一方面要严格试验条件，另一方面还要尽可能用自动化、机 械化的方法取代手工操作。这样才能保证试验结果的可靠性。 3 经济性 在足以获得可靠结果的前提下，应该力求做到消耗材料少、加工周期短、试验费 用省。 2 3 常用焊接| 生试验方法“5 ”1 现行焊接性试验方法种类极多，这里只着重介绍最为常用的斜y 坡口裂纹试验、 上海海事大学硕士论义高强度船体结构制焊接性及其焊接裂纹的形成和预防的研究 插销试验、刚性固定对接裂纹试验和可变拘束裂纹试验等四种。另外，简要介绍一些 其他试验方法。 2 3 1 斜y 坡口对接裂纹试验 这一方法广泛用于评价打底焊缝及其热影响区冷裂倾向。此法所用的试样如图2 1 所示。试样用被焊材料制成，两端各6 0 r a m 范围内先用焊缝固定，试板中间预留 间隙2 3 m m 。中间8 0 r a m 段为试验焊缝的位置。试验焊缝引弧、熄弧都应离开拘束焊 缝2 3 m m ，收弧时应填满弧坑。 a 厂8 厂 鲁咭 试验焊缝 争口 ii 【(【 【 - 【 。l 。l 图2 1 斜y 坡口对接裂纹试样 通常以标准焊接规范( 焊条直径4 m m ；焊接电流1 7 0 a ；焊接速度1 5 0 m m m i n ； 电弧电压2 4 v ) 在三个试件上重复试验。焊后经不少于2 4 h 的时效后再作裂纹检查。 首先用放大镜目测或磁性荧光粉检查焊缝表面裂纹，然后沿焊缝长度方向均匀截取成 六段，检查五个断面的裂纹情况。各类裂纹可根据图2 2 及下列各式计算求得。 ( 1 ) 根部裂纹率= l c r k x1 0 0 ( 2 ) 表面裂纹率= b l 。x1 0 0 ( 3 ) 断面裂纹率= h 5 h x1 0 0 式中l 。一纵断面上根部裂纹长度总和( m m ) ： l 。一试验焊缝长度( m m ) ； b 一表面裂纹长度总和( m m ) ； h 一横断面上裂纹深度总和( m m ) ； 中面 上海海事大学硕上论文 高强度船体结构钢焊接性披其焊接裂纹的形成和预防的研究 h 一焊缝厚度( m m ) i 旦謦l c f l c f 2 曲 a )b ) 图2 2 裂纹率的计算 此试验测得各种裂纹率除可作为钢材冷裂敏感性的相对比较之外，如果保持焊接 规范不变而采用不同预热温度进行试验时，也可测得能够防止冷裂纹的临界预热温 度，作为评定冷裂敏感性的指标。还有人利用这类焊接试样，改变熔合线处3 0 0 时 的冷却速度或8 0 0 。c 至3 0 0 。c 的冷却时间( t 。) ，再测定其各种裂纹率，以裂纹率急 剧增长冷却速度或t 。，为评定冷裂敏感性的指标。 由于斜y 坡口对接裂纹试验的接头拘束度很大，根部尖角又有应力集中，所以试 验条件比较严苛，一般认为在这种试验中裂纹率不超过2 0 ，那么在实际结构焊接 时不至发生裂纹。 与斜y 坡口十分相似的直y 坡口对接裂纹试验，程序与上述基本相同，只是试样 坡口略有改变，导致了裂纹容易在焊缝根部尖角处启裂，随即向焊缝中扩展，严重时 可贯穿至焊缝表面。因此，这种方法更适用于考核焊缝金属对于根部裂纹的敏感性。 2 3 2 插销试验 插销试验是一种简便而又节省材料的试验方法，主要用于考核材料的氢致延迟裂 纹敏感性，也可以用于考核再热裂纹及层状撕裂等的敏感性。这种试验方法的原理及 装置简图参见图2 - 3 ，该图为试验机的装置示意图。插销试样用被测材料制造，基体 板可以不用被测材料而用相似材料制造。由于试验的材料、目的不同，试样的形状、 尺寸有时加以变化，例如插销直径可在6 - 1 0 m m 范围内调整；环状缺口有时加深至2 r i m 或改变成螺旋状缺口等。试验时，插销试样紧插在基体板上的孔中，上端与基体板的 上表面齐平，下端与加载夹头连接，缺口与端面的距离要根据实际焊接条件控制，保 证在施焊后缺口尖端位于熔合线附近的粗晶区内，即最易产生冷裂纹的薄弱位置。试 验时，在基体板上熔敷焊道，焊道通过插销中心，并将插销端部与基体板同时熔化形 上海海事大学硕士论文高强度船体结构钢焊接性及其焊接裂纹的形成和预防的研究 成焊缝，此时插销与焊道连成一体。焊后，当缺口附近金属冷却至1 5 0 。c 时，对插销 试样旌加一定的轴向拉伸载荷，并保持这一载荷直到试样断裂。从加载到断裂要延续 一定的时间。载荷所造成的应力越大，延续的时间越短：应力越小，延续的时间越长。 当插销所承受的应力小到一定的程度时，无论载荷持续多久，试样不再断裂，此时的 应力称为临界应力。临界应力的大小可以作为材料冷裂倾向的比较参量，临界应力小 的材料冷裂倾向大。 卜试板2 一支点3 一加压4 一油缸5 一插销试样6 一加载压头 7 一加载棒8 一应变片9 一载荷1 0 - 支柱1 l 一导线 图2 3 插销试验 试验时，焊接规范统一采用线能量1 7 k j c m ，但可以改变焊缝含氢量( 控制焊条 烘干条件) 、冷却速度( 改变基体板厚度和预热温度) 以及插销试样的化学成分等， 可以分别研究各种因素对冷裂敏感性的影响。 此法的优点是：试验材料消耗少；热循环接近实际焊接条件，而且可以改变基体 板厚度而方便地调整热循环；省去了大量解剖检查的工作；可以对材料的任意方向( 如 z 向) 进行冷裂敏感性试验；若用全熔敷金属制造插销就可以测定焊缝金属的冷裂敏 感性。 此方法的主要缺点在于，环形缺口往往不可能整个圆周都恰好处于相同的温度之 下，这就影响试验结果的准确性。造成数据分散，再现性不是很好。如果不以插销断 裂为判据，而以裂纹开始发生为判据，即以启裂时的临界应力代替断裂时的临界应力， 上海海事大学硕士论文 高强度船体结构钢焊接性及其焊接裂纹的形成和预防的研究 则更为合理一些，因为这样可减小温度不均匀性所造成的误差。 与插销试验有共同特点的外加拘束试验方法是拉伸拘束裂纹( t r c ) 和刚性拘束 裂纹试验( r r c ) ，它们也都需要专门的试验机。 拉伸拘束裂纹试验时采用一定尺寸的试板，开好一定形式的坡口，牢固夹持在试 验机上，然后用自动焊机进行焊接，焊后由试验机对焊缝施加横向拉伸载荷，保持拉 伸载荷直到启裂或断裂。此拉伸载荷除以焊缝处的有效截面积，即为施加的平均拉伸 应力。同样，拉伸应力越小，延迟启裂或断裂的时间越长，这样可以求得一个临界的 启裂或断裂应力，与插销试验相似。此法更接近实际焊接条件，但需要大型试验机， 材料及加工消耗也多。 刚性拘束裂纹试验原理如图2 4 ，其中图a 为简化设想图，图b 为实际央持示意 图。试验前调好拘束长度l ，焊接过程中不是保持一定的拉伸应力，而是保持一定的 拘束长度l 不变( 即刚性拘束) 。这样，接头焊接时的拉伸拘束度r ，( n m m 2 ) 为： r f = e h h ( 2 - 1 ) 式中e 弹性模量( n m m 2 ) ： h 试板厚度( m m ) ： l 拘束长度( m m ) ： 在试样焊缝处的拘束应力0 。拘束度有关： 0 。= r ，s h ( n m m 2 )( 2 - 2 ) 式中s 收缩量( m m ) ： 卜焊接厚度( m m ) ： 由式( 2 - 1 ) 、( 2 - 2 ) 可知，拘束长度l 增大时，拘束度r f 减小，焊缝处的拘束应 力0 ，便降低，产生裂纹所需的延迟时间就加长。当l 增大到一定数值时便不再发生 裂纹，此时的0 。称为临界拘束应力，相应的艮称为临界拘束度，这两个 临界值可作 为评价裂纹敏感性的尺度。 t r c 和r r c 两种试验方法所得的结果相当吻合，临界应力和延迟时间基本相同。 插销试验结果也与它们一致。 上海海事大学硕士论文高强度船体结构钢焊接性及其焊接裂纹的形成和预防