金属材料焊接性-碳钢的焊接.ppt

47 1 第五章焊接成型 第19讲 47 2 5 1 1焊接性概念金属焊接性是金属是否能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 焊接性包括工艺焊接性和使用焊接性 工艺焊接性是指在一定焊接工艺条件下 能否获得优良致密 无缺陷焊接接头的能力 它不是金属本身所固有的性能 而是根据某种焊接方法和所采用的具体工艺措施来进行评定的 所以金属材料的工艺焊接性与焊接过程密切相关 5 1金属材料的焊接性及其试验方法 47 3 对于熔焊 一般都要经历传热过程和冶金反应过程 因而又可把工艺焊接性分为 热焊接性 和 冶金焊接性 热焊接性是指焊接热循环对焊接热影响区组织性能及产生缺陷的影响程度 用以评定被焊金属对热的敏感性 如晶粒长大 组织性能变化等 它主要与被焊材质及焊接工艺有关 冶金焊接性是指在一定冶金过程的条件下 物理化学变化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 氮化 蒸发 氢 氧 氮的溶解等对形成气孔 夹杂 裂纹等缺陷的影响 用以评定被焊材料对冶金缺陷的敏感性 47 4 使用焊接性是指焊接接头或整个结构满足产品技术条件规定的使用性能的程度 使用性能取决于焊接结构的工作条件和设计上提出的技术要求 通常包括常规力学性能 低温韧性 抗脆断性能 高温蠕变 疲劳性能 持久强度 耐蚀性能和耐磨性能等 47 5 5 1 2金属的焊接性试验一般来说 评价焊接性的准则主要包括 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 47 6 焊接性试验内容按材料的不同特点和不同使用要求 焊接性试验内容有 焊缝和HAZ抗热裂纹能力 焊缝和HAZ抗冷裂纹能力 焊缝接头的抗脆性转变能力 接头的使用性能 包括接头常规力学性能 对于在高温 低温 腐蚀 磨损和动载疲劳等不同环境中工作的结构 则应根据不同要求分别进行相应的高温性能 低温性能 脆断 抗腐蚀性 耐磨性和动载疲劳等试验 47 7 焊接性试验方法分类 模拟类方法一般不需要实焊接头 而只是利用模拟焊接热循环 人为创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 为制定合理的工艺条件提供依据 优点 节约材料和工时 试验周期短 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 最常用的有热 应力模拟试验 插销试验等 47 8 实焊类方法特点 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 或进行力学性能或其它方面的试验 也有时是使用一定形状尺寸的试样在规定条件下进行焊接 再作各种检查 常用的有斜 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 理论计算类方法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 主要依据母村或焊缝金属的化学成分 加上某些其它条件 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 这类方法的应用更是有条件限制的 且多半是间接 粗略估计材料的焊接性问题 47 9 图5 1焊接性试验方法分类 47 10 选择或设计焊接性试验方法的原则1 针对性进行焊接性试验的实验条件应尽量接近实际焊接条件 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 如果实验结果很不稳定 数据很分散 就很难看出规律 更不可能用于生产实践 为此 一方面要严格实验条件 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 经济性在足以获得可靠结果的前提下 应力求作到消耗材料少 加工周期短 试验费用省 47 11 5 1 3常用焊接性试验方法 斜Y形坡口焊接裂纹试验法此试验方法主要用于评定碳素钢和低合金高强钢焊接热影响区的冷裂纹敏感性 试件制备试件形状及尺寸如图1 2所示 由被焊钢材制成 板厚不作规定 常用9 38mm 坡口用机械切削加工 每一种试验条件要制备两块以上试件 两端各在60mm范围内施焊拘束焊缝 采用双面焊透 要保证待焊试验焊缝处有2mm装配间隙和不产生角变形 47 12 图5 2试件的形状尺寸 47 13 试验条件推荐采用下列焊接工艺参数 焊条直径4mm 焊接电流 170 10 A 电弧电压 24 2 V 焊接速度 150 10 mm min 用焊条电弧焊时按图5 3所示施焊试验焊缝 用焊条自动送进装置施焊时按图5 4所示进行 只焊一道焊缝不填满坡口 焊后48h后才进行裂纹检测和解剖 47 14 图5 3焊条电弧焊试验焊缝 图5 4焊条自动送进的试验焊缝 47 15 图1 5试样裂纹长度计算 检测与计算用肉眼或手持放大镜来检测焊接接头的表面和断面是否有裂纹 并按下列方法分别计算表面 根部和断面的裂纹率 A 表面裂纹率Cf 见图1 5a按下式计算 47 16 B 根部裂纹率Cr用适当方法着色试件 然后把它位断或变断 按图1 5b测根部裂纹长度 按下式计算Cr C 断面裂纹率Cs在试验焊缝上用机械加工等分地切出4 6块试样 检查五个横断面上的裂纹深度Hs 见图1 5c 按下式计算Cs 47 17 可以利用裂纹率进行焊接性能评定 对于低合金钢一般认为表面裂纹率小于20 用于生产是安全的 但不应有根部裂纹 如果试验用的焊接工艺参数不变 用不同预热温度进行试验 就可以测定出防止冷裂纹的临界预热温度 作为评定钢材冷裂纹敏感性指标 47 18 插销试验此法主要是测定钢材焊接热影响区对冷裂纹敏感性的一种定量试验方法 因试验消耗钢材少 试验结果稳定可靠 经适当改变 此法还可以用于测定再热裂纹和层状撕裂的敏感性 基本原理插销试验是把被焊钢材作成直径为8mm 或6mm 的圆柱形试棒 即插销 插入与试棒直径相同的底板孔中 其上端与底板的上表面平齐 见图5 6 47 19 图5 6插销试棒缺口处于焊接热影响区粗晶部位a 环形缺口式样 b 螺形缺口式样 47 20 在无预热条件下 焊后冷至100 150 时加载 如有预热 则应高出初始温度50 70 时加载 规定的载荷应在1min内 并在试棒冷却到100 或高出初始温度50 70 以前加载完毕 如有后热 应在后热以前加载 47 21 图5 7底板的形状及尺寸 应使用置于焊缝或焊接热影响区的热电偶测定热循环 并记录800 500 的冷却时间t8 5 Tmax 100 的冷却时间t100 和500 100 的冷却时间t5 1 测点的最高温度不得低于1100 通常测点位于距插销两侧约20mm 焊道下底板的盲孔端部上 盲孔一般为 3 其深度为底板厚 a 见图1 7 47 22 47 23 按前述的要求加载 插销可能在载荷持续时间内发生断裂 此时应记下承载时间 如未发生断裂 载荷应保持16h或24h 将试棒取下 用金相或氧化等方法检测缺口根部是否存在裂纹 经多次改变载荷 就可求出在试验条件下不出现断裂的临界应力 cr 临界应力 cr可以用启裂准则 也可以用断裂准则 但应加以注明 根据 cr的大小 就可以相对比较材料抵抗产生冷裂纹的能力 47 24 三 压板对接 FISCO 焊接裂纹试验法主要评定焊缝金属热裂纹的敏感性 也可用于某些钢材与焊条匹配性试验 试件制备试件的形状从尺寸见图5 8 坡口形状为I形 采用机械切削加工 坡口附近表面要打磨干净 试验装置由C形拘束框架 齿形底座及紧固螺栓等组成 见图5 9 47 25 图5 8试件形状及尺寸 图5 9FISCO试验装置 47 26 试验步骤将试件安装在试验装置内 在试件坡口的两端按试验要求装入相应尺寸的塞片 以保证坡口间隙 此间隙可在0 6mm范围内变化 将水平方向的螺栓紧固 紧到顶住试件即可 把垂直方向的螺栓用测力搬手以12000N cm的扭矩紧固好 按图5 10a所示顺序焊接4条长约40mm的试验焊缝 焊接工艺参数按生产上的要求确定 焊缝间距约10mm 焊接弧坑原则上不填满 焊接结束后约10min 将试件从装置上取出 待冷至室温后 沿焊缝纵向弯断 观察断面有无裂纹 并测量裂纹长度 见图5 10b 47 27 图5 10试验焊缝位置 47 28 四 可调拘束裂纹试验法主要用于研究各种类型热裂纹 结晶裂纹 液化裂纹 基本原理是利用焊缝凝固后期 施加不同的应变值 研究产生裂纹的规律 当外加应变值在某一温度区间超过焊缝金属或热影响区内塑性变形能力时 即产生裂纹 就以此来评定产生热裂纹的敏感性 47 29 对焊接区施加的应变值是由外加载荷P的作用下使试件弯曲变形而获得 根据试验目的不同 可确定进行横向或纵向可调拘束裂纹试验 两者可在同一台试验机上进行 图5 11可拘束裂纹试验示意图 47 30 五 其他焊接性试验方法 47 31 1 拉伸拘束裂纹试验 TRC 基本原理是模拟焊接接头承受的平均拘束应力 在一定坡口形状和一定尺寸的试板间施焊后 冷到规定温度时在焊缝横向施加一个恒定的载荷 直到发生启裂或断裂 调整载荷 可以求得加载24h而不发生开裂的临界应力 根据临界应力的大小 即可评定冷裂纹敏感性 试验结果常与插销试验一致 47 32 2 刚性拘束裂纹试验 RRC 基本原理是模拟焊接接头承受外部拘束 由于接头冷却时金属收缩产生的应力而引起的裂纹 此试验比TRC试验的恒定拉伸更接近实际焊接的情况 3 刚性固定对接裂纹试验此法主要用于测定焊缝的冷裂纹和热裂纹倾向 也可以测定热影响区的冷裂纹倾向 4 窗口拘束裂纹试验此法主要用于测试多层焊时焊缝横向冷裂及热裂的敏感性 为选择焊接材料及确定工艺条件提供依据 47 33 5 Z向拉伸试验法此法是利用钢板厚度方向 即Z向 的断面收缩率来评定钢材的层状撕裂敏感性 6 Z向窗口试验法此试验是一种模拟实际层状撕裂的试验力法 47 34 5 2碳钢的焊接 5 2 1碳钢的分类 按碳量分 1 低碳钢 0 3 2 中碳钢 0 30 0 60 3 高碳钢 0 6 47 35 按用途分 1 结构钢用来制造各种金属构件和机器零件 2 工具钢用来制造各种工具 量具 刃具 模具 按质量分 根据钢中有害杂质硫和磷的含量分成 1 普通碳素钢S 0 050 P 0 050 2 优质碳素钢 0 035 0 035 3 高级优质碳素钢 0 030 0 030 按钢材脱氧程度的不同分 1 沸腾钢 2 半镇静钢 3 镇静钢 47 36 5 2 2低碳钢的焊接 一 低碳钢的焊接性分析低碳钢合碳量低 锰 硅含量少 一般情况下不会因焊接而引起严重硬化组织或淬火组织 这种钢的母材和焊接接头塑性和韧性很好 焊接时一般不需预热 层间温度和后热 焊后也不必采用热处理改善组织 整个焊接过程中不需特殊的工艺措施 其焊接性优良 47 37 少数情况下 低碳钢的焊接性也会不好 1 旧冶炼方法生产的转炉钢 含N量高 杂质较多 冷脆性大 时效敏感性大 焊接性差 2 沸腾钢脱氧不完全 含氧量较高 S P等杂质的分布不均匀 时效敏感性及冷脆敏感性大 热裂纹倾向也大 3 母材成分不合格时 焊接时可能出现裂纹 4 焊条质量不好时 焊缝也可能出现裂纹 5 某些焊接方法可能给低碳钢的焊接质量带来麻烦 如埋弧焊的焊接线能量较大 会使焊接HAZ的粗晶区晶粒更加粗大而冲击韧性降低 47 38 二 低碳钢的焊接工艺特点低碳钢的手工电弧焊 1 焊条的选择用于低碳钢的焊条主要采用E43XX系列的焊条 J42型 普通的焊接结构可采用酸性焊条如J422 J423 J424 J425 受动载或低温下 40 以上 工作的重要结构以及厚度大 刚性大的结构可选用碱性焊条如J426 J427 结J506 J507等 薄板立焊时 为提高焊接效率可采用J420焊条 管子的封底焊缝 为保证焊透又不出现气孔和裂纹可采用J500焊条 47 39 2 焊接工艺焊前一定要把焊件坡口附近的铁锈 油污等清理干净 尤其用碱性焊条时更应彻底清理干净 否则易出现气孔 焊接电流不能太大 以免因晶粒长大 产生魏氏组织而降低接头的塑性和冲击韧性 采用短弧焊接 特别用碱性焊条时更应保持短弧和不断弧 以加强对熔池的保护 焊接时 应使焊缝有自由伸缩的余地 以降低焊接残余应力 刚度大的焊件应采用预热 47 40 3 低温下的焊接技术低碳钢在低温下焊接时容易产冷裂纹 特别是厚度大和刚性大的焊件 焊前应采取预热 焊接时应防止未焊透 弧坑裂纹 咬边 夹渣等缺陷 因为它们可能成为引起脆断的裂纹源 整条焊缝应连续焊完 尽量不要中断 点固焊时适当加大电流 减慢焊速 增加焊缝的截面和长度 应选用低氢和超低氢焊接材料 47 41 低碳钢的埋弧自动焊 1 焊接材料的选择可选用焊丝H08A H08MnA配合焊剂HJ431 HJ430 HJ433 也可用焊丝H10MnA H10Mn2A配合HJ130 2 焊接工艺焊前需烘干焊剂 烘干温度为250 左右 保温1 2小时 烘干后焊剂含水量不得超过0 1 焊接处必须清除铁锈 油污 水分等杂质 以防焊缝气孔等缺陷 板厚大于40mm的钢板和刚度较大的焊件应预热到150 以上 47 42 5 2 3中 高碳钢的焊接 一 中碳钢的焊接1 中碳钢的焊接性分析中碳钢的焊接性较差 中碳钢含碳量0 30 0 60 当含碳量接近0 30 而含Mn量不高时 焊接性良好 随着含碳量的增加 焊接性逐渐变差 如果含碳量为0 50 左右而仍按焊接低碳钢常用的工艺施焊时 则 可能产生硬脆的马氏体组织 易于开裂 当焊接材料和焊接过程控制不好时 甚至焊缝也如此 47 43 焊接时 相当数量母材会熔化进入焊缝 如第一层焊缝的熔合比约为30 左右 使焊缝含碳量增高 容易产生焊缝热裂纹 特别是当S控制不严时 更易显示出来 此外由于含碳量增高 气孔敏感性也增大 47 44 2 焊接材料的选择应尽量选用低氢型焊接材料 1 不能用提高含碳量的办法使之与母材等强 应尽量减少焊缝中的含碳量 尽可能选择抗裂性好的低氢焊条 个别情况下通过控制预热温度和减少熔合比时 也可采用钛钙型或钛铁矿型焊条 2 接头不要求等强度时 应选用强度较低的焊条 如J427 J426 以防止裂纹 3 特殊情况下 可采用奥氏体焊条如A102 A107 A302 A307 A402 A407来焊接和焊补中碳钢 焊前不预热也不会产生冷裂纹 47 45 3 焊接和焊补工艺要点 1 焊前一定要严格烘干焊条 2 预热和控制层间温度是焊接中碳钢的主要工艺措施 预热温度根据焊件厚度 母材含碳量 结构刚度等因素