金属焊接性及碳钢的焊接培训课件.ppt

金属焊接性及碳钢的焊接 2016年2月主讲 刘伟 第一节金属焊接性基础 一 概述金属焊接性是指金属材料对焊接加工的适应性 即在一定的焊接工艺条件下 获得优质焊接接头的难易程度 它包含 1 结合性能 又称工艺焊接性 即在一定的焊接工艺 焊接方法 焊接材料 焊接工艺参数 结构形式等 条件下 被焊金属形成焊接缺陷 裂纹 夹渣 气孔等 的敏感性 倾向性和严重性 其中裂纹的危害最大 简称 好焊不好焊 2 使用性能 又称使用焊接性 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 即焊接接头或整体结构能否满足技术条件规定的使用性能要求 如常规力学性能 低温韧性 高温蠕变 持久强度 疲劳性能 耐磨性能 耐腐蚀性能等 简称 好用不好用 二 金属焊接性的影响因素1 材料因素 材料的化学成分 组织状态 力学性能对焊接性有重要影响 如 Al和Ti的化学性质很活泼 容易氧化和烧损 故其焊接较困难 不同金属材料间的焊接 其物理化学性能和晶体结构越接近 越容易实现良好焊接 2 工艺因素 不同的焊接方法和焊接工艺流程对焊接性有不同影响 如 Al和Ti属化学性质较活泼的金属 采用一般焊接方法不易焊接 而采用保护良好的氩弧焊后 使其高质量的焊接成为现实 3 结构因素 焊接接头的结构设计直接影响其刚度 应力的大小和方向 因此 应尽量减少焊接接头的刚度 减少交叉焊缝 减少应力集中 4 使用条件 焊接接头所承受的载荷 工作温度高低 工作环境的腐蚀情况等对焊接接头有重要影响 如 高温下工作的焊接接头 必须考虑元素的扩散和结构的蠕变问题 低温下工作且承受冲击载荷的焊接接头 应考虑脆性断裂问题 腐蚀条件下工作的焊接接头 应考虑耐腐蚀破坏问题 三 金属焊接性的评定方法1 工艺焊接性评定 主要评定对焊接缺陷的敏感性 尤其是裂纹形成倾向 A 直接模拟实验 按照实际焊接条件 通过焊接过程观察焊接缺陷及其程度 主要有 冷裂纹实验 热裂纹实验 应力腐蚀实验 脆性断裂实验等 B 间接推算法 根据材料的化学成分 金相组织 力学性能的关系 并联系焊接热循环过程对焊接进行评定 主要有 抗裂纹判据 焊接应力模拟等 2 使用焊接性评定 将焊接接头在使用条件下进行性能实验 对实验结果进行焊接性评定 主要有 常规力学性能实验 高温力学性能实验 低温脆性实验 耐腐蚀实验 耐磨损实验 疲劳实验等 四 钢的焊接性判据对钢焊接性好坏的判断 可以通过在大量实验基础上建立的抗裂纹经验公式进行评判 最主要的是对材料冷裂纹敏感性的判断 1 碳当量法该法可粗略估计低合金钢的焊接冷裂纹敏感性 在各种元素中 碳对冷裂纹的产生最敏感 设其系数为1 将其它元素的影响按照碳的影响进行折合并迭加 即构成 碳当量 碳当量越大 淬硬冷裂的倾向越大 焊接性就越差 对中 高强度的低合金非调质钢 国际焊接学会推荐的经验公式为 Ceq Wc 1 6WMn 1 15W Ni Cu 1 5W Cr Mo V 当Ceq 0 4 时 钢材的淬硬性不大 焊接性良好 当Ceq 0 4 0 6 时 钢材易于淬硬 需预热才能防止形成冷裂纹 当Ceq 0 6 时 钢材的淬硬性倾向大 焊接性差 对低合金调质钢 日本溶接学会推荐的公式为 Ceq Wc 1 6WMn 1 40WNi 1 5WCr 1 24WSi 1 4WMo 1 14WV 其中 C Si Mn Cu Ni Cr Mo V B等均有一定的成分范围 对于普通低碳钢 Ceq Wc 1 2Wp 1 4WMo 1 5WCr 1 24WSi 1 6WMn 1 13WCu 1 15WNi 一般而言 当碳当量Ceq 0 35时 其焊接性能良好 当碳当量Ceq 0 40 0 50时 其焊接性变差 为改善其焊接性能 焊接前应进行200 400 的预热处理 并在焊后进行正火 2 冷裂纹敏感指数 Pc 为更全面对冷裂纹的形成进行评估 将对冷裂纹有影响的淬硬倾向 拘束度 扩散氢含量进行综合考虑 形成了冷裂纹敏感指数Pc Pc Pcm H 60 600 Pcm Wc 1 30WSi 1 20W Mn Cu 1 60WNi 1 15WMo 1 10WV 1 5WB 式中 Pcm 化学成分的冷裂纹敏感指数 板厚 mm H 焊缝中的扩散氢含量 mL 100g 将求出的Pc代入防止冷裂纹的最低预热温度公式 to 1440Pc 392 即可得知相应的应该预热的温度 五 常用焊接裂纹实验方法焊接裂纹敏感性实验是在实际的焊接工艺过程中经常使用的直接模拟实验 该实验方法十分接近实际工况 直观 可靠性好 1 斜Y形坡口焊接裂纹实验 该法亦称 小铁研 实验 主要用于检测母材金属热影响区的冷裂纹倾向 图1斜Y形坡口焊接裂纹实验试件的形状及尺寸 试验的焊接规范为 焊条直径 4mm 焊接电流 170A 电弧电压 24V 焊接速度 150mm min 焊后经不少于24小时时效后再做裂纹检查 首先用放大镜目测或磁性荧光粉检查焊缝表面裂纹 然后进行断面解剖 检查断面的裂纹情况 由于斜Y形坡口对接裂纹实验在接头处的约束很大 根部尖角处应力集中十分明显 故容易产生裂纹 一般认为 在此实验中 若裂纹率不超过20 则在实际结构焊接时 就不会产生裂纹 裂纹率的计算 1 表面裂纹率Cf Cf lf L 100 2 根部裂纹率Cr Cr lr L 100 3 断面裂纹率Cs Cs Hs H 100 图2试样裂纹长度计算 2 焊接热影响区最高硬度试验 焊接热影响区最高硬度试验是以热影响区最高硬度来评价钢材冷裂纹倾向的试验方法 该法适用于低合金钢焊接热影响区由于马氏体转变而引起的裂纹试验 也适用于碳素钢 图3试件形状 试件尺寸 焊接前先去除试件表面上的水分 铁锈 油污及氧化皮等杂质 所用焊条原则上应适合于所焊的试件 直径为4mm 1号试件在室温下 2号试件在预热温度下进行焊接 焊接参数为 焊接电流 170 10A 焊接速度为150 10mm min 试件焊后在静止的空气中自然冷却 不进行任何热处理 不同强度等级和不同含碳量的钢种 有不同的最高硬度值 3 插销冷裂纹试验法 插销试验是使用专门设备 插销试验机 评定焊接冷裂纹敏感性的一种试验方法 试验采用圆柱形试样 试样由被试钢材加工而成 并插入底板的孔中 使带缺口一端的端面与底板表面平齐 底板上熔敷一焊道 尽量使焊道中心线通过插销端面中心 焊后在完全冷却以前 给插销施加一拉伸静载荷 试验既可用启裂也可用断裂作为判断准则 图4插销试验示意图a 环形缺口试样b 螺形缺口试样 六 焊接接头的常见缺陷焊接缺陷 焊接过程中在焊接接头内产生的不符合标准要求的缺陷 评定焊接接头质量优劣的依据是缺陷的种类 大小 数量 形态 分布及危害程度 常见的焊接缺陷有焊接裂纹 气孔 夹渣 未熔合和未焊透等 1 裂纹 焊接裂纹是指金属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金属原子结合力遭到破坏而形成的新界面所产生的缝隙 焊接裂纹具有尖锐的缺口和长宽比大的特征 是焊接结构中最危险的缺陷 按温度范围可分为热裂纹 冷裂纹及再热裂纹 热裂纹 在固相线附近的高温区形成的裂纹称热裂纹 热裂纹主要发生在晶界处 由于裂纹形成的温度较高 在与空气接触的开口部位表面有强烈的氧化特征 呈蓝色或天蓝色 这是区别冷裂纹的重要特征 根据裂纹形成机理的不同 热裂纹可分为结晶裂纹 液化裂纹和高温失塑裂纹 冷裂纹 焊接接头冷却到Ms温度以下时形成的裂纹称为冷裂纹 冷裂纹主要发生在焊接热影响区 对某些合金成分多的高强度钢而言 也可能发生在焊缝金属中 常见的冷裂纹可分为氢致裂纹 淬火裂纹和层状撕裂 再热裂纹 工件焊接后 若再次被加热 如消除应力处理 多层焊或使用过程中被加热 到一定温度而产生的裂纹称为再热裂纹 再热裂纹多发生在含Cr Mo V的低合金结构钢 含Nb的奥氏体不锈钢以及析出硬化显著的Ni基耐热合金材料中 再热裂纹常出现在粗晶区中 并沿粗大奥氏体晶粒边界扩展 且多发生在咬边等应力集中处 可形成沿熔合线的纵向裂纹 也可形成粗晶区中垂直于熔合线的网状裂纹 其断口有被氧化的颜色 2 气孔 焊接时 熔池中的气泡在凝固时未能逸出而残留下来所形成的空穴称为气孔 气孔有时以单个出现 有时以成堆的形式聚集在局部区域 其形状有球形 条虫形等 3 夹渣 焊后残留在焊缝中的熔渣称为夹渣 夹渣的形状较复杂 一般呈线状 长条状 颗粒状及其它形式 夹渣主要发生在坡口边缘和每层焊道之间非圆滑过渡的部位 在焊道形状发生突变或存在深沟的部位也容易产生夹渣 在横焊 立焊或仰焊时产生的夹渣比平焊时多 4 未熔合和未焊透 在焊缝金属和母材之间或焊道金属与焊道之间未完全熔化的部分称为未熔合 未熔合常出现在坡口的侧壁 多层焊的层间及焊缝的根部 未焊透是指母材金属之间应该熔合而未焊上的部分 该缺陷一般出现在单面焊的坡口根部及双面焊的坡口钝边 未焊透易造成较大的应力集中 往往从其末端产生裂纹 第二节碳钢的焊接 一 概述碳钢是以铁为基础 碳为合金元素 碳的质量分数一般在1 0 以下 且具有较好的力学性能和工艺性能的碳素钢 按含碳量不同 碳钢可分为低碳钢 中碳钢和高碳钢 按用途不同 碳钢可分为结构钢和工具钢 碳钢的焊接性主要取决于碳含量的高低 随含碳量的增加 焊接性逐渐变差 碳钢焊接性与碳含量的关系 二 低碳钢的焊接1 低碳钢的焊接特点 a 可装配成各种不同的接头 适合各种不同位置的施焊 且焊接工艺和技术简单 容易掌握 b 焊前一般不需预热 c 塑性好 焊接接头产生裂纹的倾向小 适合制造各类大型结构件和受压容器 d 不需使用特殊和复杂设备 对焊接电源 交流直流 和焊接材料 酸性碱性 无特殊要求 2 低碳钢的焊接工艺 低碳钢几乎可采用所有的焊接方法进行焊接 并都能保证焊接接头的良好质量 其中 焊条电弧焊 埋弧焊 CO2气体保护焊用得最多 焊条电弧焊 焊条电弧焊时 关键是选择电焊条 焊条的选用原则主要是根据母材的强度等级及焊接结构的工作条件来确定 焊接低碳钢所用焊接材料 当母材的厚度较大或周围环境温度较低时 由于焊缝金属及热影响区的冷却速度很快 有可能出现裂纹 此时需要对焊件进行适当预热 如 在寒冷地区室外焊接 温度小于或等于0 的情况下需要预热 直径大于或等于 3000mm 且壁厚大于或等于50mm的情况下 以及壁厚大于或等于90mm的产品的第一层焊道的焊接 焊前都应进行预热 预热温度一般为80 150 对于焊接受压件 当壁厚大于或等于20mm时 应考虑采用焊后热处理或相应的消除应力措施 壁厚大于30mm时 必须进行焊后热处理 温度为600 650 壁厚大于200mm时 待焊至工件厚度的1 2时 应进行一次中间热处理后 再继续焊接 中间热处理温度为550 600 焊后热处理温度为600 650 埋弧焊 与焊条电弧焊相比 埋弧焊可以采用较大的热输入 生产效率较高 熔池也较大 生产中 采用埋弧焊焊接较厚工件时 可以用一道或多道焊来完成 多层埋弧焊焊第一道焊缝时 母材的熔入比例大 若母材的含碳量较高时 焊缝金属的含碳量就会升高 并在第一道埋弧焊处容易形成不利的O形焊缝断面 易产生热裂纹 故多层埋弧焊焊接厚板时 要求在坡口根部第一道焊缝时采用的热输入要小些 如采用焊条电弧焊打底的埋弧焊就可避免上述情况 CO2气体保护焊 为使焊缝金属具有足够的力学性能和良好的抗裂纹及气孔的能力 低碳钢采用CO2气体保护焊时可采用含Mn和Si的焊丝如H08Mn2Si H08Mn2SiA等 起保护作用的CO2气体质量也很重要 若在CO2气体中N和H的含量过高 焊接时即使焊缝保护良好 Mn和Si的数量也足够 仍可能在焊缝中出现气孔 CO2气体保护焊时 为使电弧燃烧稳定 应采用较高的电流密度 但电弧电压不能过高 否则焊接时易出现飞溅及电弧燃烧不稳 3 低碳钢零件焊接举例 油田输油管线材质为20无缝钢管 其外径为 60mm 壁厚3 5mm 采用手工钨极氩弧焊打底 焊条电弧焊盖面进行施焊 图5油田输油管线 采用Y形坡口 角度为60 5 间隙1 5mm 采用机械加工或砂轮机打磨坡口 并将坡口两侧20mm范围内的铁锈 油污 水分清除干净 且露出金属光泽 焊条可用E5015 J507 或E5016 J506 碱性低氢焊条 直径为 3 2mm 焊丝选用H08Mn2SiA 直径为 2 0mm 焊缝表面不允许有气孔 裂纹 夹渣等缺陷 焊接工艺参数 三 中碳钢的焊接1 中碳钢的焊接特点 中碳钢的碳含量比低碳钢高0 2 0 3 但焊接性却严重恶化 在物理性能方面 中碳钢比低碳钢线膨胀系数略高 热导率稍低 也增加了中碳钢焊接的热应力和过热倾向 碳含量的提高使中碳钢的强度增加 但保护碳免于烧损的难度加大 C和FeO的还原反应 C FeO Fe CO 生成的CO使气孔形成倾向增大 当钢中的碳含量大于0 15 时 碳本身的偏析以及它促使硫等其它元素的偏析逐渐明显 导致钢的热裂倾向增大 故用于焊接的中碳钢需要严格限制P S含量 碳使钢的焊接性变坏的主要原因是碳提高了钢的淬硬性 中碳钢的马氏体由于有较大的脆性 在焊接应力和扩散氢的作用下容易发生冷裂纹和脆断 随碳质量分数的增加 中碳钢的焊接性变坏 其主要的焊接缺陷是热裂纹 冷裂纹 气孔和接头脆性 当钢中的杂质较多 刚性较大时 焊接问题将更突出 2 中碳钢的焊接工艺 焊接方法 焊条电弧焊是中碳钢最好的焊接法 应采用相应强度级别的碱性低氢型焊条 坡口制备 为限制中碳钢焊缝中的碳含量 减少熔合比 一般开U形或V形坡口 并将坡口两侧的油 污 锈等清除干净 预热 预热温度取决于碳当量 母材厚度 结构刚度 焊条类型和工艺方法 通常35钢 45钢的预热温度为150 250 焊接电源 一般选用直流弧焊电源 反极性 以减少熔深 降低裂纹倾向和气孔敏感性 焊后热处理 焊后尽量立即进行消除应力热处理 尤其对于厚度大或刚性大的工件 消除应力回火温度一般为600 800 若焊后不能进行消除应力处理 也要进行后热 即采用保温 缓冷措施 使扩散氢逸出 以减少裂纹的产生 3 中碳钢焊接零件举例 法兰长轴 材料为35钢 图6法兰长轴焊接 采用焊条电弧焊进行焊接 焊条选用E5015 J507 碱性低氢型焊条 焊前进行300 350 一小时烘干 焊件在150 200 时预热 焊前仔细清理焊口 点固焊缝4 5段 每段长50mm 焊件水平放置 圆周焊缝分成6段或4段 分段跳焊以减少焊接应力和变形 机车用万向轴 材料为40Cr 图7万向轴焊接 采用焊条电弧焊进行焊接 焊条选用E8515 J857 的低氢型焊条 焊前进行烘干 焊件预热温度为300 焊后立即用石棉灰保温缓冷 然后进行550 600 的退火处理以消除应力 可使焊缝有较高的强度 四 高碳钢的焊接高碳钢由于碳含量很高 故焊接性很差 一般采用焊条电弧焊或气焊 1 高碳钢的焊接特点 a 高碳钢比中碳钢更易产生焊接热裂纹 b 高碳钢对淬火更加敏感 近缝区极易形成马氏体淬硬组织 产生冷裂纹 c 受焊接高温的影响 高碳钢焊接时晶粒长大快 碳化物容易在晶界上聚集 长大 焊缝脆弱 使接头强度降低 d 高碳钢导热性比低碳钢差 熔池急剧冷却时易在焊缝中引起很大内应力