材料焊接性全

1、会计学1材料焊接性全材料焊接性全Q345E,16Mnq（南京长江大桥）（南京长江大桥）以以“渤海渤海8号号”自升式钻井平自升式钻井平台为例，悬臂台为例，悬臂梁选用梁选用588MPa级高强级高强度钢，牌号为度钢，牌号为WELLEN60。Q235AQ460，化学成分，化学成分16Mn钢为基础，不添加钢为基础，不添加V元素，添加约元素，添加约0.02的的Nb元素，采用元素，采用控轧控冷工艺控轧控冷工艺(TMCP)主要依靠晶粒细化和析出强化提高钢材强度。主要依靠晶粒细化和析出强化提高钢材强度。（鸟巢）（鸟巢）S355K2G3 （16Mn）铜合金螺旋桨铜合金螺旋桨ZQAl10-3Fe-1.5Mn焊接金属

2、学焊接金属学焊接工艺学焊接工艺学焊接力学焊接力学焊接工程学焊接工程学标准标准新技术新技术焊接系统工程学焊接系统工程学设计设计材料材料施工施工试验检验试验检验性能评价性能评价材料选择材料选择生产设计生产设计生产管理生产管理质量管理质量管理人为因素人为因素生产性生产性经济性经济性可靠性可靠性安全性安全性焊焊 接接 网网 络络焊接网络图焊接网络图 如何解决实际工程中的焊接技术、焊接质量问如何解决实际工程中的焊接技术、焊接质量问题？这就是材料焊接性课程要解决的问题。即要解题？这就是材料焊接性课程要解决的问题。即要解决以下两个问题：决以下两个问题： 1. 从工程实际提取理论研究对象；从工程实际提取理论研

3、究对象； 2. 如何把理论应用到工程实践中去。如何把理论应用到工程实践中去。理论与实践结合1、如何把材料、如何把材料焊得好焊得好！ 解决材料的焊接性，研究焊接接头的性能解决材料的焊接性，研究焊接接头的性能和工艺方法，焊接参数之间的关系。和工艺方法，焊接参数之间的关系。2、如何、如何焊得快焊得快！ 在保证焊接接头性能的前提下，研究采用在保证焊接接头性能的前提下，研究采用什么工艺手段，使焊接的效率提高。什么工艺手段，使焊接的效率提高。好而快石器石器 青铜器青铜器 铁器时代铁器时代先进材料先进材料中国中国6.267亿吨，河北，宝钢，鞍本，武钢，沙钢，首钢亿吨，河北，宝钢，鞍本，武钢，沙钢，首钢世界世

4、界14.14亿吨，米塔尔，浦项，新日铁，亿吨，米塔尔，浦项，新日铁，JFE 生产生产工具工具是生是生产力产力发展发展水平水平的标的标志志 铆接；设计参数铆接；设计参数:抗拉强度；抗拉强度； 钢的强化钢的强化:碳、单一合金元素。碳、单一合金元素。采用焊接技术；设计参数：采用焊接技术；设计参数：屈服强度、韧性和焊接性屈服强度、韧性和焊接性低合金高强钢快速发展，低合金高强钢快速发展，钢中碳的质量分数降低到钢中碳的质量分数降低到0.1%以下以下20世纪20年代以前20世纪20-60年代20世纪70年代以后建筑、桥梁、建筑、桥梁、工程机械等工程机械等 可以热轧、退火、正火、可以热轧、退火、正火、回火或调

5、质状态供货回火或调质状态供货 船舶用钢的合金系统基本船舶用钢的合金系统基本上为上为C-Mn和和C-Mn-V-Nb用各种液态烯烃用各种液态烯烃低温贮存设备低温贮存设备航天航天电子、信息、汽车、电子、信息、汽车、交通、轻工等交通、轻工等 合金组分总合金组分总 的质量分数的质量分数根据组成合根据组成合金元素数目金元素数目 按基体金属按基体金属铝合金、铜合金、铝合金、铜合金、钛合金、镍合金等钛合金、镍合金等二元合金、二元合金、三元合金和多元合金三元合金和多元合金小于小于2.5%的为低合金，的为低合金，2.5%-10%的为中合金，的为中合金，大于大于10的为高合金。的为高合金。特点特点应用应用 密度低、

6、强度高、耐腐蚀密度低、强度高、耐腐蚀导电导热性好、可焊接及导电导热性好、可焊接及加工性能好，应用仅次于加工性能好，应用仅次于钢铁，成为第二大金属。钢铁，成为第二大金属。航空航天航空航天 、汽车、高速、汽车、高速列车、地铁车辆、飞机列车、地铁车辆、飞机、舰船等舰船等较高的导电导热性、较高的导电导热性、抗磁性、耐蚀性、抗磁性、耐蚀性、加工性。加工性。特点特点分类分类纯铜纯铜黄铜（铜锌合金黄铜（铜锌合金）青铜（青铜（ 黄铜、白铜黄铜、白铜 以外的铜合金以外的铜合金 ）白铜（铜镍合金白铜（铜镍合金）日本神户日本神户制钢公司制钢公司美国汽车美国汽车 公司公司在飞机机在飞机机 体制造体制造轿车和运动摩托车

7、排气轿车和运动摩托车排气系统用新型钛合金，系统用新型钛合金，最高温度可达最高温度可达800。汽车弹簧、发动机连杆汽车弹簧、发动机连杆和阀门上也采用了和阀门上也采用了钛合金材料。钛合金材料。树脂基复合材料和树脂基复合材料和 钛合金用量增加。钛合金用量增加。优点：耐更高温，但焊接难优点：耐更高温，但焊接难度很大。在新能源、航天以度很大。在新能源、航天以及海洋开发等特殊领域及海洋开发等特殊领域具有广泛的应用前景。具有广泛的应用前景。具有许多独特的具有许多独特的物理、化学和力物理、化学和力学性能，是一种学性能，是一种很有发展前景的很有发展前景的高温结构材料。高温结构材料。克服单一材料克服单一材料的局限

8、性的局限性Ti3Al在航空在航空航天应用十航天应用十分广泛。分广泛。Fe3A1能够在熔能够在熔炉高温装置以及炉高温装置以及航空航天、电航空航天、电力等的应用力等的应用。1.2.1 本课程的目的和任务本课程的目的和任务目的目的培养学生掌培养学生掌握对材料进握对材料进行焊接性分行焊接性分析的基本方析的基本方法法任务任务培养学生对专培养学生对专业基本概念的业基本概念的理解理解,加强学生加强学生独立归纳整理独立归纳整理 和分析的能力。和分析的能力。内内容容由概述、焊接性及其试验由概述、焊接性及其试验 评定、合金结构钢的焊接、评定、合金结构钢的焊接、不锈钢及耐热钢的焊接、不锈钢及耐热钢的焊接、有色金属的

9、焊接、铸铁焊有色金属的焊接、铸铁焊接、先进材料的焊接和异接、先进材料的焊接和异 种材料的焊接等章节组成。种材料的焊接等章节组成。思考题：思考题： 根据本章所述内容，举根据本章所述内容，举例说明低合金钢焊接在工程例说明低合金钢焊接在工程结构中的重要作用。结构中的重要作用。 由于在焊接过程中由于在焊接过程中, 焊接接头中的各种物理化学焊接接头中的各种物理化学反应反应, 在温度和化学成分都处于极不平衡的特定条件在温度和化学成分都处于极不平衡的特定条件下进行的下进行的, 引起两方面的后果引起两方面的后果:1. 在焊接区内产生各种类型的缺陷在焊接区内产生各种类型的缺陷,使焊接接头丧失其使焊接接头丧失其连

10、续性连续性;2. 即使没有产生缺陷即使没有产生缺陷, 也可能也可能降低降低了某些必要的了某些必要的性能性能, 影响焊接结构的使用寿命。影响焊接结构的使用寿命。 因此，因此，金属本身固有的基本性能金属本身固有的基本性能，还不能，还不能直接表明它在焊接时出现什么问题，以及焊后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从焊接的角度来分析研究金属某些特有的性能焊接性焊接性。一、焊接性概念一、焊接性概念 焊接性焊接性同质材料或异质材料在制造同质材料或异质材料在制造工艺条件下，能够焊接形成

11、完整接头并满足预工艺条件下，能够焊接形成完整接头并满足预期使用要求的能力。期使用要求的能力。讨论：讨论：1. 正确区别正确区别“焊接焊接”和和“焊接性焊接性”；2. 分析研究焊接性的目的。分析研究焊接性的目的。 工艺焊接性工艺焊接性是指金属或材料在一定的焊接工艺是指金属或材料在一定的焊接工艺条件下，能否获得优质致密、无缺陷和具有一定使条件下，能否获得优质致密、无缺陷和具有一定使用性能的焊接接头的能力。用性能的焊接接头的能力。 使用焊接性使用焊接性是指焊接接头或整体焊接结构满足是指焊接接头或整体焊接结构满足技术条件所规定的各种性能的程度，包括常规的力技术条件所规定的各种性能的程度，包括常规的力学

12、性能学性能(强度、塑性、韧性等强度、塑性、韧性等)或特定工作条件下的或特定工作条件下的使用性能，如低温韧性、断裂韧性、高温蠕变强度使用性能，如低温韧性、断裂韧性、高温蠕变强度、持久强度、疲劳性能以及耐蚀性、耐磨性等。、持久强度、疲劳性能以及耐蚀性、耐磨性等。焊接过程焊接过程热过程热过程,HAZ冶金过程冶金过程,WM热焊接性热焊接性冶金焊接性冶金焊接性(1)冶金焊接性冶金焊接性 冶金焊接性是指熔焊高温下的熔池金属与气相冶金焊接性是指熔焊高温下的熔池金属与气相、熔渣等相之间发生化学冶金反应所引起的焊接性、熔渣等相之间发生化学冶金反应所引起的焊接性变化。变化。 (2)热焊接性热焊接性 焊接过程中要向

13、接头区域输人很多热量，对焊焊接过程中要向接头区域输人很多热量，对焊缝附近区域形成加热和冷却过程，这对靠近焊缝的缝附近区域形成加热和冷却过程，这对靠近焊缝的热影响区的组织性能有很大影响，从而引起热影响热影响区的组织性能有很大影响，从而引起热影响区硬度、强度、韧性、耐蚀性等的变化。区硬度、强度、韧性、耐蚀性等的变化。四大因素：材料、设计、工艺及服役环境。四大因素：材料、设计、工艺及服役环境。1、材料、材料母材和焊材以一定熔合比形成熔池，正确选用母材和焊材是母材和焊材以一定熔合比形成熔池，正确选用母材和焊材是保证焊接性良好的重要因素。若选择不当，影响化学成分，保证焊接性良好的重要因素。若选择不当，影

14、响化学成分，力学性能等性能，甚至导致焊接缺欠。力学性能等性能，甚至导致焊接缺欠。2、设计、设计焊接接头的结构设计会影响应力状态，从而对焊接性产生影焊接接头的结构设计会影响应力状态，从而对焊接性产生影响。设计时注意减少焊接缺陷、多向应力和应力集中。响。设计时注意减少焊接缺陷、多向应力和应力集中。焊焊接接材材料料种类种类供应方式供应方式电极电极药芯焊丝药芯焊丝实心焊丝实心焊丝烧结型烧结型熔炼型熔炼型焊条焊条焊丝焊丝焊剂焊剂保护气体保护气体焊炬保护气体焊炬保护气体背面保护气体背面保护气体控制熔池用气体控制熔池用气体控制电弧用气体控制电弧用气体自保护自保护连续供给连续供给手工手工固定固定填入填入熔化熔

15、化非熔化非熔化接接头头形形式式对接接头对接接头T型接头型接头十字接头十字接头角接接头角接接头搭接接头搭接接头堆堆 焊焊结结构构类类型型圆筒结构圆筒结构球形结构球形结构管管 结结 构构平板结构平板结构框架结构框架结构装配结构装配结构完全焊透完全焊透部分焊透部分焊透双面焊双面焊单面焊单面焊衬垫焊衬垫焊 无衬垫无衬垫水冷铜壁板水冷铜壁板3 3、工艺、工艺 对于同一母材，采用不同的焊接方法和工艺措施，所表对于同一母材，采用不同的焊接方法和工艺措施，所表现出来的焊接性有很大的差异。现出来的焊接性有很大的差异。 焊接方法焊接方法的影响首先表现在焊接热源能量密度、温度以的影响首先表现在焊接热源能量密度、温度

16、以及热量输入上，其次表现在保护熔池及接头附近区域的方式及热量输入上，其次表现在保护熔池及接头附近区域的方式上，如渣保护、气体保护、渣上，如渣保护、气体保护、渣-气联合保护以及在真空中焊气联合保护以及在真空中焊接等。接等。 工艺措施工艺措施（预热、层温、缓冷和焊后热处理）对防止焊（预热、层温、缓冷和焊后热处理）对防止焊接缺陷，提高接头使用性能有重要的作用。接缺陷，提高接头使用性能有重要的作用。熔熔焊焊方方法法手工电弧焊手工电弧焊自动买弧焊自动买弧焊MIG/MAGTIG等离子弧焊等离子弧焊气电立焊气电立焊自保护电弧焊自保护电弧焊电渣焊电渣焊电子束焊电子束焊激光焊激光焊气焊气焊其它其它焊焊接接位位置

17、置平焊平焊横焊横焊立焊立焊仰焊仰焊水平固定管水平固定管（全位置）（全位置）11A1C返回返回横看：横看：没有一种母材所有焊接方法都适用没有一种母材所有焊接方法都适用竖看：竖看：没有一种焊接方法所有母材都适用没有一种焊接方法所有母材都适用铝返回铝返回4、服役环境、服役环境 焊接结构的服役环境多种多样，如焊接结构的服役环境多种多样，如工作温度工作温度高低、高低、工作工作介质种类介质种类、载荷性质载荷性质等都属于使用条件。工作温度高时，可等都属于使用条件。工作温度高时，可能产生蠕变；工作温度低或载荷为冲击载荷时，容易发生脆能产生蠕变；工作温度低或载荷为冲击载荷时，容易发生脆性破坏；工作介质有腐蚀性时

18、，接头要求具有耐腐蚀性。使性破坏；工作介质有腐蚀性时，接头要求具有耐腐蚀性。使用条件越不利，焊接性就越不易保证。用条件越不利，焊接性就越不易保证。一、焊接性试验的内容一、焊接性试验的内容1. WM，热裂纹？，热裂纹？一、焊接性试验的内容一、焊接性试验的内容2. WM，HAZ冷裂纹？冷裂纹？淬硬倾向淬硬倾向氢的作用氢的作用拘束度拘束度冷裂纹冷裂纹一、焊接性试验的内容一、焊接性试验的内容3. 焊接接头，脆性转变能力？焊接接头，脆性转变能力？一、焊接性试验的内容一、焊接性试验的内容4. 焊接接头，使用能力？焊接接头，使用能力？二、评定焊接性的原则二、评定焊接性的原则1 1、评定焊接接头产生工艺缺陷的

19、倾向，为制定合理的焊接工艺提供依据；、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；2 2、评定焊接接头能否满足结构使用性能的要求。、评定焊接接头能否满足结构使用性能的要求。选择已有的或设计新的焊接性试验方法应符合下述原则：选择已有的或设计新的焊接性试验方法应符合下述原则：1 1、可比性、可比性 尽可能接近实际焊接条件尽可能接近实际焊接条件2 2、针对性、针对性 应针对具体的焊接结构应针对具体的焊接结构3 3、再现性、再现性 结果要稳定可靠，具有很好的再现性结果要稳定可靠，具有很好的再现性4 4、经济性、经济性 力求少耗材，易加工，短周期，低费用力求少耗材，易加工，短周期，低费

20、用三、焊接性评定方法的分类三、焊接性评定方法的分类1. 模拟类模拟类2. 实焊类实焊类3. 理论分析和计算类理论分析和计算类1、模拟类、模拟类Gleeble 3500 在一定条件下进行焊接，通过实焊过程来评价焊接性。主在一定条件下进行焊接，通过实焊过程来评价焊接性。主要有：裂纹敏感性试验、焊接接头的力学性能试验、低温脆性要有：裂纹敏感性试验、焊接接头的力学性能试验、低温脆性试验、断裂韧性试验、高温蠕变及持久强度试验等。试验、断裂韧性试验、高温蠕变及持久强度试验等。(1)焊接冷裂纹试验焊接冷裂纹试验 “小铁研小铁研” 试验、插销试验、试验、插销试验、TRH、RRC等。等。(2)焊接热裂纹试验焊接

21、热裂纹试验 可调拘束裂纹试验、可调拘束裂纹试验、FISCO等。等。(3)消除应力裂纹试验消除应力裂纹试验 “小铁研小铁研” 试验、试验、H形拘束试验、插销形拘束试验、插销式消除应力裂纹试验法等。式消除应力裂纹试验法等。(4)层状撕裂试验层状撕裂试验 Z向拉伸试验、向拉伸试验、Z向窗口试验等。向窗口试验等。(5)应力腐蚀裂纹试验应力腐蚀裂纹试验 U形弯曲试验、缺口试验等。形弯曲试验、缺口试验等。利用物理性能分析利用物理性能分析Tm、利利用化学成分分析用化学成分分析CE Ceq利用化学性能分析利用化学性能分析（Ti+O2TiO 4Al+3O22Al2O3）利用利用CCT图或图或SHCCT图分析图分

22、析利用合金相图利用合金相图根据金属的特性根据金属的特性间接分析法间接分析法直接试验法直接试验法焊接性试验方法焊接性试验方法 碳碳是各元素中对冷裂敏感性影响最显著是各元素中对冷裂敏感性影响最显著的，因而人们就将各种元素都按相当与若干的，因而人们就将各种元素都按相当与若干含碳量折合叠加起来求得所谓含碳量折合叠加起来求得所谓碳当量碳当量（CE或或Ceq），用来估计冷裂倾向的大小。），用来估计冷裂倾向的大小。加权、权重1、碳当量法、碳当量法 u国际焊接协会（国际焊接协会（IIW）u此式适用于中、高强度的非调质低合金高此式适用于中、高强度的非调质低合金高强钢。强钢。CE0.45，焊接，焊接25mm的板可

23、以不的板可以不预热。预热。C 0.207时，焊接厚度时，焊接厚度37mm的板的板可以不预热。可以不预热。 %5156VMoCrCuNiMnCCEu日本日本JISu此式适用于低合金调质钢，其化学成分范此式适用于低合金调质钢，其化学成分范围：围：C0.2或或0.18；Si 0.55；Mn1.5%；Cu 0.5%；Ni2.5%；Cr1.25%；Mo 0.7%；V0.1%；B0.006%。 %144540246VMoCrNiSiMnCCeq钢材强度级别钢材强度级别b/MPa碳当量碳当量Ceq（JIS）/%工艺措施工艺措施5000.46焊时不需预热焊时不需预热6000.52焊前预热焊前预热757000.

24、52焊前预热焊前预热1008000.62焊前预热焊前预热150钢板厚度小于钢板厚度小于25mm，采用焊条电弧焊，焊接热输入，采用焊条电弧焊，焊接热输入17KJ/cm。u美国焊接学会美国焊接学会AWSu此式适合化学成分范围：此式适合化学成分范围：C0.6；Mn1.6%；Ni 3.3%；Cr 1.0%；Mo0.6%；P：0.050.15%。Cu：0.51.0%；当；当Cu0.5或或P0.05时不计入。时不计入。 %2134515246PCuMoCrNiSiMnCCeq焊接性焊接性用普通酸性焊条用普通酸性焊条用低氢焊条用低氢焊条消除应力消除应力 敲击处理敲击处理 优良优良不需预热不需预热不需预热不需

25、预热不需不需不需不需 较好较好预热预热40100-10 以上不需预热以上不需预热任意任意任意任意 尚好尚好预热预热150预热预热40100希望希望希望希望 可以可以预热预热150200预热预热100必须必须希望希望 除除碳当量碳当量外，焊缝外，焊缝含氢量含氢量和和接头拘束度接头拘束度都都对冷裂纹倾向有很大影响。对冷裂纹倾向有很大影响。 T0=1440Pc-39260600HPPcmcBVMoCrNiCuMnSiCPcm510152060202030(1) 热裂纹敏感系数热裂纹敏感系数HCS HCS4，无热裂纹；，无热裂纹；HCS越大，热裂纹越敏感越大，热裂纹越敏感。(2)临界应变增长率临界应变

26、增长率CST CST6.510-4，无裂纹。，无裂纹。310310025VMoCrMnNiSiPSCHCS4100 . 75 .6187 .659 . 30 . 18 . 02 .972 .19BNbMnNiCuSCCST(1) G法法 （%） G0时，对裂纹不敏感；时，对裂纹不敏感； G 0时，敏感。时，敏感。 （%） G1.5时，对裂纹不敏感；时，对裂纹不敏感； G2时，敏感。时，敏感。(2)PSR法法 （%） PSR 0，对裂纹敏感。，对裂纹敏感。21 . 83 . 3VMoCrGCVMoCrCGG1021 . 83 . 310210752VNbTiMoCuCrPSRSHPPcmL660

27、BVMoCrNiCuMnSiCPcm510152060202030 L=200mm；B=150mm；=20mm；l=125mmGB 4675.5-1984焊接性试验焊接性试验 焊接热影响区最高硬度试验方法焊接热影响区最高硬度试验方法1). 斜斜Y坡口对接裂纹试验（小铁研试验）坡口对接裂纹试验（小铁研试验） 主要用于评价打底焊缝及其热影响区冷裂纹倾向。试主要用于评价打底焊缝及其热影响区冷裂纹倾向。试验焊缝只有一道，目的是鉴定第一层焊道根部裂纹敏感性验焊缝只有一道，目的是鉴定第一层焊道根部裂纹敏感性。 焊接规范为标准规范，焊条直径焊接规范为标准规范，焊条直径4mm，I=170A，U=24V，V焊焊

28、=150mm/min。试验焊缝试验焊缝两端都不得与拘束焊缝相连两端都不得与拘束焊缝相连，应各相距，应各相距2-3mm。 熔敷焊缝试验以后，至少放置熔敷焊缝试验以后，至少放置24小时小时，然，然后进行裂纹检验。后进行裂纹检验。 表面裂纹率表面裂纹率lf/L100% 根部裂纹率根部裂纹率lr/L100% 断面裂纹率断面裂纹率Hs/H100%2). TRC试验和试验和RRC试验试验 基本原理是模拟焊接接头承受的平均拘基本原理是模拟焊接接头承受的平均拘束应力，主要评定冷裂纹敏感性。束应力，主要评定冷裂纹敏感性。 此法设备较大而复杂，所需试板也很大此法设备较大而复杂，所需试板也很大。试验结果常与插销试验

29、结果一致，现在用。试验结果常与插销试验结果一致，现在用的不多。的不多。 基本原理是模拟焊接接头承受外部拘束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所产生的应力而，由于接头冷却时金属收缩所产生的应力而引起裂纹。引起裂纹。 可以用作评价冷裂纹敏感性的尺度。此可以用作评价冷裂纹敏感性的尺度。此试验比试验比TRC试验的恒载拉伸更接近实际焊接试验的恒载拉伸更接近实际焊接情况。情况。 此法主要用于测定焊此法主要用于测定焊缝的冷裂纹和热裂纹倾向缝的冷裂纹和热裂纹倾向，但也可以测定热影响区，但也可以测定热影响区的冷裂纹倾向。的冷裂纹倾向。4). 窗形拘束裂纹试验窗形拘束裂纹试验 此法主要用于

30、测定多层焊时焊缝横向冷裂纹及热裂纹的敏感性焊后此法主要用于测定多层焊时焊缝横向冷裂纹及热裂纹的敏感性焊后放置放置24小时再检查，一般以有无裂纹为准，也可以裂纹率为相对比较。小时再检查，一般以有无裂纹为准，也可以裂纹率为相对比较。 插销试验是一种简便又省材料的试验方法主要用于插销试验是一种简便又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。考核材料的氢致延迟裂纹敏感性。 一种模拟的方法一种模拟的方法 切口效应切口效应 不同板厚、不同冷却速度、切口尖端的组织和抗裂性不同板厚、不同冷却速度、切口尖端的组织和抗裂性 拘束应力的大小、应力开始作用时间拘束应力的大小、应力开始作用时间 试验结果试验

31、结果断裂时间断裂时间tF及及Cr的关系；的关系； 找出找出Cr=s的施工条件；的施工条件； 可调节的工艺因素可调节的工艺因素 HD； T0； TP；填充金属材料。填充金属材料。 此法（此法（GB4675.4-84）主要用于评定热裂）主要用于评定热裂纹敏感性，也可以做钢材与焊条匹配性的试纹敏感性，也可以做钢材与焊条匹配性的试验。验。（2）焊接按生产中的工艺焊接）焊接按生产中的工艺焊接4条约条约40mm长的焊缝长的焊缝（3）计算裂纹率）计算裂纹率lF裂纹长度之和；裂纹长度之和；LF焊缝长度之和。焊缝长度之和。%100FFFLlC1、用途：评定热裂纹敏感性（美国焊接专家、用途：评定热裂纹敏感性（美国

32、焊接专家Savage1965年提出）年提出）2、试验方法：、试验方法： 纵向可调拘束裂纹试验法纵向可调拘束裂纹试验法 横向可调拘束裂纹试验法横向可调拘束裂纹试验法试验原理试验原理 改变模块的改变模块的R即可改变应变量，而达到即可改变应变量，而达到一定值时，就会在焊缝或热影响区发生热裂一定值时，就会在焊缝或热影响区发生热裂纹，随着增加，裂纹的数目及长度的总和也纹，随着增加，裂纹的数目及长度的总和也增加，从而获得一定的规律。增加，从而获得一定的规律。1、插销式消除应力裂纹试验法、插销式消除应力裂纹试验法2、H形拘束试验形拘束试验3、斜、斜Y形坡口消除应力裂纹试验形坡口消除应力裂纹试验1)、Z向拉伸

33、试验向拉伸试验 此法用于测定层状撕裂敏感性。试棒拉伸此法用于测定层状撕裂敏感性。试棒拉伸破坏后，以破坏后，以Z向断面收缩率向断面收缩率为层状撕裂敏感为层状撕裂敏感性的判据。性的判据。 1525%时，才能较好地抵抗层状撕裂。时，才能较好地抵抗层状撕裂。 此法也是测试层状撕裂敏感性的试验方法焊接顺此法也是测试层状撕裂敏感性的试验方法焊接顺序：先焊序：先焊1、2两条拘束焊缝，再焊两条拘束焊缝，再焊3、4两条试验焊缝两条试验焊缝。 计算裂纹率计算裂纹率lF裂纹长度之和；裂纹长度之和；LF焊缝长度之和。焊缝长度之和。%100FFFLlC1、什么是焊接性、什么是焊接性? 包含哪几个方面包含哪几个方面?2、

34、不同的焊接方法是如何影响材料焊接性的？、不同的焊接方法是如何影响材料焊接性的？3、小铁研实验的条件是什么、小铁研实验的条件是什么? 裂纹率如何测量与计算裂纹率如何测量与计算?4、插销试验的目的是什么？如何利用插销试验确定预、插销试验的目的是什么？如何利用插销试验确定预热温度？热温度？5、产生层状撕裂的主要原因是什么？如何用试验的方、产生层状撕裂的主要原因是什么？如何用试验的方法确定材料层状撕裂的敏感性？法确定材料层状撕裂的敏感性？碳素钢碳素钢+合金元素合金元素=合金结构钢合金结构钢综合性能好（强度高、韧性、塑性和焊接性好）综合性能好（强度高、韧性、塑性和焊接性好）应用广泛（压力容器、工程机械、

35、石油化工、桥梁、船舶等应用广泛（压力容器、工程机械、石油化工、桥梁、船舶等）1 分类和性能分类和性能一、分类一、分类 按合金元素含量分类：按合金元素含量分类：合金钢合金钢低合金钢：低合金钢：合金元素总的质量分数不超过合金元素总的质量分数不超过5%中合金钢：中合金钢：合金元素总的质量分数为合金元素总的质量分数为5%-10%高合金钢：高合金钢：合金元素总的质量分数大于合金元素总的质量分数大于10%一、合金结构钢的分类一、合金结构钢的分类 凡是用做机械零件和各种工程结构的钢凡是用做机械零件和各种工程结构的钢材都称为材都称为结构钢结构钢。 合金结构钢可分两类：合金结构钢可分两类： 1、强度用钢、强度用

36、钢 2、特殊用钢、特殊用钢强度用钢强度用钢 凡是屈服强度大于凡是屈服强度大于295MPa的强度用钢的强度用钢均可称为均可称为高强钢高强钢。 一般有热轧钢、正火钢、低碳调质钢和一般有热轧钢、正火钢、低碳调质钢和中碳调质钢、微合金化钢、焊接无裂纹钢、中碳调质钢、微合金化钢、焊接无裂纹钢、抗层状撕裂钢和大线能量钢。抗层状撕裂钢和大线能量钢。1. 热轧及正火钢热轧及正火钢 凡是屈服强度为凡是屈服强度为295490MPa的低合金的低合金高强钢，一般都在热轧或正火状态下供货使高强钢，一般都在热轧或正火状态下供货使用，故称用，故称热轧钢及正火钢热轧钢及正火钢。是一种非热处理。是一种非热处理强化钢。强化钢。

37、CF钢、钢、Z向钢、大线能量钢、向钢、大线能量钢、TMCP钢、钢、UFG钢。钢。 日本的日本的610U2，属于低碳调质钢中的，属于低碳调质钢中的焊接焊接无裂纹钢无裂纹钢(CF钢钢)，其特点是含碳量低，其特点是含碳量低 (0.09)、总碳当量低总碳当量低(CEQ2=0.39%)、裂纹敏感系数低、裂纹敏感系数低(PCM0.19)。由于在钢材生产过程中采用新技。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，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能在保证高强度的同

38、时提高其塑性和韧性(-40时其时其AKv200J甚至达甚至达300以上以上)。 Z向钢向钢是在某一等级结构钢（称为母级是在某一等级结构钢（称为母级钢）的基础上，经过特殊冶炼、镇静处理和钢）的基础上，经过特殊冶炼、镇静处理和适当热处理的钢材。厚度方向承受拉伸载荷适当热处理的钢材。厚度方向承受拉伸载荷而对厚度方向有性能要求的厚度不小于而对厚度方向有性能要求的厚度不小于15mm的钢材与扁钢（简称的钢材与扁钢（简称Z向钢向钢）。）。 Ti作为微合金元素提高钢的大线能量焊作为微合金元素提高钢的大线能量焊接的可焊性接的可焊性，这是由于，这是由于Ti的氮化物和氧化物的氮化物和氧化物在高温下具有较好的稳定性，

39、在高温下具有较好的稳定性，Ti微合金钢合微合金钢合金化的经典观点是金化的经典观点是Ti和和N的含量应保持在理想的含量应保持在理想化学比化学比Ti/N=3.42附近。附近。 热机械控制处理热机械控制处理(TMCP:Thermo Mechanical Control Process，也称控轧控冷工艺，在日本被，也称控轧控冷工艺，在日本被译为加工热处理译为加工热处理)工艺。将工艺。将“控轧控轧”(CR: Controlled Rolling; 轧制温度比普通轧制低轧制温度比普通轧制低)技术技术与随后的与随后的“加速冷却加速冷却”(AcC: Accelerated Cooling，快于空冷，快于空冷)

40、结合起来，在尽量减少合金元素添加结合起来，在尽量减少合金元素添加的情况下，依靠细化晶粒能得到正火或淬火、回的情况下，依靠细化晶粒能得到正火或淬火、回火等热处理不可能得到的强度和低温韧性，实现火等热处理不可能得到的强度和低温韧性，实现了非调质高强钢的开发。了非调质高强钢的开发。 超细晶粒钢超细晶粒钢(Utrafine-Grained Steel，简称，简称UFG钢，目标粒径约钢，目标粒径约1m)作为作为21世纪的代表性先进高性世纪的代表性先进高性能金属结构材料，其强化思路具有鲜明的特点，即通能金属结构材料，其强化思路具有鲜明的特点，即通过晶粒的超细化同时实现强韧化，完全不同于传统的过晶粒的超细化

41、同时实现强韧化，完全不同于传统的以合金元素添加及热处理为主要手法的强化思路。其以合金元素添加及热处理为主要手法的强化思路。其优点在于：能同时实现强韧化；可尽量少用合金元素优点在于：能同时实现强韧化；可尽量少用合金元素降低碳当量、改善焊接性，并利于循环利用以降低对降低碳当量、改善焊接性，并利于循环利用以降低对环境的损害。环境的损害。2. 低碳调质钢低碳调质钢 屈服强度为屈服强度为490980MPa，是热处理强，是热处理强化钢，一般都在调质状态下供货，含碳量小化钢，一般都在调质状态下供货，含碳量小于于0. 22。3、中碳调质钢、中碳调质钢 屈服强度为屈服强度为8801176MPa以上，含碳量以上，

42、含碳量较高，约较高，约0.250.5%。 这类钢通常在退火状态下焊接，然后再这类钢通常在退火状态下焊接，然后再通过热处理来达到需要的性能。通过热处理来达到需要的性能。特殊用钢特殊用钢1、珠光体耐热钢、珠光体耐热钢 具有较好的高温强度和高温抗氧化的特具有较好的高温强度和高温抗氧化的特性。用于工作温度为性。用于工作温度为500600的高温设备的高温设备等。合金化主要元素是：等。合金化主要元素是：Cr、Mo为基础，为基础，再加再加V、W、Nb和和B等合金元素。焊后进行等合金元素。焊后进行高温回火处理。高温回火处理。2、低温钢、低温钢 具有非常好的低温韧性。用于各种低具有非常好的低温韧性。用于各种低温

43、装置温装置( -40-196)。 合金化主要元素是：合金化主要元素是： Ni元素。元素。3、低合金耐蚀钢、低合金耐蚀钢1、化学成分、化学成分低碳钢：低碳钢：C：0.10%-0.25%，提高强度，提高强度，但引起淬硬和裂纹，应在保证强度的条件但引起淬硬和裂纹，应在保证强度的条件下，越少越好。下，越少越好。Si：0.3 ；Mn：0.5%-0.8%。P、S含量要低。含量要低。 合金化元素：合金化元素：Mn、Si、Cr、Ni、Mo、V、Nb、B、Cu等。等。VNiMnTiCoCrSiwwwwwwwA3105365287201Ni组元素组元素：Ni、Mn、 Co；Cr组元素组元素：Cr、Si、P、A1、

44、Ti、V、Mo、W。N：作用与作用与C相似，扩大相似，扩大A区。与其他合金元素形成稳定的氮化区。与其他合金元素形成稳定的氮化物，这些氮化物往往以弥散的微粒分布，从而细化晶粒，提高物，这些氮化物往往以弥散的微粒分布，从而细化晶粒，提高钢的屈服点和抗脆断能力。为了充分发挥氮作为合金元素的作钢的屈服点和抗脆断能力。为了充分发挥氮作为合金元素的作用，钢中必须同时加入用，钢中必须同时加入Al、V和和Ti等氮化物形成元素。等氮化物形成元素。C：为了保证良好的综合性能和焊接性，要求钢中碳的质量分为了保证良好的综合性能和焊接性，要求钢中碳的质量分数不大于数不大于0.22%（实际上碳的质量分数都在（实际上碳的质

45、量分数都在0.18%以下）。以下）。 此外，添加一些合金元素，如此外，添加一些合金元素，如Mn、Cr、Ni、Mo、V、Nb、B、Cu等，主要是为了提高钢的淬透性和马氏体的回火稳定等，主要是为了提高钢的淬透性和马氏体的回火稳定性。性。PTiVCuNiCrSiMnCswwwwwwwww54075535378445455822741225230hPTiVCuNiCrSiMnCbwwwwwwwww450529314563373907868623054 . 121h2、力学性能、力学性能 屈强比屈强比3、显微组织、显微组织一、热轧、正火钢的成分及性能一、热轧、正火钢的成分及性能热轧钢：热轧钢：强化机理：

46、固溶强化强化机理：固溶强化 屈服强度：屈服强度：295390MPa级级 合金系：合金系：C-Mn或或Mn-Si系系 主合金化元素：主合金化元素： Mn、Mn-Si 辅合金化元素：辅合金化元素：V、Nb代替部分代替部分Mn 典型钢种：典型钢种：Q345(16Mn)正火钢：正火钢：强化机理：强化机理：固溶强化沉淀强化或细晶强化固溶强化沉淀强化或细晶强化屈服强度：屈服强度：为为390490MPa合金系：合金系：C-Mn或或Mn-Si ( V、Nb、Ti、Mo ) 系系主合金化元素：主合金化元素： Mn、Mn-Si辅合金化元素：辅合金化元素：V、Nb、Ti、Mo (碳化物碳化物,氮化物元素氮化物元素)

47、 热处理状态：热处理状态：正火，充分发挥碳化物形成元素的作用正火，充分发挥碳化物形成元素的作用典型钢种：典型钢种：15MnVN 正火状态下使用钢正火状态下使用钢 除除15MnTi外，主要是外，主要是V、Nb钢。钢。15MnV、15MnVN。 正火回火状态使用的含正火回火状态使用的含Mo钢钢 18MnMoNb， 微合金化控轧钢微合金化控轧钢 采用微合金化采用微合金化(加入微量加入微量Nb、V、Ti) 和控制轧和控制轧制技术达到细化晶粒和沉淀强化相结合的效果，同制技术达到细化晶粒和沉淀强化相结合的效果，同时从冶炼冶炼工艺上采取了降时从冶炼冶炼工艺上采取了降C降降S，改变夹杂物形，改变夹杂物形态，提

48、高钢的纯度等措施，使钢具有均匀的细晶粒态，提高钢的纯度等措施，使钢具有均匀的细晶粒等轴铁素体基体。等轴铁素体基体。X70、X80。 X70除加微量除加微量Nb、V、Ti 外，还加入外，还加入Ni、Cr、Cu、Mo。返回返回返回返回二、热轧、正火钢的焊接性分析二、热轧、正火钢的焊接性分析主要是：各类裂纹、脆化问题主要是：各类裂纹、脆化问题冷裂纹冷裂纹 从材料本身看，淬硬组织是引起冷裂纹的决定从材料本身看，淬硬组织是引起冷裂纹的决定因素。焊接时是否形成对氢致裂纹敏感的组织是评因素。焊接时是否形成对氢致裂纹敏感的组织是评定材料焊接性的一个重要指标。定材料焊接性的一个重要指标。1. 碳当量碳当量 %1

49、556NiCuVMoCrMnCCE144540246VMoCrNiSiMnCCeqCE 为国际焊接学会的碳当量公式为国际焊接学会的碳当量公式Ceq为日本常用的碳当量公式为日本常用的碳当量公式Pcm为合金元素的裂纹敏感指数为合金元素的裂纹敏感指数BVMoNiCrCuMnSiCPcm51015602030 CE和和Ceq适用于含碳量较高的钢适用于含碳量较高的钢(C0.18)以及抗拉强度在以及抗拉强度在400700MPa的钢材；对的钢材；对于含碳量较低的钢于含碳量较低的钢(C0.18)以及抗拉强度以及抗拉强度在在400900MPa的钢材则用的钢材则用Pcm更合适。更合适。 在实际中，在实际中， CE

50、应用相当普遍，应用相当普遍， CE0.4%无淬无淬硬倾向，焊接性好；硬倾向，焊接性好； CE =0.4 % 0.6%淬硬倾向增淬硬倾向增加，属于有淬硬倾向的钢，加，属于有淬硬倾向的钢， CE0.5 % ，淬硬倾向，淬硬倾向严重，严重， 18MnMoNb属于此类。焊接属于此类。焊接18MnMoNb要严要严格控制线能量、采取预热和焊后热处理等工艺。格控制线能量、采取预热和焊后热处理等工艺。2、淬硬倾向、淬硬倾向 不同成分钢材的冷裂纹敏感性，可以通过反不同成分钢材的冷裂纹敏感性，可以通过反映钢材焊接热影响区淬硬倾向的模拟焊接热影响映钢材焊接热影响区淬硬倾向的模拟焊接热影响区连续冷却转变区连续冷却转变

51、( SHCCT) 曲线来进行分析比较。曲线来进行分析比较。 热轧钢的淬硬倾向与冷裂纹敏感性热轧钢的淬硬倾向与冷裂纹敏感性 热轧钢的含碳量并不高，但含有少量的合金热轧钢的含碳量并不高，但含有少量的合金元素，其淬硬倾向比低碳钢要大些。但冷裂纹敏元素，其淬硬倾向比低碳钢要大些。但冷裂纹敏感性不大。其感性不大。其SHCCT图如图图如图3-4所示。所示。 正火钢的淬硬倾向与冷裂纹敏感性正火钢的淬硬倾向与冷裂纹敏感性 由于正火钢的强度级别较高，合金元素的含量由于正火钢的强度级别较高，合金元素的含量较多，因此与低碳钢相比，焊接性的差别就较大。较多，因此与低碳钢相比，焊接性的差别就较大。冷裂纹敏感性一般随强度

52、的提高而增加。如冷裂纹敏感性一般随强度的提高而增加。如15MnVN与与18MnMoNb相比，相比， 18MnMoNb的冷裂的冷裂纹敏感性就大，这与其的纹敏感性就大，这与其的SHCCT图的位置有关。图的位置有关。3. HAZ最高硬度最高硬度3. HAZ最高硬度最高硬度 热裂纹和消除应力裂纹热裂纹和消除应力裂纹1、热裂纹、热裂纹 碳含量较低、而碳含量较低、而Mn含量较高，因此这类钢的含量较高，因此这类钢的WMn/WS能达到要求，具有较好的抗热裂性能，焊接过程中的热裂能达到要求，具有较好的抗热裂性能，焊接过程中的热裂纹倾向较小。纹倾向较小。 热裂纹和消除应力裂纹热裂纹和消除应力裂纹2、消除应力裂纹、

53、消除应力裂纹 消除应力裂纹一般产生在消除应力裂纹一般产生在HAZ的粗晶的粗晶区，裂纹沿区，裂纹沿FZ方向在粗晶区的奥氏体晶界方向在粗晶区的奥氏体晶界断续发展，产生原因与杂质元素在奥氏体断续发展，产生原因与杂质元素在奥氏体晶界偏聚及碳化物析出晶界偏聚及碳化物析出“二次硬化二次硬化”导致导致的晶界脆化有关。消除应力裂纹的产生一的晶界脆化有关。消除应力裂纹的产生一般须有较大的焊接残余应力，因此在拘束般须有较大的焊接残余应力，因此在拘束度大的厚大工件中或应力集中部位更易于度大的厚大工件中或应力集中部位更易于出现消除应力裂纹。出现消除应力裂纹。返回返回2. 消除应力裂纹消除应力裂纹 一般一般C-Mn和和

54、Mn-Si系的热轧钢由于不系的热轧钢由于不含碳化物形成元素，对再热裂纹不敏感。含碳化物形成元素，对再热裂纹不敏感。18MnMoNb有一定的再热裂纹敏感性。有一定的再热裂纹敏感性。WM组织和韧性组织和韧性组织：组织：PF、FSP、AF、Bu、P。热影响区脆化热影响区脆化 主要是过热区的脆化，及还有可能是热主要是过热区的脆化，及还有可能是热应变脆化问题。应变脆化问题。1、过热区脆化、过热区脆化奥氏体严重长大奥氏体严重长大魏氏体、粗大马氏体、魏氏体、粗大马氏体、混合组织、混合组织、MA组元。组元。难熔质点的溶入。难熔质点的溶入。2、热应变脆化、热应变脆化 热应变脆化和室温下预应变后的应变时效，热应变

55、脆化和室温下预应变后的应变时效，本质上都是由固溶氮引起的。热应变脆化容易发本质上都是由固溶氮引起的。热应变脆化容易发生于一些固溶氮含量较高的低碳钢和强度级别不生于一些固溶氮含量较高的低碳钢和强度级别不高的低合金钢中，若加入足够的高的低合金钢中，若加入足够的N化物形成元素化物形成元素( Ai、Ti、V ) 后，脆化倾向就减弱。后，脆化倾向就减弱。层状撕裂层状撕裂 一般板厚在一般板厚在16mm以下就不会产生层状以下就不会产生层状撕裂，从钢材本身的来讲，主要取决于冶炼撕裂，从钢材本身的来讲，主要取决于冶炼条件，钢中的片状硫化物等杂质。条件，钢中的片状硫化物等杂质。 三、热轧及正火钢的焊接工艺三、热轧

56、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。材料和工艺参数的确定。坡口加工、装配及定位焊坡口加工、装配及定位焊焊接材料的选择焊接材料的选择考虑两个问题：考虑两个问题： 无焊接缺陷；无焊接缺陷； 满足使用性能要求。满足使用性能要求。焊接方法焊接方法成分成分 对于热轧、正火钢，裂纹一般不会产生，主对于热轧、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。要根据使用性能要求来选择焊接材料。注意以下问题：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、选择与母材力学性能匹配的相应级别的焊接材料材料 等

57、强匹配或低强匹配，等强匹配或低强匹配，C0.14%，合金元素，合金元素低于母材。低于母材。2、同时考虑熔合比和冷却速度的影响、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：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；母材的熔入量即熔合比；组织的过饱和度。组织的过饱和度。组织的过饱和度取决于：冷却速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、考虑焊后热处理对焊缝力学性能的影响母材性能母材性能焊接工艺参数的确定焊接工艺参数的确定1、焊接热输入（线能量）、焊接热输入（线能量） 焊接线能量的确定，取决于：焊接线能量的确定，取决于： 过热区的

58、脆化；过热区的脆化； 冷裂纹。冷裂纹。 对于对于Ceq小于小于0.40%的热轧正火钢，焊接线能的热轧正火钢，焊接线能量可适当放宽；量可适当放宽； 对于对于Ceq0.40%-0.60%正火钢，小焊接线能正火钢，小焊接线能量预热。量预热。典型工艺参数：典型工艺参数：1）焊条电弧焊）焊条电弧焊 打底焊道和非平焊位置，焊条直径小些，在保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。表证质量前提下，尽量采用大焊条、大电流。表3-72）自动焊）自动焊 埋弧焊、电渣焊、埋弧焊、电渣焊、CO2气体保护焊。表气体保护焊。表3-8、93）氩弧焊）氩弧焊 主要用于打底焊。表主要用于打

59、底焊。表3-10、11BVMoNiCrCuMnSiCPcm5101560203039214400cPT2、预热和焊后热处理、预热和焊后热处理 目的：防止裂纹，改善组织、性能。目的：防止裂纹，改善组织、性能。 1) 预热预热60060HPPcmc2）焊后热处理）焊后热处理a) 不要超过母材原来的回火温度，以免不要超过母材原来的回火温度，以免影响母材本身的性能；影响母材本身的性能；b) 对于有回火脆性的材料，避开出现回对于有回火脆性的材料，避开出现回火脆性的温度区域。火脆性的温度区域。焊接接头的力学性能焊接接头的力学性能 WM和和HAZ的力学性能是影响接头的力学性能是影响接头使用可靠性的基本性能，

60、而其中强度与韧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。表性又是关键的考核要素。表3-14一、低碳调质钢的种类、成分及性能一、低碳调质钢的种类、成分及性能低碳调质钢低碳调质钢 强化机理：强化机理：相变强化（调质处理）相变强化（调质处理） 屈服强度：屈服强度：490MPa980MPa 抗拉强度：抗拉强度：600MPa1300MPa 合金系：合金系：低低C、Mn-Ni-Cr-Mo系系主合金化元素：主合金化元素： C0.22%,Mn,Si辅合金化元素：辅合金化元素：Cr、Ni、Mo、V、Nb、B、Cu热处理状态：热处理状态：淬火回火淬火回火典型钢种：典型钢种：14MnMoVN、HY8