（中职）熔焊基础与金属材料焊接第四章电子教案

1、YCF正版可修改PPT（中职）熔焊基础与金属材料焊接第四章电子教案第4章金属的焊接性及其评定4. 1金属焊接性基础知识4. 2金属材料焊接性的分析与试验返回第4章金属的焊接性及其评定随着工业技术的发展，焊接技术被广泛用于大型、高参数设备的制造中。这些设备所用的母材，大多具有强度高，耐热性、耐蚀性优良等某些特殊性能。为了确保焊接质量，必须掌握这些材料的焊接性，从而采取针对性的工艺措施。实践证明，各种材料由于成分与状态的不同，焊接过程将对其组织与性能产生不同的影响。例如普通低碳钢，几乎可以用任何焊接方法焊接，并且焊缝都能保证质量，热影响也无明显变化。但对于碳含量大于0. 3%的碳钢或某些合金钢来说

2、，为了获得优质的焊接接头必须采用特殊的工艺措施。下一页返回第4章金属的焊接性及其评定对某些金属，虽然防止焊接缺陷并不十分困难，但为了全面满足母材的性能要求，仍需辅以专门的工艺措施。这些都表明不同的金属获得优质焊接接头的难易程度不同，或者说各种金属对焊接工艺的适应性不同。这种适应性就是通常所说的焊接性。上一页返回4. 1金属焊接性基础知识金属的焊接性与铸造性、机械加工性一样，同属于金属材料的工艺性能。因此，焊接性不仅取决于金属本身的成分与组织，同时与焊接的热作用有直接关系。焊接性并不是金属材料的固有性能，而是随焊接技术的发展而变化的。对于不同材料、不同工作条件下的焊件，焊接性的主要内容是不同的。

3、例如，低合金高强度钢，对于淬硬和冷裂纹是比较敏感的，因此在焊接这种材料时，如何解决淬硬和冷裂纹问题就成为低合金高强度钢焊接性的主要内容;又如焊接奥氏体不锈钢时，其主要问题则是晶间腐蚀和热裂纹问题。即使对于同一金属材料，当采用不同焊接方法、焊接材料及不同的工作条件时，其焊接性也可能有很大差别。下一页返回4. 1金属焊接性基础知识随着焊接新工艺、新技术的出现，某些材料在焊接中的难题将不断被解决。4.1.1金属焊接性的概念在GB/T3375-1994焊接术语中，焊接性被定义为:“材料在限定的施工条件下焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力”，即金属材料对焊接加工的适应性。焊接性包含两方

4、面的内容:其一是焊成的构件符合设计的要求，其二是满足预定的使用条件，能够安全运行。根据这两方面的内容，优质的焊接接头应具备两个条件，即接头中不存在超过质量标准规定的缺陷，同时具有预期的使用性能。根据讨论问题的着眼点不同，焊接性可分为工艺焊接性和使用焊接性。上一页下一页返回4. 1金属焊接性基础知识工艺焊接性是指金属材料对各种焊接方法的适应能力。它不仅取决于金属本身的成分与性能，面且与焊接热源的性质、保护方式、预热及后热等工艺措施有关。有些金属材料(如高合金钢、铝、钛等)，在采用不同焊接方法焊接时，焊接质量会有较明显的区别。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。

5、显然，使用焊接性与产品的工作条件有密切的关系。焊接工艺对金属的作用，也可归纳为冶金处理作用与热作用两个方面。冶金处理作用主要影响焊缝的成分，从而影响其组织与性能;热作用则是决定热影响区组织与性能的主要因素。由于二者的作用和解决问题的手段都不相同，故焊接性又可分为冶金焊接性与热焊接性。上一页下一页返回4. 1金属焊接性基础知识焊接性是一个相对的概念。如果一种金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，并能够满足使用要求，就可以说焊接性良好;反之，如果必须在保证很复杂的工艺条件(如高温预热、高能量密度、高纯度保护气体或高真空度、焊后复杂的热处理等)下焊接，才能够满足使用要求，就可以说是焊

6、接性较差。4.1.2影响焊接性的因素1.材料因素材料因素包括母材本身和使用的焊接材料等等。如:焊条电弧焊时的焊条;埋弧焊时的焊丝和焊剂;气体保护焊时焊丝和保护气体等等。它们在焊接时都直接参与熔池或熔合区的冶金过程，影响焊接质量。上一页下一页返回4. 1金属焊接性基础知识母材或焊接材料选用不当时，会造成焊缝金属化学成分不合格，力学性能和其他使用性能降低，还会出现气孔、裂纹等缺陷，从而使接合性能变差。由此可见，正确选用母材和焊接材料是保证焊接性良好的重要基础，必须十分重视。2.焊接方法对于同一母材，当采用不同的工艺方法和工艺措施时，所表现的焊接性也不同。例如，钛合金对氧、氮、氢极为敏感，用气焊和焊

7、条电弧焊不可能焊好，而用氩弧焊或真空电子束焊，能防止氧、氮、氢等的侵入，使之容易焊接。上一页下一页返回4. 1金属焊接性基础知识焊接方法对焊接性的影响，主要表现在焊接热源能量密度的大小，温度的高低以及热输入量的多少上。对于有过热敏感的高强钢，从防止过热出发，宜选用窄间隙焊接、等离子弧焊接、电子束焊接等方法，从而有利于改善焊接性。相反地，对于容易产生白口的铸铁来说，从防止白口出发，应选用气焊、电渣焊等方法。工艺措施对防止焊接接头缺陷的产生，提高使用性能也有重要的作用。最常见的工艺措施是焊前预热、焊后缓冷和消氢处理，它们对防止热影响区淬硬变脆，降低焊接应力，避免氢致冷裂纹是比较有效的措施。3.构件

8、类型焊接接头和结构设计会影响应力状态，从而对焊接性也有影响。上一页下一页返回4. 1金属焊接性基础知识这里主要应从结构的刚度、应力集中和多向应力等方面来考虑。使焊接接头处于刚度较小的状态，能够自由收缩，有利于防止焊接裂纹。缺口、截面突变、焊缝余高过大、交叉焊缝等容易引起应力集中，要尽量避免。不必要地增大母材厚度或焊缝体积，会产生多向应力，也应注意防止。4.使用要求焊接结构的使用要求是多种多样的，有在高温或低温下工作，在腐蚀介质中工作以及在静载或动载条件下工作等。当在高温工作时，可能产生蠕变;低温工作或冲击载荷工作时，容易发生脆性破坏;在腐蚀介质中工作时，接头要求具有耐腐蚀性。上一页下一页返回4

9、. 1金属焊接性基础知识总之，使用条件越不利，焊接性就越不容易保证。综上所述，金属的焊接性与材料成分、焊接方法、构件类型、使用要求等因素都有密切的关系，所以不应脱离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，才能分析焊接性问题。上一页返回4. 2金属材料焊接性的分析与试验4.2.1焊接性分析1.利用化学成分分析(1)碳当量法钢材的碳当量可以判断其淬硬倾向与裂纹敏感性。碳当量值越大，钢的冷裂纹敏感性越高，焊接性越差。碳当量是指把钢中合金元素(包括碳)的含量按其作用换算成碳的相当含量。可作为评定钢材焊

10、接性的一种参考指标。由于钢材的化学成分是决定焊接热影响区是否淬硬的基本条件，碳又是引起钢材淬硬的主要元素，其他合金元素对淬硬也有一定的影响。下一页返回4. 2金属材料焊接性的分析与试验则换算成碳当量后，碳当量越高，焊接性越差。由于这种方法使用简便，所以目前被广泛应用于低合金结构钢焊接性的估算。碳当量计算公式很多，常用的是国际焊接学会推荐的公式:式中元素符号表示该元素在钢中的质量分数，计算碳当量时，应取其成分上限。碳当量计算公式的使用条件为:可用于HT50-60级非调质高强钢。上一页下一页返回4. 2金属材料焊接性的分析与试验当 0.45%时，焊接厚度不大于25mm的钢板可以不预热。当 0.41

11、%且含(c)0. 207%时，焊接厚度小于37mm的钢板可以不预热。焊接条件与碳当量的关系如图4-1所示。焊接预热条件见表4-1。根据经验:当 0.6%时，焊接性差到低劣，淬硬倾向更强，属于较难焊的材料，需采用较高的预热温度和严格的工艺措施。必须指出，用这种方法来判断钢材的焊接性只能作近似的估计，并不能完全代表材料实际的焊接性。上一页下一页返回4. 2金属材料焊接性的分析与试验例如Q345(16Mn)钢的碳当量约在0. 34%0. 444 % ,焊接性尚好，但厚度增大，焊接性就会变差。因此对于钢材的焊接性，一般可根据焊件的实际情况，通过直接试验法来确定。(2)焊接冷裂纹敏感指数(Pc)Pc值不

12、仅包括了母材的化学成分，而且考虑了扩散氢与拘束条件的作用。根据Pc值可以通过经验公式得出为防止冷裂纹所需的最低预热温度。2.利用CCT图分析根据CCT图或SHCCT图可以判断在不同冷却条件下所获得的组织与硬度，故可估计出在一定的焊接工艺条件下，产生冷裂纹或淬硬组织的可能性。上一页下一页返回4. 2金属材料焊接性的分析与试验3.利用材料的物理性能分析金属的熔点、热导率、线膨胀系数、热容以及密度等物理性能，对焊接热循环、化学冶金反应以及凝固相变等过程都有明显的影响。根据金属材料物理性能的特点，可以估计出在焊接过程出现的问题，并设法加以解决。如焊接热导率高的材料铜时，由于散热快，很容易产生熔透不足的

13、缺陷，在凝固过程中又很容易产生气孔;而有些热导率低的材料，则会因焊接时温度梯度大，产生较大的应力或变形，或是由于在高温停留时间较长而导致晶粒粗化等。此外，焊接线膨胀系数大的金属，接头的应力变形必然严重;焊接密度小的金属(如铝及其合金)，则容易在焊缝中形成气孔或夹杂物。上一页下一页返回4. 2金属材料焊接性的分析与试验4.利用材料的化学性能分析化学性能活泼的金属，在焊接过程中极易氧化(如铝、钛及其合金)，有些金属甚至对氧、氢、氮等气体都极为敏感。因此在焊接时，需要采取更为可靠的保护方式(如惰性气体保护或在真空中焊接)。有时焊缝背面也要加以保护，以防止氧、氢、氮等对焊缝及热影响区的污染。上面列出了

14、分析焊接性的几个主要依据，作为分析焊接性时的参考。但是无论从哪个方面进行分析，其结论都是粗略的、近似的，只有通过焊接性试验才能得到准确的结果。4.2.2焊接性试验的内容评定母材焊接性的试验，称为焊接性试验。上一页下一页返回4. 2金属材料焊接性的分析与试验例如，焊接裂纹、接头力学性能和接头腐蚀试验等。由于焊接裂纹是焊接接头中最危险的缺陷，所以用得最多的是焊接裂纹试验。通过焊接性试验，可以用较小的代价达到以下几个目的:第一是选择适用于母材的焊接材料;第二是确定合适的焊接参数，包括焊接电流、焊接速度以及预热温度、层间保温、焊后缓冷及热处理方面的要求;第三是发展和研究新型材料。焊接性试验的内容主要如

15、下。(1)焊接热裂纹试验焊缝金属的热裂纹(主要是结晶裂纹)是焊缝中最常见的严重缺陷，它与焊缝金属的冶金条件有密切关系。上一页下一页返回4. 2金属材料焊接性的分析与试验因此，常以焊缝金属的抗热裂能力作为衡量某些金属材料冶金焊接性的重要标志。(2)焊接冷裂纹试验对一些冷裂纹敏感性较强的材料，焊缝和热影响区的抗冷裂能力则是衡量材料焊接性的重要标准之一。(3)其他裂纹试验焊接再热裂纹和层状撕裂试验。(4)焊接接头的使用性能包括常温、高温力学性能、低温韧性、耐蚀性及产品技术条件中所规定的其他性能要求。上一页下一页返回4. 2金属材料焊接性的分析与试验4.2.3焊接性试验方法分类按照不同目的，主要的焊接

16、性试验可分为以下几类，实际应用时可根据需要选用其中几类。1.对母材进行试验为了保证母材符合产品的技术条件，以确保接头质量，生产中必须对母材进行必要的试验，主要试验内容有:母材化学成分分析。母材力学性能实验，除常规拉伸、弯曲、冲击等力学性能试验外，有时还需根据产品使用条件做低温冲击、疲劳和蠕变试验等。母材断裂韧性试验，目的在于评定焊接结构在使用时的脆断倾向。上一页下一页返回4. 2金属材料焊接性的分析与试验母材缺陷检验，如母材的表面质量、轧制缺陷及内部的分层硫化物、夹杂物等。2.对焊接接头进行试验焊缝金属化学成分分析。焊接接头的力学性能试验，具体试验项目与母材试验相似。试样取自于焊接接头。取样部

17、位及试件尺寸应符合有关规定。焊接接头的断裂韧性试验。焊接接头的抗裂性能试验，这是焊接性试验中最重要的项目之一，抗裂试验可以用来确定母材与焊接材料的裂纹敏感性，达到正确选用母材及焊接材料的目的。上一页下一页返回4. 2金属材料焊接性的分析与试验在生产中，针对一定产品，通过接头的抗裂性能试验，可以制定正确的焊接工艺方案和合理的工艺规范。在科研中，抗裂性能试验是研究各种裂纹机理及影响因素的必要手段。焊接接头的探伤及其他使用性能试验。4.2.4焊接性试验方法的选择在生产和科研工作中，应根据具体情况，遵循下列原则选择和拟定焊接性试验方法。(1)针对性进行焊接性试验时，选用的试验方法应针对实际焊接时的问题

18、，这样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。如，焊接淬硬性倾向大的高强钢时，应选冷裂纹试验。上一页下一页返回4. 2金属材料焊接性的分析与试验(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和可靠性。尽可能选择较成熟的通用试验方法，试验规范参数能确切反映某些因素的作用，试验结果可比性强。(3)经济性在保证试验结果可靠的前提下，力求试验方法简单易行，材料消耗少，易于加工。4.2.5常用焊接性试验方法焊接性试验方法种类很多，因抗裂性能是衡量金属焊接性的主要标志，所以在生产中还是常用焊接裂纹试验来表征材料的焊接性。上一页下一页返回4. 2金属材料焊

19、接性的分析与试验现行的试验方法主要包括斜Y坡口焊接裂纹试验方法(GB4675. 1-1984)、搭接接头焊接裂纹试验方法(GB4675.2-1984)、T形接头焊接裂纹试验方法(GB4675.3-1984)、压板对接焊接裂纹试验方法(GB4675.4-1984)、焊接热影响区最高硬度试验方法(GB4675.5)-1984、插销冷裂纹试验方法(GB9446-1988)、刚性固定对接裂纹试验方法和横向可变拘束试验方法等。1.斜Y坡口焊接裂纹试验这一方法广泛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，其试验规范应服从GB4675.1-1984焊接性试验斜Y坡口焊接裂纹试验方法。上一页下

20、一页返回4. 2金属材料焊接性的分析与试验试件尺寸如图4 -2所示，试验焊缝在坡口中部，两侧为拘束焊缝，试验焊缝的坡口形式如图4 -2中的A -A剖面，拘束焊缝的坡口形式如B-B剖面，试验所用的焊条原则上采用图标中所列并与试验钢材相匹配的焊条。焊条焊前要严格进行烘干，拘束焊缝采用双面焊接。当采用手工焊时，试验焊缝按图4-3所示方法进行焊接;采用焊条自动送进装置焊接时，按图4 -4所示方法进行施焊。试验时，通常以标准焊接参数(焊条直径4 mm ,焊接电流150 A,焊速150 mm/min,电弧电压24 V)在三个试件上重复进行施焊。焊完的试件经48 h时后再做裂纹的检测和解剖。产生的裂纹可分为

21、根部裂纹、表面裂纹、断面裂纹三种形式，如图4 -5所示。上一页下一页返回4. 2金属材料焊接性的分析与试验首先用放大镜目测或磁性荧光粉检查焊缝表面裂纹，然后用机械方法切开六个等长度横向试片，检查五个断面上的裂纹情况。一般用裂纹率作为评定标准。表面裂纹率=根部裂纹率=断面裂纹率=上一页下一页返回4. 2金属材料焊接性的分析与试验式中 表面裂纹长度总和(mm);L试验焊缝长度(mm); 纵断面根郁裂纹长度总和(mm); 横断面裂纹深度总和(mm);H试验焊缝厚度(mm)。由于斜Y坡口焊接裂纹试验接头的拘束度比实际结构大，根部尖角又有应力集中，所以试验条件比较苛刻。一般认为，在这种试验中若裂纹率不超

22、过20%，在实际结构焊接时就不致发生裂纹。上一页下一页返回4. 2金属材料焊接性的分析与试验如果保持焊接参数不变，而采用不同预热温度进行试验，可以测出防止冷裂纹的临界预热温度。另外，也可以将斜Y坡口改为直Y坡口，用来检验焊条的抗裂性能。这种试验方法的优点是，试件易加工，无需特殊装置，试验结果可靠。缺点是试验周期比较长。2.焊接热影区最高硬度试验本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，其试验规范应服从GB4675. 5-1984焊接性试验焊接热影响区最高硬度试验方法。上一页下一页返回4. 2金属材料焊接性的分析与试验焊件尺寸见表4 -2。焊前应去除试件表面的水、油、锈等杂质，焊

23、后在静止的空气中自然冷却，不进行热处理。焊接时试件应被架空，下面留有足够的空间。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:焊条直径4 mm,焊接电流150 A,焊接速度150 mm/min,焊缝位置如图4-6。最高硬度试验的评定标准，最早W提出当HVmax350HV时，即表示钢材的焊接性恶化。这是以不允许热影响区出现马氏体为依据。近年来大量实践证明，对不同钢种，不同工艺条件下上述统一的标准是不够科学的。上一页下一页返回4. 2金属材料焊接性的分析与试验因为，首先焊接性除与钢的成分组织有关外，还受应力状态、含氢量等因素的影响;其次，对低碳低合金钢来说，即使热影响区有一定量的马氏

24、体组织存在，仍然具有较高的韧性及塑性。因此，对不同强度等级和不同含碳量的钢种，应确定出不同的HVmax许可值。3.插销试验插销试验是使用插销试验机评定焊接冷裂纹敏感性的一种试验方法，它是由法国巴黎焊接研究所设计提出的，也可用于研究消除应力裂纹和层状撕裂的敏感性。上一页下一页返回4. 2金属材料焊接性的分析与试验插销试验的试件为直径8mm的圆棒(即插销)，用被插材料制造如图4-7(a) 。为模拟实际焊接接头的应力集中，在试件上开一缺口，缺口的形式为首尾相接的环形或首尾有一定距离的螺旋形。缺口的位置依焊接线能量而定。试验时，首先将试件插入加工后的底板上的孔内，底板的尺寸与孔的位置见图4-7(b)，

25、底板材料可与试件不同。装配时要求试件端面与底板表面取齐，下端与加载夹头连接，缺口与端面的距离a根据实际焊接条件调节，以保证施焊后缺口尖端位于熔合区附近的粗晶区内，即最易产生冷裂纹的位置。上一页下一页返回4. 2金属材料焊接性的分析与试验装配好后，在底板上经试件上端熔敷一条直焊道，并使其通过插销中心，此时插销与焊缝熔为一体如图4-7(c) 。 焊后缺口附近冷却至150100时，对插销加轴向载荷F，并保持到试件断裂。逐渐减小载荷F重复试验，直到试件经16 h而不断裂，此时的应力称为临界应力。由于插销试验是在专用设备上进行的，设有测定载荷、温度及时间的装置。因此，可以变换载荷绘制出延迟断裂时间与应力的关系曲线，也可以测出一定材料在扩散氢不同的条件下的临界应力值，因而可以定量地评定金属对冷裂纹的敏感性。临界应力越小的材料，其裂纹敏感性越强。上一页下一页返回4. 2金属材料焊接性的分析与试验插销试验法具有以下优点。试件尺寸小，底板与插销材料又不必完全相同，而且底板可重复使用，节约材料。改变焊接线能量及底板厚度，即可得到不同的冷却速度。因插销尺寸小，故可从试验材料的任意方向取样，也可以从焊缝中取样来研究焊缝金属的裂纹敏感性。插销试验法主要缺点是，环形缺口往往不可能整个圆周都恰好处于相同的温度下，从而影响试验结果的准确性，数据分散，再现性差。 4.十字接头裂纹试