石油大学金属焊接复习资料

焊接冶金机电工程学院材料系几个概念：

母材金属；填充金属；熔敷金属；焊缝；熔合比熔化焊时，伴随着金属熔化、凝固、固态相变以及形成接头等过程，焊接区内的熔化的金属、熔渣与气体三者间所进行的一系列化学反应过程以及金属的结晶相变过程焊接化学冶金焊接物理冶金焊接冶金2.1焊接化学冶金

的任务与特点一、定义焊接化学冶金熔焊过程中，焊接区内各种物质之间在高温下相互作用的过程，主要研究在各种焊接工艺条件下，冶金反应和焊缝金属成分、性能之间的关系及其变化规律。化学冶金任务二、任务防止或减少有害杂质侵入减少合金元素烧损对熔化金属进行冶金处理三、特点分区连续进行熔滴反应区熔池反应区药皮反应区水分的蒸发物质的分解合金的氧化有机物分解矿物的分解气体高度分解氮氢激烈溶解增氧与渗合金金属的蒸发去氢反应温度高搅拌强烈

反应时间极短冶金反应剧烈反应物接触面积大平均温度低比表面积小温度分布极不均匀反应时间稍长搅拌不太激烈2.2焊缝金属中

的气体杂质气体焊接材料氢气气体来源气体成分气体介质油污、铁锈等金属和熔渣蒸汽氮气氧气金属和熔渣蒸汽CO2、CO、H2O气体来源在金属中的溶解存在形式对焊接的影响控制措施一、氢气气体来源在金属中的溶解存在形式对焊接的影响控制措施主要内容焊材中的水分药皮中的有机物油污、铁锈等电弧周围空气中的水分氢的来源氢的溶解存在形式扩散氢残余氢总氢量氢脆氢气孔冷裂纹氢的影响永久现象机理钢在室温下塑性严重下降焊缝拉伸或弯曲试件断面上出现的光亮圆形斑点拉伸

位错运动、堆积

空腔

H扩散

聚集空腔

H+H→H2

压力

变脆氢的诱捕理论氢白点暂态限防脱控制措施限制来源工艺措施冶金措施脱氢处理电压电流电源种类及极性焊速提高气相氧化性加微量稀土元素氟化物除氢二、氮气气体来源在金属中的溶解存在形式对焊接的影响控制措施主要内容氮的来源焊接周围的空气氮在金属中的存在形式氮原子NO氮离子氮的溶解氮的影响机械性能氮气孔时效脆化限防控制措施限制来源工艺措施冶金措施采用短弧焊增大焊接电流采用直流反接增加碳含量加与氮亲和力大的合金元素三、氧气气体来源在金属中的溶解存在形式对焊接的影响控制措施主要内容CO2O2H2O氧的来源药皮中的碳酸盐弧气周围的空气药皮中的高价氧化物药皮中含水物质及铁锈保护气或空气中的水分弧气中的氧化性气体氧的溶解及存在形式原子氧FeO总氧量降低焊缝的力学性能增加焊缝的冷脆与热脆敏感性降低焊缝导电性、导磁性、耐蚀性等使合金元素烧损，造成飞溅和气孔氧的影响控制措施限制氧的来源工艺措施冶金措施－脱氧剂二、硫、磷的作用与控制硫的影响存在形式硫的危害控制措施MnSFeS低熔共晶降低韧性限制来源冶金脱硫元素脱硫稀土脱硫熔渣脱硫磷的影响存在形式磷的危害控制措施Fe3PFe2P低熔共晶冷脆性↑限制来源冶金脱磷2.4焊缝金属化学

成分的控制

成分控制氧化与还原硫、磷的作用和控制焊缝金属的合金化一、氧化与还原氧化途径氧化性气体活性熔渣焊件表面氧化物CO2O2H2O置换氧化扩散氧化L=(FeO)/[FeO]扩散定律脱氧亲和力先期脱氧脱氧措施-脱氧剂脱氧方式脱氧产物焊缝成分、性能工艺性能扩散脱氧沉淀脱氧成本脱氧方式沉淀脱氧扩散脱氧先期脱氧药皮反应区固态药皮中的脱氧剂与药皮组成物分解的O2和CO2之间的反应脱氧过程和脱氧产物与熔滴不发生直接关系部位过程特点先期脱氧扩散脱氧沉淀脱氧扩散脱氧液态金属与熔渣界面部位特点以分配定律为理论基础不会因脱氧而造成夹杂不是脱氧主要途径部位过程特点置换脱氧熔滴和熔池内溶于液态金属中的脱氧剂和[FeO]反应，把铁还原，且要求脱氧产物浮入渣中碳脱氧锰脱氧硅脱氧硅锰联合脱氧最主要的脱氧方式二、硫、磷的作用与控制二、硫、磷的作用与控制硫的影响存在形式硫的危害控制措施MnSFeS低熔共晶降低韧性限制来源冶金脱硫元素脱硫稀土脱硫熔渣脱硫磷的影响存在形式磷的危害控制措施Fe3PFe2P低熔共晶冷脆性↑限制来源冶金脱磷三、焊缝金属的合金化目的方式把需要的合金元素通过焊接材料过渡到焊缝金属中的过程补偿损失消失缺陷改善组织提高性能获特殊性能合金焊丝药芯焊丝合金药皮合金粉末烧结焊剂置换脱氧合金过渡系数定义2.5焊缝中的

气孔与夹杂

一、作用机械保护作用冶金处理作用改善工艺性能二、组成三、碱度B1大于1时为碱性渣，小于1时为酸性渣，等于1时为中性渣

B1大于1.5时为碱性渣，小于1.0时为酸性渣，1～1.5时为中性渣

四、其他性质熔渣的粘度表面张力密度线膨胀系数熔化性一、焊缝中的气孔致密性溶解度突降气孔的危害气孔的类型减小有效截面积应力集中塑韧性下降不溶于金属的气体疲劳强度下降氢、氮CO、H2O等多出现在焊缝表面溶解度突降形貌产生原因断面如螺钉表面呈喇叭口形内壁光滑内部—小圆球状氢气孔`溶解度突降产生原因多出现在焊缝表面形貌和蜂窝相似多数成堆出现氮气孔产生原因形貌冶金反应产生CO出现在焊缝内部沿结晶方向分布形状像虫子CO2气孔二、焊缝中的夹杂夹杂物分类控制措施存在形式危害氧化物硅酸盐形式片状连续分布，热裂纹Fe4N氮化物硫化物MnS、FeS塑、韧性急剧下降低熔共晶，热裂纹正确选择焊条、焊剂的渣系选用合适的焊接规范，并摆动焊条多层焊时注意清渣，尽量采用短弧焊2.6焊接接头的

组织与性能

焊接接头焊接部位的总称。焊接接头示意图1-焊缝；2-熔合区；3-HAZ；4-母材一、焊接熔池凝固的特殊性

特殊性熔池体积小、冷却速度快熔池中的金属处于过热状态熔池是在运动状态下结晶二、焊接熔池凝固的特点

特点联生结晶择优生长偏向晶与定向晶三、焊缝的凝固偏析

凝固偏析枝晶偏析区域偏析层间偏析改善措施工艺措施冶金措施提高冷却速度采用多层焊振动结晶加入变质剂加入能够细化晶粒的元素四、改善凝固组织的措施

低碳钢二次组织改善措施控制冷却速度采用多层焊焊后热处理五、焊缝金属的固态相变F+PW低合金钢二次组织改善措施锤击焊缝表面采用多层焊焊后热处理BMF：块、板、针、条P跟踪回火六、焊接热循环

1、定义在焊接热源作用下，焊件上某点温度随时间的变化过程。温度场2、焊接热循环的特征参数峰值温度Tp冷却速度t8/5冷却速度t8/3高温停留时间加热速度影响因素接头的尺寸与形状焊件尺寸焊道长度E＝36UI／VT0多层多道焊3、影响焊接热循环的因素七、HAZ的组织与性能

1、HAZ固态相变特点相变特点加热速度快高温停留时间短自然条件下连续冷却加热温度高局部加热2、HAZ的组织与性能不易淬火钢易淬火钢易淬火钢焊前热处理状态对热影响区硬度的影响

焊接方法机电工程学院材料系

手工焊条电弧焊埋弧自动焊钨极氩弧焊熔化极氩弧焊二氧化碳气保焊主要内容主要掌握要点特点优点缺点适用范围热源特点保护方法焊接材料3.1

手工焊条电弧焊电弧药皮焊芯一、特征热源保护方式填充金属二、焊条18881889－90189019001907发展俄罗斯人H.г.Cлавянов发明金属极电弧焊美国人C.L.Coffin首次用光焊丝作电极进行了电弧焊接C.L.Coffin提出了在氧化介质中进行焊接的概念英国人Strohmyer发明了薄皮涂料焊条瑞典人O.Kjellberg

完善了厚药皮焊条于6月29日获得专利（瑞典专利号27152）1926瑞典人奥斯卡.克杰尔贝格建立ESAB公司OK焊条厂(世界第一个)

1904美国A.O.Smith公司率先介绍了在电弧焊接用金属电极外使用挤压方式涂上起保护作用的固体药皮（即手工电弧焊焊条）的制作方法电极填充金属焊芯药皮添加合金元素1.组成作用焊芯药皮机械保护作用冶金处理作用改善工艺性能二、焊条2.焊条型号及牌号

部标型号（按化学成分分类）牌号（按用途分类）国家标准号名称代号类别名称代号字母汉字GB5117-1985碳钢焊条E一结构钢焊条J结GB5118-1985低合金钢焊条E一结构钢焊条J结二钼和铬钼耐热钢焊条R热三低温钢焊条W温GB983-1985不锈钢焊条E四不锈钢焊条G铬A奥GB984-1985堆焊焊条ED五堆焊焊条D堆GB10044-1988铸铁焊条EZ六铸铁焊条Z铸七镍及镍合金焊条Ni镍GB3670-1983铜及铜合金焊条条Tcu八铜及铜合金焊条T铜GB3669-1983铝及铝合金焊条TAL九铝及铝合金焊条L铝十特殊用途焊条TS特表示焊条适用于全位置焊接熔敷金属抗拉强度的最小值为43Kfg/mm2表示焊条Electrode药皮类型为低氢钠型，可采用直流反接适用的焊接位置熔敷金属抗拉强度的最低保证值Kfg/mm2焊条Electrode焊条型号药皮类型及电流种类E××

×

×E43

1

5熔敷金属抗拉强度的最小值为50Kfg/mm2结构钢焊条药皮类型为低氢钠型，可采用直流反接焊条牌号J50

7

三、优、缺点操作灵活设备简单手工焊条电弧焊应用范围广缺点焊接质量不稳定生产效率低劳动条件差优点3.2埋弧自动焊19301935发展前苏联的罗比诺夫发明使用焊丝和焊剂的埋弧焊美国的LindeAirProducts公司完善了埋弧焊技术电弧焊剂焊丝一、特征热源保护方式填充金属二、焊剂1.作用机械保护作用冶金处理作用改善工艺性能2.分类不能加脱氧剂熔炼焊剂

烧结焊剂

不能加合金剂抗气孔能力弱可以，脱氧充分可以，合金化强抗气孔能力强对焊接参数不敏感吸湿性小抗气孔能力弱对焊接参数敏感吸湿性大生产成本低、效率高表示拉伸试样和冲击试样的状态表示焊缝金属冲击值不小于3.5kg.f.m/cm3时的最低试验温度焊丝牌号表示焊缝金属拉伸力学性能表示埋弧焊用焊剂焊剂型号HJ×1

×2

×3-H×××三、熔渣1.作用机械保护作用冶金处理作用改善工艺性能2.组成ïïïîïïïíìîíìïþïýüïîïíì氟化物冶金反应造渣作用、、中性氧化物：、、碱性氧化物：、、酸性氧化物：氧化物盐类熔渣323232OCrOFeOAlCaOONaOKOBTiOSiO2232222.分类合金元素符号及其含量其他元素A:优质S、P≤0.03％E:高级优质表示含碳量表示实心焊丝实芯焊丝牌

号H××

×……×生产率高，飞溅少，焊缝成形美观方便调节合金成分缺点：烟尘量高易于实现自动化有渣的保护和冶金作用

药芯焊丝的特点四、焊丝1.作用电极填充金属添加合金元素2.分类合金元素符号及其含量其他元素A:优质S、P≤0.03％E:高级优质表示含碳量表示实心焊丝实芯焊丝牌

号H××

×……×生产率高，飞溅少，焊缝成形美观方便调节合金成分缺点：烟尘量高易于实现自动化有渣的保护和冶金作用

药芯焊丝的特点五、优、缺点生产效率高节省金属和电能埋弧自动焊有风时的保护效果好焊接质量好劳动条件好优点主要适用于水平位置焊接只适于长焊缝的焊接不适合薄板焊接难以焊接铝、钛等金属容易焊偏埋弧自动焊缺点六、焊接电弧自动调节原理1.外界干扰焊件不平装配不良定位焊点弧长波动电网电压波动外特性变化2.调节原理电弧自身调节系统电弧电压反馈自动调节系统等速送丝Vf＝Vm变速送丝陡降外特性1.焊前准备七、焊接工艺特点接头形式坡口加工焊前清理装配2.埋弧焊工艺►单面焊双面成形悬空焊►平板双面对焊焊剂垫法临时工艺垫板法手弧焊封底法3.焊接参数对焊缝成形的影响►焊接电压►焊接电流ForehandVerticalBackhand►焊丝倾角►焊丝直径►极性►焊丝干伸长八、窄间隙埋弧焊1.发展2.优点3.缺点3.3钨极氩弧焊钨极氩弧氩气焊丝一、特征热源保护方式填充金属二、钨极氩弧特点1.分类交流钨极氩弧直流钨极氩弧正接反接2.直流钨极氩弧特点钨极产热少许用焊接电流大一般采用产热量大熔深大生产率高电子发射能力强电弧稳定

正接钨极产热大易过热许用焊接电流小“阴极破碎”作用(Al、Mg)产热小熔池窄宽生产率低电子发射困难稳定性差

反接电弧燃烧稳定3.交流钨极氩弧特点UtItU0UII直钨极焊件-+钨极焊件-+钨极焊件+-钨极焊件+-问题直流分量电流过零点的引弧和稳弧问题解决措施串入反极性电池串入隔直电容高频振荡器稳弧高压脉冲引弧串入反极性电池三、电极1.电极材料的要求耐高温电流容量大引弧和稳弧性好2.端部形状氩弧燃烧稳定焊接质量高适合薄板焊接熔池金属冶金反应简单适合打底焊四、优、缺点钨极氩弧焊缺点优点钨极承载电流能力差熔深浅，生产率低生产成本高3.4熔化极氩弧焊熔化极氩弧氩气焊丝一、特征热源保护方式填充金属二、熔滴过渡1、定义在电弧热作用下，焊丝或焊条端部的熔化金属形成熔滴，受到各种力的作用，从焊丝端部脱离并过渡到熔池的全过程。2、影响熔滴过渡的力重力表面张力电磁力等离子流力斑点压力3、熔滴过渡的形式射流过渡过渡形式滴状过渡短路过渡短路过渡U较小形成条件I较小形成原因焊接特点过渡频率高电弧稳定飞溅少熔深浅成形美观有效热小熔池面积小温度低不易烧穿适合薄件形成原因射流过渡焊接特点形成条件U较高I较大直流反接Ar或富Ar熔滴很小过渡频率高电弧稳定飞溅少焊缝成形好轴向性好适合全位置焊适合厚大件形成原因滴状过渡U较高I较小形成条件焊接特点过渡频率低电弧不稳熔深浅焊缝成形差只适合平焊4、MIG(MAG)的熔滴过渡特点中、厚板的水平对接和角接阴极破碎能力强，广泛用于焊铝及其合金短路过渡亚射流过渡射流过渡电弧稳定飞溅小成形美观保护效果好亚射流过渡形成条件形成原因焊接特点I较大U较低（略高于短路时的电压）先缩颈后短路电弧稳定飞溅小成形美观保护效果好劳动生产率高，成本低于TIG直流反接有良好阴极破碎作用几乎可焊所有金属冶金过程简单尤其适合Al、Cu及其合金三、优、缺点熔化极氩弧焊特点对油污、铁锈等较为敏感3.5CO2气体保护焊电弧CO2焊丝一、特征热源保护方式填充金属适用范围广抗锈能力强生产效率高，节省能源二、优、缺点CO2

气保焊优点焊接变形小焊接成本低缺点焊缝成形差电弧气氛氧化性强飞溅大三、需克服的问题气孔问题CO气孔H2气孔产生原因主要产生原因一般无产生原因电弧冲击N2气孔氧化问题合金元素氧化脱氧措施Si、Mn联合脱氧三、需克服的问题减小措施正确选择工艺参数采用混合气（+Ar）串联电抗、电阻增大电源变压器阻抗采用直流反接利用电源控制电弧和熔滴飞溅问题气体膨胀电弧冲击力产生原因四、熔滴过渡形式短路过渡电流电压较小焊丝直径0.6-1.4mm焊接速度适当气体流量适当干伸长适当电源极性一般：直流反接堆焊：直流正接较大1.6-3mm40-60m/h比短路高中厚板水平位置焊适用场合干伸长适当电流电压焊丝直径焊接速度气体流量潜弧射滴过渡五、焊接设备焊接方法的选择

合理选择焊接方法，应考虑的因素：１．材料的焊接性，低碳钢可采用各种焊接方法。２．焊件的结构特点；如焊缝的长短、形状，焊件厚度等。３．生产批量：批量小：用设备投资少的方法，如焊条电弧焊等；批量大：用高效焊接方法，如埋弧焊等。４．经济性，优先选用普通焊接方法。如电弧焊、电阻焊等。焊接应力与变形机电工程学院材料系几个概念：内应力残余应力温度应力（热应力）组织应力焊接瞬时应力和瞬时变形焊接残余应力和残余变形自由变形率、外观变形率和内部变形率自由变形率外观变形率内部变形率

金属杆件的变形

4.1

焊接应力和变

形产生的原因一、平板中心加热时的纵向应力和变形平面假设原理当构件受纵向力或弯矩作用而变形时，在构件中的平截面始终保持是平面+

-

+

塑性变形+

-

-

二、平板对接焊时的纵向应力与变形1、纵向应力与变形的产生02004006008001000℃

s50403020100钛合金低碳钢铝合金T<500℃T>600℃500℃~600℃T,εT,εe600500T,εT+

-

+

-

塑性区弹性区+

-

+

-

+

-

-

0

S0

S影响因素2、影响纵向变形的因素构件的长度构件的截面积塑性区的大小三、平板对接焊时的横向应力与变形1、横向变形（收缩）（1）产生原因有间隙无间隙（2）影响因素影响因素单道焊多道焊E坡口形式焊焊缝截面积2、横向应力（1）纵向收缩引起+

-

-

ε++

-

+-

-

（2）焊接不同时性引起-

+++-

-

四、厚板的残余应力4.2焊接残余变形一、残余变形的分类1、纵向与横向收缩变形

2、波浪变形与角变形

角变形

波浪变形角变形引起的波浪变形

3、弯曲变形

4、错边变形

5、扭曲变形

二、残余变形的预防措施1结构设计方面尽量减少不必要的焊缝选择合理的焊缝尺寸和形式合理布置焊缝－尽量对称布置提高结构刚性2工艺方面加收缩余量反变形法合理选择焊接方法和线能量强迫冷却法选择合理的焊接顺序选用合理的装配焊接顺序刚性固定法锤击焊缝三、矫正焊接变形的方法矫正方法机械矫正火焰矫正外力法碾压点状加热线状加热三角形加热三角形加热

2工艺方面加收缩余量反变形法合理选择焊接方法和线能量强迫冷却法选择合理的焊接顺序选用合理的装配焊接顺序刚性固定法锤击焊缝三、矫正焊接变形的方法矫正方法机械矫正火焰矫正外力法碾压点状加热线状加热三角形加热三角形加热

4.3焊接残余应力一、相变应力取决于金属的塑变温度二、残余应力的危害性危害静载强度焊接裂纹外载作用下平板中应力的变化a）塑性好的材料；b）脆性材料二、平板对接焊时的纵向应力与变形1、纵向应力与变形的产生三、减小残余应力的措施1结构设计方面焊缝尽量不要交叉、密集开缓和槽避免将焊缝安排在受力最大处或应力集中处2工艺方面T0采用合理的焊接顺序和焊接方向采用反变形法增加焊缝的自由度加热“减应区”锤击焊缝1.必须消除应力的情况25mm以上的厚焊件壁厚超限的大型受压容器可能产生应力腐蚀的结构四、消除残余应力的措施要求尺寸稳定的结构σS>490MPa的普通低合金钢低温工作的结构2.消除残余应力的方法整体高温回火（去应力退火）机械拉伸温度拉伸局部高温回火四、焊接应力与变形的关系焊接变形和应力总是同时存在的在一定条件下，焊接变形和焊接应力可以互相转化焊接裂纹机电工程学院材料系5.1

焊接热裂纹焊接热裂纹－结晶裂纹

1.

产生温度2.断口特征3.分布特征4.材料5.产生部位一、特征

液态薄膜是产生结晶裂纹的根本原因

拉伸应力是产生结晶裂纹的必要条件二、形成机理－液态薄膜理论三、各阶段产生结晶裂纹的倾向四、产生条件五、影响结晶裂纹产生的因素脆性温度区间大小脆性温度区（TB）内金属的塑性TB内随温度降低变形的增长率六、防止结晶裂纹的措施1、冶金因素方面严格控制母材和焊接材料中的C、S、P含量改善焊缝一次组织细化晶粒双相组织2、工艺因素方面－改善应力状态焊接工艺及规范接头型式采用合理的焊接顺序限制母材杂质进入焊缝5.2

焊接冷裂纹产生温度断口仍有金属光泽裂纹的走向产生的钢种和部位产生时间冷裂纹的一般特征焊接冷裂纹的分类延迟裂纹具有延迟现象决定因素淬硬脆化裂纹低塑性脆化裂纹氢致延迟裂纹决定因素钢种的淬硬倾向扩散氢的含量及分布焊接接头的应力状态一、钢种的淬硬倾向1.原因易形成脆硬组织组织中形成的晶格缺陷多2.影响因素化学成分冷却条件

3.评定用HAZ的Hmax二、氢的作用1.氢在金属中的溶解和扩散αγδ

04812162024120092064036080-200奥氏体钢铁素体钢温度／℃扩散速度×10-5［ml/(cm2•s)］2.氢在致裂过程中动态行为高强钢热影响区延迟裂纹的形成过程TAFTAMF+PMA3.氢致裂纹具有延迟性的原因三向应力区HHHHHHHH2新三向应力区HHHHHHHH2裂纹尖端三、接头的拘束应力1.应力的存在形式

热应力—局部加热、冷却相变应力结构自身的拘束应力（1）拘束度R=Eh/l（2）接头坡口型式拘束应力增加：正Y型、X型、斜Y型、K型、半V型2.接头拘束应力的影响因素钢种淬硬之后，受氢的诱发，促使脆化，在拘束应力作用下形成裂纹四、冷裂形成机理五、冷裂判据临界拘束应力σcrσcr反映了产生延迟裂纹各个因素共同作用的结果σcr值越大抗裂能力越好σcr

>σS

——安全的测定：插销试验总原则避免出现脆硬组织减少焊缝金属中的氢含量减少接头的拘束应力六、防治措施（1）严格控制氢含量焊材焊接方法（2）增韧选用塑性好的焊材加入某些合金元素（3）改进母材化学成分，提高抗裂性能降碳加微量合金元素1.冶金措施（1）预热+小的线能量E大，粗晶脆化E小，淬硬组织（2）焊后热处理脱氢处理：350℃×1h2.工艺措施5.3

再热裂纹热裂纹产生部位：近缝区的粗晶区产生再热裂纹具有敏感的温度范围有较大的内应力存在及应力集中部位易产生再热裂纹易产生在具有沉淀强化作用的钢材中一、再热裂纹的特征只发生于含沉淀强化元素的材料受热前，存在较大的残余应力，并有不同程度的应力集中e>ec二、产生条件晶界杂质析集弱化说晶内沉淀强化说三、产生机理预热及后热控制焊接线能量低强焊缝应用消除应力集中源

四、控制措施5.4

层状撕裂产生的部位和形状宏观形状微观形状产生在厚板结构中与母材强度无关，主要与钢中的夹杂量及分布形态有关一般发生在受Z向力大的丁字接头、角接头层状撕裂属于低温开裂

一、特征二、形成机理焊后20min焊后120min焊接Z向应力非金属夹杂物的层状构造母材性能氢的作用三、影响因素控制夹杂物设计和施工工艺上的措施改变接头形式、降低焊接应力；应尽量避免单侧焊缝等应尽量避免承载焊缝预热及后热加软焊道四、防制措施焊接裂纹机电工程学院材料系5.5

应力腐蚀裂纹形貌外观横断面断口材质与介质的匹配残余应力的作用一、特征应力腐蚀裂纹的形成条件三要素：材质、腐蚀介质和临界拉应力应力腐蚀裂纹的形成机理机械破裂应力腐蚀开裂机理二、形成机理结构设计

合理选材

避免高应力区施工制造合理选择焊材合理制定装焊工艺消除应力处理生产管理防蚀处理定期检查、及时补修三、防制措施常见材料的焊接机电工程学院材料系6.1焊接性的概念

缺陷

降低了某些必要的性能一、焊接性的定义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二、评价标准焊缝及HAZ产生裂纹的敏感性如何焊缝及HAZ产生气孔的敏感性如何焊接热循环对HAZ组织结构的影响焊接接头满足规定性能的可能性

——使用焊接性工艺焊接性

定义某种材料在一定焊接条件下，能否获得优质致密、无缺陷焊接接头的能力影响工艺焊接性的因素★材料因素★设计因素★工艺因素★使用因素三、工艺焊接性3.工艺焊接性的分类热焊接性在焊接过程条件下，对HAZ组织性能及产生缺陷的影响程度评定被焊金属对热的敏感性，主要与被焊材质及焊接工艺条件有关冶金焊接性冶金反应对焊缝性能和产生缺陷的影响程度影响焊缝金属化学成分和性能的主要方面四、使用焊接性定义指焊接接头或整体结构满足技术条件所规定的各种使用性能的程度★力学性能★低温韧性★抗脆性断裂性能★高温蠕变★疲劳性能★持久强度★抗腐蚀性能★……6.2金属的

焊接性试验

1、目的评定金属材料的焊接性研制开发新型的焊接材料拟定产品的焊接工艺2、内容焊缝和HAZ抗热裂的能力焊缝和HAZ抗冷裂的能力焊接接头抗脆性转变的能力接头的使用性能3、分类模拟类方法实焊类方法理论计算类方法4、选择原则针对性可靠性经济性一、小铁研试验1、目的评定打底焊缝以及HAZ的冷裂倾向防止冷裂纹的临界预热温度评价指标：裂纹率≤20%，实际构件不发生2、优缺点优点:不需要专用设备在施工现场可以应用缺点:要进行大量的解剖检查

二、插销试验1、目的主要用来考核材料的氢致延迟裂纹敏感性也可用来考核再热裂纹和层状撕裂等的敏感性1—试板；2—支点；3—加压；4—油缸；5—插销试样；6—加载夹头7—加载棒；8—应变片；9—载荷；10—支柱；11—导线插销试样形状、尺寸实例2、优缺点插销试验的优点节省材料（试棒小）热循环接近实际焊接热循环通过调整基体板板厚来调整焊接热循环方便、灵活、实用插销试验的缺点需要专用设备不适合现场用一种模拟方法试验结果σ－断裂时间tF及σcr的关系找出σcr＝σs的施工条件可调节的工艺因素[H]D冷却速度T0、TP填充金属材料3、特点目的主要测定焊缝的热裂敏感性也可测定HAZ的冷裂敏感性三、刚性固定对接裂纹试验四、HAZ最高硬度试验间接判断母材的淬硬倾向和冷裂敏感性五、碳当量方法目的：评价低合金钢冷裂纹敏感性

国际焊接协会推荐Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15美国焊接学会（AWS）推荐Ceq=C+Mn/6+Si/24+Ni/15+Cr/5+Mo/4+(Cu/13+P/2)日本工业标准JIS和西欧标准WES推荐Ceq=C＋Mn/6＋Si/24＋Ni/40＋Cr/5＋Mo/4＋V/14Ceq越小，焊接性越好球罐炸裂失效分析时间：79年12月18日14时许地点：吉林煤气公司液化气厂一台直径9.2m、容积400m3的球罐突然爆裂，由裂缝喷出的液化石油气，遇明火爆炸燃烧，引起附近三个400m3球罐和一个50m3卧式储罐以及25m外仓库中的5000个民用液化气瓶先后爆炸起火。大火燃烧19h，共烧掉液化气超过700t，烧毁机动车15辆以及罐区全部建筑，死亡33人，受伤53人。现场调查和背景调查102＃罐材质：15MnV,15MnVR内径：9.2m设计压力：1.57MPa，经常处较低容量壁厚：h=25mm坡口：X型液化石油气：丙烷、丁烷、杂质(NH3、CO、H2S)环境温度：低断口长度：13米，沿罐环焊缝B板一侧HAZ扩展5米。主裂纹源位置：断口上的人字纹表明，裂纹源位于B4板HAZ。裂纹走向示意图分析项目外观检查焊缝无损探伤母材成分HAZ硬度和金相组织检查分析球罐焊接时的预热温度插销裂纹试验斜Y坡口对接裂纹试验环境影响分析（应力腐蚀）外观检查根据断口特征和断裂力学的估算，该球罐的破裂是属于低应力的脆性断裂，主断裂源在上环焊缝的内壁焊趾上，长约65mm。经宏观及无损检验，上、下环焊缝焊接质量很差，焊缝表面及内部存在很多咬边、错边、裂纹、熔合不良、夹渣及气孔等缺陷。事故发生前在上下环焊缝内壁焊趾的一些部位已存在纵向裂纹，这些裂纹与焊接缺陷（如咬边）有关。球罐投入使用后，从未进行检验，制造、安装中的先天性缺陷未及时发现和消除，使裂纹扩展，当球罐内压力稍有波动便造成低应力脆性断裂。母材成分钢号CMnSipSV15MnV≤0.181.20～1.600.20～0.60≤0.030≤0.0300.04～0.1215MnVR≤0.181.20～1.600.20～0.55≤0.030≤0.0200.04～0.12HAZ最高硬度试验预热温度T0/℃2580180200硬度/HV320297250225实际接头:HV＝297~345实际预热温度<80℃

斜Y坡口对接裂纹试验预热温度80℃不满足要求

插销裂纹试验预热温度80℃不满足要求

常见材料的焊接机电工程学院材料系6.3热轧钢及

正火钢的焊接

合金结构钢的分类

按成份低合金钢：合金元素总量<5%，单一元素≯2%；中合金钢：合金元素总量5-10%，单一元素≯2-5%；高合金钢：合金元素总量>10%，单一元素≮5%按用途强度用钢：合金化的目的是为了提高钢的强度并保证其具有一定的塑性和韧性特殊用钢：合金化的目的是使钢具有某些特殊性能强度用钢热轧及正火钢（非热处理强化钢）低碳调质钢

中碳调质钢

微合金化控轧钢

Ｚ向钢（正火钢）一、热轧钢及正火钢1、热轧钢强化机理：固溶强化屈服强度：294～392MPa级合金系：C-Mn或Mn-Si系主合金化元素：Mn、Mn-Si辅合金化元素：V、Nb，达到细化晶粒和沉淀强化的作用使用状态：热轧状态典型钢种：16Mn组织：细晶铁素体+珠光体2、正火钢强化机理：固溶强化＋沉淀强化或细晶强化屈服强度：为343～490MPa合金系：C-Mn或Mn-Si(V、Nb、Ti、Mo)系主合金化元素：Mn、Mn-Si辅合金化元素：V、Nb、Ti、Mo（碳化物、氮化物元素）热处理状态：正火典型钢种：15MnVN二、焊接性分析钢名CMnSiSPVQ345（16Mn）0.12~0.201.20~1.600.20~0.60≤0.05≤0.05Q420（15MnVN）0.12~0.201.30~1.700.20~0.50≤0.05≤0.050.16~0.25Ceq=C＋Mn/6＋(Cr+Mo+V)/5＋(Ni+Cu)/15(%)

裂纹问题

接头的脆化问题1、对热裂纹的敏感性C↓Mn↑，Mn/S合格，抗热裂性能↑材料成分不合格或严重偏析→局部C、S↑→Mn/S↓→热裂纹↑冶金措施工艺措施2、对冷裂纹的敏感性热轧钢正火钢3、再热裂纹的敏感性热轧钢对再热裂纹不敏感正火钢中有一些含有强碳化物形成元素，但对再热裂纹不敏感正火+回火钢，如18MnMoNb、14MnMoV则有轻微的再热裂纹敏感性4、层状撕裂有可能板厚小于16mm时不容易发生Z向收缩率＞20％，可以避免防止措施5、焊接接头的脆化（1）过热区的脆化奥氏体严重长大难熔质点的溶入形成高碳马氏体热轧钢－正火钢含V、Nb的正火钢－过热区沉淀相固溶，奥氏体晶粒显著长大，产生不利的组织转变；含钛正火钢－过热区的TiN、TiC都向奥氏体内溶入，来不及析出而停留在铁素体中，导致硬、脆（2）热应变脆化现象：熔合区及200-400℃区发生脆化原因：碳、氮原子聚集在位错周围，对位错造成钉扎作用钢种：固溶氮含量较高的低碳钢和强度级别不高的低合金钢消除措施：加入足够量的氮化物形成元素焊后消除应力退火1、焊接材料的选择选择相应强度级别的焊接材料考虑熔合比和冷却速度的影响必须考虑焊后热处理对焊缝力学性能的影响满足焊缝对特殊性能的要求三、焊接工艺特点2、焊接工艺参数的确定（1）焊接线能量对热轧钢[C]↓→E↓，[C]↑→E↑正火钢强度级别较低：线能量↓强度级别更高、碳、合金元素较高：线能量↑；线能量↓＋预热（2）预热防止裂纹和适当改善焊接接头性能（3）焊后热处理C(碳)

Si(硅)P(磷)S(硫)Cr(铬)Ni(镍)Al(铝)Mn(锰)V(钒)Nb(铌)Ti(钛)≤0.20≤0.55≤0.035≤0.035≤0.70≤0.70≤0.151.00~1.700.02~0.200.015~0.060

0.02~0.20Q460化学成分Ceq=0.40%~0.47%

管线钢的焊接CSiMnPSCrMoNiAl0.0550.20021.39710.00170.00190.03180.31840.26360.0173CuNbTiVPbSnAsBiCa0.23730.06790.01510.0400.00090.00380.00390.00940.0015SbBZnNFePcmCeq<0.00100.0006<0.0015<0.000596.790.200.49某钢厂生产的X80管线钢的化学成分（wt%）典型的X100管线钢的化学成分典型的X100管线钢的力学性能

冷裂纹

脆化

HAZ软化防止：E、T0、窄间隙、加合金元素（Nb、V、Ti）焊接性分析长输管线的焊接1、坡口加工管壁不等厚坡口的加工2、组对及定位焊3、预热4、焊接5、焊后热处理6、检验焊缝：外观检查（宽度、余高、缺陷等）射线、超声波探伤6.5低碳调质

钢的焊接低碳调质钢碳含量：在0.09-0.23%，大部分0.16-0.18%强化机理：相变强化（调质处理〕屈服强度：为490MPa～1000MPa合金系：低C、Mn-Ni-Cr-Mo系主合金化元素：Mn、Ni、Cr、Mo辅合金化元素：V、Nb、Ti、B、Cu热处理状态：淬火＋回火，低碳马氏体或下贝氏体，综合机械性能好典型钢种：14MnMoVN、HT60~HT80、HY80～HY130

过热区脆化

HAZ软化裂纹？一、焊接性分析CSiMnPSMoVN0.140.301.410.0120.0250.470.130.01514MnMoVN1.过热区脆化母材的强度越高，软化越显著调质处理的回火温度越低，软化区越宽焊接热