材料成型工艺-金属焊接成形工艺

材料加工工程材料科学与工程学院华中科技大学3.8金属构件的焊接工艺设计2内容提要1)高强度低合金钢的焊接

2)不锈钢的焊接3)铝及铝合金的焊接4)焊接工艺5)焊接接头的设计3第12章金属构件焊接的工艺设计2026/8/113.8.1金属构件常用材料的焊接4一、

高强度低合金钢的焊接高强钢的广泛应用.热轧钢;低碳调质钢;中碳调质钢;优良的综合力学性能.焊接过程对高强钢性能的影响.5第12章

金属构件焊接的工艺设计2026/8/11断裂韧性降低,焊接接头局部脆化.粗晶脆化,再热脆化6第12章

金属构件焊接的工艺设计2026/8/111.1低合金高强钢的焊接性金属焊接性是指金属材料是否具有适应焊接加工，以及在焊接加工后是否能在使用条件下安全运行的能力。两方面的内容：

结合性能；

例：低碳钢与铸铁

使用性能；

例：不锈钢7第12章

金属构件焊接的工艺设计2026/8/111.1.1影响材料焊接性的因素（一）材料因素材料本身的化学成分、组织状态和力学性能（二）工艺因素焊接方法和焊接工艺规程（三）结构因素刚度、拘束应力（四）使用条件承受载荷的性质和工作温度的高低、工作介质的腐蚀性8第12章

金属构件焊接的工艺设计2026/8/111.1.2

焊接性的评定

1)

根据被评定材料的有关数据或图表(如化学成分、化学性能、物理性能、CCT图或SHCCT图等)对其焊接性进行初步分析。对于生产单位，分析要结合产品的结构形式与具体的生产条件。

2)在上述分析的基础上，还必须进行焊接性试验。按照试验性质的不同，焊接性实验又可分为实焊性试验与模拟性试验两类。9第12章

金属构件焊接的工艺设计2026/8/111.1.3

分析金属焊接性的方法一、利用化学成分分析1.碳当量法2.焊接冷裂纹敏感指数(Pc)二、利用CCT图分析临界冷却时间、冷却速度与组织三、利用材料的物理性能分析金属的熔点、导热系数、密度、线胀系数、热容量等因素、都对热循环、熔化、结晶、相变等过程产生影响10第12章

金属构件焊接的工艺设计2026/8/11四、利用材料的化学性能分析铝、钛合金与氧的亲和力较强，在焊接高温下极易氧化因而需要采取较可靠的保护方法，如：惰性气体保护焊，真空中焊接等五、利用合金相图分析主要是分析热裂纹倾向。依照成分范围，查找相图，可知道结晶范围，脆性温度区间的大小，是否形成低熔点共晶物，形成何组织等11第12章

金属构件焊接的工艺设计2026/8/11六、从焊接工艺条件分析焊接性热源特点各种焊接方法所采用的热源在功率、能量密度、最高加热温度等方面有很大的差别，使金属在不同工艺条件下焊接时显示出不同的焊接性电渣焊：功率很大，能量密度很低，最高加热温度也不高，加热缓慢，高温停留时间长，焊接热影响区晶粒粗大，冲击韧度下降。电子束焊、激光焊：功率小、能量密度高、加热迅速、高温停留时间短、热影响区窄、没有晶粒长大危险，但冷速快。保护方法保护方法是否恰当也会影响金属焊接性的效果。12第12章

金属构件焊接的工艺设计2026/8/11六、从焊接工艺条件分析焊接性热循环的控制正确选择焊接工艺规范控制焊接热循环预热、缓冷、层间温度改变焊接性其它工艺因素彻底清理坡口及其附近焊接材料处理、烘干、除锈、保护气体要提纯、去杂质后使用合理安排焊接顺序正确制定焊接规范13第12章

金属构件焊接的工艺设计2026/8/111．

国际焊接学会（IIW）推荐的公式为：

Ceq=C+Mn/6+(Ni+Cu)/15+(Cr+Mo+V)/5(%)

适用于中、高强度的低合金非调质钢。

♣

Ceq<0.4%时，钢材的淬硬性不大，焊接性良好；

♣

Ceq=0.4%~0.6%时，钢材易于淬硬，焊接时需要预热才能防止冷裂纹；

♣

Ceq>0.6%时，钢材的淬硬倾向大，焊接性差。14第12章

金属构件焊接的工艺设计2026/8/11Ceq值作为评定冷裂敏感性指标，只涉及钢材本身，并未考虑其他一些因素，如接头拘束度、扩散氢等的影响，因此，不能准确反映实际构件的冷裂纹倾向。15第12章

金属构件焊接的工艺设计2026/8/112.冷裂纹敏感指数（Pc）

Pc公式综合考虑了产生冷裂纹三要素(淬硬倾向、拘束度和扩散氢含量)的影响，使计算结果更准确，Pc公式如下：Pc=Pcm+[H]/60+δ/600(%)

Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B(%)

式中Pcm—化学成分的冷裂敏感指数；δ—板厚（mm）；

[H]—焊缝中扩散氢含量（mL/100g）此式适用条件：

C：0.07%~0.12%；Si≦0.60%；Mn：0.4%~1.40%；

Cu≦0.5%；Ni≦1.20%；;Cr≦1.20%；Mo≦0.70%；V≦0.12%；Nb≦0.04%；Ti≦0.05%；B≦0.005%；δ=19~50mm；H=1.0~5.0mL/100g(GB3695—83测氢法)16第12章

金属构件焊接的工艺设计2026/8/11HSLA的焊接性

焊接问题:凝固裂纹

冷裂纹

HAZ脆化HAZ软化17第12章

金属构件焊接的工艺设计2026/8/112026/8/11第12章

金属构件焊接的工艺设计18/84延迟裂纹2026/8/11第12章

金属构件焊接的工艺设计19/84solidificationcracking可焊性较好;适应各种焊接方法Shieldedmetalarcwelding(SMAW),orManualarcweldingSubmergedarcwelding(SAW)Carbon-dioxidearcweldingElectron-slagwelding,etc.主要有两类问题：1）冶金缺陷：裂纹2）性能变化：脆化1.2.1

热轧、正火钢的焊接性分析1.2

热轧、正火钢的焊接20第12章

金属构件焊接的工艺设计2026/8/11冷裂纹：是这类钢的主要问题。

焊接过程中是否形成对氢敏感的淬硬组织是评定材料焊接性的重要指标。钢材的化学成分、淬硬倾向和冷裂倾向三者之间存在密切联系，这是分析问题的出发点。第12章

金属构件焊接的工艺设计21第12章

金属构件焊接的工艺设计2026/8/11A.淬硬倾向与冷裂倾向的关系热轧钢：第12章

金属构件焊接的工艺设计22第12章

金属构件焊接的工艺设计2026/8/112026/8/11第12章

金属构件焊接的工艺设计23/842026/8/11第12章

金属构件焊接的工艺设计24/84母材3#4#6#7#12#25第12章

金属构件焊接的工艺设计2026/8/112026/8/11第12章

金属构件焊接的工艺设计26/847#11#母材1#3#4#正火钢：15MnVN第12章

金属构件焊接的工艺设计27第12章

金属构件焊接的工艺设计2026/8/1118MnMoNb28第12章

金属构件焊接的工艺设计2026/8/11B.碳当量与冷裂倾向的关系

一般认为：CE0.4%时，基本无淬硬现象，与低碳钢相同；s=294—392MPa的热轧钢属此。16Mn,14MnNb.CE=0.4—0.6%时，钢的淬硬性增加，属于有淬硬倾向的钢，s=441—490MPa的正火钢属此。CE不超过0.5%时，焊接性尚可，随板厚增加，要采用预热措施。15MnVN,CE>0.5%时，淬硬性增加，冷裂倾向增加，就需采用严格的工艺措施。18MnMoNb29第12章

金属构件焊接的工艺设计2026/8/11C.HAZ最高硬度值与冷裂倾向的关系HmaxHV350.序号预热温度(℃)最高硬度(HV)斜Y型坡口试验裂纹率%表面断面1室温38419702503750433100329016.84130--0030第12章

金属构件焊接的工艺设计2026/8/111.2.2HAZ的性能变化1.过热区脆化

1200C—熔点区域，A显著长大，难熔质点熔入（C，N化物）；冷却后，易形成魏氏体、粗大马氏体以及塑性很低的混合组织。过热区的韧性与线能量、化学成分有很大的关系。第12章

金属构件焊接的工艺设计31第12章金属连接成形的主要工艺热轧钢：线能量过大，粗晶区将晶粒严重长大或出现魏氏组织，降低韧性；线能量过小，粗晶区M比例增大而降低韧性。正火钢：粗晶区组织受焊接热输入的影响更为显著，Nb,V微合金化的14MnNb、Q420等在热输入过大时，粗晶区的Nb(C,N)、V(C,N)析出将固熔于A中，失去组织细化作用，粗晶区将产生粗大的粒状贝氏体、上贝氏体使韧性降低，还会在不完全相变区形成M-A组元，使其脆化。第12章

金属构件焊接的工艺设计32第12章金属连接成形的主要工艺2026/8/11第12章

金属构件焊接的工艺设计33/8420#魏氏组织2026/8/11第12章

金属构件焊接的工艺设计34/8420#魏氏组织35第12章金属连接成形的主要工艺16Mn过热区魏氏组织36第12章金属连接成形的主要工艺2.热应变脆化37第12章金属连接成形的主要工艺1.2.3热轧及正火钢的焊接工艺特点

焊接材料的选择按强度选择焊接材料，而不是按化学成分选择材料；要考虑熔合比和冷却速度；必须考虑焊后热处理对焊缝机械性能的影响；38第12章金属连接成形的主要工艺2026/8/1139/842.焊接工艺参数的确定（1）焊接线能量16Mn;15MnVN;18MnMoNb(2)预热a.与材料的淬硬现象有关；b.与焊接时的冷速有关；c.与拘束度有关；d.与焊后是否热处理有关第12章金属连接成形的主要工艺2026/8/11第12章

金属构件焊接的工艺设计40/84（3）焊接后热及焊后热处理

a.焊接后热及消氢处理

b.焊后热处理

c.消除应力处理低碳调质钢焊接性主要问题是冷裂纹、热影响区组织脆化及软化。1.3低碳调质钢的焊接41第12章金属连接成形的主要工艺1.3.1低碳调质钢的焊接性分析1）焊缝中的热裂纹含C量低，S、P杂质控制很严。2）HAZ液化裂纹关键是控制C和S，保证高的Mn/S比，在高Ni时，更应如此。TFeS=1190CT(

FeS-r)共晶=913CTFe3P=1160CT(

Fe3P-r)共晶=1050CT(

Ni3S2)=644CT(Ni3S2-Ni)共晶=880CT(

Ni3Si)=1150C

工艺因素对液化裂纹也有重要作用，如线能量。42第12章金属连接成形的主要工艺3）冷裂纹Ms点很高，若冷速较慢，则有自回火作用，可以避免冷裂(下图为T-1钢)。43第12章金属连接成形的主要工艺HT8044第12章金属连接成形的主要工艺4）再热裂纹

为加强淬透性和抗回火性加入一些合金元素中，大多是能引起再热裂纹的元素，如：Cr、Mo、Cu、V、Nb、Ti、B、V的影响最大，Mo次之，V和Mo同时加入时就更为严重。一般认为：Cr-Mo-V钢，Cr-Ni-Mo钢，Cr-Ni-Mo-V钢，Ni-Mo-V钢对再热裂纹敏感。如：HT80，14MnMoNbB等。650

C的焊后回火要注意。45第12章金属连接成形的主要工艺2026/8/11第12章

金属构件焊接的工艺设计46/845）HAZ的性能变化

A.过热区脆化

与t8/5以及获得的组织有关和晶粒尺寸有关。47第12章金属连接成形的主要工艺B.HAZ的软化是焊接低碳调质钢的普遍问题，强度越高，软化越严重，软化程度和软化区的宽度与焊接工艺有关。48第12章金属连接成形的主要工艺1.3.2低碳调质钢的焊接工艺特点1.焊接工艺方法和焊接材料的选择焊后不再进行热处理时，必须尽量限制焊接过程中热量对母材的作用。

s980N/mm2,必须采用钨极氩弧焊、电子束焊；

s980N/mm2，手工焊，埋弧焊，氩弧焊等都可采用，焊接材料按等强原则选用，刚性很大时，可采用低强原则。49第12章金属连接成形的主要工艺2.焊接工艺参数的选择50第12章金属连接成形的主要工艺1.4中碳调质钢的焊接在退火状态下进行焊接，焊接接头的性能靠焊后调质处理来保证。焊接过程主要防止裂纹，焊后要及时进行消除应力的退火处理，焊前也需要预热和保温处理。焊接材料的选择要保证调质热处理的强度要求。51第12章金属连接成形的主要工艺2.不锈钢的焊接铁素体不锈钢的焊接问题:焊缝和HAZ的晶粒长大,

脆性和韧性接头脆性晶间腐蚀焊接要点予热低热输入,以及后热52第12章金属连接成形的主要工艺2026/8/1153/84CNTiCuCr≤0.008≤0.010.30.4321第12章金属连接成形的主要工艺马氏体不锈钢的焊接问题:焊接性差冷裂纹HAZ的软化

焊接要点TIGorMIG焊预热

后热54第12章金属连接成形的主要工艺奥氏体不锈钢的焊接问题:焊接性好晶间腐蚀

应力腐蚀开裂焊接要点不预热避免过热和后热55第12章金属连接成形的主要工艺3.铝及铝合金的焊接焊接问题:氧化氢气孔

焊缝热裂纹

低的接头强度

低的耐蚀性

烧穿问题56第12章金属连接成形的主要工艺焊接要点

铝及铝合金的独特性质,焊接工艺参数和设备与焊接合金钢不同;

与钢相比,铝及铝合金的导热及导电性能更好;焊接与钢相同的厚度时,要求更高的电压和电流;57第12章金属连接成形的主要工艺铝的热胀和冷缩是是钢的2倍;

焊接变形比焊接钢要大;铝比钢软,因此夹具要有差别.ForGMA(MIG)weldingthickstructuralparts,suchas6mm(¼in.)orthicker,a208Aor220Amachineisrecommended58第12章金属连接成形的主要工艺第二节焊接方法的选择59GeneraljoiningprocessesSMAWGasweldingSAWTIG(GTAW)MIG(GMAW),MAG,CO2PLAWEBW,LaserWeldingResistancewelding,(Table14-1)60第12章金属连接成形的主要工艺2026/8/11第12章

金属构件焊接的工艺设计61/842026/8/11第12章

金属构件焊接的工艺设计62/843.8.

3金属构件焊接接头的设计

63一、熔焊接头及焊缝设计1.焊缝的基本型式对接焊缝和角焊缝64第12章金属连接成形的主要工艺2026/8/11第12章

金属构件焊接的工艺设计65/842

.焊接接头型式及坡口选择焊接材料的消耗量，对于同样厚度的焊接接头，采用X形坡口比V形坡口能省较多的焊接材料、电能和工时，构件越厚节省的越多。可焊到性，它是选择坡口型式的重要条件之一。一般说，要根据构件能否翻转，翻转难易，或内外两侧的焊接条件而定。对不能翻转的和内径较小的容器、转子及轴类的对接焊缝，为了避免大量的仰焊和不能或不便从内侧施焊，都宜采用V形或U形坡口。坡口加工，X形和V形坡口可用气割或等离子切割，亦可用机械切削加工。但，U形和双U形坡口，一般需用刨边机加工。焊接变形，采用不适当的坡口型式容易产生较大的焊接变形，如果坡口型式适宜，工艺合理，则可有效地减小焊接变形。坡口设计与选择原则：66第12章金属连接成形的主要工艺3.焊缝设计①焊缝的位置应便