金屬焊接性及其試驗(yàn)方法

1、第一章 金屬焊接性及其試驗(yàn)方法不同的金屬材料用不同的焊接方法進(jìn)行焊接時(shí)，由于材料本身的成分和性能差異及焊接時(shí)發(fā)生了一系列復(fù)雜的冶金過程，從而對(duì)焊接操作的難易程度和材料的組織與性能產(chǎn)生不同的影響。為了從焊接角度對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行分析，因而提出了焊接性的問題。本章將重點(diǎn)介紹金屬焊接性的基本知識(shí)及試驗(yàn)方法。第一節(jié) 金屬焊接性概述一、金屬焊接性的概念焊接性是表示材料對(duì)焊接加工的適應(yīng)性，是指材料在一定的焊接工藝條件下（包括焊接材料、焊接方法、焊接工藝參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式等），能否獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度和該焊接接頭能否在使用條件下可靠運(yùn)行的一種特性。金屬焊接性是個(gè)相對(duì)的概念，同一種材料在不同的焊接工藝條件下焊接性

2、可以表現(xiàn)出很大的差異。如焊接鋁合金時(shí)，如采用氧-乙炔進(jìn)行氣焊時(shí)，則焊接性差，如改用交流氬弧焊時(shí)，則有良好的焊接性。隨著新的焊接方法和焊接工藝的開發(fā)與完善，一些原來焊接性差的材料，也會(huì)變成焊接性好的材料；當(dāng)然，隨著新材料的出現(xiàn)和對(duì)焊接結(jié)構(gòu)使用條件要求越高，又將會(huì)帶來新的焊接性問題。二、金屬焊接性的內(nèi)容金屬焊接性包括工藝焊接性和使用焊接性兩方面的內(nèi)容。1.工藝焊接性是指在一定焊接工藝條件下，能否獲得優(yōu)質(zhì)致密、無缺陷的焊接接頭的能力。它不是金屬本身所固有的性能，它不僅與母材的成分與性能有關(guān)，還受焊接熱源的性質(zhì)、保護(hù)方式、熱處理狀態(tài)、接頭形式及焊接方位、預(yù)熱、后熱等因素影響，反應(yīng)了金屬在焊接過程中對(duì)接

3、頭性能的改變，尤其是形成缺陷的敏感性。對(duì)于熔化焊而言，工藝焊接性可分為熱焊接性和冶金焊接性。（1）熱焊接性 是指在焊接熱過程中，對(duì)焊接熱影響區(qū)的組織性能及產(chǎn)生缺陷的影響程度。它主要與被焊材質(zhì)及焊接工藝條件有關(guān)，常用來評(píng)定被焊金屬對(duì)熱的敏感性（晶粒長大和組織性能變化等）。（2）冶金焊接性 是指冶金反應(yīng)對(duì)焊接性能和產(chǎn)生缺陷的影響程度。包括合金元素的氧化、還原、氮化、蒸發(fā)及氫、氧和氮的溶解等對(duì)氣孔、夾雜物和裂紋等的敏感性，主要影響焊縫金屬的化學(xué)成分和性能。2.使用焊接性是指焊接接頭或整體焊接結(jié)構(gòu)滿足技術(shù)條件所規(guī)定的各種使用性能的程度。主要包括力學(xué)性能、低溫性能、抗脆斷性能、高溫蠕變、疲勞性能、持久強(qiáng)

4、度、抗腐蝕性和耐磨性能等，反應(yīng)了在一定工藝條件下所獲得的焊接接頭對(duì)使用要求的適應(yīng)性。三、影響金屬焊接性的因素影響金屬焊接性的因素很多，對(duì)于鋼鐵材料而言，主要有材料、設(shè)計(jì)、工藝和服役環(huán)境等四大因素。1.材料因素主要受焊接時(shí)直接參與物理化學(xué)反應(yīng)和發(fā)生組織變化的母材和焊材的化學(xué)成分、冶煉軋制狀態(tài)、熱處理狀態(tài)、組織狀態(tài)和力學(xué)性能等因素的影響，其中化學(xué)成分（包括雜質(zhì)的分布）是主要影響因素。2.設(shè)計(jì)因素是指焊接結(jié)構(gòu)的安全性不但受到材料的影響，而且在很大程度上還受到結(jié)構(gòu)形式的影響。例如結(jié)構(gòu)的剛度、應(yīng)力集中程度與應(yīng)力狀態(tài)等，不僅影響材料對(duì)焊接裂紋的敏感性，還可能影響接頭的力學(xué)性能。3.工藝因素是指施工時(shí)所采用

5、的焊接方法、焊接工藝規(guī)程和焊后熱處理等因素。4.服役環(huán)境因素是指焊接結(jié)構(gòu)的工作溫度、負(fù)荷條件（載荷種類、施加方式和速度等）和工作環(huán)境（化工區(qū)、沿海及腐蝕介質(zhì)等）。一般而言，工作環(huán)境越惡劣，則對(duì)焊接性會(huì)提出更高的要求。綜上所述，金屬的焊接性與以上四方面都有密切的關(guān)系，因而，在分析焊接性時(shí)，不能單純地以某一因素獨(dú)立進(jìn)行分析，而應(yīng)結(jié)合多方面因素進(jìn)行綜合分析。第二節(jié)金屬焊接性試驗(yàn)方法隨著新材料、新結(jié)構(gòu)、新的工藝方法及服役環(huán)境等因素的變化，為了保證優(yōu)質(zhì)的焊接接頭，必須對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行焊接性分析和試驗(yàn)。一、金屬焊接性試驗(yàn)內(nèi)容1.焊縫金屬抗熱裂紋的能力熱裂紋是焊縫中較常見且危害嚴(yán)重的缺陷，因此常用金屬抗熱裂紋的能

6、力來判定金屬材料冶金焊接性的指標(biāo)。2.焊縫及熱影響區(qū)抗冷裂紋的能力抗冷裂紋的能力是判定金屬材料冶金焊接性和熱焊接性的指標(biāo)之一，它主要針對(duì)線材進(jìn)行試驗(yàn)。3.焊接接頭抗脆性轉(zhuǎn)變的能力焊接時(shí)，焊接接頭由于受各種因素的影響會(huì)發(fā)生脆性轉(zhuǎn)變，從而使韌性降低，將會(huì)影響使用焊接性。因而，對(duì)于在低溫下工作和承受沖擊載荷的焊接結(jié)構(gòu)，焊接接頭抗脆性轉(zhuǎn)變的能力也是一項(xiàng)重要試驗(yàn)內(nèi)容。4.焊接接頭的使用性能焊接結(jié)構(gòu)的使用性能對(duì)焊接性有不同的要求，因而應(yīng)根據(jù)特定的工作條件和設(shè)計(jì)的技術(shù)要求制定專門的焊接性試驗(yàn)方法。二、金屬焊接性試驗(yàn)方法根據(jù)不同目的，焊接性的試驗(yàn)方法有很多，如圖1-1。在選擇或制定焊接性試驗(yàn)方法時(shí)必須遵循針對(duì)

7、性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性的原則。下面分別從工藝和使用焊接性兩方面介紹幾種常焊接性試驗(yàn)方法。1.工藝焊接性試驗(yàn)方法（1）碳當(dāng)量估算法 所謂“碳當(dāng)量”就是把鋼中包括碳在內(nèi)和其它合金元素對(duì)淬硬、冷裂及脆化等的影響折合成碳的相當(dāng)含量。碳當(dāng)量的計(jì)算公式很多，目前以國際焊接學(xué)會(huì)（W）所推薦的CE（W）和日本JIS標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的Ceq（JIS）應(yīng)用較為廣泛。圖1-1 焊接性試驗(yàn)方法分類此式適用于中高強(qiáng)度的非調(diào)質(zhì)低合金高強(qiáng)鋼（MPa）及含碳量大于0.18%的鋼種。板厚小于20mm，CE（W）0.4%時(shí)，鋼材的淬硬傾向不大，焊接性良好，不需預(yù)熱；當(dāng)CE（W）0.4%0.6%時(shí)，特別是大于0.5%時(shí)，鋼材的淬硬傾向大，焊

8、接時(shí)需要預(yù)熱才能防止裂紋；當(dāng)CE（W）0.6%時(shí)，鋼材的淬硬傾向強(qiáng)烈，屬于較難焊的材料，需要采取較高的預(yù)熱溫度等嚴(yán)格的工藝措施。此式適用于低碳調(diào)質(zhì)低合金高強(qiáng)度鋼（MPa）及含碳量大于0.18%的鋼種。其化學(xué)成分范圍：WC0.2%，WSi0.55%，W Mn1.5%，WCu0.5%，WNi2.5%，WCr1.25%，WMo0.7%，WV0.1%，WB0.006%。圖1-2 焊接性與Ceq和板厚的關(guān)系焊接性等級(jí)，見表1-1碳當(dāng)量可預(yù)測某鋼種焊接性，從而確定其工藝措施。一般來說，CE（W）和Ceq（JIS）的數(shù)值越高，被焊鋼材的淬硬傾向越大，熱影響區(qū)越容易和產(chǎn)生冷裂紋，它們的關(guān)系如圖1-2和表1-1

9、所示。表1-1 不同焊接性等級(jí)的工藝要求焊接性用普通酸性焊條用低氫焊條削除應(yīng)力敲擊處理.優(yōu)良不需預(yù)熱不需預(yù)熱不需不需.較好預(yù)熱401000C-100C以上不需預(yù)熱任意任意.尚好預(yù)熱1500C預(yù)熱401000C希望希望.可以預(yù)熱1502000C預(yù)熱1000C必要希望（2）焊接冷裂紋敏感系數(shù) 對(duì)于低碳微量多合金元素的低合金高強(qiáng)鋼，碳當(dāng)量估算法就不適用了，日本伊藤等人采用斜Y形鐵件試驗(yàn)，考慮擴(kuò)散氫和拘束條件，對(duì)200多個(gè)鋼種進(jìn)行了大量試驗(yàn)，求得了焊接冷裂紋敏感系數(shù)計(jì)算公式。式中 Pcm鋼中合金元素的碳當(dāng)量（%）；Pc焊接冷裂紋敏感系數(shù)；H甘油法測定的擴(kuò)散氫含量（mL/100g）；板厚（mm）。上兩式

10、的適用范圍：WC=0.07%0.22%，Wsi00.60%，WMn0.4%1.4%，WCu00.5%，WNi01.2%，WMo00.7%，WV00.12%，WNb=00.04%， WTi=00.05%，WB00.005%。（3）CCT圖或SHCCT圖法 對(duì)于各類低合金鋼，可以利用其各自的連續(xù)冷卻曲線（CCT圖）或模擬焊接熱影響區(qū)的連續(xù)冷卻曲線（SHCCT圖）分析焊接性。這些曲線可以較方便地預(yù)測焊接熱影響區(qū)的組織、性能和硬度，從而可推測某鋼在一定焊接條件下的淬硬傾向和冷裂紋敏感性，從而作為調(diào)節(jié)焊接線能量和改進(jìn)焊接工藝的依據(jù)。圖1-3 最高硬度試驗(yàn)及取樣圖1-4 硬度的測量位置（4）焊接熱影響區(qū)最

11、高硬度試驗(yàn)方法 此方法可間接判斷被焊鋼材的淬硬傾向和冷裂紋的敏感性。試件的尺寸和形狀如圖1-3和表1-2，其標(biāo)準(zhǔn)厚度為20mm，若板厚超過20mm，則須機(jī)械切削加工成20mm厚，并保留一軋制表面；若板厚低于20mm，則不須加工。焊前應(yīng)先把試件表面的水、油、銹和氧化皮等清理干凈，試件兩端支撐架空，保留足夠的空間。表1-2 熱影響區(qū)最高硬度試件尺寸試件號(hào)L/mmB/mm/mm1號(hào)試件20075125±102號(hào)試件200150125±10一號(hào)試件在室溫下焊接，二號(hào)試件在預(yù)熱溫度下焊接，焊接工藝參數(shù)為：焊接電流I 170A±10A，焊接速度V150mm/min±

12、10mm/min，焊條直徑4mm。試件焊好后，讓其自然冷卻，待12h后，用機(jī)械加工的方法沿圖1-3的檢測斷面進(jìn)行垂直切割焊道，然后對(duì)檢測斷面進(jìn)行研磨并腐蝕，按圖1-4所示的位置，在0點(diǎn)兩側(cè)每隔0.5mm取一個(gè)測定點(diǎn)，共取7個(gè)以上的點(diǎn)，用載荷為10Kg的維氏硬度進(jìn)行測量。（5）斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)法 此方法主要用于評(píng)價(jià)碳素鋼和低合金高強(qiáng)度鋼打底焊縫及其熱影響區(qū)的冷裂紋傾向。1）制備試件 試件采用機(jī)械加工，其形狀和尺寸如圖1-5所示。圖1-5 斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)用試件開頭及尺寸2）試驗(yàn) 焊接工藝參數(shù)為：焊接電流I 170A±10A，電弧電壓U24V±2V，焊接速度V150

13、mm/min±10mm/min，焊條直徑4mm。焊條事先應(yīng)嚴(yán)格烘干。拘束焊縫用低氫型焊條進(jìn)行雙面焊接，先從背面焊第一層，然后再焊正面第一層，以后依次交替焊接。在焊接時(shí)，要注意防止角變形和未焊透。（a） （b）圖1-6 試驗(yàn)焊縫的焊接方式（a）焊條電弧焊 （b）自動(dòng)送進(jìn)焊條電弧焊試驗(yàn)焊縫在焊前應(yīng)清理干凈，最后用丙酮清洗。分別按圖1-6（a）、（b）所示采用焊條電弧焊或焊條自動(dòng)送進(jìn)裝置進(jìn)行焊接。焊完后將試件放置48h后，用肉眼或放大鏡檢測表面裂紋，然后用機(jī)械方法截取一段試驗(yàn)焊縫，并對(duì)其斷面進(jìn)行研磨腐蝕，用放大2030倍的金相顯微鏡檢測裂紋。3）計(jì)算 試件上裂紋按圖1-7所示進(jìn)行計(jì)算。表面

14、裂紋率（a） （b） （c）圖1-7 試件上裂紋長度計(jì)算（a）表面裂紋 （b）根部裂紋 （c）斷面裂紋式中 Cf表面裂紋率（%）； 表面裂紋長度之和（mm）； L試驗(yàn)焊縫的長度（mm）。根部裂紋 試樣先進(jìn)行著色檢測，然后再拉斷或彎斷。 式中 Cr根部裂紋率（%）； 根部裂紋長度之和（mm）； L試驗(yàn)焊縫的長度（mm）。斷面裂紋率 將試驗(yàn)焊縫寬度開始均勻處與焊縫弧坑中心之間的距離四等分，然后截取五個(gè)橫斷面，分別計(jì)算出五個(gè)橫斷面的裂紋率，然后取平均值。式中 Cs斷面裂紋率（%）； H試樣焊縫的最小厚度（mm）； Hs斷面裂紋的高度（mm）.由于該試驗(yàn)的接頭拘束度大，根部尖角又有應(yīng)力集中，試驗(yàn)條件苛

15、刻，因而一般認(rèn)為表面裂紋率小于20%，用于生產(chǎn)是安全的，但不能有根部裂紋。除了斜Y坡口試件外，還有直Y坡口對(duì)接裂紋試驗(yàn)，它主要用于考核焊條金屬對(duì)根部裂紋的敏感性，其試驗(yàn)方法與斜Y坡口試件一樣。（6）插銷試驗(yàn) 此法主要測出材料的臨界應(yīng)力值，再根據(jù)臨界應(yīng)力越小的材料，其裂紋敏感性越強(qiáng)的現(xiàn)象來定量測定鋼材焊接熱影響區(qū)的冷裂紋敏感性，由于其操作簡便且節(jié)省材料，因而在得到了廣泛應(yīng)用。（a） （b）（a）環(huán)形缺口試棒 （b）螺形缺口試棒首先將被測材料加工成8mm或6mm的圓棒（即插銷），并在試件一端開一首尾相接的環(huán)形或首尾有一定距離的螺旋缺口，如圖1-8和表1-3所示，缺口位置與線能量有關(guān)，如表1-4所示

16、。再將試件帶有缺口的一端插入加工后的底板的孔內(nèi)，如圖1-9所示，其上端與底板的上表面平齊，下端與加載夾頭連接。然后在底板上按規(guī)定的焊接線能量熔敷一焊道，并使其通過插銷的中心，并注意該焊道的熔深應(yīng)保證缺口位于熱影響區(qū)的粗晶部位，如圖1-10所示。（a） （b）圖1-10 插銷、底板及熔敷焊道（a）環(huán)形缺口試棒 （b）螺形缺口試棒在不預(yù)熱的條件下，待焊后冷至1001500C時(shí)加載；如有預(yù)熱，則應(yīng)高出初始溫度50700C時(shí)加載，規(guī)定的載荷應(yīng)在1min內(nèi)，并在試驗(yàn)冷卻到1000C或高出初始溫度50700C以前加載完畢；如有后熱，則應(yīng)在后熱以前加載。對(duì)試件加載后并保持到試件斷裂，然后再逐漸小載荷重復(fù)實(shí)驗(yàn)

17、，在無預(yù)熱條件下，直到試件16h后不斷裂即可卸載；如有預(yù)熱或預(yù)熱后加熱時(shí)，載荷應(yīng)至少保持24h后不斷裂才可卸載，此時(shí)得到的應(yīng)力值即為臨界應(yīng)力值。表1-3 插銷試棒的尺寸缺口類別A/mmh/mmR/mmP/mm/mm環(huán)形80.5±0.05400±200.1±0.02大于底板的厚度，一般約為30150螺形1環(huán)形60.5±0.05400±200.1±0.02螺形1表1-4 缺口位置與線能量的關(guān)系E/（KJ/cm）a/mmE/（KJ/cm）a/mm91.35152.0101.45162.1131.85202.4（7）T形接頭焊接裂紋試驗(yàn)法 此

18、法主要用于評(píng)定填角焊縫的熱裂紋傾向，也可以評(píng)定焊條及工藝參數(shù)對(duì)熱裂紋的敏感性。試件的形狀和尺寸與圖1-11所示。試驗(yàn)時(shí)，采用直徑為4mm的焊條，取電流規(guī)定上限進(jìn)行焊接。在船形焊位置首先焊拘束焊縫S1，然后立即焊一道比S1小的試驗(yàn)焊縫S2，二者方向相反，如圖1-12所示。圖1-11 T形接頭試件形狀與尺寸焊縫s1焊縫s2待焊件冷卻后，觀察試驗(yàn)焊縫S2表面，并按下式計(jì)算裂紋率： 式中 C表面裂紋率（%）； L表面裂紋長度之和（mm）。工藝焊接性試驗(yàn)方法除了以上介紹的七種方法外，還有十字接頭裂紋試驗(yàn)、壓板對(duì)接（FISCO）焊接裂紋試驗(yàn)、窗口拘束裂紋試驗(yàn)、拉伸拘束試驗(yàn)（TRC試驗(yàn)）和剛性拘束裂紋試驗(yàn)（RRC試驗(yàn)）等，這里不再一一