四-金屬焊接性

1、二、焊接冶金、金屬焊接性與焊材選用二、焊接冶金、金屬焊接性與焊材選用-4.-4.金屬焊接性金屬焊接性主要內(nèi)容4.1 4.1 材料在工程中的發(fā)展及應(yīng)用材料在工程中的發(fā)展及應(yīng)用4 4.2 .2 焊接性定義及其分析方法焊接性定義及其分析方法4 4.3 .3 焊接性試驗內(nèi)容和方法焊接性試驗內(nèi)容和方法2 4.1 材料在工程中的發(fā)展及應(yīng)用材料在工程中的發(fā)展及應(yīng)用3歷史上，石器時代、青銅器時代、鐵器時代，都是以材料為標(biāo)志劃分。自古以來，材料和結(jié)合手段就一直密不可分，彼此相互促進，不斷發(fā)展著。20世紀(jì)初，電弧技術(shù)用于鋼鐵產(chǎn)品，促使焊接和鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。 4.1.1 4.1.1 鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展及應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)的

2、發(fā)展及應(yīng)用 先進的工業(yè)化國家都非常重視鋼鐵材料的研究和開發(fā)。合金結(jié)構(gòu)鋼近30年來受到世界各國的普遍重視，并仍將成為今后20-30年材料發(fā)展的基本方向。 國外近幾年在不同結(jié)構(gòu)上使用低合金鋼的比例見表1。世界和中國主要工業(yè)部門對低合金鋼的需求見表2。 4.14.1材料在工程中的發(fā)展及應(yīng)用材料在工程中的發(fā)展及應(yīng)用 4表1 國外近幾年在不同結(jié)構(gòu)上使用低合金鋼的比例項目項目歐洲歐洲 % 北美北美%日本日本%結(jié)構(gòu)用型鋼30 2010船舶用型鋼鋼板樁結(jié)構(gòu)用鋼板15-30 2020 1525 201010010-30建筑用薄板95 8070海洋工程用鋼板海洋工程用型鋼90 3070 2070105表2 主要工

3、業(yè)部門對低合金鋼的需求64.1.2 4.1.2 有色金屬的發(fā)展及應(yīng)用有色金屬的發(fā)展及應(yīng)用隨著市場經(jīng)濟的發(fā)展，有色金屬的應(yīng)用越來越多，從原來的航空航天部門逐漸擴展到電子、信息、汽車、交通、輕工等民用領(lǐng)域。地殼中含量最高的鋁、鎂均為有色金屬，其他有色金屬還有銅、鈦、鋅、錫、鎳、鉬等，涉及到結(jié)構(gòu)材料、功能材料、環(huán)境保護材料和生物材料等。 有色金屬及合金的分類方法很多，按基體金屬可分為鋁合金、銅合金、鈦合金、鎳合金等；根據(jù)組成合金的元素數(shù)目，可分為二元合金、三元合金和多元合金。合金組分總的質(zhì)量分數(shù)小于2.5%的為低合金，總質(zhì)量分數(shù)為2.5%-10%的為中合金，總質(zhì)量分數(shù)大于10的為高合金。7 1 1鋁

4、及鋁合金鋁及鋁合金 鋁合金在國民經(jīng)濟及國防建設(shè)中占有很大的比重，占整個有色金屬產(chǎn)量的1/3以上。鋁合金具有密度低、強度高、耐腐蝕、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、可焊接及加工性能好等特點，應(yīng)用范圍僅次于鋼鐵，成為第二大金屬。 鋁及其合金廣泛應(yīng)用于航空航天 、汽車、高速列車、地鐵車輛、飛機、艦船等交通運載工具中，表現(xiàn)出安全、節(jié)能和減少廢氣排放量等多方面的優(yōu)越性能，鋁的應(yīng)用前景十分廣闊。2 2銅及銅合金銅及銅合金 銅及銅合金具有較高的導(dǎo)電導(dǎo)熱性、抗磁性、耐蝕性和良好的加工性，除用于一般電器產(chǎn)品外，也是高能物理、超導(dǎo)技術(shù)、低溫工程等高科技發(fā)展中必不可少的材料。 8 純銅多用于電線、電纜、雷管、化工蒸發(fā)器、儲藏器及各種

5、管道中，特別是新開發(fā)的無氧銅（高純銅），在電真空器件及高科技發(fā)展中有著不可替代的作用。 黃銅的價格比純銅便宜，易于鑄造和加工，在大氣中具有足夠的耐蝕性，在日常生活中得到廣泛應(yīng)用。 青銅在世界文明史及現(xiàn)代工業(yè)中占有重要地位。其中錫青銅，在大氣及熱氣體中具有很好的耐蝕性和焊接性。 白銅（即銅鎳合金）較其他銅合金具有更高的耐蝕性，力學(xué)性能和物理性能都非常良好 。93 3鈦及鈦合金鈦及鈦合金鈦及鈦合金是一種戰(zhàn)略金屬。鈦及鈦合金在汽車、航天和航空工業(yè)中用量很大。日本神戶制鋼公司已經(jīng)開發(fā)出轎車和運動摩托車排氣系統(tǒng)用新型鈦合金，最高溫度可達800。美國汽車公司在汽車彈簧、發(fā)動機連桿和閥門上也采用了鈦合金材料

6、。近年來，在飛機機體制造方面，樹脂基復(fù)合材料和鈦合金用量增加。例如：美國第四代戰(zhàn)斗機F-22，鈦合金用量占結(jié)構(gòu)質(zhì)量的41%；俄羅斯第三代戰(zhàn)斗機蘇-27，鈦合金占18%。在開發(fā)鈦及鈦合金的同時，我國也在鈦加工技術(shù)方面，特別是鈦合金的焊接性方面，開展了大量的工作。開發(fā)的中強TC4、TA15鈦合金已應(yīng)用于J10、J11飛機和人造衛(wèi)星，TB8超高強鈦合金已用作J11系列飛機后機身，高強、高韌TC21鈦合金已用于戰(zhàn)斗機的重要承力件等。104.1.34.1.3 先進材料的發(fā)展及應(yīng)用先進材料的發(fā)展及應(yīng)用先進材料的定義：指除常規(guī)鋼鐵材料和有色金屬之外已經(jīng)開發(fā)或正在開發(fā)的具有特殊性能和用途的材料，如新型陶瓷、金

7、屬間化合物和復(fù)合材料等。先進材料的開發(fā)和應(yīng)用是發(fā)展高新技術(shù)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，焊接技術(shù)對其推廣應(yīng)用起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)前發(fā)展的先進材料根據(jù)其使用性能可分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料，這些材料具有高強度、高韌性、耐高溫、抗腐蝕等優(yōu)點。 111 1先進陶瓷先進陶瓷先進陶瓷在組成、性能、制造工藝和應(yīng)用等方面都與傳統(tǒng)陶瓷截然不同。組成已由原來的SiO2、Al2O3、MgO等發(fā)展到了Si3N4、SiC、ZrO2等。先進陶瓷是現(xiàn)代工程中不可缺少的重要材料，焊接技術(shù)對于推動先進陶瓷在工程中的應(yīng)用起著極為重要的作用。 先進陶瓷突出的優(yōu)點是能耐更高的溫度，是一種非常好的高溫材料。但由于其固有的脆性而使其應(yīng)用受到很大的限制

8、，焊接難度很大。在新能源、航天以及海洋開發(fā)等特殊領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。12 2 2金屬間化合物金屬間化合物金屬間化合物具有長程有序的超點陣結(jié)構(gòu)，屬于金屬鍵結(jié)合，其晶體結(jié)構(gòu)與組成它的兩個組元的原子呈有序排列，具有許多獨特的物理、化學(xué)和力學(xué)性能，是一種很有發(fā)展前景的高溫結(jié)構(gòu)材料。Ni3Al在950時獲得660%的超塑性，Ni3Al電熱絲在1000的工作壽命超過了Ni-Cr絲。Ti3Al的合金化、工藝、組織結(jié)構(gòu)控制等取得較大進展，在航空航天應(yīng)用十分廣泛。Fe3A1金屬間化合物能夠滿足在發(fā)動機零部件、電磁元件、熔爐高溫裝置以及航空航天、電力等部門中的應(yīng)用要求。133 3先進復(fù)合材料先進復(fù)合材料復(fù)合材

9、料的開發(fā)應(yīng)用克服了單一材料所固有的局限性。 先進樹脂復(fù)合材料的主要特點為：高比強、高彈性模量、低膨脹系數(shù)、優(yōu)良的尺寸穩(wěn)定性，及優(yōu)異減振性和抗疲勞性能。 金屬基復(fù)合材料的發(fā)展較樹脂基復(fù)合材料晚。除了高強度、高彈性模量和低膨脹系數(shù)外，還具有優(yōu)良的韌性和抗沖擊能力，對表面缺陷沒有樹脂基復(fù)合材料敏感，具有耐熱性高、不吸潮、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性好等優(yōu)點。目前存在的問題，除制造工藝較為復(fù)雜和成本較高外，主要是增強劑與基體之間的界面反應(yīng)易形成低應(yīng)力破壞的脆性界面。 14發(fā)展陶瓷復(fù)合材料是解決陶瓷材料本身脆性的有效措施。碳-碳復(fù)合材料不僅是一種很好的燒蝕防熱材料和耐高溫、抗磨損材料，而且經(jīng)滲硅處理后的碳-碳復(fù)合材料已

10、具有抗氧化能力，已成功地用于航天飛機作為能重復(fù)使用的熱結(jié)構(gòu)材料。15 4.2 焊接性定義及其分析方法焊接性定義及其分析方法164 4.2 .2 焊接性定義及其分析方法焊接性定義及其分析方法科學(xué)研究和工程實踐表明，某些材料具有較高的強度、塑性和耐蝕性等，但用這些材料制造結(jié)構(gòu)時卻發(fā)現(xiàn)，它們在焊接加工時可能出現(xiàn)裂紋、氣孔、夾渣等缺陷，大大限制了這些材料的使用范圍。單從材料本身的化學(xué)成分、物理性能和力學(xué)性能，不足以判斷它在焊接過程中可能出現(xiàn)的問題，這就要求從焊接性的角度出發(fā)來分析和研究材料的某些特定的性能。174.2.1 焊接性的概念 焊接性，有時又稱為可焊性，是指 金屬材料在限定的施工條件下，焊接成

11、按規(guī)定設(shè)計要求的構(gòu)件，并滿足預(yù)定服役要求的能力。即材料對焊接加工的適應(yīng)性和使用的可靠性。 GB/T3375-94 焊接術(shù)語18焊接性的內(nèi)涵：金屬在進行焊接加工中是否容易產(chǎn)生缺陷？形成的焊接接頭在一定的使用條件下是否具有可靠運行的能力？12研究焊接性的研究焊接性的目的目的：在于查明一定的材料在指定的在于查明一定的材料在指定的焊接工藝條件下可能出現(xiàn)的問題，以確定焊接工藝焊接工藝條件下可能出現(xiàn)的問題，以確定焊接工藝的合理性或材料的改進方向。的合理性或材料的改進方向。 19焊接性焊接性工藝焊接性工藝焊接性：在一定焊接工藝條件下，能否獲得優(yōu)質(zhì)、無缺陷的焊接接頭的能力。使用焊接性使用焊接性：焊接接頭或整體

12、結(jié)構(gòu)滿足某種使用性能的能力。如果材料可以在簡單的工藝下焊接即可獲得完好的接頭，滿足使用要求，就可以說焊接性良好。反之，如果必須在很復(fù)雜的工藝下（高溫、高真空、高能量密度等）焊接才能獲得滿足要求的接頭，則焊接性較差。如焊后接頭的力學(xué)性能、低溫韌性，疲勞性能、抗腐蝕性等指標(biāo)。20焊接過程是一個獨特的“小冶金”過程，在熔化焊的條件下，焊縫和熱影響區(qū)經(jīng)歷了復(fù)雜但有規(guī)律的焊接熱循環(huán)。 從理論上分析，任何金屬或合金，只要在熔化后能夠互相形成固溶體或共晶，都可以經(jīng)過熔焊形成接頭。同種金屬或合金之間可以形成焊接接頭，一些異種金屬或合金之間也可以形成焊接接頭，但有時需要通過加中間過渡層的方式實現(xiàn)焊接。21對于熔

13、焊來說，焊接過程一般包括對于熔焊來說，焊接過程一般包括冶金過程冶金過程和和熱過程熱過程這兩個必不可少的過程。在焊接接頭區(qū)域，冶金過程這兩個必不可少的過程。在焊接接頭區(qū)域，冶金過程主要影響焊縫金屬的組織和性能，而熱過程主要影響主要影響焊縫金屬的組織和性能，而熱過程主要影響熱影響區(qū)的組織和性能。熱影響區(qū)的組織和性能。 (1) (1) 冶金焊接性冶金焊接性 冶金焊接性是指熔焊高溫下的熔冶金焊接性是指熔焊高溫下的熔池金屬與氣相、熔渣等相之間發(fā)生化學(xué)冶金反應(yīng)所引池金屬與氣相、熔渣等相之間發(fā)生化學(xué)冶金反應(yīng)所引起的焊接性變化。這些冶金過程包括：起的焊接性變化。這些冶金過程包括：合金元素合金元素的氧的氧化、還

14、原、蒸發(fā)，從而影響焊縫的化學(xué)成分和組織性化、還原、蒸發(fā)，從而影響焊縫的化學(xué)成分和組織性能；能；氧、氫、氮氧、氫、氮等的溶解、析出對生成等的溶解、析出對生成氣孔氣孔或?qū)缚p或?qū)缚p性能的影響；在焊縫結(jié)晶及冷卻過程中，由于焊接熔性能的影響；在焊縫結(jié)晶及冷卻過程中，由于焊接熔池的化學(xué)成分、凝固結(jié)晶條件以及接頭區(qū)熱脹冷縮和池的化學(xué)成分、凝固結(jié)晶條件以及接頭區(qū)熱脹冷縮和拘束應(yīng)力等影響，有時產(chǎn)生拘束應(yīng)力等影響，有時產(chǎn)生熱裂紋或冷裂紋熱裂紋或冷裂紋。 22 (2) (2) 熱焊接性熱焊接性 焊接過程中要向接頭區(qū)域輸入很多焊接過程中要向接頭區(qū)域輸入很多熱量，對焊縫附近區(qū)域形成加熱和冷卻過程，這對熱量，對焊縫附

15、近區(qū)域形成加熱和冷卻過程，這對靠近焊縫的熱影響區(qū)的組織性能有很大影響，從而靠近焊縫的熱影響區(qū)的組織性能有很大影響，從而引起熱影響區(qū)硬度、韌性、耐蝕性等的變化。引起熱影響區(qū)硬度、韌性、耐蝕性等的變化。 與焊縫金屬不同，焊接時熱影響區(qū)的化學(xué)成分一與焊縫金屬不同，焊接時熱影響區(qū)的化學(xué)成分一般不會發(fā)生明顯的變化，而且不能通過改變焊接材般不會發(fā)生明顯的變化，而且不能通過改變焊接材料來進行調(diào)整，即使有些元素可以由熔池向熔合區(qū)料來進行調(diào)整，即使有些元素可以由熔池向熔合區(qū)或熱影響區(qū)粗晶區(qū)擴散，那也是很有限的。為了改或熱影響區(qū)粗晶區(qū)擴散，那也是很有限的。為了改善熱焊接性，除了選擇母材之外，還要正確選定焊善熱焊接

16、性，除了選擇母材之外，還要正確選定焊接方法和熱輸入。接方法和熱輸入。 234.2.2 影響焊接性的因素1. 材料因素母材焊接材料2. 工藝因素焊接方法焊接工藝措施3. 設(shè)計因素 焊接結(jié)構(gòu)和接頭形式4. 使用條件 工作溫度、受載類別、工作環(huán)境等影響熱影響區(qū)的性能影響熱影響區(qū)的性能焊縫金屬的成分和性能焊縫金屬的成分和性能焊接熱源，對接頭的保護焊接熱源，對接頭的保護焊前預(yù)熱，焊后熱處理焊前預(yù)熱，焊后熱處理影響傳熱、結(jié)晶、應(yīng)影響傳熱、結(jié)晶、應(yīng)力狀態(tài)等力狀態(tài)等低溫抗脆斷，高溫抗蠕變，交變載荷抗疲低溫抗脆斷，高溫抗蠕變，交變載荷抗疲勞，抗腐蝕性能等勞，抗腐蝕性能等241 1材料因素材料因素材料因素包括材料

17、因素包括母材本身母材本身和使用的和使用的焊接材料焊接材料，母材或焊，母材或焊接材料選用不當(dāng)時，會造成焊縫成分不合格、力學(xué)性接材料選用不當(dāng)時，會造成焊縫成分不合格、力學(xué)性能和其他使用性能降低，甚至導(dǎo)致裂紋、氣孔、夾渣能和其他使用性能降低，甚至導(dǎo)致裂紋、氣孔、夾渣等焊接缺陷，也就是使工藝焊接性變差。因此，正確等焊接缺陷，也就是使工藝焊接性變差。因此，正確選用母材和焊接材料是保證焊接性良好的重要因素。選用母材和焊接材料是保證焊接性良好的重要因素。2 2設(shè)計因素設(shè)計因素對體積和重量有要求的焊接結(jié)構(gòu)，設(shè)計中應(yīng)選擇比強對體積和重量有要求的焊接結(jié)構(gòu)，設(shè)計中應(yīng)選擇比強度較高的材料，如輕合金材料，以達到縮小體積

18、、減度較高的材料，如輕合金材料，以達到縮小體積、減輕重量的目的。對體積和重量無特殊要求的焊接結(jié)構(gòu)輕重量的目的。對體積和重量無特殊要求的焊接結(jié)構(gòu)，選用強度等級較高的材料也有其技術(shù)經(jīng)濟意義，不，選用強度等級較高的材料也有其技術(shù)經(jīng)濟意義，不僅可減輕結(jié)構(gòu)自重，節(jié)約大量鋼材和焊接材料。僅可減輕結(jié)構(gòu)自重，節(jié)約大量鋼材和焊接材料。焊接接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計會影響焊接接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計會影響應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)力狀態(tài)，設(shè)計結(jié)構(gòu)時應(yīng)，設(shè)計結(jié)構(gòu)時應(yīng)使接頭處的應(yīng)力處于較小的狀態(tài)，能夠自由收縮，這使接頭處的應(yīng)力處于較小的狀態(tài)，能夠自由收縮，這樣有利于減小應(yīng)力集中和防止焊接裂紋。樣有利于減小應(yīng)力集中和防止焊接裂紋。 253 3工藝因素工藝因

19、素對于同一種母材，采用不同的焊接方法和工藝措施，對于同一種母材，采用不同的焊接方法和工藝措施，所表現(xiàn)出來的焊接性有很大的差異。例如，鋁及其合所表現(xiàn)出來的焊接性有很大的差異。例如，鋁及其合金用氣焊較難進行焊接，但用氬弧焊就能取得良好的金用氣焊較難進行焊接，但用氬弧焊就能取得良好的效果效果 。發(fā)展新的焊接方法和新的工藝措施是改善工藝。發(fā)展新的焊接方法和新的工藝措施是改善工藝焊接性的重要途徑。焊接性的重要途徑。 焊接方法對焊接性的影響首先表現(xiàn)在焊接熱源能量密焊接方法對焊接性的影響首先表現(xiàn)在焊接熱源能量密度、溫度以及熱量輸入上，其次表現(xiàn)在保護熔池及接度、溫度以及熱量輸入上，其次表現(xiàn)在保護熔池及接頭附近

20、區(qū)域的方式上。頭附近區(qū)域的方式上。 工藝措施對防止焊接缺陷，提高接頭使用性能有重要工藝措施對防止焊接缺陷，提高接頭使用性能有重要的作用。最常見的工藝措施是的作用。最常見的工藝措施是焊前預(yù)熱、緩冷和焊后焊前預(yù)熱、緩冷和焊后熱處理。熱處理。264 4使用條件使用條件焊接結(jié)構(gòu)的焊接結(jié)構(gòu)的服役環(huán)境服役環(huán)境多種多樣，如工作溫度高低、工作介多種多樣，如工作溫度高低、工作介質(zhì)種類及輻射等都屬于環(huán)境條件。質(zhì)種類及輻射等都屬于環(huán)境條件。高溫工作的焊接結(jié)構(gòu)，高溫工作的焊接結(jié)構(gòu)，要求材料具有要求材料具有足夠的高溫強度足夠的高溫強度，良好的化學(xué)穩(wěn)定性；常溫，良好的化學(xué)穩(wěn)定性；常溫下工作的焊接結(jié)構(gòu)，要求材料在自然環(huán)境下

21、具有良好的下工作的焊接結(jié)構(gòu)，要求材料在自然環(huán)境下具有良好的力力學(xué)性能學(xué)性能；工作溫度低或載荷為沖擊載荷時，工作溫度低或載荷為沖擊載荷時，要注意材料在要注意材料在最最低環(huán)境溫度下低環(huán)境溫度下的性能，尤其是的性能，尤其是韌性韌性。 總之，總之，焊接性與材料、設(shè)計、工藝和服役環(huán)境等因素焊接性與材料、設(shè)計、工藝和服役環(huán)境等因素有密切關(guān)系有密切關(guān)系，人們不可能脫離這些因素而簡單地認為某種，人們不可能脫離這些因素而簡單地認為某種材料的焊接性好或不好，也不能只用某一種指標(biāo)來概括某材料的焊接性好或不好，也不能只用某一種指標(biāo)來概括某種材料的焊接性。種材料的焊接性。各種金屬材料焊接的難易程度見表各種金屬材料焊接的

22、難易程度見表3 3。常用金屬材料焊接中可能出現(xiàn)的問題見表常用金屬材料焊接中可能出現(xiàn)的問題見表4 4。 27表3 各種金屬材料焊接難易程度一覽表注：A通常采用，B有時采用，C很少采用，D不采用碳素鋼 鑄鐵低合金鋼不銹鋼有色金屬28表4 常用金屬材料焊接中的問題 294.2.3 焊接性分析方法工藝焊接性工藝焊接性的角度：考察金屬材料在一定的焊接工藝條件下，產(chǎn)生焊接缺陷的傾向性。材料化學(xué)成分物理性能化學(xué)性能焊接熱源特點使用焊接性使用焊接性的角度：考察金屬材料在給定焊接條件下，獲得的接頭是否滿足設(shè)計提出的性能指標(biāo)要求。30 4.3 焊接性試驗內(nèi)容和方法314.3.1 焊接性試驗內(nèi)容 焊接性試驗用于材料

23、焊接性的評定。工工藝焊接性評定的準(zhǔn)則藝焊接性評定的準(zhǔn)則是評定焊接接頭產(chǎn)生工藝缺陷的傾向，為制定合理的焊接工藝提供依據(jù)。使用焊接性的評定使用焊接性的評定要根據(jù)結(jié)構(gòu)的工作條件和設(shè)計上提出的技術(shù)規(guī)定進行。32焊接性試驗內(nèi)容主要包括：1. 評價焊縫金屬抵抗產(chǎn)生熱裂紋抵抗產(chǎn)生熱裂紋的能力2. 評價焊縫和熱影響區(qū)金屬抵抗產(chǎn)生冷裂紋抵抗產(chǎn)生冷裂紋的能力3. 評價焊接接頭抵抗脆性轉(zhuǎn)變抵抗脆性轉(zhuǎn)變的能力4. 評價焊接接頭的使用性能使用性能331. 評價焊縫金屬抵抗產(chǎn)生熱裂紋的能力評價焊縫金屬抵抗產(chǎn)生熱裂紋的能力 熱裂紋是在焊接熔池金屬結(jié)晶過程中，由于存在一些有害元素或低熔點共晶體而在拉伸應(yīng)力作用下產(chǎn)生的。熱裂紋

24、是一種經(jīng)常發(fā)生又危害嚴(yán)重的焊接缺陷。熱裂紋產(chǎn)生的傾向與母材、焊材及它們的匹配有關(guān)。 焊縫熔池金屬在結(jié)晶時，由于存在S、P等有害元素（如形成低熔點的共晶物）并受到較大熱應(yīng)力作用，可能在結(jié)晶末期產(chǎn)生熱裂紋，這是焊接中必須避免的一種缺陷。焊縫金屬抵抗產(chǎn)生熱裂紋的能力常常被作為衡量金屬焊接性的一項重要內(nèi)容。通常通過熱裂紋敏感指數(shù)和熱裂紋試驗來評定焊縫的熱裂紋敏感性。 342. 評價焊縫和熱影響區(qū)金屬抵抗產(chǎn)生冷裂紋的能力評價焊縫和熱影響區(qū)金屬抵抗產(chǎn)生冷裂紋的能力 冷裂紋是焊縫及熱影響區(qū)金屬在焊接熱循環(huán)作用下，由組織硬化、拉伸應(yīng)力及擴散氫共同作用而產(chǎn)生的。 冷裂紋在合金結(jié)構(gòu)鋼焊接中是最為常見的缺陷，這種缺

25、陷的發(fā)生具有延遲性并且危害很大。在焊接熱循環(huán)作用下，焊縫及熱影響區(qū)由于組織、性能發(fā)生變化，加之受焊接應(yīng)力作用以及擴散氫的影響，可能產(chǎn)生冷裂紋（或延遲裂紋），這也是焊接中必須避免的嚴(yán)重缺陷，常被作為衡量金屬焊接性的重要內(nèi)容。一般通過間接計算和焊接性試驗來評定冷裂紋敏感性。353. 評價焊接接頭抵抗脆性轉(zhuǎn)變的能力評價焊接接頭抵抗脆性轉(zhuǎn)變的能力 焊縫金屬及熱影響區(qū)組織在經(jīng)過焊接冶金反應(yīng)、結(jié)晶、固態(tài)相變等過程后，會發(fā)生粗晶脆化、組織脆化、熱應(yīng)變時效脆化等，導(dǎo)致接頭韌性下降。 尤其對在低溫條件下使用的焊接結(jié)構(gòu)影響更大。對于在低溫下工作的焊接結(jié)構(gòu)和承受沖擊載荷的焊接結(jié)構(gòu)，經(jīng)冶金反應(yīng)、結(jié)晶、固態(tài)相變等過程，

26、焊接接頭由于受脆性組織、硬脆的非金屬夾雜物、熱應(yīng)變時效脆化、冷作硬化等作用的結(jié)果，發(fā)生所謂的焊接接頭脆性轉(zhuǎn)變。所以焊接接頭抗脆性斷裂（或抗脆性轉(zhuǎn)變）的能力也是焊接性試驗的一項內(nèi)容。364. 評價焊接接頭的使用性能評價焊接接頭的使用性能不同的焊接結(jié)構(gòu)對焊接性的要求也不同。主要考察接頭的抗拉強度、蠕變強度、疲勞強度以及抗腐蝕能力等。374.3.2 評定焊接性的原則選擇已有的或選擇已有的或設(shè)計新的焊接設(shè)計新的焊接性試驗方法應(yīng)性試驗方法應(yīng)符合下述原則符合下述原則(1) 可比性 焊接性試驗條件應(yīng)盡可能接近實際焊接時的條件，只有在這樣有可比性的情況下，才有可能使試驗結(jié)果比較確切地反映實際焊接結(jié)構(gòu)的焊接性本

27、質(zhì)。 (2) 針對性 設(shè)計的試驗方法，應(yīng)針對具體的焊接結(jié)構(gòu)制定方案，其中包括母材、焊接材料、接頭形式、接頭應(yīng)力狀態(tài)、焊接工藝參數(shù)等。同時試驗條件還應(yīng)考慮到產(chǎn)品的使用條件。這樣才能使焊接性試驗具有良好的針對性。(3) 再現(xiàn)性 焊接性試驗的結(jié)果要穩(wěn)定可靠，具有較好的再現(xiàn)性。實驗數(shù)據(jù)不可過于分散，否則難以找出變化規(guī)律和導(dǎo)出正確的結(jié)論。嚴(yán)格試驗程序，防止隨意性。(4) 經(jīng)濟性 在符合上述原則并可獲得可靠的試驗結(jié)果的前提下，應(yīng)力求做到消耗材料少、加工容易、試驗周期短，以節(jié)省試驗費用。 384.3.3 焊接性試驗方法分類焊接性試驗方法分類工藝焊接性工藝焊接性使用焊接性使用焊接性間接法直接法39焊接性試驗方

28、法焊接性試驗方法工藝焊接性使用焊接性直接法間接法焊接熱裂紋試驗焊接冷裂紋試驗再熱裂紋試驗層狀撕裂試驗熱應(yīng)變時效脆化試驗焊接氣孔敏感性試驗由碳當(dāng)量推測焊接性裂紋敏感指數(shù)及臨界應(yīng)力裂紋敏感性的臨界冷卻時間連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖斷口分析、金相組織分析焊接熱影響區(qū)最高硬度焊接熱、力模擬試驗焊接專家系統(tǒng)、仿真系統(tǒng)等直接法間接法實際產(chǎn)品結(jié)構(gòu)運行的服役試驗壓力容器的爆破試驗焊縫及接頭的常規(guī)力學(xué)性能試驗焊縫及接頭的低溫脆性試驗焊縫及接頭的斷裂韌性試驗焊縫及接頭的高溫性能試驗焊縫及接頭的疲勞、動載試驗焊縫及接頭的抗腐蝕性、耐磨性試驗應(yīng)力腐蝕開裂試驗40一、焊接熱裂紋敏感性試驗方法一、焊接熱裂紋敏感性試驗方法1. 可

29、調(diào)拘束裂紋試驗法可調(diào)拘束裂紋試驗法基本原理：在焊縫凝固后期，施加不同的應(yīng)變值，基本原理：在焊縫凝固后期，施加不同的應(yīng)變值，研究產(chǎn)生裂紋的規(guī)律。研究產(chǎn)生裂紋的規(guī)律。 主要用于評定低合金鋼各種熱裂紋（結(jié)晶裂紋、液化裂紋等）敏感性。這種方法是在焊縫凝固后期施加一定的應(yīng)變來研究產(chǎn)生裂紋的規(guī)律，當(dāng)外加應(yīng)變值在某一溫度區(qū)間超過焊縫或熱影響區(qū)金屬的塑性變形能力時，就會出現(xiàn)熱裂紋，以此來評定產(chǎn)生焊接熱裂紋的敏感性。4.3.4 常用焊接性試驗方法常用焊接性試驗方法41圖圖1. 可調(diào)拘束裂紋試驗裝置簡圖可調(diào)拘束裂紋試驗裝置簡圖 a）縱向試驗法）縱向試驗法 b）橫向試驗法）橫向試驗法42縱向可調(diào)拘束裂紋試驗主要用于

30、反映結(jié)晶裂紋和液縱向可調(diào)拘束裂紋試驗主要用于反映結(jié)晶裂紋和液化裂紋化裂紋圖圖2. 縱向可調(diào)拘束試驗裂紋分布圖縱向可調(diào)拘束試驗裂紋分布圖橫向可調(diào)拘束裂紋試驗主要用于測量焊縫中的結(jié)晶橫向可調(diào)拘束裂紋試驗主要用于測量焊縫中的結(jié)晶裂紋和多邊化裂紋裂紋和多邊化裂紋圖圖3. 橫向可調(diào)拘束試驗裂紋分布圖橫向可調(diào)拘束試驗裂紋分布圖432. 魚骨狀裂紋試驗魚骨狀裂紋試驗 主要用于評定鋁合金、鎂合金和鈦合金薄板（主要用于評定鋁合金、鎂合金和鈦合金薄板（1-3mm)焊縫及熱焊縫及熱影響區(qū)的熱裂紋敏感性。影響區(qū)的熱裂紋敏感性。圖圖4.4.魚骨狀裂紋試驗試樣尺寸圖魚骨狀裂紋試驗試樣尺寸圖 9010104050AB12

31、每每10mm10mm加工不同深度的槽，深度越深，拘束度越小。焊接時焊加工不同深度的槽，深度越深，拘束度越小。焊接時焊接方向由接方向由A A至至B B，裂紋發(fā)生后，隨著拘束度降低，裂紋擴展停止，測，裂紋發(fā)生后，隨著拘束度降低，裂紋擴展停止，測量焊縫或熱影響區(qū)的裂紋長度，即可評定裂紋敏感性的大小。量焊縫或熱影響區(qū)的裂紋長度，即可評定裂紋敏感性的大小。443、壓板對接壓板對接焊接裂紋試驗焊接裂紋試驗 主要用于評定低合金鋼焊縫金屬的熱裂紋敏感性，也可以做鋼材與焊條匹配的性能試驗。試驗裝置如圖5所示。在C形夾具中，垂直方向用14個緊固螺栓以3105N的力壓緊試板，橫向用4個螺栓以6104N的力定位，把試

32、板牢牢固定在試驗裝置內(nèi)。45圖5 壓板對接（FISCO）試驗裝置1C形拘束框架 2試板 3緊固螺栓 4齒形底座 5定位塞片 6調(diào)節(jié)板 46圖6 壓板對接（FISCO）試板尺寸及裂紋計算 a) 試板尺寸 b) 焊縫裂紋長度計算 47 1) 試件制備 試件的形狀與尺寸如圖6所示。坡口形狀為I形，厚板時可用Y形坡口，采用機械加工，坡口附近表面要打磨干凈。 2) 試驗步驟 將試件安裝在試驗裝置內(nèi)，在試件坡口的兩端按試驗要求裝入相應(yīng)尺寸的定位塞片，以保證坡口間隙（變化范圍0-6mm）。先將橫向螺栓緊固，再將垂直方向的螺栓用指針式扭力扳手緊固。按生產(chǎn)上使用的工藝參數(shù)按圖6a所示順序焊接4條長度約40mm的

33、試驗焊縫，焊縫間距約10mm，弧坑不必填滿。焊后經(jīng)過10min后將試件從裝置上取出，待試件冷卻至室溫后，將試板沿焊縫縱向彎斷，觀察斷面有無裂紋并測量裂紋長度，如圖6b所示。48 3) 裂紋率計算方法 對4條焊縫斷面上測得的裂紋長度按下式計算其裂紋率，即： （1） 式中 Cf 壓板對接（FISCO）試驗的裂紋率（%）； li4條試驗焊縫的裂紋長度之和（mm）； Li4條試驗焊縫的長度之和（mm）。1 0 0 %ifilCL=49二、焊接冷裂紋敏感性試驗方法二、焊接冷裂紋敏感性試驗方法 促進焊接冷裂紋產(chǎn)生的三大主要因素：促進焊接冷裂紋產(chǎn)生的三大主要因素： a. 淬硬組織淬硬組織 b. 擴散氫擴散氫

34、 c. 拘束應(yīng)力拘束應(yīng)力 冷裂紋可以在焊后立即出現(xiàn)，有時卻要經(jīng)過一段時冷裂紋可以在焊后立即出現(xiàn)，有時卻要經(jīng)過一段時間，如幾小時，幾天甚至更長時間才出現(xiàn)。開始時是間，如幾小時，幾天甚至更長時間才出現(xiàn)。開始時是少量出現(xiàn)，隨時間增長裂紋逐漸增多和擴展。少量出現(xiàn)，隨時間增長裂紋逐漸增多和擴展。 501. 斜斜Y坡口對接裂紋試驗坡口對接裂紋試驗 該方法用于評價打底焊縫及熱影響區(qū)冷裂傾向。該方法用于評價打底焊縫及熱影響區(qū)冷裂傾向。1) 試件制備 試板形狀及尺寸如圖7所示。被焊鋼材板厚=9-38mm。對接接頭坡口用機械方法加工。試板兩端各在60mm范圍內(nèi)施焊拘束焊縫，采用雙面焊。保證中間待焊試樣焊縫處有2m

35、m間隙。圖圖7.7.斜斜Y Y坡口對接裂紋試驗試樣及尺寸坡口對接裂紋試驗試樣及尺寸 51 2) 試驗條件 試驗焊縫選用的焊條應(yīng)與母材相匹配，所用焊條應(yīng)嚴(yán)格烘干。 推薦采用下列焊接參數(shù)：焊條直徑4mm，焊接電流（17010）A，焊接電壓（242）V，焊接速度（15010）mm/min。用焊條電弧焊施焊的試驗焊縫如圖8a所示，用自動送進裝置施焊的試驗焊縫如圖8b所示。試驗焊縫可在各種不同溫度下施焊，試驗焊縫只焊一道，不填滿坡口。焊后靜置和自然冷卻24h后截取試樣和進行裂紋檢測。52圖8 施焊時的試驗焊縫a) 焊條電弧焊試驗焊縫 b) 焊絲自動送進的試驗焊縫 53 3) 檢測與裂紋率計算 用肉眼或手

36、持5-10倍放大鏡來檢測焊縫和熱影響區(qū)的表面和斷面是否有裂紋。按下列方法分別計算試樣的表面裂紋率、根部裂紋率和斷面裂紋率。 表面裂紋率Cf 表面裂紋率根據(jù)圖9a所示按下式計算 （2） 式中 lf 表面裂紋長度之和（mm）； L試驗焊縫長度（mm）。f100%flCL=54a 表面裂紋 b 跟部裂紋c 斷面裂紋圖9 試樣裂紋長度計算55 根部裂紋率Cr 試樣先經(jīng)著色檢驗，然后將其拉斷，根據(jù)圖9b所示計算根部裂紋長度，然后按下式計算根部裂紋率Cr，即： （3） 式中 lr根部裂紋長度之和（mm）。 斷面裂紋率Cs 用機械加工方法在試驗焊縫上等分截取出4-6塊試樣，檢查5個橫斷面上的裂紋深度Hs，如

37、圖9c所示，按下式計算斷面裂紋率Cs，即： （4） 式中 Hs5個斷面裂紋深度的總和（mm）； H5個斷面焊縫最小厚度的總和（mm）。 rr100%lCL=ss1 0 0 %HCH=56焊后經(jīng)過不少于焊后經(jīng)過不少于2424小時的時效后再做裂紋檢查。小時的時效后再做裂紋檢查。首先用放大鏡目測或磁性熒光粉檢查焊縫表面裂紋，首先用放大鏡目測或磁性熒光粉檢查焊縫表面裂紋，然后沿焊縫長度方向均勻截成六段，檢查五個斷面然后沿焊縫長度方向均勻截成六段，檢查五個斷面的裂紋情況。的裂紋情況。由于該方法對接頭的拘束度很大，應(yīng)力集中較為明由于該方法對接頭的拘束度很大，應(yīng)力集中較為明顯，試驗條件已經(jīng)很苛刻了，因此一般

38、認為顯，試驗條件已經(jīng)很苛刻了，因此一般認為若裂紋若裂紋率不超過率不超過20%20%，則實際結(jié)構(gòu)焊接時就不會產(chǎn)生裂紋。，則實際結(jié)構(gòu)焊接時就不會產(chǎn)生裂紋。572. 插銷試驗插銷試驗 插銷試驗主要考核焊接熱影響區(qū)的氫致延遲裂紋敏插銷試驗主要考核焊接熱影響區(qū)的氫致延遲裂紋敏感性。也可用于考核再熱裂紋和層狀裂紋等的敏感感性。也可用于考核再熱裂紋和層狀裂紋等的敏感性。性。 1) 試樣制備 將被焊鋼材加工成圓柱形的插銷試棒，沿軋制方向取樣并注明插銷在厚度方向的位置。插銷試棒的形狀如圖10所示。試棒上端附近有環(huán)形或螺形缺口。將插銷試棒插入底板相應(yīng)的孔中，使帶缺口一端與底板表面平齊，如圖11所示。 58圖10

39、插銷試棒的形狀a) 環(huán)形缺口插銷 b) 螺形缺口插銷 59圖11 插銷試棒、底板及熔敷焊道a) 環(huán)形缺口插銷 b) 螺形缺口插銷 60 對于環(huán)形缺口的插銷試棒，缺口與端面的距離a應(yīng)使焊道熔深與缺口根部所截平面相切或相交，但缺口根部圓周被熔透的部分不得超過20%，如圖12所示。對于低合金鋼，a值在焊接熱輸入E=15kJ/cm時為2mm。根據(jù)焊接熱輸入的變化，缺口與端面的距離a可按表5作適當(dāng)調(diào)整 。表5 缺口位置a與焊接熱輸入E的關(guān)系61圖12 熔透比的計算 62 2) 試驗過程 按選定的焊接方法和嚴(yán)格控制的工藝參數(shù)，在底板上熔敷一層堆焊焊道，焊道中心線通過試棒的中心，其熔深應(yīng)使缺口尖端位于熱影響

40、區(qū)的粗晶區(qū)。焊道長度L約100-150mm。 施焊時應(yīng)測定800-500的冷卻時間t8/5值。不預(yù)熱焊接時，焊后冷卻至100-150時加載；焊前預(yù)熱時，應(yīng)在高于預(yù)熱溫度50-70時加載。載荷應(yīng)在1min之內(nèi)且在冷卻至100或高于預(yù)熱溫度50-70之前施加完畢。如有后熱，應(yīng)在后熱之前加載。63為了獲得焊接熱循環(huán)的有關(guān)參數(shù)（t8/5、t100等），可將熱電偶焊在底板焊道下的盲孔中（見圖13），盲孔直徑3mm，深度與插銷試棒的缺口處一致。測點的最高溫度應(yīng)不低于1100。當(dāng)加載試棒時，插銷可能在載荷持續(xù)時間內(nèi)發(fā)生斷裂，記下承載時間。在不預(yù)熱條件下，載荷保持16h而試棒未斷裂即可卸載。預(yù)熱條件下，載荷保

41、持至少24h才可卸載?？捎媒鹣嗷蜓趸确椒z測缺口根部是否存在斷裂。經(jīng)多次改變載荷，可求出在試驗條件下不出現(xiàn)斷裂的臨界應(yīng)力cr。臨界應(yīng)力cr可以用啟裂準(zhǔn)則，也可以用斷裂準(zhǔn)則，但應(yīng)注明。根據(jù)臨界應(yīng)力cr的大小可相對比較材料抵抗產(chǎn)生冷裂紋的能力。 64圖13 底板的形狀及尺寸 65試棒上端與底板表面平齊，試驗時在底板上以規(guī)定的試棒上端與底板表面平齊，試驗時在底板上以規(guī)定的熱輸入熔敷一條焊道，其熔深應(yīng)使缺口尖端位于熱影熱輸入熔敷一條焊道，其熔深應(yīng)使缺口尖端位于熱影響區(qū)的粗晶區(qū)內(nèi)。響區(qū)的粗晶區(qū)內(nèi)。如不預(yù)熱，焊后冷卻至如不預(yù)熱，焊后冷卻至100-150100-150時加載。如有預(yù)熱，時加載。如有預(yù)熱，應(yīng)

42、在高于預(yù)熱溫度應(yīng)在高于預(yù)熱溫度50-7050-70時加載。時加載。在無預(yù)熱條件下，載荷保持在無預(yù)熱條件下，載荷保持1616小時而試棒未斷裂即可小時而試棒未斷裂即可卸載。有預(yù)熱條件下，載荷保持至少卸載。有預(yù)熱條件下，載荷保持至少2424小時才可卸載。小時才可卸載。經(jīng)多次改變載荷，即可求出在試驗條件下不出現(xiàn)斷裂經(jīng)多次改變載荷，即可求出在試驗條件下不出現(xiàn)斷裂的臨界應(yīng)力值。的臨界應(yīng)力值。663. 拉伸拘束裂紋試驗拉伸拘束裂紋試驗（Tensile Restraint Cracking Test, 即TRC試驗） 基本原理是模擬焊接接頭承受的平均拘束應(yīng)力，在一定坡口形狀和一定尺寸的試板間施焊后，冷卻到規(guī)定

43、溫度時在焊縫橫向施加一拉伸載荷并保持恒定，直到產(chǎn)生裂紋或斷裂。 4. 剛性固定對接裂紋試驗剛性固定對接裂紋試驗（Restrained Butt Joint Cracking Test） 這種試驗方法主要用于測定焊縫的冷裂紋和熱裂紋傾向，也可以測定熱影響區(qū)的冷裂紋傾向，適用于低合金鋼焊條電弧焊、埋弧焊、氣體保護焊等。675. 窗形拘束裂紋試驗窗形拘束裂紋試驗（Window Type Restraint Cracking Test） 這種方法主要用于測定低合金鋼多層焊時焊縫橫向冷裂紋及熱裂紋的敏感性，為選擇焊接材料和確定工藝條件提供試驗依據(jù)。6. 搭接接頭焊接裂紋試驗搭接接頭焊接裂紋試驗（Controlled Thermal Severity，即CTS試驗） 這種試驗是通過熱拘束指數(shù)的變化來反映冷卻