金屬材料焊接性與工藝評定

1、金屬材料焊接性與工藝評定金屬材料焊接性與工藝評定 技術(shù)中心壓力容器檢測站 2010年12月4日焊接概念焊接概念v焊接技術(shù)又叫連接工程，是一種重要的材料加工工藝。v概括講，被焊工件的材質(zhì)，通過加熱或加壓或二者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材質(zhì)達到原子間的結(jié)合而形成永久性連接的工藝過程稱為焊接。v焊接與其他連接方式不同，不僅在宏觀上形成了永久性的接頭，而且在微觀上建立了組織上的內(nèi)在聯(lián)系。v焊接的本質(zhì)：v宏觀上講：形成永久性連接。v微觀上講：建立組織間聯(lián)系。v焊接方法分為：熔化焊、壓力焊 、釬焊。v焊接能源:主要是熱能和機械能，是實現(xiàn)焊接的的基本條件。其中熱能是熔化焊的主要能源，主要有電弧熱、

2、化學熱、電阻熱、高頻感應(yīng)熱、等離子焰、電子束、激光束等。 目前，新的焊接熱源不斷開發(fā)，如微波熱、太陽能。v一、金屬焊接性一、金屬焊接性v焊接性是指金屬材料在限定的制作條件下，是否能夠適應(yīng)焊接加工而形成完整的、具備一定使用性能的焊接接頭的特性。v金屬材料的焊接性具有兩方面內(nèi)容：一是金屬在焊接加工中是否容易形成缺陷，二是焊接接頭在一定的使用條件下可靠的運行能力。這也說明，焊接性不僅包括結(jié)合性能，而且也包括結(jié)合后的使用性能。v一般來說，金屬材料焊接工藝過程簡單而接頭質(zhì)量高、性能好時，就稱焊接性好，反之，就稱焊接性差。v二、如何分析金屬焊接性二、如何分析金屬焊接性v1.從金屬特性分析焊接性v1.1利用

3、化學成分分析：主要方法包括碳當量法，焊接冷裂紋敏感指數(shù)法。v1.2利用物理性能分析：金屬熔點、導熱系數(shù)、線膨脹系數(shù)、密度、熱容量等因素，都對熱循環(huán)、熔化、結(jié)晶、相變等過程產(chǎn)生影響，從而影響焊接性。如線膨脹系數(shù)大，接頭變形和應(yīng)力將很嚴重。v1.3利用化學性能分析：如鈦對氧、氮等親和力強，吸收后，力學性能顯著降低。v1.4利用合金相圖分析:被焊材料大多為金屬，或至少含某些雜質(zhì)元素，因而可以利用他們相圖分析。v1.5 CCT圖(連續(xù)冷卻曲線)或SHCCT圖（模擬焊接HAZ連續(xù)冷卻曲線）分析：一般，此分析僅對于各類低合金鋼，進行焊接性分析。v2.從焊接工藝條件分析焊接性，主要從熱源特點，保護方法，熱循

4、環(huán)控制等分析。v二、焊接性試驗二、焊接性試驗v 評定母材金屬的試驗叫做焊接性試驗。v1.焊接性試驗內(nèi)容：1）焊縫金屬抵抗產(chǎn)生熱裂紋的能力，2）焊縫及HAZ金屬抵抗產(chǎn)生冷裂紋的能力，3）焊接接頭抗脆性轉(zhuǎn)變能力，4）焊接接頭的使用性能。v2.焊接性試驗分類v焊接性試驗研究分為工藝焊接性和使用焊接性兩大類，兩類試驗研究方法均含直接法和間接法。v工藝焊接性直接法包括：焊接冷裂紋試驗；焊接熱裂紋試驗；再熱裂紋試驗；層狀撕裂試驗；應(yīng)力腐蝕裂紋試驗；脆性斷裂試驗。 v工藝焊接性間接法包括：碳當量法；焊接裂紋敏感指數(shù)法；連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變曲線法；焊接熱應(yīng)力模擬法；焊接熱影響區(qū)最高硬度法；焊接區(qū)斷口金相法。v使用

5、焊接性直接法包括：實際產(chǎn)品運行的服役試驗；壓力容器的水壓試驗、爆破試驗。v使用焊接性間接法包括：焊縫及接頭的拉伸、彎曲、沖擊等力學性能試驗；焊接接頭的高溫蠕變及持久強度試驗；焊接接頭斷裂韌性試驗；焊接接頭低溫脆性試驗；焊接接頭耐腐蝕、耐磨試驗；焊接接頭的動載、疲勞試驗。v1.工藝焊接性v工藝焊接性是指在一定焊接工藝條件下，能否獲得優(yōu)良致密、無缺陷焊接接頭的能力。這并不是鋼材（金屬材料）本身固有的性能，而是根據(jù)某種焊接方法和所采用的具體工藝措施來進行評定的，因此，鋼材（金屬材料）的工藝焊接性與焊接過程密切相關(guān)。v對于熔化焊，一般要經(jīng)歷傳熱過程和冶金反應(yīng)過程，因而又可以將工藝焊接性分為熱焊接性和冶

6、金焊接性。v熱焊接性是指焊接熱循環(huán)對焊接熱影響區(qū)組織性能以及產(chǎn)生缺陷的影響程度，用來評定被焊鋼材（金屬材料）對熱的敏感性：如晶粒長大，組織與性能變化等，主要與被焊鋼材（金屬材料）和焊接工藝有關(guān)。v冶金焊接性是指在一定冶金過程的條件下，物理化學變化對焊縫性能和產(chǎn)生缺陷的影響程度。主要包括合金元素的氧化、還原、氮化、蒸發(fā)、氫、氧、氮的溶解等對形成氣孔、夾渣、裂紋等缺陷的影響，用來評價鋼材（金屬材料）對冶金缺陷的敏感性。v2.使用焊接性v使用焊接性是指焊接接頭或整個結(jié)構(gòu)在一定使用條件下，滿足產(chǎn)品技術(shù)條件規(guī)定的使用性能的程度。v使用焊接性取決于焊接結(jié)構(gòu)的工作條件和設(shè)計上的具體技術(shù)要求，一般包括焊縫及接

7、頭的拉伸、彎曲、沖擊等力學性能試驗；焊接接頭的高溫蠕變及持久強度試驗；焊接接頭斷裂韌性試驗等。v 總之，鋼材（金屬材料）的焊接性不僅于材料本身固有的性能有關(guān)，同時也與焊接工藝條件有關(guān)。在不同的焊接工藝條件下，同一材料也會具有不同的焊接性。v3. 選擇或制定焊接性試驗方法的原則選擇或制定焊接性試驗方法的原則v3.1針對性v焊接性試驗的條件要盡量與實際焊接時的條件相一致，這些條件包括母材、焊接材料、接頭形式、環(huán)境溫度、接頭受力狀態(tài)、焊接工藝參數(shù)等，而且試驗條件還應(yīng)考慮到產(chǎn)品的使用條件，盡量使之接近，只有這樣才能使焊接性試驗具有良好的針對性，其試驗結(jié)果能比較確切的顯示實際生產(chǎn)時可能發(fā)生的問題或可能獲

8、得的結(jié)果。v3.2再現(xiàn)性v焊接試驗的結(jié)果要穩(wěn)定可靠，具有較好的再現(xiàn)性。試驗所得數(shù)據(jù)不可過于分散，只有這樣才能正確顯示變化規(guī)律，獲得能夠指導生產(chǎn)實踐的結(jié)論，為了做到這樣，試驗方法應(yīng)盡可能減少或避免人為因素的影響，多采用自動化、機械化的操作，少采用人工操作。另外，應(yīng)將試驗條件規(guī)定的比較嚴格，防止隨意性 。v3.3可比性v 只有試驗條件完全相同時，兩個試驗研究結(jié)果才具有可比性。因此，凡是國家或國際上已經(jīng)頒布的標準試驗方法應(yīng)優(yōu)先選擇，并嚴格按標準規(guī)定進行試驗。還未建立標準的，應(yīng)優(yōu)先選擇國內(nèi)外同行業(yè)中較為通用的或公認的試驗方法進行研究。若無標準可供參考，需自行設(shè)計焊接性試驗研究方法時，應(yīng)把試驗研究條件規(guī)

9、定的明確具體，并在報告中詳細說明試驗研究結(jié)果的試驗研究條件。v3.4經(jīng)濟性v 應(yīng)注意試驗方法的經(jīng)濟性，在符合上述原則下，并可獲得可靠結(jié)果的前提下，要力求減少材料消耗，減少試驗項目，避免復雜昂貴的加工工序，節(jié)省試驗費用。v4.影響鋼材（金屬材料）焊接性的因素影響鋼材（金屬材料）焊接性的因素 v4.1材料因素v 材料包括母材和焊接材料。在相同的焊接條件下，決定母材焊接性的主要因素是母材本身的物理化學性能。 v4.2工藝因素v 工藝因素包括焊接方法、焊接工藝規(guī)范、裝配順序、預熱、后熱、焊后熱處理等。焊接方法對焊接性影響很大，主要表現(xiàn)在熱源特性和保護條件兩個方面。v不同的焊接方法，熱源在功率、能量密度

10、、最高加熱溫度等方面有很大區(qū)別。不同熱源焊接金屬將顯示出不同的焊接性。如：電渣焊功率大，但能量密度低，最高加熱溫度也不高，焊接時加熱緩慢，高溫停留時間長，使得HAZ晶粒粗大，沖擊韌性顯著降低，必須經(jīng)過正火處理才能改善。 v 調(diào)整工藝參數(shù)，采取多層多道焊，保持層間溫度，后熱等工藝參數(shù)，可以調(diào)節(jié)和控制焊接熱循環(huán)，從而改變金屬材料的焊接性。v4.3結(jié)構(gòu)因素v 結(jié)構(gòu)因素主要指焊接結(jié)構(gòu)和焊接接頭的設(shè)計形式，比如形狀、尺寸、厚度、坡口形式、焊縫布置、焊縫截面形狀等因素對鋼材（金屬材料）的焊接性影響。 v設(shè)計中減少焊接接頭的剛度、減少交叉焊縫、避免焊縫過于密集以及減少造成應(yīng)力集中的各種因素，都是改善焊接性的

11、重要措施。 v4.4使用條件v使用條件是指焊接結(jié)構(gòu)服役期間的工業(yè)溫度、負載條件等，這些工作環(huán)境和運行條件要求焊接結(jié)構(gòu)具有相適應(yīng)的使用性能。如：在低溫環(huán)境服役的焊接結(jié)構(gòu)，必須具備抗脆性斷裂的性能 ，在交變載荷環(huán)境服役的焊接結(jié)構(gòu)必須具有良好的抗疲勞性能等 。v三、常用焊接性試驗方法v1.斜Y型坡口焊接裂紋試驗 v斜Y型坡口焊接裂紋試驗（小鐵研試驗）主要用于評定碳鋼和低合金高強鋼焊接HAZ及焊縫金屬對冷裂紋的敏感性。執(zhí)行GB 4675.1-84斜Y型坡口焊接裂紋試驗方法。v焊接工藝參數(shù)：焊條直徑4mm，焊接電流17010A，電弧電壓24 2V，焊速15010mm/minv試驗結(jié)果：表面裂紋率，根部裂

12、紋率，斷面裂紋率。v2.厚度特性方向試驗厚度特性方向試驗 v對于造船、鍋爐壓力容器、特大型橋梁等重要焊接結(jié)構(gòu)的鋼板，不僅要求沿寬度和長度方向的力學性能，而且還要求厚度方向（Z向）有良好的抗層狀撕裂性能。鋼板的抗層狀撕裂性能采用厚度方向拉力試驗的Z向斷面收縮率來評定。執(zhí)行GB/T 5313-1985厚度方向性能鋼板 。v2.1層狀撕裂概念 v層狀撕裂指大型厚壁結(jié)構(gòu)，在焊接過程中會沿鋼板的厚度方向出現(xiàn)較大拉伸應(yīng)力，如果v鋼中有較多夾雜，那么沿鋼板軋制方向出現(xiàn)一種臺階狀裂紋，一般稱為層狀撕裂。v層狀撕裂一般在鋼表面難以發(fā)現(xiàn)，即使用UT檢測合格鋼板，仍可能經(jīng)焊接后出現(xiàn)層狀撕裂，層狀撕裂是一種內(nèi)部沿軋向

13、的應(yīng)力開裂，特征呈階梯狀，這是其他裂紋所沒有的。v層狀撕裂容易發(fā)生在較厚鋼板的十字形和T形接頭的多層焊時，以及在鋼板厚度方向承受大的拘束力的情況下 。一般對接接頭很少出現(xiàn)，但在焊趾和焊根處由于冷裂誘發(fā)也會出v現(xiàn)層狀撕裂。v層狀撕裂與冷裂紋不同，它的產(chǎn)生與鋼種強度無關(guān)，主要是鋼板中存在著非金屬夾雜物（主要是硫化物），使其鋼的連續(xù)性受到某種程度的破壞，加上結(jié)構(gòu)在板厚方向的拘束力、應(yīng)變過大造成的。因此，對某些重要焊接結(jié)構(gòu)的厚板，高拘束度焊接，要求鋼板在厚度方向具有較好的塑性，特別要在鋼板中減少非金屬夾雜物的存在，使其具有良好的抗層狀撕裂性能。 v2.2層狀撕裂的判據(jù)v由于層狀撕裂 的危害很嚴重，必須

14、在施工之前，對鋼材層狀撕裂 的敏感性進行判斷。常用方法有z向拉伸斷面收縮率和插銷z向臨界應(yīng)力。vz向拉伸斷面收縮率z為判據(jù)v一般為防止層狀撕裂 ， z15，希望z 1520， z25，抗層狀撕裂優(yōu)異。 v2.3防止層狀撕裂 的措施v1）.選用具有抗層狀撕裂鋼材，主要降低鋼種S%，如抗裂鋼。v2）設(shè)計和工藝上措施v.a.應(yīng)盡量避免單側(cè)焊縫，改用雙側(cè)焊縫，這樣可以緩和焊縫根部應(yīng)力狀態(tài)，并防止應(yīng)力集中。vb.在強度允許的情況下，盡量采用焊接量少的對稱角焊縫代替焊接量大的全焊透焊縫，v以避免過大的應(yīng)力。vC.應(yīng)在承受Z向應(yīng)力的一側(cè)開坡口。vd.對于T形接頭，可在橫板上預先堆焊一層低強熔敷金屬，以防止焊根出現(xiàn)裂紋。ve.為防止由冷裂引起的層狀撕裂，應(yīng)盡量采用一些防止冷裂的措施，如適當提高預熱。v焊接工藝評定焊接工藝評定v術(shù)語v焊接工藝評定:為驗證所擬定的焊件焊接工藝的正確性而進行的試驗過程及結(jié)果評價。v焊接工藝指導書：為驗證性試驗所擬定的、經(jīng)評定合格的、用于指導生產(chǎn)的焊接工藝文件。v焊接工藝評定報告：按規(guī)定格式記載驗證性試驗結(jié)果，對擬定焊接工藝的正確性進行評價的記錄報告。v總則v1.焊接工藝評定應(yīng)以可