哈工大威海焊接方法課件

1、第5章 焊接性及其試驗方法劉 多本章主要內(nèi)容5.1 焊接性定義及其分析方法5.2 焊接性試驗內(nèi)容和方法5.3 常用焊接性試驗方法5.1 焊接性定義及其分析方法一、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5.1 焊接性定義及其分析方法焊接性的內(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？125.1 焊接性定義及其分析方法二、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

2、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)的性能焊縫金屬的成分和性能焊接熱源，對接頭的保護焊前預(yù)熱，焊后熱處理影響傳熱、結(jié)晶、應(yīng)力狀態(tài)等低溫抗脆斷，高溫抗蠕變，交變載荷抗疲勞，抗腐蝕性能等三、焊接性分析方法5.1 焊接性定義及其分析方法工藝焊接性的角度：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)計提出的性能指標要求。5.2 焊接性試驗內(nèi)容和方法焊接性試驗內(nèi)容主要包括：1. 評價焊縫金屬抵抗產(chǎn)生熱裂紋的能力2

3、. 評價焊縫和熱影響區(qū)金屬抵抗產(chǎn)生冷裂紋的能力3. 評價焊接接頭抵抗脆性轉(zhuǎn)變的能力4. 評價焊接接頭的使用性能5.2 焊接性試驗內(nèi)容和方法1. 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。熱裂紋產(chǎn)生的傾向與母材、焊材及它們的匹配有關(guān)。2. 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。5.2 焊接性試驗內(nèi)容和方法3. 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

4、、組織脆化、熱應(yīng)變時效脆化等，導(dǎo)致接頭韌性下降。4. 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。5.2 焊接性試驗內(nèi)容和方法二、焊接性試驗方法分類工藝焊接性使用焊接性間接法直接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

5、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5.3 常用焊接性試驗方法一、焊接熱裂紋敏感性試驗方法1. 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，研究產(chǎn)生裂紋的規(guī)律。圖1. 可調(diào)拘束裂紋試驗裝置簡圖 a）縱向試驗法 b）橫向試驗法5.3 常用焊接性試驗方法2. 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（1-3mm)焊縫及熱影響區(qū)的熱裂紋敏感性。圖4.魚骨狀裂紋試驗試樣尺寸圖 9010104050AB125.3 常用焊接性試

6、驗方法二、焊接冷裂紋敏感性試驗方法 1. 促進焊接冷裂紋產(chǎn)生的三大主要因素 a. 淬硬組織 b. 擴散氫 c. 拘束應(yīng)力5.3 常用焊接性試驗方法焊后經(jīng)過不少于24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，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。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，因此一般認為若裂紋率不超過20%，則實際結(jié)構(gòu)焊接時就不會產(chǎn)生裂紋。5.3 常用焊接性試驗方法3. 插銷試驗 插銷試驗主要考核焊接熱影響區(qū)的氫致延遲裂紋敏感性。也可用于考核再熱裂紋和層狀裂紋等的敏感性。圖6.插銷試驗試棒、底板及熔敷焊道a)

7、環(huán)形缺口試棒 b)螺形缺口試棒5.3 常用焊接性試驗方法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響區(qū)的粗晶區(qū)內(nèi)。如不預(yù)熱，焊后冷卻至100-150時加載。如有預(yù)熱，應(yīng)在高于預(yù)熱溫度50-70時加載。在無預(yù)熱條件下，載荷保持16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24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)斷裂的臨界應(yīng)力值。第六章 低合金高強鋼的焊接 劉多主要內(nèi)容一 、鋼的分類二、低合金高強鋼的種類與性能三、低合金高強鋼的焊接性分析四、低合金高強鋼的焊接工藝要點五、典型低合金高強度鋼的焊接23一、鋼的分類 工業(yè)用

8、鋼的分類方法很多，可以按化學(xué)成分、性能、品質(zhì)、用途、內(nèi)部組織等進行分類。按用途分結(jié)構(gòu)鋼工具鋼特殊性能鋼專業(yè)用鋼24一、鋼的分類低合金高強鋼低合金特殊用鋼 低合金鋼(按用途)珠光體耐熱鋼 低溫鋼 低合金耐蝕鋼 26二、低合金高強鋼的種類與性能低合金高強鋼(按屈服強度級別和熱處理狀態(tài))熱軋鋼及正火鋼 s=294490MPa低碳調(diào)質(zhì)鋼 s=490980MPa 中碳調(diào)質(zhì)鋼 s=8801176MPa 27292. 低碳調(diào)質(zhì)鋼 熱處理屈服強度/ MPa含碳量低碳調(diào)質(zhì)鋼淬火+高溫回火490980要求wc0.22wt%，實際上都在0.18wt%以下二、低合金高強鋼的種類與性能302. 低碳調(diào)質(zhì)鋼 將鋼加熱到臨

9、界點Ac3或(亞共析鋼)或Ac1 (過共析鋼)以上一定溫度，保溫一定時間，然后以大于臨界淬火速度的速度冷卻，使過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體(或貝氏體)組織的熱處理工藝稱為淬火。二、低合金高強鋼的種類與性能312. 低碳調(diào)質(zhì)鋼 將淬火鋼在A1以下溫度加熱，使其轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的回火組織，并以適當?shù)姆绞嚼鋮s到室溫的熱處理工藝稱為回火?；鼗鸬蜏鼗鼗?150250 回火馬氏體中溫回火 350500 回火屈氏體高溫回火 500650 回火索氏體二、低合金高強鋼的種類與性能322. 低碳調(diào)質(zhì)鋼 低碳調(diào)質(zhì)鋼高強度結(jié)構(gòu)鋼 b=600800MPa 14MnMoNbB高強度耐磨鋼b=10001300MPa HQ100高強度高

10、韌性鋼 b=600800MPa 12Ni3CrMoV二、低合金高強鋼的種類與性能33343. 中碳調(diào)質(zhì)鋼 熱處理屈服強度/ MPa含碳量特點中碳調(diào)質(zhì)鋼淬火+高溫回火8801176wc=0.220.45wt% 淬透性大，焊接性差二、低合金高強鋼的種類與性能3536夾雜氣孔裂紋熱裂紋冷裂紋再熱裂紋應(yīng)力腐蝕裂紋層狀撕裂冶金缺陷性能變化接頭脆化接頭軟化工藝焊接性三、低合金高強鋼的焊接性分析37常規(guī)力學(xué)性能耐磨性能使用焊接性低溫韌性抗脆斷性能高溫蠕變性能疲勞性能耐腐蝕性能三、低合金高強鋼的焊接性分析38三、低合金高強鋼的焊接性分析1. 熱裂紋（1）熱軋鋼及正火鋼的熱裂紋敏感性 由于含C量較低，含Mn量較

11、高，熱軋鋼及正火鋼具有較好的抗熱裂紋能力。但是，當材料本身不合格,或發(fā)生嚴重偏析、局部C,S含量高時，也會出現(xiàn)熱裂紋。焊縫中結(jié)晶裂紋分布示意圖39（2）低碳調(diào)質(zhì)鋼的熱裂紋敏感性三、低合金高強鋼的焊接性分析 低碳調(diào)質(zhì)鋼含C量較低，含Mn量較高，一般也無熱裂紋傾向。 但對于一些高Ni低Mn類型的低碳調(diào)質(zhì)鋼而言，熱裂傾向會相應(yīng)增加。此時可通過選擇合適的焊接材料，提高焊縫含Mn量，結(jié)晶裂紋是可避免的。但同時要注意液化裂紋的產(chǎn)生，應(yīng)盡量減少焊接熱輸入，降低焊接應(yīng)力。40（3）中碳調(diào)質(zhì)鋼的熱裂紋敏感性三、低合金高強鋼的焊接性分析 中碳調(diào)質(zhì)鋼含碳量及合金元素含量都很高，具有較大的熱裂傾向。 焊接時應(yīng)注意選擇

12、含C量低，含S、P雜質(zhì)少的焊接材料。如30CrMnSi鋼，含碳量和含硅量都很高，熱裂傾向較大，需采用低碳低硅焊絲，如H18CrMoA等，以提高焊縫金屬的抗熱裂紋能力。41（4）熱裂紋的防止措施三、低合金高強鋼的焊接性分析 嚴格控母材和焊縫金屬中的C、S、P和其它易形成低熔點共晶的合金元素Nb、Ni、Si等的含量。若將母材的C、S、P質(zhì)量分數(shù)分別控制在0.12%，0.01%和0.02%以下，則即使熱輸入較高也不會產(chǎn)生熱裂紋。有Nb存在時，其質(zhì)量分數(shù)不應(yīng)超過0.03%。若焊接母材已選定，且C、S、P含量超過上述限制，則應(yīng)注意選擇低碳低硫的焊接材料來調(diào)整焊縫金屬成分。將焊縫金屬中C、S、P質(zhì)量分數(shù)分

13、別控制在0.12%，0.025%和0.025%以下是必要的。焊絲成分中應(yīng)避免采用易形成低熔點共晶的合金元素，而適當加入Mo、W、V等能細化晶粒的元素，以提高焊縫抗裂性能。采用堿性焊條或焊劑獲得的焊縫金屬，與采用酸性焊條的相比，具有更好的抗熱裂紋能力。冶金措施42三、低合金高強鋼的焊接性分析 設(shè)計合理的坡口形狀和尺寸，規(guī)定適當?shù)慕宇^裝配間隙，以降低母材在焊縫金屬中所占的比例。調(diào)整焊接參數(shù)，如降低焊接電流，以增大焊縫的成形系數(shù)，即增大熔寬與熔深的比例。降低焊接熱輸入，適當加快焊接速度，從而提高焊縫金屬的結(jié)晶速度，以降低晶間偏析的程度。合理控制焊前預(yù)熱溫度及多層焊的層間溫度。預(yù)熱溫度適當，能夠降低焊

14、縫金屬的應(yīng)變速率，從而降低熱裂傾向。但過高預(yù)熱溫度和層間溫度會延長熔池在高溫狀態(tài)下的停留時間，降低結(jié)晶速度，反而加重晶間偏析，增大了熱裂可能性。工藝措施43三、低合金高強鋼的焊接性分析2. 冷裂紋 在低合金高強度鋼的焊接接頭中，大多數(shù)冷裂紋是由淬硬組織、氫的富集以及拘束應(yīng)力共同作用產(chǎn)生的。且隨著鋼材強度級別的提高，其冷裂敏感性相應(yīng)提高。（1）熱軋鋼及正火鋼的冷裂紋敏感性 在低合金高強度鋼中，熱軋鋼的冷裂傾向是最小的。但與低碳鋼相比，熱軋鋼由于含有少量合金元素而增加了淬硬性，其冷裂傾向比低碳鋼要稍大一些。 與Q345(16Mn)等熱軋鋼相比，正火鋼由于合金元素稍多，強度級別提高，淬硬傾向有所增加

15、。在正火鋼中，強度級別和碳含量較低時，冷裂傾向不大，但隨著合金元素含量、強度級別以及板厚的增加，其淬硬性和冷裂傾向都隨之增大。44（2）低碳調(diào)質(zhì)鋼的冷裂紋敏感性 低碳調(diào)質(zhì)鋼的合金化原理就是在低碳鋼的基礎(chǔ)上，通過加入多種提高淬透性的合金元素來保證獲得強度高、韌性好的低碳馬氏體和部分貝氏體的混合組織。 從淬透性角度來看，這類鋼淬硬傾向較大，本應(yīng)具有較大的冷裂紋傾向。 但由于含碳量較低，熱影響區(qū)的粗晶區(qū)形成的是低碳馬氏體，由于馬氏體起始轉(zhuǎn)變點Ms點較高，如果在該溫度下冷卻速度較慢，則生成的馬氏體在隨后的焊接冷卻過程中還來得及進行一次“自回火”處理，提高塑性、韌性和抗冷裂紋能力，因此，實際上冷裂紋傾向

16、并不一定很大。三、低合金高強鋼的焊接性分析45（3）中碳調(diào)質(zhì)鋼的冷裂紋敏感性 中碳調(diào)質(zhì)鋼由于含碳量比較高，合金元素也較多，其淬硬傾向很明顯，故冷裂紋傾向很大。 此外，由于中碳調(diào)質(zhì)鋼Ms點較低，造成在低溫下形成的馬氏體不能實現(xiàn)“自回火”。 再者，因為馬氏體的含碳量較高，過飽和度大，晶格點陣畸變嚴重，導(dǎo)致硬度和脆性加大，顯著增大了冷裂紋的敏感性。 因此，除采取預(yù)熱外，焊后還必須及時進行回火等熱處理，以有效防止冷裂紋的產(chǎn)生。三、低合金高強鋼的焊接性分析46（4）冷裂紋的防止措施采用低強度的熔敷金屬。采用比母材強度低的焊接材料，能夠降低接頭的應(yīng)力水平，提高整個接頭的抗冷裂性。母材強度越高，該方法效果越

17、明顯。建立低氫的焊接環(huán)境。需控制保護氣體內(nèi)的水分及鋼板表面、焊材的水分，有時對焊接區(qū)周圍大氣的相對濕度也要加以控制。選擇低氫的焊接方法。CO2氣體保護焊或富氬混合氣體保護焊可顯著降低焊縫金屬的含氫量。這是因為電弧氣氛是活性的，能使氫離子形成不溶于液態(tài)金屬的OH和水蒸氣而排除掉。另外，焊條電弧焊和埋弧焊目前仍是焊接低合金高強鋼的主要方法，通過對焊條藥皮和焊劑的改進，也可有效降低焊縫氫含量。三、低合金高強鋼的焊接性分析47焊前預(yù)熱。是防止低合金鋼接頭中產(chǎn)生冷裂紋的最有效措施之一。目前已經(jīng)制定了很多規(guī)程對所認可的鋼種亦規(guī)定了最低預(yù)熱溫度。焊后低溫熱處理。是指焊接結(jié)束后將工件或整條焊縫立即加熱到150

18、-250溫度范圍，并保持一定時間。該方法能有效降低接頭在低溫轉(zhuǎn)變區(qū)的冷卻速度，同時使焊縫中的氫有充分時間擴散掉，還可使焊縫及附近區(qū)域因熱膨脹而受到壓應(yīng)力作用，明顯降低接頭冷裂傾向。焊后脫氫處理。對于強度級別較高的鋼種，由于氫的作用極易在焊縫或熱影響區(qū)中產(chǎn)生延遲裂紋，而這種裂紋很難通過預(yù)熱消除。因此，為了降低延遲裂紋敏感性，一般將整個接頭焊后立即在300以上溫度加熱一段時間進行焊后脫氫處理。一般推薦300-400，時間為1-2小時，且必須在焊接結(jié)束后立即進行。三、低合金高強鋼的焊接性分析48三、低合金高強鋼的焊接性分析3. 再熱裂紋 某些低合金高強度鋼在焊后600左右消除應(yīng)力熱處理過程中或焊后在

19、500-600的高溫及高壓條件下運行時，在熔合區(qū)附近的粗晶區(qū)可能產(chǎn)生再熱裂紋。（1）再熱裂紋敏感性 熱軋鋼由于不含強碳化物形成元素，因而對再熱裂紋不敏感。而有些正火鋼具有輕微的再熱裂紋敏感性。 調(diào)質(zhì)鋼由于加入了一些增強淬透性和抗回火性的合金元素，而這些元素大多是能引起再熱裂紋的元素，因此焊接中要注意該鋼種的再熱裂紋問題。 除了化學(xué)成分以外，鋼的顯微組織和應(yīng)力狀態(tài)對再熱裂紋也有直接影響。過熱區(qū)的粗晶和焊縫厚度方向的殘余拉應(yīng)力也會導(dǎo)致再熱裂紋發(fā)生。49三、低合金高強鋼的焊接性分析（2）再熱裂紋防止措施1 控制鋼材和焊縫成分。 降低母材中含碳量及雜質(zhì)含量；控制焊縫金屬成分，采用強度略低于母材或能快速

20、釋放應(yīng)力的焊縫金屬。減少過熱區(qū)粗晶組織。 采用合理的焊接工藝，降低焊接熱輸入；采用窄坡口和窄焊道技術(shù)，均可有效降低接頭過熱區(qū)的粗晶比例。合理調(diào)整消除應(yīng)力處理工藝。 焊件并不是在處理工藝的整個溫度范圍內(nèi)都可能形成再熱裂紋，而是存在一個再熱裂紋的敏感溫區(qū)。因此最好避開這個溫區(qū)進行消除應(yīng)力處理。必要時可進行多級熱處理，先將焊件在略低于敏感溫區(qū)下限的溫度進行較長時間的處理，然后在規(guī)定的熱處理溫度下做短時處理。降低焊接應(yīng)力及應(yīng)力集中。 采用合理的坡口形狀、焊接次序和焊前預(yù)熱，可有效降低接頭中殘余應(yīng)力的峰值。盡量分開布置焊縫，同時要消除幾何形狀不連續(xù)和表面缺陷引起的應(yīng)力集中。50三、低合金高強鋼的焊接性分

21、析4. 層狀撕裂 層狀撕裂多出現(xiàn)在鋼制結(jié)構(gòu)的施焊或使用過程中，是軋制板材中存在層狀夾雜物條件下，在板材厚度方向上受到較大拉應(yīng)力時產(chǎn)生的。一般來說，層狀撕裂的產(chǎn)生不受鋼材種類和強度級別的限制，但與板厚有關(guān)，板厚在16mm以下一般不容易產(chǎn)生層狀撕裂。（1）層狀撕裂的敏感性 如果采取特殊的脫硫、除氣和夾雜物形態(tài)控制等冶金措施，可以得到抗層狀撕裂很好的鋼材。 但一般冶煉條件下生產(chǎn)的熱軋鋼和正火鋼都達不到如此要求，因而對層狀撕裂具有一定的敏感性。 大多數(shù)調(diào)質(zhì)鋼對夾雜物控制較嚴，純凈度較高，對層狀撕裂敏感性很低。但對于板厚方向承受特大載荷的結(jié)構(gòu)，還存在層狀撕裂的可能性。51（2）層狀撕裂的防止選擇抗層狀撕

22、裂的鋼材。層狀撕裂的產(chǎn)生與鋼材的化學(xué)成分和冶煉條件有關(guān)。應(yīng)盡量降低硫等雜質(zhì)的含量，控制夾雜物的數(shù)量、形態(tài)及分布，從本質(zhì)上解決層狀撕裂問題。設(shè)計合理的焊接結(jié)構(gòu)。 焊接結(jié)構(gòu)的種類、焊縫形狀和尺寸以及焊接次序等都對層狀撕裂的產(chǎn)生有重要影響。設(shè)計時，應(yīng)注意盡量使結(jié)構(gòu)不在過大的拘束狀態(tài)下施焊和使用，使用簡單的結(jié)構(gòu)形式，相鄰接頭之間保持一定距離，盡量采用對接形式的接頭，避免角接頭，應(yīng)盡量采用雙側(cè)焊縫以改善焊縫根部的應(yīng)力狀態(tài)，防止應(yīng)力集中。三、低合金高強鋼的焊接性分析52三、低合金高強鋼的焊接性分析5. 脆化和軟化（1）過熱區(qū)的脆化 熱軋鋼的焊接接頭的脆化因含碳量不同而異。以Q345(16Mn)鋼為例，當碳

23、含量小于0.12%時，脆化一般是由于過熱區(qū)晶粒粗化而形成魏氏組織造成的；當碳含量較高時，除魏氏組織引起的脆化外，在發(fā)生偏析等情況時還會出現(xiàn)由于形成高碳馬氏體組織而引起的脆化。 正火鋼的脆化不僅與晶粒粗化有關(guān)，而且與沉淀強化的元素有關(guān)。熔合區(qū)附近母材被加熱到近熔點的高溫，碳化物或氮化物幾乎完全溶于奧氏體中。即使焊接冷卻速度較慢，碳化物形成元素（如Ti，V）也來不及析出而留存在固溶體中。導(dǎo)致鐵素體硬度提高，韌性下降。如果焊后對接頭重新正火，可使正火鋼的塑形和韌性得到恢復(fù)。 低碳調(diào)質(zhì)鋼存在一個韌性最佳的組織，即馬氏體和10%-30%的下貝氏體，因此對應(yīng)該組織的冷卻時間則可作為最佳冷卻時間。 中碳調(diào)質(zhì)

24、鋼含碳量較高，合金元素含量較多，過熱區(qū)很容易形成硬而脆的高碳馬氏體，因此脆化傾向較嚴重。5354（2）熱影響區(qū)的軟化 焊接熱影響區(qū)的軟化主要出現(xiàn)在低碳調(diào)質(zhì)鋼和中碳調(diào)質(zhì)鋼焊接中。在焊接熱循環(huán)作用下，熱影響區(qū)的峰值溫度介于Ac1與母材回火溫度之間的區(qū)域，相當于經(jīng)受了高于原來母材回火溫度的一個回火處理，強度和硬度降低，即會出現(xiàn)局部軟化現(xiàn)象。調(diào)質(zhì)鋼強度級別越高，軟化問題越突出。 解決軟化問題的最好措施就是焊后重新進行調(diào)質(zhì)處理，如果不能進行重新調(diào)質(zhì)處理，則應(yīng)注意焊接方法的選擇和焊接熱輸入的控制。三、低合金高強鋼的焊接性分析55四、低合金高強鋼的焊接工藝要點1. 焊接方法及熱輸入（1）焊接方法 對于正火鋼

25、和熱軋鋼，焊條電弧焊、埋弧焊、氣體保護電弧焊等常規(guī)焊接方法都可以采用，主要根據(jù)材料厚度、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和施工條件來選擇。 低碳調(diào)質(zhì)鋼存在高溫回火軟化問題，如果焊后進行調(diào)質(zhì)處理，常用的弧焊方法都可以。如不進行焊后調(diào)質(zhì)處理，則要限制母材的焊接熱輸入。對于強度級別超過980MPa的低碳調(diào)質(zhì)鋼，最好采用鎢極氬弧焊和電子束焊等能量集中的焊接方法；強度級別低于980MPa的低碳調(diào)質(zhì)鋼，可采用焊條電弧焊、埋弧焊、熔化極氣保焊和鎢極氬弧焊等方法。 中碳調(diào)質(zhì)鋼對焊接方法沒有限制。中碳調(diào)質(zhì)鋼焊后的淬火組織是硬脆的高碳馬氏體，對冷裂紋極其敏感，且存在過熱區(qū)脆化和熱影響區(qū)軟化的問題，所以焊后必須進行熱處理，使熱影響區(qū)性能滿

26、足要求。因此，中碳調(diào)質(zhì)鋼一般經(jīng)過退火-焊接-整體調(diào)質(zhì)處理得到滿足要求的接頭。 56（2）焊接熱輸入 各種正火鋼和熱軋鋼焊接接頭的脆化程度、脆化原因和冷裂傾向是不同的，對熱輸入的要求就不同。對于含碳量偏低的熱軋鋼如Q295，可適當降低焊接熱輸入，以免過熱區(qū)粗化形成魏氏組織；對于含碳量較高的如Q345，可適當加大焊接熱輸入，來降低淬硬傾向，防止冷裂紋產(chǎn)生。 低碳調(diào)質(zhì)鋼的熱影響區(qū)的強度、塑性和韌性是靠低碳馬氏體和下貝氏體提供的。熱影響區(qū)冷卻速度如果過低，奧氏體將轉(zhuǎn)變?yōu)榇执筘愂象w，對于強度和韌性都不利；然而過高的冷卻速度也會到時抗裂性和塑性的下降。因此低碳調(diào)質(zhì)鋼有一個最佳冷卻速度范圍。 中碳調(diào)質(zhì)鋼一般

27、采用較小的焊接熱輸入，有利于降低奧氏體的過熱。這是因為即使采用大的焊接熱輸入，熱影響區(qū)仍要產(chǎn)生馬氏體，但這一大的熱輸入增大了奧氏體的穩(wěn)定性，結(jié)果使淬火區(qū)形成粗大的馬氏體，反而增大了脆化和冷裂傾向。 四、低合金高強鋼的焊接工藝要點57四、低合金高強鋼的焊接工藝要點2. 焊接材料（1）熱軋鋼及正火鋼的焊接材料 對于正火鋼和熱軋鋼，焊縫金屬熱裂紋傾向較小，有一定的冷裂紋傾向，一般可按照等強原則選擇焊接材料，厚板或重要結(jié)構(gòu)優(yōu)先選擇低氫焊條和偏堿性焊劑。 熱軋鋼及正火鋼可選用的焊接材料58四、低合金高強鋼的焊接工藝要點（續(xù)）59（2）低碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接材料 低碳調(diào)質(zhì)鋼一般也按照等強原則進行焊接材料的選擇。

28、但是當結(jié)構(gòu)剛度較大時，可選擇比母材強度稍低的焊接材料，以防止冷裂紋的形成。 四、低合金高強鋼的焊接工藝要點60（3）中碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接材料中碳調(diào)質(zhì)鋼焊接：退火（回火） 焊接 整體調(diào)至處理。焊材的選擇：考慮冷裂紋和熱裂紋的敏感性。降低焊縫中硫和磷含量，控制焊縫含碳量和含硅量，使焊縫金屬的成分盡量與母材相似，以保證在焊后調(diào)質(zhì)處理后達到等強。 對于必須在調(diào)質(zhì)下焊接的構(gòu)件，由于焊后不再進行調(diào)質(zhì)處理，因此選擇焊材時沒有必要考慮熱處理規(guī)范對焊縫性能的影響，可以不用和母材成分匹配的焊材。由于母材強度高，剛性大，直接在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接，冷裂紋傾向嚴重，所以有時采用抗裂性好的純奧氏體焊接材料。 四、低合金高強鋼的焊

29、接工藝要點61四、低合金高強鋼的焊接工藝要點62四、低合金高強鋼的焊接工藝要點3. 接頭設(shè)計和輔助措施（1）接頭設(shè)計準則： 應(yīng)力集中盡可能小焊接可達性好便于焊后檢驗63四、低合金高強鋼的焊接工藝要點（2）焊前預(yù)熱：可有效防止冷裂紋。 鋼的化學(xué)成分板厚焊接結(jié)構(gòu)形狀拘束度環(huán)境溫度預(yù)熱溫度中碳調(diào)質(zhì)鋼焊接時都需要預(yù)熱，預(yù)熱溫度200-35064（3）焊后熱處理 四、低合金高強鋼的焊接工藝要點焊后低溫熱處理：焊后立即將焊件加熱至150-250區(qū)間并保溫一段時間的處理工藝。 目的：降低接頭在低溫轉(zhuǎn)變區(qū)的冷卻速度，降低接頭冷裂傾向。 熱軋鋼、正火鋼以及低碳調(diào)質(zhì)鋼一般不需要焊后低溫熱處理。中碳調(diào)質(zhì)鋼焊后應(yīng)立即

30、采取低溫熱處理，防止冷裂紋產(chǎn)生。消除應(yīng)力處理：將焊件以一定的速度均勻加熱到Ac1點以下足夠高的溫度并保持一段時間，所用溫度一般比母材回火溫度低30-60。 主要應(yīng)用于：板厚較大、焊接殘余應(yīng)力較大、低溫工作、承受動載荷或有應(yīng)力腐蝕要求等結(jié)構(gòu)。65四、低合金高強鋼的焊接工藝要點3. 焊后正火處理：正火鋼焊接接頭的過熱區(qū)由于高溫而破壞了綜合性能良好的正火態(tài)組織，回到了正火前的熱軋狀態(tài)。 4. 焊后調(diào)質(zhì)處理：焊后正火處理恢復(fù)到焊前狀態(tài)正火溫度一般應(yīng)比Ac3高30-50，正火時間一般按照每毫米厚度1-2min計算。500MPa強度級別提高接頭強度和韌性調(diào)質(zhì)處理淬火溫度一般比Ac3高30-50，保溫一段時

31、間后，在水中急冷，然后按母材的回火溫度進行回火。66五、典型低合金高強度鋼的焊接1. 正火鋼Q345（14MnNb）的焊接由對接、角接和棱角接頭組成的箱型梁手工定位焊對接接頭埋弧焊開破口角接頭埋弧焊棱角接頭埋弧焊67五、典型低合金高強度鋼的焊接2. 低碳調(diào)質(zhì)鋼HQ80C的焊接采用HS-80A（H08MnNi2MoA），富氬氣體保護焊，焊接HQ80C鋼，可成功制造40t汽車起重機的活動支腿。3. 中碳調(diào)質(zhì)鋼35CrMoA的焊接在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下具有高強度和較好的焊接性，因此當構(gòu)件剛度不太大，且采用熔化極氣體保護焊時，無需采用預(yù)熱及消除應(yīng)力熱處理即可獲得較好接頭。第七章 不銹鋼及耐熱鋼的焊接劉 多主要內(nèi)

32、容一、不銹鋼及耐熱鋼的成分及性能二、不銹鋼及耐熱鋼的焊接性分析三、不銹鋼及耐熱鋼的焊接工藝四、典型不銹鋼及耐熱鋼的焊接69一、不銹鋼及耐熱鋼的成分及性能按化學(xué)成分不銹鋼：Cr系不銹鋼；Cr-Ni系不銹鋼耐熱鋼： Cr系； Cr-Mo系； Cr-Mo-V系； Cr-Ni系701.不銹鋼及耐熱鋼的成分與分類按組織分鐵素體鋼：w(Cr)=17%-30% ，如 1Cr17。奧氏體鋼 ：以Cr-Ni系鋼為主，主要有Cr18Ni8系列(1Cr18Ni9Ti)和Cr25Ni20系列(2Cr25Ni20Si2)。沉淀硬化鋼：經(jīng)時效處理進行析出強化，有馬氏體沉淀強化鋼(0Cr17Ni4Cu4)和半奧氏體沉淀強化

33、鋼(0Cr17Ni7Al)。馬氏體鋼：以Cr13系列鋼為主，分為普通 Cr13馬氏體鋼(1Cr13)、熱強馬氏體鋼(2Cr12MoV)和超低碳復(fù)相馬氏體鋼 (超細化M+)。鐵素體-奧氏體雙相鋼：鐵素體占60%-40%，4奧氏體占40%-60% ，如00Cr18Ni5Mo3Si2。71一、不銹鋼及耐熱鋼的成分及性能722.不銹鋼的耐蝕性能一、不銹鋼及耐熱鋼的成分及性能（1）均勻腐蝕：不銹鋼與氧化性酸作用時，表面會形成穩(wěn)定的鈍化層，不易產(chǎn)生腐蝕。與還原性酸作用時，會根據(jù)鋼的組織和成分不同產(chǎn)生不同程度的腐蝕。（2）點蝕和縫隙腐蝕：點蝕是指金屬表面產(chǎn)生小孔狀或小坑狀的腐蝕，其直徑一般等于或小于深度；縫

34、隙腐蝕是指在金屬結(jié)構(gòu)的各種縫隙處產(chǎn)生的腐蝕。二者均由電化學(xué)作用所致。奧氏體鋼雙相不銹鋼鐵素體鋼馬氏體鋼耐蝕性減弱不銹鋼點蝕形核新機制舉例73一、不銹鋼及耐熱鋼的成分及性能By S.J. Zheng et.al. Acta Materialia 58 (2010) 50705085TEMEDSTEM-3D在鹽水作用下不銹鋼點蝕初期硫化錳夾雜局域溶解位置。確定出硫化錳內(nèi)含有彌散分布的具有尖晶石結(jié)構(gòu)的氧化物(MnCr2O4)納米顆粒。硫化錳的局域溶解正是起始于它與該氧化物顆粒的界面，并由此逐步向材料體內(nèi)擴展。這些氧化物納米顆粒通常具有特定的八面體外形。74（3）晶間腐蝕：在腐蝕介質(zhì)作用下，起源于金屬

35、表面沿晶界深入金屬內(nèi)部的腐蝕。 敏化溫度區(qū)間 “貧鉻”現(xiàn)象（4）應(yīng)力腐蝕：在一定的溫度和應(yīng)力條件下，在特定的電化學(xué)介質(zhì)中，不銹鋼均有產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的可能。一、不銹鋼及耐熱鋼的成分及性能固溶處理可改善耐晶間腐蝕性能，另外，應(yīng)盡量提高Ti、Nb等強碳化物形成元素，可降低鉻的碳化物形成傾向。753.不銹鋼及耐熱鋼的力學(xué)性能一、不銹鋼及耐熱鋼的成分及性能不銹鋼的力學(xué)性能：不銹鋼常溫力學(xué)性能與其微觀組織有著密切關(guān)系。比如馬氏體退火狀態(tài)下強度低，塑性韌性好，但一經(jīng)淬火處理，抗拉強度提高、塑性韌性降低。奧氏體鋼抗拉強度高，塑性韌性也好，但是屈服點較低。耐熱鋼的耐熱性能：在高溫下既有抗氧化或耐氣體介質(zhì)腐蝕的性能

36、，同時又有足夠的強度。鋼表面要避免形成Fe3O4，F(xiàn)e2O3疏松氧化膜，因此，通過添加合金元素，形成Cr2O3，Al2O3等致密牢固的氧化膜，提高抗氧化能力。764.不銹鋼及耐熱鋼的物理性能 一般來說，鋼中合金元素含量越多，鋼的熱導(dǎo)率越小，線膨脹系數(shù)和電阻率越大。一、不銹鋼及耐熱鋼的成分及性能逐漸減小密度線膨脹系數(shù)熱導(dǎo)率奧氏體鋼低碳鋼鐵素體和馬氏體鋼電阻率奧氏體鋼低碳鋼鐵素體和馬氏體鋼奧氏體鋼鐵素體鋼馬氏體鋼低碳鋼低碳鋼鐵素體和馬氏體鋼奧氏體鋼二、不銹鋼及耐熱鋼的焊接性分析771. 焊接接頭的組織演變 Creq/Nieq比值 舍夫勒圖 四種凝固模式鐵素體鋼：一般在室溫下具有純鐵素體組織，強度不

37、很高，塑性韌性良好。加熱到高溫，會有少量奧氏體組織出現(xiàn)，焊接冷卻時也可能出現(xiàn)少許馬氏體組織，或析出少量脆性相。78二、不銹鋼及耐熱鋼的焊接性分析奧氏體鋼：一般經(jīng)固溶處理后供貨，具有較好的塑性和韌性。固溶處理使得鉻的碳化物固溶到奧氏體中，獲得穩(wěn)定的奧氏體，提高了耐蝕性。奧氏體鋼較容易焊接，對氫不敏感，接頭在焊態(tài)下塑性韌性良好。但需要注意合理選擇焊接工藝和焊材，避免出現(xiàn)晶間腐蝕和熱裂紋等缺陷。雙相鋼：焊接性良好。合理選擇焊接材料不會發(fā)生焊接熱裂紋和冷裂紋。接頭耐應(yīng)力腐蝕、點蝕和縫隙腐蝕能力優(yōu)于奧氏體鋼?？咕чg腐蝕能力與奧氏體鋼相當。但注意熔合線附近鐵素體晶粒不可避免的粗大，會降低耐蝕性。792.

38、焊接接頭的耐蝕性 （1）晶間腐蝕： 焊縫區(qū)的晶間腐蝕：多層多道焊時，后一層焊縫對前一層的加熱處于敏化溫度區(qū)域時，在晶界處容易出現(xiàn)貧鉻現(xiàn)象。 防止措施：選擇超低碳或添加鈦或鈮等元素的焊材；減少敏化溫度范圍停留時間；焊后加熱到1050-1150固溶處理后淬火，使晶界處碳化物溶入晶粒內(nèi)部，形成均勻奧氏體。 熱影響區(qū)的晶間腐蝕：主要出現(xiàn)在焊接熱影響區(qū)中加熱峰值溫度處于600-1000的區(qū)域。 防止措施：選擇超低碳或含鈦或鈮的奧氏體不銹鋼母材；選用小熱輸入、快速冷卻的焊接工藝等。 熔合區(qū)的刀狀腐蝕：當母材中不含鈦、鈮或碳含量低于0.06%時，奧氏體鋼焊后是不易出現(xiàn)刀狀腐蝕的。焊接時，溫度超過1200的熔

39、合區(qū)部位，母材中TiC發(fā)生溶解，游離的Ti和C將固溶到晶粒內(nèi)。冷卻時，C擴散并偏聚于晶界處，Ti來不及擴散，使得晶界處C處于過飽和狀態(tài)。之后同樣會造成貧鉻現(xiàn)象，出現(xiàn)刀狀腐蝕。二、不銹鋼及耐熱鋼的焊接性分析80二、不銹鋼及耐熱鋼的焊接性分析（2）點蝕： 最容易產(chǎn)生點蝕的部位是熔合區(qū)，因為該區(qū)域化學(xué)成分極不均勻。焊縫中心由于Cr和Mo的偏析也會產(chǎn)生點蝕。大量試驗證明，提高焊縫中Ni含量，晶軸中Cr和Mo的偏析減少，有利于防止點蝕。（3）應(yīng)力腐蝕 應(yīng)力腐蝕裂紋往往以點蝕、縫隙腐蝕為起始點，裂紋形態(tài)一般有分支特征。 雙相不銹鋼具有優(yōu)良的耐應(yīng)力腐蝕性能，原因是： a. 雙相不銹鋼屈服強度比奧氏體不銹鋼高

40、，產(chǎn)生表面滑移所需的應(yīng)力水平高。在相同的腐蝕介質(zhì)中，開裂較難。 b. 雙相不銹鋼中一般含有Mo元素，Cr含量也很高，耐點蝕能力強，開裂缺乏起始點。 c. 雙相不銹鋼中兩相的電極電位不同，裂紋在他們之間的擴展機制不同，對裂紋擴展起到一定的抑制或減緩作用。81二、不銹鋼及耐熱鋼的焊接性分析3. 焊接接頭的裂紋 奧氏體鋼接頭中易出現(xiàn)熱裂紋，并以結(jié)晶裂紋為主，有時也可能出現(xiàn)液化裂紋。這是因為（1）奧氏體鋼熱導(dǎo)率小，線膨脹系數(shù)大，在焊接局部加熱和冷卻下，接頭在冷卻過程中易形成較大拉應(yīng)力。（2）奧氏體鋼易于結(jié)晶形成方向性強的柱狀晶組織，促使形成晶間液膜。（3）奧氏體鋼焊縫合金成分復(fù)雜易形成低熔點共晶液膜，

41、導(dǎo)致產(chǎn)生熱裂紋。 某些奧氏體-鐵素體雙相鋼中也會出現(xiàn)熱裂紋。 馬氏體鋼對冷裂紋較為敏感：焊接冷卻速度較快時，接頭熔合區(qū)及其附近的熱影響區(qū)總會形成淬硬的馬氏體組織。隨著含碳量增加，導(dǎo)致馬氏體轉(zhuǎn)變溫度下降，硬度提高，韌性降低。隨淬硬傾向的增大，接頭對冷裂更加敏感，尤其有氫存在時，馬氏體鋼還會產(chǎn)生更危險的氫致延遲裂紋。 鐵素體鋼的裂紋敏感性較低。82二、不銹鋼及耐熱鋼的焊接性分析4. 焊縫金屬的脆化 （1）焊縫的粗晶脆化：鐵素體不銹鋼焊接接頭易出現(xiàn)粗晶脆化。鐵素體組織十分穩(wěn)定，在熔化前幾乎不會發(fā)生相變，加熱時有很強的晶粒長大傾向。從而降低塑性，導(dǎo)致粗晶脆化。一般，晶粒粗化的程度取決于峰值溫度和停留時

42、間。 （2）焊縫的相脆化： 相是一種硬脆而無磁性的鐵鉻金屬間化合物FenCrm(硬度高達800-1000HV)，具有可變成分與復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)。它的形成與焊縫金屬的成分、加熱溫度和保溫時間等因素有關(guān)。 相的形成依賴于Cr，Ni原子的擴散，形成速度較慢，因此對于大多數(shù)鋼，焊接加熱和焊后熱處理都不易形成相脆化，然而，對于長期工作于850-650溫區(qū)的耐熱鋼結(jié)構(gòu)件， 相脆化就不可忽視了。 （3）焊縫的475脆化：主要出現(xiàn)在Cr的質(zhì)量分數(shù)超過15%的鐵素體鋼或含鐵素體較高的雙相鋼中。在430-480溫區(qū)長時間加熱并緩慢冷卻，就會導(dǎo)致常溫或低溫時出現(xiàn)的脆化現(xiàn)象。83二、不銹鋼及耐熱鋼的焊接性分析5. 異種

43、鋼接頭成分不均勻性 珠光體鋼與奧氏體鋼焊接必須注意： 一是采用超合金化焊接材料，避免形成單相奧氏體焊縫，以減小熱裂傾向。 二是選擇焊材時，在含Cr量一定時，適當提高焊縫含Ni量，降低熔合區(qū)碳的擴散遷移和熔合線附近焊縫區(qū)馬氏體脆化層寬度。 三、不銹鋼及耐熱鋼的焊接工藝1.鐵素體鋼的焊接工藝 焊材選擇：采用同質(zhì)焊接材料時，由于鐵素體穩(wěn)定化元素多，焊縫金屬粗化嚴重，韌性差，因此應(yīng)盡量限制焊接材料中的雜質(zhì)含量，同時添加Ti，Nb等元素進行晶粒細化。采用異質(zhì)奧氏體鋼焊材時，預(yù)熱和焊后熱處理可以免除，但焊后不可退火處理，因為鐵素體鋼退火溫度范圍（787-843）正好處在奧氏體鋼的敏化溫度區(qū)間，容易產(chǎn)生晶間

44、腐蝕及脆化。 工藝要點：焊條電弧焊、TIG、MIG、有時也用埋弧焊。 鐵素體鋼韌性本來就低，焊后在熱影響區(qū)還容易出現(xiàn)高溫脆性，因此焊前必須要預(yù)熱（100-150），既使焊后焊件降溫變緩，又能緩解焊后應(yīng)力。 焊接過程中應(yīng)該采取較小的熱輸入。 焊后常在750-850 進行退火處理，既可消除晶間腐蝕傾向，還能改善韌性。退火后，應(yīng)快速冷卻，以防止相脆化和475脆化84三、不銹鋼及耐熱鋼的焊接工藝2.馬氏體鋼焊接工藝 焊材選擇：采用同質(zhì)焊接材料時，同時考慮焊縫金屬組織的改變，應(yīng)對焊材進行合理的合金化，降低硬脆性。 工藝要點：焊條電弧焊、TIG、MIG。 為防止接頭產(chǎn)生冷裂紋，焊前要預(yù)熱（150-400）

45、，但預(yù)熱溫度要根據(jù)馬氏體鋼含碳量和焊接件拘束度大小綜合決定。 焊后通過退火處理降低焊縫金屬和熱影響區(qū)的硬度，改善接頭韌性，還可降低殘余應(yīng)力。85三、不銹鋼及耐熱鋼的焊接工藝3.奧氏體鋼焊接工藝 焊材選擇：按照同質(zhì)焊接材料和微超合金化焊接材料原則，根據(jù)鋼的具體成分、服役條件和對焊縫的性能要求選擇焊接材料。 工藝要點：焊條電弧焊、TIG、MIG、埋弧焊。 合理控制焊接參數(shù)，避免接頭過熱。奧氏體鋼焊接通常不需要預(yù)熱和焊后熱處理。另外應(yīng)盡量控制焊接工藝，保證焊縫化學(xué)成分穩(wěn)定。最后應(yīng)注意保護焊件的表面狀態(tài)，注意保護其耐蝕性。86三、不銹鋼及耐熱鋼的焊接工藝4.鐵素體-奧氏體雙相鋼的焊接工藝 焊材選擇：超合金化焊接材料原則。 工藝要點：焊條電弧焊、TIG、MIG、埋弧焊。 焊接時應(yīng)盡量選擇小的焊接熱輸入，避免接頭過熱。 通常不需要預(yù)熱和焊后熱處理。且應(yīng)適當緩慢冷卻獲得理想的/相比例。合理控制焊接工藝，保證熔合比穩(wěn)定，從而獲得穩(wěn)定的焊縫成分。5.奧氏體鋼與珠光體鋼的焊接工藝 熔合比越小越好，以降低焊縫金屬的稀釋程度。 通過選用適當?shù)暮覆目刂平宇^組織與性能，在一側(cè)堆焊過渡層或采用過渡段焊接工藝。87四、典型不銹鋼及耐熱鋼的焊接88第八章 鋁合金的焊接劉 多主要內(nèi)容一. 鋁及鋁合金的分類及特點二. 鋁及鋁合金的焊接性三. 鋁及鋁合金的焊接工藝90變形鋁合金鋁及鋁合金鑄造鋁