《金屬焊接性能》課件

金屬焊接性能本課程聚焦金屬焊接性能研究探索焊接原理、工藝與材料性能關(guān)系掌握各類金屬焊接技術(shù)與評(píng)估方法焊接基本概念焊接定義通過熱能或壓力連接金屬的工藝發(fā)展簡(jiǎn)史從鍛焊到現(xiàn)代高能束焊接技術(shù)工業(yè)地位制造業(yè)基礎(chǔ)工藝，不可替代的連接方法金屬焊接方法綜述熔焊通過熱熔化金屬形成焊接壓焊依靠壓力和熱量形成固態(tài)連接釬焊利用低熔點(diǎn)填充金屬形成連接焊接接頭與型式對(duì)接兩工件端面相對(duì)焊接承受拉伸和彎曲載荷角接工件成角度相交焊接常用于框架結(jié)構(gòu)搭接工件表面重疊焊接加工簡(jiǎn)單，強(qiáng)度適中金屬焊接性能核心概念焊接性能金屬焊接適應(yīng)性與質(zhì)量保證能力研究意義保證結(jié)構(gòu)安全，提高生產(chǎn)效率性能指標(biāo)力學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性、工藝可行性焊接金屬的力學(xué)性能區(qū)域抗拉強(qiáng)度屈服強(qiáng)度延伸率焊縫520MPa360MPa22%熱影響區(qū)490MPa340MPa18%母材510MPa355MPa25%金屬的塑性與韌性塑性指標(biāo)伸長率15-25%為良好塑性沖擊韌性低溫韌性關(guān)鍵安全指標(biāo)斷裂模式韌性斷裂優(yōu)于脆性斷裂過渡溫度低溫脆性轉(zhuǎn)變點(diǎn)是關(guān)鍵參數(shù)金屬化學(xué)性能分析抗腐蝕性不銹鋼焊后晶間腐蝕敏感焊縫區(qū)成分偏析影響耐蝕性氫脆敏感性高強(qiáng)鋼焊接最常見問題氫原子擴(kuò)散導(dǎo)致延遲裂紋熱影響區(qū)變化熱循環(huán)導(dǎo)致組織轉(zhuǎn)變碳當(dāng)量高易形成硬脆區(qū)金屬焊接工藝性能焊縫成形性熔池穩(wěn)定性與潤濕角影響成形質(zhì)量可焊性材料對(duì)焊接工藝的適應(yīng)能力工藝窗口電流、電壓、速度可接受范圍評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)焊縫外觀、內(nèi)部質(zhì)量、強(qiáng)度測(cè)試典型金屬：低碳鋼的焊接性能優(yōu)良可焊性碳含量低于0.25%，焊接無需特殊措施良好強(qiáng)韌性焊縫區(qū)抗拉強(qiáng)度可達(dá)500MPa以上易發(fā)問題氣孔、夾渣、未焊透等工藝缺陷中高碳鋼的焊接問題淬硬傾向碳含量高導(dǎo)致焊區(qū)硬化裂紋敏感性冷裂紋是主要失效模式控制措施預(yù)熱和后熱處理是關(guān)鍵合金鋼的焊接行為不銹鋼焊接性能奧氏體不銹鋼焊接熱裂傾向大鐵素體含量需控制晶間腐蝕敏感性高鐵素體不銹鋼晶粒粗大化問題韌性下降明顯預(yù)熱溫度需控制鋁及鋁合金焊接特性氧化膜問題熔點(diǎn)高達(dá)2050℃的氧化膜需清除熱裂敏感性高熱膨脹系數(shù)導(dǎo)致應(yīng)力集中高導(dǎo)熱性熱量快速擴(kuò)散需高熱輸入焊縫組織疏松組織易出現(xiàn)氣孔鈦及鈦合金焊接性能高活潑性與氧氮?dú)浞磻?yīng)形成脆性化合物嚴(yán)格保護(hù)惰性氣體全方位保護(hù)是關(guān)鍵晶粒粗大化β相區(qū)焊接導(dǎo)致晶粒迅速長大相變影響α+β→β→α′馬氏體轉(zhuǎn)變銅及銅合金焊接高溫氧化表面易形成氧化物需強(qiáng)還原性保護(hù)氣體高導(dǎo)熱性熱量迅速散失需大功率熱源缺陷防控氣孔控制關(guān)鍵預(yù)熱是必要措施鎳基合金焊接性能耐熱特性高溫強(qiáng)度保持良好，用于渦輪部件耐腐蝕性在酸性和高氯環(huán)境中性能卓越焊接挑戰(zhàn)熱裂傾向大，應(yīng)力敏感性高控制方法低熱輸入，控制層間溫度是關(guān)鍵焊接金屬的相變與組織1熔化區(qū)鑄態(tài)組織，凝固方向性明顯2部分熔化區(qū)液相和固相共存，脆性最高3過熱區(qū)晶粒粗大，韌性較差4細(xì)晶區(qū)再結(jié)晶形成細(xì)晶，性能優(yōu)良焊接接頭的力學(xué)性能測(cè)試?yán)煸囼?yàn)測(cè)定抗拉強(qiáng)度和延伸率彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)塑性和內(nèi)部缺陷沖擊試驗(yàn)測(cè)定低溫韌性和脆性轉(zhuǎn)變金屬焊接性概述"好焊性"特征無裂紋傾向焊縫強(qiáng)韌性佳焊接工藝窗口寬無需復(fù)雜預(yù)處理"不良焊性"表現(xiàn)易產(chǎn)生裂紋焊縫性能低需嚴(yán)格工藝控制必須特殊預(yù)熱措施分級(jí)方法碳當(dāng)量計(jì)算法裂紋敏感性指數(shù)冷裂紋測(cè)試評(píng)級(jí)常見焊接缺陷分類缺陷會(huì)嚴(yán)重影響焊接接頭可靠性裂紋最為危險(xiǎn)，氣孔影響強(qiáng)度，夾渣損害韌性裂紋類型與成因熱裂紋高溫凝固過程中形成低熔點(diǎn)雜質(zhì)偏析是主因冷裂紋低溫下受氫影響形成高硬度組織中易產(chǎn)生再熱裂紋后熱處理中出現(xiàn)晶界析出物與應(yīng)力共同作用氣孔與夾雜氣孔成因熔池氣體溶解度隨溫度變化影響因素焊接電流、電弧長度與氣體純度夾雜類型氧化物、硫化物和金屬間化合物控制方法清潔焊接表面、控制電弧穩(wěn)定性焊縫金屬的硬度變化位置(mm)低碳鋼中碳鋼合金鋼焊縫塑性與疲勞性能40%疲勞強(qiáng)度降低相比母材的疲勞強(qiáng)度降低百分比3應(yīng)力集中系數(shù)焊趾處典型應(yīng)力集中系數(shù)10?循環(huán)壽命高質(zhì)量焊縫在中應(yīng)力下的循環(huán)次數(shù)焊接過程熱輸入對(duì)性能影響熱輸入計(jì)算Q=ηUI/v(kJ/mm)η為熱效率系數(shù)高熱輸入影響晶粒粗大化熱影響區(qū)擴(kuò)大低熱輸入特點(diǎn)冷卻速率快硬化傾向增加冷卻速度的作用快速冷卻形成馬氏體組織硬度高，韌性差冷裂紋風(fēng)險(xiǎn)增加慢速冷卻形成珠光體組織硬度低，韌性好強(qiáng)度相對(duì)較低金屬化學(xué)成分的影響氣體保護(hù)與焊接金屬性能純氬氣電弧穩(wěn)定，但熔深淺，適合鋁材二氧化碳熔深大，成本低，但飛濺大混合氣體Ar+CO?可取長補(bǔ)短，應(yīng)用廣泛氦氣熱輸入高，適合厚板和高導(dǎo)熱材料預(yù)熱與后熱處理預(yù)熱作用降低冷卻速率，減少裂紋傾向預(yù)熱溫度碳當(dāng)量決定，一般100-350°C后熱處理類型應(yīng)力消除、正火、淬火與回火處理效果降低殘余應(yīng)力，改善韌性與塑性焊接殘余應(yīng)力與變形形成機(jī)理不均勻加熱冷卻導(dǎo)致收縮受阻應(yīng)力分布焊縫中心拉應(yīng)力，遠(yuǎn)處壓應(yīng)力平衡變形類型縱向、橫向收縮與角變形控制方法合理焊接順序、預(yù)變形、熱處理現(xiàn)場(chǎng)與工廠焊接條件對(duì)比工廠焊接環(huán)境可控設(shè)備齊全姿勢(shì)良好質(zhì)量穩(wěn)定現(xiàn)場(chǎng)焊接環(huán)境惡劣設(shè)備受限姿勢(shì)困難質(zhì)量波動(dòng)熱影響區(qū)（HAZ）特性詳解粗晶區(qū)溫度超過1100℃，晶粒粗大細(xì)晶區(qū)900-1100℃，再結(jié)晶形成細(xì)晶部分相變區(qū)730-900℃，部分奧氏體化回火區(qū)低于730℃，組織細(xì)微變化金屬焊接失效模式斷裂類型取決于載荷特性和環(huán)境條件脆性斷裂最危險(xiǎn)，疲勞斷裂最常見疲勞壽命與斷裂力學(xué)應(yīng)力幅(MPa)母材焊接接頭常用焊接性評(píng)定方法Y型裂紋試驗(yàn)評(píng)價(jià)冷裂紋敏感性CTS試驗(yàn)檢驗(yàn)約束條件下的可焊性Tekken試驗(yàn)用于高強(qiáng)度鋼的冷裂評(píng)估金屬焊縫無損檢測(cè)技術(shù)超聲波檢測(cè)能發(fā)現(xiàn)內(nèi)部缺陷，分辨率高射線檢測(cè)直觀顯示內(nèi)部質(zhì)量，有記錄磁粉檢測(cè)表面裂紋檢出效率高，只適用鐵磁性材料滲透檢測(cè)表面開口缺陷檢查，操作簡(jiǎn)便金屬焊接性能的現(xiàn)代表征方法電子顯微分析SEM/TEM分析微觀組織和斷口能譜分析EDS測(cè)定微區(qū)化學(xué)成分分布EBSD分析精確表征晶粒取向與尺寸金屬焊接性能的改進(jìn)技術(shù)晶粒細(xì)化技術(shù)添加Ti、Nb等微合金元素控制晶粒變性劑應(yīng)用鈣、鍶等元素改善焊縫金屬形態(tài)新型焊材低氫焊條、金屬芯藥芯焊絲等4參數(shù)優(yōu)化脈沖電流、交變磁場(chǎng)等新工藝智能焊接與大數(shù)據(jù)分析實(shí)時(shí)監(jiān)控多傳感器融合感知焊接過程數(shù)據(jù)采集電流、電壓、溫度等參數(shù)記錄智能分析機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)焊接性能與缺陷自動(dòng)優(yōu)化閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)最佳焊接狀態(tài)特殊金屬及異種金屬焊接性能異種金屬焊接挑戰(zhàn)物理性能差異大金屬間化合物形成焊接參數(shù)選擇難解決方案過渡層技術(shù)攪拌摩擦焊爆炸焊接法典型組合鋁-鋼連接銅-鋁連接鈦-不銹鋼連接典型焊接結(jié)構(gòu)失效案例分析海洋平臺(tái)疲勞裂紋在海水環(huán)境加速擴(kuò)展壓力容器氫致裂紋導(dǎo)致突發(fā)脆性斷裂橋梁結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力與低溫導(dǎo)致脆性斷裂國家標(biāo)準(zhǔn)與國際規(guī)范中國標(biāo)準(zhǔn)GB/T5117焊接接頭力學(xué)性能測(cè)試方法ISO標(biāo)準(zhǔn)ISO15614焊接工藝評(píng)定規(guī)范美國標(biāo)準(zhǔn)AWSD1.1結(jié)構(gòu)鋼焊接規(guī)范歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN1011焊接建議與指南金屬焊接性能研究熱點(diǎn)新材料焊接高熵合金焊接技術(shù)新型輕合金連接方法納米增強(qiáng)復(fù)合材料焊接高性能焊接工藝激光-電弧復(fù)合焊冷金屬過渡焊接超聲輔助焊接技術(shù)綠色焊接與可持續(xù)發(fā)展環(huán)保材料低煙塵、無鉛焊料開發(fā)低能耗工藝變頻電源、高效熱源技術(shù)廢棄物回收焊渣、煙塵處理與資源化健康防護(hù)減少有害氣體和輻射排放工程實(shí)際：汽車工業(yè)焊接應(yīng)用車身焊接高強(qiáng)鋼多點(diǎn)電阻焊技術(shù)輕量化結(jié)構(gòu)鋁合金激光焊接應(yīng)用排氣系統(tǒng)不銹鋼高效自動(dòng)化焊接工程實(shí)際：核電/能源裝備焊接安全性零缺陷焊接要求2可靠性超長服役壽命設(shè)計(jì)質(zhì)量保證全過程質(zhì)量控制體系檢測(cè)方法多重檢驗(yàn)與在役監(jiān)測(cè)金屬焊接未來發(fā)展趨勢(shì)自動(dòng)化焊接柔性化、智能化與遠(yuǎn)程操控機(jī)器人應(yīng)用高精度、多自由度、協(xié)作機(jī)器人新材