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1、第七章金属材料焊接性分析方法第一节金属的焊接性一、金属焊接性的概念 1.定义：金属焊接性是指材料在限定的施工条件下焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力，即金属材料对焊接加工时适应性。2.特点：焊接性受材料、焊接方法、构件类型及使用要求四个因素的影响。根据上述定义，优质的焊接接头应具备两个特点：即接头中不允许存在超过质量标准规定的缺陷；同时具有预期的使用性能。根据讨论问题的着眼点不同，焊接性又分为工艺焊接性和使用焊接性。(1)工艺焊接性是指金属材料对各种焊接方法的适应能力，也就是在一定的焊接工艺条件下能否获得优质致密、无缺陷焊接接头的能力。第一节金属的焊接性 (2)使用焊接性是指
2、焊接接头或整体结构，为满足技术条件中所规定的使用性能的能力。对于不同材料、不同工作条件下的焊件，焊接性的主要内容是不同的。例如，低合金强度钢，对于淬硬和冷裂纹是比较敏感的，因此在焊接这种材料时，如何解决淬硬和冷裂纹问题就成为低合金强度钢焊接性的主要内容；又如焊接奥氏体不锈钢时，其主要问题则是晶间腐蚀问题。即使对于同一金属材料，当采用不同焊接方法、焊接材料及不同的工作条件时，其焊接性也可能有很大差别。第一节金属的焊接性二、影响焊接性的因素 影响焊接性的因素很多，对于钢铁材料来讲，可归纳为材料、工艺、结构及使用条件等四个因素。(1)材料因素材料因素是指焊接时直接参与物理化学反应和发生组织变化的所有
3、材料，包括母材本身和使用的焊接材料。(2)工艺因素对于同一母材，当采用不同的焊接方法和工艺措施时，会表现出不同的焊接性。焊接方法对焊接性的影响主要来自两个方面：首先是热源的特点(功率密度、加热方式、热源参数及极性)，它可以直接影响焊接热循环的主要参数，从而影响接头的组织与性能；其次是不同的保护方式(如熔渣保护、气体保护、气渣联合保护或真空保护)，它会影响焊接冶金过程，从而对焊接接头的质量和性能起到重要影响。第一节金属的焊接性 (3)结构因素焊接接头和结构设计会影响应力状态，从而对焊接性也发生影响。这里主要从结构的刚度、应力集中和多向应力等方面来考虑。使焊接接头处于刚度较小的状态，能够自由收缩，
4、有利于防止焊接裂纹。缺口、截面突变、焊缝余高过大、交叉焊缝等容易引起应力集中，要尽量避免。不必要地增大母材厚度或焊缝体积，会产生多向应力，也应注意防止。(4)使用条件焊接结构的使用条件是多种多样的，有的在高温或低温下工作，有的在静载或动载条件下工作，有的则在腐蚀介质中工作等。第一节金属的焊接性 综上所述，金属的焊接性与材料、工艺、结构、使用条件等密切相关，所以不能脱离这些因素而单纯从材料本身的性能来评价焊接性。此外，从上述分析也可以看出，很难用某一项技术指标概括材料的焊接性，只有通过综合多方面的因素，才能分析焊接性问题。三、常用焊接工艺措施;1、预热：焊接开始前对焊件的全部（或局部）进行加热的
5、工艺措施。（1）预热的作用：降低焊后冷却速度。(2)预热温度的选择：应根据钢材的成分、厚度、结构刚度、接头形式、焊接材料、焊接方法及环境因素等综合考虑，并通过焊接性试验来确定。一般钢材碳当量越大、母材越厚、结构刚度越大，环境温度越低，则预热温度越高。第一节金属的焊接性2、后热：（1）定义：焊接后立即对焊件的全部（或局部）进行加热或保温，使其缓冷的工艺措施。（2）作用：避免形成淬硬组织及使氢逸出焊缝表面，防止裂纹产生。（3）消氢处理：即在焊后立即将焊件加热到250350的温度，保温26h后空冷。目的主要是使焊缝金属中的扩散氢加速逸出。3、焊后热处理：（1）焊后为改善焊接接头的组织和性能或消除残余
6、应力而进行的热处理。（2）作用：消除焊接残余应力，软化淬硬部位，改善焊缝和热影响区的组织和性能，提高接头的塑性和韧性，稳定结构尺寸。第二节金属焊接性评定与试验一、焊接性评定的内容 评定母材焊接性的试验，称为焊接性试验，评价金属焊接性的试验主要有：评定金属在经焊接加工时对缺陷的敏感性，一般情况下，主要是评估对裂纹的敏感性，即进行抗裂纹试验；评定焊接接头能否满足结构使用性能的要求。对于评价接头或结构使用性能的试验内容复杂，具体项目取决于结构的工作条件和设计上提出的技术要求，通常为常规力学性能(拉伸、弯曲、冲击等)试验。对于高温、腐蚀、磨损和动载疲劳等不同环境中的工作的结构，则应根据不同的要求分别进
7、行相应的高温性能、低温性能、脆断、抗腐蚀、耐磨损和动载疲劳等试验；对有时效敏感性的被焊金属，还应进行焊接接头的热应变时效脆化试验。第一节金属的焊接性第二节金属焊接性评定与试验二、常用的焊接性试验方法 由前述可知，焊接性试验方法种类很多，因抗裂性能是衡量金属焊接性的主要标志，所以在生产中还是常用焊接裂纹试验来表征材料的焊接性。以下主要介绍几种常用的焊接性试验方法。1.间接试验法 碳当量鉴定法是判断焊接性的最简便的间接法，常用作焊接冷裂纹的间接评定。所谓碳当量法，就是将包括碳在内的其他合金元素对硬化(脆化和冷裂等)的影响折合成碳的影响。碳当量的估算公式有很多形式，国际上推荐的为：CE=C+Mn/6
8、+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15(%)第二节金属焊接性评定与试验2.直接试验法 在设定的焊接参数下按规定要求焊接工艺试板，然后通过试验来检测焊接接头对裂纹、气孔、夹渣等缺陷的敏感性，以此来评定焊接性，这种方法称为直接试验法。常用试验方法有斜Y形坡口焊接裂纹试验方法、焊接热影响区最高硬度试验方法、插销试验等。(1)斜Y形坡口焊接裂纹试验方法这一方法广泛应用于评定碳钢和低合金高强度钢焊接热影响区对冷裂纹的敏感性。试件的形状和尺寸如图72所示，试件坡口采用机械加工。试验所用焊条原则上与试验钢材相匹配，焊前应严格烘干。第二节金属焊接性评定与试验图7-2试件的形状和尺寸第二节金属焊接性评定
9、与试验图7-3采用焊条电弧焊时，试验焊缝位置 试验时按图7-2组装试件，先将两端的拘束焊缝焊好，再焊试验焊缝。当采用焊条电弧焊时，试验焊缝按图7-3所示方法焊接。当采用焊条自动送进装置焊接时，按图7-4所示进行。焊完的试件经在室温放置24h后才能进行裂纹的检测和解剖。第二节金属焊接性评定与试验图7-4采用焊条自动送进装置焊接试验焊缝位置第二节金属焊接性评定与试验图7-5试样裂纹长度计算图a)表面裂纹b)根部裂纹c)断面裂纹 裂纹的长度按图7-5进行检测。裂纹长度为曲线形状(图7-5a)，按直线长度检测。裂纹重叠时不必分别计算。第二节金属焊接性评定与试验(2)焊接热影响区最高硬度试验方法焊接热影
10、响区最高硬度试验是以热影响区最高硬度来评价钢材冷裂纹倾向的试验方法。试件的形状和尺寸分别见图76和表71。焊接前采取适当方法去除试件表面水分、铁锈、油污及氧化皮等污物。焊条原则上应适合于所焊的试件，直径为4mm。焊接时，在试件两端要支承架空，试件下面留有足够的空间。表71中1号试件在室温下，2号试件在预热温度下进行焊接。如图76所示，取平焊位置沿试件轧制表面的中心线焊出长12510mm的焊缝。焊接参数为：焊接电流17010A，焊接速度为15010mm/min。试件焊后在静止的空气中自然冷却，不进行任何热处理。第二节金属焊接性评定与试验图7-6试件形状第二节金属焊接性评定与试验表7-1试 件 尺
11、 寸第二节金属焊接性评定与试验(3)插销冷裂纹试验方法插销试验是使用专门设备(插销试验机)评定焊接冷裂纹敏感性的一种试验方法。插销冷裂纹试验采用圆柱形试样。试样由被试钢材加工而成，并插入底板的孔中，使带缺口一端的端面与底板表面平齐。底板上熔敷一焊道，尽量使焊道中心线通过插销端面中心。该焊道的熔深应保证缺口位于热影响区的粗晶区中。焊后在完全冷却以前，给插销施加一拉伸静载荷，如图77所示。试验既可用启裂也可用断裂作为判断准则。试验所得的结果，可用以评定在选用的试验条件下被试钢材的冷裂纹敏感性，也可作相同条件下的材料焊接性对比。第二节金属焊接性评定与试验图7-7插销试验示意图a)环形缺口试样b)螺形缺口试样第二节金属焊接性评定与试验1)试件尺寸小，底板与插销材料又不必完全相同，而且底板可重复使用，节约材料。2)改变焊接热输入及底板厚度，即可得到不同的冷却速度。3)因插销尺寸小，故可从试验材料的任意方向取样，也可以从焊缝中取样来研究焊缝金属的裂纹敏感性。它的主要缺点则是：环形缺口往往不可能整个圆周都恰好处于相同的温度下，这就影响试验结果的准确性，造成数据分散，再现性不好。