金属的焊接性.doc

第一章 金属的焊接性一、金属焊接性1.概念：金属焊接性就是金属是否能适应焊接加工而形成完整的、具备一定使用性能的焊接接头的特性含义：一是金属在焊接加工中是否容易形成缺陷；二是焊成的接头在一定的使用条件下可靠运行的能力评价标准：如果某种金属采用简单的焊接工艺就可获得优质焊接接头并且具有良好的使用性能或满足技术条件的要求，就称其焊接性好；如果只有采用特殊的焊接工艺才能不出缺陷，或者焊接热过程会使接头热影响区性能显著变坏以至不能满足使用要求，则称其焊接性差2.影响焊接性的因素1）材料因素 材料是指用于制造结构的金属材料及焊接所消耗的材料前者称为母材或基本金属，即被焊金属后者称为焊接材料包括焊条、焊丝、焊剂、保护气体等 材料因素包括化学成分、冶炼轧制状态、热处理状态、组织状态和力学性能等其中化学成分(包括杂质的分布与含量)是主要的影响因素碳对钢的焊接性影响最大含碳量越高，焊接热影响区的淬硬倾向越大，焊接裂纹的敏感性越大也就是说，含碳量越高焊接性越差除碳外钢中的一些杂质如氧、硫、磷、氢、氮以及合金钢中常用的合金元素锰、铬、钴、铜、硅、钼、钛、铌、钒、硼等都不同程度地增加了钢的淬硬倾向使焊接性变差。

若焊接材料选择不当或成分不合格，焊接时也会出现裂纹、气孔等缺陷，甚至会使接头的强度、塑性、耐蚀性等使用性能变差2）设计因素设计因素是指焊接结构在使用中的安全性不但受到材料的影响而且在很大程度上还受到结构形式的影响例如结构刚度过大或过小，断面突然变化，焊接接头的缺口效应，过大的焊缝体积以及过于密集的焊缝数量，都会不同程度地引起应力集中，造成多向应力状态而使结构或焊接接头脆断敏感性增加3）工艺因素工艺因素包括施焊方法(如手工焊、埋弧焊、气体保护焊等)、焊接工艺(包括焊接规范参数、焊接材料、预热、后热、装配焊接顺序)和焊后热处理等在结构材料和焊接材料选择正确、结构设计合理的情况下工艺因素是对结构焊接质量起决定性作用的因素4）使用因素使用因素指焊接结构的工作温度、负荷条件(动载、静载、冲击、高速等)和工作环境(化工区、沿海及腐蚀介质等)一般来讲环境温度越低钢结构越易发生脆性破坏，承受交变载荷的焊接结构易发生疲劳破坏二、如何分析金属的焊接性（一）从金属的特性分析焊接性1.化学成分1）碳当量法 钢材中的各种元素，碳对淬硬及冷裂影响最显著，所以有人将钢材中各种元素的作用按照相当于若干含碳量折合并迭加起来，求得所谓的“碳当量”(Ceq)，以Ceq值的大小估价冷裂纹倾向的大小，认为Ceq值越小，钢材的焊接性能越好。

碳当量公式没有考虑元素之间的交互作用，也没有考虑板厚、结构拘束度、焊接工艺、含氢量等因素的影响因而用碳当量评价焊接性是比较粗略的，使用时应注意条件2）焊接冷裂纹敏感系数除碳当量外，考虑到焊缝含氢量和接头拘束度2.利用物理性能分析金属的熔点、导热系数、密度、线胀系数、热容量等因素、都对热循环、熔化、结晶、相变等过程产生影响3.利用化学性能分析铝、钛合金与氧的亲和力较强，在焊接高温下极易氧化因而需要采取较可靠的保护方法，如：惰性气体保护焊，真空中焊接等4.利用合金相图分析主要是分析热裂纹倾向依照成分范围，查找相图，可知道结晶范围，脆性温度区间的大小，是否形成低熔点共晶物，形成何组织等5.利用CCT图或SHCCT图分析（二）从焊接工艺条件分析焊接性1. 热源特点各种焊接方法所采用的热源在功率、能量密度、最高加热温度等方面有很大的差别，使金属在不同工艺条件下焊接时显示出不同的焊接性电渣焊：功率很大，能量密度很低，最高加热温度也不高，加热缓慢，高温停留时间长，焊接热影响区晶粒粗大，冲击韧度下降电子束焊、激光焊：功率小、能量密度高、加热迅速、高温停留时间段、热影响区窄、没有晶粒长大危险2. 保护方法保护方法是否恰当也会影响金属焊接性的效果3. 热循环的控制正确选择焊接工艺规范控制焊接热循环预热、缓冷、层间温度改变焊接性4. 其它工艺因素彻底清理坡口及其附近焊接材料处理、烘干、除锈、保护气体要提纯、去杂质后使用合理安排焊接顺序正确制定焊接规范第二章 合金结构钢的焊接第一节 合金结构钢合金结构钢：在碳素钢基础上加入一定的合金元素来达到所需要求的钢种称为合金结构钢。

包括：强度用钢（热扎正火钢、低碳调质钢、中碳调质钢）和专用钢应用范围：机械零件、工程机械、交通运输工具、桥梁、建筑结构、管道等新发展：微合金控扎钢 焊接无裂纹钢抗层状撕裂钢焊接大线能量第二节 热扎正火钢的焊接一、热扎正火钢典型钢种成分及性能1.热扎钢：σS 294～343Mpa成分：含C量较低的C-Mn，Mn-Si系列，通过固溶强化获得高强度、或在特殊状态下以V、Nb代替部分Mn，以达到细化晶粒和沉淀强化的作用典型钢种：16Mn 组织：细晶铁素体+珠光体特例：15MnV V细化晶粒和沉淀强化2.正火钢：固溶强化基础上，通过细化晶粒和沉淀强化提高强度保证韧性的低合金高强钢σS 343～490 Mpa成分：C-Mn，Mn-Si系列基础上加入一些碳化物和氮化物的形成元素V、Nb、Ti、Mo等正火的目的：使合金元素以细小的化合物质点从固溶体中充分析出，并同时细化晶粒，提高强度的同时改善塑性、韧性、达到最佳的综合性能分类：1)正火状态下使用的钢除15MnTi外，一般加入V、Nb此外15MnVN、美国的737C、德国的FG39加入N形成Mn-V-N系列钢2)正火+回火状态下使用的含Mo钢成分：Mn-Mo系例如：A302B Mn-1/2Mo 含Mo钢在较高的正火温度和较大的冷却速度下得到的组织是上贝氏体和少量的铁素体为改善低温韧性 形成Mn-Ni–Mo系18 MnMoNb Mn-Mo系基础上加Nb3.热扎正火钢的发展：微合金控轧钢是热扎及正火钢中的一个重要分支。

它采用了微合金化(加入微量Nb、V、Ti等)和控制轧制等新技术来达到细化晶粒和沉淀强化相结合的效果，同时从冶炼工艺上采取了降C、降S、改变夹杂物形态、提高钢的纯净度等措施，使钢具有均匀的细晶粒铁素体基体因此这类钢在轧制状态下就具有相当于或优于正火钢的质量焊接无裂纹钢实质是含碳量很低的微合金化正火钢Z向钢是在某一等级结构钢(称为母级钢)的基础上经过特殊冶炼、镇静处理和适当热处理的钢材，是343正火钢由于在冶炼中采用钙或稀土处理以及真空除气等特殊措施，Z向钢具有低S、低气体含量和高的Z向(即厚度方向)断面收缩率等特点二、热扎正火钢的焊接性分析（一） 焊缝中的热裂纹1）具有较好的抗热裂性能2）但当材料成分不合格，或因严重偏析使局部碳、硫含量偏高时Mn/S比就可能低于要求而出现热裂纹3）硫对形成热裂纹起直接作用，钢中的C、Si、Ni促进有害作用，Mn抵消有害作用经 验：1）含C量0.12 ％ Mn/S不应低于102）含C量0.16％ Mn/S应大于40典型钢种：16Mn 成分：C 0.12～0.2 ％ S 0.05 ％ Mn 1.2 ～1.6 ％ Mn/S 32 问：是否可能产生热裂纹？解 决 办 法：1）从焊接材料上（选用含碳低含锰高的焊接材料）例：可用低碳钢焊丝H03MnTi含C量0.03％ Mn<1.5％ Ti微量焊剂SiO2 30.28％ MnO 33.43％ 2）从工艺上设法减少熔合比来调整焊缝成分以减少由母材进入焊缝的C量，焊速不宜过大，避免形成雨滴状熔池。

可以减少中心裂纹采用引弧板和熄弧板，将质量差和容易产生热裂纹的起焊点及弧坑引到正式焊缝之外，从而减少焊缝中的裂纹降低焊接接头的刚性拘束条件，选择合理的焊接顺序，以减少焊接应力二）冷 裂 纹1 、淬硬倾向与冷裂倾向的关系1）热轧钢含c量不高，但含有少量的合金元素，这类钢的淬硬倾向比低碳钢的淬硬倾向大，并且随着钢材强度级别的提高淬硬倾向逐渐增大　　以16Mn和低碳钢为例分析淬硬倾向与冷裂倾向的关系16Mn钢在快速冷却时(厚板手工电弧焊时的冷却速度)铁素体析出后，剩余的富碳奥氏体来不及转变为珠光体而转变成高碳马氏体和贝氏体从16Mn和低碳钢的CCT曲线估计，焊接16Mn时会出现少量铁素体、贝氏体和大量马氏体；焊接低碳钢时会出现大量铁素体，少量珠光体和贝氏体，更少量的马氏体2）正火钢的强度级别较高，合金元素含量较多，高温转变区较稳定，焊接冷却下来很易得到贝氏体和马氏体因此，其冷裂纹倾向随着强度级别的提高而增大例：比较15MnVN和18MnMoNb15MnVN 冷速慢 F+P 、中 F+B 、快M18MnMoNb 冷速慢F+B、中 B、快 M2、碳当量与冷裂纹倾向的关系冷裂倾向 → 淬硬倾向 → 化学成分→碳的作用因此，可以通过一些经验性的碳当量公式来粗略地估计不同钢材的冷裂倾向。

以CE为例，一些技术条件中规定了最高CE值．有时还同时规定了含碳量，如规定CE≤0.40％，W(C)≤0.12％但对含碳量低的钢材，允许CE值更高些(如W(c)＝0.08％的钢材，允许CE＝0.50％) 1）热轧钢碳当量都比较低，除环境温度很低或钢板厚度很大，一般情况下其裂纹倾向都不大2）当正火钢碳当量不超过0.5％时，淬硬倾向比热轧钢大，但不算严重，焊接性尚可但对于厚板往往需要进行预热当碳当量大于0.5％时钢的淬硬倾向和冷裂倾向逐渐增加防止措施：严格控制线能量、预热和焊后热处理等3、热影响区的最高硬度值与冷裂倾向关系 为了避免产生对冷裂敏感的淬硬组织，可将热影响区的最高硬度控制在某一刚好不出现冷裂纹的临界值；反过来也可根据测得的热影响区的最高硬度值来判断材料的冷裂倾向和确定预热温度三）再 热 裂 纹1.C-Mn和Mn-Si系热轧钢对再热裂纹不敏感例如16Mn2.正火钢中有一些含有强碳化物形成元素，但实践证明它对再热裂纹不敏感，例如15MnVN ；3.正火+回火钢如18MnMoNb、14MnMoV则有轻微的再热裂纹敏感性，可提高预热温度和焊后立即后热来防止再热裂纹的产生四）层 状 撕 裂层状撕裂的产生不受钢种和强度的限制，它主要发生于厚板结构中（在热影响区甚或远离热影响区的母材中）。

在低碳钢、热轧、正火钢中都可能发生层状撕裂如大型船舶、海上平台中某些结构的截面厚度较大，结构上又存在较多的T型、十字型接头，构件厚度方向(Z向)承受较大拉伸应力在这种情况下，只要钢中存在片状硫化物与层状硅酸盐或大量成片地密集于同一平面内的氧化铝夹杂物，就有可能导致Z向塑性降低，沿钢材轧制方向发生阶梯状的层状撕裂一般板层小于16mm时就不容易发生层状撕裂一般认为Z向收缩率＞20％钢材就可以避免层状撕裂如日本经验，HT50钢的Z向收缩＞20％．即使在严酷的拘束条件下也可避免层状撕裂；英国在制造北海平台时，经验与此一致合理选用层状撕裂敏感性较低的钢材(如Z向钢)，改善接头形式以及降低钢板Z向所承受应力应变，在满足产品使用要求前提下选用强度级别较低的焊接材料或预堆低强焊缝，采用预热及降氢等措施，都有利于防止层状撕裂五）热影响区的性能变化1．过热区脆化 焊接接头被加热到1200℃至熔点以下的区域，由于温度高发生了奥氏体晶粒的显著长大和一些难熔质点(如氮化物或碳化物)。