金属材料焊接性第1章

金属焊接性主讲人:王艳第1章概述1.1材料在工程中的发展及应用历史上，石器时代、青铜器时代、铁器时代，都是以材料为标志划分。自古以来，材料和结合手段就一直密不可分，彼此相互促进，不断发展着。20世纪初，电弧技术用于钢铁产品，促使焊接和钢结构出现了质的飞跃。1.1.1钢结构的发展及应用先进的工业化国家都非常重视钢铁材料的研究和开发。合金结构钢近30年来受到世界各国的普遍重视，并仍将成为今后20-30年材料发展的基本方向。国外近几年在不同结构上使用低合金钢的比例见表1-1。世界和中国主要工业部门对低合金钢的需求见表1-2。表1-1国外近几年在不同结构上使用低合金钢的比例表1-2主要工业部门对低合金钢的需求在大量的工程结构中，目前金属材料仍处于主导地位，而且一直在不断地发展和更新，如超高强度钢、双相不锈钢、耐热钢等。合金结构钢综合性能优异，经济效益显著，是焊接结构中用量最大的一类工程材料。1、低合金钢的发展随着科学的发展和技术进步，焊接结构设计日益趋向高参数，对钢材的性能提出了越来越高的要求。低合金钢由于性能优异和经济效益显著，在焊接结构中得到了越来越广泛的应用。低合金钢的发展大体经历了三个阶段:20世纪20年代以前:工程钢结构的制造主要采用铆接，设计参数主要是抗拉强度。钢的强化主要靠碳以及单一合金元素，如Mn、Si、Cr等，质量分数达到2%~3%，甚至更高一些。20世纪20-60年代:逐步采用了焊接技术，设计参数考虑材料的屈服强度、韧性和焊接性要求。钢的化学成分向低碳多元合金化方向发展，碳的质量分数一般在0.2%以下。含2~4个有利于焊接性的合金元素。20世纪70年代以后:低合金高强钢快速发展，钢中碳的质量分数降低到0.1%以下，有的钢向超低碳含量发展。Ti、V、Nb等微合金元素逐步引起关注，而且向多元复合合金化方向发展。我国低合金钢的开发起步于20世纪50年代末、60年代初，正处于国际上低合金高强钢新的发展阶段。20世纪70年代以后，美国开发出HY100钢（σs≥690MPa）和HY130钢（σs≥895MPa），以及具有更高抗破断性能的HY100(T)和HY130(T)高强钢。日本在美国T-1钢基础上开发出HT和WEL-TEN系列钢。提高耐热性是合金结构钢发展的一个趋势。当前开发的Cr-Mo耐热钢中增加Cr含量和添加V和W，使耐热性比9Cr-1Mo钢进一步提高。焊接性是影响合金结构钢推广应用的关键，日益受到高度重视。合金结构钢的发展中改善焊接性是一条主线，而含碳量的降低是一个重要标志。目前钢中碳的质量分数有的已下降到0.03%左右，明显改善了钢的焊接性。钢的强化主要有固溶强化、沉淀强化、位错强化、细晶强化等。在这些强化方式中，除了细晶强化是同时提高强度和韧性的强化手段外，其他的强化方式都是在强度提高到一定程度后，冲击韧度会下降。Hall-Petch关系式是细晶强化的理论依据σs=σ0+Kd-1/2（1-1）式中：σ0为铁素体晶格摩擦力；K为常数，d为晶粒直径，此时晶粒直径是广义的，对铁素体是晶粒直径，对贝氏体和板条马氏体则是板条尺寸。上式表明，随着晶粒细化，屈服强度σs提高。随着晶粒变细钢材的屈服强度随其-1/2次方增加。同时，冲击韧度也明显增加。过去生产的低合金结构钢，着重于钢材本身的性能，偏重于脱氧提纯、加工成形和相变热处理。最近十几年来，国内外特别注重从冶金角度入手从根本上解决钢的焊接性问题。通过冶金措施采用低碳微合金化及控轧控冷等工艺措施生产强韧性好、焊接性优良的管线钢、桥梁钢、压力容器钢等。当前钢铁材料的发展已经达到相当高的水平，单纯采用传统的调整化学成分和改善热处理工艺来提高材料的性能和发展新型材料的潜力不大，必须依靠先进的工艺和制造技术，以达到大幅度提高材料性能的目的。这些先进的工艺和制造技术主要有：1)采用控扎控冷和控制杂质含量以及多元微合金化生产新型高强度钢；2)采用定向结晶、微晶化控制凝固过程生产用于制造涡轮叶片的高温合金；3)采用机械合金化生产具有优异性能的新型合金，如高熔点氧化物弥散强化的超级合金，寿命比同类高温合金延长10倍以上。2、合金结构钢的应用合金结构钢在工业生产和国防建设的各个领域取得了十分明显的经济和社会效益。合金结构钢强度高、韧性好，为节约钢材和减轻焊接结构自重创造了条件。以下是合金结构钢应用领域的几个例子。(1)低合金钢低合金钢在建筑、桥梁、工程机械等产业部门得到广泛的应用。当低合金钢用于桥梁、海上建筑和起重机械等重要焊接结构时，应根据结构的最低工作温度提出冲击韧度的要求。对于车辆、船舶、工程机械等运行结构，减轻自重可以节约能源、提高运载能力和工作效率。因此采用焊接性好的低碳调质钢可促进工程结构向大型化、轻量化和高效能方向发展。(2)锅炉和压力容器用钢与普通结构钢相比锅炉和压力容器用的低合金钢应具有较高的高温强度，常温和高温冲击性能、抗时效性，抗氢和硫化氢性能以及抗氧化性等。各国锅炉和压力容器规程中对钢材的极限使用温度有严格的规定。例如，工作温度在450℃以上应采用Mo钢或Cr-Mo钢。工作温度超过550℃，则应采用2.25Cr-Mo钢或Cr-Mo-V钢。(3)船舶用低合金钢对于船舶用钢，其焊接性和抗脆断性能的高度重视。船舶用钢的共同特点是对C、Mn和其他合金元素的含量作了严格的控制。例如，对屈服强度低于250MPa的普通船舶用钢，提出了(wC+wMn)/6不大于0.40%的规定；对于低合金高强钢，合金元素总的质量分数规定不超过2%，并且须采用Al或Nb、V联合细化晶粒。(4)低温钢近年来，随着石油化学工业的迅速发展，各种液态烯烃低温贮存设备的需求量急剧上升，促使冶金部门开发各种低温用钢以满足不同低温工作条件的要求。低温钢的性能要求比较高，要在保证良好焊接性的前提下，具有足够高的低温韧性。为了保证低温韧性的要求，几乎所有的低温钢都应细化晶粒处理，一般为正火状态或调质状态供货。低温钢应具有较好的焊接性，只有Ni的质量分数高于3%的镍钢对多次重复的焊接热循环有一定的敏感性。1.1.2有色金属的发展及应用随着市场经济的发展，有色金属的应用越来越多，从原来的航空航天部门逐渐扩展到电子、信息、汽车、交通、轻工等民用领域。地壳中含量最高的铝、镁均为有色金属，其他有色金属还有铜、钛、锌、锡、镍、钼等，涉及到结构材料、功能材料、环境保护材料和生物材料等。有色金属及合金的分类方法很多，按基体金属可分为铝合金、铜合金、钛合金、镍合金等；根据组成合金的元素数目，可分二元合金、三元合金和多元合金。合金组分总的质量分数小于2.5%的为低合金，总质量分数为2.5%-10%的为中合金，总质量分数大于10％的为高合金。1．铝及铝合金铝合金在国民经济及国防建设中占有很大的比重，占整个有色金属产量的1/3以上。铝合金具有密度低、强度高、耐腐蚀、导电导热性好、可焊接及加工性能好等特点，应用范围仅次于钢铁，成为第二大金属。铝及其合金广泛应用于航空航天、汽车、高速列车、地铁车辆、飞机、舰船等交通运载工具中，表现出安全、节能和减少废气排放量等多方面的优越性能，铝的应用前景十分广阔。2．铜及铜合金铜及铜合金具有较高的导电导热性、抗磁性、耐蚀性和良好的加工性，除用于一般电器产品外，也是高能物理、超导技术、低温工程等高科技发展中必不可少的材料。纯铜多用于电线、电缆、雷管、化工蒸发器、储藏器及各种管道中，，特别是新开发的无氧铜（高纯铜），在电真空器件及高科技发展中有着不可替代的作用。黄铜的价格比纯铜便宜，易于铸造和加工，在大气中具有足够的耐蚀性，在日常生活中得到广泛应用。青铜在世界文明史及现代工业中占有重要地位。其中锡青铜，在大气及热气体中具有很好的耐蚀性和焊接性。白铜（即铜镍合金）较其他铜合金具有更高的耐蚀性，力学性能和物理性能都非常良好。3．钛及钛合金钛及钛合金是一种战略金属。钛及钛合金在汽车、航天和航空工业中用量很大。日本神户制钢公司已经开发出轿车和运动摩托车排气系统用新型钛合金，最高温度可达800℃。美国汽车公司在汽车弹簧、发动机连杆和阀门上也采用了钛合金材料。近年来，在飞机机体制造方面，树脂基复合材料和钛合金用量增加。例如：美国第四代战斗机F-22，钛合金用量占结构质量的41%；俄罗斯第三代战斗机苏-27，钛合金占18%。在开发钛及钛合金的同时，我国也在钛加工技术方面，特别是钛合金的焊接性方面，开展了大量的工作。开发的中强TC4、TA15钛合金已应用于J10、J11飞机和人造卫星，TB8超高强钛合金已用作J11系列飞机后机身，高强、高韧TC21钛合金已用于战斗机的重要承力件等。1.1.3先进材料的发展及应用先进材料的定义：指除常规钢铁材料和有色金属之外已经开发或正在开发的具有特殊性能和用途的材料，如新型陶瓷、金属间化合物和复合材料等。先进材料的开发和应用是发展高新技术的重要物质基础，焊接技术对其推广应用起着至关重要的作用。当前发展的先进材料根据其使用性能可分为结构材料和功能材料，这些材料具有高强度、高韧性、耐高温、抗腐蚀等优点。1．先进陶瓷先进陶瓷在组成、性能、制造工艺和应用等方面都与传统陶瓷截然不同。组成已由原来的SiO2、Al2O3、MgO等发展到了Si3N4、SiC、ZrO2等。先进陶瓷是现代工程中不可缺少的重要材料，焊接技术对于推动先进陶瓷在工程中的应用起着极为重要的作用。先进陶瓷突出的优点是能耐更高的温度，是一种非常好的高温材料。但由于其固有的脆性而使其应用受到很大的限制，焊接难度很大。在新能源、航天以及海洋开发等特殊领域具有广泛的应用前景。2．金属间化合物金属间化合物具有长程有序的超点阵结构，属于金属键结合，其晶体结构与组成它的两个组元的原子呈有序排列，具有许多独特的物理、化学和力学性能，是一种很有发展前景的高温结构材料。Ni3Al在950℃时获得660%的超塑性，Ni3Al电热丝在1000℃的工作寿命超过了Ni-Cr丝。Ti3Al的合金化、工艺、组织结构控制等取得较大进展，在航空航天应用十分广泛。Fe3A1金属间化合物能够满足在发动机零部件、电磁元件、熔炉高温装置以及航空航天、电力等部门中的应用要求。3．先进复合材料复合材料的开发应用克服了单一材料所固有的局限性。先进树脂复合材料的主要特点为：高比强、高弹性模量、低膨胀系数、优良的尺寸稳定性，及优异减振性和抗疲劳性能。金属基复合材料的发展较树脂基复合材料晚。除了高强度、高弹性模量和低膨胀系数外，还具有优良的韧性和抗冲击能力，对表面缺陷没有树脂基复合材料敏感，具有耐热性高、不吸潮、导电和导热性好等优点。目前存在的问题，除制造工艺较为复杂和成本较高外，主要是增强剂与基体之间的界面反应易形成低应力破坏的脆性界面。发展陶瓷复合材料是解决陶瓷材料本身脆性的有效措施。碳-碳复合材料发展到今天已不仅是一种很好的烧蚀防热材料和耐高温、抗磨损材料，而且经渗硅处理后的碳-碳复合材料已具有抗氧化能力，已成功地用于航天飞机作为能重复使用的热结构材料。