焊接冶金学焊接性及其试验方法5

下篇—焊接性第5章焊接性及其试验方法ƒ焊接性及其分析方法焊接性及其影响因素,焊接性分析方法。ƒ焊接性试验内容和方法焊接性试验内容，焊接性试验方法。ƒ常用工艺焊接性试验方法碳当量的间接估算法，可调拘束裂纹试验法，斜Y坡口裂纹试验法，插销试验法，其他试验法。下篇——焊接性下篇——焊接性5.1焊接性及其分析方法第5章焊接性及其试验方法第5章焊接性及其试验方法材料本身应具备的性能常温力学性能，高温强度，低温韧性，耐蚀性能，其他性能。焊接热循环引起的问题¾产生缺陷，接头丧失连续性¾未产生缺陷能，但必要性能降低接头性能的评价要从焊接的角度来评价接头的性能——材料的焊接性一.焊接性及其影响因素5.1焊接性及其分析方法5.1焊接性及其分析方法材料能否适应焊接加工而形成完整的、具有一定使用性能的焊接接头的特性。概念1.焊接性的概念及其内涵¾结合性能：是否容易形成焊接缺陷；¾使用性能：接头能否满足使用要求而可靠运行。焊接性不仅包括材料的结合性能，而且包括结合后接头的使用性能。焊接接头存在一定的缺陷，意味着材料焊接性较差；虽然所形成的接头没有缺陷，但接头力学性能指标降低，达不到使用要求，材料的焊接性同样较差。内涵释义一.焊接性及其影响因素5.1焊接性及其分析方法5.1焊接性及其分析方法¾母材和焊接材料：母材对焊接热影响区性能起决定作用；焊接材料对焊缝组织和性能有决定性影响。¾只有母材与焊材匹配得当，才能防止焊接缺陷产生，获得良好的接头性能。材料因素2.焊接性的影响因素¾焊接方法和工艺措施：焊接方法决定了热源的特性及保护方式；工艺措施包括焊前预热和焊后热处理。¾前者影响焊接冶金过程，后者影响接头组织的转变，二者均影响接头的组织和性能。工艺因素一.焊接性及其影响因素5.1焊接性及其分析方法5.1焊接性及其分析方法2.焊接性的影响因素¾焊接结构形状和尺寸、坡口形式及焊缝布置：影响传热和传质，从而影响结晶过程；决定接头的刚度和拘束度，影响接头的应力状态¾设计焊接结构，应尽量减小接头的刚度，减少交叉焊缝，从而减少应力集中，改善材料焊接性。¾工作温度、负载条件和工作介质：工作温度的高低——高温蠕变、低温脆断；载荷的性质——静载强度、动载疲劳；介质的种类——大气、海水、腐蚀。¾使用条件越苛刻，焊接性越复杂，越难于把握。结构因素使用因素二.焊接性分析方法5.1焊接性及其分析方法5.1焊接性及其分析方法1.冶金焊接性分析¾用碳当量评价焊接热影响区淬硬倾向和冷裂敏感性；¾用共晶相图分析焊缝的成分偏析、低熔共晶的数量及脆性温度区间的大小，进而评价结晶裂纹倾向。化学成分物理性质化学性质¾材料的导热系数高，焊接散热快，易产生未焊透缺陷；¾材料的密度低、粘度大，气体逸出速度慢，易产生气孔缺陷；¾材料线胀系数大，接头变形和应力大，产生裂纹倾向大。与氧亲合力较强的材料，在高温时极易氧化，必须采用惰性气体保护或真空环境进行焊接。¾冶金焊接性（物理焊接性）：由材料本身性质决定的能否形成完整的、具有一定使用性能的焊接接头的能力。¾用途：用于评价不同材料的焊接性。易于形成固溶体或共晶的合金，其焊接性好。概念用途二.焊接性分析方法5.1焊接性及其分析方法5.1焊接性及其分析方法2.工艺焊接性分析不同焊接方法所采用的热源在功率、能量密度、最高加热温度、受热区域等方面存在较大差别，因而具有不同的工艺焊接性。¾工艺焊接性：由焊接工艺因素决定的能否形成完整的、具有一定使用性能的焊接接头的能力。¾用途：用于评价不同工艺对焊接的适应性。材料在简单的工艺下就能获得完好的、满足使用要求的接头，其焊接性好。概念用途焊接结构形状和尺寸、坡口形式及焊缝布置，决定了接头的传热和拘束度，从而影响结晶过程和接头的应力状态。工艺因素结构因素二.焊接性分析方法5.1焊接性及其分析方法5.1焊接性及其分析方法¾根据具体的使用条件，分析焊接接头是否满足设计指标的要求。¾工作温度高低——高温蠕变、低温脆断；载荷的性质——静载强度、动载疲劳；介质的种类——大气、海水、腐蚀。3.使用焊接性分析¾使用焊接性：由使用因素决定的焊接性，即焊接接头能否满足某种使用性能的能力。¾涉及内容：常温力学性能，高温性能，低温性能，耐蚀性能，疲劳性能，耐磨性能。概念用途使用因素一.焊接性试验内容5.2焊接性试验内容和方法5.2焊接性试验内容和方法1.评价焊缝抵抗产生热裂纹的能力¾热裂纹是一种危害严重的焊接缺陷，其产生倾向既与母材和焊材有关，又与它们的匹配有关；¾测定焊缝抵抗热裂纹的能力，有助于合理选择和确定焊接材料。2.评价焊缝和热影响区抵抗产生冷裂纹的能力¾冷裂纹是低合金高强度钢焊接中常出现的焊接缺陷，氢致延迟冷裂纹的发生具有延迟性，其危害更大。¾测定焊缝和热影响区抵抗产生冷裂纹的能力，是焊接性试验中很重要的一项试验内容。一.焊接性试验内容5.2焊接性试验内容和方法5.2焊接性试验内容和方法3.评价焊接接头抵抗脆性转变的能力¾低温下工作的焊接结构和承受冲击载荷的焊接结构，韧性损失是一个严重的问题。¾测定焊接接头抵抗脆性转变的能力是焊接性试验经常涉及的一项内容。4.评价焊接接头的使用性能¾焊接结构的不同使用性能会对焊接性提出不同要求，焊接性试验内容需要从使用角度出发来制定。¾试验内容包括接头抗拉强度、蠕变强度、疲劳强度、抗腐蚀能力等。二.焊接性试验方法5.2焊接性试验内容和方法5.2焊接性试验内容和方法焊接性试验方法工艺焊接性间接法直接法焊接热裂纹试验焊接冷裂纹试验再热裂纹试验层状撕裂试验热应变时效脆化试验焊接气孔敏感性试验由碳当量推测焊接性裂纹敏感指数及临界应力裂纹敏感性的临界冷却时间连续冷却组织转变图断口分析、金相组织分析焊接热影响区最高硬度焊接热、力模拟试验焊接专家系统、仿真系统等使用焊接性间接法直接法实际产品结构运行的服役试验压力容器的爆破试验焊缝及接头的常规力学性能试验焊缝及接头的低温脆性试验焊缝及接头的断裂韧性试验焊缝及接头的高温性能试验焊缝及接头的疲劳、动载试验焊缝及接头的抗腐蚀性、耐磨性试验应力腐蚀开裂试验二.焊接性试验方法5.2焊接性试验内容和方法5.2焊接性试验内容和方法1.计算类概念：利用经验公式来评价热裂纹、冷裂纹及再热裂纹的敏感性。特点：应用是有条件的，多半是间接、粗略的估计。常用方法：碳当量及冷裂纹敏感系数等。2.模拟类概念：利用模拟焊接热循环、人为制造缺口或电解充氢等手段，评价材料焊接时可能发生的变化和问题；特点：省料、省时，便于研究和分析，但与实焊存在差别；常用方法：热-应力模拟试验、插销试验等。3.实焊类概念：通过实焊(包括生产实焊和试件实焊)与焊后检查来评价焊接性。特点：接近实际，但费料、费时；常用方法：可调拘束裂纹试验、刚性固定对接裂纹试验等。一.碳当量的间接估算法5.3常用工艺焊接性试验方法5.3常用工艺焊接性试验方法1.碳当量的概念及用途焊接热影响区的淬硬及冷裂倾向与化学成分有关，可以用化学成分来估计冷裂敏感性的大小。将各种元素的作用按照相当于若干含碳量的作用折合并累加起来所求得的数值称为碳当量。碳当量Ceq值的大小可以作为估计淬硬及冷裂倾向大小的指标，Ceq越小焊接性越好。一.碳当量的间接估算法5.3常用工艺焊接性试验方法5.3常用工艺焊接性试验方法2.碳当量的计算表达式15)()(5)()()(6)()(CuwNiwVwMowCrwMnwCwCeq++++++=国际焊接学会(IIW)推荐：用于中等强度级别非调质态的低合金钢(σb为400～700MPa))2)(13)((4)(5)(15)(24)(6)()(PwCuwMowCrwNiwSiwMnwCwCeq+++++++=美国焊接学会提出下式：用于含碳量较高的低合金高强度钢14)(4)(5)(40)(24)(6)()(VwMowCrwNiwSiwMnwCwCeq++++++=日本的JIS和WES推荐：用于强度级别较高(σb介于500～1000MPa之间)的低合金高强度钢。二.可调拘束裂纹试验法5.3常用工艺焊接性试验方法5.3常用工艺焊接性试验方法可调拘束裂纹试验装置简图a)纵向试验法b)横向试验法1.试验装置及用途可以进行纵向和横向试验，主要用于研究热裂纹（结晶裂纹﹑液化裂纹等）的敏感性，并以临界应变量作为是否开裂的评定指标。二.可调拘束裂纹试验法5.3常用工艺焊接性试验方法5.3常用工艺焊接性试验方法用所选定的焊条，按指定的焊接工艺参数（焊条直径为4mm，焊接电流170A，电弧电压24～26V，焊接速度150mm/min）施焊。如果只研究母材的热裂倾向，可采用TIG电弧重熔。2.试验过程焊接工艺二.可调拘束裂纹试验法5.3常用工艺焊接性试验方法5.3常用工艺焊接性试验方法焊接由A点开始，当电弧达到B点时，使加载压头在试件压至与曲率模块紧贴，在试件上产生相应的应变值，这时电弧继续前进达C点停止。2.试验过程加载时刻二.可调拘束裂纹试验法5.3常用工艺焊接性试验方法5.3常用工艺焊接性试验方法变换不同曲率的模块，可以造成焊缝金属发生不同的应变量ε；当ε值达到某一临界值时，在焊缝或热影响区就会出现裂纹；随着ε的增大，出现裂纹的数量和长度均会增加，从而可以得到一系列相应的定量数据。2.试验过程临界应变二.可调拘束裂纹试验法5.3常用工艺焊接性试验方法5.3常用工艺焊接性试验方法焊接区的应变值由外加载荷作用下的试件弯曲变形而求得。慢速变形时，采用支点弯曲的方式，应变量由加载压头下降距离S任意调节，应变速度约为每秒0.3％～5.0%。RRs20δα=式中S—加载压头下降的弧形位移（mm）；R0—加载压头的旋转半径（mm）；α—试板的弯曲角（rad）；δ—试板厚度（mm）；R—弧形模块曲率半径（mm）。3.应变量的计算二.可调拘束裂纹试验法5.3常用工艺焊接性试验方法5.3常用工艺焊接性试验方法快速变形时，应变量由弧形模块的曲率半径来控制，可用下式简化计算:式中ε—应变量（%）；δ—试板厚度（mm）；R—弧形模块曲率半径（mm）。ε=×100%2Rδ试验装置上配备有各种记录装置，以记录温度﹑时间和应变量等参数。试件尺寸为(5～6)mm×(50～80)mm×(300～350)mm的钢板，根据试验的要求选择不同曲率的模块。3.应变量的计算二.可调拘束裂纹试验法5.3常用工艺焊接性试验方法5.3常用工艺焊接性试验方法(1)不产生裂纹的最大应变量(临界应变量)εcr4.评价指标(2)某应变下的最大裂纹长度Lmax(3)某应变下的裂纹总长度Lt(4)某应变下的裂纹总条数Nt三.斜Y形坡口裂纹试验法5.3常用工艺焊接性试验方法5.3常用工艺焊接性试验方法斜Y形坡口对接裂纹试验的试样及尺寸用于评价打底焊缝及热影响区的冷裂倾向，并且以裂纹率作为冷裂程度的评定指标。1.试样尺寸及用途5.3常用工艺焊接性试验方法5.3常用工艺焊接性试验方法试样用被焊材料制成，两端各60mm范围内先用焊缝固定，试板中间预留间隙2～3mm。中间80mm段为试验焊缝的位置。试验焊缝引弧、熄弧都应离开拘束焊缝2～3mm，收弧时应填满弧坑。2.试验过程三.斜Y形坡口裂纹试验法焊缝分布5.3常用工艺焊接性试验方法5.3常用工艺焊接性试验方法通常以标准焊接规范(焊条直径4mm，焊接电流170A，焊接速度150mm/min，电弧电压24V，焊条焊前烘干)在三个试件上重复试验。焊后经不少于24小时的时效后再做裂纹检查。2.试验过程三.斜Y形坡口裂纹试验法焊接工艺5.3常用工艺焊接性试验方法5.3常用工艺焊接性试验方法首先用放大镜目测或磁性荧光粉检查焊缝表面裂纹，然后沿焊缝长度方向均匀截成六段，检查五个断面的裂纹情况。焊后检查三.斜Y形坡口裂纹试验法2.试验过程5.3常用工艺焊接性试验方法5.3常用工艺焊接性试验方法3.评价指标三.斜Y形坡口裂纹试验法%100×=∑cCFll表面裂纹率%100×=∑cCRll根部裂纹率%1005×=∑Hh断面裂纹率∑CRl—纵断面上根部裂纹长度总和(mm)；Cl—试验焊缝长度(mm)；∑CFl—表面裂纹长度总和(mm)；∑h—横断面上裂纹深度总和(mm)；H—焊缝厚度(