焊工工艺学-第十二章-常用金属材料的焊接

第十二章常用金属材料的焊接§12-1金属的焊接性§12-2常用焊接工艺措施§12-3非合金钢的焊接§12-4低合金高强度结构钢的焊接§12-5珠光体耐热钢的焊接§12-6低合金低温钢的焊接§12-7不锈钢的焊接§12-8铸铁的焊补§12-9铝及铝合金的焊接§12-10铜及铜合金的焊接§12-1金属的焊接性一、焊接性的概念金属的焊接性是金属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。也就是指金属材料在一定的焊接工艺条件下，焊接成符合设计要求，满足使用要求的构件的难易程度，即金属材料对焊接加工的适应性和使用的可靠性。二、影响焊接性的因素1.材料方面2.焊接方法及工艺方面3.构件类型方面4.使用条件方面三、焊接性的评定方法1.碳当量法钢材的化学成分对焊接热影响区的淬硬及冷裂倾向有直接影响，因此，可用化学成分来间接估算其焊接性。在钢材的各种化学元素中，对焊接性影响最大的是碳，碳是引起淬硬及冷裂的主要元素，故常把钢中含碳量的多少作为判断钢材焊接性的主要标志。钢中含碳量越高，其焊接性越差。2.斜Y形坡口焊接裂纹试验斜Ｙ形坡口焊接裂纹试验的试件形状和尺寸１，３—拘束焊缝２—试验焊缝§12-2常用焊接工艺措施一、预热1.预热的作用降低焊后冷却速度，对于给定成分的钢种，焊缝及热影响区的组织和性能取决于冷却速度的大小。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。3.预热方法预热时的加热范围，对于对接接头每侧加热宽度不得小于板厚的5倍，一般在坡口两侧各75~100mm范围内应保持一个均热区域，测温点应取在均热区域的边缘。如果采用火焰加热，测温最好在加热面的反面进行，预热的方法有火焰加热、工频感应加热、红外线加热等。二、后热1.后热的作用后热的作用是避免形成淬硬组织及使氢逸出焊缝表面，防止裂纹产生。2.后热的方法后热的加热方法、加热区宽度、测温部位等要求与预热相同。三、焊后热处理1.焊后热处理的作用和种类焊后热处理的主要作用是消除焊接残余应力，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，稳定结构的尺寸。最常用的焊后热处理是在600~650℃范围内的消除应力退火和低于Ac1点温度的高温回火。2.焊后热处理工艺及方法（1）整体热处理焊件进炉和出炉时的温度应在300℃以下，300℃以上的加热和冷却速度与板厚有关，应符合下式要求：v≤200×25/δ式中v———冷却速度（℃/h）；δ———板材厚度（mm）。（2）局部热处理筒体的加热宽度与筒体半径、壁厚有关，可按下式计算：式中B———筒体加热宽度（mm）；R———筒体半径（mm）；δ———筒体壁厚（mm）。3.焊后热处理的应用（1）母材金属强度等级较高，产生延迟裂纹倾向较大的普通低合金钢。（2）处在低温下工作的压力容器及其他焊接结构，特别是在脆性转变温度以下使用的压力容器。（3）承受交变载荷工作，要求疲劳强度高的构件。（4）大型受压容器。（5）有应力腐蚀和焊后要求几何尺寸较稳定的焊接结构。§12-3非合金钢的焊接一、低碳钢的焊接1.低碳钢的焊接性低碳钢由于含碳量较低、塑性好，而且淬硬倾向小，焊接过程中一般不需要采取预热、后热、控制道间温度、焊后热处理等工艺措施，许多焊接方法都能用于低碳钢的焊接，并可获得良好的焊接接头。2.低碳钢焊接工艺（1）焊接方法和焊接材料（2）预热和焊后热处理低碳钢焊接过程中一般不需要采取预热、焊后热处理等工艺措施，但当焊件较厚、刚度很大或在低温条件下焊接时，可能要采取预热、焊后热处理等措施。二、中碳钢的焊接1.中碳钢的焊接性焊接时会出现下面两个问题：（1）焊缝金属易产生热裂纹（2）热影响区易产生冷裂纹2.中碳钢焊接工艺（1）焊接方法及焊接材料（2）焊接工艺措施1）焊接时，为了控制焊缝中的含碳量，减小熔合比，一般开Ｕ形、Ｖ形坡口，但尽量开成Ｕ形。2）大多数情况下，中碳钢焊接需要预热、控制道间温度及焊后热处理。3）多层焊第一层焊缝应尽量采用小电流、慢焊速，以减小熔合比，防止热裂纹。4）焊后可锤击焊缝，以减少焊接残余应力，细化晶粒。5）焊后尽可能缓冷，焊件焊后可放在石棉灰中或放在炉中缓冷。§12-4低合金高强度结构钢的焊接一、低合金高强度结构钢简介二、低合金高强度结构钢的焊接性1.焊接裂纹低合金高强度结构钢焊接时容易产生的裂纹是冷裂纹。低合金高强度结构钢产生热裂纹的可能性比冷裂纹小得多，只有在原材料化学成分不符合规定（如含硫、碳量偏高）时才有可能发生。2.焊接热影响区脆化低合金高强度结构钢焊接时，热影响区中被加热到1100℃以上的粗晶区，是焊接接头的薄弱区，冲击韧度也最低，即所谓脆化区。热影响区粗晶脆化主要与焊接热输入有关。三、低合金高强度结构钢的焊接工艺1.焊接方法的选择低合金高强度结构钢对焊接方法无特殊要求，适合于各种焊接方法，其中焊条电弧焊、埋弧焊、熔化极气体保护焊是最常用的方法。在选择具体的焊接方法时，可根据产品的结构、性能要求和工厂的实际条件等因素确定。2.焊接材料的选择3.预热4.后热及焊后热处理5.控制焊接热输入热输入的确定主要取决于过热区的脆化和冷裂倾向。由于各种钢的脆化与冷裂倾向不同，因而对焊接热输入要求也有差别。为防止TMCP钢热影响区出现软化，提高热影响区的韧性，TMCP钢应采用较小的热输入焊接。§12-5珠光体耐热钢的焊接一、珠光体耐热钢简介高温下具有足够的强度和抗氧化性的钢称为耐热钢。合金元素总含量在5％以下，在供货状态下具有珠光体（或珠光体加铁素体组织）的低合金耐热钢称为珠光体耐热钢。常用的珠光体耐热钢有15Mo、12CrMo、15CrMo、12Cr1MoV、12Cr2MoWVTiB等。二、珠光体耐热钢的焊接性珠光体耐热钢焊接时的主要问题是淬硬倾向大，易产生冷裂纹和再热裂纹等。珠光体耐热钢中的Cr和Mo能显著提高钢的淬硬性，Mo的作用比Cr约大50倍，因此，热影响区具有较大的淬硬倾向。另外，珠光体耐热钢焊后在空气中冷却时易产生硬而脆的马氏体组织，并产生较大的内应力，使热影响区易出现冷裂纹。三、珠光体耐热钢的焊接工艺1.焊前准备2.焊接方法珠光体耐热钢的焊接可选用焊条电弧焊、埋弧焊、熔化极气体保护焊、电渣焊、钨极氩弧焊和电阻焊等方法，通常以焊条电弧焊为主，埋弧焊和电渣焊也常用。3.焊接材料4.预热和焊后热处理§12-6低合金低温钢的焊接一、低合金低温钢简介通常把-196~-10℃的温度范围称为“低温”（我国从-40℃算起），低于-196℃的称为超低温。低温钢主要用于低温下工作的容器、管道和结构，如液化石油气储罐、冷冻设备及石油化工低温设备等。对低温钢的主要性能要求是保证在使用温度下具有良好的韧性及抵抗脆性破坏的能力。二、低合金低温钢的焊接性低合金低温钢中含碳量低，合金元素含量也不高，碳当量较低，淬硬倾向较小，因此冷裂敏感性不大。保证焊缝和过热区的低温韧性是低温钢焊接时的关键技术。三、低合金低温钢的焊接工艺1.焊接方法及焊接热输入低温钢常用的焊接方法有焊条电弧焊、埋弧焊、钨极氩弧焊及熔化极气体保护焊等。为保证接头的低温韧性，焊接时必须控制其热输入。2.焊接材料3.焊接工艺措施（1）采用小的热输入，控制焊接电流大小，焊条尽量不摆动，采用窄焊道，快速焊。（2）采用多层多道焊，通过多道焊后续焊道的重热作用细化晶粒。（3）当板厚较大或拘束较大时，可考虑预热。严格控制道间温度（层间温度），以减轻焊道过热，一般道间温度应不大于200~300℃。（4）为消除应力，提高焊接接头抗低温脆性断裂的能力，可采取焊后消除应力热处理。（5）避免产生焊接缺欠，确保焊缝中不存在弧坑、未焊透、咬边和成形不良等缺欠，否则，低温时容易因钢材对缺欠和应力集中的敏感性增大而增大接头低温脆性破坏倾向。§12-7不锈钢的焊接一、不锈钢简介1.不锈钢的分类2.奥氏体型不锈钢奥氏体型不锈钢是在高铬情况下添加质量分数为8％~25％的镍而成。奥氏体型不锈钢以Cr18Ni9铁基合金为基础，在此基础上随着用途不同，现已发展成12Cr18Ni9、06Cr18Ni11Ti、07Cr19Ni11Ti、06Cr23Ni13、06Cr25Ni20等铬镍奥氏体型不锈钢系列。二、奥氏体型不锈钢的焊接性1.晶间腐蚀（1）晶间腐蚀产生的原因晶间腐蚀ａ)金相图ｂ)示意图奥氏体型不锈钢焊接接头的晶间腐蚀１—焊缝晶间腐蚀２—热影响区晶间腐蚀３—刀状腐蚀奥氏体型不锈钢长期加热而导致晶间腐蚀的敏化温度区为450~850℃。（2）防止晶间腐蚀的措施1）控制含碳量2）添加稳定剂3）进行固溶处理或均匀化处理4）采用双相组织5）快速冷却2.热裂纹（1）热裂纹产生的原因1）奥氏体型不锈钢的导热系数大约只有低碳钢的一半，而线膨胀系数却大得多。2）奥氏体型不锈钢中的碳、硫、磷、镍等成分，会在熔池中形成低熔点共晶。3）奥氏体型不锈钢的液、固相线的区间较大，结晶时间较长，且奥氏体结晶方向性强，所以杂质偏析现象比较严重。（2）防止热裂纹的措施1）采用双相组织的焊缝2）焊接工艺措施3）控制化学成分3.应力腐蚀开裂（1）应力腐蚀开裂产生的原因奥氏体型不锈钢由于导热性差、线膨胀系数大，焊接时会产生较大的焊接残余拉应力，于是在腐蚀介质的作用下，焊接接头出现了应力腐蚀裂纹。（2）防止应力腐蚀开裂的措施1）合理地设计焊接接头，避免腐蚀介质在焊接接头部位聚集，降低或消除焊接接头应力集中。2）消除或降低焊接接头的残余应力。3）正确选用材料。三、奥氏体型不锈钢的焊接工艺1.焊前准备（1）下料方法的选择（2）坡口制备（3）焊前清理（4）表面保护2.焊接材料3.焊接方法及工艺（1）焊条电弧焊（2）熔化极氩弧焊和MAG焊（3）埋弧焊（4）钨极氩弧焊（5）等离子弧焊等离子弧焊已用于奥氏体型不锈钢的焊接。对于厚度在10~12mm以下的奥氏体不锈钢，采用小孔效应时，热量集中，可不开坡口单面焊一次成形，尤其适用于不锈钢管的焊接。微束等离子弧焊对厚度小于0.5mm的薄件尤为适宜。四、不锈复合钢板的焊接不锈复合钢板１—覆层(不锈钢)２—基层(碳钢、低合金钢)1.不锈复合钢板的焊接性不锈复合钢板焊接时，要注意两方面的问题：一是对于基层要避免铬、镍等合金含量增高，因为铬、镍含量增高，基层焊缝中会形成硬脆组织，容易产生裂纹，影响焊缝强度。二是对于覆层要避免增碳，因覆层焊缝增碳就大大降低其耐腐蚀性。2.不锈复合钢板的焊接工艺（1）焊接方法选择不锈复合钢板基层或覆层的焊接方法与焊接不锈钢、碳钢、低合金钢一样，可采用焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊等方法，但过渡层常用焊条电弧焊。（2）焊接材料选择（3）焊接坡口与装配不锈复合钢板的坡口形式多为Ｙ形坡口，一般开在基层一侧，此外，还有双Ｙ形坡口、Ｕ形坡口等。装配焊件时，要求以覆层为基准对齐，避免产生错边，影响覆层的焊缝质量，所以错边量最好不要超过1mm。定位焊一定要焊在基层上，长度应控制在10~30mm。（4）焊接顺序不锈复合钢板焊接顺序ａ)装配ｂ)焊基层ｃ)清焊根ｄ)焊过渡层ｅ)焊覆层（5）焊接中应注意的问题1）在基层点焊时，必须用基层焊条，不可使用不锈钢焊条。2）严禁用基层焊条焊在覆层和用过渡层焊条焊在覆层表面上。3）当碳钢焊条的飞溅落在覆层的坡口面上时，要仔细清除干净。4）焊覆层焊缝时，为减小热影响区，降低合金稀释率，宜采用小电流、直流反接、多层多道焊，焊接时焊条不宜作横向摆动。5）焊基层时的飞溅物若黏附在覆层表面将破坏其表面氧化膜，遇腐蚀性介质就形成腐蚀点，所以焊前可分别在坡口两侧150mm范围内涂上白垩水熔液或飞溅防粘剂，以防止飞溅物的黏附。§12-8铸铁的焊补一、铸铁简介含碳量大于2.11％、小于6.69％的铁碳合金称为铸铁。铸铁中除了含铁和碳以外，还含有硅、锰、磷、硫等元素，为获得某些特殊性能，还分别加入铜、镁、镍、钼或铝等元素，形成合金铸铁。二、灰铸铁的焊接性1.焊接接头产生白口组织（1）产生白口组织的原因产生白口组织主要是由于冷却速度快和石墨化元素不足造成的。（2）防止产生白口组织的方法1）减慢焊缝的