第15讲 金属焊接性及试验方法

501第15讲焊接性及试验方法502一、金属焊接性金属焊接性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。焊接性包括工艺焊接性和使用焊接性。工艺焊接性是指在一定焊接工艺条件下，能否获得优良致密，无缺陷焊接接头的能力。它不是金属本身所固有的性能，而是根据某种焊接方法和所采用的具体工艺措施来进行评定的。§5.1焊接性概念503对于熔焊，可把工艺焊接性分为“热焊接性”和“冶金焊接性”。热焊接性是指焊接热循环对焊接热影响区组织性能及产生缺陷的影响程度。用以评定被焊金属对热的敏感性，主要与被焊材质及焊接工艺有关。冶金焊接性是指在一定冶金过程的条件下，物理化学变化对焊缝性能和产生缺陷的影响程度，用以评定被焊材料对冶金缺陷的敏感性。504使用焊接性是指焊接接头或整个结构满足产品技术条件规定的使用性能的程度。使用性能取决于焊接结构的工作条件和设计上提出的技术要求。通常包括常规力学性能、低温韧性、抗脆断性能、高温蠕变、疲劳性能、持久强度、耐蚀性能和耐磨性能等。金属材料的焊接性不仅与材料本身的固有性能有关，同时也与许多焊接工艺条件有关。在不同的焊接工艺条件下，同一材料具有不同的焊接性。随着新的焊接方法、焊接材料或焊接工艺的开发和完善，一些原来焊接性差的金属材料，也会变成焊接性好的材料。505二、影响焊接性的因素(1)材料因素在相同的焊接条件下，决定母材焊接性的主要因素是它本身的物理化学性能。物理性能方向，如金属的熔点、热导率、线膨胀系数、密度、热容量等因素，都对热循环、熔化、结晶、相变等过程产生影响，从而影响焊接性。506化学性能力面，主要看金属与氧的亲和力的强弱。如铝、钛及其合金的化学活泼性很强，在高温焊接下极易氧化。有些金属对氢、氮等气体很敏感，焊接时，就必须有可靠的保护，如采用惰性气体保护焊或在真空中焊接。否则焊接就难以实现。如果是异种金属焊接，也只能有其理化性能和晶体结构接近的金属才比较容易实现焊接。507对于钢材的焊接，影响其焊接性的主要因素是所含的化学成分。影响最大的元素有C、S、P、H、O和N等，它们容易引起焊接工艺缺陷和降低接头的使用性能。锰、硅、铬、镍、铂、钛、钒、铌、铜、硼等都在不同程度上增加焊接接头的淬硬倾向和裂纹敏感性。所以，钢材的焊接性总是随着含碳量和合金元素含量的增加而恶化。508钢材的冶炼轧制状态、热处理状态、组织状态等，在不同程度上都对焊接性发生影响。近年来研制和发展了各种CF钢（抗裂钢）、Z向钢（抗层状撕裂钢）TMCP钢（控轧钢）等，就是通过精炼提纯、细化晶粒和控轧工艺等手段，改善钢材的焊接性。509(2)工艺因素焊接方法的影响主要表现在：热源特性和保护条件。不同的焊接方法其热源在功率、能量密度、最高加热温度等方面有很大差别。金属在不同热源下焊接，将显示出不同的焊接性能。如电渣焊功率很大，但能量密度很低，使得热影响区晶粒粗大，冲击韧度显著降低，必须经正火处理才得改善。电子束焊、激光焊等方法，功率不大，但能量密度很高，加热迅速，高温停留时间短，热影响区很窄，没有晶粒长大的危险。5010调整焊接工艺参数，采取预热多层焊和控制层间温度等措施，可调节和控制焊接热循环，改变金属的焊接性。例：焊接某些有淬硬倾向的高强钢：当工艺选择不当时，焊接接头可能产生冷裂纹或降低接头的塑性和韧性。如果选择合适的填充材料、合理的焊接热循环，并采取焊前预热或焊后热处理等措施，完全可能获得没有裂纹缺陷，满足使用性能要求的焊接接头。5011(3)设计因素主要是指焊接结构和焊接接头的设计形式，如结构形状、尺寸、厚度、接头坡口形式、焊缝布置及其截面形状等因素对焊接性的影响。不同板厚、不同接头形式或坡口形状其传热方向和传热速度不一样，对熔池结晶方向和晶粒成长发生影响。结构的形状、板厚和焊缝的布置等，决定接头的刚度和拘束度，对接头的应力状态产生影响。不良的结晶形态，严重的应力集中和过大的焊接应力等是形成焊接裂纹的基本条件。设计中减少接头的刚度、减少交叉焊缝，避免焊缝过于密集以及减少造成应力集中的各种因素，都是改善焊接性的重要措施。5012(4)服役环境是指焊接结构服役期间的工作温度、负载条件和工作介质等。例：在高温工作的结构要具有抗蠕变性能；在低温工作的焊接结构，必须具备抗脆性断裂性能；在交变载荷下工作的结构具有良好的抗疲劳性能；在酸、碱或盐类介质工作的焊接容器应具有高的耐蚀性能。5013三、金属焊接性的研究方法一些新材料、新结构或新的工艺方法，在正式投产之前，通常须开展焊接性研究工作，以确保所采用新的材料、结构或工艺方法能获得优质的焊接接头。研究的基本方法是先分析后试验，即在焊接性理论分析的某础上再作必要的可焊性试验。焊接性分析可以避免试验的盲目性，焊接性试验可以验证理论分析的结果。5014(1)焊接性分析焊接性分析就是运用现代焊接科学技术的理论知识和实践经验，对金属材料焊接的难易程度作出判断或预测，估计焊接过程可能出现的技术问题，分析产生问题的原因和寻找解决问题的办法。通常分析是从工艺焊接性和使用焊接性这两个方面去考察该材料对焊接的适应能力。前者是要解决该材料能焊不能焊的问题，后者是要解决焊后能不能使用的问题。5015工艺焊接性分析主要是考察金属材料在给定的工艺条件下，产生焊接缺陷的倾向性和严重性。首先应结合研究对象的特点，从影响焊接性的材料因素、工艺因素和结构因素等方而入手，分析和估计焊接过程中可能会产生什么缺陷，对材料的工艺焊接性作出科学的预测。此外，也可利用合金相图，或焊接CCT图等进行分析。合金相图，可以判断热裂倾向；焊接CCT图估计有无冷裂的危险和焊后接头的大致性能(硬度值)。5016使用焊接性分析主要是考察金属材料在给定的焊接工艺条件下，焊成的接头或焊接结构是否满足使用要求。对于以等性能原则设计的焊接接头，则以母材的性能为依据，分别考察焊缝金属和焊接热影响区在焊接热的作用下可能引起哪些不利于使用性能的变化。对于已经建立焊接连续冷却组织转变图(即CCT图)的金属材料，利用该图来预测或判断焊缝或热影响区熔合线附近的组织与性能的变化极为方便。5017(2)焊接性试验对于重大工程，一般应在焊接性理论分析的基础上有针对性地作些焊接性试验加以验证。特别对于一些尚未接触过的新金属材料、新的产品结构或新的工艺方法，更应通过较为全面的焊接性试验，以获取第一手资科。焊接性的分析与试验是焊接性研究中的两个工作环节，相辅相成。根据研究对象的复杂性和重要件，可简可繁。有时分析与试验交叉平行进行。5018四、如何分析金属焊接性1、从金属的特性分析焊接性A、利用化学成分分析a、碳当量法b、焊接冷裂纹敏感指数B、利用物理性能分析金属的熔点、导热系数、线膨胀系数、密度、热容量等因素，都对热循环、熔化、结晶、相变等。C、利用化学性能分析D、利用合金相图分析E、利用CCT图或SHCCT图分析50192、从焊接工艺条件分析焊接性A、热源特点B、保护方法C、热循环控制D、其他工艺因素：清理坡口、严格处理焊材、合理安排焊接顺序、正确制定焊接规范5020§5.2焊接性试验一、焊接性试验内容按材料的不同特点和不同使用要求：(1)测定焊缝金属抗热裂纹的能力(2)测定焊缝及热影响区金属抗冷裂纹的能力(3)测定焊接接头抗脆性断裂的能力(4)测定焊接接头的使用性能5021二、焊接性试验方法分类研究与评定金属材料焊接性的试验方法大致归纳成图5-1所示的试验。直接法：一种是仿照实际焊接的条件，通过焊接过程考察是否发生某种焊接缺陷，或发生缺陷的严重程度，直接去评价焊接性的优劣(即焊接性对比试验)。也可以通过试验确定出所需的焊接条件(即工艺适应性试验)。另一种是直接在实际产品上进行测定其焊接性能的试验，这种情况主要用于使用焊接性方面的试验。5022图5.1焊接性试验方法分类5023间接法只需对产品实际使用的材料作化学成分、金相组织或力学性能等的试验分析与测定，然后根据分析与测定的结果，对该材料的焊接性进行推测与评估。例：碳当量法，只需从产品用的材料中测定出其化学成分，代入碳当量计算公式，利用算出碳当量的大小去判断该材料的焊接性、5024三、选择或设计焊接性试验方法的原则1)可比性只有试验条件完全相同下，两个试验的结果才具有可比性。凡是国家或国际上已经颁布的标准试验方法，应优先选择，并严格按标准的规定进行试验。尚没有建立标准的，应选择国内外同行业中较为通用的或公认的试验方法进行。若无标准可供遵循，须自行设计焊接性试验方法时，应把试验条件规定得明确具体。最后要说明试验结果是在什么试验条件下得出。50252)针对性所选择的或自行设计的试验方法，其试验条件要尽量与实际焊接时的条件相一致，这些条件包括母材、焊接材料、接头形式、接头受力状态，焊接工艺参数等。试验条件还应考感到产品的使用条件，尽量使之接近。50263)再现性试验结果要稳定可靠，具有再现性。试验数据不可过于分散，否则难以找出变化规律和导出正确的结论。试验方法应尽量减少或避免人为因素的影响，多采用自动化，机械化的操作，少用人工操作。试验条件和试验程序要规定得严格，防止随意性。4)经济性在符合上述原则并可获得可靠结果的前提下，力求减少人力、物力和财力消耗，节省试验费用。5027§5.3常用焊接性试验方法一、斜Y形坡口焊接裂纹试验法此试验方法主要用于评定碳素钢和低合金高强钢焊接热影响区的冷裂纹敏感性。①试件制备试件形状及尺寸如图5-2所示，由被焊钢材制成。板厚不作规定，常用9～38mm，坡口用机械切削加工。每一种试验条件要制备两块以上试件。5028两端各在60mm范围内施焊拘束焊缝，采用双面焊透。要保证待焊试验焊缝处有2mm装配间隙和不产生角变形。图5.2试件的形状尺寸5029②试验条件试验焊缝用焊条原则上与试验钢材相匹配，焊前严格烘干；根据需要可在各种预热温度下焊接；推荐采用下列焊接工艺参数：焊条直径4mm，焊接电流(170±10）A，电弧电压(24±2)V，焊接速度(150±10)mm/min。用焊条电弧焊时按图5-3所示施焊试验焊缝。用焊条自动送进装置施焊时按图5-4所示进行。只焊一道焊缝不填满坡口，焊后48h后才进行裂纹检测和解剖。5030图5.3焊条电弧焊试验焊缝图5.4焊条自动送进的试验焊缝5031图5-5试样裂纹长度计算②检测与计算用肉眼或手持放大镜来检测焊接接头的表面和断面是否有裂纹。并按下列方法分别计算表面、根部和断面的裂纹率。A、表面裂纹率Cf，见图5-5a按下式计算：%100LlCff5032B、根部裂纹率Cr用适当方法着色试件，然后把它位断或变断，按图5-5b测根部裂纹长度。按下式计算Cr：C、断面裂纹率Cs在试验焊缝上用机械加工等分地切出4—6块试样，检查五个横断面上的裂纹深度Hs(见图5-5c)。按下式计算：%100LlCrr%100HHCss5033对于低合金钢一般认为表面裂纹率小于20％，用于生产是安全的，但不应有根部裂纹。如果试验用的焊接工艺参数不变，用不同预热温度进行试验，就可以测定出防止冷裂纹的临界预热温度，作为评定钢材冷裂纹敏感性指标。5034二、插销试验此法主要是测定钢材焊接热影响区对冷裂纹敏感性的一种定量试验方法。因试验消耗钢材少，试验结果稳定可靠，在国内外都广泛应用。经适当改变，此法还可以用于测定再热裂纹和层状撕裂的敏感性。5035①基本原理插销试验是把被焊钢材作成直径为8mm(或6mm)的圆柱形试棒（即插销)，插入与试棒直径相同的底板孔中，其上端与底板的上表面平齐。试棒的上端有环形或螺形缺口，然后在底板上按规定的焊接线能量熔敷一道焊缝，尽量使焊道中心线通过插销的端面中心。该焊道的熔深，应保证缺口位于热影响区的粗晶部位，见图5-6。5036图5-6插销试棒缺口处于焊接热影响区粗晶部位a.环形缺口式样，b.螺形缺口式样5037在无预热条件下，焊后冷至100-150℃时加载；如有预热，则应高出初始温度50-70℃时加载