各种金属材料的焊接特点及其热处理工艺

各种金属材料的焊接特点及其热处理工艺包括了焊接性及其试验方法（WORD文件）第一章焊接性及其试验方法一、焊接性焊接性是说明材料对焊接工作的适应性，用以衡量材料在一定的焊接工艺条件下获得优质接头的难易程度和该接头能否在使用条件下可靠地运行。焊接性包含工艺焊接性和使用焊接性两方面的内容。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。它不是金属固有的性质，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。所以金属材料的工艺焊接性与焊接过程密切相关。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。从理论上，凡是在熔化状态下相互能形成固熔体或共晶的两种金属或合金，原则上都可以实现焊接，即具有所谓原则焊接性，又叫物理焊接性，然而，这种原则焊接性仅仅为材料实现焊接提供依据，并不等于该材料用任何焊接方法，都能获得满足使用性能要求的优质焊接接头。同种金属或合金之间是具有原则焊接性的，但是，它们在不同的焊接工艺条件下的焊接性却表现出很大的差异。因此，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。而且随着新的焊接方法、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。1、影响焊接性的因素焊接性是金属材料的一种工艺性能。除了受材料本身性质影响外，还受到工艺条件、结构条件和使用条件的影响。1）材料因素材料包括母材和焊接材料。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。物理性能方面：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。不锈钢等热导率低的材料，焊接时温度梯度大，残余应力高，变形大，。而且由于高温停留时间长，热影响区晶粒长大，对接头性能不利。奥氏体不锈钢线膨胀系数大、接头的变形和应力较为严重。化学性能方面，主要看金属与氧的亲和力的强弱。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。对于钢材的焊接，影响其焊接性的主要因素是所含的化学万分。其中影响最大的元素有碳、硫、磷、氢、氧和氮等，它们容易引起焊接工艺缺陷和降低接头的使用性能。其他合金元素，如锰、硅、铬、镍、钼、钛、钒、铌、铜、硼等都在不同程度上增加焊接接头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。此外，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。通过精炼提纯或细化晶粒和控轧工艺等手段，来改善钢材的焊接性。焊接材料直接参与焊接过程一系列化学冶金反应，决定着焊缝金属的成分、组织、性能及缺陷的形成。如果选择焊接材料不当，与母材不匹配，不仅不能获得满足使用要求的接头，还会引进裂纹等缺陷的产生和组织性能的变化。因此，正确选用焊接塑性是保证获得优质焊接接头的重要冶金条件。2）工艺因素工艺因素包括焊接方法、焊接工艺参数、装配顺序、预热、后热及焊后热处理等。焊接方法对焊接性影响很大，主要表现在热源特性和保护条件两个方面。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，最高加热温度也不高，焊接时加热缓慢，高温停留时间长，使得热影响区晶粒粗大，冲击韧性显著降低，必须经正火处理才得改善。与此相反，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。调整焊接工艺参数，采取预热、多层焊和控制层间温度等其它工艺措施，可以调节和控制焊接热循环，从而可改变金属的焊接性。如采取焊前预热或焊后热处理等措施，则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。3）结构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。其影响主要表现在热的传递和力的状态方面。不同板厚、不同接头形式或坡口形状其传热速度方向和传热速度不一样，从而对熔池结晶方向和晶粒成长发生影响。结构的开关、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，避免焊缝隙过于密度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4）使用条件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。这些工作环境和运行条件要求焊接结构具有相应的使用性能。如在低温工作的焊接结构，必须具备抗脆性断裂性能；在高温工作的结构要具有抗蠕变性能；在交变载荷下工作的结构具有良好的抗疲劳；在酸、碱或盐类介质工作的焊接容器应具有高的耐蚀性能等等。总之，使用条件越苛刻，对焊接接头的质量要求就越高，材料的焊接性就越不容易保证。2、金属焊接性的研究方法焊接工程师经常遇到一些新材料、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基础上再作必要的可焊性试验区。焊接性分析可以避免试验区的盲目性，焊接性试验区可以验证理论分析的结果。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。对工艺焊接性方面的分析，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。首先应结构研究对象的特点，从影响焊接性的材料因素、工艺因素和结构因素等方面入手，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，焊接工艺缺陷很多，藕以裂纹的危害性最大，产生的原因多而复杂，故分析的重点通常是放在材料的抗裂性能上。按材料中合金元素及其含量间接地评估合金结构钢的焊接性是最常用的分析方法，如“碳当量法”和“裂纹敏感系数法”等。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）。对使用焊接性方面的分析，主要是考察金属材料在给定的焊接工艺条件下，焊成的接头或整个焊接结构是否满足使用要求，这些要求是由结构的工作条件所决定并由设计者提出。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进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。2）焊接性试验焊接性分析是以理论知识和生产经验为依据进行的，分析的结果难免与生产实际有出入。因此，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，以获取第一手资料。既可以对材料的焊接性作出更为准确和全面的评价，同时也为制订焊接工艺提供可靠的依据。总之，焊接性的分析与试验区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性，可简可繁，有时分析与试验交叉平行进行。不同金属材料焊接性分析时应考虑的问题金属材料焊接性重点分析内容低碳钢1）厚板的刚性拘束裂纹2）硫致热裂纹中、高碳钢1）冷裂纹2）焊接HAZ淬硬低合金钢热轧及正火钢1）冷裂纹2）热裂纹3）再热裂纹4）层状撕裂5）HAZ脆化低碳调质钢1）冷裂纹、根部裂纹2）热裂纹（含镍钢）3）HAZ脆化4）HAZ软化中碳调质钢1）热裂2）冷裂3）HAZ脆化4）HAZ回火软化珠光体耐蚀钢1）冷裂纹2）HAZ硬化3）再热裂纹4）持久强度低温钢1）低温缺口韧性2）冷裂纹不锈钢奥氏体不锈钢1）晶间腐蚀2）应力腐蚀开裂3）热裂纹铁素体不锈钢1）475度脆化2）σ相脆化3）热裂纹马氏体不锈钢1）冷裂纹2）HAZ硬化P-A异种钢1）焊缝成分的控制（稀释率）2）熔合区过渡层3）熔合区扩散野4）残余应力铸铁1）焊缝及熔合区“白口”2）热裂纹3）热应力裂纹4）冷裂铝及其合金1）氯化2）气孔3）热裂纹4）HAZ软化3、焊接性的试验内容与方法分类按材料的不同特点和不同使用要求，焊接性试验内容有1）测定焊缝金属抗热裂缝的能力热裂缝是一种较常发生又危害严重的一种焊接缺陷，是熔池金属结晶过程中，由于存在一些有害元素（如低熔点共晶物）并受热应力作用而在结晶末期发生。热裂纹既和母材有关，又和焊接有关。所以测定焊缝金属抵抗热裂纹的能力是焊接性试验的一项重要内容。2）测定焊缝及热影响区金属抗冷裂纹的能力冷裂纹在低合金高强钢焊接中是最为常见的缺陷，由于这种缺陷的发生具有延迟性，其危害更大，它是焊缝及热影响区金属在焊接热循环作用下，由于组织及性能变化，加之受焊接和扩散氢的共同作用而产生。所以测定焊缝及热影响区金属抗冷裂纹的能力是焊接性试验中很重要又最经常作的一项试验内容。3）测定焊接接着抗脆性断裂的能力对于在低温下工作的焊接结构和承受冲击载荷的焊接结构，可能经过焊接的冶金反应，结晶、固态相变等一系列过程，焊接接头会发生粗晶脆化、组织脆化、热应变时效脆化等现象。使接头韧性严重下降，即焊接接头发生脆性转变。因此，对这类焊接结构的用材，须要作抗脆断（或抗脆性转变）能力的试验。4）测定焊接接头的使用性能根据焊接结构使用条件对焊接性提出的性能要求来确定试验内容。使用要求是多方面的，例如，在腐蚀介质工作的焊接结构要求抗腐蚀性能，就可以确定做焊接接头的耐晶间腐蚀能力或耐应力腐蚀能力等的试验；厚板钢结构要求抗层状撕裂性能时，就须做Z向拉伸或Z向窗口试验，以测定钢材抗层状撕裂的能力。4、焊接性试验方法分类研究和评定金属材料焊接性的试验方法很多，根据试验的内容和特点大致归纳为工艺焊接性和使用焊接性两大方面的试验，每一大方面又分为直接法和间接法两种类型。直接法有两种情况：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）。这种情况多在工艺焊接性试验中使用；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。间接法一般不需要焊出焊缝，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。例如，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。5、选择或设计焊接性试验方法的原则现有的焊接性试验方法很多，随着技术的进步，要求的提高，焊接性试验方法还会不断增加，选择已有的或设计新的焊接性试验方法时一般应考虑以下原则：1）可比性只有试验条件完全相同的情况下，两个试验的结果才具有可比性。因此，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。2）针对性所选择的或自行设计的试验方法，其试验条件要昼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