造船焊接与切割技术-07

苗玉刚2010-3-1哈尔滨哈尔滨工程大学HarbinEngineerUniversity造船焊接与切割技术WeldingandCuttingTechnologyforShipbuilding金属材料的焊接Weldingofmetalmaterials第7讲金属材料的焊接授课内容：z金属材料的焊接性z钢的焊接z铸铁的焊接z有色金属的焊接金属材料的焊接性金属材料的焊接性金属材料的焊接性指金属材料在一定的焊接工艺条件下获得优质焊接接头的难易程度。它主要取决于以下依据：1、金属的导热性和导电性2、金属的高温塑变能力3、金属对热循环的敏感性4、熔点和线膨胀系数金属的可焊性包括以下两方面内容：1、金属经受焊接加工时对焊接缺陷的敏感性；2、焊接接头在一定使用条件下的可靠运行能力金属材料的焊接性金属材料的焊接性金属材料的焊接性（GB/T3375-94）：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。焊接性是一个相对概念，非一成不变也！焊接性受：材料、焊接方法、构件类型、使用要求等因素影响。焊接性的好坏从两个方面来衡量：1.工艺焊接性：焊接工艺的优劣，产生缺陷的倾向;2.使用焊接性：接头在使用中的可靠性，如力学性能和其它性能。金属材料的焊接性金属材料的焊接性工艺焊接性是在一定工艺条件下，能否获得优质致密、无超标缺陷的焊接接头的能力，即接合能力。因此，金属材料的工艺焊接性必然与其焊接过程有关。就熔焊而言，其焊接过程涉及热过程和冶金过程，从而又可把工艺焊接性分为“热焊接性”和“冶金焊接性”。其中，热焊接性是指在焊接热过程条件下，对焊接热影响区组织、性能和形成缺陷的影响程度，可用以说明被焊金属材料对焊接加热的敏感性。冶金焊接性是指焊接治金反应对焊缝以及熔合区性能和形成缺陷的影响程度，它包括合金元素的氧化与还原、气体的溶解和反应，以及相应缺陷的形成，可以此来说明被焊金属材料对焊接冶金条件的敏感性。由上述可见，工艺焊接性主要表现在金属在焊接过程中对接头性能的改变，尤其是形成缺陷的敏感性在通常情况下，可作金属材料焊接性的标志。金属材料的焊接性金属材料的焊接性使用焊接性是指焊接接头或整体结构满足技术条件所规定的各种使用性能的程度，包括常规的力学性能，以及接头或结构服役时所需的低温性能、抗脆断性能、高温抗蠕变、抗疲劳、抗腐蚀、耐磨等，亦即在一定工艺条件下所获得焊接接头对使用要求的适应性。金属的焊接性既与材料本身的固有性能有关，同时也取决于诸多的焊接工艺条件。因此，在不同的焊接工艺条件下，同一材料可以有不同的焊接性以至相差悬殊。随着新的焊接方法、焊接材料和焊接工艺的开发和完善，一些原来焊接性差的金属或其它材料，也会变成焊接性好的材料。金属材料的焊接性金属材料的焊接性影响金属焊接性的因素很多，大体可以归纳为材料、工艺、设计及服役环境等四方面：1、材料因素材料方面有关因素有钢材的化学成分、冶炼轧制状态、热处理状态、组织状态和力学性能等，尤以化学成分影响最甚。2、工艺因素工艺因素包括焊接方法、焊接规范、预热、后热及焊后热处理等等。金属材料的焊接性金属材料的焊接性3、结构因素结构方面的因素有焊接结构和焊接接头的形式、刚度以及应力状态等，它们将影响按头的力学性能以及产生缺陷的倾向。4、环境因素服役环境因素，是指焊接结构的工作温度、负荷条件(载载种类、作用方式及速度等)和工作介质等。一般说来，环境温度超低，焊接结构越易发生脆性破坏。金属材料的焊接性金属材料的焊接性从焊接性定义而言，评价金属焊接性试验主要有：①评定金属在经焊接加工时对缺陷的敏感性，一般情况下，主要是评估对裂纹的敏感性，即进行抗裂纹试验。②评定焊接接头能否满足结构使用性能的要求。对于评价接头或结构使用性能的试验内容复杂，具体项目取决于结构的工作条件和设计上提出的技术要求，通常为常规力学性能(拉伸、弯曲、冲击等)试验。金属材料的焊接性金属材料的焊接性评定焊接性试验方法：(一)直接试验这是在一定条件下通过直接施焊来评定焊接性的方法，主要是针对钢在焊接过程所出现的缺陷以及焊接后的接头性能变化面提出的。(二)间接试验一是以热模拟组织和性能、焊接SHCCT图和断口分析，以及焊接热影响区的最高硬度等来判断焊接性；二是根据被焊金属的化学成分和其它条件(如构束度、焊缝金属扩敬氢含量等)，通过理论和经验计算来评估热裂、冷裂倾向大小；三是焊缝和接头各种性能试验，如高温蠕变、疲劳试验、耐蚀试验等。金属材料的焊接性金属材料的焊接性焊接性试验方法的选择在生产和科研工作中应根据具体情况，有针对性地拟定必要的焊按性试验。选择试验方法原则大体如下：1．试验有明显的针对性、适应性，如淬硬性倾向大的高强钢应选冷裂纹试验对热处理强化铝合金则应选热裂纹试验；对实际工作中刚性较大的结构应选严格拘束下试验；而结构刚度不大的则应当选普通拘束应的试验。2．试验条件稳定，试验结果有较好可靠性和再现性尽量选择较成熟的通用试验方法，试验规他参数能确切反映某些因素的作用，试验结果可比性强。3．试验方法经济，试验材料消耗少，加工容易，试验周期短。焊接性的直接试验法焊接性的直接试验法焊接裂纹是工艺焊接性中主要问题，被焊材料的焊接性，很多情况下主要决定于该材料的焊接裂纹敏感性大小。在焊接生产中由于被焊材料和结构类型的不同可能出现各种裂纹，主要有热裂纹、冷裂纹、再裂纹、层状撕裂和应力腐蚀裂纹等五大类。工艺焊接性的直接试验法工艺焊接性的直接试验法1.Y型坡口裂纹试验广泛用于评价打底焊缝及其热影响区的冷裂倾向。保持焊接规范不变，采用不同的预热温度进行试验，测得能防止冷裂纹的临界温度。工艺焊接性的直接试验法工艺焊接性的直接试验法2.菲斯柯裂纹试验(FISCO)特别适用于热裂纹的试验，试件及其装配如图。工艺焊接性的直接试验法工艺焊接性的直接试验法3.插销试验:主要是用来测定钢材焊接热影区冷裂纹敏感性的一种定量试验方法。工艺焊接性的直接试验法工艺焊接性的直接试验法插销试验的基本原理，是将被测试的钢材作成直径8mm(或6mm)的圆柱形试棒，为了模拟焊接接头应力集中条件，在试棒一端开一环形或螺旋形缺口。试验时，将试棒(插销)插入底板的圆孔内，带缺口一端与底板上表面平齐，然后在底板上按规定焊接线能量熔敷一焊道，尽量使焊道中心线通过插销的端面中心，该焊道熔深应保证缺口位于热影响区的粗晶部位。焊后当试件冷却到l50—l00℃时，在插销上加一静拉伸载荷。调节拉伸载荷即拉伸应力，当应力小于某值，试件经规定时间后不再断裂时的拉伸应力，即为临界断裂应力，以此作为评估这种钢冷裂纹敏感大小的标淮。碳钢的分类碳钢的分类碳钢是以铁为基本成分，含碳量小于1.3％的铁碳合金。碳钢中除以碳作为主要合金元素外，还有锰和硅等少量有益元素。此外，碳钢中还有硫、磷等杂质，各种钢都对杂质作了严格限制。对于某些主要碳钢还要限制铬、镍、铜、氮等元素含量。碳钢的分类有：1．按其含碳量(1)低碳钢,C含量0.04-0.25％，用在冷加工和焊接结构。(2)中碳钢,C含量0.25％-0.60％，用于强度要求较高的构件和机器零件，根据不同强度要求进行淬火和回火处理(3)高碳钢,C＞0.60％，主要用来制弹簧、工具以及耐磨损构件.碳钢的分类碳钢的分类2．按钢材脱氧程度(1)沸腾钢(2)镇静钢(3)半镇静钢3．按有害杂质随和磷含量(1)普通碳素钢S＜0.05％，P＜0.045％。(2)优质碳素钢S＜0.035％，P＜0.035％。(3)高级优质碳素结构钢S≤0.030％，P＜0.035％4．按用途(1)结构钢:用来制造各种金属构件和机器零件。(2)工具钢:用来制造各种量具、刃具、模具等工具。船用钢材的牌号及性能船用钢材的牌号及性能钢材的质量等级主要是以对冲击韧性（夏比V型缺口试验）的要求区分的。A级为在常温(20℃)做冲击试验，冲击功为27J。B级为在0℃做冲击试验，冲击功为27J。D级为在-20℃做冲击试验，冲击功为27J。E级为在-40℃做冲击试验，冲击功为27J。A、B、D、E冲击试样为V型缺口纵向冲击船用钢材的牌号及性能凡是一级钢和高强钢厚度大于30mm，焊前预热120-150℃。船用钢材的牌号及性能由A、B、D、E各级钢的化学成分及机械性能可以知道，A级沸腾钢主要用于船体内部构架和承受一般应力的外板等区域。而B、D、E各级钢材可用于船体外板、主甲板等高应力区的重要结构。E级钢板具有很好的低温性能，尤其适用于在冰区航行的船体外板、主甲板等。船用钢材的牌号及性能两个凡是：凡是民用船舶均采用碳素结构钢，凡是军船均采用低合金高强钢。我国研制开发用船用高强钢有901(16Mn、35kg级)、902(15MnTi/15MnV、45kg级)、903(10MnTiVRe、45kg级)、921、945和907A等钢种。焊接材料应选择与母材强度相当的焊接材料，综合考虑焊缝金属的韧性和抗裂能力。碳当量估算法(IIW)w(C)当量＝w(C)++6)(nMw+++5)()()(VwMwCwor15)()(uiCwNw+ω（C）当量＜0.4％时焊接性良好；ω（C）当量＝0.4～0.6％时焊接性相对较差；ω（C）当量＞0.4％：焊接性不好。％根据经验工艺焊接性的间接估算法工艺焊接性的间接估算法焊接接头的淬硬及冷裂纹倾向与材料的化学成分直接有关，所以可用化学成分来评估其冷裂纹敏感性。将钢中包括碳在内和其它合金元素对淬硬、冷裂及脆化等影响各种合成碳的相当含量，即用所谓碳当量来评估。碳钢的焊接碳钢的焊接碳钢的力学性能和焊接性主要决定于它的含碳量。随着含碳量增加，硬度和强度提高，而塑性下降。含碳量增加，钢结晶温度区间扩大，马氏体量增多，淬硬倾向增加，焊接时产生结晶裂纹和冷裂纹敏感性增加，焊接性逐渐变差。低碳钢焊接，所选焊接材料的含碳量一般都低于母材，焊缝金属依靠适当的锰和硅及较高的冷却速度达到母材的强度。低碳钢有优良的焊接性，含碳较高的中碳钢焊接性则较差，含碳大于0．6％的高碳钢焊接性低劣。碳钢的焊接碳钢的焊接一、低碳钢的焊接低碳钢含碳量≤0.25％没有淬硬、冷裂倾向，焊接性良好；通常无须热处理。当厚度大于50mm的结构在低温焊接时：（1）需预热焊件（100～150℃）；（2）或用大电流多层焊；（3）焊后进行去应力退火或正火。低碳钢适宜各种焊接方法。应用较广有：焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护电弧焊、电渣焊和电阻焊。碳钢的焊接碳钢的焊接一、低碳钢的焊接z焊接性良好z焊接方法、工艺与焊接材料选择¾焊条电弧焊：酸性焊条E4303（J422）、E4320（J424）等；承受动载荷、结构复杂的厚大焊件，选用抗裂性好的碱性焊条E4315（J427）、E4316（J426）等¾埋弧焊：焊丝H08A或H08MnA配合焊剂HJ431。¾电渣焊：焊后应进行正火处理。¾板厚大于50mm，在低于0℃的环境温度焊接时，应预热100～150℃。碳钢的焊接碳钢的焊接二、中、高碳钢焊接中、高碳钢Wc0.25％以上，属淬硬钢，含碳量增加，淬硬、裂纹倾向增加，焊接性明显变差。为此措施有：1.选用合适的焊条(选用细焊条)；2.焊前预热；开坡口；小电流；3.多层焊及焊后缓冷等。高碳钢工件一般只限于修补工作中、高碳钢的焊接中、高碳钢的焊接z焊接性差：热影响区组织淬硬倾向增大，较易出现裂纹和气孔z焊接工艺要点：–预热：35、45钢，焊前应预热150~250℃–焊后热处理–冶金保护,焊接中碳钢采用J507焊条。–开坡口并采用细焊条，小电流，多层焊等z焊接方法、工艺与焊接材料选择–高碳钢一般只用于破损工件的焊补，通常采用焊条电弧焊或气焊–无法预热，应选用奥氏体不锈钢焊条合金结构钢的焊接合金结构钢的焊接合金结构钢分为机械制造用合金结构钢和低合金高强度钢（工程:桥梁、建筑、车辆、船舶等用钢）低合金高强度钢焊接特点：淬硬和裂纹倾向增大！焊接方法与工艺：一般按（屈服）强度分等级，常用焊条电弧焊和埋弧焊焊接，其焊接材料选用如下表：钢号埋弧焊新标准旧标准焊丝牌号焊剂牌号Q29509Mn2J422,J423H08AHJ431不预热Q34516MnJ502,J507H08MnAHJ43