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金属焊接性及其试验方法2017.04.18在长期生产实践和科学研究的过程中,人们发现,某些金属材料具有良好的性能(较高的强度、塑性和耐蚀性等),是理想的结构材料,但当人们利用这些材料制造焊接结构时却发现,它们往往会在焊接结构的应用中出现很多问题,这是为什么?1.焊接性及其分析方法焊接中,焊接接头中的各种物理化学反应是在温度和化学成分都处于极不平衡的特定条件下进行的,引起两方面的不良后果:1.在焊接区内产生各种类型的缺陷,使焊接接头丧失其连续性;2.即使没有产生缺陷,但却降低了某些必要的性能,影响焊接结构的使用。因此,单从金属本身的基本成分和性能,并不足以判断它在焊接时会出现什么问题,也不能直接表明焊后接头性能是否满足使用要求。这样就要求人们从焊接的角度来专门分析研究金属某些特有的性质——焊接性。2.焊接性及其影响因素1、金属焊接性定义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性能(能力+特性)含义•金属在焊接加工中形成完整焊接接头的能力即金属对形成缺陷的敏感性(结合性能)•焊成的接头在一定的使用条件下可靠运行的能力(使用性能)2.评价标准•如果某种金属采用简单的焊接工艺就可获得优质焊接接头并且具有良好的使用性能或满足技术条件的要求,就称其焊接性好;•如果只有采用特殊的焊接工艺才能不出缺陷,或者焊接热过程会使接头热影响区性能显著变坏以至不能满足使用要求,则称其焊接性差。3.研究焊接性的目的•查明研发材料(钢种)在未来用于结构建造中,受到焊接加工影响时可能出现的问题,以确定合理的合金成分和制造工艺。•查明一定的材料在指定的焊接工艺条件下可能出现的问题,以确定焊接材料的改进方向以及选择合理的工艺参数。•焊接性工艺焊接性:在一定焊接工艺条件下,能否获得优质致密、无缺陷的焊接接头的能力。使用焊接性:焊接接头或整体结构满足某种使用性能的程度焊接性的分类一、工艺焊接性的分类对于熔化焊来说,焊接时的冶金过程必定伴随着热过程。在焊接接头区域中,热过程主要作用于热影响区的组织和性能,而冶金过程则主要影响焊缝金属的组织和性能。•热焊接性•在焊接过程条件下,焊接热循环对HAZ组织性能及产生缺陷的影响程度•评定被焊金属对热的敏感性,主要与被焊材质及焊接工艺条件有关(与焊缝金属不同,焊接时热影响区的化学成分一般不会发生明显的变化,而且不能通过改变焊接材料来进行调整,即使有些元素可以由熔池向熔合区或热影响区粗晶区扩散,那也是很有限的。为了改善热焊接性,除了选择母材之外,还要正确选定焊接方法和热输入。)•冶金焊接性•冶金反应对焊缝性能和产生缺陷的影响程度具体来讲是指熔焊高温下的熔池金属与气相、熔渣等相之间发生化学冶金反应所引起的焊接性变化。这些冶金反应包括:合金元素的氧化、还原、蒸发;氧、氢、氮等的溶解、析出对生成气孔或对焊缝性能的影响;在焊缝结晶及冷却过程中,由于焊接熔池的化学成分、凝固结晶条件以及接头区热胀冷缩和拘束应力等影响,对裂纹,特别是热裂纹或冷裂纹的敏感性。•影响焊缝金属化学成分和性能的主要方面二、影响工艺焊接性的因素(影响接头形成的过程)1.材料因素母材或基本金属焊接材料:焊条、焊丝、焊剂、保护气体•由于这些材料在焊接时将直接参与熔池或半熔化区的冶金反应过程,影响或决定接头的焊接质量,因此是影响焊接性的首要因素。•母材自身的材质对焊接性起决定作用•焊接材料对焊缝金属的成分和性能至关重要,对母材的焊接性也有影响若焊接材料选择不当或成分不合格,焊接时也会出现裂纹、气孔等缺陷,甚至会使接头的强度、塑性、耐蚀性等使用性能变差。2.工艺因素焊接方法焊接工艺措施对于同一种母材,采用不同的焊接方法和工艺措施,所表现出来的焊接性有很大的差异。发展新的焊接方法和新的工艺措施是改善工艺焊接性的重要途径。在结构材料和焊接材料选择正确、结构设计合理的情况下,工艺因素是对结构焊接质量起决定性作用的因素。焊接方法对焊接性的影响主要有两个方面:•焊接热源的特点:各种焊接方法所采用的焊接热源在功率、能量密度、最高加热温度等方面均不同,这可直接改变焊接热循环的各项参数(如峰值温度、高温停留时间及相变区的冷却速度等),从而影响接头的组织和性能•对熔池和接头附近区域的保护各种焊接方法对焊接区的保护方式不同,其保护效果和保护下的接头质量就有差别,因此保护方式对焊接性也有影响。工艺措施焊前预热焊后缓冷焊后热处理后热合理装配焊接顺序工艺措施对防止焊接接头产生缺陷,提高接头使用性能至关重要•不同板厚、不同接头形式或坡口形状的焊件传热方向和传热速度不一样,对熔池结晶和晶粒成长有影响•焊接结构设计直接影响接头的刚度、拘束度以及应力状态,影响接头产生各种裂纹的倾向3.结构设计因素结构和接头形式、焊缝布置•在设计焊接结构时,应尽量使接头处于刚度、拘束度较小的状态,以便焊缝能较为自由地收缩,防止裂纹,改善材料的焊接性。例如结构刚度过大或过小,断面突然变化,焊接接头的缺口效应,过大的焊缝体积以及过于密集的焊缝数量,都会不同程度地引起应力集中,造成多向应力状态而使结构或焊接接头脆断敏感性增加。因此,结构设计因素也是影响焊接性的重要因素。•对体积和重量有要求的焊接结构,设计中应选择比强度较高的材料,如轻合金材料,以达到缩小体积、减轻重量的目的。•对体积和重量无特殊要求的焊接结构,选用强度等级较高的材料也有其技术经济意义,不仅可减轻结构自重,节约大量钢材和焊接材料。4.使用条件工作温度、受载类别、工作环境等一定工作环境和运行条件要求焊接结构必须具有相应的使用性能,因此使用条件的苛刻程度必然影响到某些金属的焊接性•总之,焊接性与材料、设计、工艺和服役环境等因素有密切关系,人们不可能脱离这些因素而简单地认为某种材料的焊接性好或不好,也不能只用某一种指标来概括某种材料的焊接性。3.焊接性分析方法(一)从金属的特性分析焊接性1.化学成分1)碳当量法钢材中的各种元素,碳对淬硬及冷裂影响最显著,所以有人将钢材中各种元素的作用按照相当于若干含碳量折合并迭加起来,求得所谓的“碳当量”(Ceq),以Ceq值的大小估价冷裂纹倾向的大小,认为Ceq值越小,钢材的焊接性能越好2)焊接冷裂纹敏感系数除碳当量外,考虑到焊缝含氢量和接头拘束度2.利用物理性能分析金属的熔点、导热系数、密度、线胀系数、热容量等因素、都会对热循环、熔化、结晶、相变等过程产生影响,从而影响焊接性。3.利用化学性能分析考虑焊缝金属被有害元素侵害的倾向性,如铝、钛合金与氧的亲和力较强,在焊接高温下极易氧化因而需要采取较可靠的保护方法,如:惰性气体保护焊,真空中焊接等,有时焊缝背面也需要保护。4.利用合金相图分析主要是分析热裂纹倾向。依照成分范围,查找相图,可知道结晶范围,脆性温度区间的大小,是否形成低熔点共晶物,形成何组织等。5.利用SHCCT图分析SimulatedHAZCCT图:焊接连续冷却组织转变图,它反映了焊接热影响区从高温连续冷却时,热影响区显微组织和室温硬度与冷却速度的关系。利用热影响区SHCCT图可以方便地预测热影响区组织、性能和硬度变化,预测某种钢焊接热影响区的淬硬倾向和产生冷裂纹的可能性。同时也可以作为调整焊接热输入、改进焊接工艺的依据。(二)从焊接工艺条件分析焊接性1、热源特点各种焊接方法所采用的热源在功率、能量密度、最高加热温度等方面有很大的差别,使金属在不同工艺条件下焊接时显示出不同的焊接性2、保护方法保护方法是否恰当也会影响金属焊接性的效果3、热循环的控制正确选择焊接工艺规范控制焊接热循环预热、缓冷、层间温度改变焊接性4、其它工艺因素彻底清理坡口及其附近;焊接材料处理、烘干、除锈、保护气体要提纯、去杂质后使用;合理安排焊接顺序;正确制定焊接规范。4.金属的焊接性试验焊接性试验用于材料焊接性的评定。工艺焊接性评定的准则是评定焊接接头产生工艺缺陷的倾向,为制定合理的焊接工艺提供依据。使用焊接性是评定焊接接头能否满足结构使用性能的要求。其评定要根据结构的工作条件和设计上提出的技术规定进行。一、金属焊接性试验的目的•查明研发钢种可能出现的焊接问题,加以完善、改进•拟定产品的焊接工艺•研制和开发新型的焊接材料二、焊接性试验内容:1.评价焊缝金属抵抗产生热裂纹的能力热裂纹是在焊接熔池金属结晶过程中,由于存在一些有害元素或低熔点共晶体而在拉伸应力的作用下产生。热裂纹产生倾向即与母材、焊接材料有关,又与它们的匹配有关。因此,测定焊缝金属抵抗热裂纹的能力,可以有助于合理选择和匹配焊接材料,是焊接性试验的一项重要内容。通常通过热裂纹敏感指数和热裂纹试验来评定焊缝的热裂纹敏感性。2.评价焊缝和热影响区金属抵抗产生冷裂纹的能力冷裂纹在合金结构钢焊接中是最为常见的缺陷,这种缺陷的发生具有延迟性并且危害很大。在焊接热循环作用下,焊缝及热影响区金属由于组织硬化倾向严重,在拉伸应力和扩散氢共同作用下可能产生生冷裂纹这也是焊接中必须避免的严重缺陷。测定焊缝及热影响区金属抵抗冷裂纹的能力,是焊接性试验中最重要而又最常用的一项试验内容。一般通过间接计算和焊接性试验来评定冷裂纹敏感性。3.评价焊接接头抵抗脆性转变的能力焊缝及热影响区金属经过冶金反应、结晶、固态相变等一系列过程,会发生粗晶脆化、组织脆化、热应变时效脆化等,可能导致接头韧性下降,发生所谓的焊接接头脆性转变。这对于在低温下工作的焊接结构和承受冲击载荷的结构是及其危险的。因此测定焊接接头抵抗脆性转变的能力也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焊接结构的不同使用条件会对金属焊接性提出不同的性能要求,因此还必须从使用角度来制定焊接性试验。主要包括力学性能和产品要求的其他使用性能,如不锈钢的耐腐蚀性、低温钢的低温冲击韧性、耐热钢的高温蠕变强度或持久强度等试验。1、模拟类方法:这类焊接性评定方法一般不需要进行实际焊接,只是利用焊接热模拟装置,模拟焊接热循环,人为制造缺口或电解充氢等,估价材料焊接过程中焊缝或热影响区可能发生的组织性能变化和出现的问题,为制定合理的焊接工艺提供依据。三、焊接性试验方法分类特点:①节约材料和工时,试验周期短;②可以将接头内某一区域局部放大,从而使有些因素孤立出来,便于分析研究和寻求改善焊接性的途径。③和实际焊接相比有一些差别,因为很多条件是被简化了的。常用方法:热模拟法、热一应力模拟试验2、实焊类方法这类方法是比较直观地对施焊的接头甚至产品进行检查,焊接接头是否发生缺陷或在使用条件下进行各种性能试验,以实际试验结果来评定其焊接性。常用方法:斜Y坡口对接裂纹试验、窗口拘束试验、刚性固定对接裂纹试验以及不锈钢晶间腐蚀试验。3、理论计算类方法这是一类在大量生产和科学研究经验的基础上归纳总结出来的理论计算方法。它们主要依据母材或焊缝金属的化学成分,加上某些其它条件(如接头拘束度、焊缝扩散氢含量),然后通过一定的经验公式计算,估计冷裂、热裂、再热裂纹的倾向大小。•由于是经验公式,这类方法的应用是有条件限制的,而且大多是间接、粗略估计焊接性问题。•常用方法:碳当量法、冷裂敏感指数法、热影响区最高硬度法等焊接性试验方法工艺焊接性使用焊接性直接法间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、力模拟试验直接法间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试验应力腐蚀开裂试验•四、选择或制定焊接性试验方法的原则•评定焊接性的试验方法多种多样,且每种试验的研究角度、试验条件、适用范围、难易程度以及试验精度等都有较大差别。一般情况下,正确、快速选择已有的或设计新的焊接性试验方法应把握以下几个基本原则:1、应尽量使试验条件与实际焊接条件一致(针对性)焊接性试验条件应尽可能接近实际焊接时的条件,只有这样才能使焊接性试验具有较强的针对性,才有可能使试验结果比较
本文标题:常用金属焊接性
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