金屬焊接性及碳鋼的焊接培訓(xùn)課件

1、金屬焊接性及金屬焊接性及碳鋼的焊接碳鋼的焊接20162016年年2 2月月 主講：劉偉主講：劉偉第一節(jié)第一節(jié) 金屬焊接性基礎(chǔ)金屬焊接性基礎(chǔ)一、概述 金屬焊接性是指金屬材料對焊接加工的適應(yīng)性，即在一定的焊接工藝條件下，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。它包含：1、結(jié)合性能又稱工藝焊接性，即在一定的焊接工藝（焊接方法、焊接材料、焊接工藝參數(shù)、結(jié)構(gòu)形式等）條件下，被焊金屬形成焊接缺陷（裂紋、夾渣、氣孔等）的敏感性、傾向性和嚴(yán)重性(其中裂紋的危害最大)，簡稱“好焊不好焊”。2、使用性能又稱使用焊接性，即在一定的焊接工藝條件下，被焊金屬的焊接接頭對使用性能要求的適應(yīng)性，即焊接接頭或整體結(jié)構(gòu)能否滿足技術(shù)條件規(guī)定

2、的使用性能要求，如常規(guī)力學(xué)性能、低溫韌性、高溫蠕變、持久強(qiáng)度、疲勞性能、耐磨性能、耐腐蝕性能等，簡稱“好用不好用”。二、金屬焊接性的影響因素1、材料因素：材料的化學(xué)成分、組織狀態(tài)、力學(xué)性能對焊接性有重要影響。如：Al和Ti的化學(xué)性質(zhì)很活潑，容易氧化和燒損，故其焊接較困難；不同金屬材料間的焊接，其物理化學(xué)性能和晶體結(jié)構(gòu)越接近，越容易實(shí)現(xiàn)良好焊接。2、工藝因素：不同的焊接方法和焊接工藝流程對焊接性有不同影響。如：Al和Ti屬化學(xué)性質(zhì)較活潑的金屬，采用一般焊接方法不易焊接；而采用保護(hù)良好的氬弧焊后，使其高質(zhì)量的焊接成為現(xiàn)實(shí)。3、結(jié)構(gòu)因素：焊接接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計直接影響其剛度、應(yīng)力的大小和方向，因此，應(yīng)盡

3、量減少焊接接頭的剛度、減少交叉焊縫、減少應(yīng)力集中。4、使用條件：焊接接頭所承受的載荷、工作溫度高低、工作環(huán)境的腐蝕情況等對焊接接頭有重要影響。如：高溫下工作的焊接接頭，必須考慮元素的擴(kuò)散和結(jié)構(gòu)的蠕變問題；低溫下工作且承受沖擊載荷的焊接接頭，應(yīng)考慮脆性斷裂問題；腐蝕條件下工作的焊接接頭，應(yīng)考慮耐腐蝕破壞問題。三、金屬焊接性的評定方法1、工藝焊接性評定：主要評定對焊接缺陷的敏感性，尤其是裂紋形成傾向。A、直接模擬實(shí)驗：按照實(shí)際焊接條件，通過焊接過程觀察焊接缺陷及其程度。主要有：冷裂紋實(shí)驗、熱裂紋實(shí)驗、應(yīng)力腐蝕實(shí)驗、脆性斷裂實(shí)驗等。B、間接推算法：根據(jù)材料的化學(xué)成分、金相組織、力學(xué)性能的關(guān)系，并聯(lián)系

4、焊接熱循環(huán)過程對焊接進(jìn)行評定。主要有：抗裂紋判據(jù)、焊接應(yīng)力模擬等。2、使用焊接性評定：將焊接接頭在使用條件下進(jìn)行性能實(shí)驗，對實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行焊接性評定。主要有：常規(guī)力學(xué)性能實(shí)驗、高溫力學(xué)性能實(shí)驗、低溫脆性實(shí)驗、耐腐蝕實(shí)驗、耐磨損實(shí)驗、疲勞實(shí)驗等。四、鋼的焊接性判據(jù)對鋼焊接性好壞的判斷，可以通過在大量實(shí)驗基礎(chǔ)上建立的抗裂紋經(jīng)驗公式進(jìn)行評判。最主要的是對材料冷裂紋敏感性的判斷。1、碳當(dāng)量法該法可粗略估計低合金鋼的焊接冷裂紋敏感性。在各種元素中，碳對冷裂紋的產(chǎn)生最敏感，設(shè)其系數(shù)為1，將其它元素的影響按照碳的影響進(jìn)行折合并迭加，即構(gòu)成“碳當(dāng)量”。碳當(dāng)量越大，淬硬冷裂的傾向越大，焊接性就越差。對中、高強(qiáng)度的

5、低合金非調(diào)質(zhì)鋼，國際焊接學(xué)會推薦的經(jīng)驗公式為：Ceq=Wc+1/6WMn+1/15W(Ni+Cu)+1/5W(Cr+Mo+V) %當(dāng)Ceq0.4%時，鋼材的淬硬性不大，焊接性良好；當(dāng)Ceq=0.4%0.6%時，鋼材易于淬硬，需預(yù)熱才能防止形成冷裂紋；當(dāng)Ceq0.6%時，鋼材的淬硬性傾向大，焊接性差。對低合金調(diào)質(zhì)鋼，日本溶接學(xué)會推薦的公式為： Ceq=Wc+1/6WMn+1/40WNi+1/5WCr+1/24WSi+1/4WMo+1/14WV%其中，C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V、B等均有一定的成分范圍。對于普通低碳鋼： Ceq=Wc+1/2Wp+1/4WMo+1/5WCr+1/24

6、WSi+1/6WMn+1/13WCu +1/15WNi%一般而言，當(dāng)碳當(dāng)量Ceq0.35時，其焊接性能良好；當(dāng)碳當(dāng)量Ceq=0.400.50時，其焊接性變差。為改善其焊接性能，焊接前應(yīng)進(jìn)行200400的預(yù)熱處理，并在焊后進(jìn)行正火。2、冷裂紋敏感指數(shù)（Pc）為更全面對冷裂紋的形成進(jìn)行評估，將對冷裂紋有影響的淬硬傾向、拘束度、擴(kuò)散氫含量進(jìn)行綜合考慮，形成了冷裂紋敏感指數(shù)Pc。Pc= Pcm+H/60+/600%Pcm=Wc+1/30WSi+1/20W（Mn+Cu)+1/60WNi+1/15WMo+1/10WV+1/5WB% 式中，Pcm化學(xué)成分的冷裂紋敏感指數(shù)；板厚（mm）；H焊縫中的擴(kuò)散氫含量（

7、mL/100 g）。將求出的Pc代入防止冷裂紋的最低預(yù)熱溫度公式：to=1440 Pc 392 即可得知相應(yīng)的應(yīng)該預(yù)熱的溫度。五、常用焊接裂紋實(shí)驗方法焊接裂紋敏感性實(shí)驗是在實(shí)際的焊接工藝過程中經(jīng)常使用的直接模擬實(shí)驗，該實(shí)驗方法十分接近實(shí)際工況、直觀、可靠性好。 1、斜Y形坡口焊接裂紋實(shí)驗：該法亦稱“小鐵研”實(shí)驗，主要用于檢測母材金屬熱影響區(qū)的冷裂紋傾向。圖1 斜Y形坡口焊接裂紋實(shí)驗試件的形狀及尺寸試驗的焊接規(guī)范為：焊條直徑：4mm；焊接電流：170A；電弧電壓：24V；焊接速度：150mm/min。焊后經(jīng)不少于24小時時效后再做裂紋檢查。首先用放大鏡目測或磁性熒光粉檢查焊縫表面裂紋，然后進(jìn)行斷

8、面解剖，檢查斷面的裂紋情況。由于斜Y形坡口對接裂紋實(shí)驗在接頭處的約束很大，根部尖角處應(yīng)力集中十分明顯，故容易產(chǎn)生裂紋。一般認(rèn)為，在此實(shí)驗中，若裂紋率不超過20%，則在實(shí)際結(jié)構(gòu)焊接時，就不會產(chǎn)生裂紋。裂紋率的計算：1、表面裂紋率Cf:Cf=(lf）/L100%2、根部裂紋率Cr:Cr=(lr)/L100%3、斷面裂紋率Cs:Cs=Hs/H100%圖2 試樣裂紋長度計算2、焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗：焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗是以熱影響區(qū)最高硬度來評價鋼材冷裂紋傾向的試驗方法。該法適用于低合金鋼焊接熱影響區(qū)由于馬氏體轉(zhuǎn)變而引起的裂紋試驗，也適用于碳素鋼。 圖3 試件形狀試件尺寸焊接前先去除試件表面上的

9、水分、鐵銹、油污及氧化皮等雜質(zhì)。所用焊條原則上應(yīng)適合于所焊的試件，直徑為4mm。1號試件在室溫下、2號試件在預(yù)熱溫度下進(jìn)行焊接。焊接參數(shù)為：焊接電流：17010A，焊接速度為15010mm/min。試件焊后在靜止的空氣中自然冷卻，不進(jìn)行任何熱處理。不同強(qiáng)度等級和不同含碳量的鋼種，有不同的最高硬度值。3、插銷冷裂紋試驗法：插銷試驗是使用專門設(shè)備（插銷試驗機(jī)）評定焊接冷裂紋敏感性的一種試驗方法。試驗采用圓柱形試樣，試樣由被試鋼材加工而成，并插入底板的孔中，使帶缺口一端的端面與底板表面平齊。底板上熔敷一焊道，盡量使焊道中心線通過插銷端面中心。焊后在完全冷卻以前，給插銷施加一拉伸靜載荷，試驗既可用啟裂

10、也可用斷裂作為判斷準(zhǔn)則。圖4 插銷試驗示意圖a、環(huán)形缺口試樣 b、螺形缺口試樣六、焊接接頭的常見缺陷焊接缺陷：焊接過程中在焊接接頭內(nèi)產(chǎn)生的不符合標(biāo)準(zhǔn)要求的缺陷。評定焊接接頭質(zhì)量優(yōu)劣的依據(jù)是缺陷的種類、大小、數(shù)量、形態(tài)、分布及危害程度。常見的焊接缺陷有焊接裂紋、氣孔、夾渣、未熔合和未焊透等。1、裂紋：焊接裂紋是指金屬在焊接應(yīng)力及其它致脆因素共同作用下，焊接接頭中局部地區(qū)金屬原子結(jié)合力遭到破壞而形成的新界面所產(chǎn)生的縫隙。焊接裂紋具有尖銳的缺口和長寬比大的特征，是焊接結(jié)構(gòu)中最危險的缺陷。按溫度范圍可分為熱裂紋、冷裂紋及再熱裂紋。熱裂紋：在固相線附近的高溫區(qū)形成的裂紋稱熱裂紋。熱裂紋主要發(fā)生在晶界處。

11、由于裂紋形成的溫度較高，在與空氣接觸的開口部位表面有強(qiáng)烈的氧化特征，呈藍(lán)色或天藍(lán)色，這是區(qū)別冷裂紋的重要特征。根據(jù)裂紋形成機(jī)理的不同，熱裂紋可分為結(jié)晶裂紋、液化裂紋和高溫失塑裂紋。冷裂紋：焊接接頭冷卻到Ms溫度以下時形成的裂紋稱為冷裂紋。冷裂紋主要發(fā)生在焊接熱影響區(qū)，對某些合金成分多的高強(qiáng)度鋼而言，也可能發(fā)生在焊縫金屬中。常見的冷裂紋可分為氫致裂紋、淬火裂紋和層狀撕裂。再熱裂紋：工件焊接后，若再次被加熱（如消除應(yīng)力處理、多層焊或使用過程中被加熱）到一定溫度而產(chǎn)生的裂紋稱為再熱裂紋。再熱裂紋多發(fā)生在含Cr、Mo、V的低合金結(jié)構(gòu)鋼、含Nb的奧氏體不銹鋼以及析出硬化顯著的Ni基耐熱合金材料中。再熱裂

12、紋常出現(xiàn)在粗晶區(qū)中，并沿粗大奧氏體晶粒邊界擴(kuò)展，且多發(fā)生在咬邊等應(yīng)力集中處，可形成沿熔合線的縱向裂紋，也可形成粗晶區(qū)中垂直于熔合線的網(wǎng)狀裂紋，其斷口有被氧化的顏色。2、氣孔：焊接時，熔池中的氣泡在凝固時未能逸出而殘留下來所形成的空穴稱為氣孔。氣孔有時以單個出現(xiàn)，有時以成堆的形式聚集在局部區(qū)域，其形狀有球形、條蟲形等。 3、夾渣：焊后殘留在焊縫中的熔渣稱為夾渣。夾渣的形狀較復(fù)雜，一般呈線狀、長條狀、顆粒狀及其它形式。夾渣主要發(fā)生在坡口邊緣和每層焊道之間非圓滑過渡的部位，在焊道形狀發(fā)生突變或存在深溝的部位也容易產(chǎn)生夾渣。在橫焊、立焊或仰焊時產(chǎn)生的夾渣比平焊時多。4、未熔合和未焊透：在焊縫金屬和母材

13、之間或焊道金屬與焊道之間未完全熔化的部分稱為未熔合。未熔合常出現(xiàn)在坡口的側(cè)壁、多層焊的層間及焊縫的根部。未焊透是指母材金屬之間應(yīng)該熔合而未焊上的部分。該缺陷一般出現(xiàn)在單面焊的坡口根部及雙面焊的坡口鈍邊。未焊透易造成較大的應(yīng)力集中，往往從其末端產(chǎn)生裂紋。第二節(jié)第二節(jié) 碳鋼的焊接碳鋼的焊接一、概述一、概述 碳鋼是以鐵為基礎(chǔ)，碳為合金元素，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在1.0%以下，且具有較好的力學(xué)性能和工藝性能的碳素鋼。按含碳量不同，碳鋼可分為低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼；按用途不同，碳鋼可分為結(jié)構(gòu)鋼和工具鋼。碳鋼的焊接性主要取決于碳含量的高低。隨含碳量的增加，焊接性逐漸變差。碳鋼焊接性與碳含量的關(guān)系二、低碳鋼的焊

14、接二、低碳鋼的焊接1、低碳鋼的焊接特點(diǎn)：a、可裝配成各種不同的接頭，適合各種不同位置的施焊，且焊接工藝和技術(shù)簡單，容易掌握；b、焊前一般不需預(yù)熱；c、塑性好，焊接接頭產(chǎn)生裂紋的傾向小，適合制造各類大型結(jié)構(gòu)件和受壓容器；d、不需使用特殊和復(fù)雜設(shè)備，對焊接電源（交流直流）和焊接材料（酸性堿性）無特殊要求。2、低碳鋼的焊接工藝：低碳鋼幾乎可采用所有的焊接方法進(jìn)行焊接，并都能保證焊接接頭的良好質(zhì)量。其中，焊條電弧焊、埋弧焊、CO2氣體保護(hù)焊用得最多。焊條電弧焊:焊條電弧焊時，關(guān)鍵是選擇電焊條。焊條的選用原則主要是根據(jù)母材的強(qiáng)度等級及焊接結(jié)構(gòu)的工作條件來確定。焊接低碳鋼所用焊接材料當(dāng)母材的厚度較大或周圍

15、環(huán)境溫度較低時，由于焊縫金屬及熱影響區(qū)的冷卻速度很快，有可能出現(xiàn)裂紋，此時需要對焊件進(jìn)行適當(dāng)預(yù)熱。如：在寒冷地區(qū)室外焊接、溫度小于或等于0的情況下需要預(yù)熱；直徑大于或等于3000mm、且壁厚大于或等于50mm的情況下，以及壁厚大于或等于90mm的產(chǎn)品的第一層焊道的焊接，焊前都應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱。預(yù)熱溫度一般為80-150。 對于焊接受壓件，當(dāng)壁厚大于或等于20mm時，應(yīng)考慮采用焊后熱處理或相應(yīng)的消除應(yīng)力措施；壁厚大于30mm時，必須進(jìn)行焊后熱處理，溫度為600-650；壁厚大于200mm時，待焊至工件厚度的1/2時，應(yīng)進(jìn)行一次中間熱處理后，再繼續(xù)焊接。中間熱處理溫度為550-600，焊后熱處理溫度為6

16、00-650。埋弧焊：與焊條電弧焊相比，埋弧焊可以采用較大的熱輸入，生產(chǎn)效率較高，熔池也較大。生產(chǎn)中，采用埋弧焊焊接較厚工件時，可以用一道或多道焊來完成。多層埋弧焊焊第一道焊縫時，母材的熔入比例大，若母材的含碳量較高時，焊縫金屬的含碳量就會升高，并在第一道埋弧焊處容易形成不利的O形焊縫斷面，易產(chǎn)生熱裂紋。故多層埋弧焊焊接厚板時，要求在坡口根部第一道焊縫時采用的熱輸入要小些，如采用焊條電弧焊打底的埋弧焊就可避免上述情況。CO2氣體保護(hù)焊：為使焊縫金屬具有足夠的力學(xué)性能和良好的抗裂紋及氣孔的能力，低碳鋼采用CO2氣體保護(hù)焊時可采用含Mn和Si的焊絲如H08Mn2Si、H08Mn2SiA等。起保護(hù)作

17、用的CO2氣體質(zhì)量也很重要。若在CO2氣體中N和H的含量過高，焊接時即使焊縫保護(hù)良好、Mn和Si的數(shù)量也足夠，仍可能在焊縫中出現(xiàn)氣孔。CO2氣體保護(hù)焊時，為使電弧燃燒穩(wěn)定，應(yīng)采用較高的電流密度，但電弧電壓不能過高，否則焊接時易出現(xiàn)飛濺及電弧燃燒不穩(wěn)。3、低碳鋼零件焊接舉例：油田輸油管線材質(zhì)為20無縫鋼管，其外徑為60mm、壁厚3.5mm，采用手工鎢極氬弧焊打底，焊條電弧焊蓋面進(jìn)行施焊。圖5 油田輸油管線采用Y形坡口，角度為605，間隙1.5mm，采用機(jī)械加工或砂輪機(jī)打磨坡口，并將坡口兩側(cè)20mm范圍內(nèi)的鐵銹、油污、水分清除干凈，且露出金屬光澤。焊條可用E5015（J507）或E5016（J50

18、6）堿性低氫焊條，直徑為3.2mm；焊絲選用H08Mn2SiA，直徑為2.0mm。焊縫表面不允許有氣孔、裂紋、夾渣等缺陷。焊接工藝參數(shù)三、中碳鋼的焊接1、中碳鋼的焊接特點(diǎn)：中碳鋼的碳含量比低碳鋼高0.2-0.3%，但焊接性卻嚴(yán)重惡化。在物理性能方面，中碳鋼比低碳鋼線膨脹系數(shù)略高，熱導(dǎo)率稍低，也增加了中碳鋼焊接的熱應(yīng)力和過熱傾向。碳含量的提高使中碳鋼的強(qiáng)度增加，但保護(hù)碳免于燒損的難度加大，C和FeO的還原反應(yīng)：C+FeOFe+CO，生成的CO使氣孔形成傾向增大。當(dāng)鋼中的碳含量大于0.15%時，碳本身的偏析以及它促使硫等其它元素的偏析逐漸明顯，導(dǎo)致鋼的熱裂傾向增大，故用于焊接的中碳鋼需要嚴(yán)格限制P

19、、S含量。碳使鋼的焊接性變壞的主要原因是碳提高了鋼的淬硬性。中碳鋼的馬氏體由于有較大的脆性，在焊接應(yīng)力和擴(kuò)散氫的作用下容易發(fā)生冷裂紋和脆斷。隨碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，中碳鋼的焊接性變壞，其主要的焊接缺陷是熱裂紋、冷裂紋、氣孔和接頭脆性。當(dāng)鋼中的雜質(zhì)較多、剛性較大時，焊接問題將更突出。2、中碳鋼的焊接工藝：焊接方法：焊條電弧焊是中碳鋼最好的焊接法，應(yīng)采用相應(yīng)強(qiáng)度級別的堿性低氫型焊條。坡口制備：為限制中碳鋼焊縫中的碳含量、減少熔合比，一般開U形或V形坡口，并將坡口兩側(cè)的油、污、銹等清除干凈。預(yù)熱：預(yù)熱溫度取決于碳當(dāng)量、母材厚度、結(jié)構(gòu)剛度、焊條類型和工藝方法。通常35鋼、45鋼的預(yù)熱溫度為150-250。

20、焊接電源：一般選用直流弧焊電源，反極性，以減少熔深，降低裂紋傾向和氣孔敏感性。焊后熱處理：焊后盡量立即進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，尤其對于厚度大或剛性大的工件。消除應(yīng)力回火溫度一般為600-800。若焊后不能進(jìn)行消除應(yīng)力處理，也要進(jìn)行后熱，即采用保溫、緩冷措施，使擴(kuò)散氫逸出，以減少裂紋的產(chǎn)生。3、中碳鋼焊接零件舉例：法蘭長軸：材料為35鋼圖6 法蘭長軸焊接采用焊條電弧焊進(jìn)行焊接。焊條選用E5015（J507）堿性低氫型焊條，焊前進(jìn)行300-350一小時烘干。焊件在150-200時預(yù)熱，焊前仔細(xì)清理焊口，點(diǎn)固焊縫4-5段，每段長50mm。焊件水平放置，圓周焊縫分成6段或4段，分段跳焊以減少焊接應(yīng)力和變形

21、。機(jī)車用萬向軸：材料為40Cr圖7 萬向軸焊接采用焊條電弧焊進(jìn)行焊接。焊條選用E8515（J857）的低氫型焊條，焊前進(jìn)行烘干。焊件預(yù)熱溫度為300，焊后立即用石棉灰保溫緩冷，然后進(jìn)行550-600的退火處理以消除應(yīng)力，可使焊縫有較高的強(qiáng)度。四、高碳鋼的焊接高碳鋼由于碳含量很高，故焊接性很差，一般采用焊條電弧焊或氣焊。1、高碳鋼的焊接特點(diǎn)：a、高碳鋼比中碳鋼更易產(chǎn)生焊接熱裂紋；b、高碳鋼對淬火更加敏感，近縫區(qū)極易形成馬氏體淬硬組織，產(chǎn)生冷裂紋；c、受焊接高溫的影響，高碳鋼焊接時晶粒長大快，碳化物容易在晶界上聚集、長大，焊縫脆弱，使接頭強(qiáng)度降低；d、高碳鋼導(dǎo)熱性比低碳鋼差，熔池急劇冷卻時易在焊縫中引起很大