哈工大威海焊接方法课件.ppt

第5章 焊接性及其试验方法,刘 多,本章主要内容,5.1 焊接性定义及其分析方法5.2 焊接性试验内容和方法5.3 常用焊接性试验方法,5.1 焊接性定义及其分析方法,一、焊接性的概念 焊接性，有时又称为可焊性，是指 金属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。即材料对焊接加工的适应性和使用的可靠性。GB/T3375-94 焊接术语,5.1 焊接性定义及其分析方法,焊接性的内涵：,5.1 焊接性定义及其分析方法,焊接性,工艺焊接性：在一定焊接工艺条件下，能否获得优质、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能力。,如果材料可以在简单的工艺下焊接即可获得完好的接头，满足使用要求，就可以说焊接性良好。反之，如果必须在很复杂的工艺下（高温、高真空、高能量密度等）焊接才能获得满足要求的接头，则焊接性较差。,如焊后接头的力学性能、低温韧性，疲劳性能、抗腐蚀性等指标。,5.1 焊接性定义及其分析方法,二、影响焊接性的因素,1.材料因素,母材,焊接材料,2.工艺因素,焊接方法,焊接工艺措施,3.设计因素 焊接结构和接头形式,4.使用条件 工作温度、受载类别、工作环境等,三、焊接性分析方法,5.1 焊接性定义及其分析方法,工艺焊接性的角度：考察金属材料在一定的焊接工艺条件下，产生焊接缺陷的倾向性。,使用焊接性的角度：考察金属材料在给定焊接条件下，获得的接头是否满足设计提出的性能指标要求。,5.2 焊接性试验内容和方法,一、焊接性试验内容 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。使用焊接性的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。,5.2 焊接性试验内容和方法,焊接性试验内容主要包括：1.评价焊缝金属抵抗产生热裂纹的能力2.评价焊缝和热影响区金属抵抗产生冷裂纹的能力3.评价焊接接头抵抗脆性转变的能力4.评价焊接接头的使用性能,5.2 焊接性试验内容和方法,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作用下产生的。热裂纹产生的倾向与母材、焊材及它们的匹配有关。,2.评价焊缝和热影响区金属抵抗产生冷裂纹的能力,冷裂纹是焊缝及热影响区金属在焊接热循环作用下，由组织硬化、拉伸应力及扩散氢共同作用而产生的。,5.2 焊接性试验内容和方法,3.评价焊接接头抵抗脆性转变的能力,焊缝金属及热影响区组织在经过焊接冶金反应、结晶、固态相变等过程后，会发生粗晶脆化、组织脆化、热应变时效脆化等，导致接头韧性下降。,4.评价焊接接头的使用性能,不同的焊接结构对焊接性的要求也不同。主要考察接头的抗拉强度、蠕变强度、疲劳强度以及抗腐蚀能力等。,5.2 焊接性试验内容和方法,二、焊接性试验方法分类,工艺焊接性,使用焊接性,间接法,直接法,5.3 常用焊接性试验方法,一、焊接热裂纹敏感性试验方法,1.可调拘束裂纹试验法,基本原理：在焊缝凝固后期，施加不同的应变值，研究产生裂纹的规律。,图1.可调拘束裂纹试验装置简图 a）纵向试验法 b）横向试验法,5.3 常用焊接性试验方法,纵向可调拘束裂纹试验主要用于反映结晶裂纹和液化裂纹,图2.纵向可调拘束试验裂纹分布图,横向可调拘束裂纹试验主要用于测量焊缝中的结晶裂纹和多边化裂纹,图3.横向可调拘束试验裂纹分布图,5.3 常用焊接性试验方法,2.鱼骨状裂纹试验 主要用于评定铝合金、镁合金和钛合金薄板（1-3mm)焊缝及热影响区的热裂纹敏感性。,图4.鱼骨状裂纹试验试样尺寸图,5.3 常用焊接性试验方法,二、焊接冷裂纹敏感性试验方法 1.促进焊接冷裂纹产生的三大主要因素,a.淬硬组织 b.扩散氢 c.拘束应力,5.3 常用焊接性试验方法,图5.斜Y坡口对接裂纹试验试样及尺寸,2.斜Y坡口对接裂纹试验 该方法用于评价打底焊缝及热影响区冷裂倾向。,5.3 常用焊接性试验方法,焊后经过不少于24小时的时效后再做裂纹检查。首先用放大镜目测或磁性荧光粉检查焊缝表面裂纹，然后沿焊缝长度方向均匀截成六段，检查五个断面的裂纹情况。由于该方法对接头的拘束度很大，应力集中较为明显，试验条件已经很苛刻了，因此一般认为若裂纹率不超过20%，则实际结构焊接时就不会产生裂纹。,5.3 常用焊接性试验方法,3.插销试验 插销试验主要考核焊接热影响区的氢致延迟裂纹敏感性。也可用于考核再热裂纹和层状裂纹等的敏感性。,图6.插销试验试棒、底板及熔敷焊道a)环形缺口试棒 b)螺形缺口试棒,5.3 常用焊接性试验方法,试棒上端与底板表面平齐，试验时在底板上以规定的热输入熔敷一条焊道，其熔深应使缺口尖端位于热影响区的粗晶区内。如不预热，焊后冷却至100-150时加载。如有预热，应在高于预热温度50-70时加载。在无预热条件下，载荷保持16小时而试棒未断裂即可卸载。有预热条件下，载荷保持至少24小时才可卸载。经多次改变载荷，即可求出在试验条件下不出现断裂的临界应力值。,第六章 低合金高强钢的焊接,刘多,主要内容,一、钢的分类二、低合金高强钢的种类与性能三、低合金高强钢的焊接性分析四、低合金高强钢的焊接工艺要点五、典型低合金高强度钢的焊接,23,一、钢的分类,工业用钢的分类方法很多，可以按化学成分、性能、品质、用途、内部组织等进行分类。,按用途分,结构钢,工具钢,特殊性能钢,专业用钢,24,一、钢的分类,按化学成分分,碳钢,合金钢,低碳钢 wc0.25wt%,中碳钢 wc=0.250.6wt%,高碳钢 wc0.6wt%,低合金钢 w5wt%,中合金钢 w=510wt%,高合金钢 w10wt%,25,一、钢的分类,低合金高强钢,低合金特殊用钢,低合金钢(按用途),珠光体耐热钢,低温钢,低合金耐蚀钢,26,二、低合金高强钢的种类与性能,低合金高强钢(按屈服强度级别和热处理状态),热轧钢及正火钢 s=294490MPa,低碳调质钢 s=490980MPa,中碳调质钢 s=8801176MPa,27,1.热轧钢及正火钢 价格便宜，综合力学性能较好。,二、低合金高强钢的种类与性能,28,29,2.低碳调质钢,二、低合金高强钢的种类与性能,30,2.低碳调质钢 将钢加热到临界点Ac3或(亚共析钢)或Ac1(过共析钢)以上一定温度，保温一定时间，然后以大于临界淬火速度的速度冷却，使过冷奥氏体转变为马氏体(或贝氏体)组织的热处理工艺称为淬火。,二、低合金高强钢的种类与性能,31,2.低碳调质钢 将淬火钢在A1以下温度加热，使其转变为稳定的回火组织，并以适当的方式冷却到室温的热处理工艺称为回火。,回火,低温回火 150250 回火马氏体,中温回火 350500 回火屈氏体,高温回火 500650 回火索氏体,二、低合金高强钢的种类与性能,32,2.低碳调质钢,低碳调质钢,高强度结构钢 b=600800MPa 14MnMoNbB,高强度耐磨钢b=10001300MPa HQ100,高强度高韧性钢 b=600800MPa 12Ni3CrMoV,二、低合金高强钢的种类与性能,33,34,3.中碳调质钢,二、低合金高强钢的种类与性能,35,36,夹杂,气孔,裂纹,热裂纹,冷裂纹,再热裂纹,应力腐蚀裂纹,层状撕裂,冶金缺陷,性能变化,接头脆化,接头软化,工艺焊接性,三、低合金高强钢的焊接性分析,37,常规力学性能,耐磨性能,使用焊接性,低温韧性,抗脆断性能,高温蠕变性能,疲劳性能,耐腐蚀性能,三、低合金高强钢的焊接性分析,38,三、低合金高强钢的焊接性分析,1.热裂纹,（1）热轧钢及正火钢的热裂纹敏感性,由于含C量较低，含Mn量较高，热轧钢及正火钢具有较好的抗热裂纹能力。但是，当材料本身不合格,或发生严重偏析、局部C,S含量高时，也会出现热裂纹。,焊缝中结晶裂纹分布示意图,39,（2）低碳调质钢的热裂纹敏感性,三、低合金高强钢的焊接性分析,低碳调质钢含C量较低，含Mn量较高，一般也无热裂纹倾向。但对于一些高Ni低Mn类型的低碳调质钢而言，热裂倾向会相应增加。此时可通过选择合适的焊接材料，提高焊缝含Mn量，结晶裂纹是可避免的。但同时要注意液化裂纹的产生，应尽量减少焊接热输入，降低焊接应力。,40,（3）中碳调质钢的热裂纹敏感性,三、低合金高强钢的焊接性分析,中碳调质钢含碳量及合金元素含量都很高，具有较大的热裂倾向。焊接时应注意选择含C量低，含S、P杂质少的焊接材料。如30CrMnSi钢，含碳量和含硅量都很高，热裂倾向较大，需采用低碳低硅焊丝，如H18CrMoA等，以提高焊缝金属的抗热裂纹能力。,41,（4）热裂纹的防止措施,三、低合金高强钢的焊接性分析,严格控母材和焊缝金属中的C、S、P和其它易形成低熔点共晶的合金元素Nb、Ni、Si等的含量。若将母材的C、S、P质量分数分别控制在0.12%，0.01%和0.02%以下，则即使热输入较高也不会产生热裂纹。有Nb存在时，其质量分数不应超过0.03%。若焊接母材已选定，且C、S、P含量超过上述限制，则应注意选择低碳低硫的焊接材料来调整焊缝金属成分。将焊缝金属中C、S、P质量分数分别控制在0.12%，0.025%和0.025%以下是必要的。焊丝成分中应避免采用易形成低熔点共晶的合金元素，而适当加入Mo、W、V等能细化晶粒的元素，以提高焊缝抗裂性能。采用碱性焊条或焊剂获得的焊缝金属，与采用酸性焊条的相比，具有更好的抗热裂纹能力。,冶金措施,42,三、低合金高强钢的焊接性分析,设计合理的坡口形状和尺寸，规定适当的接头装配间隙，以降低母材在焊缝金属中所占的比例。调整焊接参数，如降低焊接电流，以增大焊缝的成形系数，即增大熔宽与熔深的比例。降低焊接热输入，适当加快焊接速度，从而提高焊缝金属的结晶速度，以降低晶间偏析的程度。合理控制焊前预热温度及多层焊的层间温度。预热温度适当，能够降低焊缝金属的应变速率，从而降低热裂倾向。但过高预热温度和层间温度会延长熔池在高温状态下的停留时间，降低结晶速度，反而加重晶间偏析，增大了热裂可能性。,工艺措施,43,三、低合金高强钢的焊接性分析,2.冷裂纹,在低合金高强度钢的焊接接头中，大多数冷裂纹是由淬硬组织、氢的富集以及拘束应力共同作用产生的。且随着钢材强度级别的提高，其冷裂敏感性相应提高。,（1）热轧钢及正火钢的冷裂纹敏感性,在低合金高强度钢中，热轧钢的冷裂倾向是最小的。但与低碳钢相比，热轧钢由于含有少量合金元素而增加了淬硬性，其冷裂倾向比低碳钢要稍大一些。与Q345(16Mn)等热轧钢相比，正火钢由于合金元素稍多，强度级别提高，淬硬倾向有所增加。在正火钢中，强度级别和碳含量较低时，冷裂倾向不大，但随着合金元素含量、强度级别以及板厚的增加，其淬硬性和冷裂倾向都随之增大。,44,（2）低碳调质钢的冷裂纹敏感性,低碳调质钢的合金化原理就是在低碳钢的基础上，通过加入多种提高淬透性的合金元素来保证获得强度高、韧性好的低碳马氏体和部分贝氏体的混合组织。从淬透性角度来看，这类钢淬硬倾向较大，本应具有较大的冷裂纹倾向。但由于含碳量较低，热影响区的粗晶区形成的是低碳马氏体，由于马氏体起始转变点Ms点较高，如果在该温度下冷却速度较慢，则生成的马氏体在随后的焊接冷却过程中还来得及进行一次“自回火”处理，提高塑性、韧性和抗冷裂纹能力，因此，实际上冷裂纹倾向并不一定很大。,三、低合金高强钢的焊接性分析,45,（3）中碳调质钢的冷裂纹敏感性,中碳调质钢由于含碳量比较高，合金元素也较多，其淬硬倾向很明显，故冷裂纹倾向很大。此外，由于中碳调质钢Ms点较低，造成在低温下形成的马氏体不能实现“自回火”。再者，因为马氏体的含碳量较高，过饱和度大，晶格点阵畸变严重，导致硬度和脆性加大，显著增大了冷裂纹的敏感性。因此，除采取预热外，焊后还必须及时进行回火等热处理，以有效防止冷裂纹的产生。,三、低合金高强钢的焊接性分析,46,（4）冷裂纹的防止措施,采用低强度的熔敷金属。采用比母材强度低的焊接材料，能够降低接头的应力水平，提高整个接头的抗冷裂性。母材强度越高，该方法效果越明显。建立低氢的焊接环境。需控制保护气体内的水分及钢板表面、焊材的水分，有时对焊接区周围大气的相对湿度也要加以控制。选择低氢的焊接方法。CO2气体保护焊或富氩混合气体保护焊可显著降低焊缝金属的含氢量。这是因为电弧气氛是活性的，能使氢离子形成不溶于液态金属的OH和水蒸气而排除掉。另外，焊条电弧焊和埋弧焊目前仍是焊接低合金高强钢的主要方法，通过对焊条药皮和焊剂的改进，也可有效降低焊缝氢含量。,三、低合金高强钢的焊接性分析,47,焊前预热。是防止低合金钢接头中产生冷裂纹的最有效措施之一。目前已经制定了很多规程对所认可的钢种亦规定了最低预热温度。焊后低温热处理。是指焊接结束后将工件或整条焊缝立即加热到150-250温度范围，并保持一定时间。该方法能有效降低接头在低温转变区的冷却速度，同时使焊缝中的氢有充分时间扩散掉，还可使焊缝及附近区域因热膨胀而受到压应力作用，明显降低接头冷裂倾向。焊后脱氢处理。对于强度级别较高的钢种，由于氢的作用极易在焊缝或热影响区中产生延迟裂纹，而这种裂纹很难通过预热消除。因此，为了降低延迟裂纹敏感性，一般将整个接头焊后立即在300以上温度加热一段时间进行焊后脱氢处理。一般推荐300-400，时间为1-2小时，且必须在焊接结束后立即进行。,三、低合金高强钢的焊接性分析,48,三、低合金高强钢的焊接性分析,3.再热裂纹,某些低合金高强度钢在焊后600左右消除应力热处理过程中或焊后在500-600的高温及高压条件下运行时，在熔合区附近的粗晶区可能产生再热裂纹。,（1）再热裂纹敏感性,热轧钢由于不含强碳化物形成元素，因而对再热裂纹不敏感。而有些正火钢具有轻微的再热裂纹敏感性。调质钢由于加入了一些增强淬透性和抗回火性的合金元素，而这些元素大多是能引起再热裂纹的元素，因此焊接中要注意该钢种的再热裂纹问题。除了化学成分以外，钢的显微组织和应力状态对再热裂纹也有直接影响。过热区的粗晶和焊缝厚度方向的残余拉应力也会导致再热裂纹发生。,49,三、低合金高强钢的焊接性分析,（2）再热裂纹防止措施,1 控制钢材和焊缝成分。降低母材中含碳量及杂质含量；控制焊缝金属成分，采用强度略低于母材或能快速释放应力的焊缝金属。减少过热区粗晶组织。采用合理的焊接工艺，降低焊接热输入；采用窄坡口和窄焊道技术，均可有效降低接头过热区的粗晶比例。合理调整消除应力处理工艺。焊件并不是在处理工艺的整个温度范围内都可能形成再热裂纹，而是存在一个再热裂纹的敏感温区。因此最好避开这个温区进行消除应力处理。必要时可进行多级热处理，先将焊件在略低于敏感温区下限的温度进行较长时间的处理，然后在规定的热处理温度下做短时处理。降低焊接应力及应力集中。采用合理的坡口形状、焊接次序和焊前预热，可有效降低接头中残余应力的峰值。尽量分开布置焊缝，同时要消除几何形状不连续和表面缺陷引起的应力集中。,50,三、低合金高强钢的焊接性分析,4.层状撕裂,层状撕裂多出现在钢制结构的施焊或使用过程中，是轧制板材中存在层状夹杂物条件下，在板材厚度方向上受到较大拉应力时产生的。一般来说，层状撕裂的产生不受钢材种类和强度级别的限制，但与板厚有关，板厚在16mm以下一般不容易产生层状撕裂。,（1）层状撕裂的敏感性,如果采取特殊的脱硫、除气和夹杂物形态控制等冶金措施，可以得到抗层状撕裂很好的钢材。但一般冶炼条件下生产的热轧钢和正火钢都达不到如此要求，因而对层状撕裂具有一定的敏感性。大多数调质钢对夹杂物控制较严，纯净度较高，对层状撕裂敏感性很低。但对于板厚方向承受特大载荷的结构，还存在层状撕裂的可能性。,51,（2）层状撕裂的防止,选择抗层状撕裂的钢材。层状撕裂的产生与钢材的化学成分和冶炼条件有关。应尽量降低硫等杂质的含量，控制夹杂物的数量、形态及分布，从本质上解决层状撕裂问题。设计合理的焊接结构。焊接结构的种类、焊缝形状和尺寸以及焊接次序等都对层状撕裂的产生有重要影响。设计时，应注意尽量使结构不在过大的拘束状态下施焊和使用，使用简单的结构形式，相邻接头之间保持一定距离，尽量采用对接形式的接头，避免角接头，应尽量采用双侧焊缝以改善焊缝根部的应力状态，防止应力集中。,三、低合金高强钢的焊接性分析,52,三、低合金高强钢的焊接性分析,5.脆化和软化,（1）过热区的脆化 热轧钢的焊接接头的脆化因含碳量不同而异。以Q345(16Mn)钢为例，当碳含量小于0.12%时，脆化一般是由于过热区晶粒粗化而形成魏氏组织造成的；当碳含量较高时，除魏氏组织引起的脆化外，在发生偏析等情况时还会出现由于形成高碳马氏体组织而引起的脆化。正火钢的脆化不仅与晶粒粗化有关，而且与沉淀强化的元素有关。熔合区附近母材被加热到近熔点的高温，碳化物或氮化物几乎完全溶于奥氏体中。即使焊接冷却速度较慢，碳化物形成元素（如Ti，V）也来不及析出而留存在固溶体中。导致铁素体硬度提高，韧性下降。如果焊后对接头重新正火，可使正火钢的塑形和韧性得到恢复。低碳调质钢存在一个韧性最佳的组织，即马氏体和10%-30%的下贝氏体，因此对应该组织的冷却时间则可作为最佳冷却时间。中碳调质钢含碳量较高，合金元素含量较多，过热区很容易形成硬而脆的高碳马氏体，因此脆化倾向较严重。,53,54,（2）热影响区的软化 焊接热影响区的软化主要出现在低碳调质钢和中碳调质钢焊接中。在焊接热循环作用下，热影响区的峰值温度介于Ac1与母材回火温度之间的区域，相当于经受了高于原来母材回火温度的一个回火处理，强度和硬度降低，即会出现局部软化现象。调质钢强度级别越高，软化问题越突出。解决软化问题的最好措施就是焊后重新进行调质处理，如果不能进行重新调质处理，则应注意焊接方法的选择和焊接热输入的控制。,三、低合金高强钢的焊接性分析,55,四、低合金高强钢的焊接工艺要点,1.焊接方法及热输入,（1）焊接方法 对于正火钢和热轧钢，焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护电弧焊等常规焊接方法都可以采用，主要根据材料厚度、产品结构和施工条件来选择。低碳调质钢存在高温回火软化问题，如果焊后进行调质处理，常用的弧焊方法都可以。如不进行焊后调质处理，则要限制母材的焊接热输入。对于强度级别超过980MPa的低碳调质钢，最好采用钨极氩弧焊和电子束焊等能量集中的焊接方法；强度级别低于980MPa的低碳调质钢，可采用焊条电弧焊、埋弧焊、熔化极气保焊和钨极氩弧焊等方法。中碳调质钢对焊接方法没有限制。中碳调质钢焊后的淬火组织是硬脆的高碳马氏体，对冷裂纹极其敏感，且存在过热区脆化和热影响区软化的问题，所以焊后必须进行热处理，使热影响区性能满足要求。因此，中碳调质钢一般经过退火-焊接-整体调质处理得到满足要求的接头。,56,（2）焊接热输入 各种正火钢和热轧钢焊接接头的脆化程度、脆化原因和冷裂倾向是不同的，对热输入的要求就不同。对于含碳量偏低的热轧钢如Q295，可适当降低焊接热输入，以免过热区粗化形成魏氏组织；对于含碳量较高的如Q345，可适当加大焊接热输入，来降低淬硬倾向，防止冷裂纹产生。低碳调质钢的热影响区的强度、塑性和韧性是靠低碳马氏体和下贝氏体提供的。热影响区冷却速度如果过低，奥氏体将转变为粗大贝氏体，对于强度和韧性都不利；然而过高的冷却速度也会到时抗裂性和塑性的下降。因此低碳调质钢有一个最佳冷却速度范围。中碳调质钢一般采用较小的焊接热输入，有利于降低奥氏体的过热。这是因为即使采用大的焊接热输入，热影响区仍要产生马氏体，但这一大的热输入增大了奥氏体的稳定性，结果使淬火区形成粗大的马氏体，反而增大了脆化和冷裂倾向。,四、低合金高强钢的焊接工艺要点,57,四、低合金高强钢的焊接工艺要点,2.焊接材料,（1）热轧钢及正火钢的焊接材料 对于正火钢和热轧钢，焊缝金属热裂纹倾向较小，有一定的冷裂纹倾向，一般可按照等强原则选择焊接材料，厚板或重要结构优先选择低氢焊条和偏碱性焊剂。,热轧钢及正火钢可选用的焊接材料,58,四、低合金高强钢的焊接工艺要点,（续）,59,（2）低碳调质钢的焊接材料 低碳调质钢一般也按照等强原则进行焊接材料的选择。但是当结构刚度较大时，可选择比母材强度稍低的焊接材料，以防止冷裂纹的形成。,四、低合金高强钢的焊接工艺要点,60,（3）中碳调质钢的焊接材料中碳调质钢焊接：退火（回火）焊接 整体调至处理。焊材的选择：考虑冷裂纹和热裂纹的敏感性。降低焊缝中硫和磷含量，控制焊缝含碳量和含硅量，使焊缝金属的成分尽量与母材相似，以保证在焊后调质处理后达到等强。对于必须在调质下焊接的构件，由于焊后不再进行调质处理，因此选择焊材时没有必要考虑热处理规范对焊缝性能的影响，可以不用和母材成分匹配的焊材。由于母材强度高，刚性大，直接在调质状态下焊接，冷裂纹倾向严重，所以有时采用抗裂性好的纯奥氏体焊接材料。,四、低合金高强钢的焊接工艺要点,61,四、低合金高强钢的焊接工艺要点,62,四、低合金高强钢的焊接工艺要点,3.接头设计和辅助措施,（1）接头设计准则：,应力集中尽可能小,焊接可达性好,便于焊后检验,63,四、低合金高强钢的焊接工艺要点,（2）焊前预热：可有效防止冷裂纹。,钢的化学成分,板厚,焊接结构形状,拘束度,环境温度,预热温度,中碳调质钢焊接时都需要预热，预热温度200-350,64,（3）焊后热处理,四、低合金高强钢的焊接工艺要点,焊后低温热处理：焊后立即将焊件加热至150-250区间并保温一段时间的处理工艺。目的：降低接头在低温转变区的冷却速度，降低接头冷裂倾向。,热轧钢、正火钢以及低碳调质钢一般不需要焊后低温热处理。,中碳调质钢焊后应立即采取低温热处理，防止冷裂纹产生。,消除应力处理：将焊件以一定的速度均匀加热到Ac1点以下足够高的温度并保持一段时间，所用温度一般比母材回火温度低30-60。主要应用于：板厚较大、焊接残余应力较大、低温工作、承受动载荷或有应力腐蚀要求等结构。,65,四、低合金高强钢的焊接工艺要点,3.焊后正火处理：正火钢焊接接头的过热区由于高温而破坏了综合性能良好的正火态组织，回到了正火前的热轧状态。,4.焊后调质处理：,焊后正火处理,恢复到焊前状态,正火温度一般应比Ac3高30-50，正火时间一般按照每毫米厚度1-2min计算。,500MPa强度级别,提高接头强度和韧性,调质处理,淬火温度一般比Ac3高30-50，保温一段时间后，在水中急冷，然后按母材的回火温度进行回火。,66,五、典型低合金高强度钢的焊接,1.正火钢Q345（14MnNb）的焊接,由对接、角接和棱角接头组成的箱型梁,手工定位焊,对接接头埋弧焊,开破口角接头埋弧焊,棱角接头埋弧焊,67,五、典型低合金高强度钢的焊接,2.低碳调质钢HQ80C的焊接,采用HS-80A（H08MnNi2MoA），富氩气体保护焊，焊接HQ80C钢，可成功制造40t汽车起重机的活动支腿。,3.中碳调质钢35CrMoA的焊接,在调质状态下具有高强度和较好的焊接性，因此当构件刚度不太大，且采用熔化极气体保护焊时，无需采用预热及消除应力热处理即可获得较好接头。,第七章 不锈钢及耐热钢的焊接,刘 多,主要内容,一、不锈钢及耐热钢的成分及性能二、不锈钢及耐热钢的焊接性分析三、不锈钢及耐热钢的焊接工艺四、典型不锈钢及耐热钢的焊接,69,一、不锈钢及耐热钢的成分及性能,按化学成分,不锈钢：Cr系不锈钢；Cr-Ni系不锈钢,耐热钢：Cr系；Cr-Mo系；Cr-Mo-V系；Cr-Ni系,70,1.不锈钢及耐热钢的成分与分类,按组织分,铁素体钢：w(Cr)=17%-30%，如 1Cr17。,奥氏体钢：以Cr-Ni系钢为主，主要有Cr18Ni8系列(1Cr18Ni9Ti)和Cr25Ni20系列(2Cr25Ni20Si2)。,沉淀硬化钢：经时效处理进行析出强化，有马氏体沉淀强化钢(0Cr17Ni4Cu4)和半奥氏体沉淀强化钢(0Cr17Ni7Al)。,马氏体钢：以Cr13系列钢为主，分为普通 Cr13马氏体钢(1Cr13)、热强马氏体钢(2Cr12MoV)和超低碳复相马氏体钢(超细化M+)。,铁素体-奥氏体双相钢：铁素体占60%-40%，4奥氏体占40%-60%，如00Cr18Ni5Mo3Si2。,71,一、不锈钢及耐热钢的成分及性能,72,2.不锈钢的耐蚀性能,一、不锈钢及耐热钢的成分及性能,（1）均匀腐蚀：不锈钢与氧化性酸作用时，表面会形成稳定的钝化层，不易产生腐蚀。与还原性酸作用时，会根据钢的组织和成分不同产生不同程度的腐蚀。,（2）点蚀和缝隙腐蚀：点蚀是指金属表面产生小孔状或小坑状的腐蚀，其直径一般等于或小于深度；缝隙腐蚀是指在金属结构的各种缝隙处产生的腐蚀。二者均由电化学作用所致。,奥氏体钢,双相不锈钢,铁素体钢,马氏体钢,耐蚀性减弱,不锈钢点蚀形核新机制举例,73,一、不锈钢及耐热钢的成分及性能,By S.J.Zheng et.al.Acta Materialia 58(2010)50705085,TEM,EDS,TEM-3D,在盐水作用下不锈钢点蚀初期硫化锰夹杂局域溶解位置。确定出硫化锰内含有弥散分布的具有尖晶石结构的氧化物(MnCr2O4)纳米颗粒。硫化锰的局域溶解正是起始于它与该氧化物颗粒的界面，并由此逐步向材料体内扩展。这些氧化物纳米颗粒通常具有特定的八面体外形。,74,（3）晶间腐蚀：在腐蚀介质作用下，起源于金属表面沿晶界深入金属内部的腐蚀。敏化温度区间“贫铬”现象,（4）应力腐蚀：在一定的温度和应力条件下，在特定的电化学介质中，不锈钢均有产生应力腐蚀的可能。,一、不锈钢及耐热钢的成分及性能,固溶处理可改善耐晶间腐蚀性能，另外，应尽量提高Ti、Nb等强碳化物形成元素，可降低铬的碳化物形成倾向。,75,3.不锈钢及耐热钢的力学性能,一、不锈钢及耐热钢的成分及性能,不锈钢的力学性能：不锈钢常温力学性能与其微观组织有着密切关系。比如马氏体退火状态下强度低，塑性韧性好，但一经淬火处理，抗拉强度提高、塑性韧性降低。奥氏体钢抗拉强度高，塑性韧性也好，但是屈服点较低。,耐热钢的耐热性能：在高温下既有抗氧化或耐气体介质腐蚀的性能，同时又有足够的强度。钢表面要避免形成Fe3O4，Fe2O3疏松氧化膜，因此，通过添加合金元素，形成Cr2O3，Al2O3等致密牢固的氧化膜，提高抗氧化能力。,76,4.不锈钢及耐热钢的物理性能 一般来说，钢中合金元素含量越多，钢的热导率越小，线膨胀系数和电阻率越大。,一、不锈钢及耐热钢的成分及性能,逐渐减小,密度,线膨胀系数,热导率,奥氏体钢,低碳钢,铁素体和马氏体钢,电阻率,奥氏体钢,低碳钢,铁素体和马氏体钢,奥氏体钢,铁素体钢,马氏体钢,低碳钢,低碳钢,铁素体和马氏体钢,奥氏体钢,二、不锈钢及耐热钢的焊接性分析,77,1.焊接接头的组织演变 Creq/Nieq比值 舍夫勒图 四种凝固模式,铁素体钢：一般在室温下具有纯铁素体组织，强度不很高，塑性韧性良好。加热到高温，会有少量奥氏体组织出现，焊接冷却时也可能出现少许马氏体组织，或析出少量脆性相。,78,二、不锈钢及耐热钢的焊接性分析,奥氏体钢：一般经固溶处理后供货，具有较好的塑性和韧性。固溶处理使得铬的碳化物固溶到奥氏体中，获得稳定的奥氏体，提高了耐蚀性。奥氏体钢较容易焊接，对氢不敏感，接头在焊态下塑性韧性良好。但需要注意合理选择焊接工艺和焊材，避免出现晶间腐蚀和热裂纹等缺陷。,双相钢：焊接性良好。合理选择焊接材料不会发生焊接热裂纹和冷裂纹。接头耐应力腐蚀、点蚀和缝隙腐蚀能力优于奥氏体钢。抗晶间腐蚀能力与奥氏体钢相当。但注意熔合线附近铁素体晶粒不可避免的粗大，会降低耐蚀性。,79,2.焊接接头的耐蚀性（1）晶间腐蚀：焊缝区的晶间腐蚀：多层多道焊时，后一层焊缝对前一层的加热处于敏化温度区域时，在晶界处容易出现贫铬现象。防止措施：选择超低碳或添加钛或铌等元素的焊材；减少敏化温度范围停留时间；焊后加热到1050-1150固溶处理后淬火，使晶界处碳化物溶入晶粒内部，形成均匀奥氏体。热影响区的晶间腐蚀：主要出现在焊接热影响区中加热峰值温度处于600-1000的区域。防止措施：选择超低碳或含钛或铌的奥氏体不锈钢母材；选用小热输入、快速冷却的焊接工艺等。熔合区的刀状腐蚀：当母材中不含钛、铌或碳含量低于0.06%时，奥氏体钢焊后是不易出现刀状腐蚀的。焊接时，温度超过1200的熔合区部位，母材中TiC发生溶解，游离的Ti和C将固溶到晶粒内。冷却时，C扩散并偏聚于晶界处，Ti来不及扩散，使得晶界处C处于过饱和状态。之后同样会造成贫铬现象，出现刀状腐蚀。,二、不锈钢及耐热钢的焊接性分析,80,二、不锈钢及耐热钢的焊接性分析,（2）点蚀：最容易产生点蚀的部位是熔合区，因为该区域化学成分极不均匀。焊缝中心由于Cr和Mo的偏析也会产生点蚀。大量试验证明，提高焊缝中Ni含量，晶轴中Cr和Mo的偏析减少，有利于防止点蚀。（3）应力腐蚀 应力腐蚀裂纹往往以点蚀、缝隙腐蚀为起始点，裂纹形态一般有分支特征。双相不锈钢具有优良的耐应力腐蚀性能，原因是：a.双相不锈钢屈服强度比奥氏体不锈钢高，产生表面滑移所需的应力水平高。在相同的腐蚀介质中，开裂较难。b.双相不锈钢中一般含有Mo元素，Cr含量也很高，耐点蚀能力强，开裂缺乏起始点。c.双相不锈钢中两相的电极电位不同，裂纹在他们之间的扩展机制不同，对裂纹扩展起到一定的抑制或减缓作用。,81,二、不锈钢及耐热钢的焊接性分析,3.焊接接头的裂纹 奥氏体钢接头中易出现热裂纹，并以结晶裂纹为主，有时也可能出现液化裂纹。这是因为（1）奥氏体钢热导率小，线膨胀系数大，在焊接局部加热和冷却下，接头在冷却过程中易形成较大拉应力。（2）奥氏体钢易于结晶形成方向性强的柱状晶组织，促使形成晶间液膜。（3）奥氏体钢焊缝合金成分复杂易形成低熔点共晶液膜，导致产生热裂纹。某些奥氏体-铁素体双相钢中也会出现热裂纹。马氏体钢对冷裂纹较为敏感：焊接冷却速度较快时，接头熔合区及其附近的热影响区总会形成淬硬的马氏体组织。随着含碳量增加，导致马氏体转变温度下降，硬度提高，韧性降低。随淬硬倾向的增大，接头对冷裂更加敏感，尤其有氢存在时，马氏体钢还会产生更危险的氢致延迟裂纹。铁素体钢的裂纹敏感性较低。,82,二、不锈钢及耐热钢的焊接性分析,4.焊缝金属的脆化（1）焊缝的粗晶脆化：铁素体不锈钢焊接接头易出现粗晶脆化。铁素体组织十分稳定，在熔化前几乎不会发生相变，加热时有很强的晶粒长大倾向。从而降低塑性，导致粗晶脆化。一般，晶粒粗化的程度取决于峰值温度和停留时间。（2）焊缝的相脆化：相是一种硬脆而无磁性的铁铬金属间化合物FenCrm(硬度高达800-1000HV)，具有可变成分与复杂的晶体结构。它的形成与焊缝金属的成分、加热温度和保温时间等因素有关。相的形成依赖于Cr，Ni原子的扩散，形成速度较慢，因此对于大多数钢，焊接加热和焊后热处理都不易形成相脆化，然而，对于长期工作于850-650温区的耐热钢结构件，相脆化就不可忽视了。（3）焊缝的475脆化：主要出现在Cr的质量分数超过15%的铁素体钢或含铁素体较高的双相钢中。在430-480温区长时间加热并缓慢冷却，就会导致常温或低温时出现的脆化现象。,83,二、不锈钢及耐热钢的焊接性分析,5.异种钢接头成分不均匀性 珠光体钢与奥氏体钢焊接必须注意：一是采用超合金化焊接材料，避免形成单相奥氏体焊缝，以减小热裂倾向。二是选择焊材时，在含Cr量一定时，适当提高焊缝含Ni量，降低熔合区碳的扩散迁移和熔合线附近焊缝区马氏体脆化层宽度。,三、不锈钢及耐热钢的焊接工艺,1.铁素体钢的焊接工艺 焊材选择：采用同质焊接材料时，由于铁素体稳定化元素多，焊缝金属粗化严重，韧性差，因此应尽量限制焊接材料中的杂质含量，同时添加Ti，Nb等元素进行晶粒细化。采用异质奥氏体钢焊材时，预热和焊后热处理可以免除，但焊后不可退火处理，因为铁素体钢退火温度范围（787-843）正好处在奥氏体钢的敏化温度区间，容易产生晶间腐蚀及脆化。工艺要点：焊条电弧焊、TIG、MIG、有时也用埋弧焊。铁素体钢韧性本来就低，焊后在热影响区还容易出现高温脆性，因此焊前必须要预热（100-150），既使焊后焊件降温变缓，又能缓解焊后应力。焊接过程中应该采取较小的热输入。焊后常在750-850 进行退火处理，既可消除晶间腐蚀倾向，还能改善韧性。退火后，应快速冷却，以防止相脆化和475脆化,84,三、不锈钢及耐热钢的焊接工艺,2.马氏体钢焊接工艺 焊材选择：采用同质焊接材料时，同时考虑焊缝金属组织的改变，应对焊材进行合理的合金化，降低硬脆性。工艺要点：焊条电弧焊、TIG、MIG。为防止接头产生冷裂纹，焊前要预热（150-400），但预热温度要根据马氏体钢含碳量和焊接件拘束度大小综合决定。焊后通过退火处理降低焊缝金属和热影响区的硬度，改善接头韧性，还可降低残余应力。,85,三、不锈钢及耐热钢的焊接工艺,3.奥氏体钢焊接工艺 焊材选择：按照同质焊接材料和微超合金化焊接材料原则，根据钢的具体成分、服役条件和对焊缝的性能要求选择焊接材料。工艺要点：焊条电弧焊、TIG、MIG、埋弧焊。合理控制焊接参数，避免接头过热。奥氏体钢焊接通常不需要预热和焊后热处理。另外应尽量控制焊接工艺，保证焊缝化学成分稳定。最后应注意保护焊件的表面状态，注意保护其耐蚀性。,86,三、不锈钢及耐热钢的焊接工艺,4.铁素体-奥氏体双相钢的焊接工艺 焊材选择：超合金化焊接材料原则。工艺要点：焊条电弧焊、TIG、MIG、埋弧焊。焊接时应尽量选择小的焊接热输入，避免接头过热。通常不需要预热和焊后热处理。且应适当缓慢冷却获得理想的/相比例。合理控制焊接工艺，保证熔合比稳定，从而获得稳定的焊缝成分。5.奥氏体钢与珠光体钢的焊接工艺 熔合比越小越好，以降低焊缝金属的稀释程度。通过选用适当的焊材控制接头组织与性能，在一侧堆焊过渡层或采用过渡段焊接工艺。,87,四、典型不锈钢及耐热钢的焊接,88,第八章 铝合金的焊接刘 多,主要内容,一.铝及铝合金的分类及特点二.铝及铝合金的焊接性三.铝及铝合金的焊接工艺,90,变形铝合金,铝及铝合金,铸造铝合金,非热处理强化铝合金,热处理强化铝合金,Al-Mn LF21,Al-Mg LF2,Al-Mg-Mn LF1,Al-Cu-Mg LY12,Al-Zn-Mg-Cu LC4,锻铝 LD1,新型铝合金 Al-Li,一.铝及铝合金的分类及特点,91,铝外观呈银白色，熔点为660，密度2698kg/m3活性强，在空气中容易形成Al2O3氧化膜Al2O3氧化膜密度3.95g/cm3，比铝大Al2O3氧化膜吸水性强导热系数大 是低碳钢的5倍线膨胀系数大 是低碳钢的2倍,一.铝及铝合金的分类及特点,92,1.气孔 气孔的形成(1)氢是铝及其合金熔焊时产生气孔的主要原因(2)导热系数大熔池结晶快(3)密度低,氢的来源,弧柱气氛,焊接材料吸附水分,母材吸附水分,气泡不易上浮,二.铝及铝合金的焊接性,93,气孔的分布特征（1）临近焊缝表层的“皮下气孔”已经上浮到熔池表面附近的氢气泡来不及逸出而残留在焊缝表层，尺寸一般较大。（2）焊缝中部或根部的“密集气孔”氢的析出可能聚集在枝晶间大量存在的微小空穴中，形成密集的微小气泡，残留在根部或中部，尺寸一般较小。（3）熔合区边界的“氧化膜气孔”氧化膜中的水分因受热分解而析出氢，并在氧化膜上形成气泡，熔池结晶后形成气孔，其内壁一般呈氧化色。,94,二.铝及铝合金的焊接性,气孔的防止(1)减少氢的来源 焊接材料干燥处理 焊前清除氧化膜(2)控制焊接工艺 TIG焊，采用小热输入，减小熔池存在时间，从而减少氢的溶入。实践证明大的焊接电流和较高的焊接速度配合较好。MIG焊，由于是焊丝氧化膜影响为主，所以要采用大热输入，增大熔池存在时间，以利于氢的逸出。,二.铝及铝合金的焊接性,95,2.热裂纹 凝固裂纹的形成(1)典型的共晶合金 存在易熔共晶体(2)线膨胀系数大 拘束下易产生较大焊接应力,二.铝及铝合金的焊接性,96,防止凝固裂纹的冶金途径(1)调整焊缝合金系统 控制适量的易熔共晶并缩小结晶温度区间。通过合金系统调整，使合金元素含量超过热裂纹敏感含量，即“愈合”作用。对于裂纹倾向大一些的硬铝之类的高强铝合金，往往利用Al-5%Si合金焊丝。