第2章焊接性及其试验评定.ppt
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1、第2章焊接性及其试验评定 2 1焊接性及影响因素 2 1 1焊接性概念 2 1 2影响焊接性的因素 2 2焊接性试验的内容及评定原则 2 2 1焊接性试验的内容 2 2 2评定焊接性的原则 2 2 3焊接性评定方法分类 2 3焊接性的评定及试验方法 2 3 1焊接性的间接评定 2 3 2焊接性的直接试验方法 2 1焊接性及影响因素 2 1 1焊接性 Weldability 概念 定义 焊接性是指同质材料或异质材料在制造工艺条件下 能够焊接形成完整接头并满足预期使用要求的能力 焊接性是材料焊接加工的适应性 指材料在一定的焊接工艺条件下 包括焊接方法 焊接材料 焊接参数和结构形式等 获得优质焊接接
2、头的难易程度和该焊接接头能否在使用条件下可靠运行 两个方面的含义 1 材料在焊接加工中是否容易形成接头或产生缺陷 结合性能 2 焊接完成的接头在一定的使用条件下可靠运行的能力 使用性能 研究焊接性的目的 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 以确定焊接工艺的合理性或材料的改进方向 金属材料焊接性是指金属材料对焊接加工的适应性 它包括工艺焊接性和使用焊接性 1 工艺焊接性和使用焊接性 1 工艺焊接性就是一定的材料在给定的焊接工艺条件下对形成焊接缺陷的敏感性 涉及焊接制造工艺过程中的焊接缺陷问题 如裂纹 气孔 断裂等 它不是金属材料本身所固有的性能 但取决于金属的成分和性能 并且随着
3、焊接方法 焊接材料和工艺措施的发展而变化 2 冶金焊接性和热焊接性 2 使用焊接性指一定材料在规定的焊接工艺条件下所形成的焊接接头适应使用要求的能力 涉及焊接接头的使用可靠性问题 在焊接接头区域冶金过程 影响焊缝金属的组织和性能热过程 影响热影响区的组织和性能 必须联系工艺条件和使用性能来分析焊接性 1 冶金焊接性 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改善方法 研制新材料 发展新焊接材料 新焊接工艺 2 热焊接性 焊接过程中要向接头区域输入很多热量 对焊缝附近区域形成加热和冷却过程 这对靠近焊缝的热影响区的组织性能有很大影响 从而引起热影响区硬度 韧性 耐
4、蚀性等的变化改善方法 选择适当母材 正确选定焊接方法和热输入 2 1 2影响焊接性的因素 1 材料因素 母材 焊接材料 2 设计因素 焊接接头设计 3 工艺因素 焊接方法 工艺措施 4 服役环境 工作温度 工作介质 载荷性质 表2 1常用金属材料焊接难易程度一览表 表2 2常用金属材料焊接中的问题 2 2焊接性试验的内容及评定原则 2 2 1焊接性试验的内容 1 焊缝金属抵抗产生热裂纹的能力 焊缝熔池金属在结晶时 由于存在S P等有害元素 如形成低熔点的共晶物 并受到较大热应力作用 可能在结晶末期产生热裂纹 热裂纹敏感指数 热裂纹试验 2 焊缝及热影响区抵抗产生冷裂纹的能力 在焊接热循环作用下
5、 焊缝及热影响区由于组织 性能发生变化 加之受焊接应力作用以及扩散氢的影响 可能产生冷裂纹 或延迟裂纹 间接计算 焊接性试验 3 焊接接头抗脆性断裂的能力 受焊接冶金反应 热循环 结晶过程的影响 可使焊接接头的某一部分或整体发生脆化 韧性急剧下降 尤其对在低温使用下的焊接结构影响更大 表2 3合金结构钢焊接性分析时应考虑的问题 4 焊接接头的使用性能 力学性能 耐腐蚀性 低温钢的低温冲击韧度 耐热钢的高温蠕变强度或持久强度 抗层状撕裂 2 2 2评定焊接性的原则 1 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试验 抗裂性试验 热裂纹试验 冷裂纹试验 消除应力裂纹试验 层状撕裂
6、试验 2 评定焊接接头能否满足结构使用性能的要求 选择已有或设计新焊接性试验方法应符合下述原则 1 可比性焊接性试验条件应尽可能接近实际焊接时的条件 2 针对性针对具体的焊接结构制定试验方案 同时试验条件还应考虑到产品的使用条件 3 再现性焊接性试验的结果要稳定可靠 具有较好再现性 4 经济性消耗材料少 加工容易 试验周期短 2 2 3焊接性评定方法分类 1 模拟类方法 方法 热模拟法 焊接热 应力模拟法等 焊接热模拟技术在测定焊接热影响区连续冷却组织转变图 SHCCT图 和研究焊接冷裂纹倾向 脆化倾向等方面具有十分重要的作用 热模拟试验机 模拟不同焊接方法和焊接工艺参数下的主要热循环参数 利
7、用热模拟试验机可开展下列研究工作 1 建立模拟焊接热影响区的连续冷却组织转变图 SHCCT 2 研究焊接热影响区不同区段 尤其是过热区 的组织与性能3 定量地研究冷裂纹 热裂纹 再热裂纹和层状撕裂的形成条件及机理4 模拟应力应变对组织转变及裂纹形成影响的规律 例 对低合金高强钢作焊接热裂纹模拟试验 采用带缺口的试样 图2 1焊后热处理及消除应力裂纹试验程序a 温度循环b 应变循环c 应力循环 2 实焊类方法 裂纹敏感性试验 焊接接头的力学性能试验 低温脆性试验 断裂韧性试验 高温蠕变及持久强度试验等 小焊接构件 用产品做试验大型焊接构件 焊接试样 1 焊接冷裂纹试验 斜Y型坡口对接试验 插销试
8、验 拉伸拘束裂纹试验 TRC 刚性拘束裂纹试验等 焊接性试验 2 焊接热裂纹试验 可调拘束裂纹试验 压板对接 FISCO 焊接裂纹试验等 3 消除应力裂纹试验 斜Y型坡口消除应力裂纹试验 H型拘束试验 插销式消除应力裂纹试验法等 4 层状撕裂试验 Z向拉伸试验 Z向窗口试验等 5 应力腐蚀裂纹试验 U型弯曲试验 缺口试验等 3 理论分析和计算类方法 1 利用物理性能分析材料的熔点 热导率 线膨胀系数 密度和热容量等 都会对焊接热循环 熔化结晶 相变等产生影响 从而影响焊接性 2 利用化学性能分析与氧亲和力强的材料 如铝 镁 钛等 在焊接高温下极易氧化 需要采取较可靠的保护方法 如采用惰性气体保
9、护焊或真空中焊接等 有时焊缝背面也需要保护 3 利用合金状态图或SHCCT图分析 SHCCT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 4 利用经验公式 碳当量法 焊接裂纹敏感指数法 热影响区最高硬度法等 图2 3Q295钢热影响区CCT图的临界冷却曲线和临界冷却时间 2 3焊接性的评定及试验方法 评定方法 1 间接法 以化学成分 热模拟组织和性能 焊接连续冷却转变图 CCT图 焊接热影响区的最高硬度 碳当量公式 裂纹敏感指数经验公式等2 直接试验法 各种抗裂性试验 对实际焊接结构焊缝和接头的各种性能试验 需进行一系列试验才可能较全面阐明焊接性 2 3 1焊
10、接性的间接评定 1 碳当量法 焊接热影响区的淬硬及冷裂纹倾向与钢种的化学成分有密切关系 因此可以用化学成分间接地评估钢材冷裂纹的敏感性 碳对冷裂敏感性的影响最显著碳当量 CE或Ceq 把钢中合金元素的含量按相当于若干碳含量折算并叠加起来 作为粗略评定钢材冷裂倾向的参数指标 表2 4常用合金结构钢碳当量公式 公式中的元素符号即表示该元素的质量分数 后同 碳当量法只用于对钢材焊接性做初步分析 注意 1 使用IIW推荐的碳当量公式 板厚 20mm的钢材 1 当CE 0 4 时 淬硬倾向不大 焊接性良好 焊前不需要预热 2 CE 0 4 0 6 时 尤其是CE 0 5 时 钢材易淬硬 表明焊接性已变差
11、 焊接时需预热才能防止裂纹 随板厚增大预热温度要相应提高 2 使用日本工业标准 JIS 的碳当量公式时 当 25mm和采用焊条电弧焊时 焊接热输入为17kJ cm 对于不同强度级别的钢材规定了不产生裂纹的碳当量界限和相应的预热措施 表2 5钢材强度和碳当量确定预热温度 3 使用美国焊接学会 AWS 推荐碳当量公式时 碳当量结合焊件厚度 图2 4中查出该钢材焊接性的优劣等级 图2 4碳当量 Ceq 与板厚 的关系 优良 较好 尚好 尚可 表2 6不同焊接性等级钢材的最佳焊接工艺措施 表2 6中确定不同焊接性等级钢材的最佳焊接工艺措施 2 焊接冷裂纹敏感指数法 合金结构钢焊接时产生冷裂纹的原因除化
12、学成分外 还与焊缝金属组织 扩散氢含量 接头拘束度等密切相关 冷裂纹敏感性指数 与化学成分 扩散氢和拘束度 或板厚 相联系可用冷裂纹敏感性指数确定防止冷裂纹所需的焊前预热温度 表2 7冷裂纹敏感性公式及焊前预热温度的确定 上式适用的成分范围为 WC 0 07 0 22 WSi 0 60 WMn 0 40 1 40 WCu 0 50 WNi 1 20 WCr 1 20 WMo 0 70 WV 0 12 WNb 0 04 WTi 0 50 WB 0 005 板厚 19 50mm 扩散氢含量 H 1 0 5 0mL 100g Pcm 冷裂纹敏感系数 H 熔敷金属中的扩散氢含量 日本JIS甘油法与我国
13、GB T3965 1995测氢法等效 mL 100g 被焊金属板厚 mm R 拘束度 MPa H D 熔敷金属中的有效扩散氢含量 mL 100g 有效系数低氢型焊条 0 6 H D H 酸性焊条 0 48 H D H 2 3 焊接热裂纹敏感性指数 1 热裂纹敏感系数 简称HCS 当HCS 4时 一般不会产生热裂纹HCS越大的金属材料 其热裂纹敏感性越高 适用范围 一般低合金高强钢 包括低温钢和珠光体耐热钢 2 临界应变增长率 简称CST CST 19 2C 97 2S 0 8Cu 1 0Ni 3 9Mn 65 7Nb 618 5B 7 0 10 4当CST 6 5 10 4时 可以防止产生热裂
14、纹但这仅是按化学成分来考虑的 4 消除应力裂纹敏感性指数法 预测低合金结构钢焊接性时 根据合金元素对消除应力裂纹敏感性的影响 采用消除应力裂纹敏感性指数法进行评定 1 G法 其计算公式为 G Cr 3 3Mo 8 1V 2 G 0时 不产生消除应力裂纹 G 0时 对产生消除应力裂纹较敏感 WC 0 1 的低合金钢 上式可修正为 G G 10C Cr 3 3Mo 8 1V 2 10C G 2时 对消除应力裂纹敏感 1 5 G 2时 对消除应力裂纹敏感性中等 G 1 5时 对消除应力裂纹不敏感 2 PSR法用于考虑合金结构钢焊接时Cu Nb Ti等元素对消除应力裂纹的影响 计算公式为 PSR Cr
15、 Cu 2Mo 5Ti 7Nb 10V 2 此公式适用范围为 WCr 1 5 WMo 2 0 WCu 1 0 0 10 WC 0 25 WV WNb WTi 0 15 当PSR 0时 对产生消除应力裂纹较敏感 5 层状撕裂敏感性指数法 层状撕裂属于低温开裂 主要与钢中夹杂物的数量 种类和分布等有关 在对抗拉强度500 800MPa低合金结构钢的插销试验和窗形拘束裂纹试验的基础上 提出下述计算层状撕裂敏感性指数的公式 Pcm 冷裂纹敏感指数 H 熔敷金属中的扩散氢含量 用日本JIS法测定 mL 100g 适用 低合金结构钢焊接热影响区附近产生的层状撕裂根据层状撕裂敏感性指数PL可以在图2 5上查
16、出插销试验Z向不产生层状撕裂的临界应力值 Z cr 图2 5层状撕裂敏感性指数PL与 Z cr的关系 6 焊接热影响区最高硬度法 焊接热影响区的最高硬度可以相对地评价被焊钢材的淬硬倾向和冷裂纹敏感性IIW推荐采用我国 GB T4675 5 1984 焊接热影响区最高硬度试验方法 1 试件制备 20mm L 200mm B 150mm若 20mm 用机械加工成20mm厚度 并保留一个轧制面 若板厚小于20mm 不需机械加工 图2 6热影响区最高硬度法试件的形状 2 试验条件 焊前清理试件表面 焊试件两端要撑架空 下面留足够空间 在室温和预热温度下平焊 沿试件轧制表面的中心线焊l 125 10 m
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- 关 键 词:
- 焊接 及其 试验 评定
