學(xué)習(xí)目標(biāo)

常用金屬材料焊接工藝1.掌握焊接性概念及影響因素。2.掌握碳當(dāng)量估算焊接性方法及斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)法。3.了解焊接冷裂紋敏感指數(shù)法、壓板對接焊接裂紋試驗(yàn)法等焊接性評定方法。子課題1金屬材料焊接性及評定一、金屬材料的焊接性1.焊接性概念金屬的焊接性是金屬材料在限定的施工條件下，焊接成按規(guī)定設(shè)計(jì)要求的構(gòu)件，并滿足預(yù)定服役要求的能力。也就是指金屬材料在一定的焊接工藝條件下，焊接成符合設(shè)計(jì)要求，滿足使用要求的構(gòu)件的難易程度，即金屬材料對焊接加工的適應(yīng)性和使用的可靠性。2.影響焊接性的因素材料、焊接方法及工藝、構(gòu)件類型和使用條件是影響金屬焊接性的主要因素。（1）材料材料不僅包括焊件本身，還包括使用的焊接材料，如焊條、焊絲、焊劑、保護(hù)氣體等。它們在焊接時(shí)都參與熔池或半熔化區(qū)內(nèi)的冶金過程，直接影響焊接質(zhì)量。（2）焊接方法及工藝焊接方法對焊接性的影響主要在兩方面，一是焊接熱源性質(zhì)（如能量密度）。二是對熔池和接頭保護(hù)。工藝措施對防止焊接接頭缺陷，提高使用性能也有重要的作用。如焊前預(yù)熱、焊后緩冷和消氫處理等，對防止熱影響區(qū)淬硬變脆、降低焊接應(yīng)力、防止裂紋是比較有效的措施。另外，如合理安排焊接順序也能減小應(yīng)力與變形。（3）構(gòu)件類型焊接構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)影響應(yīng)力狀態(tài)，從而對焊接性也會(huì)發(fā)生影響。（4）使用條件焊接結(jié)構(gòu)的使用條件是多種多樣的，有高溫、低溫下工作和腐蝕介質(zhì)中工作及在靜載或動(dòng)載條件下工作等。二、焊接性的評定方法評定金屬焊接性方法很多，可分為間接估算法和直接試驗(yàn)法兩類。1.焊接性間接估算法間接估算法一般不需要焊接焊縫，只需對金屬材料的化學(xué)成分、物理及化學(xué)性能、金相組織及力學(xué)性能指標(biāo)等分析與測定，從而推測與評估金屬的焊接性。間接估算法有碳當(dāng)量法、焊接冷裂紋敏感指數(shù)法等。（1）碳當(dāng)量法鋼材的化學(xué)成分對焊接熱影響區(qū)的淬硬及冷裂傾向有直接影響，因此可用化學(xué)成分來間接估算其焊接性。在鋼材的各種化學(xué)元素中，對焊接性影響最大的是碳，碳是引起淬硬及冷裂的主要元素，故常把鋼中含碳量的多少作為判斷鋼材焊接性的主要標(biāo)志，鋼中含碳量越高，其焊接性越差。為了便于分析和研究鋼中合金元素對鋼的焊接性影響，我們引入了碳當(dāng)量概念。所謂碳當(dāng)量就是指把鋼中合金元素（包括碳）的含量，按其作用換算成碳的相當(dāng)含量。用碳當(dāng)量大小來評定鋼材焊接性的方法，稱為碳當(dāng)量法。碳當(dāng)量法只是一個(gè)近似的間接估算焊接性的方法。碳當(dāng)量的估算公式有很多，國際焊接學(xué)會(huì)推薦的估算非合金鋼及非調(diào)質(zhì)低合金高強(qiáng)度鋼的碳當(dāng)量（CE）公式為：CE=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15需注意的是，上式中元素符號均表示其在鋼中含量的百分?jǐn)?shù),計(jì)算時(shí)取上限。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)CE＜0.4%時(shí)，鋼材的淬硬傾向不明顯，焊接性優(yōu)良，焊接時(shí)不必預(yù)熱；當(dāng)CE＝0.4%～0.6%時(shí)，鋼材的淬硬傾向增大，需要采取適當(dāng)預(yù)熱、控制焊接參數(shù)等工藝措施；當(dāng)CE＞0.6%時(shí)，淬硬、冷裂傾向強(qiáng)，屬于較難焊的材料，需采取較高的預(yù)熱溫度和嚴(yán)格的工藝措施。（2）焊接冷裂紋敏感指數(shù)法對于低碳微量多合金元素的低合金高強(qiáng)鋼，焊接冷裂紋敏感指數(shù)（Pc）計(jì)算公式為：式中Pc——焊接冷裂紋敏感指數(shù)；δ——板厚（mm）；［H］——甘油法測定的擴(kuò)散氫含量（mL/100g）。焊接冷裂紋敏感指數(shù)越大，則對冷裂紋越敏感，焊接性越差。根據(jù)Pc值可以通過經(jīng)驗(yàn)公式求出斜Y形坡口對接裂紋試驗(yàn)條件下，為了防止冷裂紋所需要的最低預(yù)熱溫度To（℃）為：To=1440Pc-3922.焊接性直接試驗(yàn)法直接試驗(yàn)法即通過焊接性試驗(yàn)來評定母材焊接性的方法。通過焊接性試驗(yàn)可以選擇適用于母材金屬的焊接材料；確定合適的焊接工藝參數(shù)，如焊接電流、電弧電壓、預(yù)熱溫度等；還可以用于研制新的焊接材料。焊接性試驗(yàn)方法很多，目前應(yīng)用較廣的是斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)法、壓板對接焊接裂紋試驗(yàn)法等。（1）斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)法斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)主要用于評價(jià)非合金鋼和低合金鋼高強(qiáng)鋼焊接熱影響區(qū)冷裂紋敏感性，是一種在工程上廣泛應(yīng)用的試驗(yàn)方法。試件的形狀和尺寸試樣裂紋長度的計(jì)算a）表面裂紋b）根部裂紋c）斷面裂紋焊條電弧焊試驗(yàn)焊縫焊條自動(dòng)送進(jìn)試驗(yàn)焊縫1）表面裂紋率CfCf=∑lf/L式中∑lf——表面裂紋長度之和（mm）；L——試驗(yàn)焊縫長度（mm）。2）根部裂紋率CrCr=∑lr/L式中∑lr——根部裂紋長度之和(mm)。3）斷面裂紋率CsCs=∑Hs/∑H式中∑Hs——5個(gè)橫斷面裂紋深度的總和(mm)；∑H——5個(gè)斷面焊縫的最小厚度的總和（mm）。斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)方法的優(yōu)點(diǎn)是試件易于加工，不需特殊裝置，操作簡單，試驗(yàn)結(jié)果可靠；缺點(diǎn)是試驗(yàn)周期較長。除斜Y形坡口試件外，可以仿照此標(biāo)準(zhǔn)做成直Y形坡口的試件，用于考核焊條或異種鋼焊接的裂紋敏感性，其試驗(yàn)程序以及裂紋率的檢測和計(jì)算與斜Y形坡口試件相同。（2）壓板對接焊接裂紋試驗(yàn)法壓板對接焊接裂紋試驗(yàn)主要用于評定非合金鋼、低合金鋼、奧氏體不銹鋼焊條及焊縫的熱裂紋敏感性。壓板對接焊接裂紋試驗(yàn)裝置1—C形拘束框架2—試件3—橫向螺栓4—齒形底座5—定位塞6—調(diào)節(jié)板裂紋率計(jì)算公式如下：C=∑l/∑L式中∑l——4條試驗(yàn)焊縫裂紋長度之和（mm）；∑L——4條試驗(yàn)焊縫長度之和（mm）。試板形狀尺寸試驗(yàn)焊縫位置三、HQ100低合金高強(qiáng)鋼斜Y形坡口冷裂紋試驗(yàn)采用斜Y形坡口對接裂紋試驗(yàn)進(jìn)行HQ100低合金高強(qiáng)鋼（低碳調(diào)質(zhì)鋼）的冷裂紋敏感性試驗(yàn)。焊接試驗(yàn)條件見表，試驗(yàn)結(jié)果見表。

HQ100鋼斜Y形坡口對接裂紋試驗(yàn)的焊接條件HQ100鋼斜Y形坡口對接裂紋試驗(yàn)的結(jié)果根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，厚度為9mm的HQ100鋼，焊條電弧焊室溫條件下焊接不出現(xiàn)裂紋；對于厚度為20mm的HQ100鋼，焊條電弧焊和混合氣體保護(hù)焊兩種方法預(yù)熱75℃仍出現(xiàn)裂紋，只有當(dāng)預(yù)熱溫度提高到100℃時(shí)才能避免裂紋出現(xiàn)。這表明HQ100鋼的焊接裂紋敏感性與板厚的依賴性較強(qiáng)（拘束度較大），因此HQ100鋼在實(shí)際應(yīng)用中一定要考慮焊接結(jié)構(gòu)的拘束度大小。此外，搭接接頭拘束裂紋試驗(yàn)結(jié)果表明，HQ100鋼在搭接或不留間隙角接時(shí)，室溫焊接不會(huì)出現(xiàn)裂紋。在實(shí)際工程機(jī)械產(chǎn)品的焊接結(jié)構(gòu)中，針對搭接接頭角焊縫形式，焊前不預(yù)熱也可進(jìn)行焊接。對于厚度為9mm對接接頭的焊條電弧焊、拘束度較小的角接以及厚度為20mm的搭接焊條電弧焊，在室溫下不預(yù)熱可避免焊接裂紋的產(chǎn)生；但對于厚度20mm板對接接頭的焊條電弧焊和富氬混合氣體保護(hù)焊，預(yù)熱溫度不低于100℃才能避免裂紋出現(xiàn)，因此在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)焊接時(shí)，HQ100鋼的預(yù)熱溫度應(yīng)為100℃以上。焊接冷卻時(shí)間