金属材料焊接学习笔记Word格式文档下载.docx

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2.设计因素焊接接头的结构设计

3.焊接工艺因素焊接方法、线能量、焊材、预热、焊接顺序、焊后热处理

4.服役环境工作温度、负荷条件、工作环境

三、焊接性的分析方法

1.从材料本身的特性分析焊接性

（1）利用材料的成分进行分析。

碳当量法和焊接裂纹敏感指数

（2）利用材料的物理性能进行分析。

熔点、导热系数、线膨胀系数、密度等等

（3）利用材料的化学性能进行分析。

（4）利用合金相图或SHCCT图分析

2.从焊接工艺条件分析焊接性

（1）焊接热源的特点

（2）保护方法渣保护、气保护、真空

（3）热循环控制

（4）其它工艺因素焊前清理、焊接顺序、焊接规范

第2节焊接性试验及其常用方法

一、焊接性试验的内容

1.焊缝金属抗热裂纹的能力

2.焊缝和HAZ抗冷裂的能力

3.焊接接头抗脆性转变的能力

4.焊接接头的使用性能

二、焊接性试验方法分类

1.直接模拟试验类

焊接冷裂纹试验、热裂纹试验、再热裂纹试验

2.间接模拟类

热模拟法、焊接热-力模拟法

3.使用性能试验

拉伸、弯曲、冲击

三、焊接性试验方法的选用原则

1.可比性2.针对性3.再现性4.经济性

四、常用焊接性试验方法

1.斜Y坡口对接裂纹试验（小铁研试验）

优点是不需要专用设备，在施工现场可以应用。

缺点是要进行大量的解剖检查。

2.插销试验

优点是：

①节省材料②热循环接近实际焊接热循环③方便、灵活、实用。

缺点是：

需要专用设备，不适合现场用。

3.刚性固定对接裂纹试验

4.压板对接焊接裂纹试验法

5.HAZ最高硬度试验

思考题：

1.什么叫焊接性，焊接性包括那几方面内容？

2.何谓冶金焊接性及热焊接性？

3.焊接性试验的主要内容有哪些？

4.常用的焊接性试验方法有哪些？

第3章合金结构钢的焊接

第1节合金结构钢的分类和性能

一、强度用钢

1.热轧及正火钢

σs＝294-490MPa

热轧钢：

1300℃左右轧制＋空冷

正火钢：

1300℃左右轧制＋空冷＋900℃＋空冷（正火处理）

特点：

价格便宜、良好的综合力学性能、加工工艺性能

用途：

压力容器、动力设备、工程机械、桥梁等

举例：

16Mn,15MnVN,18MnMoNb、14MnNb

微合金控轧钢：

微合金化＋控制轧制

X70管线钢、X8070PSI（美国石油学会标准）70×

6.9MPa＝483MPa

调质钢：

1300℃左右轧制＋空冷＋900℃＋水淬＋600℃回火（从正火钢引申）

2.低碳调质钢

σs＝441-980MPa，C＜0.25％，高的强度，兼有良好的塑性和韧性

大型工程机械、压力容器、舰船制造

例：

14MnMoVN,14MnMoNbB,T-1,HT-80,HY-80

3.中碳调质钢

σs＝880-1176MPa，C＝0.25%~0.5%，很高的硬度和强度，韧性较低

火箭发动机壳体、飞机起落架

35CrMoA,30CrMnSiA,H-11

二、专用钢

1.珠光体耐热钢

Cr、Mo为基础，用于工作温度500~600℃，较好的高温强度和高温抗氧化性

2.低温钢

含Ni或无Ni的低合金钢，低温装置（-40~-196℃），有足够高的低温韧性

3.合金耐蚀钢

大气、海水、石油化工等腐蚀介质中工作

第2节热轧及正火钢的焊接

一、成分和性能

1.热轧钢

σs＝294~392MPa，C≤0.2%，Si≤0.55%，Mn≤1.5%，Mn、Si固溶强化

典型钢种：

16Mn、12MnV、14MnNb、16MnNb

2.正火钢

σs≥392MPa，固溶强化+V、Nb、Ti和Mo→沉淀强化

（1）正火状态下使用：

含V、Nb、Ti的钢如15MnV、14MnNb、15MnTi

（2）正火＋回火状态使用：

含Mo钢，如14MnMoV、18MnMoNb等。

二、焊接性分析

1.焊接接头的裂纹

（1）焊缝热裂纹

一般：

热轧及正火钢Mn含量较高→Mn/S↑→热裂倾向↓

特殊：

母材C、S、P偏高或严重偏析例：

16Mn不同部位的碳：

0.16%～0.24%

（2）冷裂纹主要问题

合金元素↑→碳当量↑→淬硬倾向↑

防止措施：

控制焊接线能量、降低扩散氢含量、预热、焊后热处理

（3）再热裂纹

不含强碳化物形成元素→不敏感。

含Cr、Mo、Nb、V、Ti，→有一定的敏感性

提高预热温度或焊后立即后热

18MnMoNb预热180℃→防冷裂纹预热220℃→防再热裂纹

2.热影响区脆化

（1）过热区脆化

①热轧钢脆化原因：

①粗晶脆化②组织脆化

[C]低：

E↑→过热区晶粒长大→粗晶脆化E↓→生成低碳马氏体，韧性好

防止措施：

小线能量（E）

[C]高：

E↑→粗晶脆化E↓→生成高碳马氏体，很脆（脆性比E高时大）

适当增加线能量，降低冷却速度

②正火钢脆化原因：

①粗晶脆化②沉淀相过饱和脆化E↑→脆化倾向↑

采用小焊接线能量。

（2）热应变脆化

原因：

热和应变同时作用，200~400℃最严重部位：

熔合区、Tp＜Ac1

①加入Al、Ti、V例：

15MnVN比16Mn的热应变脆化倾向小

②退火处理例：

16Mn经600℃1h退火处理，脆化倾向明显减小

三、焊接工艺要点

1．焊接方法的选择

无特殊要求，常用：

手工电弧焊、CO2气保焊

2.焊接材料的选择

（1）选择与母材匹配的焊接材料

（2）同时考虑熔合比和冷却速度的影响

（3）考虑焊后热处理对焊缝力学性能的影响焊后正火处理的焊缝：

选强度高的焊材

3.焊接工艺参数的确定

（1）焊接线能量E

[C]低：

小E[C]高：

大E

小E

（2）预热

预热温度：

钢材的淬硬性、板厚、拘束度、氢含量

16Mn，板厚大于30mm时需要预热到100-150℃

（3）焊后热处理一般不需要

但：

抗应力腐蚀或低温下使用的结构，要消应力回火

回火温度：

①不要超过母材原来的回火温度②避开材料出现回火脆性的温度区间

第3节低碳调质钢的焊接

一、成分、性能及种类

成分：

C＜0.18％Mn、Cr、Ni、Mo、V、Nb→提高淬透性和M回火稳定性

性能：

σs＝441-980MPa，有较高的强度和良好的塑性、韧性和耐磨性

种类：

①高强度结构钢（b＝600~800MPa）14MnMoNbB、HQ70、HQ80C

②高强度耐磨钢（b≥1000MPa）HQ100、HQ130

③高强高韧性钢（b≥700MPa）12Ni3CrMoV以及HY80、HY130

1.焊缝中的热裂纹Mn/S比较高，S、P少→倾向较小提问：

热裂纹产生原因和措施

2.冷裂纹合金元素多→淬硬性大→有冷裂纹倾向但实际上Ms点较高

冷却速度较慢→有“自回火”→可以避免冷却速度较快→无“自回火”→冷裂倾向大

3.再热裂纹Cr、Mo、V、Nb、Ti→再热裂纹较敏感

4.热影响区性能变化同时存在脆化和软化

（1）过热区脆化原因：

晶粒粗化、组织脆化（上贝氏体和M-A组元）

M-A组元：

中等冷速下形成

调整工艺参数→控制冷却速度→减少M-A组元

（2）热影响区软化

软化区域：

Tp＝T回火～AC1

减小焊接线能量→缩小软化区宽度

三、低碳调质钢的焊接工艺要点

注意两个基本问题：

①冷却速度不能太快，使马氏体有一个“自回火”作用

②在800~500℃之间的冷却速度大于产生脆性组织的临界速度。

1.焊接方法的选择

限制焊接过程中热量对母材的作用→减轻软化

σs≥686MPa最好：

熔化极气体保护焊和钨极氩弧焊，实际上：

手工电弧焊

2.焊接材料的选择

焊后一般不再进行热处理→等强匹配

14MnMoVN，b＝700MPa，E7015焊条或H08Mn2SiA焊丝

HQ100，b＝1000MPa，E10015焊条或H08Mn2Ni3SiCrMo焊丝

3.焊接工艺参数的选择

兼顾两者

（1）焊接线能量E的确定防止冷裂纹出发→冷却速度慢

防止脆化→冷却快较好

（2）预热温度的确定

板厚小于10mm的HQ60、HQ70钢，可以进行不预热焊接。

厚板：

采用较低的预热温度（T0≤200℃）。

（3）焊后热处理正常情况下不进行焊后热处理

结构受力大或承受应力腐蚀：

焊后热处理温度比母材原调质处理的回火温度低30℃左右。

第4节中碳调质钢的焊接

一、成分、性能和分类

含碳量较高C=0.25%~0.5%，Mn、Ni、Cr、Mo、B、Si及V、Ti、W

880~1176MPa、比强度高、高硬度

分类（合金系不同）：

（1）Cr钢：

良好的综合力学性能、较高的淬透性和较高的疲劳强度

例如：

40Cr。

用于制造齿轮和轴类

（2）Cr-Mo钢：

制造承受较高负荷、截面较大的重要零部件，如汽轮机叶轮和发电机转子。

例如：

35CrMoA。

（3）Cr-Mn-Si钢：

30CrMnSiA

（4）Cr-Ni-Mo钢：

有良好的综合性能，如强度高、韧性好、淬透性大等优点。

40CrNiMoA，喷气式客机的起落架和火箭发动机外壳

（5）超高强度钢：

强度可高达1960MPa。

例如H-11

1.焊缝中的热裂纹合金元素含量较高，结晶偏析倾向严重→较大的热裂纹敏感性

①采用低碳低硅焊丝②严格限制母材及焊丝中的S、P含量

③注意填满弧坑和保证良好的焊缝成形

2.冷裂纹淬硬倾向明显，易出现脆硬的马氏体组织→冷裂纹倾向大

①采用低氢焊接材料和焊接方法，尽量降低焊接接头的含氢量。

②采取焊前预热、焊后及时进行回火处理。

3.热影响区的脆化和软化

（1）过热区脆化碳含量较高，合金元素较多→高碳马氏体→脆化严重

采用小线能量，避免形成粗大的马氏体

（2）热影响区软化软化最明显的部位：

温度处于Ac1~Ac3之间的区段

①尽可能减小焊接线能量。

②采用热源越集中的焊接方法。

三、中碳调质钢的焊接工艺特点

1.退火状态下焊接

（1）焊接方法。

几乎没有限制。

（2）焊接材料。

焊缝金属的主要合金组成应与母材相似。

调质处理规范应与母材的一致（3）焊接工艺参数。

保证：

调质处理之前不出现裂纹

2.调质状态下焊接

热量越集中、能量密度越大的方法：

钨极氩弧焊

低碳合金系，降低焊缝金属的S、P杂质含量

（3）预热及焊后回火处理。

预热温度一般为200~350℃。

层间温度控制和焊后回火处理的温度控制应比母材淬火后的回火温度至少低50℃。

第5节珠光体耐热钢的焊接

一、珠光体耐热钢的成分及性能

Cr-Mo基，主要元素Cr、Mo、V，少量Ti、Nb、W、B

Cr＝0.5%~9%，Mo＝0.5%或1%，合金元素添加总量小于10%

合金系基本上是：

Cr-Mo、Cr-Mo-V、Cr-Mo-W-V、Cr-Mo-W-V-B、Cr-Mo-V-Ti-B

在500~600℃具有良好的耐热性、工艺性能好、抗硫和氢腐蚀

二、珠光体耐热钢的焊接性分析

1.焊缝中产生热裂纹弧坑处

凝固温度区间大→热裂纹倾向大

2.HAZ冷裂纹

Cr、Mo多→提高钢的淬硬性→冷裂倾向大Cr、Mo↑→冷裂倾向↑

焊前预热、控制层间温度、焊后去氢处理、减小和消除应力

3.再热裂纹粗晶区

含Cr、Mo、V、Ti、Nb，高温下使用→再热裂纹倾向大

①限制焊接材料V、Ti、Nb等合金元素的含量到最低的程度；

②将预热温度提高到250℃以上，层间温度控制在300℃左右；

③采用小线能量的焊接工艺，减小焊接过热区宽度，细化晶粒；

④选择合适的热处理制度、避免在敏感温度区间停留较长时间。

4.回火脆化现象Cr-Mo耐热钢在350~500℃温度区间长期运行过程中发生脆变

杂质元素在晶界上偏析→晶界脆化，Mn和Si是回火脆化元素

严格控制母材有害杂质元素的含量，降低Mn和Si含量。

三、珠光体耐热钢的焊接工艺要点

1.焊接方法常用方法均可

2.焊接材料的选用

原则：

焊缝金属的合金成分与强度性能应与母材相应的指标一致或应达到产品技术条件提出的最低性能指标。

焊缝成分应与母材相近、焊缝碳含量要求比母材低→防止焊缝热裂

3.焊接工艺参数主要是确定合适的预热及焊后热处理

结合具体条件，如焊接结构、板厚等条件，通过试验来确定预热及焊后热处理温度

第6节低温钢的焊接

一、低温钢的分类和化学成分

1.分类①按使用温度等级：

分为-10~-40℃、-50~-90℃、-100~-120℃、-130～-196℃

②按合金含量和组织：

分为低合金铁素体低温钢、中合金低温钢和高合金奥氏体低温钢。

③按有无Ni、Cr元素：

分为无Ni、Cr低温钢和含Ni、Cr低温钢。

④按热处理方法：

分为非调质低温钢和调质低温钢。

2.化学成分

（1）低合金低温钢：

无Ni，Si、Mn，Al少量Nb、V、Ti。

如16MnR

（2）中合金低温钢：

含Ni，1.5%Ni钢、2.5%Ni钢、3.5%Ni钢以及5%Ni、9%Ni钢

合金元素总含量为5%~10%。

二、低温钢的焊接性分析

1.无Ni低温钢的焊接性特点

含碳量约0.06%~0.20%，合金元素总含量≤5%，碳当量0.27%~0.57%，焊接性良好。

在用铝脱氧时形成了稳定的AlN，阻止了接头区脆化.存在两个问题

（1）接头过热，粗晶脆化，降低韧性；

（2）产生回火脆性。

2.含Ni低温钢的焊接性特点

（1）含Ni较低：

2.5%Ni和3.5%Ni低温钢。

含碳量较低、含Ni较低，裂纹倾向不大

（2）9%Ni钢：

①含Ni多，淬硬性很大，有冷裂纹倾向。

采用奥氏体焊材，冷裂倾向不大

②有回火脆性倾向。

③有较大的线膨胀系数。

④磁偏吹现象。

⑤接头过热粗晶脆化。

3.低温钢的焊接工艺要点

（1）严格控制焊接线能量。

（2）正确选择焊接材料。

①铝镇静钢：

低碳钢和C-Mn钢类焊条、低镍焊条②低合金铁素体低温钢：

含有镍1％～3％外，还含有钼0.2％～0.5％。

③低镍钢：

焊条的含镍量应与母材相同或高于母材。

④9Ni钢：

含镍在60％以上的Ni-Cr-Mo系合金、镍约40％的Fe-Ni-Cr系合金、含13Ni-16Cr-Mn-W的奥氏体不锈钢。

第4章不锈钢、耐热钢的焊接

（1）原义型－不生锈的钢。

（2）习惯型－原义型+耐酸不锈钢=耐腐蚀钢*

（3）广义型－耐腐蚀钢和耐热钢的总称。

第1节不锈钢、耐热钢的分类及特性

一、不锈钢及耐热钢的类型

1.按化学成分分类

（1）高Cr钢：

Cr＝12%～30％，如Cr13、Cr17等。

（2）Cr-Ni钢：

高Cr钢＋6％～12％Ni，如1Cr18Ni9、1Cr18Ni12Mo3等。

（3）铬锰氮不锈钢：

Cr、Mn、N，少Ni型如Cr17Mn13Mo2N等。

2.按用途分类

（1）不锈钢：

习惯型不锈钢，要求耐腐蚀，工作温度一般不超过500℃。

有Cr13系列不锈钢和低碳Cr-Ni钢（如1Cr18Ni9Ti）或超低碳Cr-Ni钢（如00Cr25Ni22Mo2）。

（2）抗氧化钢：

在高温下具有抗氧化性能，工作温度900~1100℃。

高Cr钢和Cr-Ni钢。

（3）热强钢：

在高温下抗氧化能力，又要有高温强度，工作温度600~800℃。

Cr-Ni

3.按组织分类

（1）奥氏体钢。

高Cr-Ni钢最为典型。

主要分为18-8系列、25-20系列两大类。

（2）铁素体钢。

含Cr＝11.5%~32%，主要用作耐热钢，也用作耐蚀钢，如1Cr17、1Cr25Si2。

（3）马氏体钢。

以Cr13系列最为典型，如1Cr13、2Cr13等。

退火，或者是淬火回火状态。

（4）沉淀硬化钢。

经过时效强化处理以形成析出硬化相的高强钢。

0Cr17Ni7Al

（5）铁素体-奥氏体双相不锈钢。

钢中δ铁素体占60%~40%，奥氏体γ占40%~60%，

二、不锈钢及耐热钢特性

1.不锈钢的耐蚀性能Cr＝13～25％，耐蚀性才很好

（1）均匀腐蚀：

表面全部产生腐蚀。

（2）点蚀：

穿孔性或蚀坑性局部腐蚀，氯离子引起

（3）缝隙腐蚀：

缝隙中发生的斑点状或溃疡状宏观腐蚀，氯离子引起。

（4）晶间腐蚀：

发生在晶粒边界附件的一种选择性腐蚀

晶界贫Cr（Cr＜12％）。

450～850℃（敏化温度区间）：

C+Cr→Cr23C6↓

C比Cr的扩散快的多，晶内的Cr来不及补充到晶界→晶界贫Cr

（5）应力腐蚀（简称SCC）：

拉伸应力＋特定介质：

含Cl－，高浓度的碱和硫酸水溶液

Ni含量越高，耐应力腐蚀开裂的性能越好

2.耐热钢的高温性能

（1）抗氧化性。

Cr、Si、Al等与氧形成致密的氧化膜

（2）热强性。

高温持久强度和蠕变强度。

（3）高温脆化。

1550℃附近的回火脆性。

如Cr13钢在550℃附近的回火脆性。

2粗晶脆化。

主要是高Cr铁素体钢中发生的晶粒长大导致的粗晶脆化。

3475℃脆化。

Cr＞15％的铁素体钢，475℃附近长期加热并缓冷，而强度升高韧性下降。

④σ相脆化。

由于硬而脆的σ相产生的脆化。

σ相：

硬脆而无磁性的FeCr金属间化合物。

3.不锈钢及耐热钢的物理性能

①导热系数小λ：

A导热系数约为低碳钢的1/3，M和F的导热系数约为低碳钢的1/2

②线膨胀系数大：

奥氏体不锈钢的线膨胀系数大约是低碳钢的1.5倍

第2节奥氏体不锈钢的焊接

一、奥氏体不锈钢焊接性分析

1.焊接接头的耐蚀性

（1）晶间腐蚀

①焊缝晶间腐蚀。

前层焊缝，加热到敏化温度（600~1000℃）的区域

防止：

a．尽量减少焊缝中C的含量，采用超低碳焊丝。

b.焊缝添加足够的稳定化元素Nb。

Nb、Ti＋C→NbC、TiC，夺取了C，因此不会形成Cr23C6。

c.获得适量的δ相。

②热影响区敏化区腐蚀。

不含Ti或Nb的不锈钢焊接热影响区加热到600~1000℃

a.采用超低碳不锈钢

b.工艺上应减少HAZ处于敏化温度的时间，采用小线能量、快速焊，加快冷却速度。

c.焊后固溶处理。

③熔合区“刀蚀”。

含Ti或Nb的18-8Ti或18-8Nb不锈钢

机理：

高温过热＋中温敏化的相继作用是产生刀蚀的必要条件。

焊前：

Cr固溶，游离态TiC（NbC）TiC（NbC）向A中溶解，C呈间隙原子

C向A晶界扩散，Ti（Nb）来不及扩散而留在原地，晶界C+Cr→Cr23C6↓

越紧邻熔合线，峰值温度越高，晶间腐蚀越严重

防止措施为：

a.母材最好采用超低碳，含Ti的希望C<

0.06%。

b.减少过热区或不让过热区受中温敏化作用。

c.焊后热处理。

在850~930℃保温后空冷，即稳定化处理。

总之：

超低碳不发生敏化区腐蚀，也不会有刀蚀，采用超低碳焊材焊缝也不晶腐，应优先发展。

（2）应力腐蚀开裂（SCC）多发生在焊缝表面，深入焊缝金属内部。

①合理设计焊接接头。

不锈钢杯子的例子②减少或消除焊接残余应力。

③采用超合金化的焊接材料。

Cr、Mo、Ni等含量高于母材

（3）点蚀产生部位：

焊缝中的不完全混合区。

耐点蚀Cr、Mo等元素发生了偏析。

①减少Cr、Mo的偏析②采用超合金化焊接材料：

2.焊接接头的热裂纹焊缝：

凝固裂纹，热影响区：

液化裂纹。

（1）产生热裂纹的原因：

①线膨胀系数大，导热系数小，承受较大的拉伸应力与应变。

②成分复杂，S、P、Ni、B等元素均能形成易熔共晶体。

③焊缝易形成方向性很强的柱状晶，杂质元素易在柱状晶之间偏析，促使形成晶界液膜。

（2）防止焊接热裂纹的措施

①严格控制母材中S、P、C杂质的含量。

②控制焊缝金属的组织，尽可能采用双相组织。

③调整焊缝金属的化学成分。

减少Ni、C、S和P，增加Cr、Mo、Si及Mn

④采用小线能量，尽量减小焊缝的过热。

3.奥氏体钢焊缝的脆化

（1）焊缝低温脆化δ相的存在会恶化低温韧性

（2）焊缝σ相脆化产生温度：

550-875℃。

二、奥氏体不锈钢的焊接工艺要点

1.焊接方法充分考虑质量、效率和成本因素

手工焊：

适用板厚>

1.5。

特点是方便灵活。

钨极氩弧焊：

适用板厚0.5~3。

特点是焊缝成形美观。

熔化极氩弧焊：

3。

特点是可焊接薄板，也可焊接厚板，适应性强，生产效率高。

2.焊接材料按“等成分原则”选择焊材，以满足接头的耐蚀性

手工电弧焊：

通常采用钛钙型和低氢型焊条

氩弧焊的焊丝一般为：

H0Cr21Ni10、H0Cr19Ni12Mo2、H0Cr20Ni14Mo3

3.焊接工艺参数

（1）控制焊接参数，避免接头产生过热现象。

焊接电流比低碳钢低20%

（2）控制焊缝成形。

避免产生应力集中引起应力腐蚀开裂。

（3）保护焊接的工作表面处于正常状态。

弧击、铁锤敲击产生腐蚀根源