金属材料焊接学习笔记.docx

1、金属材料焊接学习笔记第1章 概 述一、课程的目的1. 掌握材料焊接性的概念和试验方法；2. 掌握常用材料的焊接性及改善焊接性的途径，3. 培养分析材料焊接性的能力和正确制定常用材料焊接工艺的能力。二、课程的内容1. 焊接性及其试验方法 2. 合金结构钢的焊接3. 不锈钢、耐热钢的焊接 4. 铸铁的焊接。 灰铸铁和球墨铸铁5. 有色金属的焊接。 铝及其合金、铜及其合金、钛及其合金6. 先进材料的焊接。 陶瓷、金属间化合物的焊接7. 异种材料的焊接。 异种钢的焊接、钢与有色金属实验: 高强钢冷裂倾向的测定和分析三、参考资料1. 焊接冶金学（金属焊接性），周振丰主编，索书号 TG113.26 / 1

2、2. 焊接冶金与焊接性，刘会杰编，机械工业出版社，2007。索书号TG40-43 / 33. 金属材料焊接工艺，霍玉成，化学工业出版社，2007。索书号TG457.1-43 / 3第2章 焊接性及其试验方法教学目的：1掌握焊接性的概念 2了解焊接性试验的内容、试验方法分类3熟悉常用的焊接性试验方法第1节 焊接性概念及影响因素一、焊接性概念1. 焊接性：材料能否通过焊接加工而形成完整的、并满足预期使用性能的焊接接头的能力。包含两方面内容：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工艺焊接性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使用焊接性2. 工艺焊接性和使用焊接性工艺焊接

3、性：材料在一定的焊接工艺条件下，能否获得优质致密、无缺陷和具有一定使用性能的焊接接头的能力。 使用焊接性：指焊接接头或整体焊接结构满足技术条件所规定的各种性能的程度。提问：焊接工艺过程包括那两个过程 （分析焊接性不能脱离焊接工艺条件）3. 冶金焊接性和热焊接性冶金焊接性：指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对焊缝性能和产生缺陷的影响程度。热焊接性：指焊接热作用对HAZ组织性能及产生缺陷的影响程度。热焊接性研究热循环对HAZ的影响。 提问：焊接热循环二. 焊接性的影响因素1. 材料因素 化学成分、轧制状态、热处理状态、力学性能2. 设计因素 焊接接头的结构设计3. 焊接工艺

4、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

5、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：节省材料热循环接近实际焊接热循环方便、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

6、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s294-490MPa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、X80 70PSI（美国石油学

7、会标准） 706.9MPa483MPa调质钢： 1300左右轧制空冷900水淬600回火 （从正火钢引申）2. 低碳调质钢特点：s441-980MPa， C0.25，高的强度，兼有良好的塑性和韧性用途：大型工程机械、压力容器、舰船制造例：14MnMoVN, 14MnMoNbB, T-1, HT-80, HY-803. 中碳调质钢特点：s880-1176MPa ，C0.25%0.5%，很高的硬度和强度，韧性较低用途：火箭发动机壳体、飞机起落架例：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500600，较好的高温强度和高温抗氧化性2

8、. 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s294392MPa，C0.2%，Si0.55%，Mn1.5%， Mn、Si固溶强化典型钢种：16Mn、12MnV、14MnNb、16MnNb2. 正火钢s392MPa， 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）

9、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）再热裂纹热轧钢： 不含强碳化物形成元素 不敏感。正火钢： 含Cr、Mo、Nb、V、Ti， 有一定的敏感性防止措施：提高预热温度或焊后立即后热例： 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 热轧钢脆化原因：粗晶脆化 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

10、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） 防止措施：适当增加线能量，降低冷却速度 正火钢脆化原因： 粗晶脆化 沉淀相过饱和脆化 E 脆化倾向防止措施：采用小焊接线能量。（2） 热应变脆化原因： 热和应变同时作用， 200400 最严重 部位：熔合区、TpAc1防止措施： 加入Al、Ti、V 例：15MnVN比16Mn的热应变脆化倾向小退火处理 例：16Mn 经6001h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

11、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热轧钢： C低： 小E C高：大E正火钢：小E（2）预热预热温度： 钢材的淬硬性、板厚、拘束度、氢含量例： 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： 不要超过母材原来的回火温度 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：C0.18 Mn、Cr、Ni、Mo、V、Nb 提高淬透性和M回火稳定性性能：s441-980MPa，有较高的强度和良好的

12、塑性、韧性和耐磨性种类： 高强度结构钢（b 600800MPa） 14MnMoNbB、HQ70、HQ80C 高强度耐磨钢（b1000MPa） HQ100、HQ130 高强高韧性钢（b700MPa） 12Ni3CrMoV以及 HY80、HY130二、焊接性分析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

13、：晶粒粗化、组织脆化（上贝氏体和M-A组元）M-A组元：中等冷速下形成防止措施： 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：TpT回火AC1防止措施：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：冷却速度不能太快，使马氏体有一个“自回火”作用 在800500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s686MPa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例：14MnMoVN，b700MPa，E7015焊条或H08Mn2S

14、iA焊丝HQ100，b1000MPa，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（T0200）。（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、性能和分类成分： 含碳量较高C=0.25%0.5%，Mn、Ni、Cr、Mo、B、Si及V、Ti 、W性能：8801176MPa、比

15、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：例如：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。例如：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-11二、焊接性分析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防止措施：采用低碳低硅焊丝

16、严格限制母材及焊丝中的S、P含量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 冷裂纹倾向大防止措施：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。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防止措施：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Ac1Ac3之间的区段防止措施：尽可能减小焊接线能量。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

17、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（1）焊接方法。热量越集中、能量密度越大的方法：钨极氩弧焊（2）焊接材料。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200350。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成分：Cr-Mo基，主要元素Cr、Mo、V，少量Ti、Nb、W、BCr0.5%9%，Mo0.5%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、C

18、r-Mo-W-V-B、Cr-Mo-V-Ti-B 性能：在500600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 冷裂倾向防止措施：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防止措施： 限制焊接材料V、Ti、Nb等合金元素的含量到最低的程度； 将预热温度提高到250以上，层间温度控制在300左右； 采用小线能量的焊接工艺，减小焊接过热区宽度，细化晶粒； 选择合适的

19、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350500温度区间长期运行过程中发生脆变原因：杂质元素在晶界上偏析晶界脆化， Mn和Si是回火脆化元素防止措施：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

20、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 按使用温度等级：分为-10-40、-50-90、-100-120、-130-196 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。 按有无Ni、Cr元素：分为无Ni、Cr低温钢和含Ni、Cr低温钢。 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

21、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：含Ni多，淬硬性很大，有冷裂纹倾向。采用奥氏体焊材，冷裂倾向不大有回火脆性倾向。有较大的线膨胀系数。 磁偏吹现象。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。铝镇静钢：低碳钢和C-Mn钢类焊条、低

22、镍焊条低合金铁素体低温钢：含有镍13外，还含有钼0.20.5。低镍钢：焊条的含镍量应与母材相同或高于母材。9Ni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：Cr12%30，如Cr13、Cr17等。（2）Cr-Ni钢：高Cr钢612Ni，如1Cr18Ni9、1Cr18Ni12Mo3等。（3）铬

23、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9001100。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600800。Cr-Ni3. 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Cr11.5%32%，主要用作耐热钢，也用作

24、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。例如：0Cr17Ni7Al（5）铁素体-奥氏体双相不锈钢。钢中铁素体占60%40%，奥氏体占40%60%，二、不锈钢及耐热钢特性1. 不锈钢的耐蚀性能 Cr1325，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原因：晶界贫Cr（Cr12）。 4

25、50850（敏化温度区间）：C+CrCr23C6 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。1 550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。3 475脆化。Cr15的铁素体钢，475附近长期加热并缓冷，而强度升高韧性下降。 相脆化。由于硬而脆的相产生的脆化。

26、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 导热系数小：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 焊缝晶间腐蚀。前层焊缝，加热到敏化温度(6001000)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、TiCNbC、TiC，夺取了C，因此不会形成Cr23C6。c. 获得适量的相。 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

27、6001000a. 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。 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+CrCr23C6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C1.5。特点是方便灵活。钨极氩弧焊：适用板厚0.53。特点是焊缝成形美观。熔化极氩弧焊：适用板厚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、H0Cr20Ni14Mo33. 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