1、单元八 金属材料的焊接,要求一般理解与掌握的内容有： 1、金属焊接性及焊接性试验方法； 2、焊接接头中冷、热裂纹的产生机理及防止措施。 要求深刻理解与熟练掌握的重点内容有： 1、钢结构常用合金结构钢的焊接工艺； 2、铝及铝合金的焊接。 难点：焊接接头中冷、热裂纹的产生机理第一节 原材料的焊接及实验方法,第一节 钢材的焊接性及实验方法,一、钢材的焊接性焊接性就是金属材料能否焊接的问题，即在一定焊接材料，设备，工艺和结构条件下，金属材料经焊接后能否达到必要质量的问题。通常把金属在焊接时形成裂纹的倾向及焊接接头性能变坏的倾向，作为材料焊接性的主要指标。焊接性好坏是相对比较的概念。影响焊接性的因素很多
2、，主要有冶金因素和热的因素，所以也有特分为冶金可焊性和热可焊性。所谓冶金可焊性是指在一定焊接工艺条件下，焊缝金属对冶金过程和结晶过程的适应性。（如出现裂纹，气孔，夹渣等）（WELD）所谓热可焊性是指在一定焊接工艺条件下，焊缝金属对热作用的适应能力。（冷裂纹，局部脆化等）（HAZ） 也有把焊接性分为工艺焊接性和使用焊接性的。前者说明金属材料能不能焊的问题。后者说明焊后能不能用的问题。如何知道焊接性的好坏，或焊接时可能出现的问题，需要对焊接性进行分析，这种分析是建立在科学实验的基础上的。,二、焊接性的试验方法,焊接性实验的主要内容: 1、检查焊缝金属抵抗产生热裂纹的能力。 2、检查焊缝金属及热影响
3、区金属抵抗冷裂纹的能力。 3、检查焊接接头抗脆性断裂的能力。 4、检查焊接接头的使用性能。,焊接性分析,碳当量：钢中的各种元素的含量折算成碳的相当量，称为碳当量。 计算公式评价指标或判别式 初步结论 裂纹敏感系数法,焊接性试验方法的分类,1、直接方法：它是直接用具体焊接产品来评定可焊性。 2、间接方法：它是在试件上模仿产品的焊接过程，然后在试件上进行各种性能的评定，间接评定金属的可焊性。,（一）焊缝和热影响区裂纹敏感性试验方法,1、小铁研式抗裂纹试验。 见图61所示，200*15-2mm 坡口为Y型（测冷裂）和V型（测热裂）两种。焊接参数：4mm，I：160180A，V：2226V ，U 15
4、0mm/min焊完后在室温下放置24h，再进行检查，用放大镜或磁粉探伤检查表面裂纹长度，然后把试验焊缝切成六快，检查同方向上的三个横断面上的裂纹深度。评定标准是裂纹率，见图62 表面裂纹率=表面裂纹总长/试验焊缝长*100% 断面裂纹率=5个断面裂纹总深/5个断面总厚*100% 一般认为，表面裂纹率小于20%的试件，就能满足实际构件的要求。,2、刚性固定对接裂纹试验,见图63所示。评定方法是无裂纹为标准。可用于测焊缝和坡口的裂纹倾向。3.可变刚性裂纹试验 见图64（a）为整体试样 （b）为混合试样。测对接缝4、十字接头试验见图65 k为8mm焊后放置48h，测 小结：小铁研式试验和刚性固定法试
5、验是两种相似的试验方法，适用于试验焊缝和热影响区的裂纹倾向；可变刚性试验的刚性条件比前两种方法小一些，如果产品刚性小时，可选用这一方法；十字接头试验是一种试验角焊缝的抗裂试验方法，当结构中有T形，十字形接头时，应选用这种试验方法。,六、常用钢结构钢的焊接工艺,一般强度结构钢的焊接工艺,1.焊接方法 一般强度船用结构钢几乎适用各种焊接方法进行焊接，并能保证焊接接头的良好质量。船厂常用的焊接方法是焊条 电弧焊、埋弧自动焊、CO2气体保护焊以及电渣焊等。2.焊接材料 可根据“等强度原则”选择焊条或焊丝。焊接一般简单且承受静载荷的钢结构，可选用酸性焊条；焊接承受动载荷和复杂或大厚度的重要结构，最好选用
6、碱性焊条；焊丝常采用H08A、H08MnA或H08Mn2SiA；焊剂常用HJ431。,3.典型一般强度钢结构钢Q235A的焊接Q235A钢材是目前应用较多的一般强度结构钢，常用在上层建筑和舱壁等结构上，其焊接性良好，一般不需要预热和焊后热处理，当结构刚性大，环境温度低时应预热。常用的焊接方法有焊条电弧焊、埋弧自动焊、CO2气体保护焊、电渣焊等。（1）焊条电弧焊 Q235A采用焊条电弧焊时，主要采用酸性焊条，如E4313（J421），E4303（J422），E4301（J423），强度应与母材匹配。但对一些要求受动载荷、低温或疲劳的重要结构，如船体大接缝，机座对接缝，以及对裂纹敏感性较大的焊接结
7、构，如艏柱、艉柱等，须选用低氢型焊条，如E4316（J426），E4315（J427），E5016（J506），E5015（J507）等，因为这种焊条具有较高的力学性能和抗裂性。,(2) 埋弧自动焊 Q235A采用埋弧焊时，焊丝可选用H08A或H08MnA，配焊剂431或焊剂430。焊前，注意坡口清理，否则易产生气孔。焊接过程中可以采用较大的焊接规范，在焊接较厚工件时可采用一道或多道焊来完成。在焊多层焊时，第一层焊缝的焊接规范应比其它各层要小些，以控制焊缝的截面形状，避免第一层焊缝产生热裂纹。（3）CO2气体保护焊 这种焊接方法在船厂已得到广泛的应用。为了使焊缝金属具有足够的力学性能和良好的抗
8、裂性以及抗气孔的能力，应采用高硅高锰焊丝，应用最广的是H08Mn2SiA。在选择焊丝的同时，还要控制CO2气体纯度，以避免焊缝中气孔的出现和力学性能的降低。若在CO2气体中加入一定量（少于50）的氩气，可提高电弧的稳定性和减少飞溅，对提高焊接质量有利。,（4）电渣焊 对大厚度的工件，如艏柱、艉柱的对接，目前仍采用电渣焊。其焊缝金属等强度要求主要依靠焊丝来达到，一般采用H10Mn2A或者H10MnSiA并配合焊剂360。为了提高焊缝金属的韧性，亦有在焊丝中加入铝、钛等变质合金元素。由于电渣焊热影响区容易过热，晶粒粗大，所以一般需要进行正火+回火热处理，它常常用于船舶的首柱和尾柱的对接。,常用结构
9、钢的焊接工艺一、焊前准备1.钢材的预处理 2.接头与坡口的设计3.坡口的制备4.焊前预热二、焊接方法的选用根据焊接材料的成分.厚度.坡口形式等选用相应的焊接方法。三、焊接材料,四、焊接参数包括焊接电流.焊接电压.焊接速度.气体流量.焊丝送进速度.导电嘴高度.干伸长以及焊条（丝）的直径等。五、焊后热处理六、焊后检验,一、一般结构钢的焊接性 一般强度结构钢含碳量0.21%，属于低碳钢，焊 接性良好，焊接时一般不需要采取特殊的工艺措施。 但为了获得良好的焊接接头，操作时应注意以下问题： 1当焊件厚度大，结构刚性大，或施焊环境温度较低 时，尤其是对D、E钢的焊接。要求进行预热。 2为了获得良好的焊缝形
10、状，应适当增加焊缝宽度， 特别是埋弧自动焊，使焊缝的成型系数大于1.5为佳，以防止 产生热裂纹。,二、一般强度结构钢的焊接工艺 （一）焊接方法 一般强度结构钢几乎适用各种焊接方法进行焊接，船 厂常用的焊接方法是焊条电弧焊、埋弧自动焊、CO2气体保护焊 以及电渣焊等。 （二）焊接材料 可根据“等强度原则”选择焊条或焊丝。焊接一般简单且 承受静载荷的船体结构，可选用酸性焊条；焊接承受动载荷和 复杂或大厚度的重要船体结构，最好选用碱性焊条；焊丝常采 用H08A、H08MnA或H08Mn2SiA；焊剂常用HJ431,（三）焊接工艺要点 1一般不需要预热、保持层间温度和后热处理； 2在低温环境下焊接厚件
11、时，应预热焊件，防止产生冷裂纹； 3厚度超过50mm的焊件，应进行焊后热处理以消除应力； 4电渣焊焊件焊后应正火以细化HAZ晶粒。,二、高强度结构钢的焊接性 高强度结构钢的含碳量0.18%，同时由于钢中通 过加入合金元素来提高强度和韧性，因此对焊接性的影响也 很复杂。强度级别较低时具有良好的焊接性，焊接过程中不 需要采用特殊的工艺措施便可保证接头质量，但对强度级别 大于450MPa级以上，其厚度较大或结构刚性较大的焊件，焊 接时就必须采取一定的工艺措施，避免出现缺陷。高强度结构钢焊接时易出现的主要问题有： （一）焊接接头中产生裂纹 （二）热影响区淬硬倾向 （三）对焊接热输入的敏感性,（一）焊接
12、接头中产生裂纹 裂纹是船体结构中最危险的一种缺陷，各种裂纹的分布 情况如图6-1。 图61 各种裂纹的分布情况 1-焊道下裂纹 2-焊趾裂纹 3-根部裂纹 4-热影响区裂纹 5-焊缝纵向裂纹 6 -焊缝横向裂纹,1热裂纹 （1）热裂纹的特点 产生的温度和时间 在高温下，是处于焊接过程中； 产生的部位 热裂纹绝大多数是出现在焊缝金属中； 外观特征 热裂纹沿焊缝长度方向分布，大多数向表面开 口，有明显的氧化色彩。 金相特征 热裂纹都发生在晶界上，具有晶间断裂特征，所 以又称为晶间裂纹,（2）热裂纹产生的原因 产生热裂纹的原因就在于焊缝中存在液态薄膜和在焊缝凝固过 程中有拉应力共同作用的结果。因此，
13、低熔点共晶所形成的液态薄 膜是产生热裂纹的根本原因，而拉伸应力是产生热裂纹的必要条件。 （3）防止热裂纹的措施 选择合适的焊接材料； 采用合适的焊接工艺参数； 采用引弧板和熄弧板减小焊接应力。,2. 冷裂纹 （1）冷裂纹的特点 产生的温度和时间 温度通常在200300以下。它产生 的时间主要在焊接接头冷却到室温后，甚至在一定时间（几小时、 几天、甚至十几天）后才出现。 产生的部位 大多产生在焊缝和热影响区，热影响区居多。 外观特征 垂直于熔合线或焊缝轴线的横向裂纹，具有发亮 的金属光泽。 金相特征 是晶间裂纹，也可以是晶内（穿晶）断裂，而且 常常可以见到晶间与晶内的混合断裂,（2）冷裂纹产生的
14、原因 焊接应力； 淬硬组织； 含氢量。 高强度钢焊接时，产生冷裂纹的原因在于钢种淬硬之后，受氢 的诱发和促进使之脆化，在焊接应力的作用下形成了裂纹。大量的 生产实践和试验研究证明，产生冷裂纹的原因是由上述三大因素综 合作用的结果。,（3）防止冷裂纹的措施 选用低氢型焊条； 严格遵守焊接材料的保管、烘焙和使用制度，谨防 受潮。 仔细清理坡口边缘的油污、水分和锈迹，减少氢的来源。 根据材料等级、含碳量、构件厚度、施焊环境等，选择合理的焊接工艺参数和采用合适的焊接工艺措施，改善焊件的应力状态，降低扩散氢含量，避免热影响区过热、晶粒粗大所造成的接头脆化现象。,（二）热影响区淬硬倾向 一般是含碳量和所含
15、合金元素量越高，焊件在焊接后冷却 速度越快，其淬硬倾向就越大。 （三）对焊接热输入的敏感性 过大的焊接线能量，会造成焊接接头过热，从而导致接头晶粒粗大，过热组织力学性能下降,二、高强度结构钢焊接工艺 1焊接方法 一般采用焊条电弧焊、埋弧自动焊和 CO2气体保护焊；较厚件可采用电渣焊；屈服强度大于500MPa的高强度船用结构钢，宜采用富氩混合气体（如Ar80%+ CO220%）保护焊。 2焊接材料的选择 一般可选用与焊件强度相当的低氢焊条、碱度较高的埋弧焊焊剂，见表63 高强度船用结构钢焊接材料的选用。 3焊接规范的选择 根据具体情况选择合适的焊接规范参数。 4焊后热处理 钢结构绝大多数是不进行
16、焊后热处理的，所以应从焊接工艺上采取措施。,第三节 铝及铝合金结构的焊接,一、铝及铝合金的焊接特点(1) 铝在空气中及焊接时极易氧化，生成的氧化铝（Al2O3）熔点高、非常稳定，不易去除。（2）铝及铝合金的热导率和比热容均约为碳素钢和低合金钢的两倍多。 （3）铝及铝合金的线膨胀系数约为碳素钢和低合金钢的两倍。 （4）铝对光、热的反射能力较强， （5）铝及铝合金在液态能溶解大量的氢，固态几乎不溶解氢。 （6）合金元素易蒸发、烧损，使焊缝性能下降。 （7）母材基体金属如为变形强化或固溶时效强化时，焊接热会使热影响区的强度下降。 （8） 铝为面心立方晶格，没有同素异构体，加热与冷却过程中没有相变，焊
17、缝晶粒易粗大，不能通过相变来细化晶粒。,二、 焊接方法,几乎各种焊接方法都可以用于焊接铝及铝合金，但是铝及铝合金对各种焊接方法的适应性不同，各种焊接方法有其各自的应用场合。 气焊和焊条电弧焊方法，设备简单、操作方便。气焊可用于对焊接质量要求不高的铝薄板及铸件的补焊。焊条电弧焊可用于铝合金铸件的补焊。 惰性气体保护焊（TIG 或MIG）方法是应用最广泛的铝及铝合金焊接方法。铝及铝合金薄板可采用钨极交流氩弧焊或钨极脉冲氩弧焊。铝及铝合金厚板可采用钨极氦弧焊、氩氦混合钨极气体保护焊、熔化极气体保护焊、脉冲熔化极气体保护焊。熔化极气体保护焊、脉冲熔化极气体保护焊应用越来越广泛（氩气或氩/氦混合气）,三
18、、焊接材料,（1）焊丝 选用主要按照下列原则： 1）纯铝焊丝的纯度一般不低于母材； 2）铝合金焊丝的化学成分一般与母材相应或相近； 3）铝合金焊丝中的耐蚀元素(镁、锰、硅等)的含量一般不低于母材； 4）异种铝材焊接时应按耐蚀较高、强度高的母材选择焊丝； 5）不要求耐蚀性的高强度铝合金(热处理强化铝合金)可采用异种成分的焊丝，如抗裂性好的铝硅合金焊丝SAlSi 一1 等(注意强度可能低于母材)。,（2）保护气体 保护气体为氩气、氦气或其混合气。交流加高频TIG 焊时，采用大于999纯氩气，直流正极性焊接宜用氦气。 MIG 焊时，板厚75 mm 时推荐采用添加5075氦气的氩气。氩气应符合GBT
19、4842?995纯氩的要求。氩气瓶压低于0.5 MPa 后压力不足，不能使用。,(3)钨极 氩弧焊用的钨极材料有纯钨、钍钨、铈钨、锆钨四种。纯钨极的熔点和沸点高，不易熔化挥发，电极烧损及尖端的污染较少，但电子发射能力较差。在纯钨中加入12氧化钍的电极为钍钨极，电子发射能力强，允许的电流密度高，电弧燃烧较稳定，但钍元素具有一定的放射性，使用时应采取适当的防护措施。在纯钨中加入1.82.2的氧化铈(杂质0.1)的电极为铈钨极。铈钨极电子逸出功低，化学稳定性高，允许电流密度大，无放射性，是目前普遍采用的电极。锆钨极可防止电极污染基体金属，尖端易保持半球形，适用于交流焊接。,（4）焊剂 气焊用焊剂为钾
20、、钠、锂、钙等元素的氯化物和氟化物，可去除氧化膜。,四、焊前准备,(1)焊前清理 铝及铝合金焊接时，焊前应严格清除工件焊口及焊丝表面的氧化膜和油污，清除质量直接影响焊接工艺与接头质量，如焊缝气孔产生的倾向和力学性能等。常采用化学清洗和机械清理两种方法。1）化学清洗 2）机械清理,(2)垫板 铝及铝合金在高温时强度很低，液态铝的流动性能好，在焊接时焊缝金属容易产生下塌现象。为了保证焊透而又不致塌_陷，焊接时常采用垫板来托住熔池及附近金属。垫板可采用石墨板、不锈钢板、碳素钢板、铜板或铜棒等。垫板表面开一个圆弧形槽，以保证焊缝反面成型。也可以不加垫板单面焊双面成型，但要求焊接操作熟练或采取对电弧施焊
21、能量严格自动反馈控制等先进工艺措施。,(3)焊前预热 薄、小铝件一般不用预热，厚度10 mm15 mm 时可进行焊前预热，根据不同类型的铝合金预热温度可为100200，可用氧一乙炔焰、电炉或喷灯等加热。预热可使焊件减小变形、减少气孔等缺陷。,五、焊后处理,(1)焊后清理焊后留在焊缝及附近的残存焊剂和焊渣等会破坏铝表面的钝化，有时还会腐蚀铝件，应清理干净。形状简单、要求一般的工件可以用热水冲刷或蒸气吹刷等简单方法清理。要求高而形状复杂的铝件，在热水中用硬毛刷刷洗后，再在6080左右、浓度为23的铬酐水溶液或重铬酸钾溶液中浸洗5 min10 min，并用硬毛刷洗刷，然后在热水中冲刷洗涤，用烘箱烘干
22、，或用热空气吹干，也可自然干燥。,(2)焊后热处理 铝容器一般焊后不要求热处理。如果所用铝材在容器接触的介质条件下确有明显的应力腐蚀敏感性，需要通过焊后热处理以消除较高的焊接应力，来使容器上的应力降低到产生应力腐蚀开裂的临界应力以下，这时应由容器设计文件提出特别要求，才进行焊后消除应力热处理。如需焊后退火热处理，对于纯铝、5052、5086、5154、5454、5A02、5A03、5A06 等，推荐温度为345；对于2014、2024、3003、3004、5056、5083、5456、6061、6063、2A12、2A24、3A21 等，推荐温度为415；对于2017、2A11、6A02 等，推荐温度为360，根据工件大小与要求，退火温度可正向或负向各调2030，保温时间可在0.5 h2 h 之间。,作业,1、什么是金属的焊接性？有哪几种？ 2、什么是碳当量？如何评定金属的焊接性？ 3、铝合金的焊接特点是什么？ 4、奥氏体不锈钢的焊接特点是什么？,
