材料焊接性第-章-焊接性及试验方法-A课件.ppt

1、 第第1章章 概概 述述n在大量的工程结构中，目前钢铁材料仍处主导地位，在大量的工程结构中，目前钢铁材料仍处主导地位，而且一直在不断地发展和更新，如超高强度钢、双相而且一直在不断地发展和更新，如超高强度钢、双相不锈钢、耐热钢等。不锈钢、耐热钢等。n合金结构钢综合性能优异，经济效益显著，是焊接结合金结构钢综合性能优异，经济效益显著，是焊接结构中用量最大的一类工程材料。构中用量最大的一类工程材料。n焊接钢结构的应用范围非常广泛，涉及到国民经济和焊接钢结构的应用范围非常广泛，涉及到国民经济和国防建设的各个领域。国防建设的各个领域。n钢铁材料在今后很长一个历史时期内仍将作为主要的钢铁材料在今后很长一个

2、历史时期内仍将作为主要的工程材料发挥其重要作用。工程材料发挥其重要作用。第第1章章 概概 述述 n关于关于焊接冶金学焊接冶金学材料焊接性材料焊接性课程课程一、研究对象一、研究对象 （从焊接角度）研究材料的特性，包括焊接性、（从焊接角度）研究材料的特性，包括焊接性、焊接工艺、焊接材料、焊接工程应用；焊接工艺、焊接材料、焊接工程应用；重点讲述：重点讲述：4大传统材料的焊接大传统材料的焊接二、学习方法二、学习方法 采用启发式教学。讲述要点、难点、突出重点；采用启发式教学。讲述要点、难点、突出重点；启发学生们多思考、扩大视野，培养学生独立归纳启发学生们多思考、扩大视野，培养学生独立归纳整理和独立分析的

3、能力。整理和独立分析的能力。关于所用的教材关于所用的教材n本课程教材的演变本课程教材的演变19801989，金属熔焊原理及工艺金属熔焊原理及工艺上、下册（张文钺、周振丰）上、下册（张文钺、周振丰）19901999，焊接冶金及金属焊接性焊接冶金及金属焊接性 张文钺、周振丰张文钺、周振丰20002005，焊接冶金学焊接冶金学基本原理基本原理 张文钺（天津大学）张文钺（天津大学）焊接冶金学焊接冶金学金属焊接性金属焊接性周振丰（吉林工业大学）周振丰（吉林工业大学）20062016，焊接冶金学焊接冶金学基本原理基本原理 杜则裕（天津大学）杜则裕（天津大学）焊接冶金学焊接冶金学材料焊接性材料焊接性李亚江（

4、山东大学）李亚江（山东大学）2016至今，至今，焊接冶金学焊接冶金学材料焊接性材料焊接性（第（第2版）李亚江（山东大学）版）李亚江（山东大学）n教学内容教学内容 从焊接性角度研究工程材料的基本特性，了从焊接性角度研究工程材料的基本特性，了解材料焊接的基本原理解材料焊接的基本原理和和概念，分析四大传统材概念，分析四大传统材料和先进材料的焊接性特点和工艺要点。针对具料和先进材料的焊接性特点和工艺要点。针对具体材料，了解选择焊接方法、焊接材料和制定焊体材料，了解选择焊接方法、焊接材料和制定焊接工艺的基本原则及方法。接工艺的基本原则及方法。1.1 材料的发展及应用材料的发展及应用n历史上，石器时代、青

5、铜器时代、铁器时代，都是以历史上，石器时代、青铜器时代、铁器时代，都是以材料为标志划分的。材料为标志划分的。n但人们要把材料结合成整体结构才能更好地使用。因但人们要把材料结合成整体结构才能更好地使用。因此，材料和结合手段就一直密不可分，而且彼此相互此，材料和结合手段就一直密不可分，而且彼此相互促进，不断地发展。促进，不断地发展。n20世纪初，电弧技术用于钢铁产品，促使焊接和钢结世纪初，电弧技术用于钢铁产品，促使焊接和钢结构应用出现了质的飞跃。构应用出现了质的飞跃。n21世纪以后，我国钢产量已突破世纪以后，我国钢产量已突破7亿吨，成为世界第亿吨，成为世界第一大产钢国。钢的品种和质量也在迅速发展和

6、提高，一大产钢国。钢的品种和质量也在迅速发展和提高，对焊接质量和效率提出了更高的要求，材料加工、焊对焊接质量和效率提出了更高的要求，材料加工、焊接工作者的任务将更加繁重和光荣。接工作者的任务将更加繁重和光荣。1.低合金钢的发展及焊接应用低合金钢的发展及焊接应用n热轧及正火钢、控轧钢、低（中）碳调质钢等热轧及正火钢、控轧钢、低（中）碳调质钢等n锅炉压力容器用钢、舰船用低合金钢锅炉压力容器用钢、舰船用低合金钢n桥梁、建筑、工程机械用低合金钢桥梁、建筑、工程机械用低合金钢n管线钢、低温钢和低合金耐热钢管线钢、低温钢和低合金耐热钢 低合金钢的发展大体经历了三个阶段低合金钢的发展大体经历了三个阶段n20

7、世纪世纪20年代以前，钢结构制造主要采用铆接，设计年代以前，钢结构制造主要采用铆接，设计参数是参数是b。钢的强化主要靠碳以及单一合金元素，如。钢的强化主要靠碳以及单一合金元素，如Mn、Si、Cr等，含量等，含量2%3%，甚至更高些。，甚至更高些。n20世纪世纪2060年代，钢结构制造逐步采用了焊接技术，年代，钢结构制造逐步采用了焊接技术，设计参数要考虑材料设计参数要考虑材料s、AKV和焊接性。为了防止焊接和焊接性。为了防止焊接裂纹，钢的成分向低碳多元合金化方向发展，裂纹，钢的成分向低碳多元合金化方向发展，C含量含量0.2%以下，含以下，含24个有利于焊接性的合金元素并辅以热个有利于焊接性的合金

8、元素并辅以热处理强化等工艺措施。处理强化等工艺措施。n20世纪世纪70年代以后，低合金高强钢得到快速发展，钢年代以后，低合金高强钢得到快速发展，钢中中C含量降低到含量降低到0.1%以下，有的钢向超低碳含量发展。以下，有的钢向超低碳含量发展。Ti、V、Nb等微合金元素引起关注，向多元复合合金等微合金元素引起关注，向多元复合合金化方向发展。化方向发展。n还在低合金钢发展的第二阶段，人们就已认识到，单还在低合金钢发展的第二阶段，人们就已认识到，单靠合金化的作用改善低合金钢的性能是有限的。靠合金化的作用改善低合金钢的性能是有限的。n随着社会发展，低合金高强钢的使用范围不断扩大，随着社会发展，低合金高强

9、钢的使用范围不断扩大，经济性问题日益突出。经济性问题日益突出。n采用新技术是提高低合金钢综合性能和改善性价比的采用新技术是提高低合金钢综合性能和改善性价比的有效途径。但是，技术进步的作用只有在低合金钢发有效途径。但是，技术进步的作用只有在低合金钢发展的第三阶段才明显地发挥出来。展的第三阶段才明显地发挥出来。钢的强化方式有多种，主要有：固溶强化、沉淀强化、钢的强化方式有多种，主要有：固溶强化、沉淀强化、位错强化、热处理强化、细晶强化等。位错强化、热处理强化、细晶强化等。n在这些强化方式中，除了细晶强化是同时提高强度和在这些强化方式中，除了细晶强化是同时提高强度和韧性的强化手段外，其他的强化方式都

10、是在强度提高韧性的强化手段外，其他的强化方式都是在强度提高到一定程度后，韧性往往会下降。到一定程度后，韧性往往会下降。nHall-Petch关系式是细晶强化的理论依据，即，关系式是细晶强化的理论依据，即，n式中：式中：0为铁素体晶格摩擦力；为铁素体晶格摩擦力；K为常数，为常数，d为晶粒直为晶粒直径，此时晶粒直径是广义的，对铁素体是晶粒直径，径，此时晶粒直径是广义的，对铁素体是晶粒直径，对贝氏体和板条马氏体则是板条尺寸。对贝氏体和板条马氏体则是板条尺寸。n上式表明，随着晶粒细化，屈服强度上式表明，随着晶粒细化，屈服强度s提高。随着晶提高。随着晶粒变细，钢材的屈服强度随其粒变细，钢材的屈服强度随其

11、-1/2次方增加。同时，次方增加。同时，韧性也明显增加。韧性也明显增加。n按传统方式生产的低合金结构钢，着重于钢材本身的按传统方式生产的低合金结构钢，着重于钢材本身的性能，偏重于脱氧提纯、加工成形和相变热处理。性能，偏重于脱氧提纯、加工成形和相变热处理。n近十几年来，国内外特别注重从冶金角度入手从根本近十几年来，国内外特别注重从冶金角度入手从根本上解决钢的焊接性问题。上解决钢的焊接性问题。n通过采用低碳微合金化、控轧控冷（通过采用低碳微合金化、控轧控冷（TMCP）等冶金）等冶金和工艺措施，可以生产强韧性好、焊接性优良的管线和工艺措施，可以生产强韧性好、焊接性优良的管线钢、桥梁钢、压力容器钢等，

12、并获得应用。钢、桥梁钢、压力容器钢等，并获得应用。n当前钢铁材料的发展已经达到相当高的水平，单纯采当前钢铁材料的发展已经达到相当高的水平，单纯采用传统的调整化学成分和热处理工艺来提高钢的性能用传统的调整化学成分和热处理工艺来提高钢的性能和发展新材料的潜力不大，必须依靠先进的工艺和制和发展新材料的潜力不大，必须依靠先进的工艺和制造技术，以达到大幅度提高材料性能的目的。造技术，以达到大幅度提高材料性能的目的。这些先进的工艺和制造技术主要包括：这些先进的工艺和制造技术主要包括：n1）采用控轧控冷、控制杂质含量和多元微合金化生产）采用控轧控冷、控制杂质含量和多元微合金化生产新型高强度钢；新型高强度钢；

13、n2）采用定向结晶、微晶化控制凝固过程生产用于制造）采用定向结晶、微晶化控制凝固过程生产用于制造涡轮叶片的高温合金；涡轮叶片的高温合金；n3）用机械合金化生产具有优异性能的新型合金，如高）用机械合金化生产具有优异性能的新型合金，如高熔点氧化物弥散强化的超级合金，寿命比同类高温合熔点氧化物弥散强化的超级合金，寿命比同类高温合金延长金延长10倍以上。倍以上。n2008奥运会主体育场（鸟巢），用钢奥运会主体育场（鸟巢），用钢4.19万吨，采用万吨，采用Q460E-Z35厚板钢结构，厚度达厚板钢结构，厚度达110m，在国内建筑钢结构工程中应用属首例。，在国内建筑钢结构工程中应用属首例。卫星燃料箱卫星燃

14、料箱n 精密不锈钢零部件的焊接精密不锈钢零部件的焊接2.有色金属的发展及焊接应用有色金属的发展及焊接应用n有色金属种类很多，在制造业和经济建设中应用十分广有色金属种类很多，在制造业和经济建设中应用十分广泛。全世界金属材料的总产量约泛。全世界金属材料的总产量约8亿亿t，其中有色金属材，其中有色金属材料约占料约占5，处于补充地位。但有色金属的特殊作用却，处于补充地位。但有色金属的特殊作用却是钢铁材料无法代替的。是钢铁材料无法代替的。n随着市场经济的发展，有色金属的应用越来越多，从原随着市场经济的发展，有色金属的应用越来越多，从原来的航空航天部门逐渐扩展到电子、信息、汽车、交通、来的航空航天部门逐渐

15、扩展到电子、信息、汽车、交通、轻工等民用领域。轻工等民用领域。n有色金属焊接结构也引起人们越来越多的关注。有色金属焊接结构也引起人们越来越多的关注。n地壳中含量最高的铝、镁均为有色金属，其他有色金属地壳中含量最高的铝、镁均为有色金属，其他有色金属还有铜、钛、锌、锡、镍、钼等，涉及到结构材料、功还有铜、钛、锌、锡、镍、钼等，涉及到结构材料、功能材料、环境保护材料和生物材料等。能材料、环境保护材料和生物材料等。3.先进材料的发展及焊接应用先进材料的发展及焊接应用n先进材料先进材料是指除常规钢铁和有色金属之外已经开发或正在是指除常规钢铁和有色金属之外已经开发或正在开发的具有特殊性能和用途的材料，如新

16、型陶瓷、金属间开发的具有特殊性能和用途的材料，如新型陶瓷、金属间化合物和复合材料等。化合物和复合材料等。n先进材料的开发和应用是发展高新技术的重要物质基础，先进材料的开发和应用是发展高新技术的重要物质基础，先进材料的研发是多学科相互渗透的结果，世界各发达国先进材料的研发是多学科相互渗透的结果，世界各发达国家都对先进材料的研发非常重视。焊接技术对其推广应用家都对先进材料的研发非常重视。焊接技术对其推广应用起着至关重要的作用。起着至关重要的作用。n先进材料根据其使用性能可分为结构材料和功能材料。许先进材料根据其使用性能可分为结构材料和功能材料。许多高性能新型结构材料主要为开发能源、海洋、空间技术、

17、多高性能新型结构材料主要为开发能源、海洋、空间技术、交通以及冶金、电力、石化等工业所需而研制的，这些材交通以及冶金、电力、石化等工业所需而研制的，这些材料具有高强度、高韧性、耐高温、抗腐蚀等优点。料具有高强度、高韧性、耐高温、抗腐蚀等优点。近年来备受关注的三类先进材料近年来备受关注的三类先进材料 n陶瓷材料（特别是高技术陶瓷）陶瓷材料（特别是高技术陶瓷）n金属间化合物（金属间化合物（Ni-Al、Ti-Al、Fe-Al）n复合材料（金属基、陶瓷基、复合材料（金属基、陶瓷基、C/C复合材料等）复合材料等）小小 结结 n现代科学技术的发展，对焊接质量及结构性能的要现代科学技术的发展，对焊接质量及结构

18、性能的要求越来越高。求越来越高。n先进材料开发正面临着一场重要的变革，焊接技术先进材料开发正面临着一场重要的变革，焊接技术也必须满足高新技术、新材料发展的需要。也必须满足高新技术、新材料发展的需要。n不同使用条件下的焊接结构对材料有不同的要求，不同使用条件下的焊接结构对材料有不同的要求，应从材料的焊接性特点、焊接结构载荷条件、工作应从材料的焊接性特点、焊接结构载荷条件、工作环境、材料工艺性能以及制造的经济性等方面综合环境、材料工艺性能以及制造的经济性等方面综合进行分析。进行分析。n这正是本课程所涉及和讨论的问题。这正是本课程所涉及和讨论的问题。n有些材料具有较高的强度、塑性和耐蚀性等，但用这有

19、些材料具有较高的强度、塑性和耐蚀性等，但用这些材料制造结构时却发现，它们在焊接加工时出现裂些材料制造结构时却发现，它们在焊接加工时出现裂纹、气孔、夹渣等缺陷，或者能得到完整的焊接接头纹、气孔、夹渣等缺陷，或者能得到完整的焊接接头而性能达不到要求，限制了这些材料的使用范围。而性能达不到要求，限制了这些材料的使用范围。n单从材料本身的成分、物理性能和力学性能，不足以单从材料本身的成分、物理性能和力学性能，不足以判定它在焊接过程中可能出现的问题以及焊后能否满判定它在焊接过程中可能出现的问题以及焊后能否满足使用要求。这就要求从焊接性角度来分析和研究足使用要求。这就要求从焊接性角度来分析和研究材材料的某

20、些特定的性能，也就是材料的焊接性问题。料的某些特定的性能，也就是材料的焊接性问题。第第2 2章章 焊接性及其评定焊接性及其评定 2.1 焊接性及影响因素焊接性及影响因素 2.1.1 焊接性概念焊接性概念 在制造工艺条件下，能够形成完整的和满足使在制造工艺条件下，能够形成完整的和满足使用要求的优质焊接接头的能力。换句话说，焊接性用要求的优质焊接接头的能力。换句话说，焊接性是材料焊接加工的适应性，指材料在一定的焊接工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，获得优质焊接接头的难易程度和该焊接艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度和该焊接接头能否在使用条件下可靠运行。接头能否在使用条件下可

21、靠运行。对焊接工作者来说，充分理解对焊接工作者来说，充分理解“焊接焊接”和和“焊接性焊接性”的的含义是十分重要的。含义是十分重要的。n“焊接性焊接性”是从英文是从英文“Weldability”得来的，它的深得来的，它的深刻含义把焊接、结构材料本身的性能（力学、冶金、刻含义把焊接、结构材料本身的性能（力学、冶金、物理、化学等性能）以及材料的发展结合在一起。物理、化学等性能）以及材料的发展结合在一起。n自自20世纪世纪40年代初（二战初期）从年代初（二战初期）从“焊接焊接”中派生中派生出出“焊接性焊接性”概念以来，概念以来，“焊接性焊接性”的词义一直在不的词义一直在不断发展着，人们曾给它下了很多种

22、定义，这是由于理断发展着，人们曾给它下了很多种定义，这是由于理解的角度不同、分析目的不同和由于焊接技术本身不解的角度不同、分析目的不同和由于焊接技术本身不断发展而引起的。断发展而引起的。工艺焊接性和使用焊接性工艺焊接性和使用焊接性 焊接性包括两个含义：焊接性包括两个含义：1）接合性能接合性能，材料在给定的焊接工艺条件下对形，材料在给定的焊接工艺条件下对形成焊接缺陷的敏感性；成焊接缺陷的敏感性；2）使用性能使用性能，指一定的材料在规定的焊接工艺条，指一定的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。件下所形成的焊接接头适应使用要求的能力。前者称为前者称为工艺焊接性工艺焊接性，涉

23、及焊接制造过程中的，涉及焊接制造过程中的焊接缺陷问题，如裂纹、气孔、断裂等；后者称为焊接缺陷问题，如裂纹、气孔、断裂等；后者称为使用焊接性使用焊接性，涉及焊接接头的使用可靠性问题。，涉及焊接接头的使用可靠性问题。冶金焊接性和热焊接性冶金焊接性和热焊接性n冶金焊接性冶金焊接性：发生在焊缝中：发生在焊缝中 1）涉及的是化学冶金问题）涉及的是化学冶金问题 e.g.-形成熔池、形成熔池、-凝固结晶、凝固结晶、-渣渣-金属间的化学冶金反应、金属间的化学冶金反应、-合金元素的氧化还原、合金元素的氧化还原、-成分偏析、成分偏析、-气孔、夹杂物、热裂纹、气孔、夹杂物、热裂纹、-显微组织和性能显微组织和性能 2

24、）研究冶金焊接性的目的：开发新焊材、选焊材）研究冶金焊接性的目的：开发新焊材、选焊材n热焊接性热焊接性：发生在热影响区（：发生在热影响区（HAZ）1）涉及的是物理冶金问题）涉及的是物理冶金问题 例如：例如：-固态相变固态相变性能变化性能变化 取决于母材特性和焊接热循环条件取决于母材特性和焊接热循环条件 2）改善热焊接性的途径：焊接工艺（热输入）改善热焊接性的途径：焊接工艺（热输入E、预热等）、预热等）n焊接性（焊接性（Weldability）把焊接、结构材料本身的性能（力学、冶金、物理、把焊接、结构材料本身的性能（力学、冶金、物理、化学等）、材料的发展结合在一起。化学等）、材料的发展结合在一起

25、。n必须对整个焊接过程中的材料（母材、焊材）和焊必须对整个焊接过程中的材料（母材、焊材）和焊接区（焊缝、熔合区、热影响区）的成分、组织和接区（焊缝、熔合区、热影响区）的成分、组织和性能，包括工艺参数的影响和使用性能，进行系统性能，包括工艺参数的影响和使用性能，进行系统地研究。地研究。2.1.2 影响焊接性的因素影响焊接性的因素 1）材料因素：母材、焊材（焊条、焊丝、焊剂等）材料因素：母材、焊材（焊条、焊丝、焊剂等）2）设计因素：焊接结构设计，强度、刚度、应力等）设计因素：焊接结构设计，强度、刚度、应力等 3）工艺因素：焊接方法、）工艺因素：焊接方法、工艺措施（预热、缓冷、坡口、参数）工艺措施（

26、预热、缓冷、坡口、参数）4）服役环境：低温（要求低温韧性）服役环境：低温（要求低温韧性）高温（要求高温强度、抗氧化性）高温（要求高温强度、抗氧化性）耐腐蚀性、耐磨性等耐腐蚀性、耐磨性等 2.2 焊接性试验内容及评定原则焊接性试验内容及评定原则2.2.1 焊接性试验的内容焊接性试验的内容 1焊缝金属抵抗产生热裂纹的能力焊缝金属抵抗产生热裂纹的能力 2焊缝及热影响区抵抗产生冷裂纹的能力焊缝及热影响区抵抗产生冷裂纹的能力 3焊接接头抗脆性断裂的能力焊接接头抗脆性断裂的能力 4焊接接头的使用性能焊接接头的使用性能合金结构钢焊接性分析应考虑的问题合金结构钢焊接性分析应考虑的问题 热轧及正火钢：冷裂纹、热

27、裂纹热轧及正火钢：冷裂纹、热裂纹 低碳调质钢：冷裂纹、热影响区脆化和软化低碳调质钢：冷裂纹、热影响区脆化和软化 珠光体耐热钢：消除应力裂纹、高温持久强度珠光体耐热钢：消除应力裂纹、高温持久强度 低温钢：缺口低温韧性低温钢：缺口低温韧性 2.2.2 评定焊接性的原则评定焊接性的原则n一是评定焊接接头产生工艺缺陷的倾向，为制定合一是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；理的焊接工艺提供依据；n二是评定焊接接头能否满足结构使用性能的要求。二是评定焊接接头能否满足结构使用性能的要求。n对于评定焊接接头工艺缺陷的敏感性，在一般情况对于评定焊接接头工艺缺陷的敏感性，在一般情况下，主

28、要是进行抗裂性试验，其中包括热裂纹试验、下，主要是进行抗裂性试验，其中包括热裂纹试验、冷裂纹试验、再热裂纹试验和层状撕裂试验等。冷裂纹试验、再热裂纹试验和层状撕裂试验等。评定基本原则评定基本原则n可比性：试验条件尽可能接近实际焊接条件。可比性：试验条件尽可能接近实际焊接条件。n针对性：针对具体的焊接结构制定试验方案。针对性：针对具体的焊接结构制定试验方案。n再现性：试验结果要稳定、可靠。再现性：试验结果要稳定、可靠。n经济性：操作简单、耗材少、易加工、试验周期短。经济性：操作简单、耗材少、易加工、试验周期短。2.2.3 焊接性评定方法分类焊接性评定方法分类 1模拟类方法模拟类方法 如热模拟法、

29、焊接热如热模拟法、焊接热-应力模拟法、数值模拟等应力模拟法、数值模拟等 2实焊类方法实焊类方法 1）焊接冷裂纹试验）焊接冷裂纹试验 常用的有：斜常用的有：斜y形坡口对接裂纹试验、形坡口对接裂纹试验、插销试验、刚性固定对接裂纹试验、拉伸拘束裂纹试验（插销试验、刚性固定对接裂纹试验、拉伸拘束裂纹试验（TRC）、）、刚性拘束裂纹试验（刚性拘束裂纹试验（RRC）等。）等。2）焊接热裂纹试验）焊接热裂纹试验 常用的有可调拘束裂纹试验、压板对接常用的有可调拘束裂纹试验、压板对接（FISCO）焊接裂纹试验等。）焊接裂纹试验等。3）再热裂纹试验）再热裂纹试验 常用的有：斜常用的有：斜Y形坡口再热裂纹试验、形坡

30、口再热裂纹试验、H形拘束试验、插销式再热裂纹试验法等。形拘束试验、插销式再热裂纹试验法等。4）层状撕裂试验）层状撕裂试验 常用的有常用的有Z向拉伸试验、向拉伸试验、Z向窗口试验等。向窗口试验等。5）应力腐蚀裂纹试验）应力腐蚀裂纹试验 有有U形弯曲试验、缺口试验等。形弯曲试验、缺口试验等。焊接热模拟技术焊接热模拟技术:材料焊接性研究的重要手段之一，在测定焊材料焊接性研究的重要手段之一，在测定焊接热影响区连续冷却组织转变图（接热影响区连续冷却组织转变图（SHCCT图）和研究焊接冷裂纹图）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。倾向、脆化倾向等方面具有十分重要的作用。n焊接热模拟技术

31、可以把焊接接头上某一区段（如熔合区、焊接热模拟技术可以把焊接接头上某一区段（如熔合区、HAZ中的过热区等）的组织或应力、应变过程进行模拟中的过热区等）的组织或应力、应变过程进行模拟使之再现或使几何尺寸放大，可定量地研究接头上任一使之再现或使几何尺寸放大，可定量地研究接头上任一区段的组织和性能。区段的组织和性能。n热模拟试验机能够模拟不同焊接方法和工艺参数下的焊热模拟试验机能够模拟不同焊接方法和工艺参数下的焊接热循环参数，如加热速度或加热时间、最高温度、高接热循环参数，如加热速度或加热时间、最高温度、高温停留时间、冷却速度或冷却时间（温停留时间、冷却速度或冷却时间（t 8/5）等。还能模拟）等。

32、还能模拟焊接条件下的应力应变循环，而且控制精确。焊接条件下的应力应变循环，而且控制精确。用热模拟试验机可以开展下列研究工作：用热模拟试验机可以开展下列研究工作：n1）建立模拟焊接热影响区的连续冷却组织转变图）建立模拟焊接热影响区的连续冷却组织转变图 （SHCCT）。）。n2）研究焊接热影响区不同区段（尤其是过热区）的组织）研究焊接热影响区不同区段（尤其是过热区）的组织 与性能。与性能。n3）定量地研究冷裂纹、热裂纹、再热裂纹和层状撕裂的）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。形成条件及机理。n4）模拟应力应变对组织转变及裂纹形成影响的规律。）模拟应力应变对组织转变及裂

33、纹形成影响的规律。低合金高强钢焊接热模拟试验参数低合金高强钢焊接热模拟试验参数 经热模拟加热的试样开经热模拟加热的试样开V形缺口，按国标规定进行冲击韧性试验。在冲击形缺口，按国标规定进行冲击韧性试验。在冲击破断后的热模拟试样上进行硬度测定、显微组织及断口分析。破断后的热模拟试样上进行硬度测定、显微组织及断口分析。为了进行对比，还应对试验钢种实际焊接热影响区不同部位的冲击韧性、为了进行对比，还应对试验钢种实际焊接热影响区不同部位的冲击韧性、硬度以及显微组织进行测定。硬度以及显微组织进行测定。3理论分析和计算类方法理论分析和计算类方法1)利用物理性能分析利用物理性能分析 材料的熔点、热导率、线膨胀

34、系数、密度和热容量材料的熔点、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、组织性能等，都会对焊接热循环、熔化结晶、相变、组织性能等产生影响，从而影响焊接性。等产生影响，从而影响焊接性。2)利用化学性能分析：利用化学性能分析：C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo 例如，与氧亲和力强的材料（如例如，与氧亲和力强的材料（如Al、Mg、Ti），），在焊接高温下极易氧化，需采取可靠的保护方法，如在焊接高温下极易氧化，需采取可靠的保护方法，如采用惰性气体保护焊或真空中焊接等，有时焊缝背面采用惰性气体保护焊或真空中焊接等，有时焊缝背面也需要保护。也需要保护。3)利用状态图或利用状态图或

35、CCT图分析图分析 可以方便地预测热影响区组织、性能、硬度变化，可以方便地预测热影响区组织、性能、硬度变化，预测某种钢热影响区的淬硬性和冷裂纹倾向。可以作预测某种钢热影响区的淬硬性和冷裂纹倾向。可以作为调整焊接热输入、改进焊接工艺（包括焊前预热、为调整焊接热输入、改进焊接工艺（包括焊前预热、焊后热处理）的依据。焊后热处理）的依据。4)利用经验公式利用经验公式 如碳当量法、焊接裂纹敏感指数法、热影响区最高如碳当量法、焊接裂纹敏感指数法、热影响区最高硬度法等。硬度法等。n图图2-3 Q295钢热影响区钢热影响区CCT图的临界冷却曲线和临界冷却时间图的临界冷却曲线和临界冷却时间 利用利用经验公式经验

36、公式的说明的说明n在生产实践基础上归纳总结出来的理论计算方法。在生产实践基础上归纳总结出来的理论计算方法。n特点：不需焊出焊缝，主要是根据材料或焊缝的化学特点：不需焊出焊缝，主要是根据材料或焊缝的化学成分、金相组织、力学性能之间的关系，联系焊接热成分、金相组织、力学性能之间的关系，联系焊接热循环过程，考虑其他条件（如接头拘束度、焊缝扩散循环过程，考虑其他条件（如接头拘束度、焊缝扩散氢含量等），通过经验公式进行计算，评估冷裂纹、氢含量等），通过经验公式进行计算，评估冷裂纹、热裂纹、再热裂纹的倾向，确定焊接性优劣以及所需热裂纹、再热裂纹的倾向，确定焊接性优劣以及所需要的焊接条件。要的焊接条件。n由

37、于是经验公式，这些方法的应用是有条件限制的，由于是经验公式，这些方法的应用是有条件限制的，而且大多是间接、粗略地估计焊接性问题。而且大多是间接、粗略地估计焊接性问题。2.3 焊接性焊接性的评定及试验方法的评定及试验方法n评定焊接性的方法分为评定焊接性的方法分为间接法间接法和和直接试验法直接试验法两类。两类。n间接法：间接法：以化学成分、热模拟组织和性能、焊接连续以化学成分、热模拟组织和性能、焊接连续冷却转变图（冷却转变图（CCT图）以及焊接图）以及焊接HAZ最高硬度等来判最高硬度等来判断焊接性，各种碳当量公式和裂纹敏感指数经验公式断焊接性，各种碳当量公式和裂纹敏感指数经验公式等也都属于焊接性的

38、间接评定方法。等也都属于焊接性的间接评定方法。n直接试验法：直接试验法：主要是指各种抗裂性试验以及对实际焊主要是指各种抗裂性试验以及对实际焊接结构焊缝和热影响区的各种性能试验等。接结构焊缝和热影响区的各种性能试验等。n评价材料焊接性的试验方法很多，但每一种试验方法都是从某一评价材料焊接性的试验方法很多，但每一种试验方法都是从某一特定的角度来考核或阐明焊接性的某一方面。往往需要进行一系特定的角度来考核或阐明焊接性的某一方面。往往需要进行一系列的试验才可能较全面地阐明焊接性，从而为确定焊接方法、焊列的试验才可能较全面地阐明焊接性，从而为确定焊接方法、焊接材料、焊接工艺等提供试验和理论依据。接材料、

39、焊接工艺等提供试验和理论依据。2.3.1 焊接性的间接评定焊接性的间接评定n焊接性评定的内容焊接性评定的内容 1.工艺焊接性工艺焊接性 冷裂纹、热裂纹、再热裂纹、层状撕裂、热冷裂纹、热裂纹、再热裂纹、层状撕裂、热应变时效脆化应变时效脆化 2.使用焊接性使用焊接性 焊接接头的力学性能、抗脆断性能、理化性焊接接头的力学性能、抗脆断性能、理化性能、高温性能、耐腐蚀性、耐磨性能、高温性能、耐腐蚀性、耐磨性 1）碳当量法）碳当量法2）焊接冷裂纹敏感指数法）焊接冷裂纹敏感指数法3）热裂纹敏感性指数法）热裂纹敏感性指数法4）再热裂纹敏感性指数法）再热裂纹敏感性指数法5）层状撕裂敏感性指数法）层状撕裂敏感性指

40、数法6）焊接热影响区最高硬度法）焊接热影响区最高硬度法焊接性的间接评定方法焊接性的间接评定方法表表2-4 常用合金结构钢碳当量公式常用合金结构钢碳当量公式序号序号碳当量公式碳当量公式适用钢种适用钢种1国际焊接学会（IIW）推荐：，%含碳量较高(C0.18%)、强度级别中等(b=500900MPa)的非调质低合金高强钢 2日本JIS标准规定：，%低合金高强钢(b=5001000MPa)化学成分：C0.2%;Si0.55%;Mn1.5%;Cu0.5%;Ni2.5%;Cr1.25%;Mn0.7%;V0.1%;B0.006%;3美国焊接学会（AWS）推荐：，%碳钢和低合金高强钢化学成分：C0.6%;M

41、n1.6%;Ni3.3%;Mo0.6%;Cr1.0%;Cu=0.5%1%;P=0.05%0.15%;15Cu5VMoCr6MnC)IIW(eqNiC14V4Mo5Cr4024Si6MnC)JIS(eqNiC)2P13Cu(4Mo5Cr1524Si6MnC)AWS(eqNiC 1.碳当量法（碳当量法（Ceq）使用中的注意事项：使用中的注意事项：（1）碳当量公式）碳当量公式 使用使用IIW碳当量公式，板厚碳当量公式，板厚20mm钢材；钢材；（2）间接评定）间接评定 1）CE0.5%时，钢材易淬硬，表时，钢材易淬硬，表明焊接性变差，焊接时需预热才能防止裂纹，随板厚增大预热温明焊接性变差，焊接时需预热

42、才能防止裂纹，随板厚增大预热温度要相应提高。度要相应提高。3）CE0.6%时，焊接性差。时，焊接性差。15Cu5VMoCr6MnC)IIW(eqNiC 图图2-4 碳当量碳当量Ceq与板厚的关系与板厚的关系 1区优良，不需预热区优良，不需预热 2区较好，预热区较好，预热40100（碱性焊条不预热）（碱性焊条不预热）3区尚好，预热区尚好，预热150（碱性焊条预热（碱性焊条预热40100）4区尚可，预热区尚可，预热150 200（碱性焊条预热（碱性焊条预热100）表表2-5 根据钢材强度和碳当量确定预热温度根据钢材强度和碳当量确定预热温度 不同焊接性等级钢材的最佳焊接工艺措施不同焊接性等级钢材的最

43、佳焊接工艺措施 2焊接冷裂纹敏感指数法焊接冷裂纹敏感指数法 n合金结构钢焊接时产生冷裂纹的原因除化学成分外，合金结构钢焊接时产生冷裂纹的原因除化学成分外，还与焊缝金属组织、扩散氢含量、接头拘束度等密切还与焊缝金属组织、扩散氢含量、接头拘束度等密切相关。相关。n采用斜采用斜y形坡口形坡口“铁研试验铁研试验”对对200多种不同成分的钢多种不同成分的钢材、不同厚度及不同含氢量的焊缝进行试验，提出了材、不同厚度及不同含氢量的焊缝进行试验，提出了与化学成分、扩散氢和拘束度（或板厚）相联系的冷与化学成分、扩散氢和拘束度（或板厚）相联系的冷裂纹敏感性指数等公式裂纹敏感性指数等公式.n用冷裂纹敏感性指数确定防

44、止冷裂纹所需的焊前预热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。温度。表表2-7 冷裂纹敏感性公式及焊前预热温度的确定冷裂纹敏感性公式及焊前预热温度的确定 冷裂纹敏感性公式冷裂纹敏感性公式(%)预热温度预热温度/应用条件应用条件 To=1440PC392 斜y形坡口试件,适用于C0.17%的低合金钢，H=15mL/100g，=1950mm To=1600PH408 斜y形坡口试件,适用于C0.17%的低合金钢，H5mL/100g,R=50033000N/mm2 To=1400PHT330 斜y形坡口试件,PHT考虑了氢在熔合区附近的聚集 60060HcmCPP400000R60Hcm

45、WPP400000RHlg075.0cmHPP400000RHlg088.0DcmHTPP 冷裂纹敏感系数冷裂纹敏感系数表中表中Pcm为冷裂纹敏感系数：为冷裂纹敏感系数：，（2-1）上式适用的成分范围为上式适用的成分范围为：C=0.07%0.22%;Si0.60%;Mn=0.40%1.40%;Cu0.50%;Ni1.20%;Cr1.20%;Mo0.70%;W0.12%;Nb0.04%;Ti0.50%;B0.005%。板厚1950mm;扩散氢含量H1.05.0mL/100g。B510V15Mo60Ni20CrCuMn30SiCcmP 3热裂纹敏感性指数法热裂纹敏感性指数法n考虑化学成分对焊接热裂

46、纹敏感性的影响，在试验研究的基础上提考虑化学成分对焊接热裂纹敏感性的影响，在试验研究的基础上提出可预测或评估低合金结构钢热裂纹敏感性指数的方法。出可预测或评估低合金结构钢热裂纹敏感性指数的方法。1）热裂纹敏感系数（简称）热裂纹敏感系数（简称HCS），计算公式为：），计算公式为：（2-22-2）n当当HCS4时，一般不会产生热裂纹。时，一般不会产生热裂纹。HCS越大的材料，热裂纹敏越大的材料，热裂纹敏感性越高。该式适用于一般低合金高强钢，包括低温钢和珠光体耐感性越高。该式适用于一般低合金高强钢，包括低温钢和珠光体耐热钢。热钢。2）临界应变增长率（简称）临界应变增长率（简称CST），计算公式为：）

47、，计算公式为：(2-3)(2-3)n当当CST6.510-4 时，可以防止产生热裂纹，但这仅是按化学成时，可以防止产生热裂纹，但这仅是按化学成分来考虑的。分来考虑的。4再热裂纹敏感性指数法：再热裂纹敏感性指数法：G 法、法、PSR法法预测低合金结构钢焊接性时，根据合金元素对再热裂纹敏感性的影预测低合金结构钢焊接性时，根据合金元素对再热裂纹敏感性的影响，可采用再热裂纹敏感性指数法进行评定。响，可采用再热裂纹敏感性指数法进行评定。n再热裂纹敏感性指数有两种评定方法：再热裂纹敏感性指数有两种评定方法：1）G 法，法，计算公式为：计算公式为：nG=Cr+3.3Mo+8.1V-2，(%)(2-4)当当G

48、0时，不产生再热裂纹；时，不产生再热裂纹；G 0时，对产生再热裂纹较时，对产生再热裂纹较敏感。对于敏感。对于C0.1%的低合金钢，上式可修正为：的低合金钢，上式可修正为：nG=G+10C=Cr+3.3Mo+8.1V-2+10C，(%)(2-5)当当G2时，对再热裂纹敏感；时，对再热裂纹敏感；1.5G2时，对再热裂纹敏时，对再热裂纹敏感性中等；感性中等；G1.5时，对再热裂纹不敏感。时，对再热裂纹不敏感。2）PSR法法 n主要是用于考虑合金结构钢焊接时主要是用于考虑合金结构钢焊接时Cu、Nb、Ti等元素对再热裂等元素对再热裂纹的影响，计算公式为：纹的影响，计算公式为：nPSR=Cr+Cu+2Mo

49、+5Ti+7Nb+10V-2，(%)(2-6)公式适用范围为：公式适用范围为：Cr1.5%；Mo2.0%；Cu1.0%；0.10%C0.25%；V+Nb+Ti0.15%。n当当PSR0时，对产生再热裂纹较敏感。时，对产生再热裂纹较敏感。5层状撕裂敏感性指数法层状撕裂敏感性指数法n层状撕裂属于低温开裂，与钢中夹杂物的数量、种类和分布有关。层状撕裂属于低温开裂，与钢中夹杂物的数量、种类和分布有关。n在对抗拉强度在对抗拉强度500800MPa低合金结构钢的插销试验（沿板厚方低合金结构钢的插销试验（沿板厚方向截取试棒）和窗形拘束裂纹试验的基础上，提出下述计算层状撕向截取试棒）和窗形拘束裂纹试验的基础上

50、，提出下述计算层状撕裂敏感性指数的公式：裂敏感性指数的公式：n上述公式适用于低合金结构钢焊接上述公式适用于低合金结构钢焊接HAZ附近产生的层状撕裂。根据附近产生的层状撕裂。根据层状撕裂敏感性指数层状撕裂敏感性指数PL可以在图可以在图2-5上查出插销试验上查出插销试验Z向不产生层向不产生层状撕裂的临界应力值状撕裂的临界应力值(Z)cr。6.焊接热影响区最高硬度法焊接热影响区最高硬度法n根据焊接热影响区的最高硬度可以相对评价被焊钢根据焊接热影响区的最高硬度可以相对评价被焊钢材的淬硬倾向和冷裂纹敏感性。材的淬硬倾向和冷裂纹敏感性。n由于硬度测定方法简单易行，已被国际焊接学会由于硬度测定方法简单易行，