20149焊接冶金学——材料焊接性第2章.ppt

材料焊接性 主讲人: 陈芙蓉 第2章 焊接性及其试验评定 科学研究和工程实践表明，某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，它们在焊接加工时可能出现裂纹、气孔、夹渣等缺陷，大大限制了这些材料的使用范围。单从材料本身的化学成分、物理性能和力学性能，不足以判断它在焊接过程中可能出现的问题，这就要求从焊接性的角度出发来分析和研究材料的某些特定的性能。 2.1 焊接性及影响因素 2.1.1 焊接性概念 定义: 焊接性是指同质材料或异质材料在制造工艺条件下，能够焊接形成完整接头并满足预期使用要求的能力。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艺条件下（包括焊接方法、焊接材料、焊接参数和结构形式等），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。 材料焊接性的概念有两个方面的内容： 一是材料在焊接加工中是否容易形成接头或产生缺陷； 二是焊接完成的接头在一定的使用条件下可靠运行的能力。 研究焊接性的目的：目的在于查明一定的材料在指定的焊接工艺条件下可能出现的问题，以确定焊接工艺的合理性或材料的改进方向。 1．工艺焊接性和使用焊接性 工艺焊接性就是一定的材料在给定的焊接工艺条件下对形成焊接缺陷的敏感性，涉及焊接制造工艺过程中的焊接缺陷问题，如裂纹、气孔、断裂等。 使用焊接性指一定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，涉及焊接接头的使用可靠性问题。 焊接过程是一个独特的“小冶金”过程，在熔化焊的条件下，焊缝和热影响区经历了复杂但有规律的焊接热循环。 从理论上分析，任何金属或合金，只要在熔化后能够互相形成固溶体或共晶，都可以经过熔焊形成接头。同种金属或合金之间可以形成焊接接头，一些异种金属或合金之间也可以形成焊接接头，但有时需要通过加中间过渡层的方式实现焊接。 2．冶金焊接性和热焊接性 对于熔焊来说，焊接过程一般包括冶金过程和热过程这两个必不可少的过程。在焊接接头区域，冶金过程主要影响焊缝金属的组织和性能，而热过程主要影响热影响区的组织和性能。 (1) 冶金焊接性 冶金焊接性是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所引起的焊接性变化。这些冶金过程包括：合金元素的氧化、还原、蒸发，从而影响焊缝的化学成分和组织性能；氧、氢、氮等的溶解、析出对生成气孔或对焊缝性能的影响；在焊缝结晶及冷却过程中，由于焊接熔池的化学成分、凝固结晶条件以及接头区热胀冷缩和拘束应力等影响，有时产生热裂纹或冷裂纹。 (2) 热焊接性 焊接过程中要向接头区域输入很多热量，对焊缝附近区域形成加热和冷却过程，这对靠近焊缝的热影响区的组织性能有很大影响，从而引起热影响区硬度、韧性、耐蚀性等的变化。与焊缝金属不同，焊接时热影响区的化学成分一般不会发生明显的变化，而且不能通过改变焊接材料来进行调整，即使有些元素可以由熔池向熔合区或热影响区粗晶区扩散，那也是很有限的。为了改善热焊接性，除了选择母材之外，还要正确选定焊接方法和热输入。 2.1.2 影响焊接性的因素 影响焊接性的四大因素是材料、设计、工艺及服役环境。 1．材料因素 材料因素包括母材本身和使用的焊接材料，母材或焊接材料选用不当时，会造成焊缝成分不合格、力学性能和其他使用性能降低，甚至导致裂纹、气孔、夹渣等焊接缺陷，也就是使工艺焊接性变差。因此，正确选用母材和焊接材料是保证焊接性良好的重要因素。 2．设计因素 对体积和重量有要求的焊接结构，设计中应选择比强度较高的材料，如轻合金材料，以达到缩小体积、减轻重量的目的。对体积和重量无特殊要求的焊接结构，选用强度等级较高的材料也有其技术经济意义，不仅可减轻结构自重，节约大量钢材和焊接材料。 焊接接头的结构设计会影响应力状态，设计结构时应使接头处的应力处于较小的状态，能够自由收缩，这样有利于减小应力集中和防止焊接裂纹。 3．工艺因素 对于同一种母材，采用不同的焊接方法和工艺措施，所表现出来的焊接性有很大的差异。例如，铝及其合金用气焊较难进行焊接，但用氩弧焊就能取得良好的效果 。发展新的焊接方法和新的工艺措施是改善工艺焊接性的重要途径。 焊接方法对焊接性的影响首先表现在焊接热源能量密度、温度以及热量输入上，其次表现在保护熔池及接头附近区域的方式上。 工艺措施对防止焊接缺陷，提高接头使用性能有重要的作用。最常见的工艺措施是焊前预热、缓冷和焊后热处理。 4．服役环境 焊接结构的服役环境多种多样，如工作温度高低、工作介质种类及辐射等都属于环境条件。高温工作的焊接结构，要求材料具有足够的高温强度，良好的化学稳定性；常温下工作的焊接结构，要求材料在自然环境下具有良好的力学性能；工作温度低或载荷为冲击载荷时，要注意材料在最低环境温度下的性能，尤其是