第15讲 金属焊接性及试验方法

增加而恶化。
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钢材的冶炼轧制状态、热处理状态、组织状态等，在不
同程度上都对焊接性发生影响。 近年来研制和发展了各种CF钢（抗裂钢）、Z向钢（抗
层状撕裂钢）TMCP钢（控轧钢）等，就是通过精炼提
纯、细化晶粒和控轧工艺等手段，改善钢材的焊接性。
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(2)工艺因素 焊接方法的影响主要表现在：热源特性和保护条件。 不同的焊接方法其热源在功率、能量密度、最高加热温 度等方面有很大差别。金属在不同热源下焊接，将显示 出不同的焊接性能。
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使用焊接性是指焊接接头或整个结构满足产品技术条件
规定的使用性能的程度。
使用性能取决于焊接结构的工作条件和设计上提出的技
术要求。通常包括常规力学性能、低温韧性、抗脆断性
能、高温蠕变、疲劳性能、持久强度、耐蚀性能和耐磨 性能等。 金属材料的焊接性不仅与材料本身的固有性能有关，同 时也与许多焊接工艺条件有关。在不同的焊接工艺条件
Cs
H H
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s
100%
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对于低合金钢一般认为表面裂纹率小于20％，用于生产 是安全的，但不应有根部裂纹。
如果试验用的焊接工艺参数不变，用不同预热温度进行
试验，就可以测定出防止冷裂纹的临界预热温度，作为 评定钢材冷裂纹敏感性指标。
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二、插销试验 此法主要是测定钢材焊接热影响区对冷裂纹敏感性的
第 15 讲 焊接性及试验方法
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§5.1 焊接性概念
一、金属焊接性
金属焊接性是金属是否能适应焊接加工而形成完整的、
具备一定使用性能的焊接接头的特性。
焊接性包括工艺焊接性和使用焊接性。 工艺焊接性是指在一定焊接工艺条件下，能否获得优良 致密，无缺陷焊接接头的能力。它不是金属本身所固有 的性能，而是根据某种焊接方法和所采用的具体工艺措 施来进行评定的。
例：焊接某些有淬硬倾向的高强钢：
当工艺选择不当时，焊接接头可能产生冷裂纹或降低
接头的塑性和韧性。
如果选择合适的填充材料、合理的焊接热循环，并采
取焊前预热或焊后热处理等措施，完全可能获得没有裂
纹缺陷，满足使用性能要求的焊接接头。
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(3)设计因素
主要是指焊接结构和焊接接头的设计形式，如结构形状、 尺寸、厚度、接头坡口形式、焊缝布臵及其截面形状等 因素对焊接性的影响。 不同板厚、不同接头形式或坡口形状其传热方向和传热 速度不一样，对熔池结晶方向和晶粒成长发生影响。 结构的形状、板厚和焊缝的布臵等，决定接头的刚度和 拘束度，对接头的应力状态产生影响。 不良的结晶形态，严重的应力集中和过大的焊接应力等 是形成焊接裂纹的基本条件。 设计中减少接头的刚度、减少交叉焊缝，避免焊缝过于 密集以及减少造成应力集中的各种因素，都是改善焊接 性的重要措施。
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对于熔焊，可把工艺焊接性分为“热焊接性”和“冶金 焊接性”。 热焊接性是指焊接热循环对焊接热影响区组织性能及产 生缺陷的影响程度。用以评定被焊金属对热的敏感性， 主要与被焊材质及焊接工艺有关。 冶金焊接性是指在一定冶金过程的条件下，物理化学变 化对焊缝性能和产生缺陷的影响程度，用以评定被焊材 料对冶金缺陷的敏感性。
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(2)焊接性试验 对于重大工程，一般应在焊接性理论分析的基础上有针 对性地作些焊接性试验加以验证。特别对于一些尚未接 触过的新金属材料、新的产品结构或新的工艺方法，更 应通过较为全面的焊接性试验，以获取第一手资科。 焊接性的分析与试验是焊接性研究中的两个工作环节，
相辅相成。根据研究对象的复杂性和重要件，可简可繁。
合金相图，可以判断热裂倾向；焊接CCT图估计有无冷
裂的危险和焊后接头的大致性能(硬度值)。
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使用焊接性分析主要是考察金属材料在给定的焊接工艺
条件下，焊成的接头或焊接结构是否满足使用要求。
对于以等性能原则设计的焊接接头，则以母材的性能为
依据，分别考察焊缝金属和焊接热影响区在焊接热的作 用下可能引起哪些不利于使用性能的变化。 对于已经建立焊接连续冷却组织转变图(即CCT图)的金 属材料，利用该图来预测或判断焊缝或热影响区熔合线 附近的组织与性能的变化极为方便。
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二、焊接性试验方法分类 研究与评定金属材料焊接性的试验方法大致归纳成图51所示的试验。
直接法：
一种是仿照实际焊接的条件，通过焊接过程考察是
否发生某种焊接缺陷，或发生缺陷的严重程度，直接去
评价焊接性的优劣(即焊接性对比试验)。也可以通过试
验确定出所需的焊接条件(即工艺适应性试验)。
另一种是直接在实际产品上进行测定其焊接性能的试
如电渣焊功率很大，但能量密度很低，使得热影响区晶
粒粗大，冲击韧度显著降低，必须经正火处理才得改善。 加热迅速，高温停留时间短，热影响区很窄，没有晶粒
电子束焊、激光焊等方法，功率不大，但能量密度很高， 长大的危险。
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调整焊接工艺参数，采取预热多层焊和控制层间温度等
措施，可调节和控制焊接热循环，改变金属的焊接性。
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工艺焊接性分析主要是考察金属材料在给定的工艺条件
下，产生焊接缺陷的倾向性和严重性。
首先应结合研究对象的特点，从影响焊接性的材料因素、
工艺因素和结构因素等方而入手，分析和估计焊接过程
中可能会产生什么缺陷，对材料的工艺焊接性作出科学
的预测。
此外，也可利用合金相图，或焊接CCT图等进行分析。
断该材料的焊接性、
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三、选择或设计焊接性试验方法的原则 1)可比性 只有试验条件完全相同下，两个试验的结果才具有可比 性。凡是国家或国际上已经颁布的标准试验方法，应优 先选择，并严格按标准的规定进行试验。
尚没有建立标准的，应选择国内外同行业中较为通用的
或公认的试验方法进行。
若无标准可供遵循，须自行设计焊接性试验方法时，应
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§5. 3 常用焊接性试验方法
一、斜Y形坡口焊接裂纹试验法 此试验方法主要用于评定碳素钢和低合金高强钢焊接 热影响区的冷裂纹敏感性。 ①试件制备 试件形状及尺寸如图5-2所示，由被焊钢材制成。板厚
不作规定，常用9～38mm，坡口用机械切削加工。每
一种试验条件要制备两块以上试件。
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把试验条件规定得明确具体。最后要说明试验结果是在
什么试验条件下得出。
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2)针对性 所选择的或自行设计的试验方法，其试验条件要尽量与
实际焊接时的条件相一致，这些条件包括母材、焊接材
料、接头形式、接头受力状态，焊接工艺参数等。
试验条件还应考感到产品的使用条件，尽量使之接近。
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3)再现性 试验结果要稳定可靠，具有再现性。试验数据不可过于 分散，否则难以找出变化规律和导出正确的结论。 试验方法应尽量减少或避免人为因素的影响，多采用自 动化，机械化的操作，少用人工操作。 试验条件和试验程序要规定得严格，防止随意性。 4)经济性 在符合上述原则并可获得可靠结果的前提下，力求减少 人力、物力和财力消耗，节省试验费用。
有时分析与试验交叉平行进行。
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四、如何分析金属焊接性 1、从金属的特性分析焊接性 A、利用化学成分分析
a、碳当量法பைடு நூலகம்b、焊接冷裂纹敏感指数
B、利用物理性能分析
金属的熔点、导热系数、线膨胀系数、密度、热容 量等因素，都对热循环、熔化、结晶、相变等。
C、利用化学性能分析 D、利用合金相图分析 E、利用CCT图或SHCCT图分析
两端各在60mm范围内施焊拘束焊缝，采用双面焊透。
要保证待焊试验焊缝处有2mm装配间隙和不产生角变
形。
图5.2 试件的形状尺寸
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②试验条件 试验焊缝用焊条原则上与试验钢材相匹配，焊前严格烘 干；根据需要可在各种预热温度下焊接；推荐采用下列
焊接工艺参数：焊条直径4mm，焊接电流(170±10）A，
验，这种情况主要用于使用焊接性方面的试验。
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图5.1 焊接性试验方法分类
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间接法只需对产品实际使用的材料作化学成分、金相组 织或力学性能等的试验分析与测定，然后根据分析与测
定的结果，对该材料的焊接性进行推测与评估。
例：碳当量法，只需从产品用的材料中测定出其化学成 分，代入碳当量计算公式，利用算出碳当量的大小去判
下，同一材料具有不同的焊接性。随着新的焊接方法、
焊接材料或焊接工艺的开发和完善，一些原来焊接性差
的金属材料，也会变成焊接性好的材料。 50
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二、影响焊接性的因素 (1)材料因素
在相同的焊接条件下，决定母材焊接性的主要因素是它
本身的物理化学性能。 物理性能方向，如金属的熔点、热导率、线膨胀系数、 密度、热容量等因素，都对热循环、熔化、结晶、相变 等过程产生影响，从而影响焊接性。
焊接性分析就是运用现代焊接科学技术的理论知识和实 践经验，对金属材料焊接的难易程度作出判断或预测， 估计焊接过程可能出现的技术问题，分析产生问题的原 因和寻找解决问题的办法。
通常分析是从工艺焊接性和使用焊接性这两个方面去考
察该材料对焊接的适应能力。前者是要解决该材料能焊
不能焊的问题，后者是要解决焊后能不能使用的问题。
一种定量试验方法。因试验消耗钢材少，试验结果稳定
可靠，在国内外都广泛应用。
经适当改变，此法还可以用于测定再热裂纹和层状撕
裂的敏感性。
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①基本原理
电弧电压(24±2)V，焊接速度(150±10)mm/min。
用焊条电弧焊时按图5-3所示施焊试验焊缝。用焊条自
动送进装臵施焊时按图5-4所示进行。只焊一道焊缝不
填满坡口，焊后48h后才进行裂纹检测和解剖。