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焊接性及其试验方法

放大字体  缩小字体 发布日期:2013-11-29  浏览次数:4227
核心提示:焊接性概念焊接性是说明材料对焊接加工的适应性,用以衡量材料在一定的焊接工艺条件下获得优质接头的难易程度和该接头能否在使用

 焊接性概念

    焊接性是说明材料对焊接加工的适应性,用以衡量材料在一定的焊接工艺条件下获得优质接头的难易程度和该接头能否在使用条件下可靠地运行。

焊接性包含工艺焊接性和使用焊接性两方面的内容。

    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。所以金属材料的工艺焊接性与焊接过程密切相关。对于熔焊,一般都要经历传热 过程和冶金反应过程,因而又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,如晶体长大,组织性能变化等。它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。它包括合金元素的氧化、还原、氮化、蒸发、氢、氧、氮的溶解等对形成气孔、夹杂、裂纹等缺陷的影响,用以评定被焊材料对冶金缺陷的敏感性。

    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。

    从理论上,凡是在熔化状态下相互能形成固溶体或共晶的两种金属或合金,原则上都可以实现焊接.即具有所谓原则焊接性,又叫物理焊接性。然而,这种原则焊接性仅仅为材料实现焊接提供理论依据,并不等于该材料用任何焊接方法,都能获得满足使用性能 要求的优质焊接接头。同种金属或合金之间是具有原则焊接性的,但是,它们在不同的焊接工艺条件下的焊接性却表现出很大的差异。例如,铝合金2A16之间当采用氧-乙炔火焰焊接时,就容易出现裂纹或严重降低其强度和塑性,很难获得优质的焊接接头。但当采用氩弧焊时,其效果却很好。说明2A16铝合金对气焊的适应性较差,而对氩弧焊的适应性较好。

    因此,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下,同一材料具有不同的焊接性。而且随着新的焊接方法、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。

 

112  影响焊接性的因素

    焊接性是金属材料的一种工艺性能。除了受材料本身性质影响外,还受到工艺条件、结构条件和使用条件的影响。

   1)材料因素

    材料包括母材和焊接材料。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。

    物理性能方面,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。纯铜热导率高,焊接时热量散失迅速,升温的范围很宽,坡口不易熔化,焊接时需要较强烈地加热。如果热源功率不足,就会产生熔透不足的 缺陷。铜、铝等热导率高的材料,熔池结晶快,易于产生气孔。钛、不锈钢等热导率低的材料,焊接时温度梯度大,残余应力高,变形大。而且由于高温停留时间 长,热影响区晶粒长大,对接头性能不利。铝和奥氏体不锈钢线膨胀系数大、接头的变形和应力较为严重。铝及其合金的密度小,焊接时,熔池中的气泡和非金属夹 杂物不易上浮逸出,就会在焊缝中残留气孔和夹渣等。

    化学性能方面,主要看金属与氧的亲和力的强弱。如铝、钛及其合金的化学活泼性很强。在高温焊接下极易氧化。有些金属对氢、氮等气体很敏感,焊接时,就必须有可靠的保护,如采用惰性气体保护焊或在真空中焊接。否则焊接就难以实现。

    如果是异种金属焊接,也只有其理化性能和晶体结构接近的金属才比较容易实现焊接。    对于钢材的焊接,影响其焊接性的主要因素是所含的化学成分。其中影响最大的元素有碳、硫、 磷、氢、氧和氮等,它们容易引起焊接工艺缺陷和降低接头的使用性能。其他合金元素,如锰、硅、铬、镍、铝、钛、钒、铌、铜、硼等都在不同程度上增加焊接接 头的淬硬倾向和裂纹敏感性。所以,钢材的的焊接性总是随着含碳量和合金元素含量的增加而恶化。

    此外,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。所以近年来研制和发展了各种CF(抗裂钢)Z向钢(抗层状撕裂钢)TMCP(控轧钢)等,就是通过精炼提纯、或细化晶粒和控轧工艺等手段,来改善钢材的焊接性。

    焊接材料直接参与焊接过程一系列化学冶金反应,决定着焊缝金属的成分、组织、性能

及缺陷的形成。如果选择焊接材料不当,与母材不匹配.不仅不能获得满足使用要求的接头,还会引起裂纹等缺陷的产生和组织性能的变化。因此,正确选用焊接材料也是保证获得优质焊接接头的重要冶金条件。

   2)工艺因素

    工艺因素包括焊接方法、焊接工艺参数、装焊顺序、预热、后热及焊后热处理等。焊接方法对焊接性影响很大,主要表现在热源特性和保护条件两个方面。

    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。如电渣焊功 率很大,但能量密度很低,最高加热温度也不高,焊接时加热缓慢,高温停留时间长。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。与此 相反,电子束焊、激光焊等方法,功率不大,但能量密度很高,加热迅速。高温停留时间短,热影响区很窄,没有晶粒长大的危险。

    调整焊接工艺参数,采取预热多层焊和控制层间温度等其他工艺措施,可以调节和控制焊接热循环,从而可改变金属的焊接性。例如,焊接某些有淬硬倾向的高强钢时,材料本身具有一定冷裂敏感性。当工艺选择不当,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。则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。

   3)结构因素

    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、焊缝布置及其截面形状等因素对焊接性的影响。其影响主要表现在热的传递和力的状态方面。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,从而对熔池结晶方向和晶粒成长发生影响。结构的形状、板厚和焊缝的布置等,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,避免焊缝过于密度以及减少造成 应力集中的各种因素,都是改善焊接性的重要措施。

   4)使用条件

    是指焊接结构服役期间的工作温度、负载条件和工作介质等。这些工作环境和运行条件要求焊接结构具有相应的使用性能。例如,在低温工作的焊接结构,必须具备抗脆性断裂性能;在高温工作的结构要具有抗蠕变性能;在交变载荷下工作的结构具有良好的抗疲 劳性能;在酸、碱或盐类介质工作的焊接容器应具有高的耐蚀性能等等。总之,使用条件越苛刻,对焊接接头的质量要求就越高,材料的焊接性就越不容易保证。

 

113  金属焊接性的研究方法

    焊接工程师经常遇到一些新材料、新结构或新的工艺方法。在正式投产之前,通常须开展焊接性研究工作,以确保所采用新的材料、结构或工艺方法能获得优质的焊接接头。研究的基木方法是先分析后试验,即在焊接性理论分析的基础上再作必要的可焊性试验。焊接性分析可以避免试验的盲目性,焊接性试验可以验证理论分析的结果。

   1)焊接性分析

    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。

 
 
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