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焊接性及其試驗評定

 

1.焊接：通過加熱或加壓，加或不加填充材料，使兩個物體進行原子間的結(jié)合形成不可分割的整體的工藝過程。

 

2.焊接性：指同質(zhì)材料或異質(zhì)材料在制造工藝條件下，能夠焊接形成完整接頭并滿足預(yù)期使用要求的能力。

 

3.影響焊接性的四大因素是：材料，設(shè)計，工藝及服役環(huán)境。

 

4.評定焊接性的原則主要包括：①評定焊接接頭產(chǎn)生工藝缺陷的傾向，為制定合理焊接工藝提供依據(jù)；②評定焊接接頭能否滿足結(jié)構(gòu)使用性能的要求；設(shè)計新的焊接試驗方法就符合下述原則：可比性，針對性，再現(xiàn)性和經(jīng)濟性。

 

5.碳當(dāng)量：把鋼中合金元素的含量按相當(dāng)于若干碳含量折算并疊加起來，作為粗略評定鋼材冷裂紋傾向的參數(shù)指標(biāo)。

 

6.斜Y型坡口對接裂紋試驗：目的是主要用于鑒定低合金高強鋼第一層焊縫和HAZ形成冷裂紋傾向，也可用于擬定焊接工藝。

1）試件制備，被焊鋼材板厚δ=9-38mm。對接接頭坡口用機械方法加工，試板兩端各在60mm范圍內(nèi)施焊拘束焊縫，采用雙面焊。注意防止角變形和未焊透。保證中間待焊試樣焊縫處有2mm間隙。

2）試驗條件：試驗焊縫選用的焊條就與母材相匹配，所用焊條應(yīng)嚴(yán)格烘干，焊條直徑4mm，焊接電流（170±10）A，焊接電壓（24±2）V，焊接速度（150±10）mm/min。試驗焊縫可在各種不同溫度下施焊，試驗焊縫只焊一道，不填滿坡口。焊后靜置和自然冷卻24h后截取試樣和進行裂紋檢測。

3）檢測與裂紋條率計算。用肉眼或手持5-10倍放大鏡來檢測焊縫和熱影響區(qū)的表面和斷面是否有裂紋。一般認為低合金鋼“小鐵研”試驗表面裂紋率小于20%時，一般不產(chǎn)生裂紋。

 

7.插銷試驗：目的是主要評定鋼材的氫致延遲裂紋傾向，附加其他設(shè)備，也可以測定再熱裂紋敏感性和層狀敏感性。

1）試件制備，將被焊鋼材加工或圓柱的插銷試棒，沿軋制方向取樣并注明插銷在厚度方向的位置。試棒上端附近有環(huán)形或螺形缺口。將插銷試棒插入底板相應(yīng)的孔中，使帶缺口一端與底板表面平齊。對于環(huán)形缺口的插銷試棒，缺口與端面的距離a應(yīng)使焊道熔深與缺口根部所截平面相切或相交，但缺口根部圓周被熔透的部分不得超過20%。對于低合金鋼，a值在焊接熱輸入為E=15KJ/cm時為2mm。

2）試驗過程，按選定的焊接方法和嚴(yán)格控制的工藝參數(shù)，在底板上熔一層堆焊焊道，焊道中心線通過試樣的中心，其熔深應(yīng)使缺口尖端位于熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，焊道長度L約100-150mm。施焊時應(yīng)測定800-500℃的冷卻時值t8/5值，不預(yù)熱焊接時，焊后冷卻至100-150℃時加載；焊前預(yù)熱時，應(yīng)在高于預(yù)熱溫度50-70℃時加載。載荷應(yīng)在1min之內(nèi)且在冷卻至100℃或高于預(yù)熱溫度50-70℃之前施加完畢。如有后熱，應(yīng)在后熱之前加載。當(dāng)試棒加載時，插銷可能在載荷持續(xù)時間內(nèi)發(fā)生斷裂，記下承載時間。

 

合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接性

 

1、高強鋼：屈服強度σs≥295MPa的強度用鋼均可稱為高強鋼。

 

2.Mn的固溶強化作用很顯著，ωMn≤1.7%時，可提高韌性，降低脆性轉(zhuǎn)變溫度，Si會降低塑性，韌性，Ni既固溶強化又同時提高韌性且大幅度降低脆性轉(zhuǎn)變溫度的元素，常用于低溫鋼。

 

3.熱軋鋼（正火鋼）：屈服強度為295-490MPa的低合金高強鋼，一般是在熱軋或正火狀態(tài)下供貨使用。

 

4.高強鋼焊接接頭的設(shè)計原則：高強鋼以其強度作為選用依據(jù)，因而焊接接頭的原則為：焊接接頭的強度等于母材的強度（等強原則），分析：①焊接接頭強度大于母材強度，塑韌性降低；②等于時壽命相當(dāng)；③小于時，接頭強度不足。

 

5.熱軋及正火鋼的焊接性：熱軋鋼含有少量的合金元素一般情況下冷裂紋傾向不大，正火鋼由于含合金元素較多，淬硬傾向有所增加，隨著正火鋼碳當(dāng)量及板厚的增加，淬硬性及冷裂紋傾向隨之增大。影響因素：（1）碳當(dāng)量（2）淬硬傾向：熱軋鋼的淬硬傾向及正火鋼的淬硬傾向（3）熱影響區(qū)最高硬度，熱影響區(qū)最高硬度是評定鋼材淬硬傾向和冷裂紋感性的一個簡便的方法。

 

6.SR裂紋（消除應(yīng)力裂紋，再熱裂紋）：含Mo正火鋼厚壁壓力容器之類的焊接結(jié)構(gòu)，進行焊后消除應(yīng)力熱處理或焊后再次高溫加熱的過程中，可能出現(xiàn)另一種形式的裂紋。

 

7.韌性是表征金屬對脆性裂紋產(chǎn)生和擴展難易程度的性能。

 

8.低合金鋼選擇焊接材料時必須考慮兩個方面的問題：①不能有裂紋等焊接缺陷；②能滿足使用性能要求。熱軋鋼及正火鋼焊接一般是根據(jù)其強度級別選擇焊接材料，其選用要點如下：①選擇與母材力學(xué)性能匹配的相應(yīng)級別的焊接材料；②同時考慮熔合比和冷卻速度的影響；③考慮焊后熱處理對焊縫力學(xué)性能的影響。

 

9.確定焊后回火溫度的原則：①不要超過母材原來的回火溫度以免影響母材本身的性能；②對于有回火的材料，要避開出現(xiàn)回火脆性的溫度區(qū)間。

 

10.調(diào)質(zhì)鋼：淬火+回火（高溫）。

 

11.高強鋼焊接采用“低強匹配”能提高焊接區(qū)的抗裂性。

 

12.低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接時要注意兩個基本問題：①要求馬氏體轉(zhuǎn)變時的冷卻速度不能太快，使馬氏體有自回火作用，以防止冷裂紋的產(chǎn)生；②要求在500℃-800℃之間的冷卻速度大于產(chǎn)生脆性混合組織的臨界速度。低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接要解決的問題：①防止裂紋；②在保證滿足高強度要求的同時，提高焊縫金屬及熱影響區(qū)的韌性。

 

13.對于含碳量低的低合金鋼，提高冷卻速度以形成低碳馬氏體，對保證韌性有利。

 

14.中碳調(diào)質(zhì)鋼合金元素的加入主要起保證淬透性和提高抗回火性能的作用，而真強度性能主要還是取決于含碳量。主要特點：高的比強度和高硬度。

 

15.提高珠光體耐熱鋼的熱強性有三種方式：①基體固溶強化，加入合金元素強化鐵素體基體，常用的Cr，Mo，W，Nb元素能顯著提高熱強性；②第二相沉淀強化：在鐵素體為基體的耐熱鋼中，強化相主要是合金碳化物；③晶界強化：加入微量元素能吸附于晶界，延緩合金元素沿晶界的擴散，從而強化晶界。

 

16.珠光體耐熱鋼焊接中存在的主要問題是冷裂紋，熱影響區(qū)的硬化，軟化，以及焊后熱處理或高溫長期使用中的消除應(yīng)力裂紋。

 

17.-10到-196℃的溫度范圍稱為“低溫”，低于-196℃時稱為“超低溫”。

 

不銹鋼焊接

 

1.不銹鋼：不銹鋼是指能耐空氣，水，酸，堿，鹽及其溶液和其他腐蝕介質(zhì)腐蝕的，具有高度化學(xué)穩(wěn)定性的合金鋼的總稱。

 

2.不銹鋼的主要腐蝕形式有均勻腐蝕，點腐蝕，縫隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕等。均勻腐蝕，指接觸腐蝕介質(zhì)的金屬表面全部產(chǎn)生腐蝕的現(xiàn)象；點腐蝕，指在金屬材料表面大部分不腐蝕或腐蝕輕微，而分散發(fā)生的局部腐蝕；縫隙腐蝕，在電解液中，如在氧離子環(huán)境中，不銹鋼間或與異物接觸的表面間存在間隙時，縫隙中溶液流動將發(fā)生遲滯現(xiàn)象，以至于溶液局部Cl-，形成濃差電池，從而導(dǎo)致縫隙中不銹鋼鈍化膜吸附Cl-而被局部破壞的現(xiàn)象；晶間腐蝕，在晶粒邊界附近發(fā)生的有選擇性的腐蝕現(xiàn)象；應(yīng)力腐蝕，指不銹鋼在特定的腐蝕介質(zhì)和拉應(yīng)力作用下出現(xiàn)的低于強度極強的脆性開裂的現(xiàn)象。

 

3.防止點腐蝕的措施：1）減少氯離子含量和氧離子含量；2)在不銹鋼中加入鉻，鎳，鉬，硅，銅等合金元素；3）盡量不進行冷加工，以減少位錯露頭處發(fā)生點腐蝕的可能；4）降低鋼中的含碳量。

 

4.不銹鋼及耐熱鋼的高溫性能：475℃脆性，主要出現(xiàn)在Cr＞13%的鐵素體，430-480℃之間長期加熱并緩冷，導(dǎo)致在常溫時或負溫時出現(xiàn)強度升高而韌性下降；σ相脆化，是Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的45%的典型，F(xiàn)eCr金屬間化合物，無磁性，硬而脆。

 

5.奧氏體不銹鋼焊接接頭的耐蝕性：1）晶間腐蝕；2）熱影響區(qū)敏化區(qū)晶間腐蝕；3）刀狀腐蝕。

 

6.防止焊縫發(fā)生晶間腐蝕的措施：1）通過焊接材料，使焊縫金屬或者成為超低碳情況，或者含有足夠的穩(wěn)定化元素Nb。2）調(diào)整焊縫成分獲得一定δ相。晶間腐蝕理論本質(zhì)上就是貧鉻理論。

 

7.熱影響區(qū)敏化區(qū)晶間腐蝕：指焊接熱影響區(qū)中加熱峰值溫度處于敏化加熱區(qū)間的部位所發(fā)生的晶間腐蝕。

 

8.刀狀腐蝕：在熔合區(qū)產(chǎn)生的晶間腐蝕，有如刀削切口形式，故稱為“刀狀腐蝕”。

 

9. 防止刀狀腐蝕措施：①選用低碳母材和焊接材料；②采用又相組織的不銹鋼；③采用小電流焊接，減少焊接粗晶區(qū)的過熱程度及寬度；④與腐蝕介質(zhì)接觸的焊縫最后焊接；⑤交叉焊接；⑥加大鋼中Ti，Tb含量，使焊接粗晶區(qū)的晶粒邊界有足夠的Ti，Tb與碳化合。

 

10.不銹鋼為什么采用小電流焊接？以減小焊接熱影響區(qū)的溫度，防止焊縫晶間腐蝕的產(chǎn)生，防止焊條，焊絲過熱，焊接變形，焊接應(yīng)力，可以減少熱輸入等。

 

11.引起應(yīng)力腐蝕開裂的三個條件：環(huán)境，選擇性的腐蝕介質(zhì)，拉應(yīng)力。

 

12.防止應(yīng)力腐蝕開裂的措施：1）調(diào)整化學(xué)成分，超低碳有利于提高抗應(yīng)力腐蝕的能力，成分與介質(zhì)的匹配問題；2）清除焊接殘余應(yīng)力；3）電化學(xué)腐蝕，定期檢查及時修補等。

 

13.為提高耐點蝕性能：1）一方面必須減少Cr，Mo的偏析；2）一方面采用較母材更高Cr，Mo含量的所謂“超合金化”焊接材料。

 

14.奧氏體不銹鋼焊接時會產(chǎn)生熱裂紋，應(yīng)力腐蝕裂紋，焊接變形，晶間腐蝕。

 

15.奧氏體鋼焊接熱裂紋的原因：1）奧氏體鋼的熱導(dǎo)率小，線膨脹系數(shù)大，拉應(yīng)力致大；2）奧氏體鋼易于聯(lián)生結(jié)晶形成方向性強的柱狀晶的焊縫組織，有利于有害雜質(zhì)偏析；3）奧氏體鋼合金組成較復(fù)雜，易溶共晶。

 

16.防止熱裂紋措施：①嚴(yán)格限制母材和焊接材料中的P，S含量；②盡量使焊縫形成雙相組織；③控制焊縫的化學(xué)成分；④小電流焊接。

 

17.18-8型和25-20型在防止熱裂紋時其焊縫組織有何不同？18-8型鋼焊縫形成A+δ組織，δ相可以溶解大量的P，S，δ相一般為3%-7%，25-20型鋼焊縫形成A+一次碳化物組織。

 

18.奧氏體不銹鋼選材時應(yīng)注意：①堅持“適用性原則”；②根據(jù)所選各焊材的具體成分確定是否適用；③考慮具體應(yīng)用的焊接方法和工藝參數(shù)可能造成的熔合比大小；④根據(jù)技術(shù)條件規(guī)定的全面焊接性要求來確定合金化程度；⑤要重視焊縫金屬合金系統(tǒng)，具體合金成分在該合金系統(tǒng)中的作用，考慮使用性能要求和工藝焊接性要求。

 

19.鐵素體不銹鋼焊接性分析：1）焊接接頭的晶間腐蝕；2）焊接接頭的脆化，高溫脆化，σ相脆化，475℃脆化。

 

鑄鐵焊接

 

1.鑄鐵的三大特點：減振性，吸油性，耐磨性。

 

2.鑄鐵的性能主取決于石墨的形狀，大小，數(shù)量和分布等，同時基體組織也有一定的影響。

 

3.球墨鑄鐵：F基體+圓球狀石墨；灰口鑄鐵：F基體+片狀石墨；蠕墨鑄鐵：基體+蠕蟲狀石墨；可鍛鑄鐵：F基體+團絮狀石墨。

 

4.低碳鋼焊條是否可以焊接鑄鐵？不可以，在焊接時，即使小電流，母材在第一道焊縫中所占的比例為25%-30%，若依鑄鐵中C=3%計算，第一道焊縫中的含碳量為0.75%-0.9%，屬于高碳鋼，焊接冷卻后立即出現(xiàn)高碳馬氏體，且焊接HAZ會出現(xiàn)白口組織，機械加工困難。

 

5.電弧熱焊：熔鑄件預(yù)熱到600-700℃，然后在塑性狀態(tài)下進行焊接，焊接溫度不低于400℃，為防止焊接過程中開裂，焊后立即進行消除應(yīng)力處理及緩冷，此鑄鐵焊補工藝稱為電弧熱焊。

 

6.半熱焊：預(yù)熱溫度在300-400℃時稱為半熱焊。