1、焊接质量管理水利部水工金属结构质检中心江文琳焊接用钢第一章 与焊接有关的钢材性能主要包括力学性能（强度、塑性、韧性）、化学成分和金相组织。 一、力学性能一、力学性能 钢材在一定外力作用下，所表现的抵抗变形和断裂的行为称为钢的力学性能。力学性能是选用材料的主要依据。钢材常用的力学性能指标包括：抗拉强度、屈服强度、伸长率、断面收缩率、弯曲角度、冲击吸收能量和硬度等。其中抗拉强度、屈服强度、伸长率、断面收缩率是通过拉伸试验获得，弯曲角度是通过弯曲试验获得，冲击吸收能量是通过冲击试验获得，硬度则是通过硬度试验获得。 二、钢中合金元素和杂质对钢材性能的影响二、钢中合金元素和杂质对钢材性能的影响 各种合金
2、元素和杂质对钢的组织和性能都有一定的影响。着重介绍几种主要合金元素和杂质对钢的性能影响。第一节 钢的性能 1.碳（C） 碳是钢的一种主要强化元素。碳对钢的力学性能的影响是，随着碳含量的增加，钢的抗拉强度、屈服强度和硬度增加，但伸长率和冲击吸收能量下降，对钢材的低温脆性、耐腐蚀性有不利影响。碳含量的提高使钢的淬硬性增加。所以，焊接含碳量较高的钢材时，易出现淬硬和冷裂纹倾向，使钢的焊接性变差。因此，一般焊接用碳素钢的含碳量应控制在0.25，低合金钢的含碳量限制在0.20以下为宜。 2.锰（Mn） 锰在钢中起固溶强化作用，可提高钢的抗拉强度和屈服强度。锰含量在时，会提高钢的冲击值和塑性，而继续增加锰
3、含量，反而会引起冲击值和塑性的降低。锰能显著提高钢的淬硬性。在焊缝金属中，锰有脱硫的作用，可减少硫的危害性。焊接冶金过程中锰与硫生成MnS，减少焊缝金属热裂纹倾向，改善焊接性能。 3.硅（Si） 硅是一种强烈的脱氧元素。在钢中，适量的硅可提高钢的强度，过高的硅含量，会使钢的塑性和冲击值降低，并增加钢的回火脆性和晶粒长大倾向。硅在焊接过程中是良好的还原剂，起脱氧作用，如CO2焊采用的H08Mn2Si（ER49-1）焊丝。一般钢中含硅量为0.100.25为佳。 4.铬（Cr） 在钢中加入铬的主要目的是提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性。低合金耐热钢中加入铬后，不仅改善抗氧化性能，而且显著地提高了钢的高温强
4、度。一般地说，铬含量0.5对钢的焊接性无有害影响，但随着铬含量的增加，钢的淬硬倾向增加，焊接冷裂纹敏感倾向增大。 5.钼（Mo） 钼在钢中能提高钢的室温和高温抗拉强度，细化晶粒，防止回火脆性，是一种重要的合金强化元素。但加入钼后会增加钢的淬透性，从而提高钢的焊接冷裂纹敏感倾向。 6.钒（V） 钒是一种强烈的碳化物形成元素。钢中加入钒，可细化晶粒，与碳形成的碳化物可显著提高钢的常温强度和热强度。 在含钒的低合金钢焊缝金属中，由于与铬、钼元素形成复杂的碳化物，使焊缝金属的塑性和韧性降低。同时在焊后消除应力热处理时，明显增加焊接接头再热裂纹倾向。 7.镍（Ni） 镍可以提高钢的强度，并显著改善钢的韧
5、性，特别是低温韧性。一般地说，焊缝金属中含有0.32的镍，能提高焊缝的冲击吸收能量，尤其是低温冲击吸收能量更明显。 8.钛（Ti） 钛是一种比钒更强烈的碳化物形成元素和脱氧剂。钢中加入钛可明显地提高钢的室温强度和热强度。由于其细化晶粒的作用，在焊缝金属中,加入小于0.02的钛，可提高焊缝的冲击吸收能量，改善钢的焊接性。 9. 铌（Nb） 铌是一种能起细化晶粒和析出硬化的碳化物形成元素。在钢中加入少量铌，可显著提高钢的常温抗拉强度和高温持久强度，改善钢的冷脆倾向。在焊缝金属中，铌与铁和碳易形成低熔点共晶物，增加焊缝金属的热裂纹形成倾向。 10.硫（S） 硫是在钢中一种有害杂质。它易造成钢材的偏析
6、，在晶界上硫与铁形成低熔点共晶化合物，增加钢的热脆性。在焊缝金属中，硫提高热裂纹敏感倾向。所以，焊接用钢的硫含量应限制在0.045以下。 11.磷（P） 磷与硫一样在钢中为有害杂质，它与铁形成低熔点的FeP，增加钢的冷脆性，使钢的冲击吸收能量显著下降，钢的脆性转变温度提高。因此，焊接用钢的磷含量应控制在0.04以下。 一、钢分类一、钢分类 为了满足各种使用要求，合理正确地选用钢材，必须了解钢材的分类方法、编号方法和性能。国标GB/T13304-2009钢分类第1部分按化学成分分类将钢分为非合金钢、低合金钢、合金钢。 二、钢号表示法二、钢号表示法 1. 普通普通碳素结构钢钢号表示方法碳素结构钢钢
7、号表示方法 GB700-2006碳素结构钢规定，由代表钢材屈服点的拼音字母Q、屈服点值、质量等级符号和脱氧方法符号四个部分组成。前两项计有Q195、Q215、Q235、Q275四种，质量等级分为A、B、C、D四等级，脱氧方法分为F（沸腾钢）、Z（镇静钢）、TZ（特殊镇静钢），在钢号组成表示法中，Z和TZ代号可省略。第二节 钢的分类 2. 优质优质碳素结构钢钢号表示方法碳素结构钢钢号表示方法 优质碳素结构钢的钢号用二位数字表示，代表钢的平均含碳量的万分率。如“20”钢，表示钢的平均含碳量为0.20%（即20/10000）的优质碳素结构钢。 3. 低合金钢低合金钢钢号表示方法钢号表示方法 GB/T
8、1591-2008低合金高强度结构钢规定，钢的牌号由代表屈服强度的拼音字母Q、屈服强度值、质量等级符号（A、B、C、D、E）三个部分组成。当需要加入细化晶粒元素时，钢中应至少含有Al、V、Nb、Ti中的一种，并应在质量证明书中注明含量。 GB/T1591-2008中各种牌号低合金高强度结构钢的碳当量（CEV）计算公式如下： CEV=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15 当热机械轧制（Thermom echanical Rolling of Plate，简称 TMCP）或热机械轧制加回火的钢材碳含量不大于0.12%时，可采用焊接裂纹敏感性指数Pcm代替碳当量评估钢材的焊接性
9、： Pcm=C+Si/30+（Mn+Cu+Cr）/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B 4. 不锈钢不锈钢钢号表示方法钢号表示方法 由于不锈钢的含碳量都很低，当含碳量大于等于0.04%时用两位小数表示，当含碳量小于0.03%时用三位小数表示。合金元素的表示是以采用合金元素符号加数字的方法。如： 12Cr18Ni9Ti 含碳量0.15%； 06Cr18Ni9Ti 含碳量0.08%； 022Cr18Ni9Ti 含碳量0.03%。 5. 专业专业用钢钢号表示方法用钢钢号表示方法 专业用钢通常在钢号后加注表示专门用途的汉语拼音字母，如锅炉用钢“G”，容器用钢“R”，低温用钢“DR”造船用钢“C
10、”，桥梁用钢“q”等。 一、普通碳素结构钢一、普通碳素结构钢 由于含碳量较低，塑性较高，焊接性能良好，大量应用于制造各种焊接结构，其中以Q235钢应用最广泛。 二、优质碳素结构钢二、优质碳素结构钢 由于含硫、磷量较低，主要用于制造重要的机器零件结构，其中以10号钢和20号钢碳含量低、具有良好的塑性和优良的焊接性能，常用于各种焊接结构。如在GB150钢制压力容器中列为规定压力容器用钢。 三、压力容器用钢三、压力容器用钢 压力容器用钢有碳素钢、低合金钢、耐热钢、低温钢和不锈钢等。 四、水工金属结构用钢四、水工金属结构用钢 水工金属结构用钢有碳素钢、低合金高强钢、不锈钢及不锈钢复合钢板等。第三节 焊
11、接常用钢材 近年来，随着大型水利枢纽（水电站），尤其是高水头电站（包括抽水蓄能电站）的建造，要求提供流量大、承压高的输水压力钢管道，越来越多地采用焊接结构用高强度钢（抗拉强度600MPa）。由于焊接结构用高强度钢具有很高的屈服点值和抗拉强度，与普通钢材相比，大大减小了压力钢管的管壁厚度，其良好的低温冲击韧性也为钢管的安全运行提供了可靠的保证。所以作为高水头压力钢管重要管段用材，高强度钢取代普通钢材是大势所趋。 高强度钢的合金化体系较复杂，合金元素含量较高，屈强比较大，多为调质状态供货。其钢材的冷裂倾向及预热温度、最佳热输入范围的确定和控制等技术问题需要结合具体钢种、焊接材料、施工环境、设备条件
12、、工艺和管理水平等实际情况做进一步的、有针对性的试验研究和定量分析及焊接工艺评定，对保证压力钢管的制作和安装质量是十分必要的。第二章焊接概论 焊接就是通过加热或加压，或两者并用，并且用（或不用）填充材料，使焊件达到原子结合的一种加工方法。由于焊接是利用两个物体原子间产生的结合作用来实现联接的，联接后不能再拆卸，成为永久性联接。因此，通过焊接后，其联接材料不仅在宏观上建立了永久性联系，而且在微观上也建立了组织之间的内在联系。 按照焊接过程中金属所处的状态，可以把焊接方法分为熔化焊接、固相焊接和钎焊。 1. 熔化焊接熔化焊接 熔化焊接是在焊接过程中，利用局部的热源，将所需焊接的工件结合处加热到熔化
13、状态，加入（或不加入）填充金属，不施加压力完成焊接的方法。在工业生产中，熔化焊接是应用最广泛、最普遍的一种焊接方法。如焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊等。 2. 固相焊接固相焊接 固相焊接是在焊接过程中，对焊件施加压力（加热或不加热）而完成焊接的方法。如电阻焊、摩擦焊、爆炸焊等。第一节 概述 3. 钎焊钎焊 钎焊是利用熔点比被焊材料低的金属材料作钎料，经过加热使钎料熔化，靠毛细管作用将钎料吸入到接头接触面的间隙内，润湿被焊金属材料的表面，使液相与固相之间相互扩散而形成钎焊接头。因此，钎焊是一种固相兼液相的焊接方法。 自动焊：用自动焊接装置完成全部焊接操作的焊接方法。 机械化焊接：焊炬、焊枪或焊钳
14、由机械装备夹持并要求随着观察焊接过程而调整设备控制部分的焊接方法。 一、电弧焊一、电弧焊 电弧焊是目前应用最广泛的一种熔焊方法。它包括有焊条电弧焊、埋弧焊、钨极气体保护电弧焊、等离子弧焊、熔化极气体保护焊等。在焊接过程中当所用的电极是熔化的焊丝时，叫做熔化极电弧焊，如焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护电弧焊等；在焊接过程中当所用的电极是不熔化的碳棒或钨棒时，叫做不熔化极电弧焊，如钨极氩弧焊、等离子弧焊等。 1. 焊条电弧焊焊条电弧焊 它是采用涂有药皮焊条作电极和填充金属，电弧在焊条的端部和被焊工件表面之间燃烧。药皮在电弧热作用下一方面可以产生气体以保护电弧，另一方面可以产生熔渣覆盖在熔池表面，防止熔
15、化金属与周围气体的相互作用。熔渣的更重要作用是与熔化金属产生物理化学反应或添加合金元素，改善焊缝金属性能。见图1所示。第二节 常用焊接方法介绍 图1 焊条电弧焊过程 1-焊钳 2-焊条 3-电弧 4-焊缝 5-熔渣 2. 埋弧焊埋弧焊 埋弧焊是以连续送进的焊丝作为电极和填充金属。焊接时，在焊接区的上面覆盖一层颗粒状焊剂层，电弧在焊剂层下燃烧，将焊丝端部和局部母材熔化，形成焊缝。在电弧热的作用下，一部分焊剂熔化成熔渣并与液态金属发生冶金反应。熔渣浮在金属熔池的表面，一方面可以保护焊缝金属防止空气的侵入，并与熔化金属产生物理化学反应，改善焊缝金属的成分及性能；另一方面还可以使焊缝金属缓慢冷却。见图
16、2所示。图2 埋弧焊过程1-焊剂斗 2-焊丝 3-电弧 4-焊缝 5-渣壳 3. 气体气体保护电弧焊保护电弧焊 气体保护电弧焊是一种以一定流量的外加保护气体通入焊接区，保护电弧和熔池金属的电弧焊接方法。气体保护电弧焊按照保护气体种类、使用电极的特性分类如下： a. 非惰性气体保护电弧焊MAG焊（熔化极） CO2焊 混合气体保护焊（Ar80%+CO220%） 包括实芯焊丝、药芯焊丝MAG焊 b. 惰性气体保护电弧焊 钨极TIG焊 熔化极MIG焊 熔化极气体保护电弧焊是利用连续送进的焊丝与工件之间燃烧的电弧作热源，由焊炬喷嘴喷出的气体来保护电弧进行焊接的。见图3所示。 熔化极气体保护焊通常使用的保
17、护气体有氩气、氦气和CO2气或这些气体的混合气。 a）实芯焊丝 b）药芯焊丝 图3 熔化极气体保护电弧焊1-母材 2-实芯焊丝 3-保护气体软管 4-焊丝软管 5-电流导线 6-导电嘴 7-气体喷嘴 8-气体保护 9-焊缝金属 10-电弧 11-焊接熔池 12-焊缝金属 13-熔渣 14-渣壳 15-气体喷嘴 16-导电嘴 17-保护气体 18-药芯焊丝 19-电弧 由于具有高效、优质、低耗等系列优点，熔化极气体保护焊可以方便地进行各种位置的焊接，且具有明弧、无熔渣或少渣及焊接速度较快、熔敷率高的特点，同时焊缝金属含氢量低，便于实现焊接自动化。 熔化极活性气体保护焊可适用于碳钢、合金钢等材料的
18、焊接。熔化极惰性气体保护焊适用于不锈钢、铝、镁、铜、钛、锆及镍合金等金属材料的焊接。 在传统的焊接方法中，熔化极气体保护焊的发展速度最快，其次是钨极氩弧焊和埋弧焊。焊条电弧焊将逐渐被MIG/MAG和埋弧焊所淘汰。在国外，工业发达国家中80%以上的焊接工作量由MIG/MAG焊和埋弧焊所完成，在各类焊接结构的生产中，这二种方法起着举足轻重的作用。 二、常用焊接方法缩写表示法二、常用焊接方法缩写表示法 在焊接工艺文件中，为了简化焊接方法名称，常以英文名称的缩写字母表示焊接。方法见表1。焊接方法缩写字母焊条电弧焊SMAW埋弧焊SAW熔化极气体保护焊GMAW或MAG/MIG脉冲熔化极气体保护焊GMAWP
19、钨极氩弧焊GTAW或TIG脉冲钨极氩弧焊GTAWP药芯焊丝气体保护焊FCAW第三章焊接接头 一、焊接接头一、焊接接头 焊接接头是指用焊接方法连接的接头。它由焊缝、熔合区、热影响区及其邻近的母材组成。焊接连接形成的焊接接头是焊接结构的最基本要素，在许多情况下，它又是焊接结构上的薄弱环节。焊接接头的突出问题有： （1）几何上的不连续）几何上的不连续性性 外形尺寸突变，可能存在各种焊接缺欠，而引起应力集中，减小承载面积，形成断裂源； （2）力学性能上的不）力学性能上的不均匀性均匀性 可能存在脆化区、软化区、各种劣质区； （3）焊接变形与残余应力的焊接变形与残余应力的存在存在 在焊接结构中，焊接接头主
20、要起两方面的作用：一是连接作用，即把被焊工件连接成一个整体；二是传力作用，即传递被焊工件所承受的载荷。根据焊接接头传力情况，将焊缝分为联系焊缝与承载焊缝两种。第一节 焊接接头的概念 焊接接头基本类型：对接接头、T形（十字）接头、搭接接头、角接接头（端接接头）。 开坡口焊透的T形接头其强度可按对接接头计算，特别适用于承受动载的结构。角接接头多用于箱形构件上。端接接头是两被焊工件重叠放置或两被焊工件之间的夹角不大于30在端部进行连接的接头。这种接头通常用于密封。二、焊接二、焊接坡口坡口 焊前加工坡口的目的在于使焊接容易进行，从而保证焊接质量，并带来较好的经济效果。坡口根据其形状的不同，可分为基本型
21、、组合型、特殊型。 双面不对称坡口用于下列情况：（1）需清根的焊接接头，为做到焊缝两侧的熔敷金属量相等，清根一侧的坡口要小一些；（2）固定接头必须仰焊时，可将仰焊一侧的坡口设计小一些；（3）为防止清根后产生根部深沟槽，浅坡口一侧的坡口角度应增大。 焊缝符号与焊接方法代号是供焊接结构图纸上使用的统一符号或代号，也是一种工程语言。GB324焊缝符号表示法和GB5185焊接及相关工艺方法代号等效于ISO标准。一、焊接一、焊接结晶与相变结晶与相变 焊接过程中，在焊接热源的高温作用下，母材金属局部熔化并与熔融的填充金属（焊条与焊丝）混合形成液态金属熔池，当焊接热源移开后，液态金属熔池冷凝开始结晶，由液态
22、转变为固态，凝固成焊缝。 （焊缝的定义：焊件经焊接后所形成的结合部分。） 焊接结晶过程直接影响焊缝金属组织和性能，并且焊缝中许多焊接缺陷，如气孔、夹杂、偏析和结晶裂纹等也往往是在焊接熔池结晶过程中产生。 焊缝金属从焊接熔池开始凝固形成焊缝，到冷却至室温的过程中，要经过两次结晶过程。第一次结晶是熔池金属从液态凝结成为固态焊缝的结晶过程，称为焊接熔池一次结晶焊接熔池一次结晶。第二次是固态焊缝金属冷却至室温所发生的一系列组织转变过程，称为焊缝焊缝金属二次结晶。金属二次结晶。第二节 焊接接头的组成 1. 焊接熔池一次结晶的特征焊接熔池一次结晶的特征 a. 焊接熔池是以未熔化的熔合线母材晶粒作为晶核，形
23、成与熔合线基体金属连生结晶。 b. 以柱状形态向着与散热方向相反的方向长大，直至相互间接触受到阻碍时而停止，使焊缝晶粒呈现出具有明确方向性的柱状晶粒。通过控制坡口形状或焊接工艺可以改变柱状晶组织的形态。图4表示了焊缝形状对柱状晶形态的影响。 浅的焊缝 深的焊缝 图4 浅的焊缝浅的焊缝 深的焊缝深的焊缝 c. 晶粒成长方向和形态与焊缝冷却速度密切相关，例如焊接速度的影响。 d. 呈现焊缝偏析现象。 宏观偏析是焊缝中出现的区域性化学成分分布不均匀。在焊缝结晶时，由于柱状晶体的继续生长和推移，把溶质或杂质排向熔池的中心并集聚，使熔池中心的最后凝固部分的杂质比其它部位多，出现严重的成分偏析。焊缝断面形
24、状对宏观偏析的分布有很大影响，窄而深的焊缝，较多杂质聚集在焊缝中心；宽而浅的焊缝，杂质聚集在焊缝上部，相对而言，其焊缝具有较高的抗热裂纹性能。 2. 焊接焊接熔池（焊缝金属）二次结晶特征熔池（焊缝金属）二次结晶特征 一般地说，焊缝金属的一次结晶形成奥氏体组织。焊接冷却过程的焊缝金属二次结晶，本质上是相变温度下的奥氏体组织转变过程。焊接条件下的奥氏体转变，具有快速连续冷却的组织转变特点。焊缝金属的二次结晶不仅取决于焊缝金属的化学成分，焊接热循环以及焊后热处理等因素，而且有可能在结晶过程中产生诸如淬硬、脆化、冷裂纹等缺陷。 二、焊接热影响区二、焊接热影响区 在焊接热源作用下，焊缝两侧母材由于受热的
25、影响而发生金相组织和力学性能变化的区域称为热影响区。 1. 焊接焊接热热循环循环 焊接时，在焊接热源作用下，焊接热影响区所产生的温度随着时间变化的过程，称为焊接热循环，见图5。焊接热循环实质上是一种不均匀的快速加热和急剧冷却的热过程。焊接热循环大体上可分为三个阶段，即加热阶段、高温停留阶段和冷却阶段。 图5 焊接热循环 焊接热循环包含四个主要参数，这些参数造成不均匀的组织和性能，产生复杂的焊接应力，对焊接质量的影响都是十分重要的。 a.加热加热速度速度 焊接时加热速度非常快，使得奥氏体均质化和碳化物的溶解过程进行得非常不充分，造成组织的不均匀性。 b.峰值峰值温度或最高加热温度（温度或最高加热
26、温度（Tmax） 一般熔合区附近的峰值温度可达13001350，使熔合线附近的母材晶粒发生严重粗大。 c.高温高温过热停留时间（过热停留时间（ts） 它包含加热时的过热温度到峰值温度时间ts和从峰值温度冷却到过热温度的时间ts。过热停留时间ts愈长，热影响区的宽度和奥氏体晶粒尺寸也愈大。 d.冷却冷却速度（或冷却时间速度（或冷却时间t8/5）即焊缝和热影响区的冷却速度。它影响焊缝金属的凝固速度，是决定焊缝金属和热影响区组织和性能的重要参数。尤其是800500温度区间的冷却速度，以临界冷却时间t8/5表示。每一种成分的钢材都有一个临界冷却速度，如果实际冷却速度超过这个临界值，在焊接热影响区内可能
27、产生淬硬的马氏体组织。影响焊接热影响区的临界冷却速度的主要因素除了钢材的成分外，还有焊接方法、焊接热输入、预热温度和层间温度、焊件厚度和尺寸、接头形式等。 在焊接接头中，距离焊缝远近不同的各点所经受的焊接热循环也是不同的，所以造成热影响区的组织和性能的差异。 2. 2. 焊接焊接热影响区的组织特征热影响区的组织特征 焊接热影响区是焊接接头中的重要区域，了解焊接热影响区的组织变化特征，对判断焊接热影响区的性能是非常重要的。焊接热影响区组织和性能的变化特征与母材的化学成分、原始组织状态、焊接方法和焊接热循环密切相关。 （1 1）低碳钢低碳钢和不易淬火钢焊接热影响区组织特征和不易淬火钢焊接热影响区组
28、织特征 Q235等低碳钢、Q345、15MnTi、15MnV等低合金钢，由于其含碳量低，合金元素的总量少而不易淬火，故称之为不易淬火钢。根据其焊接热影响区组织状态的不同，可分为熔合区、过热区、正火区、不完全重结晶区、再结晶区五个区域，见图6所示。低碳钢焊接热影响区的组织特征金相图见图7所示。 （2 2）易）易淬火钢焊接热影响区组织淬火钢焊接热影响区组织特征特征 这类钢包括中碳钢（40、45、50钢）、低碳低合金调质高强钢（含碳量0.25%）和中碳调质高强钢（含碳量为0.25%0.45%），由于含碳量较高和合金元素的作用，其钢的淬硬倾向大。焊接热影响区的组织分布与母材焊前的热处理状态有关。 如果
29、母材焊前是正火或退火状态，则焊后热影响区的组织分布可分为淬火区和部分淬火区两个区。 图6 低碳钢焊接热影响区 a）过热区组织 b）正火区组织 c）不完全重结晶区组织 d）母材组织 图7 Q235A焊接热影响区的组织特征 如果母材在焊前是处于调质状态，那么在热影响区中，除上述两个区之外，在低于AC1的温度范围内（AC1回火温度），使母材发生不同程度的回火处理过程，出现一个回火组织区，称之为回火区。在此区域内母材淬火组织受回火作用而软化，引起此区域的强度降低。 综上所述，热影响区的组织和性能不仅与母材的化学成分有关，而且与焊前的热处理状态有关。 一般来说，钢在焊接热循环的作用下，热影响区的组织分布
30、是不均匀的。熔合区和过热区有严重的晶粒长大现象，是整个焊接接头的薄弱地带。对于含碳量高、合金元素较多、淬硬倾向较大的钢种，将出现淬火组织马氏体组织，使焊接接头塑性降低，而且容易产生裂纹。3. 焊接焊接热影响区的性能变化热影响区的性能变化 焊接接头的热影响区组织变化不均匀性，使焊接热影响区成为整个焊接接头的薄弱区域，造成热影响区的性能即强度、塑性、冲击韧性和硬度的变化，见图8和图9所示。 图8 焊接热影响区的硬度分布图9 Q345钢焊接热影响区的力学性能 为了获得优质的焊接接头，必须对影响焊接接头组织和性能的因素有所了解，以便根据具体情况，从各个环节加以控制。影响焊接接头组织及性能的因素如下：
31、1. 材料材料的匹配的匹配 主要指焊接材料的选用，焊接材料将直接影响焊接接头的组织和性能。通常情况下，焊缝金属的化学成分与力学性能与母材相近。但考虑到铸态焊缝的特点和焊接应力的作用，焊缝的晶粒比较粗大及存在着偏析，并有产生裂纹、气孔和夹渣等焊接缺陷的可能性。因此，就要通过调节焊缝金属的化学成分以改善焊接接头的性能，这就要求焊缝与母材的成分有所区别。 例如对于低碳钢、低合金钢，一般不要求焊缝金属与母材成分一样。为提高焊缝的抗裂性，应减少焊缝中碳和硫、磷等杂质元素的含量；为提高焊缝的塑性和韧性，一般在焊接材料中加碳化物或氮化物的形成元素，如Mo、Nb、V、Ti、Al等，以细化焊缝组织；为降低焊缝金
32、属中的S、P，除需控制焊接材料中的S、P含量外，还可添加Mn、Ti、锆和稀土元素等，以进一步脱硫。第三节 焊接接头的组织和性能2. 热输入热输入 指熔焊时，由焊接能源输入给单位长度焊缝上的能量。 q/v=q/v= I Ih h U Uh h /v /v （J/cmJ/cm） 式中：Ih 焊接电流（A） Uh 电弧电压（V） v 焊接速度（cm/s） q/v 热输入 电弧有效功率系数 焊接热输入的大小，不仅影响到过热区晶粒粗大的程度，而且直接影响到焊接热影响区的宽度（即热输入增大，热影响区的宽度也增大），所以应选择和调节好焊接工艺参数，以尽可能地减小热输入及其对焊接接头组织和性能的不良影响。如采
33、用小的工艺参数，降低焊接电流，增大焊接速度，都可以减少焊接热影响区的尺寸。不仅如此，从防止过热组织和晶粒粗化角度来看，采用小参数也比较好。 对于不同的钢材，热输入的最佳范围也不一样，需要通过一系列试验来确定恰当的热输入和焊接工艺参数。此外，需要说明的是，仅仅热输入的数据符合要求还不够，因为即使焊接热输入相同，但焊接电流、电弧电压和焊接速度的数值可能有很大的差别，必须使这些参数之间配合合理，才能获得良好的焊缝性能。例如：焊接电流增加，电弧电压下降，焊缝成形窄而深，而适当降低焊接电流，增加电弧电压，则能获得良好的焊缝成形，而且这两种焊缝性能也不同。因此，应在焊接工艺参数合理的原则下，选择合适的热输
34、入。3. 熔合比熔合比 熔合比是指熔化焊时，被熔化的母材在焊道金属中所占的百分比。熔合比对焊缝性能的影响与焊接材料和母材的化学成分有关。4. 焊接工艺方法焊接工艺方法 不同的焊接工艺方法有其不同的特点，因而对焊缝和焊接热影响区性能也产生不同的影响。5. 焊后热处理焊后热处理 焊后为改善焊接接头的组织和性能或消除残余应力而进行的热处理即为焊后热处理。第四章金属材料的焊接性 绝大部分作为结构材料的金属要通过焊接方法进行连接，因而金属材料的焊接性是一项非常重要的性能指标。在新材料开发和结构生产时，必须进行试验。一、金属焊接性定义一、金属焊接性定义 金属焊接性根据GB/T3375-94焊接术语的定义为
35、：金属材料在限定的施工条件下，焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。即材料对焊接加工的适应性和使用可靠性。因此，焊接性的具体内容，可分为工艺焊接性和使用焊接性。 工艺焊接性，是指在一定的焊接工艺条件下，能否获得优质、无缺陷的焊接接头能力。 使用焊接性，是指焊接接头或整体结构满足各种使用性能的程度，其中包括常规的力学性能、低温韧性、抗脆断性能、高温蠕变、持久强度、疲劳性能以及抗腐蚀性和耐磨性能等。 第一节 金属焊接性定义及其试验方法分类二、影响焊接性的因素二、影响焊接性的因素 归纳起来为材料、设计、工艺、和服役条件等四个因素。（1）材料）材料因素因素 包括钢的化学成分、冶炼轧制状
36、态、热处理条件、组织状态和力学性能等。其中化学成分是主要影响因素。（2）设计）设计影响影响 是指焊接结构和接头的形式、焊缝的位置、以及某些部位焊缝的集中程度造成多向应力的状态等。（3）工艺因素工艺因素 包括施工的焊接方法（如焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊等）、焊接工艺参数（如热输入、焊接材料、预热、后热、焊接顺序等）和焊后热处理等。（4）服役条件）服役条件因素因素 是指焊接结构的工作温度、受载类别（动载、静载、冲击等）和工作环境（化工区、沿海及腐蚀介质等）。一般来讲，温度越低，焊接结构越易发生脆性破坏。 综上述，新材料、新结构和新的焊接工艺方法，在正式施工制造之前，都要经过焊接性分析和试验，以
37、评定其工艺焊接性及使用焊接性是否能达到要求。三、焊接试验方法分类三、焊接试验方法分类 评定工艺焊接性的准则是评定焊接接头产生工艺缺陷的倾向，为制定出合理的焊接工艺提供依据，主要是进行抗裂性试验。使用焊接性试验主要根据结构的工作条件和设计上提出的技术规定，通常有常规的力学性能试验（拉伸、弯曲、冲击等），对于在不同环境中工作的结构，应根据不同的要求，分别进行相应的试验。 评定焊接性的方法分为直接试验和间接试验两种类型。 直接试验直接试验主要是各种抗裂性试验和实际产品的服役试验。间接试验间接试验主要是以热摸拟组织和性能、焊接SHCCT图和断口分析、以及焊接热影响区最高硬度等来判断焊接性。此外，根据钢
38、种化学成分所建立的碳当量公式和各种裂纹的判据经验公式、焊缝和焊接接头的力学性能试验等也都属于间接试验。 一、工艺一、工艺焊接性的间接预测焊接性的间接预测法法 1. 钢钢的碳当量公式的碳当量公式 所谓碳当量，即把钢中包括碳在内的合金元素对淬硬、冷裂及脆化等影响折合成碳的相当含量。目前应用较为广泛的碳当量公式有两种，一是国际焊接学会（IIW）所推荐的w（C）eq,IIW，二是日本JIS标准所规定的w（C）eq,JIS。 w（C）eq,IIW= w（C）+1/6 w（Mn）+1/5 w（Cr）+ 1/5w（Mo） +1/5 w（V）+1/15 w（Cu）+1/15 w（Ni） （1） w（C）eq,
39、JIS= w（C）+1/6 w（Mn）+1/24 w（Si）+ 1/40w（Ni）+1/5 w（Cr）+1/4w（Mo）+1/14 w（V） （2）式中：w（X）表示该元素在钢中的质量分数（%），计算碳当量时，应取其成分的上限。公式（1）主要适用于非调质低合金高强钢（Rm=500900MPa），公式（2）主要适用于调质低合金高强钢（Rm=5001000MPa），它们都属于含碳量偏高的钢种（w（C）0.18%）。第二节 工艺焊接性试验方法 为了防止冷裂纹，可用碳当量公式（1）和（2）确定是否预热和采取其他工艺措施。一般来说，当w（C）eq，IIW0.4%时，钢材的淬硬倾向不大，焊接性良好，不需预
40、热；当w（C）eq，IIW=0.4%0.6%时，特别是大于0.5%时，钢材易于淬硬，焊接时必须预热才能防止裂纹。随着板厚和w（C）eq，IIW增加，预热温度也相应提高，一般可在70200之间。同样，也可根据w（C）eq，JIS来确定合适的预热温度。 目前压力钢管采用的低合金高强钢，大多数是低碳微合金元素的高强钢。对于这类钢，公式（1）和（2）已不适用，为此，日本伊藤等人在大量试验的基础上，提出了Pcm公式，该公式适用于Rm=4001000MPa的低合金高强钢。Pcm= w（C）+1/30 w（Si）+1/20 w（Mn + Cu +Cr）+ 1/60w（Ni）+1/15 w（Mo）+1/10w
41、（V）+5 w（B） （3） 式中：Pcm低碳微量合金元素高强钢的碳当量 由于公式（1）、（2）和公式（3）适用于不同含碳量的高强钢，在工程上应用有些不便为适应工程上的需要，通过大量试验，把钢中 w（C）的范围扩大，建立了一个新的碳当量公式CEN。公式CEN是目前含碳量范围较宽的碳当量公式，对于确 定防止冷裂纹的预热温度比其他碳当量公式更为可靠。 CEN= w（C）+A（C）1/24w（Si）+1/16w（Mn） +1/15w（Cu）+1/20 w（Ni）+1/5 w（Cr +Mo +V+ Nb） +5 w（B） （4） 式中：A（C）碳的适用系数，其与w（C）的关系如下表： 我国常用的低合金
42、高强钢的碳当量及允许的热影响区最高硬度HVmax见下表所示。 w（C）（%）00.080.120.160.200.26A（C）0.5000.5840.7540.9160.980.99 常用低合金高强钢的碳当量与允许的最高硬度 注：1. 所列钢种均为非调质钢 2. HVmax是按IIW最高硬度法测定的 2. 焊接焊接冷裂纹敏感指数冷裂纹敏感指数 碳当量法只考虑了钢材的化学成分对冷裂纹的敏感性，未计入实际焊接时的其它因素。采用焊接冷裂纹敏感性指数来预测钢的冷裂纹倾向，既考虑了钢材的化学成分还考虑了影响冷裂纹倾向的板厚和焊缝扩散氢量的因素。由Pcm、熔敷金属含氢量、板厚或拘束度所建立的冷裂纹敏感指数
43、公式如下： Pc= Pcm+H/60+/600 （5）钢种ReH（N/mm2）Rm（N/mm2）Pcmw（C）eq，IIWHVmaxQ3453535206370.24850.4150390Q3903925596760.24130.3993400Q4204415887060.30910.4943410 Pw= Pcm+H/60+R/（4105） （6） PH= Pcm+0.075H +R/（4105） （7） 式中：H熔敷金属中扩散氢含量（mL/100g） 被焊金属板厚（mm） R拘束度（N/mm） 3. 3. 焊接焊接热影响区最高硬度法热影响区最高硬度法 焊接热影响区最高硬度比碳当量 能更好地
44、判断钢种的淬硬倾向和冷裂的敏感性，因为它不仅反映了钢种化学成分的影响，而且也反映了金属组织的作用。我国的GB4675.5-84焊接热影响区最高硬度试验法适用于焊条电弧焊。 间接预测法最大的缺点是不能对被焊金属作出准确的焊接性评价。 二、工艺二、工艺焊接性焊接裂纹试验方法焊接性焊接裂纹试验方法 焊接接头产生的裂纹为热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、层状撕裂和应力腐蚀裂纹等五类。由于各类裂纹的形成机理和扩展规律的不同，裂纹敏感性试验方法也各不相同。 1. 斜斜Y形坡口焊接裂纹试验法形坡口焊接裂纹试验法（GB4675.1-84） 该试验法主要用于评价碳钢和低合金高强钢焊接热影响区的冷裂纹敏感性，在工程上得到
45、广泛地应用。 斜Y形坡口焊接裂纹试验以表面裂纹率和断面裂纹率判定钢材的焊接热影响区冷裂纹倾向。采用无裂纹准则，即在试验焊缝表面或任一断面试样上均不出现裂纹来作为确定实际产品的最低施焊温度（即预热温度）。 2. T形接头焊接裂纹试验法形接头焊接裂纹试验法（GB4675.3-84） 该试验法主要用于评定碳素钢和低合金钢角焊缝的热裂纹敏感性，也可以测定焊条及工艺参数对热裂纹的影响。 使用焊接性就是“整个焊接接头或整体结构满足技术条件规定的使用性能的程度”。对于各种焊接结构的接头都应具有足够的常规力学性能和抗脆性断裂性能，对于在高温下工作的接头、在腐蚀条件下工作的接头、以及承受交变载荷的接头，分别要进
46、行高温性能、抗腐蚀性能和疲劳性能等方面的试验。即根据焊接结构的不同使用条件，进行不同的使用焊接性试验。 焊接接头力学性能试验包括拉伸试验、冲击试验、弯曲试验和应变时效敏感性试验。焊接接头包括母材、焊缝和热影响区三个部分，其特点是存在金相组织和化学成分的不均匀性，从而导致力学性能的不均匀。另外，焊接接头力学性能的测定值与试件在接头中的位置及方向有密切的关系。1. 焊接接头拉伸试验焊接接头拉伸试验 按GB2651-2008焊接接头拉伸试验方法的规定，试件分为板形、圆形和整管3种，根据要求予以选用。对于焊接接头来讲，一般多采用板形拉伸试样，试件厚度通常为第三节 使用焊接性试验方法试板厚度，如果试板厚
47、度超过30mm，可从试板的不同厚度区截取若干试样以取代试板全厚度的单个试样。2. 焊接接头冲击试验焊接接头冲击试验 按GB2650-2008焊接接头冲击试验方法的规定，焊接接头冲击试验的试样有夏比V形缺口和U形缺口两种。V形试样缺口较尖锐，对材料脆性转变反映灵敏，断口组成比较清晰，目前被广泛地应用。U形试样对材料脆性转变反映不灵敏，除某些工程技术条件规定外，一般不再采用。在冲击试验时，试样受冲击载荷冲断所消耗的能量，称为冲击吸收能量，V形试样用Akv表示，U形试样用Aku表示，单位为J。试样缺口按试验要求可开在焊缝或热影响区。3. 焊接接头弯曲试验焊接接头弯曲试验 按GB2653-2008焊接
48、接头弯曲试验方法的规定，焊接接头弯曲试验分为正弯和背弯、横向弯曲或纵向弯曲、侧弯等试验。焊后焊缝宽表面称为焊缝的正面，若焊缝正面处于弯曲之后试样的凸面（拉伸面），称为正面弯曲；若焊根处于弯曲后试样的凸面，称为背面弯曲；若焊缝侧面受弯曲，则称为侧弯。4. 焊接接头应变时效敏感性试验焊接接头应变时效敏感性试验 焊接构件在加工制造及运行过程中，不可避免地会使接头承受不同程度的塑性变形，如焊后矫正和冷作成型等。随着时间的增长，焊接接头的冲击韧度有不同程度下降的趋势，这种现象称为应变时效脆化。 按GB2655-89焊接接头应变时效敏感性试验方法规定，采用V形缺口冲击试验测定金属材料焊接接头的应变时效敏感
49、性。将焊好的拉伸样坯在拉力机上进行拉伸，一般低碳钢的残余变形量为10%，低合金钢的残余变形量为5%（或按照有关产品标准或双方协定进行）。经过应变的样坯按GB4160-2004钢的应变时效敏感性试验方法规定进行人工时效，然后切取冲击试样进行试验。 在焊接结构制造中，应根据有关的技术规程和标准规定，用于产品的焊接工艺规程应在施焊之前进行焊接工艺评定。焊接工艺评定完成后，提出完整的焊接工艺评定报告，并根据焊接工艺评定报告和图纸（样）的要求，制订焊接工艺规程。也就是说，对于将用于焊接生产中的每项焊接工艺均应作出相应的评定，未经过评定或评定不合格的焊接工艺不能用于焊接生产。因此，在焊接结构制造过程中，焊
50、接工艺评定已成为焊接工艺准备中的主要工作程序，也是严格控制和保证产品焊接质量的一项重要手段。现行的焊接产品质量保证体系与传统的焊接质量控制相比较，其重要区别在于焊接质量是通过焊接工艺评定和焊工技能评定作为重要的质量保证手段，并在焊接施工过程中进行监督与实施。一、焊接工艺评定程序一、焊接工艺评定程序 焊接工艺评定的目的在于验证产品焊接工艺的正确性和可行性以及鉴定工厂的焊接水平和能力。 焊接工艺评定是在掌握钢材的焊接性后，焊接产品之前进行。即按照预先拟定的焊接工艺评定任务书或焊接工艺指导书（pWPS），根据焊接工艺评定有关标准的规定评定焊接试件、检验试样和焊接接头是否具有所要求的使用性能的活动过程
