详解典型焊接材料的焊接性

焊接性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,材料、设计、工艺及服役环境为影响焊接性的四大因素。评定焊接性的原则主要包括:①评定焊接接头产生工艺缺陷的倾向,为制定合理焊接工艺提供依据;②评定焊接接头能否满足结构使用性能的要求。

一、合金结构钢的焊接性

1.高强钢:屈服强度σs≥295MPa的强度用钢均可称为高强钢。

2.Mn的固溶强化作用很显著,ωMn≤1.7%时,可提高韧性,降低脆性转变温度,Si会降低塑性、韧性,Ni既固溶强化又同时提高韧性且大幅度降低脆性转变温度的元素,常用于低温钢。

3.热轧钢(正火钢):屈服强度为295-490MPa的低合金高强钢,一般是在热轧或正火状态下供货使用。

4.高强钢焊接接头的设计原则:高强钢以其强度作为选用依据,因而焊接接头的原则为焊接接头的强度等于母材的强度(等强原则),原因为:①焊接接头强度大于母材强度,塑韧性降低;②等于时寿命相当;③小于时,接头强度不足。

5.热轧及正火钢的焊接性:热轧钢含有少量的合金元素一般情况下冷裂纹倾向不大,正火钢由于含合金元素较多,淬硬倾向有所增加,随着正火钢碳当量及板厚的增加,淬硬性及冷裂纹倾向随之增大。影响因素:⑴碳当量;⑵淬硬倾向;⑶热影响区最高硬度,热影响区最高硬度是评定钢材淬硬倾向和冷裂纹感性的一个简便的方法。

6.SR裂纹(消除应力裂纹,再热裂纹):含Mo正火钢厚壁压力容器之类的焊接结构,进行焊后消除应力热处理或焊后再次高温加热的过程中,可能出现另一种形式的裂纹。

7.韧性是表征金属对脆性裂纹产生和扩展难易程度的性能。

8.低合金钢选择焊接材料时必须考虑两个方面的问题:
①不能有裂纹等焊接缺陷;
②能满足使用性能要求。

热轧钢及正火钢焊接一般是根据其强度级别选择焊接材料,其选用要点如下:
①选择与母材力学性能匹配的相应级别的焊接材料;
②同时考虑熔合比和冷却速度的影响;
③考虑焊后热处理对焊缝力学性能的影响。

9.确定焊后回火温度的原则:
①不要超过母材原来的回火温度以免影响母材本身的性能;
②对于有回火的材料,要避开出现回火脆性的温度区间。

10.调质钢:淬火+回火(高温)。

11.高强钢焊接采用“低强匹配”能提高焊接区的抗裂性。

12.低碳调质钢焊接时要注意两个基本问题:①要求马氏体转变时的冷却速度不能太快,使马氏体有自回火作用,以防止冷裂纹的产生;②要求在800℃-500℃之间的冷却速度大于产生脆性混合组织的临界速度。低碳调质钢焊接要解决的问题:①防止裂纹;②在保证满足高强度要求的同时,提高焊缝金属及热影响区的韧性。

13.对于含碳量低的低合金钢,提高冷却速度以形成低碳马氏体,对保证韧性有利。

14.中碳调质钢合金元素的加入主要起保证淬透性和提高抗回火性能的作用,而真强度性能主要还是取决于含碳量。主要特点:高的比强度和高硬度。

15.提高珠光体耐热钢的热强性有三种方式:①基体固溶强化,加入合金元素强化铁素体基体,常用的Cr、Mo、W、Nb元素能显著提高热强性;②第二相沉淀强化:在铁素体为基体的耐热钢中,强化相主要是合金碳化物;③晶界强化:加入微量元素能吸附于晶界,延缓合金元素沿晶界的扩散,从而强化晶界。

16.珠光体耐热钢焊接中存在的主要问题是冷裂纹,热影响区的硬化、软化以及焊后热处理或高温长期使用中的消除应力裂纹。

17.-10到-196℃的温度范围称为“低温”,低于-196℃时称为“超低温”。

二、铸铁的焊接性

1.铸铁的三大特点:减振性、吸油性、耐磨性。

2.铸铁的性能主取决于石墨的形状、大小、数量和分布等,同时基体组织也有一定的影响。

3.球墨铸铁:F基体+圆球状石墨;灰口铸铁:F基体+片状石墨;蠕墨铸铁:基体+蠕虫状石墨;可锻铸铁:F基体+团絮状石墨。

4.低碳钢焊条是否可以焊接铸铁:不可以。在焊接时,即使小电流,母材在第一道焊缝中所占的比例为25%-30%,若依铸铁中C=3%计算,第一道焊缝中的含碳量为0.75%-0.9%,属于高碳钢,焊接冷却后立即出现高碳马氏体,且焊接HAZ会出现白口组织,机械加工困难。

5.电弧热焊:熔铸件预热到600-700℃,然后在塑性状态下进行焊接,焊接温度不低于400℃,为防止焊接过程中开裂,焊后立即进行消除应力处理及缓冷,此铸铁焊补工艺称为电弧热焊。

6.半热焊:预热温度在300-400℃时称为半热焊。

三、不锈钢的焊接性

 1.不锈钢:不锈钢是指能耐空气、水、酸、碱、盐及其溶液和其他腐蚀介质腐蚀的,具有高度化学稳定性的合金钢的总称。

2.不锈钢的主要腐蚀形式有均匀腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀等。均匀腐蚀,指接触腐蚀介质的金属表面全部产生腐蚀的现象;点腐蚀,指在金属材料表面大部分不腐蚀或腐蚀轻微,而分散发生的局部腐蚀;缝隙腐蚀,在电解液中,如在氧离子环境中,不锈钢间或与异物接触的表面间存在间隙时,缝隙中溶液流动将发生迟滞现象,以至于溶液局部Cl-,形成浓差电池,从而导致缝隙中不锈钢钝化膜吸附Cl-而被局部破坏的现象;晶间腐蚀,在晶粒边界附近发生的有选择性的腐蚀现象;应力腐蚀,指不锈钢在特定的腐蚀介质和拉应力作用下出现的低于强度极强的脆性开裂的现象。

3.防止点腐蚀的措施:1)减少氯离子含量和氧离子含量;2)在不锈钢中加入铬、镍、钼、硅、铜等合金元素;3)尽量不进行冷加工,以减少位错露头处发生点腐蚀的可能;4)降低钢中的含碳量。

4.不锈钢及耐热钢的高温性能:475℃脆性,主要出现在Cr>13%的铁素体,430-480℃之间长期加热并缓冷,导致在常温时或负温时出现强度升高而韧性下降;σ相脆化,是Cr的质量分数的45%的典型,FeCr金属间化合物,无磁性,硬而脆。

5.奥氏体不锈钢焊接接头的耐蚀性:1)晶间腐蚀;2)热影响区敏化区晶间腐蚀;3)刀状腐蚀。

6.防止焊缝发生晶间腐蚀的措施:1)通过焊接材料,使焊缝金属或者成为超低碳情况,或者含有足够的稳定化元素Nb;2)调整焊缝成分获得一定δ相。

7.热影响区敏化区晶间腐蚀:指焊接热影响区中加热峰值温度处于敏化加热区间的部位所发生的晶间腐蚀。

8.刀状腐蚀:在熔合区产生的晶间腐蚀,有如刀削切口形式,故称为“刀状腐蚀”。

9. 防止刀状腐蚀措施:
①选用低碳母材和焊接材料;
②采用又相组织的不锈钢;
③采用小电流焊接,减少焊接粗晶区的过热程度及宽度;
④与腐蚀介质接触的焊缝最后焊接;
⑤交叉焊接;⑥加大钢中Ti,Tb含量,使焊接粗晶区的晶粒边界有足够的Ti、Tb与碳化合。

10.不锈钢为什么采用小电流焊接?以减小焊接热影响区的温度,防止焊缝晶间腐蚀的产生,防止焊条、焊丝过热,焊接变形,焊接应力,减少热输入等。

11.引起应力腐蚀开裂的三个条件:环境,选择性的腐蚀介质,拉应力。

12.防止应力腐蚀开裂的措施:1)调整化学成分,超低碳有利于提高抗应力腐蚀的能力,成分与介质的匹配问题;2)清除焊接残余应力;3)电化学腐蚀,定期检查及时修补等。

13.为提高耐点蚀性能:
1)一方面必须减少Cr、Mo的偏析;
2)一方面采用较母材更高Cr、Mo含量的所谓“超合金化”焊接材料。

14.奥氏体不锈钢焊接时会产生热裂纹,应力腐蚀裂纹,焊接变形,晶间腐蚀。

15.奥氏体钢焊接热裂纹的原因:
1)奥氏体钢的热导率小,线膨胀系数大,拉应力致大;
2)奥氏体钢易于联生结晶形成方向性强的柱状晶的焊缝组织,有利于有害杂质偏析;
3)奥氏体钢合金组成较复杂,易溶共晶。

16.防止热裂纹措施:①严格限制母材和焊接材料中的P、S含量;②尽量使焊缝形成双相组织;③控制焊缝的化学成分;④小电流焊接。

17.奥氏体不锈钢选材时应注意:①坚持“适用性原则”;②根据所选各焊材的具体成分确定是否适用;③考虑具体应用的焊接方法和工艺参数可能造成的熔合比大小;④根据技术条件规定的全面焊接性要求来确定合金化程度;⑤要重视焊缝金属合金系统,具体合金成分在该合金系统中的作用,考虑使用性能要求和工艺焊接性要求。

18.铁素体不锈钢焊接性分析:
1)焊接接头的晶间腐蚀;
2)焊接接头的脆化,高温脆化,σ相脆化,475℃脆化。

四、镁及镁合金的焊接性

1.氧化和蒸发

由于镁的氧化性极强,在焊接过程中易形成氧化膜(MgO),MgO熔点高(2500℃)、密度大(3.2g/cm3),易在焊缝中形成夹杂,降低了焊缝性能。在高温下,镁还容易和空气中的氮发生化学反应生成镁的氮化物,弱化接头的性能。镁的沸点不高,这将导致在电弧高温下很容易蒸发。

2.晶粒粗大

由于热导率大,故焊接镁合金时要用大功率热源、高速焊接,易造成焊缝和近焊缝区金属过热和晶粒长大。

3.热应力

镁合金热膨胀系数较大,约为铝的1～2倍,在焊接过程中易产生大的焊接变形,引起较大的残余应力。

4.焊缝金属下塌

由于镁的表面张力比铝小,焊接时很容易产生焊缝金属下塌,影响焊缝成形质量。

5.气孔

与焊接铝合金相似,镁合金焊接时易产生氢气孔。氢在镁中的溶解度随温度的降低而减小,而且镁的密度比铝小,气体不易逸出,在焊缝凝固过程中会形成气孔。

6.热裂纹

镁合金易与其他金属形成低熔点共晶组织,在焊接接头中易形成结晶裂纹。当接头处温度过高时,接头组织中的低熔点化合物在晶界处会熔化出现空穴,或产生晶界氧化等,即所谓的“过烧”现象。