焊接性指同質材料或異質材料在製造工藝條件下,能夠焊接形成完整接頭並滿足預期使用要求的能力,材料、設計、工藝及服役環境為影響焊接性的四大因素。評定焊接性的原則主要包括:①評定焊接接頭產生工藝缺陷的傾向,為制定合理焊接工藝提供依據;②評定焊接接頭能否滿足結構使用性能的要求。
一、合金結構鋼的焊接性
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變溫度的元素,常用於低溫鋼。
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下供貨使用。
4.高強鋼焊接接頭的設計原則:高強鋼以其強度作為選用依據,因而焊接接頭的原則為焊接接頭的強度等於母材的強度(等強原則),原因為:①焊接接頭強度大於母材強度,塑韌性降低;②等於時壽命相當;③小於時,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,正火鋼由於含合金元素較多,淬硬傾向有所增加,隨著正火鋼碳當量及板厚的增加,淬硬性及冷裂紋傾向隨之增大。影響因素:⑴碳當量;⑵淬硬傾向;⑶熱影響區最高硬度,熱影響區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(消除應力裂紋,再熱裂紋):含Mo正火鋼厚壁壓力容器之類的焊接結構,進行焊後消除應力熱處理或焊後再次高溫加熱的過程中,可能出現另一種形式的裂紋。
7.韌性是表徵金屬對脆性裂紋產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選擇與母材力學性能匹配的相應級別的焊接材料;
②同時考慮熔合比和冷卻速度的影響;
③考慮焊後熱處理對焊縫力學性能的影響。
9.確定焊後回火溫度的原則:
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對於有回火的材料,要避開出現回火脆性的溫度區間。
10.調質鋼:淬火+回火(高溫)。
11.高強鋼焊接採用“低強匹配”能提高焊接區的抗裂性。
12.低碳調質鋼焊接時要注意兩個基本問題:①要求馬氏體轉變時的冷卻速度不能太快,使馬氏體有自回火作用,以防止冷裂紋的產生;②要求在800℃-500℃之間的冷卻速度大於產生脆性混合組織的臨界速度。低碳調質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的韌性。
13.對於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.中碳調質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於含碳量。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第二相沉澱強化: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於晶界,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,熱影響區的硬化、軟化以及焊後熱處理或高溫長期使用中的消除應力裂紋。
17.-10到-196℃的溫度範圍稱為“低溫”,低於-196℃時稱為“超低溫”。
二、鑄鐵的焊接性
1.鑄鐵的三大特點:減振性、吸油性、耐磨性。
2.鑄鐵的性能主取決於石墨的形狀、大小、數量和分佈等,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佔的比例為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%,屬於高碳鋼,焊接冷卻後立即出現高碳馬氏體,且焊接HAZ會出現白口組織,機械加工困難。
5.電弧熱焊:熔鑄件預熱到600-700℃,然後在塑性狀態下進行焊接,焊接溫度不低於400℃,為防止焊接過程中開裂,焊後立即進行消除應力處理及緩冷,此鑄鐵焊補工藝稱為電弧熱焊。
6.半熱焊:預熱溫度在300-400℃時稱為半熱焊。
三、不鏽鋼的焊接性
1.不鏽鋼:不鏽鋼是指能耐空氣、水、酸、鹼、鹽及其溶液和其他腐蝕介質腐蝕的,具有高度化學穩定性的合金鋼的總稱。
2.不鏽鋼的主要腐蝕形式有均勻腐蝕、點腐蝕、縫隙腐蝕和應力腐蝕等。均勻腐蝕,指接觸腐蝕介質的金屬表面全部產生腐蝕的現象;點腐蝕,指在金屬材料表面大部分不腐蝕或腐蝕輕微,而分散發生的局部腐蝕;縫隙腐蝕,在電解液中,如在氧離子環境中,不鏽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生遲滯現象,以至於溶液局部Cl-,形成濃差電池,從而導致縫隙中不鏽鋼鈍化膜吸附Cl-而被局部破壞的現象;晶間腐蝕,在晶粒邊界附近發生的有選擇性的腐蝕現象;應力腐蝕,指不鏽鋼在特定的腐蝕介質和拉應力作用下出現的低於強度極強的脆性開裂的現象。
3.防止點腐蝕的措施:1)減少氯離子含量和氧離子含量;2)在不鏽鋼中加入鉻、鎳、鉬、硅、銅等合金元素;3)儘量不進行冷加工,以減少位錯露頭處發生點腐蝕的可能;4)降低鋼中的含碳量。
4.不鏽鋼及耐熱鋼的高溫性能:475℃脆性,主要出現在Cr>13%的鐵素體,430-480℃之間長期加熱並緩冷,導致在常溫時或負溫時出現強度升高而韌性下降;σ相脆化,是Cr的質量分數的45%的典型,FeCr金屬間化合物,無磁性,硬而脆。
5.奧氏體不鏽鋼焊接接頭的耐蝕性:1)晶間腐蝕;2)熱影響區敏化區晶間腐蝕;3)刀狀腐蝕。
6.防止焊縫發生晶間腐蝕的措施:1)通過焊接材料,使焊縫金屬或者成為超低碳情況,或者含有足夠的穩定化元素Nb;2)調整焊縫成分獲得一定δ相。
7.熱影響區敏化區晶間腐蝕:指焊接熱影響區中加熱峰值溫度處於敏化加熱區間的部位所發生的晶間腐蝕。
8.刀狀腐蝕:在熔合區產生的晶間腐蝕,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採用又相組織的不鏽鋼;
③採用小電流焊接,減少焊接粗晶區的過熱程度及寬度;
④與腐蝕介質接觸的焊縫最後焊接;
⑤交叉焊接;⑥加大鋼中Ti,Tb含量,使焊接粗晶區的晶粒邊界有足夠的Ti、Tb與碳化合。
10.不鏽鋼為什麼採用小電流焊接?
以減小焊接熱影響區的溫度,防止焊縫晶間腐蝕的產生,防止焊條、焊絲過熱,焊接變形,焊接應力,減少熱輸入等。
11.引起應力腐蝕開裂的三個條件:環境,選擇性的腐蝕介質,拉應力。
12.防止應力腐蝕開裂的措施:1)調整化學成分,超低碳有利於提高抗應力腐蝕的能力,成分與介質的匹配問題;2)清除焊接殘餘應力;3)電化學腐蝕,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)一方面採用較母材更高Cr、Mo含量的所謂“超合金化”焊接材料。
14.奧氏體不鏽鋼焊接時會產生熱裂紋,應力腐蝕裂紋,焊接變形,晶間腐蝕。
15.奧氏體鋼焊接熱裂紋的原因:
1)奧氏體鋼的熱導率小,線膨脹係數大,拉應力致大;
2)奧氏體鋼易於聯生結晶形成方向性強的柱狀晶的焊縫組織,有利於有害雜質偏析;
3)奧氏體鋼合金組成較複雜,易溶共晶。
16.防止熱裂紋措施:①嚴格限制母材和焊接材料中的P、S含量;②儘量使焊縫形成雙相組織;③控制焊縫的化學成分;④小電流焊接。
17.奧氏體不鏽鋼選材時應注意:①堅持“適用性原則”;②根據所選各焊材的具體成分確定是否適用;③考慮具體應用的焊接方法和工藝參數可能造成的熔合比大小;④根據技術條件規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,具體合金成分在該合金系統中的作用,考慮使用性能要求和工藝焊接性要求。
18.鐵素體不鏽鋼焊接性分析:
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。
四、鎂及鎂合金的焊接性
1.氧化和蒸發
由於鎂的氧化性極強,在焊接過程中易形成氧化膜(MgO),MgO熔點高(2500℃)、密度大(3.2g/cm3),易在焊縫中形成夾雜,降低了焊縫性能。在高溫下,鎂還容易和空氣中的氮發生化學反應生成鎂的氮化物,弱化接頭的性能。鎂的沸點不高,這將導致在電弧高溫下很容易蒸發。
2.晶粒粗大
由於熱導率大,故焊接鎂合金時要用大功率熱源、高速焊接,易造成焊縫和近焊縫區金屬過熱和晶粒長大。
3.熱應力
鎂合金熱膨脹係數較大,約為鋁的1～2倍,在焊接過程中易產生大的焊接變形,引起較大的殘餘應力。
4.焊縫金屬下塌
由於鎂的表面張力比鋁小,焊接時很容易產生焊縫金屬下塌,影響焊縫成形質量。
5.氣孔
與焊接鋁合金相似,鎂合金焊接時易產生氫氣孔。氫在鎂中的溶解度隨溫度的降低而減小,而且鎂的密度比鋁小,氣體不易逸出,在焊縫凝固過程中會形成氣孔。
6.熱裂紋
鎂合金易與其他金屬形成低熔點共晶組織,在焊接接頭中易形成結晶裂紋。當接頭處溫度過高時,接頭組織中的低熔點化合物在晶界處會熔化出現空穴,或產生晶界氧化等,即所謂的“過燒”現象。
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