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,材料成型工程综合试验,
第二章 金属焊接性试验
沈阳工业大学材料成型及控制工程专业
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第一节 金属焊接性的概念及其影响因素
? 一 金属焊接性的概念
? 在 GB/T3375-1994,焊接术语, 中下的定义是:
? 金属焊接性是指金属材料在限定的焊接施工条件
下,焊接成规定设计要求的构件,并满足预定服役要
求的能力。
? 内涵,1 结合性能,金属焊接时对缺陷的敏感性。
? 2 使用性能,焊成的接头在指定的使用条件
下可靠运行的能力。
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二 影响金属焊接性的因素
? 1 材料因素
? ( 1)化学成分;( 2)
物理、化学性能;( 3)
冶炼方法等 。
? 2 制造因素
? ( 1)焊接方法;( 2)
焊接材料;( 3)焊接参
数等 。
? 3 结构因素(含服役
条件)
? ( 1)结构形式;( 2)
服役条件。
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第二节 金属焊接性试验的目的和内容
? 一 金属焊接性试验的目的
? 1 评定金属材料的焊接性;(按照有关标准规定的试件
尺寸和焊接参数试验)
? 2 研制和开发新型的焊接材料;(同上)
? 3 拟定产品的焊接工艺;(试件尺寸应符合产品特点,
焊接工艺参数是调整的对象)
? 二 金属焊接性试验的内容
? 1 工艺焊接性试验
? 目的:考察金属材料的结合性能
? ( 1)焊接裂纹敏感性试验
? a 焊接冷裂纹敏感性试验
? b 焊接热裂纹敏感性试验
? c 焊接再热裂纹敏感性试验
? d 层状撕裂敏感性试验等
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? ( 2) 析因理化试验
? a 焊接材料熔敷金属扩散氢试验
? b 焊缝和母材化学成分分析试验
? c 焊接接头金相试验
? d 焊接接头硬度试验等
? 2 使用焊接性试验
? 目的:考察焊接接头的使用性能
? ( 1) 焊接接头力学性能试验
? 如:拉伸试验、弯曲试验、冲击试验等。
? ( 2)其它特殊性能试验
? 如:焊接接头抗脆断试验、耐腐蚀性试
验、高温性能试验等。
? ( 3) 析因理化试验
? 如:焊接断口试验,焊接金相试验等。
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第三节 金属焊接性试验方法的分类及选
用原则
? 一 试验方法的分类
? 1 按试验者与研究对象的关系分类
? ( 1)间接试验:以推理或模拟为主要特征;
? ( 2)直接试验:以焊接试件为主要特征。
? 2 按照金属焊接性的内涵分类
? ( 1) 工艺焊接性试验:评定结合性能;
? ( 2) 使用焊接性试验:评定使用性能。
?
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二 试验方法的选用原则
? 1 尽可能地接近产品的
结构条件和使用条件
? 焊接接头型式相对应;
? 试件略大于焊件的拘
束度 RF。
? RF=K1δ=Eδ/L
? 式中,K1—拘束系数;
? δ—板厚;
? E—弹性模量;
? L—拘束长度。
? 2 具有较好的再现性和
试验精度。
? 3 经济简便。
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第四节 利用焊接性试验拟定焊接工艺的
基本思路
? 一 焊接工艺
? 在 GB1T3375-1994,焊接术语, 中下的定义是:
? 焊接工艺是制造焊件所有关的加工方法和实施要
求。包括:
? 1 焊前准备
? 2 选择焊接方法
? 3 选择焊接材料
? 4 选择焊接参数:例如:焊接电流、电弧电压、
焊接速度等。
? 5 制定工艺措施:例如:预热、焊后缓冷、焊后
热处理,焊后去氢处理等 。
? 6 制定操作要求
?
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二 拟定焊接工艺的基本思路
? 1 选择焊接方法
? 依据,a 被焊材料的种类;
? b 焊接产品的结构特点;
? c 生产效率和生产成本。
? 2 选择焊接材料
? 依据,a 被焊材料的化学成分或力学性能;
? b 产品的工作条件和使用性能要求;
? c 焊件刚性的大小、几何形状的复杂程度;
? d 焊接施工条件;
? f 劳动生产率和经济合理性。
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? 3 选择焊接参数
? ( 1)利用间接的焊接性试验方法分析材料的焊接
性和初步拟定焊接参数。
? ( 2)利用直接的焊接性试验方法对初步拟定的焊
接参数进行检验和调整。
? a 利用工艺焊接性试验(焊接冷裂纹敏感性试
验)确定热输入 E的下限
? E = 36IU/V
? b 利用使用焊接性试验(焊接接头冲击试验)
确定热输入 E的上限。
? 4 确定工艺措施
? 当按上述方法确定的热输入下限高于上限时,应
考虑采用预热、缓冷、后热、焊后热处理等工艺措施。
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第五节 常用的金属焊接性试验方法
? 一 金属焊接性间接试验方法
? 有碳当量法、冷裂敏感指数法,SH-CCT图法、焊接热
模拟试验法等。
? 1 碳当量法
? (1) 由国际焊接学会( IIW)推荐的公式
? CE(IIW)= C + Mn /6 +( Cr + Mo+V) /5+( Cu+ Ni)
/15
? 适用范围:中、高强度的非调质低合金高强钢(强
度为 500~ 900MPa)
? 判据:当 CE( IIW) ≤ 0.45%,且板厚小于 25时,可不
预热;当 CE( IIW) < 0.41%,且板厚小于 37时,可不预热。
?
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( 2)由美国焊接学会( AWS)推荐的公式
CE = C + Mn/6 + Si/24 + Ni/15 + Cr/5 + Mo/4 +
(Cu/13 + P/2)
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? 2 冷裂敏感指数法
? 冷裂敏感指数有 PC, PW, PH, PHT等。
? 举例:
? PC = Pcm+ 〔 H〕 /60 + δ/600
? To = 1440PC – 392
? 式中, Pcm— 化学成分冷裂敏感指数
? Pcm = C + Si/30 +( Mn + Cu+ Cr) /20 +
Ni/60 + Mo/15 + V/10 +5B
? 〔 H〕 — 熔敷金属中扩散氢含量(采用甘油
法) ml/100g;
? δ — 被焊金属板厚 mm;
? To — 预热温度 ℃ 。
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二 工艺焊接性直接试验法
? 在焊接缺陷中,最危险的缺陷是裂纹,因此是考查的重点。
? (一)焊接冷裂纹敏感性试验方法
? 1 斜 Y 形坡口焊接裂纹试验方法( GB4675.1-84)
? 可用于评定钢材的冷裂敏感性,也可用于拟定焊接
工艺。
? ( 1)制备试样,如下图:
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? ( 2)试验方法
? 1)焊接拘束焊缝。先焊背面,再焊正面,交替
焊满坡口。
? 2)焊接试验焊缝。若评定钢材的冷裂敏感性,
焊接参数为:
Ig=170± 10A; Ug=24± 2V; 焊速 V=150± 10mm/min;
焊条直径 Ф4 。
? 若拟定焊接工艺,焊接参数是调整的对象。
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? (3) 检测和计算
? 试件放置 48h后,用眼睛或放大镜检查焊接接头表
面是否有裂纹。
? 1)表面裂纹率 Cf
? Cf = ( ∑ Lf / L) × 100%﹪
? 式中,∑ Lf—表面裂纹长度之和( mm);
? L —试验焊缝长度 (mm)。
? 2)根部裂纹率 Cr
? 先将试件着色弯断,检查焊根处的裂纹。
? Cr = (∑Lr / L) × 100%
? 式中,∑ Lr—焊根裂纹长度之和( mm),见下图;
? L—试验焊缝长度( mm)。
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? 3 )断面裂纹率 Cs
? 对试验焊缝,沿长度方向切取四等份,检查 5
个断面的裂纹深度。
? Cs = ( Hc / H ) × 100%﹪
? 式中,Hc —断面裂纹的高度( mm),见下图;
? H —试验焊缝的最小厚度( mm),见下图。
动画
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? 2 插销冷裂纹试验方法( GB9446-88)
? 该方法是一种定量分析的试验方法。
? ( 1)制备试件
? 1)插销试件
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2)底板
( 2)装配试件
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( 3)试验方法
? 1)堆焊焊缝
? 按选定的焊接参数堆焊一道长 100~ 150mm长的
焊缝。
? 2)施加拉伸静载荷
? 当试件冷却到 150℃ 时加预选载荷,在 100℃ 前
加载完毕。
动画
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? 3)保持载荷,并记时。
? 如果保持载荷达到 16h不断,此应力为临界应力
? σ cr。试验结果可画出曲线。
? 判据:当 σ cr > σ s 时,认为工艺安全。
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?(二)焊接热裂纹敏感性试验方法
? 1 压板对接( FISCO) 焊接裂纹试验方法 GB4675.4-84),
可用于评定焊条焊缝的热裂纹敏感性。
?( 1)准备试件
? 试件材质与焊件相
?同,采用原板厚,开
?I形坡口。
? 采用机械加工方法。
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? ( 2)试验装置
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? ( 3)试验步骤
? 把试件安装在 C形装置中,调好坡口间隙。将螺栓
旋紧,在水平、垂直方向顶紧试板。用待试焊条焊 4条
长约 40mm的试验焊缝。 10min后,取出试件,沿焊缝弯
断,观察断面有无裂纹。
? ( 4)计算裂纹率 C
? C = (∑l i / ∑L i ) × 100%﹪
? 式中,∑ li —4条试验焊缝上的裂纹长度之和( mm);
? ∑ Li —4条焊缝的长度之和( mm )。
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? 三 使用焊接性直接试验方法
? 不同产品有不同使用性能要求,共同的性能要求
是必需满足常规的力学性能要求。
(一)焊接接头常规力学性能试板制备
? 宽度:应满足焊接接头拉伸试样、弯曲试样长度要
求;
? 长度:应满足制取各种性能试样以及舍弃部分的要
求;
? 厚度:为焊件板厚。
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? (二)焊接接头拉伸试

? 板接头板形拉伸试
样如图所示,至少 1个。
? 按 GB228-87,金属
拉伸试验法,,在拉力
机上进行。
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? (三)焊接接头弯曲试验
? 试样种类和数量按相关标准制取。如无注明,可
制取正弯、背弯、侧弯试样各不少于 1个,纵弯不少于
2个。尺寸按 GB2649-89中的规定。
? 试验按 GB232-88,金属弯曲试验法,,在拉力机
上进行。
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? (四)焊接接头冲击试验
? 试样尺寸如图所示:
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? 缺口按要求可开在焊缝、熔合线或 HAZ,如图所示。
? 冲击试样每组 3个。
? 试验按 GB2106-80,金属夏比( V形缺口)冲击试
验方法, 和 GB4159-84,金属低温夏比冲击试验方法,,
在冲击试验机上进行。
? (五)其它特殊性能试验
? 如:耐腐蚀性能试验、高温性能试验等。
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四 析因理化试验
?目的:分析影响金属焊接性的内在原因。
主要包括:
?( 1)焊接材料熔敷金属扩散氢测定试验;
?( 2)焊接接头金相分析试验;
?( 3)焊接接头维氏硬度试验;
?( 4)化学成分分析试验;
?( 5)焊接接头断口分析试验。
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(一)焊接材料熔敷金属扩散氢测定试验
试验方法有甘油法、水银法、色谱法等,常用的
是甘油法。
1 甘油法试验原理:
焊接试样,利用仪器收
集从试样扩散出来的氢气。
2 测定装置:如图所示。
3 试样:焊条电弧焊:
100× 25× 12mm
4 试验方法:试样焊接
以后,用丙酮清洗、吹干;
在 90s内放入氢气收集器内;
经 72h后读取气体读数 Vo。
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5 计算:
V o = PVTo/PoWT × 100
式中,P — 实验室气压 KPa ;
V — 收集的氢气体积数 ml ;
W — 熔敷金属质量
(焊后试样质量 —焊前试样质量) g ;
Po — 101 KPa ;
To — 273 K ;
T — ( 273+t) k ;
t — 恒温箱中的温度 ℃ 。
每组做 4个试样,求平均值。
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(二)焊接接头金相分析试验
从裂纹试件截取金相分析试样,对断面进行磨光、抛
光和浸蚀,在光学显微镜下观察。
观察部位:焊缝、熔合
区,HAZ、母材。
(三)焊接接头维氏硬度试验
在金相分析试样断面画一
条平行于表面,且穿过各个区
的直线,在维氏硬度计上打硬
度。每隔 0.5mm打一硬度,分
布曲线如图所示,取 HVmax为
评定参数。
图示
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第六节 金属焊接性试验工程应用实例
—— 拟定 20MnMoNb钢大厚度高压蓄势水罐焊接工艺(自学)