金屬材料焊接本課程學習目的：1.掌握常用材料的焊接性分析2.焊接過程中易出現的問題及其產生原因、影響因素、解決問題的工藝措施與途徑。3.為保證焊接質量如何選擇焊接材料與焊接工藝。第一單元第一節金屬材料的焊接性一、金屬“焊接性”的概念金屬材料焊接性根據GB/T3375-1994《焊接術語》的定義：“金屬材料在限定的施工條件下焊接成規定設計要求的構件，并滿足預定服役要求的能力”。優質焊接接頭應具備的兩個條件：一是接頭中不允許存在超過質量標準規定的缺陷；二是要具有預期的使用性能。金屬材料焊接性是指金屬材料對焊接加工的適應性和使用的可靠性，它包括工藝焊接性和使用焊接性。1．工藝焊接性工藝焊接性是指金屬材料對各種焊接方法的適應能力，也就是在一定的焊接工藝條件下能否獲得符合要求的優質焊接接頭的能力。它不是金屬材料本身所固有的性能，但取決于金屬的成分和性能，并且隨著焊接方法、焊接材料和工藝措施的發展而變化。2．使用焊接性使用焊接性是指焊接接頭或整體結構滿足技術條件中所規定的使用性能的能力。它取決于焊接結構所滿足的技術條件規定的各種性能。二影響金屬焊接性的因素1材料因素（1）化學成分；（2）物理、化學性能；（3）冶煉方法等。2制造（工藝）因素（1）焊接方法；（2）焊接材料；（3）焊接參數等。3結構因素4使用條件三、分析金屬焊接性的方法1．碳當量法2．焊接冷裂紋敏感指數法3．利用金屬材料的物理性能分析4．利用金屬材料的化學性能分析5．利用合金相圖或SHCCT（CCT）圖分析1．碳當量法在鋼材所含有的各種元素中，碳對冷裂敏感性的影響最顯著，因此將鋼中各種元素都按相當于若干含碳量折合并疊加起來即為“碳當量”，并以此來判斷鋼材的淬硬傾向和冷裂敏感性，進而推斷鋼材的焊接性。目前應用的碳當量計算公式：國際焊接學會（IIW）推薦的CE、日本工業標準（JIS）規定和美國焊接學會推薦的Ceq。碳當量計算公式和應用范圍見表1-4

表1-4碳當量計算公式和應用范圍碳當量計算公式適用范圍國際焊接學會（IIW）推薦CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15(%)中高強度的非調質低合金高強度鋼wc≥0.18%σb=500～900Mpa日本工業標準（JIS）規定Ceq(JIS)=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14(%)調質低合金高強度鋼Rm=500～1000MPa化學成分wc≤0.20%、wsi≤0.55%、wMn≤1.5%、wCu≤0.5%、wNi≤2.5%、wCr≤1.25%、wMo≤0.7%、wV≤0.1%、wB≤0.006%美國焊接學會（AWS）推薦Ceq(AWS)=C+Mn/6+Si/24+Ni/15+Cr/5+Mo/4+Cu/13+P/2(%)碳鋼和低合金高強鋼化學成分wc＜0.6%、wMn＜1.6%、wNi＜3.3%、wCr＜1.0%、wMo＜0.6%、wCu=0.5%～1%、wP=0.05%～0.15%使用國際焊接學會（IIW）推薦的CE：對板厚小于20mm的鋼材，當CE<0.4%時，鋼材的淬硬傾向不大，焊接性良好，焊前不需預熱；當CE=0.4～0.6%時，鋼材易于淬硬，焊接性較差，焊接時必須預熱才能防止裂紋，隨著板厚及碳當量的增加，預熱溫度也相應提高；當CE＞0.6%時，鋼材淬硬傾向很大，焊接性差，焊接時必須采用嚴格的工藝措施如預熱、后熱、緩冷等，以防止產生裂紋。

使用日本工業標準（JIS）規定的Ceq(JIS)：對板厚小于20mm的鋼材和采用焊條電弧焊時，對于強度等級不同鋼材規定了不產生裂紋的臨界值和相應的預熱措施，見表1-5

表1-5鋼材強度級別與碳當量和預熱溫度的關系鋼材強度級別（σb/MPa）Ceq(JIS)（%）臨界值預熱溫度（℃）5000.46不預熱6000.52757000.521008000.62150使用美國焊接學會推薦的Ceq(AWS)：應根據Ceq(AWS)值再結合焊件厚度，先從圖1-1查出該鋼種焊接性的優劣等級，再根據表1-6確定出其焊接的最佳工藝措施。

表1-6鋼材焊接性等級不同時的最佳焊接工藝措施焊接性等級酸性焊條堿性焊條消除應力Ⅰ（優良）不需預熱不需預熱不需Ⅱ（較好）預熱40～100℃-10℃以上不預熱兩可Ⅲ（尚好）預熱150℃預熱40～100℃需要Ⅳ（尚可）預熱150～200℃預熱100℃需要圖1-1焊接性與碳當量和板厚的關系

2．焊接冷裂紋敏感指數法焊接冷裂紋敏感指數（Pc）不僅包括了母材的化學成分，又考慮了熔敷金屬含氫量與拘束條件（板厚）的作用。斜Y形坡口焊接裂紋試驗的冷裂紋敏感指數公式：Pc=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B+δ/600+［H］/60（%）根據Pc值可以通過經驗公式求出斜Y型坡口對接裂紋試驗條件下，為了防止冷裂紋所需要的最低預熱溫度T0（℃）T0=1440Pc–392斜Y型坡口焊接裂紋試驗法用于評定碳鋼和低合金高強度鋼焊接熱影響區對冷裂紋的敏感性屬于自拘束裂紋試驗其試驗要求應遵從GB/T4675.1--1984《焊接性試驗--斜Y型坡口焊接裂紋試驗法》的規定。1．試件制備試件的尺寸和形狀如圖1-2所示，板厚為9～38mm采用機械方法加工試件坡口試板兩端各焊接60mm的拘束焊縫采用雙面焊試件中間待焊部位有2mm的間隙。圖1-2試件尺寸和形狀2、施焊條件用焊條電弧焊施焊的試驗焊縫如圖1-3a所示，用自動送進裝置施焊的試驗焊縫如圖1-3b所示。試驗焊縫只焊一道，不要求填滿坡口，并可在不同溫度下施焊。焊后靜置和自然冷卻48h后截取試樣和進行裂紋檢測。焊接參數：焊條直徑4mm，焊接電流（170±10）A，電弧電壓（22～24）V，焊接速度（150±10）mm/min。圖1-3施焊時的焊縫示意圖a）焊條電弧焊試驗焊縫b）焊絲自動送進的試驗焊縫3、裂紋檢測（1）表面裂紋率Cf如圖1-4aCf=∑lf/L×100%（2）根部裂紋率檢測根部裂紋時，應將試件著色后拉斷或折斷，按圖1-4b進行根部裂紋測量。Cr=∑lr/L×100%（3）斷面裂紋率Cs在試驗焊縫上，用機械加工方法等分切取4～6塊試樣，如圖1-4c所示，檢查5個斷面上的裂紋深度，按下式計算CsCs=∑Hs/∑H×100%圖1-4試樣裂紋長度計算A）表面裂紋b）根部裂紋c）斷面裂紋3．利用金屬材料的物理性能分析金屬材料的物理性能，對焊接熱循環、熔池冶金過程、結晶與相變過程等都有明顯的影響。熱導率大的材料（銅），傳熱快，焊接時熔池結晶速度快容易產生氣孔和熔透不足；而熱導率低的材料（鈦、不銹鋼），焊接時由于溫度梯度大會產生較大的應力及變形，而且還會因為高溫停留時間延長而導致焊縫金屬晶粒粗大。焊接線脹系數大的材料（如不銹鋼），接頭的應力和變形必然更嚴重；焊接密度小的材料（如鋁及其合金），則容易在焊縫中產生氣孔和夾雜。4．利用金屬材料的化學性能分析化學性質比較活潑的金屬（如鋁、鎂、鈦及其合金），在焊接條件下極易被氧化。有些金屬材料甚至對氧、氮、氫等氣體都極為敏感，焊接這些材料時需要采取惰性氣體保護焊和在真空中焊接等保護可靠的焊接方法，有時甚至在焊縫背面也要進行保護。鈦對氧、氮、氫等氣體都極為敏感，吸收這些氣體后力學性能顯著降低，特別是韌性降低嚴重，因此要嚴格控制這些氣體對焊縫及熱影響區的影響。5．利用合金相圖或SHCCT（CCT）圖分析例如對于共晶相圖，其固、液相線之間的溫度區間大，會造成結晶時的成分偏析、低熔點共晶的生成和脆性溫度區間的大，熱裂紋傾向大。對于各種低合金鋼來說，可以利用各自的連續冷卻組織轉變圖（CCT圖）或模擬熱影響區的連續冷卻組織轉變圖（SHCCT圖）分析其焊接性。可以根據轉變圖預測熱影響區組織、性能和硬度變化，從而預測某種鋼焊接熱影響區的淬硬傾向和產生冷裂紋的可能性，以便確定適當的焊接工藝條件。表1-1常用金屬材料焊接難易程度金屬及合金焊條電弧焊埋弧焊CO2氣體保護焊氬弧焊電渣焊電子束焊氣焊電阻焊非合金鋼低碳鋼AAABAAAA中碳鋼AAABBAAA高碳鋼ABBBBAAD鑄鐵灰鑄鐵ADADBDBD低合金鋼錳鋼AAABBABD鉻釩鋼AAABBABD不銹鋼馬氏體不銹鋼AABACABC鐵素體不銹鋼AABACABA奧氏體不銹鋼AAAACABA注：A--通常采用，B--有時采用，C--很少采用，D--不采用

表1-1常用金屬材料焊接難易程度（續）金屬及合金焊條電弧焊埋弧焊CO2氣體保護焊氬弧焊電渣焊電子束焊氣焊電阻焊非鐵金屬材料純鋁BDDA