[]焊接性解读

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1、二、焊接冶金、金属焊接性与焊材选用二、焊接冶金、金属焊接性与焊材选用-4.-4.金属焊接性金属焊接性刘刘 多多主要内容4.1 4.1 材料在工程中的发展及应用材料在工程中的发展及应用4 4.2 .2 焊接性定义及其分析方法焊接性定义及其分析方法4 4.3 .3 焊接性试验内容和方法焊接性试验内容和方法 4.1 材料在工程中的发展及应用材料在工程中的发展及应用历史上，石器时代、青铜器时代、铁器时代，都是以材料为标志划分。自古以来，材料和结合手段就一直密不可分，彼此相互促进，不断发展着。20世纪初，电弧技术用于钢铁产品，促使焊接和钢结构出现了质的飞跃。4.1.1 4.1.1 钢结构的发展及应用钢结

2、构的发展及应用 先进的工业化国家都非常重视钢铁材料的研究和开发。合金结构钢近30年来受到世界各国的普遍重视，并仍将成为今后20-30年材料发展的基本方向。国外近几年在不同结构上使用低合金钢的比例见表1。世界和中国主要工业部门对低合金钢的需求见表2。4.14.1材料在工程中的发展及应用材料在工程中的发展及应用 表1 国外近几年在不同结构上使用低合金钢的比例项目项目欧洲欧洲%北美北美%日本日本%结构用型钢30 2010船舶用型钢钢板桩结构用钢板15-30 2020 1525 201010010-30建筑用薄板95 8070海洋工程用钢板海洋工程用型钢90 3070 207010表2 主要工业部门对

3、低合金钢的需求4.1.2 4.1.2 有色金属的发展及应用有色金属的发展及应用随着市场经济的发展，有色金属的应用越来越多，从原来的航空航天部门逐渐扩展到电子、信息、汽车、交通、轻工等民用领域。地壳中含量最高的铝、镁均为有色金属，其他有色金属还有铜、钛、锌、锡、镍、钼等，涉及到结构材料、功能材料、环境保护材料和生物材料等。有色金属及合金的分类方法很多，按基体金属可分为铝合金、铜合金、钛合金、镍合金等；根据组成合金的元素数目，可分为二元合金、三元合金和多元合金。合金组分总的质量分数小于2.5%的为低合金，总质量分数为2.5%-10%的为中合金，总质量分数大于10的为高合金。1 1铝及铝合金铝及铝合

4、金 铝合金在国民经济及国防建设中占有很大的比重，占整个有色金属产量的1/3以上。铝合金具有密度低、强度高、耐腐蚀、导电导热性好、可焊接及加工性能好等特点，应用范围仅次于钢铁，成为第二大金属。铝及其合金广泛应用于航空航天、汽车、高速列车、地铁车辆、飞机、舰船等交通运载工具中，表现出安全、节能和减少废气排放量等多方面的优越性能，铝的应用前景十分广阔。2 2铜及铜合金铜及铜合金 铜及铜合金具有较高的导电导热性、抗磁性、耐蚀性和良好的加工性，除用于一般电器产品外，也是高能物理、超导技术、低温工程等高科技发展中必不可少的材料。纯铜多用于电线、电缆、雷管、化工蒸发器、储藏器及各种管道中，特别是新开发的无氧

5、铜（高纯铜），在电真空器件及高科技发展中有着不可替代的作用。黄铜的价格比纯铜便宜，易于铸造和加工，在大气中具有足够的耐蚀性，在日常生活中得到广泛应用。青铜在世界文明史及现代工业中占有重要地位。其中锡青铜，在大气及热气体中具有很好的耐蚀性和焊接性。白铜（即铜镍合金）较其他铜合金具有更高的耐蚀性，力学性能和物理性能都非常良好。3 3钛及钛合金钛及钛合金钛及钛合金是一种战略金属。钛及钛合金在汽车、航天和航空工业中用量很大。日本神户制钢公司已经开发出轿车和运动摩托车排气系统用新型钛合金，最高温度可达800。美国汽车公司在汽车弹簧、发动机连杆和阀门上也采用了钛合金材料。近年来，在飞机机体制造方面，树脂基

6、复合材料和钛合金用量增加。例如：美国第四代战斗机F-22，钛合金用量占结构质量的41%；俄罗斯第三代战斗机苏-27，钛合金占18%。在开发钛及钛合金的同时，我国也在钛加工技术方面，特别是钛合金的焊接性方面，开展了大量的工作。开发的中强TC4、TA15钛合金已应用于J10、J11飞机和人造卫星，TB8超高强钛合金已用作J11系列飞机后机身，高强、高韧TC21钛合金已用于战斗机的重要承力件等。4.1.34.1.3 先进材料的发展及应用先进材料的发展及应用先进材料的定义：指除常规钢铁材料和有色金属之外已经开发或正在开发的具有特殊性能和用途的材料，如新型陶瓷、金属间化合物和复合材料等。先进材料的开发和

7、应用是发展高新技术的重要物质基础，焊接技术对其推广应用起着至关重要的作用。当前发展的先进材料根据其使用性能可分为结构材料和功能材料，这些材料具有高强度、高韧性、耐高温、抗腐蚀等优点。1 1先进陶瓷先进陶瓷先进陶瓷在组成、性能、制造工艺和应用等方面都与传统陶瓷截然不同。组成已由原来的SiO2、Al2O3、MgO等发展到了Si3N4、SiC、ZrO2等。先进陶瓷是现代工程中不可缺少的重要材料，焊接技术对于推动先进陶瓷在工程中的应用起着极为重要的作用。先进陶瓷突出的优点是能耐更高的温度，是一种非常好的高温材料。但由于其固有的脆性而使其应用受到很大的限制，焊接难度很大。在新能源、航天以及海洋开发等特殊

8、领域具有广泛的应用前景。2 2金属间化合物金属间化合物金属间化合物具有长程有序的超点阵结构，属于金属键结合，其晶体结构与组成它的两个组元的原子呈有序排列，具有许多独特的物理、化学和力学性能，是一种很有发展前景的高温结构材料。Ni3Al在950时获得660%的超塑性，Ni3Al电热丝在1000的工作寿命超过了Ni-Cr丝。Ti3Al的合金化、工艺、组织结构控制等取得较大进展，在航空航天应用十分广泛。Fe3A1金属间化合物能够满足在发动机零部件、电磁元件、熔炉高温装置以及航空航天、电力等部门中的应用要求。3 3先进复合材料先进复合材料复合材料的开发应用克服了单一材料所固有的局限性。先进树脂复合材料

9、的主要特点为：高比强、高弹性模量、低膨胀系数、优良的尺寸稳定性，及优异减振性和抗疲劳性能。金属基复合材料的发展较树脂基复合材料晚。除了高强度、高弹性模量和低膨胀系数外，还具有优良的韧性和抗冲击能力，对表面缺陷没有树脂基复合材料敏感，具有耐热性高、不吸潮、导电和导热性好等优点。目前存在的问题，除制造工艺较为复杂和成本较高外，主要是增强剂与基体之间的界面反应易形成低应力破坏的脆性界面。发展陶瓷复合材料是解决陶瓷材料本身脆性的有效措施。碳-碳复合材料不仅是一种很好的烧蚀防热材料和耐高温、抗磨损材料，而且经渗硅处理后的碳-碳复合材料已具有抗氧化能力，已成功地用于航天飞机作为能重复使用的热结构材料。4.

10、2 焊接性定义及其分析方法焊接性定义及其分析方法4 4.2 .2 焊接性定义及其分析方法焊接性定义及其分析方法科学研究和工程实践表明，某些材料具有较高的强度、塑性和耐蚀性等，但用这些材料制造结构时却发现，它们在焊接加工时可能出现裂纹、气孔、夹渣等缺陷，大大限制了这些材料的使用范围。单从材料本身的化学成分、物理性能和力学性能，不足以判断它在焊接过程中可能出现的问题，这就要求从焊接性的角度出发来分析和研究材料的某些特定的性能。4.2.1 焊接性的概念 焊接性，有时又称为可焊性，是指 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的可

11、靠性。GB/T3375-94 焊接术语焊接性的内涵：金属在进行焊接加工中是否容易产生缺陷？形成的焊接接头在一定的使用条件下是否具有可靠运行的能力？12研究焊接性的研究焊接性的目的目的：在于查明一定的材料在指定的在于查明一定的材料在指定的焊接工艺条件下可能出现的问题，以确定焊接工艺焊接工艺条件下可能出现的问题，以确定焊接工艺的合理性或材料的改进方向。的合理性或材料的改进方向。焊接性焊接性工艺焊接性工艺焊接性：在一定焊接工艺条件下，能否获得优质、无缺陷的焊接接头的能力。使用焊接性使用焊接性：焊接接头或整体结构满足某种使用性能的能力。如果材料可以在简单的工艺下焊接即可获得完好的接头，满足使用要求，就

12、可以说焊接性良好。反之，如果必须在很复杂的工艺下（高温、高真空、高能量密度等）焊接才能获得满足要求的接头，则焊接性较差。如焊后接头的力学性能、低温韧性，疲劳性能、抗腐蚀性等指标。焊接过程是一个独特的“小冶金”过程，在熔化焊的条件下，焊缝和热影响区经历了复杂但有规律的焊接热循环。从理论上分析，任何金属或合金，只要在熔化后能够互相形成固溶体或共晶，都可以经过熔焊形成接头。同种金属或合金之间可以形成焊接接头，一些异种金属或合金之间也可以形成焊接接头，但有时需要通过加中间过渡层的方式实现焊接。对于熔焊来说，焊接过程一般包括对于熔焊来说，焊接过程一般包括冶金过程冶金过程和和热过程热过程这两个必不可少的过

13、程。在焊接接头区域，冶金过程这两个必不可少的过程。在焊接接头区域，冶金过程主要影响焊缝金属的组织和性能，而热过程主要影响主要影响焊缝金属的组织和性能，而热过程主要影响热影响区的组织和性能。热影响区的组织和性能。(1)(1)冶金焊接性冶金焊接性 冶金焊接性是指熔焊高温下的熔冶金焊接性是指熔焊高温下的熔池金属与气相、熔渣等相之间发生化学冶金反应所引池金属与气相、熔渣等相之间发生化学冶金反应所引起的焊接性变化。这些冶金过程包括：起的焊接性变化。这些冶金过程包括：合金元素合金元素的氧的氧化、还原、蒸发，从而影响焊缝的化学成分和组织性化、还原、蒸发，从而影响焊缝的化学成分和组织性能；能；氧、氢、氮氧、氢

14、、氮等的溶解、析出对生成等的溶解、析出对生成气孔气孔或对焊缝或对焊缝性能的影响；在焊缝结晶及冷却过程中，由于焊接熔性能的影响；在焊缝结晶及冷却过程中，由于焊接熔池的化学成分、凝固结晶条件以及接头区热胀冷缩和池的化学成分、凝固结晶条件以及接头区热胀冷缩和拘束应力等影响，有时产生拘束应力等影响，有时产生热裂纹或冷裂纹热裂纹或冷裂纹。(2)(2)热焊接性热焊接性 焊接过程中要向接头区域输入很多焊接过程中要向接头区域输入很多热量，对焊缝附近区域形成加热和冷却过程，这对热量，对焊缝附近区域形成加热和冷却过程，这对靠近焊缝的热影响区的组织性能有很大影响，从而靠近焊缝的热影响区的组织性能有很大影响，从而引起

15、热影响区硬度、韧性、耐蚀性等的变化。与焊引起热影响区硬度、韧性、耐蚀性等的变化。与焊缝金属不同，焊接时热影响区的化学成分一般不会缝金属不同，焊接时热影响区的化学成分一般不会发生明显的变化，而且不能通过改变焊接材料来进发生明显的变化，而且不能通过改变焊接材料来进行调整，即使有些元素可以由熔池向熔合区或热影行调整，即使有些元素可以由熔池向熔合区或热影响区粗晶区扩散，那也是很有限的。为了改善热焊响区粗晶区扩散，那也是很有限的。为了改善热焊接性，除了选择母材之外，还要正确选定焊接方法接性，除了选择母材之外，还要正确选定焊接方法和热输入。和热输入。4.2.2 影响焊接性的因素1.材料因素母材焊接材料2.

16、工艺因素焊接方法焊接工艺措施3.设计因素 焊接结构和接头形式4.使用条件 工作温度、受载类别、工作环境等影响热影响区的性能影响热影响区的性能焊缝金属的成分和性能焊缝金属的成分和性能焊接热源，对接头的保护焊接热源，对接头的保护焊前预热，焊后热处理焊前预热，焊后热处理影响传热、结晶、应影响传热、结晶、应力状态等力状态等低温抗脆断，高温抗蠕变，交变载荷抗疲低温抗脆断，高温抗蠕变，交变载荷抗疲劳，抗腐蚀性能等劳，抗腐蚀性能等1 1材料因素材料因素材料因素包括材料因素包括母材本身母材本身和使用的和使用的焊接材料焊接材料，母材或焊，母材或焊接材料选用不当时，会造成焊缝成分不合格、力学性接材料选用不当时，会

17、造成焊缝成分不合格、力学性能和其他使用性能降低，甚至导致裂纹、气孔、夹渣能和其他使用性能降低，甚至导致裂纹、气孔、夹渣等焊接缺陷，也就是使工艺焊接性变差。因此，正确等焊接缺陷，也就是使工艺焊接性变差。因此，正确选用母材和焊接材料是保证焊接性良好的重要因素。选用母材和焊接材料是保证焊接性良好的重要因素。2 2设计因素设计因素对体积和重量有要求的焊接结构，设计中应选择比强对体积和重量有要求的焊接结构，设计中应选择比强度较高的材料，如轻合金材料，以达到缩小体积、减度较高的材料，如轻合金材料，以达到缩小体积、减轻重量的目的。对体积和重量无特殊要求的焊接结构轻重量的目的。对体积和重量无特殊要求的焊接结构

18、，选用强度等级较高的材料也有其技术经济意义，不，选用强度等级较高的材料也有其技术经济意义，不仅可减轻结构自重，节约大量钢材和焊接材料。仅可减轻结构自重，节约大量钢材和焊接材料。焊接接头的结构设计会影响焊接接头的结构设计会影响应力状态应力状态，设计结构时应，设计结构时应使接头处的应力处于较小的状态，能够自由收缩，这使接头处的应力处于较小的状态，能够自由收缩，这样有利于减小应力集中和防止焊接裂纹。样有利于减小应力集中和防止焊接裂纹。3 3工艺因素工艺因素对于同一种母材，采用不同的焊接方法和工艺措施，对于同一种母材，采用不同的焊接方法和工艺措施，所表现出来的焊接性有很大的差异。例如，铝及其合所表现出

19、来的焊接性有很大的差异。例如，铝及其合金用气焊较难进行焊接，但用氩弧焊就能取得良好的金用气焊较难进行焊接，但用氩弧焊就能取得良好的效果效果 。发展新的焊接方法和新的工艺措施是改善工艺。发展新的焊接方法和新的工艺措施是改善工艺焊接性的重要途径。焊接性的重要途径。焊接方法对焊接性的影响首先表现在焊接热源能量密焊接方法对焊接性的影响首先表现在焊接热源能量密度、温度以及热量输入上，其次表现在保护熔池及接度、温度以及热量输入上，其次表现在保护熔池及接头附近区域的方式上。头附近区域的方式上。工艺措施对防止焊接缺陷，提高接头使用性能有重要工艺措施对防止焊接缺陷，提高接头使用性能有重要的作用。最常见的工艺措施

20、是的作用。最常见的工艺措施是焊前预热、缓冷和焊后焊前预热、缓冷和焊后热处理。热处理。4 4使用条件使用条件焊接结构的焊接结构的服役环境服役环境多种多样，如工作温度高低、工作介多种多样，如工作温度高低、工作介质种类及辐射等都属于环境条件。质种类及辐射等都属于环境条件。高温工作的焊接结构，高温工作的焊接结构，要求材料具有要求材料具有足够的高温强度足够的高温强度，良好的化学稳定性；常温，良好的化学稳定性；常温下工作的焊接结构，要求材料在自然环境下具有良好的下工作的焊接结构，要求材料在自然环境下具有良好的力力学性能学性能；工作温度低或载荷为冲击载荷时，工作温度低或载荷为冲击载荷时，要注意材料在要注意材

21、料在最最低环境温度下低环境温度下的性能，尤其是的性能，尤其是韧性韧性。总之，总之，焊接性与材料、设计、工艺和服役环境等因素焊接性与材料、设计、工艺和服役环境等因素有密切关系有密切关系，人们不可能脱离这些因素而简单地认为某种，人们不可能脱离这些因素而简单地认为某种材料的焊接性好或不好，也不能只用某一种指标来概括某材料的焊接性好或不好，也不能只用某一种指标来概括某种材料的焊接性。种材料的焊接性。各种金属材料焊接的难易程度见表各种金属材料焊接的难易程度见表3 3。常用金属材料焊接中可能出现的问题见表常用金属材料焊接中可能出现的问题见表4 4。表3 各种金属材料焊接难易程度一览表注：A通常采用，B有时

22、采用，C很少采用，D不采用碳素钢 铸铁低合金钢不锈钢有色金属表4 常用金属材料焊接中的问题 4.2.3 焊接性分析方法工艺焊接性工艺焊接性的角度：考察金属材料在一定的焊接工艺条件下，产生焊接缺陷的倾向性。材料化学成分物理性能化学性能焊接热源特点使用焊接性使用焊接性的角度：考察金属材料在给定焊接条件下，获得的接头是否满足设计提出的性能指标要求。4.3 焊接性试验内容和方法4.3.1 焊接性试验内容 焊接性试验用于材料焊接性的评定。工工艺焊接性评定的准则艺焊接性评定的准则是评定焊接接头产生工艺缺陷的倾向，为制定合理的焊接工艺提供依据。使用焊接性的评定使用焊接性的评定要根据结构的工作条件和设计上提出

23、的技术规定进行。焊接性试验内容主要包括：1.评价焊缝金属抵抗产生热裂纹抵抗产生热裂纹的能力2.评价焊缝和热影响区金属抵抗产生冷裂纹抵抗产生冷裂纹的能力3.评价焊接接头抵抗脆性转变抵抗脆性转变的能力4.评价焊接接头的使用性能使用性能1.评价焊缝金属抵抗产生热裂纹的能力评价焊缝金属抵抗产生热裂纹的能力 热裂纹是在焊接熔池金属结晶过程中，由于存在一些有害元素或低熔点共晶体而在拉伸应力作用下产生的。热裂纹是一种经常发生又危害严重的焊接缺陷。热裂纹产生的倾向与母材、焊材及它们的匹配有关。焊缝熔池金属在结晶时，由于存在S、P等有害元素（如形成低熔点的共晶物）并受到较大热应力作用，可能在结晶末期产生热裂纹，

24、这是焊接中必须避免的一种缺陷。焊缝金属抵抗产生热裂纹的能力常常被作为衡量金属焊接性的一项重要内容。通常通过热裂纹敏感指数和热裂纹试验来评定焊缝的热裂纹敏感性。2.评价焊缝和热影响区金属抵抗产生冷裂纹的能力评价焊缝和热影响区金属抵抗产生冷裂纹的能力 冷裂纹是焊缝及热影响区金属在焊接热循环作用下，由组织硬化、拉伸应力及扩散氢共同作用而产生的。冷裂纹在合金结构钢焊接中是最为常见的缺陷，这种缺陷的发生具有延迟性并且危害很大。在焊接热循环作用下，焊缝及热影响区由于组织、性能发生变化，加之受焊接应力作用以及扩散氢的影响，可能产生冷裂纹（或延迟裂纹），这也是焊接中必须避免的严重缺陷，常被作为衡量金属焊接性的

25、重要内容。一般通过间接计算和焊接性试验来评定冷裂纹敏感性。3.评价焊接接头抵抗脆性转变的能力评价焊接接头抵抗脆性转变的能力 焊缝金属及热影响区组织在经过焊接冶金反应、结晶、固态相变等过程后，会发生粗晶脆化、组织脆化、热应变时效脆化等，导致接头韧性下降。尤其对在低温条件下使用的焊接结构影响更大。对于在低温下工作的焊接结构和承受冲击载荷的焊接结构，经冶金反应、结晶、固态相变等过程，焊接接头由于受脆性组织、硬脆的非金属夹杂物、热应变时效脆化、冷作硬化等作用的结果，发生所谓的焊接接头脆性转变。所以焊接接头抗脆性断裂（或抗脆性转变）的能力也是焊接性试验的一项内容。4.评价焊接接头的使用性能评价焊接接头的

26、使用性能不同的焊接结构对焊接性的要求也不同。主要考察接头的抗拉强度、蠕变强度、疲劳强度以及抗腐蚀能力等。4.3.2 评定焊接性的原则选择已有的或选择已有的或设计新的焊接设计新的焊接性试验方法应性试验方法应符合下述原则符合下述原则(1)可比性 焊接性试验条件应尽可能接近实际焊接时的条件，只有在这样有可比性的情况下，才有可能使试验结果比较确切地反映实际焊接结构的焊接性本质。(2)针对性 设计的试验方法，应针对具体的焊接结构制定方案，其中包括母材、焊接材料、接头形式、接头应力状态、焊接工艺参数等。同时试验条件还应考虑到产品的使用条件。这样才能使焊接性试验具有良好的针对性。(3)再现性 焊接性试验的结

27、果要稳定可靠，具有较好的再现性。实验数据不可过于分散，否则难以找出变化规律和导出正确的结论。严格试验程序，防止随意性。(4)经济性 在符合上述原则并可获得可靠的试验结果的前提下，应力求做到消耗材料少、加工容易、试验周期短，以节省试验费用。4.3.3 焊接性试验方法分类焊接性试验方法分类工艺焊接性工艺焊接性使用焊接性使用焊接性间接法直接法焊接性试验方法焊接性试验方法工艺焊接性使用焊接性直接法间接法焊接热裂纹试验焊接冷裂纹试验再热裂纹试验层状撕裂试验热应变时效脆化试验焊接气孔敏感性试验由碳当量推测焊接性裂纹敏感指数及临界应力裂纹敏感性的临界冷却时间连续冷却组织转变图断口分析、金相组织分析焊接热影响

28、区最高硬度焊接热、力模拟试验焊接专家系统、仿真系统等直接法间接法实际产品结构运行的服役试验压力容器的爆破试验焊缝及接头的常规力学性能试验焊缝及接头的低温脆性试验焊缝及接头的断裂韧性试验焊缝及接头的高温性能试验焊缝及接头的疲劳、动载试验焊缝及接头的抗腐蚀性、耐磨性试验应力腐蚀开裂试验一、焊接热裂纹敏感性试验方法一、焊接热裂纹敏感性试验方法1.可调拘束裂纹试验法可调拘束裂纹试验法基本原理：在焊缝凝固后期，施加不同的应变值，基本原理：在焊缝凝固后期，施加不同的应变值，研究产生裂纹的规律。研究产生裂纹的规律。主要用于评定低合金钢各种热裂纹（结晶裂纹、液化裂纹等）敏感性。这种方法是在焊缝凝固后期施加一定

29、的应变来研究产生裂纹的规律，当外加应变值在某一温度区间超过焊缝或热影响区金属的塑性变形能力时，就会出现热裂纹，以此来评定产生焊接热裂纹的敏感性。4.3.4 常用焊接性试验方法常用焊接性试验方法图图1.可调拘束裂纹试验装置简图可调拘束裂纹试验装置简图 a）纵向试验法）纵向试验法 b）横向试验法）横向试验法纵向可调拘束裂纹试验主要用于反映结晶裂纹和液纵向可调拘束裂纹试验主要用于反映结晶裂纹和液化裂纹化裂纹图图2.纵向可调拘束试验裂纹分布图纵向可调拘束试验裂纹分布图横向可调拘束裂纹试验主要用于测量焊缝中的结晶横向可调拘束裂纹试验主要用于测量焊缝中的结晶裂纹和多边化裂纹裂纹和多边化裂纹图图3.横向可调

30、拘束试验裂纹分布图横向可调拘束试验裂纹分布图2.鱼骨状裂纹试验鱼骨状裂纹试验 主要用于评定铝合金、镁合金和钛合金薄板（主要用于评定铝合金、镁合金和钛合金薄板（1-3mm)焊缝及热焊缝及热影响区的热裂纹敏感性。影响区的热裂纹敏感性。图图4.4.鱼骨状裂纹试验试样尺寸图鱼骨状裂纹试验试样尺寸图 9010104050AB12 每每10mm10mm加工不同深度的槽，深度越深，拘束度越小。焊接时焊加工不同深度的槽，深度越深，拘束度越小。焊接时焊接方向由接方向由A A至至B B，裂纹发生后，随着拘束度降低，裂纹扩展停止，测，裂纹发生后，随着拘束度降低，裂纹扩展停止，测量焊缝或热影响区的裂纹长度，即可评定裂

31、纹敏感性的大小。量焊缝或热影响区的裂纹长度，即可评定裂纹敏感性的大小。3、压板对接压板对接焊接裂纹试验焊接裂纹试验 主要用于评定低合金钢焊缝金属的热裂纹敏感性，也可以做钢材与焊条匹配的性能试验。试验装置如图5所示。在C形夹具中，垂直方向用14个紧固螺栓以3105N的力压紧试板，横向用4个螺栓以6104N的力定位，把试板牢牢固定在试验装置内。1)试件制备 试件的形状与尺寸如图6所示。坡口形状为I形，厚板时可用Y形坡口，采用机械加工，坡口附近表面要打磨干净。图5 压板对接（FISCO）试验装置1C形拘束框架 2试板 3紧固螺栓 4齿形底座 5定位塞片 6调节板 图6 压板对接（FISCO）试板尺寸

32、及裂纹计算 a)试板尺寸 b)焊缝裂纹长度计算 2)试验步骤 将试件安装在试验装置内，在试件坡口的两端按试验要求装入相应尺寸的定位塞片，以保证坡口间隙（变化范围0-6mm）。先将横向螺栓紧固，再将垂直方向的螺栓用指针式扭力扳手紧固。按生产上使用的工艺参数按图6a所示顺序焊接4条长度约40mm的试验焊缝，焊缝间距约10mm，弧坑不必填满。焊后经过10min后将试件从装置上取出，待试件冷却至室温后，将试板沿焊缝纵向弯断，观察断面有无裂纹并测量裂纹长度，如图6b所示。3)裂纹率计算方法 对4条焊缝断面上测得的裂纹长度按下式计算其裂纹率，即：（1）式中 Cf 压板对接（FISCO）试验的裂纹率（%）；

33、li4条试验焊缝的裂纹长度之和（mm）；Li4条试验焊缝的长度之和（mm）。1 0 0%ifilCL=二、焊接冷裂纹敏感性试验方法二、焊接冷裂纹敏感性试验方法 促进焊接冷裂纹产生的三大主要因素：促进焊接冷裂纹产生的三大主要因素：a.淬硬组织淬硬组织 b.扩散氢扩散氢 c.拘束应力拘束应力 冷裂纹可以在焊后立即出现，有时却要经过一段时冷裂纹可以在焊后立即出现，有时却要经过一段时间，如几小时，几天甚至更长时间才出现。开始时是间，如几小时，几天甚至更长时间才出现。开始时是少量出现，随时间增长裂纹逐渐增多和扩展。少量出现，随时间增长裂纹逐渐增多和扩展。1.斜斜Y坡口对接裂纹试验坡口对接裂纹试验 该方法

34、用于评价打底焊缝及热影响区冷裂倾向。该方法用于评价打底焊缝及热影响区冷裂倾向。1)试件制备 试板形状及尺寸如图7所示。被焊钢材板厚=9-38mm。对接接头坡口用机械方法加工。试板两端各在60mm范围内施焊拘束焊缝，采用双面焊。保证中间待焊试样焊缝处有2mm间隙。图图7.7.斜斜Y Y坡口对接裂纹试验试样及尺寸坡口对接裂纹试验试样及尺寸 2)试验条件 试验焊缝选用的焊条应与母材相匹配，所用焊条应严格烘干。推荐采用下列焊接参数：焊条直径4mm，焊接电流（17010）A，焊接电压（242）V，焊接速度（15010）mm/min。用焊条电弧焊施焊的试验焊缝如图8a所示，用自动送进装置施焊的试验焊缝如图

35、8b所示。试验焊缝可在各种不同温度下施焊，试验焊缝只焊一道，不填满坡口。焊后静置和自然冷却24h后截取试样和进行裂纹检测。图8 施焊时的试验焊缝a)焊条电弧焊试验焊缝 b)焊丝自动送进的试验焊缝 3)检测与裂纹率计算 用肉眼或手持5-10倍放大镜来检测焊缝和热影响区的表面和断面是否有裂纹。按下列方法分别计算试样的表面裂纹率、根部裂纹率和断面裂纹率。表面裂纹率Cf 表面裂纹率根据图9a所示按下式计算 （2）式中 lf 表面裂纹长度之和（mm）；L试验焊缝长度（mm）。f100%flCL=a 表面裂纹 b 跟部裂纹c 断面裂纹图9 试样裂纹长度计算 根部裂纹率Cr 试样先经着色检验，然后将其拉断，

36、根据图9b所示计算根部裂纹长度，然后按下式计算根部裂纹率Cr，即：（3）式中 lr根部裂纹长度之和（mm）。断面裂纹率Cs 用机械加工方法在试验焊缝上等分截取出4-6块试样，检查5个横断面上的裂纹深度Hs，如图9c所示，按下式计算断面裂纹率Cs，即：（4）式中 Hs5个断面裂纹深度的总和（mm）；H5个断面焊缝最小厚度的总和（mm）。rr100%lCL=ss1 0 0%HCH=焊后经过不少于焊后经过不少于2424小时的时效后再做裂纹检查。小时的时效后再做裂纹检查。首先用放大镜目测或磁性荧光粉检查焊缝表面裂纹，首先用放大镜目测或磁性荧光粉检查焊缝表面裂纹，然后沿焊缝长度方向均匀截成六段，检查五个

37、断面然后沿焊缝长度方向均匀截成六段，检查五个断面的裂纹情况。的裂纹情况。由于该方法对接头的拘束度很大，应力集中较为明由于该方法对接头的拘束度很大，应力集中较为明显，试验条件已经很苛刻了，因此一般认为显，试验条件已经很苛刻了，因此一般认为若裂纹若裂纹率不超过率不超过20%20%，则实际结构焊接时就不会产生裂纹。，则实际结构焊接时就不会产生裂纹。2.插销试验插销试验 插销试验主要考核焊接热影响区的氢致延迟裂纹敏插销试验主要考核焊接热影响区的氢致延迟裂纹敏感性。也可用于考核再热裂纹和层状裂纹等的敏感感性。也可用于考核再热裂纹和层状裂纹等的敏感性。性。1)试样制备 将被焊钢材加工成圆柱形的插销试棒，沿

38、轧制方向取样并注明插销在厚度方向的位置。插销试棒的形状如图10所示。试棒上端附近有环形或螺形缺口。将插销试棒插入底板相应的孔中，使带缺口一端与底板表面平齐，如图11所示。图10 插销试棒的形状a)环形缺口插销 b)螺形缺口插销 图11 插销试棒、底板及熔敷焊道a)环形缺口插销 b)螺形缺口插销 对于环形缺口的插销试棒，缺口与端面的距离a应使焊道熔深与缺口根部所截平面相切或相交，但缺口根部圆周被熔透的部分不得超过20%，如图12所示。对于低合金钢，a值在焊接热输入E=15kJ/cm时为2mm。根据焊接热输入的变化，缺口与端面的距离a可按表5作适当调整。表5 缺口位置a与焊接热输入E的关系图12

39、熔透比的计算 2)试验过程 按选定的焊接方法和严格控制的工艺参数，在底板上熔敷一层堆焊焊道，焊道中心线通过试棒的中心，其熔深应使缺口尖端位于热影响区的粗晶区。焊道长度L约100-150mm。施焊时应测定800-500的冷却时间t8/5值。不预热焊接时，焊后冷却至100-150时加载；焊前预热时，应在高于预热温度50-70时加载。载荷应在1min之内且在冷却至100或高于预热温度50-70之前施加完毕。如有后热，应在后热之前加载。为了获得焊接热循环的有关参数（t8/5、t100等），可将热电偶焊在底板焊道下的盲孔中（见图13），盲孔直径3mm，深度与插销试棒的缺口处一致。测点的最高温度应不低于1

40、100。当加载试棒时，插销可能在载荷持续时间内发生断裂，记下承载时间。在不预热条件下，载荷保持16h而试棒未断裂即可卸载。预热条件下，载荷保持至少24h才可卸载。可用金相或氧化等方法检测缺口根部是否存在断裂。经多次改变载荷，可求出在试验条件下不出现断裂的临界应力cr。临界应力cr可以用启裂准则，也可以用断裂准则，但应注明。根据临界应力cr的大小可相对比较材料抵抗产生冷裂纹的能力。图13 底板的形状及尺寸 试棒上端与底板表面平齐，试验时在底板上以规定的试棒上端与底板表面平齐，试验时在底板上以规定的热输入熔敷一条焊道，其熔深应使缺口尖端位于热影热输入熔敷一条焊道，其熔深应使缺口尖端位于热影响区的粗

41、晶区内。响区的粗晶区内。如不预热，焊后冷却至如不预热，焊后冷却至100-150100-150时加载。如有预热，时加载。如有预热，应在高于预热温度应在高于预热温度50-7050-70时加载。时加载。在无预热条件下，载荷保持在无预热条件下，载荷保持1616小时而试棒未断裂即可小时而试棒未断裂即可卸载。有预热条件下，载荷保持至少卸载。有预热条件下，载荷保持至少2424小时才可卸载。小时才可卸载。经多次改变载荷，即可求出在试验条件下不出现断裂经多次改变载荷，即可求出在试验条件下不出现断裂的临界应力值。的临界应力值。3.拉伸拘束裂纹试验拉伸拘束裂纹试验（Tensile Restraint Crackin

42、g Test,即TRC试验）基本原理是模拟焊接接头承受的平均拘束应力，在一定坡口形状和一定尺寸的试板间施焊后，冷却到规定温度时在焊缝横向施加一拉伸载荷并保持恒定，直到产生裂纹或断裂。4.刚性固定对接裂纹试验刚性固定对接裂纹试验（Restrained Butt Joint Cracking Test）这种试验方法主要用于测定焊缝的冷裂纹和热裂纹倾向，也可以测定热影响区的冷裂纹倾向，适用于低合金钢焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊等。5.窗形拘束裂纹试验窗形拘束裂纹试验（Window Type Restraint Cracking Test）这种方法主要用于测定低合金钢多层焊时焊缝横向冷裂纹及热裂纹的

43、敏感性，为选择焊接材料和确定工艺条件提供试验依据。6.搭接接头焊接裂纹试验搭接接头焊接裂纹试验（Controlled Thermal Severity，即CTS试验）这种试验是通过热拘束指数的变化来反映冷却速度对焊接接头裂纹敏感性的影响，主要适用于低合金钢热影响区的冷裂纹敏感性评定。三三焊接再热裂纹试验方法焊接再热裂纹试验方法厚板焊接结构，并采用含有某些沉淀强化合金元素的钢材，在进行消除应力热处理或在一定温度下服役的过程中，焊接热影响区部位发生的裂纹称为再热裂纹。由于这种裂纹是在再次加热过程中产生的，故称为“再热裂纹”，又称为“消除应力处理裂纹”，简称SR裂纹。再热裂纹多发生在低合金高强钢、珠

44、光体耐热钢、奥氏体不锈钢和某些镍基合金的焊接热影响区粗晶部位。可采用如下几种试验方法进行评定。(1)插销式再热裂纹试验法 试验所用试件的形状和尺寸以及试验装置，与冷裂纹的插销试验一样。只是在焊接插销的部位安装一台加热用的电炉。(2)H形拘束试验 试件形状及尺寸如图14所示。试板厚为=35mm，焊前预热及层间温度为150-200，采用直径4mm焊条，焊接电流150-180A，直流反接。焊后进行无损检测，确定无裂纹后再进行500-7002h回火处理。然后检查焊接热影响区是否出现再热裂纹。图14 H 形拘束试件形状及尺寸(3)斜Y形坡口再热裂纹试验 采用与斜Y形坡口冷裂纹试验方法完全相同的试件形状及

45、尺寸，试验过程及要求也基本一致。为了防止产生焊接冷裂纹，焊前应适当预热，焊后检验无裂纹后再进行消除应力热处理。热处理的工艺参数一般为500-7002h。然后进行再热裂纹检测。四四层状撕裂试验方法层状撕裂试验方法当焊接大型厚壁结构时，如果在钢板厚度方向受到较大的拉伸应力，就可能在钢板内部出现沿钢板轧制方向发展的具有阶梯状的裂纹，这种裂纹称为层状撕裂。低合金钢层状撕裂的温度不超过400，是在较低温度下的开裂。主要影响因素是轧制钢材内部存在不同程度的分层夹杂物（硫化物和氧化物），在焊接时产生垂直于钢板表面的拉应力，致使热影响区附近或稍远的部位，产生呈“台阶”形的层状开裂，并可穿晶扩展。(1)Z向拉伸

46、试验（A-direction Tensile Test）利用钢板厚度方向（即Z向）的断面收缩率来测定钢材的层状撕裂敏感性。对于板厚25mm的材料，可直接沿板厚方向（Z向）截取小型拉伸试棒，试件的制取及其形状尺寸如图15a所示。如板厚25mm或需制备常规拉伸试棒时，应按图15b所示加工试棒。图15 Z 向拉伸试验a)小型试样的截取部位 b)试件尺寸形状 同常规拉伸试验一样，对试件进行拉伸试验。试棒拉伸破坏后，以Z向断面收缩率z（%）作为层状撕裂敏感性的评定指标。目前国内尚没有层状撕裂试验统一标准，一般参考日本对低合金钢抗层状撕裂的标准，见表6。当z25%时，才能较好地抵抗层状撕裂。表6 抗层状撕

47、裂标准分类(2)Z 向窗口试验（Z-Direction Window Type Test）也是一种测试层状撕裂敏感性的试验方法，试件的形状及尺寸如图16所示。在大拘束板（300mm350mm30mm）的中心开一“窗口”（见图16a），将试验板插入此窗口（见图16b），按图16c所示的顺序焊4条角焊缝，其中1、2为拘束焊缝，3、4为试验焊缝。装配时应将未加工的表面放在试验焊缝一侧，焊后在室温下放置24h后再切取试样检查裂纹率。裂纹率CR按下式计算，即：1 0 0%RlCL=式中 l各截面上撕裂长度总和（mm）；L各截面上焊缝厚度总和（mm）。图16 Z 向窗口试验a)拘束板 b)试验板的位置 c)焊接顺序