影响焊接性的主要因素

原创 胡伟明  2020-11-03 20:56:00  阅读 48 次 评论 0 条
摘要:

材料因素材料是指用于制造结构的金属材料及焊接所消耗的材料。前者称为母材或基本金属,即被焊金属;后者称为焊接材料,包括焊条、焊丝、焊剂、保护气体等。材料因素包括化学成分、冶炼轧制状态;热处理状态、组织状态和力学性能等。其中化学成分(包括杂质的分布与含量)是主要的影响因素。在焊接结构中,绝大多数常用的金属材料是钢材。碳对钢的焊接性影响最大。含碳量越高,焊接热影响区的淬硬倾向越大,焊接裂纹的敏感性越大,也就是说,含碳量越高焊接性越差。除碳外,钢中的一些杂质,如氧、硫、磷、氢、氮以及合金钢中常用的合金元

材料因素

材料是指用于制造结构的金属材料及焊接所消耗的材料。前者称为母材或基本金属,即被焊金属;后者称为焊接材料,包括焊条、焊丝、焊剂、保护气体等。材料因素包括化学成分、冶炼轧制状态;热处理状态、组织状态和力学性能等。其中化学成分(包括杂质的分布与含量)是主要的影响因素。在焊接结构中,绝大多数常用的金属材料是钢材。碳对钢的焊接性影响最大。含碳量越高,焊接热影响区的淬硬倾向越大,焊接裂纹的敏感性越大,也就是说,含碳量越高焊接性越差。

除碳外,钢中的一些杂质,如氧、硫、磷、氢、氮以及合金钢中常用的合金元素锰、铬、钴、铜、硅、钼、钛、铌、钒、硼等都不同程度地增加了钢的淬硬倾向,使焊接性变差。因此钢材的焊接性常用“碳当量(Ceq)"来进行估算。

国际焊接学会推荐的碳素钢和低合金结构钢的碳当量计算公式如下:

Ceq={ω(C)+ω(Mn)/6 +[ω( Cr)+ω(Mo) +ω(V)]/5+[ω( Ni) +ω(Cu)]/15}%   ---公式1

一般情况下,碳当量小于0. 50%时,碳素结构钢和低合金结构钢具有良好的焊接性,随着碳当量的增加,钢材的焊接性逐渐变差。压力容器用碳素结构钢和低合金结构钢的碳含量(质量分数)均不大于0. 25%。以Q345R (16MnR)为例,其最大碳当量为0.47%,具有较好的焊接性,只有当厚度大于30mm时,才要求焊前预热至1000℃以上;而15CrMo其最大碳当量为0. 66%,焊接性较差,当厚度大于10mm时,就要求焊前预热至150℃以上。

当碳当量增加时,钢材的淬硬倾向增大,硬度增加,这时钢材焊接热影响区就容易产生冷裂纹。日本伊藤等人进行了大量的试验后,提出了冷裂敏感指数(Pcm)的计算公式:

    Pcm={ω(C)  +ω( Si)/30+[ω(Mn) +ω(Cu) +ω(Cr)]/20+ω( Ni)/60 +ω(Mo)/15 +ω(V)/10 +ω(B)}%   ---公式2

该式适用于碳含量(质量分数)为0.07%~0.22%,σb=400~1000MPa的低合金高强度钢。

伊藤等又根据Pcm、板厚h或拘束度R,建立了冷裂敏感性Pw、冷裂敏感指数Pcm及防止冷裂所需要的预热温度的计算公式。

    Pw=Pcm+[H]/60+h/600     ---公式3

或    Pw=Pcm+[H]/60 +R/40000  ---公式4

式中  [H]--熔敷金属中扩散氢含量( mL/100g,甘油法);

         R--接缝拉伸拘束度(kg/mm·mm);

         h--板厚(mm);

         Pcm--冷裂敏感指数。

当Pw>0时,即有产生裂纹的可能性。

    利用公式3与4,可以计算出无裂纹焊缝所需预热温度为

    T0=1440Pw-392

公式3和公式4适用条件:扩散氢含量[H]为1.0~5.0mL/100g,板厚为19~50mm,热输入为17~30kj/cm,化学成分范围同公式2。两式不仅考虑了钢中化学成分的影响,还考虑到钢板厚度或拘束度,以及熔敷金属中的含氢量,利用这两式可以计算出防止冷裂纹所需的预热温度。

设计因素

设计因素是指焊接结构在使用中的安全性不但受到材料的影响,而且在很大程度上还受到结构形式的影响。例如结构刚度过大或过小、断面突然变化、焊接接头的缺口效应、过大的焊缝体积以及过于密集的焊缝数量,都会不同程度地引起应力集中,使结构或焊接接头脆断可能性增加。

工艺因素

工艺因素包括施焊方法(如焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊等)、焊接工艺(包括焊接规范参数、焊接材料、预热、后热、装配焊接顺序)和焊后热处理等。在结构材料和焊接材料选择正确、结构设计合理的情况下,工艺因素是对结构焊接质量起决定性作用的因素。

使用因素

使用因素指焊接结构的工作温度、负荷条件(动载、静载、冲击、高速等)和工作环境(化工区、沿海及腐蚀介质等)。一般来讲,环境温度越低,钢结构越易发生脆性破坏,承受交变载荷的焊接结构越易发生疲劳破坏。


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