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对金属材料焊接性的影响因素是什么

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影响金属材料焊接性的因素很多,主要有:金属材料、结构设计、工艺措施、服役环境等四个方面。焊接性是取决于母材和焊缝金属的化学成分、焊接结构和焊接接头的设计、焊接方法、焊接工艺等的一种综合性能。

材料因素

材料因素是指木材本身和焊接材料;包括材料的化学成分、冶炼轧制状态、热处理、组织状态和力学性能等。

焊接材料如焊条电弧焊时的焊条、埋弧焊时的焊丝和焊剂、起提包弧焊时的焊丝和保护气体等。在焊接过程中,木材和焊接材料直接参与熔池或熔合区的冶金反应,对焊接性和焊接质量有重要影响。当母材或焊接材料选用不当时,会造成焊缝成分不合格,力学性能和其他性能降低,甚至会出现裂纹、气孔、夹渣等焊接缺陷,也就是焊接工艺性变差,因此必须正确选择。

在母材方面,以化学成分影响最大。如钢材只是依靠合金元素来实现固溶强化,一般情况下在焊接过程中最易使焊缝金属、热影响区以及母材有良好的相匹配性能。如果钢材为较复杂的合金系,并通过热处理、变形加工等方式实现强化,则不易获得与母材完全匹配的焊缝金属,甚至整个焊接接头。对钢来说,影响焊接性较大的元素有C、P、H、S、O、N等,合金元素中的Mn、Si、Cr、Ni、Mo、Ti、V、Nb、Cu及B等,都在不同程度有可能增加焊接接头的淬硬倾向和裂纹敏感性。一般来说,钢材的焊接性将随含碳量和合金元素含量的增加而恶化。

在冶炼方法、轧制工艺及热处理状态等,也都在不同程度上影响焊接性。现在的CF钢(抗裂钢)、Z向钢、TMCP钢(控轧钢)等,都是通过精炼提纯、控制轧制工艺等手段来提高材料的焊接性。

结构因素

结构因素有焊接结构和焊接接头的形式、刚度、及应力状态等,

这些将影响接头的力学性能和产生焊接缺陷。

对于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、减轻重量的目的。对体积和重量无特殊要求的焊接结构,选用强度等级较高的材料也有其技术经济意义,这样可以减轻结构自重,节约母材和焊材,避免大型结构吊装和运输上的困难,并且能提高承载能力。

焊接接头的结构设计会影响应力状态,从而对焊接性产生影响。在设计时应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。要尽量避免接头处的缺口、截面突变、对高过大、交叉焊缝等容易引起应力集中。也要避免不必要的增大母材厚度或焊缝体积而产生多向应力。

对于焊接热源特点、功率密度、线能量等工艺参数会直接决定接头的温度场和热循环,从而对焊缝及热影响区范围大小、组织变化和产生缺陷的敏感性等有明显的影响。比如,采用焊前预热和焊后缓冷可降低接头的冷却速度,可以降低接头的淬硬倾向和冷裂纹敏感性。选择合理的焊接顺序可以改善结构的约束程度和盈利状态。采用氩弧焊等焊接方法可使焊接区保护严密,减少合金元素烧损,获得满意的接头性能等。

工艺因素

工艺因素包括施工时所采用的焊接方法、焊接工艺规程(如焊接热输入、预热、焊接顺序等)、焊后热处理等。

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。比如,铝及其合金用气焊较难焊接,但用氩弧焊就能取得良好的效果;钛合金对、O、H、N极为敏感,用气焊和焊条电弧焊不可能焊好,而用氩弧焊或电子束焊就比较容易焊接。因此,发展新的焊接方法和新工艺是改善工艺焊接性的重要途径。

焊接方法对焊接性的影响首先表现在焊接热源能量密度、温度以及热输入上;其次表现在保护熔池及接头附近的方式上,如渣保护、气体保护、渣-气联合保护、真空中焊接等。对于有过热敏感性的高强度钢,从防止过热角度看,可选用窄间隙气体保护焊、脉冲电弧焊、等离子弧焊等,有利于改善其焊接性。

最常见的工艺措施是焊前预热、缓冷、焊后热处理,这些工艺措施对防止热影响区淬硬变脆、减小焊接应力、避免氢致冷裂纹等是有效的措施。合理安排焊接顺序也能减小应力和变形,原则上应使被焊工件在整个焊接过程中尽量处于无拘束而自由膨胀和收缩的状态。焊后热处理可以消除残余应力,也可以使氢逸出而防止延迟裂纹。另外,焊前对金属材料的气割、冷加工、装配等工序应符合材料的特点,以免造成局部硬化、脆化、应力集中而引起焊接裂纹等缺陷。

环境因素

环境因素是指焊接结构的工作温度、负荷条件(如载荷种类、作用方式、速度等)和工作介质等。

焊接结构服役的环境多种多样,高温工作的焊接结构要求材料具有足够高的高温强度、良好的化学稳定性与组织稳定性、较高的蠕变强度等;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力学性能;工作温度低或受冲击载荷时,要特别注意材料在最低环境温度下的性能,尤其是冲击韧性,以防止低温脆性破坏。对于承受东载荷的构件,要求材料有较好的动态断裂韧性和吸振性。工作介质有腐蚀时,要求焊接区具有耐腐蚀性。在核辐射环境下工作的焊接结构,由于中子辐射的作用,会导致材料屈服点提高,塑性下降脆性转变温度升高,韧性下降,使材料出现辐照脆性。

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