1、 常用金屬材料 碳鋼的焊接【學(xué)習(xí)目標(biāo)】本內(nèi)容主要講解常用金屬材料的焊接工藝等基礎(chǔ)知識(shí)，要求通過(guò)本內(nèi)容的學(xué)習(xí)，了解碳鋼的焊接特點(diǎn)與焊接工藝。綜合知識(shí) 碳素鋼的焊接碳素鋼是以Fe為基礎(chǔ)，以少量C為合金元素的鐵碳合金，可以簡(jiǎn)稱為碳鋼。碳鋼有不同的分類方法，按含C量可分為低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼；按品質(zhì)分可分為普通碳素鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼和高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼；按用途可分為結(jié)構(gòu)鋼和工具鋼；根據(jù)某些行業(yè)特殊要求及用途，有一些專業(yè)用鋼，比如：壓力容器用碳鋼、鍋爐用碳鋼、船用碳素結(jié)構(gòu)。碳鋼的焊接性主要取決于碳含量。隨著碳含量的增加，焊接性逐漸變差。碳鋼中的Mn和Si對(duì)焊接性也有影響，隨著它們含量的增加，焊接性變差，但

2、不及碳作用強(qiáng)烈。把鋼中合金元素的含量按其作用換算成碳的相當(dāng)含量，就叫做碳當(dāng)量。它可作為評(píng)定鋼材焊接性的一種參考指標(biāo)。 這樣，就可以把C、Mn和Si對(duì)焊接性的影響匯合成一個(gè)適用于碳素鋼的碳當(dāng)量 Ceq經(jīng)驗(yàn)公式：Ceq值增加，產(chǎn)生冷裂紋的敏感性增大，焊接性變差。通常，當(dāng)Ceq值小于0.4%時(shí)，鋼材的淬硬傾向不大，焊接性良好，不需預(yù)熱。Ceq值在0.4%0.6%之間時(shí)，鋼材的淬硬傾向大，冷裂紋的敏感性將增大，焊接性一般，焊接時(shí)需要采取一些工藝措施，如預(yù)熱等。Ceq值大于0.6%時(shí)，焊接性變得很差。碳鋼中的雜質(zhì)(如S、P、N)和一些微量元素(如Cr、Mo、V、Cu)等對(duì)焊接接頭的裂紋敏感性和力學(xué)性能都

3、有重大影響。實(shí)際上，焊接性的好壞不只取決于合金元素的含量，還取決于焊接接頭冷卻速度。尤其中、高碳鋼在某種焊接熱循環(huán)的作用下，冷卻速度較快，碳鋼可能在焊縫和熱影響區(qū)中形成馬氏體組織，馬氏體量越多，硬度越高，焊接性越差，產(chǎn)生裂紋傾向越大，因此，焊接時(shí)控制冷卻速度也成為至關(guān)重要的問(wèn)題。采用預(yù)熱、控制層間溫度和后熱，或使用大焊接熱輸入，都能降低焊接接頭冷卻速度，從而控制組織和硬度，減小冷裂紋的可能性。 除上述影響碳鋼焊接性的諸多因素以外，母材焊前熱處理狀態(tài)對(duì)焊接性影響也是碳鋼焊接時(shí)不容忽視的問(wèn)題。總之，低碳鋼是最容易焊接的鋼種，但有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)某種問(wèn)題。許多焊接方法都適用于低碳鋼焊接，并能獲得良好的焊接

4、接頭。目前，焊條電弧焊、二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊、氬弧焊、埋弧焊、電渣焊、氣焊、電阻焊等都是焊接低碳鋼的成熟焊接方法。2.焊接方法和焊接材料的選擇(1)焊條電弧焊焊接低碳鋼時(shí)大多采用焊條電弧焊，低碳鋼選用焊條的主要原則是等強(qiáng)度原則，大多使用E43系列的焊條，因?yàn)榈吞间撏ǔ５目估瓘?qiáng)度平均值為417.5MPa，而E43系列焊條熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度不小于420MPa，在力學(xué)性能上正好與之匹配。這一系列焊條有多種型號(hào)，商品牌號(hào)更多，可根據(jù)具體母材、受載情況等加以選用，比較重要的結(jié)構(gòu)或受載情況復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，盡量選用低氫型焊條，表5-1為幾種情況的舉例。其他鋼材選用焊條請(qǐng)參照J(rèn)B/T 47092007等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)

5、家標(biāo)準(zhǔn)。(4)手工TIG焊在比較重要的結(jié)構(gòu)中，低碳鋼管對(duì)焊時(shí)，一般要求焊接接頭必須是全焊透結(jié)構(gòu)。許多工廠采用手工TIG焊封底，焊條電弧焊填充和蓋面的方法或全部采用手工TIG焊焊接。低碳鋼TIG焊用焊絲盡量選用專用焊絲以減少化學(xué)成分的變化，保證焊縫一定的力學(xué)性能，20、20g、20R這類鋼一般采用H08Mn2SiA就可以了，焊接時(shí)所用Ar氣體純度應(yīng)不低于99.99。低碳鋼焊接可采用的焊接方法還有很多,比如窄間隙埋弧焊、氣焊、電渣焊等。在鍋爐和壓力容器制造中，還有不少其他焊接技術(shù)以及它們各種組合形式，這主要根據(jù)具體條件和工藝要求來(lái)選擇。3.焊接工藝要點(diǎn)(1)焊前準(zhǔn)備焊前準(zhǔn)備包括以下方面：1)坡口的

6、制備。坡口的制備宜采用冷加工方法，也可采用熱加工方法，焊接坡口應(yīng)保持平整，不得有裂紋、分層、夾渣等缺陷，尺寸應(yīng)符合圖樣或焊接工藝的規(guī)定。坡口表面及兩側(cè)(焊條電弧焊10mm,埋弧焊20mm)應(yīng)將水、鐵銹、油污、熔渣及其他有害雜質(zhì)清理干凈。2)焊條、焊劑按規(guī)定進(jìn)行烘干、保溫。焊絲需去除油、銹等雜質(zhì)。4)定位焊。所謂定位焊就是為組裝和固定焊件上各零件的位置而進(jìn)行的焊接，所形成的焊縫叫定位焊縫。定位焊須采用與所焊焊縫相同的焊接材料，按相同的焊接工藝施焊，定位焊縫不得有裂紋，否則必須清除重焊。熔入永久焊縫內(nèi)的定位焊縫兩端應(yīng)便于接弧，如存在氣孔、夾渣時(shí)應(yīng)去除。能力知識(shí)點(diǎn)2 中碳鋼的焊接 1.中碳鋼的焊接特

7、點(diǎn)中碳鋼的含C量在0.30%0.60之間。當(dāng)wC接近.30而wMn不高時(shí)，焊接性良好。隨著wC的增加，焊接性逐漸變差。如果wC為0.50左右而仍按焊接低碳鋼常用的工藝施焊時(shí)，熱影響區(qū)可能產(chǎn)生脆硬的馬氏體組織，易開(kāi)裂。當(dāng)焊接材料和焊接過(guò)程控制不好時(shí)，甚至焊wC縫也會(huì)如此。焊接時(shí)，相當(dāng)數(shù)量的母材會(huì)熔化進(jìn)入焊縫使其雜質(zhì)含量增高，容易產(chǎn)生焊縫熱裂紋。特別是雜質(zhì)S控制不嚴(yán)時(shí)，更易顯示出來(lái)。這種熱裂紋在弧坑處更為敏感。此外，由于wC增高，氣孔敏感性也增大。 中碳鋼既可以用作強(qiáng)度較高的結(jié)構(gòu)件，也可以用作機(jī)械部件和工具。用作機(jī)械部件和工具時(shí)，又常用其堅(jiān)硬耐磨而非高強(qiáng)度。無(wú)論是高強(qiáng)度還是耐磨，常常通過(guò)熱處理來(lái)達(dá)

8、到所希望的性能。如果對(duì)已經(jīng)熱處理的部件進(jìn)行焊接，則必須采取措施防止裂紋產(chǎn)生。不過(guò)，還需強(qiáng)調(diào)的是，焊接的熱量會(huì)使熱影響區(qū)軟化，為了恢復(fù)熱影響區(qū)性能，焊件需要再進(jìn)行熱處理。2.焊接方法和焊接材料的選擇(1)焊條電弧焊中碳鋼焊接性較差，大多用于制造機(jī)械零件，所以焊接中碳鋼最常用的焊接方法主要是焊條電弧焊。要求焊縫金屬與母材等強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)選用級(jí)別相當(dāng)?shù)暮笚l；在不要求等強(qiáng)度時(shí)，可選用強(qiáng)度級(jí)別低于母材的焊條。低氫型焊條有一定脫硫能力，熔敷金屬塑性和韌性良好，擴(kuò)散氫量又少，無(wú)論對(duì)熱裂紋或氫致冷裂紋來(lái)說(shuō)，抗裂性都較高，因此應(yīng)盡量選用。在個(gè)別情況下，也可采用鈦鐵礦型或鈦鈣型焊條，但一定要有嚴(yán)格的工藝措施配合，例如

9、認(rèn)真控制預(yù)熱溫度和盡量減少母材熔深(減少焊縫wC)，方能有滿意結(jié)果。特殊情況下，亦可采用鉻鎳奧氏體不銹鋼焊條焊接，這時(shí)不需預(yù)熱，而焊縫金屬塑性良好，可以減少焊接接頭的應(yīng)力，避免熱影響區(qū)冷裂紋產(chǎn)生。中碳鋼焊條舉例如表5-4所示。(2)其他焊接方法中碳鋼的焊接有時(shí)也可以采用其他的焊接方法，這主要根據(jù)設(shè)計(jì)要求和具體情況而定，比如二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊等。選用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊時(shí)，30、35號(hào)鋼焊絲一般選用H08Mn2SiA、H04Mn2SiTiA和H04MnSiAlTiA。3.焊接工藝要點(diǎn)(1)焊前準(zhǔn)備焊前應(yīng)做如下方面準(zhǔn)備工作：1)焊條在使用前應(yīng)按規(guī)定溫度進(jìn)行烘干、保溫。2)補(bǔ)焊前待焊處的缺陷徹底清除掉

10、，認(rèn)真清理待焊部位工件表面，去除鐵銹、油污、水分等雜質(zhì)。需要定位焊時(shí)焊縫不宜過(guò)小。3)預(yù)熱，控制層間溫度。大多數(shù)情況下，中碳鋼焊接需要預(yù)熱,焊接時(shí)控制層間溫度，層間溫度一般不能低于預(yù)熱溫度，以降低焊縫和熱影響區(qū)冷卻速度，從而防止產(chǎn)生馬氏體，提高焊接接頭的塑性，減小殘余應(yīng)力。預(yù)熱溫度取決于碳當(dāng)量、母材厚度、結(jié)構(gòu)剛性、焊條類型和工藝方法。一般來(lái)說(shuō)，隨著碳當(dāng)量增高，接頭厚度增大或電弧中氫含量增高，預(yù)熱溫度增高。通常，35號(hào)鋼和45號(hào)鋼預(yù)熱溫度可為150250，wC再高，或厚度大，或剛性大預(yù)熱溫度可在250400。如果采用局部預(yù)熱，坡口兩側(cè)的加熱范圍為150200mm。能力知識(shí)點(diǎn)3 高碳鋼的焊接1.高

11、碳鋼的焊接特點(diǎn)高碳鋼wC大于0.6，除了高碳結(jié)構(gòu)鋼外，還包括高碳碳素鋼鑄件和碳素工具鋼等。高碳鋼的wC比中碳鋼更高，更容易產(chǎn)生硬脆的高碳馬氏體，所以淬硬傾向和裂紋敏感傾向更大，從而焊接性更差。這類鋼實(shí)際上不用于制造焊接結(jié)構(gòu)，而用于高硬度或耐磨部件、零件和工具以及某些鑄件，亦稱為工具鋼和鑄鋼，所以它們的焊接也大多數(shù)為焊接修復(fù)。為了獲得高硬度或高耐磨性，高碳鋼零件一般都經(jīng)過(guò)熱處理，常為淬火+回火，因此，焊接前進(jìn)行退火，可以減少裂紋傾向，焊后再進(jìn)行熱處理，以達(dá)到高硬度和高耐磨性要求。 2.焊接方法和焊接材料的選擇由于高碳鋼焊接性差，大多應(yīng)用于硬度大或耐磨部件、零件和工具，所以焊接高碳鋼最常用的焊接方

12、法主要是焊條電弧焊。焊接材料通常根據(jù)鋼的含碳量、工件設(shè)計(jì)和使用條件等，選用合適的填充金屬。焊縫要與母材性能完全相同比較困難，這類鋼的抗拉強(qiáng)度大多在675MPa以上，選用的焊接材料視產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求而定，要求強(qiáng)度高時(shí)，一般用E7015-D2(J707)或E6015-D2(J607)，要求強(qiáng)度不高時(shí)，可用E5016(J506)或E5015(J507)等焊條，或者分別選用與以上強(qiáng)度等級(jí)相當(dāng)?shù)牡秃辖痄摵笚l或填充金屬，所有焊接材料都應(yīng)當(dāng)是低氫型的。3.焊接工藝要點(diǎn)(1)焊前準(zhǔn)備高碳鋼焊接前應(yīng)做如下準(zhǔn)備工作：1)高碳鋼應(yīng)先行退火，然后焊接。2)采用結(jié)構(gòu)鋼焊條焊接時(shí)，焊前必須預(yù)熱，預(yù)熱溫度一般在250350以上

13、。焊接過(guò)程中還需要保持與預(yù)熱一樣的層間溫度。3)焊前注意按規(guī)定烘干焊條，并放在保溫箱或保溫筒內(nèi)，以防焊條吸潮。 4)焊前注意工件表面的清理，不得有水分、油污、鐵銹等雜質(zhì)。(2)焊接要求焊接過(guò)程中應(yīng)采取如下措施：1)采取與中碳鋼相同的工藝措施，盡量減小熔合比，小電流，快速焊，焊接過(guò)程中應(yīng)量連續(xù)施焊不間斷。2)采用預(yù)堆法，先在坡口上堆焊，然后再進(jìn)行焊接。3)焊件剛度、厚度較大時(shí)，應(yīng)采取減少內(nèi)應(yīng)力的措施，例如合理排列焊道、分段倒退焊法、焊后錘擊焊道等。(3)焊后熱處理焊后工件應(yīng)立即送入爐中，在650保溫，進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。能力知識(shí)點(diǎn)4 常用碳鋼的典型焊接實(shí)例 1.低碳鋼的典型焊接實(shí)例(1)焊條電弧

14、焊焊接低碳鋼實(shí)例某一化工機(jī)械制造企業(yè)，制造的二氧化硫產(chǎn)品冷凝器，所用材質(zhì)是20R,板厚是8mm,筒體的縱焊縫是對(duì)接接頭,開(kāi)V形坡口，采用焊條電弧焊，焊接工藝見(jiàn)表5-5。(2)手工TIG焊封底，焊條電弧焊填充和蓋面焊接低碳鋼實(shí)例上述的同一設(shè)備，筒體的合攏口焊縫，由于筒體的直徑只有616mm,接頭要求全焊透結(jié)構(gòu)，工廠采用了TIG焊封底，焊條電弧焊填充、蓋面的工藝，焊接工藝見(jiàn)表5-6。(3)二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊焊接低碳鋼實(shí)例有一水輪機(jī)支持蓋，材質(zhì)為Q235鋼，采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊。焊絲為ER49-1(H08Mn2SiA),1.6，焊接工藝見(jiàn)表5-7。2.中碳鋼的典型焊接實(shí)例(1)焊條電弧焊焊接中碳鋼的焊接實(shí)例某船廠35號(hào)鋼軸與法蘭的焊接，焊接