常用金属材料的焊接碳钢合金钢.docx

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常用金属材料的焊接碳钢合金钢

常用金属材料的焊接（碳钢、合金钢）

（1）

1 什么是焊接性？

试述碳钢的焊接性。

焊接性是指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。

焊接性受材料、焊接方法、构件类型及使用要求四个因素的影响。

碳钢是以铁元素为基础的，铁碳合金，碳为合金元素，其碳的质量分数不超过1%，此外，锰的质量分数不超过1.2%，硅的质量分数不超过0.5%，后两者皆不作为合金元素。

其它元素如Ni、Cr、Cu等均控制在残余量的限度以内，更不作为合金元素。

杂质元素如S、P、O、N等，根据钢材品种和等级的不同，均有严格限制。

因此，碳钢的焊接性主要取决于含碳量，随着含碳量的增加，焊接性逐渐变差，其中以低碳钢的焊接性最好，见表1。

表1 碳钢焊接性与含碳量的关系

名 称

碳的质量分数（%）

典型硬度

典型用途

焊接性

低碳钢

≤0.15

60HRB

特殊板材和型材薄板、带材、焊丝

优

0.15～0.25

90HRB

结构用型材、板材、棒材

良

中碳钢

0.25～0.60

25HRC

机器部件和工具

 中（需预热、后热，推荐使用低氢焊接方法）

高碳钢

≥0.60

40HRC

弹簧，模具，钢轨

 劣（需预热、后热，必需使用低氢焊接方法）

2 什么是碳当量？

碳钢的碳当量如何计算？

把钢中合金元素（包括碳）的含量按其作用换自成碳的相当含量，称为该种钢材的碳当量，可作为评定钢材焊接性的一种参考指标。

碳钢中的元素除C外，主要是Mn和Si，它们的含量增加，焊接性变差，但其作用不及碳强烈。

国际焊接学会推荐的碳当量公式为

                      Mn       Cu+Ni        Cr+Mo+V

       CE（IIW）=C+── +　────　+　──────（质量分数）（%）

                      6        15             5

随着碳当量值的增加，钢材的焊接性会变差。

当CE值大于0.4%～0.6%时，冷裂纹的敏感性将增大，焊接时需要采取预热、后热及用低氢型焊接材料施焊等一系列工艺措施。

3 利用碳当量值评价钢材焊接性有何局限性？

碳当量值只能在一定范围内，对钢材概括地、相对地评价其焊接性，这是因为：

1）如果两种钢材的碳当量值相等，但是含碳量不等，含碳量较高的钢材在施焊过程中容易产生淬硬组织，其裂纹倾向显然比含碳量较低的钢材来得大，焊接性较差。

因此，当钢材的碳当量值相等时，不能看成焊接性就完全相同。

2）碳当量计算值只表达了化学成分对焊接性的影响，没有考虑到冷却速度不同，可以得到不同的组织，冷却速度快时，容易产生淬硬组织，焊接性就会变差。

3）影响焊缝金属组织从而影响焊接性的因素，除了化学成分和冷却速度外，还有焊接循环中的最高加热温度和在高温停留时间等参数，在碳当量值计算公式中均没有表示出来。

因此，碳当量值的计算公式只能在一定的钢种范围内，概括地、相对地评价钢材的焊接性，不能作为准确的评定指标。

4 试述低碳钢的焊接性。

由于低碳钢含碳量低，锰、硅含量也少，所以，通常情况下不会因焊接而产生严重硬化组织或淬火组织。

低碳钢焊后的接头塑性和冲击韧度良好，焊接时，一般不需预热、控制层间温度和后热，焊后也不必采用热处理改善组织，整个焊接过程不必采取特殊的工艺措施，焊接性优良。

但在少数情况下，焊接时也会出现困难：

1）采用旧冶炼方法生产的转炉钢含氮量高，杂质含量多，从而冷脆性大，时效敏感性增加，焊接接头质量降低，焊接性变差。

2）沸腾钢脱氧不完全，含氧量较高，P等杂质分布不均，局部地区含量会超标，时效敏感性及冷脆敏感性大，热裂纹倾向也增大。

3）采用质量不符合要求的焊条，使焊缝金属中的碳、硫含量过高，会导致产生裂纹。

如某厂采用酸性焊条焊接Q235－A钢时，因焊条药皮中锰铁的含碳量过高，会引起焊缝产生热裂纹。

4）某些焊接方法会降低低碳钢焊接接头的质量。

如电渣焊，由于线能量大，会使焊接热影响区的粗晶区晶粒长得十分粗大，引起冲击韧度的严重下降，焊后必需进行细化晶粒的正火处理，以提高冲击韧度。

总之，低碳钢是属于焊接性最好、最容易焊接的钢种，所有焊接方法都能适用于低碳钢的焊接。

5 低碳钢焊接时，如何正确地选用焊接材料？

⑴手弧焊焊条的选用 常用低碳钢Q235的抗拉强度平均值为417.5MPa，根据等强度原则，与之匹配的焊条应为E43系列。

几种不同钢号的低碳钢手弧焊时焊条的选用，见表2。

表2 低碳钢手弧焊时焊条的选用

钢   号

一般结构选用的

焊条型号

动载荷、复杂、厚板结构，锅炉受压容器，低温焊接

选用的焊条型号

施 焊 条 件

Q235

E4313，E4303，E4301，E4320，E4311

E4316，E4315

（E5016，E5015）

一般不预热

Q255

一般不预热

Q275

E4316，E4315

E5016，E5015

厚板结构预热150℃以上

08、10、15、20

E4303，E4301，E4320，E4311

E4316，E4315

（E5016，E5015）

一般不预热

25

E4316，E4315

E5016，E5015

厚板结构预热150℃以上

20g，22g

E4303，E4301

E4316，E4315

（E5016，E5015）

厚板结构预热100～150℃

20R

E4303，E4301

E4316，E4315

（E5016，E5015）

一般不预热

注：

表中括弧内的焊条型号表示可以代用。

⑵埋弧焊焊丝和焊剂的匹配选用 低碳钢埋弧焊时焊丝和焊剂的匹配选用，见表3。

表3 低碳钢埋弧焊焊丝与焊

的匹配选用

钢  号

焊                 丝

焊   剂

Q234

H08A

HJ430

HJ431

Q255

H08A

Q275

H08MnA

15、20

H08A，H08MnA

HJ430

HJ431

HJ330

25

H08MnA，H10Mn2

20g，22g

H08MnA，H08MnSi，h10Mn2

20R

H08MnA

⑶CO2焊丝的选用 实芯焊丝选用牌号为H08Mn2Si和H08Mn2SiA两种，焊后熔敷金属强度偏高。

药芯焊丝选用牌号为YJ502-1、YJ506-2、YJ506-3、YJ506-4。

⑷电渣焊焊丝和焊剂的匹配选用 电渣焊熔池温度比埋弧焊低，所以焊剂中的硅、锰还原作用弱，应选用含锰、含硅量较高的焊丝。

常选用H10Mn2、H10MnSi焊丝配合焊剂HJ360或H10MnSi焊丝配合焊剂HJ431。

6 低碳钢在低温下如何施焊？

严冬条件下焊接低碳钢结构时，由于焊接接头的冷却速度快，使裂纹倾向增大，特别是厚大结构的第一道焊缝容易开裂，为此必需采取如下工艺措施：

1）焊前预热，焊接过程中严格保持层间温度不应低于预热温度。

2）采用低氢或超低氢焊接材料。

3）定位焊时加大焊接电流，减慢焊接速度，适当增加定位焊缝的截面积和长度，必要时进行预热。

4）整条焊缝应尽量连续焊完，避免中断。

5）不应坡口面以外的母材上进行引弧，熄弧时需填满弧坑。

6）尽可能不在低温条件下进行弯板、矫正和装配焊件。

各种金属结构低温焊接时的预热温度见表4。

管道、压力容器低温焊接时的预热温度见表5。

表4 低碳钢金属结构低温焊接的预热温度

焊件厚度（mm）

在各种气温下的预热温度

＜30

31～50

51～70

不低于－30℃时不预热；低于－30℃时预热100～150℃

不低于－10℃时不预热；低于－10℃时预热100～150℃

不低于0℃时不预热；低于0℃时预热100～150℃

表5 低碳钢管道、压力容器低温焊接的预热温度

焊件厚度（mm）

在各种气温下的预热温度

＜16

17～30

31～40

41～50

不低于－30℃时不预热；低于－30℃时预热100～150℃

不低于－20℃时不预热；低于－20℃时预热100～150℃

不低于－10℃时不预热；低于－10℃时预热100～150℃

不低于0℃时不预热；低于0℃时预热100～150℃

7 试述中碳钢的焊接性。

中碳钢的碳的质量分数为0.25%～0.60%。

当碳的质量分数接近0.25%而含锰量不高时，焊接性良好。

随着含碳量的增加，焊接性逐渐变差。

如果碳的质量分数为0.45%左右而仍按焊接低碳钢常用的工艺施焊时，在热影响区可能会产生硬脆的马氏体组织，易于开裂，即形成冷裂纹。

焊接时，相当数量的母材被熔化进入焊缝，使焊缝的含碳量增高，促使在焊缝中产生热裂纹，特别是当硫的杂质控制不严时，更易出现。

这种裂纹在弧坑处更为敏感，分布在焊缝中的热裂纹于是与焊缝的鱼鳞状波纹线相垂直，见图1。

8 中碳钢焊接时，如何正确地选用焊条？

中碳钢的焊接目前大都采用手弧焊。

为提高焊接接头的抗裂性，应选用低氢型焊条。

个别情况下，也可采用钛钙型和钛铁矿型酸性焊条，但此时应采取严格的工艺措施，如焊前预热、减少熔合比（降低焊缝含碳量）等。

中碳钢手弧焊时焊条的选用，见表6。

表6 中碳钢手弧焊时焊条的选用

钢 号

焊件含碳量（%）

焊接件

焊件力学性能（≥）

选用焊条型号

σs

（MPa）

σb

（MPa）

δ

（%）

ф

（%）

αK

（J）

不要求等强度

要求等强度

35

ZG270～500

0.32～

0.40

0.31～0.40

一般

一般

315

270

530

500

20

18

45

25

55

22

E4303，E4301

E4316，E4315

E5016，

E5015

45

ZG310～570

0.42～0.50

0.41～0.50

较差

较差

355

310

600

570

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焊接冶金与金属的焊接性

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">16

15

40

21

39

15

E4303，E4301

E4316，E4315

E5016，E5015

E5016，

E5015

55

ZG340～340

0.52～0.60

0.51～0.60

很差

很差

380

340

645

640

13

10

35

18

—

10

E4303，E4301

E4316，E4315

E5016，E5015

E5016，

E5015

特殊情况下，中碳钢焊接时可采用铬镍不锈钢焊条，如E0-19-10-16（A102）、E0-19-10-5（A107）、E1-23-13-16（A302）、E1-23-13-15（A307）、E2-26-21-16（A402）、E2-26-21-15（A407）等，因奥氏体焊缝金属的塑性良好，可以减小焊接接头应力，即使焊件焊前不预热，也可避免热影响区产生冷裂纹。

9 试述中碳钢的焊接工艺要点。

⑴预热 预热有利于减低中碳钢热影响区的最高硬度，防止产生冷裂纹，这是焊接中碳钢的主要工艺措施，预热还能改善接头塑性，减小焊后残余应力。

通常，35和45钢的预热温度为150～250℃含碳量再高或者因厚度和刚度很大，裂纹倾向大时，可将预热温度提高至250～400℃。

若焊件太大，整体预热有困难时，可进行局部预热，局部预热的加热范围为焊口两侧各150～200mm。

⑵焊条 条件许可时优先选用碱性焊条。

⑶坡口形式 将焊件尽量开成U形坡口式进行焊接。

如果是铸件缺陷，铲挖出的坡口外形应圆滑，其目的是减少母材熔入焊缝金属中的比例，以降低焊缝中的含碳量，防止裂纹产生。

⑷焊接工艺参数 由于母材熔化到第一层焊缝金属中的比例最高达30%左右，所以第一层焊缝焊接时，应尽量采用小电流、慢焊接速度，以减小母材的熔深。

⑸焊后热处理 焊后最好对焊件立即进行消除应力热处理，特别是对于大厚度焊件、高刚性结构件以及严厉条件下（动载荷或冲击载荷）工作的焊件更应如此。

消除应力的回火温度为600～650℃。

若焊后不能进行消除应力热处理，应立即进行后热处理。

10 试述高碳钢的焊接工艺要点。

⑴焊接性 当高碳钢的碳的质量分数大于0.60%时，焊后的硬化、裂纹敏感倾向更大，因此焊接性极差，不能用于制造焊接结构。

常用于制造需要更硬度或耐磨的部件和零件，其焊接工作主要是焊补修复。

⑵焊条选用 由于高碳钢的抗拉强度大都在675MPa以上，所以常用的焊条型号为E7015、E6015，对构件结构要求不高时可选用E5016、E5015焊条。

此外，亦可采用铬镍奥氏体钢焊条进行焊接。

⑶焊接工艺

1）由于高碳钢零件为了获得高硬度和耐磨性，材料本身都需经过热处理，所以焊前应先进行退火，才能进行焊接。

2）焊件焊前应进行预热，预热温度一般为250～350℃以上，焊接过程中必需保持层间温度不低于预热温度。

3）焊后焊件必需保温缓冷，并立即送入炉中在650℃进行消除应力热处理。

11 低合金高强钢的碳当量如何计算？

低合金高强钢碳当量的计算公式目前以国际焊接学会（IIW）所推荐的CE和日本JIS标准所规定的Ceq应用最为广泛，其计算公式为

Mn      Cr+Mo+v     Cu+Ni

       CE（IIW）=C+──　+　─────+───（质量分数）（%）

6          5        15

                       Mn      Si      Ni     Cr      Mo      V

        Ceq（JIS）=C+───+───+───+───+───+───（质量分数）（%）

                        6     24      40      5      4        14

式中，化学元素都表示该元素在钢中的质量分数，计算时，元素含量均取其成分范围的上限。

CE主要适用于文艺报非调质量低合金高强钢（σb=500～900MPa）焊接性的估算；Ceq主要适用于低碳钢调质钢和低合金高强钢（σb=500～1000MPa），但均适用于含碳量偏高的钢种（C的质量分数≥0.18%），这类钢化学成分的范围如下

C的质量分数为≤0.2%、Si≤0.55%、Mn≤1.5%、Cu≤0.5%、Ni≤2.5%、Cr≤1.25%、Mo≤0.7%、V≤0.1%和B≤0.006%。

12 试述低合金高强钢的焊接性。

强度级别较低的低合金高强钢，如300～400MPa级，由于钢中合金元素含量较少，其焊接性良好，接近于低碳钢。

随着钢中合金元素的增加，强度级别提高，钢的焊接性也逐渐变差，出现的主要问题是：

⑴热影响区的淬硬倾向 含碳时较少、强度级别较低的钢种，如09Mn2、09Mn2Si、09MnV钢等，淬硬倾向很小。

随着强度级别的提高，淬硬倾向也开始加大，如16Mn、15MnV钢焊接时，快速度冷却会导致在热影响区出现马氏体组织。

⑵冷裂纹 低合金高强钢焊接时，热影响区的冷裂纹倾向加大，并且这种冷裂纹往往具有延迟的性质，危害性很大。

例如，材料为18MnMoNb钢壁厚115mm的一大型容器，由于预热温度不够，焊后在热影响区形成大量冷裂纹。

低合金高强钢的定位焊缝很容易开裂，其原因是由于焊缝尺寸小、长度短、冷却速度快，这种开裂属于冷裂纹性质。

⑶热裂纹 一般情况下，强度等级为294～392MPa的热轧、正火钢，热裂倾向较小，但在厚壁压力容器的高稀释率焊道（如根部焊道或靠近坡口边缘的多层埋弧焊焊道）中也会出现热裂纹。

电渣焊时，若母材的含碳量偏高并含镍时，电渣焊缝中可能会出现呈八字形分布的热裂纹。

强度等级为800～1176MPa的中碳调质钢（如30CrMnSiA钢），焊接时热裂的敏感性较大。

⑷粗晶区脆化 热影响区中被加热至1100℃以上的粗晶区，当焊接线能量过大时，粗晶区的晶粒将迅速长大或出现魏氏组织而使韧性下降，出现脆化段。

13 试述低合金高强钢焊接时的主要工艺措施。

⑴预热 预热是防止裂纹的有效措施，并且还有助于改善接头性能。

但预热会恶化劳动条件，使生产工艺复杂化，过高的预热温度还会降低接头韧性。

因此，焊前是否需要预热以及预热温度的确定应根据钢材的成分（碳当量）、板厚、结构形状、刚度大小以及环境温度等决定。

⑵焊接线能量的选择 含碳低的热轧钢（09Mn2、09MnNb钢等）以及含碳量偏下限的16Mn钢焊接时，因为这些钢的冷裂淬硬、脆化等倾向小，所以对焊接线能量没有严格的限制。

焊接含碳量偏高的16Mn钢时，为降低淬硬倾向，焊接线能量应偏大一点。

对于含V、Nb、Ti的钢种，为降低热影响区粗晶脆化所造成的不利影响，应选择较小的焊接线能量。

如15MnVN钢的焊接线能量应控制在40～45kJ/cm以下。

对于碳及合金元素含量较高而屈服点为490MPa的正火钢（如18MnMoNb钢等），因淬硬倾向大，应选择较大的焊接线能量，但当采用焊前预热时，为了避免过热倾向，可以适当地减少线能量。

⑶后热及焊后热处理 后热是指焊接结束或焊完一条焊缝后，将焊件立即加热至150～250℃范围内，并保温一段时间，使接头中的氢扩散逸出，防止延迟裂纹产生。

对于厚壁容器、高刚性的焊接结构以及一些在低温、耐蚀条件下工作的构件，焊后应及时进行消除应力的高温回火，其目的是消除焊接残余应力，改善组织。

焊后立即进行高温回火的焊件，无需再进行后热处理。

14 低合金高强钢焊接时，如何正确地选用焊接材料？

焊剂

焊丝

焊剂

焊丝

09Mn2

09Mn2Si

09MnV

294

E43

HJ430

HJ431

SJ301

H08A

H08MnA

H10MnSi

H08Mn2Si

H08Mn2SiA

16Mn

16MnCu

14MnNb

343

E50

SJ501

薄板：

H08A

  H08MnA

HJ431

HJ360

H08MnMoA

H08Mn2Si

H08Mn2SiA

YJ502-1

YJ502-3

YJ506-4

HJ431

HJ430

SJ301

中板开坡口对接

开I形坡口对接

H08MnA

H10Mn2

HJ350

厚板深坡口

H10Mn2

H08MnMoA

15MnV

15MnVCu

16MnNb

392

E50

E55

HJ430

HJ431

开I形坡口对接

H08MnA

中板开坡口对接

H10Mn2

H10MnSi

HJ431

HJ360

H10MnMo

H08Mn2MoVA

H08Mn2Si

H08Mn2SiA

HJ250

HJ350

SJ101

厚板深坡口

H08MnMoA

15MnVN

15MnVNCu

15MnVTiRe

441

E55

E60

SJ431

H10Mn2

HJ431

HJ360

H10MnMo

H08Mn2MoVA

H08Mn2Si

H08Mn2SiA

HJ350

HJ250

SJ101

H08MnMoA

H08Mn2MoA

18MnMoNb

14MnMoV

14MnMoVCu

490

E60

E70

HJ250

HJ350

SJ101

H08Mn2MoA

H08Mn2MoVA

H08Mn2NiMo

HJ431

HJ360

H10Mn2MoA

H10Mn2MoVA

H10Mn2NiMoA

H08Mn2SiMoA

15 试述16Mn钢的焊接工艺。

16Mn钢属于碳锰钢，碳当量为0.345%～0.491%，屈服点等于343MPa（强度级别属于343MPa级）。

16Mn钢的合金含量较少，焊接性良好，焊前一般不必预热。

但由于16Mn钢的淬硬倾向比低碳钢稍大，所以在低温下（如冬季露天作业）或在大刚性、大厚度结构上焊接时，为防止出现冷裂纹，需采取预热措施。

不同板厚及不同环境温度下16Mn钢的预热温度，见表8。

16Mn钢手弧焊时应选用E50型焊条，如碱性焊条E5015、E5016，对于不重要的结构，也可选用酸性焊条E5003、E5001。

对厚度小、坡口窄的焊件，可选用E4315、E4316焊条。

表8 焊接16Mn钢的预热温度

焊件厚度 （mm）

不同气温下的预热温度计（℃）

16以上

16～24

25～40

40以上

不低于－10℃不预热，－10℃以下预热100～150℃

不低于－5℃不预热，－5℃以下预热100～150℃

不低于0℃不预热，0℃以下预热100～150℃

均预热100～150℃

16Mn钢埋弧焊时H08MnA焊丝配合焊剂HJ431（开I形坡口对接）或H10Mn2焊丝配合焊剂HJ431（中板开坡口对接），当需焊接厚板深坡口焊缝时，应选用H08MnMoA焊丝配合焊剂HJ431。

16Mn钢是目前我国应用最广的低合金钢，用于制造焊接结构的16Mn钢均为16MnR和16Mng钢。

16 试述18MnMoNb钢的焊接工艺。

18MnMoNb钢的屈服点等于490MPa（属于490MPa级钢），由于碳及合金钢元素的含量都较高，所以淬火硬倾向及冷裂倾向均比16Mn钢大。

焊接工艺要点：

1）除电渣焊外，焊前对焊件应采取预热措施，预热温度控制在150～180℃。

对于刚度较大的接头，预热温度应提高至180～230℃。

焊后或中断焊接时，应立即进行250～350℃的后热处理。

2）焊接材料的选用，见表7。

3）为保证接头性能和质量，应适当控制焊接线能量，如手弧焊时，焊接线能量应控制在24kJ/cm以下；埋弧焊时，焊接线能量应控制在35kJ/cm以下。

但焊接线能量不能过小，否则焊接接头易出现淬硬组织和降低韧性。

同时，层间温度应控制在预热温度和300℃之间。

4）焊后应进行热处理。

电渣焊接头热处理的方式是900～980℃正火加630～670℃回火。

手弧焊及埋弧焊接头进行消除焊接残余应力的高温回火处理，回火温度比一般钢材回火温度低30℃左右。

17 试述低温用钢的焊接工艺。

工作温度等于或低于－20℃的低碳素结构钢和低合金钢称为低温用钢，其牌号及成分，见表9。

对低温用钢的主要要求是应保证在使用温度下具有足够的塑性及抵抗脆性破坏的