碳钢的焊接性.docx

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碳钢的焊接性

碳钢的焊接性

碳素钢的焊接性随含碳量增加而恶化，因为含碳量较高的钢从焊接温度快速冷却下容易被淬硬。

被淬硬的焊缝和热影响区因其塑性下降，在焊接应力容易产生裂纹。

碳素钢被淬硬主要是在马氏体组织形成而引起，马氏体的数量受冷却速度影响，非常快的冷却速度可以产生100%的马氏体，从而可达到最高硬度。

因此，焊接含砚较高的碳素钢时，就应当注意减缓冷却速度，使马氏体的数量减至最少。

焊接的冷却速度受焊接热输入、母材板厚和环境温度的影响。

厚板或在低温条件下焊接，其冷却速度加快；预热或加大焊接线能量，可以降低冷却速度，减少裂纹产生。

碳素钢的碳含量增加到约%以上时，对氢致裂纹尤其敏感。

因此，焊接碳含量高于%的碳素钢时，须注意减少氢的来源。

例如大气中的水分，焊前对待焊部位及附近须清除油污、铁锈等。

手弧焊时宜选用低氢焊条，在其它焊接方法中应制造低氢环境，以减少焊缝周围环境中的氢含量。

焊接碳素钢时产生裂纹的力学原因是结构的拘束力和不均衡的热应力。

即使是不易淬硬的低碳钢，在受拘束力条件下采用了不正确的焊接程序，也会因这些应力过大而产生裂纹。

总之，对碳素钢的焊接，应针对其碳含量不同而采取相应的工艺措施。

当含碳较低时，如低碳钢，应着重注意防止结构拘束应力和不均衡的热应力所引起的裂纹；当含碳量较高时，如高碳钢，除了防止因这些因为应力所引起的裂纹外，还要特别注意防止因淬硬而引起的裂纹。

低碳钢的焊接

焊接特点

低碳钢的含碳量低（≤%），其它合金元素含量较少，故是焊接性最好的钢种。

采用通常的焊接方法后，接头中不会产生淬硬组织或冷裂纹。

只要焊接材料选择适当，便能得到满意的焊接接头。

用电弧焊焊接低碳钢时，为了提高焊缝金属的塑性、韧性、和抗裂性能，通常都是使焊缝金属的碳含量低于母材，依靠提高焊缝中的硅、锰含量和电弧所具有较高的冷却来达到与母材等强度。

因此，焊缝金属会随着冷却速度的增加，其强度会提高，而塑性和韧性会下降。

当厚板单层角焊缝时，焊角尺寸不宜过小；多层焊时，应尽量连续施焊；焊补表面缺陷时，焊缝应具有一定的尺寸，焊缝长度不得过短，必要时应采用100-150℃的局部预热。

焊接材料

电弧焊用焊条

用于焊接结构的低碳钢多是Q235钢，其抗拉强度平均约mm2,按等强度原则应选用E43××系列焊条,它的熔敷金属抗拉强度不小于420N/mm2（43kgf/mm2）,在力学性能上与母材恰好相匹配。

当焊接重要的或裂纹敏感性较大的结构时，常选用低氢型碱性焊条，如E4316、E4315、E5016、EE5015等。

因这类焊条具有较好的抗裂性能和力学性能，其韧性和抗时效性能也很好。

但这类焊条工艺性能较差，对油、锈和水份很敏感，焊前需在350-400℃下烘干1-2小时，并需对接头作彻底清理干净。

所以对于一般的焊接结构，推荐选用工艺性能较好的酸性焊条，如E4303、E4313、E4320等。

这些焊条虽然气体、杂质较高，焊缝金属的塑性、韧性及抗裂性不及碱性焊条，但一般都能满足使用性能要求。

低碳钢焊条选用举例

钢号

一般结构

（包括壁厚不大的中、低压容器）

动载荷、复杂和厚板结构，

重要的受压容器，低温下焊接

施焊条件

型号

牌号

牌号

型号

Q235

E4313

J421

E4303

J422

一般不预热

Q255

E4303

J422

E4301

J423

厚板结构预热

150℃以上

E4301

J423

E4320

J424

E4320

J424

E4311

J425

E4311

J425

E4316

J426

E4315

J427

08，10，20

E4303

J422

E4316

J426

一般不预热

E4301

J423

E4315

J427

E4320

J424

E5016

J506

E4311

J425

E5015

J507

25

E4316

E426

E5016

E506

厚板结构预热

150℃以上

E4315

E427

E5015

E507

20g，22g，20R

E4303

J422

E4316

J426

一般不预热

E4301

J423

E4315

J427

焊接工艺要点

为确保低碳钢的焊接质量，在焊接工艺方面须注意：

1）焊前清除焊件表面铁锈、油污、水份等杂质，焊接材料焊前烘干。

2）角焊缝、对接多层焊的第一层焊缝以及单道焊乡要避免采用窄而深的坡口形式，以防止出现裂纹、未焊透或夹渣等焊接缺陷。

3）焊接刚性大的构件时，为了防止产生裂纹，宜采用焊前预热和焊后消除应力的措施。

4）在环境温度低于-10℃以下时焊接低碳钢结构时接头冷却快，为了防止产生裂纹，应采取以下减缓冷却速度的措施：

a.焊前预热，焊时保持层间温度；

b.采用低氢型或超低氢型焊接材料；

c.点固焊时须加大焊接电流，适当加大点固焊的焊缝载面和长度，必要时焊前也必须预热；

d.整条焊缝连续焊完，尽量避免中断。

熄弧时要填满弧坑。

低碳钢焊接时预热及焊后消除应力热处理温度

钢号

材料厚度

／mm

预热温度和层间温度

／℃

消除应力热处理温度

／℃

Q235，Q255，08，10，15，20

～50

－

－

＞50～100

＞100

600～650

25，20g，22g，20R

～25

＞50

600～650

＞25

＞100

600～650

低碳钢低温下焊接时预热温度

环境温度/℃

焊件厚度/mm

预热温度/℃

梁、柱、桁架

管道、容器

－30℃以下

≤30

≤16

100～150

－20℃以下到－30℃

31～34

17～30

100～150

－10℃以下到－20℃

35～50

31～40

100～150

0℃以下到－10℃

51～70

41～50

100～150

中碳钢的焊接

焊接特点

中碳钢含碳量较高，其焊接性比低碳钢差．当Ｗ（Ｃ）接近下限（０.２５％）时焊接性良好，随着含碳量增加，其淬硬倾向随之增大，在热影响区容易产生低塑性的马氏体组织。

当焊件刚性较大或焊接材料、工艺参数选择不当时，容易产生冷裂纹。

多层焊焊接第一屋焊缝时，由于母材金属熔合到焊缝中的比例大，使其含碳量及硫、磷含量增高、容易产生热裂纹。

此外，碳含量高时，气孔敏感性增大。

焊接材料

应尽量选用抗裂性能好的低氢型焊接材料。

焊条电弧焊时，若要求焊缝与母材等强度，宜选用强度级别相当的低氢型焊条；若不要求等强度时，则选用强度级别比母材低一级的低氢型焊条，以提高焊缝的塑性、韧性和抗裂性能。

如果选用非低氢型焊条进行焊接，则必须在严格的工艺措施配合，如控制预热温度、减少母材的熔合比等。

当工件不允许预热时，可选用塑性优良的铬镍奥氏体不锈钢焊条。

这样可以减少焊接接头应力，避免热影响区冷裂纹产生。

中碳钢焊接用焊条、预热及消除应力热处理温度

钢号

焊条

板厚

/mm

预热及层

间温度

／℃

消除应力

热处理温度

／℃

不要求等强度

要求等强度

要求高塑、韧性①

型号

牌号

型号

牌号

型号

牌号

25

E4303

J422

E5016

J506

≤25

＞50

600～650

E4301

J423

E5015

J507

30

E4316

J426

－

－

25～50

＞100

600～650

E4315

J427

35

E4303

J422

E5016

J506

50～100

＞150

600～650

E4301

J423

E5015

J507

ZG270

－570

E4316

J426

E5516

J556

E308-16

A102

E4315

J427

E5515

J557

E309-16

A302

45

E4316

J426

E5516

J556

E309-15

A307

≤100

＞200

600～650

E4315

J427

E5515

J557

E310-16

A402

ZG310

－570

E5016

J506

E6016

J606

E310-15

A407

E5015

J507

E6015

J607

55

E4316

J426

E6016

J606

≤100

＞250

600～650

E4315

J427

E6015

J607

ZG340

－640

E5016

J506

E5015

J507

1用铬-镍奥氏体不锈钢焊条时，预热温度可降低或不预热。

焊接工艺要点

1）预热和层间温度预热是焊接和焊补中碳钢防止裂纹的有效工艺措施。

因为预热可降低焊缝金属和热影响区的冷却速度、抑制马氏体的形成。

预热温度取决于碳含量、母材厚度、结构刚性、焊条类型和工艺方法等，最好是整体预热，局部预热，其加热范围应为焊口两侧150～200mm左右。

多层焊时，要控制层间温度，一般不低于预热的温度。

2）浅熔深为了减少线材金属熔入焊缝中的比例,焊接接头可做成U型或V型坡口。

如果是焊补铸件缺陷，所铲挖的坡口外形应圆滑，多层焊时应采用小焊条，小焊接电流，以减少熔深。

3）焊后处理最好是焊后冷却到预热温度之前就进行消除应力热处理，尤其是大厚度工件或大刚性的结构件更应如此。

消除应力热处理温度一般在600～650℃之间。

如果焊后不能立即消除应力热处理，则应先进行后热，以便扩散氢逸出。

后热温度150℃保温2小时。

4）锤击焊缝金属没有热处理消除焊接应力的条件时，可焊接过程中用锤击热态焊缝的方法减小焊接应力，并设法使焊缝缓冷。

高碳钢的焊接

焊接特点

含碳量w（C）＞％的高碳钢淬硬性高、很容易产生又硬又脆的高碳马氏体。

在焊缝和热影响区中容易产生裂纹，难以焊接。

帮一般都不用这类钢制造焊接结构，而用于制造高硬度或耐磨的部件或零件，对它们的焊接多数是破损件的焊补修理。

高碳钢零、部件的高硬度或高耐磨性能是通过热处理获得，因此焊补这些零、部件前应先行退火，以减少焊接裂纹，焊后再重新进行热处理。

焊接材料

按焊缝性能要求来选用高碳钢的焊接材料，要求达到与线材完全相同的性能是比较难的。

在焊条电弧焊情况下，当要求强度高时，可选用E7015（J707）或E6015（J607）焊条；要求低时，选用铬、镍奥氏体不锈钢焊条，如E309-16（A302）、E309-15（A307）等，这时预热温度可降低或不需预热。

焊接要点

高碳钢焊接性差，焊接时性必须注意：

1）应先退火而后焊接；

2）采用结构焊条时，焊前必须预热，预热温度和层间温度应在350℃以上；

3）采取与焊接中碳钢相似的工艺措施，尽量减少熔合比、小焊接电流、低焊接速度，焊接尽可能连续进行，中间不停止；

4）焊后缓冷，并应立即送入炉中进行消除应力的高温回火，随后根据需要作相应的热处理。

合金结构钢的焊接

合金结构钢及其分类

合金结构钢是在碳素钢的基础上有目的地加入一种或几种合金元素的钢。

常用的合金元素有：

锰、硅、铬、镍、钼、钨、钒、钛、硼等。

加入合金元素可使钢的性能产生预期的变化，如提高其强度，改善其韧性，或使其具有特殊的物理、化学性能，如耐热性各耐蚀性等。

合金结构钢的应用领域很广，种类繁多，可化学成分、合金系统、组织状态、用途或使用性能等方面分类。

例如：

按合金元素总含量的多少分有：

1）低合金钢，一般w（Me）＜5%；

2）中合金钢，w（Me）=5～10%；

3）高合金钢，w（Me）＞10%；

按用途合性能分有：

1）强度用钢即通常所说的高强度用钢。

2）特殊用途钢这类钢主要用于在特殊条件下工作的机械零件和工程结构。

新标准与旧标准牌号对照

GB/T1591-1994规定牌号

GB/T1591-1988规定牌号

Q295

09MnV、09MnNb、09Mn2、12Mn

Q345

12MnV、14MnNb、16MnRE、18Nb

Q390

15MnV、15MnTi、16MnNb

Q420

15MnVN、14MnVTiRE

按供货状态分，强度用分为热轧与正火钢、低碳调质钢等到三类。

各类钢的组织性能有其共同点，且与焊接性密切相关。

简介如下：

1）热轧正火钢是一种非热处理强化钢，一般是在热轧、控轧、正火、正火加回火状态下供货，使用时不进行热处理。

这类钢合金元素含量低（一般w（Me）≤3%），屈服点在295-460MPa范围，所以又称为低合金高强度钢。

钢中主要元素是Mn，有些辅以V、Ti、Nb等。

这类钢被广泛应用于各种焊接结构。

2）低碳调质钢是一种热处理强化钢，一般在调质状态下供货。

其含碳量较低，通常w（C）在%以下。

钢中Mn、Mo为主要元素，有些辅以V、Cr、Ni、B等。

这类钢只需加入少量合金元素，通过调质处理，就能获得高的强度，又有较好的塑性和韧性。

可以直接在调质状态下焊接，焊后不必进行调质处理，必要时可进行消除应力处理。

由于这类钢强度高、韧性好，焊接热影响区淬硬倾向小，冷裂纹敏感性较低，所以在重大焊接结构中得到越来越广泛应用。

但是，这类钢焊后在热影响区中出现软化区。

3）中碳调质钢也是一种热处理强化钢，其含碳量比低碳调质钢高[w（C）＞%],因此淬硬性比低碳调质钢高很多。

中碳调质钢常用于强度要求很高的产品和构件，如火箭发动机壳体、飞机起落架等。

由于它的强度和硬度很高其韧性相对较低，给焊接带来较大困难。

通常需要在退火状态下焊接，焊后再通过整体热处理来达到所需的强度和硬度。

热轧及正火钢的焊接性

在熔焊条件下热轧及正火钢随着强度级别的提高和合金元素含量的增加，焊接的难度增大。

这类钢焊接的主要问题是热影响区的脆化和产生各种裂纹。

热影响区脆化

1）过热区脆化过热区是指热影响区中熔合线附近母材被除数加热到到1100℃以上的区域，又叫粗晶区。

由于该区温度高，发生奥氏体晶粒显着增大和一些难熔质点熔入而致了性能变化。

这种变化既和钢材的类型、合金系统有关，又和焊接热输入有关，因为热输入直接影响高温停留时间和冷却速度。

热轧钢系固溶强化钢，在热轧状态下使用。

导致热轧钢过热区脆化的原因是：

焊接输入偏高，使该区的奥氏体晶粒严重增大，稳定性增加。

使之转变产物先析铁素体和共析铁素体的延伸发展，除沿晶界析出外还向晶内延伸，形成魏氏体组织及其他塑性低的混合组织，从而使过热区脆化。

因此对于像Q345（16Mn）之类固熔强化的热轧钢，焊接时，采用适当低的输入热等工艺措施来抑制过热区奥氏体晶粒长大及魏氏组织的出现，是防止过热区脆化的关键。

正火钢过热区脆化下热轧钢不同，其热过敏性比热钢大，这是因为两者合金化方式不同。

对含Ti和V的15MnTi与Q420（15MnVN）钢研究表明：

随着焊接热输入增大，高温停留时间延长，Ti、V溶解得越充分，其脆化就显着。

所以用小热输入是避免这类正火钢过热区脆化的有效措施。

如果为了提高正钢的焊接生产效率面采用大的热输入焊接，在这种情况下，焊后需采用800～1100℃的正火热处理来改善接头韧性。

2）热应变脆化指钢在200℃～Ac1温度范围内，受到较大的塑性变形（5%～10%）后，出现断裂韧性明显下降，脆性转变温度明显升高现象。

对Q345（16Mn）和Q420（15MnVN）等钢研究表明，这些钢均具有一定的热应变脆化倾向。

消除和热应变脆化的有效措施是焊后退火处理。

经600℃左右的消除应力退火后，材料的韧性基本上能恢复到原来的水平。

裂纹

1）焊缝金属的热裂纹热轧正火钢一般含碳量都较低，而含锰量都较高，它们的w（Mn）/w（S）值比较大，因而具有较好的抗热裂能，正常情况下焊缝不会出现裂纹。

但是，当材料成分不合格，或有严重偏析，使局部的碳、硫含量偏高，其w（Mn）/w（S）值偏低时则易产生裂纹。

控制母材和焊接材料中的碳、硫含量，减少熔合比，增大焊缝的成形系数等都有利于防止焊缝金属产生热裂纹。

2）冷裂纹导致钢材产生焊接冷裂纹的三个主要因素是钢材的淬硬倾向，焊缝的扩散氢含量和接头的拘束应力，其中淬硬倾向是决定性的。

一般认为碳当量CE＜%的钢材焊接时基本上无淬硬倾向,焊接性良好。

σs=295～390MPa的热轧钢如09Mn、O9MnNb、12Mn等基本属这一类。

除钢板很厚、环境温度很低的情况外，也和焊接低碳钢一样一般不需要焊前预热和严格控制焊接热输入，也不会引起冷裂纹。

随着CE增加，其淬硬倾向也随之增大，Q345（16Mn）、Q390（15MnV）等热轧钢的碳当量较上述几种钢稍高，其淬硬倾向相应稍大，当冷却速度快时，有可能产生马氏体淬硬组织。

在拘束应力较大和扩散氢含量较高的情况下，就必须采取适当措施，防止冷裂纹的产生。

碳当量CE=%～%的钢，基本上属于有淬硬倾向的钢，σs=440～490MPa的正火钢就处于这一范围之内，当CE还不超过%时，淬硬尚不严重，焊接性尚好。

但随着板厚的增加，则须采取一定预热措施才能避免冷裂纹的产生。

CE在％以上的钢其淬硬倾向显着，容易冷裂，必须控制焊接输入和采取预热和后热处理等工艺措施，以防冷裂纹的产生。

热轧及正火钢的焊接工艺

（1）焊接方法

热轧正火钢对许多焊接方法都适应，选择时主要考虑产品结构、板厚、性能要求和生产条件等因素，其中最为常见的是焊条电弧焊、埋弧焊和熔化极气体保护焊。

（2）焊接材料的选择

焊接热轧及正火钢时，选择焊接材料和主要依据是保证焊金属的强度，塑性和韧性等力学性能与母材的力学性能匹配，为此，须注意以下问题。

1）选择相应强度级别的焊接材料

2）工艺条件的影响主要焊接工艺和焊后的加工工艺两方面考虑对焊缝金属力学性能的影响。

3）考虑结构因素的影响对厚板、拘束应度大或冷裂倾向大的焊接结构，以及重要的产品，应选用低氢或高韧性的焊接材料。

例如，厚板结构多层焊，第一层打底焊缝最易产生裂纹，这时应选用强度稍低，但塑性、韧性较好的低氢或超低氢焊接材料。

热轧及正火钢焊接材料选用举例

强度等级

σs/MPa

钢号

焊条电弧焊焊条

气体保护焊

型号

牌号

实心焊丝

药芯焊丝

295

09Mn2

09Mn2Si

09MnV

12Mn

E4301

E4303

E4315

E4316

E423

J422

J427

J426

CO2:

ER49-1

ER50-2

345

16Mn

16MnR

14MnNb

EH32

EH36

36Z

16MnRe

E5001

E5003

E5015

E5015-G

E5016

E5016-G

E5018

E5028

J503,J5032

J502

J507

J507R

J506

J506R

J506Fe

J507Fe

J506Fe16

J507Fe16

CO2:

ER49-1

ER50-2

ER50-6、7

GH5-50

CO2:

YJ502-1（EF01-5020）

YJ502K-1（EF01-5050）

YJ507-1（EF03-5040）

PK-YJ607

345

390

15MnV

15MnVR

15MnVRe

15MnTi

15MnVNb

16MnNb

15MnTiCu

14MnMoNb

EH40

E5001

E5003

E5015

E5015-G

E5016

E5016-G

E5018

E5028

E5515-G

E5516-G

J503,J503z

J502

J507

J507R

J506

J506R

J506Fe

J507Fe

J506Fe16

J507Fe16

J557

J556

CO2:

ER50-2

ER50-6、7

GHS5-50

CO2:

YJ502-1（EF01-5020）

YJ502K-1（EF01-5050）

YJ507-1（EF03-5040）

440

15MnVN

15MnVNR

15MnVTiRe

CF60

CF62

14MnVTiR

E5515-G

E5516-G

E6015-D1

E6015-G

E6016-D1

E6016-G

J557,J557Mo

J557MoV

J556,J556RH

J607

J607Ni,J607RH

J606

J606RH

CO2或Ar+CO220%:

ER49-1

ER50-2

ER55-D2

GHS-60

CO2:

PK-YJ607

490

14MnMoV

14MnMoVg

18MnMoNb

14MnMoVN

18MnMoNbg

15MnMoVCu

E6015-D1

E6015-G

E6016-D1

E7015-D2

E7015-G

J607

J607Ni,J607RH

J608

J707

J707Ni,J707RH

J707NiW

CO2或Ar+CO220%:

ER35-D2

H08Mn2SiMoA

GHS-60

GHS-60N

GHS-70

CO2:

PK-YJ607

YJ707-1

（4）焊接工艺参数的选择

1）焊接热输入热轧及正火钢焊接热输入的确定主要依据是防止过热区脆化和焊接裂纹两个方面。

由于各种热轧及正火钢的脆硬倾向不相同，因此，对热输入的要求亦不相同。

对于如Q295（09Mn2、09MnNb）和含碳量偏下的Q345（16Mn）QMQ钢等，基强度级别在390MPa以下，它们的过热敏感性不大，淬硬倾亦较小，帮焊接热输入一般不予限制。

含碳量偏高的Q345（16Mn）钢，其淬硬倾向增加，为防止冷裂纹，焊接时，宜用偏大一些的焊接热输入。

对含钒、铌、钛等到强度级别较低的正火钢，如Q420（15MnVN、15MnVTi）等。

为防止沉淀相溶入和晶粒长大引起的脆化，宜选用偏小的焊接热输入。

2）预热预热主要是为了防止裂纹，同时兼有一定改善接头性能作用。

但预热却恶化劳动条件，延长生产周期，增加制造成本。

过高预热温度和层间温度反会使接头韧性下降。

因此焊接是否需要预热和预热多少温度，应慎重从事。

3）后热及热处理

①后热又叫消氢处理，是立即对焊件的全部（或局部）进行加热和保温，让其缓冷，使扩散氢逸出的工艺措施。

后热的目的是防止延迟裂纹的产生，主要用于强度级别较高的钢种和大厚度的焊接结构。

去氢的效果取决于后热的温度和时间。

温度一般在200～300℃范围内，保温时间与板厚有关，通常为2～6小时。

对同一板厚，后热温度高，保温时间可缩短。

②焊后热处理一般情况下，热轧钢和正火钢焊后不需热处理。

但是，对要求抗应力腐蚀的焊接结构、低温下使用的焊接结构及厚壁高压容器等，焊后都需要进行消除应力的高温回火。

确定回火温度时要注意：

a.不要超过母材的回火温度,以免影响母材的性能,约比母材的回火温度低30～60℃;b．对于含有铬、钼、钒等的低合金钢，在回火时要避开600℃左右的温度区间，以免产生再热裂纹。

常用热轧和正火钢焊接的预热温度及焊后热处理温度

强度等级

σs/MPa

钢号

厚度/mm

预热温度/℃

焊后热处理温度/℃

电弧焊

电渣焊

295

09Mn2

09Mn2Si

09MnV

12Mn

一般无板厚

不预热

不热处理

不热处理

345

16Mn

16MnR

14MnNb

EH32

EH36

D36（36Z）