金属材料焊接知识

金属材料焊接知识金属材料焊接知识 第一节第一节 金属材料焊接性的基本概念金属材料焊接性的基本概念 一 焊接性的定义一 焊接性的定义 金属的焊接性是指材料对焊接加工的适应性 主要指在一定的焊接工艺条 件下 获得优质焊接接头的难易程度 它包括两个方面的内容 1 接合性能 既在一定的焊接工艺条件下 一定的金属形成焊接缺陷的 敏感性 2 使用性能 既在一定的焊接工艺条件下 一定金属的焊接接头对使用 要求的适应性 金属焊接性的内容是多方面的 对于不同材料 不同工作条件下的焊件 焊接性的内容不同 因此焊接性只是相对的概念 二 影响焊接性的因素二 影响焊接性的因素 金属材料焊接性的好坏主要决定于材料化学成分 而且与结构的复杂程度 钢度 焊接方法 采用的焊接材料 焊接工艺条件及结构的使用条件有密切关 系 1 结构因素 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 焊接时应 尽量使焊接接头处于钢度较小的状态 使之能够自由收缩 这样有利于防止焊 接裂纹 2 材料因素 材料因素包括母材本身和使用的焊接材料 如焊条 焊丝 焊剂 保护气 体等 它们在焊接时都参与熔池或半熔化区内的冶金过程 直接影响焊接质量 母材或焊接材料选用不当时 会造成焊接金属化学成分不合格 力学性能 和其他使用性能降低 这会出现气孔 裂纹等缺陷 也就是使结合性能变差 3 工艺因素 对于同一母材 当采用不同的焊接工艺方法和工艺措施时 所表现的焊接 性也不同 焊接方法对焊接的影响 首先表现在焊接热源能量密度大小 温度 高低以及热输入的多少 工艺措施对防止焊接接头缺陷 提高使用性能也有重要的作用 如焊前预 热 焊后缓冷和去氢处理等 他们对防止热影响区淬硬变脆 降低焊接应力 避免氢致冷裂纹是比较有效的措施 另外 如合理安排焊接顺序 则能减小应 力变形 4 使用条件 焊接结构的使用条件是多种多样的 有在高温 低温下工作 在腐蚀介质 中工作及在静载或动载工作下工作等 在高温工作 可能产生蠕变 在低温工 作或有冲击载荷工作时 容易发生脆性破坏 在腐蚀介质下工作时 接头要求 具有耐腐蚀性 总之 使用条件越不利 焊接性就越不能保证 第二节第二节 低碳钢的焊接低碳钢的焊接 目前我国锅炉和压力容器生产中最常用的低碳钢是 Q235B Q235C 和 20g 等 由于它的含碳量 含碳量在 0 25 以下 及其他合金元素少 这类钢材焊 接性能良好 1 低碳钢焊接特点低碳钢焊接特点 1 可装配成各种不同接头 适应各种不同位置施焊 且焊接工艺和技术比 较简单 容易掌握 2 焊接一般不需要预热 若在寒冷地区焊接 也可以将焊件预热至 150 左右 3 塑性较好 焊缝产生裂纹和气孔的倾向小 可制造各类大型构架和压力 容器 4 不需要使用特殊的设备 对焊接电源没有特殊要求 交直流弧焊机都可 以焊接 但在焊接低碳钢时 如焊条或工艺规范选择不当 可能出现热影响区 晶粒长大 温度越高 热影响区在高温停留时间越长 晶粒长大越严重 2 低碳钢焊接低碳钢焊接 低碳钢几乎可采用所有的焊接方法来进行焊接 并都能保证焊接接头的良 好质量 用得最多的焊接方法如手工电弧焊 埋弧自动焊 电渣焊 氩弧焊和 二氧化碳焊等 1 手工电弧焊 焊接低碳钢的手工焊焊条见表 12 1 表 12 3 表 12 4 焊条的选择主要是 根据被焊接低碳钢的强度等级以及焊接结构的工作条件 表表 12 1 常用低碳钢 部分 的焊接材料常用低碳钢 部分 的焊接材料 手工焊自动焊 钢号 焊条牌号焊丝牌号焊剂牌号 Q235A B 结 422 H08A焊剂 431 20R结 422 结 426 结 427H08MnA焊剂 431 20g结 422 结 427H08MnA焊剂 431 焊接规范的确定 主要考虑焊接过程的稳定 焊缝成型的良好及焊缝中不 产生缺陷 当基本金属厚度较大或周围温度较低时 由于焊缝金属及热影响区 的冷却速度很快 也有可能出现裂缝 这时需要对焊件进行适当预热 预热温 度一般为 100 150 2 埋弧自动焊 低碳钢的自动焊接头的等级强度 主要靠选择相应焊丝和焊剂来获得 焊 丝和焊接见表 12 2 表表 12 2 常用低碳钢 部分 的焊接材料常用低碳钢 部分 的焊接材料 埋 弧 自 动 焊 钢号 焊丝牌号焊剂牌号 二氧化碳气体 保护焊焊丝 Q235A B H08A焊剂 431H08Mn2SiA 20RH08MnA焊剂 431H08Mn2SiA 20gH08MnA焊剂 431H08Mn2SiA 表表 12 3 几种常用碳钢焊条的化学成分 几种常用碳钢焊条的化学成分 焊条 牌号 国际 型号 MnSiNiCrMoVSP J422E4303 J427E4315 J426E4316 1 25 0 090 30 0 20 0 30 0 08 J502E5003 J507E5015 J506E5016 J507HE5015 J507CE5015 J506DE5016 1 60 0 750 30 0 20 0 30 0 08 0 0350 040 元素总量不大于 1 5 元素总量不大于 1 75 表表 12 4 几种常用碳钢焊条的力学性能几种常用碳钢焊条的力学性能 AKV焊条 牌号 国际 型号 S Mpa 0 2 Mpa S J 温度 J422E43030 J427E4315 J426E4316 420 330 22 30 J502E5003 20 0 J507E5015 J506E5016 490 410 22 27 30 J507HE5015 J507CE5015 J506DE5016 比起手工焊 埋弧自动焊可以采用较大的焊接规范参数 生产效率高 熔 深也较大 在生产实践当中 采用埋弧自动焊焊接较厚工件时 可以用一道或 多道焊来完成 厚壁容器一般均采用多道埋弧自动焊 在多层自动焊时 焊第 一层是值得注意的 因为焊第一层时 基本金属的熔入比例较大 若遇到基本 的含碳量处于规范范围的上限 在焊缝中含碳量就可能略有升高 同时 第一 层埋弧自动焊容易形成不利的焊缝横截面形状 如所谓 O 形截面 容易产生 热裂缝 因此在多层自动焊焊接厚板时 要求焊坡口根部第一层时采用的焊接 规范比焊上面几层的小些 如采用手工焊打底埋弧自动焊 上述情况就不太突 出 在进行环缝自动焊时 为防止熔池中金属外流及保证自动焊焊剂的良好保 护作用 焊丝的位置应从最高处朝旋转的相反方向作偏移 以使熔池中液态金 属保持在焊件的上表面 第三节第三节 低合金钢焊接低合金钢焊接 一 概述一 概述 在碳素钢中加入一定量的合金元素 可以大大提高钢的强度 并能获得各 种特殊的性能 这种钢称为合金钢 合金元素总质量分数小于 5 的合金钢称为 低合金刚 低合金刚加入合金元素有 Mn Si Mo V Ti Cu B Cr Ni 等 这些合金元素的加入使钢材具有强度高 韧性好 耐磨 耐腐蚀 耐高温 耐 低温等一系列优良性能 二 低合金结构钢的分类二 低合金结构钢的分类 低合金结构钢是以该钢材的屈服点进行分类的 其牌号和化学成分见表 12 5 新旧低合金结构钢的标准牌号对照见表 12 6 表表 12 5 低合金高强度结构钢的牌号和化学成分 低合金高强度结构钢的牌号和化学成分 GB T1591 94 化学成分 质量分数 牌号 质量 等级 C Mn Si P S VNbTi Al Cr Ni Q345 A B C 0 20 0 20 0 20 1 00 1 60 1 00 1 60 1 00 1 60 0 55 0 55 0 55 0 045 0 040 0 035 0 045 0 040 0 035 0 02 0 15 0 02 0 15 0 02 0 15 0 015 0 060 0 015 0 060 0 015 0 060 0 02 0 20 0 02 0 20 0 02 0 20 0 015 Q345 D E 0 18 0 18 1 00 1 60 1 00 1 60 0 55 0 55 0 030 0 025 0 030 0 025 0 02 0 15 0 02 0 15 0 015 0 060 0 015 0 060 0 02 0 20 0 02 0 20 0 015 0 015 表表 12 5 低合金高强度结构钢的牌号低合金高强度结构钢的牌号 GB T1591 94GB1591 88 Q34512MnV 14MnNb 16Mn 16MnRE 18Nb 三 低合金结构钢的焊接性三 低合金结构钢的焊接性 低合金结构钢焊接时的共同特点是焊缝和热影响区具有不同程度的淬硬倾 向 对氢的敏感性强 焊接应力较大时 焊接接头易产生裂纹 1 焊缝和热影响区的淬硬倾向 低合金结构钢中强度等级和含碳量较低的一些钢种 如 Q295 09MnV 09Mn2 等 焊缝和热影响区的淬硬倾向并不大 随着强度等 级的提高 钢中碳和合金元素的含量增加 热影响区的淬硬倾向就增大 热影 响区组织中马氏体组织所占的比例也就增大 影响热影响区淬硬程度的因素很多 其中只要有 1 材料和结构方面的因素 如钢材的品种 化学成分 厚度 接头形式 及焊缝尺寸等 2 焊接工艺方面的因素 如焊接工艺方法 焊接参数 焊缝附近的起焊 温度等 焊接热输入较大时 可以防止淬硬组织 但却容易产生魏氏组织 焊 接热输入较小时 则相反 因此对于不同的钢种 应该分别选择不同的焊接参 数 2 焊接裂纹 低合金结构钢焊接时 在焊接接头中可能产生的焊接裂纹有冷裂纹 热裂 纹和再热裂纹 1 冷裂纹 冷裂纹是低合金结构钢焊接时常见的一种裂纹 并且往往有 延迟的性质 焊接强度强度等级较低的低合金结构钢时 由于淬硬倾向很小 焊缝和热影响区金属的塑性较好 故产生冷裂纹的可能性不大 冷裂纹主要发 生在强度级别较高钢材的厚板结构中 2 热裂纹 低合金结构钢产生热裂纹的可能性比冷裂纹小得多 只有在 原材料化学成分不符合规格 如含 S C 量偏高 严重偏析 时才有可能产生 3 再热裂纹 含有 V Cr Mo B 等合金元素的低合金结构钢有产生再 热裂纹的倾向 四 低合金钢的焊接工艺特点四 低合金钢的焊接工艺特点 1 焊接材料的选用 低合金结构钢是强度钢 所以应该按照等强度的原则选择对应的焊接材料 焊缝金属的强度不宜超过母材过多 否则会使焊缝塑性降低 甚至会产生裂纹 另外 选择焊接材料时 还要考虑到焊件的厚度 坡口形式 焊后的冷却速度 和对焊缝金属使用性能的特殊要求等 焊接低合金结构钢用焊条 焊丝及焊剂见表 12 7 表表 12 7 焊接低合金结构钢用焊条 焊丝及焊剂焊接低合金结构钢用焊条 焊丝及焊剂 埋 弧 焊钢材 牌号 焊条电弧焊用 焊条型号焊丝牌号焊剂牌号 焊前预热 Q295 E4301 E4303 E4315 E4316 H08A H08MnA HJ431 一般情况下 不预热 Q345 E5001 E5003 E5015 E5016 I 形坡口 H08A 中厚板开坡口 H08MnA H10Mn2 H10MnSi 厚板开坡口 H10Mn2 HJ431 HJ350 一般情况下 不预热 Q390 E5015 E5016 E5501 E5516 E5515 I 形坡口 H08MnA 中厚板开坡口 H10MnSi H10Mn2 H08Mn2Si 厚板开坡口 H08MnMoA HJ431 HJ350 HJ250 一般情况下 不预热或预热 100 150 Q420 E5515 E5516 E6016 D1 E6015 D1 H08MnMoA HJ431 HJ350 预热 150 以上施焊 Q460E7015 D2 H08Mn2MoA H08MnMoVA HJ350 HJ250 预热 150 以上施焊 2 焊接参数的确定 焊接参数对低合金结构钢焊接接头的性能有着直接的影响 焊接参数影响 到焊缝的冷却速度 当选择较大的焊接参数时 即热输入大 则焊缝冷却速度 小 反之 选择较小的焊接参数时冷却速度则大 所以 为减小过热区的淬硬 倾向 焊接参数应选择大些 对于过热敏感 且有一定淬硬性的钢材 焊接时要用小的焊接参数 以减 少焊件在高温停留的时间 同时 采用预热措施 以减少过热区的淬硬程度 预热的防止裂纹和热影响区出现淬硬组织的有效措施 预热温度的选择与 钢材的化学成分 板厚 焊件的刚度 接头的形式和环境温度有关 预热温度 的选择见表 12 8 对于厚板或强度等级较高 且有延迟裂纹倾向的低合金结构钢 要求焊后 及时进行回火处理 以消除焊接残余应力 改善热影响区的显微组织 使残留 在焊缝中的氢能够逸出 几种常用低合金钢焊前预热及焊后处理参数见表 12 8 表表 12 8 低合金结构钢焊前预热及焊后热处理的参数低合金结构钢焊前预热及焊后热处理的参数 焊后热处理参数 钢材牌号预热温度 焊条电弧焊电渣焊 Q295 09MnV 09Mn2 不预热 一般供应的 板厚 16mm 不热处理 Q345 16Mn 12MnV 14 MnNb 100 150 30mm 600 650 回火 900 930 正火 600 650 回火 Q390 15MnV 16MnNb 100 150 28mm 550 或 650 回火 950 980 正火 550 或 650 回火 Q420 15MnVN 14MnVT iRE 100 150 25mm 950 正火 650 回火 五 常用低合金钢的焊接工艺五 常用低合金钢的焊接工艺 一 一 Q345 16Mn 钢 钢 是利用我国富有资源 Mn Si 为合金元素 其屈服点大于 345MPa 是我国 产量最大 应用最广的低合金结构钢 16Mn 钢的化学成分和力学性能见表 12 9 表表 12 9 Q345 16Mn 钢的化学成分和力学性能 钢的化学成分和力学性能 化学成分的质量分数 力学性能 不低于 CSiMn 屈服点 MPa 抗拉强度 MPa 伸长率 0 20 0 55 1 00 1 60275 345470 53021 22 1 焊接性 16Mn 钢具有良好的焊接性 淬硬倾向比 Q235 钢稍大些 在 大厚度 大刚度结构上进行小焊接参数 焊接时可能出现裂纹 特别是在低温 条件下进行焊接 因此 在低温条件下焊接时应进行适当的预热 焊件厚度超 过一定范围时应按有关规定进行焊后热处理 2 焊接方法 常见的焊接方法都可用于 16Mn 钢的焊接 16Mn 钢的 焊条电弧焊 焊条电弧焊时应采用强度等级为 E50 的焊条 应用最多的是 E5015 焊条 对于要求不高的焊件 可采用 E5001 焊条和 E5003 焊条 16Mn 钢的埋弧焊 埋弧焊时选用 HJ431 焊剂和 HJ350 焊剂 配合 H08MnA 焊丝 H10Mn2 焊丝或 H10MnSi 焊丝 可以得到很好的效果 当焊件开 I 形坡口时 一般可选用 H08MnA 焊丝 对于开其他形状坡口焊件的焊接 选用合金元素含 量较高的焊丝 H10Mn2 和 H10MnSi 对于大厚度深坡口的焊件 可选用 H10Mn2 焊丝 这样都可以保证得到力学性能较高的焊接接头 16Mn 钢的 CO2气体保护焊 采用的焊丝有细焊丝和粗焊丝两种 前者主要用于薄板结构 及厚板窄间隙焊接 后者用于中厚板结构或铸钢件补焊中 焊丝牌号常用 H08Mn2Si 和 H10MnSi 二 二 Q390 15MnV 和和 15MnTi 钢的焊接 钢的焊接 15MnV 钢和 15MnTi 钢属于 390MPa 级的低合金结构钢 它们分别是在 16Mn 钢的基础上加入 V 为 0 02 0 20 和 Ti 为 0 02 0 20 炼制而成的 V 或 Ti 的加入 能使钢材强度提高 同时又能细 小晶粒 减少钢材的过热倾向 15MnV 钢和 15MnTi 钢的化学成分和力学性能 见表 12 10 表表 12 10 15MnV 钢和钢和 15MnTi 钢的化学成分和力学性能钢的化学成分和力学性能 化学成分的质量分数 力学性能 不低于 钢号 CMnSiVTi 屈服点 MPa 抗拉强度 MPa 伸长率 15MnV 0 201 00 1 60 0 550 02 0 20 330 390490 650 19 20 15MnTi 0 201 00 1 60 0 55 0 02 0 20330 390490 650 19 20 1 焊接性 这类钢焊接性较好 当板厚小于 32mm 在 0 以上焊接时 原则上可不预热 当板厚大于 32mm 或在 0 以下施焊时 应预热到 100 150 焊后采用 550 560 回火处理 2 焊接方法 常用的焊接方法都可以用于这类钢的焊接 埋弧焊 对 于厚度较小 焊后不回火的焊件 可采用 H08MnA 焊丝配合 HJ431 进行焊接 对 于厚度较大或坡口较深的焊缝 则采用 H10Mn2 焊丝或 H08Mn2Si 焊丝配合 HJ431 或 HJ350 进行焊接 对于特大厚度深坡口的焊缝可采用 H08MnMoA 焊丝配 合 HJ431 或 HJ350 HJ250 进行焊接 焊条埋弧焊 对于厚度不大 坡口不深 的结构 可采用 E5015 焊条 E5016 焊条 厚度较大的结构应采用 E5503 G 焊条 对于不重要的结构 也可采用 E5501 焊条 E5503 焊条 CO2气体保 护焊 焊接用焊丝采用 H08Mn2SiA 电渣焊 采用 H10MnMoVA 焊丝或 H08Mn2MoVA 焊丝配合 HJ431 焊剂或 HJ360 焊剂 三 三 18MnMoNbR18MnMoNbR 钢的焊接钢的焊接 18MnMoNbR 钢是采用铌来强化的中温压力容器用钢 18MnMoNbR 钢的化学成 分和力学性能见表 12 11 表表 12 11 18MnMoNbR18MnMoNbR 钢的化学成分和力学性能钢的化学成分和力学性能 化学成分的质量分数 力学性能 不低于 CMnSiNbMo 屈服点 MPa 抗拉强度 MPa 伸长率 0 221 20 1 60 0 15 0 50 0 025 0 050 0 20 0 40 0 45 0 65 410 440570 740 17 1 焊接性 18MnMoNbR 钢碳当量的质量分数为 0 57 所以焊接性较差 焊接时具有一定的淬硬倾向 故焊前除电渣焊外一般需要预热 预热温度为 200 250 为防止焊后产生延迟裂纹 焊后应立即进行热处理 电渣焊接头 焊后进行 900 980 正火加 630 670 回火处理 如遇钢材性能偏低或要更充 分发挥钢材的性能潜力 可采用调质处理 在焊条电弧焊或埋弧焊后进行回火 或消除应力热处理 其加热温度通常比钢材回火温度约低 30 2 焊接方法 18MnMoNbR 钢焊接装配定位有应局部预热到 200 以上 否则会在焊接热影响区产生微裂纹 焊条电弧焊时 可采用 E6016 D1 E7015 D2 等抗拉强度大于 650MPa 的 焊条 使用时应严格遵守碱性焊条的使用规则 彻底清除焊件坡口的油 污 锈 水 以免由氢引起冷裂纹 埋弧焊时 焊丝可选用 H08Mn2MoA 或 H08MnMoA 配合 HJ252 焊剂或 HJ350 焊剂 焊接时层间温度应控制在 300 以下 电渣焊时 可选用 H10Mn2MoA 或 H10Mn2MoVA 两种焊丝 配合 HJ431 焊剂或 HJ250 焊剂 HJ360 焊剂 四 珠光体耐热钢的焊接 四 珠光体耐热钢的焊接 耐热钢是指用于制造在高温下长期使用的零件而专门冶炼出来的一种工业 用钢 这种钢在高温下具有足够的强度和抗氧化性 珠光体耐热钢是以 Cr Mo 为主要合金元素的低合金结构钢 由于它的旗本组织是珠光体 故称为珠光体 耐热钢 常用珠光体耐热钢的化学成分 室温力学性能和高温力学性能见表 12 12 表表 12 12 常用珠光体耐热钢的化学成分 室温力学性能和高温力学性能常用珠光体耐热钢的化学成分 室温力学性能和高温力学性能 化学成分的质量分数 常温力学性能高温性能 钢号 CMnSiCrMoWV 热处理状态 抗拉 强度 MPa 屈服 点 MPa 伸长 度 冲击 韧度 J cm2 温度 抗久强度 105h MPa 蠕变极限 1 105h MPa 12CrMo 0 08 0 15 0 40 0 70 0 17 0 37 0 40 0 70 0 40 0 55 900 930 正火 680 730 回火 缓 冷到 300 空冷 410 265 24 110 480 510 540 200 120 70 153 70 35 15CrMo 0 12 0 18 0 40 0 70 0 17 0 37 0 80 1 10 0 40 0 55 900 正火 650 回火 440295 22 94 500 550 100 140 50 70 80 45 12Cr1MoV 0 08 0 15 0 40 0 70 0 17 0 37 0 90 1 20 0 25 0 35 0 15 0 30 1000 1020 正火 740 回火 440255 22 78 480 520 580 200 160 80 190 130 60 20Cr3MoWVA 0 17 0 24 0 30 0 60 0 17 0 37 2 00 3 00 0 35 0 50 0 30 0 60 0 70 0 90 1040 1060 油淬 650 720 回火 785 635 345 14 18 55 580 600 620 110 142 90 138 58 95 120 140 54 68 36 50 1 珠光体耐热钢的特性 珠光体钢的合金元素质量分数一般不超过 5 在 500 600 有良好的热 强性 工艺性能好 比较经济 应用范围广泛 钢种 Cr Mo 含量的高低是决定 钢的抗氧化能力和高温强度的主要因素 钢种的碳容易和铬形成化合物 降低 固溶体中铬的浓度 从而降低钢的抗氧化性能 所以耐热钢中碳的质量分数应 在 0 25 以下 钒 钨 铌 钛等合金元素可与碳形成稳定的碳化物 提高珠 光体钢的高温强度 2 珠光体耐热钢的焊接性 这种钢淬硬性倾向较大 易产生冷裂纹 且多出现在焊缝和热影响区中 并且在焊后热处理过程中易产生再热裂纹 3 珠光体耐热钢的焊接工艺 1 预热 预热是焊接珠光体耐热钢的重要工艺措施 为了保证焊接质量 不论是在定位焊或焊接过程中 都应预热并保持在 150 300 的温度范围内 用氩弧焊打底和 CO2气体保护焊时 可降低预热温度或不预热 2 保温焊和连接焊 所谓保温焊 是指在整个焊接过程中 应使焊件 焊缝附近 30 100mm 范围 保持足够的温度 因此在焊接过程中 应经常测 量焊件温度并不使温度下降 所谓连续焊 是指焊接过程最好不要间断 如果 必须间断 则应在间断时使焊件缓慢均匀地冷却 再焊之前仍要重新预热 3 短道焊 短道焊也是为了使焊缝及热影响区缓慢冷却 办法是如果要 焊一条长焊缝 则每一道不要焊太长 使得被焊的这一段在较短的时间内重复 受热 厚板宜用多层多道焊 以增加焊缝自回火作用 采用短道焊法 焊缝和 热影响区的每一点在很短时间内都重复受热 但这种方法有许多不便之处 如 果在焊接过程中焊件温度并不低或有其他辅助加热方法 则不必采用这种方法 4 焊后缓冷 焊后应立即用石棉布覆盖焊缝及热影响区 使其缓慢冷却 5 焊后热处理 焊后应立即进行高温回火 以防止产生延迟裂纹 消除 应力和改善组织 几种常用珠光体耐热钢焊条的选用及预热 焊后热处理参数 见表 12 13 表表 12 1312 13 常用珠光体耐热钢焊条的选用及预热 焊后热处理参数常用珠光体耐热钢焊条的选用及预热 焊后热处理参数 焊 接 工 艺 材料牌号 预热温度 焊条型号 牌号 焊后热处理参数 12CrMo 200 250E5515 B1 R207 680 720 15CrMo 200 250E5515 B2 R307 680 720 20CrMo 250 350E5515 B2 R307 650 680 12CrMoV 200 250E5515 B2 V R310 710 750 4 珠光体耐热钢的焊接方法 1 焊条电弧焊 焊条电弧焊时焊条的选择是根据化学成分 而不是根据力学 性能选用 为了确保材料的耐热性 焊条的合金含量应与母材相当或略高于母 材 珠光体耐热钢焊条的选用见表 12 13 焊条电弧焊的优点是机动灵活 能 进行全位置焊 因而在铬 钼耐热钢管道焊接中应用十分广泛 但是 焊条电弧 焊难以建立起理想的低氢条件 从而使焊接工艺复杂化 珠光体耐热钢管对焊接的坡口形式见图 12 2 U 形坡口用于较厚管子的对 接 这种坡口形式对坡口根部间隙要求严格 否则对根部焊接质量有较大的影 响 带垫圈坡口形式的优点是根部间隙较大 便于运条 保证根部能焊透 但 必须注意垫圈与管子间的间隙应小于 0 5 1 0mm 否则焊缝根部两侧容易产生 裂纹 2 钨极氩弧焊 钨极氩弧焊的焊接气氛具有超低氩特点 焊接铬 钼耐热钢 时可以降低预热温度 用钨极氩弧焊焊接珠光体耐热钢时 焊接方法可以是手 工钨极氩弧焊打底时 能清晰地看见焊接电弧和熔池 焊接熔池小 液体金属 凝固快 容易实现单面焊双面成形 特别适用于小直径薄壁管的焊接 钨极氩 弧焊的缺点是熔敷效率低 因此在焊接厚壁管时 钨极氩弧焊只用做打底焊 其余填充焊道可采用焊条电弧焊 钨极氩弧焊打底时的坡口形式见图 12 3 坡口不留间隙 焊接时可以填充焊 丝也可以不填充焊丝 钨极氩弧焊打底的焊接参数见表 12 14 表表 12 1412 14 钨极氩弧焊打底的焊接参数钨极氩弧焊打底的焊接参数 管子规格 钨极直径 mm 钨极伸出 长度 mm 焊接电流 A 喷嘴直径 mm 填充焊丝 直径 mm 氩气流量 L min 小直径薄壁管 2 5 5 690 110 82 0 8 12 大直径薄壁管 2 5 6 8110 130 82 5 10 15 目前 全位置机械化脉冲氩弧焊已成功地应用于珠光体耐热钢管子的焊接 用这种方法焊接 既可以打底 也可以盖面 具有效率高 质量稳定的优点 材料为 12Cr1MoV 规格为 38mm 4mm 管子全位置机械化脉冲氩弧焊的焊接参 数见表 12 15 表表 12 1512 15 38mm 4mm 38mm 4mm 12Cr1MoV12Cr1MoV 管子全位置脉冲氩弧焊的焊接参数管子全位置脉冲氩弧焊的焊接参数 层次 基值电流 A 脉冲电流 A 钨极离焊件 距离 mm 脉宽比 频率 Hz 旋转速度 r s 气体流量 L min 打底层60 70 140 0 2 0 335 40 641 80 12 16 盖面层 40170 2 8 3 035 40 641 80 12 16 注 1 焊丝 ER55 B2L 1 0mm 2 钨极 铈钨极 3mm 3 坡口形式 V 形 a 500 钝边 2 25mm 根部间隙 0 8 1 4mm 常用珠光体耐热钢钨极氩弧焊时的焊丝型号及牌号见表 12 16 表表 12 1612 16 珠光体耐热钢钨极氩弧焊用焊丝型号及牌号珠光体耐热钢钨极氩弧焊用焊丝型号及牌号 钢 号 12CrMo15CrMo12Cr1MoV 焊丝型号 牌号 ER55 B2 TGR55CM ER55 B2L TGR55CML ER55 B2 TGR55CM ER55 B2L TGR55CML ER55 B2 MnV TGR55V 3 熔化极气体保护焊 这种焊接方法可采用氩气加少量 CO2 或 O2 的氧化 性混合气体 这种气体也具有低氢特点 珠光体耐热钢熔化极气体保护焊平焊时主要采用射流过渡 全位置焊时采 用脉冲射流过渡或短路过渡 在实现耐热钢厚壁大直径管道机械化焊接方面 熔化极气体保护焊是很有前途的 熔化极气体保护焊焊接珠光体耐热钢的焊丝 选用见表 12 17 表表 12 1712 17 熔化极气体保护焊焊接珠光体耐热钢的焊丝选用表熔化极气体保护焊焊接珠光体耐热钢的焊丝选用表 钢 号焊丝型号 牌号 12CrMo ER55 B2 TGR55CM ER55 B2L TGR55CML 15CrMo ER55 B2 TGR55CM ER55 B2L TGR55CML 12Cr1MoV ER55B2MnV TGR55V 4 埋弧焊 埋弧焊熔敷速度快 特别适用于珠光体耐热钢厚壁压力容器的对 接纵缝和环境以及大型铸件和汽轮机转子的焊接 埋弧焊的缺点是不能在任意 空间位置进行焊接 对于小直径管和薄壁构件难发挥其应有的效率 珠光体耐热钢采用埋弧焊时用的焊丝和焊剂见表 12 18 表表 12 1812 18 珠光体耐热钢采用埋弧焊时用的焊丝和焊剂珠光体耐热钢采用埋弧焊时用的焊丝和焊剂 钢 号焊丝牌号焊剂 12CrMoH10MoCrA H13CrMoAHJ350 15CrMoH08CrMoA H13CrMoAHJ350 12Cr1MoVH08CrMoVAHJ250 HJ260 第四节第四节 不锈钢的焊接不锈钢的焊接 一 概述一 概述 不锈钢即在空气中能抵抗腐蚀的钢 这种钢铬的质量分数含 Cr 不小于 12 在空气 水 蒸汽中不腐蚀和生锈 不锈钢之所以有良好的耐腐蚀性 是 由于铬可以使钢具有高的钝化能力 不锈钢在航空 化工和原子能等工业中 得到日益广泛的应用 各种不锈 钢都具有优良的化学稳定性 但并不是绝对不会生锈 如在加工 使用和保养 不当时 不锈钢仍会生锈 在不锈钢中除含有 Cr 以外 还可以加入 Ni Mn 等元素 以增加其抗腐蚀 的性能 使钢能抵抗某些酸性介质的腐蚀 这种在酸 碱及其他化学侵蚀介质 中能抵抗腐蚀的钢称为耐酸钢 在不锈钢中加入一定量的 Si Al 等合金元素 可提高不锈钢在高温下的抗氧化性和高温强度 这种刚称为热强钢 耐酸钢 热强钢通常也称为不锈钢 耐酸钢 热强钢一般具有不锈的性质 但不锈钢不一定具有耐酸 耐热的性能 二 不锈钢的分类二 不锈钢的分类 1 按化学成分分 铬不锈钢 1Cr13 1Cr17 1Cr25Ti 等 铬镍不锈钢 1Cr17Ni8 1Cr18Ni9 12Mo3Ti 等 2 按显微组织分 奥氏体不锈钢 当钢中 Cr 为 18 Ni 为 8 10 时 便具 有稳定的奥氏体组织 这种钢称为奥氏体不锈钢 这类钢无磁性 经淬火也不 硬化 但具有冷加工硬化性 奥氏体不锈钢具有良好的耐蚀性 塑性 高温性 能和焊接性 是不锈钢中应用最广泛的一个刚种 奥氏体不锈钢的主要缺点是 含贵重合金元素镍较多 属于这类钢的牌号有 1Cr17Ni7 1Cr17Ni8 1Cr18Ni9 1Cr18Ni9Si3 0Cr25Ni20 等 应用最多的是 1Cr17Ni8 1Cr18Ni9Ti 马氏体不锈钢 这种刚的显微组织为马氏体 特点是除含有较高的铬以外 还含有较高的碳 C 0 1 0 5 所以这类钢具有淬硬性 在热处理 和抛光后具有最好的力学性能 属于这类钢的牌号有 2Cr13 3Cr13 3Cr13Mo 8Cr17 等 其中以 2Cr13 应用最广 铁素体不锈钢 这种钢的显微组织为铁素体 Cr 为 13 30 的高 铬钢属于此类钢 其含碳量很低 C 均在 0 15 以下 这类钢具有良好 的热加工性和一定的冷加工性 经过淬火也不会硬化 在加热到 475 时会发 生脆化 属于这类钢的牌号有 1Cr17 1Cr17MO 0Cr13Al 1Cr25Ti 等 此外 还有一些复相钢 特别是奥氏体 铁素体型不锈钢 如 1Cr18Ni11Si4AlTi 0Cr26Ni5Mo 1Cr21Ni5Ti 等 其具有很优异的耐蚀性能 尤其是耐应力腐蚀开裂性能 三 不锈钢的物理性能三 不锈钢的物理性能 合金元素含量越多 导热性越差 而线膨胀系数和电阻率越大 以 18 8 型 铬的平均质量分数 Cr 为 18 镍的平均质量分数 Ni 为 9 不锈 钢为代表 其物理性能与低碳钢的比较见表 12 19 表表 12 1912 19 18 818 8 型不锈钢和低碳钢的物理性能比较型不锈钢和低碳钢的物理性能比较 导热率 W m k 热膨胀系数 10 6C 1 钢号 电阻率 m 20 100 500 0 100 0 650 18 873 10 816 3321 3516 918 7 Q23515 10 858 6241 8612 214 7 四 不锈钢的耐蚀性能四 不锈钢的耐蚀性能 铬可以使钢具有高的钝化能力 不锈钢中含有大量的铬 处于钝化态的不 锈钢其表面被致密的氧化膜所覆盖 这层氧化膜对内部金属起着保护作用 抑 制金属释放电子的溶解过程 降低腐蚀速度 从而增加了不锈钢的耐蚀性能 但在不同的酸中 由于钢中所含合金元素的作用效果不同 耐蚀性能的表现也 有所不同 在 HNO3这种氧化性酸中 Cr V Si 能提高钢的耐蚀性 在还原性 酸 如 HCI 或 H2SO4 中 Ni 的作用对耐蚀有利 对于 H2SO4 Cu 的作用最好 总的看来 Mo 在 2 3 时 在各类酸中 特别是在还原性酸中 能比 较明显地改善钢的耐蚀性 五 不锈钢的焊接性五 不锈钢的焊接性 焊接不锈钢时 如焊接工艺不当或焊接材料选用不正确 会产生一系列缺 陷 这样将直接影响焊接接头的性能和焊缝的质量 1 焊接接头的抗腐蚀性 不锈钢的焊接接头在腐蚀性介质中长期工作时 会产生 3 种腐蚀现象 即 整体腐蚀 晶间腐蚀和应力腐蚀 晶间腐蚀和整体腐蚀见图 12 4 1 整体腐蚀 任何不锈钢是腐蚀性介质作用下 其工作表面总会有腐蚀 现象产生 这种腐蚀叫做整体腐蚀 不锈钢由于具有良好的抗腐蚀性能 所以 其整体腐蚀量并不大 并且和焊接也无关 2 晶间腐蚀 奥氏体不锈钢在 450 850 加热时 会由于沿晶界沉淀出 铬的碳化物 致使晶粒周边形成贫铬区 在腐蚀介质中即可沿晶粒边界发生所 谓晶间腐蚀 此时 外观虽仍呈光泽 但因晶粒已失去联系 敲击时已失去金 属声音 产生晶间腐蚀的不锈钢 在受到应力作用时 即会沿晶界断裂 强度 几乎完全损失 是不锈钢最危险的一种破坏形式 晶间腐蚀可以分别产生在热 影响区 焊缝或熔合线上 在熔合线上产生的晶间腐蚀又称为刀状腐蚀 晶间腐蚀产生的原因 奥氏体不锈钢产生晶间腐蚀的原因是由于晶界处形 成贫铬区 铬的质量分数小于 12 而造成的 形成贫铬区的原因是当奥氏体 不锈钢处在 450 850 温度下 碳在奥氏体中的扩散速度大于铬在奥氏体中的 扩散速度 室温下碳在奥氏体中的溶解度很小 C 约为 0 02 0 03 当奥氏体钢中的 C 超过 0 02 0 03 时 碳就不断 地向奥氏体晶界扩散 并和铬化合形成碳化铬 Cr23C5 或 Cr Fe 23C6 但 由于铬比碳原子半径大 扩散速度小 来不及向晶界扩散 晶界附近大量的铬 和碳化合成碳化铬沉淀于晶界 当其 Cr 小于 12 时 便造成奥氏体边界 的贫铬区 从而失去抗腐蚀能力 在腐蚀介质中使用 即会引起晶间腐蚀 防止晶间腐蚀的措施 控制含碳量 奥氏体不锈钢中含碳量增加时 在 晶界形成的碳化铬也随之增多 晶间腐蚀的倾向增大 所以碳是造成晶间腐蚀 的最有害元素 减少奥氏体不锈钢中的含碳量 是防止晶间腐蚀最根本的办法 若奥氏体不锈钢中的 Cr 小于 0 02 0 03 时 则碳全部都能溶解在奥 氏体中 即使在 450 850 温度下 也不会形成贫铬区 更不会产生晶间腐蚀 奥氏体不锈钢根据含碳量不同 分成三个等级 一般含碳量 Cr 0 14 低碳级 Cr 0 06 和超低碳级 Cr 0 03 因为超低奥氏体 不锈钢原则上不会产生晶间腐蚀 故焊接这类钢时也可采用超低碳不锈钢焊丝 如 H00Cr21Ni10 Cr 0 03 添加稳定剂 在钢和焊接材料中加入 钛 铌等与碳的亲和力比铬强的元素 能够与碳结合成稳定的碳化物 从而避 免在奥氏体晶界造成贫铬 对提高抗晶间腐蚀能力有十分良好的作用 常用的 不锈钢材和焊接材料都含有钛和铌 如 1Cr18Ni9Ti 1Cr18Ni12Mo2Ti 钢材 E347 16 焊条 H0Cr20Ni10Ti 焊丝等 采用双相组织 加入合金元素使接头 中形成奥氏体加铁素体的双相组织 减少和隔离奥氏体晶粒的连续晶界 也可 以避免晶间腐蚀的产生 合金元素对不锈钢组织的影响可以分为两大类 奥氏 体生成剂 N Ni C Cu Co Mn 等 铁素体生成剂 V Mo W Cr Nb Ti Si 等 当不锈钢中的 Cr 与 Ni 之比大于 1 8 时 就会出现铁素体组织 焊后固溶处理 将焊件中热到 1050 1100 使 碳迅速溶入奥氏体中 然后迅速冷却 形成稳定的奥氏体组织 这种处理方法 的缺点是 如果焊件接头需要在危险温度区内工作 则仍不可避免形成贫铬区 而产生晶间腐蚀 减少焊接热输入 采用小电流 大焊速 短弧 多道焊 先焊一层的温度待冷却至 800 以下后再焊下一层 也可在焊件下加衬铜垫板 或直接浇水冷却 以增加焊接接头的冷却速度 这样可缩短焊接接头在危险温 度区停留的时间 防止晶间腐蚀 均匀化处理 将焊接接头加热至 850 900 保温 2h 使奥氏体内部的铬有充分时间扩散到晶界 使晶界处的 Cr 又恢复大于 12 从而避免产生晶间腐蚀 3 应力腐蚀 这是不锈钢在静应力 内应力或外应力 与腐蚀同时作用 下发生的破坏现象 如 18 8 型不锈钢 由于导热性差 线膨胀系数大 所以焊 后会产生较大的焊接残余应力 防止应力腐蚀的措施首先是要消除应力 通常可用锤击法来松弛残余应力 或者在低温 低于 300 350 进行退火处理 也可以在高于 850 进行退火 处理 其次可以在 18 8 型不锈钢焊缝中形成一定数量的铁素体组织 使铁素体 阻碍裂纹的扩展 从而提高焊缝金属抗应力腐蚀的能力 2 焊接接头的热裂纹 热裂纹是不锈钢焊接时比较容易产生的一种缺陷 包括焊缝的纵向和横向 裂纹 弧坑裂纹 打底焊的焊根裂纹和多层焊的层间裂纹等 特别是含镍量较 高的奥氏体不锈钢 更容易产生热裂纹 这是由于奥氏体钢含有能形成低熔点 共晶的合金元素和杂质 如碳 硫 磷 镍等 防止不锈钢产生热裂纹的措施是通过焊接材料向焊缝中加入形成铁素体的 元素 采用双相组织的焊条 使焊缝形成奥氏体和铁素体双相组织 在焊接工 艺上 采用碱性焊条 选用小电流 快速焊 收弧时尽量填满弧坑以及采用氩 弧焊打底等工艺 3 焊接接头的脆化 1 相脆化 奥氏体或铁素体不锈钢在高温 375 875 长时间保温 几小时到几百小时 就会形成一种 Fe Cr 金属间化合物 即 相 相的 性能极硬而脆 且分布在晶界处 使不锈钢的冲击韧度大大下降而脆化 为了 消除已经生成的 相 恢复焊接接头的韧度 可以把焊接接头加热到 1000 1050 然后快速冷却 相在 1Cr17Ni8 钢 1Cr18Ni9Ti 钢的焊缝中一般不产生 2 475 脆性 它主要出现于 Cr 15 的铁素体不锈钢中 这种 刚在 350 500 内长期停留 几个小时到几十个小时 就会使焊缝冲击韧度 大大下降 出现脆化 由于 475 时脆化速度最快 故称为 475 脆化 焊接过 程中不可避免地要经历这个温度 已产生 475 脆化的焊缝 可经 900 淬火消 除 4 熔合线脆断 奥氏体不锈钢在高温下长期使用 在沿焊缝熔合线外几个晶粒的地方会发 生脆断现象 此种现象称为熔合线脆断 在钢中加入钼能提高钢材抗高温脆断 的能力 六 奥氏体不锈钢的焊接工艺六 奥氏体不锈钢的焊接工艺 奥氏体不锈钢具有良好的焊接工艺 常用的焊接方法 都能适用 但是因 为电渣焊接过程的特点 会使奥氏体不锈钢接头的抗晶间腐蚀能力降低 并且 在熔合线附近易产生严重的刀状腐蚀 因此极少应用 焊条电弧焊是焊接奥氏体不锈钢最常用的焊接方法 这种焊接方法具有热 影响区小 易于保证焊接质量 适应各种焊接位置与不同板厚工艺要求的优点 但这种方法生产率低 合金元素过渡系数小 更换焊条时 焊缝交接处的重复 加热会给接头质量带来不利影响 1 焊条的型号 奥氏体不锈钢焊条有酸性钛钙型和碱性低氢钠型两大类 低氢钠型焊条的抗热裂性较好 但成形不如钛钙型焊条 抗腐性也较差 钛钙 型焊条具有良好的工艺性能 生产中用得较普遍 根据国标 GB T983 1995 不 锈钢焊条型号的编制方法如下 E 表示药皮类型 焊接位置及焊接电流种类 表示熔敖金属中特殊要求的化学成分 表示熔敖金属化学成分分类代号 表示焊条 2 焊条的选择 根据被焊不锈钢的牌号选择焊条 表 12 20 表表 12 2012 20 焊接奥氏体不锈钢时焊接材料的选用焊接奥氏体不锈钢时焊接材料的选用 钢 号焊条型号 牌号 氩弧焊焊丝埋弧焊丝埋弧焊焊剂 1Cr18Ni9 E308 16 A101 E308 15 A107 H1Cr9Ni9 1Cr18Ni9Ti E408 16 A101 E308 15 A107 H1Cr19Ni9 H1Cr9Ni9 H0Cr20Ni10Ti HJ260 HJ172 Y1Cr18Ni9Se 1Cr18Ni9Si3 E316 15 A207 E316 16 A202NE H0CrNi12Mo2 00Cr17Ni14Mo2 E316 16 A202NE H00Cr19Ni12Mo2H00Cr19Ni12Mo2HJ260 3 焊接参数的选择 焊接奥氏体不锈钢时 应控制热输入和层间温度 以防止热影响区晶粒长大及碳化物的析出 由于不锈钢的电阻较大 焊接时产 生的电阻热较大 同样直径的焊条焊接电流值应比低碳钢焊条降低 20 左右 焊条长度也比碳素钢焊条短 不然在焊接时会由于药皮的迅速发红失去保护而 无法奥氏体不锈钢焊条的药皮有酸性和碱性两种类型 但即使是使用酸性焊条 最好也选用直流反极性电源 因为此时焊件是负极 温度低 受热少 此外 直流电源稳定 也有利于保证焊缝直流 焊接奥氏体不锈钢时不同焊接位置焊 接电流的选择见表 12 21 表表 12 2112 21 焊接奥氏体不锈钢时不同焊接位置焊接电流的选择焊接奥氏体不锈钢时不同焊接位置焊接电流的选择 焊件厚度 mm 焊条直径 mm 平焊焊接电流 A 立焊焊接电流 A 仰焊焊接电流 A 2 2 2 5 2 5 3 3 5 5 8 8 12 3 2 3 3 3 4 4 4 5 30 50 50 80 70 100 80 140 90 150 100 165 45 75 65 120 80 130 50 80 75 130 90 150 4 操作技术 焊接奥氏体不锈钢时采用小的热输入 即采用电流 快速 焊 不摆动 这样可有效地防止晶间腐蚀 热裂纹及变形的产生 一次焊成的 焊缝不易过宽 最好不超过焊条直径的 3 倍 多层焊时 每焊完一层要彻底清 除焊渣 层间温度应低于 60 与腐蚀介质接触的焊缝 为防止由于过热而产 生晶间腐蚀 应最后焊接 焊后可采取强制冷却措施 加速接头冷却 焊接开 始时 不要在焊件上随便引弧 以免损伤焊件表面 影响其抗腐蚀性 七 铁素体不锈钢和马氏体不锈钢的焊接工艺七 铁素体不锈钢和马氏体不锈钢的焊接工艺 1 铁素体不锈钢的焊接 1 铁素体不锈钢的焊接性 铁素体不锈钢焊接时热影响区晶粒急剧长大 而形成粗大的铁素体 由于铁素体加热时没有转变发生 这种晶粒粗化现象也 不可能通过热处理来改善 因而会造成明显脆化的后果 而且也使冷裂纹倾向 加大 焊接铁素体不锈钢时 在温度高于 1000 的熔合线附近快速冷却时会产生 晶间腐蚀 但经 650 850 加热并随后缓冷就可以加以消除 2 铁素体不锈钢的焊接工艺 铁素体不锈钢只采用焊条电弧焊进行焊接 为了减小 475 脆化 避免焊接时产生裂纹 焊前可以预热 预热温度