焊接工程基础(第二篇)1

1、第三章第三章 金属焊接性金属焊接性 及碳钢的焊接及碳钢的焊接 第一节第一节 金属焊接性基础金属焊接性基础 一、概述 金属焊接性是指金属材料对焊接加工的适应 性，即在一定的焊接工艺条件下，获得优质 焊接接头的难易程度。它包含： 1、结合性能又称工艺焊接性，即在一 定的焊接工艺（焊接方法、焊接材料、焊接 工艺参数、结构形式等）条件下，被焊金属 形成焊接缺陷（裂纹、夹渣、气孔等）的敏 感性、倾向性和严重性(其中裂纹的危害最 大)，简称“好焊不好焊”。 2、使用性能又称使用焊接性，即 在一定的焊接工艺条件下，被焊金属的 焊接接头对使用性能要求的适应性，即 焊接接头或整体结构能否满足技术条件 规定的使用

2、性能要求，如常规力学性能、 低温韧性、高温蠕变、持久强度、疲劳 性能、耐磨性能、耐腐蚀性能等，简称 “好用不好用”。 二、金属焊接性的影响因素 1、材料因素：材料的化学成分、组织状态、 力学性能对焊接性有重要影响。如：Al和Ti 的化学性质很活泼，容易氧化和烧损，故其 焊接较困难；不同金属材料间的焊接，其物 理化学性能和晶体结构越接近，越容易实现 良好焊接。 2、工艺因素：不同的焊接方法和焊接工艺 流程对焊接性有不同影响。如：Al和Ti属化 学性质较活泼的金属，采用一般焊接方法不 易焊接；而采用保护良好的氩弧焊后，使其 高质量的焊接成为现实。 3、结构因素：焊接接头的结构设计直接影 响其刚度、

3、应力的大小和方向，因此，应尽 量减少焊接接头的刚度、减少交叉焊缝、减 少应力集中。 4、使用条件：焊接接头所承受的载荷、工 作温度高低、工作环境的腐蚀情况等对焊接 接头有重要影响。如：高温下工作的焊接接 头，必须考虑元素的扩散和结构的蠕变问题； 低温下工作且承受冲击载荷的焊接接头，应 考虑脆性断裂问题；腐蚀条件下工作的焊接 接头，应考虑耐腐蚀破坏问题。 三、金属焊接性的评定方法 1、工艺焊接性评定：主要评定对焊接缺陷的 敏感性，尤其是裂纹形成倾向。 A、直接模拟实验：按照实际焊接条件，通过 焊接过程观察焊接缺陷及其程度。主要有：冷 裂纹实验、热裂纹实验、应力腐蚀实验、脆性 断裂实验等。 B、间

4、接推算法：根据材料的化学成分、金相 组织、力学性能的关系，并联系焊接热循环过 程对焊接进行评定。主要有：抗裂纹判据、焊 接应力模拟等。 2、使用焊接性评定： 将焊接接头在使用条件下进行性能实 验，对实验结果进行焊接性评定。主 要有：常规力学性能实验、高温力学 性能实验、低温脆性实验、耐腐蚀实 验、耐磨损实验、疲劳实验等。 四、钢的焊接性判据 对钢焊接性好坏的判断，可以通过在大量实验 基础上建立的抗裂纹经验公式进行评判。最主 要的是对材料冷裂纹敏感性的判断。 1、碳当量法 该法可粗略估计低合金钢的焊接冷裂纹敏感性。 在各种元素中，碳对冷裂纹的产生最敏感，设 其系数为1，将其它元素的影响按照碳的影

5、响 进行折合并迭加，即构成“碳当量”。碳当量 越大，淬硬冷裂的倾向越大，焊接性就越差。 对中、高强度的低合金非调质钢，国际焊接学 会推荐的经验公式为： Ceq=Wc+1/6WMn+1/15W(Ni+Cu)+1/5W(Cr+Mo+V) % 当Ceq0.4%时，钢材的淬硬性不大，焊接性良 好； 当Ceq=0.4%0.6%时，钢材易于淬硬，需预热才 能防止形成冷裂纹； 当Ceq0.6%时，钢材的淬硬性倾向大，焊接性 差。 对低合金调质钢，日本溶接学会推荐的公 式为： Ceq=Wc+1/6WMn+1/40WNi+1/5WCr+1/24WSi+ 1/4WMo+1/14WV % 其中，C、Si、Mn、Cu

6、、Ni、Cr、Mo、V、 B等均有一定的成分范围。 对于普通低碳钢： Ceq=Wc+1/2Wp+1/4WMo+1/5WCr+1/24WSi+1/6 WMn+1/13WCu +1/15WNi % 一般而言，当碳当量Ceq0.35时，其焊接性 能良好；当碳当量Ceq=0.400.50时，其焊 接性变差。为改善其焊接性能，焊接前应进 行200400的预热处理，并在焊后进行 正火。 2、冷裂纹敏感指数（Pc） 为更全面对冷裂纹的形成进行评估，将对冷 裂纹有影响的淬硬倾向、拘束度、扩散氢含量 进行综合考虑，形成了冷裂纹敏感指数Pc。 Pc= Pcm+H/60+/600 % Pcm=Wc+1/30WSi+

7、1/20W（Mn+Cu)+1/60WNi+1/15 WMo+1/10WV+1/5WB % 式中， Pcm化学成分的冷裂纹敏感指数； 板厚（mm）； H焊缝中的扩散氢含量 （mL/100 g）。 将求出的Pc代入防止冷裂纹的最低预热 温度公式： to=1440 Pc 392 即可得知相应的应该预热的温度。 五、常用焊接裂纹实验方法 焊接裂纹敏感性实验是在实际的焊接工艺过 程中经常使用的直接模拟实验，该实验方法 十分接近实际工况、直观、可靠性好。 1、斜Y形坡口焊接裂纹实验： 该法亦称“小铁研”实验，主要用于检测母 材金属热影响区的冷裂纹倾向。 图1 斜Y形坡口焊接裂纹实验试件的形状及尺寸 试验的

8、焊接规范为：焊条直径：4mm； 焊接电流：170A；电弧电压：24V；焊 接速度：150mm/min。焊后经不少于24 小时时效后再做裂纹检查。首先用放 大镜目测或磁性荧光粉检查焊缝表面 裂纹，然后进行断面解剖，检查断面 的裂纹情况。 由于斜Y形坡口对接裂纹实验在接头 处的约束很大，根部尖角处应力集中 十分明显，故容易产生裂纹。 一般认为，在此实验中，若裂纹率不 超过20%，则在实际结构焊接时，就 不会产生裂纹。 裂纹率的计算： 1、表面裂纹率Cf: Cf=(lf）/L100% 2、根部裂纹率Cr: Cr=(lr)/L100% 3、断面裂纹率Cs: Cs=Hs/H100% 图2 试样裂纹长度计

9、算 2、焊接热影响区最高硬度试验： 焊接热影响区最高硬度试验是以 热影响区最高硬度来评价钢材冷 裂纹倾向的试验方法。该法适用 于低合金钢焊接热影响区由于马 氏体转变而引起的裂纹试验，也 适用于碳素钢。 图3 试件形状 试件名称长L/mm宽B/mm焊缝长l/mm 1号试件2007512510 2号试件20015012510 试件尺寸 焊接前先去除试件表面上的水分、铁 锈、油污及氧化皮等杂质。所用焊条 原则上应适合于所焊的试件，直径为4 mm。1号试件在室温下、2号试件在预 热温度下进行焊接。焊接参数为：焊 接电流：17010A，焊接速度为150 10mm/min。试件焊后在静止的空气中 自然冷却

10、，不进行任何热处理。 不同强度等级和不同含碳量的钢种， 有不同的最高硬度值。 3、插销冷裂纹试验法： 插销试验是使用专门设备（插销试验机） 评定焊接冷裂纹敏感性的一种试验方法。 试验采用圆柱形试样，试样由被试钢材加 工而成，并插入底板的孔中，使带缺口一 端的端面与底板表面平齐。底板上熔敷一 焊道，尽量使焊道中心线通过插销端面中 心。焊后在完全冷却以前，给插销施加一 拉伸静载荷，试验既可用启裂也可用断裂 作为判断准则。 图4 插销试验示意图 a、环形缺口试样 b、螺形缺口试样 六、焊接接头的常见缺陷 焊接缺陷：焊接过程中在焊接接头 内产生的不符合标准要求的缺陷。 评定焊接接头质量优劣的依据是缺

11、陷的种类、大小、数量、形态、分布 及危害程度。 常见的焊接缺陷有焊接裂纹、气孔、 夹渣、未熔合和未焊透等。 1、裂纹：焊接裂纹是指金属在焊接应 力及其它致脆因素共同作用下，焊接接 头中局部地区金属原子结合力遭到破坏 而形成的新界面所产生的缝隙。 焊接裂纹具有尖锐的缺口和长宽比大 的特征，是焊接结构中最危险的缺陷。 按温度范围可分为热裂纹、冷裂纹及再 热裂纹。 热裂纹：在固相线附近的高温区形成 的裂纹称热裂纹。 热裂纹主要发生在晶界处。由于裂纹 形成的温度较高，在与空气接触的开口 部位表面有强烈的氧化特征，呈蓝色或 天蓝色，这是区别冷裂纹的重要特征。 根据裂纹形成机理的不同，热裂纹可 分为结晶裂

12、纹、液化裂纹和高温失塑裂 纹。 冷裂纹：焊接接头冷却到Ms温度以 下时形成的裂纹称为冷裂纹。冷裂 纹主要发生在焊接热影响区，对某 些合金成分多的高强度钢而言，也 可能发生在焊缝金属中。 常见的冷裂纹可分为氢致裂纹、淬 火裂纹和层状撕裂。 再热裂纹：工件焊接后，若再次被加热 （如消除应力处理、多层焊或使用过程中 被加热）到一定温度而产生的裂纹称为再 热裂纹。 再热裂纹多发生在含Cr、Mo、V的低合金 结构钢、含Nb的奥氏体不锈钢以及析出硬 化显著的Ni基耐热合金材料中。 再热裂纹常出现在粗晶区中，并沿粗大 奥氏体晶粒边界扩展，且多发生在咬边等 应力集中处，可形成沿熔合线的纵向裂纹， 也可形成粗晶

13、区中垂直于熔合线的网状裂 纹，其断口有被氧化的颜色。 2、气孔：焊接时，熔池中的气泡 在凝固时未能逸出而残留下来所 形成的空穴称为气孔。 气孔有时以单个出现，有时以成 堆的形式聚集在局部区域，其形 状有球形、条虫形等。 3、夹渣：焊后残留在焊缝中的熔渣 称为夹渣。 夹渣的形状较复杂，一般呈线状、长 条状、颗粒状及其它形式。夹渣主要 发生在坡口边缘和每层焊道之间非圆 滑过渡的部位，在焊道形状发生突变 或存在深沟的部位也容易产生夹渣。 在横焊、立焊或仰焊时产生的夹渣比 平焊时多。 4、未熔合和未焊透：在焊缝金属和 母材之间或焊道金属与焊道之间未完 全熔化的部分称为未熔合。未熔合常 出现在坡口的侧壁

14、、多层焊的层间及 焊缝的根部。 未焊透是指母材金属之间应该熔合而 未焊上的部分。该缺陷一般出现在单 面焊的坡口根部及双面焊的坡口钝边。 未焊透易造成较大的应力集中，往往 从其末端产生裂纹。 第二节第二节 碳钢的焊接碳钢的焊接 一、概述一、概述 碳钢是以铁为基础，碳为合金元素，碳的 质量分数一般在1.0%以下，且具有较好的 力学性能和工艺性能的碳素钢。 按含碳量不同，碳钢可分为低碳钢、中碳 钢和高碳钢；按用途不同，碳钢可分为结 构钢和工具钢。 碳钢的焊接性主要取决于碳含量的高低。 随含碳量的增加，焊接性逐渐变差。 名 称Wc(%)典型硬度典型用途焊 接 性 低碳钢 0.1560HBS 特殊板材和

15、型材薄 板、带材、丝材 优 0.15-0.2590HBS 结构用型材、板材 和棒材 良 中碳钢0.25-0.6025HRC机器部件和工具 中（通常需预热和后 热，用低氢焊接） 高碳钢0.6040HRC弹簧、模具、钢轨 劣（必须低氢焊接、 预热和后热） 碳钢焊接性与碳含量的关系 二、低碳钢的焊接二、低碳钢的焊接 1、低碳钢的焊接特点： a、可装配成各种不同的接头，适合各种不 同位置的施焊，且焊接工艺和技术简单，容 易掌握； b、焊前一般不需预热； c、塑性好，焊接接头产生裂纹的倾向小， 适合制造各类大型结构件和受压容器； d、不需使用特殊和复杂设备，对焊接电源 （交流直流）和焊接材料（酸性碱性）

16、无特 殊要求。 2、低碳钢的焊接工艺： 低碳钢几乎可采用所有的焊接方法进行 焊接，并都能保证焊接接头的良好质量。 其中，焊条电弧焊、埋弧焊、CO2气体 保护焊用得最多。 焊条电弧焊:焊条电弧焊时，关键是选 择电焊条。焊条的选用原则主要是根据 母材的强度等级及焊接结构的工作条件 来确定。 焊接 方法 焊接材料应用情况 焊条电 弧焊 E4303(J422)、E4315(J427) 焊接强度等级较低的低碳 钢或一般的低碳钢结构 E5016(J506)、E5015(J507) 焊接强度等级较高的低碳 钢、重要的低碳钢结构或 在低温下工作的结构 埋弧焊 H08、H08A、HJ430、HJ431焊接一般的

17、结构件 H08MnA、HJ431焊接重要的低碳钢结构件 CO2气 体保护 焊 H08Mn2Si、H08Mn2SiA 焊接低碳钢所用焊接材料 当母材的厚度较大或周围环境温度较低 时，由于焊缝金属及热影响区的冷却速 度很快，有可能出现裂纹，此时需要对 焊件进行适当预热。 如：在寒冷地区室外焊接、温度小于或 等于0的情况下需要预热；直径大于 或等于3000mm、且壁厚大于或等于50 mm的情况下，以及壁厚大于或等于90mm 的产品的第一层焊道的焊接，焊前都应 进行预热。预热温度一般为80-150。 对于焊接受压件，当壁厚大于或 等于20mm时，应考虑采用焊后热 处理或相应的消除应力措施；壁 厚大于3

18、0mm时，必须进行焊后热 处理，温度为600-650；壁厚 大于200mm时，待焊至工件厚度 的1/2时，应进行一次中间热处 理后，再继续焊接。中间热处理 温度为550-600，焊后热处理 温度为600-650。 埋弧焊：与焊条电弧焊相比，埋弧焊可以采 用较大的热输入，生产效率较高，熔池也较 大。生产中，采用埋弧焊焊接较厚工件时， 可以用一道或多道焊来完成。多层埋弧焊焊 第一道焊缝时，母材的熔入比例大，若母材 的含碳量较高时，焊缝金属的含碳量就会升 高，并在第一道埋弧焊处容易形成不利的O 形焊缝断面，易产生热裂纹。故多层埋弧焊 焊接厚板时，要求在坡口根部第一道焊缝时 采用的热输入要小些，如采用

19、焊条电弧焊打 底的埋弧焊就可避免上述情况。 CO2气体保护焊：为使焊缝金属具有足够的力 学性能和良好的抗裂纹及气孔的能力，低碳钢 采用CO2气体保护焊时可采用含Mn和Si的焊丝 如H08Mn2Si、H08Mn2SiA等。 起保护作用的CO2气体质量也很重要。若在CO2 气体中N和H的含量过高，焊接时即使焊缝保护 良好、Mn和Si的数量也足够，仍可能在焊缝中 出现气孔。 CO2气体保护焊时，为使电弧燃烧稳定，应采 用较高的电流密度，但电弧电压不能过高，否 则焊接时易出现飞溅及电弧燃烧不稳。 3、低碳钢零件焊接举例： 油田输油管线材质为20无缝钢管，其外径为 60mm、壁厚3.5mm，采用手工钨极

20、氩弧焊 打底，焊条电弧焊盖面进行施焊。 图5 油田输 油管线 采用Y形坡口，角度为605， 间隙1.5mm，采用机械加工或砂轮 机打磨坡口，并将坡口两侧20mm范 围内的铁锈、油污、水分清除干净， 且露出金属光泽。 焊条可用E5015（J507）或E5016 （J506）碱性低氢焊条，直径为 3.2mm；焊丝选用H08Mn2SiA，直径 为2.0mm。 焊缝表面不允许有气孔、裂纹、 夹渣等缺陷。 焊接 方法 焊接 层数 焊接材料 电源 种类 及极 性 焊接电流 /A 电弧电 压 /V 焊接速 度/cm/ min 型号 规格 /mm 钨极氩 弧焊 1H08Mn2Si 2.0 直流 正接 100-

21、11010-1212-16 焊条电 弧焊 2 E5015 3.2 直流 反接 80-10022-2610-12 焊接工艺参数 三、中碳钢的焊接 1、中碳钢的焊接特点： 中碳钢的碳含量比低碳钢高0.2-0.3%，但 焊接性却严重恶化。在物理性能方面，中 碳钢比低碳钢线膨胀系数略高，热导率稍 低，也增加了中碳钢焊接的热应力和过热 倾向。 碳含量的提高使中碳钢的强度增加，但保 护碳免于烧损的难度加大，C和FeO的还原 反应：C+FeOFe+CO，生成的CO使气孔 形成倾向增大。 当钢中的碳含量大于0.15%时，碳本身的偏析 以及它促使硫等其它元素的偏析逐渐明显，导 致钢的热裂倾向增大，故用于焊接的中

22、碳钢需 要严格限制P、S含量。 碳使钢的焊接性变坏的主要原因是碳提高了钢 的淬硬性。中碳钢的马氏体由于有较大的脆性， 在焊接应力和扩散氢的作用下容易发生冷裂纹 和脆断。 随碳质量分数的增加，中碳钢的焊接性变坏， 其主要的焊接缺陷是热裂纹、冷裂纹、气孔和 接头脆性。当钢中的杂质较多、刚性较大时， 焊接问题将更突出。 2、中碳钢的焊接工艺： 焊接方法：焊条电弧焊是中碳钢最好的焊 接法，应采用相应强度级别的碱性低氢型 焊条。 坡口制备：为限制中碳钢焊缝中的碳含量、 减少熔合比，一般开U形或V形坡口，并将 坡口两侧的油、污、锈等清除干净。 预热：预热温度取决于碳当量、母材厚度、 结构刚度、焊条类型和工

23、艺方法。通常35 钢、45钢的预热温度为150-250。 焊接电源：一般选用直流弧焊电源，反极 性，以减少熔深，降低裂纹倾向和气孔敏 感性。 焊后热处理：焊后尽量立即进行消除应力 热处理，尤其对于厚度大或刚性大的工件。 消除应力回火温度一般为600-800。 若焊后不能进行消除应力处理，也要进行 后热，即采用保温、缓冷措施，使扩散氢 逸出，以减少裂纹的产生。 3、中碳钢焊接零件举例： 法兰长轴：材料为35钢 图6 法兰长 轴焊接 采用焊条电弧焊进行焊接。焊条 选用E5015（J507）碱性低氢型焊 条，焊前进行300-350一小时烘 干。焊件在150-200时预热，焊 前仔细清理焊口，点固焊缝

24、4-5段， 每段长50mm。焊件水平放置，圆 周焊缝分成6段或4段，分段跳焊 以减少焊接应力和变形。 机车用万向轴：材料为40Cr 图7 万向轴焊接 采用焊条电弧焊进行焊接。焊条选用 E8515（J857）的低氢型焊条，焊前 进行烘干。焊件预热温度为300， 焊后立即用石棉灰保温缓冷，然后进 行550-600的退火处理以消除应力， 可使焊缝有较高的强度。 四、高碳钢的焊接 高碳钢由于碳含量很高，故焊接性很差，一般 采用焊条电弧焊或气焊。 1、高碳钢的焊接特点： a、高碳钢比中碳钢更易产生焊接热裂纹； b、高碳钢对淬火更加敏感，近缝区极易形成马 氏体淬硬组织，产生冷裂纹； c、受焊接高温的影响，高碳钢焊接时晶粒长大 快