合金结构钢和铸铁的焊接培训课件

1、合金结构钢合金结构钢和铸铁的焊接和铸铁的焊接20162016年年3 3月月 主讲：刘伟主讲：刘伟第一节第一节 合金结构钢的焊接合金结构钢的焊接 一、合金结构钢的分类 合金结构钢是在普通碳素钢中添加了某些合金元素以满足相关条件及性能的钢种。它分为强度用钢和特殊用钢。1、强度用钢亦称高强钢，其屈服强度s290MPa，抗拉强度b440MPa。按屈服点的高低及热处理情况，分为： a、热轧正火钢含碳量Wc0.2%，通过热轧或正火依靠固溶强化、增加珠光体的数量、细化晶粒及沉淀强化提高强度。 b、低碳调质钢其含碳量Wc0.25%，主要依靠淬火和高温回火（调质）来提高强度和塑韧性。 c、中碳调质钢其含碳量Wc

2、0.3%，屈服强度s可达880MPa，也是依靠淬火和高温回火（调质）来提高强度和塑韧性。但由于含碳量较高，故其韧性较低，焊接性较差。 2、特殊用钢：按使用环境和性能，特殊用钢分为珠光体耐热钢、低合金耐蚀钢和低温钢。 a、珠光体耐热钢为Wc0.25%，加入了Mo和Cr的亚共析钢。其高温强度好，高温性能稳定，抗氧化性好，主要用于热动力设备和石油化工设备的高温元件。 b、低合金耐蚀钢在热轧或正火状态下使用，要求综合力学性能和耐蚀性良好，主要为用于石油化工设备的含铝耐蚀钢和用于耐海水或大气腐蚀的含磷、铜耐蚀钢。 c、低温钢在正火或正火回火状态下使用，要求低温韧性好，常在-40-196的低温下工作，分无

3、镍钢和含镍钢。 二、合金结构钢的焊接性 1、合金结构钢常见的焊接缺陷 a、结晶裂纹在焊接凝固后期，焊缝中的低熔点共晶在晶界形成液态薄膜，在拉伸应力作用下沿晶界开裂形成。 结晶裂纹的产生与焊缝中的杂质如S、P、C等有关，这些元素均为结晶裂纹形成元素，故应严格控制。 Mn可以脱S；随含C量的增加，应提高Mn/S比。 选用低氢型焊条或选用超低碳焊丝配合高硅高锰焊剂进行埋弧焊，在提高焊缝含锰量的同时降低碳、硫含量，均是防止结晶裂纹的有效措施。图1 焊缝中C、Mn、S含量对角焊缝结晶裂纹的影响 b、液化裂纹在多层焊接情况下，由于焊接热循环的作用，近缝区金属晶界的低熔点共晶发生局部熔化，在拉伸应力的作用下

4、而产生。 c、冷裂纹由于焊缝中的扩散氢含量、接头的拘束程度以及金属的淬硬组织的影响而导致焊接后焊缝中出现的裂纹。 d、再热裂纹为降低焊接应力，减小脆性破坏倾向，构件在焊接后应进行去应力处理。但在消除焊接应力的处理过程中，含有沉淀强化相的一些元素（Cr、Mo、V、Ni）可能会在热影响区的粗晶区产生再热裂纹。为防止再热裂纹，必须提高预热温度。 e、热影响区脆化在焊接过程中，由于大热量的影响，导致焊接区在结晶时容易形成晶粒粗大且易脆化的组织。为避免热影响区脆化，常采用小热量输入、降低含碳量。 2、合金结构钢的组织性能与焊接性分析 a、热轧正火钢 热轧正火钢中的合金元素总量小于3%，主要为Si、Mn，

5、该元素不仅可固溶强化铁素体,还可使铁碳相图中的共析点向低碳方向移动，从而增加珠光体的相对量，以提高钢的强度。在冶炼时作为镇静剂加入的Al可形成AlN以细化晶粒，其室温的组织为细晶粒铁素体加珠光体，故可在热轧状态下使用。 Q345(16Mn)是应用最广的热轧钢。若在其中加入V、Nb等元素，能与钢中的C、N形成碳化物和氮化物，进一步细化晶粒，提高钢的综合性能。 若要进一步提高热轧钢（s=294343MPa）的强度至390MPa以上时，必须在钢中加入沉淀强化的元素（如V、Ni、Ti、Mo等），并进行正火使合金元素沉淀强化以提高强度，形成正火钢。热轧正火钢由于含碳量较低，钢中的Mn/S比较大，其焊接性

6、良好，一般情况下不会生产结晶裂纹和液化裂纹。但如果母材中的含碳量偏高，且对S、P控制不严，也会产生结晶裂纹；在热轧正火钢中，随着强度的提高和冷却速度的加快，产生冷裂纹的倾向增加。故对强度较高的热轧正火钢，焊接时一般要求预热；热轧正火钢若采用大热量输入焊接，由于过热区的奥氏体晶粒粗大，冷却时易形成粗大的魏氏组织产生脆化，故尽量采用小热输入焊接。 魏氏组织：在含碳量小于0.6%的亚共析钢和含碳量大于1.2%的过共析钢中，由高温快速冷却时，先共析的铁素体或渗碳体便沿着奥氏体的一定晶面呈针片状析出，由晶界插入晶粒内部，这种组织即为魏氏组织。图2 过共析钢中的魏氏组织 魏氏组织是一种过热缺陷，过热钢在空

7、冷后容易形成魏氏组织；奥氏体晶粒越粗大，越容易形成魏氏组织，其对基体的割裂作用将严重降低材料的韧性。一般通过退火或正火消除魏氏组织。图3 亚共析钢中的魏氏组织热轧正火钢适合于各种焊接方法，主要采用焊条电弧焊、埋弧焊、CO2气体保护焊等。采用焊条电弧焊时，对于焊接强度较低、裂纹倾向不大的热轧钢，可选用钛钙型焊条或低氢型焊条；对强度级别高的钢材，宜选用低氢型焊条；采用埋弧焊时，对强度级别不高、接头厚度不大的热轧正火钢，可选择高硅高锰焊剂，并配合不含或少含Mn、Si的焊丝；对强度级别较高、接头厚度较大的热轧正火钢，可选择中硅焊剂，并配合含Mn合金焊丝，以保证足够强度。 热轧钢的焊接接头可在焊态下直接

8、使用，不需要进行焊后热处理；正火钢的焊接接头在焊接后应及时进行消除应力处理，以防止裂纹。 若焊接组织中存在魏氏组织，必须进行正火和回火处理，以细化组织。 对含Mo、V的焊接接头进行消除应力处理时，应注意防止再热裂纹的形成。 b、低碳调质钢 若要使钢的屈服强度s达到490980MPa的水平，仅依靠固熔强化、沉淀强化已不能满足要求，还必须通过淬火、高温回火的调质处理进行强化才能获得良好的综合性能。 低碳调质钢中一般都添加了提高钢的淬透性和马氏体回火稳定性的合金元素如Mn、Cr、Ni、Si、V、Mo、Ti、Nb等，其结晶裂纹敏感性小，脆性倾向小，焊接性好，焊后可不经热处理直接使用。低碳调质钢的冷裂纹

9、敏感性较大，但若能在低碳马氏体的转变温度附近（390）慢冷，可形成韧性较好的回火马氏体，即可避免产生冷裂纹。反之，若快冷，易产生冷裂纹。为防止冷裂纹的产生，还需对焊接接头中的氢含量进行控制，并采取预热、控制多层焊缝层间的温度等措施。多采用钨极氩弧焊和熔化极气体保护焊，并尽量减少焊接热输入。由于低碳调质钢焊接后一般不需热处理，故焊条的选择应尽量接近母材。焊条电弧焊时常选用低氢型焊条；埋弧焊时常采用中硅焊剂。c、中碳调质钢 欲使钢的屈服强度高于880MPa，必须提高含碳量至0.25-0.45%，并进行淬火加回火处理。淬火后为马氏体组织；高温回火后为回火索氏体，低温回火后为回火马氏体。 中碳调质钢主

10、要有Cr-Mo系、Cr-Ni-Mo系和Cr-Mn-Si系调质钢。其中的合金元素总量约为3-7%。由于其含碳量和合金元素量较高，故铁素体的固熔强化和合金渗碳体的弥散强化效果优于低碳调质钢，其强度也更高。 30CrMnSiA是应用较广的中碳调质钢。 中碳调质钢由于含碳量和合金元素量较高，结晶区较宽，易产生偏析，淬硬性和产生结晶裂纹的倾向较大，冷裂纹的敏感性也较大，易产生热影响区脆化。焊接时，应尽量选择碳含量低，P、S杂质少的焊接材料；焊前应预热，冷却时尽量慢冷，焊后应及时进行回火处理，预热温度及焊后回火温度均应比母材的回火温度低50以下；焊接时应减少热输入，最好采用氩弧焊。d、珠光体耐热钢 珠光体

11、耐热钢是以Cr-Mo为基的低中合金钢，属亚共析钢，其合金总量小于5%，在600以下具有良好的抗氧化性和热强性，并具有一定的抗硫腐蚀性能和抗氢腐蚀性能。 珠光体耐热钢常采用焊条电弧焊、埋弧焊、CO2气体保护焊等焊接方法。采用焊条电弧焊时，一般用Mo或Cr-Mo耐热钢焊条；采用埋弧焊时，常用低锰中硅HJ250或中锰中硅HJ350作为焊剂，用H08CrMoA、H10CrMo、H08CrMoVA为焊丝。 珠光体耐热钢在焊接过程中有出现冷裂纹和再热裂纹的倾向，为此，应尽可能选择小热输入，并采用预热的方法。e、低温钢 低温钢要求在-40-196的低温工作温度范围内有良好的韧性，为此，必须控制增加钢脆性的C

12、、P、S元素含量，增加有利于提高低温韧性的Mn、Ni含量，并细化晶粒。 低温钢分无Ni钢和含Ni钢两类，由于无Ni钢的碳和杂质量较低，不易产生裂纹，但容易晶粒粗化降低韧性，故在选择焊接材料时应尽量选择或添加含有Mn、Cu、Mo、Nb、Ti等提高韧性及细化晶粒元素的材料。在工艺上选择小热输入和快速多道焊工艺。 f、耐蚀钢分为含铝低合金耐蚀钢和含磷低合金耐蚀钢。含铝低合金耐蚀钢：第一类：WAl0.5%，可抗石油腐蚀；焊接性好。第二类：WAl1%，抗腐蚀性更优良；第三类：WAl=2-3%，在高温高压下耐蚀性优良。第二、三类钢焊接时易产生铝的分布不均及铁素体脆化问题。为此，含铝低的耐蚀钢常选不含铝的M

13、o-V焊条；含铝较高的耐蚀钢选Cr-Ni焊条或Mn-Al焊条。焊接时采用小热输入和多层多道焊，避免过热，减少脆化。含磷低合金耐蚀钢：含磷低合金耐蚀钢常用的牌号为09MnCuPTi、 09CuPCrNi，其含碳量低，焊接时的冷裂纹敏感性小，但Cu和P在晶界偏析易出现脆化和液化裂纹倾向，故焊接时宜采用小热输入。 三、典型合金结构钢的焊接工艺1、Q345(16Mn)钢的焊接工艺 Q345(16Mn)钢是典型的热轧钢。板厚小于30mm的焊件，焊前一般可不预热。Q345钢的淬硬倾向比低碳钢稍大，在低温下，或在大刚度大厚度结构上焊接时，为防止出现冷裂纹，仍需采取预热措施。 a a、焊条电弧焊工艺：、焊条电

14、弧焊工艺：可采用V形或U形坡口。使用焊条：E5003(J502)、E5001(J503)、E5016(J506)、E5015(J507)等。焊条烘干规范：E5003、E5001，120-150/1h; E5016、E5015，350-400/2h。焊接工艺参数：使用4mm焊条时，焊接电流 160-180A,电弧电压21-22V；使用5mm焊条时，焊接电流210-240A,电弧电压23-24V。预热温度：使用E5003、E5001酸性焊条时，当板厚大于20mm，应预热至100以上；使用E5015、E5016碱性焊条时，当板厚大于32mm，应预热至100以上。b b、埋弧焊工艺：、埋弧焊工艺：可采

15、用形、V形或U形坡口。适用焊丝：H08MnA、H10Mn2。适用焊剂：HJ431、HJ350、SJ301。焊剂烘干规范：HJ431，250-300/2h；SJ301，300-350/2h。焊接工艺参数：使用4mm焊丝时，焊接电流600-680A,电弧电压34-38V，焊接速度20-30m/h；使用5mm焊丝时，焊接电流650-720A,电弧电压36-40V，焊接速度25-32m/h。预热温度：当板厚大于50mm，预热温度为100-120。 焊后热处理：对于低合金高强钢结构，接头最大厚度超过50mm的重要承载部件，焊后需作消除应力处理，温度600-650，保温时间2.5min/mm。对于压力容器

16、的预热焊部件（壁厚大于34mm）及不预热焊部件（壁厚大于30mm）时，要求作焊后清除应力处理，最佳消除应力处理温度为600-620，保温时间3min/mm，加热速度为150-200/h。 2、13MnNiMoNb钢厚板的焊接工艺：13MnNiMoNb钢是典型的低碳调质钢，是以Mn、Mo、Nb为主要合金元素的中温厚壁压力容器用钢。该钢具有较好的力学性能，可在450以下的各种温度下工作。a a、焊条电弧焊工艺：、焊条电弧焊工艺：坡口选择：可采用V形或U形坡口。使用焊条：E6015(J607)、E6016(J606)。焊条烘干规范：350-400/h。 焊接工艺参数：使用4mm焊条时，底层焊道焊接电

17、流140A,电弧电压23-24V，填充焊道焊接电流160-170A；使用5mm焊条时，填充焊道焊接电流220-230A,电弧电压23-24V。预热温度：板厚大于10mm时，应预热至150-200，并保持层间温度不低于150；板厚大于90mm时，焊后应立即进行350-400/2h的消氢处理。焊后消除应力处理：对于钢结构，厚度超过30mm的承载部件，焊后需作消除应力处理。对于受压容器，不预热时，任何厚度的受压部件焊后均需作消除应力处理；需要预热时，如果受压部件的厚度大于20mm时，焊后也要作消除应力处理，最佳的消除应力处理温度范围为600-620。b b、埋弧焊工艺：、埋弧焊工艺：坡口选择：可采用

18、形、V形或U形坡口。适用焊丝：H08Mn2Mo。适用焊剂：HJ350、SJ101。焊剂烘干规范：HJ350，350-400/2h；SJ101，300-350/2h。焊接工艺参数：焊丝直径为4mm，焊接电流600-650A,电弧电压36-38V，焊接速度25-32m/h。焊前预热温度：板厚大于20mm时，预热至150-200，保持层间温度不低于150，消氢处理和焊后消除应力处理规范与焊条电弧焊相同。焊后应做100%的超声波探伤，焊缝作磁粉探伤。第二节第二节 铸铁的焊接铸铁的焊接 一、铸铁的种类 铸铁是含碳量大于2%的铁碳合金。按碳的存在形式可分为白口铸铁、灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁及蠕墨铸铁，碳

19、分别以渗碳体、片状、团絮状、圆球状和蠕虫状形式存在。其中，球墨铸铁的力学性能最高，灰铸铁的应用最广。 二、灰铸铁的焊接性 灰铸铁由于含碳量高，含P、S等杂质多，强度低，塑性差，故其焊接性差，易出现冷裂纹和热裂纹。1、冷裂纹当焊缝为铸铁时，由于焊缝中石墨片的存在，减少了焊缝的有效承载面积，石墨两端存在着严重的应力集中，当应力超过灰铸铁的强度极限时，就会产生裂纹。该裂纹常发生在400以下的焊缝及热影响区上。 解决办法：焊缝采用异质焊接材料，使焊缝成为塑性较好的奥氏体、铁素体或铜基材料。同时采用冷焊工艺，使石墨来不及形成。当焊缝中存在白口组织时，由于白口铸铁的收缩率大于灰铸铁，且渗碳体硬而脆，焊缝中

20、更易出现裂纹。焊缝中石墨的形状对焊缝抗裂性有重要影响：粗而长的石墨片易引起应力集中，使焊缝的抗裂性降低；团絮状或球状的石墨则有较好的抗裂性能。2、热裂纹当灰铸铁焊缝采用低碳钢焊条或镍基铸铁焊条冷焊时，焊缝易出现结晶裂纹。当使用低碳钢焊条时，焊缝中的含碳量常为0.7-1%，由于母材中的P、S含量高，使母材与焊缝的化学成分相差悬殊，易产生结晶裂纹；当使用镍基铸铁焊条时，铸铁中较多的P、S易与焊条中的镍形成低熔点共晶（Ni-Ni3P、Ni-Ni3S2），形成热裂纹。解决办法：调整焊缝的化学成分，缩小脆性温度区。1、当采用镍基焊条时，可适当增加焊缝中的碳含量。研究表明，此时随焊缝中碳含量的增加，抗热裂

21、纹性能逐渐提高。但超过一定量时，性能下降。2、加入适量稀土元素钇（Y）。适量的稀土有较强的脱P、S作用，使晶界的P、S量减少，低熔点共晶减少。且稀土易使焊缝中的石墨呈球状，提高强度及塑性，并改善抗裂性。 三、灰铸铁常用的焊接法 1、电弧热焊主要适用于厚度大于10mm以上的工件补焊，即将工件整体或有缺陷的局部位置预热到600-700，以减少焊接接头的温差，然后进行焊补，焊后缓慢冷却，使石墨化过程能充分进行，以消除白口及防止淬硬组织的产生，从而防止裂纹形成。常使用的电弧热焊焊条有两种：大于6mm的铸铁芯加石墨药皮（Z248）; 小于5mm的钢芯加石墨药皮（Z208）。 预热：对于结构复杂的铸件，由

22、于焊补区刚性大，焊缝无自由膨胀收缩的余地，故亦采用整体预热；对于结构简单的铸件，焊补处刚性小，焊缝有一定的膨胀收缩余地，如铸件边缘的缺陷及小块断裂，可采用局部预热。焊前清理：用砂轮等工具将缺陷中的型砂、氧化皮、铁锈等清除干净，直至露出金属光泽，离缺陷10-20mm处也应磨干净。对有油污的，用气焊火焰烧掉，以免焊条熔滴焊不上或产生气孔。造型：对边角部位及穿透缺陷，焊前为防止熔化金属流失，保证一定的焊缝成形，应在待焊部位造型。造型材料可用型砂加水玻璃或黄泥，内壁最好放置耐高温的石墨片，并在焊前进行烘干。图4 热焊焊补区造型示意图a、中间缺陷焊补 b、边角缺陷焊补 焊接：焊接时，为保证预热温度，缩短

23、高温工作时间，要求在最短的时间内焊完，故亦采用大电流、长弧、连续焊。焊接电流一般为焊条直径的40-60倍，即I=(40-60)d。 焊后缓冷：焊后采取缓冷措施，一般用保温材料（如石棉灰等）覆盖，最好随炉冷却。 2、电弧冷焊a、同质焊缝电弧冷焊同质的目的是防止焊接接头白口组织及淬硬组织。为此： 提高焊缝石墨化能力。通过控制焊缝中的碳含量（4.0-5.5%）和硅含量（3.5-4.5%），以防止白口。同时，加入少量的可细化石墨及促进石墨化的合金元素如Al、Ba、Ca等。 提高焊接热输入。采用大直径焊条，大电流连续焊工艺，以减慢焊接接头冷速。电弧冷焊即不预热焊法，是在提高焊缝石墨化能力的基础上，采用大

24、直径焊条、大焊接线能量的连续焊工艺，以增加熔池存在时间，达到降低接头冷却速度、防止白口组织产生的目的。电弧冷焊用于中厚度以上铸件的一般大缺陷焊补，基本上可以避免白口组织产生，获得较好的效果。电弧冷焊焊条：由于电弧冷焊的焊缝冷却速度较快，为防止白口组织出现，焊条的石墨化元素碳、硅的含量应比热焊焊条高。焊前清理及坡口制备：焊接前应对焊补区进行清理并制备好坡口。为防止冷焊时因熔池体积过小而冷速增大，焊补区的面积须大于8cm2，深度应大于7mm，铲挖出的型槽形状应光滑，并为上大下小呈一定的角度。图5 铸铁型焊条冷焊焊前准备示意图a、缺陷状况 b、型槽形状及尺寸造型：坡口制备好后，为防止焊缝液态铁流失和

25、保证焊缝高于母材，应在等焊部位造型，造型方法和材料与热焊方法基本相同。焊接：焊接时采用大直径焊条、直流反接电源，进行大电流、长弧、连续施焊。当焊条直径为5mm时，焊接电流应为250-350A；焊条直径为8mm时，焊接电流为380-600A。电弧长度约为8-10mm，由中心向边缘连续焊接。坡口焊满后不要断弧，应将电弧沿熔池边缘靠近砂型移动，使焊缝堆高。一般焊缝的高度要超出母材表面5-8mm，焊后立即覆盖熔池，以保温缓冷。图6 铸铁型焊条冷焊示意图 由于焊缝中的灰铁组织强度低、无塑性，且采用大电流连续焊工艺，故焊缝中的应力一般均比较严重，因此，对大刚度的缺陷进行焊补时，仍容易出现焊缝裂纹。但对刚度

26、较小的中、大型缺陷进行焊补时，则不易出现焊缝裂纹。 b、异质焊缝电弧冷焊 异质焊缝即焊后形成非铸铁焊缝。异质的目的是为了改变焊缝中碳的存在形式，以提高焊缝的塑性，消除裂纹。 电弧冷焊由于焊前不需预热，简化了焊接工艺，改善了操作者工作条件，具有适应范围广、可进行全位置焊接及焊接效率高的特点。 异质焊缝电弧冷焊焊条： 镍基焊条：采用纯镍、镍铁合金或镍铜合金作为焊芯； 铜基焊条：铜有良好的塑性，有减少白口组织的作用，可松弛焊缝中的焊接应力，减少裂纹； 高钒焊条：钒是碳化物及铁素体形成元素，钒可与碳形成弥散分布的碳化钒，其铁素体基体可抑制裂纹产生。焊前清理：焊前应将铸件缺陷周围的型砂、油污清除干净。铸

27、铁组织疏松，晶粒间隙大，尤其是旧铸件，在长期使用过程中会渗入油污、水分和杂质，若不清理干净，会使焊缝产生气孔。此外，由于焊缝中油质碳化，会使接头熔化金属间润湿不良，影响焊缝与母材的熔合，使接头质量下降。清理方法和要求与同质焊缝的焊条电弧焊相同。坡口制备：电弧冷焊焊补裂纹缺陷时，坡口常用U形，也可用V形。开坡口前应先在裂纹两端钻孔，以免裂纹扩展。坡口表面在机加工时要尽量平整，以减少基本金属的熔入量。图7 裂纹缺陷的坡口a、未裂透缺陷坡口 b、裂透缺陷坡口焊接：采用短段、断续施焊。焊接铸铁时易开裂，为减少热应力和防止冷裂纹，必须减少焊接区与母材的温差。冷焊不是通过预热而是通过降低焊接区温度来达到降

28、低焊接区与母材温差的目的，故焊接电流应尽可能小。焊接过程中，每焊一小段后，应立即采用带圆角的尖头小锤快速锤击焊缝，既可松弛焊接应力，防止裂纹，又可锤紧焊缝微孔，增加焊缝致密性。电弧冷焊对温度比较敏感，难焊的铸件应在室内进行，防止风吹；此外，可将工件放置炉旁，稍许提高其整体温度；要求更高时，可将工件整体预热200-250。对于深坡口（壁厚15-20mm），因焊缝体积大，不能一次焊满，否则焊后应力增大，易引起焊后剥离。可采取以下措施：多层焊，采取适当的焊接顺序可减少焊接应力。图8 铸铁多层焊顺序当母材材质差、焊缝强度高时，或工件受力大、要求强度高时，可采用栽钉焊法。即在铸件坡口上钻孔攻螺纹，然后拧入钢质螺钉（可用M8螺钉，间距20-30mm）。图9 栽钉焊法示意图坡口内装加强筋条，可承受巨大应力，提高焊补接头的强度和刚度，且可大大减少焊缝金属，减少焊接应力，可更有效防止焊缝剥离。图10 装加强筋焊法当焊补较大的缺陷时，为节约价格昂贵的镍基焊条或高钒焊条，可在第一、二层采用镍基焊条或高钒焊条，以后各层用低碳钢焊条焊满，即组合焊接法。图11 组合焊接法 三、气焊灰铸铁采用气焊时，气焊的火焰温度一般低于3400，比电弧焊低得多。且由于火焰分散，热量不集中，焊接加热时间长，加热面积大，冷却慢，有利于石墨化过程的进行，故焊缝易得灰铁组织，焊接热影响区不易产生白口及淬硬组织。由于