焊接基础知识

碳钢基础知识1㈠常存杂质元素对钢材性能的影响普通碳素钢除含碳以外，还含有少量锰(Mn)、硅(Si)、硫(S)、磷(P)、氧（O）、氮（N）和氢（H）等元素。这些元素并非为改善钢材质量有意加入的，而是由矿石及冶炼过程中带入的，故称为杂质元素。这些杂质对钢性能是有一定影响，为了保证钢材的质量，在国家标准中对各类钢的化学成分都作了严格的规定。2l.硫硫来源于炼钢的矿石与燃料焦炭。它是钢中的一种有害元素。硫以硫化铁(FeS)的形态存在于钢中，FeS和Fe形成低熔点(985℃)化合物。而钢材的热加工温度一般在1150～1200℃以上，所以当钢材热加工时，由于FeS化合物的过早熔化而导致工件开裂，这种现象称为“热脆”。含硫量愈高，热脆现象愈严重，故必须对钢中含硫量进行控制。高级优质钢：S＜0.02%～0.03%；优质钢：S＜0.03%～0.045%；普通钢：S＜0.055%～0.7%以下。2.磷磷是由矿石带入钢中的，一般说磷也是有害元素。磷虽能使钢材的强度、硬度增高，但引起塑性、冲击韧性显著降低。特别是在低温时，它使钢材显著变脆，这种现象称"冷脆"。冷脆使钢材的冷加工及焊接性变坏，含磷愈高，冷脆性愈大，故钢中对含磷量控制较严。高级优质钢：P＜0.025%；优质钢：P＜0.04%；普通钢：P＜0.085%。3.锰锰是炼钢时作为脱氧剂加入钢中的。由于锰可以与硫形成高熔点(1600℃)的MnS，一定程度上消除了硫的有害作用。锰具有很好的脱氧能力，能够与钢中的FeO成为MnO进入炉渣，从而改善钢的品质，特别是降低钢的脆性，提高钢的强度和硬度。因此，锰在钢中是一种有益元素。一般认为，钢中含锰量在0.5%～0.8%以下时，把锰看成是常存杂质。技术条件中规定，优质碳素结构钢中，正常含锰量是0.5%～0.8%；而较高含锰量的结构钢中，其量可达0.7%～1.2%。34.硅硅也是炼钢时作为脱氧剂而加入钢中的元素。硅与钢水中的FeO能结成密度较小的硅酸盐炉渣而被除去，因此硅是一种有益的元素。硅在钢中溶于铁素体内使钢的强度、硬度增加，塑性、韧性降低。镇静钢中的含硅量通常在0.1%～0.37%，沸腾钢中只含有0.03%～0.07%。由于钢中硅含量一般不超过0.5%，对钢性能影响不大。5.氧氧在钢中是有害元素。它是在炼钢过程中自然进入钢中的，尽管在炼钢末期要加入锰、硅、铁和铝进行脱氧，但不可能除尽。氧在钢中以FeO、MnO、SiO2、Al2O3等夹杂形式，使钢的强度、塑性降低。尤其是对疲劳强度、冲击韧性等有严重影响。6.氮铁素体溶解氮的能力很低。当钢中溶有过饱和的氮，在放置较长一段时间后或随后在200～300℃加热就会发生氮以氮化物形式的析出，并使钢的硬度、强度提高，塑性下降，发生时效。钢液中加入Al、Ti或V进行固氮处理，使氮固定在AlN、TiN或VN中，可消除时效倾向。

47.氢钢中溶有氢会引起钢的氢脆、白点等缺陷。白点常在轧制的厚板、大锻件中发现，在纵断面中可看到圆形或椭圆形的白色斑点；在横断面上则是细长的发丝状裂纹。锻件中有了白点，使用时会发生突然断裂，造成不测事故。因此，化工容器用钢，不允许有白点存在。氢产生白点冷裂的主要原因是因为高温奥氏体冷至较低温时，氢在钢中的溶解度急剧降低。当冷却较快时，氢原子来不及扩散到钢的表面而逸出，就在钢中的一些缺陷处由原子状态的氢变成分子状态的氢。氢分子在不能扩散的条件下在局部地区产生很大压力，这压力超过了钢的强度极限而在该处形成裂纹，即白点。5㈡分类与编号根据实际生产和应用的需要，可将碳钢进行分类和编号。分类方法有多种:671．普通碳素钢普通碳素钢钢号冠以“Q”，代表钢材屈服强度，后面的数字表示屈服强度数值（MPa）。如Q235钢，其屈服强度值为235MPa。必要时钢号后面可标出表示质量等级和冶炼时脱氧方法的符号。质量等级符号分为A，B，C，D。脱氧方法符号分为F，b，Z，TZ。脱氧方法符号F是指只用弱脱氧剂Mn脱氧，脱氧不完全的沸腾钢。这种钢在钢液往钢锭中浇注后，钢液在锭模中发生自脱氧反应，钢液中放出大量CO气体，出现"沸腾"现象，故称为沸腾钢；若在熔炼过程中加入硅、铝等强氧化剂，钢液完全脱氧，则称镇静钢，以Z表示,一般情况Z省略不标；脱氧情况介于以上二者之间时，称半镇静钢，用符号b；采用特殊脱氧工艺冶炼时脱氧完全，称特殊镇静钢，以符号TZ表示。化工压力容器用钢一般选用镇静钢。普通碳素钢有Q195、Q215、Q235、Q255及Q275五个钢种。各个钢种的质量等级可参见GB700-88。其中屈服强度为235MPa的Q235一A有良好的塑性、韧性及加工工艺性，价格比较便宜，在化工设备制造中应用极为广泛。Q235一A板材用作常温低压设备的壳体和零部件，Q235一A棒材和型钢用作螺栓、螺母、支架、垫片、轴套等零部件，还可制作阀门、管件等等。82．优质碳素钢优质钢含硫、磷有害杂质元素较少，其冶炼工艺严格，钢材组织均匀，表面质量高，同时保证钢材的化学成分和力学性能，但成本较高。优质碳素钢的编号仅用两位数字表示，钢号顺序为08、10、15、20、25、30、35、40、45、50、…80等。钢号数字表示钢中平均含碳量的万分之几。如45号钢表示钢中含碳量平均为0.45%(0.42%～0.50%)。如45号钢表示钢中含碳量平均为0.45%(0.42%～0.50%)。锰含量较高的优质非合金钢，应将锰元素标出，如45Mn。依据含碳量的不同，可分为优质低碳钢（含C＜0.25%），如08、10、15、20、25；优质中碳钢（含C量0.3%～0.60%）,如30、35、40、45、50与55；优质高碳钢（含C＞0.6%），如60、65、70、80。优质低碳钢的强度较低，但塑性好，焊接性能好。在化工设备制造中常用作热交换器列管、设备接管、法兰的垫片包皮(08、10)。优质中碳钢的强度较高、韧性较好，但焊接性能较差，不适宜做化工设备的壳体。但可作为换热设备管板，强度要求较高的螺栓螺母等。45号钢常用作化工设备中的传动轴(搅拌轴)。优质高碳钢的强度与硬度均较高。60、65钢主要用来制造弹簧，70、80钢用来制造钢丝绳等。93．高级优质钢高级优质钢比优质钢中含硫、磷量还少（均＜0.03%）。它的表示方法是在优质钢号后面加一个A字，如20A。10㈢碳钢的品种及规格111．钢板钢板厚度4mm～6mm厚度间隔为0.5mm钢板厚度6mm～30mm厚度间隔为lmm钢板厚度30mm～60mm厚度间隔为2mm一般碳素钢板材有Q235一A、Q235一A·F、08、10、15、20等。12132．钢管钢管有无缝钢管和有缝钢管两类。无缝钢管有冷轧和热轧，冷轧无缝钢管外径和壁厚的尺寸精度均较热轧为高。普通无缝钢管常用材料有10、15、20等。另外，还有专门用途的无缝钢管，如热交换器用钢管、石油裂化用无缝管、锅炉用无缝管等。有缝管、水煤气管，分镀锌(白铁管)和不镀锌(黑铁管)两种。143．型钢型钢主要有圆钢、方钢、扁钢、角钢（等边与不等边）、工字钢和槽钢。各种型钢的尺寸和技术参数可参阅附录和有关标准。圆钢与方钢主要用来制造各类轴件；扁钢常用作各种桨叶；角钢、工字钢及槽钢可做各种设备的支架、塔盘支承及各种加强结构。154．铸钢和锻钢铸钢用ZG表示，牌号有ZG25、ZG35等，用于制造各种承受重载荷的复杂零件，如泵壳、阀门、泵叶轮等。锻钢有08、10、15、…、50等牌号。石油化工容器用锻件一般采用20、25等材料，用以制作管板、法兰、顶盖等。16焊接基础知识

1、焊接:通过加热或加压，或同时实施加热和加压，加或不加填充材料，使材料达到原子结合的一种加工工艺方法。

从冶金的角度来看，可将焊接区分为三大类：液相焊接、固相焊接、固-液相焊接。利用热源加热待焊部位，使之发生熔化，利用液相的相溶而实现原子间结合，即属液相焊接。熔化焊属于最典型的液相焊接。除了被连接的母材(同质或异质)、还可填加同质或非同质的填充材料，共同构成统一的液相物质。常用的填充材料是焊条或焊丝。

固相焊接属于典型的压力焊方法。因为固相焊接时，必须利用压力使待焊部位的表面在固态下直接紧密接触，并使待焊表面的温度升高(但一般低于母材金属熔点)，通过调节温度、压力和时间以充分进行扩散而实现原子间结合。在预定的温度(利用电阻加热、摩擦加热、超声振荡等)紧密接触时，金属内的原子获得能量、增大活动能力，可跨越待焊界面进行扩散，从而形成固相接合。

固-液相焊接，就是待焊表面并不直接接触，而是通过两者毛细间隙中的中间液相相联系。于是，在待焊的同质或异质固态母材与中间液相之间存在两个固-液界面，通过固液相间充分进行扩散，可实现很好的原子结合。钎焊即属此类方法，形成中间液相的填充材料称为钎料。17182.焊接热源的种类及特征

实现焊接必须由外界提供相应的能量，也就是说，能源是实现焊接的基本条件。作为焊接热源应当是：热量高度集中可快速实现焊接过程，并保证得到致密而强韧的焊缝和最小的焊接热影响区。能够满足焊接条件的热源有以下几种。

1)电弧热利用气体介质中放电过程所产生的热能作为焊接热源，是目前焊接热源中应用最为广泛的一种，如手工电弧焊、埋弧自动焊等。

2)化学热利用可燃气体（氧、乙炔等）或铝、镁热剂燃烧时所产生的热量作为焊接热源，如气焊。这种热源在一些电力供应困难和边远地区仍起重要的作用。

3)电阻热利用电流通过导体时产生的电阻热作为焊接热源，如电阻焊和电渣焊。采用这种热源所实现的焊接方法，都具有高度的机械化和自动化，有很高的生产率，但耗电量大。

194)高频热源对于有磁性的被焊金属，利用高频感应所产生的二次电流作为热源，在局部集中加热，实质上也属电阻热。由于这种加热方式热量高度集中，故可以实现很高的焊接速度，如高频焊管等。

5)摩擦热由机械摩擦而产生的热能作为焊接热源，如摩擦焊。

6)电子束在真空中，利用高压高速运动的电子猛烈轰击金属局部表面，使这种动能转化为热能作为焊接热源，如电子束焊。

7)激光束通过受激辐射而使放射增强的单色光子流，即激光，它经过聚焦产生能量高度集中的激光束作为焊接热源。

每种热源都有其本身的特点，目前在生产上均有不同程度的应用。与此同时，还在大力开发新的焊接热源。20熔化焊化学冶金

焊接过程中，焊接区内各种物质之间在高温下相互作用的过程，称为焊接化学冶金过程。无保护的情况下在空气中焊接时，焊缝金属中的含氧、氮量显著增加，同时锰、碳等有益合金元素大量减少，这时，焊缝金属的强度虽然没有问题，但塑性和韧性急剧下降。所以，为了得到优质的焊缝金属，必须研究焊接化学冶金的特点，找出其本身固有的规律。211.熔焊化学冶金的特点

焊接化学冶金反应过程从焊接材料被加热、熔化开始，经熔滴过渡，最后到达熔池中，该过程是分区域（药皮反应区、熔滴反应区、熔池反应区）连续进行的（见图），不同的焊接方法有不同的反应区。在药皮反应区中，主要发生水分的蒸发、某些物质的分解、铁合金的氧化等。反应析出的大量气体，一方面隔绝了空气，另一方面，也对被焊金属和药皮中的铁合金产生了很大的氧化作用，结果，将显著改变焊接区气相的氧化性。2223

熔滴反应区包括熔滴形成、长大到过渡至熔池前的整个阶段。在这里，会发生气体的分解和溶解、金属的蒸发、金属及其合金成分的氧化和还原、焊缝金属的合金化等。反应时间虽短（0.01～0.1s），但平均温度高（2000～2800K）、液态金属与气体及熔渣的接触面积大，所以是冶金反应最激烈的部位，对焊缝成分的影响也最大。

熔滴金属和熔渣以很高的速度落入熔池后，即同熔化了的母材混合或接触，各反应继续进行。该区温度较熔滴反应区低，约为1800～2200K，反应时间较长，为数s，并有两个显著特点：一是温度分布极不均匀，熔池头部和尾部存在温度差，因而冶金反应可以同时向相反的方向进行。二是反应过程不仅在液态金属与气、渣界面上进行，而且也在液态金属与固态金属和液态熔渣的界面上进行。242.焊接区内的气体和杂质

焊接区内的气体来源主要有：焊接材料、热源周围的气体介质、焊丝和母材表面的杂质、材料的蒸发。产生的气体中，对焊接质量影响最大的是N2、H2、O2、CO2、H2O。

有的氧化物能溶解在液态金属中，冷凝时因溶解度下降而析出，成为焊缝中的杂质，影响焊缝质量，是一种有害的冶金反应物；大部分金属氧化物则不溶于液态金属，生成后会浮在熔池表面进入渣中。

硫和磷是钢中有害的杂质，焊缝中的硫和磷主要来源于母材、焊芯和药皮。硫在钢中以FeS形式存在，与FeO等形成低熔共晶聚集在晶界上，增加焊缝的裂纹倾向，同时降低焊缝的冲击韧度和抗腐蚀性。磷与铁、镍等也可形成低熔点共晶，促进热裂纹的产生，磷化铁硬而脆，会使焊缝的冷脆性加大。25因此，为了保证焊缝质量，要从以下方面采取措施：

1）减少有害元素进入熔池其主要措施是机械保护，使电弧空间的熔滴和熔池与空气隔绝，防止空气进入；还应清理坡口及两侧的锈、水、油污；烘干焊条，去除水分等。

2）清除已进入熔池中的有害元素，增添合金元素主要通过焊接材料中的合金元素进行脱氧、脱硫、脱磷、去氢和渗合金等，从而保证和调整焊缝的化学成分。26熔池结晶和接头组织

焊接接头包括焊缝、熔合区和热影响区。271.熔池结晶的特点和结晶形态

1.熔池结晶的特点和结晶形态

焊接熔池的结晶过程与一般冶金和铸造时液态金属的结晶过程并无本质上的区别，也服从液相金属凝固理论的一般规律，但与炼钢和铸造冶金过程相比，它有以下特点：

1）熔池金属体积很小，周围是冷金属、气体等，故金属处于液态的时间很短，手工电弧焊从加热到熔池冷却往往只有十几秒，各种冶金反应进行得不充分。

2）熔池中反应温度高，往往高于炼钢炉温200℃，使金属元素强烈地烧损和蒸发。

3）熔池的结晶是一个连续熔化、连续结晶的动态过程。

在焊接熔池金属结晶时，由于熔池各部位的晶粒生长速度和熔池中的温度梯度并不一致，因此，在焊缝边缘，晶粒开始生长的熔合线附近，平面晶得到生长，随着远离熔化边界，结晶形态向胞状晶、胞状树枝晶、树枝晶和等轴树枝晶发展。在实际的焊缝中，不一定具有上述全部结晶形态。282.焊接接头的组织和性能1）焊缝

焊缝属于铸造组织，晶粒呈垂直于熔池底壁的柱状晶，硫、磷等形成的低熔点杂质容易在焊缝中心形成偏析，使焊缝塑性降低，易产生热裂纹。由于按等强度原则选用焊条，通过渗合金实现合金强化，因此，焊缝的强度一般不低于母材。

2）熔合区

焊接接头中，焊缝向热影响区过渡的区域，称为熔合区。此区成分及组织极不均匀，晶粒长大严重，冷却后为粗晶粒，强度下降，塑性和冲击韧度很差，往往成为裂纹的发源地。虽然熔合区只有0.1~1mm，但它对焊接接头的性能有很大影响。293）热影响区

焊接过程中，材料因受热的影响（但未熔化）而发生金相组织和力学性能变化的区域，称为热影响区。它包括过热区、相变重结晶区、不完全重结晶区。（1）过热区焊接热影响区中，具有过热组织或晶粒显著粗大的区域称为过热区。此区的温度范围为固相线至1100℃，宽度约1-3mm。由于温度高，晶粒粗大，使塑性和韧性降低。焊接刚度大的结构时，常在过热区产生裂纹。

（2）相变重结晶区此区的温度范围为1100℃至Ac3之间，宽度约为1.2-4.0mm。由于金属发生了重结晶，随后在空气中冷却，因此可以得到均匀细小的正火组织。相变重结晶区的金属力学性能良好。

（3）不完全重结晶区此区的温度范围在Ac1-Ac3之间，只有部分组织发生相变。由于部分金属发生了重结晶，冷却后可获得细化的铁素体和珠光体，而未重结晶的部分金属则得到粗大的铁素体。由于晶粒大小不一，故力学性能不均匀。

焊缝及热影响区的大小和组织性能变化的程度取决于焊接方法、焊接规范、接头形式等因素。在热源集中、焊接速度快时，热影响区就小。实际上，接头的破坏常常是从热影响区开始的。为消除热影响区的不良影响，焊前可预热工件，以减缓焊件上的温差及冷却速度或采用其它措施。30一、强度与塑性强度：