21.7-客车材料的焊接解析

二、焊接冶金、金属焊接性与焊材选用

----7.客车材料的焊接

刘多由于客车车体材料主要为低碳钢，低合金钢等，因此以下主要介绍典型钢种的焊接工艺要点。2主要内容Q235钢及其焊接要点Q345钢及其焊接要点3Q235与Q345的区别

1、屈服强度：Q235的屈服强度下限为235MPa,Q345的屈服强度下限为345MPa。2、合金含量：Q235为普通碳钢，Q345为低合金钢。Q235是碳素结构钢,与旧标准GB700-79牌号对照A3、C3；Q345是低合金结构钢，与旧标准1591-88牌号对照12MnV、16Mn16MnRE、18Nb、14MnNb。3、性能和应用：Q235--金属结构件，心部强度要求不高的零件，拉杆、连杆、吊钩、车钩、螺栓螺母、套筒、轴及焊接件；Q345--综合力学性能良好，低温性能、塑性和焊接性良好，用做中低压容器、油罐、车辆、起重机、矿山机械、电站等承受动荷的结构、机械零件、建筑结构、一般金属结构件，热轧或正火状态使用，可用于-40℃以上寒冷地区的各种结构。4Q235与Q345的钢材强度对比5Q235与Q345的成分对比6焊接材料匹配原则等强性：强度相等，或高匹配(+100MPa)、低匹配(-100MPa)，保证接头强度与母材相等。等成分性：填充焊丝形成的焊缝成分与母材相等，保证耐热性、耐蚀性等特殊要求。特殊性：双相焊缝、异质焊缝。7Q235钢焊接性

由于低碳钢含碳量低，锰、硅含量也少，所以，通常情况下不会因焊接而产生严重硬化组织或淬火组织。低碳钢焊后的接头塑性和冲击韧度良好，焊接时，一般不需预热、控制层间温度和后热，焊后也不必采用热处理改善组织，整个焊接过程不必采取特殊的工艺措施，焊接性优良。

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但在少数情况下，焊接时也会出现如下问题：

1)采用旧冶炼方法生产的转炉钢含氮量高，杂质含量多，从而冷脆性大，时效敏感性增加，焊接性变差。

2)沸腾钢脱氧不完全，含氧量较高，P等杂质分布不均，局部含量会超标，时效敏感性及冷脆敏感性大，热裂纹倾向也增大。

3)采用质量不符合要求的焊条，使焊缝金属中的碳、硫含量过高，会导致产生裂纹。4)某些焊接方法会降低低碳钢焊接接头的质量。如电渣焊，由于线能量大，会使焊接热影响区的粗晶区晶粒粗大，引起冲击韧度下降，焊后必需进行细化晶粒的正火处理。

总之，低碳钢是焊接性非常好的钢种，所有焊接方法都能适用于低碳钢的焊接。9Q235钢焊接及焊接材料一般不预热，碳含量在0.18～0.22%时，厚度≥30mm，环境温度≤0℃时应考虑预热100～150℃。手工电弧焊一般结构：E4303、E4315、E4301、E4320、E4311；动载荷、复杂和厚板结构：E4315、E4316、E4303、E4301、E4320、E4311；气体保护焊ER49-1(H08Mn2SiA)+CO2/80%Ar+20%CO2

埋弧焊H08A/H08MnA+HJ431Q235钢焊接要点10Q345钢及其焊接要点Q345是一种钢材的材质。它是低合金钢（C<0.2%)，广泛应用于桥梁、车辆、船舶、建筑、压力容器等。Q代表的是这种材质的屈服，后面的345，就是指这种材质的屈服值，在345左右。并会随着材质的厚度的增加屈服值减小。Q345钢在焊接时易出现的问题：1）热影响区的淬硬倾向Q345钢在焊接冷却过程中，热影响区容易形成淬火组织-马氏体，使近缝区的硬度提高，塑性下降。结果导致焊后发生裂纹。2）冷裂纹敏感性Q345钢的焊接裂纹主要是冷裂纹。11Q345钢焊接性低合金结构钢具有满意的综合力学性能和加工工艺性能，其焊接性通常表现为两方面的问题：一是焊接引起的各种缺陷，对这类钢来说主要是各类裂纹问题；二是焊接时材料性能的变化，对这类钢来说主要是脆化问题。一．

裂纹问题（1）

热裂纹：热轧钢一般含碳量较低，而含锰量较高，因此它们Mn/S比较大，具有良好的抗热裂性能。正常情况下焊缝中不会出现热裂纹，但当材料成分不合格或有严重偏析，使碳、硫含量偏高，Mn/S比偏低，易出现热裂纹。锰在钢种可与硫形成硫化锰，减少了硫的有害影响，增强了钢的抗热裂性能。12（2）

冷裂纹：钢材冷裂纹主要取决于钢材的淬硬倾向，而刚才的淬硬倾向又主要取决于它的化学成分。热轧钢由于含有少量合金元素，其碳当量比低碳钢碳当量略高些，所以这种钢淬硬倾向比低碳钢要大些，而且随钢材强度级别的提高，合金元素的增加，它的淬硬倾向逐渐增大，应根据接头形式和钢材厚度来调整线能量、预热和后热温度，以控制热影响区的冷却速度，同时降低焊缝金属的含氢量等措施，防止冷裂纹的产生。（3）

再热裂纹：从钢材的化学成分考虑，由于热轧钢中不含强碳化物形成元素，因此对再热裂纹不敏感，而且还可以通过提高预热温度和焊后立即后热等措施来防止再热裂纹的产生。

13二．

脆化问题（1）

过热区脆化：热轧钢焊接时近缝区中被加热到100℃以上粗晶区，易产生晶粒长大现象，是焊接接头中塑性最差的部位，往往会承受不住应力的作用而破坏。防止过热区脆化的措施是提高冷却速度，尤其是提高奥氏体最小稳定性范围内的冷却速度，缩短在这一温度区间停留时间，减少或防止奥氏体组织的出现，以提高钢的冲击韧度，而且为防止过热区粗晶脆化，也不宜采用过大线能量。（2）

热应变脆化：热应变脆化是由于焊接过程中热应力产生塑性变形使位错增殖，同时诱发氮碳原子快速扩散聚集在位错区，出现热应变脆化。16Mn具有一定得热应变脆化倾向，焊接时消除热应变脆化的有效措施是焊后退火处理。

14Q345钢的焊接1.焊前准备：（1）焊接坡口形式的设计应避免采用焊不透或局部焊透的坡口，还要尽量减少焊缝的横截面积，以降低接头的残余应力，同时也可减少焊接材料的消耗量。（2）坡口加工采用热切割时应注意防止母材边缘会形成一定深度的淬硬层，这种低塑性的淬硬层往往成为冷加工的开裂源。（3）焊前必须消除焊接区钢板表面的水分，坡口表面的氧化皮、锈斑、油脂以及其他污物。（4）焊接材料在使用前应按生产厂推荐的规范进行烘干。（5）装配定位焊缝必须采用与正式焊缝同一类型的焊条。

152.焊接线能量的选择：

线能量的参数是指焊接电流、电弧电压和焊接速度。低合金结构钢焊接时，线能量参数除要保证接头的熔透性和焊缝成型外，还要考虑其对接头性能的影响。焊接含碳量低的热轧钢以及含碳量偏下限的16Mn钢时，对焊接线能量没有严格的限制，但从提高过热区塑性和韧性考虑还是采用偏小线能量更为有利；当焊接含碳量偏高的16Mn钢时，为降低淬硬倾向，防止冷裂纹产生，焊接时线能量应偏大些。

163.预热、后热及热处理（1）预热：焊接低合金结构钢时，焊前预热是防止接头冷裂、改善接头组织性能，减小焊接应力的重要工艺措施。由于Q345钢的Ceq＞0.45%，在焊接前应进行预热，预热温度T0=100-150℃，层间温度Ti≤400℃。预热作用还在于：①改变了焊接过程的热循环，降低焊接接头各区高温转变和低温转变温度区间的冷却速度，避免或减少了淬硬组织的形成；②减少焊接区的温度梯度，降低了焊接接头的内应力；③扩大了焊接区的温度场，使焊接接头在较宽的区域内处于塑性状态，减弱了焊接应力的不利影响；④延长了焊接区在100℃以上温度的停留时间，有利于氢从焊缝金属中逸出。17（2）后热及热处理：后热是指焊接结束后将焊件或整条焊缝立即加热到150~250℃温度范围内，并保持一段时间，这种工艺简称后热。其作用在于：

首先是降低了接头低温转变区的冷却速度，其效果比预热更显著；

其次是延长了接头在100℃以上温度区间的停留时间，使焊缝金属中的氢有充分时间向外扩散。在焊缝金属氢扩散阶段，从根本上消除了导致冷裂纹形成的力学因素。

后热的温度和时间，取决于被焊钢的冷裂敏感性，焊接材料的含氢量和接头的拘束度。后热温度愈高，保温时间愈长，去氢效果愈明显。

18去氢处理是将焊件在焊后立即加热到300~400℃温度并保温一段时间，可加速焊接接头氢的扩散逸出。生产中消氢处理的温度为300~400℃，消氢时间为1~2小时。消除应力处理是将焊件均匀地以一定的速度加热到AC1点以下足够高的温度，保温一段时间后随炉均匀地冷却到300~400℃，最后将工件移到炉外空冷。低合金结构钢焊后消除应力处理的目的：①消除焊缝金属中的氢，提高焊接接头的抗裂性和韧性；②降低焊接接头中的参与应力；③改善焊缝及热影响区组织，使淬硬组织经受回火处理而提高接头各区的韧性；④稳定了低合金耐热钢焊缝及热影响区的碳化物，提高了接头的高温持久强度；⑤降低了焊缝及热影响区的硬度，易于切削加工。

19Q345钢焊接及焊接材料碳含量在0.18～0.22%时，厚度≥20mm，环境温度≤5℃时应考虑预热100～150℃。手工电弧焊E5003、E5001、E5015、E5016气体保护焊ER49-1(H08Mn2SiA)+CO2/80%Ar+20%CO2

药芯焊丝：E500T-1、E500T-5等

埋弧焊H08A/

H08MnA/H10Mn2/H10MnSi+HJ431Q345钢焊接要点16Mn钢的特点及焊接16Mn钢属于碳锰钢，碳的含量在0.16%左右，屈服点等于343MPa（强度级别属于343MPa级）。16Mn钢是目前我国应用最广的低合金钢。主要特性：综合性能好，低温性能好，泠冲压性能，焊接性能和可切削性能好。16Mn钢的化学成分:C：0.13～0.19;Si：0.20～0.60;Mn：1.20～1.60;Cr≤0.30;P≤0.030;S≤0.030;Ni≤0.30;Cu≤0.25

2016Mn钢的合金含量较少，焊接性良好，焊前一般不必预热。但由于16Mn钢的淬硬倾向比低碳钢稍大，所以在低温下或在大刚性、大厚度结构上焊接时，为防止出现冷裂纹，需采取预热措施。不同板厚及不同环境温度下16Mn钢的预热温度：

焊件厚度（mm）不同温度下的预热温度（℃）：

1）16以下：不低于－10℃不预热,－10℃以下预热100～150℃；

2）16～24：不低于－5℃不预热,－5℃以下预热100～150℃；

3）25～40：不低于0℃不预热,0℃以下预热100～150℃；

4）40以上：均预热100～150℃。2122从16Mn的化学成分来看,含碳量低而含Mn量较高,Mn/S能达到焊接要求、具有较好的抗热裂性能,正常情况下焊接时不会出现热裂纹。当材料的化学成分不合格或严重偏析时,局部C,S含量偏高时,Mn/S可能低于焊接要求,焊接时会产生热裂纹,这时可通过选择焊接材料来调整焊缝金属成分。

冷裂纹是焊接16Mn钢板易出现的主要问题,从材料本身考虑,淬硬组织是引起冷裂纹的决定性因素。因此焊接过程中能否形成氢致裂纹及敏感的淬硬组织是评定16Mn钢板焊接性的一个重要指标。16Mn的冷裂纹敏感性主要取决于它的淬硬倾向,虽然16Mn含碳量并不高,但含有少量的合金元素,因此其淬硬倾向比低碳钢要大一些。16Mn钢的焊接性2316Mn钢板焊接材料的选择焊接16Mn重要结构的工件时,按照强度要求应选用E5016、E5017,这种碱性焊条的延性和韧性较高,抗裂性好；对于厚度小、坡口窄或对强度要求较高的工件,可选用E4316、E4317,