1、 常用金屬材料 碳鋼的焊接【學習目標】本內容主要講解常用金屬材料的焊接工藝等基礎知識，要求通過本內容的學習，了解碳鋼的焊接特點與焊接工藝。綜合知識 碳素鋼的焊接碳素鋼是以Fe為基礎，以少量C為合金元素的鐵碳合金，可以簡稱為碳鋼。碳鋼有不同的分類方法，按含C量可分為低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼；按品質分可分為普通碳素鋼、優質碳素鋼和高級優質碳素結構鋼；按用途可分為結構鋼和工具鋼；根據某些行業特殊要求及用途，有一些專業用鋼，比如：壓力容器用碳鋼、鍋爐用碳鋼、船用碳素結構。碳鋼的焊接性主要取決于碳含量。隨著碳含量的增加，焊接性逐漸變差。碳鋼中的Mn和Si對焊接性也有影響，隨著它們含量的增加，焊接性變差，但

2、不及碳作用強烈。把鋼中合金元素的含量按其作用換算成碳的相當含量，就叫做碳當量。它可作為評定鋼材焊接性的一種參考指標。 這樣，就可以把C、Mn和Si對焊接性的影響匯合成一個適用于碳素鋼的碳當量 Ceq經驗公式：Ceq值增加，產生冷裂紋的敏感性增大，焊接性變差。通常，當Ceq值小于0.4%時，鋼材的淬硬傾向不大，焊接性良好，不需預熱。Ceq值在0.4%0.6%之間時，鋼材的淬硬傾向大，冷裂紋的敏感性將增大，焊接性一般，焊接時需要采取一些工藝措施，如預熱等。Ceq值大于0.6%時，焊接性變得很差。碳鋼中的雜質(如S、P、N)和一些微量元素(如Cr、Mo、V、Cu)等對焊接接頭的裂紋敏感性和力學性能都

3、有重大影響。實際上，焊接性的好壞不只取決于合金元素的含量，還取決于焊接接頭冷卻速度。尤其中、高碳鋼在某種焊接熱循環的作用下，冷卻速度較快，碳鋼可能在焊縫和熱影響區中形成馬氏體組織，馬氏體量越多，硬度越高，焊接性越差，產生裂紋傾向越大，因此，焊接時控制冷卻速度也成為至關重要的問題。采用預熱、控制層間溫度和后熱，或使用大焊接熱輸入，都能降低焊接接頭冷卻速度，從而控制組織和硬度，減小冷裂紋的可能性。 除上述影響碳鋼焊接性的諸多因素以外，母材焊前熱處理狀態對焊接性影響也是碳鋼焊接時不容忽視的問題。總之，低碳鋼是最容易焊接的鋼種，但有時也會出現某種問題。許多焊接方法都適用于低碳鋼焊接，并能獲得良好的焊接

4、接頭。目前，焊條電弧焊、二氧化碳氣體保護焊、氬弧焊、埋弧焊、電渣焊、氣焊、電阻焊等都是焊接低碳鋼的成熟焊接方法。2.焊接方法和焊接材料的選擇(1)焊條電弧焊焊接低碳鋼時大多采用焊條電弧焊，低碳鋼選用焊條的主要原則是等強度原則，大多使用E43系列的焊條，因為低碳鋼通常的抗拉強度平均值為417.5MPa，而E43系列焊條熔敷金屬的抗拉強度不小于420MPa，在力學性能上正好與之匹配。這一系列焊條有多種型號，商品牌號更多，可根據具體母材、受載情況等加以選用，比較重要的結構或受載情況復雜的結構，盡量選用低氫型焊條，表5-1為幾種情況的舉例。其他鋼材選用焊條請參照JB/T 47092007等行業標準或國

5、家標準。(4)手工TIG焊在比較重要的結構中，低碳鋼管對焊時，一般要求焊接接頭必須是全焊透結構。許多工廠采用手工TIG焊封底，焊條電弧焊填充和蓋面的方法或全部采用手工TIG焊焊接。低碳鋼TIG焊用焊絲盡量選用專用焊絲以減少化學成分的變化，保證焊縫一定的力學性能，20、20g、20R這類鋼一般采用H08Mn2SiA就可以了，焊接時所用Ar氣體純度應不低于99.99。低碳鋼焊接可采用的焊接方法還有很多,比如窄間隙埋弧焊、氣焊、電渣焊等。在鍋爐和壓力容器制造中，還有不少其他焊接技術以及它們各種組合形式，這主要根據具體條件和工藝要求來選擇。3.焊接工藝要點(1)焊前準備焊前準備包括以下方面：1)坡口的

6、制備。坡口的制備宜采用冷加工方法，也可采用熱加工方法，焊接坡口應保持平整，不得有裂紋、分層、夾渣等缺陷，尺寸應符合圖樣或焊接工藝的規定。坡口表面及兩側(焊條電弧焊10mm,埋弧焊20mm)應將水、鐵銹、油污、熔渣及其他有害雜質清理干凈。2)焊條、焊劑按規定進行烘干、保溫。焊絲需去除油、銹等雜質。4)定位焊。所謂定位焊就是為組裝和固定焊件上各零件的位置而進行的焊接，所形成的焊縫叫定位焊縫。定位焊須采用與所焊焊縫相同的焊接材料，按相同的焊接工藝施焊，定位焊縫不得有裂紋，否則必須清除重焊。熔入永久焊縫內的定位焊縫兩端應便于接弧，如存在氣孔、夾渣時應去除。能力知識點2 中碳鋼的焊接 1.中碳鋼的焊接特

7、點中碳鋼的含C量在0.30%0.60之間。當wC接近.30而wMn不高時，焊接性良好。隨著wC的增加，焊接性逐漸變差。如果wC為0.50左右而仍按焊接低碳鋼常用的工藝施焊時，熱影響區可能產生脆硬的馬氏體組織，易開裂。當焊接材料和焊接過程控制不好時，甚至焊wC縫也會如此。焊接時，相當數量的母材會熔化進入焊縫使其雜質含量增高，容易產生焊縫熱裂紋。特別是雜質S控制不嚴時，更易顯示出來。這種熱裂紋在弧坑處更為敏感。此外，由于wC增高，氣孔敏感性也增大。 中碳鋼既可以用作強度較高的結構件，也可以用作機械部件和工具。用作機械部件和工具時，又常用其堅硬耐磨而非高強度。無論是高強度還是耐磨，常常通過熱處理來達

8、到所希望的性能。如果對已經熱處理的部件進行焊接，則必須采取措施防止裂紋產生。不過，還需強調的是，焊接的熱量會使熱影響區軟化，為了恢復熱影響區性能，焊件需要再進行熱處理。2.焊接方法和焊接材料的選擇(1)焊條電弧焊中碳鋼焊接性較差，大多用于制造機械零件，所以焊接中碳鋼最常用的焊接方法主要是焊條電弧焊。要求焊縫金屬與母材等強度時，應選用級別相當的焊條；在不要求等強度時，可選用強度級別低于母材的焊條。低氫型焊條有一定脫硫能力，熔敷金屬塑性和韌性良好，擴散氫量又少，無論對熱裂紋或氫致冷裂紋來說，抗裂性都較高，因此應盡量選用。在個別情況下，也可采用鈦鐵礦型或鈦鈣型焊條，但一定要有嚴格的工藝措施配合，例如

9、認真控制預熱溫度和盡量減少母材熔深(減少焊縫wC)，方能有滿意結果。特殊情況下，亦可采用鉻鎳奧氏體不銹鋼焊條焊接，這時不需預熱，而焊縫金屬塑性良好，可以減少焊接接頭的應力，避免熱影響區冷裂紋產生。中碳鋼焊條舉例如表5-4所示。(2)其他焊接方法中碳鋼的焊接有時也可以采用其他的焊接方法，這主要根據設計要求和具體情況而定，比如二氧化碳氣體保護焊等。選用二氧化碳氣體保護焊時，30、35號鋼焊絲一般選用H08Mn2SiA、H04Mn2SiTiA和H04MnSiAlTiA。3.焊接工藝要點(1)焊前準備焊前應做如下方面準備工作：1)焊條在使用前應按規定溫度進行烘干、保溫。2)補焊前待焊處的缺陷徹底清除掉

10、，認真清理待焊部位工件表面，去除鐵銹、油污、水分等雜質。需要定位焊時焊縫不宜過小。3)預熱，控制層間溫度。大多數情況下，中碳鋼焊接需要預熱,焊接時控制層間溫度，層間溫度一般不能低于預熱溫度，以降低焊縫和熱影響區冷卻速度，從而防止產生馬氏體，提高焊接接頭的塑性，減小殘余應力。預熱溫度取決于碳當量、母材厚度、結構剛性、焊條類型和工藝方法。一般來說，隨著碳當量增高，接頭厚度增大或電弧中氫含量增高，預熱溫度增高。通常，35號鋼和45號鋼預熱溫度可為150250，wC再高，或厚度大，或剛性大預熱溫度可在250400。如果采用局部預熱，坡口兩側的加熱范圍為150200mm。能力知識點3 高碳鋼的焊接1.高

11、碳鋼的焊接特點高碳鋼wC大于0.6，除了高碳結構鋼外，還包括高碳碳素鋼鑄件和碳素工具鋼等。高碳鋼的wC比中碳鋼更高，更容易產生硬脆的高碳馬氏體，所以淬硬傾向和裂紋敏感傾向更大，從而焊接性更差。這類鋼實際上不用于制造焊接結構，而用于高硬度或耐磨部件、零件和工具以及某些鑄件，亦稱為工具鋼和鑄鋼，所以它們的焊接也大多數為焊接修復。為了獲得高硬度或高耐磨性，高碳鋼零件一般都經過熱處理，常為淬火+回火，因此，焊接前進行退火，可以減少裂紋傾向，焊后再進行熱處理，以達到高硬度和高耐磨性要求。 2.焊接方法和焊接材料的選擇由于高碳鋼焊接性差，大多應用于硬度大或耐磨部件、零件和工具，所以焊接高碳鋼最常用的焊接方

12、法主要是焊條電弧焊。焊接材料通常根據鋼的含碳量、工件設計和使用條件等，選用合適的填充金屬。焊縫要與母材性能完全相同比較困難，這類鋼的抗拉強度大多在675MPa以上，選用的焊接材料視產品設計要求而定，要求強度高時，一般用E7015-D2(J707)或E6015-D2(J607)，要求強度不高時，可用E5016(J506)或E5015(J507)等焊條，或者分別選用與以上強度等級相當的低合金鋼焊條或填充金屬，所有焊接材料都應當是低氫型的。3.焊接工藝要點(1)焊前準備高碳鋼焊接前應做如下準備工作：1)高碳鋼應先行退火，然后焊接。2)采用結構鋼焊條焊接時，焊前必須預熱，預熱溫度一般在250350以上

13、。焊接過程中還需要保持與預熱一樣的層間溫度。3)焊前注意按規定烘干焊條，并放在保溫箱或保溫筒內，以防焊條吸潮。 4)焊前注意工件表面的清理，不得有水分、油污、鐵銹等雜質。(2)焊接要求焊接過程中應采取如下措施：1)采取與中碳鋼相同的工藝措施，盡量減小熔合比，小電流，快速焊，焊接過程中應量連續施焊不間斷。2)采用預堆法，先在坡口上堆焊，然后再進行焊接。3)焊件剛度、厚度較大時，應采取減少內應力的措施，例如合理排列焊道、分段倒退焊法、焊后錘擊焊道等。(3)焊后熱處理焊后工件應立即送入爐中，在650保溫，進行消除應力熱處理。能力知識點4 常用碳鋼的典型焊接實例 1.低碳鋼的典型焊接實例(1)焊條電弧

14、焊焊接低碳鋼實例某一化工機械制造企業，制造的二氧化硫產品冷凝器，所用材質是20R,板厚是8mm,筒體的縱焊縫是對接接頭,開V形坡口，采用焊條電弧焊，焊接工藝見表5-5。(2)手工TIG焊封底，焊條電弧焊填充和蓋面焊接低碳鋼實例上述的同一設備，筒體的合攏口焊縫，由于筒體的直徑只有616mm,接頭要求全焊透結構，工廠采用了TIG焊封底，焊條電弧焊填充、蓋面的工藝，焊接工藝見表5-6。(3)二氧化碳氣體保護焊焊接低碳鋼實例有一水輪機支持蓋，材質為Q235鋼，采用二氧化碳氣體保護焊。焊絲為ER49-1(H08Mn2SiA),1.6，焊接工藝見表5-7。2.中碳鋼的典型焊接實例(1)焊條電弧焊焊接中碳鋼的焊接實例某船廠35號鋼軸與法蘭的焊接，焊接