金属熔焊原理及材料焊接第七章-非合金钢的焊接

➢ 因此焊接时应采取如下工艺措施： 1）焊前预热，焊接时保持道间温度。 2）采用低氢或超低氢型焊接材料。 3）连续施焊整条焊缝，避免中断。 4）在坡口内引弧，避免擦伤母材，注意熄弧
时填满弧坑。 5）不在低温下进行成形、矫正和装配。 6）尽可能改善严寒的劳动条件。 ➢ 上述措施可单独使用有时需要综合使用。
焊接性
优
良 中（通常需要预热和后
热、推荐低氢焊接） 劣（必须用低氢焊接、
预热和后热）
第一节 低碳钢的焊接
➢ 能力知识点一 低碳钢的成分特点与焊接性
➢ 成分特点：碳的质量分数较低，硅、锰含量较少。 ➢ 焊接性优良
焊接时一般不需预热、控制道间温度和后热，焊后也 不必采取热处理来改善组织，可以说在整个焊接过程 中不需要特殊的工艺措施
第二节 中碳钢的焊接
➢ 能力知识点一 中碳钢的成分特点与焊接性
➢ 中碳钢中碳的质量分数为wc=0.25%～0.60%， 其强度和硬度较高，塑性和韧性较差，淬硬性较 大，当wc接近下限时焊接性良好，随wc的增加焊 接性严重恶化。
➢ 同时在物理性能方面，中碳钢比低碳钢线膨胀系 数略大，热导率稍低，这也就增加了中碳钢焊接 时的热应力和过热倾向。
焊速要稍慢，熄弧时注意填满弧坑。
图1 焊接法兰长轴
第三节 高碳钢的焊接
➢ 能力知识点一 高碳钢的成分特点与焊接性 ➢ 高碳钢中碳的质量分数wc＞0.6%，焊接性
很差，在实际中不用作焊接结构，一般是 用作工具钢和铸钢，用于要求高硬度和高 耐磨性的部件、零件和工具，所以高碳钢 的焊接大多为修复性焊接。
-
600～650 -
➢ 5．施焊特点
➢ 中碳钢焊接时，尤其是在不预热的情况下焊接， 应采取工艺措施减小熔深，降低冷却速度，防止 产生裂纹。例如，选U形坡口减小熔合比；多层 焊第一层焊道采用小直径焊条、小电流焊接；将 焊件置于立焊或半立焊位置、焊条横向摆动（摆 动幅度取焊条直径的5～8倍，这样就相当于短段 连续多道多层焊），以使母材热影响区的任何一 点都在短时间内多次重复受热以取得预热和保温 效果。
➢ 能力知识点二 中碳钢的焊接工艺要点
➢ 1．焊接方法
➢ 中碳钢焊接性较差，一般用作机器部件， 其焊接一般是修补性的，所以焊接中碳钢 最合适的焊接方法是焊条电弧焊。
➢ 2．焊接材料
➢ 一般情况下选用去硫能力强，熔敷金属扩 散氢含量低，塑、韧性较好的低氢型焊条；
➢ 在要求焊缝金属与母材等强度时，选相应 级别的低氢焊条；
➢ 4．多头MIG焊
➢ 大型电站锅炉中的膜式壁很大，由许多根 钢管与钢带彼此相间焊接而成，材料都为 低碳钢，正、反两面都要求焊接。
➢ 国内采用12头的MIG焊膜式壁专用焊机，正 反面各有6个焊头同时焊接，即6个平焊、6 个仰焊。焊接过程不必翻转工件，效率高。
➢ 目前，日本已有20个头（10个平焊、10个 仰焊）专用焊机，且焊接质量完全合格。
➢ 焊接时具有以下特点：
➢ 1）可装配成各种接头形式，适应各种不同位置的 焊接，且焊接工艺和技术较简单，容易掌握。
➢ 2）塑性好，焊接接头产生裂纹的倾向小，适合制 造各种大型结构和受压容器。
➢ 3）不需要使用特殊和复杂的设备，对焊接电源和 焊接材料没有特殊要求，交直流焊机、酸碱性焊 条和焊剂都可以使用。
金属和热影响区的冷却速度，抑制马氏体的形成，提高接 头的塑性，减小残余应力。预热温度取决于碳当量、母材 厚度、结构刚度和焊条类型等，见表4。 ➢ 中碳钢焊后应立即进行消除应力热处理，不能立即进行热 处理的，也应至少在冷却到预热温度或道间温度之前进行， 特别是在工件厚度和结构刚度较大时更应如此。热处理温 度一般为600～650℃。
H08MnA、 H10MnA
H08MnA H08MnSi、
H10Mn2
HJ430 HJ431 HJ330
E4303、E4301
E4315、E4316 (E5015、 E5016)
H08MnA
CO2焊
H08Mn2Si H08Mn2SiA
➢ 3． 低碳钢施焊工艺要点
➢ 低碳钢焊接一般不需要特殊的工艺措施， 但在工件厚度较大或环境温度较低 （T≤0℃）时，会因冷速加快而导致接头 裂纹倾向增加，例如在焊接直径 Φ≥3000mm且壁厚δ≥50mm的结构、焊 接壁厚δ≥90mm的第一层焊道、受压容器 壁厚δ≥20mm时的焊缝有可能产生裂纹。
表4 中碳钢焊接的焊条、预热温度及焊后热处理温 度
钢牌号 焊接性
选用焊条牌号 不要求等强度 要求等强度
预热温度 /℃
焊后热处理温 度
/℃
25
好
E4303、E4301 E5015、E5016 ＞50
30
35 ZG270-
500
45 ZG310-
570
55 ZG340-
640
较好 E4315、E4316 E5015、E5016
2．按主要质量等级和主要性能或使用性能分类 按主要质量等级和主要性能或使用性能分类为：普
通质量非合金钢、优质非合金钢和特殊质量非合 金钢。
3．按用途分类 按用途非合金钢分为：碳素结构钢和碳素工具钢。
此外，钢材还可以从其他角度进行分类，如按专业 （锅炉用钢、桥梁用钢、容器用钢等）、按冶炼 方法进行分类。
➢ 在不要求等强度时，选用强度级别低于母 材的低氢焊条，例如焊接强度级别为 490MPa的母材，可选择E4315、E4316焊 条，切不可选择强度级别比母材高的焊条。
➢ 对强度不做要求的中碳钢工具、模具等， 焊接时要考虑其焊前状态：
➢ 如果是在退火状态下（热处理前）焊接， 选用焊条则必须要使焊缝金属与母材化学 成分接近，以使焊后经热处理的焊缝金属 达到与母材性能相同；
➢ 当钢中碳的质量分数大于0.15%时，碳本身的偏 析以及它促进硫等其它元素的偏析都明显起来， 如果钢中的硫较多，则会因形成低熔点硫化物而 导致热裂纹倾向增加，因此用于焊接的中碳钢必 须严格控制硫的质量分数；
➢ 其次，由于碳的质量分数较大，在焊接冶金反应 中，C和FeO反应生成的CO有可能产生CO气孔；
表2 焊接低碳钢常用的焊接材料
钢号
Q235 Q255 Q275 08、10 15、20 25、30
20g
20R
焊条电弧焊
埋弧焊
一般结构
焊接动载荷、复杂与厚板结构、 重要受压容器和低温下焊 焊丝牌号 接
焊剂牌号
E4303、E4313、 E4301、 E4320、 E4311
E4315、E4316 (E5015、E5016)
表1 非合金钢焊接性与碳的质量分数的关系
钢的 种类
碳的质量 分数（%）
典型硬度
低 碳 钢
中碳钢
高碳钢
wenku.baidu.com
≤0.15
0.15～ 0.25
0.25～ 0.60
≥0.60
60HBW 90HBW 25HRC 40HRC
典型用途
特殊板材和型材、 薄板、带材、焊 丝
结构用型材、板材 和棒材
机器部件和工具
弹簧、模具、钢轨
➢ 能力知识点三 低碳钢的特殊焊接工艺
➢ 1．窄间隙埋弧焊 ➢ 窄间隙埋弧焊可用于低碳钢焊接，也可用于合金
结构钢的焊接，在我国已有多套窄间隙焊接装置， 例如，大型火电站锅炉、核电站主容器、石油化 工装置中的热壁加氢反应器等厚壁筒体结构， 都 可以采用这一工艺方法进行焊接。该法比普通埋 弧焊间隙小得多，因而节省焊接材料、缩短焊接 时间和减少母材开坡口时的浪费，同时还提高接 头焊接质量。
较好
E4303、E4301 E4315、E4316
E5015、E5016
较差 较差
E4303、E4301、 E4315、E4316、 E5015、E5016 E5015、E5016
E4303、E4301、 E4315、E4316、 E5015、E5016 E5015、E5016
＞100 ＞150 ＞250
➢ 其特点如下：
➢ 第三，碳的增加提高了钢材的淬硬性，焊接时如 果冷速较快则会在热影响区产生马氏体组织，且 中碳钢的马氏体组织有较大的脆性，因此在焊接 应力作用下容易发生冷裂纹和脆断
➢ 中碳钢的焊接性较差，且随碳的质量分数增加而 越来越差，焊接时的主要问题是焊缝热裂纹和热 影响区冷裂纹。
➢ 中碳钢一般不用作焊接结构材料，而是用作机器 部件和工具较多，多利用其坚硬耐磨的性能，而 非利用其高强度。这种坚硬耐磨性能通常是经过 热处理来达到的，因此焊接时就要注意母材的热 处理状态。如果是焊接已经过热处理的部件，则 必须采取措施防止裂纹产生；如果是焊后进行热 处理，要求热处理后接头与母材性能相匹配，则 必须注意选择焊接材料。
➢ 能力知识点二 非合金钢
➢ 非合金钢（碳钢）按碳的质量分数可分为 低碳钢（wc＜0.25% ）、中碳钢 （wc=0.25%～0.60%）和高碳钢（wc＞ 0.60%）；
➢ 按用途可分为结构钢和工具钢。
➢ 在焊接结构用非合金钢中，常采用按碳的 质量分数分类的方法。
➢ 非合金钢（碳钢）是指以铁为基础、以碳 为合金元素，碳的质量分数一般不超过 1.4%的钢，其他常存元素因含量较低皆不 作为合金元素。因此其焊接性主要取决于 碳的质量分数，随碳的质量分数的增加焊 接性逐渐变差，见表1。
➢ 如果是在热处理后的部件上焊接，则要选 择低氢焊条，并采取相应的工艺措施，以
防止裂纹和热影响区软化。
➢ 3．坡口制备 ➢ 中碳钢焊接时为了限制焊缝金属中碳的质量分数，应减小
熔合比，所以一般采用U形或V形坡口，并注意将坡口及 两侧20mm范围内的油污、铁锈等污物清理干净。
➢ 4．预热与后热 ➢ 中碳钢焊接时大多需要预热和控制道间温度，以降低焊缝
➢ 2．窄间隙自动MIG全位置焊
➢ 该工艺方法主要用于大直径厚壁管件的焊接，采 用射流过渡的脉冲MIG焊，Ar+CO2富氩混合气 体作保护，焊丝直径φ0.8～φ1.2mm，调节参数 多，可以很好地适应在不同空间位置时的焊接需 要，并能保证获得满意的焊接接头质量。
➢ 3．TIG焊打底背面成形工艺
➢ 该工艺主要用于无法进行两面焊接、但又要求必 须焊透的受压容器、管道或其他结构的焊接施工。 焊接时要求根部熔化，背面形成焊缝；或背面不 要求成形，但根部必须完全熔透。
1．按化学成分分类
按化学成分钢分类为：非合金钢、低合金钢 和合金钢三类。
非合金钢按质量等级又分为普通质量、优质 和特殊质量用钢三类，其中每一类又按主 要特性分为若干小类。
“非合金钢”是指传统的“碳素钢”或“碳 钢”，具有较好的力学性能和各种工艺性 能，并且冶炼工艺比较简单，价格低廉， 因而在焊接结构制造中应用广泛，但一般 用于工作温度在350℃以下的结构。
H08A
HJ430 HJ431
E5015、E5016
E5015、E5016
H08MnA
E4303、E4301 E4320 、E4311
E4315、E4316 (E5015、E5016)
H08A H08MnA
E4315、E4316 E4303、E4301
E5015、E5016
E4315、E4316 (E5015、E5016)
➢ 能力知识点三 典型中碳钢零件的焊接工艺
➢ 1．焊条电弧焊焊接法兰长轴
➢ 法兰长轴的主要尺寸见图1，材料为35钢。采用焊 条电弧焊焊接，选用E5015低氢型焊条，焊前经 300～350℃烘干保温1h；焊件仔细清理坡口两侧 20mm范围内的油污、铁锈等杂质；焊件水平放 置，焊缝处于立焊位置，预热150～200℃，焊固 定焊缝4～5段，每段长50mm；圆周焊缝分成6段 或4段，分段跳焊以减小应力和变形，第一道焊缝
➢ 4）如果焊接时热输入过大，例如焊条直径或焊接 电流选择不当、埋弧焊电流或焊速不当，也可能 出现热影响区晶粒长大而引起塑性降低。
➢ 能力知识点二 低碳钢的焊接工艺要点
1．焊接方法 ➢ 低碳钢焊接性良好，几乎可以选择所有的
焊接方法，并能保证焊接接头的良好质量。
2．焊接材料
➢ 选择焊接材料应遵循等强匹配的原则，也 就是根据母材强度等级及工作条件来选择 焊接材料。低碳钢结构通常使用抗拉强度 平均值为420MPa的钢材，因而常选用 E43××系列焊条。表2列出了焊接低碳钢 常用的焊接材料。
第七章 非合金钢的焊接
➢ 非合金钢与钢材分类方法 ➢ 第一节 低碳钢的焊接 ➢ 第二节 中碳钢的焊接 ➢ 第三节 高碳钢的焊接 ➢ 综合训练
非合金钢与钢材分类方法
➢能力知识点一 钢材分类
➢ 国标GB/T13304-1991《钢分类》将钢材按 两种方式进行分类：一种是按化学成分分 类，另一种是按主要质量等级和主要性能 及使用性能分类 。