第二章 碳素钢的焊接

一、碳素钢的种类
▪ 锅炉用钢：制造锅炉过热器、主蒸汽管、锅筒、炉胆和
炉管
▪ 压力容器用钢：制造空气瓶、锅炉汽包、石化工业的气
体分离或贮运设备的压力容器等
▪ 要求：
•一般为低碳优质镇静钢，含碳量在0.15%~0.26%C，严 格控制S、P、O2、N2等的含量 •良好不冷变形性和焊接性，一定的强度、高温强度和韧 性、耐蚀性和一定的形变时效值 、机械性能
金属焊接基础
主讲：
第二章 碳素钢的焊接
第一节 碳素钢概述 第二节 低碳钢的焊接性 第三节 中碳钢的焊接性 第四节 高碳钢的焊接性 复习思考题
第一节 碳素钢的概述
一、碳素钢的种类 二、碳素钢的焊接性
❖ 含碳量小于2.11%，并含有少量的Si、Mn、S、P等杂质 的铁碳合金叫碳素钢。
❖碳素钢简称碳钢 （生产用碳钢含碳量<1.35%），在钢 的用量中约占90%以上。
第二节、低碳钢的焊接
❖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
❖ 焊接时具有以下特点：
第二节、低碳钢的焊接
❖ 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。
一、碳素钢的种类
❖ 钢材脱氧程度 ▪ 沸腾钢： 不完全脱氧所得的钢，含氧量高，硫、磷杂
质较多，且分布不均，焊接时有产生热裂纹和气孔倾 向。
▪ 镇静钢：镇静钢 脱氧彻底，故含氧量低，杂质少。 ▪ 半镇静钢：介乎沸腾钢和镇静钢之间。 ❖ 行业特殊要求及用途(专用钢) 按照某些专业的特殊要求，对普通或优质结构 钢的成分和性能进行调整，从而生产出满足各种 专业要求的专用钢。
专用钢的牌号：在碳素结构钢或合金钢的钢号末尾加
“锅”—“g”或“容”—“R”或“桥”“q”。例如20g、15MnVg或 15MnVR、16Mnq等
成分
二、碳素钢的焊接性 （成分、工艺）
名称 W（C） % 典型硬度 典型用途 焊接性
低碳钢
小于0.15 0.15~0.30
中碳钢 高碳钢
0.30~0.60 大于0.60
焊接的冷却速度 受焊接热输入、母 材板厚和环境温度 的影响。厚板或在 低温条件下焊接， 其冷却速度加快； 预热或加大焊接线 能量，可以降低冷 却速度。
图2-1含碳量对碳钢快速冷却产生 各种%（马氏体）时的硬度影响
措施
碳素钢的碳含量增加到约0.15% 以上时，对氢致裂纹尤其 敏感。因此，焊接碳含量高于0.15% 的碳素钢时，须注意减 少氢的来源。例如，减少焊条药皮中或埋弧焊剂里及母材上 或大气中的水分，焊前对待焊部位及其附近须清除油污、铁 锈等。手弧焊时宜选用低氢型焊条，在其它焊接方法中应制 造低氢环境，以减少焊缝周围环境中的含氢量。对已溶入焊 缝和热影响区的氢，可采取后热措施使之向外扩散。
❖ 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。
磷在钢中能全部溶于铁素体内。它对钢的强化作 用仅次于碳，使钢的强度和硬度增加，磷能提高钢的 抗腐蚀性能，而塑性和韧性则显著降低。特别在低温 时影响更为严重，这称为磷的冷脆倾向。故它对焊接 不利，增加钢的裂缝敏感性。作为杂质，磷在钢中的 含量也要加以限制。
氧、氮危害较大，提高了时效敏感性。
工艺
碳素钢的焊接性随含碳量增加而恶化，因为含碳量较高的 钢从焊接温度快速冷却下容易被淬硬。被淬硬的焊缝和热影响 区因其塑性下降，在焊接应力作用下容易产生裂纹。碳素钢被 淬硬主要是因马氏体组织形成而引起。马氏体是碳在中过饱和 的固溶体，它的硬度既和钢中含碳量有关，又和所形成的马氏 体数量有关，见图2-1 。马氏体的数量受冷却速度影响，非常 快的冷却速度可以产生100%马氏体，从而可达到最高硬度。 因此，焊接含碳量较高的碳素钢时，就应当注意减缓冷却速度， 使马氏体的数量减至最少。
60HRB 特殊板材和、 优 型材薄板等
90HRB 结构用型板
良
带材、焊丝
25HRC 机械部件及
中
工具
40HRC 弹簧、模具、 差 钢轨
表2-1 碳素钢焊接性和含碳量的关系 焊接性主要取决与碳含量。
二、碳素钢的焊接性 焊接性主要取决与碳含量，锰、硅对焊接性也 有一定的影响。
Ceq=w(C)+1/6w(Mn)+1/24w(Si) 对于碳钢来说，硅含量较少（<0.5%），不考 虑硅对碳当量的影响。
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措施
焊接碳素钢时产生裂纹的力学原因是结构的拘束应力和不 均衡的热应力。即使是不易淬硬的低碳钢，在受枸束条件下采 用了不正确的焊接程序，也会因这些应力过大而产生裂纹。
总之，对碳素钢的焊接，应针对其碳含量不同而采取相应 的工艺措施。当含碳较低时，如低碳钢，应着重注意防止结构 拘束应力和不均衡的热应力所引起的裂纹；当含碳量较高时， 如高碳钢，除了防止因这些应力所引起的裂纹外，还要特别注 意防止因淬硬而引起的裂纹。
Ceq=w(C)+1/6w(Mn) 碳当量>0.4%时，冷裂纹的敏感性增大。
其他合金元素对碳含量的影响，磷、硫、 氧、氮对焊接性的影响。
硫在钢中常以硫化铁的形式存在，并呈网状分布在晶 粒边界，因而显著地降低钢的韧性。铁加硫化铁的共晶温 度较低（985℃），因此，在进行热加工时，由于加工开 始温度一般为1150～1200℃，而铁和硫化铁共晶已经熔 化，从而导致加工时开裂，这种现象就是所谓“硫的热脆 性”。硫的这种性质使钢在焊接时产生热裂纹。因此，一 般在钢中对硫的含量都严格加以控制。另一方面，硫还容 易引起焊接气孔。
❖ 缺点：强度低、淬透性低、回火抗力差、高温性能极差。
一、碳素钢的种类
❖按含碳量分类：
▪ 低碳钢<0.3%C ▪ 中碳钢 0.3%~0.6%C ▪ 高碳钢>0.6%C
❖按用途分类：
▪ 碳素结构钢 ▪ 碳素工具钢
❖按质量分类：
▪ 普通碳素钢 S≤0.05% ；P≤0.045% ▪ 优质碳素钢 S≤0.04% ；P≤0.04% ▪ 高级优质碳素钢 S≤0.03% ；P≤0.035%