第二章 碳素钢的焊接

第二章 碳素钢（非合金钢） 碳素钢（非合金钢） 的焊接
综合知识模块一 综合知识模块二 综合知识模块三 综合知识模块四 综合训练 碳素钢概述 低碳钢的焊接 中碳钢的焊接 高碳钢的焊接
综钢（碳素钢）、低合金钢和合金 钢三类。
能力知识点一 碳素钢的种类 非合金钢按质量等级又分为普通质量、 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， 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。 要特性分为若干小类。 非合金钢”是指传统的“碳素钢” “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 并且冶炼工艺比较简单，价格低廉， 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 因而在焊接结构制造中应用广泛， 用于工作温度在350℃以下的结构。 350℃以下的结构 用于工作温度在350℃以下的结构。
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。
1.
电阻焊的缺点 1、目前还缺乏可靠的无损检测方法，焊接 质量只能靠工艺试样和工件的破坏性试验 来检查，以及靠各种监控技术来保证。 2、点、缝焊的搭接接头不仅增加了构件的 重量，且因在两板焊接熔核周围形成夹角， 致使接头的抗拉强度和疲劳强度均较低。 3、设备功率大，机械化、自动化程度较高， 使设备成本较高、维修较困难，并且常用 的大功率单相交流焊机不利于电网的平衡 运行。
表2 - 2
钢号
焊接低碳钢常用的焊接材料
焊条电弧焊 埋弧焊 焊丝牌号 焊剂 牌号 CO2焊 焊接动载荷、 焊接动载荷、复杂与厚板 结构、 结构、重要受压容器和 低温下焊接 E4315、 E4315、E4316 (E5015、 (E5015、E5016) E5015、E5016 E5015、 E4315、 E4315、E4316 (E5015、 (E5015、E5016) E5015、E5016 E5015、 E4315、 E4315、E4316 (E5015、 (E5015、E5016) E4315、 E4315、E4316 (E5015、 (E5015、E5016)
焊接性
优 良 中（通常需要预热和后 推荐低氢焊接） 热、推荐低氢焊接） 劣（必须用低氢焊接、 必须用低氢焊接、 预热和后热） 预热和后热）
中碳钢 高碳钢
综合知识模块二 低碳钢的焊接
能力知识点一 低碳钢的焊接性
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、控制层间温度和后热， 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 整个焊接过程中不需要特殊的工艺措施
2．自动窄间隙MIG全位置焊 ．自动窄间隙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 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，调节因素多， 保护，焊丝直径φ0.8～φ1.2mm，调节因素多， 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．钨极氩弧焊TIG封底背面成形工艺 ．钨极氩弧焊TIG封底背面成形工艺 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。
因此焊接时应采取如下工艺措施： 1）焊前预热，焊接时保持层间温度。 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。 7）定位焊时加大焊接电流，减慢焊接速度，适当增 加定位焊缝截面和长度。必要时预热。 上述措施可单独使用有时需要综合使用。
表2 - 1
钢的 种类 低 碳 钢
非合金钢焊接性与碳的质量分数的关系
碳的质量 典型硬度 分数（ 分数（%） ≤0.15 0.15～ 0.15～ 0.25 0.25～ 0.25～ 0.60 ≥0.60 60HBW 90HBW 25HRC 40HRC
典型用途 特殊板材和型材、 特殊板材和型材、 薄板、带材、 薄板、带材、焊 丝 结构用型材、板材 结构用型材、 和棒材 机器部件和工具 弹簧、模具、 弹簧、模具、钢轨
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： 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、 通质量非合金钢、优质非合金钢和特殊质量非合 金钢。 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。 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 此外，钢材还可以从其他角度进行分类， 锅炉用钢、桥梁用钢、容器用钢等）、 ）、按冶炼 （锅炉用钢、桥梁用钢、容器用钢等）、按冶炼 方法进行分类。 方法进行分类。
综合知识模块三 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 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 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。
4．多头MIG焊 ．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 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 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 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。
HJ430 HJ431 HJ330
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， 但在环境温度较低（T≤0℃）时，会因冷 但在环境温度较低（T≤0℃）时，会因冷 速加快而导致接头裂纹倾向增加，尤其是 焊接厚板角焊缝、厚板多层焊角焊缝或对 接多层焊缝中第一道及最后一层，开裂倾 向更大。（工件厚度较大或例如在焊接直 径Φ≥3000mm且壁厚δ≥50mm的结构、焊 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 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）。 壁厚δ≥20mm时的焊缝有可能产生裂纹）。
单面焊双面成型的要领：
1.间隙均匀，保证间隙3 3.2mm。一般用直径两个3.2焊条 1.间隙均匀，保证间隙3-3.2mm。一般用直径两个3.2焊条 头夹在两试板之间点焊固定。 2.点焊位置：一定要点焊在试板的两端。 2.点焊位置：一定要点焊在试板的两端。 3.反变形控制：点焊时，预留一个角度，待焊接完成后， 3.反变形控制：点焊时，预留一个角度，待焊接完成后， 焊接变形使得试板变为一个平面。 4.电流控制：直径3.2mm焊条i=100--120，直径4mm焊条 4.电流控制：直径3.2mm焊条i=100--120，直径4mm焊条 i=130--150，直径5mm焊条i=160i=130--150，直径5mm焊条i=160-180. 5.运条的角度：试板与焊条的角度要控制在40度左右。 5.运条的角度：试板与焊条的角度要控制在40度左右。 6.在焊接的过程中，一定要分清铁水与药渣水（基本功） 6.在焊接的过程中，一定要分清铁水与药渣水（基本功） 7运条的方法有点焊和连续焊两种。不论那种方法，运条速 度一定要均匀。
能力知识点二 非合金钢 （碳素钢）的焊 碳素钢） 接性 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 1.3%的钢，其他常存元素因含量较低皆不 1.3%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2 接性逐渐变差，见表2-1。 J507焊条(E5015), J507焊条(E5015), 即为低氢型焊条
能力知识点三 低碳钢的先进焊接工艺
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。这一方法的环焊缝焊接是连续不断 直至坡口完全填满，因此焊剂的脱渣性、液态时 与母材的润湿性必须良好。现在多用烧结焊剂
2. 3.
4.
焊接时避免下述情况： 低碳钢母材不合适，含碳、硫过高，焊接时易 出现裂纹。尤其是角焊缝、对接多层焊第一道 焊道、整个板面单面焊单层焊缝和大间隙对接 第一道焊缝 旧冶炼方法生产的低碳转炉钢。N 旧冶炼方法生产的低碳转炉钢。N高，杂质多 低碳沸腾钢。脱氧不完全，局部硫磷偏析大， 时效敏感性、冷脆敏感性大，焊接热裂纹倾向 偏大。 焊接方法不当，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。
当钢中碳的质量分数大于0.15% 当钢中碳的质量分数大于0.15%时，碳本身的偏析 0.15%时 以及它促进硫等其它元素的偏析都明显起来， 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， 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， 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； 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 其次，由于碳的质量分数较大， FeO反应生成的CO有可能产生CO气孔 反应生成的CO有可能产生CO气孔； 中，C和FeO反应生成的CO有可能产生CO气孔； 第三，碳的增加提高了钢材的淬硬性， 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， 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 中碳钢的马氏体组织有较大的脆性， 应力作用下容易发生冷裂纹和脆断