第二章碳钢的焊接

3 低碳钢的焊接工艺要点 2)焊接材料

选择焊接材料应遵循等强匹配的原则，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××和E50 ××系列焊条。

焊接低碳钢常用的焊接材料
焊条电弧焊 钢号 一般结构 E4303、E4313、 E4301、 E4320、 E4311 焊接动载荷、复杂与厚板结构、 重要受压容器和低温下焊接 E4315、E4316 (E5015、E5016) 埋弧焊 焊丝牌号 焊剂牌号 CO2焊
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。
2焊接材料 焊丝采用直径1. 2 mm, H08Mn2SiA型，气体采 用纯度为99.5%以上的CO2气体。
大型储气罐焊接
3焊接工艺 坡口形式 对于板厚为10 mm以上的壁板，采用双Y形坡口， 如图1所示，坡口大的一面在槽体内侧。对于 板厚< 10 mm的壁板，采用单面Y型坡口，坡 口形式如图2所示，坡口在槽体内侧。
2．窄间隙自动MIG全位置焊 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焊封底背面成形工艺 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。
5 等离子焊接
一些钢管可用等离子焊接，封底焊缝利用小孔效应监控。 具体做法有: 1)利用背面焊缝光亮程度不同而监控。 亮度不足则未焊透，亮度过度则背面液态焊缝将会滴落。 这一光亮程度可通过光电管反馈到焊机系统以控制焊接 工艺参数口。
2)利用背面成形时声音不同监控。将声音从管内传输 给焊机，控制焊接工艺参数口 管子为低碳钥时，不必 预热，焊接质量完全合格。 以上这两种技术在实际生产中应用都较麻烦，近年， 一些先进工厂已改用氩弧焊焊接管子的对接接头。
2 低碳钢母材热影响区组织
c相变重结晶区(细晶粒区): 常见为均匀细小的铁素体+珠光体。相似于正火组织，又 称正火区。铁素体网状分布及魏氏组织消失。 d部分相变区(不完全重结晶区): 组织为未发生转变的铁素体+经过部分相变后生成的细小 珠光体和铁素体。组织通常部分地保留了原始的带状分布 特征。
低碳钢焊接接头金相组织
2 低碳钢母材热影响区组织
a溶合区: 熔合线附近焊缝到母材的过渡部分是金属经过局部熔化， 晶粒十分粗大，化学成分和组织极不均匀的过热组织。该 区很狭窄，金相观察较难明显区分出。 b过热区(粗晶粒区): 晶粒十分粗大，晶粒度均在3级以上。常见为粗大的先共 析铁素体+针状铁素体(魏氏组织)+珠光体，不呈带状分布 特征。
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（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%） “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。
2．按主要质量等级和主要性能或使用性能分类

普通质量非合金钢 优质非合金钢 特殊质量非合金钢。
3．按用途分类

碳素结构钢 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。

碳钢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。
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。 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。
母材热影响过热区近熔合线区组织
母材热影响过热区离熔合线较远处的组织
材料名称:Q235 浸蚀剂:4%硝酸酒精溶液 处理情况:T形接头焊条电弧焊 组织说明:T形焊焊接接头低倍组织
焊缝组织
熔合区附近组织
母材未受热影响区组织
材料名称:母材为Q235 悍条为低碳钢焊条 浸蚀剂:4%硝酸酒精溶液 处理情况:低碳钢焊条电孤悍焊接
焊缝组织
熔合区附近组织
热影响过热区与重结晶区交界处
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 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。

3 低碳钢的焊接工艺要点
3) 低碳钢施焊工艺要点 工件厚度较大或环境温度较低（T≤0℃）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。
大型储气罐焊接
3焊接工艺 不同厚度板材的焊接顺序 对于板厚< 10 mm的壁板焊接，可采用图4所示 的焊接顺序，焊完①后，在背面用砂轮清根，并 打磨坡口，再施焊②，最后施焊③。
大型储气罐焊接
3焊接工艺 不同厚度板材的焊接顺序 对于板厚10 mm的壁板，采用图5的焊接顺序，② 施焊前必须进行清根，且要露出①部分焊肉，然后 进行③④⑤的焊接。采用这种焊接顺序，更有利于 减少变形。
6 电阻焊接 一些钢管也可以用电阻对焊焊接。低碳钢管对焊 时，不需预热及任何附加措施，可以保证焊接质 量。焊后必须去掉接头处毛刺，特别是管内毛刺， 工序繁复，工作量增加。现多采用氩弧焊焊接管 子的对接接头。
大型储气罐焊接
1结构形式 大型储气罐的槽壁板一般由中厚板组成，呈一 敞口圆筒形，自下而上分若干板带组成，板厚s 分别为6 mm, 8 mm, 10 mm, 14 mm, 18mm， 材质为Q235A钢。
3 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。

值得注意的是，电渣焊焊后焊缝金属组织比较 粗大，热影响区存在过热组织，韧性低，一般 要求焊后对电渣焊焊接接头进行“ 正火+ 回火” 处理，改善焊缝及热影响区组织以提高接头韧 性，正火温度一般为Ac3+30-50℃
4 低碳钢焊接举例
压力容器、锅炉及电站中的焊接
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，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。
比普通埋弧焊间隙小得多，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。
低碳钢焊接组织
低碳钢焊接组织
1 低碳钢焊缝
低碳结构钢的焊缝金相所见均为焊缝二次组织，常 见为铁素体十少量珠光体+魏氏组织 沿原奥氏体晶界析出且呈网状的铁素体为先共析铁 素体。它勾画出了一次结晶柱状晶轮廓，从尺寸和 方向上都表现了一次结晶组织的形貌特征。 低碳结构钢焊缝中的从晶界出发向晶内生长的针状 铁素体，以及在晶内形核长成的针状铁素体均为魏 氏组织铁素体。
金属焊接性
主讲教师：陈思杰
补充内容
一 二 三 四
碳钢的焊接
碳钢与钢材分类方法 低碳钢的焊接 中碳钢的焊接 高碳钢的焊接
一 非合金钢与钢材分类方法

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。
低碳钢焊接组织
当焊接热输入较小、冷却速度较大时，焊缝中的柱 状晶细长，先共析铁素体多以片状析出，魏氏组织 铁素体片薄，片间距较窄; 若热输入大、冷却速度减小时，沿晶分布的先共析 铁素体多以块状出现，魏氏组织铁素体片厚、片间 距较宽。
若冷却速度加快，先共析铁素体数量减少，有可能 出现粒状贝氏体甚至出现马氏体。
大型储气罐焊接
3焊接工艺 技术要求 焊第二层时，焊枪焊件焊枪与工件可仍保持75夹 角或更小些，以便能托住不断熔化的铁水。焊接 仍采用自上而下的顺序，电流电压要相应增大， 焊丝摆动幅度要比第一层大，以超过前道焊缝每 边1一2 mm为宜。 盖面焊时，焊丝一定要摆到坡口边缘并做稍微停 留，以免产生咬边等缺陷。
热影响重结晶区
热影响不完全重结晶区与母材原始组织交界处
材料名称:母材为20钢;主焊缝焊接材料 为H08MnA;打底焊焊接材料为J501 浸蚀剂:4%硝酸酒精溶液 焊缝上部表层(最后凝固区)的柱状晶区组织 处理情况:母材20钢板厚32mm。
主焊缝内部组织(即先凝固区)
熔合区及附近区组织
熔合区组织
非合金钢焊接性与碳的质量分数的关系 碳的质量分 典型硬度 数（%） ≤0.15 60HBW 90HBW 25HRC
钢的 种类 低 碳 钢
典型用途 特殊板材和型材、 薄板、带材、焊 丝
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）
中碳钢
0.15～ 0.25 0.25～ 0.60 ≥0.60
1)不加填充焊丝 用TIG电弧使钝边熔透甚至稍稍在背面凸出。正面再用 氢弧焊、手工焊条电弧焊或埋弧焊接。密闭容器常用这 一办法焊接。 2 )加坡充焊丝 火电站管道安装接口的焊接常用这一工艺。母材为 Q235和20时，焊丝为H05MnSiTiXt,这是电站安装系统 常用的TIG焊丝 3)加可熔环 可熔环为一圆环，置于管道接头间隙中，环的断面形似 铆钉，也有断面为矩形的。TIG封底焊时，将这一环熔 化并与两侧坡口焊在一起，形成封底焊缝。火电站管道 安装接口的焊接也用此法.管道为低碳钢时，环的材料也 是H05MnSiTiXt
H08MnA
H08A H08MnA H08MnA、 H10MnA HJ430 HJ431 HJ330 H08Mn2Si H08Mn2SiA
20g 20R
H08MnA H08MnSi、 H10Mn2
H08MnA
Leabharlann Baidu
3 低碳钢的焊接工艺要点
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

Q235 Q255
H08A
HJ430 HJ431
Q275
08、10 15、20 25、30
E5015、E5016
E4303、E4301 E4320 、E4311 E4315、E4316 E4303、E4301 E4303、E4301
E5015、E5016
E4315、E4316 (E5015、E5016) E5015、E5016 E4315、E4316 (E5015、E5016) E4315、E4316 (E5015、E5016)
结构用型材、板材 和棒材
机器部件和工具
高碳钢
40HRC
弹簧、模具、钢轨
二 低碳钢的焊接
1 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
2 焊接特点
大型储气罐焊接
3焊接工艺 焊前清理 焊前必须严格清理坡口两侧的油、污、锈等， 并用钢丝刷把坡口内外表面打磨出金属光泽。

焊接工艺参数
大型储气罐焊接
3焊接工艺 技术要求 焊第一层时，焊枪与焊缝呈75夹角(图3)，采用小 规范小电流。焊接时，焊丝做轻微摆动，自上而 下进行焊接，焊接时电流要小，既要保证焊透， 又不能使熔化铁水因重力作用而流下。