焊接工艺问答之常用金属材料的焊接2[1]

1什么是焊接性？试述碳钢的焊接性。焊接性是指材料在限定的施工条件下焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。焊接性受材料、焊接方法、构件类型及使用要求四个因素的影响。碳钢是以铁元素为基础的，铁碳合金，碳为合金元素，其碳的质量分数不超过1%，此外，锰的质量分数不超过1.2%，硅的质量分数不超过0.5%，后两者皆不作为合金元素。其它元素如Ni、Cr、Cu等均控制在残余量的限度以内，更不作为合金元素。杂质元素如S、P、O、N等，根据钢材品种和等级的不同，均有严格限制。因此，碳钢的焊接性主要取决于含碳量，随着含碳量的增加，焊接性逐渐变差，其中以低碳钢的焊接性最好，见表1。表1碳钢焊接性与含碳量的关系名称碳的质量分数（%）典型硬度典型用途焊接性低碳钢≤0.1560HRB特殊板材和型材薄板、带材、焊丝优0.15～0.2590HRB结构用型材、板材、棒材良中碳钢0.25～0.6025HRC机器部件和工具中（需预热、后热，推荐使用低氢焊接方法）高碳钢≥0.6040HRC弹簧，模具，钢轨劣（需预热、后热，必需使用低氢焊接方法）2什么是碳当量？碳钢的碳当量如何计算？把钢中合金元素（包括碳）的含量按其作用换自成碳的相当含量，称为该种钢材的碳当量，可作为评定钢材焊接性的一种参考指标。碳钢中的元素除C外，主要是Mn和Si，它们的含量增加，焊接性变差，但其作用不及碳强烈。国际焊接学会推荐的碳当量公式为MnCu+NiCr+Mo+VCE（IIW）=C+──+────+──────（质量分数）（%）6155随着碳当量值的增加，钢材的焊接性会变差。当CE值大于0.4%～0.6%时，冷裂纹的敏感性将增大，焊接时需要采取预热、后热及用低氢型焊接材料施焊等一系列工艺措施。3利用碳当量值评价钢材焊接性有何局限性？碳当量值只能在一定范围内，对钢材概括地、相对地评价其焊接性，这是因为：1）如果两种钢材的碳当量值相等，但是含碳量不等，含碳量较高的钢材在施焊过程中容易产生淬硬组织，其裂纹倾向显然比含碳量较低的钢材来得大，焊接性较差。因此，当钢材的碳当量值相等时，不能看成焊接性就完全相同。2）碳当量计算值只表达了化学成分对焊接性的影响，没有考虑到冷却速度不同，可以得到不同的组织，冷却速度快时，容易产生淬硬组织，焊接性就会变差。3）影响焊缝金属组织从而影响焊接性的因素，除了化学成分和冷却速度外，还有焊接循环中的最高加热温度和在高温停留时间等参数，在碳当量值计算公式中均没有表示出来。因此，碳当量值的计算公式只能在一定的钢种范围内，概括地、相对地评价钢材的焊接性，不能作为准确的评定指标。4试述低碳钢的焊接性。由于低碳钢含碳量低，锰、硅含量也少，所以，通常情况下不会因焊接而产生严重硬化组织或淬火组织。低碳钢焊后的接头塑性和冲击韧度良好，焊接时，一般不需预热、控制层间温度和后热，焊后也不必采用热处理改善组织，整个焊接过程不必采取特殊的工艺措施，焊接性优良。但在少数情况下，焊接时也会出现困难：1）采用旧冶炼方法生产的转炉钢含氮量高，杂质含量多，从而冷脆性大，时效敏感性增加，焊接接头质量降低，焊接性变差。2）沸腾钢脱氧不完全，含氧量较高，P等杂质分布不均，局部地区含量会超标，时效敏感性及冷脆敏感性大，热裂纹倾向也增大。3）采用质量不符合要求的焊条，使焊缝金属中的碳、硫含量过高，会导致产生裂纹。如某厂采用酸性焊条焊接Q235－A钢时，因焊条药皮中锰铁的含碳量过高，会引起焊缝产生热裂纹。4）某些焊接方法会降低低碳钢焊接接头的质量。如电渣焊，由于线能量大，会使焊接热影响区的粗晶区晶粒长得十分粗大，引起冲击韧度的严重下降，焊后必需进行细化晶粒的正火处理，以提高冲击韧度。总之，低碳钢是属于焊接性最好、最容易焊接的钢种，所有焊接方法都能适用于低碳钢的焊接。5低碳钢焊接时，如何正确地选用焊接材料？⑴手弧焊焊条的选用常用低碳钢Q235的抗拉强度平均值为417.5MPa，根据等强度原则，与之匹配的焊条应为E43系列。几种不同钢号的低碳钢手弧焊时焊条的选用，见表2。表2低碳钢手弧焊时焊条的选用钢号一般结构选用的焊条型号动载荷、复杂、厚板结构，锅炉受压容器，低温焊接选用的焊条型号施焊条件Q235E4313，E4303，E4301，E4320，E4311E4316，E4315（E5016，E5015）一般不预热Q255一般不预热Q275E4316，E4315E5016，E5015厚板结构预热150℃以上08、10、15、20E4303，E4301，E4320，E4311E4316，E4315（E5016，E5015）一般不预热25E4316，E4315E5016，E5015厚板结构预热150℃以上20g，22gE4303，E4301E4316，E4315（E5016，E5015）厚板结构预热100～150℃20RE4303，E4301E4316，E4315（E5016，E5015）一般不预热注：表中括弧内的焊条型号表示可以代用。⑵埋弧焊焊丝和焊剂的匹配选用低碳钢埋弧焊时焊丝和焊剂的匹配选用，见表3。表3低碳钢埋弧焊焊丝与焊剂的匹配选用钢号焊丝焊剂Q234H08AHJ430HJ431Q255H08AQ275H08MnA15、20H08A，H08MnAHJ430HJ431HJ33025H08MnA，H10Mn220g，22gH08MnA，H08MnSi，h10Mn220RH08MnA⑶CO2焊丝的选用实芯焊丝选用牌号为H08Mn2Si和H08Mn2SiA两种，焊后熔敷金属强度偏高。药芯焊丝选用牌号为YJ502-1、YJ506-2、YJ506-3、YJ506-4。⑷电渣焊焊丝和焊剂的匹配选用电渣焊熔池温度比埋弧焊低，所以焊剂中的硅、锰还原作用弱，应选用含锰、含硅量较高的焊丝。常选用H10Mn2、H10MnSi焊丝配合焊剂HJ360或H10MnSi焊丝配合焊剂HJ431。6低碳钢在低温下如何施焊？严冬条件下焊接低碳钢结构时，由于焊接接头的冷却速度快，使裂纹倾向增大，特别是厚大结构的第一道焊缝容易开裂，为此必需采取如下工艺措施：1）焊前预热，焊接过程中严格保持层间温度不应低于预热温度。2）采用低氢或超低氢焊接材料。3）定位焊时加大焊接电流，减慢焊接速度，适当增加定位焊缝的截面积和长度，必要时进行预热。4）整条焊缝应尽量连续焊完，避免中断。5）不应坡口面以外的母材上进行引弧，熄弧时需填满弧坑。6）尽可能不在低温条件下进行弯板、矫正和装配焊件。各种金属结构低温焊接时的预热温度见表4。管道、压力容器低温焊接时的预热温度见表5。表4低碳钢金属结构低温焊接的预热温度焊件厚度（mm）在各种气温下的预热温度＜3031～5051～70不低于－30℃时不预热；低于－30℃时预热100～150℃不低于－10℃时不预热；低于－10℃时预热100～150℃不低于0℃时不预热；低于0℃时预热100～150℃表5低碳钢管道、压力容器低温焊接的预热温度焊件厚度（mm）在各种气温下的预热温度＜1617～3031～4041～50不低于－30℃时不预热；低于－30℃时预热100～150℃不低于－20℃时不预热；低于－20℃时预热100～150℃不低于－10℃时不预热；低于－10℃时预热100～150℃不低于0℃时不预热；低于0℃时预热100～150℃7试述中碳钢的焊接性。中碳钢的碳的质量分数为0.25%～0.60%。当碳的质量分数接近0.25%而含锰量不高时，焊接性良好。随着含碳量的增加，焊接性逐渐变差。如果碳的质量分数为0.45%左右而仍按焊接低碳钢常用的工艺施焊时，在热影响区可能会产生硬脆的马氏体组织，易于开裂，即形成冷裂纹。焊接时，相当数量的母材被熔化进入焊缝，使焊缝的含碳量增高，促使在焊缝中产生热裂纹，特别是当硫的杂质控制不严时，更易出现。这种裂纹在弧坑处更为敏感，分布在焊缝中的热裂纹于是与焊缝的鱼鳞状波纹线相垂直。8中碳钢焊接时，如何正确地选用焊条？中碳钢的焊接目前大都采用手弧焊。为提高焊接接头的抗裂性，应选用低氢型焊条。个别情况下，也可采用钛钙型和钛铁矿型酸性焊条，但此时应采取严格的工艺措施，如焊前预热、减少熔合比（降低焊缝含碳量）等。中碳钢手弧焊时焊条的选用，见表6。表6中碳钢手弧焊时焊条的选用钢号焊件含碳量（%）焊接件焊件力学性能（≥）选用焊条型号σs（MPa）σb（MPa）δ（%）ф（%）αK（J）不要求等强度要求等强度35ZG270～5000.32～0.400.31～0.40一般一般315270530500201845255522E4303，E4301E4316，E4315E5016，E501545ZG310～5700.42～0.500.41～0.50较差较差355310600570161540213915E4303，E4301E4316，E4315E5016，E5015E5016，E501555ZG340～3400.52～0.600.51～0.60很差很差38034064564013103518—10E4303，E4301E4316，E4315E5016，E5015E5016，E5015特殊情况下，中碳钢焊接时可采用铬镍不锈钢焊条，如E0-19-10-16（A102）、E0-19-10-5（A107）、E1-23-13-16（A302）、E1-23-13-15（A307）、E2-26-21-16（A402）、E2-26-21-15（A407）等，因奥氏体焊缝金属的塑性良好，可以减小焊接接头应力，即使焊件焊前不预热，也可避免热影响区产生冷裂纹。9试述中碳钢的焊接工艺要点。⑴预热预热有利于减低中碳钢热影响区的最高硬度，防止产生冷裂纹，这是焊接中碳钢的主要工艺措施，预热还能改善接头塑性，减小焊后残余应力。通常，35和45钢的预热温度为150～250℃含碳量再高或者因厚度和刚度很大，裂纹倾向大时，可将预热温度提高至250～400℃。若焊件太大，整体预热有困难时，可进行局部预热，局部预热的加热范围为焊口两侧各150～200mm。⑵焊条条件许可时优先选用碱性焊条。⑶坡口形式将焊件尽量开成U形坡口式进行焊接。如果是铸件缺陷，铲挖出的坡口外形应圆滑，其目的是减少母材熔入焊缝金属中的比例，以降低焊缝中的含碳量，防止裂纹产生。⑷焊接工艺参数由于母材熔化到第一层焊缝金属中的比例最高达30%左右，所以第一层焊缝焊接时，应尽量采用小电流、慢焊接速度，以减小母材的熔深。⑸焊后热处理焊后最好对焊件立即进行消除应力热处理，特别是对于大厚度焊件、高刚性结构件以及严厉条件下（动载荷或冲击载荷）工作的焊件更应如此。消除应力的回火温度为600～650℃。若焊后不能进行消除应力热处理，应立即进行后热处理。10试述高碳钢的焊接工艺要点。⑴焊接性当高碳钢的碳的质量分数大于0.60%时，焊后的硬化、裂纹敏感倾向更大，因此焊接性极差，不能用于制造焊接结构。常用于制造需要更硬度或耐磨的部件和零件，其焊接工作主要是焊补修复。⑵焊条选用由于高碳钢的抗拉强度大都在675MPa以上，所以常用的焊条型号为E7015、E6015，对构件结构要求不高时可选用E5016、E5015焊条。此外，亦可采用铬镍奥氏体钢焊条进行焊接。⑶焊接工艺1）由于高碳钢零件为了获得高硬度和耐磨性，材料本身都需经过热处理，所以焊前应先进行退火，才能进行焊接。2）焊件焊前应进行预热，预热温度一般为250～350℃以上，焊接过程中必需保持层间温度不低于预热温度。3）焊后焊件必需保温缓冷，并立即送入炉中在650℃进行消除应力热处理。11低合金高强钢的碳当量如何计算？低合金高强钢碳当量的计算公式目前以国际焊接学会（IIW）所推荐的CE和日本JIS标准所规定的Ceq应用最为广泛，其计算公式为MnCr+Mo+vCu+NiCE（IIW）=C+──+─────+───（质量分数）（%）6515MnSiNiCrMoVCeq（JIS）=C+───+───+───+───+───+───（质量分数）（%）624405414式中，化学元素都表示该元素在钢中的质量分数，计算时，元素含量均取其成分范围的上限。CE主要适用于文艺