低碳钢的焊接工艺

低碳钢的焊接工艺1、材料的认识钣金车间所焊的工件主要有冷轧板、热轧板、槽钢、镀锌板、不锈钢等。其中所用的冷轧板、热轧板、镀锌板的材质为Q195，槽钢的材质为Q235.这两种材质都属于碳素钢。下面介绍各种材料的定义。1.1冷轧板、热轧板热轧，是以板坯（主要为连铸坯）为原料，经加热后由粗轧机组及精轧机组制成带钢。根据用户的不同需求，经过不同的精整作业线（平整、矫直、横切或纵切、检验、称重、包装及标志等）加工而成为钢板、平整卷及纵切钢带产品。冷轧：用热轧钢卷为原料，经酸洗去除氧化皮后进行冷连轧，其成品为轧硬卷，由于连续冷变形引起的冷作硬化使轧硬卷的强度、硬度上升、韧塑指标下降，因此冲压性能将恶化，只能用于简单变形的零件。冷轧板跟热轧板的区别：1）热轧板硬度低，加工容易，有较好的韧性和延展性，但机械性能远不及冷加工，也次于锻造加工。2）冷轧板采用冷扎加工表面无氧化皮，表面光洁度高，质量好。热板采用热扎加工表面有氧化皮，质量差点(有氧化\光洁度低)，但塑性好。3）冷轧轧板硬度高，加工相对困难些，但是不易变形，强度较高。4）冷轧钢板由于有一程度的加工硬化，韧性低，但能达到较好的屈强比，用来冷弯弹簧片等零件，同时由于屈服点较靠近抗拉强度，所以使用过程中对危险没有预见性，在载荷超过许用载荷时容易发生事故。1.2槽钢槽钢是截面为凹槽形的长条钢材。其规格以腰高(h)*腿宽(b)*腰厚(d)的毫米数表示，如120*53*5，表示腰高为120毫米，腿宽为53毫米的槽钢，腰厚为5毫米的槽钢，或称12#槽钢。腰高相同的槽钢，如有几种不同的腿宽和腰厚也需在型号右边加abc予以区别，如25a#25b#25c#等。槽钢可分为热轧槽钢、低合金槽钢、热镀锌槽钢等。1.3镀锌板镀锌板是指表面镀有一层锌的钢板。镀锌是一种经常采用的经济而有效的防腐方法。全世界锌产量的一半左右均用于此种工艺。镀锌主要是为防止钢板表面遭受腐蚀，延长其使用寿命。2、碳钢2.1、碳钢的定义碳钢又称碳素钢，是铁和碳的合金，碳钢中除以碳作为合金元素外，还有少量的锰和硅有益元素。此外，还有S、P等杂质。碳钢的性能主要取决于碳含量。碳钢时钢材中产量最多，应用最广的材料。大部分焊接结构都是用碳钢来制造。2.2、碳钢的分类碳钢有不同的分类方法，可分为：（1）按含碳量分按碳钢中碳含量的多少可分为低碳钢、中碳钢、高碳钢。如下表表一碳钢按含碳量分类名称W（C）%典型硬度用途焊接性低碳钢≤0.15HRB60特殊钢板、薄板、焊丝优0.15～0.25HRB90结构用型材、板材良中碳钢0.25～0.6025HRC机械零件和工具中（通常要求预热和后热，常采用低氢焊接工艺）高碳钢≥0.60～1.0040HRC弹簧、模具、导轨差（要求同上）按品质分主要是根据有害杂质S、P的含量来划分：1）普通碳素钢：含W（S）%≤0.050%，W（P）%≤0.045%。2）优质碳素钢：含W（S）%≤0.035%，W（P）%≤0.035%。3）高级优质碳素钢：含W（S）%≤0.030%，W（P）%≤0.035%。（2）按脱氧程度分1）沸腾钢：不完全脱氧所得到的钢，含氧量高，S、P杂质较多，且分布不均匀，焊接时易产生热裂纹和气孔。2）镇静钢：脱氧彻底，含氧量低、杂质少。3）半镇静钢：介于沸腾钢和镇静钢之间。下面是钢号的表示方法及各自的含义：2.3、化学成分按GB/T700—1988《碳素结构钢》的规定，这类钢的化学成分见表二。表二碳素结构钢化学成分牌号等级化学成分（质量分数%）脱氧方法CMnSiSP不大于Q195—0.06～0.120.25～0.500.300.0500.045F、b、ZQ235A0.14～0.220.30～0.650.300.0500.045F、b、ZB0.11～0.200.30～0.700.045C≤0.180.35～0.800.0400.040ZD≤0.170.0350.035TZ备注：1）、沸腾钢硅含量不大于0.07%，半镇静钢硅含量不大于0.17%，镇静钢硅含量下限为0.12%。2）、Q235A和B级沸腾钢锰含量上限为0.60%。3）、D级钢应有足够的形成细晶粒组织元素。碳钢中的Si、Mn对焊接性也有影响，它们的含量增加，焊接性就会相对变差，但影响没有碳作用强烈。C、Si、Mn对焊接性的影响可以用下面的经验公式计算。Ceq=C+Mn/6+Si/24(%)根据一般生产经验，碳当量Ceq＜0.40时，淬硬性倾小，焊接性良好，焊接时一般不需要预热、控制层间温度或后热；Ceq=0.4%～0.6%时，淬硬倾向较大，焊接性比较差，一般需要预热（如钢号：30、35、45等）；Ceq＞0.6时，淬硬倾向严重，焊接性很差，焊前必须采用较高的预热温度，控制层间温度和后热，并采用低氢焊接工艺（如碳素钢铸件、碳素工具钢）。3、焊接性冷轧板、热轧板、镀锌板、槽钢四种材料都属于低碳钢。低碳钢的特点是含碳量低，Mn和Si的含量也比较少通常不会因焊接在热影响区产生硬化组织，钢材的塑性较好，焊接接头产生裂纹的倾向小，故它们都是焊接性最好的钢种。只要注意一下几个方面就可保证焊缝的焊接质量：(1)前清除焊件表面的铁锈、油污、水分等杂质，焊条、焊剂必须烘干。(2)焊缝、对接多层焊的第一层焊缝及单道焊缝要避免深而窄的坡口形式，以防止出现裂纹、未焊透、夹渣等缺陷。(3)结构件的刚度增大、焊缝的裂纹倾向也增大，因此焊接刚度大的结构件时，宜选用低氢碱性焊条，焊前预热或焊后消除应力热处理措施，预热及回火温度见表三。表三常用低碳钢的焊前预热及回火温度钢号材料厚度/mm预热温度/℃热处理温度/℃Q235、Q25508、10、15、20～50——＞50～100＞100600～65025、20g、20r～25＞50600～650＞25＞100600～650(4)环境温度低于—10℃以下焊接低碳钢时接头冷却速度较快，为了防止产生裂纹，应采取以下减缓冷却速度的措施：①焊前预热，焊时保持层间温度；②采用低氢型或超低氢型焊接材料；③点固焊时必须加大焊接电流，适当加大点固焊的焊缝截面和长度，必要时焊前页采取预热；④整条焊缝联系焊完，尽量避免中断，熄弧时要填满电弧坑。由于镀锌板是在Q195的基础上镀了一层锌，目的是为防止钢板表面遭受腐蚀，延长其使用寿命。但锌层的存在给镀锌钢的焊接带来了一定困难，主要的问题有：焊接裂纹及气孔的敏感性增大、锌的蒸发及烟尘、氧化物夹渣及镀锌层熔化及破坏。其中焊接裂纹、气孔和夹渣是最主要的问题。在这里主要谈谈镀锌板的焊接性能。（1）裂纹在焊接过程中，熔化的锌浮在熔池的表面或位于焊缝根部。由于锌的熔点远远低于铁，熔池中的铁首先结晶，液态锌会沿着钢的晶界渗入其中，导致晶间结合变弱。而且锌与铁之间易形成金属间脆性化合物Fe3Zn10和FeZn10，进一步降低了焊缝金属的塑性。因此在焊接残余应力的作用下易沿晶界裂开，形成裂纹。1)影响裂纹敏感性的因素①锌层的厚度镀锌钢的锌层较薄，裂纹敏感性小，而热镀锌钢的锌层较厚，裂纹敏感性较大。②工件厚度厚度越大，焊接拘束应力越大，裂纹敏感性越大。③坡口间隙间隙越大，裂纹敏感性越大。④焊接方法用手工电弧焊焊接时裂纹敏感性小，而用CO2气体保护焊焊接时裂纹敏感性大一些。2)防止裂纹的方法①焊前在镀锌板焊接处开坡口V、Y形或X型坡口，用氧乙炔或喷砂等方法去除坡口附近的镀锌层，同时控制间隙不宜过大，一般1.5mm左右。②选用含Si量低的焊接材料。气体保护焊时应采用含Si量低的焊丝，手工焊时采用钛型、钛钙型焊条。（2）气孔坡口附近的锌层在电弧热的作用下产生氧化（形成ZnO）及蒸发，并挥发出白色烟尘和蒸气，因此极易在焊缝中引起气孔。焊接电流越大，锌的蒸发越严重，气孔敏感性越大。用钛型、钛钙型焊条焊接时，在中等电流范围内不易产生气孔。而用纤维素型和低氢型焊条焊接时，小电流和大电流下均易产生气孔。另外焊条角度应尽量控制在30～70°范围内。（3）锌的蒸发及烟尘用电弧焊焊接镀锌钢板时，熔池附近的锌层在电弧热的作用下氧化成ZnO并蒸发，形成很大的烟尘。这种烟尘中主要成分为ZnO，对工人的呼吸器官具有很大的刺激作用，因此，焊接时必须采取良好的通风措施。在同样焊接规范下，用氧化钛型焊条焊接时所产生的烟尘量较低，而低氢型焊条焊接时产生的烟尘量较大。（4）氧化物夹渣焊接电流较小时，加热过程中形成的ZnO不易逸出，易造成ZnO夹渣。ZnO比较稳定，其熔点为1800℃。大块状的ZnO夹渣对焊缝塑性具有非常不利的影响。利用氧化钛型焊条时，ZnO呈细小均匀分布，对塑性及抗拉强度影响都不大。而用纤维素型或氢型焊条时，焊缝内的ZnO较大、较多，焊缝性能差。4、焊接工艺由于低碳钢是焊接性最好的钢种，所以各种焊接方法都在低碳钢焊接中得到应用。如手工电弧焊、埋弧焊、二氧化碳气体保护焊、电渣焊、气焊、电阻焊、氩弧焊、钎焊等。其中常用的是手工电弧焊、二氧化碳气体保护焊、氩弧焊、埋弧焊等。4.1手工电弧焊用手工电弧焊焊接低碳钢时，为了提高焊缝的金属塑性、韧性和抗裂性能，通常是使焊缝金属的碳含量低于母材，靠提高焊缝中的Si、Mn含量和电弧焊所具有较高的冷却速度来达到与母材等强度。因此，焊缝金属会随着冷却速度的增加，其强度会增加，而塑性和韧性会下降，当板厚单层较焊缝时，其焊脚尺寸不宜过小；多层焊时，应尽量连续施焊；焊补表面缺陷时，焊缝应具有一定得尺寸，焊缝长度不得过短，必要时采用100～150的局部预热。手工电弧焊适用于板厚在2～50mm的对接接头、T形接头、十字接头、搭接接头、堆焊等。4.1.1焊前准备1）焊条烘干焊前对焊接接头烘干的目的是去除受潮焊条中的水分，减少熔池和焊缝中的氢，以防止产生气孔和冷裂纹。2）焊前清理焊前对接头坡口及附近（约20mm内）的表面的油、锈、漆和水分等进行清除。特别是用碱性焊条时，清理要求严格彻底，否则极易产生气孔和延迟裂纹。酸性焊条则对锈不是很敏感，若锈的较轻，而且对焊缝质量要求不高时，可以不清除。4.1.2焊接工艺参数4.1.2.1焊接材料的选用采用手工电弧焊焊接低碳钢时大多使用E43XX系列的焊条，它的熔敷金属抗拉强度不小于420N/mm2（43kgf/mm2），在力学性能与母材恰好相匹配。当焊接重要的或裂纹敏感性比较大的结构时，常采用低氢型的碱性焊条，如E4316、E4315、E5015、E5016等，因为这类焊条具有较好的抗裂性能和力学性能，其韧性和抗时效性也很好。但这类焊条的工艺性比较差，对油、锈、水分很敏感，焊前需要在350～400℃下烘干1～2h，并需对接头坡口作彻底清理。所以对于一般的焊接结构使用酸性焊条即可，如E4301、E4303、E4313、E4320等，这些焊条的缺点是气体、杂质较高，焊缝金属的塑性、韧性及抗裂性不及碱性焊条，但一般都能满足使用要求。表四列出了一些材质所选用的焊条。表四低碳钢焊条选用钢号一般结构复杂和厚板结构，重要的受压容器施焊条件型号牌号型号牌号Q195E4313E4303E4301E4320E4311J421J422J423J424J425E4303E4301E4320E4311E4316E4315J422J423J424J425J426J427一般不预热Q235Q255厚板结构预热在150℃以上。并且，对于同一个强度等级的低碳钢，由于产品结构的差别，所选用的焊条也不同。例如，随着板厚增加，接头的冷却速度加快，促使焊缝金属硬化，接头内残余应力增大，就需要选用抗裂性能好的焊条，如低氢型焊条；厚板为了焊透，就必须开坡口，使焊缝的填充金属增加，为了提高生产率，可以选用铁粉焊条，表五列出了不同板厚所选用的焊条.表五不同板厚的低碳钢所选用的焊条同样板厚的对接接头与T形接头的散热条件各不相同，后者的角焊缝冷却速度快，需考虑抗裂问题，随着焊脚尺寸的增加，填充金属量以平方数增加。表六列出了不同焊脚尺寸所选用的焊条。另外焊条直径的大小对焊接质量和生产效率影响也很大。一般情况在保证焊接质量的前提下，尽可能选用大直径焊条以提高生产率。从焊接质量来选焊条，则需考虑：焊件的厚度、接头形式、焊接位置、焊道层次和允许的线能量