金属材料的焊接性

焊接培训教材金属材料的焊接性张明录一二三四五目录碳素钢低合金钢不锈钢耐热钢铁碳合金铁碳合金，是以铁和碳为组元的二元合金。铁基材料中应用最多的一类。碳钢和铸铁，就是铁碳合金材料。含碳少于0.0218%的合金称为工业纯铁。含碳低于2．11%的铁碳合金称为钢。含碳高于2．11%的合金称为铸铁。在碳钢和铸铁中除碳之外，还含有硅、锰、硫、磷、氮、氢、氧等一些杂质，这些杂质对钢铁性能会产生影响。一.概述铁碳合金1.碳钢的分类（1）按钢的含碳量分低碳钢wC≤0.25%中碳钢0.25wC0.6%高碳钢wC0.6%（2）按钢的质量分普通碳素钢ws≤0.05%、wP≤0.045%优质碳素钢ws≤0.03%、wP≤0.035%高级优质钢（标A）ws≤0.025%、wP≤0.025%特级优质钢（标E）ws≤0.015%、wp≤0.025%一.概述铁碳合金1.碳钢的分类（3）按钢的用途分碳素结构钢（工程结构和机械零件用钢）碳素工具钢（刃具、量具和模具用钢）铸钢（4）按钢脱氧程度分：沸腾钢（F）、镇静钢（Z，可省略）半镇静钢（b）特殊镇静钢（TZ可省略）一.概述铁碳合金牌号表示方法Q235-AFA、B、C、DF、b、Z、TZ一.概述铁碳合金Q235-AF，表示碳素结构钢中屈服点≥235MPa，质量等级为A级的沸腾钢。质量等级有：A表示Ws≤0.050%、Wp≤0.045%；B表示Ws≤0.045%、Wp≤0.045%；C表示Ws≤0.040%、Wp≤0.040%；D表示Ws≤0.035%、Wp≤0.035%碳钢的性能主要取决于碳含量，碳含量与焊接性及组织和性能的关系见图2-1和表2-1。图2-1碳钢碳含量与马氏体量和最大硬度的关系ω(C)/%HardnessmaxHRC2.碳钢的性能一.概述铁碳合金名称碳含量典型硬度典型用途焊接性低碳钢≤0.15%HRB特殊板和型材薄板、带材和焊丝优0.15%~0.25%30-35HRB结构用型材、板材和棒材良中碳钢0.25%~0.60%42-46HRC机械部件和工具中(通常需要预热，推荐使用低氢焊接方法)高碳钢≥0.60%~1.0055HRC弹簧、模具劣(须低氢焊接方法、预热和后热)表2-1各类碳钢的焊接性一.概述铁碳合金强度较低，但冶炼容易，工艺性好，价廉，具有优良的锻造性、焊接性和切削加工性能。通常以各种规格型材(圆钢、方钢、工字钢、钢筋等)供应市场。低碳钢的含碳量低(≤0.25%)，Mn和Si含量也较少，因此淬硬倾向不大，是焊接性最好的钢种。除C、Mn、Si外，碳钢中的S、P、O、N等杂质元素对其力学性能、焊接接头的冷裂纹、热裂纹和时效脆化敏感性有一定影响，通用低碳钢的力学性能如表2-2。一.概述铁碳合金2.碳钢的性能牌号等级拉伸试验（不小于）冲击试验冷弯试验180°,B=2a屈服点σs/MPa抗拉强度σb/MPa延伸率δ5/%温度/℃夏比V形缺口冲击吸收功(纵向)/J≥弯心直径d纵向试样横向试样Q195—195315~43033——00.5aQ215A215335~41031——0.5aaB2027Q235A235370~50026——a1.5aB2027C0D-20Q275A275410~54022——1.5a2aB2027C0D-20Q245R—245400~520250311.5a(20g,20R)表2-2低碳钢的力学性能用途：Q195、Q215、Q235塑性好，可轧制成钢板、钢筋、钢管等Q255、Q275可轧制成型钢、钢板等。一.概述铁碳合金加工成形后一般不进行热处理，大都在热轧状态下直接使用。2.碳钢的性能碳钢及低合金钢按化学成分分类为：碳素钢、低合金钢和合金钢三类，应用最广泛应用的是碳素钢(简称碳钢)。碳钢中除以碳作为主要合金元素外，还有硅(ωSi0.5%)、锰(ωMn0.8%)及不可避免的硫、磷等杂质。低合金钢是在碳钢的基础上，为了获得一定的性能，有目的地加入一种或多种合金元素的钢。如：16mn钢二.碳素钢的焊接性铁碳合金二.碳素钢的焊接性铁碳合金用途：合金结构钢；合金工具钢；特殊性能钢合金钢分类合金元素总含量：低合金钢＜5％中合金钢5％～10％高合金钢＞10％1、低碳钢的焊接性分析碳钢的焊接性随含碳量增加而恶化，选择焊接材料方面，除了在成分和性能上须与母材匹配外，也应避免硫、磷等有害元素从焊接材料中带入焊缝金属中来。焊接碳含量高于0.25%的碳素钢时，须注意减少氢的来源。二.碳素钢的焊接性铁碳合金焊接碳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，应针对含碳量不同而采取相应的工艺措施。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；高碳钢除了防止因这些应力引起的裂纹外，还要特别注意防止因淬硬而引起的裂纹。二.碳素钢的焊接性1、低碳钢的焊接性分析铁碳合金1.低碳钢的焊接性分析碳钢的焊接性优良与否，主要取决于冷裂纹敏感性、热裂纹敏感性和接头塑韧性等。冷裂纹对碳钢冷裂影响最大的是钢材和熔敷金属的碳含量。碳当量对于碳钢来说，Si含量较少，最高不超过0.5%。有时可以忽略其影响。CE值增加，产生冷裂纹的倾向增大，焊接性变差。通常，当CE值大于0.40%，冷裂纹敏感性增加。246SiMnCCE1.低碳钢的焊接性分析淬硬倾向焊缝和热影响区的冷裂倾向，除了和成分有关外，组织对性能影响更为明显。在成分一定的前提下，组织决定于冷却速度，可以用其SHCCT组织获得。图2-2为Q235(A3)钢的SHCCT图。控制焊接区的冷却速度是改变焊接区的组织类型和硬度，降低冷裂纹产生的重要途径和手段。二.碳素钢的焊接性铁碳合金图2-2Q235(A3)钢SHCCT图T/℃t/s1.低碳钢的焊接性分析1.低碳钢的焊接性分析焊件的厚度增加，焊接时环境温度较低时，或焊接线能量较小时，散热加快，焊接接头的散热速度加快，冷裂倾向增加。T形接头和搭接接头比对接接头散热面增加，焊接区的冷却速度加快，容易产生淬硬组织。预热、提高焊道间或焊层间的温度或后热措施也能降低焊接冷却速度。二.碳素钢的焊接性铁碳合金1.低碳钢的焊接性分析碳素钢被淬硬主要是因马氏体组织形成而引起。马氏体是碳在中的过饱和固溶体，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。马氏体数量受冷却速度影响，非常快的冷却速度可以产生100％的马氏体，从而可达到最高硬度。α-Fe二.碳素钢的焊接性铁碳合金氢和拘束度焊接区的氢主要来源于焊接材料和焊接区的水分。采用低氢焊接材料、或提高焊接材料烘干温度、减少保护气体含水量、降低焊接区湿度等，均可降低焊缝中溶解的氢。钢板厚度增加，或结构的刚性增加拘束度都会增大，从而提高氢致裂纹的敏感性。1.低碳钢的焊接性分析二.碳素钢的焊接性铁碳合金淬硬组织、氢和拘束应力是冷裂敏感性的三大诱因。钢材的成分一定时，淬硬组织比例越高，造成冷裂所需的临界氢含量越低，所需的拘束应力也就越低，即冷裂倾向增大。在组织和氢含量一定时，拘束度越大，冷裂纹敏感性越大。因此碳钢冷裂倾向中，淬硬组织、氢和拘束应力三个因素是相互促进，互为前提的。1.低碳钢的焊接性分析二.碳素钢的焊接性铁碳合金热裂纹热裂纹敏感性与钢中S、P等杂质密切相关。在焊接S、P过高的碳钢时，在焊接热影响区的晶界上聚集的低熔点的S、P化合物，引起热影响区熔合线附近的液化裂纹；若钢板厚度较大，沿不同偏析带分布的硫化物等，在T形等接头中会引起层状撕裂裂纹；当母材稀释率较高时，进入焊缝中的S、P也偏多，容易引起焊缝中的热裂纹。接头设计或工艺操作上要避免焊缝具有窄而深的形状。低碳钢弧焊焊缝通常具有较高的抗热裂纹能力1.低碳钢的焊接性分析二.碳素钢的焊接性铁碳合金层状撕裂沸腾钢含氧量较高，板厚中心有显著偏析带，焊接时易产生裂纹和气孔，厚板焊接有一定的层状撕裂倾向，时效敏感性也较大，焊接接头的脆性转变温度也较高。因此，沸腾钢一般不用于制造受动载荷或在低温下工作的重要结构。1、低碳钢的焊接性分析二.碳素钢的焊接性铁碳合金焊接热影响区的性能变化主要是接头塑韧性变化，与钢的成分、焊前母材热处理状态、焊接热过程有关。碳钢主要以热轧状态交货，但对于某些优质碳素结构钢和专门用途的碳素结构钢，交货状态既有热轧、也有控轧、正火、正火+回火或调质(淬火+回火)。在钢材冷却过程中，在奥氏体分解前的较低温度下，施以大变形，增加铁素体相形核率，形成的晶粒明显细化，从而大幅度提高其强度和塑韧性1、低碳钢的焊接性分析二.碳素钢的焊接性铁碳合金某些焊接方法热源不集中或线能量过大，如气焊和电渣焊等，引起焊接热影响区的粗晶区晶粒更加粗大，从而降低接头的冲击韧性，因此，重要结构焊后往往要进行正火处理。总之，低碳钢含碳量低，合金元素含量也很低，因此采用通常的焊接方法，接头中不会产生淬硬组织或冷裂纹。只要焊接材料选择适当，便能得到满意的焊接接头。二.碳素钢的焊接性铁碳合金1、低碳钢的焊接性分析低碳钢对焊接方法的选择无特殊要求，可根据材料厚度、产品结构、使用性能要求及生产条件等选择。焊条电弧焊、CO2气体保护焊、埋弧焊等是常用的焊接方法。二.碳素钢的焊接性铁碳合金2、焊接方法冷裂纹中碳钢的碳当量比低碳钢大。当含碳大于0.25%时，增加了钢材的淬硬性，焊接时如果冷却速度较快(如图2-3所示45钢的CCT图[2]所示冷速超过临界值c点后)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，在焊接应力作用下容易发生冷裂纹和脆断。中碳钢焊接后热影响区更容易形成淬硬的马氏体组织，这种组织对氢更敏感，产生冷裂纹所需的临界应力更低，应设法采用低氢型焊条，适当提高预热温度降低残余应力。二.碳素钢的焊接性铁碳合金3、中碳钢的焊接性分析图2-345钢的CCT曲线3.中碳钢的焊接性分析热裂纹当钢中碳的质量分数大于0.25%时，碳本身的偏析以及它促进S、P等其他元素的偏析都明显起来，特别是母材S、P含量控制接近标准要求的合格值的上限附近时，低熔点硫化物而导致热裂纹倾向增加，尤其是弧坑处。因此焊接中碳钢首先必须严格控制硫的质量分数。二.碳素钢的焊接性铁碳合金3、中碳钢的焊接性分析气孔由于含碳量比低碳钢大，进入熔池中的碳含量增加，在焊接冶金反应中，有可能产生CO气孔，增加了焊缝中出现气孔的敏感性。焊接沸腾钢时，应保证所选用的焊接材料中有足够脱氧剂，防止焊缝中的气孔。二.碳素钢的焊接性铁碳合金3、中碳钢的焊接性分析焊接热影响区性能的变化焊接热影响区因出现淬硬组织，带来的强度提高、脆化和硬化，冷裂敏感性的增加。因熔化母材中的碳进入熔池中，导致焊缝金属碳含量增加，且因稀释率的不同而使焊道间的性能变化。二.碳素钢的焊接性铁碳合金3、中碳钢的焊接性分析中碳钢随着含碳量的增加而焊接性越来越差。焊接时的主要问题是热裂纹、冷裂纹、气孔和脆断，有时还会存在热影响区强度降低；钢中杂质越多，结构刚度越大，问题就越严重。中碳钢铸钢件，焊接修复时应防止焊接冷裂纹或修复部位焊接残余应力过大而导致开裂。二.碳素钢的焊接性铁碳合金3、中碳钢的焊接性分析焊接方法一般多采用焊条电弧焊或CO2气体保护焊等。在中碳钢上增加耐磨或耐蚀面的面积较大时，或修复中碳钢上面积较大的磨损面时，也可采用埋弧焊。二.碳素钢的焊接性铁碳合金4、焊接方法焊接性很差含碳量大于0.6%，包括碳素结构钢、碳素钢铸件及碳素工具钢等；焊接性很差，焊后很易产生硬脆的高碳马氏体，淬硬倾向和裂纹敏感倾向大。由于焊接性差、硬度较高，这类钢常用于需高硬度、高耐磨性的部件或零件，而非用于制造焊接结构。焊接方法：焊条电弧焊和气焊，大多用于焊补修理。二.碳素钢的焊接性铁碳合金5、高碳钢的焊接性分析不锈钢是指在大气中不容易生锈的钢；是在特定的酸、碱、盐条件中比较耐腐蚀的钢。由于不锈钢具有优异的耐腐蚀性、成型性，以及在很宽温度范围内的强韧性等系列特点，因此在石油化工、原子能源、轻工、纺织、食品、家用器械等方面得到了广泛的应用。一.概述不锈钢（1）奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢无磁性、良好的低温性能、易成型性和可焊性是这类钢种的重要特性。（2）铁素体不锈钢铁素体不锈钢具有强磁性、易于成型、耐锈蚀、耐点蚀等特点。