常用金属材料焊接

第五单元常用金属材料的焊接【学习目标】本单元主要讲解常用金属材料的焊接工艺等基础知识，要求通过本单元的学习，理解碳钢的焊接特点与焊接工艺；理解合金结构钢的焊接特点与焊接工艺；了解不锈钢和耐热钢的焊接特点与焊接工艺；了解铸铁的焊接特点与焊接工艺；了解铝及铝合金、铜及铜合金的焊接特点与焊接工艺。综合知识模块一碳素钢的焊接碳素钢是以Fe为基础，以少量C为合金元素的铁碳合金，可以简称为碳钢。碳钢有不同的分类方法，按含C量可分为低碳钢、中碳钢和高碳钢；按品质分可分为普通碳素钢、优质碳素钢和高级优质碳素结构钢；按用途可分为结构钢和工具钢；根据某些行业特殊要求及用途，有一些专业用钢，比如：压力容器用碳钢、锅炉用碳钢、船用碳素结构。碳钢的焊接性主要取决于碳含量。随着碳含量的增加，焊接性逐渐变差。碳钢中的Mn和Si对焊接性也有影响，随着它们含量的增加，焊接性变差，但不及碳作用强烈。把钢中合金元素的含量按其作用换算成碳的相当含量，就叫做碳当量。它可作为评定钢材焊接性的一种参考指标。这样，就可以把C、Mn和Si对焊接性的影响汇合成一个适用于碳素钢的碳当量Ceq经验公式：Ceq值增加，产生冷裂纹的敏感性增大，焊接性变差。通常，当Ceq值小于0.4%时，钢材的淬硬倾向不大，焊接性良好，不需预热。Ceq值在0.4%～0.6%之间时，钢材的淬硬倾向大，冷裂纹的敏感性将增大，焊接性一般，焊接时需要采取一些工艺措施，如预热等。Ceq值大于0.6%时，焊接性变得很差。碳钢中的杂质(如S、P、Ｏ、N)和一些微量元素(如Cr、Mo、V、Cu)等对焊接接头的裂纹敏感性和力学性能都有重大影响。实际上，焊接性的好坏不只取决于合金元素的含量，还取决于焊接接头冷却速度。尤其中、高碳钢在某种焊接热循环的作用下，冷却速度较快，碳钢可能在焊缝和热影响区中形成马氏体组织，马氏体量越多，硬度越高，焊接性越差，产生裂纹倾向越大，因此，焊接时控制冷却速度也成为至关重要的问题。采用预热、控制层间温度和后热，或使用大焊接热输入，都能降低焊接接头冷却速度，从而控制组织和硬度，减小冷裂纹的可能性。金属熔焊基础与材料焊接第五单元常用金属材料的焊接除上述影响碳钢焊接性的诸多因素以外，母材焊前热处理状态对焊接性影响也是碳钢焊接时不容忽视的问题。低碳钢的焊接1.低碳钢的焊接特点低碳钢碳含量较低，Mn、Si含量又少，所以，通常情况下不会因焊接而引起严重硬化组织或淬火组织。这种钢材的塑性和冲击韧度优良，焊成的接头塑性和冲击韧度也很好，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。可以说，整个焊接过程中不需要特殊的工艺措施，其焊接性优良。但在少数情况下，低碳钢的焊接性也会不好，焊接时出现困难，例如：低碳钢母材成分不合格，S、P、O等杂质含量过高，焊接方法选择不当等。总之，低碳钢是最容易焊接的钢种，但有时也会出现某种问题。许多焊接方法都适用于低碳钢焊接，并能获得良好的焊接接头。目前，焊条电弧焊、二氧化碳气体保护焊、氩弧焊、埋弧焊、电渣焊、气焊、电阻焊等都是焊接低碳钢的成熟焊接方法。2.焊接方法和焊接材料的选择(1)焊条电弧焊焊接低碳钢时大多采用焊条电弧焊，低碳钢选用焊条的主要原则是等强度原则，大多使用E43××系列的焊条，因为低碳钢通常的抗拉强度平均值为417.5MPa，而E43××系列焊条熔敷金属的抗拉强度不小于420MPa，在力学性能上正好与之匹配。这一系列焊条有多种型号，商品牌号更多，可根据具体母材、受载情况等加以选用，比较重要的结构或受载情况复杂的结构，尽量选用低氢型焊条，表5-1为几种情况的举例。其他钢材选用焊条请参照JB/T4709—2007等行业标准或国家标准。(2)二氧化碳气体保护焊近年来，二氧化碳气体保护焊用来焊接低碳钢也很普遍。二氧化碳气体保护焊用焊丝可分为实心焊丝和药芯焊丝两大类，低碳钢选用焊丝的主要原则也是等强度原则，举例见表5-1。其他请参照GB/T8110—1995《气体保护焊用碳钢、低合金钢焊丝》等国家标准。焊接用的CO2气体纯度应不低于99.5％。(3)埋弧焊低碳钢的焊接采用埋弧焊的也很多，尤其是中、厚度钢板。低碳钢埋弧焊一般选用实芯焊丝H08A或H08MnA等，它们与高锰高硅低氟熔炼焊剂HJ430、HJ431或HJ433配合，应用甚广。烧结焊剂应用也日益广泛，有的烧结焊剂附加铁粉，可以在衬垫上单面焊双面成形，焊缝美观，效率甚高。几种低碳钢埋弧焊常用焊接材料的选用举例，见表5-1。(4)手工TIG焊在比较重要的结构中，低碳钢管对焊时，一般要求焊接接头必须是全焊透结构。许多工厂采用手工TIG焊封底，焊条电弧焊填充和盖面的方法或全部采用手工TIG焊焊接。低碳钢TIG焊用焊丝尽量选用专用焊丝以减少化学成分的变化，保证焊缝一定的力学性能，20、20g、20R这类钢一般采用H08Mn2SiA就可以了，焊接时所用Ar气体纯度应不低于99.99％。低碳钢焊接可采用的焊接方法还有很多,比如窄间隙埋弧焊、气焊、电渣焊等。在锅炉和压力容器制造中，还有不少其他焊接技术以及它们各种组合形式，这主要根据具体条件和工艺要求来选择。要求来选择。3.焊接工艺要点(1)焊前准备焊前准备包括以下方面：1)坡口的制备。坡口的制备宜采用冷加工方法，也可采用热加工方法，焊接坡口应保持平整，不得有裂纹、分层、夹渣等缺陷，尺寸应符合图样或焊接工艺的规定。坡口表面及两侧(焊条电弧焊10mm,埋弧焊20mm)应将水、铁锈、油污、熔渣及其他有害杂质清理干净。2)焊条、焊剂按规定进行烘干、保温。焊丝需去除油、锈等杂质。3)预热。低碳钢焊接一般不需要采用特殊的工艺措施,但若在寒冷冬季施焊时，焊接接头冷却速度快，裂纹倾向增大，特别是焊接厚度大的刚性结构时更是如此，为避免裂纹的产生，可采取焊前预热、焊接时保持层间温度和后热等工艺措施。预热温度可根据试验结果和相关标准具体确定，不同产品的预热温度不尽相同，见表5-2和表5-3。4)定位焊。所谓定位焊就是为组装和固定焊件上各零件的位置而进行的焊接，所形成的焊缝叫定位焊缝。定位焊须采用与所焊焊缝相同的焊接材料，按相同的焊接工艺施焊，定位焊缝不得有裂纹，否则必须清除重焊。熔入永久焊缝内的定位焊缝两端应便于接弧，如存在气孔、夹渣时应去除。(2)焊接要求焊接要求如下：1)焊工必须按图纸、工艺文件、技术标准的要求施焊。2)应在引弧板或坡口内引弧，禁止在非焊接部位引弧。熄弧时，弧坑要填满。3)施焊过程中应控制层间温度不超过规定的范围，当焊件预热时应控制层间温度不低于预热温度。4)每条焊缝应尽可能一次焊完，尽量避免中断。5)焊缝表面的形状尺寸及外观要求应满足相关标准的要求。6)焊缝表面不得有裂纹、气孔、弧坑和肉眼可见的夹渣等缺陷，焊缝上的熔渣和两侧的飞溅物必须清除。焊缝与母材应圆滑过渡。焊缝表面咬边缺陷应不超出相关标准的规定。中碳钢的焊接1.中碳钢的焊接特点中碳钢的含C量在0.30%～0.60％之间。当wC接近０.30％而wMn不高时，焊接性良好。随着wC的增加，焊接性逐渐变差。如果wC为0.50％左右而仍按焊接低碳钢常用的工艺施焊时，热影响区可能产生脆硬的马氏体组织，易开裂。当焊接材料和焊接过程控制不好时，甚至焊wC缝也会如此。焊接时，相当数量的母材会熔化进入焊缝使其杂质含量增高，容易产生焊缝热裂纹。特别是杂质S控制不严时，更易显示出来。这种热裂纹在弧坑处更为敏感。此外，由于wC增高，气孔敏感性也增大。中碳钢既可以用作强度较高的结构件，也可以用作机械部件和工具。用作机械部件和工具时，又常用其坚硬耐磨而非高强度。无论是高强度还是耐磨，常常通过热处理来达到所希望的性能。如果对已经热处理的部件进行焊接，则必须采取措施防止裂纹产生。不过，还需强调的是，焊接的热量会使热影响区软化，为了恢复热影响区性能，焊件需要再进行热处理。2.焊接方法和焊接材料的选择(1)焊条电弧焊中碳钢焊接性较差，大多用于制造机械零件，所以焊接中碳钢最常用的焊接方法主要是焊条电弧焊。要求焊缝金属与母材等强度时，应选用级别相当的焊条；在不要求等强度时，可选用强度级别低于母材的焊条。低氢型焊条有一定脱硫能力，熔敷金属塑性和韧性良好，扩散氢量又少，无论对热裂纹或氢致冷裂纹来说，抗裂性都较高，因此应尽量选用。在个别情况下，也可采用钛铁矿型或钛钙型焊条，但一定要有严格的工艺措施配合，例如认真控制预热温度和尽量减少母材熔深(减少焊缝wC)，方能有满意结果。特殊情况下，亦可采用铬镍奥氏体不锈钢焊条焊接，这时不需预热，而焊缝金属塑性良好，可以减少焊接接头的应力，避免热影响区冷裂纹产生。中碳钢焊条举例如表5-4所示。(2)其他焊接方法中碳钢的焊接有时也可以采用其他的焊接方法，这主要根据设计要求和具体情况而定，比如二氧化碳气体保护焊等。选用二氧化碳气体保护焊时，30、35号钢焊丝一般选用H08Mn2SiA、H04Mn2SiTiA和H04MnSiAlTiA。3.焊接工艺要点(1)焊前准备焊前应做如下方面准备工作：1)焊条在使用前应按规定温度进行烘干、保温。2)补焊前待焊处的缺陷彻底清除掉，认真清理待焊部位工件表面，去除铁锈、油污、水分等杂质。需要定位焊时焊缝不宜过小。3)预热，控制层间温度。大多数情况下，中碳钢焊接需要预热,焊接时控制层间温度，层间温度一般不能低于预热温度，以降低焊缝和热影响区冷却速度，从而防止产生马氏体，提高焊接接头的塑性，减小残余应力。预热温度取决于碳当量、母材厚度、结构刚性、焊条类型和工艺方法。一般来说，随着碳当量增高，接头厚度增大或电弧中氢含量增高，预热温度增高。通常，35号钢和45号钢预热温度可为150～250℃，wC再高，或厚度大，或刚性大预热温度可在250～400℃。如果采用局部预热，坡口两侧的加热范围为150～200mm。(2)焊接要求焊接中碳钢时，尽量采用窄焊道，短弧焊操作方法。如果是多层焊，前几层焊缝应采用小直径焊条，小焊接电流，以减少母材的熔深，但要熔透。中间层可用较高的线能量来完成。最后一道或几道盖面焊缝尽可能全部熔敷在前一层已熔敷的焊缝金属上，这种做法对原熔敷焊道的热影响区，特别是处在母材中的热影响区起到回火作用，降低该区的硬度和脆性，防止焊后热处理前产生裂纹。(3)焊后热处理焊后最好立即做消除应力热处理，特别是大厚度工件、大刚性结构件和苛刻的工况条件下(例如动载荷或冲击载荷)工作的工件更应如此。消除应力热处理温度一般为600～650℃。如果不可能立即消除应力，也应当后热，以便扩散氢逸出。后热温度不一定与预热温度相同，视具体情况而定。后热保温时间大约每10mm厚度为1小时左右。高碳钢的焊接1.高碳钢的焊接特点高碳钢wC大于0.6％，除了高碳结构钢外，还包括高碳碳素钢铸件和碳素工具钢等。高碳钢的wC比中碳钢更高，更容易产生硬脆的高碳马氏体，所以淬硬倾向和裂纹敏感倾向更大，从而焊接性更差。这类钢实际上不用于制造焊接结构，而用于高硬度或耐磨部件、零件和工具以及某些铸件，亦称为工具钢和铸钢，所以它们的焊接也大多数为焊接修复。为了获得高硬度或高耐磨性，高碳钢零件一般都经过热处理，常为淬火+回火，因此，焊接前进行退火，可以减少裂纹倾向，焊后再进行热处理，以达到高硬度和高耐磨性要求。2.焊接方法和焊接材料的选择由于高碳钢焊接性差，大多应用于硬度大或耐磨部件、零件和工具，所以焊接高碳钢最常用的焊接方法主要是焊条电弧焊。焊接材料通常根据钢的含碳量、工件设计和使用条件等，选用合适的填充金属。焊缝要与母材性能完全相同比较困难，这类钢的抗拉强度大多在675MPa以上，选用的焊接材料视产品设计要求而定，要求强度高时，一般用E7015-D2(J707)或E6015-D2(J607)，要求强度不高时，可用E5016(J506)或E5015(J507)等焊条，或者分别选用与以上强度等级相当的低合金钢焊条或填充金属，所有焊接材料都应当是低氢型的。必要时也可以用铬镍奥氏体不锈钢焊条焊接，焊条牌号与中碳钢用焊条相同，例如E308-16(A102)、E308-15(A107)、E309-16(A302)、EE309-15(