七_中碳钢、热轧钢的焊接

1、（第一节）（第一节）中碳钢的焊接工艺中碳钢的焊接工艺 中碳钢的中碳钢的（C）在）在0.300.60之间，之间，（Mn）为）为 0.51.2，（Si）在）在0.170.37。中碳钢除大量。中碳钢除大量用做机器零件外，目前有些船舶、建筑钢结构也采用中碳用做机器零件外，目前有些船舶、建筑钢结构也采用中碳钢，实际工程中经常需要进行中碳钢的焊接。钢，实际工程中经常需要进行中碳钢的焊接。 一、焊接用低碳钢的成分和性能 优质碳素结构钢优质碳素结构钢 如如GB/T699-1999中的中的30、35、45、55 一般工程用铸钢一般工程用铸钢 如GB/T11352-1989中的ZG270-500、ZG310-57

2、0、ZG340-640等。 表3-9 焊接常用中碳钢的化学成分表 3-10 焊接常用中碳钢的力学性能 二、中碳钢的焊接性分析二、中碳钢的焊接性分析 中碳钢中碳钢(C)范围为范围为0.300.60。按。按IIW计算的碳当量在计算的碳当量在0.40080%之间，当之间，当(C)接近接近0.30而而（Mn）不高的）不高的Q275、30、30Mn钢，焊接钢，焊接性良好。随着性良好。随着(C)的增加，焊接性逐渐变差。的增加，焊接性逐渐变差。 冷裂纹冷裂纹 热影响区可能产生硬脆的马氏体组织，使其强度提高、脆化热影响区可能产生硬脆的马氏体组织，使其强度提高、脆化和硬化，冷裂纹敏感性增大。当焊接材料和焊接过程

3、控制不和硬化，冷裂纹敏感性增大。当焊接材料和焊接过程控制不好，焊缝扩散氢含量较大时，焊缝也开裂。好，焊缝扩散氢含量较大时，焊缝也开裂。主要带来的问题：主要带来的问题： 热裂纹热裂纹 随着碳含量的增加，增加了焊缝中的随着碳含量的增加，增加了焊缝中的S、P偏析，焊缝中的偏析，焊缝中的热裂纹倾向增大，特别是杂质硫控制不严时，更显示出来。热裂纹倾向增大，特别是杂质硫控制不严时，更显示出来。这种热裂纹在弧坑处更为敏感。这种热裂纹在弧坑处更为敏感。气孔气孔 焊接时，因熔化母材中的碳进入熔池，导致焊缝金属碳含量焊接时，因熔化母材中的碳进入熔池，导致焊缝金属碳含量增加，也增加了气孔增加，也增加了气孔(CO)的

4、敏感性。的敏感性。 热影响区软化热影响区软化焊前经过淬火处理的中碳钢零件，在热影响区可能出现焊前经过淬火处理的中碳钢零件，在热影响区可能出现回火软化现象。回火软化现象。 有时为了提高中碳钢耐磨或耐蚀性能，在表面堆焊一层高合金层。此时应防止堆焊层与基体成分差异过大在熔合区产生过多的合金马氏体组织，易造成该区冷裂纹或产生剥离。 对于中碳钢铸钢件，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。 三、中碳钢的焊接工艺三、中碳钢的焊接工艺（一）焊接方法的选择常用方法常用方法中碳钢焊接性较差，大都用于制造机械零件，焊接方法应选用焊中碳钢焊接性较差，大都用于制造机械零件，焊接方法应选用焊

5、接热输入易控制，且较小的焊接方法，如焊条电弧焊，接热输入易控制，且较小的焊接方法，如焊条电弧焊，CO2气体气体保护焊、氩弧焊等。保护焊、氩弧焊等。 电渣焊电渣焊与埋弧焊相比，由于电渣焊渣池对焊件良好的预热作用，以及冷与埋弧焊相比，由于电渣焊渣池对焊件良好的预热作用，以及冷却速度极慢的特点，更适宜于中碳钢的焊接。如焊丝却速度极慢的特点，更适宜于中碳钢的焊接。如焊丝-焊剂组合选焊剂组合选配恰当，焊接工艺参数合适，则焊缝及热影响区不至于出现淬硬配恰当，焊接工艺参数合适，则焊缝及热影响区不至于出现淬硬组织，焊后产生冷裂纹的倾向也小。缺点是只适合于厚板长直焊组织，焊后产生冷裂纹的倾向也小。缺点是只适合于

6、厚板长直焊缝，且焊后应进行正火热处理以细化晶粒，如大型齿轮毛坯、电缝，且焊后应进行正火热处理以细化晶粒，如大型齿轮毛坯、电机座、压力机机架、压力机压辊、大型油压机支柱和柱体的焊接，机座、压力机机架、压力机压辊、大型油压机支柱和柱体的焊接，用电渣焊能减少制造时间，节省焊剂消耗。用电渣焊能减少制造时间，节省焊剂消耗。 埋弧焊埋弧焊不推荐使用埋弧焊。如必须使用，也只限于不推荐使用埋弧焊。如必须使用，也只限于（C）0.40的中的中碳钢中薄板，如含碳量处于下限的碳钢中薄板，如含碳量处于下限的35钢（钢（W（C）0.32 0.40）及）及 30钢（钢（C）0.270.35）。选用低碳优质焊丝）。选用低碳优

7、质焊丝 H08A、H08E、H08MnA配硅钙型烧结焊剂配硅钙型烧结焊剂SJ301、SJ302，焊前，焊前应预热到应预热到150。焊后立即进行消除应力处理或去氢处理。焊后立即进行消除应力处理或去氢处理。 （二）焊接材料的选择尽量采用低氢型尽量采用低氢型焊接材料焊接材料 应尽量选用抗裂性好的低氢型焊条，因熔敷金属扩散氢量少，应尽量选用抗裂性好的低氢型焊条，因熔敷金属扩散氢量少，去硫能力强，故熔敷金属塑性、韧性良好，抗裂性好。如果去硫能力强，故熔敷金属塑性、韧性良好，抗裂性好。如果选用非低氢型焊条，如钛铁矿型或钛钙型焊条进行焊接，必选用非低氢型焊条，如钛铁矿型或钛钙型焊条进行焊接，必须采取严格的工

8、艺措施配合，如控制预热温度、减少母材熔须采取严格的工艺措施配合，如控制预热温度、减少母材熔合比等，才能获得满意的结果。合比等，才能获得满意的结果。 特殊情况下选特殊情况下选择焊接材料择焊接材料如母材不允许预热时，可选用铬镍奥氏体不锈钢焊条焊接，如母材不允许预热时，可选用铬镍奥氏体不锈钢焊条焊接，焊缝金属为奥氏体组织，塑性好，可减少焊接接头应力，避焊缝金属为奥氏体组织，塑性好，可减少焊接接头应力，避免热影响区冷裂纹的产生。用于中碳钢焊接的铬镍奥氏体不免热影响区冷裂纹的产生。用于中碳钢焊接的铬镍奥氏体不锈钢焊条有锈钢焊条有E30816（A102）、）、E30815（A107）、）、E30916（A

9、302）、）、E30915（A307）、）、E31016（A402）、）、 E31015（A407）等。）等。 焊缝金属与母焊缝金属与母材强度匹配材强度匹配要求焊缝金属与母材等强度时，应选用强度级别相当的低氢碱性要求焊缝金属与母材等强度时，应选用强度级别相当的低氢碱性焊条；在不要求等强度时，可选用焊条；在不要求等强度时，可选用强度级别低于母材强度级别低于母材的低氢碱性的低氢碱性焊条，例如焊接母材为焊条，例如焊接母材为490MPa的钢，可选用的钢，可选用E4316、 E4315焊焊条。条。 考虑焊前状态考虑焊前状态热处理前即退火状态下焊接，选用焊条必须使焊缝金属成分与热处理前即退火状态下焊接，选

10、用焊条必须使焊缝金属成分与母材相近，以使焊后经热处理的焊缝金属达到与母材相同的性母材相近，以使焊后经热处理的焊缝金属达到与母材相同的性能；如在热处理后（一般为调质处理）的部件上焊接，则必须能；如在热处理后（一般为调质处理）的部件上焊接，则必须选用低氢碱性焊条，采取相应工艺措施，以防止裂纹和减少热选用低氢碱性焊条，采取相应工艺措施，以防止裂纹和减少热影响区的软化。影响区的软化。 （三）焊接工艺要点预热预热中碳钢焊接需要预热，控制层间温度（一般不能低于预热温度），中碳钢焊接需要预热，控制层间温度（一般不能低于预热温度），以降低焊缝金属和热影响区的冷却速度，抑制马氏体的形成，提以降低焊缝金属和热影响

11、区的冷却速度，抑制马氏体的形成，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、母村厚度、结构刚度、焊条类型和工艺方法。如表村厚度、结构刚度、焊条类型和工艺方法。如表3-6 焊后热处理焊后热处理焊后最好立即消除应力热处理，至少应在焊件冷却到预焊后最好立即消除应力热处理，至少应在焊件冷却到预热温度或层间温度之前进行，消除应力回火温度一般为热温度或层间温度之前进行，消除应力回火温度一般为600650，焊件在炉中加热和冷却应平缓，以减少截，焊件在炉中加热和冷却应平缓，以减少截面厚度方向的温度梯度。面厚度方向的温度梯度。 工艺措施工艺措施

12、降低母材熔合比（降低母材熔合比（U形坡口），减小热输入，降低冷却速形坡口），减小热输入，降低冷却速度（细焊条，小电流，多层焊等），焊件置于立焊或半立度（细焊条，小电流，多层焊等），焊件置于立焊或半立焊位置，焊条作横向摆动，其幅度取焊条直径的焊位置，焊条作横向摆动，其幅度取焊条直径的58倍。倍。 冶金保护冶金保护焊接中碳钢采用焊接中碳钢采用J507焊条，当焊接沸腾钢时，加入含有足焊条，当焊接沸腾钢时，加入含有足够数量脱氧剂（例如够数量脱氧剂（例如 Al、 Mn、 Si）的填充金属，可以防）的填充金属，可以防止焊缝气孔。止焊缝气孔。 后热后热若焊后不可能立即消除应力，也应当进行后热，以便去氢。后若

13、焊后不可能立即消除应力，也应当进行后热，以便去氢。后热保温时间大约每热保温时间大约每10mm厚度为厚度为lh左右。左右。 中碳钢的焊接并不少见，例如40、45或 50钢的焊接时有发生。不过，这些钢材往往制成机器零件，并非大型结构，所以大多为焊条电弧焊。 三、中碳钢焊接实例 例如，一根45钢、75mm的机轴，采用焊接办法接长。焊前接头处开成坡口，预热200，采用E5015（J507）焊条（预先按焊条说明书规定烘培）焊接。第1层焊缝焊接电流为170180A，务必焊透；第2层及以后各层焊接电流为180190A。焊接时，保持层间温度200，焊完以后立即消除应力，T65015、2.5h，接着缓冷，24h

14、以后打开取出。 又如中碳钢的CO2气体保护焊，工件为锻压机的对击锤头，工况条件恶劣，承受250kg的巨大冲击载荷。锤头材质为ZG270-500，b490MPa,s275MPa。使用过程中，锤头滑道板断裂，共4道通长裂纹，总长约6m。如用焊条电弧焊，估计需焊条2t，焊接及中间消除应力热处理时间总共约需1个月，劳动强度也大。因此，选用CO2气体保护焊，焊丝为H08Mn2SiA，其熔敷金属的b和s皆与母材匹配。锤头滑道板曾经表面淬火强化，故焊前先行退火。预热和层间温度为200250。焊接时先用J350焊条在工件表面进行预堆焊，再用CO2气体保护焊焊接。当坡口中焊缝金属约达1/2时，进行450480、

15、2.5h的中间消除应力热处理。焊缝全部完成后，立即进炉进行最后消除应力热处理。 第第二二节节 热轧及正火钢的焊接工艺热轧及正火钢的焊接工艺 热轧钢或正火钢热轧钢或正火钢-屈服强度为屈服强度为295490Mpa的低合金的低合金高强钢，一般是在热轧或正火状态下供货使用，故称为高强钢，一般是在热轧或正火状态下供货使用，故称为热轧钢或正火钢，属于非热处理强化钢。热轧钢或正火钢，属于非热处理强化钢。 热轧钢热轧钢正火钢正火钢正火状态下使用正火状态下使用正火正火+回火状态下使用（含钼（回火状态下使用（含钼（Mo)钢）钢） 一、热轧及正火钢的性能特点 典型热轧及正火钢的化学成分及牌号见表7-2，力学性能见表

16、7-3。热轧钢热轧钢s295390MPa的钢，主要以的钢，主要以Mn、Si起固溶强化。起固溶强化。也可再加入也可再加入V、Nb以达到细化晶粒和沉淀强化的作用。以达到细化晶粒和沉淀强化的作用。 Q295、Q345、Q390；组织为细晶粒；组织为细晶粒F+P。正火正火+回火状回火状态使用的钢态使用的钢正火状态下正火状态下使用的钢使用的钢Q420、HW530、HW590；正火处理；正火处理碳化物析出碳化物析出沉淀强化、细晶沉淀强化、细晶强度、韧性，强度、韧性，焊接性。水电站压焊接性。水电站压力钢管、压力容器（特别是球形储罐）用钢力钢管、压力容器（特别是球形储罐）用钢 加入加入Mo强度、细晶，提高钢的

17、中温耐热性，但强度、细晶，提高钢的中温耐热性，但塑性、韧性（须正火后回火以改善）。一般在塑性、韧性（须正火后回火以改善）。一般在Mn-Mo 系上加系上加Ni或或Nb。13MnNiMoNb、18MnMoNb。主要用于制造高压锅炉锅筒。主要用于制造高压锅炉锅筒。 二、热轧及正火钢的焊接性分析 焊接性分析找出焊接时可出现的问题（性能不合格或焊接缺陷）。 热轧及正火钢属于非热处理强化钢，碳及合金元素的含量比较低，此类钢总的焊接性较好，但Me及强度 焊接性。主要为焊接裂纹与HAZ脆化。 1焊接裂纹 结晶裂纹结晶裂纹含碳量较低，含锰量都较高，含碳量较低，含锰量都较高，Mn/S比值较大，因而具有较好的抗比值

18、较大，因而具有较好的抗热裂性能；特殊情况下（热裂性能；特殊情况下（C、S同时居上限或偏析严重）可能产生。同时居上限或偏析严重）可能产生。防止：防止：Mn、CS含量（用低氢型焊条、超低碳焊丝含量（用低氢型焊条、超低碳焊丝+高高Mn高高Si焊剂、焊剂、熔合比）。熔合比）。 消除应力裂纹消除应力裂纹 含含Mo正火钢厚壁压力容器之类的焊接结构，进行焊后消除应力正火钢厚壁压力容器之类的焊接结构，进行焊后消除应力热处理或焊后再次高温加热（包括长期高温使用）的过程中产热处理或焊后再次高温加热（包括长期高温使用）的过程中产生，也称再热裂纹（简称生，也称再热裂纹（简称SR裂纹）。其他有沉淀强化的钢或合裂纹）。其

19、他有沉淀强化的钢或合金（如珠光体耐热钢、奥氏体不锈钢等）的焊接接头中，也可金（如珠光体耐热钢、奥氏体不锈钢等）的焊接接头中，也可能产生消除应力裂纹。在热轧及正火钢中，能产生消除应力裂纹。在热轧及正火钢中，18MnMoNb钢对消钢对消除应力裂纹比较敏感。通过提高预热温度除应力裂纹比较敏感。通过提高预热温度(如将如将T0由由180提高提高到到230)或焊后及时进行后热或焊后及时进行后热(180预热，焊后立即进行预热，焊后立即进行180X2h后热后热)，可有效地防止消除应力裂纹。，可有效地防止消除应力裂纹。冷裂纹冷裂纹 热轧钢的冷裂纹敏感性高于低碳钢。强度级别热轧钢的冷裂纹敏感性高于低碳钢。强度级别

20、、冷速、冷速冷裂倾向冷裂倾向 层状撕裂层状撕裂 主要与钢的冶炼质量、板厚、接头形式和主要与钢的冶炼质量、板厚、接头形式和Z向应力有关。厚板结构及向应力有关。厚板结构及T型接头、角接接头用型接头、角接接头用Z向钢。注意：层状撕裂主要以含向钢。注意：层状撕裂主要以含S量及量及z来来衡量，而与钢材的强度无直接关系。衡量，而与钢材的强度无直接关系。 2.热影响区的脆化 过热区脆化过热区脆化热应变脆化热应变脆化（1）热影响区（过热区）的脆化热轧钢（16Mn）：1）c偏下限：E过大晶粒粗化（魏氏组织）脆化严重；防止：E。2）c偏上限：E过大晶粒粗化；E偏低冷速快高碳M脆化。防止：适当加大E。Wc=0.14

21、%的M4钢的ak值随冷却速度的提高而上升。Wc=0.17%的M2钢，因含碳量的增加，E偏大时形成含碳量较高的魏氏体而脆化，E偏小时出现含碳量高的马氏体而脆化。其线能量调整的范围较窄。正火钢：原因：晶粒粗化（次要原因），主要为：过热区加热至高温1200碳化物或氮化物分解溶入A。焊接时冷速快碳化物形成元素来不及析出形成固溶体脆化。防止：用较小的E。 （2）热应变脆化原因原因加热与应变同时作用下产生。由固溶的加热与应变同时作用下产生。由固溶的N引起，引起，200400为敏感温度区，大多发生在固溶含氮的低碳钢和强为敏感温度区，大多发生在固溶含氮的低碳钢和强度较低的低合金钢度较低的低合金钢(如如b为为4

22、90MPa级的级的CMn钢钢)中。中。 热应变脆化热应变脆化-指钢在指钢在200Ac1温度范围内，受到较温度范围内，受到较大的塑性变形（大的塑性变形（5%10%）后，出现断裂韧性明显下降，）后，出现断裂韧性明显下降，脆性转变温度明显升高的现象。脆性转变温度明显升高的现象。 防止防止若钢中加入足够的氮化物形成元素，可以显著降低热应若钢中加入足够的氮化物形成元素，可以显著降低热应变脆化倾向。消除热应变脆化的有效措施是进行焊后热变脆化倾向。消除热应变脆化的有效措施是进行焊后热处理，经处理，经 600左右的消除应力退火后，材料的韧性可左右的消除应力退火后，材料的韧性可恢复到原有水平。恢复到原有水平。

23、16Mn钢焊后，韧脆转变温度比焊前提53，15MnVN钢升高30 ，说明二者都有一定的热应变脆化倾向。15MnVN中虽然加了氮，但因钒有固氮作用，故脆化倾向比16Mn低些。16Mn钢经600 lh退火处理后，韧性基本恢复正常。 三、热轧及正火钢的焊接工艺（一）焊接方法的选择 对焊接方法没有特殊要求，通常根据产品的结构特点、批量、生产条件及经济效益等综合效果选择焊接方法。生产中常用的焊接方法有： 焊条电弧焊焊条电弧焊埋弧焊埋弧焊CO2气体保护焊气体保护焊电渣焊电渣焊高效焊接方法高效焊接方法窄间隙的气电立焊和埋弧焊窄间隙的气电立焊和埋弧焊 可用各种切割方法下料，如气割、电弧气刨、等离子切割等。（二

24、）焊接材料的选择等强原则选择等强原则选择焊条碳含量，合金元素含量低于母材。适用于焊接焊条碳含量，合金元素含量低于母材。适用于焊接 Q420（15MnVN）的焊条）的焊条E5515的化学成分为：的化学成分为：（C）0.12，（Mn）1.2%，（Si）0.5%。所以从成分上看，含。所以从成分上看，含C、Mn量都比量都比 15MnVN低，而且根本不含沉淀强化的元素低，而且根本不含沉淀强化的元素 V。但焊缝金属的但焊缝金属的b能达到能达到549608MPa，同时还具有很高的，同时还具有很高的塑性和韧性。塑性和韧性。考虑热处理情考虑热处理情况选择况选择焊后有热处理时，应适当焊后有热处理时，应适当焊缝金属

25、的强度（即选用焊缝金属的强度（即选用强度稍高的焊接材料）强度稍高的焊接材料）防止热处理后焊缝金属的强防止热处理后焊缝金属的强度下降。度下降。 考虑熔合比和冷考虑熔合比和冷却速度选择却速度选择埋弧焊时，熔合比与焊剂是必须考虑的方面（如埋弧焊时，熔合比与焊剂是必须考虑的方面（如焊缝焊缝Mn、Si含量少，则须从焊丝和焊剂过渡含量少，则须从焊丝和焊剂过渡Mn、Si采用低采用低Mn低合金钢焊丝配合高低合金钢焊丝配合高Mn高高Si焊剂）焊剂） 考虑结构因素考虑结构因素的影响的影响 对于厚板、拘束度大或冷裂倾向大的焊接结构，以及对于厚板、拘束度大或冷裂倾向大的焊接结构，以及重要的产品，应选用低氢或高韧性的焊

26、接材料重要的产品，应选用低氢或高韧性的焊接材料 （三）焊接工艺参数的确定 1.焊接热输入的确定 主要取决于过热区的脆化和冷裂两个因素。依钢材的强度而定。强度级别较低线能量调整范围宽；强度级别较高线能量调整范围窄（可配合预热或后热，既防止冷裂，又可接头韧性）。 Q295和含碳低的和含碳低的Q345固溶强化提高强度，线能量影响不大。但固溶强化提高强度，线能量影响不大。但是，对于含碳量较高的是，对于含碳量较高的Q345钢，则必须钢，则必须考虑在线能量较小时会产生淬火组织的可考虑在线能量较小时会产生淬火组织的可能，而应选用较大的线能量。能，而应选用较大的线能量。 Q390和和18MnMoNb沉淀强化元

27、素多，过热区因沉淀强化相的溶解而造成脆沉淀强化元素多，过热区因沉淀强化相的溶解而造成脆化，故线能量不宜过大。即在焊接这类钢时，线能量的化，故线能量不宜过大。即在焊接这类钢时，线能量的上限应当是保证过热区不会出现由于沉淀强化相溶解而上限应当是保证过热区不会出现由于沉淀强化相溶解而造成的脆化。对含碳及合金元素较多的钢，还需要考虑造成的脆化。对含碳及合金元素较多的钢，还需要考虑防止冷速过大而出现淬火组织或冷裂纹，因而线能量亦防止冷速过大而出现淬火组织或冷裂纹，因而线能量亦不宜过小。不宜过小。 2.预热温度的确定 焊前预热是防止冷裂纹，改善接头性能的重要措施。预热温度受母材强度、焊条类型、坡口形式、环

28、境温度等因素的影响，并可利用其中有关经验公式进行初步估算。 3.焊后热处理 热轧及正火钢常用的热处理制度有消除应力退火、正火或正火+回火等。常用热处理参数见表7-6。 在下列情况下，要求热轧及正火钢进行焊后热处理： 1)母材屈服点490MPa，为了防止延迟裂纹，焊后应立即进行消除应力退火或消氢处理。 2)厚壁压力容器为了防止由于焊接时在厚度方向存在温差，而形成三向应力场所导致的脆性破坏，焊后应进行消除应力退火。 3)电渣焊接头为了细化晶粒，提高接头韧性，焊后一般要求进行正火或正火+回火处理。 4)对可能发生应力腐蚀开裂或要求尺寸稳定的产品，焊后应进行消除应力退火。焊后要进行机械加工的构件，在加工前应进行消除应力退火。 在确定退火温度时，应注意两点：一是退火温度不应超过焊前的回火温度，以