碳钢的焊接性

1 碳钢的焊接性碳钢的焊接性 碳素钢的焊接性随含碳量增加而恶化 因为含碳量较高的钢从焊接温度快速冷却 下容易被淬硬 被淬硬的焊缝和热影响区因其塑性下降 在焊接应力容易产生裂纹 碳素钢被淬硬主要是在马氏体组织形成而引起 马氏体的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 因此 焊接含砚较高的 碳素钢时 就应当注意减缓冷却速度 使马氏体的数量减至最少 焊接的冷却速度受焊接热输入 母材板厚和环境温度的影响 厚板或在低温条件 下焊接 其冷却速度加快 预热或加大焊接线能量 可以降低冷却速度 减少裂纹产 生 碳素钢的碳含量增加到约 0 15 以上时 对氢致裂纹尤其敏感 因此 焊接碳含 量高于 0 15 的碳素钢时 须注意减少氢的来源 例如大气中的水分 焊前对待焊部 位及附近须清除油污 铁锈等 手弧焊时宜选用低氢焊条 在其它焊接方法中应制造 低氢环境 以减少焊缝周围环境中的氢含量 焊接碳素钢时产生裂纹的力学原因是结构的拘束力和不均衡的热应力 即使是不 易淬硬的低碳钢 在受拘束力条件下采用了不正确的焊接程序 也会因这些应力过大 而产生裂纹 总之 对碳素钢的焊接 应针对其碳含量不同而采取相应的工艺措施 当含碳较 低时 如低碳钢 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 当 含碳量较高时 如高碳钢 除了防止因这些因为应力所引起的裂纹外 还要特别注意 防止因淬硬而引起的裂纹 低碳钢的焊接低碳钢的焊接 焊接特点焊接特点 低碳钢的含碳量低 0 25 其它合金元素含量较少 故是焊接性最好的钢种 采用通常的焊接方法后 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 用电弧焊焊接低碳钢时 为了提高焊缝金属的塑性 韧性 和抗裂性能 通常都 是使焊缝金属的碳含量低于母材 依靠提高焊缝中的硅 锰含量和电弧所具有较高的 冷却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 其强度会提高 而塑性和韧性会下降 当厚板单层角焊缝时 焊角尺寸不宜过小 多层焊时 应尽量 连续施焊 焊补表面缺陷时 焊缝应具有一定的尺寸 焊缝长度不得过短 必要时应 2 采用 100 150 的局部预热 焊接材料焊接材料 电弧焊用焊条 用于焊接结构的低碳钢多是 Q235 钢 其抗拉强度平均约 417 5N mm2 按等强度原 则应选用 E43 系列焊条 它的熔敷金属抗拉强度不小于 420 N mm2 43kgf mm2 在 力学性能上与母材恰好相匹配 当焊接重要的或裂纹敏感性较大的结构时 常选用低氢型碱性焊条 如 E4316 E4315 E5016 EE5015 等 因这类焊条具有较好的抗裂性能和力学性能 其 韧性和抗时效性能也很好 但这类焊条工艺性能较差 对油 锈和水份很敏感 焊前 需在 350 400 下烘干 1 2 小时 并需对接头作彻底清理干净 所以对于一般的焊接结 构 推荐选用工艺性能较好的酸性焊条 如 E4303 E4313 E4320 等 这些焊条虽然 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 用性能要求 低碳钢焊条选用举例低碳钢焊条选用举例 一般结构 包括壁厚不大的中 低压容器 动载荷 复杂和厚板结构 重要的受压容器 低温下焊接钢号 型号牌号牌号型号 施焊条件 Q235E4313J421E4303J422一般不预热 E4303J422E4301J423 E4301J423E4320J424 E4320J424E4311J425 E4311J425E4316J426 Q255 E4315J427 厚板结构预热 150 以上 E4303J422E4316J426 E4301J423E4315J427 E4320J424E5016J506 08 10 20 E4311J425E5015J507 一般不预热 E4316E426E5016E506 25 E4315E427E5015E507 厚板结构预热 150 以上 E4303J422E4316J426 20g 22g 20R E4301J423E4315J427 一般不预热 焊接工艺要点焊接工艺要点 为确保低碳钢的焊接质量 在焊接工艺方面须注意 1 焊前清除焊件表面铁锈 油污 水份等杂质 焊接材料焊前烘干 2 角焊缝 对接多层焊的第一层焊缝以及单道焊乡要避免采用窄而深的坡口形式 以防止出现裂纹 未焊透或夹渣等焊接缺陷 3 3 焊接刚性大的构件时 为了防止产生裂纹 宜采用焊前预热和焊后消除应力的 措施 4 在环境温度低于 10 以下时焊接低碳钢结构时接头冷却快 为了防止产生裂 纹 应采取以下减缓冷却速度的措施 a 焊前预热 焊时保持层间温度 b 采用低氢型或超低氢型焊接材料 c 点固焊时须加大焊接电流 适当加大点固焊的焊缝载面和长度 必要时焊 前也必须预热 d 整条焊缝连续焊完 尽量避免中断 熄弧时要填满弧坑 低碳钢焊接时预热及焊后消除应力热处理温度低碳钢焊接时预热及焊后消除应力热处理温度 钢号材料厚度 mm 预热温度和层间温度 消除应力热处理温度 50 Q235 Q255 08 10 15 20 50 100 100 600 650 25 50 600 650 25 20g 22g 20R 25 100 600 650 低碳钢低温下焊接时预热温度低碳钢低温下焊接时预热温度 焊件厚度 mm 环境温度 梁 柱 桁架管道 容器 预热温度 30 以下 30 16100 150 20 以下到 30 31 3417 30100 150 10 以下到 20 35 5031 40100 150 0 以下到 10 51 7041 50100 150 4 中碳钢的焊接中碳钢的焊接 焊接特点焊接特点 中碳钢含碳量较高 其焊接性比低碳钢差 当 接近下限 时 焊接性良好 随着含碳量增加 其淬硬倾向随之增大 在热影响区容易产生低塑性的 马氏体组织 当焊件刚性较大或焊接材料 工艺参数选择不当时 容易产生冷裂纹 多层焊焊接第一屋焊缝时 由于母材金属熔合到焊缝中的比例大 使其含碳量及硫 磷含量增高 容易产生热裂纹 此外 碳含量高时 气孔敏感性增大 焊接材料焊接材料 应尽量选用抗裂性能好的低氢型焊接材料 焊条电弧焊时 若要求焊缝与母材等 强度 宜选用强度级别相当的低氢型焊条 若不要求等强度时 则选用强度级别比母 材低一级的低氢型焊条 以提高焊缝的塑性 韧性和抗裂性能 如果选用非低氢型焊条进行焊接 则必须在严格的工艺措施配合 如控制预热温 度 减少母材的熔合比等 当工件不允许预热时 可选用塑性优良的铬镍奥氏体不锈钢焊条 这样可以减少 焊接接头应力 避免热影响区冷裂纹产生 中碳钢焊接用焊条 预热及消除应力热处理温度中碳钢焊接用焊条 预热及消除应力热处理温度 焊条 不要求等强度要求等强度要求高塑 韧性 钢号 型号牌号型号牌号型号牌号 板厚 mm 预热及层 间温度 消除应力 热处理温度 E4303J422E5016J506 25 E4301J423E5015J507 25 50600 650 E4316J426 30 E4315J427 25 50 100 600 650 E4303J422E5016J506 35 E4301J423E5015J507 E4316J426E5516J556E308 16A102ZG270 570E4315J427E5515J557E309 16A302 50 100 150 600 650 E4316J426E5516J556E309 15A307 45 E4315J427E5515J557E310 16A402 E5016J506E6016J606E310 15A407ZG310 570E5015J507E6015J607 100 200 600 650 E4316J426E6016J606 55 E4315J427E6015J607 100 250 600 650 5 E5016J506ZG340 640E5015J507 用铬 镍奥氏体不锈钢焊条时 预热温度可降低或不预热 焊接工艺要点焊接工艺要点 1 预热和层间温度 预热是焊接和焊补中碳钢防止裂纹的有效工艺措施 因为预 热可降低焊缝金属和热影响区的冷却速度 抑制马氏体的形成 预热温度取决于碳含 量 母材厚度 结构刚性 焊条类型和工艺方法等 最好是整体预热 局部预热 其 加热范围应为焊口两侧 150 200mm 左右 多层焊时 要控制层间温度 一般不低于预热的温度 2 浅熔深 为了减少线材金属熔入焊缝中的比例 焊接接头可做成 U 型或 V 型坡 口 如果是焊补铸件缺陷 所铲挖的坡口外形应圆滑 多层焊时应采用小焊条 小焊 接电流 以减少熔深 3 焊后处理 最好是焊后冷却到预热温度之前就进行消除应力热处理 尤其是大 厚度工件或大刚性的结构件更应如此 消除应力热处理温度一般在 600 650 之间 如果焊后不能立即消除应力热处理 则应先进行后热 以便扩散氢逸出 后热温度 150 保温 2 小时 4 锤击焊缝金属 没有热处理消除焊接应力的条件时 可焊接过程中用锤击热态 焊缝的方法减小焊接应力 并设法使焊缝缓冷 6 高碳钢的焊接高碳钢的焊接 焊接特点焊接特点 含碳量 w C 0 6 的高碳钢淬硬性高 很容易产生又硬又脆的高碳马氏体 在焊缝和热影响区中容易产生裂纹 难以焊接 帮一般都不用这类钢制造焊接结构 而用于制造高硬度或耐磨的部件或零件 对它们的焊接多数是破损件的焊补修理 高碳钢零 部件的高硬度或高耐磨性能是通过热处理获得 因此焊补这些零 部 件前应先行退火 以减少焊接裂纹 焊后再重新进行热处理 焊接材料焊接材料 按焊缝性能要求来选用高碳钢的焊接材料 要求达到与线材完全相同的性能是比 较难的 在焊条电弧焊情况下 当要求强度高时 可选用 E7015 J707 或 E6015 J607 焊条 要求低时 选用铬 镍奥氏体不锈钢焊条 如 E309 16 A302 E309 15 A307 等 这时预热温度可降低或不需预热 焊接要点焊接要点 高碳钢焊接性差 焊接时性必须注意 1 应先退火而后焊接 2 采用结构焊条时 焊前必须预热 预热温度和层间温度应在 350 以上 3 采取与焊接中碳钢相似的工艺措施 尽量减少熔合比 小焊接电流 低焊接速 度 焊接尽可能连续进行 中间不停止 4 焊后缓冷 并应立即送入炉中进行消除应力的高温回火 随后根据需要作相应 的热处理 7 合金结构钢的焊接合金结构钢的焊接 合金结构钢及其分类合金结构钢及其分类 合金结构钢是在碳素钢的基础上有目的地加入一种或几种合金元素的钢 常用的合金元素有 锰 硅 铬 镍 钼 钨 钒 钛 硼等 加入合金元素可使钢的性能产生预期的变化 如提高其 强度 改善其韧性 或使其具有特殊的物理 化学性能 如耐热性各耐蚀性等 合金结构钢的应用领域很广 种类繁多 可化学成分 合金系统 组织状态 用途或使用性能 等方面分类 例如 按合金元素总含量的多少分有 1 低合金钢 一般 w Me 5 2 中合金钢 w Me 5 10 3 高合金钢 w Me 10 按用途合性能分有 1 强度用钢 即通常所说的高强度用钢 2 特殊用途钢 这类钢主要用于在特殊条件下工作的机械零件和工程结构 新标准与旧标准牌号对照新标准与旧标准牌号对照 GB T1591 1994 规定牌号GB T1591 1988 规定牌号 Q29509MnV 09MnNb 09Mn2 12Mn Q34512MnV 14MnNb 16MnRE 18Nb Q39015MnV 15MnTi 16MnNb Q42015MnVN 14MnVTiRE 按供货状态分 强度用分为热轧与正火钢 低碳调质钢等到三类 各类钢的组织性能有其共同 点 且与焊接性密切相关 简介如下 1 热轧正火钢热轧正火钢 是一种非热处理强化钢 一般是在热轧 控轧 正火 正火加回火状态下供 货 使用时不进行热处理 这类钢合金元素含量低 一般 w Me 3 屈服点在 295 460MPa 范 围 所以又称为低合金高强度钢 钢中主要元素是 Mn 有些辅以 V Ti Nb 等 这类钢被广泛应 用于各种焊接结构 2 低碳调质钢低碳调质钢 是一种热处理强化钢 一般在调质状态下供货 其含碳量较低 通常 w C 在 0 25 以下 钢中 Mn Mo 为主要元素 有些辅以 V Cr Ni B 等 这类钢只需加入少量合金 元素 通过调质处理 就能获得高的强度 又有较好的塑性和韧性 可以直接在调质状态下焊接 焊后不必进行调质处理 必要时可进行消除应力处理 由于这类钢强度高 韧性好 焊接热影响区淬硬倾向小 冷裂纹敏感性较低 所以在重大焊接 8 结构中得到越来越广泛应用 但是 这类钢焊后在热影响区中出现软化区 3 中碳调质钢中碳调质钢 也是一种热处理强化钢 其含碳量比低碳调质钢高 w C 0 3 因此淬硬性 比低碳调质钢高很多 中碳调质钢常用于强度要求很高的产品和构件 如火箭发动机壳体 飞机起 落架等 由于它的强度和硬度很高其韧性相对较低 给焊接带来较大困难 通常需要在退火状态下 焊接 焊后再通过整体热处理来达到所需的强度和硬度 热轧及正火钢的焊接性热轧及正火钢的焊接性 在熔焊条件下热轧及正火钢随着强度级别的提高和合金元素含量的增加 焊接的难度增大 这 类钢焊接的主要问题是热影响区的脆化和产生各种裂纹 热影响区脆化热影响区脆化 1 过热区脆化 过热区是指热影响区中熔合线附近母材被除数加热到到 1100 以上的区域 又叫粗晶区 由于该区温度高 发生奥氏体晶粒显著增大和一些难熔质点熔入而致了性能变化 这 种变化既和钢材的类型 合金系统有关 又和焊接热输入有关 因为热输入直接影响高温停留时间 和冷却速度 热轧钢系固溶强化钢 在热轧状态下使用 导致热轧钢过热区脆化的原因是 焊接输入偏高 使该区的奥氏体晶粒严重增大 稳定性增加 使之转变产物先析铁素体和共析铁素体的延伸发展 除沿晶界析出外还向晶内延伸 形成魏氏体组织及其他塑性低的混合组织 从而使过热区脆化 因 此对于像 Q345 16Mn 之类固熔强化的热轧钢 焊接时 采用适当低的输入热等工艺措施来抑制 过热区奥氏体晶粒长大及魏氏组织的出现 是防止过热区脆化的关键 正火钢过热区脆化下热轧钢不同 其热过敏性比热钢大 这是因为两者合金化方式不同 对含 Ti 和 V 的 15MnTi 与 Q420 15MnVN 钢研究表明 随着焊接热输入增大 高温停留时间延长 Ti V 溶解得越充分 其脆化就显著 所以用小热输入是避免这类正火钢过热区脆化的有效措施 如果为了提高正钢的焊接生产效率面采用大的热输入焊接 在这种情况下 焊后需采用 800 1100 的正火热处理来改善接头韧性 2 热应变脆化 指钢在 200 Ac1温度范围内 受到较大的塑性变形 5 10 后 出现 断裂韧性明显下降 脆性转变温度明显升高现象 对 Q345 16Mn 和 Q420 15MnVN 等钢研究 表明 这些钢均具有一定的热应变脆化倾向 消除和热应变脆化的有效措施是焊后退火处理 经 600 左右的消除应力退火后 材料的韧性基本上能恢复到原来的水平 裂纹裂纹 1 焊缝金属的热裂纹 热轧正火钢一般含碳量都较低 而含锰量都较高 它们的 w Mn w S 值 比较大 因而具有较好的抗热裂能 正常情况下焊缝不会出现裂纹 但是 当材料成分不合格 或 有严重偏析 使局部的碳 硫含量偏高 其 w Mn w S 值偏低时则易产生裂纹 控制母材和焊接 9 材料中的碳 硫含量 减少熔合比 增大焊缝的成形系数等都有利于防止焊缝金属产生热裂纹 2 冷裂纹 导致钢材产生焊接冷裂纹的三个主要因素是钢材的淬硬倾向 焊缝的扩散氢含量 和接头的拘束应力 其中淬硬倾向是决定性的 一般认为碳当量 CE 0 4 的钢材焊接时基本上无淬硬倾向 焊接性良好 s 295 390MPa 的 热轧钢如 09Mn O9MnNb 12Mn 等基本属这一类 除钢板很厚 环境温度很低的情况外 也和焊接 低碳钢一样一般不需要焊前预热和严格控制焊接热输入 也不会引起冷裂纹 随着 CE 增加 其淬 硬倾向也随之增大 Q345 16Mn Q390 15MnV 等热轧钢的碳当量较上述几种钢稍高 其淬硬倾 向相应稍大 当冷却速度快时 有可能产生马氏体淬硬组织 在拘束应力较大和扩散氢含量较高的 情况下 就必须采取适当措施 防止冷裂纹的产生 碳当量 CE 0 4 0 6 的钢 基本上属于有淬 硬倾向的钢 s 440 490MPa 的正火钢就处于这一范围之内 当 CE 还不超过 0 5 时 淬硬尚不 严重 焊接性尚好 但随着板厚的增加 则须采取一定预热措施才能避免冷裂纹的产生 CE 在 0 5 以上的钢其淬硬倾向显著 容易冷裂 必须控制焊接输入和采取预热和后热处理等工艺措施 以防冷裂纹的产生 热轧及正火钢的焊接工艺热轧及正火钢的焊接工艺 1 焊接方法焊接方法 热轧正火钢对许多焊接方法都适应 选择时主要考虑产品结构 板厚 性能要求和生产条件等 因素 其中最为常见的是焊条电弧焊 埋弧焊和熔化极气体保护焊 2 焊接材料的选择焊接材料的选择 焊接热轧及正火钢时 选择焊接材料和主要依据是保证焊金属的强度 塑性和韧性等力学性 能与母材的力学性能匹配 为此 须注意以下问题 1 选择相应强度级别的焊接材料 2 工艺条件的影响 主要焊接工艺和焊后的加工工艺两方面考虑对焊缝金属力学性能的影 响 3 考虑结构因素的影响 对厚板 拘束应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接材料 例如 厚板结构多层焊 第一层打底焊缝最易产生裂纹 这时 应选用强度稍低 但塑性 韧性较好的低氢或超低氢焊接材料 热轧及正火钢焊接材料选用举例热轧及正火钢焊接材料选用举例 焊条电弧焊焊条气体保护焊强度等级 s MPa 钢号 型号牌号实心焊丝药芯焊丝 295 09Mn2 09Mn2Si 09MnV 12Mn E4301 E4303 E4315 E4316 E423 J422 J427 J426 CO2 ER49 1 ER50 2 10 345 345 16Mn 16MnR 14MnNb EH32 EH36 36Z 16MnRe E5001 E5003 E5015 E5015 G E5016 E5016 G E5018 E5028 J503 J5032 J502 J507 J507R J506 J506R J506Fe J507Fe J506Fe16 J507Fe16 CO2 ER49 1 ER50 2 ER50 6 7 GH5 50 CO2 YJ502 1 EF01 5020 YJ502K 1 EF01 5050 YJ507 1 EF03 5040 PK YJ607 390 15MnV 15MnVR 15MnVRe 15MnTi 15MnVNb 16MnNb 15MnTiCu 14MnMoNb EH40 E5001 E5003 E5015 E5015 G E5016 E5016 G E5018 E5028 E5515 G E5516 G J503 J503z J502 J507 J507R J506 J506R J506Fe J507Fe J506Fe16 J507Fe16 J557 J556 CO2 ER50 2 ER50 6 7 GHS5 50 CO2 YJ502 1 EF01 5020 YJ502K 1 EF01 5050 YJ507 1 EF03 5040 440 15MnVN 15MnVNR 15MnVTiRe CF60 CF62 14MnVTiR E5515 G E5516 G E6015 D1 E6015 G E6016 D1 E6016 G J557 J557Mo J557MoV J556 J556RH J607 J607Ni J607RH J606 J606RH CO2或 Ar CO220 ER49 1 ER50 2 ER55 D2 GHS 60 CO2 PK YJ607 490 14MnMoV 14MnMoVg 18MnMoNb 14MnMoVN 18MnMoNbg 15MnMoVCu E6015 D1 E6015 G E6016 D1 E7015 D2 E7015 G J607 J607Ni J607RH J608 J707 J707Ni J707RH J707NiW CO2或 Ar CO220 ER35 D2 H08Mn2SiMoA GHS 60 GHS 60N GHS 70 CO2 PK YJ607 YJ707 1 4 焊接工艺参数的选择 焊接工艺参数的选择 1 焊接热输入 热轧及正火钢焊接热输入的确定主要依据是防止过热区脆化和焊接裂纹两个 方面 由于各种热轧及正火钢的脆硬倾向不相同 因此 对热输入的要求亦不相同 对于如 Q295 09Mn2 09MnNb 和含碳量偏下的 Q345 16Mn QMQ 钢等 基强度级别在 390MPa 以下 它们的过热敏感性不大 淬硬倾亦较小 帮焊接热输入一般不予限制 含碳量偏高的 Q345 16Mn 钢 其淬硬倾向增加 为防止冷裂纹 焊接时 宜用偏大一些的 焊接热输入 11 对