实用电焊技术

1、第三节 钢中的有害杂质何有害气体一、钢中的有害杂质1、硫（S）硫是钢中的主要的有害杂质之一。硫几乎不溶于钢，与铁化合生成硫化铁，硫化铁又与铁形成低熔点共晶物，其熔点仅为988.在铸锭及焊缝金属凝固时。这些低熔点共晶物残留在枝晶之间最后凝固，产生的收缩应力容易使其处于液态时拉开而形成裂纹。当钢中硫的含量较高时，即使铸锭在凝固时未 产生裂纹，当在锻造及轧钢热加工钟，低熔点物质溶化，也会沿晶界考列形成裂纹，这种先向称为钢的热脆性。对于焊接，钢中的硫是非常有害的，当焊接材料本身含硫量或母材含硫量高时，都会使焊缝金属含硫量偏高，使焊缝金属在凝固时容易产生焊接热裂纹。含硫量高的钢材在焊接时间，除焊缝金属产

2、生热裂纹外，因硫化物受热溶化，在焊接热影响区容易产生液化裂纹。2、磷（P）磷是钢中的另一种有害杂质，钢中的磷可以溶解在铁素体内形成固熔体，使其强度何硬度提高。但磷原子溶于铁素体晶格以后使晶格产生人大的畸变，导致冲击韧性大大降低使材料变脆，但这种不利影响只在低温下才出现，而高温下并不产生，因此，不妨碍热加工，这种现象称为钢的冷脆性。磷使钢焊接性恶化，使焊接金属何焊接热影响区易出现裂纹。二、钢中的有害气体1、氧（O）钢中超出溶解度的氧以夹杂物的形式存在，降低钢的强度、塑性、韧性、使钢的脆性转变温度明显提高，降低钢材的疲劳强度何冷加工性能。2、氢（H）氢使钢产生白点，引起氢脆现象，严重降低钢的韧性，

3、焊接时焊缝金属所吸收的氢当含量较高时易产生冷裂纹。3、氮（N）氮在铁素体中的溶解度很低，当钢中没有与氮可化合生成氮化物的元素如铝、钛、锆时，大部分氮与形成又硬又脆的氮化铁，大大降低钢材强度何冷加工性能。上述氧、氢、氮这些气体在钢中都是有害的，其中一部分是从炼钢的原材料带入的，另一部分是从空气中吸收的。第四节 钢的性能指标钢的性能包括钢的物理性能、化学性能、力学性能何工艺性能一、钢的物理性能指标被焊钢材的物理性能的主要指标包括密度、熔点、线膨胀系数、导热系数。1、密度（P）单位体积内钢的质量称为密度，单位为g/3,铁的密度为7.8 g/3,不同的钢材其密度也稍有不同。2、熔点金属开始溶化时的温度

4、称为溶解温度，简称为熔点，液态金属开始凝固时的温度称为凝固温度，简称为凝固点，纯金属的熔点为一固定温度，例如纯铁为1535，对于含金来说，溶化或凝固，都是在一定温度范围内进行的，其熔点或凝固点不是一个固定的温度值，而是一个温度范围。钢的熔点为13001400。3、线膨胀系数（a）固体物质受热后，一般在其长度、宽度何高度方向上的尺寸都要增加，这种现象称为热膨胀性。固体温度由0起，上升1所引起的长度（宽度或高度）的增加量与其在0时的长度（宽度或高度）之比称为线膨胀系数。线膨胀系数大的材料，在焊接时产生的变形就大，低碳钢的膨胀系数为0.1111148/，不锈钢的线膨胀系数为0.0000201/，后者

5、为前者的1.5倍.所以在同样的焊接条件下，不锈钢焊接的变形要大得多。4、导热系数（）物体传导热量的能力称为导热性，钢材传导热量的能力用导热系数表示，导热系数的单位W/m·.不锈钢的导热系数比低碳钢低，因此，焊接的不锈钢热影响区温度高，焊接变形大。二、钢的化学性能指标被焊钢材的化学性能主要指抗腐蚀性能和抗氧化性能等。钢材在大气、水蒸气、酸、碱、盐等周围介质的侵蚀作用下被破坏的现象称为腐蚀。抗腐蚀性能即抵抗各种介质侵蚀的能力。钢材的抗氧化性能指在一定温度和介质条件下抗氧化的能力。抗氧化性能差的材料在高温下很快被周围介质中的氧所氧化，形成氧化皮逐渐剥落，使新的表面被氧化。有些钢材在高温下不

6、被氧化而能稳定工作。这是又与其表面在高温下迅速形成了一层非常致密、稳定的薄氧化膜，使钢材的内部不被继续氧化。实际上这种氧化膜起着防护钢材的作用。抗氧化性能的指标称为氧化速度用K表示，单位为g/·h ，即单位表面积单位时间内钢材质量的变化，氧化速度可用减重法（K）测定。钢材在高温下，在其他腐蚀性介质中的抗腐蚀性能指标可以参照抗氧化性能指标测定方法评定。三、钢材的力学性能指标被焊钢材的力学性能指标包括常温力学性能指标和高温力学性能指标。（一） 钢材的常温力学性能指标钢材的常温力学性能指标包括硬度、强度、弹性与塑性、韧性等指标。1、硬度硬度指钢材抵抗硬物压入表面的能力，工业常用的硬度指标有

7、：布氏硬度、洛氏硬度何维氏硬度。布氏硬度，符号为HB，HB后面是具体硬度数值，如HB240，称为布氏硬度为240，单位为/ m,测定布氏硬度时，讲一个淬火钢球压向被测材料，测出压痕面积，压力荷载与压痕面积之比值即为布氏硬度值，布氏硬度应用比较广泛。洛氏硬度，符号HR,HR前面为硬度数值，HR后面为使用标尺。例如，50HRC表示用C标尺测定洛氏硬度值为50。洛氏硬度的试验原理是在初始试验力及试验力的先后作用下，将丫头（金刚石圆锥体或钢球）压入试件表面，经规定保持时间后。卸除主试验力，保持初始试验力时，用测量的残余压痕深度增量计算硬度值。洛氏硬度值常见的有HRB和HRC，其硬度值没有单位，用来表示

8、测量硬质材料的硬度。维氏硬度，符号为HV。HV后面是硬度数值，维氏硬度的试验原理与布氏硬度相同，但丫头为金刚石正四梭锥体，由于压痕较小，适合于测量焊接热影响区的硬度分布。钢材的硬度随钢材中含碳量增加而增加。2、强度在外力作用下，钢材抵抗变形和破坏的能力称为强度。强度通常用单位截面积上的力（应力）来表示。通常钢材的强度指标包括弹性极限、屈服强度何抗拉强度，强度指标的单位为Mpa。钢材的强度指标值可以通过金属的拉伸试验获得，一半外力去除后能恢复的变形称为弹性变形，外力去除后不能恢复的变形称为塑性变形。弹性极限，通常以p表示，弹性极限是材料产生弹性变形的最大应力。屈服强度，也称为屈服点，用s表示。当

9、材料的拉力达到某一数值PS时，几乎不需要增加拉力，其变形却继续增加，这时娥拉应力称为屈服强度，把荷载不再增加而试件仍继续拉长，达到一定变形后再停止的现象称为屈服现象。屈服极限强度按下式计算。s=式中s屈服极限强度（Mpa）；Ps出现屈服现象时的载荷（N）；A0试件的原始横截面积（m）.金属结构在承受载荷时不允许产生不可恢复的永久变形，即材料的工作应力不允许达到屈服极限强度，因此屈服点是钢材常温力学性能的重要指标。抗拉极限强度，用b表示，抗拉极限强度指钢材试件在拉伸试验时，在破坏前所承受的最大拉应力，抗拉极限强度值越大表示钢材抵抗破坏的能力越大，强度就越高，抗拉极限强度按下式计算b=式中 b抗拉

10、极限强度（Mp a）Ps拉伸过程中的最大荷载（N）；A 0试件原始横截面积（m）；钢材随含碳量的增加，钢的强度指标也相应增高。3、塑性钢材的塑性表示钢材塑性变形能力的大小，钢材的塑性指标包括断后伸长率、断面收缩率和弯曲角度等。断后伸长率，用表示，钢材试件受拉力作用破断后，将其断裂部分在断裂处紧密对合在一起，试件的伸长量与其原长度的百分比称为断后伸长率，断后伸长率按下式计算：=×100式中断后伸长率（）；L0式样标距长度（5倍或10倍直径mm）L1式样拉断后标距伸长后的长度（mm）金属拉伸试验的试件有长短两种，长试件标距为直径的10倍，测出山大王断后伸长率用10表示，短试件的标距为直径

11、的5倍，测出的断后伸长率以5表示。断面收缩率，用表示，钢材受拉力作用破断时，断面缩小的面积与原面积的百分比称为断面收缩率，断面收缩率按下式计算。=×100式中断面收缩率（）S0试件原始横截面积（m）；S1试件拉断处横截面面积（m）弯曲角度，用表示，单位为度（0）.弯曲角度通过试验方法测定，一般采用矩形断面试件，根据不同的材质、板厚按规定的弯曲半径进行弯曲，检查弯曲外表面的塑性，把出现第一条裂纹时的角度称为弯曲度，若无裂纹时，一直弯曲到1800，弯曲角度越大，说明钢材的塑性越好。钢材的塑性随含碳量的增加而增加。4、韧性在冲击荷载作用下钢材抵抗破坏的能力称为韧性。韧性指标为冲击韧性，用k

12、表示，单位为J/cm2钢材的冲击韧性通过夏比缺口冲击试验方法测定。在被冲击的试件上开V形或U形缺口，在摆锤冲击试验机上测量试件被冲击断裂时所需的能量，冲击韧性按下式计算k=式中k冲击韧性（J/ cm2）AK冲击试验时所用的冲击功（J）F0试件缺口部位原始截面积（cm2）上式中AK按下式计算AK=P·H式中P摆锤重（N）H摆锤冲击前举起高度与冲击后自由摆起高度之差（m）钢材的冲击韧性随钢含碳量的增加而增加。（二）钢材的高温力学性能1、蠕变极限钢材在一定温度何应力作用下，随着试件的增长，慢慢地发生塑性变形的现象叫做蠕变，工程上用蠕变极限作为衡量指标，一般指在工作100000b（小时）总变

13、形量为1的应力值（单位Mpa），有时也用在规定时间内使钢材发生一定量的总变形的应力值来表示。2、持久强度持久强度指钢材在高温何应力的长期作用下抵抗断裂的能力，常以高温运行100000b断裂时应力值作为持久强度。3、热脆性钢的冲击韧性在高温和应力的长期作用下产生下降的现象称为热脆性，温度越高，应力作用时间越长。钢的热脆性就越明显。四、钢的工艺性能钢的工艺性能包括可切削性，可铸造性、可锻性和焊接性钢的可切削性能指钢材接受切削加工的能力，即钢材经切削加工而形成符合一定要求的工件的难易程度。可铸造性指钢材铸造时的流动性、收缩性何偏析的倾向。流动性好，则充满铸型的能力好，收缩性指钢在冷却凝固时体积的收缩

14、情况。铸件在凝固后其化学成分的不均匀性称为偏析，可锻性指钢材在进行热压力加工时能改变形状而不产生裂纹的性能，钢材具有良好的可锻性。钢的焊接性详见第一章第七节。第七节钢的焊接性钢飞人焊接性指钢材在给定焊接工艺何焊接结构条件下，获得预期焊接接头质量要求的性能，由于焊缝主要经历的是冶金、结晶过程，而焊缝的热影响区主要经历的是焊接热循环过程，所以钢的焊接性应以钢的冶金焊接性和热循环焊接性两个方面来分析。碳钢的焊接性碳钢以铁（Fe）为基础。以碳(C)为合金元素。碳含量一般不超过1，此外，含锰（Mn）量不超过1.2，含规（Si）量不超过0.5，皆不作为含金元素，碳钢中的杂质元素=，如硫、磷、氧、等，根据碳

15、钢材料的品种，等级的不同，也有严格的控制。碳钢的焊接性主要取决于碳的含量，随着含碳量得人增加，焊接性逐渐变差。如表13所示碳钢中的猛和硅对焊接性也有影响，锰、硅含量增加，很饥饿性变差。锰和硅的影响可以折算为相当于多少碳量的作用，这样把碳、锰、硅对焊接性的影响汇合成一个适用于碳钢的碳当量（Ceq）经验公式Ceq =C （）由于碳钢中硅（Si）的含量较少，对碳当量值影响甚微，因此，在甲酸碳当量时往往将上式简化为Ceq =C （）Ceq的增加，则产生冷裂纹的可能性增加，焊接性变差，通常Ceq值大于0.4时，冷裂纹的敏感性将增大。焊接性的好坏不只取决于碳、锰、硅的含量，还取决于焊接接头的冷却速度。不同

16、碳钢在不同冷却速度下，可能在焊缝和热影响区中形成硬化组织甚至马氏体，马氏体愈多，则硬度愈高，焊接性也越差，焊后的大量马氏体或者它表现的高硬度，在焊接应力下可能引起热影响区和焊缝的裂纹，从而表现出焊接性变差，因此，测定焊接接头的硬度，可以粗略地判断裂纹倾向或焊接性的优越。焊接时，母材已确定，即Ceq值已确定，改善焊接性，即改善组织，避免裂纹，控制冷却速度就称为至关重要的途径，冷却速度主要取决于钢材厚度何接头的几何形状，焊接时母材的原始温度，焊接线能量的大小。碳钢中的杂质，例如硫、磷、氧、氮对焊接接头的裂纹敏感性和力学性能都有重大影响，碳钢中的硫、磷过多，则可能在晶界上形成低熔点的硫、磷化合物，引

17、起焊缝熔合线附近的液化裂纹，甚至焊接热裂纹，另外，高硫含量还可能引起气孔，一般在碳钢中的硫、磷含量低于国家标准中规定的值，并不引起裂纹。焊缝中的氧、氮含量，是影响焊接质量的重要因素之一正愈来愈被引起重视，焊缝中的氧、氮不仅以氧化物、氮化物形态存在，有时还以一氧化碳或氮气的气孔形态出现，化合物形态降低焊缝力学性能，特别使冲击韧性急剧降低，气孔形态则导致焊缝多孔性，降低力学性能，以正常的碳钢焊条为例，一些酸性焊条熔敷金属含氧量为0.1左右，而低氢焊条熔敷金属含氧量仅为0.020.03，只有酸性焊条的1/51/3，所以在同一强度等级中，低氢焊条熔敷金属的冲击韧性高于酸性焊条，与其含氧量低有很大关系。二、合金钢的焊接性通常把金属材料在焊接时形成裂纹的倾向及焊接接头的性能变坏的倾向作为评价焊接性的重要指标，合金钢的焊接性主要取决于其化学成分，同时也与结构的复杂程度、刚性、焊接方法、焊接材料何焊接工艺有密切关系，钢中的碳是对焊接性影响最大的元素，其他合金元素对焊接性的影响为碳的几分之一至十几分之一，按合