碳钢的焊接课件

1、 常用金属材料 碳钢的焊接【学习目标】本内容主要讲解常用金属材料的焊接工艺等基础知识，要求通过本内容的学习，了解碳钢的焊接特点与焊接工艺。综合知识 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

2、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、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

3、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。 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。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

4、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/T 47092007等行业标准或国

5、家标准。(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。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

6、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。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。能力知识点2 中碳钢的焊接 1.中碳钢的焊接特

7、点中碳钢的含C量在0.30%0.60之间。当wC接近.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

8、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

9、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

10、，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150250，wC再高，或厚度大，或刚性大预热温度可在250400。如果采用局部预热，坡口两侧的加热范围为150200mm。能力知识点3 高碳钢的焊接1.高

11、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

12、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。3.焊接工艺要点(1)焊前准备高碳钢焊接前应做如下准备工作：1)高碳钢应先行退火，然后焊接。2)采用结构钢焊条焊接时，焊前必须预热，预热温度一般在250350以上

13、。焊接过程中还需要保持与预热一样的层间温度。3)焊前注意按规定烘干焊条，并放在保温箱或保温筒内，以防焊条吸潮。 4)焊前注意工件表面的清理，不得有水分、油污、铁锈等杂质。(2)焊接要求焊接过程中应采取如下措施：1)采取与中碳钢相同的工艺措施，尽量减小熔合比，小电流，快速焊，焊接过程中应量连续施焊不间断。2)采用预堆法，先在坡口上堆焊，然后再进行焊接。3)焊件刚度、厚度较大时，应采取减少内应力的措施，例如合理排列焊道、分段倒退焊法、焊后锤击焊道等。(3)焊后热处理焊后工件应立即送入炉中，在650保温，进行消除应力热处理。能力知识点4 常用碳钢的典型焊接实例 1.低碳钢的典型焊接实例(1)焊条电弧

14、焊焊接低碳钢实例某一化工机械制造企业，制造的二氧化硫产品冷凝器，所用材质是20R,板厚是8mm,筒体的纵焊缝是对接接头,开V形坡口，采用焊条电弧焊，焊接工艺见表5-5。(2)手工TIG焊封底，焊条电弧焊填充和盖面焊接低碳钢实例上述的同一设备，筒体的合拢口焊缝，由于筒体的直径只有616mm,接头要求全焊透结构，工厂采用了TIG焊封底，焊条电弧焊填充、盖面的工艺，焊接工艺见表5-6。(3)二氧化碳气体保护焊焊接低碳钢实例有一水轮机支持盖，材质为Q235钢，采用二氧化碳气体保护焊。焊丝为ER49-1(H08Mn2SiA),1.6，焊接工艺见表5-7。2.中碳钢的典型焊接实例(1)焊条电弧焊焊接中碳钢的焊接实例某船厂35号钢轴与法兰的焊接，焊接