模块三　常用金属材料的焊接

模块三常用金属材料的焊接课题一碳素钢的焊接课题二普通低合金结构钢的焊接课题三珠光体耐热钢的焊接课题四不锈钢的焊接课题五铸铁的焊补课题六铝及铝合金的焊接课题七铜及铜合金的焊接学习目标◎了解常用金属材料常用焊接方法◎掌握碳素钢及普通低合金钢的焊接工艺及技术◎会判定常用金属材料的焊接性课题一碳素钢的焊接一、基础知识二、课题实施三、小结四、拓展训练一、基础知识1．焊接性的概念金属的焊接性是指金属材料对焊接加工的适应性，主要指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。它包括两个方面的内容。（1）接合性能（2）使用性能2．影响焊接性的因素金属材料的焊接性的好坏主要决定于材料的化学成分，与结构的复杂程度、刚性、焊接方法、采用的焊接材料、焊接工艺条件及结构的使用性也有着密切关系。4．碳素钢分类及其焊接性表3.1 碳素钢焊接性与含碳量的关系名

称C（%）典型硬度典

型

用

途焊

接

性低碳钢≤0.1560HBS特殊板材和型材薄板、带材、焊丝优0.15～0.2590HBS结构用型钢、板材和棒材良中碳钢0.25～0.625HRC机器部件和工具中（通常需要预热和后热，推荐使用低氢焊接方法）高碳钢≥0.640HRC弹簧、模具、钢轨劣（必须使用低氢焊接方法,预热和后热）二、课题实施操作一低碳钢的焊接低碳钢含碳及合金元素少，淬硬倾向小，碳当量一般不会超过0.4%，是焊接性最好的焊接材料，几乎可以采用各种焊接方法进行焊接，并均能获得良好的焊接质量。常用的焊接方法有气焊、焊条电弧焊、埋弧自动焊、电渣焊及CO2焊等。表3.2 焊接低碳钢所用的焊接材料焊

接

方

法焊

接

材

料应

用

情

况焊条电弧焊E4303（J422）、E4315（J427）焊接强度等级较低的低碳钢或一般的低碳钢结构E5016（J506）、E5015（J507）焊接强度等级较高的低碳钢或重要的低碳钢结构或在低温下工作的结构埋弧焊H08、H08A、HJ430、HJ431焊接一般的结构件H08MnA、HJ431焊接重要的低碳钢结构件电渣焊H10Mn2、H08Mn2Si、HJ431、HJ360

CO2焊H08Mn2SiH08Mn2SiA

操作二中碳钢的焊接1．中碳钢的焊接性（1）中碳钢含碳量在0.25%～0.6%。（2）中碳钢焊接时易出现的问题：①热影响区易产生淬硬组织和冷裂纹；②焊缝金属产生热裂倾向大，焊前必须预热，同时减慢热影响区的冷却速度以免产生淬硬组织。2．中碳钢的焊接工艺（1）尽量采用碱性焊条。（2）预热。（3）焊接工艺措施。①焊接坡口尽量开成U形，以减少焊件熔入量。②焊接第一层焊缝时，尽量采用小电流、慢速焊，减小熔合比，防止热裂纹。③采用碱性焊条时，焊前焊条要烘干，烘干温度为350℃～420℃，保温时间为2h。

④采用锤击焊缝的方法，以减少焊接残余应力，细化晶粒。⑤焊后尽可能缓冷。焊件焊后放在石灰棉中或放在炉中缓冷。⑥焊后热处理。对含碳量高、厚度大和刚度大的焊件，焊后作600℃～650℃的消除应力回火处理。三、小结在本课题中，要掌握焊接性的概念；掌握低碳钢、中碳钢的焊接性及焊接工艺。四、拓展训练【高碳钢的焊接】

（1）高碳钢应先退火后，方可焊接；（2）采用结构钢焊条，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同的工艺措施，尽量减少熔合比，采用小电流、低焊速，焊接过程要连续（中间不停止）；（4）焊后焊件应保温，并立即送入炉中进行消除应力的高温回火，之后再根据需要作相应的热处理。课题二普通低合金结构钢的焊接一、基础知识二、课题实施三、小结四、拓展训练一、基础知识1．普通低合金结构钢简介普通低合金结构钢（简称普低钢）是在碳钢的基础上加入一定量合金元素（合金元素总量＜3%）的合金钢。普低钢中加入的合金元素有锰、硅、钼、钛、铜、硼、铬和锌等，这些元素的加入可满足钢材对强度、韧性、耐磨、耐腐蚀、耐高温、耐低温等一系列指标的要求。我国的普低钢可分为4类，即强度钢、耐热钢、耐蚀钢和低温钢，其中强度钢按屈服点大小分级，可分为300、350、400、450、500……级（MPa）。强度钢的主要特点是强度高，塑性和韧性良好，焊接性及其他性能较好。2．普通低合金钢的焊接性由于各种普低钢的化学成分不同，性能差异很大，焊接性的差异也较大。强度等级较低（如300～400MPa）普低钢的焊接性能接近于普通低碳钢，因而在焊接时不必采取特殊的工艺措施。对强调级别大于500MPa以上，且厚度较大或结构刚性较大的焊件，焊接时就必须采用一定的工艺措施。普低钢焊接时易出现的问题有如下几方面。（1）热影响区的淬硬倾向。（2）焊接接头的冷裂纹。二、课题实施操作一焊接方法的选择操作二焊接材料的选择操作三预热操作四焊后热处理1．低合金钢的焊后热处理（1）消除应力退火。（2）正火或正火后回火。（3）淬火后回火（一般用于调质钢的焊接结构）。2．焊后热处理应注意的问题（1）不要超过母材的回火温度，以免影响母材的性能。（2）对于有回火性的材料，应避开出现脆性的温度区间，以免脆化。（3）对于一定量铜、钼、钒、钛的低合金钢，消除应力退火时，应注意防止产生再热裂纹。三、小结在本课题中，要掌握普通低合金钢的焊接性及焊接工艺。四、拓展训练【Q345（16Mn）钢的焊接】1．Q345钢的焊接性

Q345钢具有良好的焊接性，淬硬倾向比Q235钢稍大些，一般不必预热。在大厚度、大刚度结构上进行小工艺参数、小焊道的焊接时，有可能出现裂纹，因此在大厚度、低温条件下焊接时，应进行适当的预热，不同条件下Q345焊接时的预热温度如表3.4所示。2．Q345的常用焊接方法常用的焊接方法都可用于Q345的焊接。焊条电弧焊时常采用E5016和E5015或E4316和E4315具有抗裂性能的碱性焊条，酸性焊条一般只用于对抗裂性能和塑性、韧性要求较低以及刚性不大的结构上。近年来，广泛采用的是含Ar量80%和含CO2量20%的富氩气气体保护焊，其焊接Q345的效果较好，常用的焊丝为E50-3、E50-6等。课题三珠光体耐热钢的焊接一、基础知识二、课题实施三、小结四、拓展训练一、基础知识1．耐热钢简介在高温下具有足够的强度和抗氧化性的钢叫耐热钢。珠光体耐热钢是以铬、钼为主要合金元素的低合金钢。由于它的基体组织是珠光体（或珠光体+铁素体），故称珠光体耐热钢。常见的珠光体耐热钢有15Mo、12CrMo、15CrMo、12CrMoV等。（1）高温强度。（2）高温抗氧化性。2．珠光体耐热钢的焊接性（1）淬硬性。主要合金元素铬和钼都显著地提高了钢的淬硬性，在焊接热循环决定的冷却条件下，焊缝及热影响区易产生冷裂纹。（2）再热裂纹。焊后热处理过程中易产生再热裂纹，再热裂纹常产生于热影响区的粗晶区。（3）回火脆性。铬钼钢及其焊接接头在350℃～500℃温度区间长期运行过程中，发生剧烈脆变的现象称为回火脆性。二、课题实施操作一焊接方法的选择一般的焊接方法均可焊接珠光体耐热钢，其中焊条电弧焊和埋弧自动焊的应用较多，CO2焊的应用也日益增多，电渣焊在大断面焊接中得到应用。在焊接重要的高压管道时，常用钨极氩弧焊封底，然后用熔化极气体保护焊或焊条电弧焊盖面。操作二焊接材料的选择选配低合金耐热钢焊接材料的原则是：焊缝金属的合金成分与强度性能应基本上与母材相应指标一致，或应达到产品技术条件提出的最低性能指标。

s焊接材料的选择如表3.5所示。此外，还可选择奥氏体不锈钢焊条，焊后一般不做热处理。表3.5 耐热钢焊接材料的选用钢号焊条电弧焊埋弧自动焊CO2气体保护焊氩弧焊焊条焊丝焊剂焊丝焊丝12CrMoR207H08CrMoAH13CrMoAHJ350H08CrMnSiMoH08CrMoA15CrMoR307H13CrMoAHJ350H08CrMnSiMoH13CrMoA12CrMoVR137H08CrMoVAHJ350H08CrMoMnSiVH08CrMoVA（1）保温焊和连续焊。（2）短道焊。（3）自由状态下焊接。（4）每焊完一根或两根焊条就立即进行锤击，以消除焊接应力，锤击区的温度要高于30℃，锤击力度不要太大。（5）焊后缓冷。（6）焊后热处理。操作三预热操作四焊接过程及焊后注意点三、小结在本课题中，要了解耐热钢的焊接性、耐热钢焊接工艺。课题四不锈钢的焊接一、基础知识二、课题实施三、小结四、拓展训练一、基础知识1．不锈钢简介不锈钢的主要元素铬能使钢处于钝化状态，而具有抗氧化的特性，因此，不锈钢中都含有不少于12%的铬，还含有镍、锰、钼等合金元素，以保证其耐热性和耐腐蚀性。按组织状态，不锈钢可分为奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢和马氏体不锈钢等，其中以奥氏体不锈钢的焊接性最好，广泛用于石油、化工、动力、航空、医药、仪表等部门的焊接结构中，常见牌号有1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni9等，本课题主要介绍奥氏体不锈钢的焊接。2．奥氏体不锈钢的焊接性不锈钢含铬量为18%，含镍量为8%～10%时，便能得到均匀的奥氏体组织，称为奥氏体不锈钢。奥氏体的塑性和韧性很好，具有良好的焊接性，焊接时一般不需要采取特殊的焊接工艺措施，但是如果焊接材料选择不当或者焊接工艺不合理，会使焊接接头产生如下问题。（1）晶间腐蚀。（2）应力腐蚀。（3）热裂纹。（4）焊接接头的脆化。3．防止和减小奥氏体不锈钢晶间腐蚀的措施（1）采用小电流、快速焊、短弧焊、焊条不作横向摆动，减小焊缝在高温停留时间；为了加快焊接接头的冷却速度，减小焊接热影响区，可以给焊缝采取强冷措施（如水冷等）；多层焊时，要控制好层间温度，（前一道焊缝冷却到60℃以下再焊第二道焊缝）。（2）选择超低碳（（C）≤0.03%）焊条，或用含有Ti或Nb等稳定元素的不锈钢焊条。（3）先焊接不与腐蚀介质接触的非工作面焊缝，与腐蚀介质接触的工作面焊缝最后焊接。（4）焊后进行固熔处理，把焊件加热至1050℃～1150℃后进行淬火处理，使晶界上的Cr23C6溶入晶粒内部，形成均匀的奥氏体组织。（5）采用双相组织。奥氏体不锈钢可以用焊条电弧焊、钨极氩弧焊、埋弧焊、等离子弧焊，最常用的是焊条电弧焊和氩弧焊。二、课题实施操作一焊条电弧焊焊接奥氏体不锈钢1．焊前准备（1）下料方法的选择。（2）坡口的制备与清理。2．焊条的选用奥氏体不锈钢选用焊条应根据焊件化学成分来考虑，焊条的化学成分类型应尽量与母材接近，焊条的含碳量不要高于母材，铬、镍的含量应不低于母材。奥氏体不锈钢焊条选用如表3.6所示。表3.6 奥氏体不锈钢焊接材料的选用钢号焊条型号（牌号）氩弧焊焊丝埋弧焊焊丝埋弧焊焊剂1Cr18Ni9E308-1（A101）E308-1（A107）H1Cr19Ni9——1Cr18Ni9TiE308-1（A101）E308-1（A107）H1Cr19Ni9H1Cr19Ni9HJ260H0Cr20Ni10TiHJ1721Cr18Ni9SeE316-1（A207）E316-1（A202）H0Cr19Ni12Mo2——1Cr18Ni9Se300Cr17Ni14Mo2E316-1（A202）H00Cr19Ni12Mo2H00Cr19Ni12Mo2HJ2603．焊接工艺措施（1）焊接开始时，不要在焊件上随便引弧，以免损伤焊件表面，影响耐腐蚀性能。（2）由于奥氏体不锈钢的电阻大，焊接时产生的电阻热也大，所以同样直径的焊条，焊接电流应比低碳钢焊条小20%左右。（3）焊接过程中，焊条最好不作横向摆动，采用小电流、快速焊。一次焊成的焊缝不宜过宽，最好不超过焊条直径的3倍。（4）多层多道焊时，每焊完一道要彻底清除熔渣，并控制道间温度，等前道焊缝冷却到60℃以下时再焊下一道。（5）与腐蚀介质接触的焊缝，为防止过热而产生晶间腐蚀，应尽量最后焊接。操作二氩弧焊焊接奥氏体不锈钢操作三埋弧焊焊接奥氏体不锈钢操作四等离子弧焊焊接不锈钢三、小结在本课题中，要了解防止和减小奥氏体不锈钢晶间腐蚀的措施；掌握奥氏体不锈钢的焊接性、焊接工艺。四、拓展训练【不锈复合钢板的焊接】1．不锈复合钢板简介不锈复合钢板由覆层（不锈钢）和基层（碳钢、低合金钢）组成。由覆层不锈钢保证耐腐蚀性，基层保证结构钢获得强度，可用来制造化工、石油等化工部门的容器和管道。2．不锈复合钢板的焊接性不锈复合钢板是由两层不同性质的钢板复合而成，故在焊接时有它的特殊性，既要满足基层的焊接结构强度，又要使较薄的覆层满足耐蚀性能要求。当用结构钢焊条焊接基层时，可能熔化到不锈钢覆层，由于合金元素渗入焊缝，焊缝硬度增加，塑性降低，易产生裂纹。当用不锈钢焊条焊接覆层时，可能熔化到结构钢基层，使焊缝合金成分稀释而降低焊缝的塑性和耐蚀性。3．焊接工艺要点（1）焊接材料的选用。（2）焊缝坡口和接头组对。（3）在不锈复合钢板的焊接过程中，还应注意以下几点。①在基层点焊时，必须用碳钢焊条，不可使用不锈钢焊条。当点焊点靠近覆层时，需适当控制电流（小些为好），以防止覆层产生增碳现象，影响覆层的耐腐蚀性。②严禁用碳钢焊条焊到覆层和用过渡层焊条焊在覆层表面上。③碳钢焊条的飞溅落在覆层的坡口面上时，要仔细清除干净。④先焊碳钢或低合金钢，后焊不锈钢。⑤焊碳钢层时的飞溅物，粘附在覆层表面将破坏其表面氧化膜，遇腐蚀性介质会形成腐蚀点，所以焊前应分别在坡口两侧150mm的范围内涂上白垩水溶液，以防止飞溅物的粘附。课题五铸铁的焊补一、基础知识二、课题实施三、小结四、拓展训练一、基础知识1．铸铁简介含碳量大于2.11%小于6.69%的铁碳合金叫铸铁，铸铁中除了含有铁和碳以外，还含有硅、锰、磷、硫等元素。与生铁的区别是铸铁是二次加工，大都加工成铸铁件。铸铁件具有优良的铸造性，可制成复杂零件，一般有良好的切削加工性。另外具有耐磨性和良好的消震性，价格低等特点。但是由于铸件在生产过程中往往产生铸造缺陷，因此铸铁的焊补就成为重要的问题，铸铁的焊接应用很少。2．铸铁的分类（1）白口铸铁（2）灰铸铁（3）可锻铸铁（4）球墨铸铁3．铸铁的焊接性灰铸铁的应用最为广泛，这里主要对灰铸铁的焊接性进行分析。灰铸铁中碳、硫的含量高，这就增大了其焊接接头对冷却速度变化与冷裂纹产生的敏感性。其力学性能的特点是强度低，基本无塑性，使其焊补接头的敏感性增强。这两方面的特点，决定了灰口铸铁焊接性不良，一般铸铁不作焊接结构，而只能是铸件的焊补。其主要问题如下。（1）焊补接头的白口组织。（2）产生裂纹。操作二防止裂纹的方法操作一防止白口组织的方法（1）减慢焊缝的冷却速度（2）改变焊缝化学成分（3）采用钎焊方法进行补焊操作二防止裂纹的方法（1）焊前预热和焊后缓冷（2）采用电弧冷焊减小焊接应力，其措施如下（3）其他措施操作三热焊法热焊法即将工件整体或局部预热到600℃～700℃，然后进行焊接，焊后缓慢冷却或进行去应力退火的方法。（1）焊接方法：常采用气焊和焊条电弧焊，其中气焊较方便。（2）焊接材料：焊条电弧焊时，采用铸铁芯铸铁焊条（如Z248）或钢芯石墨化铸铁焊条（如Z208）；气焊时，采用铸铁焊丝（高硅）和气剂201或硼砂熔剂（去除氧化物）。（3）焊接特点。①可有效防止白口、淬硬组织及裂纹，接头切削加工性好。②需加热设备，成本高、生产效率低、劳动条件差，因此，应尽量少用。（4）一般用于小型、中等厚度（大于10mm）的铸铁件和焊接后需要加工的复杂、重要的铸铁件，如汽车的汽缸、机床导轨等。操作四

冷焊法冷焊法：即焊前不预热或只进行400℃以下的低温预热的焊接方法。

1．焊接方法气焊和手工电弧焊，对于小型薄壁铸件常用气焊，对于大型厚壁铸件，一般采用焊条电弧焊。2．焊接材料冷焊焊条分为两大类：（1）一类为同质型焊条，即焊缝金属为铸铁型，如Z208、Z248；（2）另一类为异质型焊条，即焊缝金属为非铸铁型，如镍基铸铁焊条（Z308、Z408）、高钒铸铁焊条（Z116、Z117）及铜基铸铁焊条（Z607）等。3．特点（1）由于焊前不加热或低温预热，操作时的劳动强度降低，大大改善了焊工的劳动条件。（2）焊补前的准备工作和焊接工艺过程大大简化。（3）铸件处于低温状态，焊接变形小。（4）可在各种空间位置进行焊补，适用于各种机床设备的修复。4．冷焊工艺要点（1）判断铸件缺陷性质，查明缺陷部位及周围的结构形状。（2）根据铸件的材质、形状、厚度和焊补后的强度、切削性能要求，选用成本低，但能达到焊补质量的焊条。通常先在铸件非工作面上进行试焊，必要时进行焊接接头的力学性能试验。（3）裂纹端头钻止裂孔。用低倍放大镜或超声波探伤法判断出裂纹的位置和起点，然后在裂纹两端，根据铸件的壁厚钻出不同直径的止裂孔，以防焊接过程中裂纹的延伸。（4）确定焊补顺序。当焊补区较长时，必须采用分段焊或逐步退焊法，以减少焊补处的内应力。焊补长度在200mm左右时，一般分成3个焊段。焊补薄壁铸件时，焊段长度以20～25mm为宜。（5）焊补过程中锤击处理。铸铁冷焊时，每焊完一小段焊缝厚度，立即进行锤击，以消除内应力和提高焊缝致密性。锤击时使用0.1kg的小锤，用力不要过大，频率为2～3Hz。（6）消除焊接过程中的缺陷。焊补过程中难免出现气孔、夹渣、裂纹等缺陷，须用专业的錾子轻轻凿去（不可用风铲），以保证焊接质量。（7）焊缝余高过大进行处理。铸件焊补后，有些部位上的焊缝余高过大，会在焊趾处引起较大的应力集中，容易产生裂纹，需要使用手砂轮打磨处理。（8）预热和后热。焊前预热和焊后后热，可以减少内应力和防止裂纹，预热和后热的温度，薄型铸件为100℃～150℃，厚型铸件为200℃～300℃，后热加温完成后须用干燥的石棉覆盖铸件，使其缓冷。5．应用冷焊法主要用于焊补要求不高的铸件及非加工表面和怕高温预热引起变形的工件。三、小结在本课题中，要了解铸铁的焊接性、焊补铸铁的冷焊法与热焊法。课题六铝及铝合金的焊接一、基础知识二、课题实施三、小结四、拓展训练一、基础知识1．铝及铝合金简介铝是银白色轻金属，密度小（2.7g/cm3），熔点低（685℃），具有良好的塑性、导电性、导热性和耐蚀性。由于纯铝的强度较小，在工业上应用不广。在纯铝中加入镁、锰、硅、铜及锌元素，即形成铝合金。铝合金与纯铝相比，其强度显著提高，目前已广泛应用于航空、造船、化工及机械制造工业。2．铝及铝合金的焊接性铝及铝合金具有易氧化、导热性强和线膨胀系数大、熔点低以及耐高温、强度小等特点，因而给焊接工艺带来了一定困难。铝及铝合金的焊接存在的主要问题有如下几方面。（1）氧化膜。（2）气孔。（3）热裂纹。（4）塌陷。（5）接头不等强。二、课题实施课题一

焊接方法的选择表3.8 铝及铝合金常用焊接方法的特点及适用范围焊接方法焊

接

特

点适

用

范

围气焊氧乙炔火焰功率低，热量分散，热影响区及工件变形大，生产率低用于厚度0.5～10mm的不重要结构，铸造件焊件焊条电弧焊电弧稳定性较差，飞溅大，接头质量较差用于铸铝件焊补和一般焊件修复钨极氩弧焊电弧热量集中，燃烧稳定，焊缝成形美观，接头质量较好广泛用于厚度0.5～2.5mm的重要结构焊接焊接方法焊

接

特

点适

用

范

围熔化极氩弧焊电弧功率大，热量集中，焊件变形及热影响区小，生产率高用于厚度≥0.3mm中厚板材焊接电子束焊功率密度大，焊缝深宽比大，热影响区及焊件变形极小，生产率高，接头质量好用于厚度3～75mm的板材焊接电阻焊利用工作内部电阻产生热量，焊缝在外压下凝固结晶，不需要焊接材料，生产率高用于焊接4mm以下的薄铝板操作二焊前准备及焊后清理（1）焊前机械清理先用有机熔剂（丙酮或酒精）擦拭表面以除油，然后用细铜丝或不锈钢丝刷刷干净，刷到露出金属光泽为止，也可以用刮刀清理。（2）化学清理的方法是将焊件放在质量分数10%的硝酸溶液中浸洗，处理温度为15℃～20℃，时间为15～20min；或处理温度为60℃～65℃，时间为15～20min。浸洗后，用冷水冲洗，然后用热空气吹干或在100℃的干燥箱内烘干。操作三

焊接材料1．铝焊丝的分类（1）专业焊丝。（2）通用焊丝。（3）特种焊丝。2．气焊熔剂（1）气焊熔剂的主要作用是去除焊接时的氧化膜及其他杂质，改善熔池金属的流动性。（2）使用时应注意：①焊前将焊件部位擦刷干净；②用水将焊剂调成糊状，涂于焊丝旋焊；③焊后将残余工件表面熔剂用热水洗掉。操作四铝及铝合金氩弧焊工艺要点1．电源极性熔化极氩弧焊一律采用直流反接；钨极氩弧焊一般采用交流焊。

2．焊接工艺参数铝及铝合金钨极氩弧焊接的工艺参数，如表3.9所示。表3.9 铝及铝合金钨极氩弧焊的工艺参数板厚/mm接头形式根部间隙/mm钨极直径/mm焊接电流/A焊丝直径/mm氩气流量/L/min喷嘴直径/mm焊接层次1～2I形0～11.6～2.445～1001.6～2.45～96～1112～3I形0～21.6～3.280～1401.6～4.06～106～1213～4I形0～22.4～4.0110～2302.4～4.07～107～1214～5I形0～33.2～6.0160～3003.0～4.07～158～1226Y形0～34.0～6.0220～2703.0～4.09～158～12—3．焊接操作（1）钨极氩弧焊焊前应检查阴极破碎作用，即引燃电弧后，电弧在工件上面垂直不动，熔化点周围呈乳白色，即有阴极破碎作用。（2）焊接操作时采用左向焊法。（3）焊接结束时，注意填满弧坑，防止弧坑裂纹。图3