焊接工程学(第三章)

第三章金属焊接性及碳钢的焊接

金属焊接性是指金属材料对焊接加工的适应性，即在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。简而言之——

金属焊接的难易程度！第一节金属焊接性基础

1.1概述金属焊接性1.结合性能（工艺焊接性）一定的焊接工艺条件下，被焊金属形成焊接缺陷的敏感性、倾向性、严重性2.使用性能（使用焊接性）一定的焊接工艺条件下，被焊金属的焊接接头对使用性能要求的适应性，即焊接接头或整体结构能否满足技术条件规定的使用性能要求好焊不好焊好用不好用焊接工艺条件（焊接方法、焊接材料、焊接工艺参数、结构形式等）焊接缺陷（裂纹、夹渣、气孔等，其中裂纹的危害最大）1.材料因素

1.2金属焊接性的影响Al和Ti化学性质活泼，容易氧化和烧损，焊接较困难；不同金属材料间的焊接，其物理化学性能和晶体结构越接近，越容易实现良好焊接。化学成分组织状态力学性能二、金属焊接性的影响2.工艺因素焊接方法焊接工艺如：Al和Ti属化学性质较活泼的金属，采用一般焊接方法不易焊接；而采用保护良好的氩弧焊后，使其高质量的焊接成为现实。

1.2金属焊接性的影响3.结构因素应尽量减少焊接接头的刚度、减少交叉焊缝、减少应力集中焊接接头的结构设计直接影响其刚度、应力的大小和方向

1.2金属焊接性的影响4.使用条件●高温下工作的焊接接头，应考虑元素的扩散和结构的蠕变问题●低温下工作且承受冲击载荷的焊接接头，应考虑脆性断裂问题●腐蚀条件下工作的焊接接头，应考虑耐腐蚀破坏问题焊接接头承受载荷焊接接头工作温度焊接接头工作环境

1.2金属焊接性的影响1.3金属焊接性的评定方法

1.工艺焊接性评定主要评定对焊接缺陷的敏感性，尤其是裂纹形成倾向A、直接模拟实验：按照实际焊接条件，通过焊接过程观察焊接缺陷及其程度。主要有：冷裂纹实验、热裂纹实验、应力腐蚀实验、脆性断裂实验等。

B、间接推算法：根据材料的化学成分、金相组织、力学性能的关系，并联系焊接热循环过程对焊接进行评定。主要有：抗裂纹判据、焊接应力模拟等。三、金属焊接性的评定方法

2.使用焊接性评定通常有：常规力学性能实验、高温力学性能实验、低温脆性实验、耐腐蚀实验、耐磨损实验、疲劳实验等将焊接接头在使用条件下进行性能实验，对实验结果进行焊接性评定1.3金属焊接性的评定方法

1.4钢的焊接性判据钢焊接性好坏的判断通过在大量实验基础上建立的抗裂纹经验公式进行评判最主要的是对材料冷裂纹敏感性的判断四、钢的焊接性判据可粗略估计低合金钢的焊接冷裂纹敏感性1.碳当量法碳当量越大，淬硬冷裂的倾向越大，焊接性就越差在各种元素中，碳对冷裂纹的产生最敏感，设其系数为1，将其它元素的影响按照碳的影响进行折合并迭加，即构成“碳当量”1.4钢的焊接性判据

对中、高强度的低合金非调质钢，国际焊接学会推荐经验公式：

Ceq=Wc+1/6WMn+1/15W(Ni+Cu)+1/5W(Cr+Mo+V)%Ceq＜0.4%Ceq=0.4%~0.6%Ceq＞0.6%钢材的淬硬性不大，焊接性良好钢材易于淬硬，需预热才能防止形成冷裂纹钢材的淬硬性倾向大，焊接性差1.4钢的焊接性判据对低合金调质钢，日本溶接学会推荐的公式：Ceq=Wc+1/6WMn+1/40WNi+1/5WCr+1/24WSi+1/4WMo+1/14WV%其中，C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V、B等均有一定的成分范围1.4钢的焊接性判据

对于普通低碳钢：一般而言，当碳当量Ceq＜0.35时，其焊接性能良好；当碳当量Ceq=0.40—0.50时，其焊接性变差。为改善其焊接性能，焊接前应进行200℃—400℃的预热处理，并在焊后进行正火。Ceq=Wc+1/2Wp+1/4WMo+1/5WCr+1/24WSi+1/6WMn

+1/13WCu+1/15WNi%1.4钢的焊接性判据2.冷裂纹敏感指数（Pc）为更全面对冷裂纹的形成进行评估综合考虑对冷裂纹有影响的淬硬倾向、拘束度、扩散氢含量形成冷裂纹敏感指数Pc1.4钢的焊接性判据式中，Pcm——化学成分的冷裂纹敏感指数

δ——板厚（mm）

[H]——焊缝中的扩散氢含量（mL/100g）

Pc=Pcm+[H]/60+δ/600%Pcm=Wc+1/30WSi+1/20W(Mn+Cu)+1/60WNi+1/15WMo+1/10WV+1/5WB%1.4钢的焊接性判据

将Pc代入防止冷裂纹的最低预热温度公式：to=1440Pc—392℃即可得知相应的应该预热的温度1.4钢的焊接性判据1.5常用焊接裂纹实验方法焊接裂纹敏感性实验是在实际的焊接工艺过程中经常使用的直接模拟实验，该实验方法十分接近实际工况、直观、可靠性好

该法亦称“小铁研”实验，主要用于检测母材金属热影响区的冷裂纹倾向

1.斜Y形坡口焊接裂纹实验五、常用焊接裂纹实验方法图1斜Y形坡口焊接裂纹实验试件的形状及尺寸试验的焊接参数为：焊条直径：4mm；焊接电流：170A；电弧电压：24V；焊接速度：150mm/min。焊后经不少于24小时时效后再做裂纹检查。首先用放大镜目测或磁性荧光粉检查焊缝表面裂纹，然后进行断面解剖，检查断面的裂纹情况。

1.5常用焊接裂纹实验方法

由于斜Y形坡口对接裂纹实验在接头处的约束很大，根部尖角处应力集中十分明显，故容易产生裂纹

一般认为，在此实验中，若裂纹率不超过20%，则在实际结构焊接时，就不会产生裂纹1.5常用焊接裂纹实验方法1.表面裂纹率Cf2.根部裂纹率Cr3.断面裂纹率Cs裂纹率的计算Cf=(∑lf）/L×100%Cr=(∑lr)/L×100%Cs=Hs/H×100%1.5常用焊接裂纹实验方法图2试样裂纹长度计算1.5常用焊接裂纹实验方法2.焊接热影响区最高硬度试验该法适用于低合金钢焊接热影响区由于马氏体转变而引起的裂纹试验，也适用于碳素钢

焊接热影响区最高硬度试验是以热影响区最高硬度来评价钢材冷裂纹倾向的试验方法1.5常用焊接裂纹实验方法图3试件形状试件名称长L/mm宽B/mm焊缝长l/mm1号试件20075125±102号试件200150125±10试件尺寸1.5常用焊接裂纹实验方法焊接前先去除试件表面上的水分、铁锈、油污及氧化皮杂质焊接参数：焊接电流：170±10A，焊接速度为150±10mm/min不同强度等级和不同含碳量的钢种，有不同的最高硬度值所用焊条原则上应适合于所焊的试件，直径为4mm。1号试件在室温下、2号试件在预热温度下进行焊接试件焊后在静止的空气中自然冷却，不进行任何热处理1.5常用焊接裂纹实验方法3.插销冷裂纹试验法试验采用圆柱形试样，试样由被试钢材加工而成，并插入底板的孔中，使带缺口一端的端面与底板表面平齐。底板上熔敷一焊道，尽量使焊道中心线通过插销端面中心。焊后在完全冷却以前，给插销施加一拉伸静载荷插销试验是使用专门设备（插销试验机）评定焊接冷裂纹敏感性的一种试验方法试验既可用启裂也可用断裂作为判断准则1.5常用焊接裂纹实验方法图4插销试验示意图a、环形缺口试样b、螺形缺口试样1.5常用焊接裂纹实验方法1.6焊接接头的常见缺陷

焊接过程中在焊接接头内产生的不符合标准要求的缺陷焊接缺陷缺陷的种类、大小、数量、形态、分布及危害程度评定焊接接头质量优劣依据常见焊接缺陷焊接裂纹、气孔、夹渣、未熔合和未焊透六、焊接接头的常见缺陷

焊接裂纹是指金属在焊接应力及其它致脆因素共同作用下，焊接接头中局部地区金属原子结合力遭到破坏而形成的新界面所产生的缝隙焊接裂纹具有尖锐的缺口和长宽比大的特征，是焊接结构中最危险的缺陷焊接裂纹热裂纹冷裂纹再热裂纹1.6焊接接头的常见缺陷

由于裂纹形成的温度较高，在与空气接触的开口部位表面有强烈的氧化特征，呈蓝色或天蓝色热裂纹在固相线附近的高温区形成的裂纹区别冷裂纹的重要特征热裂纹主要发生在晶界处热裂纹根据裂纹形成机理不同结晶裂纹液化裂纹高温失塑裂纹1.6焊接接头的常见缺陷

冷裂纹冷裂纹主要发生在焊接热影响区，对某些合金成分多的高强度钢而言，也可能发生在焊缝金属中焊接接头冷却到Ms温度以下时形成的裂纹冷裂纹氢致裂纹淬火裂纹层状撕裂1.6焊接接头的常见缺陷

再热裂纹再热裂纹常出现在粗晶区中，并沿粗大奥氏体晶粒边界扩展，且多发生在咬边等应力集中处，可形成沿熔合线的纵向裂纹，也可形成粗晶区中垂直于熔合线的网状裂纹，其断口有被氧化的颜色工件焊接后，若再次被加热（如消除应力处理、多层焊或使用过程中被加热）到一定温度而产生的裂纹发生在含Cr、Mo、V的低合金结构钢、含Nb的奥氏体不锈钢以及析出硬化显著的Ni基耐热合金材料中1.6焊接接头的常见缺陷

气孔有时以单个出现，有时以成堆的形式聚集在局部区域，其形状有球形、条虫形等焊接时，熔池中的气泡在凝固时未能逸出而残留下来所形成的空穴称为气孔1.6焊接接头的常见缺陷

横焊、立焊或仰焊产生的夹渣比平焊多焊后残留在焊缝中的熔渣称为夹渣夹渣的形状较复杂，一般呈线状、长条状、颗粒状及其它形式。夹渣主要发生在坡口边缘和每层焊道之间非圆滑过渡的部位，在焊道形状发生突变或存在深沟的部位也容易产生夹渣注：1.6焊接接头的常见缺陷

未焊透：母材金属之间应该熔合而未焊上的部分。该缺陷一般出现在单面焊的坡口根部及双面焊的坡口钝边。未焊透易造成较大的应力集中，往往从其末端产生裂纹未熔合：在焊缝金属和母材之间或焊道金属与焊道之间未完全熔化的部分。常出现在坡口的侧壁、多层焊的层间及焊缝的根部1.6焊接接头的常见缺陷

碳十钢十的十焊十接十第二节第二节碳钢的焊接

2.1概述

碳钢的焊接性主要取决于碳含量的高低随含碳量的增加，焊接性逐渐变差碳钢是以铁为基础，碳为合金元素，碳的质量分数一般在1.0%以下，且具有较好的力学性能和工艺性能的碳素钢按含碳量不同碳钢低碳钢中碳钢高碳钢按用途不同结构钢工具钢注碳钢名称Wc(%)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、丝材优0.15-0.2590HBS结构用型材、板材和棒材良中碳钢0.25-0.6025HRC机器部件和工具中（通常需预热和后热，用低氢焊接）高碳钢≥0.6040HRC弹簧、模具、钢轨劣（必须低氢焊接、预热和后热）碳钢焊接性与碳含量的关系2.1概述2.2低碳钢的焊接a、可装配成各种不同的接头，适合各种不同位置的施焊，且焊接工艺和技术简单，容易掌握b、焊前一般不需预热c、塑性好，焊接接头产生裂纹的倾向小，适合制造各类大型结构件和受压容器d、不需使用特殊和复杂设备，对焊接电源（交流直流）和焊接材料（酸性碱性）无特殊要求低碳钢的焊接特点A.低碳钢的焊接二.低碳钢的焊接工艺2.2低碳钢的焊接低碳钢几乎可采用所有的焊接方法进行焊接，并都能保证焊接接头的良好质量焊条电弧焊、埋弧焊、CO2气体保护焊用得最多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、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CO2气体保护焊H08Mn2Si、H08Mn2SiA焊接低碳钢所用焊接材料焊条的选用原则主要是根据母材的强度等级及焊接结构的工作条件来确定2.2低碳钢的焊接焊条电弧焊关键是选择电焊条当母材的厚度较大或周围环境温度较低时，由于焊缝金属及热影响区的冷却速度很快，有可能出现裂纹，此时需要对焊件进行适当预热注1如：寒冷地区室外焊接、温度小于或等于0℃的情况下需要预热；直径大于或等于φ3000mm、且壁厚大于或等于50mm的情况下，以及壁厚大于或等于90mm的产品的第一层焊道的焊接，焊前都应进行预热。预热温度一般为80-150℃2.2低碳钢的焊接壁厚大于200mm时：待焊至工件厚度的1/2时，应进行一次中间热处理后，再继续焊接。中间热处理温度为550-600℃，焊后热处理温度为600-650℃注2对于焊接受压件壁厚大于或等于20mm时：应考虑采用焊后热处理或相应的消除应力措施壁厚大于30mm时：必须进行焊后热处理，温度为600-650℃2.2低碳钢的焊接生产中，采用埋弧焊焊接较厚工件时，可以用一道或多道焊来完成。多层埋弧焊焊第一道焊缝时，母材的熔入比例大，若母材的含碳量较高时，焊缝金属的含碳量就会升高，并在第一道埋弧焊处容易形成不利的〇形焊缝断面，易产生热裂纹。故多层埋弧焊焊接厚板时，要求在坡口根部第一道焊缝时采用的热输入要小些，如采用焊条电弧焊打底的埋弧焊就可避免上述情况。埋弧焊与焊条电弧焊相比，埋弧焊可以采用较大的热输入，生产效率较高，熔池也较大CO2气体保护焊2.2低碳钢的焊接为使焊缝金属具有足够的力学性能和良好的抗裂纹及气孔的能力，低碳钢采用CO2气体保护焊时可采用含Mn和Si的焊丝如H08Mn2Si、H08Mn2SiA等起保护作用的CO2气体质量也很重要。若在CO2气体中N和H的含量过高，焊接时即使焊缝保护良好、Mn和Si的数量也足够，仍可能在焊缝中出现气孔CO2气体保护焊时，为使电弧燃烧稳定，应采用较高的电流密度，但电弧电压不能过高，否则焊接时易出现飞溅及电弧燃烧不稳2.2低碳钢零件焊接举例Eg：油田输油管线材质为20＃无缝钢管，其外径为φ60mm、壁厚3.5mm，采用手工钨极氩弧焊打底，焊条电弧焊盖面进行施焊图5油田输油管线2.2低碳钢零件焊接举例

采用Y形坡口，角度为60°±5°，间隙1.5mm，采用机械加工或砂轮机打磨坡口，并将坡口两侧20mm范围内的铁锈、油污、水分清除干净，且露出金属光泽焊条可用E5015（J507）或E5016（J506）碱性低氢焊条，直径为φ3.2mm；焊丝选用H08Mn2SiA，直径为2.0mm焊缝表面不允许有气孔、裂纹、夹渣等缺陷焊接方法焊接层数焊接材料电源种类及极性焊接电流/A电弧电压/V焊接速度/cm/min型号规格φ/mm钨极氩弧焊1H08Mn2Si2.0直流正接100-11010-1212-16焊条电弧焊2E50153.2直流反接80-10022-2610-12焊接工艺参数2.2低碳钢零件焊接举例2.3

中碳钢的焊接1、中碳钢的焊接特点

中碳钢的碳含量比低碳钢高0.2-0.3%，但焊接性却严重恶化碳含量的提高使中碳钢的强度增加，但保护碳免于烧损的难度加大，C和FeO的还原反应：C+FeO→Fe+CO↑，生成的CO使气孔形成倾向增大物理性能方面，中碳钢比低碳钢线膨胀系数略高，热导率稍低，也增加了中碳钢焊接的热应力和过热倾向B.中碳钢的焊接

当钢中的碳含量大于0.15%时，碳本身的偏析以及它促使硫等其它元素的偏析逐渐明显，导致钢的热裂倾向增大，故用于焊接的中碳钢需要严格限制P、S含量。2.3中碳钢的焊接随碳质量分数的增加，中碳钢的焊接性变坏，其主要的焊接缺陷是热裂纹、冷裂纹、气孔和接头脆性。当钢中的杂质较多、刚性较大时，焊接问题将更突出。碳使钢的焊接性变坏的主要原因是碳提高了钢的淬硬性。中碳钢的马氏体由于有较大的脆性，在焊接应力和扩散氢的作用下容易发生冷裂纹和脆断。2.3中碳钢的焊接2、中碳钢的焊接工艺

焊接方法预热温度取决于碳当量、母材厚度、结构刚度、焊条类型和工艺方法。通常35钢、45钢的预热温度为150-250℃为限制中碳钢焊缝中的碳含量、减少熔合比，一般开U形或V形坡口，并将坡口两侧的油、污、锈等清除干净焊条电弧焊是中碳钢最好的焊接法，应采用相应强度级别的碱性低氢型焊条预热坡口制备2.3中碳钢的焊接一般选用直流弧焊电源，反极性，以减少熔深，降低裂纹倾向和气孔敏感性。焊后尽量立即进行消除应力热处理，尤其对于厚度大或刚性大的工件。消除应力回火温度一般为600-800℃。若焊后不能进行消除应力处理，也要进行后热，即采用保温、缓冷措施，使扩散氢逸出，以减少裂纹的产生。焊接电源焊后热处理3、中碳钢的焊接零件举例2.3中碳钢的焊接法兰长轴：材料为35钢图6法兰长轴焊接焊件在150-200℃时预热，焊前仔细清理焊口，点固焊缝4-5段，每段长50mm2.3中碳钢的焊接采用焊条电弧焊进行焊接焊条选用E5015（J507）碱性低氢型焊条焊前进行300-350℃一小时烘干焊件水平放置，圆周焊缝分成6段或4段，分段跳焊以减少焊接应力和变形2.3中碳钢的焊接机车用万向轴：材料为40Cr图7万向轴焊接2.3中碳钢的焊接焊件预热温度为300℃，焊后立即用石棉灰保温缓冷，然后进行550-600℃的退火处理以消除应力，可使焊缝有较高的强度采用焊条电弧焊进行焊接焊条选用E8515(J857)的低氢型焊条，焊前进行烘干2.4高碳钢的焊接高碳钢碳含量很高焊接性很差一般采用焊条电弧焊C.高碳钢的焊接2.4高碳钢的焊接a高碳钢比中碳钢更易产生焊接热裂纹b高碳钢对淬火更加敏感，近缝区极易形成马氏体淬硬组织，产生冷裂纹c受焊接高温的影响，高碳钢焊接时晶粒长大快，碳化物容易在晶界上聚集、长大，焊缝脆弱，使接头强度降低d高碳钢导热