《焊工技能培训》课件-项目2：非合金钢焊接技术

非合金钢与钢

材分类方法2按主要质量等级和主要性能或使用性能分类国标GB/T13304-2008《

钢分类》将钢材按两种方式进行分类：一种是按

化学成分分类，另一种是按主要质量等级和主要性能及使用性能分类。2.1非合金钢与钢材分类方法31钢材

按用途分类

分类按化学成分分类“非合金钢”是指传统的“碳素钢”或“碳钢”,它是指在

冶炼时没有特意加入合金元素，含有极少量的Si、Mn

和微量的S、

P等元素，其含碳量大于0.0218%而小于2.11%。具有较好的力学

性能和各种工艺性能，并且冶炼工艺比较简单，价格低廉，因而

在焊接结构制造中应用广泛，但一般用于工作温度在350℃以下

的结构

。非合金钢按碳含量分：·

低碳钢，含碳量<0.25%·

中碳钢，含碳量：0.25%~0.6%·

高碳钢，含碳量>0.6%2.1非合金钢与钢材分类方法1.按化学成分分类非合金钢低合金钢合金钢按化

学成

分刚

分类为按主要质量等级和主要性能或使用性能分类3.按用途分类2.按主要质量等级和主要性能

或使用性能分类普通质量非合金钢优质非合金钢特殊质量非合金钢此外，钢材还可以从

其他角度进行分类，

如按专业(锅炉用钢、桥梁用钢、容器用钢

等)、按冶炼方法进

行分类

。3

.按用途分类碳素结构钢碳素工具钢2.1

非合金钢与钢材分类方法钢的种类碳的质量分数

(

%

)典型硬度典型用途焊接性低碳钢≤0.1560HBW特殊板材和型材、薄板、带材、焊丝优0.15~0.2590HBW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(通常需要预热和后热、推荐低氢焊接)高碳钢≥0.6040HRC弹簧、模具、钢轨劣(必须用低氢焊接、预热和后热)碳钢焊接

性主要取

决于碳的

质量分数，

随碳的质

量分数的

增加焊接

性逐渐变

差。2.1非合金钢与钢材分类方法非合金钢焊接性与碳的质量分数的关系低碳钢的焊接成分特点：碳的质量分数较低，硅、锰含量较少。焊接性优良：焊接时一般不需预热、控制道间温度和后热，焊

后也不必采取热处理来改善组织，可以说在整个焊接过程中不

需要特殊的工艺措施2.2

低碳钢的焊接1.低碳钢的成分特点与焊接性4)如果焊接时热输入过大，例如焊条直径或焊接电流选择不当、埋弧焊电流或焊速不当，也可能出现热影响区晶粒长大而引起塑性降低。2)塑性好，焊接接头产生裂纹的倾向小，适合制

造各种大型结构和受压容器。3)不需要使用特殊和复杂的设备，对焊接电源和

焊接材料没有特殊要求，

交直流焊机、酸碱性焊条

和焊剂都可以使用。1)可装配成各种接头形式，适应各种不同位置的焊接，且焊接工艺和技术较简单，容易掌握。2.2

低碳钢的焊接2

.

焊接特点2)焊接材料■选择焊接材料应遵循等强匹配的原则，根据

母材强度等级及工作条件来选择焊接材料。■低碳钢结构通常使用抗拉强度平均值为420MPa的钢材，因而常选用E43××和E50××系列焊条。1)焊接方法2.2低碳钢的焊接3.低碳钢的焊接工艺要点序号1234567型

号牌

号E4303药皮类型J422电

源

种

类钛钙型E4311J425主

要

用

途交流或直流高纤维素钾型E4316J426E4315焊接较重要的低碳钢结构和

同等强度的普低钢交流或直流低氢钾型J427E5003焊接低碳钢结构的立向下底

层焊接交流或直流反接低氢钠型J502E5016焊接重要的低碳钢及某些低

合金钢结构直流反接钛钙型J506焊接重要的低碳钢及某些低

合金钢结构交流或直流低氢钾型焊接相同强度等级低合金钢

一般结构交流或直流反接焊接中碳钢及重要低合金钢

结构钢，如Q345等E5015J507低氢钠型直流反接焊接中碳钢及重要低合金钢

结构，如Q345等焊

接

位

置平、立、仰、横平、立、仰、横平、立、仰、横平、立、仰、横平、立、仰、横平、立、仰、横平、立、仰、横2.2低碳钢的焊接表3-4

常用碳钢焊条型号与牌号对照钢号焊条电弧焊埋弧焊C

O₂焊一般结构焊接动载荷、复杂与厚板结构、

重要受压容器和低温下焊接焊丝牌号焊剂牌号Q235Q255E4303、E4313、E4301、E4320、E4311E4315、E4316(E5015、E5016)H08AHJ430HJ431H08Mn2SiH08Mn2SiAQ275E5015、E5016E5015、E5016H08MnA08、1015、20E4303、E4301E4320、E4311E4315、E4316(E5015、E5016)H08AH08MnAHJ430HJ431HJ33025、30E4315、E4316E5015、E5016H08MnA、

H10MnA20gE4303、E4301E4315、E4316(E5015、E5016)H08MnAH08MnSi、H10Mn220RE4303、E4301E4315、E4316(E5015、E5016)H08MnA焊接低碳钢常用的焊接材料2.2

低碳钢的焊接在焊接直径中≥3000mm

且壁厚δ≥50mm

的结构、焊接壁厚δ≥90mm

的第一层焊道、受压容器壁厚δ≥20mm

时的焊缝有可能产生裂纹。在工件厚度较大或环境温度较低

(T≤0℃)

时，会因冷速加

快而导致接头裂纹倾向增加低碳钢焊接一般不需要特殊的工艺措施低碳钢施焊工艺要点不在低温下进行成形、矫正和装配在坡口内引弧，避免擦伤母材，

注意熄弧时填满弧坑焊前预热，

1

焊接时保持道间温度采用低氢或

2超低氢型焊接材料2.2低碳钢施焊工艺要点3连续施焊整条焊缝，避免中断工件厚度较大

或环境温度较

低

(T≤0℃)时应采取如下

工艺措施54中碳钢的焊接中碳钢中碳的质量分数为wc=0.25%~0.60%,其强度和硬度较高，塑性和韧性较差，淬硬性较大，当wc

接近下限时焊接性

良好，随wc

的增加焊接性严重恶化。在物理性能方面，中碳钢比低碳钢线膨胀系

数略大，热导率稍低，这也就增加了中碳钢

焊接时的热应力和过热倾向。2.3

中碳钢的焊接中碳钢的成分特点与焊接性2.3

中碳钢的焊接当钢中碳的质量分数大

于0.15%时，碳本身偏析以及它促进硫等其它

元素偏析都明显起来，

如果钢中的硫较多，则

会因形成低熔点硫化物

而导致热裂纹倾向增加，因此用于焊接的中碳钢

必须严格控制硫的质量分数第三，碳的增加提高了钢材的淬硬性，焊接时

如果冷速较快则会在热影响区产生马氏体组织，且中碳钢的马氏体组织有较大的脆性，因此在

焊接应力作用下容易发生冷裂纹和脆断其次，由于碳的质量分

数较大，在焊接冶金反

应

中

，C

和FeO

反应生

成的CO

有可能产生CO气孔中碳钢的成分特点与焊接性中碳钢的焊接性较差，且随碳的质量分数

增加而越来越差，焊接时的主要问题是热

裂纹、冷裂纹、气孔和脆断，有时还会存

在热影响区强度降低，钢中杂质越多、结

构刚性越大，问题就越严重。中碳钢一般不用作焊接结构材料，而是用作机

器部件和工具较多，多利用其较高强韧性及耐

磨性，这种性能通常是经过热处理来达到的，

因此焊接时就要注意母材热处理状态。如果是焊接已经过热处理的部件，则必须采

取措施防止裂纹产生；如果是焊后进行热处

理，要求热处理后接头与母材性能相匹配，

则必须注意选择焊接材料。中碳钢2.3

中碳钢的焊接中碳钢焊接性较差，一般用作机器部件，其焊接一般是修补性的，所以焊

接中碳钢最合适的焊接方法是焊条电

弧焊

。中碳钢焊接时为了限制焊缝金属中碳的质量分数，应减小熔合比，所以一般采

用U

形或V形坡口，并注意将坡口及两侧20mm

范围内的油污、铁锈等污物清理干净

。2)坡口制备1)焊接方法2.3

中碳钢的焊接2.

中碳钢的焊接工艺要点■在不要求等强度时，选用强度级别低于母材的低氢焊条，例如焊接强度级别为490MPa的母材，可选择E4315、E4316

焊条，切不可选择强度级别比母材高的焊

条

。■在要求焊缝金属与母材

等强度时，选相应级别的低氢焊条■如果是在退火状态下(热处理前)焊

接，选用焊条则必须要使焊缝金属与

母材化学成分接近，以使焊后经热处理的焊缝金属达到与母材性能相同■对强度不做要求的中碳钢工具、模具等，焊接时要考虑其焊前状态■如果是在热处理后的部件上焊接，

则要选择低氢焊条，并采取相应的

工艺措施，以防止裂纹和热影响区

软化■一般情况下选用去硫能力强，熔敷金属扩散氢

含量低，塑、韧性较好的低氢型焊条2.3中碳钢的焊接中碳钢焊后应立即进行消除

应力热处理，不能立即进行

热处理的，也应至少在冷却

到预热温度或道间温度之前

进行，特别是在工件厚度和

结构刚度较大时更应如此。热处理温度一般为600~650℃。预热温度取决于碳当

量、母材厚度、结构

刚度和焊条类型等。中碳钢焊接时大多需要预

热和控制道间温度，以降

低焊缝金属和热影响区的

冷却速度，抑制马氏体形

成，提高接头的塑性，减

小残余应力。4)预热与后热2.3中碳钢的焊接钢牌号焊接性选用焊条牌号预热温度/℃焊后热处理温度

1℃不要求等强度要求等强度25好E4303、E4301E5015、E5016>50600～65030较好E4315、E4316E5015、E5016>10035ZG270-500较好E4303、E4301E4315、E4316E5015、E5016>15045ZG310-570较差E4303、E4301、E4315、E4316、E5015、E5016E5015、E5016>25055ZG340-640较差E4303、E4301、E4315、E4316、E5015、E5016E5015、E5016-中碳钢焊接的焊条、预热温度及焊后热处理温度中碳钢的焊接2.3将焊件置于立焊或半立焊位置、焊条横向摆动(摆

动幅度取焊条直径的5～8倍，这样就相当于短段连

续多道多层焊),以使母

材热影响区的任何一点都

在短时间内多次重复受热

以取得预热和保温效果。2.3

中碳钢的焊接5)施焊特点多层焊第一层焊

道采用小直径焊

条、小电流焊接选U形坡口

减小熔合比高碳钢的焊接高碳钢中碳的质量分数wc>0.6%,焊接性很差，在实际中不用作焊接结构，

一般是用作工具钢和铸

钢，用于要求高硬度和高耐磨性的部件、零件和工具，所以高碳钢的焊接大多为修复性焊接。2.4高碳钢的焊接1.高碳钢的成分特点与焊接性2)高碳钢对淬火更加敏感，焊接时热影响区极易产生脆硬的高碳马氏体组织，所以淬硬倾向和冷裂纹倾向都很大高碳钢导热性比低碳钢差，在

焊接高温下晶粒长大快，且碳

化物容易在晶界上集聚、长大，

使焊缝脆性增大，从而使接头

强度降低；同时在接头中引起

的内应力也较大，更容易促使

裂纹的产生。2.4高碳钢的焊接1.高碳钢的成分特点与焊接性由于碳的质量分数更大，因此焊接时比中碳钢更容易产生热裂纹高碳钢焊接主要是高硬度、高耐磨性部

件、零件和工具的焊接与修复，所以主要的

焊接方法是焊条电弧焊和钎焊2.4

高碳钢的焊接2.高碳钢的焊接工艺要点1)焊接方法高碳钢的抗拉强度一般在675MPa以上，当要求接头强度较高时可选

择E7015-D2(J707)或E6015-D2(J607)

焊条强度要求不高时可选

择E5015(J507)或E5016(J506)焊条或者选择与以上焊条

强度等级相当的低氢

型低合金钢焊条必要时可选用奥氏体

不锈钢焊条，牌号与

中碳钢所选焊条相同高碳钢焊接一般不要求接头与母材等强度。焊接材料根据钢中碳的质量分数、结构特点和使用条件来选择。2)焊接材料2.4

高碳钢的焊接高碳钢零件一般经过淬火+回火的热处理，因此焊接之前要先行退火，以减小裂纹倾

向

。内

应

力

。12采用结构钢焊条焊接时，焊前必须预热，

预热和道间温度控制

在250～350℃以上。4焊后将焊件立即放入炉中，在650℃保温，进

行消除应力热处理。3)施焊工艺要点3非合金钢焊接

工程实例■窄间隙埋弧焊可用于低碳钢焊接，也可用于合金结构钢的焊接，大

型火电站锅炉、核电站主容器、石油化工装置中的热壁加氢反应

器等厚壁筒体结构，都可以采用

这一工艺方法进行焊接。■比普通埋弧焊间隙小得多，节省焊接材料、

缩短焊接时间和减少

母材开坡口时的浪费，

同时还提高接头焊接

质

量

。压力容器、锅炉及电站中的焊接2.5

非合金钢焊接工程实例1.窄间隙埋弧焊主要用于大直径厚壁管件的焊接，采用射流过渡的脉冲MIG

焊，Ar+CO2

富氩混合气体作保

护，焊丝直径φ0.8~φ1.2mm,

调节参数多，可

以很好地适应在不同空间位置时的焊接需要，并

能保证获得满意的焊接接头质量。2.5非合金钢焊接工程实例2.

窄间隙自动MIG

全位置焊主要用于无法进行两面焊接、但又要求必须焊透的受压容器、管道或其他结构的焊接施工。焊接时要求根部熔化，背面形成焊缝；或背面不要求成形，但根部必须完全熔透。1

)

不

加

填

充焊丝2)加坡充焊丝3)加可熔环用TIG电弧使钝边熔透甚至稍稍在背面凸出。正面再用手工焊条

电弧焊或埋弧焊接。密闭容器常用这一办法焊接。火电站管道安装接口的焊接常用这一工艺。母材为Q235和20时，

焊丝为H05MnSiTiXt,

这是电站安装系统常用的TIG焊丝可熔环为一圆环，置于管道接头间隙中，环的断面形似铆钉，也

有断面为矩形的。TIG封底焊时，将这一环熔化并与两侧坡口焊在一起，形成封底焊缝。火电站管道安装接口的焊接也用此法.管道为低碳钢时，环的材料也是H05MnSiTiXt2.5

非合金钢焊接工程实例3.TIG

焊封底背面成形工艺国内采用12头的MIG

焊膜式壁专用焊机，正反面各有6个焊头同

时焊接，即6个平焊、6个仰焊。焊

接过程不必翻转工件，效率高。20个头(10个平焊、10个仰焊)专用焊机，且焊接质量完全合格。大型电站锅炉中的膜式壁很大，由许多根

钢管与钢带彼此相间焊

接而成，材料都为低碳钢，正、反两面都要求

焊

接

。2.5非合金钢焊接工程实例4.多头MIG

焊图1膜式壁管屏小单元结构及焊缝示意图2.5非合金钢焊接工程实例仰角焊缝非合金钢焊接工程实例2.51)利用背面焊缝光亮程度不同而监控亮度不足则未焊透，亮度过度则背面液态焊缝将会滴落。这一光亮程度可通过光电管反

馈到焊机系统以控制焊接工艺参数口。2)利用背面成形时声音不同监控将声音从管内传输给焊机，控制焊接工艺参数口

管子为低

碳钥时，不必预热，焊接质量

完全合格。以上这两种技术在实际生产中应用都较麻烦，近年，一些先进工厂已改用氩弧焊焊接管子的对接接头。一些钢管可用等离子焊接，封底焊缝利用小孔效应监控2.5

非合金钢焊接工程实例5.

等离子焊接一些钢管也可以用电阻对焊焊接。低碳钢管对焊时，不需预热及任何附加措施，可

以保证焊接质量。焊后必须去掉接头处毛刺，

特别是管内毛刺，工序繁复，工作量增加。现多采用氩弧焊焊接管子的对接接头。2.5非合金钢焊接工程实例6.

电阻焊接2.5

非合金钢焊接工程实例结构形式大型储气罐的槽壁板一般由中1

厚板组成，呈一敞口圆筒形，

2自下而上分若干板带组成，板厚s分别为6

mm,8mm,10mm,14mm,18mm,

材质为Q235A

钢。焊接材料焊丝采用直径1.2mm,H08Mn2SiA

型，气体采

用纯度为99.5%以上的CO2

气体。大型储气罐焊接对于板厚为10mm以上的壁板，采用双Y形坡口，如图1所示，坡口大的一面在槽体内侧。对于板厚<10mm的壁板，采用单面Y型坡口，坡

口形式如图2所示，坡口在槽体内侧。60°60°-图

1

1~1.5图

2焊接工艺

坡口形式非合金钢焊接工程实例2.5焊接层数焊丝