培训资料《碳钢的焊接》

1、一、 碳钢的焊接1.1碳钢的钟类、标准与性能1.1.1概述碳钢又称碳素钢，是钢材中产量最多、应用最广的材料。船舶、车辆、桥梁、电站、锅炉、压力容器、矿山设备、石化装置、工业厂房、民用建筑、农业机械、家用电器、工具、用具、炊具、甚至家具等，无不大量使用，其产量约占钢材总产量的80%左右，也是全部钢材中经受焊接加工量最大、覆盖面最广的钢种，全世界钢产量约有40%以上离不开焊接，可想而知，碳钢焊接在金属加工或钢材加工中，占有多么重要的地位。碳钢是以铁为基本成分、含有少量碳（w(c)1.3%）的铁碳合金。实际上，碳钢中除以碳作主要合金元素外，还含有少量有益元素Mn和si，w（Mn）一般小于1%，个别碳

2、钢达到1.2%；（si）都在0.5%以下。此外，碳钢中还有少量杂质元素S和P，每一钢种都限制其含量。对于某些重要碳钢来说，还需限制Cr、Ni 、Cu、N等元素含量。参照GB 221-79，碳钢由于分类角度不同而有多种名称：（1） 按含碳量分 低碳钢w（C）0.30%(有的国家把w（C）0.15%者称为低碳钢, w（C）0.15%0.30%者称为软钢1)； 中碳钢w（C）=0.30%0.60%； 高碳钢w（C）0.60%。（2） 按冶炼方法分 平炉钢； 转炉钢，又分为氧气转炉钢和碱性空气转炉钢； 电炉钢。（3） 按钢材脱氧程度的不同分 沸腾钢； 半镇静钢； 镇静钢。（4） 按用途分 结构钢 用来

3、制造各种金属构件和机器零件； 工具钢 用来制造各种工具（量具、刃具、模具）。（5） 按质量分根据钢中有害杂质S和P的含量分： 普通碳素钢w（C）0.050%，w（P）0.045%； 优质碳素钢w（S）0.035%，w（P）0.035%； 高级优质碳素钢w（S）0.030%；w（P）0.035%。经常需要焊接的碳钢是各种碳素结构钢，少数情况也有工具钢的焊接，现把这些钢种分别介绍如下。1.1.2普通碳素结构钢GB 700-88 对普通碳素结构钢牌号表示如下：Q 表示脱氧方法表示质量等级表示屈服强度数值/Mpa代表屈服强度的“屈”字上述表示牌号的4部分意义如下： Q钢材屈服程度“屈”字汉语拼音首位字

4、母。 3位连在一起的数字屈服强度最低值，共有5种规格，具体见表1和表2 质量等级，分A、B、C、D4级，D级质量最好，A级最差。 脱氧方法，共分4种，其符号及代表的意思如下：F沸腾钢“沸”字汉语拼音首位字母；B半镇静钢“半”字汉语拼音首位字母；Z镇静钢“镇”字汉语拼音首位字母；TZ特殊镇静钢“特镇”二字汉语拼音首位字母。普通碳素结构钢化学成分见表1-1；力学性能见表1-2。表1-1普通碳素结构钢化学成分（GB700-88）化 学 成 分（质量分数）（%）牌号等级CMnsisp脱氧方法不 大 于Q195-0.060.120.250.500.300.0500.045F、b、zQ215A0.090.

5、150.250.550.300.0500.045F、b、zB0.045Q235A0.140.220.300.650.300.0500.045F、b、zB0.120.200.300.700.045C0.180.350.800.0400.040zD0.170.0350.035TZQ255A0.180.280.400.700.300.0500.045F、b、zB0.045Q275-0.280.380.500.800.300.0500.045b、z注:1、沸腾钢w (si) 0.07%,半镇静钢w (si) 0.17%，镇静钢w (si)下限为0.12% 2、Q235A和B级沸腾钢w(Mn)上限为0.

6、06%。 3、D级钢应有足够的形成细晶粒组织的元素。表1-2普通碳素结构钢力学性能 (GB 700-88)牌号等级拉伸试验（不小于）冲击试验冷弯试验b/Mpas/ MPa5(%)温度/夏比V形缺口冲击吸收功（纵向）/JB=2a 180弯心直径d纵向试样横向试样Q195-31539019533-00.5aQ215A33541021531-0.5aaB2027Q235A37546023526-a1.5aB2027C0D-20Q255A41051025524-2a2aB2027Q275-49061027520-3a3a注: 1.屈服强度和伸长率要求数值,皆对钢材厚度不大于16MM而言,厚度增加时,这

7、些数值要求降低,见GB 700-88。2. Q195的屈服强度值仅供参考,不作交货条件。3. 冷弯试验中,b为试样宽度，a为钢材厚度,要求的弯心直径值系指钢材厚度为不大于60MM时,厚度增加,则弯心直径也增加,见GB 700-88。4.钢材一般以热轧（包括控轧）状态交货，根据需方要求，经过双方协议，也可以正火处理状态交货（A级钢除外）1.1.3优质碳素结构钢 优质碳素结构钢的化学成分见表1-3，力学性能见表1-4，表中120为普通含锰量优质碳素结构钢，2131为较高含锰量优质碳素结构钢表1-3 优质碳素结构钢化学成分（GB 699-88）牌号化 学 成 分（质量分数）（%）CsiMnPSNiC

8、rCu不 大 于08F0.050.110.030.250.500350350.250.100.2510F0.070.140.070.250.500350350.250.150.2515F0.120.190.070.250.500350350.250.250.25080.050.120.170.370.350.650350350.250.100.25100.070.140.170.370.350.650350350.250.150.25150.120.190.170.370.350.650350350.250.250.25200.170.240.170.370.350.650350350.250

9、.250.25250.220.300.170.370.500.800350350.250.250.25300.270.350.170.370.500.800350350.250.250.25350.320.400.170.370.500.800350350.250.250.25400.370.450.170.370.500.800350350.250.250.25450.420.500.170.370.500.800350350.250.250.25500.470.550.170.370.500.800350350.250.250.25550.520.600.170.370.500.80035

10、0350.250.250.25600.570.650.170.370.500.800350350.250.250.25650.620.700.170.370.500.800350350.250.250.25700.670.750.170.370.500.800350350.250.250.25750.720.800.170.370.500.800350350.250.250.25800.770.850.170.370.500.800350350.250.250.25850.820.900.170.370.500.800350350.250.250.2515Mn0.120.190.170.370

11、.701.000350350.250.250.2520 Mn0.170.240.170.370.701.000350350.250.250.2525 Mn0.220.300.170.370.701.000350350.250.250.2530 Mn0.270.350.170.370.701.000350350.250.250.2535 Mn0.320.400.170.370.701.000350350.250.250.2540 Mn0.370.450.170.370.701.000350350.250.250.2545 Mn0.420.500.170.370.701.000350350.250

12、.250.2550 Mn0.480.560.170.370.701.000350350.250.250.2560 Mn0.570.650.170.370.701.000350350.250.250.2565 Mn0.620.700.170.370.901.200350350.250.250.2570 Mn0.670.750.170.370.901.200350350.250.250.25表1-4 优质碳素结构钢化学成分（GB 699-88）牌号试样毛坯尺寸/mm推荐热处理温度/C力 学 性 能钢材交货状态硬度(HB)正火淬火回火b/MPas/ MPa5(%)(%)AKV/J不大于不 大 于未热

13、处理退火钢08F25930295175356013110F25930315185335513715F2592035520529551430825930325195336013110259303352053155137152592035722527551432025910410245255515625259008706004502752350711703025880860600490295215063179352587085060053031520455519740258608406005703351945472171874525850840600600355164039229197502583

14、0830600630375144031241207552582082060064538013352552176025810675400123525522965258106954101030255229702579071542093026922975试样-820480108088073028524180试样-820480108093063028524185试样-820480113098063030225515Mn25920410245265516320 Mn25910450275245019725 Mn2590087060049029522507120730 Mn2588086060054031

15、520456321718735 Mn2587085060056035519455522919740 Mn2586084060059035517454722920745 Mn2585084060062037515403924121750 Mn2583083060064539013403125521760 Mn25810695410113526922965 Mn2581073543093028522970 Mn257907854508302852291.1.4专门用途碳素结构钢与焊接关系密切的专门用途碳素结构钢有下列几种: 船体用碳素结构钢 (GB 712-88) 焊接气瓶用碳素结构钢 (GB 6

16、653-94) 压力容器用碳素钢 (GB 6654-1996) 锅炉用碳素钢 (GB 713-1997) 桥梁用碳素结构钢【YB(T)10-81】 管道用碳素钢 (GB 9700-88) 铁道钢轨用碳素钢 (GB 2585-81) 核压力容器用碳素结构钢2 汽车制造用碳素结构钢 (GB3275-91)它们的化学成分见表1-5,力学性能见表1-6表1-5各种专门用途碳素结构钢化学成分钢 类牌 号等级化 学 成 分 (质量分数) (%)标准CMnSiSPAISCrNiCu船体用碳素结构钢ABDE0.220.210.210.182.5C0.601.000.601.100.701.200.100.35

17、0.0400.0400.0150.0150.300.300.35GB712-88焊接气瓶用碳素钢HP245HP265HP2950.160.19 0.200.600.801.000.350.0350.0350.0150.300.300.20GB6653-94压力容器用碳素钢20R0.200.400.900.150.300.0300.0350.300.300.30GB6654-96锅炉用碳素钢20g0.200.500.900.150.300.0350.0350.300.300.30GB713-1997桥梁用碳素结构钢16q0.120.200.400.900.120.250.0400.0350.30

18、0.300.30YB(T)10-81石油天燃气管道用螺旋缝埋弧焊碳素钢管S205S240S2900.170.170.220.300.900.451.150.651.250.350.350.040GB9711-88铁道钢轨用碳素钢U71U74U71Cu0.640.770.670.800.650.770.600.900.701.000.701.000.130.280.130.280.150.300.0500.0400.100.40GB2585-81核压力容器用碳素钢20HR0.200.490.900.150.300.0300.030参考资料2汽车制造用碳素结构钢08Al0.050.120.250.

19、650.030.0350.0350.020.07GB3275-9115Al0.120.170.350.650.06表1-6各种专门用途碳素结构钢力学性能钢 类牌 号等 级钢板厚度/MMb/MPab/MPa5(%)夏比V形缺口冲击试验冷弯试验标 准不小于温度CAKV/JB=2a180横向纵向不小于船体用碳素结构钢A5040049023522d=2aGB712-88B02027b=5a，120d=3aD-10E-40焊接气瓶用碳素钢HP2453902452827d=1.5aGB6653-94HP26541026527常温d=2aHP29544029526压力容器用碳素钢20R61640052024

20、5252031d=2aGB6654-9616362353660225锅炉用碳素钢20g61640053024526常温27d=1.5a d=2aGB713-1997172540052023525263640052022524376040052022523桥梁用碳素结构钢16q37222526-202731d=1.5aYB(T)10-81石油天燃气管道用螺旋缝埋弧焊碳素钢管S205S240S290330415415205240290见GB9711-88GB9711-88铁道钢轨用碳素钢U7178510落锤试验，经打击一次后，两支点间不得断裂GB2585-81U749U71Cu9核压力容器用碳素钢

21、20HR23525027d=2a参考资料2汽车制造用碳素结构钢08Al27d=0GB3275-9115AI24d=a1.1.5 碳素铸钢碳素铸钢中与焊接关系密切的有： 焊接结构用碳钢铸件（GR7659-87）这类铸件共有3个牌号，焊接性良好，常用作一般工程的铸一焊结构件。 一般工程用铸造碳钢（GB11352-89）这类铸件有5个牌号，总的说来，这一类铸钢较少考虑焊接性能，因此焊补时应当小心。这两类铸件的化学成分见表1-7，力学性能见表1-8表1-7 碳素铸钢化学成分碳素铸钢类别牌 号化 学 成 分（质量分数）（%）标 准不 大 于CMnSiSP残 余 元 素NiCrCuMoV总和焊接结构用碳钢

22、铸件ZG200-400H0.200.800.500.040.300.300.300.150.050.80GB7659-87ZG230-450H0.201.20ZG275-485H0.251.20一般工程用铸造碳钢ZG200-4000.200.800.500.040.300.350.300.200.501.00GB11352-89ZG230-4500.300.90ZG270-5000.40ZG310-5700.500.04ZG310-6400.60注：1. 铸钢牌号中“ZG”是“铸钢”两字汉语拼音首位字母。2. 牌号末尾的“H”为“焊”字汉语拼音首位字母,表示焊接用钢。3. 牌号中二组数字分别代

23、表铸件金属s和b值,单位为Mpa 。表1-8碳素铸钢力学性能碳素铸钢类别牌 号b/MPas/ MPa5(%)(%)AKV/J标 准不 小 于焊接结构用碳钢铸件ZG200-400H ZG230-450H ZG275-485H400450485200230275252220403535302522GB7659-87一般工程用铸造碳钢ZG200-400 ZG230-450 ZG270-500 ZG310-570 ZG310-640400450500570640200230270310340252218151040322521183025221510GB11352-89注:断面收缩率和夏比V形缺口冲击

24、吸收功两项指标根据合同要求选择。二不锈钢的焊接2.1 不锈钢的概述不锈钢是指主加元素铬含量能使钢处于钝化状态、又具有不锈特性的钢。为此，不锈钢w(Cr)应高于12%。此时，钢的表面能迅速形致密的Cr2O3氧化膜，使钢的电极电位和在氧化性介质中的耐蚀性发生突变性提高。在非氧化性介质(HCI、H2SO4)中，铬的作用并不明显，除了铬外，不锈钢中还须加入能使钢钝化的Ni、Mo等其他元素。通常所说的不锈钢实际是不锈钢和耐酸钢的总称，不锈钢一般泛指在大气、水等弱腐蚀介质中耐蚀的钢，耐酸钢则是指在酸、碱、盐等强腐蚀介质中耐蚀的钢。两者在化学成分上的工同特点是w(Cr)均在12%以上，但由于合金化的差异，不

25、锈钢并不一定耐酸，而耐酸钢一般具有良好的不锈性能。按照习惯叫法，本章将不锈钢和耐酸钢简称为不锈钢。2.1.1 不锈钢的种类、化学成分及其用途不锈钢按照组织类型，可分为五类，即铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢、双相不锈钢和沉淀硬化不锈钢。各种类型不锈钢热轧钢板的化学成分列表2-1，各国不锈钢标准牌号对照列表2-2。不锈钢的重要特性之一是耐蚀性，然而不锈钢的不锈性和耐蚀性都是相对的，有条件的，受到诸多因素的影响，包括介质种类、浓度、纯净度、流动状态、使用环境的温度、压力等，目前还没有对任何腐蚀环境都具有耐蚀性的不锈钢。因此，不锈钢的选用应根据具体的使用条件加以合理选择，才能获得良好的使用效

26、果。奥氏体不锈钢在各种类型不锈钢中应用最为广泛，品种也最多。由于奥氏体不锈钢的Cr、Ni含量较高，因此在氧化性、中性以及弱还原性介质中均具有良好的耐蚀性。奥氏体不锈钢的塑韧性优良，冷热加工性能俱佳，焊接性优于其他类型不锈钢，因而广泛应用于建筑装饰、食品工业和医疗器械、纺织印染设备以及石油、化工、原子能等工业领域。铁素体不锈钢的应用比较广泛，其中Cr13和Cr17型铁素体不锈钢主要用于腐蚀环境不十分苛刻的场合，例如室具装饰、厨房设备、家电产品、家用器具等。超低碳高铬含钼铁素体不锈钢因对氯化物应力腐蚀不敏感，同时具有良好的耐点蚀、缝隙腐蚀性能，因而广泛用于热交换设备、耐海水设备、有机酸及制碱设备等

27、。马氏体不锈钢应用较为普通的是Cr13型马氏体不锈钢。为获得或改善某些性能，添加Ni、Mo等合金元素，形成一些新的马氏体不锈钢，例如0 Cr13Ni4Mo、0 Cr16Ni5Mo等。马氏体不锈钢主要用于硬度、强度要求较高，耐腐蚀要求不太高的场合，如量具、刃具、餐具、弹簧、轴承、汽轮机叶片、水轮机转轮、泵、阀等。双相不锈钢是金相组织由奥氏体和铁素体两相组成的不锈钢，而且各相都占有较大的比例。双相不锈钢具有奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的一些特性，韧性良好，强度较高，耐氯化物应力腐蚀。适于制作海水处理设备、冷凝器、热交换器等，在石油、化工领域应及广泛。沉淀硬化不锈钢是在不锈钢中单独或复合添加硬化元素，

28、通过适当热处理获得高强度、高韧性并且有良好耐蚀性的一类不锈钢。通常作为耐磨、耐蚀、高强度结构件，如轴、齿轮、叶片等转动部件和螺栓、销子、垫圈、弹簧、阀、泵等零部件以及高强度压力容器、化工处理设备等。表2-1不锈钢热轧钢板的化学成分（GB/T4237-1992）奥 氏 体 不 锈 钢牌 号化 学 成 分（质量分数）（%）CSiMnPSNiCrMoCuN其他1Cr17Mn6Ni5N0.151.005.507.500.0600.0303.505.5016.0018.00.251Cr18Mn8Ni5N0.151.007.510.000.0600.0304.006.0017.0019.00.251Cr1

29、8Ni90.151.002.000.0350.0308.0010.0017.0019.01Cr18Ni9Si30.152.003.002.000.0350.0308.0010.0017.0019.00Cr18Ni90.071.002.000.0350.0308.0011.0017.0019.000Cr19Ni100.0301.002.000.0350.0308.0012.0018.0020.00Cr19Ni9N0.081.002.500.0350.0307.0010.5018.0020.00.100.250Cr19Ni10NbN0.081.002.500.0350.0307.5010.5018

30、.0020.00.150.30Nb0.1500Cr18Ni10N0.0301.002.000.0350.0308.5011.5017.0019.00.120.221Cr18Ni120.121.002.000.0350.03010.5013.017.0019.00Cr23Ni130.081.002.000.0350.03012.0015.022.0024.00Cr25Ni200.081.002.000.0350.03019.0022.024.0026.00Cr17Ni12Mo20.081.002.000.0350.03010.0014.016.0018.02.003.0000Cr17Ni14Mo

31、20.0301.002.000.0350.03012.0015.016.0018.02.003.000Cr17Ni12Mo2N0.081.002.000.0350.03010.0014.016.0018.02.003.000.100.2200Cr17Ni13Mo2N0.0301.002.000.0350.03010.5014.516.5018.52.003.000.100.221Cr18Ni12MoTi0.121.002.000.0350.03011.0014.016.0019.01.802.50Ti=5 (C%-0.02)0.800Cr18Ni12Mo2Ti0.081.002.000.035

32、0.03011.0014.016.0019.01.802.50Ti=5C%0.071Cr18Ni12Mo3Ti0.121.002.000.0350.03011.0014.016.0019.02.503.50Ti=5 (C%-0.02)0.800Cr18Ni12Mo3Ti0.081.002.000.0350.03011.0014.016.0019.02.503.50Ti=5C%0.070Cr18Ni12Mo2Cu20.081.002.000.0350.03010.0014.017.0019.01.202.751.002.5000Gr18Ni12Mo2Cu20.0301.002.000.0350.

33、03012.0016.017.0019.01.202.751.002.500Cr19Ni13Mo30.081.002.000.0350.03011.0015.018.0020.03.004.0000Cr19Ni13Mo30.0301.002.000.0350.03011.0015.018.0020.03.004.000Cr18Ni16Mo50.0401.002.500.0350.03015.0017.016.0019.04.006.001Cr18Ni9Ti0.121.002.000.0350.0308.0011.0017.0019.0Ti=5(C%-0.02)0.800Cr18Ni10Ti0.

34、081.002.000.0350.0309.0012.0017.0019.0Ti5C%0Cr18Ni11Nb0.081.002.000.0350.0309.0013.0017.0019.0Nb10C%0Cr18Ni13Si40.083.005.002.000.0350.03011.5015.015.0020.0 0Cr18Ni13Si4如有必要，允许添加表列以外的合金元素。 此牌号除专用处，一般情况下不推荐使用。铁 素 体 奥 氏 体 双 相 不 锈 钢牌 号 化 学 成 分（质量分数）（%）CSiMnPSNiCrMoCuN其他0Cr26Ni5Mo20.081.001.500.0350.030

35、3.004.0023.0028.001.003.0000Cr18Ni5Mo3Si20.031.302.001.002.000.0300.0304.55.518.019.52.53.00.10注：如有必要，允许添加表列以外的合金元素。铁 素 体 奥 氏 体 双 相 不 锈 钢牌 号 化 学 成 分（质量分数）（%）CSiMnPSNiCrMoCuN其他0CAl0.081.001.000.0350.03011.5014.50A10.100.3000Cr120.0301.001.000.0350.03011.0013.501Cr150.121.001.000.0350.03014.0016.001Cr

36、170.120.751.000.0350.03016.0018.001Cr17Mo0.121.001.000.0350.03016.0018.000.751.2500Cr17Mo0.0251.001.000.0350.03016.0019.000.751.250.025Ti,Nb,Zr及其和8(C%+N%)0.800Cr18Mo20.0251.001.000.0350.03017.0020.001.752.250.025Ti,Nb,Zr及其和8(C%+N%)0.800Cr30Mo20.0100.400.400.0300.02028.0032.001.502.500.01500Cr27Mo0.0

37、100.400.400.0300.02025.0027.500.751.500.015 允许含有w(Ni)0.60%。 允许含w(Ni)0.50%， w(Cu)0.20%，并且w(Ni+Cu)0.50%。如有必要，允许添加表列以外的合金元素。马 氏 不 锈 钢牌 号 化 学 成 分（质量分数）（%）CSiMnPSCr其他1Cr120.150.501.000.0350.03011.5013.000Cr130.081.001.000.0350.03011.5013.001Cr130.151.001.000.0350.03011.5013.002Cr130.160.251.001.000.0350.

38、03012.0014.003Cr130.260.351.001.000.0350.03012.0014.004Cr130.360.450.801.000.0350.03012.0014.003Cr160.250.401.001.000.0350.03015.0017.007Cr170.600.751.001.000.0350.03016.0018.00 允许含有w(Ni)0.60%。7Cr17,允许添加的w(Mo)0.75%。表2-2各国不锈钢标准牌号对照表2中国GB4237-92日本G4303G4307国际标准ISO0683/13ISO0683/16美国AISIASTM英国BS970Part

39、4BS1449Part2德国DIN17440DIN17224法国NFA35-572NFA35-576582NFA35-584原苏联OCT56321Cr17Mn6Ni5NSUS201A-2201S2010012X171Cr18Mn8Ni5NSUS202A-3202S20200284S1612X179AH42Cr13Mn9Ni420X13H491Cr17Ni7SUS30114301S30100301S21Z12CN17.071Cr17Ni8SUS301J1X12CrNi1771Cr17Ni9SUS30212302S30200302S25X12CrNi188Z10CN18.0912X18H91Cr1

40、8Ni9Si3SUS302B302S30200中国GB4237-92日本G4303G4307国际标准ISO0683/13ISO0683/16美国AISIASTM英国BS970Part4BS1449Part2德国DIN17440DIN17224法国NFA35-572NFA35-576582NFA35-584原苏联OCT56320Cr19Ni9SUS30411304S30400304S15X5CrNi189Z6CN18.0908X18H1000Cr19Ni11SUS304L10304LS30403304S12X2CrNi189Z2CN18.0903X18H110Cr19Ni9NSUS304N1304S304510Cr19Ni10NbNSUS304N2XM21S3045200Cr18Ni10NSUS304LNX2CrNiN1810Z2CN18.10N1Cr18Ni12SUS30513305S30500305S19X5CrNi1911Z8CN18.1212X18H12T0Cr23Ni13SUS309S309SS309080Cr25Ni20SUS310S310SS310080Cr18Ni12Mo2SUS3