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高等职业教育“十一五”规划教材（焊接专业）金 属 材 料 焊 接 工 艺,李荣雪 主编机械工业出版社,绪 论 第一单元 金属材料焊接性及分析试验方法第二单元 非合金钢（碳钢）及其焊接工艺第三单元 合金钢结构钢及其焊接工艺第四单元 不锈钢及其焊接工艺第五单元 耐热钢及其焊接工艺第六单元 铸铁及其焊接工艺第七单元 非铁金属材料及其焊接工艺,绪 论,能力知识点1 焊接技术的发展及应用能力知识点2 本课程的主要内容,返回主目录,第一单元 金属材料焊接性及分析试验方法,综合知识模块一 金属材料的焊接性综合知识模块二 金属材料焊接性的评定内容和试验方法种类 综合知识模块三 金属材料焊接性评定与试验【综合训练】,综合知识模块一 金属材料的焊接性,能力知识点一 金属材料焊接性的概念金属材料焊接性根据GB/T3375-1994焊接术语的定义：“金属材料在限定的施工条件下焊接成规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力”。优质焊接接头应具备的两个条件：一是接头中不允许存在超过质量标准规定的缺陷；二是要具有预期的使用性能。金属材料焊接性是指金属材料对焊接加工的适应性，它包括工艺焊接性和使用焊接性。,1工艺焊接性 工艺焊接性是指金属材料对各种焊接方法的适应能力，也就是在一定的焊接工艺条件下能否获得符合要求的优质焊接接头的能力。它不是金属材料本身所固有的性能，但取决于金属的成分和性能，并且随着焊接方法、焊接材料和工艺措施的发展而变化。2使用焊接性 使用焊接性是指焊接接头或整体结构满足技术条件中所规定的使用性能的能力。它取决于焊接结构所满足的技术条件规定的各种性能。,能力知识点二 金属材料焊接性的影响因素材料因素工艺因素结构因素使用条件常用金属材料焊接难易程度见表1-1,表1-1 常用金属材料焊接难易程度,注：A-通常采用，B-有时采用，C-很少采用，D-不采用,表1-1 常用金属材料焊接难易程度（续）,注：A-通常采用，B-有时采用，C-很少采用，D-不采用,综合知识模块二 金属材料焊接性的评定内容和试验方法种类,能力知识点一 金属材料焊接性的评定内容1焊缝金属抵抗热裂纹的能力2焊缝及热影响区金属抵抗冷裂纹的能力3焊接接头抵抗脆性断裂的能力4焊接接头的使用性能能力知识点二 金属材料焊接性试验方法种类（表1-3）,表1-3 金属材料焊接性试验方法种类,综合知识模块三 金属材料焊接性评定与试验,能力知识点一 金属材料焊接性分析与评定方法1碳当量法2焊接冷裂纹敏感指数法3利用金属材料的物理性能分析4利用金属材料的化学性能分析5利用合金相图或SHCCT（CCT）图分析,1碳当量法在钢材所含有的各种元素中，碳对冷裂敏感性的影响最显著，因此将钢中各种元素都按相当于若干含碳量折合并叠加起来即为“碳当量”，并以此来判断钢材的淬硬倾向和冷裂敏感性，进而推断钢材的焊接性。目前应用的碳当量计算公式：国际焊接学会（IIW）推荐的CE、日本工业标准（JIS）规定和美国焊接学会推荐的 Ceq。碳当量计算公式和应用范围见表1-4,表1-4 碳当量计算公式和应用范围,使用国际焊接学会（IIW）推荐的CE：对板厚小于20mm的钢材，当CE0.4%时，钢材的淬硬倾向不大，焊接性良好，焊前不需预热；当CE=0.40.6%时，钢材易于淬硬，焊接性较差，焊接时必须预热才能防止裂纹，随着板厚及碳当量的增加，预热温度也相应提高；当CE0.6%时，钢材淬硬倾向很大，焊接性差，焊接时必须采用严格的工艺措施如预热、后热、缓冷等，以防止产生裂纹。,使用日本工业标准（JIS）规定的Ceq(JIS)：对板厚小于20mm的钢材和采用焊条电弧焊时，对于强度等级不同钢材规定了不产生裂纹的临界值和相应的预热措施，见表1-5,表1-5 钢材强度级别与碳当量和预热温度的关系,使用美国焊接学会推荐的Ceq(AWS)：应根据Ceq(AWS)值再结合焊件厚度，先从图1-1查出该钢种焊接性的优劣等级，再根据表1-6确定出其焊接的最佳工艺措施。,表1-6 钢材焊接性等级不同时的最佳焊接工艺措施,图1-1 焊接性与碳当量和板厚的关系,2焊接冷裂纹敏感指数法焊接冷裂纹敏感指数（Pc）不仅包括了母材的化学成分，又考虑了熔敷金属含氢量与拘束条件（板厚）的作用。斜Y形坡口焊接裂纹试验的冷裂纹敏感指数公式：Pc=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B+/600+H/60（%）根据Pc值可以通过经验公式求出斜Y型坡口对接裂纹试验条件下，为了防止冷裂纹所需要的最低预热温度T0（）T0=1440 Pc 392,3利用金属材料的物理性能分析金属材料的物理性能，对焊接热循环、熔池冶金过程、结晶与相变过程等都有明显的影响。热导率大的材料（铜），传热快，焊接时熔池结晶速度快容易产生气孔和熔透不足；而热导率低的材料（钛、不锈钢），焊接时由于温度梯度大会产生较大的应力及变形，而且还会因为高温停留时间延长而导致焊缝金属晶粒粗大。焊接线胀系数大的材料（如不锈钢），接头的应力和变形必然更严重；焊接密度小的材料（如铝及其合金），则容易在焊缝中产生气孔和夹杂。,4利用金属材料的化学性能分析化学性质比较活泼的金属（如铝、镁、钛及其合金），在焊接条件下极易被氧化。有些金属材料甚至对氧、氮、氢等气体都极为敏感，焊接这些材料时需要采取惰性气体保护焊和在真空中焊接等保护可靠的焊接方法，有时甚至在焊缝背面也要进行保护。钛对氧、氮、氢等气体都极为敏感，吸收这些气体后力学性能显著降低，特别是韧性降低严重，因此要严格控制这些气体对焊缝及热影响区的影响。,5利用合金相图或SHCCT（CCT）图分析例如对于共晶相图，其固、液相线之间的温度区间大，会造成结晶时的成分偏析、低熔点共晶的生成和脆性温度区间的大，热裂纹倾向大。对于各种低合金钢来说，可以利用各自的连续冷却组织转变图（CCT图）或模拟热影响区的连续冷却组织转变图（SHCCT图）分析其焊接性。可以根据转变图预测热影响区组织、性能和硬度变化，从而预测某种钢焊接热影响区的淬硬倾向和产生冷裂纹的可能性，以便确定适当的焊接工艺条件。,能力知识点二 金属材料焊接性试验方法一、斜Y型坡口焊接裂纹试验法二、焊接热影响区最高硬度试验法三、插销试验法四、刚性固定对接裂纹试验法,一、斜Y型坡口焊接裂纹试验法,用于评定碳钢和低合金高强度钢焊接热影响区对冷裂纹的敏感性属于自拘束裂纹试验其试验要求应遵从GB/T4675.1-1984焊接性试验-斜Y型坡口焊接裂纹试验法的规定。,1试件制备试件的尺寸和形状如图1-2所示，板厚为938mm采用机械方法加工试件坡口试板两端各焊接60mm的拘束焊缝采用双面焊试件中间待焊部位有2mm的间隙。,图1-2 试件尺寸和形状,2、施焊条件用焊条电弧焊施焊的试验焊缝如图1-3a所示，用自动送进装置施焊的试验焊缝如图1-3b所示。试验焊缝只焊一道，不要求填满坡口，并可在不同温度下施焊。焊后静置和自然冷却48h后截取试样和进行裂纹检测。焊接参数：焊条直径4mm，焊接电流（17010）A，电弧电压（2224）V，焊接速度（15010）mm/min。,图1-3 施焊时的焊缝示意图a）焊条电弧焊试验焊缝 b）焊丝自动送进的试验焊缝,3、裂纹检测（1）表面裂纹率Cf 如图1-4a Cf=lf/L100%（2）根部裂纹率 检测根部裂纹时，应将试件着色后拉断或折断，按图1-4b进行根部裂纹测量。Cr=lr/L100%（3）断面裂纹率Cs 在试验焊缝上，用机械加工方法等分切取46块试样，如图1-4c所示，检查5个断面上的裂纹深度，按下式计算Cs Cs=Hs/H100%,图1-4 试样裂纹长度计算A）表面裂纹 b）根部裂纹 c）断面裂纹,二、焊接热影响区最高硬度试验法,试验标准GB/T4675.5-1984，适用于焊条电弧焊。试板尺寸和形状如图1-5和表1-7所示，试板采用气割下料，试验标准厚度为20mm，当材料厚度超过20mm时须用机加工成20mm，并保留一个轧制表面；当材料厚度小于20mm时则无须加工。,表1-7 热影响区最高硬度试件尺寸,图1-5 热影响区最高硬度试板,试样表面经研磨、腐蚀后，按图1-6位置测量硬度。,图1-6 硬度测量的位置,一般用于焊接结构的钢材都应提供其最高硬度值，常用的低合金结构钢允许的热影响区最高硬度值见表1-8。表1-8 常用低合金钢的碳当量及允许的热影响区最大硬度,三、插销试验法,插销试验法是一种定量测定低合金钢焊接热影响区冷裂纹敏感性的试验方法，属于外拘束裂纹试验法。该试验方法消耗材料少，结果稳定可靠，因此在国内外得到广泛应用。我国已制定国家标准GB/T9446-1988焊接用插销冷裂纹试验方法。,插销试验的基本原理是根据产生冷裂纹的三要素（即钢的淬硬倾向、焊缝含氢量及接头的应力状态），定量测出被焊钢材产生焊接冷裂纹的“临界应力”作为冷裂纹敏感性的评定指标。1试样制备 把被焊钢材加工成直径为8mm或6mm的圆柱形试棒（称为插销），形状和尺寸如图1-7所示，各部位尺寸见表1-9，插销上端有环形或螺形缺口。将插销插入底板直径相应的孔中，使带缺口一端与底板表面平齐，如图1-8所示。,图1-7 插销试棒的形状a）环形缺口插销 b）螺形缺口插销,图1-8 插销试棒、底板及熔敷焊道a）环形缺口插销 b）螺形缺口插销,2试验过程 按选定的焊接方法和严格控制的工艺参数，在底板上熔敷焊道，尽量使焊道中心线通过插销的端面中心，其熔深应保证缺口尖端位于热影响区的粗晶部位，焊道长度约100150mm。在焊后冷却至100150时（有预热时应在冷至高出预热温度5070）加载，当保持载荷16h或24h（有预热）期间试棒发生断裂，即得到该试验条件下的“临界应力”；如果在保持载荷期间未发生断裂，应调整载荷直至发生断裂。改变含氢量、焊接热输入和预热温度，可得到不同的临界应力。临界应力越小，说明材料对冷裂纹越敏感。,3插销试验特点：1）试件尺寸小，底板与插销材料可以不同，且底板可重复使用，因此试验消耗材料少。2）调整焊接热输入和底板厚度可得到不同的接头冷却速度。3）插销可从被试验材料任意方向截取，还方便从全熔敷金属中取样来测定焊缝金属对冷裂纹的敏感性。4）试验要求环形缺口必须位于焊缝的粗晶区，要求较严格。5）环形缺口整个圆周温度不十分均匀，影响试验结果的准确性，造成数据分散，再现性不是很好。,四、刚性固定对接裂纹试验法,该方法主要用于测定焊缝的冷裂纹和热裂纹倾向，也可以测定焊接热影响区的冷裂纹倾向，适用于低合金钢焊条电弧焊、埋弧焊和气体保护焊等。试件尺寸和形状如图1-10所示，试件在不小于厚度为40mm的钢板上以角焊缝形式四周焊接牢固。当试件板厚12mm时，取焊角尺寸与板厚相等；当板厚12mm时，焊角尺寸取12mm。试件坡口由机械方法加工。,图1-10 刚性固定对接裂纹试验试件尺寸和形状1-试件 2-刚性底板,试验焊缝可用手工焊或自动焊方法焊接，焊接参数可采用实际焊接时的参数。焊后将试件在室温放置24h，先检查焊缝有无表面裂纹；再横向切取焊缝，取2块试样磨片检查有无裂纹。该试验焊缝所受到的拘束度较大，评定标准是以试验结果有无裂纹为依据，一般要求每种焊接条件下需焊接2块试样。,综合训练,一、理论部分1简答题：（1）什么是金属材料的焊接性？工艺焊接性与使用焊接性有什么不同？（2）金属材料的焊接性是否属于金属材料的固有性能？“凡是能够获得优质焊接接头的金属，焊接性都很好”这种说法对吗？为什么？（3）什么是碳当量？如何利用碳当量法评定金属的焊接性？它的使用范围如何？（4）为什么热影响区的最高硬度可以说明金属材料对冷裂纹的敏感性？,2选择题（焊工等级考试模拟题）：（1）()不是影响焊接性的因素。A、金属材料的种类及其化学成分 B、焊接方法 C、构件类型 D、焊接操作技术（2）碳当量()时，钢的淬硬冷裂倾向不大，焊接性优良。A、小于0.40 B、小于0.50 C、小于0.60 D、小于0.80,（3）国际焊接学会的碳当量计算公式只考虑了()对焊接性的影响，而没有考虑其他因素对焊接性的影响。A、焊缝扩散氢含最 B、焊接方法 C、构件类型 D、化学成分（4）国际焊接学会推荐的碳当量计算公式适用于（）。A、高合金钢 B、奥氏体不锈钢 C、耐磨钢 D、碳钢和低合金结构钢,返回主目录,第二单元 非合金钢（碳钢）及其焊接工艺,综合知识模块一 非合金钢与钢材分类方法 综合知识模块二 低碳钢的焊接 综合知识模块三 中碳钢的焊接 综合训练,综合知识模块一 非合金钢与钢材分类方法,能力知识点一 钢材分类 国标GB/T13304-1991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。,1按化学成分分类按化学成分钢分类为：非合金钢、低合金钢和合金钢三类。非合金钢按质量等级又分为普通质量、优质和特殊质量用钢三类，其中每一类又按主要特性分为若干小类。“非合金钢”是指传统的“碳素钢”或“碳钢”，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。,2按主要质量等级和主要性能或使用性能分类按主要质量等级和主要性能或使用性能分类为：普通质量非合金钢、优质非合金钢和特殊质量非合金钢。3按用途分类按用途非合金钢分为：碳素结构钢和碳素工具钢。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。,能力知识点二 非合金钢 非合金钢（碳钢）按碳的质量分数可分为低碳钢（wc0.25%）、中碳钢（wc=0.25%0.60%）和高碳钢（wc0.60%）；按用途可分为结构钢和工具钢。在焊接结构用非合金钢中，常采用按碳的质量分数分类的方法。,非合金钢（碳钢）是指以铁为基础、以碳为合金元素，碳的质量分数一般不超过1.4%的钢，其他常存元素因含量较低皆不作为合金元素。因此其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，见表2-1。,表2-1 非合金钢焊接性与碳的质量分数的关系,综合知识模块二 低碳钢的焊接,能力知识点一 低碳钢的成分特点与焊接性成分特点：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焊接时具有以下特点：,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）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。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。,能力知识点二 低碳钢的焊接工艺要点1焊接方法低碳钢焊接性良好，几乎可以选择所有的焊接方法，并能保证焊接接头的良好质量。,2焊接材料选择焊接材料应遵循等强匹配的原则，也就是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系列焊条。表2-2列出了焊接低碳钢常用的焊接材料。,表2-2 焊接低碳钢常用的焊接材料,3 低碳钢施焊工艺要点低碳钢焊接一般不需要特殊的工艺措施，但在工件厚度较大或环境温度较低（T0）时，会因冷速加快而导致接头裂纹倾向增加，例如在焊接直径3000mm且壁厚50mm的结构、焊接壁厚90mm的第一层焊道、受压容器壁厚20mm时的焊缝有可能产生裂纹。,因此焊接时应采取如下工艺措施：1）焊前预热，焊接时保持道间温度。2）采用低氢或超低氢型焊接材料。3）连续施焊整条焊缝，避免中断。4）在坡口内引弧，避免擦伤母材，注意熄弧时填满弧坑。5）不在低温下进行成形、矫正和装配。6）尽可能改善严寒的劳动条件。上述措施可单独使用有时需要综合使用。,能力知识点三 低碳钢的特殊焊接工艺1窄间隙埋弧焊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，在我国已有多套窄间隙焊接装置，例如，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。该法比普通埋弧焊间隙小得多，因而节省焊接材料、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。,2窄间隙自动MIG全位置焊该工艺方法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0.81.2mm，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。3TIG焊封底背面成形工艺该工艺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。,4多头MIG焊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。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。目前，日本已有20个头（10个平焊、10个仰焊）专用焊机，且焊接质量完全合格。,综合知识模块三 中碳钢的焊接,能力知识点一 中碳钢的成分特点与焊接性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。同时在物理性能方面，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。,当钢中碳的质量分数大于0.15%时，碳本身的偏析以及它促进硫等其它元素的偏析都明显起来，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；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；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,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，多利用其坚硬耐磨的性能，而非利用其高强度。这种坚硬耐磨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的热处理状态。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。,能力知识点二 中碳钢的焊接工艺要点 1焊接方法中碳钢焊接性较差，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。,2焊接材料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；在要求焊缝金属与母材等强度时，选相应级别的低氢焊条；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。,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；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。,3坡口制备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。4预热与后热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，抑制马氏体的形成，提高接头的塑性，减小残余应力。预热温度取决于碳当量、母材厚度、结构刚度和焊条类型等，见表2-4。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600650。,表2-4 中碳钢焊接的焊条、预热温度及焊后热处理温度,5施焊特点中碳钢焊接时，尤其是在不预热的情况下焊接，应采取工艺措施减小熔深，降低冷却速度，防止产生裂纹。例如，选U形坡口减小熔合比；多层焊第一层焊道采用小直径焊条、小电流焊接；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58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。,能力知识点三 典型中碳钢零件的焊接工艺1焊条电弧焊焊接法兰长轴法兰长轴的主要尺寸见图2-1，材料为35钢。采用焊条电弧焊焊接，选用E5015低氢型焊条，焊前经300350烘干保温1h；焊件仔细清理坡口两侧20mm范围内的油污、铁锈等杂质；焊件水平放置，焊缝处于立焊位置，预热150200，焊固定焊缝45段，每段长50mm；圆周焊缝分成6段或4段，分段跳焊以减小应力和变形，第一道焊缝焊速要稍慢，熄弧时注意填满弧坑。,图2-1 焊接法兰长轴,综合知识模块四高碳钢的焊接,能力知识点一 高碳钢的成分特点与焊接性高碳钢中碳的质量分数wc0.6%，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。,其特点如下：1）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；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；3）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。,能力知识点二 高碳钢的焊接工艺要点1焊接方法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焊接材料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。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。,3施焊工艺要点1）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。2）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250350以上。3）采取与中碳钢相同的焊接工艺措施，如减小熔合比、小电流、低焊速焊接，整个工件应连续施焊完成，并采取措施减小内应力。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。,能力知识点三 典型高碳钢零件的焊接工艺1刀具钎焊在机加工中使用的车刀、刨刀等很多刀具是由刀头和刀体焊接而成的。刀头一般是碳素工具钢，其中wc=0.8%1.4%，属于高碳钢；刀体一般由wc=0.4%0.6%的中碳钢或低合金钢（40Cr）制造。如图2-2所示为刀头和刀体的火焰钎焊,图2-2 火焰钎焊刀具,2钢索对接某钢索斜拉桥（图2-3）的钢索直径为146mm，是由许多根直径为7mm的80优质高碳钢丝拧绞而成，每根钢索都很长，安装时要求拉紧钢索，因此要求事先在钢索端头对接上一个高碳钢拉紧接头。焊接采用焊条电弧焊，选用强度级别比钢索低的焊条，预热温度和道间温度不低于350，焊后采取缓冷措施。,图2-3 钢索斜拉桥,综合训练：,一、简答题1什么是碳钢？碳钢是如何进行分类的？2“低碳钢焊接性良好”的说法有无不妥之处？选用焊接方法与焊接材料的原则是什么？3低碳钢在低温条件下焊接时的工艺要点是什么？4板厚为18mm、材质为20g的钢板对接，在环境温度-20条件下施工，采用埋弧焊进行焊接，试制定其焊接工艺。,5为何中碳钢在制造机器零件中应用普遍，而在焊接结构中仍尽量不用?6中碳钢焊接时可能会出现哪些问题？应如何解决？7中碳钢焊接时，选择焊接材料的原则是什么？焊接工艺要点是什么？8高碳钢焊接主要应用于哪些范围？焊接时应注意哪些问题？,二、选择题（焊工等级考试模拟题）1根据GB/Tl591-94规定，()牌号由代表屈服点的字母“Q”、屈服点数值和质量等级符号(A、B、C、D、E、)三部分按顺序排列。A、碳素结构钢 B、优质碳素结构钢 C、合金结构钢 D、低合金高强度结构钢2在高温、高压蒸汽的运行条件下，碳钢的最高工作温度为()。A、350 B、450 C、550 D、6503()中除含有铁、碳元素外，还有少量的硅、锰、硫、磷等杂质。A、钼钢 B、铬钢 C、镍钢 D、碳钢,4高碳钢中，碳的质量分数为()。A、090 B、080 C、070 D、0605低碳钢Q235钢板对接时，焊条应选用()。A、E7015 B、E6015 C、E5515 D、E43036Q235钢C02气体保护焊时，焊丝应选用()。A、H10Mn2MoA B、H08MnMoA C、H08CrMoVA D、H08Mn2SiA,三、判断题（焊工等级考试模拟题）1低碳钢的高温组织为珠光体加铁素体。2碳钢中除含有铁、碳元素外，还有少量的铬、钼、硫、磷等杂质。3冷轧低碳钢焊接热影响区由过热区、正火区和部分相变区三部分组成。4中碳钢不用作焊接结构的原因是其强度过高。5高碳钢焊接性差因而不能进行焊接。6低碳钢和中碳钢选择焊接材料都应遵循等强匹配的原则。,返回主目录,第三单元合金钢结构钢及其焊接工艺,综合知识模块一 合金结构钢的种类、性能与用途 综合知识模块二 热轧及正火钢的焊接综合知识模块三 低碳调质钢的焊接 综合知识模块四 中碳调质钢的焊接 综合知识模块五 低温钢的焊接 综合训练,综合知识模块一 合金结构钢的种类、性能与用途,用于机械零件和各种工程结构的钢统称为结构钢。最早使用的结构钢是碳素结构钢。合金结构钢是在碳素结构钢基础上添加一定量的合金元素达到所需性能要求的钢材。,能力知识点一 合金结构钢的分类与用途合金结构钢有根据用途进行分类，也有根据化学成分、合金系统和组织状态来分的。用于焊接结构的大多是低合金钢，综合考虑其性能和用途后，一般分为两大类：高强度钢和专用钢。高强度钢主要应用的是其力学性能，合金元素的加入是为了在获得高强度的同时保证有足够的塑性和韧性；专用钢主要应用的是其特殊性能，例如耐高温、耐低温和耐腐蚀等，合金元素的加入是为了获得通常所需的力学性能外，主要是满足结构的特殊性能需要。,1高强度钢 简称高强钢，凡是屈服点s295MPa、抗拉强度b390MPa的钢，均称为高强钢。主要应用于常规条件下承受静载荷和动载荷的机械零件和工程结构，例如压力容器、动力设备、运输机械、桥梁和管道等。按钢的屈服点和热处理状态不同，一般分为热轧及正火钢、低碳调质钢和中碳调质钢。把钢锭加热到1300左右，经热轧成板材，然后空冷即成为热轧钢；钢板轧制和冷却后，经900正火即成为正火钢；钢板经900加热后水淬，再经600回火处理即成为调质钢。,近年来这类钢又开发出具有很大发展前途的新钢种，如微合金化控轧钢、焊接无裂纹钢（CF钢）、抗层状撕裂钢（Z向钢）和焊接大热输入钢等，主要用在严寒地区输油管线、海上采油平台、大型压力容器、大型水轮机蜗壳和大跨度全焊接桥梁等工程中。国内外常见的合金结构钢的牌号见表3-1。,表3-1 国内外常见的合金结构钢的牌号,（1）热轧及正火钢 屈服点为295490MPa，在热轧或正火状态下使用，属于非热处理强化钢，包括微合金化控轧钢、焊接无裂纹钢和抗层状撕裂钢，尽管采用了不同的冶炼和控轧技术，但从本质上讲它们都属于正火钢。这类钢广泛应用于常温下工作的各种焊接结构，如压力容器、动力设备、工程机械、桥梁、建筑结构和管线等。,（2）低碳调质钢 屈服点为490980MPa，在调质（淬火+高温回火）状态下供货使用，属于热处理强化钢。其特点是含碳量较低（碳的质量分数一般低于0.22%）、合金元素总量低于5%，既有高的强度，又有良好的塑性和韧性，可以直接在调质状态下进行焊接，焊后也不需进行调质处理。这类钢在焊接结构中也得到越来越广泛的应用，主要用于大型机械工程、压力容器及舰船等。,（3）中碳调质钢 屈服点一般在8801176MPa或以上，钢中含碳量比低碳调质钢高（碳的质量分数为0.25%0.5%），也属于热处理强化钢。其淬硬性比低碳调质钢高很多，具有很高的强度和硬度，但韧性较低，给焊接带来很大的困难，因此一般是在退火状态下焊接，焊后再进行整体热处理来达到所要求的强度和硬度。这类钢主要用于强度要求很高的产品或部件，如飞机起落架、火箭发动机壳体等。,2专用钢专用钢是指专门用于在特定条件下工作的机械零件和工程结构的钢。按用途不同分为珠光体耐热钢、低温钢和低合金耐蚀钢。（1）珠光体耐热钢 具有较好的高温强度和高温抗氧化性，其最高工作温度为500600，可用于在这一温度下工作的动力设备和化工设备等。它是以Cr、Mo为基础的低中合金钢。随着使用温度的提高，钢中往往还加入W、V、Nb、B等合金元素。,（2）低温钢 具有良好的低温韧性，其工作温度为-40-196，可用于各种低温容器（液化石油气-45、液化天然气-162）、严寒地区的工程结构（桥梁、管道等）和露天矿山机械等。这类钢中大部分含有Ni，一般在正火或调质状态下使用，和普通低合金钢的区别在于除具有满足要求的的强度外，还必须具有足够的低温韧性。,（3）低合金耐蚀钢 除具有一般的力学性能外，还必须满足耐腐蚀性能的特殊要求，主要用于在大气、海水、石油化工等腐蚀性介质中工作的各种零件和结构。由于所处介质不同，耐蚀钢的成分和类型也不同，应用最多的是耐大气和海水腐蚀用钢。,能力知识点2 合金结构钢的成分与性能1合金元素的作用碳是最能提高钢材强度的元素，但易于引起淬硬和焊接裂纹，所以在保证强度的前提下，碳的含量越少越好。低合金钢中加入的合金元素有Mn、Si、Cr、Ni、Mo、V、Nb、B、Cu等，对合金结构钢的组织和性能的影响很复杂。各种合金元素对结构钢抗拉强度和屈服点的影响如图3-1所示,图3-1各种合金元素对结构钢抗拉强度和屈服点的影响a）对抗拉强度的影响 b)对屈服点的影响,Mn的固溶强化作用很明显，当wMn1.7%时，可提高韧性和降低脆性转变温度（屈服点提高约50%、脆性转变温度约下降20），如Q345（16Mn）为典型的固溶强化钢，其屈服点为345MPa、脆性转变温度低于-40；Si的固溶强化作用也很显著，但会降低塑性和韧性，因此一般钢中wSi0.6%；Ni是惟一既能起固溶强化作用同时又能提高韧性且大幅度降低脆性转变温度的合金元素，在低温钢中最常用。,Cr能提高钢的耐热性、耐蚀性和降低脆性转变温度；Mo可提高钢的热强性，一般认为wMo=0.25%0.50%时，既可以强化金属又能改善韧性，当wMo0.5%时韧性开始恶化。Cr和Mo都是提高钢的淬透性的元素，使其裂纹敏感性增加，因此在低合金结构钢中的含量应加以控制。V、Ti、Nb是强烈形成碳化物的元素，Al、V、Ti、Nb还可形成氮化物，可产生明显的沉淀强化作用，在固溶强化的基础上屈服点可提高50100MPa，并能保持韧性。V、Ti、Nb均是微量加入，故称为微合金化。B元素也是微合金化的元素，它可以细化晶粒从而改善韧性。,2合金结构钢的性能合金结构钢具有较高的强度和良好的塑性、韧性，采用不同的合金成分和热处理方法可获得具有不同综合性能的低中合金结构钢。热轧及正火条件下，合金元素对钢的塑性和韧性的影响与其强化作用相反，即强化效果越大，塑性和韧性就降低越多，当钢中合金元素的含量超过一定值后会引起韧性大幅度下降。因此抗拉强度大于600MPa的高强钢一般都需进行调质处理。,综合知识模块二 热轧及正火钢 的焊接,能力知识点1 热轧及正火钢的成分和性能1热轧钢屈服点为295390MPa的钢大都属于热轧钢，合金系统为C-Mn或C-Mn-Si系，其强度是靠Mn、Si的固溶强化作用来保证。在低碳条件下，wMn1.6%、wSi0.6%，可以保持钢具有较高的塑性和韧性，超出这一范围后，塑、韧性明显恶化。因此合金元素的用量和钢的强度水平都受到限制。热轧钢的综合力学性能和加工工艺性能都较好，且冶炼工艺简单、价格较低，因此在国内外得到广泛应用。,Q345（16Mn）是我国1957年研制生产和应用最广泛的热轧钢，用于南京长江大桥和我国第一艘万吨运洋货轮。Q345按其中Mn和Si的质量分数不同又分为AE5个质量等级，Q345A即旧牌号中的16Mn，Q345C相当于锅炉和压力容器用钢中的16Mng和16MnR。热轧钢的组织为铁素体+珠光体，当板厚较大时，可以要求在正火条件下供货，经正火处理可使钢的化学成分均匀化，塑性、韧性提高，但强度略有下降。,2正火钢当要求钢的屈服点大于390MPa时，必须在固溶强化的同时加强合金元素的沉淀强化作用。正火钢是在固溶强化的基础上，加入碳、氮化物（V、Ti、Nb和Mo等）形成元素，通过沉淀强化和细晶强化来进一步提高钢的强度和保证韧性。正火处理的目的是促使碳化物和氮化物质点从固溶体中沉淀析出并同时细化晶粒。,3微合金控轧钢加入质量分数为0.1%左右对钢的组织性能有显著或特殊影响的微量合金元素的钢，称为微合金钢。多种微合金元素的共同作用称为多元微合金化。微合金控轧钢采用微合金化和控制轧制等技术，达到细化晶粒和沉淀强化相结合的效果，同时从冶炼工艺上采取降碳、降硫，改变夹杂物形态，提高钢的纯净度等措施，使钢材具有细晶组织。具有高强度、高韧性和良好的焊接性等优点，是热轧及正火钢的一个新分支，是近年发展起来的一类新钢种。主要用于石油和天然气的输送管线，如X60、X65和X70等管线钢。,能力知识点2 热轧及正火钢的焊接性热轧及正火钢中碳和合金元素的含量都较低，焊接性总体来看较好，但随合金元素含量的增加，焊接性变差。焊接时需要注意的问题是焊接裂纹和热影响区性能变化。,一、焊接裂纹1焊接冷裂纹在产生冷裂纹的三要素淬硬组织、拘束度和扩散氢含量中，淬硬组织和材料有关，因此钢材的淬硬倾向可以作为判断冷裂纹敏感性的标准之一。而淬硬倾向又可以通过碳当量、Pc、热影响区最高硬度等来判断。例如钢材碳当量越大，冷裂纹敏感性也越大，利用国际焊接学会推荐的碳当量计算公式计算CE。,一般认为，CE0.4%时，钢材在焊接过程中基本无淬硬倾向，冷裂敏感性小。屈服点为295390MPa热轧钢的碳当量一般都小于0.4%，焊接性良好，除大厚度钢板和在环境温度很低等情况下焊接外，一般不需预热和严格控制焊接热输入。碳当量CE=0.4%0.6%时，钢的淬硬倾向逐渐增加，属于有淬硬倾向的钢，对冷裂纹比较敏感。屈服点为440490MPa的正火钢基本属于这一范围，其中碳当量不超过0.5%时，淬硬倾向不太严重，焊接性尚好，在板厚较大（25mm）时需要采取预热措施。,2焊接热裂纹热轧及正火钢含碳量都较低，而含Mn量较高，Mn/S的比值可以达到防止结晶裂纹的要求，具有较好的抗热裂纹能力，在母材化学成分正常，焊接材料和焊接参数选择正确的情况下，一般不会产生热裂纹。但在个别情况下，例如母材中的碳与硫同时居上限或严重偏析，则有可能产生结晶裂纹。反之，如果焊接时焊缝产生结晶裂纹，则是由母材中的碳与硫的不正常造成的，这时就要从工艺上设法减小熔合比，选用碳含量少、Mn含量高的焊接材料，以降低焊缝中的碳和提高焊缝中的Mn，可以达到消除结晶裂纹的目的。,3消除应力裂纹（再热裂纹）含有Mo、Cr元素的钢在焊后消除应力热处理或焊后再次高温加热（包括长期高温下使用）过程中，可能出现裂纹，即消除应力裂纹，也称再热裂纹。一般产生在热影响区的粗晶区，裂纹沿熔合线方向断续分布。该裂纹的产生一般须有较大的焊接残余应力，因此在拘束度大的厚大工件中或应力集中部位更易于出现消除应力裂纹。在热轧及正火钢中，1