金属焊接性基础孟庆森碳钢及低合金钢的焊接.pptx

金属焊接性基础 孟庆森主编-化学工业出版社Chapter2 碳钢及低合金钢的焊接碳钢及低合金钢的焊接第第2 2章章 碳钢及低合金钢的焊接碳钢及低合金钢的焊接 金属焊接性基础 孟庆森主编-化学工业出版社Chapter2 碳钢及低合金钢的焊接碳钢及低合金钢的焊接 碳钢及低合金钢按化学成分分类为碳钢及低合金钢按化学成分分类为(GB/T13304-1991标准标准)：非：非合金钢即碳素钢、低合金钢和合金钢三类，应用最广泛应用的是合金钢即碳素钢、低合金钢和合金钢三类，应用最广泛应用的是碳素钢碳素钢(简称碳钢简称碳钢)。碳钢中除以碳作为主要合金元素外，还有硅。碳钢中除以碳作为主要合金元素外，还有硅(Si0.5%)、锰、锰(Mn0.8%)及不可避免的硫、磷等杂质。低合及不可避免的硫、磷等杂质。低合金钢是在碳钢基础上加入少量合金元素发展起来的钢种，一般其金钢是在碳钢基础上加入少量合金元素发展起来的钢种，一般其主要合金元素含量在主要合金元素含量在2%以下，或者各种合金元素的总量达到以下，或者各种合金元素的总量达到3%5%。金属焊接性基础 孟庆森主编-化学工业出版社Chapter2 碳钢及低合金钢的焊接碳钢及低合金钢的焊接2.12.1碳钢的焊接碳钢的焊接 碳钢的性能主要碳钢的性能主要碳钢的性能主要碳钢的性能主要取决于取决于碳含量，碳含量与焊接性及组织和性能的关碳含量，碳含量与焊接性及组织和性能的关碳含量，碳含量与焊接性及组织和性能的关碳含量，碳含量与焊接性及组织和性能的关系见图系见图系见图系见图2-12-1和和和和表表表表2-12-1。图2-1 碳钢碳含量与马氏体量和最大硬度的关系(C)/%Hardnessmax HRC金属焊接性基础 孟庆森主编-化学工业出版社Chapter2 碳钢及低合金钢的焊接碳钢及低合金钢的焊接2.12.1碳钢的焊接碳钢的焊接名称名称碳含量碳含量典型硬典型硬度度典型用途典型用途焊接性焊接性低碳钢低碳钢0.15%60HRB特殊板和型材薄板、带材和焊丝特殊板和型材薄板、带材和焊丝优优0.15%0.25%90HRB结构用型材、板材和棒材结构用型材、板材和棒材良良中碳钢中碳钢0.25%0.60%25HRC机械部件和工具机械部件和工具中中(通常需要预热，通常需要预热，推荐使用低氢焊推荐使用低氢焊接方法接方法)高碳钢高碳钢0.60%1.0040HRC弹簧、模具和钢轨弹簧、模具和钢轨劣劣(须低氢焊接方须低氢焊接方法、预热和后热法、预热和后热)表表2-1 各类碳钢的焊接性各类碳钢的焊接性金属焊接性基础 孟庆森主编-化学工业出版社Chapter2 碳钢及低合金钢的焊接碳钢及低合金钢的焊接2.1.1 碳钢的分类及焊接性碳钢的分类及焊接性2.1.1.1 碳钢的分类碳钢的分类uu按按按按含碳量分含碳量分含碳量分含碳量分 大致大致分成分成分成分成表表表表2-12-12-12-1所列的低碳钢、中碳钢和高碳钢三类所列的低碳钢、中碳钢和高碳钢三类所列的低碳钢、中碳钢和高碳钢三类所列的低碳钢、中碳钢和高碳钢三类 。uu按按按按品质品质品质品质分分分分 主要以有害杂质硫、磷等含量来划分：普通碳素钢主要以有害杂质硫、磷等含量来划分：普通碳素钢主要以有害杂质硫、磷等含量来划分：普通碳素钢主要以有害杂质硫、磷等含量来划分：普通碳素钢 S0.050%S0.050%S0.050%S0.050%，P0.045%P0.045%P0.045%P0.045%；优质碳素钢；优质碳素钢；优质碳素钢；优质碳素钢S0.035%S0.035%S0.035%S0.035%，P0.035%P0.035%P0.035%P0.035%；高级优质碳素钢；高级优质碳素钢；高级优质碳素钢；高级优质碳素钢S0.030%S0.030%S0.030%S0.030%，P0.035%P0.035%P0.035%P0.035%。uu按按按按脱氧程度脱氧程度脱氧程度脱氧程度分分分分 不完全脱氧的沸腾钢；彻底脱氧的镇静钢；介于沸不完全脱氧的沸腾钢；彻底脱氧的镇静钢；介于沸不完全脱氧的沸腾钢；彻底脱氧的镇静钢；介于沸不完全脱氧的沸腾钢；彻底脱氧的镇静钢；介于沸腾钢和镇静钢之间的半镇静钢。腾钢和镇静钢之间的半镇静钢。腾钢和镇静钢之间的半镇静钢。腾钢和镇静钢之间的半镇静钢。uu按按按按用途用途用途用途分分分分 结构钢和工具钢结构钢和工具钢结构钢和工具钢结构钢和工具钢金属焊接性基础 孟庆森主编-化学工业出版社Chapter2 碳钢及低合金钢的焊接碳钢及低合金钢的焊接2.1.1.2 2.1.1.2 碳钢的焊接性碳钢的焊接性 碳钢的焊接性碳钢的焊接性随含碳量增加而恶化随含碳量增加而恶化，焊接高碳钢时，可以通过预热或加，焊接高碳钢时，可以通过预热或加大焊接线能量减缓冷却速度，以减少马氏体含量。选择焊接材料方面，除大焊接线能量减缓冷却速度，以减少马氏体含量。选择焊接材料方面，除了在成分和性能上须与母材匹配外，也应避免硫、磷等有害元素从焊接材了在成分和性能上须与母材匹配外，也应避免硫、磷等有害元素从焊接材料中带入焊缝金属中来。焊接碳含量高于料中带入焊缝金属中来。焊接碳含量高于0.15%的碳素钢时，须注意减少的碳素钢时，须注意减少氢的来源。氢的来源。焊接碳钢时产生焊接碳钢时产生裂纹裂纹的力学原因是结构的拘束应力和不均衡的热应力，的力学原因是结构的拘束应力和不均衡的热应力，应针对其含碳量不同而采取相应的工艺措施。低碳钢应着重注意防止结构应针对其含碳量不同而采取相应的工艺措施。低碳钢应着重注意防止结构拘束应力和不均衡的热应力所引起的裂纹；高碳钢除了防止因这些应力引拘束应力和不均衡的热应力所引起的裂纹；高碳钢除了防止因这些应力引起的裂纹外，还要特别注意防止因淬硬而引起的裂纹。起的裂纹外，还要特别注意防止因淬硬而引起的裂纹。金属焊接性基础 孟庆森主编-化学工业出版社Chapter2 碳钢及低合金钢的焊接碳钢及低合金钢的焊接2.1.2 2.1.2 低碳钢的焊接低碳钢的焊接2.1.2.1 2.1.2.1 低碳钢的性能低碳钢的性能 低碳钢的含碳量低低碳钢的含碳量低(0.25%)，Mn和和Si含量也较少，含量也较少，因此淬硬倾向不大，是焊接性最好的钢种。因此淬硬倾向不大，是焊接性最好的钢种。除除C、Mn、Si外，碳钢中的外，碳钢中的S、P、O、N等杂质元素等杂质元素对其力学性能、焊接接头的冷裂纹、热裂纹和时效脆对其力学性能、焊接接头的冷裂纹、热裂纹和时效脆化敏感性有一定影响通用低碳钢的力学性能如化敏感性有一定影响通用低碳钢的力学性能如表表2-2。金属焊接性基础 孟庆森主编-化学工业出版社Chapter2 碳钢及低合金钢的焊接碳钢及低合金钢的焊接牌号等级拉伸试验（不小于）冲击试验冷弯试验180,B=2a屈服点s/MPa抗拉强度b/MPa延伸率5/%温度/夏比V形缺口冲击吸收功(纵向)/J弯心直径d纵向试样横向试样Q1951953154303300.5a Q215A215335410310.5a aB2027Q235A23537050026a1.5a B2027C0D-20Q275A275410540221.5a 2a B2027C0D-20Q245R245400520250311.5a(20g,20R)表2-2 低碳钢的力学性能 金属焊接性基础 孟庆森主编-化学工业出版社Chapter2 碳钢及低合金钢的焊接碳钢及低合金钢的焊接2.1.2.2低碳钢的焊接性分析低碳钢的焊接性分析 碳钢的焊接性优良与否，主要取决于冷裂纹敏感性、热裂纹敏感性和碳钢的焊接性优良与否，主要取决于冷裂纹敏感性、热裂纹敏感性和接头塑韧性等。接头塑韧性等。冷裂纹冷裂纹 对碳钢冷裂影响最大的是钢材和熔敷金属的碳含量。对碳钢冷裂影响最大的是钢材和熔敷金属的碳含量。l碳当量碳当量 （2-1）对于碳钢来说，对于碳钢来说，Si含量较少，最高不超过含量较少，最高不超过0.5%。有时可以。有时可以忽略其影响。忽略其影响。CE值增加，产生冷裂纹的倾向增大，焊接性值增加，产生冷裂纹的倾向增大，焊接性变差。通常，当变差。通常，当CE值大于值大于0.40%，冷裂纹敏感性增加。，冷裂纹敏感性增加。金属焊接性基础 孟庆森主编-化学工业出版社Chapter2 碳钢及低合金钢的焊接碳钢及低合金钢的焊接2.1.2.2低碳钢的焊接性分析低碳钢的焊接性分析 l 淬硬倾向淬硬倾向 焊缝和热影响区的冷裂倾向，除与其成分有关外，组织对性能焊缝和热影响区的冷裂倾向，除与其成分有关外，组织对性能影响更为明显。在成分一定的前提下，组织决定于冷却速度，可以用其影响更为明显。在成分一定的前提下，组织决定于冷却速度，可以用其SHCCT组织获得。组织获得。图图2-2为为Q235(A3)钢的钢的SHCCT图。图。控制焊接区的冷却速度是改变焊接区的组织类型和硬度，降低冷裂纹的可控制焊接区的冷却速度是改变焊接区的组织类型和硬度，降低冷裂纹的可能性最关键而重要的途径和手段。能性最关键而重要的途径和手段。焊件的厚度增加，或焊接时环境温度较低时，或焊接线能量较小时，散热焊件的厚度增加，或焊接时环境温度较低时，或焊接线能量较小时，散热加快，焊接接头的散热速度加快，冷裂倾向增加。加快，焊接接头的散热速度加快，冷裂倾向增加。T形接头和搭接接头比对接形接头和搭接接头比对接接头散热面增加，焊接区的冷却速度加快，容易产生淬硬组织。接头散热面增加，焊接区的冷却速度加快，容易产生淬硬组织。预热、提高焊道间或焊层间的温度或后热措施也能降低焊接冷却速度。预热、提高焊道间或焊层间的温度或后热措施也能降低焊接冷却速度。金属焊接性基础 孟庆森主编-化学工业出版社Chapter2 碳钢及低合金钢的焊接碳钢及低合金钢的焊接图图2-2 Q235(A3)钢钢SHCCT图图T/t/s2.1.2.2低碳钢的焊接性分析 金属焊接性基础 孟庆森主编-化学工业出版社Chapter2 碳钢及低合金钢的焊接碳钢及低合金钢的焊接l拘束度和氢拘束度和氢 焊接区的氢主要来源于焊接材料和焊接焊接区的氢主要来源于焊接材料和焊接区的水分。采用低氢焊接材料、或提高焊接材料烘干温区的水分。采用低氢焊接材料、或提高焊接材料烘干温度、减少保护气体含水量、降低焊接区湿度等，均可降度、减少保护气体含水量、降低焊接区湿度等，均可降低焊缝中溶解的氢。钢板厚度增加，或结构的刚性增加低焊缝中溶解的氢。钢板厚度增加，或结构的刚性增加拘束度都会增大，从而提高氢致裂纹的敏感性。拘束度都会增大，从而提高氢致裂纹的敏感性。2.1.2.22.1.2.2低碳钢的焊接性分析低碳钢的焊接性分析 金属焊接性基础 孟庆森主编-化学工业出版社Chapter2 碳钢及低合金钢的焊接碳钢及低合金钢的焊接v淬硬组织、氢和拘束应力是包括碳钢在内的冷裂敏感性的三大淬硬组织、氢和拘束应力是包括碳钢在内的冷裂敏感性的三大诱因。钢材的成分一定时，淬硬组织比例越高，造成冷裂所需的诱因。钢材的成分一定时，淬硬组织比例越高，造成冷裂所需的临界氢含量越低，所需的拘束应力也就越低，即冷裂倾向增大。临界氢含量越低，所需的拘束应力也就越低，即冷裂倾向增大。在组织和氢含量一定时，拘束度越大，冷裂纹敏感性越大。因此在组织和氢含量一定时，拘束度越大，冷裂纹敏感性越大。因此碳钢冷裂倾向中，淬硬组织、氢和拘束应力三个因素是相互促进，碳钢冷裂倾向中，淬硬组织、氢和拘束应力三个因素是相互促进，互为前提的。互为前提的。2.1.2.22.1.2.2低碳钢的焊接性分析低碳钢的焊接性分析 金属焊接性基础 孟庆森主编-化学工业出版社Chapter2 碳钢及低合金钢的焊接碳钢及低合金钢的焊接热裂纹热裂纹 热裂纹敏感性与钢中热裂纹敏感性与钢中S、P等杂质密切相关。在焊接等杂质密切相关。在焊接S、P过高的碳钢时，在焊接热影响区的晶界上聚集的低熔点的过高的碳钢时，在焊接热影响区的晶界上聚集的低熔点的S、P化化物，引起热影响区熔合线附近的液化裂纹；若钢板厚度较大，沿物，引起热影响区熔合线附近的液化裂纹；若钢板厚度较大，沿不同偏析带分布的硫化物等，在不同偏析带分布的硫化物等，在T形等接头中会引起层状撕裂裂纹；形等接头中会引起层状撕裂裂纹；当母材稀释率较高时，进入焊缝中的当母材稀释率较高时，进入焊缝中的S、P也偏多，容易引起焊缝也偏多，容易引起焊缝中的热裂纹。接头设计或工艺操作上要避免焊缝具有窄而深的形中的热裂纹。接头设计或工艺操作上要避免焊缝具有窄而深的形状。状。低碳钢弧焊焊缝通常具有较高的抗热裂纹能力低碳钢弧焊焊缝通常具有较高的抗热裂纹能力2.1.2.22.1.2.2低碳钢的焊接性分析低碳钢的焊接性分析 金属焊接性基础 孟庆森主编-化学工业出版社Chapter2 碳钢及低合金钢的焊接碳钢及低合金钢的焊接 层状撕裂层状撕裂 沸腾钢含氧量较高，板厚中心有显著偏析带，焊接沸腾钢含氧量较高，板厚中心有显著偏析带，焊接时易产生裂纹和气孔，厚板焊接有一定的层状撕裂倾向，时效敏时易产生裂纹和气孔，厚板焊接有一定的层状撕裂倾向，时效敏感性也较大，焊接接头的脆性转变温度也较高。因此，沸腾钢一感性也较大，焊接接头的脆性转变温度也较高。因此，沸腾钢一般不用于制造受动载荷或在低温下工作的重要结构。般不用于制造受动载荷或在低温下工作的重要结构。2.1.2.22.1.2.2低碳钢的焊接性分析低碳钢的焊接性分析 金属焊接性基础 孟庆森主编-化学工业出版社Chapter2 碳钢及低合金钢的焊接碳钢及低合金钢的焊接焊接热影响区的性能变化焊接热影响区的性能变化 焊接热影响区的性能变化主要是焊接热影响区的性能变化主要是接头塑韧性变化，与钢的成分、焊前母材热处理状态、焊接接头塑韧性变化，与钢的成分、焊前母材热处理状态、焊接热过程有关。碳钢主要以热轧状态交货，但对于某些优质碳热过程有关。碳钢主要以热轧状态交货，但对于某些优质碳素结构钢和专门用途的碳素结构钢，交货状态既有热轧、也素结构钢和专门用途的碳素结构钢，交货状态既有热轧、也有控轧、正火、正火有控轧、正火、正火+回火或调质回火或调质(淬火淬火+回火回火)。在钢材冷却过。在钢材冷却过程中，在奥氏体分解前的较低温度下，施以大变形，增加铁程中，在奥氏体分解前的较低温度下，施以大变形，增加铁素体相形核率，形成的晶粒明显细化，从而大幅度提高其强素体相形核率，形成的晶粒明显细化，从而大幅度提高其强度和塑韧性度和塑韧性 2.1.2.22.1.2.2低碳钢的焊接性分析低碳钢的焊接性分析 金属焊接性基础 孟庆森主编-化学工业出版社Chapter2 碳钢及低合金钢的焊接碳钢及低合金钢的焊接对于对于超细晶粒钢，超细晶粒钢，焊接后，如何实现与母材等强，并使接头韧性焊接后，如何实现与母材等强，并使接头韧性和塑性不过度降低，则成为这些钢焊接性研究必须面临的问题。和塑性不过度降低，则成为这些钢焊接性研究必须面临的问题。某些焊接方法热源不集中或线能量过大，如气焊和电渣焊等，引某些焊接方法热源不集中或线能量过大，如气焊和电渣焊等，引起焊接热影响区的粗晶区起焊接热影响区的粗晶区晶粒更加粗大晶粒更加粗大，从而降低接头的冲击韧，从而降低接头的冲击韧性，因此，重要结构焊后往往要进行正火处理。性，因此，重要结构焊后往往要进行正火处理。v 总之，低碳钢含碳量低，合金元素含量也很低，因此采用通常总之，低碳钢含碳量低，合金元素含量也很低，因此采用通常的焊接方法焊接后，接头中的焊接方法焊接后，接头中不会产生淬硬组织或冷裂纹不会产生淬硬组织或冷裂纹。只要焊。只要焊接材料选择适当，便能得到满意的焊接接头。接材料选择适当，便能得到满意的焊接接头。2.1.2.22.1.2.2低碳钢的焊接性分析低碳钢的焊接性分析 金属焊接性基础 孟庆森主编-化学工业出版社Chapter2 碳钢及低合金钢的焊接碳钢及低合金钢的焊接2.1.2.32.1.2.3低碳钢的焊接材料及工艺要点低碳钢的焊接材料及工艺要点 低碳钢对低碳钢对焊接方法焊接方法的选择无特殊要求，可根据材料厚度、的选择无特殊要求，可根据材料厚度、产品结构、使用性能要求及生产条件等选择。产品结构、使用性能要求及生产条件等选择。焊条电弧焊、埋弧焊、焊条电弧焊、埋弧焊、CO2气体保护焊是热轧及正火气体保护焊是热轧及正火钢常用的焊接方法。钢常用的焊接方法。在压力容器、锅炉制造及电站安装工程中，还常用到在压力容器、锅炉制造及电站安装工程中，还常用到窄间隙埋弧焊、窄间隙自动窄间隙埋弧焊、窄间隙自动MIG全位置焊、全位置焊、TIG焊封底背面焊封底背面成形工艺及多头成形工艺及多头MIG焊等比较先进的焊接工艺方法。焊等比较先进的焊接工艺方法。金属焊接性基础 孟庆森主编-化学工业出版社Chapter2 碳钢及低合金钢的焊接碳钢及低合金钢的焊接 焊接材料的选择焊接材料的选择 焊接材料选用的基本原则是保证焊缝和母材等强焊接。焊接材料选用的基本原则是保证焊缝和母材等强焊接。2.1.2.3低碳钢的焊接材料及工艺要点低碳钢的焊接材料及工艺要点钢号钢号焊条电弧焊焊条电弧焊(焊条型号焊条型号)埋弧焊埋弧焊CO2焊焊一般结构一般结构焊接动载荷、复杂焊接动载荷、复杂与厚板结构、重要与厚板结构、重要受压容器和低温下受压容器和低温下焊接焊接焊丝牌号焊丝牌号焊剂牌焊剂牌号号焊丝牌号焊丝牌号Q235(A3)E4303、E4313E4301、E4320、E4300E4315、E4316(E5015、E5016)H08AHJ430HJ431H08Mn2SiH08Mn2SiAQ275E5015、E5016E5015、E5016H08MnAQ245R(20g,20R)E4301、E4303E4315、E4316(E5015、E5016)H08MnA表表2-3 低碳钢常用的焊接材料低碳钢常用的焊接材料金属焊接性基础 孟庆森主编-化学工业出版社Chapter2 碳钢及低合金钢的焊接碳钢及低合金钢的焊接S、P含量含量 目前随着冶金水平的提高，母材中的目前随着冶金水平的提高，母材中的S、P含量不断降低。含量不断降低。但对焊接材料中，由于矿物原材料和铁合金中的但对焊接材料中，由于矿物原材料和铁合金中的S、P含量难以再进一含量难以再进一步降低，导致焊缝中的硫磷含量远高于母材，影响着或导致焊缝与母步降低，导致焊缝中的硫磷含量远高于母材，影响着或导致焊缝与母材的性能差别进一步加大，尤其是要求硫化氢腐蚀或要求低温冲击韧材的性能差别进一步加大，尤其是要求硫化氢腐蚀或要求低温冲击韧度的接头。对于重要结构和重要行业使用的超低硫磷碳钢母材的焊接，度的接头。对于重要结构和重要行业使用的超低硫磷碳钢母材的焊接，限制焊接材料的原材料中限制焊接材料的原材料中S、P含量尤为必要和重要。含量尤为必要和重要。2.1.2.3低碳钢的焊接材料及工艺要点低碳钢的焊接材料及工艺要点 焊接材料的选择焊接材料的选择 金属焊接性基础 孟庆森主编-化学工业出版社Chapter2 碳钢及低合金钢的焊接碳钢及低合金钢的焊接惰性气体保护焊惰性气体保护焊(TIG、MIG)焊接低碳钢的成本较高，一般用于质量要焊接低碳钢的成本较高，一般用于质量要求比较高的焊接结构或特殊焊缝。沸腾钢或半镇静钢焊接时，应选用有求比较高的焊接结构或特殊焊缝。沸腾钢或半镇静钢焊接时，应选用有脱氧能力的焊丝作填充金属，如脱氧能力的焊丝作填充金属，如H08Mn2SiA等。等。二氧化碳气体保护焊二氧化碳气体保护焊用焊丝分实心焊丝和药芯焊丝两大类。焊接低碳用焊丝分实心焊丝和药芯焊丝两大类。焊接低碳钢用的实心焊丝目前主要有钢用的实心焊丝目前主要有H08Mn2Si和和H08Mn2SiA两种；药芯焊丝主两种；药芯焊丝主要是钛钙型渣系和低氢型渣系两类，药芯焊丝中又分气保护、自保护和要是钛钙型渣系和低氢型渣系两类，药芯焊丝中又分气保护、自保护和其他方式保护等几种其他方式保护等几种 2.1.2.32.1.2.3低碳钢的焊接材料及工艺要点低碳钢的焊接材料及工艺要点 焊接材料的选择焊接材料的选择 金属焊接性基础 孟庆森主编-化学工业出版社Chapter2 碳钢及低合金钢的焊接碳钢及低合金钢的焊接表2-4 低碳钢不同结构的预热温度板厚/mm管道、容器结构板厚/mm梁、柱、桁架结构16T-30时，不预热T-30时，预热10015030T-30时，不预热T-30时，预热1001501730T-20时，不预热T-20时，预热1001503150T-10时，不预热T-10时，预热1001503040T-10时，不预热T-10时，预热1001505170T0时，不预热T0时，预热1001504150T0时，不预热T0时，预热1001502.1.2.32.1.2.3低碳钢的焊接材料及工艺要点低碳钢的焊接材料及工艺要点 为为防止防止HAZ粗晶脆化粗晶脆化，应防止过大的焊接线能量。焊接刚性大的构件，应防止过大的焊接线能量。焊接刚性大的构件时，宜采取焊前预热和焊后消除应力的措施。预热温度可根据实验经验和时，宜采取焊前预热和焊后消除应力的措施。预热温度可根据实验经验和实验结果确定，不同产品的预热温度有所不同，见表实验结果确定，不同产品的预热温度有所不同，见表2-4。金属焊接性基础 孟庆森主编-化学工业出版社Chapter2 碳钢及低合金钢的焊接碳钢及低合金钢的焊接2.1.3.1中碳钢的成分及性能中碳钢的成分及性能牌号牌号推荐热处理推荐热处理/力学性能力学性能钢材交货状态硬度钢材交货状态硬度HBS(10/3000)正火正火淬火淬火回火回火b/MPas/MPa5/%/%AKU2/J未热处理未热处理退火钢退火钢25900870600450275235071170308808604902952150631793587085053031520455519745850840600355164039229197558208206453801335255217表表2-5 中碳钢力学性能中碳钢力学性能金属焊接性基础 孟庆森主编-化学工业出版社Chapter2 碳钢及低合金钢的焊接碳钢及低合金钢的焊接2.1.3.2中碳钢的焊接性分析中碳钢的焊接性分析冷裂纹冷裂纹 中碳钢的碳当量较低碳钢大。当钢中碳的质量分数大于中碳钢的碳当量较低碳钢大。当钢中碳的质量分数大于0.15%时，碳的增加提高了钢材的淬硬性，焊接时如果冷却速度时，碳的增加提高了钢材的淬硬性，焊接时如果冷却速度较快较快(如如图图2-3所示所示45钢的钢的CCT图图2所示冷速超过临界值所示冷速超过临界值c点后点后)则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。中碳钢焊脆性，因此在焊接应力作用下容易发生冷裂纹和脆断。中碳钢焊接后热影响区更容易形成淬硬的马氏体组织，这种组织对氢更敏接后热影响区更容易形成淬硬的马氏体组织，这种组织对氢更敏感，产生冷裂纹所需的临界应力更低，应设法采用低氢型焊条，感，产生冷裂纹所需的临界应力更低，应设法采用低氢型焊条，适当提高预热温度降低残余应力。适当提高预热温度降低残余应力。金属焊接性基础 孟庆森主编-化学工业出版社Chapter2 碳钢及低合金钢的焊接碳钢及低合金钢的焊接图图2-3 45钢的钢的CCT曲线曲线2.1.3.2中碳钢的焊接性分析中碳钢的焊接性分析金属焊接性基础 孟庆森主编-化学工业出版社Chapter2 碳钢及低合金钢的焊接碳钢及低合金钢的焊接热裂纹热裂纹 当钢中碳的质量分数大于当钢中碳的质量分数大于0.15%时，碳本身的时，碳本身的偏析偏析以及它以及它促进促进S、P等其他元素的偏析都明显起来，特别是母材等其他元素的偏析都明显起来，特别是母材S、P含量控含量控制接近标准要求的合格值的上限附近时，低熔点硫化物而导致热制接近标准要求的合格值的上限附近时，低熔点硫化物而导致热裂纹倾向增加，尤其是弧坑处。因此焊接中碳钢首先必须严格控裂纹倾向增加，尤其是弧坑处。因此焊接中碳钢首先必须严格控制硫的质量分数制硫的质量分数。气孔气孔 由于碳的质量分数较低碳钢大，进入熔池中的碳含量增加，由于碳的质量分数较低碳钢大，进入熔池中的碳含量增加，在焊接冶金反应中，有可能产生在焊接冶金反应中，有可能产生CO气孔，增加了焊缝中出现气气孔，增加了焊缝中出现气孔的敏感性。焊接沸腾钢时，应保证所选用的焊接材料中有足够孔的敏感性。焊接沸腾钢时，应保证所选用的焊接材料中有足够脱氧剂，防止焊缝中的气孔。脱氧剂，防止焊缝中的气孔。2.1.3.2中碳钢的焊接性分析中碳钢的焊接性分析金属焊接性基础 孟庆森主编-化学工业出版社Chapter2 碳钢及低合金钢的焊接碳钢及低合金钢的焊接2.1.3.2中碳钢的焊接性分析中碳钢的焊接性分析焊接热影响区性能的变化焊接热影响区性能的变化 焊接热影响区因出现淬硬组织，带来的焊接热影响区因出现淬硬组织，带来的强度提高、脆化和硬化，冷裂敏感性的增加。因熔化母材中的碳强度提高、脆化和硬化，冷裂敏感性的增加。因熔化母材中的碳进入熔池中，导致焊缝金属碳含量增加，且因稀释率的不同而使进入熔池中，导致焊缝金属碳含量增加，且因稀释率的不同而使焊道间的性能变化。焊道间的性能变化。v总之，中碳钢的焊接性较差，且随碳的质量分数增加而越来越差。总之，中碳钢的焊接性较差，且随碳的质量分数增加而越来越差。焊接时的焊接时的主要问题是热裂纹、冷裂纹、气孔和脆断主要问题是热裂纹、冷裂纹、气孔和脆断，有时还会存，有时还会存在热影响区强度降低；钢中杂质越多，结构刚度越大，问题就越在热影响区强度降低；钢中杂质越多，结构刚度越大，问题就越严重。对于中碳钢铸钢件，焊接修复时应防止焊接冷裂纹或修复严重。对于中碳钢铸钢件，焊接修复时应防止焊接冷裂纹或修复部位焊接残余应力过大而导致开裂。部位焊接残余应力过大而导致开裂。金属焊接性基础 孟庆森主编-化学工业出版社Chapter2 碳钢及低合金钢的焊接碳钢及低合金钢的焊接2.1.3.3中碳钢的焊接工艺要点中碳钢的焊接工艺要点焊接方法焊接方法 一般多采用焊条电弧焊或一般多采用焊条电弧焊或CO2气体保护焊等。在中碳钢上增气体保护焊等。在中碳钢上增加耐磨或耐蚀面的面积较大时，或修复中碳钢上面积较大的磨损面时，也加耐磨或耐蚀面的面积较大时，或修复中碳钢上面积较大的磨损面时，也可采用埋弧焊可采用埋弧焊 焊接材料焊接材料 根据工况条件决定，强度上尽可能与母材等强。对于受动载根据工况条件决定，强度上尽可能与母材等强。对于受动载荷或冲击载荷工况条件下使用的构件，焊接材料应保证有一定的塑性和韧荷或冲击载荷工况条件下使用的构件，焊接材料应保证有一定的塑性和韧性。若构件焊后需要整体热处理，应保证焊后热处理焊缝金属的性能满足性。若构件焊后需要整体热处理，应保证焊后热处理焊缝金属的性能满足构件性能要求。应尽量选用低氢型焊接材料。构件性能要求。应尽量选用低氢型焊接材料。焊接参数选择焊接参数选择 尽可能减小焊接线能量。如选用小规格的焊接材料，单尽可能减小焊接线能量。如选用小规格的焊接材料，单道不摆动焊接。对于厚度较大焊件，可通过适当预热降低焊缝和热影响区道不摆动焊接。对于厚度较大焊件，可通过适当预热降低焊缝和热影响区冷却速度。冷却速度。金属焊接性基础 孟庆森主编-化学工业出版社Chapter2 碳钢及低合金钢的焊接碳钢及低合金钢的焊接焊条电弧焊焊条电弧焊 一般情况下应尽量选用抗裂性能好的低氢型焊条，并加热一般情况下应尽量选用抗裂性能好的低氢型焊条，并加热到到250烘干烘干12h，如要求高时，则应加热到，如要求高时，则应加热到350400烘干；中碳钢焊烘干；中碳钢焊接时大多需要预热和控制层间温度，以降低焊缝金属和热影响区的冷却接时大多需要预热和控制层间温度，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，减小残余应力速度，抑制马氏体的形成，提高接头的塑性，减小残余应力，35和和45钢钢预热温度可在预热温度可在150250；对于刚性较大或工作环境恶劣的中碳钢焊件，；对于刚性较大或工作环境恶劣的中碳钢焊件，焊后应立即进行焊后应立即进行(600650)消除应力热处理，保温时间大约为消除应力热处理，保温时间大约为10mm厚厚度为度为1h左右；不能立即进行消除应力热处理的，也应至少在冷却到预热左右；不能立即进行消除应力热处理的，也应至少在冷却到预热温度或焊道间温度温度或焊道间温度(250300)之前进行消氢处理，消氢处理温度在；也之前进行消氢处理，消氢处理温度在；也可采用锤击焊道的方法减小焊接残余应力可采用锤击焊道的方法减小焊接残余应力。2.1.3.32.1.3.3中碳钢的焊接工艺要点中碳钢的焊接工艺要点金属焊接性基础 孟庆森主编-化学工业出版社Chapter2 碳钢及低合金钢的焊接碳钢及低合金钢的焊接2.1.3.3中碳钢的焊接工艺要点中碳钢的焊接工艺要点埋弧焊埋弧焊 线能量大、熔敷速度快、加热面积大、冷却速度慢，线能量大、熔敷速度快、加热面积大、冷却速度慢，因此淬硬倾向小，适合焊接具有一定淬硬倾向的中碳钢，并且因此淬硬倾向小，适合焊接具有一定淬硬倾向的中碳钢，并且对预热和后热要求不严格。对预热和后热要求不严格。焊丝含碳量焊丝含碳量应大于应大于0.10%，通常采用，通常采用H08A焊丝和焊丝和HJ431焊剂，焊剂，也可采用也可采用H08、H08E、H08Mn焊丝和焊丝和HJ431、HJ430焊剂。焊剂。中碳钢埋弧焊中碳钢埋弧焊应选用能减少母材金属熔入焊缝金属中的比例应选用能减少母材金属熔入焊缝金属中的比例的坡口形式，并按的坡口形式，并按表表2-14进行预热，然后在坡口边缘沿用进行预热，然后在坡口边缘沿用H08A焊丝堆焊一过渡层后再进行焊接。焊丝堆焊一过渡层后再进行焊接。金属焊接性基础 孟庆森主编-化学工业出版社Chapter2 碳钢及低合金钢的焊接碳钢及低合金钢的焊接 2.1.3.32.1.3.3中碳钢的焊接工艺要点中碳钢的焊接工艺要点中碳钢的焊接工艺要点中碳钢的焊接工艺要点CO2焊焊 对于常用的对于常用的对于常用的对于常用的3535、4545钢而言，为了减少焊缝金属钢而言，为了减少焊缝金属钢而言，为了减少焊缝金属钢而言，为了减少焊缝金属中的气孔，一般可以选用中的气孔，一般可以选用中的气孔，一般可以选用中的气孔，一般可以选用H08Mn2SiAH08Mn2SiA、H08Mn2SiH08Mn2Si、H04Mn2SiTiAH04Mn2SiTiA、和、和、和、和H04Mn2SiTiAH04Mn2SiTiA等焊丝。中碳钢的二等焊丝。中碳钢的二等焊丝。中碳钢的二等焊丝。中碳钢的二氧化碳气体保护焊其余要求可参见氧化碳气体保护焊其余要求可参见氧化碳气体保护焊其余要求可参见氧化碳气体保护焊其余要求可参见低碳钢的焊接低碳钢的焊接低碳钢的焊接低碳钢的焊接。金属焊接性基础 孟庆森主编-化学工业出版社Chapter2 碳钢及低合金钢的焊接碳钢及低合金钢的焊接2.2 合金结构钢的焊接合金结构钢的焊接合金结构钢合金结构钢 在碳素钢基础上加入一定量的合金元素即构成在碳素钢基础上加入一定量的合金元素即构成合金结构钢。合金结构钢具有优良的综合性能，是焊接结构合金结构钢。合金结构钢具有优良的综合性能，是焊接结构中用量最大的一类工程材料。合金结构钢的主要特点是强度中用量最大的一类工程材料。合金结构钢的主要特点是强度高，韧性、塑性和焊接性也较好，广泛用于压力容器、工程高，韧性、塑性和焊接性也较好，广泛用于压力容器、工程机械、石油化工、桥梁、船舶制造和其他钢结构。机械、石油化工、桥梁、船舶制造和其他钢结构。金属焊接性基础 孟庆森主编-化学工业出版社Chapter2 碳钢及低合金钢的焊接碳钢及低合金钢的焊接2.2.1 合金结构钢的种类合金结构钢的种类 低合金结构钢中合金元素总的质量分数一般不超过低合金结构钢中合金元素总的质量分数一般不超过5%，以提高钢的强度并保证具有一定的塑性和韧性。合金元，以提高钢的强度并保证具有一定的塑性和韧性。合金元素总的质量分数为素总的质量分数为5%10%的称为中合金钢，大于的称为中合金钢，大于10%的的称为高合金钢。焊接生产中常用的一些合金结构钢大致可称为高合金钢。焊接生产中常用的一些合金结构钢大致可分为两大类：是强度用钢和专用钢分为两大类：是强度用钢和专用钢。国内外常见的合金结构钢的牌号见国内外常见的合金结构钢的牌号见表表2-6。金属焊接性基础 孟庆森主编-化学工业出版社Chapter2 碳钢及低合金钢的焊接碳钢及低合金钢的焊接表表2-6 国内外常用合金结构钢国内外常用合金结构钢2.2.1 合金结构钢的种类合金结构钢的种类金属焊接性基础 孟庆森主编-化学工业出版社Chapter2 碳钢及低合金钢的焊接碳钢及低合金钢的焊接2.2.1.1 强度用钢强度用钢 强度用钢即强度用钢即高强钢高强钢(屈服强度屈服强度S295MPa)，主要应用在，主要应用在一些要求常规条件下能承受静载和动载的机械零件和工程一些要求常规条件下能承受静载和动载的机械零件和工程结构中，他们的主要性能就是力学性能，合金元素的加入结构中，他们的主要性能就是力学性能，合金元素的加入是为了在保证足够的塑性和韧性的条件下获得不同的强度是为了在保证足够的塑性和韧性的条件下获得不同的强度等级，同时也可改善焊接性。等级，同时也可改善焊接性。合金结构钢根据供货时的热处理状态可分为合金结构钢根据供货时的热处理状态可分为非调质钢非调质钢和和经过淬火经过淬火-回火的回火的调质钢调质钢两类。非调质钢的常温抗拉强度一两类。非调质钢的常温抗拉强度一般在般在600MPa以下，调质钢的抗拉强度在以下，调质钢的抗拉强度在600MPa以上。以上。金属焊接性基础 孟庆森主编-化学工业出版社Chapter2 碳钢及低合金钢的焊接碳钢及低合金钢的焊接合金结构钢根据屈服强度级别及热处理状态分为：合金结构钢根据屈服强度级别及热处理状态分为：热轧及正火钢热轧及正火钢 把钢锭加热到把钢锭加热到1300左右，经热轧成板材，然后空左右，经热轧成板材，然后空冷后即成为热轧钢；钢板轧制和冷却后，再加热到冷后即成为热轧钢；钢板轧制和冷却后，再加热到900附近，然后附近，然后在大气中冷却称为正火钢。在大气中冷却称为正火钢。低碳调质钢、中碳调质钢低碳调质钢、中碳调质钢 900附近加热后放入淬火设备中水淬，附近加热后放入淬火设备中水淬，然后在然后在600左右回火处理，成为调质钢左右回火处理，成为调质钢(QT)。2.2.1.1 强度用钢强度用钢金属焊接性基础 孟庆森主编-化学工业出版社Chapter2 碳钢及低合金钢的焊接碳钢及低合金钢的焊接热轧及正火钢热轧及正火钢 屈服强度为屈服强度为295490MPa，在热轧或正火状态下使，在热轧或正火状态下使用，属于非调质钢、热处理强化钢。正火钢主要是靠加入的合金用，属于非调质钢、热处理强化钢。正火钢主要是靠加入的合金元素，在正火条件下通过沉淀强化和细化晶粒来提高强度和保证元素，在正火条件下通过沉淀强化和细化晶粒来提高强度和保证韧性的。强度要求越高，所需加入的合金元素越多。微合金化控韧性的。强度要求越高，所需加入的合金元素越多。微合金化控轧钢、焊接无裂纹的轧钢、焊接无裂纹的CF钢、抗层状撕裂的钢、抗层状撕裂的Z向钢等就其本质而言向钢等就其本质而言与正火钢类似，因此属于这类钢的分支与正火钢类似，因此属于这类钢的分支 2.2.1.1 强度用钢强度用钢金属焊接性基础 孟庆森主编-化学工业出版社Chapter2 碳钢及低合金钢的焊接碳钢及低合金钢的焊接低碳调质钢低碳调质钢 屈服强度为屈服强度为490980MPa，在淬火，在淬火-回火的调质状态回火的调质状态下供货使用，属于调质钢、热处理强化钢。下供货使用，属于调质钢、热处理强化钢。特点特点：含碳量较低：含碳量较低(0.22%)，高的强度，良好的塑性和韧性，高的强度，良好的塑性和韧性，可以直接在调质状态下进行焊接，焊后不需进行调质处理可以直接在调质状态下进行焊接，焊后不需进行调质处理；调质；调质钢通过调质处理，充分地发挥了合金元素的作用，因此只要添加钢通过调质处理，充分地发挥了合金元素的作用，因此只要添加少量的合金元素就能通过淬火和回火来获得回火马氏体或贝氏体，少量的合金元素就能通过淬火和回火来获得回火马氏体或贝氏体，提高了强度，保证了韧性提高了强度，保证了韧性 不足不足：生产较麻烦，热