碳素钢的焊接

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1、钢的焊接性碳素钢的焊接n n碳钢的分类：碳钢的分类：按含碳量分：低碳钢按含碳量分：低碳钢(wc0.25%)(wc0.25%)、中碳钢（、中碳钢（wc=wc=0.250.6%0.250.6%）、高碳钢（）、高碳钢（wc0.6wc0.6）按用途分：结构钢、工具钢按用途分：结构钢、工具钢n n低碳钢的焊接特点：低碳钢的焊接特点：良好的焊接性良好的焊接性(含碳量低，合金元素含量少含碳量低，合金元素含量少)，焊前无需预热，焊前无需预热n n常用焊接方法：常用焊接方法：气焊、焊条电弧焊、埋弧自动焊、电渣焊及气焊、焊条电弧焊、埋弧自动焊、电渣焊及COCO2 2气体保护焊气体保护焊中碳钢焊接n n中碳钢焊接特

2、点：中碳钢焊接特点：焊接性较低碳钢差，主要焊接缺陷有热裂纹、冷裂纹、气孔、焊接性较低碳钢差，主要焊接缺陷有热裂纹、冷裂纹、气孔、接头脆性等接头脆性等n n焊接工艺：焊接工艺：采用焊条电弧焊方法；采用焊条电弧焊方法；坡口制备采用坡口制备采用U U型型orVorV型坡口型坡口(减少熔合比减少熔合比)；焊前预热；焊前预热；焊后热处理。焊后热处理。合金结构钢的焊接n n结构钢：用于制造工程结构和机器零件的钢统称为结构钢结构钢：用于制造工程结构和机器零件的钢统称为结构钢n n分类：高强度钢分类：高强度钢(s s295MPa295MPa，b b 390MPa)390MPa)、专业用、专业用钢钢n n高强度

3、钢：按供货状态可分为热轧、正火钢、低碳调质钢高强度钢：按供货状态可分为热轧、正火钢、低碳调质钢和中碳调质钢和中碳调质钢(1)(1)热轧及正火钢：热轧及正火钢：s s为为294490MPa294490MPa的低合金高强钢，的低合金高强钢，以热轧及正火状态下供货，是一种非热处理强化钢。以热轧及正火状态下供货，是一种非热处理强化钢。(2)(2)低碳调质钢：低碳调质钢：s s为为441980MPa441980MPa，是一种热处理强化，是一种热处理强化钢，具有高强度和良好的塑性、韧性。钢，具有高强度和良好的塑性、韧性。(3)(3)中碳调质钢：中碳调质钢：s s为为8801176MPa8801176MPa

4、，是热处理强化钢，是热处理强化钢，强度高但韧性低，一般在退火状态下焊接，焊后通过热处强度高但韧性低，一般在退火状态下焊接，焊后通过热处理达到所需的强度和硬度。理达到所需的强度和硬度。n n专业用钢：专业用钢：珠光体耐热钢：具有较好的高温强度和高温抗氧化性。主要珠光体耐热钢：具有较好的高温强度和高温抗氧化性。主要用于工作温度为用于工作温度为500500600600的高温设备。的高温设备。低温钢：具有良好的低温韧性，用于低温装置低温钢：具有良好的低温韧性，用于低温装置(-40(-40-196-196)低合金耐蚀钢：具有耐腐蚀性，用于腐蚀介质中的设备。低合金耐蚀钢：具有耐腐蚀性，用于腐蚀介质中的设备

5、。热轧及正火钢的焊接n n热轧钢成分及性能：热轧钢成分及性能：s s294294343MPa343MPa的热轧钢基本上都是属于的热轧钢基本上都是属于C CMnMn和和MnMnSiSi系的钢种，有时也用系的钢种，有时也用V V、NbNb代替代替MnMn以达到细化晶粒和以达到细化晶粒和沉淀强化的作用，具有良好的综合机械性能和工艺性能。沉淀强化的作用，具有良好的综合机械性能和工艺性能。n n正火钢成分及性能：正火钢成分及性能：在固溶强化的基础上，通过沉淀强化和细化晶粒在固溶强化的基础上，通过沉淀强化和细化晶粒来进一步提高强度和保证韧性的一类低合金高强钢。来进一步提高强度和保证韧性的一类低合金高强钢。

6、s s343343490MPa490MPa，在，在C CMnMn和和MnMnSiSi系的基础上加热碳化物和氮化物生成系的基础上加热碳化物和氮化物生成元素，正火目的为了使合金元素以细小的化合物质点从固溶体中沉淀元素，正火目的为了使合金元素以细小的化合物质点从固溶体中沉淀析出，细化晶粒提高强度改善塑、韧性。析出，细化晶粒提高强度改善塑、韧性。n n微合金化控轧钢：微合金化控轧钢：采用微合金化采用微合金化(加入微量加入微量NbNb、V V、Ti)Ti)和控制轧制达和控制轧制达到细化晶粒和沉淀强化相结合的效果，冶炼上采取了降到细化晶粒和沉淀强化相结合的效果，冶炼上采取了降C C、降、降S S，提，提高

7、纯净度，钢材具有均匀细晶粒高纯净度，钢材具有均匀细晶粒F F基体，在轧制状态下具有正火钢的基体，在轧制状态下具有正火钢的质量，具有高强度、高韧性和良好的焊接性。质量，具有高强度、高韧性和良好的焊接性。热轧及正火钢的焊接n n随着钢材强度级别的提高，钢中合金元素的增加，焊接性也会随着发随着钢材强度级别的提高，钢中合金元素的增加，焊接性也会随着发生变化，一是裂纹问题，二是脆化问题。生变化，一是裂纹问题，二是脆化问题。冷裂纹冷裂纹：热轧钢冷裂纹倾向小，正火钢冷裂倾向随着强度的提高而增大。：热轧钢冷裂纹倾向小，正火钢冷裂倾向随着强度的提高而增大。热裂纹热裂纹：热轧钢和正火钢含：热轧钢和正火钢含MnMn

8、量高，具有良好的抗热裂性。量高，具有良好的抗热裂性。再热裂纹再热裂纹：热轧钢中由于不含强碳化物形成元素，对再热裂纹不敏感；：热轧钢中由于不含强碳化物形成元素，对再热裂纹不敏感；正火钢对再热裂纹的敏感性与合金系有很大关系，正火钢对再热裂纹的敏感性与合金系有很大关系，18MnMoNb18MnMoNb有轻有轻微再热裂纹敏感性，可通过提高预热温度及后热等措施防止。微再热裂纹敏感性，可通过提高预热温度及后热等措施防止。层状撕裂层状撕裂：板厚：板厚16mm16mm不易产生层状撕裂，如果不易产生层状撕裂，如果Z Z向拘束力大则易产向拘束力大则易产生层状撕裂。生层状撕裂。粗晶区脆化粗晶区脆化：粗晶区加热温度高

9、，奥氏体晶粒显著长大，冷却过程中来：粗晶区加热温度高，奥氏体晶粒显著长大，冷却过程中来不及析出的难溶质点导致材料变脆，且冷却后组织粗大。采用小线能不及析出的难溶质点导致材料变脆，且冷却后组织粗大。采用小线能量马氏体比例下降，韧性下降，采用大线能量奥氏体晶粒严重长大，量马氏体比例下降，韧性下降，采用大线能量奥氏体晶粒严重长大，韧性下降，不同钢种合金化方式不同，线能量选择也不同。韧性下降，不同钢种合金化方式不同，线能量选择也不同。热轧及正火钢的焊接n n焊接方法的选择无特殊要求，手弧焊、埋弧焊、气体保护焊和电渣焊等方焊接方法的选择无特殊要求，手弧焊、埋弧焊、气体保护焊和电渣焊等方法均可。法均可。n

10、 n焊接材料的选择原则：焊接材料的选择原则：焊缝没有缺陷；焊缝中的主要缺陷是裂纹，这类钢热裂及冷裂倾向小。焊缝没有缺陷；焊缝中的主要缺陷是裂纹，这类钢热裂及冷裂倾向小。满足使用性能要求，保证焊缝金属的强度、塑性和韧性满足使用性能要求，保证焊缝金属的强度、塑性和韧性a.a.选择与母材相应强度级别的焊接材料；选择与母材相应强度级别的焊接材料；b.b.考虑熔合比和冷却速度；考虑熔合比和冷却速度；c.c.焊后热处理（一般消除应力退火），正火处理时应选择强度更高一些的焊焊后热处理（一般消除应力退火），正火处理时应选择强度更高一些的焊接材料。接材料。n n焊接工艺参数焊接工艺参数焊接线能量：线能量确定取决

11、于过热区的脆化和冷裂两个因素。焊接含碳量焊接线能量：线能量确定取决于过热区的脆化和冷裂两个因素。焊接含碳量低的热轧钢对线能量没有严格限制，焊接含碳量高的热轧钢时应选择便大低的热轧钢对线能量没有严格限制，焊接含碳量高的热轧钢时应选择便大线能量防冷裂及脆化；焊接正火钢时为防止沉淀相溶入引起脆化选择小线线能量防冷裂及脆化；焊接正火钢时为防止沉淀相溶入引起脆化选择小线能量，但含碳量和合金元素含量高时，可采用预热。能量，但含碳量和合金元素含量高时，可采用预热。预热：防止冷裂纹，改善性能预热：防止冷裂纹，改善性能焊后热处理：一般回火温度选择不超过母材原来的回火温度；避开脆性温度焊后热处理：一般回火温度选择

12、不超过母材原来的回火温度；避开脆性温度区间区间低碳调质钢的焊接n n成分和性能成分和性能成分和性能成分和性能：C0.18C0.18，具有良好的综合性能和焊接性，具有良好的综合性能和焊接性，s s为为441490MPa441490MPa的低合金高强钢有调质和正火两类。的低合金高强钢有调质和正火两类。n n焊接性：焊接性：焊接性：焊接性：焊缝中的热裂纹焊缝中的热裂纹：含碳量低，含：含碳量低，含MnMn低，且低，且S S、P P控制严格，热裂倾向控制严格，热裂倾向小。小。液化裂纹液化裂纹：发生在高：发生在高NiNi低低MnMn低合金高强钢中，低合金高强钢中，Mn/SMn/S比越高，液化裂比越高，液化

13、裂纹的敏感性越低。纹的敏感性越低。冷裂纹冷裂纹：与：与MM转变时冷却速度有关；如果工艺上提供一个转变时冷却速度有关；如果工艺上提供一个”自回火自回火”，保证保证MM转变时冷却速度较慢，冷裂纹可避免，如果冷却速度很快，冷转变时冷却速度较慢，冷裂纹可避免，如果冷却速度很快，冷裂纹倾向增大。裂纹倾向增大。再热裂纹再热裂纹：V V、MoMo等元素可引起再热裂纹，等元素可引起再热裂纹，Mo-VMo-V钢，尤其钢，尤其Cr-Mo-VCr-Mo-V钢再热裂纹敏感。钢再热裂纹敏感。层状撕裂层状撕裂：敏感性低。：敏感性低。热影响区性能变化热影响区性能变化：a.HAZa.HAZ脆化：合金化程度增加，易在脆化：合金

14、化程度增加，易在B B组织中的铁素体之间形成组织中的铁素体之间形成M-AM-A组组元，引起脆化，增加含元，引起脆化，增加含NiNi量可改善近缝区韧性。量可改善近缝区韧性。b.HAZb.HAZ软化：调质钢焊接的普遍问题，对焊后不再进行调质处理的低碳软化：调质钢焊接的普遍问题，对焊后不再进行调质处理的低碳钢尤其重要。钢尤其重要。低碳调质钢的焊接工艺特点这类钢含碳量低，淬火组织为低碳这类钢含碳量低，淬火组织为低碳MMB B，焊接时应注意：，焊接时应注意：要求在要求在MM转变时的冷却速度不能太快，避免冷裂纹的产生；转变时的冷却速度不能太快，避免冷裂纹的产生；要求在要求在800800500500之间冷却

15、速度大约产生脆性混合组织的临界速度。之间冷却速度大约产生脆性混合组织的临界速度。1.1.焊接工艺方法和焊接材料的选择焊接工艺方法和焊接材料的选择 调质状态下的钢材，只要加热温度超过了它的回火温度后性能就会发生变调质状态下的钢材，只要加热温度超过了它的回火温度后性能就会发生变化，可采取焊后重新调质或者限制焊接过程中母材中的热量。化，可采取焊后重新调质或者限制焊接过程中母材中的热量。对于对于 s s大于大于980MPa980MPa的调质钢采用的调质钢采用TIGTIG或电子束焊接，对于或电子束焊接，对于 s s小于小于980MPa980MPa可采用埋弧焊、可采用埋弧焊、TIGTIG及其他方法。及其他

16、方法。选择焊材时要求焊缝金属接近母材性能选择焊材时要求焊缝金属接近母材性能2.2.焊接工艺参数的选择焊接工艺参数的选择冷却速度慢可防冷裂，冷却速度快可防脆化，应兼顾确定冷却速度冷却速度慢可防冷裂，冷却速度快可防脆化，应兼顾确定冷却速度焊接线能量确定：在保证不出裂纹情况下，线能量尽可能大焊接线能量确定：在保证不出裂纹情况下，线能量尽可能大预热温度的确定：预热的目的是为了防止冷裂纹，一般采用较低的预热温预热温度的确定：预热的目的是为了防止冷裂纹，一般采用较低的预热温度度200200，温度过高不仅防止冷裂纹没必要，且会使，温度过高不仅防止冷裂纹没必要，且会使t t8/58/5冷却速度低于临界冷却速度

17、低于临界冷却速度，出现脆性混合物。冷却速度，出现脆性混合物。焊后热处理：消除应力热处理温度比回火温度低焊后热处理：消除应力热处理温度比回火温度低3030。中碳调质钢的焊接n n成分及性能成分及性能：C C为为0.250.250.450.45，特点为高的比强和高硬度，这类钢的，特点为高的比强和高硬度，这类钢的淬透性大，焊接性差，焊后需经调质处理才能保证接头的性能。淬透性大，焊接性差，焊后需经调质处理才能保证接头的性能。n n焊接性分析：焊接性分析：热裂纹：含碳量及合金元素含量高，液热裂纹：含碳量及合金元素含量高，液-固相区大，偏析严重，具有较大固相区大，偏析严重，具有较大的热裂倾向，选择焊接材料

18、时应选择含碳量低，的热裂倾向，选择焊接材料时应选择含碳量低，S S、P P含量低的材料，工含量低的材料，工艺上保证弧坑填满和良好的焊缝成形。艺上保证弧坑填满和良好的焊缝成形。冷裂纹：淬硬倾向明显，冷裂倾向严重，冷裂纹：淬硬倾向明显，冷裂倾向严重，M M的硬脆程度随含碳量提高而增的硬脆程度随含碳量提高而增加，冷裂敏感性也增大，为防止冷裂纹可次阿姨焊前预热焊后回火处理。加，冷裂敏感性也增大，为防止冷裂纹可次阿姨焊前预热焊后回火处理。HAZHAZ性能：性能：脆性：脆性：HAZHAZ易产生硬脆高碳易产生硬脆高碳M M，冷却速度越大，脆化越严重，大线能量会增，冷却速度越大，脆化越严重，大线能量会增大大A

19、 A过热和提高稳定性，促使形成粗大过热和提高稳定性，促使形成粗大M M，脆化严重，可采用小线能量，脆化严重，可采用小线能量，同时预热和后热。同时预热和后热。软化：这类钢一般在退火状态下焊接，焊后调质，如果焊后不经调质处理，软化：这类钢一般在退火状态下焊接，焊后调质，如果焊后不经调质处理，存在存在HAZHAZ现软化现象，强度级别越高，软化越严重，线能量小，加热冷现软化现象，强度级别越高，软化越严重，线能量小，加热冷却速度快，软化程度小，软化区宽度窄，焊接热源越集中对减少软化越却速度快，软化程度小，软化区宽度窄，焊接热源越集中对减少软化越有力。有力。中碳调质钢的焊接工艺特点1.1.一般中碳调质钢在

20、退火状态下焊接，焊后再进行调质处理。在选材时，一般中碳调质钢在退火状态下焊接，焊后再进行调质处理。在选材时，焊缝金属的主要合金组成应尽量与母材一致，使得焊缝金属的调质处焊缝金属的主要合金组成应尽量与母材一致，使得焊缝金属的调质处理范围应和母材一致。焊前采用很高的预热温度理范围应和母材一致。焊前采用很高的预热温度(200350(200350)和层和层间温度，有时采用中间热处理间温度，有时采用中间热处理(焊后等于焊后等于oror高于预热温度下保持一段高于预热温度下保持一段施加施加)目的防止延迟裂纹。目的防止延迟裂纹。2.2.在调质态焊接时，裂纹问题；高碳在调质态焊接时，裂纹问题；高碳MM引起的硬化

21、和脆化；高温回火区引起的硬化和脆化；高温回火区软化引起的强度降低。高碳软化引起的强度降低。高碳MM引起的硬化和脆化可通过回火处理解决，引起的硬化和脆化可通过回火处理解决，焊接工艺参数主要从防止冷裂纹和避免软化出发。为消除淬硬组织及焊接工艺参数主要从防止冷裂纹和避免软化出发。为消除淬硬组织及防止延迟裂纹，选择合适的预热温度和焊后回火处理。减少防止延迟裂纹，选择合适的预热温度和焊后回火处理。减少HAZHAZ软软化，选择热量集中，能量密度大的方法，且线能量越小越好。化，选择热量集中，能量密度大的方法，且线能量越小越好。珠光体耐热钢的焊接n n以以Cr-MoCr-Mo为基的低、中合金珠光体耐热钢具有很

22、好的抗氧为基的低、中合金珠光体耐热钢具有很好的抗氧化性和热强性，工作温度可达化性和热强性，工作温度可达600600，广泛应用于制造蒸，广泛应用于制造蒸汽动力发电设备，含汽动力发电设备，含CrCr量一般为量一般为0.50.59 9，含，含MoMo量一般量一般为为0.50.51 1。随着。随着CrCr、MoMo含量的增加，钢的抗氧化性、含量的增加，钢的抗氧化性、高温强度和抗硫化物腐蚀性能都增加。在高温强度和抗硫化物腐蚀性能都增加。在Cr-MoCr-Mo钢中加入钢中加入少量的少量的V V、WW、NbNb、TiTi等，可进一步提高热强性。等，可进一步提高热强性。n n珠光体耐热钢焊接的主要问题：珠光体

23、耐热钢焊接的主要问题：热影响区的硬化、冷裂纹、软化以及焊后热处理或长期使热影响区的硬化、冷裂纹、软化以及焊后热处理或长期使用中的再热裂纹问题。用中的再热裂纹问题。珠光体耐热钢的焊接工艺特点n n一般在热处理状态下焊接，焊后大多数要进行高温回火处理。一般在热处理状态下焊接，焊后大多数要进行高温回火处理。n n为了保证焊缝性能与母材匹配，在选择焊接材料应具有必要的热强性，为了保证焊缝性能与母材匹配，在选择焊接材料应具有必要的热强性，焊缝成分应力与母材相近；为了防止焊缝有较大的热裂倾向，焊缝含焊缝成分应力与母材相近；为了防止焊缝有较大的热裂倾向，焊缝含碳量往往比母材要低一些，一般不低于碳量往往比母材

24、要低一些，一般不低于0.070.07，如果焊接材料选择适，如果焊接材料选择适当，焊缝的性能是可以和母材匹配的。当，焊缝的性能是可以和母材匹配的。n n为了防止冷裂纹和消除近缝区硬化现象，正确选定预热温度和焊后回为了防止冷裂纹和消除近缝区硬化现象，正确选定预热温度和焊后回火温度是非常重要的，结合具体条件，通过试验确定预热温度及焊后火温度是非常重要的，结合具体条件，通过试验确定预热温度及焊后热处理温度。通过预热特别是焊后热处理，珠光体耐热钢接头的薄弱热处理温度。通过预热特别是焊后热处理，珠光体耐热钢接头的薄弱环节往往不再是熔合线附件的硬化区，而是硬度明显下降的软化区环节往往不再是熔合线附件的硬化区

25、，而是硬度明显下降的软化区（F F碳化物奥氏体分解产物）此碳化物奥氏体分解产物）此“白带白带”区主要影响高温蠕变性能区主要影响高温蠕变性能和持久强度，长期高温工作时，许多情况下都是断在软化区，珠光体和持久强度，长期高温工作时，许多情况下都是断在软化区，珠光体耐热钢的合金化程度越高，原始硬度越大，焊接线能量越大，软化越耐热钢的合金化程度越高，原始硬度越大，焊接线能量越大，软化越严重。为了减少软化程度，尽量减小严重。为了减少软化程度，尽量减小Ac1Ac1附近的停留时间即提高焊接附近的停留时间即提高焊接时的冷却速度。从焊接工艺上应该尽可能焊接线能量及预热温度，但时的冷却速度。从焊接工艺上应该尽可能焊

26、接线能量及预热温度，但线能量过小会增大熔化区的硬化程度，对韧性和防止裂纹不利，在确线能量过小会增大熔化区的硬化程度，对韧性和防止裂纹不利，在确定焊接线能量时要综合考虑接头各种性能的要求。定焊接线能量时要综合考虑接头各种性能的要求。低温用钢焊接n n焊接性：含碳量低，焊接性：含碳量低，S S、P P含量控制严格，淬硬性和冷裂倾含量控制严格，淬硬性和冷裂倾向小，具有良好的焊接性。焊接主要问题：防止焊缝和过向小，具有良好的焊接性。焊接主要问题：防止焊缝和过热区出现粗晶过热组织，热区出现粗晶过热组织，9%Ni9%Ni钢注意液化裂纹。钢注意液化裂纹。n n焊接工艺：焊接工艺：焊接材料选择保证有害杂质元素

27、少，含焊接材料选择保证有害杂质元素少，含NiNi钢控制更为严格钢控制更为严格焊前预热：对于大厚板可预热焊前预热：对于大厚板可预热100100，其他无需预热，其他无需预热热输入：小的热输入量可防止过热及韧性下降热输入：小的热输入量可防止过热及韧性下降焊后热处理：大厚板考虑消除应力热处理焊后热处理：大厚板考虑消除应力热处理低合金耐腐蚀钢的焊接n n耐大气、海水腐蚀用钢的焊接：以耐大气、海水腐蚀用钢的焊接：以CuCu、P P为主要元素，与为主要元素，与一般低合金热轧钢近似，焊接性好。选择材料在耐蚀性方一般低合金热轧钢近似，焊接性好。选择材料在耐蚀性方面与母材相匹配，含面与母材相匹配，含P P钢需严格控制焊材含钢需严格控制焊材含C C量。量。n n耐硫和硫化物腐蚀用钢的焊接：耐硫和硫化物腐蚀用钢的焊接：Cr-MoCr-Mo钢：焊接性如珠光体耐热钢钢：焊接性如珠光体耐热钢含含AlAl钢焊接：钢焊接：”铁素体带铁素体带”脆化（由于母材与焊缝金属成分脆化（由于母材与焊缝金属成分差别较大，焊后在熔化线靠近母材一侧产生了晶粒粗大的差别较大，焊后在熔化线靠近母材一侧产生了晶粒粗大的“铁素体带铁素体带”）