1、金属材料焊接第1章 金属材料焊接性及试验方法 1.1 金属材料的焊接性 1.2 金属材料的焊接性试验方法下一页返回第2章 碳素钢的焊接 2.1 认识碳素钢 2.2 低碳钢的焊接 2.3 中碳钢的焊接 2.4 高碳钢的焊接上一页 下一页返回第3章 低合金结构钢的焊接 3.1 低合金结构钢的种类、性能与用途 3.2 热轧及正火钢的焊接工艺 3.3 低碳调质钢的焊接 3.4 中碳调质钢的焊接工艺 3.5 低合金耐蚀钢的焊接上一页 下一页返回第4章 低温钢的焊接上一页 下一页返回第5章 耐热钢的焊接 5.1 认识耐热钢 5.2 低合金耐热钢的焊接 5.3 中合金耐热钢的焊接上一页 下一页返回第6章 不
2、锈钢的焊接 6.1 认识不锈钢 6.2 奥氏体不锈钢的焊接 6.3 铁素体不锈钢的焊接 6.4 马氏体不锈钢的焊接 6.5 双相不锈钢的焊接上一页 下一页返回第7章 铸铁焊接 7.1 了解铸铁焊接的应用 7.2 灰口铸铁同质焊缝焊接工艺 7.3 灰口铸铁异质焊缝焊接工艺 7.4 灰口铸铁钎焊工艺 7.5 球墨铸铁的焊接上一页 下一页返回第8章 有色金属的焊接 8.1 铝及铝合金的焊接 8.2 铜及铜合金的焊接 8.3 钛及钛合金的焊接上一页 下一页返回第9章 异种金属的焊接 9.1 异种钢的焊接 9.2 钢与铜及其合金的焊接 9.3 铝与铜的焊接上一页返回第1章 金属材料焊接性及试验方法 1.
3、1 金属材料的焊接性 1.2 金属材料的焊接性试验方法返回1.1 金属材料的焊接性 1.1.1金属材料焊接性的概念下一页返回1.1 金属材料的焊接性 值得注意的是，金属焊接性是个相对的概念，同一种材料在不同的焊接工艺条件下，可以表现出很大的差异。随着新的焊接方法和焊接工艺的开发与完善，一些原来焊接性差的材料可能会得到改善，使焊接性变好;当然，随着新材料的出现和对焊接结构使用条件要求的苛刻，也将会带来新的焊接性问题。1.1.2影响金属材料焊接性的因素 过去，有人把焊接性单纯地理解为金属材料本身所固有的性能，这显然是不对的。焊接性是金属材料的一种工艺性能，影响因素很多，一般可归纳为材料、工艺、结构
4、和服役条件四大因素。上一页 下一页返回1.1 金属材料的焊接性 1.材料因素 材料因素是指焊接时直接参与冶金反应和发生组织变化的所有材料(包括母材和焊接材料)。在相同的焊接条件下，决定母材焊接性的主要因素是它本身的物理化学性能。对钢而言，有钢的化学成分、冶炼轧制状态、热处理条件、组织状态和力学性能等，其中化学成分是主要的影响因素，它能决定热影响区的淬硬倾向、脆化倾向和产生裂纹的敏感性。在焊接过程中焊接材料和母材熔化形成的熔池金属所发生的一系列冶金反应，决定着焊缝金属的成分、组织、性能及缺陷的形成。如果焊接材料选择不当，与母材不匹配，不仅不能获得满足使用要求的接头，还会引起焊接缺陷的产生和组织性
5、能的变化，也就是使工艺焊接性变差。上一页 下一页返回1.1 金属材料的焊接性 2.工艺因素 工艺因素包括焊接方法、焊接参数和工艺措施等。对同一母材而言，当采用不同的焊接方法和工艺措施时会表现出不同的焊接性。焊接方法对焊接性的影响主要表现在两个方面:一是热源特点直接影响焊接热循环的主要参数，从而影响接头的组织和性能;二是保护方式直接影响冶金过程，从而影响焊缝金属的质量和性能。3.结构因素 结构因素主要是指焊接结构设计形式和焊接接头的设计形式，如结构形状、尺寸、钢板厚度、接头形式、坡口形式、焊缝布置等，其影响主要表现在热的传递和力的状态方面。上一页 下一页返回1.1 金属材料的焊接性 不同板厚、不
6、同接头形式或坡口形状其传热方向和传递速度不一样，从而对熔池结晶方向和晶粒长大产生影响。结构的形状、板厚和焊缝的布置等决定接头的刚度和拘束度，对接头的应力状态产生影响。不良的结晶形态、严重的应力集中和过大的焊接应力是形成焊接裂纹的基本条件。4.服役条件 焊接结构的服役环境是多种多样的，例如工作温度、工作环境、承受载荷的类别等都属于服役条件。材料在高温下工作时，会发生蠕变;在低温或冲击载荷下工作时，会发生脆性断裂;在腐蚀介质中工作时，会发生各种腐蚀破坏的可能。总之，服役条件越苛刻，对焊接接头质量要求越高，金属材料的焊接性就越不容易得到保证。上一页返回1.2 金属材料的焊接性试验方法 1.2.1金属
7、材料焊接性试验的内容 焊接性试验的内容主要包括两个方面:一是针对接头结合性能的工艺焊接性试验;二是针对接头使用性能的使用焊接性试验。从获得完整且满足使用要求的优质焊接接头出发，针对不同材料和不同的使用要求，焊接性试验的内容主要包括以下几方面。1.焊缝金属抵抗热裂纹的能力 焊缝热裂纹是一种较常发生又对焊接接头危害严重的焊接缺陷，是熔池金属在结晶过程中，晶界处形成低熔点共晶产物，在焊接热应力作用下形成的一种缺陷。因此，常用金属抗热裂纹的能力来作为判定金属材料冶金焊接性的指标，是焊接性试验的一项重要内容。下一页返回1.2 金属材料的焊接性试验方法 2.焊缝及热影响区金属抵抗冷裂纹的能力 焊接冷裂纹在
8、合金结构钢焊接中最为常见，是焊缝及热影响区金属在焊接热循环作用和较低温度下产生的，与金属的成分、焊接应力及扩散氢含量有关的焊接缺陷。冷裂纹具有延迟性，对焊接接头和焊接结构危害更大。因此金属材料对冷裂纹的敏感性试验是很重要又最常用到的焊接性试验。3.焊接接头抵抗脆性断裂的能力 焊接接头由于经过冶金反应、结晶、固态相变等一系列过程可能发生粗晶脆化、组织脆化、热应变时效脆化等现象，使接头韧性严重降低，对于在低温下工作和承受冲击载荷的焊接结构，会因为焊接接头的韧性降低而发生脆性转变。因此，对用作这类结构的材料应做抗脆断能力试验。上一页 下一页返回1.2 金属材料的焊接性试验方法 4.焊接接头的使用性能
9、 根据焊接结构的使用条件对焊接性提出的性能要求来确定试验内容。使用要求是多方面的，因此试验也是多种多样的。例如，在腐蚀介质中工作的焊接结构要求具有抗腐蚀性能，焊接接头应该做耐晶间腐蚀或耐应力腐蚀能力试验;厚板结构在厚度方向承受较大载荷时要求具有抗层状撕裂性能，所以应该做Z向拉伸或窗口试验。此外还有低温钢的低温冲击韧度、耐热钢的高温蠕变强度、承受交变载荷的疲劳极限以及产品技术条件要求的其他特殊性能。上一页 下一页返回1.2 金属材料的焊接性试验方法 1.2.2金属材料焊接性的试验方法与选择原则 1.焊接性试验方法分类 金属材料焊接性试验的方法很多，根据试验内容和特点可以分为工艺焊接性和使用焊接性
10、两大方面的试验，每一方面又可分为直接法和间接法两种类型。直接法有两种情况:一种是模拟实际焊接条件，通过实际焊接过程考查是否发生某种焊接缺陷或发生缺陷的严重程度，根据结果直接评价材料焊接性;也可以通过试验确定出获得符合要求的焊接接头所需的焊接条件，这种情况一般用于工艺焊接性试验。另一种情况是直接在实际产品上进行焊接性试验。例如，压力容器的焊接试板主要用于使用焊接性试验。上一页 下一页返回1.2 金属材料的焊接性试验方法 间接法一般不需要焊接，只需对产品使用的材料做化学成分、金相组织、力学性能的试验，并进行分析与测定，根据结果和经验推测材料的焊接性。金属材料焊接性试验方法分类见表1-1。2.焊接性
11、试验方法的选择原则 选择焊接性试验方法时一般应遵循下列原则。(1)针对性所选择的试验方法，其试验条件要尽量与实际焊接时的条件相一致，这些条件包括母材、焊接材料、接头形式、接头受力状态、焊接参数等，且还需考虑到产品的使用条件，尽量使之接近，只有这样，其试验结果才能较准确地显示出实际生产时可能发生的问题或可能出现的情况。上一页 下一页返回1.2 金属材料的焊接性试验方法(2)可比性只有试验条件完全相同时，两个试验的结果才具有可比性。因此，凡是国家或国际上已经颁布的标准试验方法，应优先选择并严格按照标准的规定进行试验。尚没有建立标准的，应选择国内外同行业中较为通用的试验方法进行试验。(3)可靠性焊接
12、性试验的结果要稳定可靠，具有较好的再现性。试验数据不可过于分散;否则难以找出变化规律和导出正确的结论，为此试验条件和试验程序要严格规定，防止随意性。(4)经济性在符合上述原则并可获得可靠结果的前提下，力求减少材料消耗，避免复杂昂贵的加工工序，节省试验费用。上一页 下一页返回1.2 金属材料的焊接性试验方法 1.2.3常用的金属材料焊接性分析方法 1.碳当量法 钢材的化学成分对焊接热影响区的淬硬及冷裂纹倾向有直接的关系，因此可以通过钢材的化学成分来间接分析和判断其对冷裂纹的敏感性。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。将钢中包含碳元素在内的各种合金元素对淬硬、冷裂及脆化等的影响折
13、合成碳的相当含量，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。该方法是一种粗略评价冷裂纹敏感性的方法。日前应用的碳当量计算公式较多，其中，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Cea应用较广泛。碳当量计算公式和应用范围见表1-2。上一页 下一页返回1.2 金属材料的焊接性试验方法 用碳当量法评定钢材焊接性和制定防止冷裂纹工艺措施按下述方法进行。(1)使用国际焊接学会(IIW)推荐的CE对板厚小于20mm 的钢材，当CE 0.6%时，钢材淬硬倾向很大，焊接性差，焊接时必须严格工艺措施，如预热、缓冷、后热及焊后热处理等。(2)使用日本工业
14、标准(JIS)规定的Cea(JIS)对板厚小于20mm的钢材和采用焊条电弧焊时，对于强度等级不同的钢材规定了不产生裂纹的临界值和相应的预热措施，见表1-3。上一页 下一页返回1.2 金属材料的焊接性试验方法(3)使用美国焊接学会推荐的Cea(AWS)应根据Cea(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1-4确定出其焊接的最佳工艺措施。2.焊接冷裂纹敏感指数法 20世纪60年代后，世界各国为改进钢的性能和焊接性，大力发展低碳微合金的低合金高强钢。对于这类钢碳当量法已不适用，为此日本伊藤等在大量试验的基础上，提出了焊接冷裂纹敏感指数(Pcm)公式。上一页 下一页
15、返回1.2 金属材料的焊接性试验方法 式中，板厚(mm);H焊缝中扩散氢含量(mL/100g)。该公式适用于b=4001 000 MPa的低合金高强钢，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。Pcm适用条件:C=0.07%0.22%、si0.60%、Mn=0.4%1.40%、Cu0.50%、Ni1.20%、Mo0.70%、V0.12%、Nb0.04%、Ti0.05%、B0.005%、=1950mm、H=1.05.0mL/100g(按GB/T3965-1995熔敷金属中扩散氢测定法测定)。上一页 下一页返回1.2 金属材料的焊接性试验方法 3.利用金属材料的物理
16、性能分析 金属材料的熔点、热导率、线膨胀系数、比热容和密度等物理性能，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。根据金属材料的物理性能特点，可以预计在焊接过程中可能出现的问题，从而制定出相应的防止措施。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、钦及其合金)，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。上一页 下一页返回1.2 金属材料的焊接性试验方法 5.利用合金相图或连续冷却组织转变(CCT)图分析 金属材料大多是合金，因
17、而可以利用其相图分析其焊接性。例如，对于共晶相图来讲，其固、液相线之间的温度区间大小，会影响结晶时的成分偏析、低熔点共晶的生成和脆性温度区间的大小，这是分析热裂纹倾向的重要参考依据;若凝固结晶时形成单相组织，则焊缝晶粒易于长大，这也是形成热裂纹的重要影响因素。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。这些图反映了焊接热影响区从高温连续冷却时，热影响区显微组织和室温硬度与冷却速度的关系，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
18、工艺条件。上一页 下一页返回1.2 金属材料的焊接性试验方法 1.2.4金属材料工艺焊接性试验方法 一、斜Y形坡口焊接裂纹试验法 这是一种在工程上广泛应用的试验方法。该试验广泛应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形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，由被焊钢材制成，板厚不做规定，常为9 38mm，采用机械方法加工试件坡口，每一种试验条件要制备两块以上试件。上一页 下一页返回1.2 金属材料的焊接性试验方法 2.施焊条件 试验焊缝应选用与母材匹配的焊条，焊前
19、应严格按要求烘干。根据需要可在各种预热温度下焊接。用焊条电弧焊施焊的试验焊缝如图1-3(a)所示，用自动送进装置施焊的试验焊缝如图1-3(b)所示。试验焊缝只焊一道，不要求填满坡口焊后静置和自然冷却48 h后截取试样，进行裂纹检测。3.裂纹检测 检测裂纹时直接用眼睛或借助510倍放大镜仔细检查焊接接头表面和断面是否有裂纹，并按下列方法分别计算表面、根部和断面裂纹率。试样裂纹长度的计算按图1-4所示进行。上一页 下一页返回1.2 金属材料的焊接性试验方法(1)表面裂纹率C如图1-4(a)所示，其按下式计算 式中，L 表面裂纹长度之和(mm);L试验焊缝长度(mm)。(2)根部裂纹率Cr检测根部裂
20、纹时，应先将试件着色后拉断或折断，然后按图1-4(b)进行根部裂纹测量。计算公式为上一页 下一页返回1.2 金属材料的焊接性试验方法 式中，L r根部裂纹长度之和(mm)；L试验焊缝长度(mm)。(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1-4(c)所示，检查5个断面上的裂纹深度Hs。计算公式为 式中，Hs5个横断面裂纹深度的总和(mm);H5个断面焊缝的最小厚度的总和(mm)。斜Y形坡口焊接裂纹试验条件比较苛刻，因为该试验接头的拘束度远比实际结构大，根部尖角处又有应力集中，因此一般认为试验结果中若裂纹率低于20%，在实际结构焊接时就不致产生裂纹。上一页 下一页返
21、回1.2 金属材料的焊接性试验方法 这种试验方法的优点是试件易于加工、不需特殊装置、操作简单、试验结果可靠;缺点是试验周期较长。除斜Y形坡口焊接裂纹试验外，还可以仿照此标准做成直Y形坡口的试件，用于考核焊条或异种钢焊接的裂纹敏感性，其试验程序及裂纹率的检测和计算与斜Y形坡口焊接裂纹试验相同。二、焊接热影响区最高硬度试验法 焊接热影响区的最高硬度比碳当量能更好地反映钢种的淬硬倾向和对冷裂纹的敏感性，因为它不仅能反映出钢种化学成分的影响，而且也反映了材料金相组织的作用。国际焊接学会(IIW)已将其定为标准试验方法，我国也制定了试验标准GB/T4675.5-1984，适用于焊条电弧焊。上一页 下一页
22、返回1.2 金属材料的焊接性试验方法 试板尺寸和形状如图1-5和表1-5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20 mm时须用机加工加工成20mm，并保留一个轧制表面;当材料厚度小于20 mm时则无须加工。试样表面经研磨、腐蚀后，按图1-6所示位置测量硬度，在O点两侧各取7个以上的点作为硬度测定点，每点的间距为0.5mm，采用载荷为100 N的维氏硬度计在室温下测定。试验规范按GB/T4340.1-1999金属维氏硬度试验法的有关规定进行。对不同钢种、在不同工艺条件下最高硬度值没有统一标准。因为金属的焊接性除了与钢材的成分组织有关外，还受接头应力状态、焊缝含氢量等因素的
23、影响;对于低碳低合金钢，即使热影响区出现一定量的马氏体组织，仍可以有较高的塑性及韧性。上一页 下一页返回1.2 金属材料的焊接性试验方法 因此，对强度等级和含碳量不同的钢种，应该确定出不同的最大HV许可值，进而客观、准确地评价钢种的焊接性。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1-6。三、插销试验法(GB/T9446-1988)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，见GB/T9446-1988焊接用插销冷裂纹试验方法。经适当改变，该方法还可用于测定金属材料对消除应力裂纹和层状撕裂的敏感性。上
24、一页 下一页返回1.2 金属材料的焊接性试验方法 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1-7，插销上端有环形或螺形缺口。将插销插人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。底板形状及尺寸如图1-9所示。对于环形缺口的插销试棒，缺口与端面的距离见图1-8(a)应使焊道熔深与缺口根部所截的平面相切或相交，但缺口根部被熔透的部分不得超过20
25、%。上一页 下一页返回1.2 金属材料的焊接性试验方法 对于低合金钢，a值在焊接热输入为E=15 kJ/cm时约为2 mm，当热输入改变时，a值也应根据表1-8作相应改变。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，焊道长度为10015 0 mm。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24 h(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
26、，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。上一页 下一页返回1.2 金属材料的焊接性试验方法 3.插销试验特点 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。调整焊接热输入和底板厚度可得到不同的接头冷却速度。插销可从被试验材料任意方向截取，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。试验要求环形缺口必须位于焊缝的粗晶区，要求较严格。环形缺口整个圆周温度不十分均匀，且影响试验结果的准确性，造成数据分散，再现性不是很好。上一页 下一页返回1.2 金属材料的焊接性试验方法 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
27、，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40 mm的钢板上以角焊缝形式四周焊接牢固。当试件板厚小于或等于12 mm时，取焊角尺寸与板厚相等;当板厚大于12 mm时，焊角尺寸取12 mm。试件坡口用机械方法加工。上一页 下一页返回1.2 金属材料的焊接性试验方法 五、T形接头焊接裂纹试验法 此法主要用于评定填角焊缝的热裂纹倾向，也可以评定焊条及工艺参数对热裂纹的敏感性。试件的形状及尺寸如图1-11所示。试验时，采用直径为4 mm的焊条，取电流规定上限进行焊接。在船形焊位置首先焊拘束焊缝S1，然后立即焊
28、一道比S1小的试验焊缝S2，二者方向相反，如图1-12所示。待焊件冷却后，观察试验焊缝S2表面，并按下式计算裂纹率。上一页 下一页返回1.2 金属材料的焊接性试验方法 式中，C表面裂纹率(%);L表面裂纹长度之和(mm)。除了以上介绍的几种常用方法外，还有十字接头裂纹试验、压板对接(FISCO)焊接裂纹试验、窗口拘束裂纹试验、拉伸拘束试验(TRC试验)和刚性拘束裂纹试验(RRC)等，这里不再一 一介绍。1.2.5使用焊接性试验方法 1.焊接接头力学性能试验 焊接接头力学性能试验主要测定母材、焊缝及热影响区在不同载荷作用下的强度、塑性和韧性。焊接接头的拉伸、弯曲和冲击等的取样方法如图1-13所示
29、，其具体尺寸、数量和试验方法见有关标准及资料，这里不再详述。上一页 下一页返回1.2 金属材料的焊接性试验方法 2.焊接接头抗脆性断裂性能试验 此法主要是通过V形缺口的冲击试验来评定脆性转变温度。3.焊接接头与焊缝金属的疲劳试验 此法主要测定焊接结构在交变载荷作用下的疲劳极限。4.焊接接头的抗腐蚀试验 此法主要通过硫酸一硫酸铜腐蚀试验方法(弯曲法)或硫酸一硫酸铁腐蚀试验法(失重法)来评定焊接接头的晶间腐蚀倾向;用恒负荷拉伸试验或U形弯曲试验来评定应力腐蚀开裂倾向。5.焊接接头的高温性能试验 此法主要评定焊接接头在高温下的拉伸强度、持久强度和蠕变极限。上一页返回表1-1 金属材料焊接性试验方法分
30、类返回表1-2 碳当量计算公式和应用范围返回表1-3 钢材强度级别、碳当量和预热温度的关系返回图1-1 焊接性与碳当量和板厚的关系返回一优良一优良;一较好一较好;一尚好一尚好;一尚可一尚可表1-4 焊接性等级不同时的最佳焊接工艺措施返回图1-2 试件的尺寸和形状返回图1-3 旅焊时的旅焊焊缝示意图返回(a)焊条电弧焊试验焊缝焊条电弧焊试验焊缝;(b)焊丝自动送进的试验焊缝焊丝自动送进的试验焊缝图1-4 试样裂纹长度计算返回(a)表面裂纹表面裂纹;(b)根部裂纹根部裂纹;(c)断面裂纹断面裂纹图1-5 热影晌区最高硬度试验试板返回表1-5 热影晌区最高硬度试件尺寸返回图1-6 硬度测量的位置返回
31、表1-6 常用低合金钢的碳当量及允许的热影晌区最大硬度返回图1-7 插销试验试棒的形状返回(a)环形缺口插销环形缺口插销;(b)螺形缺口插销螺形缺口插销表1-7 插销试验试棒的尺寸返回图1-8 插销试棒、底板及熔敷焊道返回(a)环形缺口插销环形缺口插销;(b)螺形缺口插销螺形缺口插销图1-9 底板形状及尺寸返回表1-8 缺口位置a与热输入E的关系返回图1-10 刚性固定对接裂纹试验试件尺寸和形状返回图1-11 T形接头试件形状及尺寸返回图1-12 T形接头试验焊缝的焊接位置返回图1-13 试板样坯截取位置返回第2章 碳素钢的焊接 2.1 认识碳素钢 2.2 低碳钢的焊接 2.3 中碳钢的焊接
32、2.4 高碳钢的焊接返回2.1 认识碳素钢 一、碳素钢材分类 碳素钢的种类多，分类方法一也多。1.按钢中的碳含量分类 低碳钢C 0.60%。2.按钢的用途分类(1)碳素结构钢 主要用于制造机械零件和工程结构，一般属于低、中碳钢。下一页返回2.1 认识碳素钢(2)碳素工具钢 主要用于制造各种加工工具，如刃具、量具和模具，般属于高碳钢。3.按钢的质量等级分类 其主要是根据钢中S,P等杂质元素的含量分，可分为如下几类(1)普通质量碳素钢S0.045%，P 0.045%(2)优质碳素钢S 0.040%，p 0.040%(3)高级优质碳素钢 S 0.030%，P 0.030%4.按冶炼方法分 按冶炼方法
33、可分为平炉钢、转炉钢和电炉钢。其中，转炉钢又可分为氧气转炉钢和碱性空气转炉钢。上一页 下一页返回2.1 认识碳素钢 5.按钢材脱氧程度的不同分 按钢材脱氧程度的不同可分为沸腾钢、半镇静钢和镇静钢。二、碳素钢的牌号、性能及应用 1.普通碳素结构钢 普通碳素结构钢含碳量较低，有害杂质和非金属夹杂物较多，但因易于冶炼，价格低、工艺性好，性能基本能满足一般工程构件的要求，因而在工程上用量很大，这种钢一般不用热处理或热处理较简单，可直接切削加工后使用。普通碳素结构钢一般在热轧空冷状态下使用。普通碳素结构钢以屈服强度表示钢的牌号，冠以字母“Q;，有Q195、Q215、Q235、Q255及Q275几种，以钢
34、中的杂质元素S、P含量的高低来划分质量等级。上一页 下一页返回2.1 认识碳素钢 GB700-88对普通碳素结构钢牌号表示如图2-1所示。2.优质碳素结构钢 优质碳素结构钢主要用于制造各种机械零件，要求能满足机械零件承受动载荷的要求，一般这类钢都要经过热处理，以提高其机械性能。优质碳素结构钢中S、P的含量较低，杂质一也少，按含碳量范围可分为以下三种。(1)低碳钢塑性、韧性、焊接性好，主要用于轧制薄板、钢带、型钢、钢丝等，其中08F用于冲压件，15、20、20Mn用做渗碳钢，可制造表层硬度高，心部强度要求不高的渗碳件。上一页 下一页返回2.1 认识碳素钢(2)中碳钢(0.25%C0.60%)强度
35、比低碳钢高，塑性韧性比低碳钢低，经过调质处理后可用于制造轴类零件，其中45钢应用最)一。(3)高碳钢(C 0.60%)有较高的强度、硬度和耐磨性，多用于生产易磨损件和弹簧等。优质碳素结构钢的牌号以两位数表示含碳量的万分数，钢中含锰量较高(Mn 0.8%1.2%)时，则在数字后加Mn。3.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的化学成分见表2-1。上一页返回2.2 低碳钢的焊接 一、低碳钢的成分特点与焊接性 低碳钢中碳的质量分数较低，硅、锰含量又较少，强度不高，塑韧性好。通常情况下，不会因焊接而引起严重的硬化组织和淬火组织，焊接接头的塑性和冲击韧度一也很好，焊接性良好。焊接时一般
36、不需预热、控制层间温度和后热，焊后也不必进行热处理。但在以下情况时，低碳钢焊接时也会出现问题。(1)低碳钢母材成分不合格当含碳量过高(接近上限)，硫、磷含量过高，焊接时也可能出现裂纹。(3)采用旧冶炼方法生产的低碳转炉钢这种钢的氮含量高，杂质较多，冷脆性和时效敏感性大，焊接接头质量低，焊接性较差。下一页返回2.2 低碳钢的焊接(3)低碳沸腾钢此类钢脱氧不完全，硫、磷等杂质局部偏析较大，时效敏感性、冷脆敏感性和热裂纹倾向较大，因而一般不宜用作承受动载或严寒(-20)工作的重要焊接结构。(4)焊接方法选择不当当采用大线能量焊接时，容易使焊接热影响区的粗晶区晶粒过于粗大，从而降低接头的冲击性能。二、
37、低碳钢的焊接工艺 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。例如，焊条电弧焊、埋弧焊、氢弧焊、二氧化碳气体保护焊、药芯二氧化碳气体保护焊、电渣焊、等离子弧焊、电阻焊、摩擦焊和钎焊等。上一页 下一页返回2.2 低碳钢的焊接 2.焊接材料 低碳钢焊接时选择焊接材料应遵循等强匹配的原则，一也就是根据母材强度等级及工作条件来选择焊接材料。表2-3列出了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。但在对工件厚度较大或环境温度较低的低碳钢结构进行焊接时，会因冷速加快而导致接头裂纹倾向增加。因此，在寒冷冬天焊接刚性大的结
38、构时，应当引起注意，焊缝有可能产生裂纹，焊接时应采取相应的工艺措施。焊前预热，焊接时保持道间温度。预热温度可根据实践经验和试验结果确定，不同产品的预热温度有所不同，见表2-4。上一页 下一页返回2.2 低碳钢的焊接 采用低氢或超低氢型焊接材料，使用前经过350400烘干1 h。定位焊时加大电流，减慢焊速，适当增大定位焊缝截面和长度，必要时适当预热。连续施焊整条焊缝，避免中断。在坡口内引弧，避免擦伤母材，注意熄弧时填满弧坑。不在低温下进行成形、矫正和装配。尽可能改善严寒的劳动条件。上一页 下一页返回2.2 低碳钢的焊接 焊后要注意缓冷，一般不需要消除应力回火。但Q235A、20R制作的压力容器，
39、当板厚大于38mm时，应将焊件均匀加热到550650 ，保温一段时间随炉均匀冷却至300400 ，再出炉空冷，进行消除应力处理。上述措施可单独使用，有时需要综合使用。上一页返回2.3 中碳钢的焊接 一、分析中碳钢的成分特点与焊接性 中碳钢C=0.25%0.60%。当C接近下限时，而锰含量不高时，焊接性良好。随C的增加，其强度和硬度提高，塑性和韧性变差，淬硬性加大，母材近缝区易产生低塑性的淬硬组织，在焊接应力的作用下容易产生冷裂纹和脆断;同时当母材熔化后进入焊缝区，使焊缝中的碳含量增加，易产生热裂纹和增加气孔的敏感性;另外在物理性能方面，中碳钢比低碳钢线膨胀系数略大，热导率稍低，这一也就增加了中
40、碳钢焊接时的热应力和过热倾向。下一页返回2.3 中碳钢的焊接 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，焊接时的主要问题是冷裂纹、热裂纹、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。因此，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，因此焊接时要注意母材的热处理状态。如果对已经过热处理的部件进行焊接，则必须采取措施防止裂纹产生;如果是焊后再进行热处理，而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。上一页 下一页返回2.3 中碳钢的
41、焊接 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。从焊接方法的特点上来讲，埋弧焊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，因为埋弧焊的热输入大、熔敷速度快、加热面积大、冷却速度慢，因此淬硬倾向小;如果焊剂经严格烘干、焊接区严格清理，则可获得含氢量很低的焊缝金属，这对焊接中、高碳钢是很有利的。上一页 下一页返回2.3 中碳钢的焊接 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
42、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490 MPa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 如果焊接时母材不允许预热，为了防止热影响区冷裂纹可选择奥氏体不锈钢焊条，以获得塑性好、抗裂能力强的奥氏体组织焊缝金属，用于焊接中碳钢的奥氏体不锈钢焊条有E308-15 (A107)、E308-16(A102)、E309-15 (A307)、E309-16(A302)、E310-15 (A407)和E310-16(A402)等。上一页 下一页返回2.3 中碳钢的焊接 对强度不做要求的中碳钢工具、模具等，一般是通过热处理来达到所要求的高硬度和高耐磨
43、性。需要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。上一页 下一页返回2.3 中碳钢的焊接 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
44、温度取决于碳当量、母材厚度、结构刚度和焊条类型等，见表2-5。中碳钢焊后应立即进行消除应力热处理，热处理温度一般为600650 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。有时进行后热，以便扩散氢逸出。上一页返回2.4 高碳钢的焊接 一、分析高碳钢的成分特点与焊接性 高碳钢中碳的质量分数C 0.6%,焊接性很差，在实际中不用做焊接结构，一般是用做工具钢和铸钢，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
45、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一也较大，更容易促使裂纹的产生。下一页返回2.4 高碳钢的焊接 二、高碳钢的焊接工艺要点 为了获得高硬度和耐磨性，高碳钢零件一般都经过热处理，常为淬火+回火，因此，焊接前应进行退火，可以减少裂纹倾向，焊后再进行热处理，以达到高硬度和耐磨要求。1.焊接方法 如前所述，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.
46、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。上一页 下一页返回2.4 高碳钢的焊接 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250 350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)焊后将焊件立即放人炉中，在650保温，进行消除应力热处理上一页返回图2-1 GB700-88对普诵碳素结构钢牌号的表示说明返回表2-1 各种专门用徐碳素
47、结构钢的化学成分下一页表2-1 各种专门用徐碳素结构钢的化学成分（续）返回表2-3 焊接低碳钢常用的焊接材料返回表2-4 不同结构低碳钢在各种气温下的预热温度返回表2-5 中碳钢焊接的焊条、预热温度及焊后热处理温度返回第3章 低合金结构钢的焊接 3.1 低合金结构钢的种类、性能与用途 3.2 热轧及正火钢的焊接工艺 3.3 低碳调质钢的焊接 3.4 中碳调质钢的焊接工艺 3.5 低合金耐蚀钢的焊接返回3.1 低合金结构钢的种类、性能与用途 一、低合金结构钢的分类与用途 用于焊接结构的大多是低合金钢，低合金结构钢具有良好的综合性能，经济效益显著，广泛应用于国民经济及国防建设的各个领域，是焊接结构
48、中用量最大的一类工程材料。低合金结构钢可根据用途、化学成分、合金系统和组织状态来分类。综合考虑它们的性能和用途后，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。下一页返回3.1 低合金结构钢的种类、性能与用途 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。近年来，通过提高冶炼技术和改进轧制设备、工艺以及控制手段，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)和焊接大线能量钢等，主要用在严寒地区输油管线、海上采油平台、大
49、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。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。主要应用的是其特殊性能，例如耐高温、耐低温和耐腐蚀等，合金元素的加入除为了获得通常所需的力学性能外，还应满足结构的特殊性能需要。按用途不同分为珠光体耐热钢、低温钢和低合金耐蚀钢。国内外常见的低合金结构钢的牌号见表3-1。上一页 下一页返回3.1 低合金结构钢的种类、性能与用途 二、低合金结构钢的合金成分与性能 1.合金元素的作用 低合金结构钢是在低碳钢基础上添加一定量的合金元素构成的。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
50、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。这些合金元素或者与Fe形成固溶体，或者形成碳化物(除Ti、Nb外)，都产生了延迟奥氏体分解的作用，也由此提高了钢材的淬硬倾向。各种合金元素对钢的力学性能和工艺性能的影响取决于它的含量和同时存在的其他元素的性质和含量。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。上一页 下一页返回3.1 低合金结构钢的种类、性能与用途 锰的固溶强化作用很明显，当 Mn 1.7%时，可提高韧性和降低脆性转变温度，如Q345 (16Mn)为典型的固溶强化钢，其屈服点为345 MPa、脆性转变
