金屬材料焊接工藝（第3 版）課件全套 姚佳 第1-7單元 金屬材料焊接性及其試驗方法-非鐵金屬材料及其焊接工藝

金屬材料焊接工藝

（第3版）緒論

第一單元金屬材料焊接性及其試驗方法第二單元非合金鋼（碳鋼）及其焊接工藝第三單元低合金鋼及其焊接工藝第四單元不銹鋼及其焊接工藝第五單元耐熱鋼及其焊接工藝第六單元鑄鐵及其焊接工藝第七單元非鐵金屬材料及其焊接工藝緒論

1焊接技術(shù)的發(fā)展及應用

2本課程的主要內(nèi)容返回主目錄第一單元

金屬材料焊接性及分析試驗方法模塊一金屬材料的焊接性模塊二金屬材料焊接性的評定內(nèi)容和試驗方法分類模塊三金屬材料焊接性評定與試驗【綜合訓練】模塊一金屬材料的焊接性一、金屬材料焊接性的概念金屬材料焊接性是指金屬材料在采用一定的焊接工藝（包括焊接方法、焊接材料、焊接規(guī)范及焊接結(jié)構(gòu)形式等）條件下，獲得優(yōu)良焊接接頭的難易程度。優(yōu)質(zhì)焊接接頭應具備的兩個條件：一是接頭中不允許存在超過質(zhì)量標準規(guī)定的缺陷；二是要具有預期的使用性能。金屬材料焊接性包括工藝焊接性和使用焊接性。1．工藝焊接性工藝焊接性是指金屬材料對各種焊接方法的適應能力，也就是在一定的焊接工藝條件下能否獲得符合要求的優(yōu)質(zhì)焊接接頭的能力。它不是金屬材料本身所固有的性能，但取決于金屬的成分和性能，并且隨著焊接方法、焊接材料和工藝措施的發(fā)展而變化。2．使用焊接性使用焊接性是指焊接接頭或整體結(jié)構(gòu)滿足技術(shù)條件中所規(guī)定的使用性能的能力。它取決于焊接結(jié)構(gòu)所滿足的技術(shù)條件規(guī)定的各種性能。二、金屬材料焊接性的影響因素材料因素工藝因素結(jié)構(gòu)因素使用條件常用金屬材料焊接難易程度見表1-1。表1-1常用金屬材料焊接難易程度金屬及合金焊條電弧焊埋弧焊CO2氣體保護焊氬弧焊電渣焊電子束焊氣焊電阻焊非合金鋼低碳鋼AAABAAAA中碳鋼AAABBAAA高碳鋼ABBBBAAD鑄鐵灰鑄鐵ADADBDBD低合金鋼錳鋼AAABBABD鉻釩鋼AAABBABD不銹鋼馬氏體型不銹鋼AABACABC鐵素體型不銹鋼AABACABA奧氏體型不銹鋼AAAACABA注：A--通常采用，B--有時采用，C--很少采用，D--不采用

表1-1常用金屬材料焊接難易程度（續(xù)）金屬及合金焊條電弧焊埋弧焊CO2氣體保護焊氬弧焊電渣焊電子束焊氣焊電阻焊非鐵金屬材料純鋁BDDADABA非熱處理強化鋁合金B(yǎng)DDADABA熱處理強化鋁合金B(yǎng)DDADABA鎂合金DDDADBCA鈦合金DDDADADA銅合金B(yǎng)DCADBBC注：A--通常采用，B--有時采用，C--很少采用，D--不采用

模塊二金屬材料焊接性的評定內(nèi)容和試驗方法分類一、金屬材料焊接性的評定內(nèi)容1．焊縫金屬抵抗熱裂紋的能力2．焊縫及熱影響區(qū)金屬抵抗冷裂紋的能力3．焊接接頭抵抗脆性斷裂的能力4．焊接接頭的使用性能二、金屬材料焊接性試驗方法分類（表1-3）表1-3金屬材料焊接性試驗方法種類工藝焊接性使用焊接性直接法焊接熱裂紋試驗焊接冷裂紋試驗消除應力裂紋試驗層狀撕裂試驗焊接氣孔敏感性試驗實際產(chǎn)品結(jié)構(gòu)運行的服役試驗壓力容器的爆破試驗間接法用碳當量推測焊接性裂紋敏感指數(shù)及臨界應力為判據(jù)連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖斷口分析及相組織分析焊接熱影響區(qū)最高硬度焊縫及接頭的常規(guī)力學性能試驗焊縫及接頭的低溫脆性試驗焊縫及接頭的斷裂韌性試驗焊縫及接頭高溫性能試驗焊縫及接頭耐蝕性、耐磨性及應力腐蝕開裂試驗模塊三

金屬材料焊接性評定與試驗一、金屬材料焊接性分析與評定方法1．碳當量法2．焊接冷裂紋敏感指數(shù)法3．利用金屬材料的物理性能分析4．利用金屬材料的化學性能分析5．利用合金相圖或SHCCT（CCT）圖分析1．碳當量法在鋼材所含有的各種元素中，碳對冷裂敏感性的影響最顯著，因此將鋼中各種元素都按相當于若干含碳量折合并疊加起來即為“碳當量”，并以此來判斷鋼材的淬硬傾向和冷裂敏感性，進而推斷鋼材的焊接性。目前應用的碳當量計算公式：國際焊接學會（IIW）推薦的CE、日本工業(yè)標準（JIS）規(guī)定和美國焊接學會推薦的Ceq。碳當量計算公式和應用范圍見表1-4

。表1-4碳當量計算公式和應用范圍碳當量計算公式適用范圍國際焊接學會（IIW）推薦CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15(%)中高強度的非調(diào)質(zhì)低合金高強度鋼wc≥0.18%σb=500～900Mpa日本工業(yè)標準（JIS）規(guī)定Ceq(JIS)=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14(%)調(diào)質(zhì)低合金高強度鋼Rm=500～1000MPa化學成分wc≤0.20%、wsi≤0.55%、wMn≤1.5%、wCu≤0.5%、wNi≤2.5%、wCr≤1.25%、wMo≤0.7%、wV≤0.1%、wB≤0.006%美國焊接學會（AWS）推薦Ceq(AWS)=C+Mn/6+Si/24+Ni/15+Cr/5+Mo/4+Cu/13+P/2(%)碳鋼和低合金高強鋼化學成分wc＜0.6%、wMn＜1.6%、wNi＜3.3%、wCr＜1.0%、wMo＜0.6%、wCu=0.5%～1%、wP=0.05%～0.15%使用國際焊接學會（IIW）推薦的CE：對板厚小于20mm的鋼材，當CE<0.4%時，鋼材的淬硬傾向不大，焊接性良好，焊前不需預熱；當CE=0.4～0.6%時，鋼材易于淬硬，焊接性較差，焊接時必須預熱才能防止裂紋，隨著板厚及碳當量的增加，預熱溫度也相應提高；當CE＞0.6%時，鋼材淬硬傾向很大，焊接性差，焊接時必須采用嚴格的工藝措施如預熱、后熱、緩冷等，以防止產(chǎn)生裂紋。

使用日本工業(yè)標準（JIS）規(guī)定的Ceq(JIS)：對板厚小于20mm的鋼材和采用焊條電弧焊時，對于強度等級不同鋼材規(guī)定了不產(chǎn)生裂紋的臨界值和相應的預熱措施，見表1-5

。表1-5鋼材強度級別與碳當量和預熱溫度的關(guān)系鋼材強度級別（σb/MPa）Ceq(JIS)（%）臨界值預熱溫度（℃）5000.46不預熱6000.52757000.521008000.62150使用美國焊接學會推薦的Ceq(AWS)：應根據(jù)Ceq(AWS)值再結(jié)合焊件厚度，先從圖1-1查出該鋼種焊接性的優(yōu)劣等級，再根據(jù)表1-6確定出其焊接的最佳工藝措施。

表1-6鋼材焊接性等級不同時的最佳焊接工藝措施焊接性等級酸性焊條堿性焊條消除應力Ⅰ（優(yōu)良）不需預熱不需預熱不需Ⅱ（較好）預熱40～100℃-10℃以上不預熱兩可Ⅲ（尚好）預熱150℃預熱40～100℃需要Ⅳ（尚可）預熱150～200℃預熱100℃需要圖1-1焊接性與碳當量和板厚的關(guān)系

2．焊接冷裂紋敏感指數(shù)法焊接冷裂紋敏感指數(shù)（Pcm）不僅包括了母材的化學成分，又考慮了熔敷金屬含氫量與拘束條件（板厚）的作用。斜Y形坡口焊接裂紋試驗的冷裂紋敏感指數(shù)公式：Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B+δ/600+［H］/60（%）根據(jù)Pcm值可以通過經(jīng)驗公式求出斜Y型坡口對接裂紋試驗條件下，為了防止冷裂紋所需要的最低預熱溫度T0（℃）為T0=1440Pcm

–3923．利用金屬材料的物理性能分析金屬材料的物理性能，對焊接熱循環(huán)、熔池冶金過程、結(jié)晶與相變過程等都有明顯的影響。熱導率大的材料（銅），傳熱快，焊接時熔池結(jié)晶速度快容易產(chǎn)生氣孔和熔透不足；而熱導率低的材料（鈦、不銹鋼），焊接時由于溫度梯度大會產(chǎn)生較大的應力及變形，而且還會因為高溫停留時間延長而導致焊縫金屬晶粒粗大。焊接線脹系數(shù)大的材料（如不銹鋼），接頭的應力和變形必然更嚴重；焊接密度小的材料（如鋁及其合金），則容易在焊縫中產(chǎn)生氣孔和夾雜。4．利用金屬材料的化學性能分析化學性質(zhì)比較活潑的金屬（如鋁、鎂、鈦及其合金），在焊接條件下極易被氧化。有些金屬材料甚至對氧、氮、氫等氣體都極為敏感，焊接這些材料時需要采取惰性氣體保護焊和在真空中焊接等保護可靠的焊接方法，有時甚至在焊縫背面也要進行保護。鈦對氧、氮、氫等氣體都極為敏感，吸收這些氣體后力學性能顯著降低，特別是韌性降低嚴重，因此要嚴格控制這些氣體對焊縫及熱影響區(qū)的影響。二、金屬材料焊接性試驗方法1、斜Y型坡口焊接裂紋試驗法2、焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗法3、插銷試驗法4、剛性固定對接裂紋試驗法1、斜Y型坡口焊接裂紋試驗法用于評定碳鋼和低合金高強度鋼焊接熱影響區(qū)對冷裂紋的敏感性。屬于自拘束裂紋試驗。（1）試件制備試件的尺寸和形狀如圖1-2所示，板厚為9～38mm，采用機械方法加工試件坡口，試板兩端各焊接60mm的拘束焊縫，采用雙面焊，試件中間待焊部位有2mm的間隙。圖1-2試件尺寸和形狀（2）施焊條件用焊條電弧焊施焊的試驗焊縫如圖1-3a所示，用自動送進裝置施焊的試驗焊縫如圖1-3b所示。試驗焊縫只焊一道，不要求填滿坡口，并可在不同溫度下施焊。焊后靜置和自然冷卻48h后截取試樣和進行裂紋檢測。焊接參數(shù)：焊條直徑4mm，焊接電流（170±10）A，電弧電壓（22～24）V，焊接速度（150±10）mm/min。圖1-3施焊時的焊縫示意圖a）焊條電弧焊試驗焊縫b）焊絲自動送進的試驗焊縫（3）裂紋檢測

1）表面裂紋率Cf

如圖1-4a所示，按下式計算Cf=∑lf/L×100%

2）根部裂紋率Cr

檢測根部裂紋時，應將試件著色后拉斷或折斷，按圖1-4b進行根部裂紋測量。按下式計算

Cr=∑lr/L×100%

3）斷面裂紋率Cs

在試驗焊縫上，用機械加工方法等分切取4～6塊試樣，如圖1-4c所示，檢查5個斷面上的裂紋深度，按下式計算Cs=∑Hs/∑H×100%圖1-4試樣裂紋長度計算a）表面裂紋b）根部裂紋c）斷面裂紋2、焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗法試件號試件長度L試件寬度B焊縫長度l1號試件20075125±102號試件200150125±10試驗標準GB/T

4340.1—2009《金屬材料維氏硬度試驗》。試板尺寸和形狀如圖1-5和表1-7所示，試板采用氣割下料，試驗標準厚度為20mm，當材料厚度超過20mm時須用機加工成20mm，并保留一個軋制表面；當材料厚度小于20mm時則無須加工。表1-7熱影響區(qū)最高硬度試件尺寸圖1-5熱影響區(qū)最高硬度試板試樣表面經(jīng)研磨、腐蝕后，按圖1-6位置測量硬度。圖1-6硬度測量的位置鋼種Pcm(%)CE(IIW)(%)HVmax非調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì)非調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì)非調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì)Q3900.2413-0.3993-400-Q4200.3091-0.4943-410380(正火)一般用于焊接結(jié)構(gòu)的鋼材都應提供其最高硬度值，常用的低合金結(jié)構(gòu)鋼允許的熱影響區(qū)最高硬度值見表1-8。表1-8常用低合金鋼的碳當量及允許的熱影響區(qū)最大硬度3、插銷試驗法插銷試驗法是一種定量測定低合金鋼焊接熱影響區(qū)冷裂紋敏感性的試驗方法，屬于外拘束裂紋試驗法。該試驗方法消耗材料少，結(jié)果穩(wěn)定可靠，因此在國內(nèi)外得到廣泛應用。插銷試驗的基本原理是根據(jù)產(chǎn)生冷裂紋的三要素（即鋼的淬硬傾向、焊縫含氫量及接頭的應力狀態(tài)），定量測出被焊鋼材產(chǎn)生焊接冷裂紋的“臨界應力”作為冷裂紋敏感性的評定指標。（1）試樣制備把被焊鋼材加工成直徑為φ8mm或φ6mm的圓柱形試棒（稱為插銷），形狀和尺寸如圖1-7所示，各部位尺寸見表1-9，插銷上端有環(huán)形或螺旋形缺口。將插銷插入底板直徑相應的孔中，使帶缺口一端與底板表面平齊，如圖1-8所示。圖1-7插銷試棒的形狀a）環(huán)形缺口插銷b）螺形缺口插銷圖1-8插銷試棒、底板及熔敷焊道a）環(huán)形缺口插銷b）螺形缺口插銷（2）試驗過程按選定的焊接方法和嚴格控制的工藝參數(shù)，在底板上熔敷焊道，盡量使焊道中心線通過插銷的端面中心，其熔深應保證缺口尖端位于熱影響區(qū)的粗晶部位，焊道長度約100～150mm。在焊后冷卻至100～150℃時（有預熱時應在冷至高出預熱溫度50～70℃）加載，當保持載荷16h或24h（有預熱）期間試棒發(fā)生斷裂，即得到該試驗條件下的“臨界應力”；如果在保持載荷期間未發(fā)生斷裂，應調(diào)整載荷直至發(fā)生斷裂。改變含氫量、焊接熱輸入和預熱溫度，可得到不同的臨界應力。臨界應力越小，說明材料對冷裂紋越敏感。（3）插銷試驗特點：1）試件尺寸小，底板與插銷材料可以不同，且底板可重復使用，因此試驗消耗材料少。2）調(diào)整焊接熱輸入和底板厚度可得到不同的接頭冷卻速度。3）插銷可從被試驗材料任意方向截取，還方便從全熔敷金屬中取樣來測定焊縫金屬對冷裂紋的敏感性。4）試驗要求環(huán)形缺口必須位于焊縫的粗晶區(qū)，要求較嚴格。5）環(huán)形缺口整個圓周溫度不十分均勻，影響試驗結(jié)果的準確性，造成數(shù)據(jù)分散，再現(xiàn)性不是很好。4、剛性固定對接裂紋試驗法該方法主要用于測定焊縫的冷裂紋和熱裂紋傾向，也可以測定焊接熱影響區(qū)的冷裂紋傾向，適用于低合金鋼焊條電弧焊、埋弧焊和氣體保護焊等。試件尺寸和形狀如圖1-10所示，試件在不小于厚度為40mm的鋼板上以角焊縫形式四周焊接牢固。當試件板厚≤12mm時，取焊角尺寸與板厚相等；當板厚＞12mm時，焊角尺寸取12mm。試件坡口由機械方法加工。圖1-10剛性固定對接裂紋試驗試件尺寸和形狀1-試件2-剛性底板試驗焊縫可用手工焊或自動焊方法焊接，焊接參數(shù)可采用實際焊接時的參數(shù)。焊后將試件在室溫放置24h，先檢查焊縫有無表面裂紋；再橫向切取焊縫，取2塊試樣磨片檢查有無裂紋。該試驗焊縫所受到的拘束度較大，評定標準是以試驗結(jié)果有無裂紋為依據(jù)，一般要求每種焊接條件下需焊接2塊試樣。課后習題

一．簡答題：1、什么是金屬材料的焊接性？工藝焊接性與使用焊接性有什么不同？2、金屬材料的焊接性是否屬于金屬材料的固有性能？“凡是能夠獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的金屬，焊接性都很好”這種說法對嗎？為什么？3、什么是碳當量？如何利用碳當量法評定金屬的焊接性？它的使用范圍如何？4、為什么熱影響區(qū)的最高硬度可以說明金屬材料對冷裂紋的敏感性？二．選擇題（焊工等級考試模擬題）：1、()不是影響焊接性的因素。A、金屬材料的種類及其化學成分B、焊接方法C、構(gòu)件類型D、焊接操作技術(shù)2、碳當量()時，鋼的淬硬冷裂傾向不大，焊接性優(yōu)良。A、小于0.40％B、小于0.50％C、小于0.60％D、小于0.80％3、國際焊接學會的碳當量計算公式只考慮了()對焊接性的影響，而沒有考慮其他因素對焊接性的影響。A、焊縫擴散氫含最B、焊接方法C、構(gòu)件類型D、化學成分4、國際焊接學會推薦的碳當量計算公式適用于（）。A、高合金鋼

B、奧氏體型不銹鋼C、耐磨鋼

D、碳鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼第二單元

非合金鋼（碳鋼）及其焊接工藝模塊一非合金鋼與鋼材分類方法

模塊二低碳鋼的焊接

模塊三中碳鋼的焊接

模塊四高碳鋼的焊接綜合訓練模塊一非合金鋼與鋼材分類方法

一、鋼材分類GB/T13304—2008《鋼分類》將鋼材按兩種方式進行分類：一種是按化學成分分類，另一種是按主要質(zhì)量等級、主要性能及使用特性分類。1．按化學成分分類按化學成分鋼分類為：非合金鋼、低合金鋼和合金鋼三類。非合金鋼按質(zhì)量等級又分為普通質(zhì)量、優(yōu)質(zhì)和特殊質(zhì)量用鋼三類，其中每一類又按主要特性分為若干小類?！胺呛辖痄摗笔侵競鹘y(tǒng)的“碳素鋼”或“碳鋼”，具有較好的力學性能和各種工藝性能，并且冶煉工藝比較簡單，價格低廉，因而在焊接結(jié)構(gòu)制造中應用廣泛，但一般用于工作溫度在350℃以下的結(jié)構(gòu)。2．按主要質(zhì)量等級和主要性能或使用性能分類按主要質(zhì)量等級和主要性能或使用性能分類為：普通質(zhì)量非合金鋼、優(yōu)質(zhì)非合金鋼和特殊質(zhì)量非合金鋼。3．按用途分類按用途非合金鋼分為：碳素結(jié)構(gòu)鋼和碳素工具鋼。此外，鋼材還可以從其他角度進行分類，如按專業(yè)（鍋爐用鋼、橋梁用鋼、容器用鋼等）、按冶煉方法進行分類。二、非合金鋼非合金鋼（碳鋼）按碳的質(zhì)量分數(shù)可分為低碳鋼（wc＜0.25%）、中碳鋼（wc=0.25%～0.60%）和高碳鋼（wc＞0.60%）；按用途可分為結(jié)構(gòu)鋼和工具鋼。在焊接結(jié)構(gòu)用非合金鋼中，常采用按碳的質(zhì)量分數(shù)分類的方法。非合金鋼（碳鋼）是指以鐵為基礎、以碳為合金元素，碳的質(zhì)量分數(shù)一般不超過1.4%的鋼，其他常存元素因含量較低皆不作為合金元素。因此其焊接性主要取決于碳的質(zhì)量分數(shù)，隨碳的質(zhì)量分數(shù)的增加焊接性逐漸變差，見表2-1。鋼的種類碳的質(zhì)量分數(shù)（%）典型硬度典型用途焊接性低碳鋼≤0.1560HBW特殊板材和型材、薄板、帶材、焊絲優(yōu)0.15～0.2590HBW結(jié)構(gòu)用型材、板材和棒材良中碳鋼0.25～0.6025HRC機器部件和工具中（通常需要預熱和后熱、推薦低氫焊接）高碳鋼≥0.6040HRC彈簧、模具、鋼軌劣（必須用低氫焊接、預熱和后熱）表2-1非合金鋼焊接性與碳的質(zhì)量分數(shù)的關(guān)系模塊二低碳鋼的焊接

一、低碳鋼的成分特點與焊接性成分特點：碳的質(zhì)量分數(shù)較低，硅、錳含量較少。焊接性優(yōu)良焊接時一般不需預熱、控制道間溫度和后熱，焊后也不必采取熱處理來改善組織，可以說在整個焊接過程中不需要特殊的工藝措施。焊接時具有以下特點：1）可裝配成各種接頭形式，適應各種不同位置的焊接，且焊接工藝和技術(shù)較簡單，容易掌握。2）塑性好，焊接接頭產(chǎn)生裂紋的傾向小，適合制造各種大型結(jié)構(gòu)和受壓容器。3）不需要使用特殊和復雜的設備，對焊接電源和焊接材料沒有特殊要求，交直流焊機、酸堿性焊條和焊劑都可以使用。4）如果焊接時熱輸入過大，例如焊條直徑或焊接電流選擇不當、埋弧焊電流或焊速不當，也可能出現(xiàn)熱影響區(qū)晶粒長大而引起塑性降低。二低碳鋼的焊接工藝要點1．焊接方法低碳鋼焊接性良好，幾乎可以選擇所有的焊接方法，并能保證焊接接頭的良好質(zhì)量。2．焊接材料選擇焊接材料應遵循等強匹配的原則，也就是根據(jù)母材強度等級及工作條件來選擇焊接材料。低碳鋼結(jié)構(gòu)通常使用抗拉強度平均值為420MPa的鋼材，因而常選用E43××系列焊條。表2-2列出了焊接低碳鋼常用的焊接材料。表2-2焊接低碳鋼常用的焊接材料鋼號焊條電弧焊埋弧焊CO2焊一般結(jié)構(gòu)焊接動載荷、復雜與厚板結(jié)構(gòu)、重要受壓容器和低溫下焊接焊絲牌號焊劑牌號Q235Q255E4303、E4313、E4301、E4320、E4311E4315、E4316(E5015、E5016)H08AHJ430HJ431H08Mn2SiH08Mn2SiAQ275E5015、E5016E5015、E5016H08MnA08、1015、20E4303、E4301E4320、E4311E4315、E4316(E5015、E5016)H08AH08MnAHJ430HJ431HJ33025、30E4315、E4316E5015、E5016H08MnA、H10MnA20gE4303、E4301E4315、E4316(E5015、E5016)H08MnAH08MnSi、H10Mn220RE4303、E4301E4315、E4316(E5015、E5016)H08MnA3．低碳鋼施焊工藝要點低碳鋼焊接一般不需要特殊的工藝措施，但在工件厚度較大或環(huán)境溫度較低（T≤0℃）時，會因冷速加快而導致接頭裂紋傾向增加，例如在焊接直徑Φ≥3000mm且壁厚δ≥50mm的結(jié)構(gòu)、焊接壁厚δ≥90mm的第一層焊道、受壓容器壁厚δ≥20mm時的焊縫有可能產(chǎn)生裂紋。因此焊接時應采取如下工藝措施：1）焊前預熱，焊接時保持道間溫度。2）采用低氫或超低氫型焊接材料。3）連續(xù)施焊整條焊縫，避免中斷。4）在坡口內(nèi)引弧，避免擦傷母材，注意熄弧時填滿弧坑。5）不在低溫下進行成形、矯正和裝配。6）盡可能改善嚴寒的勞動條件。上述措施可單獨使用有時需要綜合使用。模塊三中碳鋼的焊接

一、中碳鋼的成分特點與焊接性中碳鋼中碳的質(zhì)量分數(shù)為wc=0.25%～0.60%，其強度和硬度較高，塑性和韌性較差，淬硬性較大，當wc接近下限時焊接性良好，隨wc的增加焊接性嚴重惡化。同時在物理性能方面，中碳鋼比低碳鋼線膨脹系數(shù)略大，熱導率稍低，這也就增加了中碳鋼焊接時的熱應力和過熱傾向。當鋼中碳的質(zhì)量分數(shù)大于0.15%時，碳本身的偏析以及它促進硫等其它元素的偏析都明顯起來，如果鋼中的硫較多，則會因形成低熔點硫化物而導致熱裂紋傾向增加，因此用于焊接的中碳鋼必須嚴格控制硫的質(zhì)量分數(shù)；其次，由于碳的質(zhì)量分數(shù)較大，在焊接冶金反應中，C和FeO反應生成的CO有可能產(chǎn)生CO氣孔；第三，碳的增加提高了鋼材的淬硬性，焊接時如果冷速較快則會在熱影響區(qū)產(chǎn)生馬氏體組織，且中碳鋼的馬氏體組織有較大的脆性，因此在焊接應力作用下容易發(fā)生冷裂紋和脆斷。中碳鋼的焊接性較差，且隨碳的質(zhì)量分數(shù)增加而越來越差，焊接時的主要問題是熱裂紋、冷裂紋、氣孔和脆斷，有時還會存在熱影響區(qū)強度降低，鋼中雜質(zhì)越多、結(jié)構(gòu)剛性越大，問題就越嚴重。中碳鋼一般不用作焊接結(jié)構(gòu)材料，而是用作機器部件和工具較多，多利用其堅硬耐磨的性能，而非利用其高強度。這種堅硬耐磨性能通常是經(jīng)過熱處理來達到的，因此焊接時就要注意母材的熱處理狀態(tài)。如果是焊接已經(jīng)過熱處理的部件，則必須采取措施防止裂紋產(chǎn)生；如果是焊后進行熱處理，要求熱處理后接頭與母材性能相匹配，則必須注意選擇焊接材料。

二、中碳鋼的焊接工藝要點1．焊接方法中碳鋼焊接性較差，一般用作機器部件，其焊接一般是修補性的，所以焊接中碳鋼最合適的焊接方法是焊條電弧焊。2．焊接材料一般情況下選用去硫能力強，熔敷金屬擴散氫含量低，塑、韌性較好的低氫型焊條；在要求焊縫金屬與母材等強度時，選相應級別的低氫焊條；在不要求等強度時，選用強度級別低于母材的低氫焊條，例如焊接強度級別為490MPa的母材，可選擇E4315、E4316焊條，切不可選擇強度級別比母材高的焊條。對強度不做要求的中碳鋼工具、模具等，焊接時要考慮其焊前狀態(tài)：如果是在退火狀態(tài)下（熱處理前）焊接，選用焊條則必須要使焊縫金屬與母材化學成分接近，以使焊后經(jīng)熱處理的焊縫金屬達到與母材性能相同；如果是在熱處理后的部件上焊接，則要選擇低氫焊條，并采取相應的工藝措施，以防止裂紋和熱影響區(qū)軟化。

3．坡口制備中碳鋼焊接時為了限制焊縫金屬中碳的質(zhì)量分數(shù)，應減小熔合比，所以一般采用U形或V形坡口，并注意將坡口及兩側(cè)20mm范圍內(nèi)的油污、鐵銹等污物清理干凈。4．預熱與后熱中碳鋼焊接時大多需要預熱和控制道間溫度，以降低焊縫金屬和熱影響區(qū)的冷卻速度，抑制馬氏體的形成，提高接頭的塑性，減小殘余應力。預熱溫度取決于碳當量、母材厚度、結(jié)構(gòu)剛度和焊條類型等，見表2-4。中碳鋼焊后應立即進行消除應力熱處理，不能立即進行熱處理的，也應至少在冷卻到預熱溫度或道間溫度之前進行，特別是在工件厚度和結(jié)構(gòu)剛度較大時更應如此。熱處理溫度一般為600～650℃。表2-6焊接中碳鋼的焊條、預熱溫度

及焊后熱處理溫度鋼牌號焊接性選用焊條牌號預熱溫度/℃焊后熱處理溫度/℃不要求等強度要求等強度25好E4303、E4301E5015、E5016＞50600～65030較好E4315、E4316E5015、E5016＞10035ZG270-500較好E4303、E4301E4315、E4316E5015、E5016＞15045ZG310-570較差E4303、E4301、E4315、E4316、E5015、E5016E5015、E5016＞25055ZG340-640較差E4303、E4301、E4315、E4316、E5015、E5016E5015、E5016--5．施焊特點中碳鋼焊接時，尤其是在不預熱的情況下焊接，應采取工藝措施減小熔深，降低冷卻速度，防止產(chǎn)生裂紋。例如，選U形坡口減小熔合比；多層焊第一層焊道采用小直徑焊條、小電流焊接；將焊件置于立焊或半立焊位置、焊條橫向擺動（擺動幅度取焊條直徑的5～8倍，這樣就相當于短段連續(xù)多道多層焊），以使母材熱影響區(qū)的任何一點都在短時間內(nèi)多次重復受熱以取得預熱和保溫效果。三、中碳鋼焊接生產(chǎn)案例焊條電弧焊焊接法蘭長軸法蘭長軸的主要尺寸見圖2-1，材料為35鋼。采用焊條電弧焊焊接，選用E5015低氫型焊條，焊前經(jīng)300～350℃烘干保溫1h；焊件仔細清理坡口兩側(cè)20mm范圍內(nèi)的油污、鐵銹等雜質(zhì)；焊件水平放置，焊縫處于立焊位置，預熱150～200℃，焊固定焊縫4～5段，每段長50mm；圓周焊縫分成6段或4段，分段跳焊以減小應力和變形，第一道焊縫焊速要稍慢，熄弧時注意填滿弧坑。

圖2-1焊接法蘭長軸模塊四高碳鋼的焊接

一、高碳鋼的成分特點與焊接性高碳鋼中碳的質(zhì)量分數(shù)大于0.6%，焊接性很差，在實際中不用作焊接結(jié)構(gòu)，一般是用作工具鋼和鑄鋼，用于要求高硬度和高耐磨性的部件、零件和工具，所以高碳鋼的焊接大多為修復性焊接。其特點如下：1）由于碳的質(zhì)量分數(shù)更大，因此焊接時比中碳鋼更容易產(chǎn)生熱裂紋；2）高碳鋼對淬火更加敏感，焊接時熱影響區(qū)極易產(chǎn)生脆硬的高碳馬氏體組織，所以淬硬傾向和冷裂紋傾向都很大；3）高碳鋼導熱性比低碳鋼差，在焊接高溫下晶粒長大快，且碳化物容易在晶界上集聚、長大，使焊縫脆性增大，從而使接頭強度降低；同時在接頭中引起的內(nèi)應力也較大，更容易促使裂紋的產(chǎn)生。二、高碳鋼的焊接工藝要點1．焊接方法高碳鋼焊接主要是高硬度、高耐磨性部件、零件和工具的焊接與修復，所以主要的焊接方法是焊條電弧焊和釬焊。2．焊接材料高碳鋼焊接一般不要求接頭與母材等強度。焊接材料根據(jù)鋼中碳的質(zhì)量分數(shù)、結(jié)構(gòu)特點和使用條件來選擇。高碳鋼的抗拉強度一般在675MPa以上，當要求接頭強度較高時可選擇E7015-D2（J707）或E6015-D2（J607）焊條；強度要求不高時可選擇E5015（J507）或E5016（J506）焊條；或者選擇與以上焊條強度等級相當?shù)牡蜌湫偷秃辖痄摵笚l；必要時可選用奧氏體型不銹鋼焊條，牌號與中碳鋼所選焊條相同。3．施焊工藝要點1）高碳鋼零件一般經(jīng)過淬火+回火的熱處理，因此焊接之前要先行退火，以減小裂紋傾向。2）采用結(jié)構(gòu)鋼焊條焊接時，焊前必須預熱，預熱和道間溫度控制在250～350℃以上。3）采取與中碳鋼相同的焊接工藝措施，如減小熔合比、小電流、低焊速焊接，整個工件應連續(xù)施焊完成，并采取措施減小內(nèi)應力。4）焊后將焊件立即放入爐中，在650℃保溫，進行消除應力熱處理。三、高碳鋼焊接生產(chǎn)案例1．刀具釬焊在機加工中使用的車刀、刨刀等很多刀具是由刀頭和刀體焊接而成的。刀頭一般是碳素工具鋼，其中wc=0.8%～1.4%，屬于高碳鋼；刀體一般由wc=0.4%～0.6%的中碳鋼或低合金鋼（40Cr）制造。如圖2-2所示為刀頭和刀體的火焰釬焊圖2-2火焰釬焊刀具2．鋼索對接某鋼索斜拉橋（圖2-3）的鋼索直徑為146mm，是由許多根直徑為7mm的80優(yōu)質(zhì)高碳鋼絲擰絞而成，每根鋼索都很長，安裝時要求拉緊鋼索，因此要求事先在鋼索端頭對接上一個高碳鋼拉緊接頭。焊接采用焊條電弧焊，選用強度級別比鋼索低的焊條，預熱溫度和道間溫度不低于350℃，焊后采取緩冷措施。圖2-3鋼索斜拉橋課后習題：一、簡答題1．什么是碳鋼？碳鋼是如何進行分類的？2．“低碳鋼焊接性良好”的說法有無不妥之處？選用焊接方法與焊接材料的原則是什么？3．低碳鋼在低溫條件下焊接時的工藝要點是什么？4．板厚為18mm、材質(zhì)為20g的鋼板對接，在環(huán)境溫度-20℃條件下施工，采用埋弧焊進行焊接，試制定其焊接工藝。5．為何中碳鋼在制造機器零件中應用普遍，而在焊接結(jié)構(gòu)中仍盡量不用?6．中碳鋼焊接時可能會出現(xiàn)哪些問題？應如何解決？7．中碳鋼焊接時，選擇焊接材料的原則是什么？焊接工藝要點是什么？8．高碳鋼焊接主要應用于哪些范圍？焊接時應注意哪些問題？二、選擇題（焊工等級考試模擬題）1．根據(jù)GB/Tl591-94規(guī)定，()牌號由代表屈服點的字母“Q”、屈服點數(shù)值和質(zhì)量等級符號(A、B、C、D、E、)三部分按順序排列。A、碳素結(jié)構(gòu)鋼B、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼C、合金結(jié)構(gòu)鋼D、低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼2．在高溫、高壓蒸汽的運行條件下，碳鋼的最高工作溫度為()℃。A、350B、450C、550D、6503．()中除含有鐵、碳元素外，還有少量的硅、錳、硫、磷等雜質(zhì)。A、鉬鋼B、鉻鋼C、鎳鋼D、碳鋼4．高碳鋼中，碳的質(zhì)量分數(shù)為()。A、>0．90％B、>0．80％C、>0．70％D、>0．60％5．低碳鋼Q235鋼板對接時，焊條應選用()。A、E7015B、E6015C、E5515D、E43036．Q235鋼C02氣體保護焊時，焊絲應選用()。A、H10Mn2MoAB、H08MnMoAC、H08CrMoVAD、H08Mn2SiA三、判斷題（焊工等級考試模擬題）1．低碳鋼的高溫組織為珠光體加鐵素體。2．碳鋼中除含有鐵、碳元素外，還有少量的鉻、鉬、硫、磷等雜質(zhì)。3．冷軋低碳鋼焊接熱影響區(qū)由過熱區(qū)、正火區(qū)和部分相變區(qū)三部分組成。4．中碳鋼不用作焊接結(jié)構(gòu)的原因是其強度過高。5．高碳鋼焊接性差因而不能進行焊接。6．低碳鋼和中碳鋼選擇焊接材料都應遵循等強匹配的原則。返回主目錄第三單元

低合金鋼及其焊接工藝模塊一低合金鋼概述

模塊二熱軋及正火鋼的焊接模塊三低碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接

模塊四中碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接

模塊五低溫鋼的焊接

綜合訓練模塊一低合金鋼概述

一、低合金鋼中的合金元素低合金鋼是指在非合金鋼的基礎上添加了少量的合金元素的鋼，其添加合金元素的種類和規(guī)定含量界限值見表3-1。當?shù)秃辖痄撏瑫r含有Cr、Cu、Mo、Ni四種元素的兩種、三種或四種元素時，所有這些元素的含量總和應不大于表3-1中規(guī)定的兩種、三種或四種元素中每種元素最高界限值總和的70%。如果這些元素的規(guī)定含量總和大于表3-1中規(guī)定的兩種、三種或四種元素中每種元素最高界限值總和的70%，即使每種元素的含量低于規(guī)定的最高界限值，也應劃入合金鋼，而不能劃入低合金鋼。二、低合金鋼的分類按照國標GB/T13304.2—2008《鋼分類

第2部分：按主要質(zhì)量等級和主要性能或使用特性的分類》中，低合金鋼按主要質(zhì)量等級分為普通質(zhì)量低合金鋼、優(yōu)質(zhì)低合金鋼和特殊質(zhì)量低合金鋼；按主要性能或使用性能分為可焊接的低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼、低合金耐候鋼、低合金混凝土用鋼及預應力用鋼、鐵道用低合金鋼、礦用低合金鋼、其他低合金鋼，如焊接用鋼。常用來制造焊接結(jié)構(gòu)低合金鋼有低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼和專用鋼。低合金高強度鋼按鋼的屈服強度級別和熱處理狀態(tài)，可分為熱軋及正火鋼、低碳調(diào)質(zhì)鋼和中碳調(diào)質(zhì)鋼；專用鋼按用途不同分為低溫鋼和耐熱鋼等。

三、低合金高強度鋼的牌號表示方法依據(jù)GB/T1591-2018《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》，低合金高強度鋼的牌號由代表上屈服強度的“屈”字的漢語拼音首字母Q、規(guī)定最小上屈服強度數(shù)值、交貨狀態(tài)代號、質(zhì)量等級符號（B、C、D、E、F）四個部分組成。例：Q355NDQ——鋼的上屈服強度的“屈”字的漢語拼音首字母；355——規(guī)定最小上屈服強度數(shù)值，單位為兆帕（MPa）；N——交貨狀態(tài)為正火或正火軋制；D——質(zhì)量等級為D級。四、低合金高強度鋼常見的交貨狀態(tài)交貨狀態(tài)是指交貨鋼材的最終變形或最終熱處理狀態(tài)。低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的交貨狀態(tài)按軋制及熱處理工藝可分為熱軋、正火/正火軋制和熱機械軋制等。1、熱軋2、正火/正火軋制3、熱機械軋制五、低合金高強度鋼的性能及應用把鋼錠加熱到1300℃左右，經(jīng)熱軋成板材，然后空冷成為熱軋鋼；鋼板軋制和冷卻后，經(jīng)900℃正火即成為正火鋼；鋼板經(jīng)900℃加熱后水淬，再經(jīng)600℃回火處理即成為調(diào)制鋼。另外還可以采用控制鋼板溫度和軋制工藝獲得高強度高韌性的控軋鋼。1、熱軋及正火鋼屈服點為295～490MPa，在熱軋或正火狀態(tài)下使用，屬于非熱處理強化鋼，包括微合金化控軋鋼、焊接無裂紋鋼和抗層狀撕裂鋼，盡管采用了不同的冶煉和控軋技術(shù)，但從本質(zhì)上講它們都屬于正火鋼。這類鋼廣泛應用于常溫下工作的各種焊接結(jié)構(gòu)，如壓力容器、動力設備、工程機械、橋梁、建筑結(jié)構(gòu)和管線等。

2、低碳調(diào)質(zhì)鋼屈服點為490～980MPa，在調(diào)質(zhì)（淬火+高溫回火）狀態(tài)下供貨使用，屬于熱處理強化鋼。其特點是含碳量較低（碳的質(zhì)量分數(shù)一般低于0.22%）、合金元素總量低于5%，既有高的強度，又有良好的塑性和韌性，可以直接在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下進行焊接，焊后也不需進行調(diào)質(zhì)處理。這類鋼在焊接結(jié)構(gòu)中也得到越來越廣泛的應用，主要用于大型機械工程、壓力容器及艦船等。

3、中碳調(diào)質(zhì)鋼屈服點一般在880～1176MPa或以上，鋼中含碳量比低碳調(diào)質(zhì)鋼高（碳的質(zhì)量分數(shù)為0.25%～0.5%），也屬于熱處理強化鋼。其淬硬性比低碳調(diào)質(zhì)鋼高很多，具有很高的強度和硬度，但韌性較低，給焊接帶來很大的困難，因此一般是在退火狀態(tài)下焊接，焊后再進行整體熱處理來達到所要求的強度和硬度。這類鋼主要用于強度要求很高的產(chǎn)品或部件，如飛機起落架、火箭發(fā)動機殼體等。模塊二熱軋及正火鋼的焊接一、熱軋及正火鋼的成分和性能1．熱軋鋼屈服點為295～390MPa的鋼大都屬于熱軋鋼，合金系統(tǒng)為C-Mn或C-Mn-Si系，其強度是靠Mn、Si的固溶強化作用來保證。在低碳條件下，wMn≤1.6%、wSi≤0.6%，可以保持鋼具有較高的塑性和韌性，超出這一范圍后，塑、韌性明顯惡化。因此合金元素的用量和鋼的強度水平都受到限制。熱軋鋼的綜合力學性能和加工工藝性能都較好，且冶煉工藝簡單、價格較低，因此在國內(nèi)外得到廣泛應用。Q355是我國1957年研制生產(chǎn)和應用最廣泛的熱軋鋼，用于南京長江大橋和我國第一艘萬噸運洋貨輪。熱軋鋼的組織為鐵素體+珠光體，當板厚較大時，可以要求在正火條件下供貨，經(jīng)正火處理可使鋼的化學成分均勻化，塑性、韌性提高，但強度略有下降。2．正火鋼當要求鋼的屈服點大于390MPa時，必須在固溶強化的同時加強合金元素的沉淀強化作用。正火鋼是在固溶強化的基礎上，加入碳、氮化物（V、Ti、Nb和Mo等）形成元素，通過沉淀強化和細晶強化來進一步提高鋼的強度和保證韌性。正火處理的目的是促使碳化物和氮化物質(zhì)點從固溶體中沉淀析出并同時細化晶粒。3．微合金控軋鋼加入質(zhì)量分數(shù)為0.1%左右對鋼的組織性能有顯著或特殊影響的微量合金元素的鋼，稱為微合金鋼。多種微合金元素的共同作用稱為多元微合金化。微合金控軋鋼采用微合金化和控制軋制等技術(shù)，達到細化晶粒和沉淀強化相結(jié)合的效果，同時從冶煉工藝上采取降碳、降硫，改變夾雜物形態(tài)，提高鋼的純凈度等措施，使鋼材具有細晶組織。具有高強度、高韌性和良好的焊接性等優(yōu)點，是熱軋及正火鋼的一個新分支，是近年發(fā)展起來的一類新鋼種。主要用于石油和天然氣的輸送管線，如X60、X65和X70等管線鋼。二、

熱軋及正火鋼的焊接性熱軋及正火鋼中碳和合金元素的含量都較低，焊接性總體來看較好，但隨合金元素含量的增加，焊接性變差。焊接時需要注意的問題是焊接裂紋和熱影響區(qū)性能變化。1、焊接裂紋（1）焊接冷裂紋在產(chǎn)生冷裂紋的三要素淬硬組織、拘束度和擴散氫含量中，淬硬組織和材料有關(guān)，因此鋼材的淬硬傾向可以作為判斷冷裂紋敏感性的標準之一。而淬硬傾向又可以通過碳當量、Pcm、熱影響區(qū)最高硬度等來判斷。例如鋼材碳當量越大，冷裂紋敏感性也越大，利用國際焊接學會推薦的碳當量計算公式計算CE值。一般認為，CE＜0.4%時，鋼材在焊接過程中基本無淬硬傾向，冷裂敏感性小。屈服點為295～390MPa熱軋鋼的碳當量一般都小于0.4%，焊接性良好，除大厚度鋼板和在環(huán)境溫度很低等情況下焊接外，一般不需預熱和嚴格控制焊接熱輸入。碳當量CE=0.4%～0.6%時，鋼的淬硬傾向逐漸增加，屬于有淬硬傾向的鋼，對冷裂紋比較敏感。屈服點為440～490MPa的正火鋼基本屬于這一范圍，其中碳當量不超過0.5%時，淬硬傾向不太嚴重，焊接性尚好，在板厚較大（δ≥25mm）時需要采取預熱措施。（2）焊接熱裂紋熱軋及正火鋼含碳量都較低，而含Mn量較高，Mn/S的比值可以達到防止結(jié)晶裂紋的要求，具有較好的抗熱裂紋能力，在母材化學成分正常，焊接材料和焊接參數(shù)選擇正確的情況下，一般不會產(chǎn)生熱裂紋。但在個別情況下，例如母材中的碳與硫同時居上限或嚴重偏析，則有可能產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。反之，如果焊接時焊縫產(chǎn)生結(jié)晶裂紋，則是由母材中的碳與硫的不正常造成的，這時就要從工藝上設法減小熔合比，選用碳含量少、Mn含量高的焊接材料，以降低焊縫中的碳和提高焊縫中的Mn，可以達到消除結(jié)晶裂紋的目的。（3）消除應力裂紋（再熱裂紋）含有Mo、Cr元素的鋼在焊后消除應力熱處理或焊后再次高溫加熱（包括長期高溫下使用）過程中，可能出現(xiàn)裂紋，即消除應力裂紋，也稱再熱裂紋。一般產(chǎn)生在熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，裂紋沿熔合線方向斷續(xù)分布。該裂紋的產(chǎn)生一般須有較大的焊接殘余應力，因此在拘束度大的厚大工件中或應力集中部位更易于出現(xiàn)消除應力裂紋。在熱軋及正火鋼中，18MnMoNb和14MnMoV有輕微的消除應力裂紋傾向，可采取提高預熱溫度或焊后立即熱處理等措施來防止消除應力裂紋的產(chǎn)生。（4）層狀撕裂層狀撕裂主要與鋼的冶煉軋制質(zhì)量、板厚、接頭形式和Z向應力有關(guān)，與鋼材強度無直接關(guān)系。一般認為，鋼中的含硫量和ψZ是衡量抗層狀撕裂能力的判據(jù)。經(jīng)驗表明，當Z＞20%時，即使Z向拘束應力較大，也不會產(chǎn)生層狀撕裂。對有可能在焊接過程產(chǎn)生層狀撕裂的重要結(jié)構(gòu)，可采用Z向鋼（如D36），其Z最大值可達55%。這些鋼在冶煉過程中采取了特殊的工藝措施，因此成本較高。2、熱影響區(qū)性能變化熱軋及正火鋼焊接熱影響區(qū)性能變化主要是過熱區(qū)的脆化；在一些合金元素含量較低的鋼中有時還可能出現(xiàn)熱應變脆化問題。（1）過熱區(qū)脆化在被加熱到1200℃以上的熱影響區(qū)過熱區(qū)，會發(fā)生奧氏體晶粒的顯著長大和一些難熔質(zhì)點（如碳化物和氮化物）熔入基體的過程。在冷卻過程中可能會產(chǎn)生脆性較大的魏氏組織、粗大的馬氏體組織和塑性很低的混合組織（即鐵素體、高碳馬氏體和貝氏體的混合組織）等。熱軋鋼過熱區(qū)脆化主要是由于在熱輸入較大時產(chǎn)生魏氏組織或是由于含碳量偏高和冷卻速度較快時產(chǎn)生的馬氏體組織引起的。正火鋼過熱區(qū)脆化與魏氏組織無關(guān)，除晶粒粗化外，主要是由于在1200℃高溫下，起沉淀強化作用的碳化物和氮化物質(zhì)點分解并熔于奧氏體，在隨后的冷卻過程中來不及析出而固溶在基體中，結(jié)果使鐵素體基體的硬度上升而韌性下降，這時如果減小熱輸入，就可以減少過熱區(qū)在高溫的停留時間，抑制碳化物和氮化物的熔解，從而有效防止過熱區(qū)脆化。（2）熱應變脆化熱應變脆化是指在焊接過程中，在熱和應變共同作用下產(chǎn)生的一種應變時效。一般發(fā)生在固溶氮含量較高而強度級別不高的低合金鋼中，如抗拉強度490MPa的C-Mn鋼。若在鋼中加入足夠的氮化物形成元素（Al、Ti、V等）可以有效降低熱應變脆化傾向，如Q420鋼比Q355鋼的熱應變傾向小。消除熱應變時效的有效措施是焊后熱處理，如Q355經(jīng)600℃×1h退火處理后，其韌性可恢復到原有水平。三、熱軋及正火鋼的焊接工藝要點

1、焊接方法熱軋及正火鋼焊接時對焊接方法無特殊要求，不同焊接方法對焊接質(zhì)量無顯著影響，因此可以采用各種焊接方法進行焊接，常用焊接方法如焊條電弧焊、埋弧焊、CO2氣體保護焊和電渣焊等，一般是根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點、批量、生產(chǎn)條件和經(jīng)濟效益等綜合情況進行選擇。2、下料、坡口加工和定位焊熱軋及正火鋼可以采用各種切割方法下料。坡口加工可采用機械加工，也可采用氣割和碳弧氣刨。對強度級別較高、厚度較大的焊件，經(jīng)過火焰切割或碳弧氣刨的坡口應用砂輪仔細打磨，消除氧化皮及凹槽；在坡口兩側(cè)20～30mm范圍內(nèi)清除油污、鐵銹等。定位焊焊縫應有足夠的長度以防開裂，對厚度較薄的板材定位焊縫長度應不小于4倍板厚。定位焊應選用與焊縫相同的焊接材料，也可選用強度稍低的焊條或焊絲。焊接順序應能防止過大的拘束、允許工件有適當?shù)淖冃?，采用的焊接電流可稍大于焊接時的焊接電流。3、焊接材料選擇焊接材料時必須考慮到兩方面的問題：一是保證焊縫不產(chǎn)生裂紋等焊接缺陷；二是能滿足使用性能的要求。選擇焊接材料的主要依據(jù)是保證焊縫金屬的強度、塑性和韌性等力學性能與母材相匹配，而不要求與母材成分相同，因此選擇焊接材料應考慮以下問題：（1）根據(jù)母材的強度級別選用相應的焊接材料按照焊縫與母材等強匹配的原則選擇焊接材料，一般要求焊縫與母材強度相等或略低于母材。例如適用于焊接Q420鋼的焊條E5515，其中C、Mn的含量都比母材低，且其中不含沉淀強化元素V，但用它焊接的焊縫金屬的抗拉強度可達549～608MPa，同時還具有高的塑性和韌性。（2）考慮熔合比和冷卻速度的影響焊縫的力學性能取決于它的化學成分和組織狀態(tài)。焊縫化學成分不僅取決于焊接材料，而且與母材的熔入量（即熔合比）有很大關(guān)系；而焊縫組織則與冷卻速度有很大關(guān)系。采用同樣焊接材料，在熔合比和冷卻速度不同時，所得焊縫的性能也會有很大差別。選擇焊條或焊絲時應考慮到板厚和坡口形式的影響，焊接薄板時因熔合比較大，應選用強度較低的焊接材料，焊接厚板時則相反。（3）考慮焊后熱處理對焊縫力學性能的影響焊后熱處理（如消除應力退火）會使焊縫的強度有所降低，當焊縫強度余量不大時，焊后熱處理后焊縫強度可能低于母材，因此，對于焊后要求正火處理的焊縫，應選擇強度高一些的焊接材料。此外，如果對焊縫金屬的使用性能有特殊要求，應同時加以考慮。例如，在焊接16MnCu時，要求焊縫金屬與母材具有相同的耐蝕性能，則需選用含銅的焊條。4、焊接參數(shù)（1）焊接熱輸入確定焊接熱輸入主要考慮熱影響區(qū)的脆化和冷裂兩個因素。各類鋼材的脆化傾向和冷裂傾向是不同的，因此對熱輸入的要求也不同。在焊接碳當量（Ceq）小于0.4%熱軋及正火鋼時，如Q355鋼，對熱輸入沒有嚴格限制。焊接碳當量為0.4%～0.6%的熱軋及正火鋼時，熱輸入應偏大一些比較好。最好是采用小熱輸入+預熱。恰當控制預熱溫度，既能避免產(chǎn)生裂紋，又能防止晶粒過熱。（2）預熱溫度預熱的目的是為了防止裂紋，同時還有一定的改善組織和性能的作用。預熱溫度與鋼材的淬硬性、板厚、拘束度、環(huán)境溫度等因素有關(guān)，工程中必須結(jié)合具體情況經(jīng)試驗后才能確定，推薦的一些預熱溫度只能作為參考。多層焊時應保證道間溫度不低于預熱溫度，但也要避免道間溫度過高產(chǎn)生的不利影響，如韌性下降等。常用熱軋及正火鋼推薦的預熱溫度見表3-6。表3-10幾種常用熱軋及正火鋼的預熱溫度和焊后熱處理參數(shù)牌號預熱溫度焊后熱處理規(guī)范電弧焊電渣焊Q355100～150（δ≥30mm）600～650℃退火900～930℃正火600～650℃回火Q390100～150（δ≥28mm）550℃或650℃退火950～980℃正火550℃或650℃回火Q420100～150（δ≥25mm）——950℃正火650℃回火14MnMoV18MnMoNb≥200600～650℃退火950～980℃正火600～650℃回火（3）焊后熱處理熱軋及正火鋼一般不需要焊后熱處理；但對要求抗應力腐蝕的焊接結(jié)構(gòu)、低溫下使用的焊接結(jié)構(gòu)和厚壁高壓容器等，焊后需要進行消除應力的高溫回火（550～650℃）。確定回火溫度的原則是：1）不超過母材原來的回火溫度，以免影響母材本身的性能。2）對有回火脆性的材料，要避開出現(xiàn)回火脆性的溫度區(qū)間。例如，對含V或V+Mo的低合金鋼，在回火時要避免在600℃左右的溫度區(qū)間停留較長時間，以防因V的二次碳化物析出而造成脆化，如Q420鋼的消除應力回火的溫度為（550±25）℃。另外，對于抗拉強度大于490MPa的高強度鋼，由于產(chǎn)生延遲裂紋的傾向較大，為了在消除應力的同時起到消氫處理的作用，要求焊后立即進行回火處理。如焊后不能及時進行熱處理，應立即在250～350℃保溫2～6h，以便焊接區(qū)的氫逸出。四、熱軋及正火鋼焊接生產(chǎn)案例——Q355R熱軋鋼制液化石油氣球罐的焊接1.定位焊2.球板接料3.球體裝配焊接4.焊后熱處理模塊三低碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接

屈服點大于490MPa的高強鋼必須采用調(diào)質(zhì)處理，通過組織強化獲得很高的綜合力學性能。低碳調(diào)質(zhì)鋼屬于熱處理強化鋼。這類鋼既有較高的強度，又有良好的塑性和韌性，在工程結(jié)構(gòu)中的應用日益廣泛。一、低碳調(diào)質(zhì)鋼的成分與性能為了保證良好的綜合性能和焊接性，低碳調(diào)質(zhì)鋼要求鋼中碳的質(zhì)量分數(shù)不大于0.22%（實際上一般wc≤0.18%），此外添加一些合金元素如Mn、Cr、Ni、Mo、V、Nb、B、Cu等，目的是為了提高鋼的淬透性和馬氏體的回火穩(wěn)定性。這類鋼由于含碳量低，淬火后得到低碳馬氏體，而且會發(fā)生“自回火”，脆性小，具有良好的焊接性?？估瓘姸?00Mpa、700MPa的低碳調(diào)質(zhì)鋼（HQ60、HQ70）主要用于工程機械、動力設備、交通運輸機械和橋梁等，這類鋼可在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接，焊后不再進行調(diào)質(zhì)處理，必要時可進行消除應力處理?？估瓘姸?00MPa的低碳調(diào)質(zhì)鋼如14MnMoNbB、HQ80和HQ80C也在工程中獲得廣泛應用。為了改善野外施工焊接條件和提高低溫韌性，開發(fā)了一種含碳極低（wc≤0.09%）的調(diào)質(zhì)鋼，即焊接無裂紋鋼（簡稱CF鋼），焊接時采用超低氫焊接材料，在板厚50mm以下或在0℃都可焊前不預熱。二、低碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接性低碳調(diào)質(zhì)鋼主要是作為高強度的焊接結(jié)構(gòu)用鋼，因此其中碳的質(zhì)量分數(shù)限制得較低，在合金成分的設計上也考慮了焊接性的要求。低碳調(diào)質(zhì)鋼是熱處理強化鋼，是通過調(diào)質(zhì)處理獲得強化效果的，因此焊接時在熱影響區(qū)內(nèi)除會發(fā)生脆化外還有軟化問題，在選擇焊接材料時應著重考慮。1、焊接裂紋（1）焊接熱裂紋低碳調(diào)質(zhì)鋼一般含碳量都較低，而含Mn量較高，且對S、P的限制也較嚴格，因此焊縫金屬的結(jié)晶裂紋傾向較小。但對一些高Ni低Mn類型的低合金高強鋼來講，由于Ni的作用會增加結(jié)晶裂紋傾向，但只要選擇合適的焊接材料，提高焊縫金屬的含Mn量，就可以避免產(chǎn)生這種裂紋。（2）焊接冷裂紋低碳調(diào)質(zhì)鋼在嚴格控制焊縫擴散氫含量的情況下，對冷裂紋不敏感。一般焊縫組織為馬氏體或貝氏體。馬氏體雖然屬于淬火組織，但由于含碳量低，仍保持了較高的韌性；而且這類鋼的Ms點比較高（400℃），如果焊接時控制在Ms點附近的冷卻速度比較低，馬氏體形成后可以進行一次“自回火”過程，使韌性得到改善，因此可以避免產(chǎn)生冷裂紋。低碳調(diào)質(zhì)鋼對擴散氫比較敏感，如果焊縫中擴散氫含量較多時，冷裂紋敏感性還是相當高的。因此，焊接時必須選用低氫或超低氫焊接材料，并嚴格控制焊接區(qū)氫的來源。（3）消除應力裂紋低碳調(diào)質(zhì)鋼中大都含有Cr、Ni、Mo、V、Nb、B等提高消除應力裂紋敏感性的元素，其中影響最大的是V，其次是Mo，二者共存時情況更嚴重。一般認為Mo-V系的鋼，特別是Cr-Mo-V系的鋼對消除應力裂紋最敏感；Mo-B和Cr-Mo系的鋼也有一定的敏感性。但不同成分的鋼對該裂紋的敏感溫度范圍有所差別，焊接時可通過一定的工藝措施，如控制預熱和后熱溫度、降低消除應力退火溫度等，來防止消除應力裂紋的發(fā)生。2、熱影響區(qū)性能變化（1）熱影響區(qū)脆化低碳調(diào)質(zhì)鋼熱影響區(qū)脆化的原因和規(guī)律與熱軋及正火鋼都不同。這類鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后的組織是低碳馬氏體或下貝氏體，都有較高的韌性，因此產(chǎn)生正常的淬火組織不是引起脆化的原因。（2）熱影響區(qū)軟化熱影響區(qū)軟化是指其強度和硬度下降的現(xiàn)象，是焊接調(diào)質(zhì)鋼時普遍存在的問題。熱影響區(qū)內(nèi)凡是加熱溫度高于母材回火溫度至Ac1的區(qū)域，由于組織轉(zhuǎn)變及碳化物的沉淀和聚集長大引起軟化，而且溫度越接近Ac1的區(qū)域，軟化越嚴重，如圖3-2所示。鋼材的強度級別越高，焊前母材強化程度越大（母材調(diào)質(zhì)處理的回火溫度越低），焊后熱影響區(qū)的軟化越嚴重。低碳調(diào)質(zhì)鋼熱影響區(qū)的軟化是由母材的強化特性決定的，只能通過一定的工藝措施來防止。軟化區(qū)的寬度和軟化程度與焊接方法和熱輸入有很大關(guān)系，低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接時不宜采用大的焊接熱輸入和較高的預熱溫度。圖3-2調(diào)質(zhì)鋼熱影響區(qū)的硬度分布A-焊前淬火+低溫回火B(yǎng)-焊前淬火+高溫回火C-焊前退火1-淬火區(qū)2-部分淬火區(qū)3-回火區(qū)三、低碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接工藝要點低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接時要注意兩個基本問題：一是要求在馬氏體轉(zhuǎn)變時的速度不能太快，使馬氏體能夠發(fā)生“自回火”過程，以免產(chǎn)生冷裂紋；二是要使熱影響區(qū)在800～500℃之間的冷卻速度大于產(chǎn)生脆性混合組織的臨界冷卻速度。這兩個問題是制定低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接工藝的主要依據(jù)。1．焊前準備對于屈服點大于600MPa的低碳調(diào)質(zhì)鋼，接頭形式盡量采用對接接頭，坡口以U形或V形為好,為減小應力還可采用雙U形或雙V形坡口。低碳調(diào)質(zhì)鋼可以用氣割方法切割坡口，但割縫邊緣有硬化層，應通過加熱或機械加工消除。板厚小于100mm時，切割前不需預熱；板厚大于100mm時，應進行100～150℃的預熱。強度級別較高的鋼，應盡量采用機械切割或等離子切割方法，以減小硬化層。2．焊接方法低碳調(diào)質(zhì)鋼在焊接時需要解決的問題：一是防止裂紋；二是在保證獲得高強度的同時，提高焊縫金屬和熱影響區(qū)的韌性。下屈服強度ReL

≥980MPa的低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接時，需要采用鎢極氬弧焊或真空電子束焊才能獲得滿足要求的焊接接頭；對于下屈服強度ReL＜980MPa的低碳調(diào)質(zhì)鋼，焊條電弧焊、埋弧焊、熔化極氣體保護焊和鎢極氬弧焊等焊接方法都可以采用，但對于下屈服強度ReL≥

686MPa的低碳調(diào)質(zhì)鋼，熔化極氣體保護焊（如Ar+CO2混合氣體保護焊）是最合適的焊接方法。鋼種焊條電弧焊氣體保護焊焊絲保護氣HQ70AE7015H08MnNi2MoCO2Ar+CO2(20%)Ar+O2(1%～2%)HQ70B15MnMoVN15MnMoVNRE15MnMoVNRE(QJ-70)E7515H08MnNi2MoAr+CO2(20%)14MnMoNbBE8515Ar+CO2(1%～2%)3．焊接材料低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接材料的選擇原則是“等強匹配”或“低強匹配”，任何情況下都不可選擇“超強匹配”。低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接材料的選用見表3-13。表3-13低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接材料的選用4．焊接參數(shù)（1）焊接熱輸入從防止熱影響區(qū)脆化出發(fā)，要求冷卻速度較快為好；而從防止冷裂來講，要求冷卻速度越慢越好，因此確定冷卻速度應該兼顧兩者的要求，選擇一個合適的范圍，上限要不產(chǎn)生冷裂，下限要不產(chǎn)生引起脆化的混合組織。鋼種板厚/mm預熱溫度/℃道間溫度/℃焊接熱輸入/kJ·cm-1焊條電弧焊氣體保護焊埋弧焊HQ706～13502550≤150≤2513～2675～1005050～75≤200≤4526～5012575100≤220≤48選擇焊接熱輸入的原則是：在保證不出現(xiàn)裂紋和滿足熱影響區(qū)韌性的條件下，應選擇盡可能大的焊接熱輸入。例如，HQ70鋼焊接時的預熱溫度和最大焊接熱輸入見表3-14。表3-14HQ70鋼的預熱溫度和最大焊接熱輸入（2）預熱和后熱溫度低碳調(diào)質(zhì)鋼在板厚不大、接頭拘束度較小的情況下焊接時可以不預熱。但當焊接熱輸入提高到最大允許值還不能避免裂紋時，就必須采取預熱措施。一般采用較低的預熱溫度（T0≤200℃）。預熱主要為降低馬氏體轉(zhuǎn)變時的冷卻速度，使馬氏體能實現(xiàn)“自回火”來提高抗裂性能。預熱溫度過高，不僅對防止冷裂沒有必要，反而會使800～500℃的冷卻速度低于出現(xiàn)脆性混合組織的臨界冷卻速度，使熱影響區(qū)韌性下降。所以要避免不必要的提高預熱溫度，也包括道間溫度。兩種低碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接預熱溫度范圍見表3-15。板厚/mm14MnMoVN14MnMoNbB＜13--13～1650～100100～15016～19100～150150～0019～22100～150150～20022～25150～200200～25025～35150～200200～250低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接結(jié)構(gòu)一般是在焊態(tài)下使用，正常情況下不進行焊后熱處理。除非焊后接頭區(qū)強度和韌性過低、結(jié)構(gòu)要求耐應力腐蝕以及焊后需要進行高精度加工來保證結(jié)構(gòu)尺寸等，才進行焊后熱處理。為了保證材料的強度性能，焊后熱處理溫度必須比母材原調(diào)質(zhì)處理的回火溫度低30℃。表3-15兩種低碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接預熱溫度范圍（單位：℃）模塊四中碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接

中碳調(diào)質(zhì)鋼中碳和其他合金元素的含量都較高，通過調(diào)質(zhì)處理獲得較高的強度。其中加入合金元素的作用是保證淬透性和提高抗回火性，而其強度主要還是取決于含碳量。但隨含碳量的增加，鋼的焊接性明顯變差，焊接時必須采取嚴格的工藝措施，焊后必須經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理才能達到使用要求的接頭性能。一、中碳調(diào)質(zhì)鋼的成分和性能中碳調(diào)質(zhì)鋼都是在淬火+回火狀態(tài)下使用，屈服點達880～1176MPa以上，具有高的比強度和高硬度，可以用作火箭外殼和裝甲鋼等。其中碳的質(zhì)量分數(shù)為0.25%～0.5%，并加入合金元素（如Mn、Si、Ni、Cr、Mo、V、Ti等），以保證鋼的淬透性，消除回火脆性，再通過調(diào)質(zhì)處理獲得較好的綜合性能。中碳調(diào)質(zhì)鋼的淬硬性比低碳調(diào)質(zhì)鋼高得多，淬火后得到馬氏體組織，再經(jīng)回火得到的是片狀馬氏體，屬于硬脆組織，因此鋼的韌性較低，給焊接帶來很大困難。常用的中碳調(diào)質(zhì)鋼的化學成分和力學性能見表3-16和3-17。

表3-16中碳調(diào)質(zhì)鋼的化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）鋼牌號CMnSiCrNiMoVSP30CrMnSi0.28～0.350.8～1.10.9～1.20.8～1.1≤0.30--≤0.030≤0.03530CrMnSiNi2A0.27～0.341.0～1.30.9～1.20.9～1.21.4～1.8--≤0.025≤0.02535CrMo0.30～0.400.4～0.70.17～0.350.9～1.3-0.2～0.3-≤0.030≤0.03535CrMoV0.30～0.380.4～0.70.2～0.41.0～1.3-0.2～0.30.1～0.2≤0.030≤0.03534CrNi3Mo0.3～0.40.5～0.80.27～0.370.7～1.12.75～3.250.25～0.4-≤0.030≤0.03540CrNiMo0.36～0.440.5～0.80.17～0.370.6～0.91.25～1.750.15～0.25-≤0.030≤0.030表3-17中碳調(diào)質(zhì)鋼的力學性能鋼號熱處理規(guī)范屈服點σs/MPa抗拉強度σb/MPa伸長率δ（%）斷面收縮率φ（%）沖擊吸收功AKV/J硬度HBW30CrMnSi870～890℃油淬510～550℃回火≥833≥1078≥10≥40≥49346～36330CrMnSiNi2A890～910℃油淬200～300℃回火≥1372≥1568≥9≥45≥59≥44440Cr850℃油淬520℃回火（水或油）≥785≥980≥9≥45≥47≥20735CrMo860～880℃油淬560～580℃回火≥490≥657≥15≥35≥49197～24135CrMoV880～900℃油淬640～660℃回火≥686≥814≥13≥35≥39255～30234CrNi3Mo850～870℃油淬580～670℃回火≥833≥931≥123539285～34140CrNiMo840～860℃油淬550～650℃水冷或空冷833980125578269按照合金系統(tǒng)，中碳調(diào)質(zhì)鋼大概可以歸納為以下幾種：1．Cr鋼

40Cr是一種廣泛使用的含Cr調(diào)質(zhì)鋼，具有良好的綜合力學性能、較高的淬透性和較高的疲勞強度，用于制造較重要的在交變載荷下工作的機器零件，如齒輪和軸類。Cr能增加高溫或低溫的回火穩(wěn)定性，但Cr鋼有回火脆性。該鋼中wCr＜1.5%時能有效提高鋼的淬透性，繼續(xù)增加無實際意義；當wCr=1%時對鋼的塑性和韌性略有提高；當wCr＞2%時對塑性影響不大，但略使鋼的沖擊韌度降低。2．Cr-Mo鋼35CrMo和35CrMoV屬于Cr-Mo鋼系統(tǒng)，是在Cr鋼基礎上發(fā)展起來的中碳調(diào)質(zhì)鋼，具有良好的強度和韌性匹配，一般在動力設備中用于制造一些承受負荷較高、截面較大的重要零部件，如汽輪機葉輪、主軸和發(fā)電機轉(zhuǎn)子等。Cr鋼中加入少量Mo（wMo=0.15%～0.25%）可以消除Cr鋼的回火脆性，提高淬透性和高溫強度；V可以細化晶粒，提高強度、塑性和韌性，增加高溫回火穩(wěn)定性。但由于鋼中的含碳量較高，淬透性較大，因此焊接性較差，一般要求焊前預熱和焊后熱處理。3．Cr-Mn-Si鋼30CrMnSi和30CrMnSiNi2都屬于Cr-Mn-Si鋼系統(tǒng)，這類鋼的顯著特點是強度很高，但焊接性差，在飛機制造中應用較多。Cr-Mn-Si系鋼具有回火脆性的缺點，在300～450℃內(nèi)出現(xiàn)第一類回火脆性，同時還具有第二類回火脆性，因此高溫回火時必須采取快速冷卻的辦法，否則韌性會顯著降低。30CrMnSi是一種典型的Cr-Mn-Si系統(tǒng)的中碳調(diào)質(zhì)鋼，其中不含貴重的Ni，因此在我國得到廣泛應用。在退火狀態(tài)下，它的組織是鐵素體+珠光體，調(diào)質(zhì)狀態(tài)下的組織為回火索氏體。4．Cr-Ni-Mo鋼40CrNiMo和34CrNi3Mo屬于Cr-Ni-Mo系統(tǒng)，具有良好的綜合性能，如強度高、韌性好、淬透性大等優(yōu)點，主要用于制造高負荷、大截面的軸類和承受沖擊載荷的構(gòu)件，如汽輪機、噴氣渦輪機軸、噴氣式客機的起落架及火箭發(fā)動機外殼等。二、中碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接性1．焊縫中的熱裂紋中碳調(diào)質(zhì)鋼含碳量及合金元素含量都較高，因此液-固相溫度區(qū)間大，結(jié)晶時成分偏析也較嚴重，焊接時易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋，具有較大的熱裂紋傾向。為防止熱裂紋，焊接時盡量采用含碳量低和雜質(zhì)S、P含量低的焊接材料；在焊接工藝上應注意填滿弧坑和保證良好的焊縫成形，因為熱裂紋容易出現(xiàn)在未填滿的弧坑處，尤其是多層焊的第一層焊道的弧坑中以及焊縫的凹陷部位。2．焊接