常用金属材料的焊接

第三章常用金属材料的焊接•金属材料的焊接性•碳钢的焊接•合金结构钢的焊接•铸铁的补焊•非铁金属及其合金的焊接第一节金属材料的焊接性一、焊接性的概念金属材料的焊接性，是指被焊金属在采用一定的焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构形式条件下，获得优质焊接接头的难易程度。即金属材料在一定的焊接工艺条件下，表现出易焊和难焊的差别。金属材料的焊接性不是一成不变的，同一种金属材料，采用不同的焊接方法、焊接材料及焊接工艺（包括预热和热处理等），其焊接性可能有很大差别。例如，化学活泼性极强的钛，焊接是比较困难的，曾一度认为钛的焊接性很不好。但自氩弧焊的应用比较成熟以后，钛及其合金的焊接结构已在航空等工业部门广泛应用。由于新能源的发展，等离子弧焊接、真空电子束焊接、激光焊接等新的焊接方法相继出现，使钨、钼、钽、铌、锆等高熔点金属及其合金的焊接都已成为可能。焊接性包括两个方面：一是工艺焊接性主要是指焊接接头产生工艺缺陷的倾向，尤其是出现各种裂纹的可能性；二是使用焊接性主要是指焊接接头在使用中的可靠性，包括焊接接头的力学性能及其它特殊性能(如耐热、耐蚀性能等)。金属材料这两方面的焊接性可通过估算和试验方法来确定。可焊性研究的工程意义：根据目前的焊接技术水平，工业上应用的绝大多数金属材料都是可焊的，只是焊接时的难易程度不同而已。当采用新的材料制作焊接结构时，了解及评价新材料的焊接性，是产品设计、施工准备及正确制定焊接工艺的重要依据。二、钢材焊接性的估算方法实际焊接结构所用的金属材料绝大多数是钢材。影响钢材焊接性的主要因素是化学成分。各种化学元素对焊缝组织性能、夹杂物的分布以及对焊接热影响区的淬硬程度等的影响不同，对产生裂纹倾向的影响也不同。在各种元素中，碳的影响最为明显，其它元素的影响可折合成碳的影响。因此可用碳当量法来估算被焊钢材的焊接性。硫、磷对钢材的焊接性能影响也很大，在各种合格钢材中，硫、磷含量都受到严格限制。碳钢及低合金结构钢的碳当量经验公式为：式中ω(C)、ω(Mn)、ω(Cr)、ω(Mo)、ω(V)、ω(Ni)、ω(Cu)为钢中相应元素的质量百分数。根据经验：ω(C)当量0.4％时，钢材塑性良好，淬硬倾向不明显，焊接性良好。在一般的焊接工艺条件下，焊件不会产生裂纹。但厚大工件或在低温下焊接时，应考虑预热。ω(C)当量=0.4％～0.6％ω(C)当量0.6％碳钢及低合金结构钢的碳当量经验公式为：式中ω(C)、ω(Mn)、ω(Cr)、ω(Mo)、ω(V)、ω(Ni)、ω(Cu)为钢中相应元素的质量百分数。根据经验：ω(C)当量0.4％ω(C)当量=0.4％～0.6％时，钢材塑性下降，淬硬倾向明显，焊接性能相对较差。焊前工件需要适当预热，焊后应注意缓冷。要采取一定的焊接工艺措施才能防止裂纹。ω(C)当量0.6％时碳钢及低合金结构钢的碳当量经验公式为：式中ω(C)、ω(Mn)、ω(Cr)、ω(Mo)、ω(V)、ω(Ni)、ω(Cu)为钢中相应元素的质量百分数。根据经验：ω(C)当量0.4％ω(C)当量=0.4％～0.6％ω(C)当量0.6％时，钢材塑性较低，淬硬倾向很强，焊接性不好。焊前工件必须预热到较高温度，焊接时要采取减少焊接应力和防止开裂的工艺措施，焊后要进行适当的热处理，才能保证焊接接头质量。利用碳当量法估算钢材焊接性是粗略的，因为钢材的焊接性还受结构刚度、焊后应力条件、环境温度等因素的影响。例如，当钢板厚度增加时，结构刚度增大，焊后残余应力也较大，焊缝中心部位处于三向拉应力状态，因此表现出焊接性下降。在实际工作中确定材料焊接性时，除初步估算外，还应根据实际情况进行抗裂试验及焊接接头使用焊接性的试验，为制定合理的工艺规程提供依据。三、小型抗裂试验法小型抗裂试验法所用试样的尺寸较小，应用简便，能定性评定不同拘束形式的接头产生裂纹的倾向。常用的试验方法：刚性固定对接试验法斜Y形坡口试验法(小铁研法)十字接头试验法等刚性固定对接试验法先加工出一个厚度大于40mm的方形刚性底板，边长由焊接方法确定(焊条电弧焊时为300mm，埋弧焊时为400mm)。再将待试焊接性的钢材按实际产品厚度加工出两块长方形试板，按规定开出坡口后，如图将试板焊在刚性底板上：试板厚度δ≤12mm时，取焊脚k=δ；试板厚度δ12mm时，焊脚足取为12mm。刚性固定对接试验法待周围固定焊缝冷却到常温以后，按实际产品的焊接工艺进行单层焊或多层焊。焊完后在室温下放置24h：先检查焊缝及热影响区有无表面裂纹；再从垂直焊缝方向切取厚度为15mm的金相磨片两块，进行低倍放大检验是否存在内裂纹。从采用一般焊接工艺焊后检验有无裂纹或裂纹的多少，即可初步评定试板材料的焊接性。而后调整工艺(如预热、缓冷等)再焊接试板，直至不产生裂纹为止。最后参考抗裂试验制订合理的焊接参数。第二节碳钢的焊接一、低碳钢的焊接低碳钢含碳量≤0.25％，其塑性好，一般没有淬硬倾向，对焊接过程不敏感，焊接性好。焊这类钢时，不需要采取特殊的工艺措施，通常在焊后也不需进行热处理(电渣焊除外)。厚度大于50mm的低碳钢结构，常用大电流多层焊，焊后应进行消除内应力退火。低温环境下焊接刚度较大的结构时，由于焊件各部分温差较大，变形又受到限制，焊接过程容易产生较大的内应力，有可能导致结构件开裂，因此应进行焊前预热。低碳钢可以用各种焊接方法进行焊接。应用最广泛的：焊条电弧焊、埋弧焊、电渣焊、气体保护焊和电阻焊等。熔焊法焊接结构钢时，焊接材料及工艺的选择主要应保证焊接接头与工件材料等强度。焊条电弧焊焊接一般低碳钢结构，可选用E4313(J421)、E4303(J422)、E4320(J424)焊条。焊接动载荷结构、复杂结构或厚板结构时，应选用E4316(J426)、E4315(J427)或E5015(J507)焊条。埋弧焊时，一般采用H08A或H08MnA焊丝配焊剂431进行焊接。二、中、高碳钢的焊接中碳钢含碳量在0.25％～0.6％之间。随着含碳量的增加，淬硬倾向越加明显，焊接性逐渐变差。实际生产中，主要是焊接各种中碳钢的铸件与锻件。中碳钢的焊接特点：(1)热影响区易产生淬硬组织和冷裂纹。中碳钢属淬火钢，热影响区金属被加热超过淬火温度区段时，受工件低温部分的迅速冷却作用，势必出现马氏体等淬硬组织。当焊件刚性较大或工艺不当时，就会在淬火区产生冷裂纹，即焊接接头焊后冷却到相变温度以下或冷却到室温后产生裂纹。(2)焊缝金属产生热裂纹倾向较大。二、中、高碳钢的焊接中碳钢含碳量在0.25％～0.6％之间。随着含碳量的增加，淬硬倾向越加明显，焊接性逐渐变差。实际生产中，主要是焊接各种中碳钢的铸件与锻件。中碳钢的焊接特点：(1)热影响区易产生淬硬组织和冷裂纹。(2)焊缝金属产生热裂纹倾向较大。焊接中碳钢时，因工件基体材料含碳量与硫、磷杂质含量远远高于焊芯，基体材料熔化后进入熔池，使焊缝金属含碳量增加，塑性下降，加上硫、磷等杂质的存在，焊缝及熔合区在相变前就可能因内应力而产生裂纹。焊接前：焊接中碳钢构件，焊前必须进行预热，使焊接时工件各部分的温差小，以减小焊接应力，同时减慢热影响区的冷却速度，避免产生淬硬组织：一般情况下，35钢和45钢的预热温度可选为150～250℃。结构刚度较大或钢材含碳量更高时，预热温度应再提高些。焊接后：由于中碳钢主要用于制造各类机器零件，焊缝一般有一定的厚度，但长度不大：焊接中碳钢多采用焊条电弧焊。厚件可考虑采用电渣焊，但焊后要进行相应的热处理。焊条选择焊接中碳钢焊件，应选用抗裂能力较强的低氢型焊条：要求焊缝与工件材料等强度时，可根据钢材强度选用E5016(J506)、E5015(J507)、E6016－D1(J606)、E6015－D1(J607)焊条。若不要求等强度时，可选用E4315(J427)型强度低些的焊条，以提高焊缝的塑性。不论用哪种焊条焊接中碳钢件，均应选用细焊条、小电流，开坡口进行多层焊，以防止工件材料过多地熔人焊缝，同时减小焊接热影响区的宽度。高碳钢的焊接：特点：高碳钢的焊接特点与中碳钢基本相似。由于含碳量更高，焊接性变得更差。工艺：进行焊接时，应采用更高的预热温度、更严格的工艺措施。应用：实际上，高碳钢的焊接一般只限采用焊条电弧焊进行修补工作。第三节合金结构钢的焊接合金结构钢分类：机械制造用合金结构钢低合金结构钢用于机械制造的合金结构钢零件(包括调质钢、渗碳钢)，一般都采用轧制或锻造的坯料，焊接结构较少。如需焊接，因其焊接性与中碳钢相似，所以其焊接工艺措施与中碳钢基本相同。焊接结构中，用得最多的是低合金结构钢，又称低合金高强钢。其焊接特点如下：(1)热影响区的淬硬倾向低合金结构钢焊接时，热影响区可能产生淬硬组织，淬硬程度与钢材的化学成分和强度级别有关。钢中含碳及合金元素越多，钢材强度级别越高，则焊后热影响区的淬硬倾向越大。如300MPa级的09Mn2、09Mn2Si等钢材的淬硬倾向很小，其焊接性与一般低碳钢基本一样。350MPa级的Q345(即16Mn)钢淬硬倾向也不大，但当实际含碳量接近允许上限或焊接参数不当时，过热区也完全可能出现马氏体等淬硬组织。强度级别较大的低合金钢，淬硬倾向增加，热影响区容易产生马氏体组织，硬度明显增高，塑性和韧度则下降。焊接结构中，用得最多的是低合金结构钢，又称低合金高强钢。其焊接特点如下：(2)焊接接头的裂纹倾向随着钢材强度级别的提高，产生冷裂纹的倾向也加剧。影响冷裂纹的因素主要有三个方面：•焊缝及热影响区的含氢量；•热影响区的淬硬程度；•焊接接头的应力大小。对于热裂纹，由于我国低合金结构钢系统其含碳量低，且大部分含有一定的锰，对脱硫有利。因此产生热裂纹的倾向不大。根据低合金结构钢的焊接特点，生产中可分别采取以下措施进行焊接。对于强度级别较低的钢材：在常温下焊接时与对待低碳钢基本一样。在低温或在大刚度、大厚度构件上进行小焊脚、短焊缝焊接时，应防止出现淬硬组织，要适当增大焊接电流、减慢焊接速度、选用抗裂性强的低氢型焊条。必要时需采用预热措施。对锅炉、受压容器等重要构件，当厚度大于20mm时，焊后必须进行退火处理，以消除应力。根据低合金结构钢的焊接特点，生产中可分别采取以下措施进行焊接。对于强度级别高的低合金结构钢件：焊前一般均需预热。焊接时，应调整焊接参数，以控制热影响的冷却速度不宜过快。焊后还应进行热处理以消除内应力。不能立即热处理时，可先进行消氢处理，即焊后立即将工件加热到200～350℃，保温2～6h，以加速氢扩散逸出，防止产生因氢引起的冷裂纹。第四节铸铁的补焊铸铁含碳量高，组织不均匀，塑性很低，属于焊接性很差的材料。因此不应用铸铁设计和制造焊接构件。但铸铁件常出现铸造缺陷，铸铁零件在使用过程中有时会发生局部损坏或断裂，用焊接手段将其修复，经济效益是很大的。所以，铸铁的焊接主要是焊补工作。铸铁的焊接特点：(1)熔合区易产生白口组织。由于焊接时为局部加热，焊后铸铁件上的焊补区冷却速度远比铸造成形时快得多，因此很容易形成白口组织，其硬度很高，焊后很难进行机械加工。(2)易产生裂纹。铸铁强度低，塑性差。当焊接应力较大时，就会在焊缝及热影响区内产生裂纹，甚至使焊缝整体断裂。当采用非铸铁组织的焊条或焊丝冷焊铸铁件时，铸铁因碳及硫、磷杂质含量高，基体材料过多熔入焊缝中，易产生裂纹。(3)易产生气孔。铸铁含碳量高，焊接时易生成CO和CO2气体，铸铁凝固中由液态转变为固态所经过的时间很短，熔池中的气体来不及逸出而形成气孔。(4)铸铁的流动性好。立焊时熔池金属容易流失，所以一般只应进行平焊。根据铸铁的焊接特点，采用气焊、焊条电弧焊(个别大件可采用电渣焊)进行焊补较为适宜。按焊前是否预热，铸铁的补焊可分为热焊法和冷焊法两大类。(1)热焊法焊前将工件整体或局部预热到600～700℃，焊补后缓慢冷却。优点：热焊法能防止工件产生白口组织和裂纹，焊补质量较好，焊后可进行机械加工。缺点：热焊法成本较高，生产率低，焊工劳动条件差。应用：一般用于焊补形状复杂、焊后需进行加工的重要铸件。如床头箱、汽缸体等。焊接方法：用气焊进行铸铁热焊比较方便。气焊火焰还可以用于预热工件和焊后缓冷