分享 | 常用金屬材料的焊接
2023-01-10 來自: 沈陽市中聯銅鋁業有限公司 瀏覽次數:1741
1 什么是焊接性？試述碳鋼的焊接性。
焊接性是指材料在限定的施工條件下焊接成按規定設計要求的構件，并滿足預定服役要求的能力。焊接性受材料、焊接方法、構件類型及使用要求四個因素的影響。
碳鋼是以鐵元素為基礎的，鐵碳合金，碳為合金元素，其碳的質量分數不超過1%，此外，錳的質量分數不超過1.2%，硅的質量分數不超過0.5%，后兩者皆不作為合金元素。其它元素如Ni、Cr、Cu等均控制在殘余量的限度以內，更不作為合金元素。雜質元素如S、P、O、N等，根據鋼材品種和等級的不同，均有嚴格限制。因此，碳鋼的焊接性主要取決于含碳量，隨著含碳量的增加，焊接性逐漸變差，其中以低碳鋼的焊接性好，見表1。
表1 碳鋼焊接性與含碳量的關系
名 稱 | 碳的質量分數（%） | 典型硬度 | 典型用途 | 焊接性 |
低碳鋼 | ≤0.15 | 60HRB | 特殊板材和型材薄板、帶材、焊絲 | 優 |
0.15～0.25 | 90HRB | 結構用型材、板材、棒材 | 良 | |
中碳鋼 | 0.25～0.60 | 25HRC | 機器部件和工具 | 中（需預熱、后熱，推薦使用低氫焊接方法） |
高碳鋼 | ≥0.60 | 40HRC | 彈簧，模具，鋼軌 | 劣（需預熱、后熱，必需使用低氫焊接方法） |
2 什么是碳當量？碳鋼的碳當量如何計算？
把鋼中合金元素（包括碳）的含量按其作用換自成碳的相當含量，稱為該種鋼材的碳當量，可作為評定鋼材焊接性的一種參考指標。
碳鋼中的元素除C外，主要是Mn和Si，它們的含量增加，焊接性變差，但其作用不及碳強烈。焊接學會推薦的碳當量公式為
隨著碳當量值的增加，鋼材的焊接性會變差。當CE值大于0.4%～0.6%時，冷裂紋的敏感性將增大，焊接時需要采取預熱、后熱及用低氫型焊接材料施焊等一系列工藝措施。
3 利用碳當量值評價鋼材焊接性有何局限性？
碳當量值只能在范圍內，對鋼材概括地、相對地評價其焊接性，這是因為：
1）如果兩種鋼材的碳當量值相等，但是含碳量不等，含碳量較高的鋼材在施焊過程中容易產生淬硬組織，其裂紋傾向顯然比含碳量較低的鋼材來得大，焊接性較差。因此，當鋼材的碳當量值相等時，不能看成焊接性就完全相同。
2）碳當量計算值只表達了化學成分對焊接性的影響，沒有考慮到冷卻速度不同，可以得到不同的組織，冷卻速度快時，容易產生淬硬組織，焊接性就會變差。
3）影響焊縫金屬組織從而影響焊接性的因素，除了化學成分和冷卻速度外，還有焊接循環中的最高加熱溫度和在高溫停留時間等參數，在碳當量值計算公式中均沒有表示出來。
因此，碳當量值的計算公式只能在鋼種范圍內，概括地、相對地評價鋼材的焊接性，不能作為準確的評定指標。
4 試述低碳鋼的焊接性。
由于低碳鋼含碳量低，錳、硅含量也少，所以，通常情況下不會因焊接而產生嚴重硬化組織或淬火組織。低碳鋼焊后的接頭塑性和沖擊韌度良好，焊接時，一般不需預熱、控制層間溫度和后熱，焊后也不必采用熱處理改善組織，整個焊接過程不必采取特殊的工藝措施，焊接性優良。
但在少數情況下，焊接時也會出現困難：
1）采用舊冶煉方法生產的轉爐鋼含氮量高，雜質含量多，從而冷脆性大，時效敏感性增加，焊接接頭質量降低，焊接性變差。
2）沸騰鋼脫氧不完全，含氧量較高，P等雜質分布不均，局部地區含量會超標，時效敏感性及冷脆敏感性大，熱裂紋傾向也增大。
3）采用質量不符合要求的焊條，使焊縫金屬中的碳、硫含量過高，會導致產生裂紋。如某廠采用酸性焊條焊接Q235－A鋼時，因焊條藥皮中錳鐵的含碳量過高，會引起焊縫產生熱裂紋。
4）某些焊接方法會降低低碳鋼焊接接頭的質量。如電渣焊，由于線能量大，會使焊接熱影響區的粗晶區晶粒長得十分粗大，引起沖擊韌度的嚴重下降，焊后必需進行細化晶粒的正火處理，以提高沖擊韌度。
總之，低碳鋼是屬于焊接性好、容易焊接的鋼種，所有焊接方法都能適用于低碳鋼的焊接。
5 低碳鋼焊接時，如何正確地選用焊接材料？
⑴手弧焊焊條的選用 常用低碳鋼Q235的抗拉強度平均值為417.5MPa，根據等強度原則，與之匹配的焊條應為E43系列。幾種不同鋼號的低碳鋼手弧焊時焊條的選用，見表2。
表2 低碳鋼手弧焊時焊條的選用
鋼 號 | 一般結構選用的 焊條型號 | 動載荷、復雜、厚板結構，鍋爐受壓容器，低溫焊接 選用的焊條型號 | 施 焊 條 件 |
Q235 | E4313，E4303，E4301，E4320，E4311 | E4316，E4315 （E5016，E5015） | 一般不預熱 |
Q255 | 一般不預熱 | ||
Q275 | E4316，E4315 | E5016，E5015 | 厚板結構預熱150℃以上 |
08、10、15、20 | E4303，E4301，E4320，E4311 | E4316，E4315 （E5016，E5015） | 一般不預熱 |
25 | E4316，E4315 | E5016，E5015 | 厚板結構預熱150℃以上 |
20g，22g | E4303，E4301 | E4316，E4315 （E5016，E5015） | 厚板結構預熱100～150℃ |
20R | E4303，E4301 | E4316，E4315 （E5016，E5015） | 一般不預熱 |
注：表中括弧內的焊條型號表示可以代用。
⑵埋弧焊焊絲和焊劑的匹配選用 低碳鋼埋弧焊時焊絲和焊劑的匹配選用，見表3。
表3 低碳鋼埋弧焊焊絲與焊劑的匹配選用
鋼 號 | 焊 絲 | 焊 劑 |
Q234 | H08A | HJ430 HJ431 |
Q255 | H08A | |
Q275 | H08MnA | |
15、20 | H08A，H08MnA | HJ430 HJ431 HJ330 |
25 | H08MnA，H10Mn2 | |
20g，22g | H08MnA，H08MnSi，h10Mn2 | |
20R | H08MnA |
⑶CO2焊絲的選用 實芯焊絲選用牌號為H08Mn2Si和H08Mn2SiA兩種，焊后熔敷金屬強度偏高。藥芯焊絲選用牌號為YJ502-1、YJ506-2、YJ506-3、YJ506-4。
⑷電渣焊焊絲和焊劑的匹配選用 電渣焊熔池溫度比埋弧焊低，所以焊劑中的硅、錳還原作用弱，應選用含錳、含硅量較高的焊絲。常選用H10Mn2、H10MnSi焊絲配合焊劑HJ360或H10MnSi焊絲配合焊劑HJ431。
6 低碳鋼在低溫下如何施焊？
嚴冬條件下焊接低碳鋼結構時，由于焊接接頭的冷卻速度快，使裂紋傾向增大，特別是厚大結構的焊縫容易開裂，為此必需采取如下工藝措施：
1）焊前預熱，焊接過程中嚴格保持層間溫度不應低于預熱溫度。
2）采用低氫或超低氫焊接材料。
3）定位焊時加大焊接電流，減慢焊接速度，適當增加定位焊縫的截面積和長度，必要時進行預熱。
4）整條焊縫應盡量連續焊完，避免中斷。
5）不應坡口面以外的母材上進行引弧，熄弧時需填滿弧坑。
6）盡可能不在低溫條件下進行彎板、矯正和裝配焊件。
各種金屬結構低溫焊接時的預熱溫度見表4。管道、壓力容器低溫焊接時的預熱溫度見表5。
表4 低碳鋼金屬結構低溫焊接的預熱溫度
焊件厚度（mm） | 在各種氣溫下的預熱溫度 |
＜30 31～50 51～70 | 不低于－30℃時不預熱；低于－30℃時預熱100～150℃ 不低于－10℃時不預熱；低于－10℃時預熱100～150℃ 不低于0℃時不預熱；低于0℃時預熱100～150℃ |
表5 低碳鋼管道、壓力容器低溫焊接的預熱溫度
焊件厚度（mm） | 在各種氣溫下的預熱溫度 |
＜16 17～30 31～40 41～50 | 不低于－30℃時不預熱；低于－30℃時預熱100～150℃ 不低于－20℃時不預熱；低于－20℃時預熱100～150℃ 不低于－10℃時不預熱；低于－10℃時預熱100～150℃ 不低于0℃時不預熱；低于0℃時預熱100～150℃ |
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