（中職）熔焊基礎(chǔ)與金屬材料焊接第五章電子教案

1、YCF正版可修改PPT（中職）熔焊基礎(chǔ)與金屬材料焊接第五章電子教案第5章非合金鋼(碳鋼)焊接5. 1碳鋼的焊接性5. 2碳鋼的焊接返回5. 1碳鋼的焊接性5.1.1碳鋼分類碳鋼是以鐵為基體，以碳(C) 1.5%)為主要合金元素的鐵碳合金，其中含有一定量的錳、硅等有益元素和少量的硫、磷等雜質(zhì)元素。每種鋼都對雜質(zhì)作了嚴(yán)格限制。對于某些主要碳素鋼還要限制鉻、鎳、銅、氮等元素含量。碳素鋼是工業(yè)中應(yīng)用最廣的金屬材料。碳素鋼之所以應(yīng)用廣泛，主要是它具有許多優(yōu)良的性能，能基本上滿足加工和使用的要求，同時(shí)還具有冶煉容易、資源豐富、價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)。因此，在工程建筑、交通運(yùn)輸、機(jī)械制造和國防等部門得到廣泛應(yīng)用，被

2、大量用于制造工程結(jié)構(gòu)、機(jī)械零件和各種工具等。下一頁返回5. 1碳鋼的焊接性這類鋼材常加工成角鋼、槽鋼、工字鋼等各種型鋼以及鋼板、扁鋼、棒材等供用戶選用(如圖5-1)。碳素鋼的產(chǎn)量約占全部鋼產(chǎn)量的70%以上。碳鋼的分類方法很多，可以根據(jù)其化學(xué)成分、性能、冶金方法、用途等進(jìn)行分類。上一頁下一頁返回5. 1碳鋼的焊接性如，按碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分為低碳鋼(含碳量不大于0.25%)、中碳鋼(含碳量為0.25%0.60%)、高碳鋼(含碳量大于0.60%);按鋼的冶金質(zhì)量和鋼中有害雜質(zhì)元素硫、磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分為普通質(zhì)量鋼(硫含量為0.035%0.050% ,磷含量為0.035%0.045 %)、優(yōu)質(zhì)鋼(硫、磷含量均

3、不大于0.035% )、高級優(yōu)質(zhì)鋼(硫含量不大于0.030% ,磷含量不大于0. 035%)、特殊優(yōu)質(zhì)碳素鋼(硫含量不大于0.020%，磷含量不大于0. 025%);按冶煉時(shí)的脫氧程度可分為沸騰鋼(F，脫氧不完全)、鎮(zhèn)靜鋼(Z,脫氧較完全)和半鎮(zhèn)靜鋼(B，脫氧程度介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間);按用途可分為結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼等。結(jié)構(gòu)鋼主要用于制造工程結(jié)構(gòu)件和機(jī)器零件，這類鋼一般屬于低、中碳鋼;工具鋼主要用于制造各種刃具、模具和量具，這類鋼屬于高碳鋼。上一頁下一頁返回5. 1碳鋼的焊接性另外，根據(jù)行業(yè)特殊要求及用途，對普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的成分和性能進(jìn)行調(diào)整，從而派生出一系列專業(yè)用碳素結(jié)構(gòu)鋼，如壓力容器用碳素結(jié)

4、構(gòu)鋼、鍋爐用碳素結(jié)構(gòu)鋼、橋梁用碳素結(jié)構(gòu)鋼、船用碳素結(jié)構(gòu)鋼等。5.1.2碳鋼的焊接性碳素鋼的焊接性主要取決于它的含碳量，隨著含碳量增加，鋼的硬度和強(qiáng)度提高，焊接性變差，如表5-1所示。碳素鋼中的錳和硅對焊接性也有影響。它們的含量增加，焊接性變差，但不及碳的作用強(qiáng)烈。碳、錳和硅對焊接性的影響可用下面的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，此時(shí)忽略了Ni、Cr、 Mo等元素的影響。上一頁下一頁返回5. 1碳鋼的焊接性碳鋼中，硅含量較少(0.4時(shí)，冷裂紋的敏感性將增大。上一頁下一頁返回5. 1碳鋼的焊接性根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)，碳當(dāng)量 0.6時(shí)，淬硬傾向嚴(yán)重，焊接性很差，焊接前必須采用較高的預(yù)熱溫度，控制層間溫度和后熱，并采用低氫焊接

5、工藝。碳鋼中雜質(zhì)，如硫、磷、氧、氮對焊接接頭力學(xué)性能和裂紋敏感性也有很大影響。碳鋼中正常的硫、磷含量不致引起裂紋。如果碳鋼中硫、磷過多，則可能在晶界上形成低熔點(diǎn)硫、磷的化合物，導(dǎo)致焊縫熔合區(qū)附近的液化裂紋和焊縫金屬熱裂紋。此外，硫還會引起氣孔。上一頁下一頁返回5. 1碳鋼的焊接性氧在碳鋼中危害很大，可降低力學(xué)性能，提高時(shí)效敏感性。當(dāng)氧化物和其他化合物數(shù)量過多時(shí)，還可能引起層狀裂紋。就母材而言，鋼中氧、氮的含量與冶煉方法有關(guān)。沸騰鋼是脫氧不完全鋼，含氧量較高，在含碳量相同的條件下沸騰鋼的焊接性比脫氧完全的鎮(zhèn)靜鋼要差。氮雖能提高碳鋼的強(qiáng)度，但它能降低塑性和沖擊韌度，并能大大提高鋼的時(shí)效敏感性，因此

6、，常用碳鋼往往規(guī)定(N) 0.15%時(shí)，就有產(chǎn)生氫致裂紋的可能，此時(shí)應(yīng)考慮使用低氫的焊接材料，并采取相應(yīng)工藝措施，防止氫致裂紋。另外，如果焊接時(shí)母材夾得太緊、結(jié)構(gòu)剛度過大、鋼材較厚，造成大的拘束，也會使氫致裂紋敏感性增加。上一頁返回5 .2碳鋼的焊接5.2.1低碳鋼的焊接1.低碳鋼的焊接性低碳鋼中碳、錳、硅含量小，通常情況下不會因焊接而引起嚴(yán)重的硬化組織和淬火組織。低碳鋼的塑性和沖擊韌度優(yōu)良，焊接接頭的塑性和沖擊韌度也很好，焊接時(shí)一般不需預(yù)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(gè)焊接過程中不需要特殊的工藝措施。低碳鋼的焊接性優(yōu)良，幾乎可以采用各種焊接方法焊接，但在下述情況下，

7、低碳鋼的焊接性也會變差，焊接時(shí)出現(xiàn)困難。(1)低碳鋼母材不合格，含碳、硫過高，焊接時(shí)可能出現(xiàn)裂紋，尤其是角焊縫、對接多層焊第一道焊道、整個(gè)板面采用單面焊單層焊縫和大間隙對接第一道焊縫等。下一頁返回5 .2碳鋼的焊接(2)采用舊冶煉方法生產(chǎn)的低碳轉(zhuǎn)爐鋼。因含氮高，雜質(zhì)較多，冷脆性和時(shí)效敏感性大，焊接接頭質(zhì)量低，焊接性較差。因此，轉(zhuǎn)爐冶煉低碳鋼絕不能用做重要結(jié)構(gòu)。國內(nèi)目前生產(chǎn)轉(zhuǎn)爐鋼用鋁、鈦脫氧，鋼的質(zhì)量大為改善。即使這樣，在這種鋼作重要結(jié)構(gòu)之前應(yīng)對焊接性特別是時(shí)效敏感性、冷脆敏感性進(jìn)行估測，以保證焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。(3)由于沸騰鋼脫氧不完全，局部硫磷偏析大，時(shí)效敏感性、冷脆敏感性大，焊接熱裂紋傾向較

8、大，這種鋼不宜作承受動載或嚴(yán)寒條件下工作的重要結(jié)構(gòu)。焊接沸騰鋼時(shí)在工藝上應(yīng)采取必要措施，防止裂紋。上一頁下一頁返回5 .2碳鋼的焊接(4)焊接方法不當(dāng)，如埋弧焊熱輸入大，會使焊接熱影響區(qū)過熱區(qū)出現(xiàn)粗晶組織，使熱影響區(qū)韌性降低;電渣焊的熱輸入比埋弧焊還要大，熱影響區(qū)晶粒更加粗大，韌性降低更為明顯，所以低碳鋼電渣焊接頭焊后通常要經(jīng)正火處理，細(xì)化晶粒，以提高其韌性。2.低碳鋼焊接方法及焊接材料低碳鋼幾乎可采用所有的焊接方法來進(jìn)行焊接，并都能保證焊接接頭的良好質(zhì)量。用得最多的焊接方法是焊條電弧焊、埋弧焊、電渣焊及CO2氣體保護(hù)焊等。(1)焊條電弧焊低碳鋼的焊條選擇主要是根據(jù)母材的強(qiáng)度等級以及焊接結(jié)構(gòu)的

9、工作條件。上一頁下一頁返回5 .2碳鋼的焊接低碳鋼焊條電弧焊時(shí)大多使用E43 x x系列焊條。低碳鋼焊接結(jié)構(gòu)通常采用Q235鋼制造。這類鋼的抗拉強(qiáng)度為375460MPa，而E43 x x系列焊條熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度不小于420MPa，其力學(xué)性能正好與之匹配。這一系列藥皮焊條有多種型號，可以按照焊條工藝性能和強(qiáng)度級別進(jìn)行選擇。低碳鋼焊接常用焊條的型號和牌號可按表5-2選用。焊接參數(shù)的確定，主要考慮焊接過程的穩(wěn)定、焊縫成型的良好及在焊縫中不產(chǎn)生缺陷。當(dāng)母材的厚度較大，或周圍氣體溫度較低時(shí)，由于焊縫金屬及熱影響區(qū)的冷卻速度很快，也有可能出現(xiàn)裂紋，這時(shí)需要對焊件進(jìn)行適當(dāng)預(yù)熱，預(yù)熱溫度一般為100150。

10、 (2)埋弧焊上一頁下一頁返回5 .2碳鋼的焊接低碳鋼的埋弧焊接頭的等強(qiáng)度，主要靠選擇相應(yīng)的焊絲和焊劑來獲得。低碳鋼埋弧焊一般選用H08 A或H08E焊絲，并配以相應(yīng)的焊劑(見表5-3)。(3)電渣焊低碳鋼的電渣焊主要用于大厚度焊件的焊接，一般采用低合金鋼焊絲。電渣焊時(shí)因渣池溫度比埋弧焊低，焊接過程中焊劑更新量少，焊劑中Si 、 Mn合金元素的還原作用較弱。為此，低碳鋼電渣焊時(shí)，選用中錳高硅中氟熔煉焊劑HJ360與H10Mn2或H10MnSi焊絲配用。也可采用高錳高硅低氟焊劑(如HJ431)與H10MnSi配用。上一頁下一頁返回5 .2碳鋼的焊接電渣焊時(shí)，由于電渣焊方法本身的特點(diǎn)，焊接熔池體積

11、大，焊縫金屬冷卻速度慢，焊縫金屬的組織往往比較粗大，熱影響區(qū)組織有過熱現(xiàn)象，顯著地降低了焊縫及熱影響區(qū)的強(qiáng)度和韌性。為使焊接接頭的性能滿足產(chǎn)品使用要求，一般焊后接頭需進(jìn)行正火加回火的熱處理。(4) 氣體保護(hù)焊低碳鋼采用CO2氣體保護(hù)焊，為使焊縫金屬具有足夠的力學(xué)性能及良好的抗晶間裂紋和氣孔的能力，采用含錳和硅的焊絲，如H08Mn2Si、 H08Mn2SiA等。上一頁下一頁返回5 .2碳鋼的焊接除選擇適當(dāng)?shù)暮附z外，起保護(hù)作用的CO2氣體質(zhì)量一也很重要，若在CO2氣體中，氮和氫的含量過高，焊接時(shí)即使焊縫被保護(hù)得很好，以及錳和硅的數(shù)量也足夠，還是有可能在焊縫中出現(xiàn)氣孔。 CO2氣體保護(hù)焊時(shí)，為使電弧

12、燃燒穩(wěn)定，要求采用較高的電流密度，但電弧電壓不能過高，否則焊縫金屬的力學(xué)性能會降低，焊接時(shí)會出現(xiàn)飛濺和電弧燃燒不穩(wěn)等情況。低碳鋼的焊接，一般不會遇到什么特殊困難，焊后是否進(jìn)行熱處理，應(yīng)根據(jù)母材牌號、焊件厚度、焊件的剛度大小，以及焊件是否低溫使用等條件來決定。上一頁下一頁返回5 .2碳鋼的焊接例如鍋爐鍋筒，即使采用如20 g和22 g等焊接性能良好的低碳鋼板材，由于板厚較大，仍要進(jìn)行600650的焊后熱處理。3.低碳鋼焊接工藝焊前清除接縫兩側(cè)的表面銹、油和水分等雜質(zhì)，焊條和焊劑必須按規(guī)定進(jìn)行烘干。焊接剛度大的構(gòu)件時(shí)，宜選用低氫堿性藥皮焊條。當(dāng)焊件板厚超過規(guī)定時(shí)，應(yīng)采取焊前預(yù)熱或焊后消除應(yīng)力處理。

13、預(yù)熱和熱處理溫度可參見表5 -4。角焊縫、對接多層焊的第一層焊縫及單道焊縫要避免深而窄的坡口形式，以防止出現(xiàn)未焊透和夾渣等缺陷。上一頁下一頁返回5 .2碳鋼的焊接在低溫的環(huán)境下焊接低碳鋼時(shí)，應(yīng)采用抗裂性較好的低氫型焊接材料，焊前應(yīng)預(yù)熱并保持層間溫度，同時(shí)應(yīng)注意定位焊工藝，可適當(dāng)加大定位焊縫的長度，必要時(shí)采取預(yù)熱措施(預(yù)熱溫度參考表5-5)。5.2.2中碳鋼的焊接1.中碳鋼的焊接性在焊接結(jié)構(gòu)中有時(shí)也采用中碳鋼，中碳鋼碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.3%0. 6%范圍內(nèi)，常見的有35鋼、45鋼及55鋼等。由于含碳量較高，焊接性較差，主要問題是焊接熱影響區(qū)易產(chǎn)生硬而脆的馬氏體組織。當(dāng)焊件剛度較大或焊接材料和焊接參

14、數(shù)選擇不當(dāng)時(shí)，熱影響區(qū)內(nèi)會產(chǎn)生冷裂紋。上一頁下一頁返回5 .2碳鋼的焊接如焊縫坡口尺寸設(shè)計(jì)不當(dāng)或焊接電流過大，而使母材在焊縫中的混合比增大，促使焊縫金屬的含碳量和硫、磷含量增高而導(dǎo)致產(chǎn)生熱裂紋。2.中碳鋼焊接方法及焊接材料中碳鋼焊接性較差，大都用于制造機(jī)械零件，所以焊接中碳鋼最常用的焊接方法主要是焊條電弧焊。埋弧焊可以焊接具有一定淬硬傾向的中碳鋼，埋弧焊對預(yù)熱和后熱的要求不像焊條電弧焊那樣高，因?yàn)槁窕『傅臒彷斎氪螅⑶胰鄯笏俣雀?，受熱面積大，而冷卻速度較小，淬硬幾率小，且焊劑層有助于降低冷卻速度。但一般中碳鋼埋弧焊時(shí)還是要預(yù)熱和后熱。上一頁下一頁返回5 .2碳鋼的焊接焊劑經(jīng)適當(dāng)烘干并采取相應(yīng)預(yù)

15、防措施后，埋弧焊能獲得含氫量很低的焊縫金屬，這對焊接中、高碳鋼很有利。電渣焊也可用于焊接中碳鋼的板結(jié)構(gòu)大型鑄件和鑄鋼件，如大型齒輪毛坯、電機(jī)座、壓力機(jī)機(jī)架、壓力機(jī)壓輥、大型油壓機(jī)支柱和柱體的焊接，用電渣焊代替埋弧焊能減少制造時(shí)間，節(jié)省焊劑消耗。中碳鋼焊接時(shí)通常應(yīng)采用低氫型焊接材料，可使焊縫金屬具有較高的抗裂性。在某些情況下，也可選用鈦鐵礦型或鈦鈣型藥皮焊條，但應(yīng)采取相應(yīng)的工藝措施，如嚴(yán)格控制預(yù)熱溫度和層間溫度，適當(dāng)降低焊接電流、減少母材的混合量等。上一頁下一頁返回5 .2碳鋼的焊接在一些特殊的情況下，亦可采用鎳鉻不銹鋼焊條焊接，由于奧氏體鋼焊縫金屬的塑性高，對冷裂紋不敏感，故焊前無需預(yù)熱。當(dāng)焊

16、接不要求焊縫金屬與母材等強(qiáng)的中碳鋼焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，可以選用強(qiáng)度等級稍低的低氫堿性焊條。如母材的強(qiáng)度為490MPa級，可選用J426或J427焊條，而不必選用J506或J507焊條，以簡化焊接工藝，降低接頭對裂紋的敏感性。各種中碳鋼焊接所用焊條可按表5-6選擇。中碳鋼埋弧焊應(yīng)選用HJ350中性焊劑或HJ250堿性焊劑，并配用H10Mn2、H08MnSi或H08MnA等合金焊絲。上一頁下一頁返回5 .2碳鋼的焊接3.中碳鋼的焊接工藝為了保證中碳鋼焊后不產(chǎn)生裂紋和得到滿意的力學(xué)性能，通常采取以下措施:(1)盡可能選用堿性低氫型焊條這類焊條的抗冷裂及抗熱裂能力較強(qiáng)，個(gè)別情況下，通過嚴(yán)格控制預(yù)熱溫度和盡量減

17、小熔深(即減小熔合比以減少焊縫中的含碳量)等工藝措施，采用鈦鈣型焊條也可能得到滿意的效果。特殊情況下，可采用鉻鎳不銹鋼焊條如A302、A307、A402、A407等焊接或焊補(bǔ)中碳鋼。其特點(diǎn)是焊前可不預(yù)熱，不易產(chǎn)生冷裂紋。但焊接電流要小，焊接層數(shù)要多，熔深要淺，由于焊條成本高，一般不常采用。上一頁下一頁返回5 .2碳鋼的焊接(2)預(yù)熱及層間溫度控制中碳鋼焊接時(shí)，焊前應(yīng)預(yù)熱，焊接過程中控制層間溫度，以防止冷裂紋的產(chǎn)生。預(yù)熱是焊接和焊補(bǔ)中碳鋼的主要工藝措施。尤其焊件的厚度、剛度較大時(shí)，預(yù)熱有利于減低熱影響區(qū)最高硬度，防止產(chǎn)生冷裂紋，并能改善焊接接頭的塑性。整體預(yù)熱和恰當(dāng)?shù)木植款A(yù)熱還能減小焊后殘余應(yīng)力

18、。各種含碳量的中碳鋼焊接和焊補(bǔ)的預(yù)熱溫度不僅由焊件的含碳量來決定，而且還受很多其他因素的影響，例如焊件大小及厚度、焊條類型、焊接參數(shù)以及結(jié)構(gòu)的剛度等。局部預(yù)熱的加熱范圍為焊口兩側(cè)150200 mm左右。上一頁下一頁返回5 .2碳鋼的焊接35鋼和45鋼的預(yù)熱溫度可在150250之間選擇，若焊件母材實(shí)際含碳量偏上限，或接頭剛度較大，則應(yīng)將預(yù)熱溫度提高到250300。焊后應(yīng)立即做消除應(yīng)力處理。如焊后不能立即消除應(yīng)力處理，則應(yīng)加后熱處理。后熱溫度范圍為300 400，保溫12h，視焊件厚度而定。焊前預(yù)熱溫度和焊后消除應(yīng)力處理溫度參見表5 -7。(3)焊接坡口最好開成帶鈍邊的U形坡口。坡口外形應(yīng)圓滑，選

19、用較低的焊接電流，以減少母材熔入焊縫金屬中的比例，防止產(chǎn)生裂紋。(4)焊接要點(diǎn)焊條使用前要按規(guī)定烘干。上一頁下一頁返回5 .2碳鋼的焊接焊接第一道焊縫時(shí)，應(yīng)盡量采用小的焊接電流及慢的焊接速度。在焊接中，可以采用輕敲焊縫金屬表面的方法，以減少焊接殘余應(yīng)力，細(xì)化晶粒。每層焊縫應(yīng)清理干凈，特別是鉆附在焊縫周圍的飛濺，必須鏟除。如焊件幾何形狀復(fù)雜或焊縫過長，可分成若干小段，分段跳焊，使其熱量分布均勻。收尾時(shí)，電弧慢慢拉長，將熔池填滿防止收尾處裂紋。焊后，焊件要注意緩慢冷卻，并根據(jù)需要及時(shí)進(jìn)行消氫處理或消除應(yīng)力熱處理。上一頁下一頁返回5 .2碳鋼的焊接5.2.3高碳鋼焊接1.高碳鋼的焊接性高碳鋼碳的質(zhì)量

20、分?jǐn)?shù)大于0. 6%，淬硬傾向和冷裂紋敏感性相當(dāng)高，焊接性很差。這類鋼很少用于焊接結(jié)構(gòu)。多半用于要求高硬度或耐磨的機(jī)械部件或零件。高碳鋼部件通常經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，供貨狀態(tài)下硬度較高。因此，焊前應(yīng)經(jīng)退火處理，以軟化組織，減少裂紋傾向。2.高碳鋼焊接方法和焊接材料由于高碳鋼焊接性差，大都應(yīng)用于硬度大或耐磨部件、零件和工具的焊接或修復(fù)，所以焊接高碳鋼最常用的焊接方法是焊條電弧焊。上一頁下一頁返回5 .2碳鋼的焊接焊接材料通常不用高碳級，一般根據(jù)鋼的含碳量、工件設(shè)計(jì)和使用條件等，選用合適的填充金屬。焊縫要與母材性能完全相同比較困難，這些鋼的抗拉強(qiáng)度大多在675MPa以上，選用的焊接材料視產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求而定，要求強(qiáng)度高時(shí)，一般用E7015-D2 (J707)或E6015-D2 (J607) ,要求不高時(shí)可用E5016 (J506)或E5015 (J507)等焊條，或者分別選用與以上強(qiáng)度等級相當(dāng)?shù)牡秃辖痄摵笚l或填充金屬。所有焊接材料都應(yīng)當(dāng)是低氫型的。必要時(shí)也可以用鉻鎳奧氏體不銹鋼焊條焊接，其牌號與中碳鋼用的相同，例如E308-16(A102)、E308-15(A107)、E309-16(A302 )、E309-15(A307)、E310-16 (A402)、E310-15 (A407)等。這時(shí)可以不預(yù)熱，