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1、碳素钢的焊接,碳素钢（简称碳钢）是C的质量分数在0.2%2.06%之间(碳的质量分数一般不超过1.3)，并含有少量Si、Mn、P、S等杂质的铁碳合金。 （1）按用途可以把碳钢分为碳素结构钢、碳素工具和易切削结构钢三类； （2）按含碳量可以把碳钢分为低碳钢WC 0.25%）,中碳钢WC0.25%0.6%）和高碳钢（WC0.6%）； （3）按钢的质量可以把碳素钢分为普通碳素钢（含磷、硫较高）、优质碳素钢（含磷、硫较低）和高级优质钢（含磷、硫更低）和特级优质钢。 钢材还可以从其他角度进行分类，如按专业（锅炉压力容器用钢、桥梁用钢等）,按冶炼方法进行分类。 1、碳素钢的焊接性 碳钢是指以铁为基础、以碳
2、为合金元素，其他元素因含量较低不作为合金元素。因此其焊接性主要取决于碳的质量分数，随碳的质量分数的增加焊接性逐渐变差。如表1所示,表1 非合金钢焊接性与碳的质量分数的关系,成分特点：碳的质量分数较低，硅、锰含量较少。 焊接性优良 焊接时一般不需预热、控制层间温度和后热，焊后也不必采取热处理来改善组织，可以说在整个焊接过程中不需要特殊的工艺措施 焊接时具有以下特点： 1）可装配成各种接头形式，适应各种不同位置的焊接，且焊接工艺和技术较简单，容易掌握。 2）塑性好，焊接接头产生裂纹的倾向小，适合制造各种大型结构和锅炉压力容器。 3）不需要使用特殊和复杂的设备，对焊接电源和焊接材料没有特殊要求，交直
3、流焊机、酸碱性焊条和焊剂都可以使用。,1.低碳钢的焊接 （1）低碳钢的焊接性,但是低碳沸腾钢脱氧不完全，局部硫磷偏析大，冷脆敏感性大，焊接热裂纹倾向偏大。尤其是角焊缝、对接多层焊第一道焊道、整个板面单面焊单层焊缝和大间隙对接第一道焊缝。焊接方法不当时，如焊接时热输入过大，例如焊条直径或焊接电流选择不当、埋弧焊电流或焊速不当，也可能出现热影响区晶粒长大而引起塑性降低。 (2)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。要综合分析焊接产品的结构特点 、批量、生产效率和生产成本、产品的质量要求、焊件刚性的大小、几何形状的复杂程度、焊接施工
4、条件 、劳动生产率和经济合理性选择合适的焊接方法。 目前最常用的方法有：焊条电弧焊、埋弧焊、CO2气体保护焊、混合气体保护焊。对于重要的工件的单面焊双面成形的打底焊可采用TIG焊。,其他先进的焊接方法如自动窄间隙MIG全位置焊、窄间隙埋弧焊,也可工件企业实际考虑采用。 目前在我国已有多套窄间隙焊接装置，例如，大型火电站锅炉、核电站主容器、石油化工装置中的热壁加氢反应器等厚壁筒体结构， 该法比普通埋弧焊间隙小得多，因而节省焊接材料、缩短焊接时间和减少母材开坡口时的浪费，同时还提高接头焊接质量。 自动窄间隙MIG全位置焊主要用于大直径厚壁管件的焊接，采用射流过渡的脉冲MIG焊，Ar+CO2富氩混合
5、气体作保护，焊丝直径0.81.2mm，调节因素多，可以很好地适应在不同空间位置时的焊接需要，并能保证获得满意的焊接接头质量。 多头MIG或埋弧焊在大型电站锅炉中的膜式壁得掉广泛使用。 除了熔焊之外电阻焊、摩擦焊在有的行业应用也较广泛。,表2 焊接低碳钢常用的焊接材料,2)焊接材料 选择焊接材料应遵循等强匹配的原则。低碳钢结构通常使用抗拉强度平均值为420MPa的钢材。表2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，但在环境温度较低（T0）时，会因冷速加快而导致接头裂纹倾向增加，尤其是焊接焊缝中第一道及最后一层，开裂倾向更大。 在环境温度较低（
6、T0）或 压力容器壁厚20mm时的焊缝有可能产生裂纹。因此焊接时应采取如下工艺措施： 焊前预热，焊接时保持层间温度。 采用低氢或超低氢型焊接材料。 连续施焊整条焊缝，避免中断。 不在低温下进行成形、矫正和装配。 定位焊时加大焊接电流，减慢焊接速度，适当增加定位焊缝截面和长度。必要时预热。 上述措施可单独使用有时需要综合使用。,3.中碳钢的焊接,(1)中碳钢的成分特点与焊接性 中碳钢中碳的质量分数为wC=0.25%0.60%，其强度和硬度较高，塑性和韧性较差，淬硬性较大，当wC接近下限时焊接性良好，随wC的增加焊接性严重恶化。 同时在物理性能方面，中碳钢比低碳钢线膨胀系数略大，热导率稍低，这也就
7、增加了中碳钢焊接时的热应力和过热倾向。 当钢中wC大于0.15%时，碳本身的偏析以及它促进硫等其它元素的偏析都明显起来，如果钢中的硫较多，导致热裂纹倾向增加，因此用于焊接的中碳钢必须严格控制硫的质量分数； 其次，由于wC较大，在焊接冶金反应中，C和FeO反应生成的CO气孔可能能性增大。 第三，碳的增加提高了钢材的淬硬性，焊接时如果冷速较快则会在热,影响区产生马氏体组织，且中碳钢的马氏体组织有较大的脆性，因此在焊接应力作用下容易发生冷裂纹和脆断，中碳钢的焊接性较差，且随碳的质量分数增加而越来越差。钢中杂质越多、结构刚性越大，问题就越严重。 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
8、，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，因此焊接时就要注意母材的热处理状态。如果是焊接已经过热处理的部件，则必须采取措施防止裂纹产生；如果是焊后进行热处理，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。 (2) 中碳钢的焊接工艺要点 1)焊接方法 焊条电弧焊：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。要预热与后热。,埋弧焊：埋弧焊的热输入大，受热面积大，冷却速度小，淬硬几率小，且焊剂层有助于降低冷却速度。要预热与后热，但不像焊条电弧焊要求高。 电渣焊：用于焊接中碳钢的板结构大型
9、铸件和铸钢件，如大型齿轮毛坯、电机座等，用电渣焊代替埋弧焊减少制造时间，节省焊剂消耗。 2)焊接材料 焊条电弧焊时尽量采用低氢型焊接材料。焊缝金属与母材的强度匹配：在要求焊缝金属与母材等强度时，选相应级别的低氢焊条；在不要求等强度时，选用强度级别低于母材的低氢焊条，不可选择强度级别比母材高的焊条。 特殊情况下选择焊接材料：如母材不能预热，可选用铬镍奥氏体不锈钢焊条，焊缝金属为奥氏体组织，塑性好，可减少接头应力，避免冷裂纹。表3列出了焊接低碳钢常用的焊接材料。 3)应考虑焊前状态 对强度有要求的中碳钢工具、模具等，要求高硬度和耐磨，常用热处理满足性能要求。,表3 中碳钢焊接的焊条、预热温度及焊后
10、热处理温度,在退火状态下焊接，选用焊条熔敷金属淬硬性与母材相似的，以使焊后经热处理的焊缝金属达到与母材性能相同； 是在热处理后（一般为调质）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。 4）焊接工艺要点： 大多需要预热和控制层间温度，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。预热温度取决于碳当量、母材厚度、结构刚度和焊条类型和工艺方法等，见表4。 中碳钢焊后应立即进行消除应力热处理，不能立即进行热处理的，也应至少在冷却到预热温度或层间温度之前进行。热处理回火温度一般为600650，加热与冷却应平缓，减少截面厚度方向的
11、温度梯度。 焊后不能立即消除应力，也应进行后热，以便去氢。后热温度视情况定，大约每10mm厚度为1h左右。,焊接时，尤其是在不预热的情况下焊接，应采取工艺措施减小熔深，降低冷却速度，防止产生裂纹。例如，选U形坡口减小熔合比；多层焊第一层焊道采用小直径焊条、小电流焊接；将焊件置于立焊或半立焊位置、焊条横向摆动（摆动幅度取焊条直径的58倍，这样就相当于短段连续多道多层焊），以使母材热影响区的任何一点都在短时间内多次重复受热以取得预热和保温效果。 （3）中碳钢焊接实例 1焊条电弧焊焊接法兰长轴 法兰长轴的主要尺寸见图2-1，材料为35钢。采用焊条电弧焊焊接，选用E5015低氢型焊条，焊前经30035
12、0烘干保温1h；焊件仔细清理坡口两侧20mm范围内的油污、铁锈等杂质；焊件水平放置，焊缝处于立焊位置，预热150200，焊固定焊缝45段，每段长50mm；圆周焊缝分成6段或4段，分段跳焊以减小变形，第一道焊缝焊速要稍慢，熄弧时注意填满弧坑。,4. 高碳钢的焊接,（1）焊接特点 1）高碳钢碳的质量分数大，极易淬硬，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； 2）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，同时在接头中引起的内应力也较大，更容易促使裂纹的产生。 (2) 高碳钢的焊接工艺 1)焊接方法 高碳钢焊接主
13、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)焊接材料 高碳钢的抗拉强度一般在675MPa以上，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。,当要求接头强度较高时可选择E7015-D2（J707）或E6015-D2（J607）焊条；强度要求不高时可选择E5015（J507）或E5016（J506）焊条；或者选择与以上焊条强度等级相当的低氢型低合金钢焊条；必要时可选用奥氏体不锈钢焊条，牌号与中碳钢所选焊条相同。 (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，预热和层间温度控制在250350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）焊后将焊件立即放入炉中，在650保温，进行消除应力热处理。 5）焊件刚度、厚度较大时，应采取减少应力的措施，如合理排列焊道，分段倒退焊法，焊后锤击。,
