1、碳钢的焊接

1、碳钢的焊接

按照含碳量碳钢分为：低碳钢（C≤0.3%）、中碳钢（C=0.3%-0.6%）和高碳钢（C＞0.6%）三类，不同的碳钢具有不同的焊接特点。

（1） 低碳钢的焊接

①低碳钢的焊接特点

低碳钢中的C、Mn、Si等元素含量少，通常情况下不会因为焊接产生严重的硬化组织或淬火组织。低碳钢的焊接性能优良，一般不需要预热、控制层间温度和后热，焊后也不必采用热处理改善组织。焊接完成以后，形成的焊接接头的塑性和冲击韧性较高。

②低碳钢焊接材料的选用

a.焊条

焊接低碳钢时，大多使用E43XX系列的焊条，因为低碳钢结构通常使用GB700-88的Q235牌号钢材制造，这类钢材的抗拉强度平均值为417.5MPa（42.5kgf／mm2），而 E43 X X系列焊条熔敷金属的抗拉强度不小于420MPa（ 43kgf／mm2），在力学性能上正好与之匹配。

b.埋弧焊焊丝和焊剂

低碳钢埋弧焊一般选用实心焊丝H08A或H08E，它们与高锰高硅低氟熔炼焊剂HJ430、HJ431、HJ433或HJ434配合，应用甚广。焊接时，焊剂中的MnO和SiO2在高温下与铁反应，Mn与Si得以还原，。熔池冷却时，Mn和Si既成为脱氧剂，使焊缝脱氧，同时又可有足够数量余留下来，成为合金剂，保证焊缝力学性能。 c.气体保护焊焊丝

碳钢实心焊丝主要由CO2气体保护，且主要配合50公斤级母材，其型号为ER49-1（牌号MG-49-l，即过去的H08Mn2SiA），强度稍低。

d.电渣焊焊丝和焊剂

电渣焊熔池温度比埋弧焊低，焊接过程中焊剂更新量又少，所以焊剂的Si、Mn还原作用也弱。低碳钢电渣焊时，如果仍按埋弧焊选用H08A、H08E焊丝与高锰高硅低氟焊剂配合，则焊缝得不到足够数量的Si和Mn，特别是母材和焊丝中原有的Mn还会烧损。另一方面，Mn的过渡量与焊剂碱度有关，碱度愈大，过渡量也愈大。为此，低碳钢电渣焊时，往往选用中锰高硅中氟熔炼焊剂HJ360与H10Mn2或H10MnSi焊丝配合。也可使用高锰高硅低氟焊剂（例如HJ431）与H10MnSi配合。

③低碳钢在低温下的焊接

在严寒冬天或类似的气温条件下焊接低碳钢结构，焊接接头冷却速度较快，从而裂纹倾向增大，特别是焊接大厚度或大刚度结构更是如此。其中，多层焊接的第1道焊缝开裂倾向又比其他为大。为避免裂纹，可以采取以下措施：a.焊前预热，焊时保持层间温度；b.采用低氢或超低氢焊接材料；c.点固焊时加大电流，减慢焊速，适当增大点固焊缝截面和长度，必要时施加预热；d.整条焊缝连续焊完，尽量避免中断；e.不在坡口以外的母材上打弧，熄弧时，弧坑要填满；f.弯板、矫正和装配时，尽可能不在低温下进行；g.尽可能改善严寒下劳动生产条件。以上措施可单独采用或综合采用。 （2）中碳钢的焊接

①中碳钢的焊接特点

中碳钢中的C含量较高，焊接性能较差。焊接过程中焊接热影响区容易产生硬脆的马氏体组织；如果S、P等杂质元素控制不严，容易出现热裂纹；大多数情况下中碳钢焊接需要预热、控制层间温度和后热，焊后最好进行消除应力热处理。

②中碳钢焊接材料的选用

应当尽量选用低氢焊接材料，例如低氢焊条，它们有一定脱硫能力，熔敷金属塑性和韧性良好，扩散氢量又少，所以，无论对热裂纹或氢致冷裂纹来说，抗裂性都较高。在个别情况下，也可采用钛铁矿型或钛钙型焊条，但一定要有严格的工艺措施配合，例如认真控制预热温度和尽量减少母材熔深（减少焊缝w（C）），方能有满意结果。

特殊情况下，亦可采用铬镍奥氏体不锈钢焊条焊接。这时不需预热，而焊缝奥氏体金属塑性良好，可以减少焊接接头应力，避免热影响区冷裂纹产生。用于中碳钢焊接的铬镍不锈钢焊条牌号有E308-16（A102）、E308-15（A107）、E309-16（A302）、E309-15（A307）、E310-16（A402）、 E310-15（A407）等。

③中碳钢焊接工艺特点

大多数情况下，中碳钢焊接需要预热和控制层间温度，以降低焊缝和热影响区冷却速度，从而防止产生马氏体。预热温度取决于碳当量、母材厚度、结构刚性、焊条类型和工艺方法。通常，35号和45号钢预热温度可为150～250℃，w（C）再高，或厚度大，或刚性大，则预热温度可在250～400℃。焊后最好立即进行消除应力热处理，特别是大厚度工件、大刚性结构件和苛刻的工况条件下（例如动载荷或冲击载荷）工作的工件更如此。消除应力回火温度一般为600-650℃。如果不可能立即消除应力，也应当后热，以便扩散氢逸出。后热温度不一定与预热温度相同，视具体情况而定。后热保温时间大约每10mm厚度为lh左右。当焊接沸腾钢时，加入含有足够数量脱氧剂（例如 AL、Mn、 Si）的填充金属，可以防止焊缝气孔。埋弧焊的焊丝和焊剂配合适当，可以有足够的脱氧剂，例如Si或Mn也可防止焊接沸腾钢引起焊缝气孔。

（1） 高碳钢的焊接

①高碳钢的焊接特点

高碳钢w（C）大于0.6％，除了高碳结构钢外，还包括高碳碳素钢铸件和碳素工具钢等。它们的w（C）比中碳钢更高，更容易产生硬脆的高碳马氏体，所以淬硬倾向和裂纹敏感倾向更大，从而焊接性更差。因此，这类钢实际上不用于制造焊接结构，而用于高硬度或耐磨部件、零件和工具，以及某些铸件，亦即用于工具钢和铸钢。所以它们的焊接也大多数为焊接修复。为了获得高硬度或耐磨性，高碳钢零件一般都经过热处理，常为淬火十回火，因此，焊接前应经过退火，可以减少裂纹倾向，焊后再进行热处理，以达到高硬度和耐磨要求。

②高碳钢焊接材料的选用

焊接材料通常不用高碳钢，具体根据钢的含碳量、工件设计和使用条件等，选用合适的填充金属。焊缝要与母材性能完全相同比较困难，这些钢的抗拉强度大多在675MPa以上，选用的焊接材料视产品设计要来而定，要求强度高时，一般用E7015-DZ（J707）或E6015-DI（J607），要求不高时可用E5016（J506）或 E5015（J507）等焊条，或者分别选用与以上强度等级相当的低合金钢焊条或填充金属。所有焊接材料都应当是低氢型的。必要时也可以用铬镍奥氏体不锈钢焊条焊接，其牌号与中碳钢用者相同，例如A102．A107、A142、A146、A172、A302． A307等。

③高碳钢焊接工艺特点

高碳钢应先行退火，方能焊接。采用结构钢焊条焊接时，焊前必须预热，一般为250-350℃以上。焊接过程中还需要保持与预热一样的层间温度。焊后工件保温，并立即送入炉中，在650℃保温，进行消除应力热处理。工件刚度、厚度较大时，应采取减少焊接应力的措施，例如合理排列焊道，分段倒退焊法，焊后锤击等。

2、低合金钢的焊接

低合金钢一般是在碳钢的基础上添加一定数量的合金化元素制成的，合金元素的含量一般不超过5%。常用的低合金钢分为高强度钢、低温用钢、耐腐蚀用钢和珠光体耐热钢四类。

（1） 低合金高强钢的焊接

①低合金高强钢的分类

低合金高强度钢的分类是按照力学性能划分的，钢的牌号由代表屈服点的汉语拼音字母“Q”、屈服点数值、质量等级符号三个部分按顺序排列。按照钢的屈服强度，低合金高强度钢分5个强度等级，分别是295MPa、345MPa、390MPa、420MPa及460MPa。每个强度等级又根据冲击吸收功要求分成A、B、C、D、E5个质量等级，分别代表不同的冲击韧性要求。

②低合金高强钢的焊接性

低合金高强度钢含有一定量的合金元素及微合金化元素，其焊接性与碳钢有差别，主要是焊接热影响区组织与性能的变化对焊接热输

入较敏感，热影响区淬硬倾向增大，对氢致裂纹敏感性较大，含有碳、氮化合物形成元素的低合金高强度钢还存在再热裂纹的危险等。

a.焊接热影响区组织与性能

依据焊接热影响区被加热的峰值温度不同，焊接热影响区可分为熔合区（ 1350-1450℃）、粗晶区（1000-1300℃）、细晶区（800-1000℃）、不完全相变区（ 700-800℃）及回火区（ 500-700℃）。不同部位热影响区组织与性能取决于钢的化学成分和焊接时加热和冷却的速度。对于某些低合金高强钢，如果焊接冷却速度控制不当，焊接热影响区局部区域将产生淬硬或脆性组织，导致抗裂性或韧性降低。

低合金高强度钢焊接时，热影响区中被加热到1100℃以上的粗晶区及加热温度为700-800℃的不完全相变区是焊接接头的两个薄弱区。热轧钢焊接时，如果焊接热输入过大，粗晶区将因晶粒严重长大或出现魏氏组织等而降低韧性；如果焊接热输入过小，由于粗晶区组织中马氏体比例增大而降低韧性。正火钢焊接时，粗晶区组织性能受焊接热输入的影响更为显著。Nb、V微合金化的14MnNb、Q420等正火钢焊接时，如果热输入较大，粗晶区的Nb（C，N）、V（ C，N）析出相将因溶于奥氏体中，从而失去了抑制奥氏体晶粒长大及细化组织的作用，粗晶区将产生粗大的粒状贝氏体、上贝氏体组织而导致粗晶区韧性的显著降低。焊接热影响区的不完全相变区，在焊接加热时，该区域内只有部分富碳组元发生奥氏体转变，在随后的焊接冷却过程中，这部分富碳奥氏体将转变成高碳孪晶马氏体，而且这种高碳马氏体的转变终了温度（Mf）低于室温，相当一部分奥氏体残留在马氏体岛的周围，形成所谓的M-A组元。M-A组元的形成是该区域的组织脆化的主要原因。防止不完全相变区组织脆化的措施是控制焊接冷却速度，避免脆硬的马氏体产生。

焊接热影响区软化是控轧控冷钢焊接时遇到的主要问题，当采用埋弧焊、电渣焊及闪光对焊等高热输入焊接工艺方法时，控轧控冷钢焊接热影响区软化问题变得非常突出。焊接热影响区的软化使焊接接头强度明显低于母材，给焊接接头的疲劳性能带来损害。另外，焊接热输入还影响控轧控冷钢热影响区的组织和韧性，当采用较小的热输入焊接时，由于焊接冷却速度较快，焊接热影响区获得下贝氏体组织，具有较优良的韧性，而随着焊接热输入的增加，焊接冷却速度降低，焊接热影响区获得上贝氏体或侧板条铁素体组织，韧性显著降低。

b.热应变脆化

在自由氮含量较高的C-Mn系低合金钢中，焊接接头熔合区及最高加热温度低于AC3的亚临界热影响区，常常有热应变脆化现象。一般认为，这种脆化是由于氮、碳原子聚集在位错周围，对位错造成打孔作用所造成的。热应变脆化容易在最高加热温度范围200-400℃的亚临界热影响区产生。如有缺口效应，则热应变脆化更为严重，熔合区常常存在缺口性质的缺陷，当缺陷周围受到连续的焊接热应变作用后，由于存在应变集中和不利组织，热应变脆化倾向就更大，所以热应变脆化也容易发生在熔合区。

c.冷裂纹敏感性

焊接氢致裂纹（通常称焊接冷裂纹或延迟裂纹）是低合金高强度钢焊接时最容易产生，而且是危害最为严重的工艺缺陷，它常常是焊接结构失效破坏的主要原因。低合金高强度钢焊接时产生的氢致裂纹主要发生在焊接热影响区，有时也出现在焊缝金属中。根据钢种的类型、焊接区氢含量及应力水平的不同，氢致裂纹可能在焊后200℃以下立即产生，或在焊后一段时间内产生。研究表明，当低合金高强度钢焊接热影响区中产生淬硬的M或M＋B＋F混合组织时，对氢致裂纹敏感；而产生B或B＋F组织时，对氢致裂纹不敏感。热影响区最高硬度可被用来粗略的评定焊接氢致裂纹敏感性。对一般低合金高强度钢，为防止氢致裂纹的产生，焊接热影响区硬度应控制在350HV以下。热影响区淬硬倾向可以采用碳当量公式加以评定。