1各种钢材焊接知识要点[1]

各种钢材焊接知识要点(一)

发布日期：2010-5-1 [ 收藏 评论 没有找到想要的知识 ] 1 什么是焊接性？试述碳钢的焊接性。

焊接性是指材料在限定的施工条件下焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。焊接性受材料、焊接方法、构件类型及使用要求四个因素的影响。

碳钢是以铁元素为基础的，铁碳合金，碳为合金元素，其碳的质量分数不超过1%，此外，锰的质量分数不超过1.2%，硅的质量分数不超过0.5%，后两者皆不作为合金元素。其它元素如Ni、Cr、Cu等均控制在残余量的限度以内，更不作为合金元素。杂质元素如S、P、O、N等，根据钢材品种和等级的不同，均有严格限制。因此，碳钢的焊接性主要取决于含碳量，随着含碳量的增加，焊接性逐渐变差，其中以低碳钢的焊接性最好，见表1。

表1 碳钢焊接性与含碳量的关系

2 什么是碳当量？碳钢的碳当量如何计算？

把钢中合金元素（包括碳）的含量按其作用换自成碳的相当含量，称为该种钢材的碳当量，可作为评定钢材焊接性的一种参考指标。

碳钢中的元素除C外，主要是Mn和Si，它们的含量增加，焊接性变差，但其作用不及碳强烈。国际焊接学会推荐的碳当量公式为

Mn Cu+Ni Cr+Mo+V

CE（IIW）= C + ── + ──── + ────── （质量分数）（%）

6 15 5

随着碳当量值的增加，钢材的焊接性会变差。当CE值大于0.4%～0.6%时，冷裂纹的敏感性将增大，焊接时需要采取预热、后热及用低氢型焊接材料施焊等一系列工艺措施。

3 利用碳当量值评价钢材焊接性有何局限性？

碳当量值只能在一定范围内，对钢材概括地、相对地评价其焊接性，这是因为：

1）如果两种钢材的碳当量值相等，但是含碳量不等，含碳量较高的钢材在施焊过程中容易产生淬硬组织，其裂纹倾向显然比含碳量较低的钢材来得大，焊接性较差。因此，当钢材的碳当量值相等时，不能看成焊接性就完全相同。

2）碳当量计算值只表达了化学成分对焊接性的影响，没有考虑到冷却速度不同，可以得到不同的组织，冷却速度快时，容易产生淬硬组织，焊接性就会变差。

3）影响焊缝金属组织从而影响焊接性的因素，除了化学成分和冷却速度外，还有焊接循环中的最高加热温度和在高温停留时间等参数，在碳当量值计算公式中均没有表示出来。

因此，碳当量值的计算公式只能在一定的钢种范围内，概括地、相对地评价钢材的焊接性，不能作为准确的评定指标。

4 试述低碳钢的焊接性。

由于低碳钢含碳量低，锰、硅含量也少，所以，通常情况下不会因焊接而产生严重硬化组织或淬火组织。低碳钢焊后的接头塑性和冲击韧度良好，焊接时，一般

不需预热、控制层间温度和后热，焊后也不必采用热处理改善组织，整个焊接过程不必采取特殊的工艺措施，焊接性优良 。

但在少数情况下，焊接时也会出现困难：

1）采用旧冶炼方法生产的转炉钢含氮量高，杂质含量多，从而冷脆性大，时效敏感性增加，焊接接头质量降低，焊接性变差。

2）沸腾钢脱氧不完全，含氧量较高，P等杂质分布不均，局部地区含量会超标，时效敏感性及冷脆敏感性大，热裂纹倾向也增大。

3）采用质量不符合要求的焊条，使焊缝金属中的碳、硫含量过高，会导致产生裂纹。如某厂采用酸性焊条焊接Q235－A钢时，因焊条药皮中锰铁的含碳量过高，会引起焊缝产生热裂纹。

4）某些焊接方法会降低低碳钢焊接接头的质量。如电渣焊，由于线能量大，会使焊接热影响区的粗晶区晶粒长得十分粗大，引起冲击韧度的严重下降，焊后必需进行细化晶粒的正火处理，以提高冲击韧度。

总之，低碳钢是属于焊接性最好、最容易焊接的钢种，所有焊接方法都能适用于低碳钢的焊接。

5 低碳钢焊接时，如何正确地选用焊接材料？

⑴手弧焊焊条的选用 常用低碳钢Q235的抗拉强度平均值为417.5MPa，根据等强度原则，与之匹配的焊条应为E43系列。几种不同钢号的低碳钢手弧焊时焊条的选用，见表2。

表2 低碳钢手弧焊时焊条的选用

注：表中括弧内的焊条型号表示可以代用。

⑵埋弧焊焊丝和焊剂的匹配选用 低碳钢埋弧焊时焊丝和焊剂的匹配选用，见表3。

表3 低碳钢埋弧焊焊丝与焊剂的匹配选用

⑶CO2焊丝的选用 实芯焊丝选用牌号为H08Mn2Si和H08Mn2SiA两种，焊后熔敷

金属强度偏高。药芯焊丝选用牌号为YJ502-1、YJ506-2、YJ506-3、YJ506-4。 ⑷电渣焊焊丝和焊剂的匹配选用 电渣焊熔池温度比埋弧焊低，所以焊剂中的硅、锰还原作用弱，应选用含锰、含硅量较高的焊丝。常选用H10Mn2、H10MnSi焊丝配合焊剂HJ360或H10MnSi焊丝配合焊剂HJ431。

6 低碳钢在低温下如何施焊？

严冬条件下焊接低碳钢结构时，由于焊接接头的冷却速度快，使裂纹倾向增大，特别是厚大结构的第一道焊缝容易开裂，为此必需采取如下工艺措施：

1）焊前预热，焊接过程中严格保持层间温度不应低于预热温度。

2）采用低氢或超低氢焊接材料。

3）定位焊时加大焊接电流，减慢焊接速度，适当增加定位焊缝的截面积和长度，必要时进行预热。

4）整条焊缝应尽量连续焊完，避免中断。

5）不应坡口面以外的母材上进行引弧，熄弧时需填满弧坑。

6）尽可能不在低温条件下进行弯板、矫正和装配焊件。

各种金属结构低温焊接时的预热温度见表4。管道、压力容器低温焊接时的预热温度见表5。

表4 低碳钢金属结构低温焊接的预热温度

表5 低碳钢管道、压力容器低温焊接的预热温度

7 试述中碳钢的焊接性。

中碳钢的碳的质量分数为0.25%～0.60%。当碳的质量分数接近0.25%而含锰量不高时，焊接性良好。随着含碳量的增加，焊接性逐渐变差。如果碳的质量分数为0.45%左右而仍按焊接低碳钢常用的工艺施焊时，在热影响区可能会产生硬脆的马氏体组织，易于开裂，即形成冷裂纹。

焊接时，相当数量的母材被熔化进入焊缝，使焊缝的含碳量增高，促使在焊缝中产生热裂纹，特别是当硫的杂质控制不严时，更易出现。这种裂纹在弧坑处更为敏感，分布在焊缝中的热裂纹于是与焊缝的鱼鳞状波纹线相垂直，见图1。

8 中碳钢焊接时，如何正确地选用焊条？

中碳钢的焊接目前大都采用手弧焊。为提高焊接接头的抗裂性，应选用低氢型焊条。个别情况下，也可采用钛钙型和钛铁矿型酸性焊条，但此时应采取严格的工艺措施，如焊前预热、减少熔合比（降低焊缝含碳量）等。

中碳钢手弧焊时焊条的选用，见表6。

表6 中碳钢手弧焊时焊条的选用

特殊情况下，中碳钢焊接时可采用铬镍不锈钢焊条，如E0- 19-10-16 （A102）、E0-19-10-5（A107）、E1-23-13-16（A302）、E1-23-13-15（A307）、E2-26-21-16（A402）、E2-26-21-15（A407）等，因奥氏体焊缝金属的塑性良好，可以减小焊接接头应力，即使焊件焊前不预热，也可避免热影响区产生冷裂纹。 9 试述中碳钢的焊接工艺要点。

⑴预热 预热有利于减低中碳钢热影响区的最高硬度，防止产生冷裂纹，这是焊接中碳钢的主要工艺措施，预热还能改善接头塑性，减小焊后残余应力。通常，35和45钢的预热温度为150～250℃含碳量再高或者因厚度和刚度很大，裂纹倾向大时，可将预热温度提高至250～400℃。

若焊件太大，整体预热有困难时，可进行局部预热，局部预热的加热范围为焊口两侧各150～200mm。

⑵焊条 条件许可时优先选用碱性焊条。

⑶坡口形式 将焊件尽量开成U形坡口式进行焊接。如果是铸件缺陷，铲挖出的坡口外形应圆滑，其目的是减少母材熔入焊缝金属中的比例，以降低焊缝中的含碳量，防止裂纹产生。

⑷焊接工艺参数 由于母材熔化到第一层焊缝金属中的比例最高达30%左右，所以第一层焊缝焊接时，应尽量采用小电流、慢焊接速度，以减小母材的熔深。 ⑸焊后热处理 焊后最好对焊件立即进行消除应力热处理，特别是对于大厚度焊件、高刚性结构件以及严厉条件下（动载荷或冲击载荷）工作的焊件更应如此。消除应力的回火温度为600～650℃。

若焊后不能进行消除应力热处理，应立即进行后热处理。

10 试述高碳钢的焊接工艺要点。

⑴焊接性 当高碳钢的碳的质量分数大于0.60%时，焊后的硬化、裂纹敏感倾向更大，因此焊接性极差，不能用于制造焊接结构。常用于制造需要更硬度或耐磨的部件和零件，其焊接工作主要是焊补修复。

⑵焊条选用 由于高碳钢的抗拉强度大都在675MPa以上，所以常用的焊条型号为E7015、E6015，对构件结构要求不高时可选用E5016、E5015焊条。此外，亦可采用铬镍奥氏体钢焊条进行焊接。

⑶焊接工艺

1）由于高碳钢零件为了获得高硬度和耐磨性，材料本身都需经过热处理，所以焊前应先进行退火，才能进行焊接。

2）焊件焊前应进行预热，预热温度一般为250～ 350℃ 以上，焊接过程中必需保持层间温度不低于预热温度。

3）焊后焊件必需保温缓冷，并立即送入炉中在 650℃ 进行消除应力热处理。 11 低合金高强钢的碳当量如何计算？

低合金高强钢碳当量的计算公式目前以国际焊接学会（IIW）所推荐的CE和日本JIS标准所规定的Ceq应用最为广泛，其计算公式为

Mn Cr+Mo+v Cu+Ni

CE（IIW）=C + ── + ───── + ─── （质量分数）（%） 6 5 15

Mn Si Ni Cr Mo V

Ceq（JIS）=C + ─── + ─── + ─── + ─── + ─── + ─── （质量分数）（%）

6 24 40 5 4 14

式中，化学元素都表示该元素在钢中的质量分数，计算时，元素含量均取其成分范围的上限。CE主要适用于文艺报非调质量低合金高强钢（σb=500～900MPa）焊接性的估算；Ceq主要适用于低碳钢调质钢和低合金高强钢（σb=500～1000M

Pa），但均适用于含碳量偏高的钢种（C的质量分数≥0.18%），这类钢化学成分的范围如下

C的质量分数为≤0.2%、Si≤0.55%、Mn≤1.5%、Cu≤0.5%、Ni≤2.5%、Cr≤1.25%、Mo≤0.7%、V≤0.1%和B≤0.006%。

12 试述低合金高强钢的焊接性。

强度级别较低的低合金高强钢，如300～400MPa级，由于钢中合金元素含量较少，其焊接性良好，接近于低碳钢。随着钢中合金元素的增加，强度级别提高，钢的焊接性也逐渐变差，出现的主要问题是：

⑴热影响区的淬硬倾向 含碳时较少、强度级别较低的钢种，如09Mn2、09Mn2Si、09MnV钢等，淬硬倾向很小。随着强度级别的提高，淬硬倾向也开始加大，如16Mn、15MnV钢焊接时，快速度冷却会导致在热影响区出现马氏体组织。 ⑵冷裂纹 低合金高强钢焊接时，热影响区的冷裂纹倾向加大，并且这种冷裂纹往往具有延迟的性质，危害性很大。例如，材料为18MnMoNb钢壁厚 115mm 的一大型容器，由于预热温度不够，焊后在热影响区形成大量冷裂纹。

低合金高强钢的定位焊缝很容易开裂，其原因是由于焊缝尺寸小、长度短、冷却速度快，这种开裂属于冷裂纹性质。

⑶热裂纹 一般情况下，强度等级为294～392MPa的热轧、正火钢，热裂倾向较小，但在厚壁压力容器的高稀释率焊道（如根部焊道或靠近坡口边缘的多层埋弧焊焊道）中也会出现热裂纹。电渣焊时，若母材的含碳量偏高并含镍时，电渣焊缝中可能会出现呈八字形分布的热裂纹。

强度等级为800～1176MPa的中碳调质钢（如30CrMnSiA钢），焊接时热裂的敏感性较大。

⑷粗晶区脆化 热影响区中被加热至 1100℃ 以上的粗晶区，当焊接线能量过大时，粗晶区的晶粒将迅速长大或出现魏氏组织而使韧性下降，出现脆化段。 13 试述低合金高强钢焊接时的主要工艺措施。

⑴预热 预热是防止裂纹的有效措施，并且还有助于改善接头性能。但预热会恶化劳动条件，使生产工艺复杂化，过高的预热温度还会降低接头韧性。因此，焊前是否需要预热以及预热温度的确定应根据钢材的成分（碳当量）、板厚、结构形状、刚度大小以及环境温度等决定。

⑵焊接线能量的选择 含碳低的热轧钢（09Mn2、09MnNb钢等）以及含碳量偏下限的16Mn钢焊接时，因为这些钢的冷裂淬硬、脆化等倾向小，所以对焊接线能量没有严格的限制。焊接含碳量偏高的16Mn钢时，为降低淬硬倾向，焊接线能量应偏大一点。对于含V、Nb、Ti的钢种，为降低热影响区粗晶脆化所造成的不

利影响，应选择较小的焊接线能量。如15MnVN钢的焊接线能量应控制在40～45kJ/cm以下。

对于碳及合金元素含量较高而屈服点为490MPa的正火钢（如18MnMoNb钢等），因淬硬倾向大，应选择较大的焊接线能量，但当采用焊前预热时，为了避免过热倾向，可以适当地减少线能量。

⑶后热及焊后热处理 后热是指焊接结束或焊完一条焊缝后，将焊件立即加热至150～250℃范围内，并保温一段时间，使接头中的氢扩散逸出，防止延迟裂纹产生。

对于厚壁容器、高刚性的焊接结构以及一些在低温、耐蚀条件下工作的构件，焊后应及时进行消除应力的高温回火，其目的是消除焊接残余应力，改善组织。 焊后立即进行高温回火的焊件，无需再进行后热处理。

14 低合金高强钢焊接时，如何正确地选用焊接材料？

总的原则是根据等强度的要求，即熔敷金属的强度等级应与母材在同一档次来选用焊接材料，具体选用，见表7。

表7 低合金高强钢焊接材料的选用

15 试述16Mn钢的焊接工艺。 16Mn钢属于碳锰钢，碳当量为0.345%～0.491%，屈服点等于343MPa（强度级别属于343MPa级）。16Mn钢的合金含量较少，焊接性良好，焊前一般不必预热。

但由于16Mn钢的淬硬倾向比低碳钢稍大，所以在低温下（如冬季露天作业）或在大刚性、大厚度结构上焊接时，为防止出现冷裂纹，需采取预热措施。不同板厚及不同环境温度下16Mn钢的预热温度，见表8。

16Mn钢手弧焊时应选用E50型焊条，如碱性焊条E5015、E5016，对于不重要的结构，也可选用酸性焊条E5003、E5001。对厚度小、坡口窄的焊件，可选用E4315、E4316焊条。

表8 焊接16Mn钢的预热温度

16Mn钢埋弧焊时H08MnA焊丝配合焊剂HJ431（开I形坡口对接）或H10Mn2焊丝配合焊剂HJ431（中板开坡口对接），当需焊接厚板深坡口焊缝时，应选用H08MnMoA焊丝配合焊剂HJ431。

16Mn钢是目前我国应用最广的低合金钢，用于制造焊接结构的16Mn钢均为16MnR和16Mng钢。

16 试述18MnMoNb钢的焊接工艺。

18MnMoNb钢的屈服点等于490MPa（属于490MPa级钢），由于碳及合金钢元素的含量都较高，所以淬火硬倾向及冷裂倾向均比16Mn钢大。焊接工艺要点：

1）除电渣焊外，焊前对焊件应采取预热措施，预热温度控制在150～ 180℃ 。对于刚度较大的接头，预热温度应提高至180～ 230℃ 。焊后或中断焊接时，应立即进行250～ 350℃ 的后热处理。

2）焊接材料的选用，见表7。

3）为保证接头性能和质量，应适当控制焊接线能量，如手弧焊时，焊接线能量应控制在24kJ/cm以下；埋弧焊时，焊接线能量应控制在35kJ/cm以下。但焊接线能量不能过小，否则焊接接头易出现淬硬组织和降低韧性。同时，层间温度应控制在预热温度和 300℃ 之间。

4）焊后应进行热处理。电渣焊接头热处理的方式是900～ 980℃ 正火加630～ 670℃ 回火。手弧焊及埋弧焊接头进行消除焊接残余应力的高温回火处理，回火温度比一般钢材回火温度低 30℃ 左右。

17 试述低温用钢的焊接工艺。

工作温度等于或低于－ 20℃ 的低碳素结构钢和低合金钢称为低温用钢，其牌号及成分，见表9。对低温用钢的主要要求是应保证在使用温度下具有足够的塑性及抵抗脆性破坏的能力。

表9 低温容器用钢的牌号及成分

低温用钢由于含碳量低,淬硬倾向和冷裂倾向小，所以焊接性良好。焊接时，为避免焊缝金属及热影响区形成粗晶组织而降低低温韧性，要求采用小的焊接线能量，焊接电流不宜过大，宜用快速多道焊以减轻焊道过热，并通过多层焊的重热作用细化晶粒，多道焊时要控制层间温度不得过高，如焊接06MnNbDR低温用钢时，层间温度不得大于 300℃ 。

焊接低温用钢的焊条，见表10。

表10 焊接低温用钢焊条

低温用钢焊后可进行消除应力热处理，以降低焊接结构的脆断倾向。 18 试述珠光体耐热钢的焊接工艺。

高温下具有足够的强度和抗氧化性的钢称为耐热钢，以Cr、Mo为主要合金元素的低合金耐热钢，基体组织是珠光体（或珠光体+铁素体）称为珠光体耐热钢，常用钢号有15CrMo、12CrMoV、12Cr2MoWVTiB、14MnMov、18MnMoNb、13MnNiMoNb。

由于珠光体耐热钢中含有一定量的Cr、Mo和其它一些合金元素，所以热影响区会产生硬脆的马氏体组织，低温焊接或焊接刚性较大的结构时，易形成冷裂纹。因此在焊接时应采取以下几项工艺措施：

⑴预热 预热是焊接珠光体耐热钢的重要工艺措施。为了确保焊接质量，不论在定位焊或正式施焊过程中，焊件都应预热并保持为80～150℃用氩弧焊打底和CO2气体保护焊时，可以降低预热温度或不预热。

⑵焊后缓冷 焊后应立即用石棉布覆盖焊缝及热影响区，使其缓慢冷却。 ⑶焊后热处理 焊后应立即进行高温回火，防止产生延迟裂纹、消除应力和改善组织。焊后热处理温度应避免在350～500℃温度区间内进行，因珠光体耐热钢在该温度区间内有强烈的加火脆性现象。几种常用珠光体耐热钢的焊后热处理温度见表11。

表11 珠光体耐热钢焊后热处理温度

19 珠光体耐热钢焊接时，如何正确地选用焊接材料？

总的原则是根据化学成分的要求，即熔敷金属的化学成分应与母材相当来选用焊接材料。具体选用，见表12。

表12 珠光体耐热钢焊接材料的选用

原则上，各种金属都能进行焊接，但金属本身固有的基本性能，还不能直接表明它在焊接时会出现什么问题以及焊接后接头性能是否能满足使用要求，所以，金属材料对焊接加工的适应性用焊接性来衡量。

1．焊接性概念

金属的焊接性是指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。其内容包括两个方面：一是金属在经受焊接加工时对缺陷的敏感性，即工艺焊接性；二是焊成的接头在使用条件下可靠运行的能

力，即使用焊接性。

1）工艺焊接性

工艺焊接性是一个相对的概念，如果一种金属可以在很简单的工艺条件下焊接而获得完好的接头，能够满足使用要求，就可以说是焊接性良好。反之，如果必须保证很复杂的工艺条件，如高温预热、焊后复杂热处理等，或所焊的接头在性能上不能很好地满足要求，就可以认为焊接性差。工艺焊接性就是指金属在一定的工艺条件下，能得到优质焊接接头的能力。它不是金属本身固有的性能，而是随焊接条件的变化

而变化。

2）使用焊接性

使用焊接性是指整个焊接接头或整体结构满足技术条件规定的使用性能的程度。包括力学性能、缺口

敏感性、耐腐蚀性等。

2．焊接性试验方法

金属材料的可焊性是指被焊金属在采用一定的焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构型式条件下，获得优质焊接接头的难易程度。

钢材可焊性的主要因素是化学成分。在各种元素中，碳的影响最明显，其它元素的影响可折合成碳的影响，因此可用碳当量方法来估算被焊钢材的可焊性。硫、磷对钢材焊接性能影响也很大，在各种合格钢材中，硫、磷都要受到严格限制。

钢材塑性良好，淬硬倾向不明显，可焊性良好。

钢材塑性下降，淬硬倾向明显，可焊性较差。

钢材塑性较低，淬硬倾向很强，可焊性不好。

常用钢材的可焊性一般为低碳及低合金钢较好，中碳及中合金钢较差，高碳及高合金钢最差

铸铁含碳量高，组织不均匀，塑性很低，属于可焊性很差的金属材料，因此不应该考虑铸铁的焊接构件。铸铁的焊接主要是焊补工作。铸铁焊补时熔合区易产生白口组织，易产生裂缝，易产生气孔。

焊前将铸铁工件整体或局部预热到600～ 700℃ ，焊后缓慢冷却的工艺称为热焊法。

焊补之前，工件不预热或只进行 400℃ 以下低温预热的焊补方法称为冷焊法。冷焊法一般是用手工电弧焊进行焊补

钢芯铸铁焊条焊丝为低碳钢，一种是药皮有强氧化性成分能使熔池中的硅、碳大量烧损，以获得塑性较好的低碳钢焊缝。另一种是在药皮中加入大量钒铁，能使焊缝金属成为高钒钢，因此具有较好的抗裂性及加工性，可用于高强度铸铁及球墨铸铁的补焊。

镍基铸铁焊条焊丝是纯镍或镍铜合金，焊补后，焊缝为塑性好的镍基合金。 铜基铸铁焊条用铜丝作焊芯或用铜芯铁皮焊芯，外涂低氢型涂料。 有色金属可焊性较差，一般用氩弧焊方法焊接。

异种金属焊接性也较差，通过增加过渡层金属和堆焊隔离层的方法解决熔合和母材金属稀释问题 研究在熔化焊接过程中所发生的“气体- 熔渣- 金属”之间的物理、化学变化，熔化金属的结晶凝固，以及由于焊接热循环造成的焊接热影响区内金属的组织和性能的变化。运用冶金学的知识研究焊接过程，促进了焊接的发展；同时焊接冶金的发展也促使出现了新的冶金工艺──二次重熔。

焊接化学冶金 焊接化学冶金反应的特点是温度高而时间短促；相间反应界面的比表面积大；因此，反应极为激烈。焊接化学冶金过程是分区域（或阶段）连续进行的；以手工电弧焊为例，可分为药皮反应区、

熔滴反应区和熔池反应区（图1）。

焊接熔渣是在焊接过程中，主要由焊条药皮或焊剂形成的，起冶金处理、机械保护金属和改善焊接工艺性能的作用。焊接熔渣的主要组成是各种氧化物，还有氟化物、氯化物和硼酸盐类。氧化物有酸性的、中性的和碱性的。衡量熔渣的碱性强弱采用碱度，最常用和简便的计算方法是碱性氧化物的重量总和同酸性氧化物的重量总和之比（见炉渣）。碱度大于 1.3的焊渣称为碱性渣，反之称为酸性渣。焊渣碱度对焊接冶金过程有很大影响。采用碱性焊渣时，焊缝金属具有较好的综合机械性能，抗裂性能提高，同时焊缝的脱氧及脱硫也较好。

完善的脱氧可提高焊缝金属（如钢）的综合机械性能。焊接时的脱氧过程可分为两类：①先期脱氧，即焊条药皮或焊剂中的脱氧剂(Mn、Si、Al、Ti等)与高价氧化物和碳酸盐类在焊接的熔池中早期发生还原反应。②沉淀脱氧，溶于液态金属（如钢液）中的脱氧剂直接与金属液体中的FeO发生脱氧反应；各种钢焊接时,利用Si、Mn联合脱氧能取得较好的脱氧效果。沉淀脱氧在脱氧过程中起最后的决定性作用。 焊缝金属的凝固 焊接熔池的凝固条件不同于一般铸锭。焊接熔池体积小、温度高而不均匀，中心温度近于沸点，而周围都是未熔化的被焊接金属（母材），因此温度梯度大、冷却速度快。焊缝凝固结晶始于熔池边缘的最低温度处，以半熔化的母材金属晶粒为非自发晶核，开始结晶生长，即所谓“联生结晶”。另一特点为由于冷却速度快，所以结晶从半熔化的晶粒表面开始后，沿着与散热相反的方向，以柱状晶的形态向熔池中心迅速生长，直到柱状晶互相接触为止。同时，由于柱状晶的生长速度很快，熔池中即使存在着难熔质点，也很难作为晶核长大成等轴晶粒。这样，焊缝就具有柱状晶特征（图2）。

焊接热作用特点 焊接热源的局部集中，导致不均匀的温度场。离焊缝越远，被加热达到的峰值温度越低，如图3所示。不均匀的温度场将引起不均匀的应力和变形，并造成不均匀的组织和性能变化。此外，焊接热源始终处于运动状态之中，焊接区中任何一点的温度变化都是准稳态，热源移近时迅速升温，热源移开时则迅速降温。这就决定了焊接过程中所发生的各种冶金学变化都无法达到平衡状态。

焊接热循环特性 焊接区某点的温度随时间的变化过程称为焊接热循环。图4为单道焊接的热循环特性。温度很快地升高到峰值温度(Tmax，例如低合金钢手弧焊时在4秒内即可升到 1100℃ 。而高温停留时间tH很短,例如在Ac3（见铁碳平衡图）以上只有几秒到十几秒钟。冷却速度ωc相当大，往往会引起淬火。决定焊接热循环特性的主要因素是材料的热物理性能、焊件尺寸、焊件初始温度以及焊接工艺参数。

多道焊时，其焊接热循环具有更为复杂的特点。后一焊道对前一焊道起后热作用，产生热处理效果；而前一焊道对后一焊道具有预热的作用。

焊接热影响区的范围和组织变化 加热峰值温度低于材料的熔化温度(Ts)而又高于材料能发生组织变化的临界温度(Tcr)的母材区域,即为热影响区。对大多数非调质钢常取其Ac1为其Tcr；而对调质钢，其实际回火温度即为其Tcr。在焊接热循环的作用下,热影响区内实质上在进行着一种特殊形式的热处理，其结果往往是使焊前的热处理效果受到破坏，在不同的局部位置会产生种种组织变化，从而引起硬化、软化以及脆化现象，甚至还会产生焊接裂纹。 一般说来，对调质钢而言,凡超过Ac1的部位可能产生淬火组织,而温度介于Ac1和原始温度之间的部位将进行回火过程。对非调质钢而言,在超过Ac1的部位由于发生相变,随温度不同而使其晶粒粗细差别很大。例如图5为正火处理的15MnVNb钢埋弧自动焊时的热影响区组织变化特征。

对于沉淀强化合金，在热影响区内将产生相的溶解和析出过程，常可见到粗晶粒的局部固溶区和由于过时效而产生的软化。对于冷作强化的金属，在热影响区内由于发生回复和再结晶过程，而可出现软化区域。

第四节 常用金属材料的焊接

金属材料的焊接性，俗称可焊性，是指金属材料对焊接加工的适应性。主要指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。

焊接奥氏体不锈钢时，很容易获得无缺陷的焊接接头，即接合性能好。

金属材料的焊接性主要决定于焊接接头的组织及其性能。一般说来，焊接同种金属材料时，接头组织与焊件相同或相近，焊接性较好；焊接异种金属材料时，接头组织至少与某一焊件不同，焊接性较差。无论采用何种材料焊接，如果焊接接头中形成又脆又硬的组织，则焊接性就差。

一般说来，铸造要产生铸造热应力，锻造要产生形变应力，热处理要产生组织应力。熔焊和钎焊的焊缝金属可以近似看成是经历了铸造过程；压焊接头可以近似看成是经历了锻造过程。焊接时局部加热后冷却可以近似看成是焊接接头经历了热处理过程。因此，焊接过程中焊件内将产生热应力、形变应力和组织应力，它们的矢量和就是焊接应力。焊接应力将导致焊接接头产生裂纹的倾向和焊件的变形。如果被焊材料具有良好的塑性，将可能通过塑性变形减缓应力，从而减少热裂纹、冷裂纹产生的倾向性。因此，材料的塑性也是影响其焊接性的一个重要因素。

一、金属材料的焊接性

钢材焊接性评定的最简便方法就是碳当量法。在钢材的成分中，影响最大的是碳。其次是锰、铬、钒

等，通常把钢中合金元素（包括碳）的含量按其作用换算成碳的相当含量，称为碳当量，用符号CE来表示。碳当量可作为评定钢材焊接性的一种参考指标。国际焊接学会推荐碳素结构钢、低合金高强度结构钢按下面公式计算其碳当量。

式中化学元素符号表示该元素在钢中质量分数的上限。实践证明，碳当量越大，钢材的焊接性就越差。 根据经验，当：

CE＜0.4%时，钢材的淬硬倾向小，焊接性良好，焊接这类材 料时一般不需预热。只有在工件厚大或低温下焊接时才考虑焊前预热。

CE＝0.4%-0.6%时，钢材的淬硬倾向较大，焊接性较差，需要采用适当的预热、缓冷等工艺措施。 CE＞0.6%时，钢材的淬硬倾向严重，焊接性差，需要进行较高温度的预热和采取严格的工艺措施。 利用碳当量法只能简便粗略地评定钢材的焊接性，因为钢材的焊接性还要受许多因素的影响。钢材的实际焊接性，还应根据焊件的具体情况通过试验确定。

二、常用金属材料的焊接

（一）非合金钢及合金钢的焊接性

1、低碳钢的焊接由于低碳钢中碳的质量分数不大于

0.25%，有良好的塑性，也没有淬硬倾向，所以，焊接性良好。

几乎所有的焊接方法都可适用于焊接低碳钢，并能保证焊接接头质量。应用最多的方法是焊条电弧焊、埋弧、自动焊、电渣焊、气体保护焊和电阻焊。

２、中高碳钢的焊接由于中碳钢中碳的质量分数在0.25%-

0.6%之间，含碳量比较高，淬硬性比较严重，焊接接头易形成淬硬组织、气孔和裂纹，因此，焊接性比较差。

对于碳的质量分数大于0.6%的高碳钢，其焊接性更差，有着与中碳钢相似的焊接特点，这类钢一般不用于制造焊接结构件，有时只用来修补工件。

3、低合金高强度结构钢的焊接 在焊接生产中，由于低合金高强度结构钢的含碳量属于低碳钢范围，因此，应用较广。但由于合金元素的种类和含量不同，其焊接性也有所不同，当碳当量越高，焊接性就越差。

4、奥氏体不锈钢的焊接性在不锈钢焊接材料中，应用最广泛的是奥氏体不锈钢，其焊接时，一般不需采用特殊的工艺措施，焊接性能良好。

奥氏体不锈钢常用焊条电弧焊和钨极氩弧焊或埋弧自动焊进行焊接，焊条电弧焊时，焊条的化学成分必须与母材相同；氩弧焊和埋弧自动焊时，应选用能保证焊缝化学成分与母材相同的焊丝。

第三节 低碳调质钢的焊接

一、低碳调质钢典型钢种成分及性能

热扎和正火条件下，钢中通过增加合金元素的含量来提高强度，其结果是塑性和韧性降低，而且随着强度提高越多，塑性和韧性降低越多。当钢中合金元素含量超过一定范围后会出现韧性的大幅度下降。因此，抗拉强度大于600MPa的高强钢一般都需要调质处理。

因此低碳调质钢提高强度不单纯通过合金强化，还要通过热处理——调质强化处理。钢中一般加入Mn、Cr、Ni、Mo、V、Nb、B、Ti等元素，目的是保证足够的淬透性和马氏体回火稳定性，使珠光体和贝氏体转变推迟，使马氏体转变的临界冷却速度下降大。常用的低碳调质钢为了获得良好的综合性能和焊接性，一般含碳量不大于0.18％，这样通过淬火和回火(即调质处理)得到回火索氏体和回火马氏体组织，使之具有较高的强度和良好的塑性。另外，除了取决于化学成分外，还要执行正确的热处理制度。一般为奥氏体化—淬火—回火，也有少数钢采用奥氏体化—正火—回火。

低碳调质钢的特性是具有较高的强度(屈服强度490～980MPa)，并有良好的塑性、韧性和耐磨性。钢中强度级别不同加入的合金元素及其含量也不同。

成分：

抗拉强度σb:1.600Mpa Si-Mn 和Si-Mn基础上加少量Cr、Ni、Mo、V

2.700Mpa Si-Mn-Cr-Ni-Mo加少量V，合金元素加入量较600高

具有较好的冲击韧性，用于低温服役的焊接结构，露天煤矿大型挖掘机

3.800Mpa Si-Mn-Cr-Ni-Mo-Cu-V系并加入一定的B

工程机械、矿山机械。推土机、工程起重机、重型汽车

4.1000Mpa同800Mpa合金加入较多，为保证韧性加入Ni较多

工程机械高耐磨件，核动力装置、航空航天装备上

二、低碳调质钢的可悍性分析

低碳调质钢含碳量低，合金成分的确定也都考虑了材料的可焊性，其工艺要求基本与正

火钢相似．差别是这类钢通过调质强化，故在焊接接头热影响区除了脆化外还有软化问题。（一）热裂纹 低碳调质钢中S、P杂质控制严，含C量低、含Mn量较高．因此热裂纹倾向较小。对一些高Ni低Mn型低合金高强调质钢（HY80），焊缝中的含Mn量可通过焊接材料加以调整，焊接热裂纹是不会产生的。

（一） 热影响区的液化裂纹

液化裂纹主要发生在高Ni低Mn的低合金高强钢中.这是因为含Mn量低，对脱S不利，焊缝金属中的S和Ni、Fe形成低熔点共晶，低熔点共晶处于晶界上而产生液化裂纹。液化裂纹产生倾向与含C量及Mn／s有关，含C量越高，要求Mn/S也较高。如当W(C)＜0.2％，W(Mn)／W(s)＞30时，液化裂纹敏感性较小。因此，避免液化裂纹的关键在于控制C和S含量,保证高数值的W(Mn)／W(S)。

例如HY-80 含Ni量较高 Mn／s =0.40/0.025=16 易裂

HY-130 含Ni量高于HY-80 Mn／s =0.90/0.01=90 对裂纹不敏感

此外，焊接线能量越大，金属晶粒长得越大．晶界熔化得越严重．液态晶间层存在的时间越长，液化裂纹产生的倾向越大。

（二） 冷裂纹

低碳调质钢是通过加入提高 淬透性的合金元素，保证获得强度高、塑性和韧性好的低碳马氏体和部分下贝氏体。由于淬透性增加，使得CCT曲线大大右移，除非冷却速度很缓

慢，高温转变一般不会发生。但是，这类钢马氏体含碳量很低，马氏体开始转变温度Ms较

高，在该温度下以较慢的速度冷却，形成的马氏体还能来得及进行一次“自回火”处理，所以实际上冷裂倾向并不一定很大。若马氏体转变时冷却速度较快，得不到“自回火”效果，冷裂倾向就会增大。 例如HT-80：冷却速度小F+P、中速B+M、快冷M

马氏体开始转变温度Ms较高，大于 400℃ ，在该温度下，以较慢的速度冷却，形成的马氏体还能来得及进行一次“自回火”处理。

（三） 再热裂纹

从合金系统来说，为加强其淬透性和提高抗回火性能，加入的合金元素Cr、Mo、V、Ti、

Nb、B等，大多数都能引起再热裂纹．其中V的影响最大，Mo的影响次之。一般认为，Mo-V钢、(Cr-Mo-V钢对再热裂纹较敏感；Cr-Mo 钢、Mo-B钢有一定的再热裂纹倾向，焊接时都应该注意再热裂纹问题。多元化钢HT-80 Si-Mn-Cr-Ni-Mo-Cu-V-B含有多种促使再热裂纹的元素。500～ 650℃ 加热2小时就出现再热裂纹。14MnMoNbB对再热裂纹也敏感。

（五）层状撕裂

低碳调质钢的生产控制较严，其杂质含量低,纯净度高,层状撕裂的敏感性低，到目前尚

来见这方面报导。

（六）热影响区性能的变化

l、过热区的脆化

低碳调质钢的合金化是通过合金元素的作用提高其淬透性，保证获得高强度、高塑性和

韧性的低碳马氏体和下贝氏体。凡是不利形成低碳马氏体+下贝氏的原因都会引起组织塑

性和韧性下降——脆化，如由于过热造成奥氏体晶粒粗化引起的脆化；形成上贝氏体引起的

脆化；由于合金化程度增加提高了奥氏体的稳定性，在贝氏体中的铁素体之间形成M-A

组元引起的脆化等。

这类钢焊接时各自都有一个韧性最佳的t8-5(800～500℃冷却时间)，在这时得到

低碳马氏体+(10～30％)贝氏体，韧性最好。冷却时间小于该值时可得到100％低碳马氏体， 韧性虽较好，但不如前者。

例如：对于HT100（B）HT100（A）HT80

t8/5有个最佳值

HT100（B）t8/5大约为90S时，组织为M+B下；大于90时B上+B下；继续增加B上

HT100（A）t8/5大约为25S，组织为M+B下；大于25时B上+B下；继续增加B上；小于25为M HT80 t8/5大约为12S，组织为M+B下；大于12时B上+B下；继续增加B上；小于12为M 随着t8/5增加，引起粗晶脆化外，主要原因还有B上和M-A组元。

2、焊接热影响区的软化

调质钢是经过淬火+高温回火热处理，获得回火索氏体组织，渗碳体为球状。焊接时， 焊接接头热影响区受到不同热循环的影响，组织发生了相应变化(变化程度和区域与焊接方 法及工艺参数有关)，致使焊接接头热影响区综合机械性能低于母材(也就是说焊接调质钢， 焊接接头热影响区为焊接结构强度的薄弱处)，这种影响对焊后不再进行调质处理的低碳调 质钢优其显著，焊接时必须考虑到这一问题。