材料成形設(shè)計基礎(chǔ) 第三章 第三節(jié)常用金屬材料的焊接

1、第三節(jié) 常用金屬材料的焊接一、金屬材料的焊接性（一）焊接性概念焊接性：采用一定焊接方法、焊接材料、工藝參數(shù)及結(jié)構(gòu)形式的條件下，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度，即其對焊接加工的適應(yīng)性。焊接性一般包括兩個方面：接合性能：主要指在給定的焊接工藝條件下，形成完好焊接接頭的能力，特別是接頭對產(chǎn)生裂紋的敏感性；使用性能：在給定的焊接工藝條件下，焊接接頭在使用條件下安全運(yùn)行的能力，包括焊接接頭的力學(xué)性能和其它特殊性能（如耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞等）。焊接性是金屬的工藝性能在焊接過程中的反映，了解及評價金屬材料的焊接性，是焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計、確定焊接方法、制定焊接工藝的重要依據(jù)。（二）鋼的焊接性評定方法鋼是焊接結(jié)構(gòu)中最常

2、用的金屬材料，因而評定鋼的焊接性顯得尤為重要。由于鋼的裂紋傾向與其化學(xué)成分有密切關(guān)系，因此，可以根據(jù)鋼的化學(xué)成分評定其焊接性的好壞。通常將影響最大的碳作為基礎(chǔ)元素，把其它合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對焊接性的影響折合成碳的相當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和其它合金元素的相當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和稱為碳當(dāng)量，用符號wCE表示，它是評定鋼的焊接性的一個參考指標(biāo)。國際焊接學(xué)會推薦的碳鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼的碳當(dāng)量計算公式為:式中，各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都取其成分范圍的上限。碳當(dāng)量越高，裂紋傾向越大，鋼的焊接性越差。一般認(rèn)為，wCE<0.4%時，鋼的淬硬和冷裂傾向不大,焊接性良好；wCE=0.4%0.6%時，鋼的淬硬和冷裂傾向逐漸增

3、加,焊接性較差,焊接時需要采取一定的預(yù)熱、緩冷等工藝措施，以防止產(chǎn)生裂紋；wCE>0.6%時，鋼的淬硬和冷裂傾向嚴(yán)重，焊接性很差，一般不用于生產(chǎn)焊接結(jié)構(gòu)。碳當(dāng)量公式僅用于對材料焊接性的粗略估算，在實際生產(chǎn)中，應(yīng)通過直接試驗，模擬實際情況下的結(jié)構(gòu)、應(yīng)力狀況和施焊條件，在試件上焊接，觀察試件的開裂情況，并配合必要的接頭使用性能試驗進(jìn)行評定。二、碳素鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接（一）碳素鋼的焊接1低碳鋼的焊接 Q235、10、15、20等低碳鋼是應(yīng)用最廣泛的焊接結(jié)構(gòu)材料，由于其含碳量低于0.25%，塑性很好，淬硬傾向小，不易產(chǎn)生裂紋，所以焊接性最好。焊接時，任何焊接方法和最普通的焊接工藝即可獲得優(yōu)質(zhì)

4、的焊接接頭。但由于施焊條件、結(jié)構(gòu)形式不同，焊接時還需注意以下問題：（1）在低溫環(huán)境下焊接厚度大、剛性大的結(jié)構(gòu)時，應(yīng)該進(jìn)行預(yù)熱，否則容易產(chǎn)生裂紋。（2）重要結(jié)構(gòu)焊后要進(jìn)行去應(yīng)力退火以消除焊接應(yīng)力。低碳鋼對焊接方法幾乎沒有限制，應(yīng)用最多的是手工電弧焊、埋弧焊、氣體保護(hù)電弧焊和電阻焊。采用電弧焊時，焊接材料的選擇參見表3-8。表3-8 低碳鋼焊接材料的選擇焊接方法焊接材料應(yīng)用情況手工電弧焊 J421、J422、J423等一般結(jié)構(gòu) J426、J427、J506、J507等承受動載荷、結(jié)構(gòu)復(fù)雜或厚板重要結(jié)構(gòu)埋弧焊 H08 配HJ430、H08A 配HJ431一般結(jié)構(gòu)

5、0;H08MnA 配HJ431重要結(jié)構(gòu)CO2氣體保護(hù)焊 H08Mn2SiA一般結(jié)構(gòu)2中碳鋼的焊接 含碳量在0.25%0.60%之間的中碳鋼，有一定的淬硬傾向，焊接接頭容易產(chǎn)生低塑性的淬硬組織和冷裂紋，焊接性較差。中碳鋼的焊接結(jié)構(gòu)多為鍛件和鑄鋼件，或進(jìn)行補(bǔ)焊。焊接方法：手工電弧焊。焊條選用：抗裂性好的低氫型焊條（如J426、J427、J506、J507等），焊縫有等強(qiáng)度要求時，選擇相當(dāng)強(qiáng)度級別的焊條。對于補(bǔ)焊或不要求等強(qiáng)度的接頭，可選擇強(qiáng)度級別低、塑性好的焊條，以防止裂紋的產(chǎn)生。焊接時，應(yīng)采取焊前預(yù)熱、焊后緩冷等措施以減小淬硬傾向，減小焊接應(yīng)力。接頭處開坡口進(jìn)行多層焊，采用細(xì)焊條小電流

6、，可以減少母材金屬的熔入量,降低裂紋傾向。3高碳鋼的焊接 高碳鋼的含碳量大于0.60%，其焊接特點與中碳鋼基本相同，但淬硬和裂紋傾向更大，焊接性更差。一般這類鋼不用于制造焊接結(jié)構(gòu)，大多是用手工電弧焊或氣焊來補(bǔ)焊修理一些損壞件。焊接時，應(yīng)注意焊前預(yù)熱和焊后緩冷。（二）低合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接低合金結(jié)構(gòu)鋼按其屈服強(qiáng)度可以分為九級：300、350、400、450、500、550、600、700、800MPa。強(qiáng)度級別400MPa的低合金結(jié)構(gòu)鋼，wCE<0.4%，焊接性良好，其焊接工藝和焊接材料的選擇與低碳鋼基本相同，一般不需采取特殊的工藝措施。只有焊件較厚、結(jié)構(gòu)剛度較大和環(huán)境溫度較低時，才進(jìn)行焊前預(yù)

7、熱，以免產(chǎn)生裂紋。強(qiáng)度級別450MPa的低合金結(jié)構(gòu)鋼，wCE>0.4%，存在淬硬和冷裂問題，其焊接性與中碳鋼相當(dāng)，焊接時需要采取一些工藝措施，如焊前預(yù)熱（預(yù)熱溫度150左右）可以降低冷卻速度，避免出現(xiàn)淬硬組織；適當(dāng)調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)，可以控制熱影響區(qū)的冷卻速度，保證焊接接頭獲得優(yōu)良性能；焊后熱處理能消除殘余應(yīng)力，避免冷裂。低合金結(jié)構(gòu)鋼含碳量較低，對硫、磷控制較嚴(yán)，手工電弧焊、埋弧焊、氣體保護(hù)焊和電渣焊均可用于此類鋼的焊接，以手工電弧焊和埋弧焊較常用；選擇焊接材料時，通常從等強(qiáng)度原則出發(fā)，為了提高抗裂性，盡量選用堿性焊條和堿性焊劑，對于不要求焊縫和母材等強(qiáng)度的焊件，亦可選擇強(qiáng)度級別略低的焊接

8、材料，以提高塑性，避免冷裂。三、不銹鋼的焊接不銹鋼中都含有不少于12%的鉻，還含有鎳、錳、鉬等合金元素，以保證其耐熱性和耐腐蝕性。按組織狀態(tài)，不銹鋼可分為奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼和馬氏體不銹鋼等，其中以奧氏體不銹鋼的焊接性最好，廣泛用于石油、化工、動力、航空、醫(yī)藥、儀表等部門的焊接結(jié)構(gòu)中，常見牌號有1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni9等。（一）奧氏體不銹鋼的焊接性奧氏體不銹鋼焊接件容易在焊接接頭處發(fā)生晶間腐蝕，其原因是焊接時，在450850溫度范圍停留一定時間的接頭部位，在晶界處析出高鉻碳化物（Cr23C6），引起晶粒表層含鉻量降低，形成貧鉻區(qū)，在腐蝕介質(zhì)的作用下，晶粒表

9、層的貧鉻區(qū)受到腐蝕而形成晶間腐蝕。這時被腐蝕的焊接接頭表面無明顯變化，受力時則會沿晶界斷裂，幾乎完全失去強(qiáng)度。為防止和減少焊接接頭處的晶間腐蝕，應(yīng)嚴(yán)格控制焊縫金屬的含碳量，采用超低碳的焊接材料和母材。采用含有能優(yōu)先與碳形成穩(wěn)定化合物的元素如Ti、Nb等，也可防止貧鉻現(xiàn)象的產(chǎn)生。奧氏體不銹鋼焊接的另一個問題是熱裂紋。產(chǎn)生的主要原因是焊縫中的樹枝晶方向性強(qiáng)，有利于S、P等元素的低熔點共晶產(chǎn)物的形成和聚集。另外，此類鋼的導(dǎo)熱系數(shù)?。s為低碳鋼的1/3），線脹系數(shù)大（比低碳鋼大50%），所以焊接應(yīng)力也大。防止的辦法是選用含碳量很低的母材和焊接材料，采用含適量Mo、Si等鐵素體形成元素的焊接材料，使焊縫

10、形成奧氏體加鐵素體的雙相組織，減少偏析。（二）奧氏體不銹鋼的焊接工藝一般熔焊方法均能用于奧氏體不銹鋼的焊接，目前生產(chǎn)上常用的方法是手工電弧焊、氬弧焊和埋弧焊。在焊接工藝上，主要應(yīng)注意以下問題：（1）采用小電流、快速焊，可有效地防止晶間腐蝕和熱裂紋等缺陷的產(chǎn)生。一般焊接電流應(yīng)比焊接低碳鋼時低20%；（2）焊接電弧要短，且不作橫向擺動，以減少加熱范圍。避免隨處引弧，焊縫盡量一次焊完，以保證耐腐蝕性。（3）多層焊時，應(yīng)等前面一層冷至60以下，再焊后一層。雙面焊時先焊非工作面，后焊與腐蝕介質(zhì)接觸的工作面。（4）對于晶間腐蝕，在條件許可時，可采用強(qiáng)制冷卻。必要時可進(jìn)行穩(wěn)定化處理，消除產(chǎn)生晶間腐蝕的可能性

11、。四、鑄鐵的補(bǔ)焊鑄鐵在制造和使用中容易出現(xiàn)各種缺陷和損壞。鑄鐵補(bǔ)焊是對有缺陷鑄鐵件進(jìn)行修復(fù)的重要手段，在實際生產(chǎn)中具有很大的經(jīng)濟(jì)意義。（一）鑄鐵的焊接性鑄鐵的含碳量高，脆性大，焊接性很差，在焊接過程中易產(chǎn)生白口組織和裂紋。白口組織是由于在鑄鐵補(bǔ)焊時，碳、硅等促進(jìn)石墨化元素大量燒損，且補(bǔ)焊區(qū)冷速快，在焊縫區(qū)石墨化過程來不及進(jìn)行而產(chǎn)生的。白口鑄鐵硬而脆，切削加工性能很差。采用含碳、硅量高的鑄鐵焊接材料或鎳基合金、銅鎳合金、高釩鋼等非鑄鐵焊接材料，或補(bǔ)焊時進(jìn)行預(yù)熱緩冷使石墨充分析出，或采用釬焊，可避免出現(xiàn)白口組織，。裂紋通常發(fā)生在焊縫和熱影響區(qū)，產(chǎn)生的原因是鑄鐵的抗拉強(qiáng)度低，塑性很差（400以下基本

12、無塑性），而焊接應(yīng)力較大，且接頭存在白口組織時，由于白口組織的收縮率更大，裂紋傾向更加嚴(yán)重，甚至可使整條焊縫沿熔合線從母材上剝離下來。防止裂紋的主要措施有：采用純鎳或銅鎳焊條、焊絲，以增加焊縫金屬的塑性；加熱減應(yīng)區(qū)以減小焊縫上的拉應(yīng)力；采取預(yù)熱、緩冷、小電流、分散焊等措施減小焊件的溫度差。（二）鑄鐵補(bǔ)焊方法及工藝鑄鐵補(bǔ)焊采用的焊接方法參見表3-9。補(bǔ)焊方法主要根據(jù)對焊后的要求（如焊縫的強(qiáng)度、顏色、致密性，焊后是否進(jìn)行機(jī)加工等）、鑄件的結(jié)構(gòu)情況（大小、壁厚、復(fù)雜程度、剛度等）及缺陷情況來選擇。手工電弧焊和氣焊是最常用的鑄鐵補(bǔ)焊方法。表3-9 鑄鐵的補(bǔ)焊方法補(bǔ)焊方法焊接材料的選用焊縫特點手工電弧焊

13、熱焊及半熱焊Z208、Z248強(qiáng)度、硬度、顏色與母材相同或相近，可加工冷 焊Z100、Z116、Z308、Z408、Z607、J507、J427、J422強(qiáng)度、硬度、顏色與母材不同，加工性較差氣焊熱 焊鑄鐵焊絲強(qiáng)度、硬度、顏色與母材相同，可加工加熱減應(yīng)區(qū)法釬焊黃銅焊絲強(qiáng)度、硬度、顏色與母材不同，可加工CO2氣體保護(hù)焊H08Mn2Si強(qiáng)度、硬度、顏色與母材不同，不易加工電 渣 焊鑄鐵屑強(qiáng)度、硬度、顏色與母材相同，可加工，適用于大尺寸缺陷的補(bǔ)焊手工電弧焊補(bǔ)焊采用的鑄鐵焊條牌號見表3-10。補(bǔ)焊要求不高時，也可采用J422等普通低碳鋼焊條。表3-10常用鑄鐵焊條類 別牌號焊芯組成藥皮類型焊縫金屬用

14、途鋼芯鑄鐵焊條Z100碳鋼氧化型碳鋼一般灰鑄鐵件的非加工面Z116碳鋼（高釩藥皮）低氫型高釩鋼強(qiáng)度較高的灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵Z208碳鋼石墨型鑄鐵一般灰鑄鐵件（剛度較大時，預(yù)熱至400）鑄鐵芯鑄鐵焊條Z248鑄鐵石墨型鑄鐵灰鑄鐵件鎳基鑄鐵焊條Z308Z408Z508純鎳鎳鐵合金鎳銅合金石墨型石墨型石墨型鎳鎳鐵合金鎳銅合金重要灰鑄鐵件的加工面球墨鑄鐵、重要灰鑄鐵件的加工面強(qiáng)度要求不高的灰鑄鐵件的加工面銅基鑄鐵焊條Z607Z612紫銅鋼芯銅皮/銅包鋼芯低氫型鈦鈣型銅鐵混合銅鐵混合一般灰鑄鐵件的非加工面一般灰鑄鐵件的非加工面手工電弧焊補(bǔ)焊的方法有：（1）熱焊及半熱焊 焊前將焊件預(yù)熱到一定溫度（

15、400以上），采用同質(zhì)焊條，選擇大電流連續(xù)補(bǔ)焊，焊后緩冷。其特點是焊接質(zhì)量好，生產(chǎn)率低，成本高，勞動條件差。（2）冷焊 采用非鑄鐵型焊條，焊前不預(yù)熱，焊接時采用小電流、分散焊，減小焊件應(yīng)力。焊縫的強(qiáng)度、顏色與母材不同，加工性能較差，但焊后變形小，勞動條件好，成本低。五、非鐵金屬的焊接（一）銅及銅合金的焊接存在問題：（1）難熔合 銅的導(dǎo)熱系數(shù)大，焊接時散熱快，要求焊接熱源集中，且焊前必須預(yù)熱，否則，易產(chǎn)生未焊透或未熔合等缺陷。（2）裂紋傾向大 銅在高溫下易氧化，形成的氧化亞銅（Cu2O）與銅形成低熔共晶體（Cu2O+Cu）分布在晶界上，容易產(chǎn)生熱裂紋。（3）焊接應(yīng)力和變形較大 這是因為銅的線脹系

16、數(shù)大，收縮率也大，且焊接熱影響區(qū)寬的緣故。（4）容易產(chǎn)生氣孔 氣孔主要是由氫氣引起的，液態(tài)銅能夠溶解大量的氫，冷卻凝固時，溶解度急劇下降，來不及逸出的氫氣即在焊縫中形成氫氣孔。此外，焊接黃銅時，會產(chǎn)生鋅蒸發(fā)（鋅的沸點僅907），一方面使合金元素?fù)p失，造成焊縫的強(qiáng)度、耐蝕性降低，另一方面，鋅蒸汽有毒，對焊工的身體造成傷害。焊接方法：氬弧焊、氣焊和手工電弧焊，其中氬弧焊是焊接紫銅和青銅最理想的方法，黃銅焊接常采用氣焊，因為氣焊時可采用微氧化焰加熱，使熔池表面生成高熔點的氧化鋅薄膜，以防止鋅的進(jìn)一步蒸發(fā)，或選用含硅焊絲，可在熔池表面形成致密的氧化硅薄膜，既可以阻止鋅的蒸發(fā)，又能對焊縫起到保護(hù)作用。為

17、保證焊接質(zhì)量，在焊接銅及銅合金時還應(yīng)采取以下措施：（1）為了防止Cu2O的產(chǎn)生，可在焊接材料中加入脫氧劑，如采用磷青銅焊絲，即可利用磷進(jìn)行脫氧。（2）清除焊件、焊絲上的油、銹、水分，減少氫的來源，避免氣孔的形成。（3）厚板焊接時應(yīng)以焊前預(yù)熱來彌補(bǔ)熱量的損失，改善應(yīng)力的分布狀況。焊后錘擊焊縫，減小殘余應(yīng)力。焊后進(jìn)行再結(jié)晶退火，以細(xì)化晶粒，破壞低熔共晶。（二）鋁及鋁合金的焊接鋁具有密度小、耐腐蝕性好、很高的塑性和優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性以及良好的焊接性等優(yōu)點，因而鋁及鋁合金在航空、汽車、機(jī)械制造、電工及化學(xué)工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。鋁及鋁合金在焊接時的主要問題是：（1）鋁及鋁合金表面極易生成一層致密的氧化

18、膜（Al2O3），其熔點（2050）遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于純鋁的熔點（657），在焊接時阻礙金屬的熔合，且由于密度大，容易形成夾雜。（2）液態(tài)鋁可以大量溶解氫，鋁的高導(dǎo)熱性又使金屬迅速凝固，因此液態(tài)時吸收的氫氣來不及析出，極易在焊縫中形成氣孔。（3）鋁及鋁合金的線膨脹系數(shù)和結(jié)晶收縮率很大，導(dǎo)熱性很好，因而焊接應(yīng)力很大，對于厚度大或剛性較大的結(jié)構(gòu)，焊接接頭容易產(chǎn)生裂紋。（4）鋁及鋁合金高溫時強(qiáng)度和塑性極低，很容易產(chǎn)生變形，且高溫液態(tài)無顯著的顏色變化，操作時難以掌握加熱溫度，容易出現(xiàn)燒穿、焊瘤等缺陷。焊接方法：氬弧焊、電阻焊、氣焊，其中氬弧焊應(yīng)用最廣，電阻焊應(yīng)用也較多，氣焊在薄件生產(chǎn)中仍在采用。電阻焊焊接鋁合金時，應(yīng)采用大電流、短時間通電，焊前必須清除焊件表面的氧化膜。如果對焊接質(zhì)量要求不高，薄壁件可采用氣焊，焊前