21.7-客車材料的焊接解析

二、焊接冶金、金屬焊接性與焊材選用

----7.客車材料的焊接

劉多由于客車車體材料主要為低碳鋼，低合金鋼等，因此以下主要介紹典型鋼種的焊接工藝要點(diǎn)。2主要內(nèi)容Q235鋼及其焊接要點(diǎn)Q345鋼及其焊接要點(diǎn)3Q235與Q345的區(qū)別

1、屈服強(qiáng)度：Q235的屈服強(qiáng)度下限為235MPa,Q345的屈服強(qiáng)度下限為345MPa。2、合金含量：Q235為普通碳鋼，Q345為低合金鋼。Q235是碳素結(jié)構(gòu)鋼,與舊標(biāo)準(zhǔn)GB700-79牌號對照A3、C3；Q345是低合金結(jié)構(gòu)鋼，與舊標(biāo)準(zhǔn)1591-88牌號對照12MnV、16Mn16MnRE、18Nb、14MnNb。3、性能和應(yīng)用：Q235--金屬結(jié)構(gòu)件，心部強(qiáng)度要求不高的零件，拉桿、連桿、吊鉤、車鉤、螺栓螺母、套筒、軸及焊接件；Q345--綜合力學(xué)性能良好，低溫性能、塑性和焊接性良好，用做中低壓容器、油罐、車輛、起重機(jī)、礦山機(jī)械、電站等承受動(dòng)荷的結(jié)構(gòu)、機(jī)械零件、建筑結(jié)構(gòu)、一般金屬結(jié)構(gòu)件，熱軋或正火狀態(tài)使用，可用于-40℃以上寒冷地區(qū)的各種結(jié)構(gòu)。4Q235與Q345的鋼材強(qiáng)度對比5Q235與Q345的成分對比6焊接材料匹配原則等強(qiáng)性：強(qiáng)度相等，或高匹配(+100MPa)、低匹配(-100MPa)，保證接頭強(qiáng)度與母材相等。等成分性：填充焊絲形成的焊縫成分與母材相等，保證耐熱性、耐蝕性等特殊要求。特殊性：雙相焊縫、異質(zhì)焊縫。7Q235鋼焊接性

由于低碳鋼含碳量低，錳、硅含量也少，所以，通常情況下不會因焊接而產(chǎn)生嚴(yán)重硬化組織或淬火組織。低碳鋼焊后的接頭塑性和沖擊韌度良好，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)焊接過程不必采取特殊的工藝措施，焊接性優(yōu)良。

8

但在少數(shù)情況下，焊接時(shí)也會出現(xiàn)如下問題：

1)采用舊冶煉方法生產(chǎn)的轉(zhuǎn)爐鋼含氮量高，雜質(zhì)含量多，從而冷脆性大，時(shí)效敏感性增加，焊接性變差。

2)沸騰鋼脫氧不完全，含氧量較高，P等雜質(zhì)分布不均，局部含量會超標(biāo)，時(shí)效敏感性及冷脆敏感性大，熱裂紋傾向也增大。

3)采用質(zhì)量不符合要求的焊條，使焊縫金屬中的碳、硫含量過高，會導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋。4)某些焊接方法會降低低碳鋼焊接接頭的質(zhì)量。如電渣焊，由于線能量大，會使焊接熱影響區(qū)的粗晶區(qū)晶粒粗大，引起沖擊韌度下降，焊后必需進(jìn)行細(xì)化晶粒的正火處理。

總之，低碳鋼是焊接性非常好的鋼種，所有焊接方法都能適用于低碳鋼的焊接。9Q235鋼焊接及焊接材料一般不預(yù)熱，碳含量在0.18～0.22%時(shí)，厚度≥30mm，環(huán)境溫度≤0℃時(shí)應(yīng)考慮預(yù)熱100～150℃。手工電弧焊一般結(jié)構(gòu)：E4303、E4315、E4301、E4320、E4311；動(dòng)載荷、復(fù)雜和厚板結(jié)構(gòu)：E4315、E4316、E4303、E4301、E4320、E4311；氣體保護(hù)焊ER49-1(H08Mn2SiA)+CO2/80%Ar+20%CO2

埋弧焊H08A/H08MnA+HJ431Q235鋼焊接要點(diǎn)10Q345鋼及其焊接要點(diǎn)Q345是一種鋼材的材質(zhì)。它是低合金鋼（C<0.2%)，廣泛應(yīng)用于橋梁、車輛、船舶、建筑、壓力容器等。Q代表的是這種材質(zhì)的屈服，后面的345，就是指這種材質(zhì)的屈服值，在345左右。并會隨著材質(zhì)的厚度的增加屈服值減小。Q345鋼在焊接時(shí)易出現(xiàn)的問題：1）熱影響區(qū)的淬硬傾向Q345鋼在焊接冷卻過程中，熱影響區(qū)容易形成淬火組織-馬氏體，使近縫區(qū)的硬度提高，塑性下降。結(jié)果導(dǎo)致焊后發(fā)生裂紋。2）冷裂紋敏感性Q345鋼的焊接裂紋主要是冷裂紋。11Q345鋼焊接性低合金結(jié)構(gòu)鋼具有滿意的綜合力學(xué)性能和加工工藝性能，其焊接性通常表現(xiàn)為兩方面的問題：一是焊接引起的各種缺陷，對這類鋼來說主要是各類裂紋問題；二是焊接時(shí)材料性能的變化，對這類鋼來說主要是脆化問題。一．

裂紋問題（1）

熱裂紋：熱軋鋼一般含碳量較低，而含錳量較高，因此它們Mn/S比較大，具有良好的抗熱裂性能。正常情況下焊縫中不會出現(xiàn)熱裂紋，但當(dāng)材料成分不合格或有嚴(yán)重偏析，使碳、硫含量偏高，Mn/S比偏低，易出現(xiàn)熱裂紋。錳在鋼種可與硫形成硫化錳，減少了硫的有害影響，增強(qiáng)了鋼的抗熱裂性能。12（2）

冷裂紋：鋼材冷裂紋主要取決于鋼材的淬硬傾向，而剛才的淬硬傾向又主要取決于它的化學(xué)成分。熱軋鋼由于含有少量合金元素，其碳當(dāng)量比低碳鋼碳當(dāng)量略高些，所以這種鋼淬硬傾向比低碳鋼要大些，而且隨鋼材強(qiáng)度級別的提高，合金元素的增加，它的淬硬傾向逐漸增大，應(yīng)根據(jù)接頭形式和鋼材厚度來調(diào)整線能量、預(yù)熱和后熱溫度，以控制熱影響區(qū)的冷卻速度，同時(shí)降低焊縫金屬的含氫量等措施，防止冷裂紋的產(chǎn)生。（3）

再熱裂紋：從鋼材的化學(xué)成分考慮，由于熱軋鋼中不含強(qiáng)碳化物形成元素，因此對再熱裂紋不敏感，而且還可以通過提高預(yù)熱溫度和焊后立即后熱等措施來防止再熱裂紋的產(chǎn)生。

13二．

脆化問題（1）

過熱區(qū)脆化：熱軋鋼焊接時(shí)近縫區(qū)中被加熱到100℃以上粗晶區(qū)，易產(chǎn)生晶粒長大現(xiàn)象，是焊接接頭中塑性最差的部位，往往會承受不住應(yīng)力的作用而破壞。防止過熱區(qū)脆化的措施是提高冷卻速度，尤其是提高奧氏體最小穩(wěn)定性范圍內(nèi)的冷卻速度，縮短在這一溫度區(qū)間停留時(shí)間，減少或防止奧氏體組織的出現(xiàn)，以提高鋼的沖擊韌度，而且為防止過熱區(qū)粗晶脆化，也不宜采用過大線能量。（2）

熱應(yīng)變脆化：熱應(yīng)變脆化是由于焊接過程中熱應(yīng)力產(chǎn)生塑性變形使位錯(cuò)增殖，同時(shí)誘發(fā)氮碳原子快速擴(kuò)散聚集在位錯(cuò)區(qū)，出現(xiàn)熱應(yīng)變脆化。16Mn具有一定得熱應(yīng)變脆化傾向，焊接時(shí)消除熱應(yīng)變脆化的有效措施是焊后退火處理。

14Q345鋼的焊接1.焊前準(zhǔn)備：（1）焊接坡口形式的設(shè)計(jì)應(yīng)避免采用焊不透或局部焊透的坡口，還要盡量減少焊縫的橫截面積，以降低接頭的殘余應(yīng)力，同時(shí)也可減少焊接材料的消耗量。（2）坡口加工采用熱切割時(shí)應(yīng)注意防止母材邊緣會形成一定深度的淬硬層，這種低塑性的淬硬層往往成為冷加工的開裂源。（3）焊前必須消除焊接區(qū)鋼板表面的水分，坡口表面的氧化皮、銹斑、油脂以及其他污物。（4）焊接材料在使用前應(yīng)按生產(chǎn)廠推薦的規(guī)范進(jìn)行烘干。（5）裝配定位焊縫必須采用與正式焊縫同一類型的焊條。

152.焊接線能量的選擇：

線能量的參數(shù)是指焊接電流、電弧電壓和焊接速度。低合金結(jié)構(gòu)鋼焊接時(shí)，線能量參數(shù)除要保證接頭的熔透性和焊縫成型外，還要考慮其對接頭性能的影響。焊接含碳量低的熱軋鋼以及含碳量偏下限的16Mn鋼時(shí)，對焊接線能量沒有嚴(yán)格的限制，但從提高過熱區(qū)塑性和韌性考慮還是采用偏小線能量更為有利；當(dāng)焊接含碳量偏高的16Mn鋼時(shí)，為降低淬硬傾向，防止冷裂紋產(chǎn)生，焊接時(shí)線能量應(yīng)偏大些。

163.預(yù)熱、后熱及熱處理（1）預(yù)熱：焊接低合金結(jié)構(gòu)鋼時(shí)，焊前預(yù)熱是防止接頭冷裂、改善接頭組織性能，減小焊接應(yīng)力的重要工藝措施。由于Q345鋼的Ceq＞0.45%，在焊接前應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度T0=100-150℃，層間溫度Ti≤400℃。預(yù)熱作用還在于：①改變了焊接過程的熱循環(huán)，降低焊接接頭各區(qū)高溫轉(zhuǎn)變和低溫轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間的冷卻速度，避免或減少了淬硬組織的形成；②減少焊接區(qū)的溫度梯度，降低了焊接接頭的內(nèi)應(yīng)力；③擴(kuò)大了焊接區(qū)的溫度場，使焊接接頭在較寬的區(qū)域內(nèi)處于塑性狀態(tài)，減弱了焊接應(yīng)力的不利影響；④延長了焊接區(qū)在100℃以上溫度的停留時(shí)間，有利于氫從焊縫金屬中逸出。17（2）后熱及熱處理：后熱是指焊接結(jié)束后將焊件或整條焊縫立即加熱到150~250℃溫度范圍內(nèi)，并保持一段時(shí)間，這種工藝簡稱后熱。其作用在于：

首先是降低了接頭低溫轉(zhuǎn)變區(qū)的冷卻速度，其效果比預(yù)熱更顯著；

其次是延長了接頭在100℃以上溫度區(qū)間的停留時(shí)間，使焊縫金屬中的氫有充分時(shí)間向外擴(kuò)散。在焊縫金屬氫擴(kuò)散階段，從根本上消除了導(dǎo)致冷裂紋形成的力學(xué)因素。

后熱的溫度和時(shí)間，取決于被焊鋼的冷裂敏感性，焊接材料的含氫量和接頭的拘束度。后熱溫度愈高，保溫時(shí)間愈長，去氫效果愈明顯。

18去氫處理是將焊件在焊后立即加熱到300~400℃溫度并保溫一段時(shí)間，可加速焊接接頭氫的擴(kuò)散逸出。生產(chǎn)中消氫處理的溫度為300~400℃，消氫時(shí)間為1~2小時(shí)。消除應(yīng)力處理是將焊件均勻地以一定的速度加熱到AC1點(diǎn)以下足夠高的溫度，保溫一段時(shí)間后隨爐均勻地冷卻到300~400℃，最后將工件移到爐外空冷。低合金結(jié)構(gòu)鋼焊后消除應(yīng)力處理的目的：①消除焊縫金屬中的氫，提高焊接接頭的抗裂性和韌性；②降低焊接接頭中的參與應(yīng)力；③改善焊縫及熱影響區(qū)組織，使淬硬組織經(jīng)受回火處理而提高接頭各區(qū)的韌性；④穩(wěn)定了低合金耐熱鋼焊縫及熱影響區(qū)的碳化物，提高了接頭的高溫持久強(qiáng)度；⑤降低了焊縫及熱影響區(qū)的硬度，易于切削加工。

19Q345鋼焊接及焊接材料碳含量在0.18～0.22%時(shí)，厚度≥20mm，環(huán)境溫度≤5℃時(shí)應(yīng)考慮預(yù)熱100～150℃。手工電弧焊E5003、E5001、E5015、E5016氣體保護(hù)焊ER49-1(H08Mn2SiA)+CO2/80%Ar+20%CO2

藥芯焊絲：E500T-1、E500T-5等

埋弧焊H08A/

H08MnA/H10Mn2/H10MnSi+HJ431Q345鋼焊接要點(diǎn)16Mn鋼的特點(diǎn)及焊接16Mn鋼屬于碳錳鋼，碳的含量在0.16%左右，屈服點(diǎn)等于343MPa（強(qiáng)度級別屬于343MPa級）。16Mn鋼是目前我國應(yīng)用最廣的低合金鋼。主要特性：綜合性能好，低溫性能好，泠沖壓性能，焊接性能和可切削性能好。16Mn鋼的化學(xué)成分:C：0.13～0.19;Si：0.20～0.60;Mn：1.20～1.60;Cr≤0.30;P≤0.030;S≤0.030;Ni≤0.30;Cu≤0.25

2016Mn鋼的合金含量較少，焊接性良好，焊前一般不必預(yù)熱。但由于16Mn鋼的淬硬傾向比低碳鋼稍大，所以在低溫下或在大剛性、大厚度結(jié)構(gòu)上焊接時(shí)，為防止出現(xiàn)冷裂紋，需采取預(yù)熱措施。不同板厚及不同環(huán)境溫度下16Mn鋼的預(yù)熱溫度：

焊件厚度（mm）不同溫度下的預(yù)熱溫度（℃）：

1）16以下：不低于－10℃不預(yù)熱,－10℃以下預(yù)熱100～150℃；

2）16～24：不低于－5℃不預(yù)熱,－5℃以下預(yù)熱100～150℃；

3）25～40：不低于0℃不預(yù)熱,0℃以下預(yù)熱100～150℃；

4）40以上：均預(yù)熱100～150℃。2122從16Mn的化學(xué)成分來看,含碳量低而含Mn量較高,Mn/S能達(dá)到焊接要求、具有較好的抗熱裂性能,正常情況下焊接時(shí)不會出現(xiàn)熱裂紋。當(dāng)材料的化學(xué)成分不合格或嚴(yán)重偏析時(shí),局部C,S含量偏高時(shí),Mn/S可能低于焊接要求,焊接時(shí)會產(chǎn)生熱裂紋,這時(shí)可通過選擇焊接材料來調(diào)整焊縫金屬成分。

冷裂紋是焊接16Mn鋼板易出現(xiàn)的主要問題,從材料本身考慮,淬硬組織是引起冷裂紋的決定性因素。因此焊接過程中能否形成氫致裂紋及敏感的淬硬組織是評定16Mn鋼板焊接性的一個(gè)重要指標(biāo)。16Mn的冷裂紋敏感性主要取決于它的淬硬傾向,雖然16Mn含碳量并不高,但含有少量的合金元素,因此其淬硬傾向比低碳鋼要大一些。16Mn鋼的焊接性2316Mn鋼板焊接材料的選擇焊接16Mn重要結(jié)構(gòu)的工件時(shí),按照強(qiáng)度要求應(yīng)選用E5016、E5017,這種堿性焊條的延性和韌性較高,抗裂性好；對于厚度小、坡口窄或?qū)?qiáng)度要求較高的工件,可選用E4316、E4317,