機(jī)械焊接技術(shù)

機(jī)械焊接技術(shù)

1什么是焊接性？試述碳鋼的焊接性。

焊接性是指材料在限定的施工條件下焊接成按規(guī)定設(shè)計(jì)要求的構(gòu)件，并滿足預(yù)定服役要求的能

力。焊接性受材料、焊接方法、構(gòu)件類型及使用要求四個(gè)因素的影響。

碳鋼是以鐵元素為基礎(chǔ)的，鐵碳合金，碳為合金元素，其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過1%,此外，鐳的

質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過1.2%,建的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過0.5%,后兩者皆不作為合金元素。其它元素如

Ni、Cr、Cu等均操縱在殘余量的限度以內(nèi)，更不作為合金元素。雜質(zhì)元素如S、P、0、N等,

根據(jù)鋼材品種與等級(jí)的不一致，均有嚴(yán)格限制。因此，碳鋼的焊接性要緊取決于含碳量，隨著含

碳量的增加，焊接性逐步變差，其中以低碳鋼的焊接性最好，見表1。

表1碳鋼焊接性與含碳量的關(guān)系

名典型硬

碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（％）典型用途焊接性

稱

特殊板材與型材薄板、帶材、

低碳<0.1560HRB優(yōu)

焊絲

鋼

0.15-0.2590HRB結(jié)構(gòu)用型材、板材、棒材良

中碳

0.25-0.6025HRC機(jī)器部件與工具中（需預(yù)熱、后熱，推薦使用低氫焊接

鋼

方法）

高碳

>0.6040HRC彈簧，模具，鋼軌劣（需預(yù)熱、后熱，必需使用低氫焊接

鋼

方法）

2什么是碳當(dāng)量？碳鋼的碳當(dāng)量如何計(jì)算？

把鋼中合金元素（包含碳）的含量按其作用換自成碳的相當(dāng)含量，稱之該種鋼材的碳當(dāng)量，可作

為評(píng)定鋼材焊接性的一種參考指標(biāo)。

碳鋼中的元素除C外，要緊是Mn與Si,它們的含量增加，焊接性變差，但其作用不及碳強(qiáng)烈。

國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦的碳當(dāng)量公式為

MnCu+NiCr+Mo+V

CE（IIW）=C+——+-------------+--------------------

（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（％）

6155

隨著碳當(dāng)量值的增加，鋼材的焊接性會(huì)變差。當(dāng)CE值大于0.4%?0.6%時(shí)，冷裂紋的敏感性

將增大，焊接時(shí)需要采取預(yù)熱、后熱及用低氫型焊接材料施焊等一系列工藝措施。

3利用碳當(dāng)量值評(píng)價(jià)鋼材焊接性有何局限性？

碳當(dāng)量值只能在一定范圍內(nèi)，對(duì)鋼材概括地、相對(duì)地評(píng)價(jià)其焊接性，這是由于：

1）假如兩種鋼材的碳當(dāng)量值相等，但是含碳量不等，含碳量較高的鋼材在施焊過程中容易產(chǎn)生

淬硬組織，其裂紋傾向顯然比含碳量較低的鋼材來(lái)得大，焊接性較差。因此，當(dāng)鋼材的碳當(dāng)量值

相等時(shí)，不能看成焊接性就完全相同。

2）碳當(dāng)量計(jì)算值只表達(dá)了化學(xué)成分對(duì)焊接性的影響，沒有考慮到冷卻速度不一致，能夠得到不

一致的組織，冷卻速度快時(shí)，容易產(chǎn)生淬硬組織，焊接性就會(huì)變差。

3）影響焊縫金屬組織從而影響焊接性的因素，除了化學(xué)成分與冷卻速度外，還有焊接循環(huán)中的

最高加熱溫度與在高溫停留時(shí)間等參數(shù)，在碳當(dāng)量值計(jì)算公式中均沒有表示出來(lái)。

因此，碳當(dāng)量值的計(jì)算公式只能在一定的鋼種范圍內(nèi)，概括地、相對(duì)地評(píng)價(jià)鋼材的焊接性，不能

作為準(zhǔn)確的評(píng)定指標(biāo)。

4試述低碳鋼的焊接性。

由于低碳鋼含碳量低，缽、硅含量也少，因此，通常情況下不可能因焊接而產(chǎn)生嚴(yán)重硬化組織或

者淬火組織。低碳鋼焊后依接頭塑性與沖擊韌度良好，焊接時(shí)，通常不需預(yù)熱、操縱層間溫度與

后熱，焊后也不必使用熱處理改善組織，整個(gè)焊接過程不必采取特殊的工藝措施，焊接性優(yōu)良

但在少數(shù)情況下，焊接時(shí)也會(huì)出現(xiàn)困難：

1）使用舊冶煉方法生產(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

接接頭質(zhì)量降低，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，局部地區(qū)含量會(huì)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）使用質(zhì)量不符合要求的焊條，使焊健金屬中的碳、硫含量過高，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋。如某廠使

用酸性焊條焊接Q235—A鋼時(shí)，因焊條藥皮中鋪鐵的含碳量過高，會(huì)引起焊縫產(chǎn)生熱裂紋。

4）某些焊接方法會(huì)降低低碳鋼焊接接頭的質(zhì)量。如電渣焊，由于線能量大，會(huì)使焊接熱影響區(qū)

的粗晶區(qū)晶粒長(zhǎng)得十分粗大，引起沖擊韌度的嚴(yán)重下降，焊后必需進(jìn)行細(xì)化晶粒的正火處理，以

提高沖擊韌度。

總之，低碳鋼是屬于焊接性最好、最容易焊接的鋼利所有焊接方法都能適用于低碳鋼的焊接。

5低碳鋼焊接時(shí)，如何正確地選用焊接材料？

⑴手弧焊焊條的選用

常用低碳鋼Q235的抗拉強(qiáng)度平均值為417.5MPa,根據(jù)等強(qiáng)度原則，與之幾配的焊條應(yīng)為E43

系列。幾種不一致鋼號(hào)的低碳鋼手弧焊時(shí)焊條的選用，見表2。

表2低碳鋼手弧焊時(shí)焊條的選用

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動(dòng)載荷、復(fù)雜、厚板結(jié)構(gòu)，鍋爐受壓施

通常結(jié)構(gòu)選用的

鋼容器，低溫焊接焊

號(hào)條

焊％型號(hào)

選用的焊條型號(hào)件

Q235E4316,E4315通常不預(yù)熱

E4313,E4303,E4301,

Q255E4320,E4311通常不偵熱

(E5016,E5015)

厚板結(jié)構(gòu)預(yù)熱

Q275E4316,E4315E5016,E5015

15UC以上

E4316,E4315

08、10,15、E4303,E4301,E4320,

通常不預(yù)熱

20E4311

(E5016,E5015)

厚板結(jié)構(gòu)預(yù)熱

25E4316,E4315E5016,E5015

150℃以上

E4316,E4315

厚板結(jié)構(gòu)預(yù)熱

20g,22gE4303,E4301

100?150c

(E5016,E5015)

E4316,E4315

20RE4303,E4301通常不預(yù)熱

(E5016,E5015)

注：表中括弧內(nèi)的焊條型號(hào)表示能夠代用。

⑵埋弧焊焊絲與焊劑的匹配選用

低碳鋼埋弧焊時(shí)焊絲與焊劑的匹配選用，見表3。

表3低碳鋼埋弧焊焊絲與焊劑的匹配選用

鋼焊焊

號(hào)絲劑

Q234H08AHJ430

Q255H08A

Q275H08MnAHJ431

15、20H08A,H98MnAHJ430

25H08MnA,H10Mn2

0g,22gH08MnA,H08MnSi,hlOMn2HJ431

20RH08MnAHJ330

⑶C02焊絲的選用

實(shí)芯焊絲選用牌號(hào)為H08Mn2Si與H08Mn2SiA兩種，癖后熔敷金屬?gòu)?qiáng)度偏高。藥芯焊絲選用

牌號(hào)為YJ502?l、YJ506-2、YJ506-3、YJ506-4.

⑷電渣焊焊絲與焊劑的匹配選用

電渣焊熔池溫度比埋弧焊低，因此焊劑中的硅、鋅還原作用弱，應(yīng)選用含缽、含硅量較高的焊絲。

常選用H10Mn2、HlOMnSi焊絲配合焊劑HJ360或者HlOMnSi焊絲配合焊劑HJ431.

6低碳鋼在低溫下如何施焊？

嚴(yán)冬條件下焊接低碳鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，由于焊接接頭的冷卻速度快，使裂紋傾向增大，特別是厚大結(jié)構(gòu)

的第一道焊縫容易開裂，為此必需采取如下工藝措施：

1）焊前預(yù)熱,焊接過程中嚴(yán)格保持層間溫度不應(yīng)低于預(yù)熱溫度。

2）使用低氫或者超低氫焊接材料。

3）定位焊時(shí)加大焊接電流，減慢焊接速度，適當(dāng)增加定位焊健的截面積與長(zhǎng)度，必要時(shí)進(jìn)行預(yù)

熱。

4）整條焊縫應(yīng)盡量連續(xù)焊完，避免中斷。

5）不應(yīng)坡口面以外的母材上進(jìn)行引弧，熄弧時(shí)需填滿弧坑。

6）盡可能不在低溫條件下進(jìn)行彎板、矯正與裝配焊件。

各類金屬結(jié)構(gòu)低溫焊接時(shí)的預(yù)熱溫度見表4。管道、壓力容器低溫焊接時(shí)的預(yù)熱溫度見表5。

表4低碳鋼金屬結(jié)構(gòu)低溫焊接的預(yù)熱溫度

焊件厚度（mm）在各類氣溫下的預(yù)熱溫度

<30不低于一30"C時(shí)不預(yù)熱：低于一30c時(shí)預(yù)熱：00?150c

31?50不低于一10℃時(shí)不預(yù)熱：低于一10C時(shí)預(yù)熱：00?150C

51?70不低于0七時(shí)不預(yù)熱：低于0℃時(shí)預(yù)熱100?150c

表5低碳鋼管道、壓力容器低溫焊接的預(yù)熱溫度

焊件厚度（mm）在各類氣溫下的預(yù)熱溫度

<16不低于一30℃時(shí)不預(yù)熱：低于一30C時(shí)預(yù)熱:00?150c

17?30不低于一20℃時(shí)不預(yù)熱；低于一20c時(shí)預(yù)熱100?150C

31~40不低于一10"C時(shí)不預(yù)熱：低于一10C時(shí)預(yù)熱：00~150C

41?50不低于0℃時(shí)不預(yù)熱；低于0C時(shí)預(yù)熱100?150c

7試述中碳鋼的焊接性。

中碳鋼的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%?0.60%.當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近0.25%而含鋅量不高時(shí)，焊

接性良好。隨著含碳量的增加，焊接性逐步變差。假如碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.45%左右而仍按焊接

低碳鋼常用的工藝施焊時(shí)，在熱影響區(qū)可能會(huì)產(chǎn)生硬脆的馬氏體組織，易于開裂，即形成冷裂紋。

焊接時(shí)，相當(dāng)數(shù)量的母材被熔化進(jìn)入焊使焊健的含碳量增高，促使在焊^中產(chǎn)生熱裂紋，特

別是當(dāng)硫的雜質(zhì)操縱不嚴(yán)肘，更易出現(xiàn)。這種裂紋在弧坑處更為敏感，分布在焊縫中的熱裂紋因

此與焊縫的魚鱗狀波紋線相垂直，見圖1。

8中碳鋼焊接時(shí)，如何正確地選用焊條？

中碳鋼的焊接目前大都使用手弧焊。為提高焊接接頭的抗裂性，應(yīng)選用低氫型焊條。個(gè)別情況下,

也可使用鈦鈣型與鈦鐵礦型酸性焊條，但如今應(yīng)采取嚴(yán)格的工藝措施，如焊前預(yù)熱、減少熔合比

（降低焊^含碳量）等。

中碳鋼手弧焊時(shí)焊條的選用，見表6.

表6中碳鋼手弧焊時(shí)焊條的選用

焊件力學(xué)性能（2）選用焊條型號(hào)

鋼焊接asab6aK

焊件含碳量（%）*要求等強(qiáng)

號(hào)件不要求等強(qiáng)度

度

(MPa)(MPa)(%)(%)(J)

0.32-

35

通常315530204555E4303.E4301E5016.

0.40

ZG270?

通常270500182522E4316.E4315E5015

500

0.31-0.40

E4303,E4301

45

0.42-0.50較差355600164039E5016,

E4316.E4315

ZG310-

0.41-0.50較差310570152115E5015

570

E5016.E5015

E4303.E4301

55

0.52-0.60很差3806451335E5016.

E4316.E4315

ZG340?

2zlC0.51-0.60很差340640101810E5015

E5016.E5015

特殊情況卜.，中碳鋼焊接時(shí)可使用銘鍥不銹鋼焊條，如E0-19-10-16(A102)、E0-19-10-5

(A107)、El-23-13-16(A302)、El-23-13-15(A307)、E2-26-21-16(A402)、

E2-26-21-15(A407)等，因奧氏體焊縫金屬的塑性良好，能夠減小焊接接頭應(yīng)力，即使焊

件焊前不預(yù)熱，也可避免熱影響區(qū)產(chǎn)生冷裂紋。

9試述中碳鋼的焊接工藝要點(diǎn)。

⑴預(yù)熱

預(yù)熱有利于減低中碳鋼熱影響區(qū)的最高硬度，防止產(chǎn)生冷裂紋,這是焊接中碳鋼的要緊工藝措施，

預(yù)熱還能改善接頭塑性，減小焊后殘余應(yīng)力。通常，35與45鋼的預(yù)熱溫度為150?2509含

碳量再高或者者因厚度與剛度很大，裂紋傾向大時(shí)，可將預(yù)熱溫度提高至250?400C。

若焊件太大，整體預(yù)熱有困難時(shí)，可進(jìn)行局部預(yù)熱，局部預(yù)熱的加熱范圍為焊口兩側(cè)各150?

200mm。

⑵焊條

條件許可時(shí)優(yōu)先選用堿性焊條。

⑶坡口形式

將焊件盡量開成U形坡口式進(jìn)行焊接。假如是鑄件缺陷，鏟挖出的坡口外形應(yīng)圓滑，其目的是

減少母材熔入焊^金屬中的比例，以降低焊健中的含碳量，防止裂紋產(chǎn)生。

⑷焊接工藝參數(shù)

由于母材熔化到第一層焊縫金屬中的比例最高達(dá)30%左右，因此第一層焊縫焊接時(shí)，應(yīng)盡量使

用小電流、慢焊接速度，以減小母材的熔深。

⑸焊后熱處理

焊后最好對(duì)焊件立即進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，特別是關(guān)于大厚度焊件、高剛性結(jié)構(gòu)件與嚴(yán)厲條件下

(動(dòng)載荷或者沖擊載荷)工作的焊件更應(yīng)如此。消除應(yīng)力的回火溫度為600?65CTC。

若焊后不能進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，應(yīng)立即進(jìn)行后熱處理。

10試述高碳鋼的焊接工藝要點(diǎn)。

⑴焊接性

當(dāng)高碳鋼的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.60%時(shí)，焊后的硬化、裂紋敏感傾向更大，因此焊接性極差，

不能用于制造焊接結(jié)構(gòu)。常用于制造需要更硬度或者耐磨的部件與零件，其焊接工作要緊是焊補(bǔ)

修復(fù)。

⑵焊條選用

由于高碳鋼的抗拉強(qiáng)度大都在675MPa以上，因此常用的焊條型號(hào)為E7015、E6015,對(duì)構(gòu)

件結(jié)構(gòu)要求不高時(shí)可選用E5016、E5015焊條。此外，亦可使用格鍥奧氏體鋼焊條進(jìn)行焊接。

⑶焊接工藝

1）由于高碳鋼零件為了獲得高硬度與耐磨性，材料本身都需通過熱處理，因此焊前應(yīng)先進(jìn)行退

火，才能進(jìn)行焊接。

2）焊件焊前應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱，偵熱溫度通常為250?350℃以上，焊接過程中必需保持層間溫度不

低于預(yù)熱溫度。

3）焊后焊件必需保溫緩冷，并立即送入爐中在650C進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。

11低合金高強(qiáng)鋼的碳當(dāng)量如何計(jì)算？

低合金高強(qiáng)鋼碳當(dāng)量的計(jì)算公式目前以國(guó)際焊接學(xué)會(huì)（HW）所推薦的CE與日本JIS標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)

定的Ceq應(yīng)用最為廣泛，其計(jì)算公式為

MnCr+Mo+vCu+Ni

CE（IIW）=C+——+---------------+----------

（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

6515

MnSiNiCrMoV

Ceq（JIS）=C+---------+----------+----------+----------+----------+----------

（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（％）

624405414

式中，化學(xué)元素都表示該元素在鋼中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，計(jì)算時(shí)，元素含量均取其成分范圍的上限。

CE要緊適用于文藝報(bào)非調(diào)質(zhì)量低合金高強(qiáng)鋼（ob=500?900MPd）焊接性的估算；Ceq要緊

適用于低碳鋼調(diào)質(zhì)鋼與低合金高強(qiáng)鋼（ob=500?1000M〉a）,但均適用于含碳量偏高的鋼種

（C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)20.18%）,這類鋼化學(xué)成分的范圍如下

C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為W0.2%、SiWO.55%、MnW1.5%、CuW0.5%、NiW2.5%、CrWl.25%、

MoWO.7%、VW0.1%與BW0.006%。

12試述低合金高強(qiáng)鋼的焊接性。

強(qiáng)度級(jí)別較低的低合金高強(qiáng)鋼，如300?400MPa級(jí)，由于鋼中合金元素含量較少，其焊接性

良好，接近于低碳鋼。隨著鋼中合金元素的增加，強(qiáng)度級(jí)別提高，鋼的焊接性也逐步變差，出現(xiàn)

的要緊問題是：

⑴熱影響區(qū)的淬硬傾向

含碳時(shí)較少、強(qiáng)度級(jí)別較低的鋼種,如09Mn2、09Mn2Si>09MnV鋼等,淬硬傾向很小。隨

著強(qiáng)度級(jí)別的提高，淬硬傾向也開始加大，如16Mn、15MnV鋼焊接時(shí)，快速度冷卻會(huì)導(dǎo)致在

熱影響區(qū)出現(xiàn)馬氏體組織。

⑵冷裂紋

低合金高強(qiáng)鋼焊接時(shí)，熱影響區(qū)的冷裂紋傾向加大，同時(shí)這種冷裂紋往往具有延遲的性質(zhì)，危害

性很大。比如，材料為18MnMoNb鋼壁厚115mm的一大型容器，由于預(yù)熱溫度不夠，焊后

在熱影響區(qū)形成大量冷裂紋。

低合金高強(qiáng)鋼的定位焊縫很容易開裂，其原因是由于焊縫尺寸小、長(zhǎng)度短、冷卻速度快，這種開

裂屬于冷裂紋性質(zhì)。

⑶熱裂紋

通常情況下，強(qiáng)度等級(jí)為294?392MPa的熱軋、正火鋼，熱裂傾向較小，但在厚壁壓力容器

的高稀釋率焊道（如根部焊道或者靠近坡口邊緣的多層埋孤焊焊道）中也會(huì)出現(xiàn)熱裂紋。電渣焊

時(shí)，若母材的含碳量偏高并含銀時(shí)，電渣焊縫中可能會(huì)出現(xiàn)呈八字形分布的熱裂紋。

強(qiáng)度等級(jí)為800?1176MPa的中碳調(diào)質(zhì)鋼（如30CrMnSiA鋼），焊接時(shí)熱裂的敏感性較大。

⑷粗晶區(qū)脆化

熱影響區(qū)中被加熱至1100C以上的粗晶區(qū)，當(dāng)焊接線能量過大時(shí)，粗晶區(qū)的晶粒將迅速長(zhǎng)大或

者出現(xiàn)魏氏組織而使韌性下降，出現(xiàn)脆化段。

13試述低合金高強(qiáng)鋼焊接時(shí)的要緊工藝措施。

⑴預(yù)熱

預(yù)熱是防止裂紋的有效措施，同時(shí)還有助于改善接頭性能。但預(yù)熱會(huì)惡化勞動(dòng)條件，使生產(chǎn)工藝

友朵化，過高的預(yù)熱溫度還會(huì)降低接頭韌性。因此，焊前是否需要預(yù)熱與預(yù)熱溫度的確定應(yīng)根據(jù)

鋼材的成分（碳當(dāng)量）、板厚、結(jié)構(gòu)形狀、剛度大小與環(huán)境溫度等決定。

⑵焊接線能量的選擇

含碳低的熱軋鋼（09Mn2.09MnNb鋼等）與含碳量偏下限的16Mn鋼焊接時(shí)，由于這些鋼的

冷裂淬硬、脆化等傾向小，因此對(duì)焊接線能量沒有嚴(yán)格的限制。焊接含碳量偏高的16Mn鋼時(shí),

為降低淬硬傾向，焊接線能量應(yīng)偏大一點(diǎn)。關(guān)于含V、Nb、Ti的鋼種，為降低熱影響區(qū)粗晶脆

化所造成的不利影響，應(yīng)選擇較小的焊接線能量。如15MlVN鋼的焊接線能量應(yīng)操縱在40?

45kJ/cm下列。

關(guān)于碳及合金元素含量較高而屈服點(diǎn)為490MPa的正火鋼（如18MnMoNb鋼等），因淬硬傾

向大，應(yīng)選擇較大的焊接線能量，但當(dāng)使用焊前預(yù)熱時(shí)，為了避免過熱傾向，能夠適當(dāng)?shù)販p少線

能量。

⑶后熱及焊后熱處理

后熱是指焊接結(jié)束或者焊完一條焊縫后，將焊件立即加熱至150?250℃范圍內(nèi)，并保溫一段

時(shí)間，使接頭中的氫擴(kuò)散逸出，防止延遲裂紋產(chǎn)生。

關(guān)于厚壁容器、高剛性的焊接結(jié)構(gòu)與一些在低溫、耐蝕條件下工作的構(gòu)件，焊后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行消除

應(yīng)力的高溫回火，其目的是消除焊接殘余應(yīng)力，改善組織。

焊后立即進(jìn)行高溫問火的焊件，無(wú)需再進(jìn)行后熱處理。

14低合金高強(qiáng)鋼焊接時(shí)，如何正確地選用焊接材料？

總的原則是根據(jù)等強(qiáng)度的要求，即熔敷金屬的強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)與母材在同一檔次來(lái)選用焊接材料，具

體選用，見表7。

表7低合金高強(qiáng)鋼焊接材料的選用

埋電

強(qiáng)度級(jí)別

鋼手弧焊弧渣

CO2焊焊絲

號(hào)焊焊

(MPa)

焊條焊劑焊絲焊劑焊絲

09Mn2HJ430HlOMnSi

H08A

09Mn2Si294E43HJ431H08Mn2Si

H08MnA

09MnVSJ301H08Mn2SiA

薄板：H08A

SJ501

H08MnA

中板開坡口對(duì)接H08Mn2Si

HJ431

16Mn開I形坡口對(duì)接H08Mn2SiA

HJ430HJ431

16MnCu343E50H08MnAH08MnMoAYJ502-1

SJ301HJ360

14MnNbH10Mn2YJ502-3

厚板深坡口

YJ506-4

HJ350H10Mn2

H08MnMoA

15MnV開I形坡口對(duì)接

E50HJ430HJ431H10MnMoH08Mn2Si

392

15MnVCuH08MnA

E55HJ431HJ360H08Mn2MoVAH08Mn2SiA

16MnNb中板開坡口對(duì)接

H10Mn2

HlOMnSi

HJ250

厚板深坡口

HJ350

H08MnMoA

SJ101

SJ431H10Mn2

15MnVN

HJ350

E55HJ431H10MnMoH08Mn2Si

H08MnMoA

ISMnVNCu441

HJ250

E60HJ360H08Mn2MoVAH08Mn2SiA

H08Mn2MoA

ISMnVTiRe

SJ101

18MnMoNbHJ250H08Mn2MoAH10Mn2MoA

EGOHJ431

14MnMoV490HJ350H08Mn2MoVAHlOMn2MoVAH08Mn2SiMoA

E70HJ360

14MnMoVCuSJ101H08Mn2NiMoH10Mn2NiMoA

15試述工6Mn鋼的焊接工藝。

16Mn鋼屬于碳錦鋼，碳當(dāng)量為0.345%?0.491%,屈服點(diǎn)等于343MPa（強(qiáng)度級(jí)別屬于

343MPa級(jí)）。16Mn鋼的合金含量較少，焊接性良好，焊前通常不必預(yù)熱。但由于16Mn鋼

的淬硬傾向比低碳鋼稍大，因此在低溫下（如冬季露天作業(yè)）或者在大剛性、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?致板厚及不?致環(huán)境溫度下16Mn鋼的預(yù)熱溫

度，見表8.

16Mn鋼手弧焊時(shí)應(yīng)選用E50型焊條，如堿性焊條E5015、E5016,關(guān)于不重要的結(jié)構(gòu)，也可

選用酸性焊條E5003、E5001o對(duì)厚度小、坡口窄的焊件，可選用E4315、E4316焊條。

表8焊接16Mn鋼的預(yù)熱溫度

焊件厚度

不一致氣海下的預(yù)熱溫度計(jì)

<mm）

16以上不低于一10"C不預(yù)熱，-10C下列預(yù)熱100?150c

16?24不低于一5C不預(yù)熱.一5℃下列預(yù)熱100?150c

25?40不低于0C不預(yù)熱，O'C下列偵熱100?150℃

40以上均預(yù)熱100?150℃

16Mn鋼埋弧焊時(shí)H08MnA焊絲配合焊劑HJ431（開I形坡口對(duì)接）或者H10Mn2焊絲配合

焊劑HJ431（中板開坡口對(duì)接），當(dāng)需焊接厚板深坡口焊健時(shí)，應(yīng)選用H08MnMoA焊絲配合

焊劑HJ431。

16Mn鋼是目前我國(guó)應(yīng)用最廣的低合金鋼，用于制造焊接結(jié)構(gòu)的16Mn鋼均為16MnR與

16Mng鋼。

16試述18MnMoNb鋼的焊接工藝。

18MnMoNb鋼的屈服點(diǎn)等于490MPa（屬于490MPa級(jí)鋼），由于碳及合金鋼元素的含量都

較高，因此淬火硬傾向及冷裂傾向均比16Mn鋼大。焊接工藝要點(diǎn)：

1）除電渣焊外，焊前對(duì)焊件應(yīng)采取預(yù)熱措施，預(yù)熱溫度操縱在150?180C。關(guān)于剛度較大的

接頭，預(yù)熱溫度應(yīng)提高至180?230℃。焊后或者中斷焊接時(shí)，應(yīng)立即進(jìn)行250?350℃的后

熱處理。

2）焊接材料的選用，見表7。

3）為保證接頭性能與質(zhì)量，應(yīng)適當(dāng)操縱焊接線能量，如手弧焊時(shí)，焊接線能量應(yīng)操縱在24kJ/cm

下列；埋弧焊時(shí)，焊接線能量應(yīng)操縱在35kJ/cm下列。但焊接線能量不能過小，否則焊接接頭

易出現(xiàn)淬硬組織與降低韌性。同時(shí)，層間溫度應(yīng)操縱在預(yù)熱溫度與300c之間。

4）焊后應(yīng)進(jìn)行熱處理。電渣焊接頭熱處理的方式是900?980c正火加630?670c回火。手

弧焊及埋弧焊接頭進(jìn)行消除焊接殘余應(yīng)力的高溫回火處理，回火溫度比通常鋼材問火溫度低

30c左右。

17試述低溫用鋼的焊接工藝。

工作溫度等于或者低于一20C的低碳素結(jié)構(gòu)鋼與低合金鋼稱之低溫用鋼，其牌號(hào)及成分，見表

9。對(duì)低溫用鋼的要緊要求是應(yīng)保證在使用溫度下具有足夠的塑性及抵抗脆性破壞的能力。

表9低溫容器用鋼的牌號(hào)及成分

鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

號(hào)CMnSiVTi

16MnDR<0.201.20?1.600.20-0.60

09MnTiCuREDR<0.121.40-1.70<0.40

0.04?0.100.03?0.08

09Mn2VDR<0.121.40-1.700.20-0.05

06MnNbDR<0.071.20-1.600.17-0.37

化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

鋼

SP

號(hào)CuNbRE

<

16MnDR0.0350.035

09MnTiCuREDR0.0350.035

0.20?0.400.02?0.050.15（加入量）

09Mn2VDR0.0350.035

06MnNbDR0.0300.030

低溫用鋼由于含碳最低，淬便傾向與冷裂傾向小，因此焊接性良好。焊接時(shí)，為避免焊縫金屬及

熱影響區(qū)形成粗晶組織而降低低溫韌性，要求使用小的焊接線能量，焊接電流不宜過大，宜用快

速多道焊以減輕焊道過熱，并通過多層焊的重?zé)嶙饔眉?xì)化晶粒，多道焊時(shí)要操縱層間溫度不得過

高，如焊接06MnNbDR低溫用鋼時(shí)，層間溫度不得大于300C。

焊接低溫用鋼的焊條，見表10。

表工。焊接低溫用鋼焊條

焊主

條要

'焊條型號(hào)

牌用

號(hào)途

J506GE5016G

焊接一40c工作的16MnDR鋼

J507GRE5015G

焊接一70c工作的09Mn2V及09MnTiCuRe鋼

W707TW70-7CU

焊接一70CT作的低溫鋼及2.5%Ni鋼

W707NiE5515C1

焊接一90C工作的3.5%Ni鋼

W907NiE5515C2

焊接一100C工作的06MnNb、06AINbCuN及3.5%Ni鋼

W107NiTW10-7Cu

低溫用鋼焊后可進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，以降低焊接結(jié)構(gòu)的脆斷傾向。

18試述珠光體耐熱鋼的焊接工藝。

高溫下具有足夠的強(qiáng)度與抗氧化性的鋼稱之耐熱鋼，以C「、M。為要緊合金元素的低合金耐熱

鋼，基體組織是珠光體（或者珠光體+鐵素體）稱之珠光體耐熱鋼，常用鋼號(hào)有15CrMo、

12CrMoV.12Cr2MoWVTiB.14MnMov、18MnMoN匕、13MnNiMoNb°

由于珠光體耐熱鋼中含有一定量的Cr、Mo與其它一些合金元素，因此熱影響區(qū)會(huì)產(chǎn)生硬脆的

馬氏體組織，低溫焊接或者焊接剛性較大的結(jié)構(gòu)時(shí)，易形成冷裂紋。因此在焊接時(shí)應(yīng)采取下列兒

項(xiàng)工藝措施：

⑴預(yù)熱

預(yù)熱是焊接珠光體耐熱鋼的重要工藝措施。為了確保焊接質(zhì)量，不論在定位焊或者正式施庫(kù)過程

中，焊件都應(yīng)預(yù)熱并保持為80?150℃用氫弧焊打底與C02氣體保護(hù)焊時(shí)，能夠降低預(yù)熱溫

度或者不預(yù)熱。

⑵焊后緩冷

焊后應(yīng)立即用石棉布覆蓋焊縫及熱影響區(qū)，使其緩慢冷卻。

⑶焊后熱處理

焊后應(yīng)立即進(jìn)行高溫回火，防止產(chǎn)生延遲裂紋、消除應(yīng)力與改善組織。焊后熱處理溫度應(yīng)避免在

350?500℃溫度區(qū)間內(nèi)進(jìn)行，因珠光體耐熱鋼在該溫度區(qū)間內(nèi)有強(qiáng)烈的加火脆性現(xiàn)象。幾種常

用珠光體耐熱鋼的焊后熱處理溫度見表11。

表11珠光體耐熱鋼焊后熱處理溫度

鋼

需熱處理厚度（mm）焊后高溫回火溫度（°C）

號(hào)

15CrMo>10680?700

12CrlMoV>6720-760

20CrMo任何厚度720-760

12Cr2MoWVB任何厚度760?780

12Cr3MoVSiTiB任何厚度740-780

19珠光體耐熱鋼焊接時(shí)，如何正確地選用焊接材料？

總的原則是根據(jù)化學(xué)成分的要求，即熔敷金屬的化學(xué)成分應(yīng)與母材相當(dāng)來(lái)選用焊接材料。具體選

用，見表120

表12珠光體耐熱鋼焊接材料的選用

手埋

鋼弧弧氣體保護(hù)焊

號(hào)焊焊

焊條牌號(hào)焊條型號(hào)焊絲與焊劑匹配焊絲牌號(hào)

15CrMoR307E5515-B2H08CrMoA+IU350H08CrMnSiMo

12CrMoVR317E5515-B2-VH08CrMoV+HJ350H08CrMnSiMoV

Cr2MoR407E6015-B3H08Cr3MoMnA+hJ350H08Cr3MoMnSi

12CrMoWV-TiBR347E5515-B3-VWBH08Cr2MoWVNb3+HJ250H08Cr2MnWVNbB

14MnMoVJ606E6016-D1

H08Mn2MoA+HJ350H08Mn2SiMo

18MnMoNbJ607E6015DI

13MnNiMoNbJ607NiE6015GH08Mn2NiMo+HJ350H08Mn2NiMoSi

原則上，各類金屬都能進(jìn)行焊接，但金屬本身固有的基本性能，還不能直接說明它在焊接時(shí)會(huì)出

現(xiàn)什么問題與焊接后接頭性能是否能滿足使用要求，因此，金屬材料對(duì)焊接加工的習(xí)慣性壓焊接

性來(lái)衡量。

1.焊接性概念

金屬的焊接性是指在?定的焊接工藝條件下，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。其內(nèi)容包含兩個(gè)方

面：一是金屬在經(jīng)受焊接加工時(shí)對(duì)缺陷的敏感性.即工藝焊接性：二是焊成的接頭在使用條件下

可靠運(yùn)行的能力，即使用焊良性。

1）工藝焊接性

工藝焊接性是一個(gè)相對(duì)的概念，假如一種金屬能夠在很簡(jiǎn)單的工藝條件下焊接而獲得完好的接

頭，能夠滿足使用要求，就能夠說是焊接性良好。反之，假如務(wù)必保證很復(fù)雜的工藝條件，如高

溫預(yù)熱、焊后復(fù)雜熱處理等，或者所焊的接頭在性能上不能很好地滿足要求，就能夠認(rèn)為癖接性

差。工藝焊接性就是指金屬在?定的工藝條件下，能得到優(yōu)質(zhì)焊接接頭的能力。它不是金屬本身

固有的性能，而是隨焊接條件的變化而變化。

2）使用焊接性

使用焊接性是指整個(gè)焊接接頭或者整體結(jié)構(gòu)滿足技術(shù)條件規(guī)定的使用性能的程度。包含力學(xué)性

能、缺口敏感性、耐腐蝕性等。

2.焊接性試驗(yàn)方法

評(píng)價(jià)焊接性的方法是多種多樣的,每一種試驗(yàn)方法都是從某一特定的角度來(lái)考核或者說明焊接性

的某一方面。因此，往往需要進(jìn)行一系列的試驗(yàn)才可能較全面地說明焊接性，從而有助于確定焊

接方法、焊接材料、工藝規(guī)范及必要的工藝措施等。

焊接性試驗(yàn)的內(nèi)容要緊有：熱裂紋試驗(yàn)、冷裂紋試驗(yàn)、脆性試驗(yàn)、使用性能試驗(yàn)等。事實(shí)上施的

方法分模擬、實(shí)焊、理論計(jì)算三大類。最常用的是斜丫坡口裂紋試驗(yàn)、插銷試驗(yàn)、剛性固定對(duì)

接裂紋試驗(yàn)、可變拘束裂紋試驗(yàn)、碳當(dāng)量法等。

金屬材料的可焊性是指被焊金屬在使用一定的焊接方法、焊接材料?、工藝參數(shù)及結(jié)構(gòu)型式條件下,

獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。

鋼材可焊性的要緊因素是化學(xué)成分。在各類元素中，碳的影響最明顯，其它元素的影響可折合成

碳的影響，因此可用碳當(dāng)量方法來(lái)估算被焊鋼材的可焊性。硫、磷對(duì)鋼材焊接性能影響也很大，

在各類合格鋼材中，硫、磷都要受到嚴(yán)格限制。

鋼材塑性良好，淬硬傾向不明顯，可焊性良好。

鋼材塑性下降，淬硬傾向明顯，可焊性較差。

鋼材塑性較低，淬硬傾向很強(qiáng)，可焊性不好。

常用鋼材的可焊性通常為低碳及低合金鋼較好，中碳及中合金鋼較差，高碳及高合金鋼最差

鑄鐵含碳量高，組織不均勻，塑性很低，屬于可焊性很差的金屬材料，因此不應(yīng)該考慮鑄鐵的焊

接構(gòu)件。鑄鐵的焊接要緊是焊補(bǔ)工作。鑄鐵焊補(bǔ)時(shí)熔合區(qū)易產(chǎn)生白口組織，易產(chǎn)生裂縫，易產(chǎn)生

氣孔。

焊前將鑄鐵工件整體或者局部預(yù)熱到600?700℃,焊后緩慢冷卻的工藝稱之熱焊法。

焊補(bǔ)之前，工件不預(yù)熱或者只進(jìn)行400℃下列低溫預(yù)熱的焊補(bǔ)方法稱之冷焊法。冷焊法通常是

用手工電弧焊進(jìn)行焊補(bǔ)

鋼芯鑄鐵焊條焊絲為低碳鋼，一種是藥皮有強(qiáng)氧化性成分能使熔池中的硅、碳大量燒損，以獲得

塑性較好的低碳鋼焊縫。另?種是在藥皮中加入大量帆鐵，能使焊縫金屬成為高銳鋼，因此具有

較好的抗裂性及加工性，可用于高強(qiáng)度鑄鐵及球墨鑄鐵的補(bǔ)焊。

鍥基鑄鐵焊條焊絲是純鍥或者鍥銅合金，焊補(bǔ)后，焊健為塑性好的銀基合金。

銅基鑄鐵焊條用銅絲作焊芯或者用銅芯鐵皮焊芯，外涂低氧型涂料。

有色金屬可焊性較差，通常用氮弧焊方法焊接。

異種金屬焊接性也較差，通過增加過渡層金屬與堆焊隔離層的方法解決熔合與母材金屬稀釋問題

研究在熔化焊接過程中所發(fā)生的''氣體?熔渣?金屬”之間的物理、化學(xué)變化，熔化金屬的結(jié)晶凝

固，馬由于焊接熱循環(huán)造成的焊接熱影響區(qū)內(nèi)金屬的組織與性能的變化。運(yùn)用冶金學(xué)的知識(shí)研究

焊接過程，促進(jìn)了焊接的在展：同時(shí)焊接冶金的進(jìn)展也促使出現(xiàn)了新的冶金工藝一二次重熔。

焊接化學(xué)冶金

焊接化學(xué)冶金反應(yīng)的特點(diǎn)是溫度高而時(shí)間短促：相間反應(yīng)界面的比表面積大：因此，反應(yīng)極為猛

烈。焊接化學(xué)冶金過程是分區(qū)域（或者階段）連續(xù)進(jìn)行的；以手工電弧焊為例，可分為藥皮反應(yīng)

區(qū)、熔滴反應(yīng)區(qū)與熔池反應(yīng)區(qū)（圖1）。

焊接熔渣是在焊接過程中，要緊由焊條藥皮或者焊劑形成的，起冶金處理、機(jī)械保護(hù)金屬與

改善焊接工藝性能的作用。焊接熔渣的要緊構(gòu)成是各類氧化物，還有氟化物、氯化物與硼酸鹽類。

氧化物有酸性的、中性的與堿性的。衡量熔渣的堿性強(qiáng)弱伎用堿度，最常用與簡(jiǎn)便的計(jì)算方法是

堿性氧化物的重量總與同酸性氧化物的重量總與之比（見爐渣）。堿度大于1.3的焊渣稱之堿

性渣，反之稱之酸性渣。焊渣堿度對(duì)焊接冶金過程有很大影響。使用堿性焊渣時(shí)，焊縫金屬具有

較好的綜合機(jī)械性能，抗裂性能提高，同時(shí)焊縫的脫氧及脫硫也較好。

完善的脫氧可提高焊縫金屬（如鋼）的綜合機(jī)械性能。焊接時(shí)的脫氧過程可分為兩類：①先

期脫氧，即焊條藥皮或者焊劑中的脫氧劑（Mn、Si、Al、Ti等）與高價(jià)氧化物與碳酸鹽類在焊接

的熔池中早期發(fā)生還原反應(yīng)。②沉淀脫氧，溶于液態(tài)金屬（如鋼液）中的脫氧劑直接與金屬液體

中的FeO發(fā)生脫氧反應(yīng)；各類鋼焊接時(shí)，利用Si、Mn聯(lián)合脫氧能取得較好的脫氧效果。沉淀脫

氧在脫氧過程中起最后的決定性作用。

焊縫金屬的凝固

焊接熔池的凝固條件不一致于通常鑄錠。焊接熔池體積小、溫度高而不均勻，中心溫度近于沸點(diǎn),

而周圍都是未熔化的被焊接金屬（母材），因此溫度梯度大、冷卻速度快。焊縫凝固結(jié)晶始于熔

池邊緣的最低溫度處，以半熔化的母材金屬晶粒為非白發(fā)晶核，開始結(jié)晶生長(zhǎng)，即所謂''聯(lián)生結(jié)

晶“。另一特點(diǎn)為由于冷卻速度快，因此結(jié)晶從半熔化的晶粒表面開始后，沿著與散熱相反的方

向，以柱狀晶的形態(tài)向熔池中心迅速生長(zhǎng)，直到柱狀晶互相接觸為止。同時(shí)，由于柱狀品的生長(zhǎng)

速度很快，熔池中即使存在著難熔質(zhì)點(diǎn)，也很難作為晶核長(zhǎng)大成等軸晶粒.這樣，焊縫就具有柱

狀晶特征（圖2）。

焊接熱作用特點(diǎn)

焊接熱源的局部集中，導(dǎo)致不均勻的溫度場(chǎng)。離焊縫越遠(yuǎn)，被加熱達(dá)到的峰值溫度越低，如圖3

所示。不均勻的溫度場(chǎng)將引起不均勻的應(yīng)力與變形，并造成不均勻的組織與性能變化。此外，焊

接熱源始終處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之中，焊接區(qū)中任何一點(diǎn)的溫度變化都是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，熱源移近時(shí)迅速升溫,

熱源移開時(shí)則迅速降溫。這就決定了焊接過程中所發(fā)生的各類冶金學(xué)變化都無(wú)法達(dá)到平衡狀態(tài)。

焊接熱循環(huán)特性

焊接區(qū)某點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化過程稱之焊接熱循環(huán)。圖4為單道焊接的熱循環(huán)特性。溫度很

快地升高到峰值溫度（Tmax,比如低合金鋼手弧焊時(shí)在4秒內(nèi)即可升到1100C。而高溫停留

時(shí)間tH很短,比如在Ac3（見鐵碳平衡圖）以上只有幾秒到十幾秒鐘。冷卻速度CDC相當(dāng)大，往

往會(huì)引起淬火。決定焊接熱循環(huán)特性的要緊因素是材料的熱物理性能、焊件尺寸、焊件初始溫度

與焊接工藝參數(shù)。

多道焊時(shí)，其焊接熱循環(huán)具有更為復(fù)朵的特點(diǎn)。后一焊道對(duì)前一焊道起后熱作用，產(chǎn)生熱處

理效果；而前一焊道對(duì)后一焊道具有預(yù)熱的作用。

焊接熱影響區(qū)的范圍與組織變化

加熱峰值溫度低于材料的熔化溫度（Ts）而又高于材料能發(fā)生組織變化的臨界溫度（Ter）的母材區(qū)

域，即為熱影響區(qū)。對(duì)大多數(shù)非調(diào)質(zhì)鋼常取其Acl為其Ter；而對(duì)調(diào)質(zhì)鋼，事實(shí)上際回火溫度即

為其Ter。在焊接熱循環(huán)的作用下，熱影響區(qū)內(nèi)實(shí)質(zhì)上在進(jìn)行著一種特殊形式的熱處理，其結(jié)果

往往是使焊前的熱處理效果受到破壞,在不一致的局部位置會(huì)產(chǎn)生種種組織變化，從而引起硬化、

軟化與脆化現(xiàn)象，甚至還會(huì)產(chǎn)生焊接裂紋。

通常說來(lái)，對(duì)調(diào)質(zhì)鋼而言，凡超過Acl的部位可能產(chǎn)生淬火組織，而溫度介于Acl與原始溫

度之間的部位將進(jìn)行回火過程。對(duì)非調(diào)質(zhì)鋼而言,在超過Acl的部位由于發(fā)生相變，隨溫度不一

致而使其晶粒粗細(xì)差別很大。比如圖5為正火處理的15MnVNb鋼埋弧自動(dòng)焊時(shí)的熱影響區(qū)組

織變化特征。

關(guān)于沉淀強(qiáng)化合金，在熱影響區(qū)內(nèi)將產(chǎn)生相的溶解與析出過程，?？梢姷酱志Я５木植抗倘?/p>

區(qū)與由于過時(shí)效而產(chǎn)生的軟化。關(guān)于冷作強(qiáng)化的金屬，在熱影響區(qū)內(nèi)由于發(fā)生回復(fù)與再結(jié)晶過程,

而可出現(xiàn)軟化區(qū)域。

第四節(jié)常用金屬材料的焊接

金屬材料的焊接性，俗稱可焊性，是指金屬材料對(duì)焊接加工的習(xí)慣性。要緊指在一定的焊接

工藝條件下，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。

焊接奧氏體不銹鋼時(shí)，很容易獲得無(wú)缺陷的焊接接頭，即接合性能好。

金屬材料的焊接性要緊決定于焊接接頭的組織及其性能.通常說來(lái)，焊接同種金屬材料時(shí)，

接頭組織與焊件相同或者相近，焊接性較好：焊接異種金屬材料時(shí)，接頭組織至少與某?癖件不

一致，焊接性較差。不管使用何種材料焊接，假如焊接接頭中形成又脆又硬的組織，則焊接性就

差。

通常說來(lái)，鑄造要產(chǎn)生鑄造熱應(yīng)力，鍛造要產(chǎn)生形變應(yīng)力，熱處理要產(chǎn)生組織應(yīng)力。烙焊與

釬焊的焊縫金屬能夠近似看成是經(jīng)歷了鑄造過程：壓焊接頭能夠近似看成是經(jīng)歷了鍛造過程。焊

接時(shí)局部加熱后冷卻能夠近似看成是焊接接頭經(jīng)歷了熱處理過程。因此，焊接過程中焊件內(nèi)將產(chǎn)

生熱應(yīng)力、形變應(yīng)力與組織應(yīng)力，它們的矢量與就是焊接應(yīng)力。焊接應(yīng)力將導(dǎo)致焊接接頭產(chǎn)生裂

紋的傾向與焊件的變形。假如被焊材料具有良好的塑性，將可能通過塑性變形減緩應(yīng)力