金属材料焊接知识文档格式.docx
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自动焊
焊条牌号
焊丝牌号
焊剂牌号
Q235A•B
结422
H08A
焊剂431
20R
结422结426结427
H08MnA
20g
结422结427
焊接规范的确定，主要考虑焊接过程的稳定、焊缝成型的良好及焊缝中不产生缺陷。
当基本金属厚度较大或周围温度较低时，由于焊缝金属及热影响区的冷却速度很快，也有可能出现裂缝，这时需要对焊件进行适当预热，预热温度一般为100-150℃。
2．埋弧自动焊
低碳钢的自动焊接头的等级强度，主要靠选择相应焊丝和焊剂来获得。
焊丝和焊接见表12-2。
表12-2常用低碳钢（部分）的焊接材料
埋弧自动焊
二氧化碳气体
保护焊焊丝
H08Mn2SiA
表12-3几种常用碳钢焊条的化学成分（%）
焊条
牌号
国际
型号
Mn
Si
Ni
Cr
Mo
V
S
P
J422
E4303
―
0.035
0.040
J427
E4315
1.25①
≤0.09
0.30①
0.20①
0.08①
J426
E4316
J502
E5003
J507
E5015
1.60②
≤0.75
0.30②
0.20②
0.08②
J506
E5016
J507H
J507C
J506D
1元素总量不大于1.5％；
②元素总量不大于1.75％。
表12-4几种常用碳钢焊条的力学性能
σS
（Mpa）
σ0.2
δS
（％）
AKV
（J）
温度（℃）
≥420
≥330
≥22
≥27
―30
≥490
≥410
≥20
比起手工焊，埋弧自动焊可以采用较大的焊接规范参数，生产效率高，熔深也较大。
在生产实践当中，采用埋弧自动焊焊接较厚工件时，可以用一道或多道焊来完成，厚壁容器一般均采用多道埋弧自动焊。
在多层自动焊时，焊第一层是值得注意的。
因为焊第一层时，基本金属的熔入比例较大，若遇到基本的含碳量处于规范范围的上限，在焊缝中含碳量就可能略有升高；
同时，第一层埋弧自动焊容易形成不利的焊缝横截面形状（如所谓O形截面），容易产生热裂缝。
因此在多层自动焊焊接厚板时，要求焊坡口根部第一层时采用的焊接规范比焊上面几层的小些。
如采用手工焊打底埋弧自动焊，上述情况就不太突出。
在进行环缝自动焊时，为防止熔池中金属外流及保证自动焊焊剂的良好保护作用。
焊丝的位置应从最高处朝旋转的相反方向作偏移，以使熔池中液态金属保持在焊件的上表面。
第三节低合金钢焊接
一、概述
在碳素钢中加入一定量的合金元素，可以大大提高钢的强度，并能获得各种特殊的性能，这种钢称为合金钢。
合金元素总质量分数小于5%的合金钢称为低合金刚。
低合金刚加入合金元素有Mn、Si、Mo、V、Ti、Cu、B、Cr、Ni等。
这些合金元素的加入使钢材具有强度高、韧性好、耐磨、耐腐蚀、耐高温、耐低温等一系列优良性能。
二、低合金结构钢的分类
低合金结构钢是以该钢材的屈服点进行分类的，其牌号和化学成分见表12-5，新旧低合金结构钢的标准牌号对照见表12-6。
表12-5低合金高强度结构钢的牌号和化学成分（GB/T1591-94）
质量
等级
化学成分（质量分数）（％）
C≤
Si≤
P≤
S≤
Nb
Ti
Al≥
Cr≤
Ni≤
Q345
A
B
C
0.20
1.00～1.60
0.55
0.045
0.02～0.15
0.015～0.060
0.02～0.20
0.015
D
E
0.18
0.030
0.025
表12-5低合金高强度结构钢的牌号
GB/T1591-94
GB1591-88
12MnV、14MnNb、16Mn、16MnRE、18Nb
三、低合金结构钢的焊接性
低合金结构钢焊接时的共同特点是焊缝和热影响区具有不同程度的淬硬倾向，对氢的敏感性强，焊接应力较大时，焊接接头易产生裂纹。
1．焊缝和热影响区的淬硬倾向
低合金结构钢中强度等级和含碳量较低的一些钢种，如Q295（09MnV、09Mn2）等，焊缝和热影响区的淬硬倾向并不大，随着强度等级的提高，钢中碳和合金元素的含量增加，热影响区的淬硬倾向就增大，热影响区组织中马氏体组织所占的比例也就增大。
影响热影响区淬硬程度的因素很多，其中只要有：
（1）材料和结构方面的因素。
如钢材的品种、化学成分、厚度、接头形式及焊缝尺寸等。
（2）焊接工艺方面的因素。
如焊接工艺方法、焊接参数、焊缝附近的起焊温度等。
焊接热输入较大时，可以防止淬硬组织，但却容易产生魏氏组织；
焊接热输入较小时，则相反。
因此对于不同的钢种，应该分别选择不同的焊接参数。
2．焊接裂纹
低合金结构钢焊接时，在焊接接头中可能产生的焊接裂纹有冷裂纹、热裂纹和再热裂纹。
（1）冷裂纹。
冷裂纹是低合金结构钢焊接时常见的一种裂纹，并且往往有延迟的性质。
焊接强度强度等级较低的低合金结构钢时，由于淬硬倾向很小，焊缝和热影响区金属的塑性较好，故产生冷裂纹的可能性不大。
冷裂纹主要发生在强度级别较高钢材的厚板结构中。
（2）热裂纹。
低合金结构钢产生热裂纹的可能性比冷裂纹小得多，只有在原材料化学成分不符合规格（如含S、C量偏高，严重偏析）时才有可能产生。
（3）再热裂纹。
含有V、Cr、Mo、B等合金元素的低合金结构钢有产生再热裂纹的倾向。
四、低合金钢的焊接工艺特点
1．焊接材料的选用
低合金结构钢是强度钢，所以应该按照等强度的原则选择对应的焊接材料。
焊缝金属的强度不宜超过母材过多，否则会使焊缝塑性降低，甚至会产生裂纹。
另外，选择焊接材料时，还要考虑到焊件的厚度、坡口形式、焊后的冷却速度和对焊缝金属使用性能的特殊要求等。
焊接低合金结构钢用焊条、焊丝及焊剂见表12-7。
表12-7焊接低合金结构钢用焊条、焊丝及焊剂
钢材
焊条电弧焊用
焊条型号
埋弧焊
焊前预热
Q295
E4301E4303
E4315E4316
HJ431
一般情况下不预热
E5001E5003
E5015E5016
I形坡口H08A
中厚板开坡口H08MnA
H10Mn2
H10MnSi
厚板开坡口H10Mn2
┐
│―HJ431
│
┘
HJ350
Q390
E5501E5516
E5515
I形坡口H08MnA
中厚板开坡口H10MnSi
H08Mn2Si
厚板开坡口H08MnMoA
HJ250
一般情况下不预热或预热100～150℃
Q420
E5515E5516
E6016-D1
E6015-D1
H08MnMoA
预热150℃以上施焊
Q460
E7015-D2
H08Mn2MoA
H08MnMoVA
2．焊接参数的确定
焊接参数对低合金结构钢焊接接头的性能有着直接的影响。
焊接参数影响到焊缝的冷却速度，当选择较大的焊接参数时，即热输入大，则焊缝冷却速度小；
反之，选择较小的焊接参数时冷却速度则大。
所以，为减小过热区的淬硬倾向，焊接参数应选择大些。
对于过热敏感、且有一定淬硬性的钢材，焊接时要用小的焊接参数，以减少焊件在高温停留的时间；
同时，采用预热措施，以减少过热区的淬硬程度。
预热的防止裂纹和热影响区出现淬硬组织的有效措施。
预热温度的选择与钢材的化学成分、板厚、焊件的刚度、接头的形式和环境温度有关。
预热温度的选择见表12-8。
对于厚板或强度等级较高，且有延迟裂纹倾向的低合金结构钢，要求焊后及时进行回火处理，以消除焊接残余应力，改善热影响区的显微组织，使残留在焊缝中的氢能够逸出。
几种常用低合金钢焊前预热及焊后处理参数见表12-8。
表12-8低合金结构钢焊前预热及焊后热处理的参数
钢材牌号
预热温度（℃）
焊后热处理参数
焊条电弧焊
电渣焊
（09MnV、09Mn2）
不预热（一般供应的板厚δ≤16mm）
不热处理
（16Mn、12MnV、14MnNb）
100～150
（δ≥30mm）
600～650℃回火
900～930℃正火
（15MnV、16MnNb）
（δ≥28mm）
550℃或650℃回火
950～980℃正火
（15MnVN、14MnVTiRE）
（δ≥25mm）
950℃正火
650℃回火
五、常用低合金钢的焊接工艺
（一）Q345（16Mn）钢
是利用我国富有资源Mn、Si为合金元素，其屈服点大于345MPa，是我国产量最大、应用最广的低合金结构钢。
16Mn钢的化学成分和力学性能见表12-9。
表12-9Q345（16Mn）钢的化学成分和力学性能
化学成分的质量分数（％）
力学性能（不低于）
屈服点
（MPa）
抗拉强度
伸长率
≤0.20
≤0.55
275～345
470～530
21～22
（1）焊接性。
16Mn钢具有良好的焊接性，淬硬倾向比Q235钢稍大些。
在大厚度、大刚度结构上进行小焊接参数，焊接时可能出现裂纹，特别是在低温条件下进行焊接。
因此，在低温条件下焊接时应进行适当的预热，焊件厚度超过一定范围时应按有关规定进行焊后热处理。
（2）焊接方法。
常见的焊接方法都可用于16Mn钢的焊接。
①16Mn钢的焊条电弧焊：
焊条电弧焊时应采用强度等级为E50的焊条，应用最多的是E5015焊条。
对于要求不高的焊件，可采用E5001焊条和E5003焊条。
②16Mn钢的埋弧焊：
埋弧焊时选用HJ431焊剂和HJ350焊剂，配合H08MnA焊丝、H10Mn2焊丝或H10MnSi焊丝，可以得到很好的效果。
当焊件开I形坡口时，一般可选用H08MnA焊丝；
对于开其他形状坡口焊件的焊接，选用合金元素含量较高的焊丝H10Mn2和H10MnSi；
对于大厚度深坡口的焊件，可选用H10Mn2焊丝，这样都可以保证得到力学性能较高的焊接接头。
③16Mn钢的CO2气体保护焊：
采用的焊丝有细焊丝和粗焊丝两种，前者主要用于薄板结构及厚板窄间隙焊接；
后者用于中厚板结构或铸钢件补焊中，焊丝牌号常用H08Mn2Si和H10MnSi。
（二）Q390（15MnV和15MnTi）钢的焊接
15MnV钢和15MnTi钢属于390MPa级的低合金结构钢。
它们分别是在16Mn钢的基础上加入ω（V）为0.02％～0.20％和ω（Ti）为0.02％～0.20％炼制而成的。
V或Ti的加入，能使钢材强度提高，同时又能细小晶粒、减少钢材的过热倾向。
15MnV钢和15MnTi钢的化学成分和力学性能见表12-10。
表12-1015MnV钢和15MnTi钢的化学成分和力学性能
15MnV
330～390
490～650
19～20
15MnTi
这类钢焊接性较好。
当板厚小于32mm、在0℃以上焊接时，原则上可不预热；
当板厚大于32mm或在0℃以下施焊时，应预热到100～150℃，焊后采用550～560℃回火处理。
常用的焊接方法都可以用于这类钢的焊接。
①埋弧焊，对于厚度较小，焊后不回火的焊件，可采用H08MnA焊丝配合HJ431进行焊接；
对于厚度较大或坡口较深的焊缝，则采用H10Mn2焊丝或H08Mn2Si焊丝配合HJ431或HJ350进行焊接；
对于特大厚度深坡口的焊缝可采用H08MnMoA焊丝配合HJ431或HJ350、HJ250进行焊接。
②焊条埋弧焊，对于厚度不大、坡口不深的结构，可采用E5015焊条、E5016焊条；
厚度较大的结构应采用E5503-G焊条；
对于不重要的结构，也可采用E5501焊条、E5503焊条。
③CO2气体保护焊，焊接用焊丝采用H08Mn2SiA。
④电渣焊，采用H10MnMoVA焊丝或H08Mn2MoVA焊丝配合HJ431焊剂或HJ360焊剂。
（三）18MnMoNbR钢的焊接
18MnMoNbR钢是采用铌来强化的中温压力容器用钢。
18MnMoNbR钢的化学成分和力学性能见表12-11。
表12-1118MnMoNbR钢的化学成分和力学性能
≤0.22
1.20～1.60
0.15～0.50
0.025～0.050
0.20～0.40
0.45～0.65
410～440
570～740
17
18MnMoNbR钢碳当量的质量分数为0.57％，所以焊接性较差，焊接时具有一定的淬硬倾向，故焊前除电渣焊外一般需要预热，预热温度为200～250℃。
为防止焊后产生延迟裂纹，焊后应立即进行热处理。
电渣焊接头焊后进行900～980℃正火加630～670℃回火处理，如遇钢材性能偏低或要更充分发挥钢材的性能潜力，可采用调质处理；
在焊条电弧焊或埋弧焊后进行回火或消除应力热处理，其加热温度通常比钢材回火温度约低30℃。
18MnMoNbR钢焊接装配定位有应局部预热到200℃以上，否则会在焊接热影响区产生微裂纹。
焊条电弧焊时，可采用E6016-D1、E7015-D2等抗拉强度大于650MPa的焊条，使用时应严格遵守碱性焊条的使用规则，彻底清除焊件坡口的油、污、锈、水，以免由氢引起冷裂纹。
埋弧焊时，焊丝可选用H08Mn2MoA或H08MnMoA，配合HJ252焊剂或HJ350焊剂，焊接时层间温度应控制在300℃以下。
电渣焊时，可选用H10Mn2MoA或H10Mn2MoVA两种焊丝，配合HJ431焊剂或HJ250焊剂、HJ360焊剂。
（四）珠光体耐热钢的焊接
耐热钢是指用于制造在高温下长期使用的零件而专门冶炼出来的一种工业用钢。
这种钢在高温下具有足够的强度和抗氧化性，珠光体耐热钢是以Cr、Mo为主要合金元素的低合金结构钢，由于它的旗本组织是珠光体，故称为珠光体耐热钢。
常用珠光体耐热钢的化学成分、室温力学性能和高温力学性能见表12-12。
表12-12常用珠光体耐热钢的化学成分、室温力学性能和高温力学性能
热处理状态
常温力学性能
高温性能
W
抗拉
强度
屈服
点
伸长
度
冲击
韧度
/（J/cm2）
温度
（℃）
抗久强度
（105h/MPa）
蠕变极限
1％
12CrMo
0.08
～
0.15
0.40
0.70
0.17
0.37
680～730℃回火（缓冷到300℃空冷）
≥265
≥24
≥110
480
510
540
200
120
70
153
35
15CrMo
0.12
0.80
1.10
900℃正火
440
295
≥94
500
550
100～140
50～70
80
45
12Cr1MoV
0.90
1.20
0.25
0.35
0.30
1000～1020℃正火
740℃回火
255
≥78
520
580
160
190
130
60
20Cr3MoWVA
0.24
0.60
2.00
3.00
0.50
1040～1060℃油淬
650～720℃回火
785
635
345
≥14
18
≥55
600
620
110～142
90～138
58～95
120～140
54～68
36～50
1．珠光体耐热钢的特性
珠光体钢的合金元素质量分数一般不超过5％，在500～600℃有良好的热强性，工艺性能好，比较经济，应用范围广泛。
钢种Cr、Mo含量的高低是决定钢的抗氧化能力和高温强度的主要因素。
钢种的碳容易和铬形成化合物，降低固溶体中铬的浓度，从而降低钢的抗氧化性能，所以耐热钢中碳的质量分数应在0.25％以下。
钒、钨、铌、钛等合金元素可与碳形成稳定的碳化物，提高珠光体钢的高温强度。
2．珠光体耐热钢的焊接性
这种钢淬硬性倾向较大，易产生冷裂纹，且多出现在焊缝和热影响区中，并且在焊后热处理过程中易产生再热裂纹。
3．珠光体耐热钢的焊接工艺
（1）预热。
预热是焊接珠光体耐热钢的重要工艺措施。
为了保证焊接质量，不论是在定位焊或焊接过程中，都应预热并保持在150～300℃的温度范围内，用氩弧焊打底和CO2气体保护焊时，可降低预热温度或不预热。
（2）保温焊和连接焊。
所谓保温焊，是指在整个焊接过程中，应使焊件（焊缝附近30～100mm范围）保持足够的温度。
因此在焊接过程中，应经常测量焊件温度并不使温度下降
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