金属材料的焊接工艺教案.docx
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金属材料的焊接工艺教案
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授课题目§11—1金属的焊接性
目的要求理解掌握焊接性的概念及焊接性的间接判断法：
了解影响焊接性的因素和焊接性的直接试验法。
重点难点碳当量法
组织教学审视学生风貌记录考勤情况
总结复习钢板焊接与焊接金属的性质的关系分析
导入新课在工业生产当中，不仅会遇到制造焊接结构的各种金属材料，而且还会遇到一些金属结构的修复，如铸铁的焊补等。
因此，掌握这些金属材料的焊接性及焊接工艺对保证焊接结构的质量是至关重要的。
课前提问金属的性质有哪些？
答：
物理性能化学性能力学性能工艺性能
教学方式和手段讲授
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讲授内容（70）分钟
一、焊接性概念
焊接性只是一个相对的概念，所涉及的问题较为复杂，至今没有一个严格的定义，我们可将其理理解为金属是否能适应焊接加工而形成完整的，具备一定使用性能的焊接接头的特性。
它包括两方面的内容：
1.接合性能---金属在经受焊接加工时对缺陷的敏感性；
2.使用性能-----焊成的接头在一定的使用条件下可靠运行的能力。
二、影响焊接性的因素
1．材料因素
指焊件本身和使用的焊接材料，其中材料的化学成分对金属的焊接性起主要作用。
2.工艺因素
指焊接工艺方法和工艺措施。
3．结构因素
指焊接接头的结构设计，主要包括接头处的刚度，应力集中和多轴应力等方面的因素。
4．使用条件
主要指的是工作环境，即焊接结构必须符合使用条件的要求。
三、焊接性的间接判断法
1．碳当量
碳当量指钢中合金元素（包括碳）的含量按其作用换算成碳的相当含量。
2．碳当量法
碳当量法是一种粗略估价低合金钢冷裂敏感性的方法。
由于焊接热影响区的淬硬及冷裂倾向与化学成分直接有磁，其中C对淬硬及冷裂影响最显著，所以人们将各种元素的作用按照相当C的作用而折合叠加，求得所谓“碳当量”，即“Ceq”以“Ceq”的大小为估价淬硬及冷裂倾向大小的指标，认为Ceq越小，焊接性越好。
3．计算公式
国际焊接学会（IIW）推荐：
Ceq=C+
（％）
当Ceq＜0.4％，钢材的淬硬倾向不明量，焊接性优良，焊前可不必预热。
当0.4％≤Ceq≤0.6％，淬硬倾向渐明显，需适当预热，控制浅能量等。
当Ceq＞0.6％，淬硬倾向较强，难焊需采取较高的预热温度和严格的工艺措施。
四、焊接性的直接试验法
1．目的
（1）选择适用于基本金属的焊接材料；
（2）确定合适的焊接工艺参数；
（3）用于研制新的材料。
2．内容
（1）抗裂性试验；
抵抗热裂纹、冷裂冷、脆性转变能力。
（2）焊接接头的使用性能。
3．选择的制定焊接性试验方法的原则
（1）针对性
试验条件应尽可能接近焊接时的实际条件。
（2）可靠性
a.严格试验条件；b.尽可能自动化、机械化。
（3）经济性
力求做到省材、省时、省费用。
总结巩固新课：
本节主要介绍了金属焊接性的概念及影响因素，焊接性的间接判断法，即碳当量法，焊接性的直接试验法。
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授课题目§11—2金属材料常用焊接工艺措施
目的要求掌握预热、后热及焊后热处理等常用焊接工艺措施的作用和实施方法。
重点难点焊后热处理的作用及实施方法
组织教学审视学生风貌记录考勤情况
总结复习焊接性的判断方法
导入新课各种金属材料的焊接性不同，且影响因素较多。
因此为了保证焊接质量，常对焊接性差或较差的金属材料采取预热、后热、焊后热处理等工艺措施。
课前提问何为之碳当量？
答：
碳当量指钢中合金元素（包括碳）的含量按其作用换算成碳的相当含量。
教学方式和手段讲授法
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讲授内容（70）分钟
1、预热
1、定义
焊接开始前对焊件全部或局部进行加热的工艺措施称为预热。
按照焊接工艺的规定，预热需要达到的温度称为预热温度。
2、作用
降低焊后冷却速度和减小因温差而造成的焊接应力。
3、预热温度选择原则
刚度不大的低碳钢、强度级别较低的低合金钢的一般结构不必预热；
奥氏体不锈钢焊接时，为防止晶间腐蚀不预热；
碳当量越大、母材越厚、刚度越大、环境温度越低，则预热温度越高；
多层多道焊时，道间温度不低于预热温度；
4、预热方法
有火焰加热、工频感应加热、红外线加热等。
加热宽度一般在坡口两侧各75~100㎜范围，且不小于板厚的5倍。
2、后热
1、定义
焊接后立即对焊件的全部或局部进行加热或保温，使其缓冷的工艺措施称为后热，它不等于焊后热处理。
2、作用
避免形成淬硬组织；使氢逸出焊缝表面；防止裂纹产生。
对于冷裂倾向大的低合金钢等材料，进行专门的消氢处理，即焊后立即将焊件加热到250~350℃温度范围，保温2~6h后空冷，其目的是消除焊缝金属中的扩散氢。
3、加热方法
后热的加热方法、宽度、测温部位等要求与预热相同。
3、焊后热处理
1、定义
焊后为改善焊接接头的组织和性能或消除焊接残余应力而进行的热处理，称为焊后热处理。
2、作用
消除残余应力；软化淬硬部位；
改善焊缝和热影响区的组织和性能；
提高接头的塑性和韧性；
稳定结构的尺寸。
3、种类
600~650℃范围内的消除应力退火；
低于AC1线的高温回火；
奥氏体不锈钢的均匀化处理。
4、方法
整体热处理
局部热处理
5、焊后热处理的应用
母材强度级别高，产生延迟裂纹倾向大的普低钢；
低温工作的容器和焊接结构；
承受交变载荷工作，要求疲劳强度高的构件；
有应力腐蚀和焊后要求几何尺寸稳定的焊接结构。
总结巩固新课：
本节主要介绍了预热、后热、焊后热处理的定义、作用、实施方法及选用原则。
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授课题目§11—3碳素钢的焊接
目的要求了解碳素钢的组成及分类；
理解掌握低、中碳钢的接性及焊接工艺。
重点难点低、中碳钢的焊接
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总结复习碳钢的基本常识
导入新课碳素钢简称碳钢，是含碳量小于2.11％的铁碳合金。
碳素钢是工业生产中应用最广泛的材料。
了解其焊接性就具有很大的现实意义。
课前提问碳钢是怎样分类的？
答：
按含碳量；按质量等级；按脱氧方式。
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讲授内容（70）分钟
一、碳素钢的成分
碳素钢是以铁为基体，C为主要合金元素的铁碳合金，其中C的含量很低。
通常C≤1％,Mn≤1.65％,Si≤0.60％。
二、碳钢的分类
1、按钢的含碳量分类
低碳钢：
C≤0.25%
中碳钢：
C0.25%—0.60%
高碳钢：
C≥0.60%
2、按钢的质量分类（S、P的含量的多少）
普通钢：
S≤0.050%P≤0.045%
优质钢：
S≤0.035%P≤0.035%
高级优质钢：
S≤0.025%P≤0.025%
3、按钢的用途分类
结构钢：
机械零件、工程构件（C＜0.70%）
工具钢：
刀具、模具、量具（C＞0.70%）
4、按脱氧程度不同分类
沸腾钢：
脱氧程度不完全的钢（F）
镇静钢：
脱氧程度完全的钢（Z）
半镇静钢：
介于沸腾钢、镇静钢（b）
特殊镇静钢：
脱氧程度很完全的钢（TZ）
镇静钢：
表面质量一般，偏析较轻，冲击韧性良好。
沸腾钢：
表面质量较好，偏析较严重，冲击韧性较差。
二者强度、伸长率大致相同。
三、低碳钢的焊接
1．焊接性
（1）是焊接性最好的金属；
（2）不需预热，焊后热处理等工艺措施；
（3）可满足手工焊各种空间位置的焊接，且焊接工艺和操作技术较简单、易掌握。
（4）对焊接电源方法无特殊要求，一般交、直流弧焊机都可用。
2．常用的焊接方法和焊接材料
几乎所用的焊接方法均可采用，用的最多是手工电弧焊、埋弧自动焊、CO2气保焊、电渣焊等。
（1）手工电弧焊
应用最广泛，焊条的选择是根据低碳钢的强度等级选用相应强度等级的结构钢焊条。
（2）埋弧焊
采有HO8A、HO8MnA等焊丝和焊剂431or430；工艺上应注意焊剂的烘干和域坡口的清理。
（3）CO2气保焊
用HO8MnSi、HO8MnSiA、HO8Mn2SiA焊丝
（4）电渣焊
焊丝：
H10MnSiA、H10Mn2A、H10Mn2MOA；
焊剂：
焊剂360
另：
当f较大or刚性很大，且对接头性能要求较高时，则应焊后热处理，其目的是a.消除焊接应力；b.改善局部组织及平衡接头各部位的性能。
四、中碳钢的焊接
1．焊接性
与低碳钢相比较，焊接性较差，常见的有35号，45号，55号等。
（1）焊缝金属易产生热裂纹；
（2）热影响区易产生冷裂纹；
2．焊接工艺
（1）尽量采用碱性焊条；
因其抗冷裂和抗热裂性能较好。
（2）预热
35＃、45＃、150～250℃（250～400℃）
（3）工艺措施
a.U型坡口；
b.多层焊时，第一层焊缝尽量采用小I，慢焊速；
c.焊条应烘干，烘干温度为350～400℃，保温2h；
d.焊后轻锤击焊缝；
e.焊后缓冷；
f.焊后热处理。
一般作600～650℃清除应力回大处理。
总结巩固新课：
本节主要介绍了碳素钢的成分及分类。
低碳钢的焊接性及焊接工艺，中碳钢的焊接性及焊接工艺。
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授课题目§11—4低合金钢高强度结构钢的焊接
目的要求了解低合金钢高强度结构钢成分、特点、分类
理解低合金钢高强度结构钢的焊接性；
掌握的焊接材料选择及16Mn、15MnV等的焊接。
重点难点低合金钢高强度结构钢焊接工艺
组织教学审视学生风貌记录考勤情况
总结复习低合金钢简介
导入新课低合金钢是在碳钢的基础上添加了不超过5％的合金元素的钢。
利用焊接来制造焊接结构的低合金钢可分为强度用结构钢和专业用结构钢。
低合金高强度结构钢分为Q295、Q345、Q390、Q420、Q460五类，按质量等级分为A、B、C、D、E五级。
课前提问中碳钢的焊接性如何？
答：
焊缝金属易产生热裂纹；热影响区易产生冷裂纹；
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讲授内容（70）分钟
一、低合金结构钢简介
合金结构钢就是在碳素钢的基础上，根据对性能的不同要求，添加了一定的合金元素。
其大致可分为两大类：
一类是强度用钢，主要是根据强度来选用的，普低钢即属此类，合金化的目的是为了提高强度，并保证足够的塑性和韧性；另一类是特殊有钢，主要是为了满足一些特殊使用性能的要求，如高温性能、低温性能和耐蚀性能等。
二、低合金钢高强度结构钢的焊接性
对于一些强度较低的普低钢（300～400Mpa）的焊接性接近于低碳钢，焊接性良好；而对于一些强度较高、且厚度较大的结构刚性较大的焊件，焊接时应采取一定的工艺措施，易出现的问题如下：
1．热影响区的淬硬倾向
影响热影响区淬硬程度的主要因素是
（1）化学成分
一般来讲，钢的含碳量和合金元素含量愈高，其淬硬倾向愈大。
（2）冷却速度
焊件在焊后冷却速度愈大，其淬硬倾向愈大。
2．焊接接头的冷裂纹
冷裂纹是焊接这类钢时的一个主要问题。
从材料本身考虑淬硬组织，是引起冷裂纹的决定性因素。
其防止措施见§6—4。
3．热裂纹
从这类钢的成分来看，一般含C量都较低，而含Mn量较高，Mn/s比符合要求，具有较了的抗热裂性能。
正常情况下焊缝中不会出现热裂纹，但当材料成分不合格的因严重偏析使局部C、S含量偏高时，Mn/s就可能低于要求而出现热裂纹。
三、焊接材料的选择
焊接材料的选择，应根据焊件的化学成、机械性能、接头刚性
坡口形式以及使用要求来决定。
由于合金结构钢正常情况下热裂、冷裂倾向很小，故其选择材料的主要依据是保证焊缝金属的强度、塑性和韧性等机械性能与母材相匹配，为达到这一目的，在选择焊接材料时，应该从母材的机械性能出发，选择相应强度级别的焊接材料，而并不是从化学成分出发，选择与母材成分完全一样的焊接材料。
这样，不仅没有必要，而且往往会得到很坏的结果。
其具体选择见课本P182---表11-4
4、控制焊接热输入
Q295、Q345钢脆化冷裂倾向小，对热输入没有严格限制，但热输入小些更有利。
其他条件下为防止淬硬倾向增大，产生冷裂，热输入应偏大些。
强度级别高的低合金高强度结构钢采用预热配合小的热输入更合理。
5、几种常用低合金钢高强度结构钢的焊接工艺要求
1．16Mn钢的焊接
它是属于350Mpa级的普低钢，其冶炼、加工和焊接性都较好，普遍用于制造各种焊接结构和客器。
（1）焊接性
焊接性良好，淬硬倾向比
235钢稍大一些，一般情况下，不用采取特殊的工艺措施，但在低温条件下焊接厚度、刚性较大的结构时，可能出现裂纹，应进行适当的预热详见表12—6。
（2）常用的焊接方法
a.手工电弧焊
采用强度等级为E50的焊条，如：
E5016、E5015（碱）E5003、E5001、E5503、E5501等，（E4316、E4315）。
b.埋弧自动焊
焊剂：
高锰、高硅、如焊剂431、焊剂350（焊前应250℃1～2h烘干）
焊丝：
HO8A（不开坡口）、HO8MnA、H10Mn2（大与深坡口）、H10MnSi（开坡口）
c.CO2焊
薄板结构及厚板窄间隙焊时，细焊丝
0.6～
1.2㎜
中厚板结构铸钢件补焊时，粗焊线
常用的焊丝有：
HO8Mn2Si
2．15MnV和15MnTi的焊接
属于400Mpa级的普低钢，是在16Mn中加少量的V和Ti，从而使钢的强度提高，减少过热倾向，具有良好的焊接性，基本与16Mn同。
总结巩固新课：
了解低合金钢高强度结构钢成分、特点、分类，理解掌握普低钢的焊接性、焊接材料的选择以及16Mn、15MnV等的焊接。
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授课题目§11—5珠光体耐热钢的焊接
目的要求了解耐热钢的特性；
理解掌握耐热钢焊接性及焊接工艺。
重点难点耐热钢的特点、焊接性及焊接工艺
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总结复习低合金钢的基本分类
导入新课具有足够的高温强度和抗高温氧化性的钢叫做耐热钢。
珠光体耐热钢是以铬、钼为主要合金元素的低合金钢，由于它的基本组织（供货状态组织）是珠光体（珠光体+铁素体），故称珠光体耐热钢，如15Mo、12GrMo、15GrMo、12Gr1MoV等。
课前提问低合金高强度结构钢的焊接性如何？
答：
焊接裂纹；粗晶区脆化。
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一、珠光体耐热钢简介
1．定义
以铬、钼为主要合金元素的低合金钢、其基体组织是珠光体C珠光体+铁素体）。
2．特性
（1）高温强度
由于钼的熔点很高，故在高温下能保持较高的强度，其工作温度高达600℃，若加入少量的V、W、Nb、Ti等后，可进一步提高热强性。
（2）高温抗氧化性
由于铬与氧的亲和力比铁大，故在金属表面形成一层致密难熔的保护膜（氧化铬），从而防止了内部金属的氧化，但碳会与铬反应形成化合物，而降低铬的有效浓度，故应限制C的含量，一般C＜0.25％。
（3）应用
广泛应用于制造蒸汽动力发电设备及石油化工行业。
二、焊接性
珠光体耐热钢的焊接性与低碳调质高强钢很相似，主要问题是热影响区的硬化、冷裂纹、软化以及焊后热处理的高温长期使用中的角热裂纹问题。
另外，在一些Cr－Mo钢中具有明显的回火脆化现象。
三、珠光体耐热钢焊接工艺
1．预热
150~300℃，（在焊接过程始终保持）
2．保温焊和连续焊
保温焊：
指在焊接过和中，近缝区（30~100mm）保持足够的温度。
连续焊：
指焊接过程不间断。
若必须间断，则应使焊件缓慢均匀地冷却，再焊之前仍须预热。
3．短道焊
方法：
是如果焊一条长焊缝，则每一道不要焊大长，使之重复受热如P184图11—2示。
目的：
使焊缝及热影响区缓慢冷却。
4．自由状态下焊；
尽量避免使用胎夹具。
5．焊后缓冷
焊后立即将焊件用石棉布覆盖，or直接放在石棉灰中。
6．焊后热处理
目的：
防止延迟裂收、消除应力、改善组织
常用方法有：
高温回火、退火处理
高温回火：
焊后将焊加热至700~750℃，保温然后在静止空气中冷却。
退火处理：
将焊件加热至840~910℃，保温一定的时间2~3min/mm，然后以30°c/h冷却至540℃。
再炉冷or冷至室温。
通过预热，特别是焊后热处理，珠光体耐热钢接头的薄弱环节往往不再是熔合浅附近的硬化区，而常常是硬度明显下降的软化区，而焊后高温回火不但不能使“白带”区的硬度恢复，甚至还会稍有降低，只能经正火十回火才能改善，另从焊接工艺上应尽可能减小焊接线能量及预热温度。
但过小会增大熔合区的硬化程度，对韧性和防止裂纹都不利，故确定时应综合考虑接头各种性能的要求。
7．焊接材料的选择
在选择焊接材料时，为了保证焊缝性能同母材匹配，具有必要的热强性。
焊缝成分应力求与母材相近。
如：
手弧焊：
焊条主要根据化学成分，而不是常温机械性能、使用原则与碱性焊条同即烘干。
焊件清理，直流反接，短弧等。
也可用奥氏体不锈钢焊条，焊前需预热，焊后不用热处理。
埋弧焊：
选用与焊件成分相同的焊丝配焊剂250。
总结巩固新课：
本节主要介绍了耐热钢的特性，成分，焊接性，焊接工艺及常用焊接方法，焊接材料的选择。
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授课题目§11—6低温钢的焊接
目的要求了解低温钢的特点；理解低温钢的焊接性；
掌握低温钢的焊接工艺。
重点难点低温钢的焊接工艺。
组织教学审视学生风貌记录考勤情况
总结复习珠光体耐热钢的焊接工艺
导入新课低温用钢主要用于制造低温下工作的容器、管道和结构。
如LNG船、液氮储罐等。
课前提问金属材料的韧性指标指的是什么？
答：
金属材料抗脆断的能力。
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一、低温钢的特点
1、对低温钢的认识：
用于制造-20～-253℃低温下工作的焊接结构的专用钢材，称为低温钢。
低温钢按使用温度不同，可分为-40℃、-50℃、-60℃、-70℃、-80℃、-90℃、-100℃、-196℃及-256℃九个温度级别。
2、低温钢的分类：
根据化学成分和组织特点，分为三大类：
（1）低合金铁素体型低温钢：
含合金元素总量不超过5%。
组织为铁素体加少量珠光体，在-40～-110℃范围内使用。
举例：
低合金低温钢16MnDR（-40℃）、低温碳钢ASTMA333Gr6（-45℃）、3.5Ni钢ASTMA333Gr3（-100℃）等。
（2）中合金低碳马氏体型低温钢：
合金元素含量大于5-10%。
组织与热处理方法有关：
淬火后的组织为低碳马氏体；正火后的组织为低碳马氏体、铁素体及少量奥氏体；回火后的组织为含镍铁素体和少量富碳奥氏体。
举例：
典型钢种有9Ni钢：
回火后的组织使9Ni钢在-196℃低温下仍具有优良的低温韧性。
（3）高合金奥氏体型低温钢：
合金元素总含量大于10%，组织为奥氏体，在-196～-269℃的低温下仍保持相当高的韧性。
举例：
1Cr18Ni9Ti等。
3、低温钢结构发生脆性断裂的必要条件：
（1）必须具备由外载荷及残余内应力引起的一定应力水平；
（2）由结构、材料、制造缺陷引起的缺口效应，其中由焊接而引起的缺陷（几何的或冶金的）往往是脆断的裂源。
（3）设备和管道的工作温度低于材料的脆性转变温度
低合金低温钢的焊接特点：
二、低温钢的焊接性
1、不含镍低温钢：
由于其含碳量低、其他合金元素也不高，淬硬和冷裂倾向小，具有良好的焊接性。
一般可不采用预热，但应避免在低温下施焊。
2、含镍低温钢：
由于添加了镍，增大了钢的淬硬性，但不显著，冷裂倾向不大。
当板厚较大或拘束较大时，应采用适当预热。
3、虽然镍可能增大热裂倾向，但是严格控制钢及焊接材料中的C、S、P含量，以及采用合理的焊接工艺，增大焊缝成形系数，可以避免热裂纹。
4、特别提醒：
低温下使用的焊接结构易于发生脆性断裂。
所以保证焊缝和粗晶区的低温韧性是低温钢焊接时的技术关键。
5、举例：
9Ni钢的焊接特点
（1）焊接接头的低温韧性问题（包括焊缝金属、熔合区和粗晶区）。
（2）焊接热裂纹问题，尤其表现为弧坑裂纹。
（3）焊接冷裂纹问题：
在低氢条件下一般不会产生冷裂纹。
但高氢下也有一定冷裂敏感性。
（4）焊接时电弧的磁偏吹问题：
9Ni钢系铁磁性钢，焊接时易发生电弧的磁偏吹，造成夹渣、未熔合等焊接缺陷的产生。
焊接磁偏吹的消除及控制措施：
采用永久磁铁平衡法来消除焊接磁偏吹的影响。
在坡口焊缝的背侧移动永久磁铁，并用特斯拉计监测，可以保证焊缝内的剩磁接近于零。
采用交流焊接电源，由于电流方向的高频率变换（每秒100次），磁场不会造成电弧偏吹。
避免使用大电流的碳弧气刨清根，而改用砂轮打磨。
】
三、低温钢的焊接工艺
1、低温钢焊接接头的低温韧性保证措施：
（1）从结构设计上充分考虑焊透，避免结构不良而引起的人为缺陷。
（2）正确选择焊材，保证焊缝足够的冲击韧性水平。
（3）正确制定焊接工艺，控制焊接线能量：
采取小电流、快焊速、控制多层焊的层间温度等措施。
（4）避免工艺缺陷：
防止焊接接头产生各种应力集中源。
（5）采用锤击工件等强制手段进行组装会增加残余应力，易导致发生低应力脆性
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