超详细金属材料的焊接工艺教案完整版.docx
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超详细金属材料的焊接工艺教案完整版
名师归纳总结
学习必备
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教学授课计划
授课班级
授课日期
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
教学媒介
教科书
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70
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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，备一定使用性能的焊接接头的特性。
它包括两方面的内容：
具
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
焊接性越好。
3．计算公式
Ceq越小，
国际焊接学会（IIW）推荐：
Ceq=C+Mn
6
Cr
Mo
5
V
N1
Cu
15
（％）
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。
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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。
布置作业
：
习题册
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焊工鉴定教材
教学后记
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：
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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
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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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一、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。
二、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
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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。
三、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
℃范围内的消除应力退火；
600~650
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
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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。
布置作业
：
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§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
组织教学
审视学生风貌
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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。
教学方式和手段
讲授
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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：
优质钢：
S≤0.050%
S≤0.035%
P≤0.045%
P≤0.035%
高级优质钢：
3、按钢的用途分类
S≤0.025%
P≤0.025%
结构钢：
机械零件、工程构件
工具钢：
刀具、模具、量具
4、按脱氧程度不同分类沸腾钢：
脱氧程度不完全的钢镇静钢：
脱氧程度完全的钢
（C＜0.70%）
（C＞0.70%）
（F）
（Z）
半镇静钢：
介于沸腾钢、镇静钢（
特殊镇静钢：
脱氧程度很完全的钢
b）
（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。
三、低碳钢的焊接
1．焊接性
（1）是焊接性最好的金属；
二者强度、伸长率大致相同。
（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、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
CO2
采有HO8A、HO8MnA等焊丝和焊剂
域坡口的清理。
（3）CO2气保焊
431or430；工艺上应注意焊剂的烘干和
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
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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
（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号，45号，55号等。
＃
＃
、45、150～250℃（250～400℃）
35
（3）工艺措施
a.
b.
c.
d.
e.
f.
U型坡口；
多层焊时，第一层焊缝尽量采用小
I，慢焊速；
焊条应烘干，烘干温度为
焊后轻锤击焊缝；焊后缓冷；焊后热处理。
350～400℃，保温2h；
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。
布置作业
：
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§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
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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
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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
四、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。
五、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。
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（1）焊接性
钢稍大一些，一般情况下，不用
焊接性良好，淬硬倾向比
235
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、E501（5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。
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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。
布置作业
：
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§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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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
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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。
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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。
布置作业
：
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§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。
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珠光体耐热钢的焊接工艺
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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
ASTM
A333Gr6（-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：
1C
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