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碳鋼焊接采用電弧焊，預(yù)熱溫度和道間溫度不低于350℃
金屬焊接基礎(chǔ) 主講: 第二章 碳素鋼的焊接 復(fù)習(xí)思考題 第四節(jié) 高碳鋼的焊接性 第三節(jié) 中碳鋼的焊接性 第二節(jié) 低碳鋼的焊接性 第一節(jié) 碳素鋼概述 第一節(jié) 碳素鋼的概述 一、碳素鋼的種類 二、碳素鋼的焊接性 含碳量小于2.11%，并含有少量的Si、Mn、S、P等雜質(zhì) 的鐵碳合金叫碳素鋼。 碳素鋼簡(jiǎn)稱碳鋼 (生產(chǎn)用碳鋼含碳量<1.35%)，在鋼 的用量中約占90%以上。 缺點(diǎn):強(qiáng)度低、淬透性低、回火抗力差、高溫性能極差。
一、碳素鋼的種類 按含碳量分類: 低碳鋼<0.3%C 中碳鋼 0.3%~0.6%C 高碳鋼>0.6%C 按用途分類: 碳素結(jié)構(gòu)鋼 碳素工具鋼 按質(zhì)量分類: 普通碳素鋼 S≤0.05% ;P≤0.045% 優(yōu)質(zhì)碳素鋼 S≤0.04% ;P≤0.04% 高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素鋼 S≤0.03% ;P≤0.035% 鋼材脫氧程度 沸騰鋼: 不完全脫氧所得的鋼，含氧量高，硫、磷雜 質(zhì)較多，且分布不均，焊接時(shí)有產(chǎn)生熱裂紋和氣孔傾 向。 鎮(zhèn)靜鋼:鎮(zhèn)靜鋼 脫氧徹底，故含氧量低，雜質(zhì)少。 半鎮(zhèn)靜鋼:介乎沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間。 行業(yè)特殊要求及用途(專用鋼) 按照某些專業(yè)的特殊要求，對(duì)普通或優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu) 鋼的成分和性能進(jìn)行調(diào)整，從而生產(chǎn)出滿足各種 專業(yè)要求的專用鋼。
一、碳素鋼的種類 鍋爐用鋼:制造鍋爐過熱器、主蒸汽管、鍋筒、爐膽和 爐管 壓力容器用鋼:制造空氣瓶、鍋爐汽包、石化工業(yè)的氣 體分離或貯運(yùn)設(shè)備的壓力容器等 要求: ?一般為低碳優(yōu)質(zhì)鎮(zhèn)靜鋼，含碳量在0.15%~0.26%C，嚴(yán) 格控制S、P、O 2 、N 2 等的含量 ?良好不冷變形性和焊接性，一定的強(qiáng)度、高溫強(qiáng)度和韌 性、耐蝕性和一定的形變時(shí)效值 、機(jī)械性能 專用鋼的牌號(hào):在碳素結(jié)構(gòu)鋼或合金鋼的鋼號(hào)末尾加 “鍋”-“g”或“容”-“R”或“橋”“q”。例如20g、15MnVg或 15MnVR、16Mnq等 一、碳素鋼的種類 二、碳素鋼的焊接性 (成分、工藝) 名稱 W(C) % 典型硬度 典型用途 焊接性 低碳鋼 小于0.15 60HRB 特殊板材和、 型材薄板等 優(yōu) 0.15~0.30 90HRB 結(jié)構(gòu)用型板 帶材、焊絲 良 中碳鋼 0.30~0.60 25HRC 機(jī)械部件及 工具 中 高碳鋼 大于0.60 40HRC 彈簧、模具、 鋼軌 差 表2-1 碳素鋼焊接性和含碳量的關(guān)系 焊接性主要取決與碳含量。 成分 二、碳素鋼的焊接性 焊接性主要取決與碳含量，錳、硅對(duì)焊接性也 有一定的影響。 Ceq=w(C)+1/6w(Mn)+1/24w(Si) 對(duì)于碳鋼來說，硅含量較少(<0.5%)，不考 慮硅對(duì)碳當(dāng)量的影響。 Ceq=w(C)+1/6w(Mn) 碳當(dāng)量>0.4%時(shí)，冷裂紋的敏感性增大。 其他合金元素對(duì)碳含量的影響，磷、硫、 氧、氮對(duì)焊接性的影響。 硫在鋼中常以硫化鐵的形式存在，并呈網(wǎng)狀分布在晶 粒邊界，因而顯著地降低鋼的韌性。鐵加硫化鐵的共晶溫 度較低(985℃)，因此，在進(jìn)行熱加工時(shí)，由于加工開 始溫度一般為1150~1200℃，而鐵和硫化鐵共晶已經(jīng)熔 化，從而導(dǎo)致加工時(shí)開裂，這種現(xiàn)象就是所謂“硫的熱脆 性”。硫的這種性質(zhì)使鋼在焊接時(shí)產(chǎn)生熱裂紋。因此，一 般在鋼中對(duì)硫的含量都嚴(yán)格加以控制。另一方面，硫還容 易引起焊接氣孔。 磷在鋼中能全部溶于鐵素體內(nèi)。它對(duì)鋼的強(qiáng)化作 用僅次于碳，使鋼的強(qiáng)度和硬度增加，磷能提高鋼的 抗腐蝕性能，而塑性和韌性則顯著降低。特別在低溫 時(shí)影響更為嚴(yán)重，這稱為磷的冷脆傾向。故它對(duì)焊接 不利，增加鋼的裂縫敏感性。作為雜質(zhì)，磷在鋼中的 含量也要加以限制。 氧、氮危害較大，提高了時(shí)效敏感性。 碳素鋼的焊接性隨含碳量增加而惡化，因?yàn)楹剂枯^高的 鋼從焊接溫度快速冷卻下容易被淬硬。被淬硬的焊縫和熱影響 區(qū)因其塑性下降，在焊接應(yīng)力作用下容易產(chǎn)生裂紋。碳素鋼被 淬硬主要是因馬氏體組織形成而引起。馬氏體是碳在中過飽和 的固溶體，它的硬度既和鋼中含碳量有關(guān)，又和所形成的馬氏 體數(shù)量有關(guān)，見圖2-1 。馬氏體的數(shù)量受冷卻速度影響，非常 快的冷卻速度可以產(chǎn)生100%馬氏體，從而可達(dá)到最高硬度。 因此，焊接含碳量較高的碳素鋼時(shí)，就應(yīng)當(dāng)注意減緩冷卻速度， 使馬氏體的數(shù)量減至最少。 工藝 圖2-1含碳量對(duì)碳鋼快速冷卻產(chǎn)生 各種%(馬氏體)時(shí)的硬度影響 焊接的冷卻速度 受焊接熱輸入、母 材板厚和環(huán)境溫度 的影響。厚板或在 低溫條件下焊接， 其冷卻速度加快; 預(yù)熱或加大焊接線 能量，可以降低冷 卻速度。 碳素鋼的碳含量增加到約0.15% 以上時(shí)，對(duì)氫致裂紋尤其 敏感。因此，焊接碳含量高于0.15% 的碳素鋼時(shí)，須注意減 少氫的來源。例如，減少焊條藥皮中或埋弧焊劑里及母材上 或大氣中的水分，焊前對(duì)待焊部位及其附近須清除油污、鐵 銹等。手弧焊時(shí)宜選用低氫型焊條，在其它焊接方法中應(yīng)制 造低氫環(huán)境，以減少焊縫周圍環(huán)境中的含氫量。對(duì)已溶入焊 縫和熱影響區(qū)的氫，可采取后熱措施使之向外擴(kuò)散。 措施 焊接碳素鋼時(shí)產(chǎn)生裂紋的力學(xué)原因是結(jié)構(gòu)的拘束應(yīng)力和不 均衡的熱應(yīng)力。即使是不易淬硬的低碳鋼，在受枸束條件下采 用了不正確的焊接程序，也會(huì)因這些應(yīng)力過大而產(chǎn)生裂紋。 總之，對(duì)碳素鋼的焊接，應(yīng)針對(duì)其碳含量不同而采取相應(yīng) 的工藝措施。當(dāng)含碳較低時(shí)，如低碳鋼，應(yīng)著重注意防止結(jié)構(gòu) 拘束應(yīng)力和不均衡的熱應(yīng)力所引起的裂紋;當(dāng)含碳量較高時(shí)， 如高碳鋼，除了防止因這些應(yīng)力所引起的裂紋外，還要特別注 意防止因淬硬而引起的裂紋。 措施 低碳鋼的成分特點(diǎn)與焊接性 成分特點(diǎn):碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，硅、錳含量較少。 焊接性優(yōu)良 焊接時(shí)一般不需預(yù)熱、控制道間溫度和后熱，焊后也 不必采取熱處理來改善組織，可以說在整個(gè)焊接過程 中不需要特殊的工藝措施 焊接時(shí)具有以下特點(diǎn): 第二節(jié)、低碳鋼的焊接 1)可裝配成各種接頭形式，適應(yīng)各種不同位臵的 焊接，且焊接工藝和技術(shù)較簡(jiǎn)單，容易掌握。 2)塑性好，焊接接頭產(chǎn)生裂紋的傾向小，適合制 造各種大型結(jié)構(gòu)和受壓容器。 3)不需要使用特殊和復(fù)雜的設(shè)備，對(duì)焊接電源和 焊接材料沒有特殊要求，交直流焊機(jī)、酸堿性焊 條和焊劑都可以使用。 4)如果焊接時(shí)熱輸入過大，例如焊條直徑或焊接 電流選擇不當(dāng)、埋弧焊電流或焊速不當(dāng)，也可能 出現(xiàn)熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)大而引起塑性降低。 第二節(jié)、低碳鋼的焊接 由于低碳鋼含碳量低，錳、硅含量也少， 所以，通常情況下不會(huì)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。 但在少數(shù)情況下，焊接時(shí)也會(huì)出現(xiàn)困難: 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)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(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋。如某廠采用酸性焊條焊接Q235-A鋼時(shí)， 因焊條藥皮中錳鐵的含碳量過高，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。
1.焊接方法 低碳鋼焊接性良好，幾乎可以選擇所有的 焊接方法，并能保證焊接接頭的良好質(zhì)量。 第二節(jié)、低碳鋼的焊接 2.焊接材料 選擇焊接材料應(yīng)遵循等強(qiáng)匹配的原則，也 就是根據(jù)母材強(qiáng)度等級(jí)及工作條件來選擇 焊接材料。低碳鋼結(jié)構(gòu)通常使用抗拉強(qiáng)度 平均值為420MPa的鋼材，因而常選用 E43××系列焊條。表2-2列出了焊接低碳 鋼常用的焊接材料。 第二節(jié)、低碳鋼的焊接 表2-2 焊接低碳鋼常用的焊接材料 鋼號(hào) 焊條電弧焊 埋弧焊 CO 2 焊 一般結(jié)構(gòu) 焊接動(dòng)載荷、復(fù)雜與厚板結(jié)構(gòu)、 重要受壓容器和低溫下焊 接 焊絲牌號(hào) 焊劑牌號(hào) Q235 Q255 E4303、E4313、 E4301、 E4320、 E4311 E4315、E4316 (E5015、E5016) H08A HJ430 HJ431 H08Mn2Si H08Mn2SiA Q275 E5015、E5016 E5015、E5016 H08MnA 08、10 15、20 E4303、E4301 E4320 、E4311 E4315、E4316 (E5015、E5016) H08A H08MnA HJ430 HJ431 HJ330 25、30 E4315、E4316 E5015、E5016 H08MnA、 H10MnA 20g E4303、E4301 E4315、E4316 (E5015、E5016) H08MnA H08MnSi、 H10Mn2 20R E4303、E4301 E4315、E4316 (E5015、 E5016) H08MnA 3. 低碳鋼施焊工藝要點(diǎn) 低碳鋼焊接一般不需要特殊的工藝措施， 但在工件厚度較大或環(huán)境溫度較低 (T≤0℃)時(shí)，會(huì)因冷速加快而導(dǎo)致接頭 裂紋傾向增加，例如在焊接直徑 Φ≥3000mm且壁厚δ≥50mm的結(jié)構(gòu)、焊 接壁厚δ≥90mm的第一層焊道、受壓容器 壁厚δ≥20mm時(shí)的焊縫有可能產(chǎn)生裂紋。 第二節(jié)、低碳鋼的焊接 因此焊接時(shí)應(yīng)采取如下工藝措施: 1)焊前預(yù)熱，焊接時(shí)保持道間溫度。 2)采用低氫或超低氫型焊接材料。 3)連續(xù)施焊整條焊縫，避免中斷。 4)在坡口內(nèi)引弧，避免擦傷母材，注意熄弧 時(shí)填滿弧坑。 5)不在低溫下進(jìn)行成形、矯正和裝配。 6)盡可能改善嚴(yán)寒的勞動(dòng)條件。 上述措施可單獨(dú)使用有時(shí)需要綜合使用。 第二節(jié)、低碳鋼的焊接 低碳鋼的特殊焊接工藝 1.窄間隙埋弧焊 窄間隙埋弧焊可用于低碳鋼焊接，也可用于合金 結(jié)構(gòu)鋼的焊接，在我國已有多套窄間隙焊接裝臵， 例如，大型火電站鍋爐、核電站主容器、石油化 工裝臵中的熱壁加氫反應(yīng)器等厚壁筒體結(jié)構(gòu)， 都 可以采用這一工藝方法進(jìn)行焊接。該法比普通埋 弧焊間隙小得多，因而節(jié)省焊接材料、縮短焊接 時(shí)間和減少母材開坡口時(shí)的浪費(fèi)，同時(shí)還提高接 頭焊接質(zhì)量。 第二節(jié)、低碳鋼的焊接 2.窄間隙自動(dòng)MIG全位臵焊(惰性氣體保護(hù)金屬極電弧 焊 metal inert-gas welding ) 該工藝方法主要用于大直徑厚壁管件的焊接，采用 射流過渡的脈沖MIG焊，Ar+CO2富氬混合氣體作 保護(hù)，焊絲直徑φ0.8~φ1.2mm，調(diào)節(jié)參數(shù)多，可 以很好地適應(yīng)在不同空間位臵時(shí)的焊接需要，并能 保證獲得滿意的焊接接頭質(zhì)量。 3.TIG焊封底背面成形工藝(鎢極惰性氣體保護(hù)焊 英文簡(jiǎn)稱TIG(Tungsten Inert Gas Weiding)焊 ) 該工藝主要用于無法進(jìn)行兩面焊接、但又要求必須 焊透的受壓容器、管道或其他結(jié)構(gòu)的焊接施工。焊 接時(shí)要求根部熔化，背面形成焊縫;或背面不要求 成形，但根部必須完全熔透。 第二節(jié)、低碳鋼的焊接 4.多頭MIG焊 大型電站鍋爐中的膜式壁很大，由許多根 鋼管與鋼帶彼此相間焊接而成，材料都為 低碳鋼，正、反兩面都要求焊接。 國內(nèi)采用12頭的MIG焊膜式壁專用焊機(jī)， 正反面各有6個(gè)焊頭同時(shí)焊接，即6個(gè)平焊、 6個(gè)仰焊。焊接過程不必翻轉(zhuǎn)工件，效率高。 目前，日本已有20個(gè)頭(10個(gè)平焊、10個(gè) 仰焊)專用焊機(jī)，且焊接質(zhì)量完全合格。 第二節(jié)、低碳鋼的焊接 等離子體是物質(zhì)的第四態(tài)(以H 2 O為例) 要是把水蒸汽再加熱，比方幾千度、上萬度地?zé)?會(huì)怎樣呢?這就是物質(zhì)的第四態(tài)，等離子體狀態(tài)! PLASMA PLASMA GAS GAS LIQUID LIQUID SOLID SOLID ENERGY ENERGY 5.等離子弧焊接 等離子體又叫做電漿，是由部分電子被剝奪后的 原子及原子被電離后產(chǎn)生的正負(fù)電子組成的離子化氣 體狀物質(zhì)，它廣泛存在于宇宙中，常被視為是除去固、 液、氣外，物質(zhì)存在的第四態(tài)。等離子體是一種很好 的導(dǎo)電體，利用經(jīng)過巧妙設(shè)計(jì)的磁場(chǎng)可以捕捉、移動(dòng) 和加速等離子體。 普通氣體溫度升高時(shí)，氣體粒子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，使粒 子之間發(fā)生強(qiáng)烈碰撞，大量原子或分子中的電子被撞掉， 當(dāng)溫度高達(dá)百萬K到1億K，所有氣體原子全部電離.電離 出的自由電子總的負(fù)電量與正離子總的正電量相等.這種 高度電離的、宏觀上呈中性的氣體叫等離子體. 其實(shí)，人們對(duì)等離子體現(xiàn)象并不生疏。在自然界里， 熾熱爍爍的火焰、光輝奪目的閃電、以及絢爛壯麗的極 光等都是等離子體作用的結(jié)果。對(duì)于整個(gè)宇宙來講，幾 乎99.9%以上的物質(zhì)都是以等離子體態(tài)存在的，如恒 星和行星際空間等都是由等離子體組成的。用人工方法， 如核聚變、核裂變、輝光放電及各種放電都可產(chǎn)生等離 子體。 等離子體主要用于以下3方面。 ①等離子體冶煉:用于冶煉用普通方法難于冶煉的材料，例如 高熔點(diǎn)的鋯(Zr)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、鈮(Nb)、釩(V)、鎢(W)等金屬。 ②等離子體噴涂:許多設(shè)備的部件應(yīng)能耐磨耐腐蝕、抗高溫， 為此需要在其表面噴涂一層具有特殊性能的材料。用等離子體沉積 快速固化法可將特種材料粉末噴入熱等離子體中熔化，并噴涂到基 體(部件)上，使之迅速冷卻、固化，形成接近網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的表層， 這可大大提高噴涂質(zhì)量。 ③等離子體焊接:可用以焊接鋼、合金鋼;鋁、銅、鈦等及其 合金。特點(diǎn)是焊縫平整，可以再加工,沒有氧化物雜質(zhì),焊接速度快。 用于切割鋼、鋁及其合金，切割厚度大。 等離子處理過程 等離子處理 氣體電離 氣體電離 電電 弧弧 壓壓 縮縮 熱熱 能能 動(dòng)動(dòng) 能能 金屬材料的熔融噴出物 金屬材料的熔融噴出物 尖端快速的被冷卻 = 弧壓縮 電弧中心的溫度 (15,000 to 35,000°C) = 融化金屬材料 高速等離子射流 - DC ①機(jī)械壓縮效應(yīng)(作用)--電弧經(jīng)過有一定孔徑 的水冷噴嘴通道，使電弧截面受到拘束，不能自由 擴(kuò)展。 ②熱壓縮效應(yīng)--當(dāng)通入一定壓力和流量的氬氣或 氮?dú)鈺r(shí)，冷氣流均勻地包圍著電弧，使電弧外圍受 到強(qiáng)烈冷卻，迫使帶電粒子流(離子和電子)往弧 柱中心集中，弧柱被進(jìn)一步壓縮。 ③電磁收縮效應(yīng)--定向運(yùn)動(dòng)的電子、離子流就是 相互平行的載流導(dǎo)體，在弧柱電流本身產(chǎn)生的磁場(chǎng) 作用下，產(chǎn)生的電磁力使孤柱進(jìn)一步收縮。 當(dāng)小直徑噴嘴，大的氣體流量和增大電流時(shí)，等 離子焰自噴嘴噴出的速度很高，具有很大的沖擊力，這 種等離子弧稱為“剛性弧”，主要用于切割金屬。反之， 若將等離子弧調(diào)節(jié)成溫度較低、沖擊力較小時(shí)，該等離 子弧稱為“柔性弧”，主要用于焊接。 用等離子弧作為熱源進(jìn)行焊接的方法稱為等離子孤焊接。 焊接時(shí)離子氣(形成離子弧)和保護(hù)氣(保護(hù)熔池和焊縫不受 空氣的有害作用)均為氬氣。 等離子弧焊所用電極一般為鎢極(與鎢極氬弧焊相同，國 內(nèi)主要采用釷鎢極和鈰鎢極，國外還采用鋯鎢極和鋯極)，有 時(shí)還需填充金屬(焊絲)。一般均采用直流正接法(鎢棒接負(fù) 極)。故等離子弧焊接實(shí)質(zhì)上是一種具有壓縮效應(yīng)的鎢極氣體 保護(hù)焊。 1.小孔型等離子弧焊 小孔型焊又稱穿孔、鎖孔或穿透焊。利用等離子弧能量密度 大、和等離子流力強(qiáng)的特點(diǎn)，將工件完全熔透并產(chǎn)生一個(gè)貫穿工 件的小孔。被熔化的金屬在電弧吸力、液體金屬重力與表面張力 相互作用下保持平衡。焊槍前進(jìn)時(shí)，小孔在電弧后方鎖閉，形成 完全熔透的焊縫。 穿孔效應(yīng)只有在足夠的能量密度條件下才能形成。板厚增加: 所需能量密度也增加。由于等離子弧能量密度的提高有一定限制， 因此小孔型等離子弧焊只能在有限板厚內(nèi)進(jìn)行。 2.熔透型等離子弧焊 當(dāng)離子氣流量較小、弧抗壓縮程度較弱時(shí)，這種等離子弧在 焊接過程中只熔化工件而不產(chǎn)生小孔效應(yīng)。焊縫成形原理和鎢極 氫弧焊類似，此種方法也稱熔入型或熔蝕法等離子弧焊。主要用 于薄板加單面焊雙面成形及厚板的多層焊。 第三節(jié) 中碳鋼的焊接 中碳鋼的成分特點(diǎn)與焊接性 中碳鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為wc=0.30%~0.60%， 其強(qiáng)度和硬度較高，塑性和韌性較差，淬硬性較 大，當(dāng)wc接近下限時(shí)焊接性良好，隨wc的增加焊 接性嚴(yán)重惡化。 同時(shí)在物理性能方面，中碳鋼比低碳鋼線膨脹系 數(shù)略大，熱導(dǎo)率稍低，這也就增加了中碳鋼焊接 時(shí)的熱應(yīng)力和過熱傾向。 當(dāng)鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.15%時(shí)，碳本身的偏 析以及它促進(jìn)硫等其它元素的偏析都明顯起來， 如果鋼中的硫較多，則會(huì)因形成低熔點(diǎn)硫化物而 導(dǎo)致熱裂紋傾向增加，因此用于焊接的中碳鋼必 須嚴(yán)格控制硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù); 其次，由于碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大，在焊接冶金反應(yīng) 中，C和FeO反應(yīng)生成的CO有可能產(chǎn)生CO氣孔; 第三，碳的增加提高了鋼材的淬硬性，焊接時(shí)如 果冷速較快則會(huì)在熱影響區(qū)產(chǎn)生馬氏體組織，且 中碳鋼的馬氏體組織有較大的脆性，因此在焊接 應(yīng)力作用下容易發(fā)生冷裂紋和脆斷 中碳鋼的焊接性較差，且隨碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而 越來越差，焊接時(shí)的主要問題是熱裂紋、冷裂紋、 氣孔和脆斷，有時(shí)還會(huì)存在熱影響區(qū)強(qiáng)度降低， 鋼中雜質(zhì)越多、結(jié)構(gòu)剛性越大，問題就越嚴(yán)重。 中碳鋼一般不用作焊接結(jié)構(gòu)材料，而是用作機(jī)器 部件和工具較多，多利用其堅(jiān)硬耐磨的性能，而 非利用其高強(qiáng)度。這種堅(jiān)硬耐磨性能通常是經(jīng)過 熱處理來達(dá)到的，因此焊接時(shí)就要注意母材的熱 處理狀態(tài)。如果是焊接已經(jīng)過熱處理的部件，則 必須采取措施防止裂紋產(chǎn)生;如果是焊后進(jìn)行熱 處理，要求熱處理后接頭與母材性能相匹配，則 必須注意選擇焊接材料。 1.焊接方法 中碳鋼焊接性較差，一般用作機(jī)器部件， 其焊接一般是修補(bǔ)性的，所以焊接中碳鋼 最合適的焊接方法是焊條電弧焊。 2.焊接材料 一般情況下選用去硫能力強(qiáng)，熔敷金屬擴(kuò) 散氫含量低，塑、韌性較好的低氫型焊條; 在要求焊縫金屬與母材等強(qiáng)度時(shí)，選相應(yīng) 級(jí)別的低氫焊條; 在不要求等強(qiáng)度時(shí)，選用強(qiáng)度級(jí)別低于母 材的低氫焊條，例如焊接強(qiáng)度級(jí)別為 490MPa的母材，可選擇E4315、E4316焊 條，切不可選擇強(qiáng)度級(jí)別比母材高的焊條。 對(duì)強(qiáng)度不做要求的中碳鋼工具、模具等， 焊接時(shí)要考慮其焊前狀態(tài): 如果是在退火狀態(tài)下(熱處理前)焊接， 選用焊條則必須要使焊縫金屬與母材化學(xué) 成分接近，以使焊后經(jīng)熱處理的焊縫金屬 達(dá)到與母材性能相同; 如果是在熱處理后的部件上焊接，則要選 擇低氫焊條，并采取相應(yīng)的工藝措施，以 防止裂紋和熱影響區(qū)軟化。 3.坡口制備 中碳鋼焊接時(shí)為了限制焊縫金屬中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，應(yīng)減小 熔合比，所以一般采用U形或V形坡口，并注意將坡口及 兩側(cè)20mm范圍內(nèi)的油污、鐵銹等污物清理干凈。 4.預(yù)熱與后熱 中碳鋼焊接時(shí)大多需要預(yù)熱和控制道間溫度，以降低焊縫 金屬和熱影響區(qū)的冷卻速度，抑制馬氏體的形成，提高接 頭的塑性，減小殘余應(yīng)力。預(yù)熱溫度取決于碳當(dāng)量、母材 厚度、結(jié)構(gòu)剛度和焊條類型等，見表2-3。 中碳鋼焊后應(yīng)立即進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，不能立即進(jìn)行熱 處理的，也應(yīng)至少在冷卻到預(yù)熱溫度或道間溫度之前進(jìn)行， 特別是在工件厚度和結(jié)構(gòu)剛度較大時(shí)更應(yīng)如此。熱處理溫 度一般為600~650℃。 焊接領(lǐng)域中，是指熔焊時(shí)，被熔化的母材在焊道金屬 中所占的百分比。 熔合比也可以以焊道金屬中母材金屬熔化的橫截面積 SB與整個(gè)焊道橫截面積SA+SB之比值來計(jì)算，即: 熔合比=SB/(SA+SB)。 坡口和熔池形狀改變時(shí)，熔合比都將發(fā)生變化，如焊 件開坡口后與I形坡口相比，會(huì)顯著降低熔合比。電弧焊 接中碳鋼、合金鋼和有色金屬時(shí)，常通過改變?nèi)酆媳鹊?大小來調(diào)整焊縫的化學(xué)成分，降低對(duì)焊接裂紋的敏感性 和提高焊縫金屬的力學(xué)性能。 表2-3 中碳鋼焊接的焊條、預(yù)熱溫度及焊后熱處理溫度 鋼牌號(hào) 焊接性 選用焊條牌號(hào) 預(yù)熱溫度 /℃ 焊后熱處理溫 度 /℃ 不要求等強(qiáng)度 要求等強(qiáng)度 25 好 E4303、E4301 E5015、E5016 ＞50 600~650 30 較好 E4315、E4316 E5015、E5016 ＞100 35 ZG270- 500 較好 E4303、E4301 E4315、E4316 E5015、E5016 ＞150 45 ZG310- 570 較差 E4303、E4301、 E4315、E4316、 E5015、E5016 E5015、E5016 ＞250 55 ZG340- 640 較差 E4303、E4301、 E4315、E4316、 E5015、E5016 E5015、E5016 - -
5.施焊特點(diǎn) 中碳鋼焊接時(shí)，尤其是在不預(yù)熱的情況下焊接， 應(yīng)采取工藝措施減小熔深，降低冷卻速度，防止 產(chǎn)生裂紋。例如，選U形坡口減小熔合比;多層 焊第一層焊道采用小直徑焊條、小電流焊接;將 焊件臵于立焊或半立焊位臵、焊條橫向擺動(dòng)(擺 動(dòng)幅度取焊條直徑的5~8倍，這樣就相當(dāng)于短段 連續(xù)多道多層焊)，以使母材熱影響區(qū)的任何一 點(diǎn)都在短時(shí)間內(nèi)多次重復(fù)受熱以取得預(yù)熱和保溫 效果。 典型中碳鋼零件的焊接工藝 1.焊條電弧焊焊接法蘭長(zhǎng)軸 法蘭長(zhǎng)軸的主要尺寸見圖2-2，材料為35鋼。 采用焊條電弧焊焊接，選用E5015低氫型焊 條，焊前經(jīng)300~350℃烘干保溫1h;焊件 仔細(xì)清理坡口兩側(cè)20mm范圍內(nèi)的油污、鐵 銹等雜質(zhì);焊件水平放臵，焊縫處于立焊 位臵，預(yù)熱150~200℃，焊固定焊縫4~5 段，每段長(zhǎng)50mm;圓周焊縫分成6段或4 段，分段跳焊以減小應(yīng)力和變形，第一道 焊縫焊速要稍慢，熄弧時(shí)注意填滿弧坑。 圖2-2 焊接法蘭長(zhǎng)軸 第三節(jié) 高碳鋼的焊接 高碳鋼的成分特點(diǎn)與焊接性 高碳鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wc＞0.6%，焊接性 很差，在實(shí)際中不用作焊接結(jié)構(gòu)，一般是 用作工具鋼和鑄鋼，用于要求高硬度和高 耐磨性的部件、零件和工具，所以高碳鋼 的焊接大多為修復(fù)性焊接。 其特點(diǎn)如下: 1)由于碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)更大，因此焊接時(shí)比中碳鋼 更容易產(chǎn)生熱裂紋; 2)高碳鋼對(duì)淬火更加敏感，焊接時(shí)熱影響區(qū)極易 產(chǎn)生脆硬的高碳馬氏體組織，所以淬硬傾向和冷 裂紋傾向都很大; 3)高碳鋼導(dǎo)熱性比低碳鋼差，在焊接高溫下晶粒 長(zhǎng)大快，且碳化物容易在晶界上集聚、長(zhǎng)大，使 焊縫脆性增大，從而使接頭強(qiáng)度降低;同時(shí)在接 頭中引起的內(nèi)應(yīng)力也較大，更容易促使裂紋的產(chǎn) 生。 第三節(jié) 高碳鋼的焊接 高碳鋼的焊接工藝要點(diǎn) 1.焊接方法 高碳鋼焊接主要是高硬度、高耐磨性部件、零件和工具的 焊接與修復(fù)，所以主要的焊接方法是焊條電弧焊和釬焊。
2.焊接材料 高碳鋼焊接一般不要求接頭與母材等強(qiáng)度。焊接材料根據(jù) 鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用條件來選擇。 高碳鋼的抗拉強(qiáng)度一般在675MPa以上，當(dāng)要求接頭強(qiáng)度 較高時(shí)可選擇E7015-D2(J707)或E6015-D2(J607)焊 條;強(qiáng)度要求不高時(shí)可選擇E5015(J507)或E5016 (J506)焊條;或者選擇與以上焊條強(qiáng)度等級(jí)相當(dāng)?shù)牡蜌?型低合金鋼焊條;必要時(shí)可選用奧氏體不銹鋼焊條，牌號(hào) 與中碳鋼所選焊條相同。 3.施焊工藝要點(diǎn) 1)高碳鋼零件一般經(jīng)過淬火+回火的熱處理，因 此焊接之前要先行退火，以減小裂紋傾向。 2)采用結(jié)構(gòu)鋼焊條焊接時(shí)，焊前必須預(yù)熱，預(yù)熱 和道間溫度控制在250~350℃以上。 3)采取與中碳鋼相同的焊接工藝措施，如減小熔 合比、小電流、低焊速焊接，整個(gè)工件應(yīng)連續(xù)施 焊完成，并采取措施減小內(nèi)應(yīng)力。 4)焊后將焊件立即放入爐中，在650℃保溫，進(jìn) 行消除應(yīng)力熱處理。
1.刀具釬焊 在機(jī)加工中使用的車刀、刨刀等很多刀具 是由刀頭和刀體焊接而成的。刀頭一般是 碳素工具鋼，其中wc=0.8%~1.4%，屬于 高碳鋼;刀體一般由wc=0.4%~0.6%的中 碳鋼或低合金鋼(40Cr)制造。 如圖2-3所示為刀頭和刀體的火焰釬焊 第三節(jié) 高碳鋼的焊接 圖2-3 火焰釬焊刀具 待釬料凝固后放在石灰石中凝固，降低冷卻速度。 2.鋼索對(duì)接 某鋼索斜拉橋(圖2-4)的鋼索直徑為 146mm，是由許多根直徑為7mm的80優(yōu)質(zhì) 高碳鋼絲擰絞而成，每根鋼索都很長(zhǎng)，安 裝時(shí)要求拉緊鋼索，因此要求事先在鋼索 端頭對(duì)接上一個(gè)高碳鋼拉緊接頭。 焊接采用焊條電弧焊，選用強(qiáng)度級(jí)別比鋼 索低的焊條，預(yù)熱溫度和道間溫度不低于 350℃，焊后采取緩冷措施。
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