金屬的焊接性能

1、過程裝備制造工藝2013癸巳年十二 金屬的焊接性能4 金屬的焊接性分析4.1 碳素鋼4.2 低合金高強鋼4.3 低溫用鋼4.4 低合金耐蝕鋼4.5 珠光體耐熱鋼4.6 奧氏體不銹鋼4.7 有色金屬及合金4.8 奧氏體不銹鋼與普通鋼4.1碳素鋼的焊接碳素鋼的焊接 低碳鋼的焊接低碳鋼的焊接焊接性分析焊接性分析 含碳量0.25 塑性好，變形能力強，熱導率合適，對熱過程不敏感 硫、磷雜質控制嚴，一般不會產生熱裂紋； 沒有淬硬傾向，對冷裂紋也不敏感焊接焊接工藝工藝 焊條電弧焊、埋弧自動焊、電渣焊、氣體保護焊 應保證焊接接頭與母材等強度 手工電弧焊，一般低碳鋼結構，選用與母材等強度的酸性焊條 壓力容器等重

2、要結構或結構復雜的厚板結構，選用與母材等強度的堿性焊條 應用埋弧自動焊時，一般采用H08A或H08MnA焊絲配焊劑431進行焊接 厚度大于50mm的低碳鋼結構，焊接接頭拘束度大 用大電流多層焊，焊后進行消除應力退火 環(huán)境溫度低于0以下較大剛度結構，焊前預熱中碳鋼的焊接中碳鋼的焊接焊接性分析焊接性分析 含碳在0.250.6% 含碳量增加，強度增加，塑性降低，變形能力變差，熱擴散能力低，線膨脹系數(shù)增大 實際生產，焊接中碳鋼的鑄鋼件與鍛件 熱影響區(qū)易產生淬硬組織和冷裂紋 屬于易淬火鋼，冷裂縫 熱裂縫傾向大 碳還使焊縫金屬過熱并使硫、磷等低熔點雜質的偏析加劇 由于中碳鋼熱擴散能力低，線膨脹系數(shù)增大 焊

3、縫及過熱區(qū)過熱傾向大 焊接接頭焊接應力增大 進一步熱裂紋和冷裂紋的敏感性焊接工藝要點焊接工藝要點 焊前必須進行預熱 減慢熱影響區(qū)的冷卻速度，避免產生淬硬組織 35號鋼和45號鋼的預熱溫度為150250 低氫型焊條 焊縫與母材等強度時 根據(jù)鋼材強度選用結506、結507或結606、結607焊條 用細焊條小電流，開坡口進行多層焊，防止母材過多的溶入焊縫，同時減小焊接熱影響區(qū)的寬度 一般采用手工電弧焊，焊后立即消除應力熱處理 回火溫度一般為 500650. 厚件用電渣焊 4.2 低合金高強鋼 含碳量低，強度高、塑性、韌性好 廣泛用于制造壓力容器、船舶等裝備 中國低合金高強鋼按其屈服強度可以分為九級3

4、00、350、400、450、500、550、600、700、800MPa 焊接性分析熱裂紋傾向 結晶裂紋問題并不突出 正常情況下焊接時不會產生結晶裂紋 如果母材成分不合格或存在嚴重偏析，使局部C， S含量偏高時，Mn/S比可能達不到要求，產生結晶裂紋 低碳調質鋼結晶裂紋敏感性較小 中碳調質鋼結晶裂紋敏感性較大，尤其在弧坑及焊縫的凹陷部位更易出現(xiàn)裂紋熱影響區(qū)的淬硬傾向 強度級別較低的低合金鋼，含合金量較少，碳當量低，具有良好的可焊性 隨著強度級別的提高，碳及合金元素增加，熱影響區(qū)的淬硬傾向也越大 焊接大厚度的鋼結構或施工溫度較低時，預熱Q345(16Mn) Q345鋼是老牌號12MnV、14M

5、nNb、18Nb、16MnRE、16Mn等多個鋼種的替代 焊接性良好，常用的熔焊方法都可焊接，用的最廣的是手工電弧焊、埋弧自動焊、電渣焊、氣體保護焊。 脆硬傾向比低碳鋼稍大，尤其是較低溫度下或厚壁結構采用焊條電弧焊時一般都用抗裂性較好的堿性焊條，對鍋爐、受壓容器等重要工件，厚度大于20mm時，焊后必須進行退火消除應力強度等級（MPa）鋼號碳當量%手弧焊焊條埋弧自動焊預熱溫度焊絲焊劑30009Mn209Mn2Si0.360.35結422，結423結426，結427H08H08MnA43135016Mn0.39結502，結507結506，結507HH08MnA,H10Mn243140015MnV1

6、5MnTi0.400.38結506，結507結556，結557HH08MnSi,H10Mn2431厚板45015MnVN0.43結556，結507結606，結607H08MnAH10Mn243135050018MnMoNb14MnMoV0.550.50結607結707H08Mn2MoAH08Mn2MoVA25035055014MnMoVB0.47結607結707H08Mn2MoVA250350常用普通低合金結構剛的焊接材料、預熱溫度選用表 不銹鋼復合鋼板不銹鋼復合鋼板是較厚的普通鋼與較薄的奧氏體不銹鋼復合軋制而成的雙金屬板坡口常見V型，坡口開在基層一側，普通鋼基層的鈍邊尺寸p常取2mm注意：打

7、底焊不能在復層或太靠近復層，否則合金元素摻入而形成淬火組織，嚴重時出現(xiàn)橫向裂紋焊接裝配以復層為基準，防止錯邊過大采用涂保護涂料等方法盡量避免焊接過程中熔滴、焊渣等濺落到復層坡口上，焊接過渡層時，為減少合金稀釋率，在保證焊透的條件下應盡可能用低線能量施焊不銹鋼復合鋼板的焊接工藝復層為0Cr18Ni9Ti，基層為Q235的復合鋼板焊接順序:先焊基層1、2、3，清理焊根后選用奧氏體化能力較強的焊接材料25-13型鋼或25-20型鋼焊第4層 (過渡層)，最后焊第5層(復層) 奧氏體不銹鋼與普通鋼焊接奧氏體不銹鋼與普通鋼焊接在裝備制造很普遍在非奧氏體鋼一側的坡口表面用比母材高12級的奧氏體不銹鋼焊條堆敷

8、奧氏體過渡層，彌補Q235對過渡層主要合金元素的稀釋然后焊滿整個焊縫，使焊縫與母材OCr18Ni9Ti相近，達到耐腐蝕要求毗鄰普通鋼一側熔合線的焊縫金屬中，可形成和焊縫金屬成分不同的過渡層在過渡層中，普通鋼稀釋作用很強烈，鉻、鎳合金成分減少，含碳量增加，過渡層將由奧氏體+馬氏體組織區(qū)和馬氏體組織區(qū)組成性能上，過渡層硬度高，可到HV500左右，脆性很大，可能導致熔合線的破壞 焊接材料的選擇焊縫中的含鎳量對馬氏體脆性層的寬度有重大的影響， 研究及實踐證明，脆性層寬度與焊縫中的含鎳量成反比焊接材料是18-8型鋼時，脆性層寬度較大選用奧氏體化能力較強的焊接材料25-13型鋼或25-20型鋼，脆性層寬度

9、顯著縮小使用鎳基焊接材料時，脆性層會完全消失焊接時，為了減小或防止脆性層，常選用奧氏體化能力較強的焊接材料4.3低溫用鋼的焊接低溫用鋼的焊接性能要求：保證在使用溫度下具有足夠的韌性及抵抗脆性破壞的能力無Ni低溫用鋼是低合金高強鋼，通過合金元素固溶強化細化晶粒，通過正火、回火處理細化晶粒、均化組織，獲得良好的低溫性能在鋼中加入合金元素Ni可顯著改善鋼的低溫韌性，含鎳的低溫用鋼最低使用溫度-70-170中國標準中，薄板的最低沖擊溫度可比厚板低1020 a無Ni低溫用鋼由于含碳量低，淬硬傾向和冷裂傾向小，焊接性良好應關注焊縫和粗晶區(qū)的低溫脆性宜用快速多道焊的方法以減輕過熱，并通過多層焊的重熱作用細化

10、晶粒焊接16MnDR (用于-40)低溫用鋼時，可采用E5015-G或E5016-G高韌性焊條埋弧自動焊，中性熔煉焊劑配合Mn-Mo焊絲，堿性熔煉焊劑配合含Ni焊絲，堿性非熔煉焊劑配合C-Mn焊絲，由焊劑向焊縫滲入微量Ti、B元素。b3.5鎳低溫用鋼國外低溫鋼以鎳為主要合金元素，2.25鎳鋼、3.5鎳鋼、5鎳鋼及9鎳鋼鎳含量增加，最低使用溫度逐漸降低9鎳鋼可用于制造液化氟(液化溫度為196)的裝備3.5鎳鋼廣泛用于乙烯、化肥、橡膠、液化石油氣及煤氣等工程中低溫裝備的制造，一般為正火或正火十回火狀態(tài)使用，其最低使用溫度為1013.5鎳鋼經淬火、固火調質處理后，組織和低溫韌性得到改善，3.5鎳鋼是

11、依靠降低C、P、S含量，加入Ni等合金成分，并利用熱處理細化晶粒，確保低溫韌性 3.5鎳鋼有應變時效傾向，冷加工變形量5以上時要進行消除應力熱處理以保證低溫則性 由于Ni與S能生成低熔點共晶體，故要極嚴限制C、S、S含量，防止其熱烈傾向 3.5鎳鋼可以用手工電弧焊、熔化極氣體保護電弧焊及埋弧自動焊進行焊接。為保證焊接產品的低溫韌性，應注意控制焊接線能量：手工電弧焊在20kJcm以下；熔化極氣體保護電弧焊在25kJcm左右。3.5鎳鋼的含碳量較低，所以其淬硬傾向不大。但板厚在25mm以上，且剛性較大時，焊前要預熱150左右，層間溫度也要保持相同。 焊條牌號 焊條型號 焊縫金屬合金系統(tǒng)主 要 用

12、途W(wǎng)707W707NiW707NiW707NiE5515-C1E5515-C2低碳Mn-Si-Cu系低碳Mn-Si-Ni系低碳Mn-Si-Ni系低碳Mn-Si-Ni-Mo-Cu系焊接工作的09Mn2V及09MnTiCuRE鋼焊接工作的低溫鋼及2.5%Ni鋼焊接工作的3.5Ni鋼焊接工作的06MnNb、06AlNbCuN及3.5%Ni鋼3.5鎳鋼焊接所用焊接材料 注：l.焊條牌號前加”w”，表示低慍用鋼焊條。2.焊條牌號第一、第二位數(shù)字，表示低溫用鋼焊條的工作溫度等級，如w707的低溫溫度等級為-70。3.表中焊條為低氫鈉型藥皮，采用直流電源。NB-3N焊條焊接時，焊后進行600650熱處理，有

13、利于改善焊接接頭的低溫韌性焊條直徑mm26324050焊條長度mm300350400400焊接電流A平焊558590l 30130180180240立或仰焊50808011510070提示：低溫用鋼焊接盡可能小的線能量規(guī)范，盡快完成焊接熱過程，避免出現(xiàn)粗晶組織。嚴格避免產生應力集中的缺陷,以免在低溫時成為脆斷的裂源。必要時，振動焊接熔池以細化晶粒，焊接完成的焊縫表面再用鎢極氫孤焊重熔一次,有助于消除表面焊縫的柱狀結晶,能收到細化組織的效果。4.4 低合金耐蝕鋼的焊接低合金耐蝕鋼的焊接用做抗潮濕、耐海水腐蝕的鋼材國產耐蝕鋼如16CuCr、12MnCuCr、 9MnCuPTi等耐蝕鋼雖含有銅、磷等

14、合金元素，但含量較低，焊接時不會產生熱裂紋，冷脆傾向也不大，焊接性仍較好耐蝕鋼的焊接工藝與強度級別較低（350400MPa級）的熱軋鋼相同，在設計和制造時，要嚴格遵守減小焊接應力的規(guī)定，以避免產生裂紋和脆性 4.5 珠光體耐熱鋼的焊接珠光體耐熱鋼的焊接耐熱鋼按合金成分含量分為低合金、中合金、高合金耐熱鋼。合金元素總含量在2.5以下的低合金耐熱鋼，供貨狀態(tài)下具有珠光體+鐵素體組織，如12CrMo、15CrMo等主要用于制造鍋爐裝備受熱部件和高壓加氫裝備焊接性與低碳調質鋼類似，突出問題是淬火傾向大，熱影響區(qū)容易生成脆硬組織，易引起冷裂紋，焊后熱處理會有再熱裂紋問題，焊接性較差珠光體耐熱鋼一般在熱處

15、理狀態(tài)（正火）下焊接手工電弧焊，埋弧焊時，焊前應預熱防止低合金耐熱鋼焊接冷裂紋和消除應力裂紋電渣焊時，由于其加熱、冷卻比較緩慢，可降低預熱溫度或不預熱 焊后熱處理可以消除焊接殘余應力，又可改善組織、提高接頭的綜合力學性能，包括提高高溫蠕變強度和組織穩(wěn)定性、降低焊縫及熱影響區(qū)的硬度等實例：某企業(yè)制造的加氫反應器，筒體材料2.25Cr-1Mo，并堆焊不銹鋼耐腐層焊接方法焊接方法埋弧自動焊(SAW)母材鋼號A387-22規(guī)格焊接材料焊接材料焊條牌號E6015-B3 規(guī)格4，焊絲牌號EB3(AWS)焊劑牌號SJ101預熱制度預熱制度預熱溫度150層間溫度后熱溫度lh焊后熱處理制度焊后消除應力處理730

16、4h焊接規(guī)范參數(shù)焊接規(guī)范參數(shù)焊接電流600 直流反接焊接電壓3536V 焊絲伸出長度40焊接速度25h操作技術操作技術焊接位置平焊焊道層數(shù)多層多道焊絲擺動參數(shù)不擺動焊后檢查焊后檢查100超聲波探傷+25射線檢查熱處理前后各做100磁粉探傷突出問題：淬火傾向大，熱影響區(qū)易生成脆硬組織，易引起冷裂紋，手工電弧焊，埋弧焊時，焊前應進行較高溫度的預熱，防止焊接冷裂紋的產生。4.6 奧氏體不銹鋼奧氏體不銹鋼 合金鋼的主要元素鉻超過12時，具有不銹的特性，對某些介質具有耐腐蝕性。 不銹鋼一般多為單相組織：鐵素體不銹鋼，如0Crl3、1Cr17等；馬氏體不銹鋼，如1Crl3、2Crl3等；奧氏體不銹鋼如0C

17、rl8Ni9、0Crl8Ni9Ti、00Crl8Nil0等(又常稱為18-8型奧氏體不銹鋼)。奧氏體不銹鋼應用較廣泛不但能抗很多介質(主要是氧化性)腐蝕，而且高溫、低溫的力學性能均較好，-196仍具有相當?shù)乃苄院晚g性、較好的焊接性。 實際焊接生產中，這類鋼易產生晶間腐蝕和熱裂紋 (1)晶間腐蝕 多種解釋，晶界附近的“貧鉻”的解釋比較有說服力 18-8型奧氏體不銹鋼中碳在常溫以過飽和狀態(tài)存在 含碳量一般平均為0.10左右 上限可達0.25，下限也為0.03(超低碳奧氏體不銹鋼) 而碳的溶解值只有而碳的溶解值只有0.02。焊接熱作用下，過飽和的碳就會在晶界處析出，并與鉻結合形成碳化鉻，如Cr23C

18、6等。碳化鉻中鉻的含量很高，遠遠超出18-8型鋼中鉻的含量(要求鉻的含量在12以上) 因此，碳化鉻析出的晶界處附近，形成了鉻的含量下降當鉻的含量降到不銹鋼所需最低含量(12)以下時，則產生了貧鉻現(xiàn)象。晶界處產生的貧鉻現(xiàn)象會加速腐蝕，發(fā)生晶間腐蝕 晶界處化學成分的重新分布、溫度、時間是晶間腐蝕的影響因素 溫度較高，碳可擴散到晶界附近，碳化鉻化合物析出，而鉻擴散速度不如碳快，不能補充晶界處的鉻，因此產生了晶間腐蝕。 溫度較低，碳原子不能擴散，也就不存在碳化物在晶界的析出，也就不會產生晶間腐蝕。 溫度較高時（如超過1000）碳化物不穩(wěn)定，析出來也會重新溶入到奧氏體中去，不會造成晶間貧鉻。18-8奧氏

19、體不銹鋼在一定溫度范圍內時，產生晶間貧鉻現(xiàn)象，稱這個最容易產生晶間腐蝕的溫度區(qū)間為敏化溫度區(qū)。焊接接頭的敏化溫度區(qū)為4501000，其中最為敏感的溫度范圍為600650 預防晶間腐蝕的措施 A 控制焊縫的化學成分降低焊縫含碳量，使之低于母材含碳量.添加穩(wěn)定化元素在被焊母材和焊接材料中 雙相組織法 最經濟的措施是使焊縫中形成少量鐵素體組織，與奧氏體一起呈現(xiàn)雙相組織，可以提高抗晶間腐蝕的能力。這是因為鉻在鐵素體中溶解度大、擴散能力強鐵素體的含量一般控制在510%鐵素體組織含量過高，雙相組織將會由于原電池原理使總抗腐蝕能力下降，力學性能也要降低。B. 焊接工藝 i以快焊快冷為原則，盡量采用大的焊接速

20、度，短弧焊，不橫向擺動 .采用小電流、直流反接為宜 .不要在焊接接頭附近引弧，不要敲打工件。 iv與腐蝕介質接觸側焊縫盡量安排在最后焊接 . 存在晶間腐蝕傾向時，采用焊后熱處理工藝 穩(wěn)定化退火 加熱到850保溫2h后空冷，使碳化物充分析出，鉻得到充分擴散以補充貧鉻區(qū)的鉻 固溶處理 加熱到10501150，使焊接時析出的碳化鉻重新分解溶人奧氏體內，經淬火即進入未貧鉻區(qū)。此工藝較復雜，僅適用于小件。 經固溶處理的焊縫若再度加熱到敏化溫度區(qū)，仍有出現(xiàn)晶間腐蝕的可能。(2)熱裂紋 原因 低熔點共晶體的存在 奧氏體不銹鋼中的鎳等元素及鋼中的有害元素硫、磷，都是生成低熔點共晶的合金元素 如生成的Ni+Ni

21、3S2共晶的熔點為645，Ni+Ni3P共晶的熔點為880 18-8型奧氏體不銹鋼導熱系數(shù)小，線脹系數(shù)大為低碳鋼的1.5倍 焊接應力、焊接變形大，焊縫金屬及過熱區(qū)過熱傾向大，增加了對熱裂紋的敏感性預防措施 嚴格限制焊縫中的硫、磷等有害元素的含量。 控制焊縫成分 使其形成由奧氏體與鐵素體組成的雙相組織，并控制鐵素體的含量不宜過高了，雙相組織焊縫具有較高的抗裂性 用堿性焊接材料，低線能量，快焊快冷，防止過熱 盡量減少焊接殘余應力4.7 有色金屬及合金鋁及鋁合金的焊接較好的耐腐蝕性能，而且低溫性能也較好，常用做壓力較低的換熱裝備和儲存裝備鋁很活潑，在空氣中就會與氧結合，在表面生成一層致密的Al2O3

22、薄膜，可防止硝酸、乙酸的腐蝕，但在堿類和含有氯離子的鹽類溶液中，Al2O3薄膜很容易被破壞，引起純鋁的強烈腐蝕。在鋁中加入銅、鎂、錳等合金元素工業(yè)純鋁有Ll、L2、L3等；防銹鋁合金有LF1、LF2、LF3等其強度適中，塑性、耐腐蝕性好，是目前鋁合金焊接結構中應用最廣的。 (1) 焊接特點 焊接過程中，表面極易形成Al2O3氧化膜，熔點高(達2050)，不熔化，容易造成不融合現(xiàn)象 由于氧化膜比重同鋁極其接近，容易成為焊縫中夾渣物 鋁及鋁合金的導熱系統(tǒng)比熱容很大(比鋼大一倍多) 氣孔是容易產生的缺陷 氫 鋁及鋁合金液體在高溫下很容易吸收大量氣體，焊接后冷卻凝固過程中來不及析出，聚集在焊縫中形成氣

23、孔鋁及鋁合金的熱裂紋傾向性大 線膨脹系數(shù)約為鋼的兩倍，凝固收縮時的體積收縮率達6.5左右，過大的內應力而在脆性溫度區(qū)間內產生熱裂紋！ (2) 焊接過程 焊前必須認真清理鋁及鋁合金與焊接材料表面的氧化物及污物，并防止焊接過程中再氧化 鎢極氬弧焊，熔化極氬弧焊可獲得滿意的焊接接頭 焊接材料要烘干，并要嚴格保管、發(fā)放 高溫焊接時強度很低，液態(tài)金屬及附近金屬容易塌陷。為了保證焊透而又不致塌陷，焊接時常采用墊板托住熔化金屬及附近金屬，墊板可用石墨、鋼材鈦及鈦合金的焊接鈦(Ti)熔點1668、密度4.51gcm3(約為鐵的一半)。在退火狀態(tài)下工業(yè)鈍鈦的抗拉強度為350700MPa，延伸率為2030，冷彎角

24、為80-130 鈦合金的最大優(yōu)點是比強度(抗拉強度密度)大，而且有較好的韌性、焊接性、良好的耐腐蝕性。在氧化性、中性及有氯離子的介質中，其耐腐蝕性均優(yōu)于不銹鋼，甚至超過lCr18Ni9Ti鋼的十倍。在還原性介質如稀鹽酸和稀硫酸中，鈦的耐腐蝕性較差，但經過氮化處理后，耐腐蝕性大大提高。鈦在高溫和低溫下都具有良好的性能，例如，鋁在150、不銹鋼在310時就會失去原有的性能，而鈦在550時，性能還保持不變。鈦在超低溫下(如-253)也能保持良好的性能。 (1)鈦及鈦合金的分類鈦合金退火狀態(tài)的室溫平衡組織分鈦合金鈦合金+鈦合金分別用TA、TB和TC表示 (2) 焊接特點 鈦活潑鈦在常溫下能與氧生成致密

25、的氧化膜而保持高的穩(wěn)定性和耐腐蝕性，在540以上生成的氧化膜則不致密。300以上即可快速吸氫，600以上快速吸氧，700以上快速吸氮，另外，鈦易與碳形成硬而脆的TiC，易引起裂紋。 鈦的熔點高(1668)導熱性差，接頭易產生晶粒長大傾向(特別是鈦合金)，產生過熱組織，使接頭塑性降低。 鈦的彈性模量是鋼的一半焊接后變形較大，而且校正較困難(3)鈦及鈦合金的焊接 用惰性氣體保護焊(如氬氣保護電弧焊)、真空電子束焊等，在焊接前就進入保護狀態(tài)，注意焊接接頭周圍的保護。 表面清理 嚴格防止鐵離子對焊縫的污染 切割下料用機械加工方法 盡量選用低的焊接線能量4.8 奧氏體不銹鋼與普通鋼奧氏體不銹鋼與普通鋼的焊接不銹