焊工工藝學(xué)-第十二章-常用金屬材料的焊接

第十二章常用金屬材料的焊接§12-1金屬的焊接性§12-2常用焊接工藝措施§12-3非合金鋼的焊接§12-4低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的焊接§12-5珠光體耐熱鋼的焊接§12-6低合金低溫鋼的焊接§12-7不銹鋼的焊接§12-8鑄鐵的焊補(bǔ)§12-9鋁及鋁合金的焊接§12-10銅及銅合金的焊接§12-1金屬的焊接性一、焊接性的概念金屬的焊接性是金屬材料在限定的施工條件下，焊接成按規(guī)定設(shè)計(jì)要求的構(gòu)件，并滿足預(yù)定服役要求的能力。也就是指金屬材料在一定的焊接工藝條件下，焊接成符合設(shè)計(jì)要求，滿足使用要求的構(gòu)件的難易程度，即金屬材料對(duì)焊接加工的適應(yīng)性和使用的可靠性。二、影響焊接性的因素1.材料方面2.焊接方法及工藝方面3.構(gòu)件類型方面4.使用條件方面三、焊接性的評(píng)定方法1.碳當(dāng)量法鋼材的化學(xué)成分對(duì)焊接熱影響區(qū)的淬硬及冷裂傾向有直接影響，因此，可用化學(xué)成分來間接估算其焊接性。在鋼材的各種化學(xué)元素中，對(duì)焊接性影響最大的是碳，碳是引起淬硬及冷裂的主要元素，故常把鋼中含碳量的多少作為判斷鋼材焊接性的主要標(biāo)志。鋼中含碳量越高，其焊接性越差。2.斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)斜Ｙ形坡口焊接裂紋試驗(yàn)的試件形狀和尺寸１，３—拘束焊縫２—試驗(yàn)焊縫§12-2常用焊接工藝措施一、預(yù)熱1.預(yù)熱的作用降低焊后冷卻速度，對(duì)于給定成分的鋼種，焊縫及熱影響區(qū)的組織和性能取決于冷卻速度的大小。2.預(yù)熱溫度的選擇應(yīng)根據(jù)鋼材的成分、厚度、結(jié)構(gòu)剛度、接頭形式、焊接材料、焊接方法及環(huán)境因素等綜合考慮，并通過焊接性試驗(yàn)來確定。3.預(yù)熱方法預(yù)熱時(shí)的加熱范圍，對(duì)于對(duì)接接頭每側(cè)加熱寬度不得小于板厚的5倍，一般在坡口兩側(cè)各75

~100

mm范圍內(nèi)應(yīng)保持一個(gè)均熱區(qū)域，測(cè)溫點(diǎn)應(yīng)取在均熱區(qū)域的邊緣。如果采用火焰加熱，測(cè)溫最好在加熱面的反面進(jìn)行，預(yù)熱的方法有火焰加熱、工頻感應(yīng)加熱、紅外線加熱等。二、后熱1.后熱的作用后熱的作用是避免形成淬硬組織及使氫逸出焊縫表面，防止裂紋產(chǎn)生。2.后熱的方法后熱的加熱方法、加熱區(qū)寬度、測(cè)溫部位等要求與預(yù)熱相同。三、焊后熱處理1.焊后熱處理的作用和種類焊后熱處理的主要作用是消除焊接殘余應(yīng)力，軟化淬硬部位，改善焊縫和熱影響區(qū)的組織和性能，提高接頭的塑性和韌性，穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的尺寸。最常用的焊后熱處理是在600

~650℃范圍內(nèi)的消除應(yīng)力退火和低于Ac1點(diǎn)溫度的高溫回火。2.焊后熱處理工藝及方法（1）整體熱處理焊件進(jìn)爐和出爐時(shí)的溫度應(yīng)在300℃以下，300℃以上的加熱和冷卻速度與板厚有關(guān)，應(yīng)符合下式要求：v≤200×25/δ式中v———冷卻速度（℃/h）；

δ———板材厚度（mm）。（2）局部熱處理筒體的加熱寬度與筒體半徑、壁厚有關(guān)，可按下式計(jì)算：式中B———筒體加熱寬度（mm）；R———筒體半徑（mm）；

δ———筒體壁厚（mm）。3.焊后熱處理的應(yīng)用（1）母材金屬?gòu)?qiáng)度等級(jí)較高，產(chǎn)生延遲裂紋傾向較大的普通低合金鋼。（2）處在低溫下工作的壓力容器及其他焊接結(jié)構(gòu)，特別是在脆性轉(zhuǎn)變溫度以下使用的壓力容器。（3）承受交變載荷工作，要求疲勞強(qiáng)度高的構(gòu)件。（4）大型受壓容器。（5）有應(yīng)力腐蝕和焊后要求幾何尺寸較穩(wěn)定的焊接結(jié)構(gòu)?！?2-3非合金鋼的焊接一、低碳鋼的焊接1.低碳鋼的焊接性低碳鋼由于含碳量較低、塑性好，而且淬硬傾向小，焊接過程中一般不需要采取預(yù)熱、后熱、控制道間溫度、焊后熱處理等工藝措施，許多焊接方法都能用于低碳鋼的焊接，并可獲得良好的焊接接頭。2.低碳鋼焊接工藝（1）焊接方法和焊接材料（2）預(yù)熱和焊后熱處理低碳鋼焊接過程中一般不需要采取預(yù)熱、焊后熱處理等工藝措施，但當(dāng)焊件較厚、剛度很大或在低溫條件下焊接時(shí)，可能要采取預(yù)熱、焊后熱處理等措施。二、中碳鋼的焊接1.中碳鋼的焊接性焊接時(shí)會(huì)出現(xiàn)下面兩個(gè)問題：（1）焊縫金屬易產(chǎn)生熱裂紋（2）熱影響區(qū)易產(chǎn)生冷裂紋2.中碳鋼焊接工藝（1）焊接方法及焊接材料（2）焊接工藝措施1）焊接時(shí)，為了控制焊縫中的含碳量，減小熔合比，一般開Ｕ形、Ｖ形坡口，但盡量開成Ｕ形。2）大多數(shù)情況下，中碳鋼焊接需要預(yù)熱、控制道間溫度及焊后熱處理。3）多層焊第一層焊縫應(yīng)盡量采用小電流、慢焊速，以減小熔合比，防止熱裂紋。4）焊后可錘擊焊縫，以減少焊接殘余應(yīng)力，細(xì)化晶粒。5）焊后盡可能緩冷，焊件焊后可放在石棉灰中或放在爐中緩冷?！?2-4低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的焊接一、低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼簡(jiǎn)介二、低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的焊接性1.焊接裂紋低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼焊接時(shí)容易產(chǎn)生的裂紋是冷裂紋。低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼產(chǎn)生熱裂紋的可能性比冷裂紋小得多，只有在原材料化學(xué)成分不符合規(guī)定（如含硫、碳量偏高）

時(shí)才有可能發(fā)生。2.焊接熱影響區(qū)脆化低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼焊接時(shí)，熱影響區(qū)中被加熱到1100℃以上的粗晶區(qū)，是焊接接頭的薄弱區(qū)，沖擊韌度也最低，即所謂脆化區(qū)。熱影響區(qū)粗晶脆化主要與焊接熱輸入有關(guān)。三、低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的焊接工藝1.焊接方法的選擇低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼對(duì)焊接方法無特殊要求，適合于各種焊接方法，其中焊條電弧焊、埋弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊是最常用的方法。在選擇具體的焊接方法時(shí)，可根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、性能要求和工廠的實(shí)際條件等因素確定。2.焊接材料的選擇3.預(yù)熱4.后熱及焊后熱處理5.控制焊接熱輸入熱輸入的確定主要取決于過熱區(qū)的脆化和冷裂傾向。由于各種鋼的脆化與冷裂傾向不同，因而對(duì)焊接熱輸入要求也有差別。為防止TMCP鋼熱影響區(qū)出現(xiàn)軟化，提高熱影響區(qū)的韌性，TMCP鋼應(yīng)采用較小的熱輸入焊接?！?2-5珠光體耐熱鋼的焊接一、珠光體耐熱鋼簡(jiǎn)介高溫下具有足夠的強(qiáng)度和抗氧化性的鋼稱為耐熱鋼。合金元素總含量在5％以下，在供貨狀態(tài)下具有珠光體（或珠光體加鐵素體組織）的低合金耐熱鋼稱為珠光體耐熱鋼。常用的珠光體耐熱鋼有15Mo、12CrMo、15CrMo、12Cr1MoV、12Cr2MoWVTiB等。二、珠光體耐熱鋼的焊接性珠光體耐熱鋼焊接時(shí)的主要問題是淬硬傾向大，易產(chǎn)生冷裂紋和再熱裂紋等。珠光體耐熱鋼中的Cr和Mo能顯著提高鋼的淬硬性，Mo的作用比Cr約大50倍，因此，熱影響區(qū)具有較大的淬硬傾向。另外，珠光體耐熱鋼焊后在空氣中冷卻時(shí)易產(chǎn)生硬而脆的馬氏體組織，并產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，使熱影響區(qū)易出現(xiàn)冷裂紋。三、珠光體耐熱鋼的焊接工藝1.焊前準(zhǔn)備2.焊接方法珠光體耐熱鋼的焊接可選用焊條電弧焊、埋弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊、電渣焊、鎢極氬弧焊和電阻焊等方法，通常以焊條電弧焊為主，埋弧焊和電渣焊也常用。3.焊接材料4.預(yù)熱和焊后熱處理§12-6低合金低溫鋼的焊接一、低合金低溫鋼簡(jiǎn)介通常把-196

~-10℃的溫度范圍稱為“低溫”（我國(guó)從-40℃算起），低于-196℃的稱為超低溫。低溫鋼主要用于低溫下工作的容器、管道和結(jié)構(gòu)，如液化石油氣儲(chǔ)罐、冷凍設(shè)備及石油化工低溫設(shè)備等。對(duì)低溫鋼的主要性能要求是保證在使用溫度下具有良好的韌性及抵抗脆性破壞的能力。二、低合金低溫鋼的焊接性低合金低溫鋼中含碳量低，合金元素含量也不高，碳當(dāng)量較低，淬硬傾向較小，因此冷裂敏感性不大。保證焊縫和過熱區(qū)的低溫韌性是低溫鋼焊接時(shí)的關(guān)鍵技術(shù)。三、低合金低溫鋼的焊接工藝1.焊接方法及焊接熱輸入

低溫鋼常用的焊接方法有焊條電弧焊、埋弧焊、鎢極氬弧焊及熔化極氣體保護(hù)焊等。為保證接頭的低溫韌性，焊接時(shí)必須控制其熱輸入。2.焊接材料3.焊接工藝措施（1）采用小的熱輸入，控制焊接電流大小，焊條盡量不擺動(dòng)，采用窄焊道，快速焊。（2）采用多層多道焊，通過多道焊后續(xù)焊道的重?zé)嶙饔眉?xì)化晶粒。（3）當(dāng)板厚較大或拘束較大時(shí)，可考慮預(yù)熱。嚴(yán)格控制道間溫度（層間溫度），以減輕焊道過熱，一般道間溫度應(yīng)不大于200

~300℃。（4）為消除應(yīng)力，提高焊接接頭抗低溫脆性斷裂的能力，可采取焊后消除應(yīng)力熱處理。（5）避免產(chǎn)生焊接缺欠，確保焊縫中不存在弧坑、未焊透、咬邊和成形不良等缺欠，否則，低溫時(shí)容易因鋼材對(duì)缺欠和應(yīng)力集中的敏感性增大而增大接頭低溫脆性破壞傾向?！?2-7不銹鋼的焊接一、不銹鋼簡(jiǎn)介1.不銹鋼的分類2.奧氏體型不銹鋼奧氏體型不銹鋼是在高鉻情況下添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8％~25％的鎳而成。奧氏體型不銹鋼以Cr18Ni9鐵基合金為基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上隨著用途不同，現(xiàn)已發(fā)展成12Cr18Ni9、06Cr18Ni11Ti、07Cr19Ni11Ti、06Cr23Ni13、06Cr25Ni20等鉻鎳奧氏體型不銹鋼系列。二、奧氏體型不銹鋼的焊接性1.晶間腐蝕（1）晶間腐蝕產(chǎn)生的原因晶間腐蝕ａ)金相圖ｂ)示意圖奧氏體型不銹鋼焊接接頭的晶間腐蝕１—焊縫晶間腐蝕２—熱影響區(qū)晶間腐蝕３—刀狀腐蝕奧氏體型不銹鋼長(zhǎng)期加熱而導(dǎo)致晶間腐蝕的敏化溫度區(qū)為450

~850℃。（2）防止晶間腐蝕的措施1）控制含碳量2）添加穩(wěn)定劑3）進(jìn)行固溶處理或均勻化處理4）采用雙相組織5）快速冷卻2.熱裂紋（1）熱裂紋產(chǎn)生的原因1）奧氏體型不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)大約只有低碳鋼的一半，而線膨脹系數(shù)卻大得多。2）奧氏體型不銹鋼中的碳、硫、磷、鎳等成分，會(huì)在熔池中形成低熔點(diǎn)共晶。3）奧氏體型不銹鋼的液、固相線的區(qū)間較大，結(jié)晶時(shí)間較長(zhǎng)，且奧氏體結(jié)晶方向性強(qiáng)，所以雜質(zhì)偏析現(xiàn)象比較嚴(yán)重。（2）防止熱裂紋的措施1）采用雙相組織的焊縫2）焊接工藝措施3）控制化學(xué)成分3.應(yīng)力腐蝕開裂（1）應(yīng)力腐蝕開裂產(chǎn)生的原因奧氏體型不銹鋼由于導(dǎo)熱性差、線膨脹系數(shù)大，焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的焊接殘余拉應(yīng)力，于是在腐蝕介質(zhì)的作用下，焊接接頭出現(xiàn)了應(yīng)力腐蝕裂紋。（2）防止應(yīng)力腐蝕開裂的措施1）合理地設(shè)計(jì)焊接接頭，避免腐蝕介質(zhì)在焊接接頭部位聚集，降低或消除焊接接頭應(yīng)力集中。2）消除或降低焊接接頭的殘余應(yīng)力。3）正確選用材料。三、奧氏體型不銹鋼的焊接工藝1.焊前準(zhǔn)備（1）下料方法的選擇（2）坡口制備（3）焊前清理（4）表面保護(hù)2.焊接材料3.焊接方法及工藝（1）焊條電弧焊（2）熔化極氬弧焊和MAG焊（3）埋弧焊（4）鎢極氬弧焊（5）等離子弧焊等離子弧焊已用于奧氏體型不銹鋼的焊接。對(duì)于厚度在10

~12mm以下的奧氏體不銹鋼，采用小孔效應(yīng)時(shí)，熱量集中，可不開坡口單面焊一次成形，尤其適用于不銹鋼管的焊接。微束等離子弧焊對(duì)厚度小于0.5mm的薄件尤為適宜。四、不銹復(fù)合鋼板的焊接不銹復(fù)合鋼板１—覆層(不銹鋼)２—基層(碳鋼、低合金鋼)1.不銹復(fù)合鋼板的焊接性不銹復(fù)合鋼板焊接時(shí)，要注意兩方面的問題：

一是對(duì)于基層要避免鉻、鎳等合金含量增高，因?yàn)殂t、鎳含量增高，基層焊縫中會(huì)形成硬脆組織，容易產(chǎn)生裂紋，影響焊縫強(qiáng)度。二是對(duì)于覆層要避免增碳，因覆層焊縫增碳就大大降低其耐腐蝕性。2.不銹復(fù)合鋼板的焊接工藝（1）焊接方法選擇不銹復(fù)合鋼板基層或覆層的焊接方法與焊接不銹鋼、碳鋼、低合金鋼一樣，可采用焊條電弧焊、埋弧焊、氣體保護(hù)焊等方法，但過渡層常用焊條電弧焊。（2）焊接材料選擇（3）焊接坡口與裝配不銹復(fù)合鋼板的坡口形式多為Ｙ形坡口，一般開在基層一側(cè)，此外，還有雙Ｙ形坡口、Ｕ形坡口等。裝配焊件時(shí)，要求以覆層為基準(zhǔn)對(duì)齊，避免產(chǎn)生錯(cuò)邊，影響覆層的焊縫質(zhì)量，所以錯(cuò)邊量最好不要超過1mm。定位焊一定要焊在基層上，長(zhǎng)度應(yīng)控制在10

~30mm。（4）焊接順序不銹復(fù)合鋼板焊接順序ａ)裝配ｂ)焊基層ｃ)清焊根ｄ)焊過渡層ｅ)焊覆層（5）焊接中應(yīng)注意的問題1）在基層點(diǎn)焊時(shí)，必須用基層焊條，不可使用不銹鋼焊條。2）嚴(yán)禁用基層焊條焊在覆層和用過渡層焊條焊在覆層表面上。3）當(dāng)碳鋼焊條的飛濺落在覆層的坡口面上時(shí)，要仔細(xì)清除干凈。4）焊覆層焊縫時(shí)，為減小熱影響區(qū)，降低合金稀釋率，宜采用小電流、直流反接、多層多道焊，焊接時(shí)焊條不宜作橫向擺動(dòng)。5）焊基層時(shí)的飛濺物若黏附在覆層表面將破壞其表面氧化膜，遇腐蝕性介質(zhì)就形成腐蝕點(diǎn)，所以焊前可分別在坡口兩側(cè)150mm范圍內(nèi)涂上白堊水熔液或飛濺防粘劑，以防止飛濺物的黏附。§12-8鑄鐵的焊補(bǔ)一、鑄鐵簡(jiǎn)介含碳量大于2.11％、小于6.69％的鐵碳合金稱為鑄鐵。鑄鐵中除了含鐵和碳以外，還含有硅、錳、磷、硫等元素，為獲得某些特殊性能，還分別加入銅、鎂、鎳、鉬或鋁等元素，形成合金鑄鐵。二、灰鑄鐵的焊接性1.焊接接頭產(chǎn)生白口組織（1）產(chǎn)生白口組織的原因產(chǎn)生白口組織主要是由于冷卻速度快和石墨化元素不足造成的。（2）防止產(chǎn)生白口組織的方法1）減慢焊縫的冷卻速度2）改變焊縫化學(xué)成分2.焊接接頭產(chǎn)生裂紋（1）產(chǎn)生裂紋的原因由于灰鑄鐵的強(qiáng)度較低，塑性極差，而焊接時(shí)的局部快速加熱和冷卻，又造成較大的內(nèi)應(yīng)力，故易產(chǎn)生裂紋。（2）防止產(chǎn)生裂紋的方法1）焊前預(yù)熱和焊后緩冷2）采用電弧冷焊減小焊接應(yīng)力3）其他措施栽絲焊示意圖三、灰鑄鐵的焊補(bǔ)工藝1.焊條電弧焊（1）熱焊法熱焊法是焊接前將焊件全部或局部加熱到600

~700℃，并在焊接過程中保持一定溫度，焊后在爐中緩冷的焊接方法。（2）冷焊法1）采用細(xì)焊條、小電流、快速焊，以減少鑄鐵母材在焊縫中的熔合比，降低焊縫中碳、硫的含量。2）采用短段焊、斷續(xù)焊、分散焊、分段退焊等，并在每焊10

~15mm左右長(zhǎng)度后，立即用小錘迅速錘擊焊縫，待焊縫冷卻到不燙手（約50

~60℃）時(shí)，再焊下一道，以減小焊接應(yīng)力，防止裂紋。3）選擇合理的焊接方向和焊接順序厚壁鑄鐵件缺陷補(bǔ)焊順序ａ)水平形ｂ)凹字形ｃ)斜坡形4）采用栽絲焊等特殊工藝對(duì)于受力較大的厚件（厚度大于20mm）開坡口焊接時(shí)，可配合采用栽絲焊，即在基本金屬坡口內(nèi)攻螺紋，然后擰入鋼質(zhì)螺釘，最后焊滿坡口。這樣，使熔合區(qū)附近的焊接應(yīng)力主要由螺釘承受，從而防止剝離裂紋的產(chǎn)生。（3）半熱焊法半熱焊法是焊接前將焊件預(yù)熱到300

~400℃時(shí)進(jìn)行焊補(bǔ)的一種方法。該法介于冷焊法與熱焊法之間，常用于剛度不大的小結(jié)構(gòu)件的焊補(bǔ)。2.氣焊氣焊火焰溫度比電弧溫度低得多，因而焊件的加熱和冷卻比較緩慢，這對(duì)防止灰鑄鐵在焊接時(shí)產(chǎn)生白口組織和裂紋都很有利。所以用氣焊焊補(bǔ)的鑄件質(zhì)量一般都比較好，因而氣焊已成為焊補(bǔ)鑄鐵的常用方法。3.釬焊釬焊加熱溫度低，焊接速度快，因此焊接應(yīng)力小。焊補(bǔ)過程中基本金屬又不熔化，所以組織變化很小。如用黃銅作釬料焊補(bǔ)鑄鐵，可獲得良好的效果。一般釬焊用于不要求顏色一致的小缺欠的焊補(bǔ)，也可用于灰鑄鐵件