常用金属材料的焊接性

1 什么是焊接性？试述碳钢的焊接性。

焊接性是指材料在限定的施工条件下焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。焊接性受材料、焊接方法、构件类型及使用要求四个因素的影响。

碳钢是以铁元素为基础的，铁碳合金，碳为合金元素，其碳的质量分数不超过1%，此外，锰的质量分数不超过1.2%，硅的质量分数不超过0.5%，后两者皆不作为合金元素。其它元素如Ni、Cr、Cu等均控制在残余量的限度以内，更不作为合金元素。杂质元素如S、P、O、N等，根据钢材品种和等级的不同，均有严格限制。因此，碳钢的焊接性主要取决于含碳量，随着含碳量的增加，焊接性逐渐变差，其中以低碳钢的焊接性最好，见表1。

表1 碳钢焊接性与含碳量的关系

名 称

碳的质量分数（%）

典型硬度

典型用途

焊接性

低碳钢

≤0.15

60HRB

特殊板材和型材薄板、带材、焊丝

0.15～0.25

90HRB

结构用型材、板材、棒材

中碳钢

0.25～0.60

25HRC

机器部件和工具

中（需预热、后热，推荐使用低氢焊接方法）

高碳钢

≥0.60

40HRC

弹簧，模具，钢轨

劣（需预热、后热，必需使用低氢焊接方法）

2 什么是碳当量？碳钢的碳当量如何计算？

把钢中合金元素（包括碳）的含量按其作用换自成碳的相当含量，称为该种钢材的碳当量，可作为评定钢材焊接性的一种参考指标。

碳钢中的元素除C外，主要是Mn和Si，它们的含量增加，焊接性变差，但其作用不及碳强烈。国际焊接学会推荐的碳当量公式为

随着碳当量值的增加，钢材的焊接性会变差。当CE值大于0.4%～0.6%时，冷裂纹的敏感性将增大，焊接时需要采取预热、后热及用低氢型焊接材料施焊等一系列工艺措施。

3 利用碳当量值评价钢材焊接性有何局限性？

碳当量值只能在一定范围内，对钢材概括地、相对地评价其焊接性，这是因为：

1）如果两种钢材的碳当量值相等，但是含碳量不等，含碳量较高的钢材在施焊过程中容易产生淬硬组织，其裂纹倾向显然比含碳量较低的钢材来得大，焊接性较差。因此，当钢材的碳当量值相等时，不能看成焊接性就完全相同。

2）碳当量计算值只表达了化学成分对焊接性的影响，没有考虑到冷却速度不同，可以得到不同的组织，冷却速度快时，容易产生淬硬组织，焊接性就会变差。

3）影响焊缝金属组织从而影响焊接性的因素，除了化学成分和冷却速度外，还有焊接循环中的最高加热温度和在高温停留时间等参数，在碳当量值计算公式中均没有表示出来。

因此，碳当量值的计算公式只能在一定的钢种范围内，概括地、相对地评价钢材的焊接性，不能作为准确的评定指标。

4 试述低碳钢的焊接性。

由于低碳钢含碳量低，锰、硅含量也少，所以，通常情况下不会因焊接而产生严重硬化组织或淬火组织。低碳钢焊后的接头塑性和冲击韧度良好，焊接时，一般不需预热、控制层间温度和后热，焊后也不必采用热处理改善组织，整个焊接过程不必采取特殊的工艺措施，焊接性优良。

但在少数情况下，焊接时也会出现困难：

1）采用旧冶炼方法生产的转炉钢含氮量高，杂质含量多，从而冷脆性大，时效敏感性增加，焊接接头质量降低，焊接性变差。

2）沸腾钢脱氧不完全，含氧量较高，P等杂质分布不均，局部地区含量会超标，时效敏感性及冷脆敏感性大，热裂纹倾向也增大。

3）采用质量不符合要求的焊条，使焊缝金属中的碳、硫含量过高，会导致产生裂纹。如某厂采用酸性焊条焊接Q235－A钢时，因焊条药皮中锰铁的含碳量过高，会引起焊缝产生热裂纹。

4）某些焊接方法会降低低碳钢焊接接头的质量。如电渣焊，由于线能量大，会使焊接热影响区的粗晶区晶粒长得十分粗大，引起冲击韧度的严重下降，焊后必需进行细化晶粒的正火处理，以提高冲击韧度。

总之，低碳钢是属于焊接性最好、最容易焊接的钢种，所有焊接方法都能适用于低碳钢的焊接。

5 低碳钢焊接时，如何正确地选用焊接材料？

⑴手弧焊焊条的选用 常用低碳钢Q235的抗拉强度平均值为417.5MPa，根据等强度原则，与之匹配的焊条应为E43系列。几种不同钢号的低碳钢手弧焊时焊条的选用，见表2。

表2 低碳钢手弧焊时焊条的选用

钢 号

一般结构选用的

焊条型号

动载荷、复杂、厚板结构，锅炉受压容器，低温焊接

选用的焊条型号

施 焊 条 件

Q235

E4313，E4303，E4301，E4320，E4311

E4316，E4315

（E5016，E5015）

一般不预热

Q255

一般不预热

Q275

E4316，E4315

E5016，E5015

厚板结构预热150℃以上

08、10、15、20

E4303，E4301，E4320，E4311

E4316，E4315

（E5016，E5015）

一般不预热

25

E4316，E4315

E5016，E5015

厚板结构预热150℃以上

20g，22g

E4303，E4301

E4316，E4315

（E5016，E5015）

厚板结构预热100～150℃

20R

E4303，E4301

E4316，E4315

（E5016，E5015）

一般不预热

注：表中括弧内的焊条型号表示可以代用。

⑵埋弧焊焊丝和焊剂的匹配选用 低碳钢埋弧焊时焊丝和焊剂的匹配选用，见表3。

表3 低碳钢埋弧焊焊丝与焊剂的匹配选用

钢 号

焊 丝

焊 剂

Q234

H08A

HJ430

HJ431

Q255

H08A

Q275

H08MnA

15、20

H08A，H08MnA

HJ430

HJ431

HJ330

25

H08MnA，H10Mn2

20g，22g

H08MnA，H08MnSi，h10Mn2

20R

H08MnA

⑶CO2焊丝的选用 实芯焊丝选用牌号为H08Mn2Si和H08Mn2SiA两种，焊后熔敷金属强度偏高。药芯焊丝选用牌号为YJ502-1、YJ506-2、YJ506-3、YJ506-4。

⑷电渣焊焊丝和焊剂的匹配选用 电渣焊熔池温度比埋弧焊低，所以焊剂中的硅、锰还原作用弱，应选用含锰、含硅量较高的焊丝。常选用H10Mn2、H10MnSi焊丝配合焊剂HJ360或H10MnSi焊丝配合焊剂HJ431。

6 低碳钢在低温下如何施焊？

严冬条件下焊接低碳钢结构时，由于焊接接头的冷却速度快，使裂纹倾向增大，特别是厚大结构的第一道焊缝容易开裂，为此必需采取如下工艺措施：

1）焊前预热，焊接过程中严格保持层间温度不应低于预热温度。

2）采用低氢或超低氢焊接材料。

3）定位焊时加大焊接电流，减慢焊接速度，适当增加定位焊缝的截面积和长度，必要时进行预热。

4）整条焊缝应尽量连续焊完，避免中断。

5）不应坡口面以外的母材上进行引弧，熄弧时需填满弧坑。

6）尽可能不在低温条件下进行弯板、矫正和装配焊件。

各种金属结构低温焊接时的预热温度见表4。管道、压力容器低温焊接时的预热温度见表5。

表4 低碳钢金属结构低温焊接的预热温度

焊件厚度（mm）

在各种气温下的预热温度

＜30

31～50

51～70

不低于－30℃时不预热；低于－30℃时预热100～150℃

不低于－10℃时不预热；低于－10℃时预热100～150℃

不低于0℃时不预热；低于0℃时预热100～150℃

表5 低碳钢管道、压力容器低温焊接的预热温度

焊件厚度（mm）

在各种气温下的预热温度

＜16

17～30

31～40

41～50

不低于－30℃时不预热；低于－30℃时预热100～150℃

不低于－20℃时不预热；低于－20℃时预热100～150℃

不低于－10℃时不预热；低于－10℃时预热100～150℃

不低于0℃时不预热；低于0℃时预热100～150℃