第三節 常用金屬材料的焊接

（一）焊接性概念焊接性：採用一定焊接方法、焊接材料、工藝參數及結構形式的條件下，獲得優質焊接接頭的難易程度，即其對焊接加工的適應性。焊接性一般包括兩個方面：接合性能：主要指在給定的焊接工藝條件下，形成完好焊接接頭的能力，特別是接頭對產生裂紋的敏感性；使用性能：在給定的焊接工藝條件下，焊接接頭在使用條件下安全運行的能力，包括焊接接頭的力學性能和其它特殊性能（如耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞等）。焊接性是金屬的工藝性能在焊接過程中的反映，了解及評價金屬材料的焊接性，是焊接結構設計、確定焊接方法、制定焊接工藝的重要依據。（二）鋼的焊接性評定方法鋼是焊接結構中最常用的金屬材料，因而評定鋼的焊接性顯得尤為重要。由於鋼的裂紋傾向與其化學成分有密切關係，因此，可以根據鋼的化學成分評定其焊接性的好壞。通常將影響最大的碳作為基礎元素，把其它合金元素的質量分數對焊接性的影響摺合成碳的相當質量分數，碳的質量分數和其它合金元素的相當質量分數之和稱為碳當量，用符號wCE表示，它是評定鋼的焊接性的一個參考指標。國際焊接學會推薦的碳鋼和低合金結構鋼的碳當量計算公式為:

式中，各元素的質量分數都取其成分範圍的上限。碳當量越高，裂紋傾向越大，鋼的焊接性越差。一般認為，wCE時，鋼的淬硬和冷裂傾向不大,焊接性良好；wCE=0.4%～0.6%時，鋼的淬硬和冷裂傾向逐漸增加,焊接性較差,焊接時需要採取一定的預熱、緩冷等工藝措施，以防止產生裂紋；wCE>0.6%時，鋼的淬硬和冷裂傾向嚴重，焊接性很差，一般不用於生產焊接結構。碳當量公式僅用於對材料焊接性的粗略估算，在實際生產中，應通過直接試驗，模擬實際情況下的結構、應力狀況和施焊條件，在試件上焊接，觀察試件的開裂情況，並配合必要的接頭使用性能試驗進行評定 。二、碳素鋼和低合金結構鋼的焊接（一）碳素鋼的焊接1．低碳鋼的焊接Q235、10、15、20等低碳鋼是應用最廣泛的焊接結構材料，由於其含碳量低於0.25%，塑性很好，淬硬傾向小，不易產生裂紋，所以焊接性最好。焊接時，任何焊接方法和最普通的焊接工藝即可獲得優質的焊接接頭。但由於施焊條件、結構形式不同，焊接時還需注意以下問題：（1）在低溫環境下焊接厚度大、剛性大的結構時，應該進行預熱，否則容易產生裂紋。（2）重要結構焊後要進行去應力退火以消除焊接應力。低碳鋼對焊接方法幾乎沒有限制，應用最多的是手工電弧焊、埋弧焊、氣體保護電弧焊和電阻焊。採用電弧焊時，焊接材料的選擇參見表3-8。表3-8低碳鋼焊接材料的選擇焊接方法焊接材料應用情況手工電弧焊J421、J422、J423等一般結構J426、J427、J506、J507等承受動載荷、結構複雜或厚板重要結構埋弧焊H08 配HJ430、H08A 配HJ431一般結構H08MnA 配HJ431重要結構CO2氣體保護焊H08Mn2SiA一般結構2．中碳鋼的焊接 含碳量在0.25%～0.60%之間的中碳鋼，有一定的淬硬傾向，焊接接頭容易產生低塑性的淬硬組織和冷裂紋，焊接性較差。中碳鋼的焊接結構多為鍛件和鑄鋼件，或進行補焊。焊接方法：手工電弧焊。焊條選用：抗裂性好的低氫型焊條（如J426、J427、J506、J507等），焊縫有等強度要求時，選擇相當強度級別的焊條。對於補焊或不要求等強度的接頭，可選擇強度級別低、塑性好的焊條，以防止裂紋的產生。焊接時，應採取焊前預熱、焊後緩冷等措施以減小淬硬傾向，減小焊接應力。接頭處開坡口進行多層焊，採用細焊條小電流，可以減少母材金屬的熔入量,降低裂紋傾向。3．高碳鋼的焊接 高碳鋼的含碳量大於0.60%，其焊接特點與中碳鋼基本相同，但淬硬和裂紋傾向更大，焊接性更差。一般這類鋼不用於製造焊接結構，大多是用手工電弧焊或氣焊來補焊修理一些損壞件。焊接時，應注意焊前預熱和焊後緩冷。（二）低合金結構鋼的焊接低合金結構鋼按其屈服強度分為九級：300、350、400、450、500、550、600、700、800MPa。強度級別≤400MPa的低合金結構鋼，wCE，焊接性良好，其焊接工藝和焊接材料的選擇與低碳鋼基本相同，一般不需採取特殊的工藝措施。只有焊件較厚、結構剛度較大和環境溫度較低時，才進行焊前預熱，以免產生裂紋。強度級別≥450MPa的低合金結構鋼，wCE>0.4%，存在淬硬和冷裂問題，其焊接性與中碳鋼相當，焊接時需要採取一些工藝措施，如焊前預熱（預熱溫度150℃左右）可以降低冷卻速度，避免出現淬硬組織；適當調節焊接工藝參數，可以控制熱影響區的冷卻速度，保證焊接接頭獲得優良性能；焊後熱處理能消除殘餘應力，避免冷裂。低合金結構鋼含碳量較低，對硫、磷控制較嚴，手工電弧焊、埋弧焊、氣體保護焊和電渣焊均可用於此類鋼的焊接，以手工電弧焊和埋弧焊較常用；選擇焊接材料時，通常從等強度原則出發，為了提高抗裂性，盡量選用鹼性焊條和鹼性焊劑，對於不要求焊縫和母材等強度的焊件，亦可選擇強度級別略低的焊接材料，以提高塑性，避免冷裂。三、不鏽鋼的焊接不鏽鋼中都含有不少於12%的鉻，還含有鎳、錳、鉬等合金元素，以保證其耐熱性和耐腐蝕性。按組織狀態，不鏽鋼可分為奧氏體不鏽鋼、鐵素體不鏽鋼和馬氏體不鏽鋼等，其中以奧氏體不鏽鋼的焊接性最好，廣泛用於石油、化工、動力、航空、醫藥、儀錶等部門的焊接結構中，常見牌號有1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni9等。（一）奧氏體不鏽鋼的焊接性奧氏體不鏽鋼焊接件容易在焊接接頭處發生晶間腐蝕，其原因是焊接時，在450～850℃溫度範圍停留一定時間的接頭部位，在晶界處析出高鉻碳化物（Cr23C6），引起晶粒表層含鉻量降低，形成貧鉻區，在腐蝕介質的作用下，晶粒表層的貧鉻區受到腐蝕而形成晶間腐蝕。這時被腐蝕的焊接接頭表面無明顯變化，受力時則會沿晶界斷裂，幾乎完全失去強度。為防止和減少焊接接頭處的晶間腐蝕，應嚴格控制焊縫金屬的含碳量，採用超低碳的焊接材料和母材。採用含有能優先與碳形成穩定化合物的元素如Ti、Nb等，也可防止貧鉻現象的產生。奧氏體不鏽鋼焊接的另一個問題是熱裂紋。產生的主要原因是焊縫中的樹枝晶方向性強，有利於S、P等元素的低熔點共晶產物的形成和聚集。另外，此類鋼的導熱係數小（約為低碳鋼的1/3），線脹係數大（比低碳鋼大50%），所以焊接應力也大。防止的辦法是選用含碳量很低的母材和焊接材料，採用含適量Mo、Si等鐵素體形成元素的焊接材料，使焊縫形成奧氏體加鐵素體的雙相組織，減少偏析。（二）奧氏體不鏽鋼的焊接工藝一般熔焊方法均能用於奧氏體不鏽鋼的焊接，目前生產上常用的方法是手工電弧焊、氬弧焊和埋弧焊。在焊接工藝上，主要應注意以下問題：（1）採用小電流、快速焊，可有效地防止晶間腐蝕和熱裂紋等缺陷的產生。一般焊接電流應比焊接低碳鋼時低20%；（2）焊接電弧要短，且不作橫向擺動，以減少加熱範圍。避免隨處引弧，焊縫盡量一次焊完，以保證耐腐蝕性。（3）多層焊時，應等前面一層冷至60℃以下，再焊後一層。雙面焊時先焊非工作面，後焊與腐蝕介質接觸的工作面。（4）對於晶間腐蝕，在條件許可時，可採用強製冷卻。必要時可進行穩定化處理，消除產生晶間腐蝕的可能性。四、鑄鐵的補焊鑄鐵在製造和使用中容易出現各種缺陷和損壞。鑄鐵補焊是對有缺陷鑄鐵件進行修復的重要手段，在實際生產中具有很大的經濟意義。（一）鑄鐵的焊接性鑄鐵的含碳量高，脆性大，焊接性很差，在焊接過程中易產生白口組織和裂紋。白口組織是由於在鑄鐵補焊時，碳、硅等促進石墨化元素大量燒損，且補焊區冷速快，在焊縫區石墨化過程來不及進行而產生的。白口鑄鐵硬而脆，切削加工性能很差。採用含碳、硅量高的鑄鐵焊接材料或鎳基合金、銅鎳合金、高釩鋼等非鑄鐵焊接材料，或補焊時進行預熱緩冷使石墨充分析出，或採用釺焊，可避免出現白口組織，。裂紋通常發生在焊縫和熱影響區，產生的原因是鑄鐵的抗拉強度低，塑性很差（400℃以下基本無塑性），而焊接應力較大，且接頭存在白口組織時，由於白口組織的收縮率更大，裂紋傾向更加嚴重，甚至可使整條焊縫沿熔合線從母材上剝離下來。防止裂紋的主要措施有：採用純鎳或銅鎳焊條、焊絲，以增加焊縫金屬的塑性；加熱減應區以減小焊縫上的拉應力；採取預熱、緩冷、小電流、分散焊等措施減小焊件的溫度差。（二）鑄鐵補焊方法及工藝鑄鐵補焊採用的焊接方法參見表3-9。補焊方法主要根據對焊後的要求（如焊縫的強度、顏色、緻密性，焊後是否進行機加工等）、鑄件的結構情況（大小、壁厚、複雜程度、剛度等）及缺陷情況來選擇。手工電弧焊和氣焊是最常用的鑄鐵補焊方法。表3-9 鑄鐵的補焊方法補焊方法焊接材料的選用焊縫特點手工電弧焊熱焊及半熱焊Z208、Z248強度、硬度、顏色與母材相同或相近，可加工冷 焊Z100、Z116、Z308、Z408、Z607、J507、J427、J422強度、硬度、顏色與母材不同，加工性較差氣焊熱 焊鑄鐵焊絲強度、硬度、顏色與母材相同，可加工加熱減應區法釺焊黃銅焊絲強度、硬度、顏色與母材不同，可加工CO2氣體保護焊H08Mn2Si強度、硬度、顏色與母材不同，不易加工電 渣 焊鑄鐵屑強度、硬度、顏色與母材相同，可加工，適用於大尺寸缺陷的補焊手工電弧焊補焊採用的鑄鐵焊條牌號見表3-10。補焊要求不高時，也可採用J422等普通低碳鋼焊條。表3-10常用鑄鐵焊條類 別牌號焊芯組成藥皮類型焊縫金屬用 途鋼芯鑄鐵焊條Z100碳鋼氧化型碳鋼一般灰鑄鐵件的非加工面Z116碳鋼（高釩葯皮）低氫型高釩鋼強度較高的灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵Z208碳鋼石墨型鑄鐵一般灰鑄鐵件（剛度較大時，預熱至400℃）鑄鐵芯鑄鐵焊條Z248鑄鐵石墨型鑄鐵灰鑄鐵件鎳基鑄鐵焊條Z308Z408Z508純鎳鎳鐵合金鎳銅合金石墨型石墨型石墨型鎳鎳鐵合金鎳銅合金重要灰鑄鐵件的加工面球墨鑄鐵、重要灰鑄鐵件的加工面強度要求不高的灰鑄鐵件的加工面銅基鑄鐵焊條Z607Z612紫銅鋼芯銅皮/銅包鋼芯低氫型鈦鈣型銅鐵混合銅鐵混合一般灰鑄鐵件的非加工面一般灰鑄鐵件的非加工面手工電弧焊補焊的方法有：（1）熱焊及半熱焊 焊前將焊件預熱到一定溫度（400℃以上），採用同質焊條，選擇大電流連續補焊，焊後緩冷。其特點是焊接質量好，生產率低，成本高，勞動條件差。（2）冷焊 採用非鑄鐵型焊條，焊前不預熱，焊接時採用小電流、分散焊，減小焊件應力。焊縫的強度、顏色與母材不同，加工性能較差，但焊後變形小，勞動條件好，成本低。五、非鐵金屬的焊接（一）銅及銅合金的焊接存在問題：（1）難熔合 銅的導熱係數大，焊接時散熱快，要求焊接熱源集中，且焊前必須預熱，否則，易產生未焊透或未熔合等缺陷。（2）裂紋傾向大 銅在高溫下易氧化，形成的氧化亞銅（Cu2O）與銅形成低熔共晶體（Cu2O+Cu）分布在晶界上，容易產生熱裂紋。（3）焊接應力和變形較大 這是因為銅的線脹係數大，收縮率也大，且焊接熱影響區寬的緣故。（4）容易產生氣孔 氣孔主要是由氫氣引起的，液態銅能夠溶解大量的氫，冷卻凝固時，溶解度急劇下降，來不及逸出的氫氣即在焊縫中形成氫氣孔。此外，焊接黃銅時，會產生鋅蒸發（鋅的沸點僅907℃），一方面使合金元素損失，造成焊縫的強度、耐蝕性降低，另一方面，鋅蒸汽有毒，對焊工的身體造成傷害。焊接方法：氬弧焊、氣焊和手工電弧焊，其中氬弧焊是焊接紫銅和青銅最理想的方法，黃銅焊接常採用氣焊，因為氣焊時可採用微氧化焰加熱，使熔池表面生成高熔點的氧化鋅薄膜，以防止鋅的進一步蒸發，或選用含硅焊絲，可在熔池表面形成緻密的氧化硅薄膜，既可以阻止鋅的蒸發，又能對焊縫起到保護作用。為保證焊接質量，在焊接銅及銅合金時還應採取以下措施：（1）為了防止Cu2O的產生，可在焊接材料中加入脫氧劑，如採用磷青銅焊絲，即可利用磷進行脫氧。（2）清除焊件、焊絲上的油、銹、水分，減少氫的來源，避免氣孔的形成。（3）厚板焊接時應以焊前預熱來彌補熱量的損失，改善應力的分布狀況。焊後錘擊焊縫，減小殘餘應力。焊後進行再結晶退火，以細化晶粒，破壞低熔共晶。（二）鋁及鋁合金的焊接鋁具有密度小、耐腐蝕性好、很高的塑性和優良的導電性、導熱性以及良好的焊接性等優點，因而鋁及鋁合金在航空、汽車、機械製造、電工及化學工業中得到了廣泛應用。鋁及鋁合金在焊接時的主要問題是：（1）鋁及鋁合金表面極易生成一層緻密的氧化膜（Al2O3），其熔點（2050℃）遠遠高於純鋁的熔點（657℃），在焊接時阻礙金屬的熔合，且由於密度大，容易形成夾雜。（2）液態鋁可以大量溶解氫，鋁的高導熱性又使金屬迅速凝固，因此液態時吸收的氫氣來不及析出，極易在焊縫中形成氣孔。（3）鋁及鋁合金的線膨脹係數和結晶收縮率很大，導熱性很好，因而焊接應力很大，對於厚度大或剛性較大的結構，焊接接頭容易產生裂紋。（4）鋁及鋁合金高溫時強度和塑性極低，很容易產生變形，且高溫液態無顯著的顏色變化，操作時難以掌握加熱溫度，容易出現燒穿、焊瘤等缺陷。焊接方法：氬弧焊、電阻焊、氣焊，其中氬弧焊應用最廣，電阻焊應用也較多，氣焊在薄件生產中仍在採用。電阻焊焊接鋁合金時，應採用大電流、短時間通電，焊前必須清除焊件表面的氧化膜。如果對焊接質量要求不高，薄壁件可採用氣焊，焊前必須清除工件表面氧化膜，焊接時使用焊劑，並用焊絲不斷破壞熔池表面的氧化膜，焊後應立即將焊劑清理乾淨，以防止焊劑對焊件的腐蝕。為保證焊接質量，鋁及鋁合金在焊接時應採取以下工藝措施：（1）焊前清理，去除焊件表面的氧化膜、油污、水分，便於焊接時的熔合，防止氣孔、夾渣等缺陷。清理方法有化學清理椝嵯椿蚣釹矗登謇項用鋼絲刷或刮刀清除表面氧化膜及油污。（2）對厚度超過5～8mm的焊件，預熱至100℃～300℃，以減小焊接應力，避免裂紋，且有利於氫的逸出，防止氣孔的產生。（3）焊後清理殘留在接頭處的焊劑和焊渣，防止其與空氣、水分作用，腐蝕焊件。可用10%的硝酸溶液浸洗，然後用清水沖洗、烘乾。
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