常用鋼材的焊接

一、鋼材的焊接性
焊接性：采用一定焊接方法、焊接材料、工藝參數(shù)及結(jié)構(gòu)形式的條件下，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度，即其對焊接加工的適應(yīng)性。
（一）焊接性一般包括兩個方面：
工藝焊接性：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(chǎn)生裂紋的敏感性，也稱抗裂性；
使用焊接性：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(xué)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(jié)構(gòu)設(shè)計、確定焊接方法、制定焊接工藝的重要依據(jù)。
（二）鋼的焊接性評定方法：
鋼是焊接結(jié)構(gòu)中最常用的金屬材料，因而評定鋼的焊接性顯得尤為重要。由于鋼的裂紋傾向與其化學(xué)成分有密切關(guān)系，因此，可以根據(jù)鋼的化學(xué)成分評定其焊接性的好壞。
通常將影響最大的碳作為基礎(chǔ)元素，把其它合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對焊接性的影響折合成碳的相當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和其它合金元素的相當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和稱為碳當(dāng)量，它是評定鋼的焊接性的一個參考指標(biāo)。
碳當(dāng)量（CarbonEquivalent)公式

碳當(dāng)量越高，裂紋傾向越大，鋼的焊接性越差。一般認(rèn)為：
Ceq<0.4%時，鋼的淬硬和冷裂傾向不大，焊接性良好
Ceq=0.4%～0.6%時，鋼的淬硬和冷裂傾向逐漸增加，焊接性較差，焊接時需要采取一定的預(yù)熱、緩冷等工藝措施，以防止產(chǎn)生裂紋；
Ceq>0.6%時，鋼的淬硬和冷裂傾向嚴(yán)重，焊接性很差，一般不用于生產(chǎn)焊接結(jié)構(gòu)。
碳當(dāng)量公式僅用于對材料焊接性的粗略估算，在實際生產(chǎn)中，應(yīng)通過直接試驗（焊接性試驗），模擬實際情況下的結(jié)構(gòu)、應(yīng)力狀況和施焊條件，在試件上焊接，觀察試件的開裂情況，并配合必要的接頭使用性能試驗進(jìn)行評定(焊接工藝評定)。

二、碳素鋼的焊接
Q235、10、15、20等低碳鋼是應(yīng)用最廣泛的焊接結(jié)構(gòu)材料，由于其含碳量低于0.25%，塑性很好，淬硬傾向小，不易產(chǎn)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(yōu)質(zhì)的焊接接頭。但由于施焊條件、結(jié)構(gòu)形式不同，焊接時還需注意以下問題：
（1）在低溫環(huán)境下焊接厚度大、剛性大的結(jié)構(gòu)時，應(yīng)該進(jìn)行預(yù)熱，否則容易產(chǎn)生裂紋。
（2）重要結(jié)構(gòu)焊后要進(jìn)行去應(yīng)力退火以消除焊接應(yīng)力。
低碳鋼對焊接方法幾乎沒有限制，應(yīng)用最多的是手工電弧焊、埋弧焊、氣體保護(hù)電弧焊和電阻焊。采用電弧焊時，焊接材料的選擇參見表。
低碳鋼焊接材料的選擇

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(chǎn)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(jié)構(gòu)多為鍛件和鑄鋼件，或進(jìn)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(dāng)強度級別的焊條。對于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(chǎn)生。
焊接時，應(yīng)采取焊前預(yù)熱、焊后緩冷等措施以減小淬硬傾向，減小焊接應(yīng)力。接頭處開坡口進(jìn)行多層焊，采用細(xì)焊條小電流，可以減少母材金屬的熔入量，降低裂紋傾向。
高碳鋼的焊接
高碳鋼的含碳量大于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。一般這類鋼不用于制造焊接結(jié)構(gòu)，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(yīng)注意焊前預(yù)熱和焊后緩冷。

三、低合金鋼的焊接
低合金鋼焊接經(jīng)常出現(xiàn)的問題
（1）熱裂紋熱裂紋指焊接過程中，焊縫和熱影響區(qū)金屬冷卻到固相線附近的高溫區(qū)產(chǎn)生的焊接裂紋。其原因在于低合金鋼的焊接過程中銅、硼、氮等元素成為形成裂紋的敏感元素。
（2）冷裂紋焊接接頭冷卻到較低溫度下（對于鋼來說在Ms溫度以下）時產(chǎn)生的焊接裂紋稱為冷裂紋。冷裂紋常發(fā)生在高強度鋼的厚板結(jié)構(gòu)中。其原因是接頭的剛度大，造成的局部應(yīng)力大，或在冷卻過程中氫析出后聚集造成局部應(yīng)力超過了鋼的強度極限。
（3）白點在焊縫金屬拉斷面上，出現(xiàn)的如魚目狀的一種白色圓形斑點稱為白點。其產(chǎn)生原因是焊接過程中吸收了過量的氫，故又稱氫白點。
低合金鋼焊接主要根據(jù)不同鋼號的屈服點等級選擇焊接材料，應(yīng)遵守等強度（某些鋼號應(yīng)考慮成分相同或相近）原則。對于厚度大、剛度大的構(gòu)件或在低溫下焊接時應(yīng)考慮使用低氫型焊條，焊前進(jìn)行預(yù)熱等，嚴(yán)格按照焊接工藝規(guī)范施焊。
低合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接
低合金結(jié)構(gòu)鋼按其屈服強度可以分為九級：300、350、400、450、500、550、600、700、800MPa。
強度級別≤400MPa的低合金結(jié)構(gòu)鋼，Ceq<0.4%，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，一般不需采取特殊的工藝措施。只有焊件較厚、結(jié)構(gòu)剛度較大和環(huán)境溫度較低時，才進(jìn)行焊前預(yù)熱，以免產(chǎn)生裂紋。
強度級別≥450MPa的低合金結(jié)構(gòu)鋼，Ceq>0.4%，存在淬硬和冷裂問題，其焊接性與中碳鋼相當(dāng)，焊接時需要采取一些工藝措施，如焊前預(yù)熱（預(yù)熱溫度150℃左右）可以降低冷卻速度，避免出現(xiàn)淬硬組織；適當(dāng)調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)，可以控制熱影響區(qū)的冷卻速度，保證焊接接頭獲得優(yōu)良性能；焊后熱處理能消除殘余應(yīng)力，避免冷裂。
低合金結(jié)構(gòu)鋼含碳量較低，對硫、磷控制較嚴(yán)，手工電弧焊、埋弧焊、氣體保護(hù)焊和電渣焊均可用于此類鋼的焊接，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(fā)，為了提高抗裂性，盡量選用堿性焊條和堿性焊劑，對于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。

四、不銹鋼的焊接
不銹鋼中都含有不少于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(tài)，不銹鋼可分為奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼和馬氏體不銹鋼等，其中以奧氏體不銹鋼的焊接性最好，廣泛用于石油、化工、動力、航空、醫(yī)藥、儀表等部門的焊接結(jié)構(gòu)中，常見牌號有：1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni9等。
（一）奧氏體不銹鋼的焊接性
奧氏體不銹鋼焊接件容易在焊接接頭處發(fā)生晶間腐蝕，其原因是焊接時，在450～850℃溫度范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(qū)，在腐蝕介質(zhì)的作用下，晶粒表層的貧鉻區(qū)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(yīng)嚴(yán)格控制焊縫金屬的含碳量，采用超低碳的焊接材料和母材。采用含有能優(yōu)先與碳形成穩(wěn)定化合物的元素如Ti、Nb等，也可防止貧鉻現(xiàn)象的產(chǎn)生。
奧氏體不銹鋼焊接的另一個問題是熱裂紋。
產(chǎn)生的主要原因是焊縫中的樹枝晶方向性強，有利于S、P等元素的低熔點共晶產(chǎn)物的形成和聚集。另外，此類鋼的導(dǎo)熱系數(shù)?。s為低碳鋼的1/3），線脹系數(shù)大（比低碳鋼大50%），所以焊接應(yīng)力也大。
防止的辦法是選用含碳量很低的母材和焊接材料，采用含適量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）奧氏體不銹鋼的焊接工藝
一般熔焊方法均能用于奧氏體不銹鋼的焊接，目前生產(chǎn)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(yīng)注意以下問題：
（1）采用小電流、快速焊，可有效地防止晶間腐蝕和熱裂紋等缺陷的產(chǎn)生。一般焊接電流應(yīng)比焊接低碳鋼時低20%；
（2）焊接電弧要短，且不作橫向擺動，以減少加熱范圍。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(yīng)等前面一層冷至60℃以下，再焊后一層。雙面焊時先焊非工作面，后焊與腐蝕介質(zhì)接觸的工作面。
（4）對于晶間腐蝕，在條件許可時，可采用強制冷卻。必要時可進(jìn)行穩(wěn)定化處理，消除產(chǎn)生晶間腐蝕的可能性。