合金结构钢的焊接

第4章　常用金属材料的焊接

4.1　金属材料的可焊性

4.1.1　可焊性的概念

金属材料的可焊性，是指被焊金属在采用一定的焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构形式条件下，获得优质焊接接头的难易程度。金属材料在一定的焊接工艺条件下，表现出“好焊”和“不好焊”的差别。可焊性包括两个方面：一是工艺可焊性，主要是指在不产生焊接缺陷的条件下，焊接工艺操作方便简单、焊缝成形容易，焊接接头产生工艺缺陷的倾向小。二是使用可焊性，主要是指焊接接头的力学性能及其他特殊性能（如耐热、耐蚀性能等）能达到使用要求，并在使用过程中的可靠性好。

同一种金属材料，采用不同的焊接方法、焊接材料与焊接工艺（包括预热和热处理等），其可焊性可能有很大差别。例如在一般情况下钛的焊接是比较困难的，这是因为钛的化学活泼性很强，可焊性很不好，但采用氩弧焊进行焊接，则可焊性较好。目前钛及其合金的焊接结构已在航空等各个工业部门得到广泛应用。由于等离子弧焊接、真空电子束焊接、激光焊接等新的焊接方法相继出现，使钨、钼、钽、铌、锆等高熔点金属及其合金的焊接也已成为可能。

根据目前的焊接技术水平，工业上应用的绝大多数金属材料都是可焊的，只是焊接时的难易程度不同而已。金属材料上述两方面的可焊性可通过估算和试验方法来确定。了解及评价材料的可焊性，是产品设计、施工准备及正确制订焊接工艺的重要依据。

4.1.2　钢材可焊性的评定方法

目前钢材是绝大多数焊接结构所用的金属材料。钢材的可焊性可以通过焊接工艺试验直接加以评定；也可以通过钢的化学成分间接评定，钢中各种化学元素对焊缝组织性能、夹杂物的分布以及对焊接热影响区的淬硬程度等影响都不同，产生裂缝的倾向也不同。在各种元素中以碳的影响为最大，其他合金元素的影响可折合成碳的影响，即采用碳当量方法来估算被焊钢材的可焊性。目前估算碳当量经验公式为：式中　C，Mn，Cr，Mo，V，Ni，Cu为钢中该元素含量的百分数。

C当量＜0.4%时，钢材可焊性良好，主要是这类钢材碳当量低，塑性良好，淬硬倾向不明显。在一般的焊接工艺条件下，焊件不易产生裂缝，但对厚大工件或低温下焊接时应考虑预热。

C当量= 0.4%～0.6%时，钢材可焊性较差，主要原因是随碳当量的增加，塑性下降，淬硬倾向明显。焊接前工件需要适当预热、焊后应注意缓冷，要采取一定的焊接工艺措施才能防止裂缝。

C当量＞0.6%时，钢材可焊性不好，主要原因是碳当量过高，塑性过低，淬硬倾向很强。焊接前工件必须进行较高温度的预热，焊接时要采取各种工艺措施减少焊接应力和防止开裂，焊后要进行适当的热处理，才能保证焊接接头质量。

硫、磷对钢材焊接性能影响也很大，在各种合格钢材中，在硫、磷都受到严格限制，故其影响不在考虑范围之内。

因为钢材可焊性还受结构刚度、焊后应力条件、环境温度等影响，故利用碳当量法估算钢材可焊性是粗略的。在适当条件下除进行初步估算外，还应根据对焊缝质量要求的情况进行抗裂试验及焊接接头使用可焊性试验，为制订合理工艺规程与规范提供依据。

4.2　碳钢的焊接

4.2.1　低碳钢的焊接

低碳钢含碳量不大于0.25%，塑性好，淬硬倾向很小，对焊接热过程不敏感，较容易获得优质焊接接头，可适应各种位置的焊接，可焊性很好。焊这类钢时，焊接工艺简单，焊缝产生裂纹和气孔倾向小，一般不需要采取特殊的工艺措施，除电渣焊外焊后也不需要进行热处理。

低碳钢可以用各种焊接方法进行焊接，都能获得优质焊接接头。用得最广泛的是手工电弧焊、埋弧自动焊、电渣焊、CO2保护焊和电阻焊。

当焊接厚度大于50 mm的低碳钢结构时，需用大电流多层焊，焊后应进行消除应力退火。低温环境下焊接较大刚度结构时，焊接过程容易产生大的内应力，容易使构件开裂，焊前应对构件预热。

焊接低碳钢结构时，焊接材料及工艺的选择主要应保证焊接接头与母材等强度。用手工电弧焊焊接一般低碳钢结构，根据选用结421、结422或结424焊条，焊接载结构、复杂结构或厚板结构时，应选用结426、结427或结507焊条。应用埋弧自动焊时，一般采用H08A或H08MnA焊丝配焊剂431进行焊接。

4.2.2　中、高碳钢的焊接

中碳钢含碳量为0.25～0.6，随含碳量的增加，淬硬倾向明显，中碳钢属于易淬火钢，热影响区被加热超过淬火温度的区段时，受工件低温部分的迅速冷却作用，将出现马氏体等淬硬组织。可焊性逐渐变差，会在淬火区产生热、冷裂缝。在实际生产当中，主要是焊接各种中碳钢的铸钢件与锻件。

焊接中碳钢构件，焊前必须进行预热，尽量减小焊接时工件各部分的温差，减小焊接应力；同时减慢热影响区的冷却速度，避免产生淬硬组织。焊接时，应选用抗裂能力较强的低氢型焊条，可根据钢材强度选用结506、结507或结606、结607焊条，如不要求等强度，可选择结427型强度低些的焊条，以提高焊缝的塑性。不论用那种焊条焊接中碳钢，均应选用细焊条小电流，开坡口进行多层焊，以防止母材过多地熔入焊缝，同时减小焊接热影响区的宽度。

高碳钢含碳量更高，可焊性变得更差，应采用更高的预热温度，更严格的工艺措施才可进行焊接。实际上，高碳钢的焊接只限于修补工作。

4.3　合金结构钢的焊接

焊接结构中，用得最多的是普通低合金结构钢。我国低合金钢含碳量都较低，但因其他合金元素与含量不同，性能上的差异很大，所以可焊性的差别也比较大。强度级别较低的低合金钢，含合金元素较少，碳当量低，具有良好的可焊性；但强度级别高的低合金钢，碳当量较高，可焊性较差，焊接时应采取严格的工艺措施。

对于强度级别较低的钢材（如16Mn），在常温下焊接时与对待低合金钢一样。在低温或在大刚度、大厚度构件上进行小焊脚、短焊缝焊接时，应防止出现淬硬组织。要适当增大焊接电流、减慢焊接速度、选用抗裂性强的低氢型焊条。必要时可采取预热措施。对锅炉、受压容器等重要工件，当厚度大于20 mm时，焊后必须进行退火处理，以消除应力。

对强度级别高的低合金钢，焊接前一般均需进行预热。焊接时，应调整焊接参数以控制热影响区的冷却速度，焊后还应及时进行热处理以消除内应力。如生产中不能立即进行焊后热处理，可先进行消氢处理，即将工件加热到200～350℃，保温2～6 h，以加速氢的扩散逸出，防止产生冷裂缝。

4.4　铸铁的焊补

铸铁含碳量高，塑性很低，可焊性很差，生产上不考虑铸铁的焊接构件，铸铁的焊接主要是焊补工作。以解决铸铁件生产当中出现的铸造缺陷，以及铸铁零件在使用过程中局部损坏或断裂的问题，如能焊补，则具有很大的经济效益。

铸铁不易进行焊接的原因如下：

①由于焊接是局部加热，铸铁焊接接头冷却速度较快，容易产生白口组织和淬火组织，硬度很高，焊后很难进行机械加工。

②铸铁强度低、塑性差，焊接应力较大，并且铸铁含碳及硫、磷杂质高，极易在焊缝及热影响区产生裂缝。

③铸铁含碳量高，焊接时易生成CO与CO2，铸铁凝固时间较短，熔池中气体来不及逸出而造成气孔。

④铸铁流动性好，熔池金属容易流失，在焊补时也只适用于平焊。

根据铸铁的焊接特点，一般采用气焊、手工电弧焊来焊补铸铁件，可分为热焊法与冷焊法两大类。

（1）热焊法

热焊法是将工件预热到600～700℃进行焊补，焊后缓慢冷却。热焊法可防止工件产生白口组织和裂缝，焊补质量较好，焊后可以进行机械加工。但成本较高，生产率低，劳动条件差。一般用于焊补形状复杂，焊后需要加工的重要铸件，如床头箱、汽缸体等。

铸铁热焊用气焊进行比较方便，可以用气焊火焰进行预热工件和焊后缓冷，填充金属应使用专制的铸铁棒，并使用CJ201气焊焊剂以保证焊接质量。也可用铸铁焊条进行手工电弧焊焊补，药皮成分主要是石墨、硅铁、碳酸钙等，以补充焊缝碳和硅的烧损，并可造渣清除杂质。

（2）冷焊法

冷焊法是工件不预热或只进行400℃以下低温预热。主要依靠焊条来调整焊缝化学成分以防止或减少白口组织和避免裂缝。冷焊法方便灵活、生产率高、成本低、劳动条件好，但切削加工性能较差。生产中多用于焊补要求不高的铸件。焊接时，应尽量采用小电流、短弧、窄焊缝、短焊道，并在焊后及时轻轻锤击焊缝以松弛应力，防止焊后开裂。

冷焊法一般是用手工电弧焊进行焊补，根据铸铁材料性能、焊后对切削加工的要求及工件的重要性考虑选择焊条。一般非加工面的焊补选用钢芯或铸铁芯铸铁焊条，一般需要加工的铸铁表面选用铜基铸铁焊条，重要铸件加工面的焊补选用镍基铸铁焊条。

4.5　有色金属的焊接

4.5.1　铜及铜合金的焊接

铜及铜合金的焊接性不好，其主要原因如下：

①铜在液态易氧化，生成的Cu2 O与铜形成低熔点脆性共晶组织，分布在晶界形成薄弱环节；加上铜的凝固时收缩率大，导致了产生裂纹倾向大。

②液态铜吸气性强，能吸收溶解大量的氢，凝固时气体从熔液中析出，来不及逸出就残存在焊缝中形成气孔。

③铜的电阻极小，不适用于电阻焊接。

④铜合金中某些合金元素比铜更易氧化、烧损和蒸发，使铜合金的焊接性进一步下降。例如黄铜中的锌极易烧损蒸发并生成氧化锌，不但改变接头化学成分、降低性能，而且容易损害工人健康。铝青铜中的铝，容易生成难熔的氧化铝，增大熔渣黏度，产生气孔和夹渣。

⑤铜的导热性好，散热快，达到焊接温度较困难。因此，工件要预热，焊接时要选用较大电流或火焰，以防止导热太快而造成焊不透缺陷。

焊接紫铜和青铜的有效方法是采用氩弧焊。氩气保护能防止熔池的氧化和吸气。焊丝应选用紫铜焊丝和磷青铜焊丝。焊接紫铜和锡青铜的溶剂是硼砂和硼酸，焊接铝青铜的溶剂是氯化盐和氟化盐组成的溶剂。

黄铜的焊接，目前最常用的焊接方法仍是气焊。气焊黄铜一般用轻微氧化焰，采用含硅的焊丝，使熔池表面形成一层致密的氧化硅薄膜，阻碍锌的蒸发和防止氢的溶入。溶剂也是硼砂和硼酸。

4.5.2　铝及铝合金的焊接

铝及铝合金的焊接性也不好，其主要原因如下：

①铝极易氧化生成氧化铝。氧化铝组织致密，熔点高，覆盖在金属表面阻碍金属熔合。同时氧化铝比重大，不易上浮，使焊缝产生夹渣。

②铝的导热性好，散热快，也要求使用大功率或能量集中的热源，厚度较大时应考虑预热。铝的凝固时收缩率也较大，易产生焊接应力与变形，并可能导致裂缝的产生。

③液态铝吸气性强，能吸收大量的氢，铝在固态时又几乎不溶解氢，因此在溶池凝固时易生成气孔。

④铝在高温时强度及塑性很低，焊接时常由于不能支持熔池金属而引起焊缝塌陷，因此常需采用垫板。

氩弧焊是焊接铝及铝合金较好的方法，焊接时采用与工件成分相近的焊丝，由于氩气的保护作用和氩离子对氧化膜阴极破碎作用，可不用溶剂。

要求不高的工件也可采用气焊，但必须使用氯化物与氟化物组成的专用铝焊剂以除去氧化膜和杂质。

焊接铝及铝合金前必须彻底清理焊件的焊接部位和焊丝表面的氧化膜与油污，否则将直接影响焊缝性能。此外，由于铝溶剂对铝有强烈腐蚀作用，焊后应进行仔细冲洗，以防止溶剂对焊件的腐蚀。