焊接接头工艺性能送检

任务3　常用金属材料的焊接

一、金属材料的焊接性

金属材料的焊接性是指被焊金属材料在一定的焊接工艺条件下获得优良焊接接头的难易程度。金属材料的焊接性是一个相对概念，同一种金属材料，采用不同的焊接方法，其焊接性的区别较大。

1．工艺焊接性与使用焊接性

人们所说的金属材料的焊接性有两个方面的具体含义，即工艺焊接性和使用焊接性。

（1）工艺焊接性。主要指焊接接头出现各种裂缝的可能性，也称抗裂性。

（2）使用焊接性。主要指焊接接头在使用中的可靠性，包括机械性能和其他特殊性能。

金属材料的焊接性是产品设计、施工准备及正确拟订焊接工艺的重要依据。

2．钢的焊接性估算

碳钢及低合金钢的焊接性可通过试验测定或运用碳当量公式进行经验估算。

国际焊接学会推荐使用的碳当量公式如下。

注意：式中各化学元素符号表示该元素的质量分数。

当C_e＜0．4%时，钢的淬硬倾向不明显，焊接性好，焊接时不必预热，能用各种方法施焊。

当C_e＝0．4%～0．6%时，钢的淬硬倾向较明显，为防止产生焊接微裂纹，焊前要适当预热，施焊时应采取有效控制措施。

当C_e＞0．6%时，钢的淬硬倾向大，属于较难焊材料，需要采取较高温度预热和更严格的工艺措施。

常用金属材料的焊接性如表12－6所示。

表12－6　常用金属材料的焊接性

二、焊接接头组织与性能

焊接接头由焊缝和近缝区（热影响区）组成。焊接过程中，焊接及近缝区金属都经历了一次升温和降温过程，其实质相当于经受一次不同温度的热处理，焊接接头组织和性能都发生了相应的变化，其温度分布如图12－20所示。

图12－20　钢焊接接头处温度分布图

现以低碳钢为例来说明焊件接头处金属组织和性能变化情况。如图12－21所示，焊缝区温度最高，冷凝时液态金属的结晶从熔池壁开始，沿着垂直于池壁方向形成柱状晶粒组织。热影响区由半熔化区、过热区、正火区、部分相变区、再结晶区组成。半熔化区和过热区的晶粒粗大，力学性能不佳，容易发生应力集中和产生微裂纹，对焊接质量的影响很大，应尽可能减小热影响区。

图12－21　低碳钢焊接接头组织变化示意图

表12－7列出了低碳钢热影响区的大约数值。改变焊接规范或通过焊后热处理，可以控制热影响区的宽度和消除热影响区过热组织缺陷。

表12－7　各种焊接方法热影响区的大小

三、常用金属材料的焊接

1．碳钢的焊接

（1）低碳钢焊接。低碳钢的焊接性好，用于各种焊接方法，一般不需采取特殊工艺措施就能获得良好的焊接接头。当焊件厚度大于30mm或环境温度低于－10℃时，若采用普通手工电弧焊，焊前应将焊件适当预热。

（2）中碳钢焊接。随着碳的质量分数的增加，钢的焊接性逐渐变差。中碳钢因焊接性不如低碳钢，焊缝和热影响区中容易产生脆性的淬火组织，若工艺措施不当，还可能出现裂纹。为了获得优质焊接接头，焊前应将焊件预热150～250℃，焊后缓冷，采用抗裂性能好的低氢型电焊条。

（3）高碳钢焊接。高碳钢由于钢中碳的质量分数高，淬硬倾向大，焊接性差。这类钢一般只用于进行修补性焊接。补焊时要注意焊接工艺，选用碳的质量分数低的小直径焊条，直流反接，焊前预热300～500℃，焊速慢，焊后缓冷。

2．普通低合金钢焊接

普通低合金钢因含有一定量的合金元素，热影响区淬硬倾向和焊接接头的开裂倾向较大，焊接性较差。钢中碳与合金元素的质量分数越高，焊接性就越差。此类钢焊接前须预热300～500℃，选用抗裂性好的低氢型碱性焊条。焊条使用前应用300～400℃烘干。采用较大的焊接电流和较慢的焊接速度，焊后及时回火（550～650℃）以消除应力。若用气焊，宜用中性焰。

3．铸铁的焊补

铸铁焊接主要用于铸铁件的修复和焊补。铸铁因碳硅的质量分数高，组织不均匀，强度低，塑性差，焊接性不好。铸铁焊接的主要困难是焊接时碳硅元素易烧损，形成硬脆的白口组织，裂纹倾向大。因此，必须采取合理的焊接方法与工艺规范以保证焊补质量。铸铁的焊补常用方法如下。

（1）热焊法。将待焊铸件先经600～700℃预热再施焊。灰铸铁热焊时宜采用钢芯或铸铁芯石墨型药皮电焊条，焊接电流要大，速度要慢。球墨铸铁热焊时宜采用细直径钢芯强石墨型药皮铸铁焊条，焊接电流小，速度慢。铸铁若用气焊，宜用中性焰或轻微碳化焰。

（2）冷焊法。铸件不预热或经低温预热（400℃以下）后施焊。用手弧焊进行冷焊时，焊条可用钢芯强石墨型药皮铸铁焊条或铸铁芯焊条、铜基、镍基、镍铜合金（蒙乃尔合金）焊条等。宜选用小电流断续焊法，焊后立即用小铁锤敲击焊缝，以减小焊接应力。

4．非铁金属及其合金的焊接

（1）铜及铜合金的焊接。铜及铜合金的焊接性差，比低碳钢焊接困难得多。铜因导热性好散热快，因而不易焊透；铜的线膨胀系数大，凝固收缩率也大，因而焊接应力大、变形大，易产生裂纹；焊接时熔池金属易氧化、吸气造成气孔和夹渣等。铜及铜合金因具有上述不利于焊接的特点，用一般手弧焊难以获得优质的焊接接头。铜及铜合金可用氩弧焊、气焊、电弧焊、钎焊等方法焊接，其中采用氩弧焊是保证紫铜及青铜焊接质量的有效方法。氩弧焊时，焊丝用特制紫铜焊丝（丝201），溶剂用硼酸或硼砂（如气剂301）。

气焊紫铜和青铜时应用中性焰，氧过多时会加快铜氧化的倾向，熔池吸氢增多，接头质量不佳。气焊用焊丝和熔剂与氩弧焊相同。

黄铜焊接目前最常用的方法是气焊，因为气焊的温度较低，焊接过程中锌的蒸发少。气焊黄铜一般用轻微氧化焰，采用含硅的焊丝（丝221、丝222）有利于在熔池表面形成一层致密的氧化硅薄膜，以阻碍锌的蒸发，焊剂用硼酸和硼砂的混合剂。

（2）铝及铝合金焊接。铝及铝合金因具有与铜相似的特点而不利于焊接，虽可用气焊、电弧焊、氩弧焊、电阻焊、钎焊、埋弧自动焊等方法施焊，但以氩弧焊质量最好。施焊时须用熔剂除去氧化膜及杂质，常用溶剂为氯化物和氟化物组成的混合物（如气剂401）。焊前预热（200～300℃），焊后退火（300～400℃）。焊前认真清除接头部位的油垢、污物，焊后用热水或10%的NaOH水溶液清洗焊缝。