钢的焊接特点

（一）低碳钢的焊接特点

低碳钢由于含碳量低，强度、硬度不高，塑性好，所以应用非常广泛。焊接常用的低碳钢有Q235、20钢、20g等。

由于低碳钢含碳量低，焊接接头的塑性和冲击韧性很好，所以焊接性好。其焊接具有下列特点：

（1）淬火倾向小，焊缝和近缝区不易产生冷裂纹。可制造各类大型构架及受压容器。

（2）焊前一般不需预热，但对大厚度结构或在寒冷地区焊接时，需将焊件预热至100～150℃。

（3）镇静钢杂质很少，偏析很小，不易形成低熔点共晶，所以对热裂纹不敏感。沸腾钢中硫、磷等杂质较多，产生热裂纹的可能性要大些。

（4）如工艺选择不当，可能出现热影响区晶粒长大现象，而且温度越高，热影响区在高温停留时间越长，则晶粒长大越严重。

（5）对焊接电源没有特殊要求，可采用交、直流弧焊机进行全位置焊接，工艺简单。

（二）中碳钢的焊接特点

中碳钢含碳量比低碳钢高，强度较高，中碳钢比低碳钢的热膨胀系数略大，热导率稍低，在焊接时增加了热应力和过热倾向，所以焊接性比较差。

中碳钢一般不用作焊接结构材料，而是用作机器部件和工具较多。焊接时的主要问题是热裂纹、冷裂纹、气孔和脆断，有时还会存在热影响区的强度降低。常用的有35、45、55钢。中碳钢焊条电弧焊及其铸件焊补的主要特点如下：

（1）热影响区容易产生淬硬组织。含碳量越高，板厚越大，这种倾向也越大。如果焊接材料和工艺规范选用不当，容易产生冷裂纹。

（2）由于基本金属含碳量较高，所以焊缝的含碳量也较高，容易产生热裂纹。

（3）由于含碳量的增高，所以对气孔的敏感性增加。因此对焊接材料的脱氧性、基本金属的除油除锈、焊接材料的烘干等，要求更加严格。

（4）焊接时要注意母材的热处理状态，如已热处理的部件，须采取措施防止裂纹产生，如焊后进行热处理，则要求热处理后接头与母材性能相匹配，须注意选择焊接材料。

（三）高碳钢的焊接特点

高碳钢由于含碳量高，焊接性能很差。在实际中不用作焊接结构，一般用作工具钢和铸钢，只能用作修复性的焊接。其焊接有如下特点：

（1）导热性差，焊接区和未加热部分之间产生显著的温差，当熔池急剧冷却时，在焊缝中引起的内应力很容易形成裂纹。

（2）对淬火更加敏感，近缝区极易形成马氏体组织。由于组织应力的作用，使近缝区产生冷裂纹。

（3）由于焊接高温的影响，晶粒长大快，碳化物容易在晶界上积聚、长大，使焊缝脆弱，焊接接头强度降低。

（4）高碳钢焊接时比中碳钢更容易产生热裂纹。

（四）普通低合金钢的焊接特点

普通低合金高强度钢（简称普低钢）。与碳素钢相比，钢中含有少量合金元素，如锰、硅、钒、钼、钛、铝、铌、铜、硼、磷、稀土等。钢中有了一种或几种这样的元素后，使它具有强度高、韧性好等优点，由于加入的合金元素不多，故称为低合金高强度钢。常用的普通低合金高强度钢有16Mn、16MnR、15MnVN等。

其焊接特点如下：

1.热影响区的淬硬倾向

热影响区的淬硬倾向是普低钢焊接的重要特点之一。随着强度等级的提高，热影响区的淬硬倾向也随着变大。为了减缓热影响区的淬硬倾向，必须采取合理的焊接工艺规范。

影响热影响区淬硬程度的因素有：

（1）材料及结构型式，如钢材的种类、板厚、接头型式及焊缝尺寸等。

（2）工艺因素，如工艺方法、焊接规范、焊口附近的起焊温度（气温或预热温度）。

焊接施工应通过选择合适的工艺因素，例如增大焊接电流、减小焊接速度等措施来避免热影响区的淬硬。

消除热影响区的淬硬倾向的有效措施是焊后进行热处理。

2.焊接接头的裂纹

焊接裂纹是危害性最大的焊接缺陷，冷裂纹、再热裂纹、热裂纹、层状撕裂和应力腐蚀裂纹是焊接中常见的几种形态。

在焊接时产生热裂纹是由于母材中的碳与硫的含量不正常造成的，可通过调整工艺参数和选择含Mn量较高的焊材，可消除热裂纹产生。

某些钢材淬硬倾向大，焊后冷却过程中，由于相变产生很脆的马氏体，在焊接应力和氢的共同作用下引起开裂，形成冷裂纹。延迟裂纹是钢的焊接接头冷却到室温后，经一定时间（几小时，几天甚至几十天）才出现的焊接冷裂纹，因此具有很大的危险性。防止延迟裂纹可以从焊接材料的选择及严格烘干、工件清理、预热及层间保温、焊后及时热处理等方面进行控制。

3.典型16Mn、15CrMo的焊接

1）16Mn钢的焊接

（1）16Mn钢具有良好的焊接性，当其碳当量为0.34%～0.49%时，淬硬倾向比低碳钢稍大些。但只有在厚板、结构刚性大和采用焊接规范不合理以及在低温条件下进行焊接时，才可能产生淬硬组织和焊接裂纹。为了避免产生冷裂纹，必须遵循以下的焊接工艺。

（2）焊接准备。板厚90mm以上的钢板采用火源切割时，起始点应预热100～120℃，采用碳弧气刨时，厚度20mm以上的钢板气刨前应预热100～150℃，坡口型式可采用V形、U形或不对称X形。坡口边缘和两侧必须彻底消除水分、铁锈、氧化皮及油脂等污物。

（3）焊接工艺：预热。根据板厚及环境温度按表2-1中规定的温度进行预热。

表2-1　不同板厚16Mn钢低温焊接时的预热温度

（4）焊接材料。对重要部位的对接焊缝构件，应选用碱性焊条E5015、E5016，如锅炉、压力容器及船舶中的重要焊缝。至于对抗裂性能、塑性及韧性要求较低，刚性不大的非重要部位结构的焊缝，也可选用E5003（J502）、E5001（J503）酸性焊条。

（5）工艺参数。基本上与焊接碳素钢时的工艺参数相似。焊条选用φ4时，I＝160～180A，U＝21～22V；使用φ5焊条时I＝210～240A；采用多层多道焊选用4mm焊条时，焊缝宽度不应超过16～18mm，每层填充4～5mm。

（6）焊后热处理。板厚大于50mm的重要承载部件的接头，焊后需要做消除应力处理，温度为600～650℃，保温时间为2.5min/mm。压力容器的预热部件，其壁厚大于34mm，或不预热焊部件，其厚度大于30mm时，要求焊后做消除应力处理，最佳温度为600～620℃，保温时间为3min/mm。

2）15CrMo低合金耐热钢的焊接

（1）边缘整备。采用火源切割厚度大于60mm的轧态钢板，以及正火或高温回火热处理状态的厚度大于80mm的钢板，切割区周围均预热到100℃以上。切割后边缘应做表面磁粉探伤以检查裂纹。如采用碳弧气刨焊接坡口或清根时，气刨前应将气刨区域预热至200℃以上。气刨后表面应用砂轮打磨以彻底清除氧化物。

（2）焊条电弧焊工艺。坡口型式可采用V形或U形。焊条选用E5515B2（R307），对不重要的结构可采用E5503B2（R302）焊条。焊接规范选用时，当使用φ4焊条时，底层电流为140A，填充层焊接电流为160～170A。板厚大于15mm的焊件，焊前均需要预热至150～200℃。

（3）焊后做消除应力处理。钢结构厚度大于30mm的承载部件，焊后需做640～680℃消除应力处理，保温时间4min/mm。对于受压容器和管道，不预热的任何厚度的接头和预热焊厚度大于10mm的接头，焊后均需做消除应力处理。焊接操作时应采用多层多道焊，窄焊道工艺，焊条运条采用直线方式，若需要做摆幅运条，其宽度不大于焊条直径的2.5倍。

（五）奥氏体不锈钢的焊接

奥氏体不锈钢具有良好的焊接性，如在选择焊接材料和确定焊接工艺时，若忽视了奥氏体不锈钢含碳量，含铬量，铬镍含量比，稳定化元素钛、铌等含量及组织特征的不同，焊接接头会出现晶间腐蚀和热裂纹等问题。

1.晶间腐蚀

奥氏体不锈钢产生晶间腐蚀的主要问题是焊缝及热影响区在加热到450～850℃（敏化温度区）并保持一定时间后，在这温度区域内碳由于活动能力增加迅速扩散到晶粒边界，与晶界上的铬化合成碳化铬。因铬的扩散比碳慢，结果使奥氏体晶粒边缘的含铬量减少到失去抗腐蚀能力，如果该区域恰好露在焊缝表面并与腐蚀介质接触时，腐蚀就沿着奥氏体晶边缘不断深入内部，破坏了晶粒间的相互结合导致焊接接头力学性能急剧降低，严重时在应力作用下发生断裂。

防止或减少焊件产生晶间腐蚀的措施：控制含碳量。碳是造成晶间腐蚀的主要元素，应尽量降低奥氏体不锈钢中和焊接材料中的含碳量，减少析出碳的含量，避免产生贫铬区。因此，常控制基本金属和焊条的含碳量在0.08%以下，如0Cr18Ni10Ti钢板选用E30815（A107）、E34715（A137）焊条就属于这一类。

另外选用超低碳奥氏体不锈钢含碳量低于0.03%，即使在450～850℃的高温下加热，碳也能全部溶解在奥氏体中，不会形成贫铬区，因此也不会产生晶间腐蚀。如00Cr19Ni10Ti、00Cr17Ni14Mo2及00Cr19Ni13Mo3钢板的焊接，焊条可采用E316L16，其含碳量小于0.04%，焊后的焊缝具有良好的抗腐蚀性能。

再选用含有钛、铌等元素的焊材，使钛、铌等元素全部优先于碳结合，消除贫铬区，改善抗腐蚀性能。同时在焊后经过700～900℃时进行加热缓冷。

2.热裂纹

奥氏体不锈钢具有较高的焊接热裂纹敏感性。热裂纹以结晶裂纹为主，裂纹的起端、扩展及裂纹的止端均沿一次结晶界产生。奥氏体不锈钢焊后产生热裂纹的原因是金相组织、化学成分和焊接应力。单项奥氏体焊缝组织与加入少量铁素体而形成双相组织的焊缝相比对热裂纹更为敏感。

防止产生热裂纹的方法是：

（1）控制化学成分。一般来说，镍是促进热裂纹的元素，钼则可减少热裂纹倾向，对188型不锈钢，应减少焊缝中镍、磷、硫的含量并增加铬、钼、锰等元素，可以减少热裂纹。

（2）采用合理的焊接工艺。焊接规范应采用小电流、快速度；操作上采用短弧焊、窄焊道技术，以提高熔池的冷却速度。

（3）焊前准备。为了避免焊接时碳和杂质混入焊缝，在焊前焊缝两侧20～30mm范围内用丙酮或酒精擦洗干净。

3.焊接工艺

对于不同的焊接方法有不同的焊接工艺。焊条电弧焊用于奥氏体不锈钢钢板焊接时，选用的焊接电流要比同规格的碳钢焊条小20%左右，以防止电阻热导致焊条发红使药皮失效，同时对防止晶间腐蚀和抗热裂纹也有好处。操作时采用快焊速及窄焊道，焊条最好不做横向和前后摆动，短弧焊接。多层焊时，每焊完一层需要彻底清除熔渣，对焊缝仔细检查，确认无缺陷后，并待前层焊缝冷却到60℃以下时再焊下一层。多层焊时每层厚度不应超过3mm，焊道不能超过焊条直径的4倍。必要时可在背面用冷水冷却。与腐蚀接触面的焊缝应最后焊接。

4.焊接方法

钨极手工氩弧焊最适合于奥氏体不锈钢的焊接，其特点是热量集中，热输入量控制正确，焊接热影响区不易过热，变形小。焊接时采用直流正接。焊接厚度1mm以下的不锈钢薄板，焊接时可不加焊丝。厚度大于1mm则需添加焊丝。钢板厚度大于6mm的不锈钢板可以采用多层多道焊。不锈钢管道焊接对接焊缝打底时管内应通入氩气，以防止内侧焊缝被氧化。

（六）铁素体不锈钢的焊接

铁素体不锈钢焊接时容易形成粗大的铁素体晶粒，导致接头的韧性降低，增加脆性，同时也会产生晶间腐蚀倾向。铁素体不锈钢的晶间腐蚀产生的原因基本与奥氏体不锈钢相同，只是形成的温度不同。

防止接头韧性降低的方法是：

（1）采用小的电流、快焊速，禁止横向摆动，待前一焊缝冷却到预热温度后再焊下一道焊缝。

（2）焊后进行热处理，退火后应快冷。

（3）防止焊缝污染，清除焊缝周边的锈迹和油滞。

铁素体不锈钢在焊接操作时，应选择与母材成分相近的焊材，同时焊前进行预热，预热温度为100～200℃，采用较小的电流和较快的焊接速度。焊后进行热处理提高接头的塑性。