1 什么是焊接性?试述碳钢的焊接性。
焊接性是指材料在限定的施工条件下焊接成按规定设计要求的构件,并满足预定服役要求的能力。焊接性受材料、焊接方法、构件类型及使用要求四个因素的影响。
碳钢是以铁元素为基础的,铁碳合金,碳为合金元素,其碳的质量分数不超过1%,此外,锰的质量分数不超过1.2%,硅的质量分数不超过0.5%,后两者皆不作为合金元素。其它元素如Ni、Cr、Cu等均控制在残余量的限度以内,更不作为合金元素。杂质元素如S、P、O、N等,根据钢材品种和等级的不同,均有严格限制。因此,碳钢的焊接性主要取决于含碳量,随着含碳量的增加,焊接性逐渐变差,其中以低碳钢的焊接性最好,见表1。
表1 碳钢焊接性与含碳量的关系
| 名 称 | 碳的质量分数(%) | 典型硬度 | 典型用途 | 焊接性 |
| 低碳钢 | ≤0.15 | 60HRB | 特殊板材和型材薄板、带材、焊丝 | 优 |
| 0.15～0.25 | 90HRB | 结构用型材、板材、棒材 | 良 | |
| 中碳钢 | 0.25～0.60 | 25HRC | 机器部件和工具 | 中(需预热、后热,推荐使用低氢焊接方法) |
| 高碳钢 | ≥0.60 | 40HRC | 弹簧,模具,钢轨 | 劣(需预热、后热,必需使用低氢焊接方法) |
2 什么是碳当量?碳钢的碳当量如何计算?
把钢中合金元素(包括碳)的含量按其作用换自成碳的相当含量,称为该种钢材的碳当量,可作为评定钢材焊接性的一种参考指标。
碳钢中的元素除C外,主要是Mn和Si,它们的含量增加,焊接性变差,但其作用不及碳强烈。国际焊接学会推荐的碳当量公式为
随着碳当量值的增加,钢材的焊接性会变差。当CE值大于0.4%～0.6%时,冷裂纹的敏感性将增大,焊接时需要采取预热、后热及用低氢型焊接材料施焊等一系列工艺措施。
3 利用碳当量值评价钢材焊接性有何局限性?
碳当量值只能在一定范围内,对钢材概括地、相对地评价其焊接性,这是因为:
1)如果两种钢材的碳当量值相等,但是含碳量不等,含碳量较高的钢材在施焊过程中容易产生淬硬组织,其裂纹倾向显然比含碳量较低的钢材来得大,焊接性较差。因此,当钢材的碳当量值相等时,不能看成焊接性就完全相同。
2)碳当量计算值只表达了化学成分对焊接性的影响,没有考虑到冷却速度不同,可以得到不同的组织,冷却速度快时,容易产生淬硬组织,焊接性就会变差。
3)影响焊缝金属组织从而影响焊接性的因素,除了化学成分和冷却速度外,还有焊接循环中的最高加热温度和在高温停留时间等参数,在碳当量值计算公式中均没有表示出来。
因此,碳当量值的计算公式只能在一定的钢种范围内,概括地、相对地评价钢材的焊接性,不能作为准确的评定指标。
4 试述低碳钢的焊接性。
由于低碳钢含碳量低,锰、硅含量也少,所以,通常情况下不会因焊接而产生严重硬化组织或淬火组织。低碳钢焊后的接头塑性和冲击韧度良好,焊接时,一般不需预热、控制层间温度和后热,焊后也不必采用热处理改善组织,整个焊接过程不必采取特殊的工艺措施,焊接性优良。
但在少数情况下,焊接时也会出现困难:
1)采用旧冶炼方法生产的转炉钢含氮量高,杂质含量多,从而冷脆性大,时效敏感性增加,焊接接头质量降低,焊接性变差。
2)沸腾钢脱氧不完全,含氧量较高,P等杂质分布不均,局部地区含量会超标,时效敏感性及冷脆敏感性大,热裂纹倾向也增大。
3)采用质量不符合要求的焊条,使焊缝金属中的碳、硫含量过高,会导致产生裂纹。如某厂采用酸性焊条焊接Q235-A钢时,因焊条药皮中锰铁的含碳量过高,会引起焊缝产生热裂纹。
4)某些焊接方法会降低低碳钢焊接接头的质量。如电渣焊,由于线能量大,会使焊接热影响区的粗晶区晶粒长得十分粗大,引起冲击韧度的严重下降,焊后必需进行细化晶粒的正火处理,以提高冲击韧度。
总之,低碳钢是属于焊接性最好、最容易焊接的钢种,所有焊接方法都能适用于低碳钢的焊接。
5 低碳钢焊接时,如何正确地选用焊接材料?
⑴手弧焊焊条的选用 常用低碳钢Q235的抗拉强度平均值为417.5MPa,根据等强度原则,与之匹配的焊条应为E43系列。几种不同钢号的低碳钢手弧焊时焊条的选用,见表2。
表2 低碳钢手弧焊时焊条的选用
| 钢 号 | 一般结构选用的 焊条型号 | 动载荷、复杂、厚板结构,锅炉受压容器,低温焊接 选用的焊条型号 | 施 焊 条 件 |
| Q235 | E4313,E4303,E4301,E4320,E4311 | E4316,E4315 (E5016,E5015) | 一般不预热 |
| Q255 | 一般不预热 | ||
| Q275 | E4316,E4315 | E5016,E5015 | 厚板结构预热150℃以上 |
| 08、10、15、20 | E4303,E4301,E4320,E4311 | E4316,E4315 (E5016,E5015) | 一般不预热 |
| 25 | E4316,E4315 | E5016,E5015 | 厚板结构预热150℃以上 |
| 20g,22g | E4303,E4301 | E4316,E4315 (E5016,E5015) | 厚板结构预热100～150℃ |
| 20R | E4303,E4301 | E4316,E4315 (E5016,E5015) | 一般不预热 |
注:表中括弧内的焊条型号表示可以代用。
⑵埋弧焊焊丝和焊剂的匹配选用 低碳钢埋弧焊时焊丝和焊剂的匹配选用,见表3。
表3 低碳钢埋弧焊焊丝与焊剂的匹配选用
| 钢 号 | 焊 丝 | 焊 剂 |
| Q234 | H08A | HJ430 HJ431 |
| Q255 | H08A | |
| Q275 | H08MnA | |
| 15、20 | H08A,H08MnA | HJ430 HJ431 HJ330 |
| 25 | H08MnA,H10Mn2 | |
| 20g,22g | H08MnA,H08MnSi,h10Mn2 | |
| 20R | H08MnA |
⑶CO2焊丝的选用 实芯焊丝选用牌号为H08Mn2Si和H08Mn2SiA两种,焊后熔敷金属强度偏高。药芯焊丝选用牌号为YJ502-1、YJ506-2、YJ506-3、YJ506-4。
⑷电渣焊焊丝和焊剂的匹配选用 电渣焊熔池温度比埋弧焊低,所以焊剂中的硅、锰还原作用弱,应选用含锰、含硅量较高的焊丝。常选用H10Mn2、H10MnSi焊丝配合焊剂HJ360或H10MnSi焊丝配合焊剂HJ431。
6 低碳钢在低温下如何施焊?
严冬条件下焊接低碳钢结构时,由于焊接接头的冷却速度快,使裂纹倾向增大,特别是厚大结构的第一道焊缝容易开裂,为此必需采取如下工艺措施:
1)焊前预热,焊接过程中严格保持层间温度不应低于预热温度。
2)采用低氢或超低氢焊接材料。
3)定位焊时加大焊接电流,减慢焊接速度,适当增加定位焊缝的截面积和长度,必要时进行预热。
4)整条焊缝应尽量连续焊完,避免中断。
5)不应坡口面以外的母材上进行引弧,熄弧时需填满弧坑。
6)尽可能不在低温条件下进行弯板、矫正和装配焊件。
各种金属结构低温焊接时的预热温度见表4。管道、压力容器低温焊接时的预热温度见表5。
表4 低碳钢金属结构低温焊接的预热温度
| 焊件厚度(mm) | 在各种气温下的预热温度 |
| <30 31～50 51～70 | 不低于-30℃时不预热;低于-30℃时预热100～150℃ 不低于-10℃时不预热;低于-10℃时预热100～150℃ 不低于0℃时不预热;低于0℃时预热100～150℃ |
表5 低碳钢管道、压力容器低温焊接的预热温度
| 焊件厚度(mm) | 在各种气温下的预热温度 |
| <16 17～30 31～40 41～50 | 不低于-30℃时不预热;低于-30℃时预热100～150℃ 不低于-20℃时不预热;低于-20℃时预热100～150℃ 不低于-10℃时不预热;低于-10℃时预热100～150℃ 不低于0℃时不预热;低于0℃时预热100～150℃ |
