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第五单元常用金属材料的焊接【学习目标】 本单元主要讲解常用金属材料的焊接 工艺等基础知识，要求通过本单元的学习，理解碳钢的 焊接特点与焊接工艺；理解合金结构钢的焊接特点与焊接工艺；了解不锈钢和耐热钢的焊接特点与焊接工艺； 了解铸铁的焊接特点与焊接工艺；了解铝及铝合金、铜 及铜合金的焊接特点与焊接工艺。综合知识模块一碳素钢的焊接碳素钢是以Fe为基础，以少量C为合金元素的铁碳合金，可以简称为碳钢。碳钢有不同的分类方法，按含C量可分为低碳钢、中碳钢和高碳钢；按品质分可分为 普通碳素钢、优质碳素钢和高级优质碳素结构钢；按用 途可分为结构钢和工具钢；根据某些行业特殊要求及用 途，有一些专业用钢，比如：压力容器用碳钢、锅炉用 碳钢、船用碳素结构。碳钢的焊接性主要取决于碳含量。随着碳含量的增加，焊接性逐渐变差。碳钢中的Mn和Si对焊接性也有影响，随着它们含量的增加，焊接性变差，但不及碳作用强烈。把钢中合金元素的含量按其作用换算 成碳的相当含量，就叫做碳当量。它可作为评定钢材焊接性的一种参 考指标。 这样，就可以把C、Mn和Si对焊接性的影响汇合成一个适用 于碳素钢的碳当量 Ceq经验公式：Ceq值增加，产生冷裂纹的敏感性增大，焊接性变差。通常，当C eq值小于0.4%时，钢材的淬硬倾向不大，焊接性良好，不需预热。 Ceq值在0.4%～0.6%之间时，钢材的淬硬倾向大，冷裂纹的敏感性 将增大，焊接性一般，焊接时需要采取一些工艺措施，如预热等。 Ceq值大于0.6%时，焊接性变得很差。碳钢中的杂质(如S、P、Ｏ、N)和一些微量元素(如Cr、Mo、V、Cu)等对焊接接头的裂纹敏感性和力学性能都有重大影响。实际上，焊接性的好坏不只取决于合金元素的含量，还取决于焊接接头冷却速度。 尤其中、高碳钢在某种焊接热循环的作用下，冷却速度较快，碳钢可 能在焊缝和热影响区中形成马氏体组织，马氏体量越多，硬度越高， 焊接性越差，产生裂纹倾向越大，因此，焊接时控制冷却速度也成为 至关重要的问题。 采用预热、控制层间温度和后热，或使用大焊接热输入，都能降低焊接接头冷却速度，从而控制组织和硬度，减小冷裂纹的可能性。金属熔焊基础与材料焊接第五单元 常用金属材料的焊接 除上述影响碳钢焊接性的诸多因素以外，母材焊前热处理状态对焊接性影响 也是碳钢焊接时不容忽视的问题。低碳钢的焊接1.低碳钢的焊接特点低碳钢碳含量较低，Mn、Si含量又少，所以，通常情况下不会因焊接而引起严重硬化组织或淬火组织。这种钢 材的塑性和冲击韧度优良，焊成的接头塑性和冲击韧度也 很好，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。可以说，整个焊接过程中 不需要特殊的工艺措施，其焊接性优良。但在少数情况下， 低碳钢的焊接性也会不好，焊接时出现困难，例如：低碳钢母材成分不合格，S 、P、O等杂质含量过高，焊接方法选择不当等。总之，低碳钢是最容易焊接的钢种，但有时也会出 现某种问题。许多焊接方法都适用于低碳钢焊接，并能 获得良好的焊接接头。目前，焊条电弧焊、二氧化碳气 体保护焊、氩弧焊、埋弧焊、电渣焊、气焊、电阻焊等 都是焊接低碳钢的成熟焊接方法。2.焊接方法和焊接材料的选择 (1)焊条电弧焊焊接低碳钢时大多采用焊条电弧焊，低碳 钢选用焊条的主要原则是等强度原则，大多使用E43××系列的焊条，因为低碳钢通常的抗拉强度平均值为417.5MPa，而E43××系列焊条熔敷金属的抗拉强度不小于420MPa，在力学性能上正好与之匹配。 这一系列焊条有多种型号，商品牌号更多，可根据具体母材、受载 情况等加以选用，比较重要的结构或受载情况复杂的结构，尽量选 用低氢型焊条，表5-1为几种情况的举例。其他钢材选用焊条请参照 JB/T 等行业标准或国家标准。(2)二氧化碳气体保护焊近年来，二氧化碳气体保护焊用来焊接低碳钢也很普遍。二氧化碳气体保护焊用焊丝可分为实心焊丝和药芯 焊丝两大类，低碳钢选用焊丝的主要原则也是等强度原则，举例见表5-1。其他请参照GB/T 《气体保护焊用碳钢、低合金钢焊丝》等国家标准。焊接用的CO2气体纯度应不低于99.5％。 (3)埋弧焊 低碳钢的焊接采用埋弧焊的也很多，尤其是中、厚度钢板。低碳钢埋弧焊一般选用实芯焊丝H08A或H08MnA等，它们与高锰 高硅低氟熔炼焊剂HJ430、HJ431或HJ433配合，应用甚广。烧结焊剂应 用也日益广泛，有的烧结焊剂附加铁粉，可以在衬垫上单面焊双面成 形，焊缝美观，效率甚高。几种低碳钢埋弧焊常用焊接材料的选用举例，见表5-1。(4)手工TIG焊在比较重要的结构中，低碳钢管对焊时，一般要求焊接接头必须是全焊透结构。许多工厂采用手工TIG焊封底，焊条电弧焊填充和盖面的方法或全部采用手 工TIG焊焊接。低碳钢TIG焊用焊丝尽量选用专用焊丝以减 少化学成分的变化，保证焊缝一定的力学性能，20、20g、 20R这类钢一般采用H08Mn2SiA就可以了，焊接时所用Ar气 体纯度应不低于99.99％。要求来选择。 低碳钢焊接可采用的焊接方法还有很多,比如窄间隙 埋弧焊、气焊、电渣焊等。在锅炉和压力容器制造中，还有不少其他焊接技术以及它们各种组合形式，这主要根据 具体条件和工艺要求来选择。
3.焊接工艺要点(1)焊前准备 焊前准备包括以下方面：1)坡口的制备。坡口的制备宜采用冷加工方法，也 可采用热加工方法，焊接坡口应保持平整，不得有裂纹、 分层、夹渣等缺陷，尺寸应符合图样或焊接工艺的规定。 坡口表面及两侧(焊条电弧焊10mm,埋弧焊20mm)应将水、 铁锈、油污、熔渣及其他有害杂质清理干净。 2)焊条、焊剂按规定进行烘干、保温。焊丝需去除油、锈等杂质。3)预热。低碳钢焊接一般不需要采用特殊的工艺措施,但若在寒 冷冬季施焊时，焊接接头冷却速度快，裂纹倾向增大，特别是焊接厚 度大的刚性结构时更是如此，为避免裂纹的产生，可采取焊前预热、焊接时保持层间温度和后热等工艺措施。预热温度可根据试验结果和相关标准具体确定，不同产品的预热温度不尽相同，见表5-2和表5-3。
4)定位焊。所谓定位焊就是为组装和固定焊件上各 零件的位置而进行的焊接，所形成的焊缝叫定位焊缝。 定位焊须采用与所焊焊缝相同的焊接材料，按相同的焊接工艺施焊，定位焊缝不得有裂纹，否则必须清除重焊。 熔入永久焊缝内的定位焊缝两端应便于接弧，如存在气 孔、夹渣时应去除。(2)焊接要求焊接要求如下：1)焊工必须按图纸、工艺文件、技术标准的要求施焊。 2)应在引弧板或坡口内引弧，禁止在非焊接部位引弧。熄弧时， 弧坑要填满。3)施焊过程中应控制层间温度不超过规定的范围，当焊件预热时应控制层间温度不低于预热温度。 4)每条焊缝应尽可能一次焊完，尽量避免中断。 5)焊缝表面的形状尺寸及外观要求应满足相关标准的要求。 6)焊缝表面不得有裂纹、气孔、弧坑和肉眼可见的夹渣等缺陷， 焊缝上的熔渣和两侧的飞溅物必须清除。焊缝与母材应圆滑过渡。 焊缝表面咬边缺陷应不超出相关标准的规定。中碳钢的焊接1.中碳钢的焊接特点 中碳钢的含C量在0.30%～0.60％之间。当wC接近０.30％而wMn不高时，焊 接性良好。随着wC的增加，焊接性逐渐变差。如果wC为0.50％左右而仍按焊接 低碳钢常用的工艺施焊时，热影响区可能产生脆硬的马氏体组织，易开裂。当 焊接材料和焊接过程控制不好时，甚至焊wC缝也会如此。焊接时，相当数量的 母材会熔化进入焊缝使其杂质含量增高，容易产生焊缝热裂纹。特别是杂质S控制不严时，更易显示出来。这种热裂纹在弧坑处更为敏感。此外，由于wC增高，气孔敏感性也增大。中碳钢既可以用作强度较高的结构件，也可以用作机械部件和工具。用作机械部件和工具时，又常用其坚硬耐磨而非高强度。无论是高强度还是耐磨，常 常通过热处理来达到所希望的性能。如果对已经热处 理的部件进行焊接，则必须采取措施防止裂纹产生。 不过，还需强调的是，焊接的热量会使热影响区软化， 为了恢复热影响区性能，焊件需要再进行热处理。2.焊接方法和焊接材料的选择 (1)焊条电弧焊 中碳钢焊接性较差，大多用于制造 机械零件，所以焊接中碳钢最常用的焊接方法主要是焊 条电弧焊。 要求焊缝金属与母材等强度时，应选用级别相当的 焊条；在不要求等强度时，可选用强度级别低于母材的焊条。低氢型焊条有一定脱硫能力，熔敷金属塑性和韧 性良好，扩散氢量又少，无论对热裂纹或氢致冷裂纹来 说，抗裂性都较高，因此应尽量选用。在个别情况下，也可采用钛铁矿型或钛钙型焊条，但一定要有严格的工艺措施配合，例如认真控制预热温度和尽量减少母材熔深(减少焊缝wC)，方能有满意结果。 特殊情况下，亦可采用铬镍奥氏体不锈钢焊条焊接，这时不需预热，而 焊缝金属塑性良好，可以减少焊接接头的应力，避免热影响区冷裂纹产生。 中碳钢焊条举例如表5-4所示。(2)其他焊接方法 中碳钢的焊接有时也可以采用 其他的焊接方法，这主要根据设计要求和具体情况 而定，比如二氧化碳气体保护焊等。选用二氧化碳 气体保护焊时，30、35号钢焊丝一般选用H08Mn2SiA、 H04Mn2SiTiA和H04MnSiAlTiA。3.焊接工艺要点(1)焊前准备 焊前应做如下方面准备工作： 1)焊条在使用前应按规定温度进行烘干、保温。 2)补焊前待焊处的缺陷彻底清除掉，认真清理待焊部位工件表面，去除铁锈、 油污、水分等杂质。需要定位焊时焊缝不宜过小。 3)预热，控制层间温度。大多数情况下，中碳钢焊接需要预热,焊接时控制 层间温度，层间温度一般不能低于预热温度，以降低焊缝和热影响区冷却速度， 从而防止产生马氏体，提高焊接接头的塑性，减小残余应力。预热温度取决于碳 当量、母材厚度、结构刚性、焊条类型和工艺方法。一般来说，随着碳当量增高， 接头厚度增大或电弧中氢含量增高，预热温度增高。通常，35号钢和45号钢预热温度可为150～250℃，wC再高，或厚度大，或刚性大预热温度可在250～400℃。如果采用局部预热，坡口两侧的加热范围为150～200mm。(2)焊接要求焊接中碳钢时，尽量采用窄焊道，短弧焊操作方法。如果是多层焊，前几层焊缝应采用小直径焊条，小焊接电流，以减少母 材的熔深，但要熔透。中间层可用较高的线能量来完成。最后一道或几 道盖面焊缝尽可能全部熔敷在前一层已熔敷的焊缝金属上，这种做法对 原熔敷焊道的热影响区，特别是处在母材中的热影响区起到回火作用， 降低该区的硬度和脆性，防止焊后热处理前产生裂纹。(3)焊后热处理 焊后最好立即做消除应力热处理，特别是大厚度工件、大刚性结构件和苛刻的工况条件下(例如动载荷或冲击载荷)工作 的工件更应如此。消除应力热处理温度一般为600～650℃。如果不可能 立即消除应力，也应当后热，以便扩散氢逸出。后热温度不一定与预热 温度相同，视具体情况而定。后热保温时间大约每10mm厚度为1小时左 右。高碳钢的焊接1.高碳钢的焊接特点 高碳钢wC大于0.6％，除了高碳结构钢外，还包括 高碳碳素钢铸件和碳素工具钢等。高碳钢的wC比中碳钢 更高，更容易产生硬脆的高碳马氏体，所以淬硬倾向和 裂纹敏感倾向更大，从而焊接性更差。这类钢实际上不 用于制造焊接结构，而用于高硬度或耐磨部件、零件和 工具以及某些铸件，亦称为工具钢和铸钢，所以它们的 焊接也大多数为焊接修复。为了获得高硬度或高耐磨性， 高碳钢零件一般都经过热处理，常为淬火+回火，因此， 焊接前进行退火，可以减少裂纹倾向，焊后再进行热处 理，以达到高硬度和高耐磨性要求。2.焊接方法和焊接材料的选择 由于高碳钢焊接性差，大多应用于硬度大或耐磨部件、 零件和工具，所以焊接高碳钢最常用的焊接方法主要是焊 条电弧焊。 焊接材料通常根据钢的含碳量、工件设计和使用条件 等，选用合适的填充金属。焊缝要与母材性能完全相同比较困难，这类钢的抗拉强度大多在675MPa以上，选用的焊 接材料视产品设计要求而定，要求强度高时，一般用E701 5-D2(J707)或E7)，要求强度不高时，可用E)或E)等焊条，或者分别选用与以上 强度等级相当的低合金钢焊条或填充金属，所有焊接材料 都应当是低氢型的。必要时也可以用铬镍奥氏体不锈钢焊条焊接，焊 条牌号与中碳钢用焊条相同，例如E308-16(A102)、E3 08-15(A107)、E309-16(A302)、EE309-15(A307)等， 这时可以不预热，当材料刚度较大时，焊接前适当预 热。3.焊接工艺要点 (1)焊前准备 高碳钢焊接前应做如下准备工作： 1)高碳钢应先行退火，然后焊接。 2)采用结构钢焊条焊接时，焊前必须预热，预热 温度一般在250～350℃以上。焊接过程中还需要保持 与预热一样的层间温度。 3)焊前注意按规定烘干焊条，并放在保温箱或保 温筒内，以防焊条吸潮。4)焊前注意工件表面的清理，不得有水分、油污、铁 锈等杂质。 (2)焊接要求 焊接过程中应采取如下措施：1)采取与中碳钢相同的工艺措施，尽量减小熔合比，小电流，快速焊，焊接过程中应量连续施焊不间断。2)采用预堆法，先在坡口上堆焊，然后再进行焊接。 3)焊件刚度、厚度较大时，应采取减少内应力的措施，例如合理 排列焊道、分段倒退焊法、焊后锤击焊道等。 (3)焊后热处理 消除应力热处理。 焊后工件应立即送入炉中，在650℃保温，进行常用碳钢的典型焊接实例1.低碳钢的典型焊接实例 (1)焊条电弧焊焊接低碳钢实例 某一化工机械制造企业，制造的二氧化硫产品冷凝器，所用材质是20R,板厚是8mm,筒体的纵焊缝是对接 接头,开V形坡口，采用焊条电弧焊，焊接工艺见表5-5。
(2)手工TIG焊封底，焊条电弧焊填充和盖面焊接低碳钢实例上述的同一设备，筒体的合拢口焊缝，由于筒体的直径只有?616mm,接头 要求全焊透结构，工厂采用了TIG焊封底，焊条电弧焊填充、盖面的工 艺，焊接工艺见表5-6。
(3)二氧化碳气体保护焊焊接低碳钢实例有一水轮机支持盖，材质为Q235钢，采用二氧化碳气体保护焊。焊丝为ER49-1(H08Mn2S iA),?1.6，焊接工艺见表5-7。
2.中碳钢的典型焊接实例 (1)焊条电弧焊焊接中碳钢的焊接实例 某船厂35号 钢轴与法兰的焊接，焊接工艺见表5-8。
(2)焊条电弧焊修复中碳钢机械零件实例 某厂空 气锤锤杆(直径280mm)使用中发现裂纹，采用焊条电弧 焊进行修复。首先，在裂纹处开U形坡口，把裂纹彻底 清理干净，对工件待焊部位进行局部预热至150℃，用 ?3.2mm的J507焊条补焊，焊接电流为100～120A。为防 止变形，采用对称交替焊。焊后立即用火焰进行局部回火，把焊缝及近缝区加热到暗红色，然后在空气中 冷却。焊接完成后，经过一段时间的使用，效果很好。综合知识模块二低合金钢的焊接低合金钢是在碳素钢中添加总质量分数不超过5%的各种合金元素，以提高钢的强度、塑性、韧性、耐蚀性、耐热性或其他特殊性能的钢材。这些钢种已广 泛地用于船舶、桥梁、锅炉、压力容器、管道、常规 和核能动力设备、各种车辆、重型机械、海洋和建筑 中，目前已成为大型焊接结构中最主要的结构材料。对焊接生产中常用的一些低合金钢来说，综合考虑 了它们的性能和用途后，大致可分为两大类:一类是高 强度钢，它主要应用在一些要求常规条件下能承受静载和动载的机械零件和工程结构；另一类是专用钢，它主要用于一些特殊条件下工作的机械零件和工程结构。高 强度钢包括的范围很广，凡是屈服点σ s≥295MPa、抗 拉强度σ b≥395MPa的钢，均称为高强度钢。这类钢中 根据屈服点级别及热处理状态，一般又可分为三种类型： 热轧及正火钢、低碳低合金调质钢和中碳调质钢。热轧及正火钢的焊接1.热轧及正火钢的焊接特点 以热轧或正火状态供货和使用的钢称为热轧及正火 钢，包括热轧钢和正火钢。这类钢σ s＝295～490MPa， 主要包括GB/T 《低合金高强度结构钢》中 的Q295～Q460钢。 屈服强度为295～390MPa的低合金钢大多属于热轧 钢，是靠合金元素锰的固溶强化作用获得的高强度，其 中Q345是国内应用最广泛的高强度钢。Q345又可分为 A～E五个质量等级，其中Q345A相当于旧牌号的16Mn，Q 345C相当于锅炉压力容器用钢中的16Mng和16MnR。屈服强度大于390MPa的低合金钢一般需要在正火或正火加回火 状态下使用，如Q420等。正火处理后形成的碳、氮化合物以细小质点 形式从固溶体中沉淀析出，在提高钢材强度的同时，保证具有一热轧及正火钢含有一定量的合金元素及微量合金化元素，其焊接性与碳钢的差别主要是焊接热影响区组织与性能的变化对焊接热输入较敏感， 热影响区淬硬倾向增大，对氢致裂纹敏感性较大，含有碳、氮化合物 形成元素的热轧及正火钢还存在再热裂纹的危险等。但总体来看焊接 性还是比较好的，只有在掌握各种不同热轧及正火钢焊接性特点和规 律的基础上，才能制订正确的焊接工艺，保证焊接质量。(1)焊接热影响区组织与性能变化依据焊接热影响区被加热的峰值温度不同，焊接热影响区可分为熔合区、粗晶区、细晶区、不完全相变区及回火区。不同部 位热影响区组织与性能取决于钢的化学成分和焊接时加热和冷却的速度。如果焊 接冷却速度控制不当，焊接热影响区局部区域将产生淬硬或脆性组织，导致抗裂 性或韧性降低。粗晶区和不完全相变区是焊接接头的两个薄弱区。 热轧钢焊接时，如果焊接热输入过大，粗晶区将因晶粒严重长大或出现魏氏 体组织等而降低韧性；如果焊接热输入过小，由于粗晶区组织中马氏体比例增大 而降低韧性。正火钢焊接时，粗晶区组织性能受焊接热输入的影响更为显著，如 果热输入较大，粗晶区将产生粗大的粒状贝氏体、上贝氏体组织而导致粗晶区韧 性的显著降低。焊接热影响区的不完全相变区在焊接加热时组织脆化，防止不完全相变区组织脆化的措施是控制焊接冷却速度，避免脆硬的马氏体产生。(2)热应变脆化 热应变脆化是焊接过程中在热和 应变的同时作用下产生的一种应变时效，它是由固溶 的氮所引起的，一般认为在200～400℃时最为明显， 大多发生在固溶含氮的低碳钢和强度较低的低合金钢 中。消除热应变脆化的有效措施是进行焊后热处理， 经600℃左右的消除应力退火后，材料的韧性可恢复 到原有水平。比如Q345和Q420(15MnVN)焊后都有一定 的热应变脆化倾向，经600℃×1h退火处理后，韧性 基本恢复正常。(3)焊接裂纹1)焊接氢致裂纹：焊接氢致裂纹通常称为焊接冷裂纹或延迟裂纹，是危害最为严重的工艺缺陷，它常常是焊接结构失效破坏的主要原因。热轧及正火钢焊接时产生的氢致裂纹主要发生在焊接热影响区，有时也出现在焊缝金属中。生成 焊接冷裂纹的三个要素中与材料有关的是淬硬组织。热轧及正火钢中由于加入了 一定的合金元素，淬硬倾向比低碳钢要稍大些，如Q345钢、Q390钢焊接时，快速 冷却可能出现淬硬的马氏体组织，冷裂倾向增大。但由于热轧钢的碳当量比较低， 通常冷裂倾向不大，但在环境温度很低或钢板厚度大时应采取工艺措施防止焊接 冷裂纹的产生。正火钢合金元素含量较高，焊接热影响区纹的产生。正火钢合金元素含量较高，焊接热影响区的淬硬倾向有所增加。对强度级别及碳当量较低的正火钢，冷裂倾向不大，但随着强度级别及板厚的增加，其淬硬性及冷裂倾向都 随之增大，需要采取控制焊接热输入、降低含氢量、预热和及时后热等措施，以 防止冷裂纹的产生。2)焊接热裂纹：与碳素钢相比，热轧及正火钢的wC、wS较低，且wMn较高，其热裂纹倾向较小。但有时也会在焊缝中出现热裂纹，如厚壁压力容器焊接生产中，在多层多道埋弧焊焊缝的根部、焊道或靠 近坡口边缘的高稀释率焊道中易出现焊缝金属热裂纹。 采用Mn、Si 含量较高的焊接材料，减小焊接热输入，减少母材在焊缝中的熔合比， 增大焊缝成形系数(即焊缝宽度与高度之比)，有利于防止焊缝金属的 热裂纹。4)层状撕裂：大型厚板焊接结构(如海洋工程、核反 应堆及船舶等)焊接时，如在钢材厚度方向承受较大的 拉伸应力，可能沿钢材轧制方向发生阶梯状的层状撕裂。 这种裂纹常出现于要求熔透的角接接头或丁字接头中。 选用抗层状撕裂钢，改善接头型式以减缓钢板Z向的应 力应变，在满足产品使用要求的前提下，选用强度级别 较低的焊接材料或采用低强焊材预堆边，采用预热及降 氢等措施都有利于防止层状撕裂。2.焊接方法的选择热轧及正火钢可采用焊条电弧焊、熔化极气体保护焊、 埋弧焊、钨极氩弧焊、电渣焊等常用的方法焊接。具体选 用何种焊接方法取决于所焊产品的结构、板厚、对性能的 要求及生产条件等。其中焊条电弧焊、埋弧焊、实心焊丝 及药芯焊丝CO2气体保护焊是常用的焊接方法。 3.焊接材料的选择热轧及正火钢的焊接材料选择首先应保证焊缝金属的强度、塑性、韧性达到产品的技术要求，同时还应该考虑 抗裂性及焊接生产效率等。3.焊接材料的选择 热轧及正火钢的焊接材料选择首先应保证焊缝金属 的强度、塑性、韧性达到产品的技术要求，同时还应该 考虑抗裂性及焊接生产效率等。 (1)根据产品对焊缝性能要求选择焊接材料 热轧及 正火钢焊接时，一般应选择与母材强度相当的焊接材料， 必须综合考虑焊缝金属的韧性、塑性及强度，只要焊缝 强度或焊接接头的实际强度不低于产品要求即可。 (2)选择焊接材料时，还要考虑工艺条件的影响 如 坡口和接头形式，焊后加工工艺等。(2)选择焊接材料时，还要考虑工艺条件的影响 如坡口和接头形式，焊后加工工艺等。 1)坡口和接头形式的影响。采用同一焊接材料焊 同一钢种时，如果坡口形式不同，则焊缝性能各异。 如用HJ431焊剂进行Q345钢埋弧焊不开坡口直边对接 焊时，由于母材溶入焊缝金属较多，此时采用合金成 分较低的H08A焊丝配合HJ431，即可满足焊缝力学性 能要求；但如焊接Q345钢厚板开坡口对接接头时。如 仍用H08A-HJ431组合，则因母材熔合比小，而使焊缝 强度偏低。此时应采用合金成分较高的H08MnA、H10M n2等焊丝与J431组合。2)焊后加工工艺的影响。对于焊后经受热卷或热处理时，必须考虑焊缝金属经受高温热处后对其性能的影响。应保证焊缝热处理后仍具有所要求的强度、塑性和韧性，这时也应选用合金成分较高的焊 接材料。对于焊后经受冷卷或冷冲压的焊件，则要求焊缝具有较高 的塑性。(3)对于厚板、拘束度大及冷裂倾向大的焊接结构应选用超低氢焊接材料，以提高抗裂性能，降低预热温度。厚板、大拘束度焊件，第一层打底焊缝最容易产生裂纹，此时可选用强度稍低、塑性、韧性良好 的低氢或超低氢型焊接材料。 (4)对于重要的焊接产品 如海上采油平台、压力容器及船舶等，为确保产品使用的安全性，焊缝应具有优良的低温冲击韧度和断裂韧度， 应选用高韧性焊接材料，如高碱度焊剂、高韧性焊丝、焊条、高纯度的 保护气体并采用Ar+CO2混合气体保护焊等。(5)为提高生产率 可选用高效铁粉焊条、重力焊条、高熔敷率的药芯焊丝及高速焊剂等，立角焊时可用立向下焊条等。 (6)为改善卫生条件 在通风不良的产品中焊接时(如船仓、压力容器等)，宜采用低尘低毒焊条。
4.焊接工艺要点 (1)焊前准备 焊前准备主要包括坡口的制备、焊 接材料烘干处理、预热及层间温度控制、定位焊等方面。1)坡口的制备。 热轧及正火钢可以用冷加工和热切割方法下料和加 工坡口,如剪切、气割、碳弧气刨、等离子切割等。强度等级较高的钢，虽然在热切割边缘会形成淬硬层，但 在后续的焊接时可熔入焊缝而不会影响焊接质量，因此 切割前一般不需要预热，切割后可直接焊接而不必机械 加工。2)焊接材料需按规定进行烘干处理。 3)预热及层间温度。 预热可以控制焊接冷却速度，减少或避免热影响区中淬硬马氏体的产生，降低热影响区硬度，同时还可以降低焊接应力，并有助于氢从焊接接头中逸出，因此， 预热是防止焊接氢致裂纹产生的有效措施，但预热常常 恶化劳动条件，使生产工艺复杂化，不合理的、过高的 预热和焊道温度还会损害焊接接头的性能。因此，焊前 是否需要预热、选取合理的预热温度，都需要认真考虑 或通过试验确定。影响预热温度主要因素有钢材的成分(碳当量)、板厚、焊件结 构形状和拘束度、环境温度、所采用的焊接材料的含氢量。 表5-10中推荐了不同强度级别的热轧及正火低合金高强钢的焊接预热温度，供参考。对于厚板多道多层焊，为了促进焊接区氢的逸出，防止焊接过程中氢致裂纹的产生，应控制焊道间温度不低于 预热温度，进行必要的中间消氢热处理。
4)定位焊。 在定位焊时，使用与正式焊接时完全相同的焊条， 要严格遵守焊接工艺规程。对定位焊缝的长度、截面 积及间隔长度也应有规定，必要时应进行预热。定位 焊后应仔细检查，发现裂纹应铲掉重焊。为了降低应 力，防止定位焊缝开裂，应尽量避免强行装配。(2)焊接热输入的确定焊接热输入的变化将改变焊接冷却速度，从而影响焊缝金属及热影响区的组织成份， 并最终影响焊接接头的力学性能及抗裂性。因此为了确保 焊缝金属的韧性，不宜采用过大的焊接热输入。施焊时尽 量不用横向摆动和挑弧焊接，推荐采用多层窄焊道焊接。热轧钢可以适应较大的焊接热输入。含碳量较低的热轧钢(09Mn2、09MnNb等)以及含碳量偏低的16Mn钢焊接时，焊接热输入没有严格的限制，因为这些钢焊接热影 响区的脆化及冷裂倾向较小。但是，当焊接含碳量偏高 的16Mn钢时，为降低淬硬倾向，防止冷裂纹的产生，焊 接热输入应偏大一些。 含V、Nb、Ti微合金化元素的钢 种，为降低热影响区粗晶区的脆化，确保焊接热影响区 具有优良的低温韧度，应选择较小的焊接热输入。碳及合金元素含量较高、屈服强度为490MPa的正火 钢，如18MnMoNb等。选择热输入时既要考虑钢种的淬硬 倾向，同时也要兼顾热影响区粗晶区的过热倾向。一般 为了确保热影响区的韧性，应选择较小的热输入，同时 采用低氢焊接方法配合适当的预热或及时的焊后消氢处 理来防止焊接冷裂纹的产生。(3)焊接后热、消氢处理及焊后热处理 1)焊接后热及消氢处理。焊接后热是指焊接结束或焊完一条焊缝后，将焊件或焊接区立即加热到150～250℃范围内，并保温一段时间；而消氢处理则是在300～400℃加热温度范围内保温一段时间。两种处理的目的都是加速焊接接头中氢的扩散逸出，消氢 处理效果比后热更好。焊后及时后热及消氢处理是防止焊接冷裂纹的有效措施 之一，特别是对于氢致裂纹敏感性较强的14MnMoV、18MnMoNb等钢厚板焊接接头， 采用这一工艺不仅可以降低预热温度、减轻焊工劳动强度，而且还可以采用较 低的焊接热输入，使焊接接头获得良好的综合力学性能。对于厚度超过100mm的 厚壁压力容器及其他重要的产品构件，焊接过程中，应至少进行2～3次中间消氢处理，以防止因厚板多道多层焊中氢的积聚而导致的氢致裂纹。2)焊后热处理。 热轧、控轧控冷及正火钢一般焊后不进行热处理。 电渣焊的焊缝及热影响区晶粒粗大，焊后必须进行正火 处理以细化晶粒。 厚壁高压容器、要求抗应力腐蚀的容器、要求尺寸 稳定性的焊接结构，焊后需要进行消除应力处理。此外，对于冷裂纹倾向大的高强钢，也要求焊后及时进行消除 应力处理。几种低合金高强度钢的不同焊后热处理的推 荐参数见表5-10。低碳低合金调质钢的焊接1.低碳低合金调质钢的焊接特点 低碳低合金调质钢一般具有较高的屈服强度(450～9 80MPa)、良好的塑性、韧性、及耐磨、耐蚀性能。根据 用途不同，采用不同合金成分及不同热处理制度，可以 获得具有不同综合性能的低碳低合金调质钢。低碳调质钢的wC一般不超过０.2１％，与中碳调质钢相比有较好 的焊接性。但要成功焊接这类钢，必须掌握这类钢的焊接性特点，拟 定正确的焊接工艺，并且严格实施。这类钢焊接性的主要特点是，在 焊接热影响区，特别是焊接热影响区的粗晶区有产生冷裂纹和韧性下 降的倾向。为了可靠地防止冷裂纹的产生，还必须严格控制焊接时的 氢源和选择合适的焊接方法及焊接参数。一般低碳调质钢，因为钢中的C、S含量都比较低，而Mn含量及Mn/S又较高，热裂倾向较小。如果钢中的C、S含量较高或Mn/S低时，则热裂倾向增大，采用小热输入的 焊接参数，控制熔池形状，可以防止这种裂纹的产生。2.低碳低合金调质钢焊接方法的选择 低碳调质钢最常用的焊接方法有焊条电弧焊、熔 化极气体保护焊、埋弧焊及钨极氩弧焊。采用上述各 种电弧焊方法，用一般焊接参数，焊接接头的冷却速 度较高，使低碳调质钢焊接热影响区的力学性能接近 钢在调质状态下的力学性能，因而不需要进行焊后热处理。窄间隙双丝埋弧焊工艺，由于焊丝细、焊接热 输入不高，也已成功地应用于低碳调质钢压力容器的 焊3.焊接材料的选择焊接低碳调质钢时焊接材料的选用原则一般按等强原则，与热轧 及正火钢的选择基本一样。由于低碳调质钢产生冷裂纹的倾向较大， 因此，严格控制焊接材料中的氢是十分重要的。用于低碳调质钢的焊 条应是低氢型或超低氢型焊条。焊前必须按照生产厂规定的，或工艺规程中规定的烘干条件进行再烘干。烘干后的焊条应立即存放在低温干燥的焊条保温筒内，随用随取。表5-11为几种用于低碳调质钢的焊 条电弧焊用焊条，熔化极气体保护焊焊丝及保护气。
4.焊接工艺要点(1)焊前准备 焊前要做焊接坡口的准备、焊接材料的烘干处理、预热三方面准备工作。 1)坡口的制备。合理的接头设计、良好的坡口加工、装配与焊接质量，才能保 证低碳低合金调质钢的优良性能得以发挥。接头设计时，应考虑焊接 操作和焊后检验的方便。不正确的焊缝位置能导致截面突变、未焊透、 未熔合、咬边和焊瘤等缺陷，并造成缺口，引起应力集中。一般来说，对接焊缝比角焊缝更为合理，因为后者应力集中系数大，并有明显的缺口效应，同时对接焊缝更便于进行射线或超声波探伤。坡口形式以 U形或V形为佳，为了降低焊接应力，可采用双V形或双U形坡口。低碳低合金调质钢的坡口可以用气割切割，但切割边缘的硬化 层要通过加热或机械加工消除。板厚小于100mm时，切割前不需要预 热；板厚≥100mm时，应进行100～150℃预热，然后切割。轻度等级 较高的钢，最好用机械切割或等离子弧切割。2)焊接材料按规定烘干处理。3)预热。 为了防止冷裂纹的产生，焊接低碳低合金调质钢时，常常需要采 用预热，一般在焊接低碳低合金调质钢时都采用较低的预热温度(≤2 00℃)。当预热温度过高时，不仅对防止冷裂纹没有必要，反而使热 影响区出现明显的脆化，几种低碳低合金调质钢的最低预热温度和层 间温度见表5-12。
(2)焊接热输入和焊接技术 焊接热输入不仅影响焊 接热影响区的性能，也影响焊缝金属的性能。对许多 焊缝金属来说，为获得综合的强度和韧性，需要获得 针状铁素体组织，这种组织必须在较快的冷却条件下 才能获得。为了避免采用过大的热输入，不推荐采用 大直径的焊条或焊丝。只要可能，应采用多层窄焊道焊缝，而不采用横向摆动的运条技术，这样不仅可以 使焊接热影响区和焊缝金属有较好的韧性，而且还可 以减少焊接变形。 可以采用碳弧气刨清理焊根，但必须严格控制热输入。在碳弧气刨以后，应打磨清理气 刨表面后再施焊。对接接头焊后，应将余高打磨平才能使接头有足够的疲劳强度。角 接接头容易产生应力集中，降低疲劳强度。角焊缝焊趾处的机械打磨、TI G重熔或锤击强化都可以提高角接接头的疲劳强度，但必须选择适宜的打 磨、重熔或锤击工艺。 (3)焊后热处理 大多数低碳低合金调质钢焊接构件是在焊态下使用，除非在下述条件进行焊后热处理：1)焊后或冷加工后钢的韧性过低；2)焊后需进行高精度加工，要求保证结构尺寸的稳定性； 3)焊接结构承受应力腐蚀。 许多沉淀硬化型低碳低合金调质钢在焊后热处理中的焊接热影响区会 出现消除应力裂纹。焊接时可通过降低退火温度，进行适当的预热或后热 等措施，防止消除应力裂纹的产生。中碳调质钢的焊接1.中碳调质钢的焊接特点(1)中碳调质钢的性能 中碳调质钢的碳含量较高(一般在wC=0. 25%～0.50％)，并含有较多的合金元素，如Mn、Si、Cr、Ni、Mo及B、V、Ti、Al等，以保证钢的淬透性和防止回火脆性。这类钢在调质状态下具有良好的综合性能，屈服强度高达880～1176MPa。这类钢的 淬透性很大,焊接性变差。40Cr是一种广泛应用的铬调质钢，它具有 良好的综合力学性能和较高的淬透性，具有较高的疲劳强度，常用 于制造较重要的、在交变载荷下工作的零件，如焊接时遇到的齿轮 和轴类。35CrMoA和35CrMoVA钢时都属于Cr-Mo钢系统，它是在钢基 础上发展起来的一些中碳调质钢，具有良好的强度与韧性匹配。这类钢主要用于制造气轮机叶轮、主轴和发电机转子等。(2)中碳调质钢的焊接特点中碳调质钢与低碳低合金调质钢不同，中碳调质钢焊后的淬火组织是硬脆的高碳马氏体，不仅冷裂纹的敏感性大，而且焊后若不经热处理时，热影响区性能达不到原来母材的性 能。因此，这类钢一般是在退火状态下焊接，焊后通过整体调质处理 才能获得性能满足要求的均匀的焊接接头。但有时必须是在调质状态 下焊接，这时热影响区性能的恶化是很难解决的。中碳调质钢在焊接 结构中的应用远不如热轧及正火钢和低碳调质钢那样广泛。1)焊接热影响区的脆化和软化。 中碳调质钢由于含碳量高、合金元素含量多，在 快速冷却时，从奥氏体转变为马氏体的起始温度Ms点 较低，焊后热影响区产生硬度很高的马氏体，造成脆 化。如果钢材在调质状态下施焊，而且焊接以后不再 进行调质处理，其热影响区被加热到超过调质处理回 火温度的区域，将出现强度、硬度低于母材的软化区。 该软化区可能成为降低接头强度的薄弱区。2)焊接裂纹。中碳调质钢的热裂倾向和冷裂倾向都很大，需采 取措施消除其产生因素。 中碳调质钢焊接热影响区极易产生硬脆的马氏体，对氢致冷裂 纹的敏感性很大，焊接中碳调质钢时，为了防止氢致冷裂纹的产生， 除了尽量采用低氢型或超低氢型焊接材料和焊接工艺外，通常应采 用焊前预热和焊后及时热处理。由于中碳调质钢的碳及合金元素含量高，焊接熔池凝固时，固液相温度区间大，结晶偏析倾向大，因而焊接时具有较大的热裂纹 倾向。为了防止产生热裂纹，要求采用低碳、低硫、磷的焊接材料。 在焊接工艺上，要注意填满弧坑。2.焊接方法和焊接材料的选择中碳调质钢常用的焊接方法有钨极氩或氦弧焊、熔化极气体保护焊、 埋弧焊、焊条电弧焊及电阻点焊等。钨极氩或氦弧焊焊缝的氢含量极低，适合于焊接薄小且拘束应力较大的构件。熔化极气体保护焊可采用CO2，Ar+CO2或Ar+O2，混合保护气体。熔化极气体保护焊焊缝的含氢量很低， 有利于减小中碳调质钢焊接时产生冷裂纹的可能性。埋弧焊常用于那些 焊后进行调质处理的构件，这时应选好焊丝、焊剂的组合,选用中性或中 等碱度的焊剂，以保证经调质处理的焊缝金属具有满意的强度、塑性及 韧性。目前焊接这类钢，焊条电弧焊应用最为普遍，焊条电弧焊应选用 低氢型或超低氢型焊条。有几种推荐见表5-13。1)坡口制备。中碳调质钢的焊接坡口应采用机械加工方法加工，以保证装配精度，并避免由热切割引起坡口处产生的淬火组织。焊前应仔细清理母材及焊接材料。 2)焊条、焊剂使用前应严格烘干，使用过程中，应采取措施防止焊接材料再 吸潮。 3)预热。为防止氢致冷裂纹的产生，除了拘束度小、结构简单的薄壁壳体等 焊件不用预热外，中碳调质钢焊接时一般均需要预热。一般预热温度及层间温度 可控制在250～300℃之间。(2)焊接热输入的确定和焊接技术中碳调质钢宜采用较低的热输入参数焊接。大的热输入将产生宽的、组织粗大的热影响区，增大脆化的倾向；大热输入也增大焊缝及热影响区产生热裂纹的可能 性；对在调质状态下的焊接且焊后不再进行调质处理的构件，大热 输入将增大热影响区软化的程度。(3)焊后热处理为防止氢致冷裂纹的产生，焊后要及时进行热处理。及时进行调质处理有困难时，可进行中间退火或在高于预热温度下保温一段时间，以排除扩散氢并软化热影响区组织。中间退火还有消除应力的作用。能力知识点4常用合金结构钢的典型焊接实例1.热轧及正火钢的典型焊接实例 1)某企业制造一富/贫吸收液换热器，主体材质为16M nR，筒体纵焊缝是对接接头，开不对称的X形坡口，采用 埋弧焊，具体焊接工艺见表5-14。
3)前述同一设备，大接管与内封头的焊缝，角接头， 材质为16MnR,厚度为82.5mm和38mm，开K形坡口，属于中 厚板焊接，焊前待焊部位及其附近需要100℃预热，施焊 过程中层间温度保持在100～250℃，焊后需要加热620℃， 保温2h消除应力退火处理。具体焊接工艺见表5-16。
4)某化工机械制造厂制造一液氯储槽，主体材质为16MnDR，厚度为22mm， 筒体合拢口焊缝，对接接头，开不对称X形坡口，采用焊条电弧焊+埋弧焊两 种焊接方法的组合进行焊接。焊后620℃保温1h消除应力退火处理。具体焊接 工艺见表5-17。
5)如前所述的液氯储槽，高径法兰与接管的焊缝，对接接头，要求单面焊双面成型，采用钨极氩弧焊封底,焊条电弧焊填充盖面，开不带钝边的V形坡口，焊后消除应力处理。焊接工艺见表5-18。
2.低碳低合金调质钢焊接的典型实例某企业制造一汽车起重机的活动支腿，材料为HQ80C，采用富氩混 合气体保护焊，焊丝为H08MnNi2MoA，焊接工艺见表5-19。
3.中碳调质钢焊接的典型实例滚板机断轴的修复,轴芯与中间轴的焊接，材质为37SiMn2MoV(接近42CrMo),采用焊条电弧焊，焊条为J607Ni，具体焊接工艺见表 5-20。
综合知识模块三不锈钢的焊接不锈钢和耐热钢的焊接不锈钢是指通过添加合金元素铬使钢处于表面钝化 状态从而能抵抗大气和一定介质的腐蚀，并具有良好的 化学稳定性的钢。不锈钢wCr高于12％时，钢的表面能 迅速形成致密的氧化膜，使钢的电极电位和在氧化性介 质中的耐蚀性发生突变性提高。不锈钢的分类方法有几种，按组织类型可分为铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、双相不锈钢 和沉淀硬化型不锈钢五种。奥氏体不锈钢在各种类型不锈钢中应用最为广泛，品种也最多。 目前奥氏体不锈钢大致可分为Cr18-Ni8型，如0Cr18Ni9、00Cr19Ni1 0、0Cr19Ni10NbN；Cr25-Ni20型，如0Cr25Ni20等。铁素体不锈钢的 应用也比较广泛，其中Cr13和Cr17型如0Cr13Al、1Cr17、00Cr18Mo2 等铁素体不锈钢主要用于腐蚀环境不十分苛刻的场合。马氏体不锈 钢应用较为普遍的是Cr13型，如0Cr13、1Cr13 、2Cr13、0Cr13Ni4Mo等。 双相不锈钢是金相组织由奥氏体和铁素体两相组成的不锈钢，而且各相都占有较大的比例，如0Cr26Ni5Mo2、00Cr18Ni5Mo3Si2。 沉淀硬化型不锈钢是在不锈钢中单独或复合添加硬化元素，通过适 当热处理获得高强度、高韧性并具有良好耐蚀性的一类不锈钢。1.奥氏体不锈钢的焊接特点 与其他不锈钢相比，奥氏体不锈钢的焊接是比较容易的，焊接时 存在的主要问题是：焊缝及热影响区热裂纹敏感性大；接头产生碳化铬沉淀析出，耐蚀性下降；接头中铁素体含量高时，可能出现475℃脆化或σ 相脆化。 (１)焊接接头的热裂纹 奥氏体不锈钢具有较高的热裂纹敏感性，在焊缝及热影响区都有产生热裂纹的可能,这是最常见的焊缝凝固裂纹， 也可能在热影响区或多层焊层间金属出现液化裂纹。从裂纹的物理本 质上讲，有凝固裂纹、液化裂纹和高温低塑性裂纹等。 防止奥氏体不锈钢产生热裂纹的主要措施有：防止奥氏体不锈钢产生热裂纹的主要措施有：1)冶金措施。 第一，严格控制焊缝金属中有害杂质元素的含量。钢中镍含量越 高，越应该严格控制硫、磷、硼、硒等有害元素的含量，以防止产生 热裂纹。对于单相奥氏体焊缝，可以加入适当的锰，少许的碳、氮， 同时减少硅的含量可以提高焊缝的抗裂性能。 第二，调整焊缝化学成分。使焊缝金属出现奥氏体―铁素体双相 组织，能够有效地防止焊缝热裂纹的产生。如18-8钢焊缝组织中有少 量铁素体相存在，抗裂性能大大提高。常用铁素体化的元素有铬、钼、 钒等。上述冶金措施主要是通过焊接材料的化学成分来调整。2)工艺措施。 焊接时应尽量减少熔池过热现象，以防止形成粗大的 柱状晶，因此焊接时宜采用小热输入及小截面的焊道，多 层焊时，层间温度不宜过高，以避免焊缝过热；焊接过程中焊条不摆动，采用窄焊缝、快速焊的操作技术。小知识 敏化温度区：奥氏体不锈钢在加热到400～800℃时，对晶间 腐蚀最敏感，此温度区间称为敏化温度区间。 (2)焊接接头的耐蚀性 刀状腐蚀和应力腐蚀。 焊接接头在使用过程中会产生晶闸腐蚀、防止焊接接头产生晶间腐蚀的措施有： 第一，冶金措施。 使焊缝金属具有奥氏体―铁素体双相组织，其铁素体的体积分数应在4%～12％范围 内。在此范围内，不仅能提高焊缝金属抗晶间腐蚀的能力和抗应力腐蚀的能力，同时还 能提高焊缝金属抗热裂纹的能力。 在焊缝金属中渗入比铬更容易与碳结合的稳定化元素，如钛、铌、钽和锆等。超低碳有利于防止晶间腐蚀，最大限度地降低碳在焊缝金属中的含量，达到低于碳在不锈钢中室温溶解极限值以下，使碳不可能与铬生成Cr23C6，从根本上消除晶界的贫 铬区。碳的质量分数在焊缝金属中小于0.03％时，就能提高焊缝金属的抗晶间腐蚀能力。 如上所述，为了使焊缝金属中含有恰当的合金元素种类和数量，只有从焊接材料着 手，选择满足上述冶金条件的焊条、焊剂及焊丝，才能使焊缝金属达到抗晶间腐蚀的目 的。第二，工艺措施。要选用一种合适的焊接方法，即热输入最小，尽可 能地缩短焊接接头在敏化温度区间段的停留时间。对于 薄件、小型规则的焊接接头，应选用能量集中的真空电 子束焊、等离子弧焊、钨极氩弧焊；对于中等厚度板材 的焊缝，可采用熔化极气体保护焊来施焊；而大厚度板 材的焊接选用埋弧焊、焊条电弧焊为常用的焊接方法，气焊不宜采用。在焊接参数的制定方面，应保证焊缝质量的前提下， 采用小的焊接电流、最快的焊接速度。操作方面尽量采用窄焊缝、多道多层焊，每一道焊缝或每一层焊缝 焊后，要等焊接处冷却至室温再进行下一道或下一层的焊接操作；在施 焊过程中，不允许焊接材料在熔池中摆动；焊接管子采用氩弧焊打底时， 可以不加填充材料进行熔焊，在可能的条件下，管内通氩气保护，其作 用是保护熔池不易氧化、加快焊缝的冷却速度、有利于背面焊缝的成形。 对于接触腐蚀介质的焊缝，在有条件的情况下一定要最后施焊，以减少接触介质焊缝的受热次数。强制焊接区的快速冷却。对于有规则的焊缝，在可能的条件下，焊 缝背面可用纯铜垫，在铜垫上通水或通保护气体等方式进行强制冷却， 这样有利于防止焊接接头的晶间腐蚀。这是因为在加热温度低(低于400 ℃)或加热时间短时，不利于碳的扩散而难以形成铬的碳化物，不致产生 贫铬现象。进行固溶处理或稳定化处理。 固溶处理后，奥氏体不锈钢具有 最低的强度和硬度、最好的耐蚀性，是防止晶间腐蚀的重要手段。 出现敏化现象的奥氏体不锈钢可再次用固溶处理消除。稳定化处理 一般加热温度在850～900℃，并保温2～4h。稳定化处理也可用于消 除因敏化加热而产生小知识 固溶处理与稳定化处理 固溶处理：是将焊件加热到℃温度范围内，保温一段时间，然后将工件在800～400℃范围内快速冷却的一种工艺。稳定化处理：是对含稳定剂的奥氏体不锈钢而设计的一种热处 理工艺，一般加热到850～900℃，并保温2～4h。2)刀状腐蚀。 刀状腐蚀简称刀蚀，它是焊接接头中特有的一种晶 间腐蚀，只发生在含有Ti、Nb等稳定化元素的奥氏体不 锈钢焊接接头中。腐蚀部位沿熔合线发展，处于HAZ的 过热区，由于区域很窄(电弧焊一般为1.0～1.5mm)，形状有如刀削切口，故称为刀状腐蚀。 防止刀状腐蚀的措施有：第一，降低母材的含碳量。这是防止刀状腐蚀的有效措施，超低碳奥氏体不锈钢焊接接头不会产生刀状腐蚀。第二，采用合理的焊接工艺。在保证焊缝质量的 前提下，尽量选择较小的热输入，以减小过热区在高 温的停留时间，并注意避免在焊接过程中产生“中温 敏化”的现象；双面焊时，与腐蚀介质接触的焊缝应 尽量最后施焊，如不能实施，则应调整焊接参数及焊 缝形状，尽量避免与腐蚀介质接触的过热区再次受到敏化加热， 焊接过程中或焊后采用强制冷却的方法， 使焊件快速冷却；焊后矫正，采用冷矫方法进行；对 腐蚀性能要求较高的焊件，必要时进行焊后的稳定化处理或固溶处理。3)应力腐蚀开裂。 应力腐蚀开裂是在拉应力和特定腐蚀介质共同作用下而发生的 一种破坏形式。 应力腐蚀开裂是奥氏体不锈钢非常敏感且经常发生的腐蚀破坏形式。应力腐蚀开裂引起的事故占整个腐蚀破坏事故的60％以上。 奥氏体不锈钢由于导热性差、线胀系数大、屈服强度低，焊接 时很容易变形，当焊接变形受到限制时，焊接接头中必然会残留较 大的焊接残余应力，加速腐蚀介质的作用。因此，奥氏体不锈钢焊 接接头容易出现应力腐蚀开裂，这是焊接奥氏体不锈钢最不易解决 的问题之一，特别是在化工设备中，应力腐蚀开裂这种现象经常出现。防止应力腐蚀开裂的措施有：第一，合理地设计焊接接头，避免腐蚀介质在焊接接头部位聚集，降低或消除焊接接头应力集中。 第二，消除或降低焊接接头的残余应力。焊后进行消除应力处理是 常用的工艺措施，加热温度在850～900℃之间才可得到比较理想的消除 应力效果；采用机械方法，如表面抛光、喷丸和锤击，造成表面产生压 应力；结构设计时要尽量采用对接接头，避免十字交叉焊缝，单V形坡 口改用双Y形坡口。 第三，正确选用材料。根据介质的特性选用对应力腐蚀开裂敏感性 低的材料，包括母材的(3)焊接接头的脆化奥氏体不锈钢焊接接头的脆化主要有低温脆化和σ 相脆化两种形式。1)焊缝金属的低温脆化。对于奥氏体不锈钢焊接接头，耐蚀性或抗氧 化性并不总是最为关键的性能，在低温使用时，焊缝金属的塑性和韧性就 成为关键性能。为了满足低温韧性的要求，焊缝组织通常希望获得单一的 奥氏体组织，避免δ 铁素体的存在。δ 铁素体的存在，总是恶化低温韧性。 2)焊接接头的σ 相脆化。σ 相是一种脆硬的金属间化合物，主要富集 于柱状晶的晶界。σ 相脆化与奥氏体不锈钢中合金化程度相关，对于Cr、Mo等合金元素含量较高的奥氏体不锈钢，易析出σ 相，Cr、Mo具有明显的σ 化作用，提高奥氏体化合金元素Ni含量，防止Ni在焊接过中的降低可有 效地抑制它们的σ化作用，是防止焊接接头脆化的有效冶金措施。2.双相不锈钢的焊接特点 双相不锈钢具有良好的焊接性，选用合适的焊接材 料不会发生焊接热裂纹和冷裂纹；焊接接头的力学性能 基本上能够满足焊接结构的使用性能要求；焊接接头具 有良好的耐应力腐蚀能力，耐点蚀和缝蚀的能力也均优 于奥氏体不锈钢，抗晶间腐蚀能力和奥氏体不锈钢相当。 但焊接接头近缝区受到焊接热循环的影响，其过热区的 铁素体晶粒不可避免地会粗大，从而将降低该区域的耐 蚀性。3.奥氏体不锈钢、双相不锈钢的焊接工艺(1)焊接方法的选择 奥氏体不锈钢和双相不锈钢可 以采用所有的熔焊方法，如焊条电弧焊、钨极氩弧焊、 熔化极气体保护焊、埋弧焊、等离子弧焊等。 1)焊条电弧焊：焊条电弧焊是最常用的焊接方法， 具有操作灵活、方便等优点。为提高抗热裂纹能力，宜 选择碱性药皮的焊条；对于耐蚀性要求高、表面成形要求好的焊缝，宜选用工艺性能良好的钛钙型药皮的焊条。2)氩弧焊：氩弧焊是焊接奥氏体不锈钢和双相不锈钢的理想方法，因为在焊接过程中合金元素烧损很小，焊缝表面洁净无渣，焊缝成形好。此外由于焊接热输入较低，特别适宜对过热敏感的奥氏体和双相 不锈钢的焊接。 3)埋弧焊：埋弧焊是一种高效的焊接方法，特点是热输入大，熔 池尺寸较大，冷却速度和凝固速度慢，因此焊接热裂纹敏感性增大。 埋弧焊对母材稀释率变化范围大(10%～75％)，会对焊缝金属成分产生 重大影响，关系到焊缝组织中铁素体含量的控制。4)等离子弧焊：等离子弧焊也属于惰性气体保护的熔焊方法，以高 能量密度的等离子弧作为热源。由于能量集中、焊件加热范围小、焊 接速度快、热能利用率高及热影响区窄等特点，在无风条件下的焊接， 对提高接头的耐蚀性，改善接头组织非常有利。 熔化极气体保护焊应用也很多，比如MIG焊。CO2气体保护焊药芯 焊丝焊接不锈钢目前也有了应用。(2)焊接材料的选择 奥氏体不锈钢焊接材料选择的原则是一般选用与母材化学成分相同或相近的焊接材料，同时还要综合考虑机械性 能、焊接接头的耐蚀性及抗裂性、耐高温性等具体使用条件。表5-21 是几种不锈钢焊接材料推荐选择的举例。
(3)奥氏体不锈钢、双相不锈钢的焊接工艺要点 锈钢的焊接工艺如下： 1)焊前准备。 第一，下料与坡口的制备。奥氏体不锈钢和双相不奥氏体不锈钢和双相不锈钢中有较多的铬，用氧乙炔火焰切割有困难， 可用机械切割、风铲、等离子弧切割及碳弧气刨等方法进行下料或坡口加工。第二，焊前清理。为了保证焊接质量，焊前应将坡口及其两侧20～30mm范围内的焊件表面 清理干净。如有油污，可用丙酮或酒精等有机溶剂擦拭。对表面质量要求特 别高的焊件，应在适当范围内涂上用白垩粉调制的糊浆，以防止飞溅金属损 伤钢材表面。在搬运、坡口制备、装配及定位焊过程中，应注意避免损伤钢 材表面，以免使产品的耐蚀性能降低，不允许在钢材表面随意到处打弧及用 利器划伤钢板表面。第三，定位焊。定位焊时焊工必须采用与实际施焊相同的焊接材料和 规范进行操作，坡口内焊缝高度一般不超过其坡口深度的2 /3，若定位焊缝出现裂纹等缺陷，必须清除重焊。 第四，焊接材料应按规定进行烘干处理。2)焊接技术。 引弧应在坡口内进行，并且应将重熔一次。熄弧 要填满弧坑。 焊接不锈钢时，焊接电流比焊接低碳钢时小10%～ 20％，短弧快速焊，直线运条。同时应控制层间温度， 一般层间温度小于100℃，为防止层间温度过高，必要时可采用背面通冷却水的措施加以控制。 多层、多道焊时，每焊完一道应将药皮打净，检 查外观，确认无表面缺陷后方可焊接下一焊道，相邻两层焊道引熄弧位置应错开。集中的焊缝要采用跳焊，分段对称焊或退焊等方法以减少焊接变形和过热。凡要求全焊透接头双面焊时，必须清理焊根。如采用 碳弧气刨清根，则必须用砂轮修磨至无氧化物及碳化层存 在。对于超低碳不锈钢和有具体要求者必须采用砂轮磨削 清根或机械加工方法清根。 与介质接触的焊缝应最后施焊，防止焊缝耐蚀性能降 低。与介质接触的焊缝应最后施焊，防止焊缝耐蚀性能降低。3)焊后热处理。奥氏体不锈钢和双相不锈钢焊接后,原则上不进行热处理,只 有焊接接头产生了脆化或要进一步提高其耐蚀能力时,才根据需 要选择固溶处理、稳定化处理或消除应力处理。 4)焊后清理。 不锈钢焊后焊缝必须进行酸洗、钝化处理。酸洗的目的是去 除焊缝和热影响区表面的氧化皮，钝化的目的是使酸洗的表面重新形成一层无色的致密氧化膜，起到耐蚀作用。4.铁素体不锈钢的焊接 (１)铁素体不锈钢的焊接特点 目前铁素体不锈 钢可分为普通铁素体不锈钢和超纯铁素体不锈钢。铁 素体不锈钢焊接时的主要问题有:焊接接头的塑性和 韧性下降,热影响区脆化；焊接接头的晶间腐蚀。 (2)铁素体不锈钢的焊接方法和焊接材料 焊接 铁素体不锈钢应采用小热输入的焊接方法，可采用焊 条电弧焊、气体保护焊、等离子弧焊等焊接方法。焊 接材料主要选用原则是与母材成分基本相匹配的原则。 也可选用奥氏体不锈钢的焊接材料，那样可免除焊前 预热和焊后热处理。(3)焊接工艺要点 1)预热。铁素体不锈钢的焊接要点如下：预热温度为100～200℃左右，目的在于使被焊接材料处于较好的韧性状态和降低焊接接头的应力。随着钢中铬含量的增加，预热温度也相应提高。 2)焊后热处理。焊后对接头区域进行750～800℃退火处理，使过饱和的碳、氮完 全析出，铬来得及补充到贫铬区，以恢复其耐蚀性；同时也改善焊接 接头的塑性。需要注意的是退火后应快速冷却，以防止产生475℃脆 性。其他工艺要求的与奥氏体不锈钢基本一致。5.马氏体不锈钢的焊接(1)马氏体不锈钢的焊接特点马氏体不锈钢可分为Cr13型马氏体不锈钢、低碳马氏体不锈钢和超级马氏体不锈钢。常见的马氏体不锈钢 均有淬硬倾向，含碳量越高，淬硬倾向越大。因此，焊接马氏体不锈钢 时，常见的问题是热影响区的脆化和冷裂纹。 (2)焊接方法的选用 常用的焊接工艺方法如焊条电弧焊、钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊、等离子弧焊等都可用于马氏体不锈钢的焊接。 焊条电弧焊是最常用的焊接方法。(3)焊接材料的选择 对于Cr13型马氏体不锈钢，总体来看，其焊接性较差，因此，除采用与母材化学成分、力学性能相当的同材质焊接 材料外，对含碳量较高的马氏体不锈钢，也常采用奥氏体型焊接材料以 提高焊接接头的塑韧性，防止焊接裂纹的发生。常见的焊条选用见表522。
(4)焊接工艺要点 马氏体不锈钢焊接工艺要点如下： 1) 预热与后热。 预热温度一般在100～350℃，预热温度主要随着含碳量的增加而提高。对 于含碳量较高或拘束度大的焊接接头，在焊后热处理前，还应采取必要的后热 措施，以防止焊接氢致裂纹的产生。举想一想 低合金钢与奥氏体不锈钢两种 钢板能否焊接在一起，应如何焊接呢？例见表5-２２。2)焊后热处理。 马氏体不锈钢焊后热处理有回火和完全退火，为了得到最低的硬度，如为 了焊后的机械加工，采用完全退火，退火温度在830～880℃，保温2小时后随 炉冷却至595℃，然后空冷。回火温度一般在650～750℃之间，保温时间按2. 4min/mm确定，保温时间不低于1小时，然后空冷。举例见表5-22。用不锈钢的典型焊接实例1.一化工机械厂，生产一台木酚计量槽，主体材质为0Cr 18Ni9奥氏体不锈钢，厚度为8mm，筒体的纵缝和环缝采用焊 条电弧焊，对接接头，开带钝边的V形坡口。焊接工艺见表5-23。
2.前述同一产品，接管的对接焊缝，采用钨极 氩弧焊，单面焊双面成型，焊接工艺见表5-24。
3.某企业制造一台蒸混合槽,材质为00Cr17Ni14Mo2,对 接接头,要求全焊透结构,采用钨极氩弧焊封底,焊条电弧 焊填充、盖面的工艺,单面焊双面成型,具体工艺见表5-2 5。
4.一化工设备制造厂，生产一台加压再生塔，材质为0Cr18Ni9,采用埋弧焊，焊接工艺
耐热钢的焊接耐热钢是在高温环境下有较好的热强性、抗氧化性和耐蚀性的 铁基合金。耐热钢按其合金成分的质量分数可分低合金、中合金和 高合金耐热钢。合金元素总质量分数在5％以下的合金钢统称为低合 金耐热钢，有珠光体耐热钢和贝氏体耐热钢。合金总质量分数在6 %～12％的合金钢统称为中合金耐热钢。合金总质量分数高于13％的 合金钢称为高合金耐热钢。在常规热电站、核动力装置、石油精炼设备、加氢裂化装置、合成化工容器、宇航器械以及其他高温加工设备中，耐热钢的应用相当普遍，尤其是低合金耐热钢。1.对耐热钢焊接接头性能的基本要求 对耐热钢焊接接头性能的基本要求取决于设备的运行 条件，制造工艺过程和焊接结构的复杂性。为保证耐热钢 焊接结构在高温、高压和各种复杂介质下长期安全地运行， 焊接接头的性能必须相应满足以下几点要求：(1)接头的等强度和等塑性 耐热钢焊接接头不仅应具有与母材基本相等的室温和高温短时强度，更重要的应具有与母材相当的高温持久强度。 (2)接头的抗氢性和抗氧化性 耐热钢焊接接头应具有与母材基本相同的抗氢性和高温抗氧化性，为此，焊缝金属的合金成分质量分数 应与母材基本相等。(3)接头的组织稳定性耐热钢焊接接头在制造过程中，特别是厚壁接头将经受长时间多次热处理，在运行过程中则处于长期的高温、高压作用，为确保接头性能稳定，接头各区的组织不应产生明显的变化及因此引起的脆变 或软化。 (4)接头的抗脆断性 虽然耐热钢焊接结构均在高温下工作，但对于压力容器和管道，其最终的检验通常是在常温下以工作压力1.5倍的压力作液压试 验或气压试验。高温受压设备准备投运前或检修后，都要经历冷起动过程。 因此，耐热钢焊接接头应具有一定的抗脆断性。(5)低合金耐热钢接头的物理均一性低合金耐热钢焊接接头应具有与母材基本相同的物理性能，接头材料的热膨胀系数和导热率直接决定了接头在 高温运行过程中的热应力，而过高的热应力对接头的寿命将产生不利影响。2.中、低合金耐热钢的焊接 (1)中、低合金耐热钢的焊接特点 中、低合金耐热 钢是以Cr-Mo基为主要合金元素的一类合金钢。它们的焊 接具有以下特点：首先这些钢按其合金含量具有不同程度的淬硬倾向，焊缝金属和热影响区内可能形成对冷裂敏感的显微组织；其次，耐热钢中大多数含有Cr、Mo、V、 Nb和Ti等强碳化物形成元素，从而使接头的过热区具有 不同程度的再热裂纹(亦称消除应力裂纹)敏感性。最后， 某些耐热钢焊接接头，当有害的残余元素总含量超过容 许极限时会出现回火脆性。1)淬硬性钢的淬硬性及冷裂纹敏感性： 淬硬性钢的淬硬性取决于它的碳含量、合金成分 及其含量。低合金耐热钢中的主要合金元素铬和钼等 都能显著地提高钢的淬硬性。如果焊接时冷却速度过 快，则在焊缝及热影响区可能形成对冷裂纹敏感的马 氏体和上贝氏体组织。含铬量越高，冷却速度越快，接头最高硬度越大，焊接接头的冷裂纹敏感性将显著 地增加。2)再热裂纹倾向(消除应力裂纹)：低合金耐热钢焊接接头的再热裂纹主要取决于钢中碳化物形成元素的特性及其含量以及焊接热输入。 为防止再热裂纹的形成，可采取下列冶金和工艺措施： 严格控制母材和焊材中加剧再热裂纹的合金成分，应在保证钢材热强性的 前提下，将V、Ti、Nb等合金元素的含量控制在最低的容许范围内； 选用高温塑性优于母材的焊接填充材料； 适当提高预热温度和层间温度；采用低热输入焊接方法和工艺，以缩小焊接接头过热区的宽度，限制晶粒长大； 选择合理的热处理规范，尽量缩短在敏感温度区间的保温时间； 合理设计接头的形式，降低接头的拘束度。3)回火脆性： 铬钼钢及其焊接接头在370～565℃温度区间长期运 行过程中发生渐进的脆变现象称为回火脆性。这种脆变 归因于钢中的微量元素，如P、As、Sb和Sn沿晶界的扩散偏析。为降低Cr-Mo钢的焊缝金属回火脆性倾向，最有效的措施是降低焊缝金属中的O、Si和P的含量。 4)热影响区的软化： 调质钢焊后，其焊接接头热影响区均存在软化问题。 低合金耐热钢的软化程度与母材焊前的组织状态、焊接 冷却速度和焊后热处理有关。1)焊接方法的选择。 目前已在耐热钢焊接结构生产中实际应用的焊接方 法有：焊条电弧焊、钨极氩弧焊、埋弧焊、熔化极气体 保护焊、电渣焊等。 焊条电弧焊由于具有机动，灵活，能作全位置焊的 特点，在低合金耐热钢结构的焊接中应用广泛。各种低合金耐热钢焊条已纳入国家标准。为确保焊缝金属的韧 性，降低裂纹倾向，低合金耐热钢的焊条电弧焊大都采 用低氢型碱性焊条，但对于合金含量较低的耐热钢薄板，为改善工艺适应性，亦可采用高纤维素或高氧化钛酸性 焊条。埋弧焊由于熔敷效率高，焊缝质量好，在压力容器，管道，重型机械，钢结构，大型铸件以及汽轮机转子的焊接中都得到了广泛应用。目前，已能提供与各种耐热钢匹配的焊丝和焊剂，其中包括用于特种 厚壁容器且要求抗回火脆性的高纯度焊丝及烧结焊剂。 钨极氩弧焊具有低氢、工艺适应性强、易于实现单面焊双面成形 的特点，多半用于低合金耐热钢管道的封底层焊道或小直径薄壁管的 焊接。 熔化极气体保护焊是一种高效，优质，低成本的焊接方法。目前已能提供品种、规格齐全，质量符合标准要求的低合金耐热钢实芯焊丝。 药芯焊丝气体保护焊与普通的实芯焊丝气体保护焊相比具有更高 的熔敷效率，且操作性能优良，飞溅小，焊缝成形美观。2)焊接材料的选用。低合金耐热钢焊接材料的选配原则是焊缝金属的合金成分与强度性能应基本上与母材一致。如果焊件焊后需经退火，正火，或热成形，则应选择合金成分和 强度级别较高的焊接材料。为提高焊缝金属的抗裂性，通常将焊接材料中的碳含 量控制在低于母材碳含量的范围内。表5-27是低合金耐热钢焊接材料选用的一些 例子。
3)焊接工艺要点。 对于一般的低合金耐热钢焊件，可以采用各种热切割法 下料合坡口的制备。为防止厚板热切割边缘的开裂，应采取 下列工艺措施： a)对于所有厚度的2.25Cr-Mo、3Cr-1Mo型钢和15mm以上 的1.25Cr-0.5Mo钢板，热切割前应将割口边缘200mm范围内 预热到150℃以上。热切割边缘应作机械加工并用磁粉探伤 检查是否存在表面裂纹。 b)对于15mm以下的1.25Cr-0.5Mo钢板和15mm以上的0.5M o钢板热切割前应预热100℃以上。热切割边缘应作机械加工 并用磁粉探伤检查是否存在表面裂纹。c)对于15mm以下的0.5Mo钢板，热切割前不必预热。热切割边缘最好作 机械加工。 热切割边缘或坡口面如直接进行焊接，焊前必须清理干净热切割熔 渣和氧化皮。切割面缺口应用砂轮修磨圆滑过渡，机械加工的边缘或坡口面焊前应清除油迹等污物。对焊缝质量要求较高的焊件，焊前最好用丙酮擦净坡口表面。 焊接材料在使用前应作适当的预处理。埋弧焊用光焊丝，应将表面 防锈油清除干净。镀铜焊丝亦应将表面积尘和污垢仔细清除。焊条电弧 焊的药皮焊条和埋弧焊的焊剂除妥善保管外，在使用前，应严格按工艺 规程的规定进行烘干。一般酸性焊条烘干温度为150～200℃，保温1～2h， 碱性焊条烘干温度350～400℃，保温1～2h，埋弧焊熔炼型焊剂烘干温度为400～450℃，保温2～3h，烧结型焊剂烘干温度300～350℃，保温2～3h。预热是防止低合金耐热钢焊接接头冷裂纹和再热裂纹的有效措施 之一。预热温度主要依据钢的碳当量，接头的拘束度和焊缝金属的氢 含量来决定。对于低合金耐热钢，预热温度并非愈高愈好。 预热温度一般在100～150℃之间。大型焊件的局部预热应注意保证预热区的宽度大于所焊壁厚的4倍，至少不小于150mm，且预热区内外表面均应达 到规定的预热温度。但在大型焊件焊接中，如使用火焰预热焊件且焊 后需进炉热处理，则从焊接结束到装炉这段时间内，接头产生裂纹的 危险性较大。为防止焊件在焊后热处理之前产生裂纹，最简单而可靠 的措施是将接头作2～3h的低温后热处理。后热处理的温度按钢种和壁 厚而定，一般在250～300℃之间。 低合金耐热钢焊件可按钢和对接接头性能的要求，作下列焊后处 理：低合金耐热钢焊件可按钢和对接接头性能的要求，作下列焊后处理：a)不作焊后热处理；b)580～760℃温度范围内回火或消除应力热处理； c)正火处理。 对于低合金耐热钢来说，焊后热处理的目的不仅是消除焊接残余 应力，而且更重要的是改善金属组织，提高接头的综合力学性能，包 括降低焊缝及热影响区的硬度，提高接头的高温蠕变强度和组织稳定 性等。 (3)中合金耐热钢的焊接工艺 面： 中合金耐热钢焊接时应注意以下方1)焊接方法的选择。 中合金耐热钢淬硬和裂纹倾向较高，在选择焊接方 法时，要优先采用低氢的焊接方法，如：钨极氩弧焊， 熔化极气体保护焊等，焊接厚壁焊件时，如果选择焊条 电弧焊和埋弧焊，必须采用低氢碱性焊条和焊剂。 2)焊接材料的选用。中合金耐热钢焊接材料可以选用高铬镍奥氏体焊接 材料即异种焊接材料，或选用与母材合金成分基本相同 的中合金耐热钢焊接材料。中合金耐热钢焊接材料在我国至今尚未完全标准化，焊接材料的选用举例见表5-28。
3)焊接工艺要点。中合金耐热钢热切割前，必须将切割边缘200mm宽度范围内预热到150℃以上。切割面要采用磁粉探伤(MT)检查是否存在裂纹。对焊接坡 口进行机械加工后，坡口面上的热切割硬化层要清除干净，必要时做 表面硬度测定加以鉴别。 预热是中合金耐热钢焊接时防止裂纹、降低接头硬度和提高韧性 的有效措施，一般预热温度为200～250℃。 中合金耐热钢焊后热处理的目的在于改善焊缝金属及其热影响区的组织，使淬火马氏体变成回火马氏体，降低接头各区的硬度，提高其韧性、变形能力和高温持久强度并消除内应力。中合金耐热钢焊件 常用的焊后热处理有完全退火、高温回火或回火加等温退火。3.高合金耐热钢的焊接 (1)高合金耐热钢的焊接特点 高合金耐热钢按组织 特征可分为奥氏体型、铁素体型、马氏体型和弥散硬化 型四类。奥氏体型耐热钢与奥氏体不锈钢具有相同的焊 接特点；铁素体型耐热钢在焊接热循环作用下，焊接接 头的塑性和韧性下降，为改善其焊接性，降低元素C、N、 O的含量，加入适量的铁素体化元素；马氏体型耐热钢的 焊接性很差。 (2)高合金耐热钢的焊接工艺 奥氏体型耐热钢具有 很好的焊接性，其焊接工艺与奥氏体不锈钢的焊接工艺 基本相同。铁素体型耐热钢可采用焊条电弧焊、气体保护焊、埋弧焊、等离 子弧焊等，在采用同质焊接材料时，特别是拘束度大时，易产生裂纹， 为防止产生裂纹并改善接头的塑性，可采取一些工艺措施，如预热， 预热温度为100～150℃，对含铬量较高的钢，预热温度高达200～300℃。同时应采用小的焊接热输入，尽量减少焊条的横向摆动，控制层间温度在预热温度范围内。焊后可采取相应的焊后退火处理。 马氏体型耐热钢的焊接可采用焊条电弧焊、气体保护焊等，施焊 时主要是要避免冷裂纹的产生，可以采取焊前预热，焊后后热和焊后 立即高温回火等措施。一般预热温度为200～320℃。采用低氢型焊 接材料，焊后热处理包括回火和完全退火。常用耐热钢的典型焊接实例1.某厂制造的仪态合成气进料蒸汽加热器主体材料 为15CrMoR钢板的拼接焊缝，厚度为34mm,采用埋弧焊， 开X形坡口，焊前预热150℃，焊后后热处理，加热30 0～350℃，保温2小时，焊接工艺见表5-29。
２.前述同一产品，高径法兰与接管的对接焊缝，采用钨极氩弧焊和焊条电弧焊组合焊接，单面焊双面成型。150℃预热，焊后消除应力退火处理。焊接工艺见表5-30。
综合知识模块四铸铁的焊接铸铁是wC&2.14％的铁碳合金。 铸铁实际上是以Fe、C、Si 为主的多元铁合金。铸铁可分为灰铸铁(HT)、可锻铸铁(KT)、球 墨铸铁(QT)、蠕墨铸铁(RT)和白口铸铁(BT)。常用的灰铸铁HT100、HT200、HT250、HT300及HT350等。常用的球墨铸铁有QT400-18、QT400-15、QT450-10、QT500-7等。 铸铁焊接的应用主要在下列三种场合： 1)铸造缺陷的焊接修复。 2)已损坏的铸铁成品件的焊接修复。 3)零部件的生产，这是指用焊接方法将铸铁(主要是球墨铸 铁)件与铸铁件、各种钢或有色金属件焊接起来而生产出零部件。我国铸铁焊接采用的方法有焊条电弧焊、CO2气体保 护焊、气焊、气体火焰钎焊、手工电渣焊及气体火焰粉末 喷焊等，其中以焊条电弧焊为主。为满足不同的要求，焊条电弧焊所用的铸铁焊接材料按其焊缝金属的类型分为铁基、镍基及铜基三大类。灰铸铁的焊接1.灰铸铁的焊接特点 灰铸铁在化学成分上的特点是含碳量高及硫、磷杂 质含量高，这就增大了焊接接头对冷却速度变化的敏感 性及对冷、热裂纹敏感性；在力学性能上的特点是强度 低，基本无塑性。这二方面的特点，结合焊接过程具有 冷却速度快及因焊件受热不均匀而形成焊接应力较大的 特殊性，决定了铸铁的焊接性不良。其主要问题有二方 面：一方面是焊接接头易出现白口及淬硬组织；另一方 面焊接接头易出现裂纹。(1)焊接接头的白口及淬硬组织灰铸铁焊接时，由于熔池体积小，存在时间短，加之铸铁内部的热传导作用， 使得焊缝及近缝区的冷却速度远远大于铸件在砂型中的冷 却速度。因此，在焊接接头的焊缝及半熔化区将会产生大 量的渗碳体，形成白口铸铁组织。焊接接头中产生白口组织的区域主要是焊缝区、半熔化区和奥氏体区。 灰铸铁接头的白口化问题主要是指焊缝及半熔化区容易产生白口组 织。其原因是由于采用一般的电弧焊方法焊接时，接头过 冷倾向大，影响了铸铁的石墨化过程。铸铁接头中白口组织的存在，不仅造成加工困难，还会引起裂纹等缺陷的产生，故应采取一定的措施尽量减小其生成的条件，也就是创造有利于接头石墨化的条 件。其主要途径是通过改变焊缝的化学成分，或者减慢 焊接冷却速度来防止白口组织的产生。 另外，采用钎焊方法，由于母材不熔化，将会从根 本上避免半熔化区白口组织形成，这也是防止接头白口 化问题的又一途径。(2)焊接裂纹灰铸铁焊接时，裂纹是易出现的一种缺陷。铸铁焊接时出现的裂纹可分为冷裂纹与热裂纹二类。 1)冷裂纹。灰铸铁焊接时冷裂纹一般出现在焊缝区和 热影响区。 当焊缝为铸铁型时，焊缝中较易出现冷裂纹。当采用异质焊接材料焊接，使焊缝成为奥氏体、铁素体或铜基焊缝时，由于焊缝金属具有较好的塑性，配合采用合理的冷 焊工艺，焊缝金属不易出现冷裂纹。铸铁型焊缝发生裂纹 的温度，经测定一般在400℃以下。裂纹发生时常伴随着 可听见的脆性断裂的声音。焊缝较长或补焊刚度较大的铸 铁缺陷时，常发生这种裂纹。避免裂纹产生最有效的办法是对焊件进行整体预热(5 50～700℃)，使温差减小，降低焊接应力。在某些情况 下，采用加热减应区法以降低补焊处所受的应力，也能 较有效地防止裂纹的产生。 焊接热影响区的冷裂纹多数发生在含有较多渗碳体 及马氏体的热影响区，在某些情况下也可能发生在离熔合线稍远的热影响区。在焊接薄壁(5～10mm)铸铁件时， 冷裂纹也可能发生在离熔合线稍远的热影响区。可以采取工艺措施来降低焊接接头的应力、防止焊接 接头出现渗碳体及马氏体，如采用预热焊，可防止上述冷 裂纹的产生。在采用电弧冷焊时，采取正确的冷焊工艺，以减弱焊接接头的应力状态，有利于防止上述冷裂纹的发生。采用屈服点较低而且有良好塑性的焊接材料焊接时, 也有利于防止上述冷裂纹的发生。在修复厚大件的裂纹缺 陷时，因坡口大，焊接层数多，积累的焊接应力大，为防 止热影响区冷裂纹发展成剥离性裂纹，可在坡口两侧进行 栽丝法焊接。2)热裂纹。当焊缝为铸铁型时，焊缝对热裂纹不敏感。但当采用低碳钢焊条与镍基铸铁焊条冷焊时，则焊缝较易出现属于热裂纹的结晶裂纹。 灰铸铁焊接时，焊接接头中裂纹倾向是比较大的，这 主要与铸铁本身的性能、焊接应力、接头组织及其化学成 分有关。为防止铸铁焊接时产生裂纹，在生产中主要是采 取减小焊接应力，改变焊缝合金系统以及限制母材中杂质 熔入焊缝等措施。2.灰铸铁的焊接工艺 由灰铸铁的焊接特点可知，灰铸铁在焊接中主要是容 易产生白口组织和出现裂纹，故应从防止上述缺陷入手， 从多方面考虑来选择焊接方法和制定合理的焊接工艺。 (1)同质(铸铁型)焊缝的熔焊 1)电弧热焊及半热焊： 将焊件整体或有缺陷的局部位置预热到600～700℃ ， 然后进行补焊，焊后进行缓冷的铸铁补焊工艺，人们称之 为热焊。预热温度范围为300～400℃时称为半热焊。 同质焊缝的熔焊有电弧热焊、半热焊、气焊及电弧冷焊。电弧热焊及半热焊的焊条均有两种类型，一种为铸铁芯石 墨化铸铁焊条(Z248)；另一种为钢芯石墨化铸铁焊条(Z208)。 Z248焊条主要用于补焊厚大铸件的缺陷，这类焊条所用焊 芯为?6～?12mm铸铁棒，外涂石墨化药皮。铸铁芯焊条直径大， 可配合使用大焊接电流，以加快焊接速度，缩短工人从事热焊 的时间，有利于降低焊工的劳动强度。 Z208焊条采用低碳钢焊芯H08，外涂强石墨化药皮，焊缝 为铸铁型。由于焊条药皮加入了较多的强促进石墨化的物质， 虽焊芯为低碳钢，在热焊及半热焊条件下仍可保证获得成分和 组织为灰铸铁的焊缝。电弧热焊时，一般将铸件整体或补焊区局部预热到600～700℃，然后 再进行焊接，焊后保温缓冷，使接头的应力状态大为改善，从而有效地防止了冷裂纹的产生。由于热焊预热温度高及缓慢冷却，焊接接头石墨化充分，故也能完全防止白口及淬硬组织产生。热焊工艺具体如下： a)预热。对结构复杂的铸件，由于补焊区刚性大，焊缝无自由膨胀收缩 的余地，故宜采用整体预热；而结构简单的铸件，补焊处刚性小，焊缝有 一定膨胀收缩的余地，例如铸件边缘的缺陷及小块断裂，则可采用局部预 热。 b)焊前清理。在进行电弧热焊之前，首先应对铸件的待焊部位进行清理，并制好坡口。铸件缺陷处如有油污，一般可用氧乙炔火焰加热除净，然后根据缺陷的情况，可采用手砂轮、扁铲、风铲等工具进行加工。制作 坡口时应铲(磨)到无缺陷后再开坡口，开出的坡口应是底部圆滑、上口稍 大，以便于操作和保证焊接质量。c)造型。对于边角部位及穿透缺陷，焊前为防止熔化金属流失，保证原 定的焊缝成形，还应在待焊部位造型，其形状尺寸如图 5-1所示。造型材 料可用型砂加水玻璃或黄泥。内壁最好放置耐高温的石墨片，以防止造型 材料受热熔化或下塌，并应在焊前进行烘干。 焊接时，为保持预热温度，缩短高温工作时间，要求在最短的时间内焊 完，故宜采用大电流、长弧焊和连续焊。为了降低预热温度，改善劳动条件，人们在实践中发现，适当提高焊缝的石墨化能力，采用300～400℃的整体或局部预热，用于刚度较小铸件的焊接，也能收到较好的 效果。一般情况下可采用Z208或Z248铸铁焊条。半热焊工 艺过程基本与热焊时相同，即大电流、长弧、连续焊，焊 后保温缓冷。 由于半热焊预热温度比热焊低，在加热时铸件的塑性 变形不明显，因而在补焊区刚性较大时，不易产生变形、内应力增大而导致接头产生裂纹等缺陷。因此，电弧半热焊只能用于补焊区刚度较小或铸件形状较简单的情况。2)气焊： 氧乙炔焰温度比电弧温度低很多，而且热量不集中， 很适于薄壁铸件的补焊。对刚度大的薄壁件缺陷补焊，为 了降低焊接应力，防止裂纹出现，宜采用焊件整体预热的 气焊热焊法进行。预热温度为600～700℃，焊后应采取缓 冷措施。铸铁焊接气焊用焊接材料主要是焊丝和气焊熔剂，焊丝的型号为RZC-1,RZC-2,焊丝中C、Si含量较热焊时稍高。焊接铸铁所用气焊熔剂的统一牌号为CJ201。气焊前要对铸件进行清理，其焊前清理和准备工作基 本与焊条电弧焊相同。制备坡口一般可采用机械方法。当 铸件断面很小或不能用机械方法开坡口时，也可用氧气切 割直接开出坡口。 气焊时，应根据铸件厚度适当选用较大号码的焊炬及焊嘴，以提高火焰能量，增大加热速度。气焊火焰一般应选用中性焰或弱碳化焰，不能用氧化焰。因为，氧化气氛 会使熔池中碳、硅等元素烧损增加，影响焊缝的石墨化过 程。为防止熔池金属流失，在焊接中应尽量保持水平位置。铸件焊后可自然冷却，但注意不要放在空气流通的地方加速冷却，否则会促使白口及裂纹产生。一般较小的铸件气焊时，凡是缺陷位于边角和刚度 较小的地方，可用冷焊方法。其特点是不用单独预热， 仅依靠焊炬的火焰在坡口周围进行预热后即可熔化施焊， 焊后自然缓冷就可得到无裂纹缺陷的接头。但是，当缺 陷位于铸件中央，接头刚度较大或铸件形状较复杂时， 采用冷焊的效果往往不好，应采用预热温度为600～700 ℃的热焊法，或者是“加热减应区”法焊接。加热减应 区的示意图如图5-2所示。3)电弧冷焊： 电弧冷焊的特点是焊前对被补焊的焊件不预热，所以电 弧冷焊有很多优点，焊工劳动条件好，补焊成本低，补焊过 程短，补焊效率高。对于预热很困难的大型铸件或不能预热 的已加工面等情况更适于采用冷焊。所以冷焊是灰铸铁焊接 的一个发展方向。在冷焊条件下，解决出现白口问题的途径应从二方面着手：一是进一步提高焊缝石墨化的能力；二是提高焊接热输入。 如采用大直径焊条、大电流连续焊工艺，以减慢焊接接头的 冷却速度。这种工艺也有助于消除或减少热影响区出现马氏 体组织。目前，同质焊缝冷焊焊条的牌号也是Z208和Z248， 但具体配方与热焊焊条有些差别。由于冷焊时的冷却速 度较大，同质焊缝冷焊焊条的碳、硅含量应比热焊焊条高。在冷焊条件下，为了防止焊接接头上出现白口及淬硬组织，还应从减慢焊接接头的冷却速度着手。为此应采用大直径焊条，大电流连续焊工艺。但当补焊缺陷面积小于8cm2，深度小于7mm时，因熔池体积过小， 冷却快，焊接接头仍易出现白口。如果情况允许，把缺陷面积适当扩大， 则可消除白口。 焊接时，使用直流反接电源,也可使用交流电源，进行大电流、长 弧、由中心向边缘连续焊接。当坡口焊满后不要停弧，用电弧沿熔池边 缘靠近砂型移动，使焊缝堆高，一般焊缝的高度要超出工件表面5～8mm。由于电弧热通过上层焊缝传入半熔化区，使其在红热状态延续一段时间，不仅减慢冷却速度，有利于石墨充分析出；并且延长了焊缝上部半熔化 区的存在时间，有利于焊缝中碳的扩散，使白口组织减小或消除。此外， 同质焊缝冷焊时，焊后电弧应立即覆盖熔池，以保温缓冷。铸铁型焊条电弧冷焊较电弧热焊工艺简便，焊接成 本也较低，在补焊较大缺陷时(面积大于8cm2，深度大于 7mm)，只要工艺运用适当，焊后焊缝的最高硬度不超过2 50HBW，加工性能良好。(２)异质(非铸铁型)焊缝的电弧冷焊 异质焊缝又称为非铸 铁型焊缝。电弧冷焊是铸铁焊接中最常用的方法。因铸件在焊接 中不需要预热，使焊接工艺过程大大简化，不仅降低了焊接成本， 而且使焊接操作者的工作条件得到改善。此外，它还具有适应范 围广，可进行全位置焊接及焊接效率高等特点，所以，异质焊缝 电弧冷焊是一种很有发展前途的焊接工艺方法。1)异质焊缝电弧冷焊材料。我国目前已发展了多种系列的非铸铁 型焊缝铸铁焊条。在电小知识 栽丝法 加垫板补焊法栽丝法：就是通过碳钢螺丝将焊缝与未受焊接的热影响区的铸件母材固定在一起，从而防止裂纹的发生，并提高该区承受冲击载荷的能力。 加垫板补焊法：在焊补厚件裂纹时，在坡口内放入低碳钢垫板， 在垫板两侧，用抗裂纹性能高且强度性能好的铸铁焊条(如Z438、Z117 焊条等)将母材与低碳钢垫板焊接在一起。 弧冷焊的条件下，接头冷却速度较大，故使得其白口及裂纹问题比较 突出。异质焊缝冷焊主要是通过调整焊缝化学成分，改善接头的组织和性能。非铸铁型焊缝按其焊缝金属的性质可分为钢基、铜基和镍基三种。钢基焊缝电弧冷焊焊条分类如下：a)强氧化型铸铁焊条EZFe-1(Z100)：这种焊条采用低碳钢焊芯(H08)，并在药皮中加入了适量的强氧化性 物质。其目的是用增强熔渣氧化性的方法，使氧化性熔 渣与熔池作用，将来自母材中的碳、硅等元素氧化烧损， 以获得塑性较好的碳钢焊缝。b)碳钢焊条EZFe-2(Z122Fe)：这种焊条是低碳钢焊芯铁粉型焊 条，药皮为钛钙型。药皮中加入了一定量的低碳铁粉。加入低碳铁 粉的目的，仍然是为了降低含碳量。c)焊缝为高钒钢的高钒铸铁焊条EZV(Z116、Z117)：高钒铸铁 焊条采用低碳钢(H08)焊芯，并在药皮中加入了大量钒铁，故其 焊缝为高钒钢组织。在焊缝中加入钒铁的目的，是利用钒具有较强的形成碳化物能力， 由于焊缝中碳的存在形式得到改变，增加了焊缝的塑性，故可避免焊缝中白口组织和淬硬组织的产 生，提高了其抗裂能力。 我国目前所使用的三种镍基焊缝电弧冷焊焊条，因合金含量 不同，性能也有一定的差异。在一定焊接电流的条件下，焊缝 中的含镍量越高，半熔化区白口层的宽度就越小，其接头的机械加工性能也就越好。因此，纯镍焊缝的加工性能最好。a)纯镍焊条EZNi(Z308)：纯镍焊条焊芯为纯镍，由于含镍量高，当采用小电流焊补铸铁时，接头半熔化区的白口层最小，宽度约为0.05～0.08mm，并呈断续分布，故有利于进行机械加工。纯镍焊缝的强度与灰铸铁接近，而且塑性 很好，因此具有良好的抗冷裂性能。但镍属于贵金属，纯镍焊条含镍量最高， 价格也最昂贵(约为低碳钢焊条的30倍)，在焊接中不宜大量使用。 b)镍铁焊条EZNiFe(Z408)：镍铁焊条焊芯为镍铁合金。镍铁焊缝具有较高 的强度,可达400MPa以上，塑性也较好，适合于焊接强度要求高的铸铁。因镍 铁焊条的性能优于纯镍焊条，且价格在镍基焊条中最便宜，故在生产中应用较多。c)镍铜焊条EZNiCu(Z508)：镍铜焊条的焊芯为镍铜合金，也称为蒙乃尔焊 条，是应用最早的一种铸铁焊条。目前，这类焊条已逐渐被镍铁焊条所取代。铜基焊条有多种形式：a)铜芯铁粉焊条(Z607)：药皮为低氢型，主要用于非加工面的焊补。 b)铜芯铁皮焊条(Z616)：采用拉丝装置将钢带把纯铜 芯紧紧包裹起来，外涂低氢碱性药皮，也有钛钙型药皮，如Z612，也主要用于非加工面的焊补。 c)奥氏体钢―铜焊条：铜钢焊条抗裂性能好，材料容易解决，因 此，目前在铸铁焊接中尚有一定的应用。2)异质(非铸铁型)焊缝的电弧冷焊工艺。异质焊缝 的电弧冷焊工艺要点可归纳为四句话： 准备工作要做好， 焊接电流适当小， 短段断续分散焊，焊后立即小锤敲。常用的铸件清理方法有两种，一种是采用砂轮、钢 丝刷或扁铲等工具的机械清理法；另一种是采用三氯乙 烯、汽油、丙酮等化学溶剂洗涤的化学方法。当铸件厚 度或缺陷深度大于5mm时应开坡口，坡口表面尽可能平 整。当采用与铸铁异质的焊接材料进行电弧冷焊时，在保证电弧稳定及焊透情况下均应采用合适的最小电流，小直径焊条焊 接。为了减少焊接热输入，以减低应力及减小半熔化区宽度，。 应适当提高焊接速度，不作横向摆动。采用短段焊、断续分散焊及焊后锤击的冷焊工艺。 (3)灰铸铁的钎焊 钎焊时母材不熔化，对避免铸铁焊接接 头出现白口是非常有利的，使接头有优良的加工性。国内外一般都采用氧乙炔焰钎焊铸铁。过去一直多采用黄铜钎料HL103，钎剂可用硼砂。灰铸铁的典型补焊实例1.某厂一台气轮机的蒸汽分配室，因常年在高温蒸汽下工作出现了裂纹，该件材质为灰铸铁，为修复该零件，采用了电弧冷焊，用J506和Z308焊条联合补焊，效果很好。具体焊接工艺 如下： (1)焊前准备 将焊件固定，把裂纹处用砂轮打磨出V形坡 口，用气焊焊炬沿坡口及其两侧加热，待其冷却后，清理坡口 表面及其两侧。 (2)焊接 用J506焊条沿坡口面及两侧平面20mm处熔敷一层过渡层，如图5-3所示。再用?3.3的Z308焊条倒退焊法进行底层焊接。最后用?4.0的Z308焊条交错跳焊法施焊,如图5-4所 示，每段焊道长度应控制在25mm以内。每焊完一段，立即进行 锤击，以释放焊接应力。2.某厂车床床身出现裂纹，材质为灰铸铁，采用电弧 热焊法进行修复，所用焊条为Z248，同质焊缝，焊接工 艺如下：(1)焊前准备 1)坡口制备：坡口角度为70°～80°，V形坡口， 如果缺陷不够大，可以人为地扩大至面积不小于3～4cm 2，深度不小于10cm，以有利于提高补焊区的温度，降 低焊缝硬度。坡口要清理干净。 2)焊条在使用前，需经200～300℃烘干，保温1～2h。3)对待焊部位进行预热，预热温度为600～700℃。(2)焊接操作要点 1)在缺陷中心处引弧，采用短弧焊，连续施焊，直 至超出焊件表面4～6mm为止。 2)采用热态(焊件处于红热状态)锤击法减小焊缝收 缩应力。 3)补焊过程中，如发现气孔、夹渣等缺陷，应及时处理。如发现裂纹，也应在焊后立即处理，不应留在焊 缝冷却后再补焊。 4)焊后应立即保温，或用火焰进行局部加热，以达到缓冷、消除应力的目的。球墨铸铁的焊接1.球墨铸铁的焊接特点 球墨铸铁与灰铸铁的不同处，是在于熔炼过程中前者 经过加入一定量的球化剂处理，常用球化剂有镁、铈、钇 等，石墨以球状存在，从而使力学性能明显提高。 球墨铸铁焊接性与灰铸铁有相同的一面，但又有其自 身的一些特点，这主要表现在两方面： 1)球墨铸铁的白口化倾向及淬硬倾向比灰铸铁大，焊 接球墨铸铁时，同质焊缝及半熔化区更易形成白口，奥氏 体区更易出现马氏体组织； 2)由于球墨铸铁的强度、塑性与韧性比灰铸铁高，对 焊接接头的力学性能要求也相应提高，常要求与各强度等 级球墨铸铁母材相匹配。2.球墨铸铁的焊接工艺 (1)同质焊缝的熔焊工艺 1)气焊。球墨铸铁气焊时连续施焊时间不能超过1 5～50分钟，否则会使焊缝中出现片状石墨，降低力学 性能。气焊主要用于球墨铸铁薄壁件的焊补。 球墨铸铁气焊用焊丝有轻稀土―镁合金和钇基重稀土两种。球墨铸铁气焊用熔剂与灰铸铁气焊熔