1 什麼是焊接性?試述碳鋼的焊接性。
焊接性是指材料在限定的施工條件下焊接成按規定設計要求的構件,并滿足預定服役要求的能力。焊接性受材料、焊接方法、構件類型及使用要求四個因素的影響。
碳鋼是以鐵元素為基礎的,鐵碳合金,碳為合金元素,其碳的質量分數不超過1%,此外,錳的質量分數不超過1.2%,矽的質量分數不超過0.5%,後兩者皆不作為合金元素。其它元素如Ni、Cr、Cu等均控制在殘餘量的限度以内,更不作為合金元素。雜質元素如S、P、O、N等,根據鋼材品種和等級的不同,均有嚴格限制。因此,碳鋼的焊接性主要取決于含碳量,随着含碳量的增加,焊接性逐漸變差,其中以低碳鋼的焊接性最好,見表1。
表1 碳鋼焊接性與含碳量的關系
名 稱 |
碳的質量分數(%) |
典型硬度 |
典型用途 |
焊接性 |
低碳鋼 |
≤0.15 |
60HRB |
特殊闆材和型材薄闆、帶材、焊絲 |
優 |
0.15~0.25 |
90HRB |
結構用型材、闆材、棒材 |
良 | |
中碳鋼 |
0.25~0.60 |
25HRC |
機器部件和工具 |
中(需預熱、後熱,推薦使用低氫焊接方法) |
高碳鋼 |
≥0.60 |
40HRC |
彈簧,模具,鋼軌 |
劣(需預熱、後熱,必需使用低氫焊接方法) |
2 什麼是碳當量?碳鋼的碳當量如何計算?
把鋼中合金元素(包括碳)的含量按其作用換自成碳的相當含量,稱為該種鋼材的碳當量,可作為評定鋼材焊接性的一種參考指标。
碳鋼中的元素除C外,主要是Mn和Si,它們的含量增加,焊接性變差,但其作用不及碳強烈。國際焊接學會推薦的碳當量公式為
随着碳當量值的增加,鋼材的焊接性會變差。當CE值大于0.4%~0.6%時,冷裂紋的敏感性将增大,焊接時需要采取預熱、後熱及用低氫型焊接材料施焊等一系列工藝措施。
3 利用碳當量值評價鋼材焊接性有何局限性?
碳當量值隻能在一定範圍内,對鋼材概括地、相對地評價其焊接性,這是因為:
1)如果兩種鋼材的碳當量值相等,但是含碳量不等,含碳量較高的鋼材在施焊過程中容易産生淬硬組織,其裂紋傾向顯然比含碳量較低的鋼材來得大,焊接性較差。因此,當鋼材的碳當量值相等時,不能看成焊接性就完全相同。
2)碳當量計算值隻表達了化學成分對焊接性的影響,沒有考慮到冷卻速度不同,可以得到不同的組織,冷卻速度快時,容易産生淬硬組織,焊接性就會變差。
3)影響焊縫金屬組織從而影響焊接性的因素,除了化學成分和冷卻速度外,還有焊接循環中的最高加熱溫度和在高溫停留時間等參數,在碳當量值計算公式中均沒有表示出來。
因此,碳當量值的計算公式隻能在一定的鋼種範圍内,概括地、相對地評價鋼材的焊接性,不能作為準确的評定指标。
4 試述低碳鋼的焊接性。
由于低碳鋼含碳量低,錳、矽含量也少,所以,通常情況下不會因焊接而産生嚴重硬化組織或淬火組織。低碳鋼焊後的接頭塑性和沖擊韌度良好,焊接時,一般不需預熱、控制層間溫度和後熱,焊後也不必采用熱處理改善組織,整個焊接過程不必采取特殊的工藝措施,焊接性優良。
但在少數情況下,焊接時也會出現困難:
1)采用舊冶煉方法生産的轉爐鋼含氮量高,雜質含量多,從而冷脆性大,時效敏感性增加,焊接接頭質量降低,焊接性變差。
2)沸騰鋼脫氧不完全,含氧量較高,P等雜質分布不均,局部地區含量會超标,時效敏感性及冷脆敏感性大,熱裂紋傾向也增大。
3)采用質量不符合要求的焊條,使焊縫金屬中的碳、硫含量過高,會導緻産生裂紋。如某廠采用酸性焊條焊接Q235-A鋼時,因焊條藥皮中錳鐵的含碳量過高,會引起焊縫産生熱裂紋。
4)某些焊接方法會降低低碳鋼焊接接頭的質量。如電渣焊,由于線能量大,會使焊接熱影響區的粗晶區晶粒長得十分粗大,引起沖擊韌度的嚴重下降,焊後必需進行細化晶粒的正火處理,以提高沖擊韌度。
總之,低碳鋼是屬于焊接性最好、最容易焊接的鋼種,所有焊接方法都能适用于低碳鋼的焊接。
5 低碳鋼焊接時,如何正确地選用焊接材料?
⑴手弧焊焊條的選用 常用低碳鋼Q235的抗拉強度平均值為417.5MPa,根據等強度原則,與之匹配的焊條應為E43系列。幾種不同鋼号的低碳鋼手弧焊時焊條的選用,見表2。
表2 低碳鋼手弧焊時焊條的選用
鋼 号 |
一般結構選用的 焊條型号 |
動載荷、複雜、厚闆結構,鍋爐受壓容器,低溫焊接 選用的焊條型号 |
施 焊 條 件 |
Q235 |
E4313,E4303,E4301,E4320,E4311 |
E4316,E4315 (E5016,E5015) |
一般不預熱 |
Q255 |
一般不預熱 | ||
Q275 |
E4316,E4315 |
E5016,E5015 |
厚闆結構預熱150℃以上 |
08、10、15、20 |
E4303,E4301,E4320,E4311 |
E4316,E4315 (E5016,E5015) |
一般不預熱 |
25 |
E4316,E4315 |
E5016,E5015 |
厚闆結構預熱150℃以上 |
20g,22g |
E4303,E4301 |
E4316,E4315 (E5016,E5015) |
厚闆結構預熱100~150℃ |
20R |
E4303,E4301 |
E4316,E4315 (E5016,E5015) |
一般不預熱 |
注:表中括弧内的焊條型号表示可以代用。
⑵埋弧焊焊絲和焊劑的匹配選用 低碳鋼埋弧焊時焊絲和焊劑的匹配選用,見表3。
表3 低碳鋼埋弧焊焊絲與焊劑的匹配選用
鋼 号 |
焊 絲 |
焊 劑 |
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焊絲的選用 實芯焊絲選用牌号為H08Mn2Si和H08Mn2SiA兩種,焊後熔敷金屬強度偏高。藥芯焊絲選用牌号為YJ502-1、YJ506-2、YJ506-3、YJ506-4。
⑷電渣焊焊絲和焊劑的匹配選用 電渣焊熔池溫度比埋弧焊低,所以焊劑中的矽、錳還原作用弱,應選用含錳、含矽量較高的焊絲。常選用H10Mn2、H10MnSi焊絲配合焊劑HJ360或H10MnSi焊絲配合焊劑HJ431。
6 低碳鋼在低溫下如何施焊?
嚴冬條件下焊接低碳鋼結構時,由于焊接接頭的冷卻速度快,使裂紋傾向增大,特别是厚大結構的第一道焊縫容易開裂,為此必需采取如下工藝措施:
1)焊前預熱,焊接過程中嚴格保持層間溫度不應低于預熱溫度。
2)采用低氫或超低氫焊接材料。
3)定位焊時加大焊接電流,減慢焊接速度,适當增加定位焊縫的截面積和長度,必要時進行預熱。
4)整條焊縫應盡量連續焊完,避免中斷。
5)不應坡口面以外的母材上進行引弧,熄弧時需填滿弧坑。
6)盡可能不在低溫條件下進行彎闆、矯正和裝配焊件。
各種金屬結構低溫焊接時的預熱溫度見表4。管道、壓力容器低溫焊接時的預熱溫度見表5。
表4 低碳鋼金屬結構低溫焊接的預熱溫度
焊件厚度(mm) |
在各種氣溫下的預熱溫度 |
<30 31~50 51~70 |
不低于-30℃時不預熱;低于-30℃時預熱100~150℃ 不低于-10℃時不預熱;低于-10℃時預熱100~150℃ 不低于0℃時不預熱;低于0℃時預熱100~150℃ |
表5 低碳鋼管道、壓力容器低溫焊接的預熱溫度
焊件厚度(mm) |
在各種氣溫下的預熱溫度 |
<16 17~30 31~40 41~50 |
不低于-30℃時不預熱;低于-30℃時預熱100~150℃ 不低于-20℃時不預熱;低于-20℃時預熱100~150℃ 不低于-10℃時不預熱;低于-10℃時預熱100~150℃ 不低于0℃時不預熱;低于0℃時預熱100~150℃ |
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