常见钢材的焊接技术

1.焊条的分类与保管

（1）焊条的分类、组成和作用

手工电弧焊用焊条的种类很多，按我国统一的焊条牌号，共分为十大类，如结构钢焊条、耐热钢焊条、不锈钢焊条、铸铁焊条、铜及铜合金焊条、特殊用途焊条等，其中应用最广的是结构钢焊条。焊条由焊芯和药皮组成，如图8-31所示。焊条焊芯的作用之一是作为电极导电，同时它也是形成焊缝金属的主要材料，因此焊芯的质量直接影响焊缝的性能，其材料都是特制的优质钢。焊接碳素结构钢的焊芯一般是w（C）=0.08%的低碳钢，应用最普遍的有H08和H08A，其对含碳量及硫、磷有害杂质都有极严格的限制。常用的焊条直径（即焊芯的直径）为2.5～6mm，长度为350～450mm。

药皮是压涂在焊芯表面上的涂料层，焊接时形成熔渣及气体，药皮对焊接质量的好坏同样起着重要的作用。药皮的主要作用是：

1）保持电弧稳定燃烧，以改善焊接工艺，保证焊接质量。

图8-31 焊条的结构

2）对焊缝进行机械保护。药皮在焊接时产生大量的气体和熔渣，它们能隔绝空气的有害影响，对焊缝金属起到保护作用。

3）脱去焊缝金属的有害杂质（如氧、氢、硫、磷等）。

4）向焊缝金属渗入有益的合金元素，以改善焊缝质量。

结构钢焊条按熔渣的性质，可把焊条分为酸性和碱性两类。如果熔渣中的酸性氧化物比碱性氧化物多，这种焊条就叫做酸性焊条；反之，则称为碱性焊条。通常酸性焊条的焊接质量较碱性焊条的差。碱性焊条由于焊缝中含氢较少，所以塑性、韧性好，但飞溅大，对油、水分敏感；而酸性焊条抗裂性差，但工艺性好，熔敷速度快。

（2）焊条的牌号与保管

典型酸性焊条牌号有J422（E4303）等，碱性焊条牌号有J507（E5015）等。牌号中的“J”表示结构钢焊条，牌号中三位数字的前两位“42”或“50”，表示焊缝金属的抗拉强度等级分别为420MPa（42kgf/mm²）或500MPa（50kgf/mm²），最后一位数表示药皮类型和焊接电源种类，1～5为酸性焊条，2表示钛钙型药皮，使用交流或直流电源均可，7为低氢钠性焊条，只能用于直流电源反接。

焊条的保管应保存在干燥的地方，避免受潮，特别是碱性焊条，每次都要经烘干处理后才能使用。

2.碳素结构钢的焊接

（1）碳钢的焊接性

焊接性是金属材料对焊接加工的适应性，主要指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度和该焊接接头能否可靠使用。材料的焊接性可分为工艺焊接性和使用焊接性两部分。

工艺焊接性是指在一定焊接工艺条件下，获得组织和性能均匀一致、无缺陷的焊接接头的能力，也就是说复杂的焊缝冶金反应对焊缝性能和产生缺陷的影响程度，以及焊接热源对焊接接头热影响区组织性能及产生缺陷的影响程度。

使用焊接性是指焊接接头或整体结构满足技术条件所规定的各种使用性能的程度，包括常规的力学性能及特定条件下的性能，如抗疲劳性能、抗脆断性能、耐蚀性等。

金属材料的焊接性与材料因素、工艺因素、结构因素以及使用条件都有关。金属材料只有具备了良好的工艺焊接性和使用焊接性才能满足实际生产的需要，缺一不可。因此，评定金属材料焊接性时要同时考虑以上两方面的内容。

焊接性评定分间接评定和直接评定两种。间接评定是通过材料的化学成分进行估计，同时将材料厚度、结构刚性、冷却速度、扩散氢含量等因素考虑在内。直接评定法是通过试验方法确定焊缝金属的抗热裂纹能力、焊接接头的抗冷裂能力、抗再热裂纹能力、焊接接头的抗脆性转变能力以及为焊接接头的使用性能所做的各种试验。

碳素钢的焊接性主要和材料的含碳量有关，还和材料的Mn、Si含量及焊接接头的冷却速度有关。随着碳含量的增加，焊接性逐渐变差，见表8-4。

表8-4 碳素钢焊接性与含碳量（质量分数）的关系

（2）低碳钢的焊接性

低碳钢指w（C）≤0.25%的钢材。因其含碳量低，Mn、Si含量均小于1%（质量分数），不含其他合金元素，杂质P、S的含量也得到了一定的控制，所以在一般情况下不会因焊接引起严重的硬化组织或淬火组织。这种钢材的强度较低，但塑性、韧性优良，焊后接头的塑性和冲击韧度也良好。焊时一般不需要预热和后热，也不需要特殊注意层间温度，焊后不需采用改善组织性能的热处理。总之，在整个焊接过程中不需特殊的工艺措施，就可得到优良的焊接接头，即低碳钢具有优良的焊接性。

常用低碳钢焊接材料的选用见表8-5。

表8-5 常用低碳钢焊接材料的选用

（3）中碳钢的焊接性

中碳钢指0.25%<w（C）<0.60%之间的钢材。它与低碳钢一样，Mn、Si含量均小于1%（质量分数），不含其他合金元素。当w（C）≈0.25%且含Mn量不高时，焊接性良好。当w（C）≈0.5%时，若仍按低碳钢常用的焊接工艺施焊时，则热影响区可能产生硬脆的马氏体组织，容易开裂。当焊接过程与焊接材料控制不好时，甚至连焊缝也容易如此。由于含碳量较高，焊接时母材熔化进入焊缝，容易形成焊接热裂纹，所以在焊接中碳钢时一般应采取下列措施：

1）焊接时采用低氢焊接材料。

2）焊前应进行预热，一般预热温度为150～250℃，若材料厚度和结构刚性大、含碳量较高时可相应提高预热温度，最高可达250～400℃。

3）焊后最好立即进行消除应力热处理，消除应力的回火温度一般为600～650℃。若不可能立即消除应力，则应当进行后热处理，以便扩散氢逸出。(www.xing528.com)

4）焊后缓冷或采取适当的保温措施，以降低冷却速度，防止产生冷裂纹。

（4）高碳钢的焊接性

高碳钢指w（C）>0.60%的钢材。由于其含碳量太高，容易产生硬脆的高碳马氏体，脆硬倾向与裂纹敏感倾向更大，所以焊接性很差。

3.低合金结构钢的焊接

低合金钢是在碳素钢的基础上加入了一定量的合金元素的钢，一般合金元素的总含量不会超过5%（质量分数）。低合金钢的强度比碳素钢要高，同时又具有一定的塑性和韧性，还可以实现某些特殊的性能要求，如抗高温、耐低温和耐腐蚀等。在压力容器设计中常用的低合金钢有高强钢、低温钢、耐蚀钢和珠光体耐热钢四类。

（1）高强钢的焊接

高强钢的主要特点是强度高，塑性和韧性也好，是我国产量最大、应用最广的一种低合金钢，它广泛用于压力容器、船舶、桥梁、飞机和其他多种装备中。我国低合金高强钢是以屈服强度来划分强度级别的，目前常用的高强钢如下。

1）屈服强度在400MPa的低合金钢，一般是在热轧或正火状态下使用，基体组织为铁素体+珠光体，它的代表钢牌号为Q345R（16MnR）。Q345R是一种使用比较成熟的钢种，也是制造中低压容器的常用钢号，它的焊接性优良，加工工艺性及其他综合性能均优于普通碳素钢，且质量稳定。屈服强度在400MPa的常用低合金钢的焊接材料的选用见表8-6。

表8-6 屈服强度在400MPa的常用低合金钢的焊接材料的选用

①15MnVR牌号在GB150—2011中已取消。

2）屈服强度在500MPa的低合金钢，一般是在正火+回火状态下使用，它的代表钢牌号为18MnMoNbR。若板厚很厚，可在调质状态下供货，以保证良好的综合性能。18MnMoNbR钢的含碳量及合金元素含量均大于Q345R，故其脆硬倾向及冷裂倾向均高于Q345R。屈服强度在500MPa的常用低合金钢的焊接材料的选用见表8-7。

表8-7 屈服强度在500MPa的常用低合金钢的焊接材料的选用

（2）低温钢的焊接

低温钢主要用于低温设备、管道的主体结构。GB150.1～150.4—2011中明确指出，设计温度≤-20℃的容器称为低温压力容器。对低温用钢的主要性能要求是保证在设计温度下材料具有足够的韧性及抵抗脆性破坏的能力。低温用钢可分为无镍和含镍两大类，我国的低温用钢为无镍的。

低温钢的含碳量较低，而且材料的塑性和韧性均较好，所以焊接接头附近的脆硬倾向和冷裂倾向均不敏感，具有良好的焊接性。低温钢焊接的关键是解决焊接接头的脆性转变温度和低温韧性。

常用低温钢焊接材料的选用见表8-8。

表8-8 常用低温钢焊接材料的选用

①该牌号在GB150—2011中已取消。

4.不锈钢的焊接

不锈钢是含铬（Cr）量在10.5%（质量分数）以上的铁基合金，也称高合金钢。它是不锈钢和耐酸钢的总称。

不锈钢是指耐空气、蒸汽和水等弱腐蚀介质的钢。耐酸钢是指耐酸、碱、盐等化学侵蚀性介质腐蚀的钢。

不锈钢中的合金元素Cr的含量一般都大于或等于12%（质量分数），这样会使钢具有抗氧化和耐腐蚀的性能。一般不锈钢多为单项组织，分为铁素体不锈钢（06Cr13、10Cr17等）、马氏体不锈钢（12Cr13、20Cr13等）、奥氏体不锈钢（06Cr19Ni10、06Cr18Ni11Ti等）。其中奥氏体不锈钢在工程中应用最为广泛，因为其不但具有抗氧化和耐腐蚀的性能，同时它的高温和低温性能均很优良。

铁素体和奥氏体不锈钢的焊接性良好，马氏体不锈钢的焊接性则较差，其中含碳量较高的马氏体不锈钢，如30Cr13、40Cr13基本上不能焊接。

奥氏体不锈钢在实际使用中有一个很突出的问题，就是易产生晶间腐蚀和热裂纹。所谓晶间腐蚀就是金属晶界上由于其状态（成分或组织）与晶内不同而降低了晶界的化学稳定性，在腐蚀介质的作用下晶界遭到破坏的现象。晶间腐蚀会使材料和焊接接头强度急剧下降，甚至造成破坏。

造成晶间腐蚀的原因至今尚未完全研究清楚，但其中认为是晶界附近形成“贫铬”现象的解释比较有说服力。由“贫铬”说可知，在晶界处化学成分的重新分布是影响晶间腐蚀的因素之一，而温度和时间是产生晶间腐蚀的另外两个因素。

常用不锈钢焊接材料的选用见表8-9。

表8-9 常用不锈钢焊接材料的选用

（续）