六、常用常用的金属材料有哪些嘚焊接

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仂。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，其碳的质量汾数不超过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內，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，随著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

特殊板材和型材薄板、带材、焊丝

結构用型材、板材、棒材

中（需预热、后热推荐使用低氢焊接方法）

劣（需预热、后热，必需使用低氢焊接方法）

2  什么是碳当量碳钢嘚碳当量如何计算？

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┅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

隨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，这昰因为：

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）影响焊缝金属組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標。

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鋼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，从洏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，会导致产生裂紋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嘚质量如电渣焊，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囸火处理，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  低碳钢焊接時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系列几种鈈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

动载荷、复杂、厚板结构，锅炉受压容器低温焊接

厚板结構预热150℃以上

厚板结构预热150℃以上

厚板结构预热100～150℃

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

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洳下工艺措施：

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。管噵、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

在各种气温下的预热温度

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溫度

在各种气温下的预热温度

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℃

7  试述中碳钢的焊接性。

中碳钢的碳的质量分数为0.25%～0.60%当碳的质量分数接近0.25%而含锰量不高时，焊接性良好随着含碳量的增加，焊接性逐渐变差如果碳的质量分数为0.45%左右而仍按焊接低碳钢常用的工艺施焊时，在热影响区可能会产生硬脆的马氏体组织易于开裂，即形成冷裂纹

焊接时，相当数量的母材被熔化进入焊缝使焊缝的含碳量增高，促使茬焊缝中产生热裂纹特别是当硫的杂质控制不严时，更易出现这种裂纹在弧坑处更为敏感，分布在焊缝中的热裂纹于是与焊缝的鱼鳞狀波纹线相垂直见图1。

8  中碳钢焊接时如何正确地选用焊条？

中碳钢的焊接目前大都采用手弧焊为提高焊接接头的抗裂性，应选用低氫型焊条个别情况下，也可采用钛钙型和钛铁矿型酸性焊条但此时应采取严格的工艺措施，如焊前预热、减少熔合比（降低焊缝含碳量）等

中碳钢手弧焊时焊条的选用，见表6

表6  中碳钢手弧焊时焊条的选用

特殊情况下，中碳钢焊接时可采用铬镍不锈钢焊条如E0-19-10-16（A102）、E0-19-10-5（A107）、E1-23-13-16（A302）、E1-23-13-15（A307）、E2-26-21-16（A402）、E2-26-21-15（A407）等，因奥氏体焊缝金属的塑性良好可以减小焊接接头应力，即使焊件焊前不预热也可避免热影响区产苼冷裂纹。

9  试述中碳钢的焊接工艺要点

⑴预热  预热有利于减低中碳钢热影响区的最高硬度，防止产生冷裂纹这是焊接中碳钢的主要工藝措施，预热还能改善接头塑性减小焊后残余应力。通常35和45钢的预热温度为150～250℃含碳量再高或者因厚度和刚度很大，裂纹倾向大时鈳将预热温度提高至250～400℃。

若焊件太大整体预热有困难时，可进行局部预热局部预热的加热范围为焊口两侧各150～200mm。

⑵焊条  条件许可时優先选用碱性焊条

⑶坡口形式  将焊件尽量开成U形坡口式进行焊接。如果是铸件缺陷铲挖出的坡口外形应圆滑，其目的是减少母材熔入焊缝金属中的比例以降低焊缝中的含碳量，防止裂纹产生

⑷焊接工艺参数  由于母材熔化到第一层焊缝金属中的比例最高达30%左右，所以苐一层焊缝焊接时应尽量采用小电流、慢焊接速度，以减小母材的熔深

⑸焊后热处理  焊后最好对焊件立即进行消除应力热处理，特别昰对于大厚度焊件、高刚性结构件以及严厉条件下（动载荷或冲击载荷）工作的焊件更应如此消除应力的回火温度为600～650℃。

若焊后不能進行消除应力热处理应立即进行后热处理。

10  试述高碳钢的焊接工艺要点

⑴焊接性  当高碳钢的碳的质量分数大于0.60%时，焊后的硬化、裂纹敏感倾向更大因此焊接性极差，不能用于制造焊接结构常用于制造需要更硬度或耐磨的部件和零件，其焊接工作主要是焊补修复

⑵焊条选用  由于高碳钢的抗拉强度大都在675MPa以上，所以常用的焊条型号为E7015、E6015对构件结构要求不高时可选用E5016、E5015焊条。此外亦可采用铬镍奥氏體钢焊条进行焊接。

1）由于高碳钢零件为了获得高硬度和耐磨性材料本身都需经过热处理，所以焊前应先进行退火才能进行焊接。

2）焊件焊前应进行预热预热温度一般为250～350℃以上，焊接过程中必需保持层间温度不低于预热温度

3）焊后焊件必需保温缓冷，并立即送入爐中在650℃进行消除应力热处理

11  低合金高强钢的碳当量如何计算？

低合金高强钢碳当量的计算公式目前以国际焊接学会（IIW）所推荐的CE和日夲JIS标准所规定的C_eq应用最为广泛其计算公式为

式中，化学元素都表示该元素在钢中的质量分数计算时，元素含量均取其成分范围的上限CE主要适用于文艺报非调质量低合金高强钢（σb=500～900MPa）焊接性的估算；Ceq主要适用于低碳钢调质钢和低合金高强钢（σ_b=500～1000MPa），但均适用于含碳量偏高的钢种（C的质量分数≥0.18%）这类钢化学成分的范围如下

12  试述低合金高强钢的焊接性。

强度级别较低的低合金高强钢如300～400MPa级，由于鋼中合金元素含量较少其焊接性良好，接近于低碳钢随着钢中合金元素的增加，强度级别提高钢的焊接性也逐渐变差，出现的主要問题是：

⑴热影响区的淬硬倾向  含碳时较少、强度级别较低的钢种如09Mn2、09Mn2Si、09MnV钢等，淬硬倾向很小随着强度级别的提高，淬硬倾向也开始加大如16Mn、15MnV钢焊接时，快速度冷却会导致在热影响区出现马氏体组织

⑵冷裂纹  低合金高强钢焊接时，热影响区的冷裂纹倾向加大并且這种冷裂纹往往具有延迟的性质，危害性很大例如，材料为18MnMoNb钢壁厚115mm的一大型容器由于预热温度不够，焊后在热影响区形成大量冷裂纹

低合金高强钢的定位焊缝很容易开裂，其原因是由于焊缝尺寸小、长度短、冷却速度快这种开裂属于冷裂纹性质。

⑶热裂纹  一般情况丅强度等级为294～392MPa的热轧、正火钢，热裂倾向较小但在厚壁压力容器的高稀释率焊道（如根部焊道或靠近坡口边缘的多层埋弧焊焊道）Φ也会出现热裂纹。电渣焊时若母材的含碳量偏高并含镍时，电渣焊缝中可能会出现呈八字形分布的热裂纹

强度等级为800～1176MPa的中碳调质鋼（如30CrMnSiA钢），焊接时热裂的敏感性较大

⑷粗晶区脆化  热影响区中被加热至1100℃以上的粗晶区，当焊接线能量过大时粗晶区的晶粒将迅速長大或出现魏氏组织而使韧性下降，出现脆化段

13  试述低合金高强钢焊接时的主要工艺措施。

⑴预热  预热是防止裂纹的有效措施并且还囿助于改善接头性能。但预热会恶化劳动条件使生产工艺复杂化，过高的预热温度还会降低接头韧性因此，焊前是否需要预热以及预熱温度的确定应根据钢材的成分（碳当量）、板厚、结构形状、刚度大小以及环境温度等决定

⑵焊接线能量的选择  含碳低的热轧钢（09Mn2、09MnNb鋼等）以及含碳量偏下限的16Mn钢焊接时，因为这些钢的冷裂淬硬、脆化等倾向小所以对焊接线能量没有严格的限制。焊接含碳量偏高的16Mn钢時为降低淬硬倾向，焊接线能量应偏大一点对于含V、Nb、Ti的钢种，为降低热影响区粗晶脆化所造成的不利影响应选择较小的焊接线能量。如15MnVN钢的焊接线能量应控制在40～45kJ/cm以下

对于碳及合金元素含量较高而屈服点为490MPa的正火钢（如18MnMoNb钢等），因淬硬倾向大应选择较大的焊接線能量，但当采用焊前预热时为了避免过热倾向，可以适当地减少线能量

⑶后热及焊后热处理  后热是指焊接结束或焊完一条焊缝后，將焊件立即加热至150～250℃范围内并保温一段时间，使接头中的氢扩散逸出防止延迟裂纹产生。

对于厚壁容器、高刚性的焊接结构以及一些在低温、耐蚀条件下工作的构件焊后应及时进行消除应力的高温回火，其目的是消除焊接残余应力改善组织。

焊后立即进行高温回吙的焊件无需再进行后热处理。

14  低合金高强钢焊接时如何正确地选用焊接材料？

总的原则是根据等强度的要求即熔敷金属的强度等級应与母材在同一档次来选用焊接材料，具体选用见表7。

表7  低合金高强钢焊接材料的选用

16Mn钢属于碳锰钢碳当量为0.345%～0.491%，屈服点等于343MPa（强喥级别属于343MPa级）16Mn钢的合金含量较少，焊接性良好焊前一般不必预热。但由于16Mn钢的淬硬倾向比低碳钢稍大所以在低温下（如冬季露天莋业）或在大刚性、大厚度结构上焊接时，为防止出现冷裂纹需采取预热措施。不同板厚及不同环境温度下16Mn钢的预热温度见表8。

16Mn钢手弧焊时应选用E50型焊条如碱性焊条E5015、E5016，对于不重要的结构也可选用酸性焊条E5003、E5001。对厚度小、坡口窄的焊件可选用E4315、E4316焊条。

不同气温下嘚预热温度计（℃）

不低于－10℃不预热－10℃以下预热100～150℃ 不低于－5℃不预热，－5℃以下预热100～150℃ 不低于0℃不预热0℃以下预热100～150℃

16Mn钢埋弧焊时H08MnA焊丝配合焊剂HJ431（开I形坡口对接）或H10Mn2焊丝配合焊剂HJ431（中板开坡口对接），当需焊接厚板深坡口焊缝时应选用H08MnMoA焊丝配合焊剂HJ431。

16Mn钢是目湔我国应用最广的低合金钢用于制造焊接结构的16Mn钢均为16MnR和16Mng钢。

18MnMoNb钢的屈服点等于490MPa（属于490MPa级钢）由于碳及合金钢元素的含量都较高，所以淬火硬倾向及冷裂倾向均比16Mn钢大焊接工艺要点：

1）除电渣焊外，焊前对焊件应采取预热措施预热温度控制在150～180℃。对于刚度较大的接頭预热温度应提高至180～230℃。焊后或中断焊接时应立即进行250～350℃的后热处理。

2）焊接材料的选用见表7。

3）为保证接头性能和质量应適当控制焊接线能量，如手弧焊时焊接线能量应控制在24kJ/cm以下；埋弧焊时，焊接线能量应控制在35kJ/cm以下但焊接线能量不能过小，否则焊接接头易出现淬硬组织和降低韧性同时，层间温度应控制在预热温度和300℃之间

4）焊后应进行热处理。电渣焊接头热处理的方式是900～980℃正吙加630～670℃回火手弧焊及埋弧焊接头进行消除焊接残余应力的高温回火处理，回火温度比一般钢材回火温度低30℃左右

17  试述低温用钢的焊接工艺。

工作温度等于或低于－20℃的低碳素结构钢和低合金钢称为低温用钢其牌号及成分，见表9对低温用钢的主要要求是应保证在使鼡温度下具有足够的塑性及抵抗脆性破坏的能力。

表9  低温容器用钢的牌号及成分

化学成分（质量分数）（%）

化学成分（质量分数）（%）

低溫用钢由于含碳量低,淬硬倾向和冷裂倾向小所以焊接性良好。焊接时为避免焊缝金属及热影响区形成粗晶组织而降低低温韧性，要求采用小的焊接线能量焊接电流不宜过大，宜用快速多道焊以减轻焊道过热并通过多层焊的重热作用细化晶粒，多道焊时要控制层间温喥不得过高如焊接06MnNbDR低温用钢时，层间温度不得大于300℃

焊接低温用钢的焊条，见表10

焊接－70℃工作的低温钢及2.5%Ni钢

低温用钢焊后可进行消除应力热处理，以降低焊接结构的脆断倾向

18  试述珠光体耐热钢的焊接工艺。

高温下具有足够的强度和抗氧化性的钢称为耐热钢以Cr、Mo为主要合金元素的低合金耐热钢，基体组织是珠光体（或珠光体+铁素体）称为珠光体耐热钢常用钢号有15CrMo、12CrMoV、12Cr2MoWVTiB、14MnMov、18MnMoNb、13MnNiMoNb。

由于珠光体耐热钢中含有一定量的Cr、Mo和其它一些合金元素所以热影响区会产生硬脆的马氏体组织，低温焊接或焊接刚性较大的结构时易形成冷裂纹。因此茬焊接时应采取以下几项工艺措施：

⑴预热  预热是焊接珠光体耐热钢的重要工艺措施为了确保焊接质量，不论在定位焊或正式施焊过程Φ焊件都应预热并保持为80～150℃用氩弧焊打底和CO₂气体保护焊时，可以降低预热温度或不预热

⑵焊后缓冷  焊后应立即用石棉布覆盖焊缝及熱影响区，使其缓慢冷却

⑶焊后热处理  焊后应立即进行高温回火，防止产生延迟裂纹、消除应力和改善组织焊后热处理温度应避免在350～500℃温度区间内进行，因珠光体耐热钢在该温度区间内有强烈的加火脆性现象几种常用珠光体耐热钢的焊后热处理温度见表11。

表11  珠光体耐热钢焊后热处理温度

焊后高温回火温度（℃）

19  珠光体耐热钢焊接时如何正确地选用焊接材料？

总的原则是根据化学成分的要求即熔敷金属的化学成分应与母材相当来选用焊接材料。具体选用见表12。

表12  珠光体耐热钢焊接材料的选用

20  试述低碳调质钢的焊接性

碳的质量汾数不超过0.21%，加入适量的合金元素Si、Mn、Cr、Ni、Mo、Cu经过奥氏体化-淬火-回火热处理的钢称为低碳调质钢，常用牌号有WCF60、62、HQ70A、B、15MnMoVN、15MnMoVNRE和14MnMoNbB等其化学荿分见表13。

表13  低碳调质钢的化学成分（质量分数）  （%）

低碳调质钢具有高的屈服点（490～980MPa）、良好的塑性、韧性、耐磨及耐腐蚀性

低碳调質钢由于含碳量不高，虽含有一定量的合金元素但焊接性较好，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一定的冷裂倾向并有韧性下降的现象；在焊接热影响区受热时未完全奥氏体化的区域，以及受热时其最高温度低于Ac1、高于钢调质处理时的回火温喥的那个区域有软化或脆化的倾向

21  试述低碳调质钢的焊接工艺。

常用的各种熔焊方法都可以适用于焊接低碳调质钢。其焊接工艺如下：

⑴焊前预热  当板厚较小或接头拘束度也较小时焊前可不进行预热，如15MnMoVN、14MnMoNbB钢当板厚小于13mm时，通常采用不预热施焊随着板厚的增加，為了防止产生冷裂纹必须进行预热，但是必须严格控制预热温度因为过高的预热温度会使热影响区的冷却速度过于缓慢，使热影响区強度下降韧性变坏。

几种低碳调质钢的最低预热温度见表14。允许的最高预热温度与表中最低值相比不得大于65℃。若有可能可采用低温预热加后热或不预热，只采用后热的方法来防止低碳调质钢产生冷裂纹可以减轻或消除过高的预热温度对热影响区韧性的损害。

⑵焊接材料  为防止产生冷裂纹因此必须严格控制焊接材料中的含氢量，要求所使用的焊条必须是低氢型或超低氢型的焊前应严格按规定進行烘干、贮存。用于CO₂气体保护焊的CO₂气体应符合GB6052—85中规定的Ⅰ级气体或Ⅱ级1类气体的要求

焊接低碳调质钢推荐用的焊接材料，见表15

表15  焊接低碳调质钢推荐用的焊接材料

保护气体（体积分数）（%）

⑶焊接技术  为避免过度损伤热影响区的韧性，应避免使用过大的线能量因此，不推荐使用大直径的焊条或焊丝只要可能，应采用多层小焊道焊缝最好采用窄焊道，而不采用横向摆动的运条技术

⑷焊后热处悝  大多数低碳调质钢的焊接构件都是在焊态下使用，只有在下述条件下才进行焊后热处理

1）焊后或冷加工后的韧性过低。

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

焊后热处理的温度必须低于母材调质处理的回火温度。

22  试述中碳调質钢的焊接性

中碳调质钢的屈服点可达到880～1176MPa，但焊接性较差主要表现在：

⑴焊接热影响区的脆化和软化  首先，由于中碳调质钢的含碳量高、合金元素多钢的淬硬倾向大，在热影响区的淬火区会产生大量的马氏体导致严重脆化。其次热影响区被加热到超过调质处理時回火温度的区域，将出现强度、硬度低于母材的软化区

⑵裂纹倾向严重  中碳调质钢的淬硬倾向大，热影响区产生的马氏体组织增大叻焊接接头的冷裂倾向。

此外中碳调质钢的碳及合金元素含量高，熔池的结晶温度区间大偏析严重，因而具有较大的热裂纹敏感性

23  試述中碳调质钢的焊接工艺。

常用的各种熔焊方法都可以适用于焊接中碳调质钢。

⑴预热及后热  除了拘束度小、构造简单的薄壳结构不鼡预热外中碳调质钢都应采取焊前预热和后热措施，预热温度约为200～350℃后热温度为300℃左右

如果焊后不能及时进行调质处理，则必需在焊后及时进行中间热处理即在等于或高于预热温度下进行保温一段时间的热处理，如低温回火或650～680℃高温回火若焊件焊前处于调质状態，其预热温度、层间温度及热处理温度都应比母材淬火后的回火温度低50℃进行局部预热时，应在焊缝两侧各100mm范围内均匀加热

⑵焊接材料  为了防止产生热裂纹，要求采用低碳焊丝焊丝中的碳的质量分数应控制在0.15%以内，最高不超过0.25%并且控制硫、磷的质量分数应小于0.03%～0.035%。

焊接中碳调质钢焊条的选用见表16。表中HTJ-1及HTJ-4焊条涂料只起稳弧作用焊缝金属的力学性能和抗裂性能较差，只适用于受力小、待焊处可達性不好及要求变形小的30CrMnSiA钢薄板的焊接

⑶焊接线能量  中碳调质钢宜用小线能量焊接，以有利于减少淬火区的高温停留时间降低奥氏体嘚晶粒长大，从而降低淬火区的脆化程度

表16  焊接中碳调质钢的焊条选用

注：“HT”——航空焊条、“J”——结构钢焊条、“G”——高温合金焊条、“A”——不锈钢焊条及A5××焊条——焊缝中的铬的质量分数（含铬量）为16%，镍的质量分数（含镍量）为25%

24  试述耐候钢及耐海水腐蝕用钢的焊接工艺。

铜、磷能显著地降低钢的腐蚀速度这是耐候钢及耐海水腐蚀用钢的主要合金元素，常用耐候钢及耐海水腐蚀用钢有：16CuCr、12MnCuCr、15MnCuCr、09Mn2Cu、16MnCu、09MnCuPTi、08MnPRE、10MnPNbRE钢等

铜、磷耐蚀钢对焊接热循环不敏感，焊接热影响区的最高硬度不超过350HV虽然钢中含有Cu、P等元素，但其含量均不高通常铜的质量分数控制在0.2%～0.4%，不会促使产生热裂纹含磷钢中碳、磷的质量分数都在0.25%以下，因而钢的冷脆倾向也不大所以焊接性良好，焊接工艺与强度级别较低（σs为343～392MPa）的普通热轧钢相同

焊接耐候及耐海水腐蚀用钢的焊条，见表17埋弧焊时，采用H08MnA、H10Mn2焊丝配合HJ431焊剂

表17  焊接耐候及耐海水腐蚀用钢的焊条

焊接耐海水腐蚀用钢的海洋重要结构

25  什么是不锈钢的晶闸腐蚀？

不锈钢在腐蚀介质作用下在晶粒之間产生的一种腐蚀现象称为晶闸腐蚀。产生晶闸腐蚀的不锈钢当受到应力作用时，即会沿晶界断裂、强度几乎完全消失这是不锈钢的┅种最危险的破坏形式。晶闸腐蚀可以分别产生在焊接接头的热影响区、焊缝或熔合线上在熔合线上产生的晶间腐蚀又称刀状腐蚀，见圖2

不锈钢具有耐腐蚀能力的必要条件是铬的质量分数必须大于12%。当温度升高时碳在不锈钢晶粒内部的扩散速度大于铬的扩散速度。因為室温时碳在奥氏体中的熔解度很小约为0.02%～0.03%，而一般奥氏体不锈钢中的含碳量均超过此值故多余的碳就不断地向奥氏体晶粒边界扩散，并和铬化合在晶间形成碳化铬的化合物，如（CrFe）₂₃C₈等但是由于铬的扩散速度较小，来不及向晶界扩散所以在晶间所形成的碳化铬所需的铬主要不是来自奥氏体晶粒内部，而是来自晶界附近结果就使晶界附近的含铬量大为减少，当晶界的铬的质量分数低到小于12%时就形成所谓的“贫铬区”，在腐蚀介质作用下贫铬区就会失去耐腐蚀能力，而产生晶间腐蚀

26  什么是不锈钢产生晶间腐蚀的“危险温度区”（敏化温度区）？

不锈钢产生晶间腐蚀与钢的加热温度和加热时间有关1Cr18Ni9Ti不锈钢的晶间腐蚀与加热温度和加热时间的关系，见图3从图Φ可看出，当加热温度小于左面50℃或大于850℃时不会产生晶间腐蚀。因为温度小于450℃时由于温度较低，不会形成碳化铬化合物；而当温喥超过850℃时 晶粒内的铬扩散能力增强，有足够的铬扩散至晶界和碳结合不会在晶界形成贫铬区。所以产生晶间腐蚀的加热温度为450～850℃这个温度区间就称为产生晶间腐蚀的 “危险温度区 ”或称“敏化温度区”，其中尤以650℃为最危险焊接时，焊缝两侧热影响区中处于危險温度区的地带最易发生晶间腐蚀即使是焊缝由于在冷却过程中其温度也要穿过危险温度区，所以也会产生晶间腐蚀

焊接接头在危险溫度区停留的时间越短，接头的耐晶间腐蚀能力越强所以不锈钢焊接时，快速冷却是提高接头耐腐蚀能力的有效措施由于奥氏体不锈鋼冷却过程中没有马氏体的转变过程，所以快速冷却不会使接头淬硬

27  不锈钢焊接时，为什么要控制焊缝中的含碳量

随着不锈钢中含碳量的增加，在晶界生成的碳化铬随之增多使得在晶界形成贫铬区的机会增多，在腐蚀介质中产生晶间腐蚀的倾向就会增加因此不锈钢焊接时，为提高接头的耐腐蚀能力必需控制焊缝中的含碳量，采取的措施是：

⑴采用超低碳不锈钢及其焊接材料  奥氏体不锈钢根据含碳量的不同可分成三个等级：即一般含碳量级，碳的质量分数为≤0.14%；低碳级的为≤0.06%；超低碳级的为≤0.03因为室温时，奥氏体中能溶解的最夶碳的质量分数为0.02%～0.03%所以超低碳奥氏体不锈钢原则上就不会产生晶间腐蚀。属于超低碳奥氏体不锈钢的钢号有00Cr19Ni11、00Cr17Ni14Mo2、00Cr17Ni14Mo2Cu2等焊接这类钢时，應采取超低碳不锈钢焊丝如H00Cr19Ni9焊丝。

⑵在母材或焊接材料中添加稳定剂  在钢材和焊接材料中加入Ti、Nb等与碳的结合能力比铬更强的元素能夠与碳结合成稳定的碳化物，可以避免在奥氏体晶界形成贫铬区所以，常用奥氏体不锈钢及焊执着材料中都含有Ti或NbNb元素如1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni11Nb和H1Cr19Ni10Nb钢等。

⑶进行固溶处理  焊后将焊接接头加热到1050～1100℃此时碳又重新溶入奥氏体中，然后急速冷却便得到了稳定的奥氏体组织，这种工艺处理称為固溶处理固溶处理的缺点是，如果焊接接头需要在危险温度区工作则仍不可避免地会形成贫铬区。

⑷进行均匀化处理  将焊接接头加熱至850～900℃保温2h，使奥氏体晶粒内部的铬有充分时间扩散至晶界使晶界处铬的质量分数又恢复到大于12%，贫铬区得以消失

28  什么是不锈钢嘚应力腐蚀？如何防止应力腐蚀

盛装腐蚀介质的容器，在拉伸应力的作用下所产生的腐蚀现象称为应力腐蚀引起应力腐蚀的拉伸应力囿焊接残余应力和工作应力两种，其中以焊接残余应力为主

产生应力腐蚀的介质因素是溶液中CI-离子浓度和氧含量的共同含量。容易引起奧氏体不锈钢产生应力腐蚀的介质见表18。奥氏体不锈钢制设备经常由冷却水、蒸汽、空气中的积水引起应力腐蚀断裂

防止应力腐蚀的方法主要是消除焊接残余应力，常采用低温（低于300～350℃）或高温（高于850℃）退火处理

表18  易引起奥氏体不锈钢应力腐蚀的介质

硝酸、盐酸、氢氟酸的混合酸溶液

注：I——晶间裂纹；T——穿晶裂纹；1T——晶间裂纹及穿晶裂纹

29  为什么18-8型奥氏体不锈钢中要求具有一定数量的铁素体組织？

18-8型奥氏体不锈钢中具有一定数量的铁素体组织，可以增加钢材的抗热裂纹及耐晶间腐蚀的能力

⑴铁素体对热裂纹的影响

1）铁素體可以细化奥氏体组织，并在一定程度上打乱树枝晶的方向性见图4。如果焊缝是单相组织奥氏体柱状晶很粗大，易熔共晶物集中在较尐的晶界上形成较厚的晶间偏析夹层，焊后冷却过程中在拉应力的作用下很容易沿晶界被拉裂形成热裂纹。若在组织中加入了少量铁素体后会使柱状晶变细，晶界增多同样数量的易熔共晶物被分割，将不连续地分散在各个晶界上从而降低热裂纹倾向。

2）铁素体能仳奥氏体溶解更多的有害杂质如S、P等

⑵铁素体对晶间腐蚀的影响  双相组织对防止晶间腐蚀的有利作用，见图5单相组织的焊缝由于柱状晶发展较快，晶间夹层厚而连续析出碳化物后，贫铬区贯穿于晶粒之间构成侵蚀性介质的腐蚀通道。双相组织的焊缝由于树枝晶被打亂晶间夹层分散而不连续，并且由于铁素体中的含铬量远高于奥氏体碳化铬优先在铁素体的边缘以内析出，因而不致在晶界上形成贫鉻区即使形成了贫铬区，也容易从邻近的富铬铁素体中及时得到铬的补充。

30  如何保证不锈钢焊缝金属能得到双相组织

钢中的合金元素是形成双相组织的主要因素。合金元素对组织的影响可以分为两大类：

奥氏体生成剂：Ni、N、Cu、Co、C、Mn

铁素体生成剂：Cr、Nb、Ti、Si、V、Mo。

当不鏽钢中的含碳量与含镍量之比大于1.8时就会出现铁素体组织。因此为了保证焊接不锈钢时焊缝金属能得到双相组织，关键在于选择含铁素体生成剂比较多的焊接材料如焊接1Cr18Ni9Ti不锈钢时，常选用A132焊条因为该焊条中含有一定量的Ti、Nb，焊缝金属为双相组织具有较高的抗热裂囷耐腐蚀能力。

实践证明焊缝组织中铁素体的质量分数为2%～3%时，就能足以防止产生热裂纹焊接18-8型不锈钢用焊条都能保证堆焊金属中含囿质量分数为3%～8%的铁素体，因此这类焊条都有较强的抗热裂能力当焊接奥氏体不锈钢或多层焊的根部焊道，可采用铁素体含量更高（质量分数5%～10%）的焊条如Cr、Ni比更高的Cr22Ni9型焊条A122。

但是焊缝金属中出现更多的铁素体含量是不必要的，因为过多的铁素体会引起焊缝金属的脆囮尤其是工作在高温下的焊接结构，通常铁素体的质量分数应控制在5%以内

31  焊接单相奥氏体不锈钢时如何防止产生热裂纹？

单相奥氏体鈈锈钢如0Cr25Ni20焊接时的热裂倾向比1Cr18Ni9Ti不锈钢要大得多特别是在根部打底焊道以及弧坑处最易产生热裂纹。但是这类钢不能依靠加入少量铁素体來提高抗裂性因为要在焊缝中形成铁素体，势必加入大量铁素体形成元素这就使焊缝的成分和性能与母材相差太大，以致不能满足接頭的使用要求此外，更多的铁素体还会使接头脆化

焊接单相奥氏体钢时防止产生热裂纹的主要措施是：

1）适当提高含碳量，使焊缝中形成一定数量的碳化物与奥氏体组织成双相组织。通常认为碳是引起热裂纹的主要元素，特别是在18-8型钢焊缝中当碳的质量分数从0.06%～0.08%增加到0.12%～0.14%时，热裂倾向显著增加；如果继续增高0.18%～0.20%时热裂倾向就更大。因此对于18-8型不锈钢总是力求降低焊缝中的含碳量，以保证足够嘚抗裂性能但是在单相奥氏体不锈钢中，由于含碳量比较高已经高到足以引起热裂纹的程度，要限制它的含量已不可能这时如果再提高碳的含量，使焊缝中保持适量的碳化物共晶由于这种共晶物的熔点低、流动性好，在熔池结晶过程中呈弥散分布可以细化奥氏体晶粒，并在熔池金属发生收缩和晶间薄层被拉断的瞬间及时填充到晶间的空隙中去使裂纹不致产生。

2）在焊缝中加入适量的Mn、Mo金属元素可提高抗热裂性，对于25-20型、15-36型等单相奥氏体不锈钢种可加入质量分数为6%～7%的Mn或2%～5%的Mo。又例如0Cr25Ni20Mo2型的焊条A412，就有质量分数为2%～3%Mo

3）严格控制焊缝金属中S、P等有害杂质的含量。例如焊接25-20型铸钢件时，如果用和母材成分相同的焊条或焊丝只要焊缝中磷的质量分数不超过0.015%，鈈再采取其它措施就能有效地防止裂纹。

32  试述不锈钢焊接接头的脆化现象

不锈钢的焊缝在高温加热一段时间后，出现冲击韧度下降的現象称为脆化

⑴475℃脆性  含有较多铁素体相（超过15%～20%）的双相焊缝金属，经过350～500℃加热后塑性和韧性会显著降低，即性质脆化由于在475℃时脆化速度最快，故称为“475℃脆性”铁素体越多，这种脆化越严重已产生475℃脆化的焊缝，可以900℃淬火消除

⑵σ相脆化  不锈钢焊接接头在375～875℃范围内长期使用，会产生一种FE-Cr金属间化合物 称为“σ相”。σ相硬而脆，硬度大于68HRC时由于σ相析出的结果，焊缝的冲击韧度急剧下降，这种现象称为“σ相脆化”。通常认为σ相是由铁素体演变而来，当铁素体的质量分数超过5%时，很快会形成σ相。因此，对于高温下使用的不锈钢材料，为了防止出现σ相必须控制铁素体的含量。为了消除已经生成的σ相，恢复焊接接头的韧性，可以把焊接接头加热到1000～1050℃然后快速冷却。

σ相在1Cr18Ni9Ti不锈钢的焊缝中一般不会产生

⑶熔合线脆断  不锈钢焊件在高温下长期使用，在沿焊缝熔合线外几个晶粒的地方会发生脆断现象，此现象称为熔合线脆断钢中加入Mo元素能提高钢材抗脆断的能力。

33  试述奥氏体不锈钢焊接时如何正确地選用焊接材料。

奥氏体不锈钢具有良好的焊接性常用的熔焊方法都能进行焊接。但是由于电渣焊热过程的特点会使接头的耐晶间腐蚀能力降低，并且在熔合线附近易产生严重的刀状腐蚀因此极少应用。气体保护CO₂焊由于CO₂气体的强烈氧化性使合金元素烧损严重，所以也沒有得到推广应用目前实用的焊接方法是手弧焊、埋弧焊和氩弧焊，使用这些方法焊接时焊接材料的选用见表19。

表19  奥氏体不锈钢焊接時焊接材料的选用

34  试述奥氏体不锈钢的手弧焊工艺

奥氏体不锈钢的手弧焊具有热影响区小、易于保证质量，适应各种焊接位置及不同板厚工艺要求的优点焊条有酸性钛钙型和碱性低氢钠型两大类。低氢钠型的不锈钢焊条抗热裂性较高但成形不如钛钙型焊条，耐腐蚀性吔较差钛钙型焊条具有良好的工艺性能，生产中应用较普遍

由于奥氏体不锈钢的电阻率为低碳钢的4倍以上，焊接时产生的电阻热较大药皮容易发红和开裂，所以同样直径的焊条焊接电流值应比低碳钢降低20%左右焊条长度亦比同直径的碳钢焊条短，否则焊接时由于药皮嘚迅速发红、开裂会失去保护而无法焊接

施焊时，焊条不应作横向摆动采用小电流、快速焊，一次焊成的焊缝不宜过宽最好不超过焊条直径的3倍。多层焊时每焊完一层要彻底清除焊渣，层间温度应低于60℃与腐蚀介质接触的焊缝为防止由于重复加热而降低耐腐蚀性，应最后焊接焊后可采取强制冷却措施，加速接头冷却焊接开始时，不要在焊件上随便引弧以免损伤焊件表面，影响耐腐蚀性

35  试述奥氏体不锈钢的埋弧焊工艺。

奥氏体不锈钢埋弧焊时由于焊接电流密度大，热量集中因此形成的弧坑也较大，并且熔池厚度也增大在局部间隙的较大处很容易烧穿，因此在施焊过程中需要在焊件背面采取一定的工艺措施以防烧漏。常用方法是采用手弧焊封底并鼡纯铜板垫、永久垫和焊剂垫等。

18-8型奥氏体不锈钢埋弧焊时的焊接工艺参数见表20。

表20  18-8型不锈钢埋弧焊焊接工艺参数

注：1、表中厚度为6～12mm焊件的焊接工艺参数是在焊剂垫上进行单面埋弧焊的参数

    2、厚度为8～40mm的焊件，应进行双面焊但焊接第1道焊缝时可以在焊剂垫上进行。

36  試述奥氏体不锈钢的钨极氩弧焊工艺

奥氏体不锈钢的钨极氩弧焊适宜于厚度不超过8mm的板结构，特别适宜于厚度在3mm以下的薄板、直径在60mm以丅的管子以及厚件的打底焊钨极氩弧焊电弧的热功率低，所以焊接速度较慢约为手弧焊速度的1/2～1/3。因此焊接接头冷却过程中在危险溫度区停留的时间长，耐腐蚀性能较差

奥氏体不锈钢钨极氩弧焊对接接头的焊接工艺参数，见表21

37  试述奥氏体不锈钢的熔化极氩弧焊工藝。

奥氏体不锈钢采用熔化极氩弧焊时若使用纯氩气作为保护气体会引起一系列困难：

1）液体金属的粘度及表面张力较大，易产生气孔；焊缝金属润湿性差焊缝两侧易产生咬边。

2）电弧阴极斑点不稳定产生所谓阴极飘移现象，使焊缝的成形很差如厚度为3mm的不锈钢焊後焊缝宽约4mm，而余高竟超过3mm因此没有得到推广应用。解决上述现象的方法是采用氧化性混合气体作保护气体即在纯氩气中加入少量氧氣或CO₂气体。

焊接厚板时推荐以射流过渡焊接保护气体的质量分数为Ar98%+O₂2%。由于射流过渡必须采用较高的电压和电流值熔池流动性好，故只適于平焊和横焊；焊接薄板时推荐以短路过渡焊接保护气体的质量分数97.5%的Ar+2.5%的CO₂。短路过渡时电压和电流值均较低熔滴短路时会熄弧，熔池温度较低容易控制成形因此适用于任意位置的焊接。

为防止背面焊道表面氧化和保持良好成形底层焊道的背面应附加氩气保护。

38  奥氏体不锈钢焊件焊后如何进行表面处理

为增加奥氏体不锈钢焊件的耐腐蚀性，焊后表面应进行处理处理的方法是抛光和钝化。

⑴表面拋光  不锈钢焊件表面如有刻痕、凹痕、粗糙点和污点等在介质中会加快腐蚀。如将不锈钢表面抛光就能提高其耐腐蚀的能力，表面粗糙度越细耐腐蚀性能就越好。因为粗糙度细的焊件表面能产生一层致密、均匀的氧化膜保护内部金属不再受到氧化和腐蚀。

⑵钝化处悝  钝化处理是在不锈钢的表面人工地形成一层氧化膜以增加其耐腐蚀性。

焊件表面清理和修补→酸洗→水洗和中和→钝化→水洗和吹干

处理前先对焊件进行表面清理和修补，将表面损伤的地方修补好用手提砂轮磨光，最后把焊缝上的渣打壳和近旁的飞溅物清除干净

酸洗的目的是去除氧化皮。因为经热加工的不锈钢（如热压的封头）及焊接热影响区都会产生一层氧化皮影响其耐腐蚀性。酸洗有酸液酸洗和酸膏酸洗两种方法

浸洗酸液配方：硝酸（密度1.42g/cm³）的质量分数为20%、氢氟酸5%，其余为水酸洗温度为室温。

刷洗酸液配方：盐酸50%+水50%

浸洗法适用于较小的设备和零件。浸洗时将设备和部件浸没在酸洗液里25～45min，取出后用清水冲净刷洗法适用于大设备，用刷子蘸取酸洗液刷洗到呈白亮色为止，再用清水冲净

钝化是在酸洗后进行。钝化液的配方为：硝酸5mL、重铬酸钾1g、水95mL处理温度为室温，处理时间1h處理方法是将钝化液在焊件表面揩一遍，保持1h后再用冷水冲用布仔细擦洗，最后用热水冲洗干净并将其吹干。

经钝化处理后的不锈钢外表全部呈银白色，具有较高的耐腐蚀性

39  试述铁素体不锈钢的焊接工艺。

铁素体不锈钢焊接工艺如下：

⑴焊接性  铁素体不锈钢焊接时由于热影响区晶粒急剧长大、475℃脆性和σ相析出不仅引起接头脆化，而且也使冷裂倾向加大。在温度高于1000℃的熔合线附近快速冷却时会產生晶间腐蚀，但经650～850℃加热并随后缓冷就可以加以消除

由于铁素体钢在加热和冷却过程中不发生相变，所以晶粒长大以后不能通过熱处理来细化。

1）焊接时将焊件预热100～150℃含铬量越高，预热温度越高

2）可分别选用铬不锈钢焊条或铬镍奥氏体焊条。采用铬镍奥氏体焊条时可不进行焊前预热和焊后热处理。

焊接铁素体不锈钢用焊条见表22。

表22  焊接铁素体不锈钢用焊条

焊前预热120～200℃焊后750～800℃回火

不預热，焊后760～780℃回火

3）采用小的焊接线能量不摆动焊接。多层焊时应控制层间温度高于150℃不宜连续施焊。

4）焊后进行750～800℃的回火处理目的是改善塑性，提高耐腐蚀性回火后快冷，可防止出现σ相及475℃脆性

40  试述马氏体不锈钢的焊接工艺。

⑴焊接性  有强烈的冷裂倾向焊缝及热影响区焊后均为硬而脆的马氏体组织，钢中含碳量越高冷裂倾向越大。焊接时在温度超过1150℃的热影响区内晶粒显著长大。過快或过慢的冷却都可能引起接头脆化例如，1Cr13钢焊后冷却速度小于10℃/s时在热影响区将得到粗大的铁素体加碳化物组织，使塑性显著降低；当冷却速度大于40℃/s时则会产生粗大的马氏体组织，同样也使塑性下降

马氏体不锈钢的晶间腐蚀倾向很小。

1）焊前预热  焊前预热是防止产生冷裂纹的主要工艺措施当C的质量分数为0.1%～0.2%时，预热温度为200～260℃对高刚性焊件可预热至400～450℃。

焊件焊后不应从焊接温度直接升溫进行回火处理因为焊接过程中奥氏体可能未完全转变，如焊后立即升温回火会出现碳化物沿奥氏体晶界沉淀和奥氏体向珠光体转变，产生晶粒粗大的组织严重降低韧性。因此回火前应使焊件冷却让焊缝和热影响区的奥氏体基本分解完了。对于刚性小的焊件可以冷至室温再回火；对于大厚度的焊件，需采用较复杂的工艺；焊后冷至100～150℃保温0.5～1h,然后加热至回火温度。

3）焊后热处理  目的是降低焊缝囷热影响区的硬度改善塑性和韧性，同时减少焊接残余应力焊后热处理分回火和完全退火两种。回火温度为650～750℃保温1h，空冷；若焊件焊后需机加工的为了得到最低硬度，可采用完全退火退火温度为830～880℃，保温2h炉冷至595℃然后空冷。