金属材料焊接基础知识
金属材料焊接基础知识
焊接的常用金属材料包括碳素钢、普低钢、耐热钢、不锈钢、铸铁等。由于不同金属材料的化学成分、使用性能、工作条件和淬硬倾向均不尽相同，因而在焊接过程中，如果采取的工艺措施不正确，常常会产生裂纹、气孔等缺陷。这就要求合理地选择焊接方法，正确地选用焊接材料，采取必要的预热、后热及焊后热处理等工艺方法来减少和防止这些缺陷，避免因此而所带来的危害。
一、热裂纹、冷裂纹及气孔
裂纹是焊接结构最危险的缺陷，不仅会使产品报废，而且还可能引起严重的事故。在焊接生产中出现的裂纹形式多种多样。有的裂纹出现在焊缝表面，肉眼就能观察到;有的裂纹隐藏在焊缝内部，不通过探伤检查就无法发现。有的裂纹产生在焊缝中，有的则产生在热影响区中。平行于焊缝的裂纹称为纵向裂纹，垂直于焊缝的裂纹称为横向裂纹，而产生在收尾处弧坑的裂纹称火口裂纹或弧坑裂纹（图91）根据裂纹产生的情况，可把焊接裂纹归纳为热裂纹、冷裂纹、再热裂纹和层状撕裂。下面主要讨论较常 见的热裂纹和冷裂纹。
1.热裂纹
焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近高温区产生的裂纹称为热裂纹。热裂纹绝大多数产生在焊缝金属中，露出焊缝外表面的裂纹断面有明显的氧化色彩。热裂纹发生在晶界上，一般为沿晶裂纹。
（1）热裂纹产生的原因 由于焊接过程是一个局部加热的过程，焊缝金属从液态变成固体时，体积要缩小，同时凝固后的焊缝金属在冷却过程中体积也会收缩，而焊缝周围金属阻碍了上述这些收缩，使焊缝受到一定的拉应力作用。在焊缝刚开始凝固和结晶时，这种拉应力就产生了，但不会引起裂纹，因为此时晶粒刚开始生长（图9—2a），液体金属比较多，流动性比较好，可以在晶粒间自由流动，因而由于拉应力而造成的晶粒间的间隙都能被液体金属填满。当温度继续下降时，柱状晶体继续生长，拉应力也逐渐增长。如果此时焊缝中有低熔共晶体存在，则由于它熔点低，固晚，被柱状晶体推向晶界。聚集在晶界上。因此当焊缝金属大部分已经凝固时，这些低熔点金属尚未凝固。在晶界就形成所谓"液体夹层"（图9—2b）。这时，拉应力已变得较大，而液体金属本身没有什么强度，晶粒与晶粒之间的结合就大为削弱，在拉应力的作用下量可能使柱状晶体的空隙增大。而低熔点液体金属又不足以填充增大了的空隙，这样就产生了裂纹。如果没有低熔点共晶体存在，或者数量很少，则晶粒与晶粒之间的结合比较牢固，即使有拉应力作用，也不产生裂纹。
由此可见，拉应力是产生热裂纹的外因，晶界上的低熔点共晶体是产生热裂纹的内因，拉应力作用在低熔点共晶体处的晶界上而造成裂纹。
（2）影响生成热裂纹的因素
1）合金元素对生成热裂纹的影响 合金元素是影响热裂纹倾向最根本的因素，其中主要有以下几个∶
①硫。硫在钢中能形成多种低熔点共晶体，硫与铁会形成FeS，FeS 与铁以及FeS 与FeO 会形成熔点分别为985℃和940℃的低熔点共晶体，它们的熔点比钢的熔点要低得多。这些低熔点共晶体在焊缝结晶时聚集在晶界上，当焊缝金属大部分已凝固时，它尚未凝固，形成液态薄膜，因而显著增大热裂纹倾向。在焊接含镍的高合金钢和镍基合金时，硫更是有害的元素。硫与镍能形成熔点更低的低熔点共晶体，其熔点仅为664℃。当含硫量超过0.02% 时就有产生热裂纹的危险。
②碳。当碳素钢和低合金钢中含碳量增加时，焊缝金属的淬硬性增加，焊缝中由于组织变化而产生的应力增大，从而增大产生热裂纹的倾向。
另外，碳易与钢中的铬、镍等元素形成低熔点共晶体，并且能降低硫在铁中的溶解度，被析出的硫就会富集在晶界上，因而增大热裂纹的倾向。
③硅。当硅含量超过0.4% 时，容易形成硅酸盐夹杂，增大热裂纹的倾向。
2）一次结晶组织对热裂纹倾向的影响 熔池金属在一次结晶过程中，晶粒的大小、形态和方向对焊缝金属的抗裂性有很大的影响。一次结晶的晶粒越粗大，柱状晶的方向性越明显，则产生热裂纹的倾向就越大。
3）力学条件对产生热裂纹的影响 焊接拉应力是产生裂纹的必要条件。当结构形状复杂、接头刚性大、焊缝冷却速度快和焊接顺序不合理时，焊接拉应力增大，热裂纹倾向就大。
（3）防止热裂纹产生的措施
1）降低母材和焊丝的含硫量 碳钢和低合金钢的焊接母材含硫量应分别不大于0.025%和0.045%;其所用焊丝的含硫量一般不大于0.03%。焊接高合金钢时，所用焊丝的含硫量不大于0.02%。
2）降低焊缝的含碳量 通过实践得知，当焊缝金属中的含碳量小于0.15% 时，产生裂纹的倾向就小。所以一般碳钢焊丝（如H08、H08A、H08Mn2Si、H08Mn2SiA 等）最高含碳量都不超过0.11%。在焊接低合金高强度钢时，也尽量减小焊缝金属的含碳量。由于含碳量降低会使焊缝强度降低，因此要通过渗入其他合金元素使焊缝保持一定的强度。例如，平均含碳量为0.3%的低合金高强度钢30CrMnSiA，使用的焊条芯为H18CrMoA，其平均含碳量只有0.18%;为提高焊缝强度，加入适量的钼。CO2气体保护焊这种材质的薄钢板时，采用的焊丝为H08Mn2SiA，其最高含碳量仅为0.11%。
3）提高焊丝的含锰量 锰能与 FeS 作用生成MnS。MnS 的熔点比较高，不会与其他元素形成低熔点共晶体，所以可降低硫的有害作用。一般在含锰量低于2.5% 时，锰均可起到有益的作用。在高合金钢和镍基合金中，同样可利用锰来消除硫的有害作用。
4）加变质剂 在焊缝金属中加入钛、铝、锆、硼或稀土金属铈和镧等变质剂可起细化晶粒的作用，使晶粒相对增多，晶界也随之增多。这样，即使焊缝中存在低熔点共晶体，也会被分散开来，使分布在晶界局部区域的杂质数量减少，而有利于消除热裂纹。最常用的变质剂是钛。
5）形成双相组织 例如，焊接铬镍奥氏体不锈钢时，焊缝形成奥氏体加铁素体（<5%）的双相组织，打乱了奥氏体相的方向性而使焊缝组织变细，同时还提高了焊缝的抗热裂性能。
6）采用适当的工艺措施 例如，选用合理的成形系数;选择合理的焊接顺序和焊接方向;对焊件采用焊前预热和焊后缓冷等措施，可有效地减小焊接应力。防止热裂纹的产生。
2.冷裂纹
冷裂纹是指焊接接头冷却到较低温度（对于钢来说在 M.温度以下）时产生的焊接裂纹。冷裂纹可以在焊后立即出现，也可以延迟几小时、几周，甚至更长的时间以后产生，所以冷裂纹又称为延迟裂纹。冷裂纹大多产生在母材或母材与焊缝交界的熔合线上，显露在接头金属表面的裂纹，其断口发亮。冷裂纹一般为穿晶裂纹。
（1）冷裂纹产生的原因
1）淬硬倾向 焊接时，钢的淬硬倾向越大，越易产生冷裂纹。因为淬硬倾向越大，就意味着得到更多的马氏体组织。马氏体是一种硬脆的组织。在一定的应变条件下，马氏体由于变形能力低而易发生脆性断裂，形成裂纹。
2）氢的作用 焊接时，熔池金属吸收了较多的氢。除一部分氢逸出外，仍有一部分氢留在凝固的焊缝金属中。随着温度的降低、焊缝金属将开始发生组织转变。如果焊接易淬火钢，焊缝金属将从奥氏体转变为马氏体。氢在马氏体中的溶解度小于其在奥氏体中的溶解度。因此，在焊接接头冷却时，析出的氢就向周围的热响区扩散，待热影响区组织也转变成马氏体后，便有相当多的氢聚集在熔合线附近，形成一个富氢带。当这个区域存在晶格空位、空穴等显微缺陷时，氢原子就会在这些部位结合成分子状态的氢，给局部区域造成很大的压力。当奥氏体组织转变成马氏体组织时，由于体积膨胀而产生的相变应力等就会使钢产生冷裂纹。
3）焊接应力 一是焊接接头内部存在的应力，包括由于温度分布不均造成的温度应力和由于相变（特别是马氏体转变）形成的组织应力;二是外部应力，包括刚性约束条件、焊接结构的自重、工作载荷等引起的应力。
总之，氢、淬硬组织和应力是导致冷裂纹的3个主要原因。在不同情况下，三者之一是主导的因素。例如，一般低碳低合金高强度钢虽有高的淬透性，但低碳马氏体组织对氢的敏感性不太大; 可是当含氢量达到一定数值时，仍产生了裂纹。此时，冷裂纹产生的主要原因是氢。又如， 中碳高强度合金钢具有高的淬硬性。而淬硬组织对氢的脆敏感性较高。此时冷裂纹产生的主要原因是淬硬组织。再如，当焊根有未焊透或咬边等缺陷，以及余高截面变化很大时，存在较高的应力集中区时，应力就成为冷裂纹产生的主要因素。
（2）防止冷裂纹产生的措施
1）焊前预热和焊后缓冷 焊前预热措施包括∶ 对焊件总体加热;或者对焊缝附近区域的局部加热; 或者边焊接边不断补充加热。通过预热，可减小焊接时由于温差边大而产生的焊接应力，还可减缓冷却速度，改善接头的显微组织。
可以采用绝热材料（石棉布、玻璃纤维等）包扎焊缝进行焊后缓冷，降低焊接热影响区的硬度和脆性，提高塑性、并使接头中的氢加速向外扩散。
2）采用减少氢的工艺措施 焊前，将焊条、焊剂按要求严格烘干，并且随用随取; 仔缩清理坡口。去油除锈。防止将环境中的水分带入焊缝中;正确选择电源与极性。在操作时，焊条不应随意乱放在潮湿的地上以免受潮;不使用药皮脱落的焊条;尽量采取短弧焊接等。
3）合理选用焊接材料 选用碱性低氢型焊条，可减少带入焊缝中的氢。采用不锈钢或奥氏体镍基合金材料制作的焊丝和焊条芯。因为在焊接高强度钢时，这些合金的塑性较好，可抵消马氏体转变时造成的一部分应力，而且这类合金均为奥氏体，氢在其中的溶解度高，扩散速度慢，使氢不易向热影响区扩散和聚集。
4）采用适当的工艺参数 适当降低焊接速度，可使焊接接头的冷却速度慢一些。过高的焊接速度易产生淬火组织;过低的焊接速度会使热影响区严重过热，晶粒粗大，热影响区的淬火区加宽。这两种不恰当的焊接速度都将促使冷裂纹产生。因此应选择合适的工艺参数。
5）选用合理的装焊顺序 合理的装焊顺序、焊接方向，可以改善焊件的应力状态。
6）进行焊后热处理 焊件在焊后及时进行热处理，如进行高温回火，可使氢扩散排出，也可改善接头的组织和性能，减小焊接应力。
3.气孔
焊接时，熔池中的气泡在熔池金属凝固时未能及时逸出，而残留下来所形成的空穴，称为气孔。气孔的形状有球形、椭圆形、链状和蜂窝状等。位于焊缝表面的气孔称为外部气孔，位于焊缝内部的气孔称为内部气孔。
气孔对焊缝的性能有很大的影响，不仅减小焊缝的有效工作截面，使焊缝力学性能下
降，而且破坏了焊缝的致密性，容易造成泄漏。气孔严重时，会使金属结构在工作时破坏。在熔焊中氢气、一氧化碳、氮气是形成气孔的主要因素。
（1）影响因素
1）铁锈和水分 铁锈是氧化铁的水化物（通式为mFe202·nH2O）。在电弧高温作用下，以结晶水形式存在的水分产生大量的水蒸气，并使铁氧化而产生氢气。这些氢以原子或正离子的形式进入熔池，扩散至熔池金属中。在冷却过程中，氢原子或氢离子随着溶解度急剧下降而析出，如果它们不能逸出金属，便形成氢气孔。
2）焊接的冶金作用 在焊接熔池中，产生一氧化碳的途径主要是∶碳被氧直接氧化;通过FeO与C的冶金反应而生成。一氧化碳不溶解在液体金属中，大部分以气泡的形式从熔池金属中逸出。但是，随着冷却过程中金属液体的黏度增大，来不及逸出的一氧化碳气体便形成了气孔。
3）熔池受到空气侵入 如果熔池没有得到有效的保护，受到空气的侵人时才会出现氮气孔。在正常情况下很少会形成氮气孔。
4）其他影响因素 影响焊缝中形成气孔的因素还有很多，如焊条的种类、电源极性、电弧长度、焊接速度和焊接方法等。碱性焊条比酸性焊条对铁锈和水分敏感性大得多。当使用碱性焊条时，如果使用前焊条没有烘干或烘干温度和时间不够，焊缝就很容易产生气孔。如果使用直流弧焊电源时，采用直流反接比直流正接时产生气孔的倾向要小。电弧长度过大时，熔池失去了气体的保护，空气很容易侵入熔池形成气孔。焊接电流偏低或焊接速度过快，熔池存在时间短，气体来不及从熔池金属中逸出，易形成气孔。埋弧自动焊时使用过高的电弧电压以及网络电压波动过大也易产生气孔。
（2）防止气孔的措施
1）.焊前仔细清理焊件，在焊缝两侧20~30 mm 范围内进行除锈去污。
2）焊前将焊条或焊剂按规定进行烘干，焊丝不得生锈。
3）加强熔池保护，焊剂或保护气体送给不能中断。采用短弧焊接
4）正确选择焊接工艺参数，运条速度不得太快;对导热快、散热而积大的焊件，如果周围环境温度低时，应进行预热。
5）选用含碳量较低及脱氧能力强的焊条，并采用直流反接进行焊
二、预热、后热及焊后热处理
1.预热
（1）预热的作用 预热能降低焊后冷却速度，而对于给定成分的钢种，焊缝及热影响区的组织和性能取决于冷却速度的大小。对于易淬火钢，通过预热可以减小淬硬程度，防止产生焊接裂纹。另外，预热可以减小热影响区的温差，在较宽范围内得到比较均匀的温度分布，有助于减小因温差而造成的焊接应力。因此，对于有淬硬倾向的钢材，经常采用预热措施。对于铬镍奥氏体钢，预热使热影响区在危险温度区的停留时间增加，从而增大腐蚀倾向。因此，在焊接铬镍奥氏体不锈钢时，不可进行预热。
（2）预热温度及方法 预热温度的选择应根据焊件的成分，结构刚性、焊接方法等因素综合考虑，并通过焊接性试验来确定。预热一般是在坡口两侧约80 m 范围内均匀加热，加热宽度应大于5 倍的板厚。常采用火焰加热应加热和红外线加热等方法。
2.后热
（1）后热的作用 焊后，为防止焊件急冷，将焊件保温、缓冷，可以减缓焊缝和热影响区的冷却速度，起到与预热相似的作用。对于冷裂纹倾向性大的低合金高强度钢等材料还有一种专门的后热处理——消氢处理，即在焊后立即将焊件加热到250～350℃，保温2～6h后空冷。消氢处理的目的主要是使焊缝金属中的扩散氢加速逸出，降低焊缝和热影响区中的氢含量，以防止产生冷裂纹。对于焊后要求进行热处理的焊件，因为在热处理过程中可以达到除氢目的，所以不需要另外进行消氢处理。但是，焊后如果不能立即热处理而焊件又必须及时除氢时，则需及时进行消氢处理;否则，焊件有可能在热处理前的放置期内产生裂纹。
（2）后热的方法 除加热温度与预热所选取的温度有所不同外，后热的加热方法、加热区宽度、加热区域等与预热相同。
3.焊后热处理
（1）焊后热处理的目的和种类 焊后热处理是将焊件整体或局部加热保温，然后炉冷或空冷的一种处理方法。它可以降低焊接残余应力，软化淬硬部位，改善焊缝和热影响区的组织和性能，提高接头的塑性和韧性，稳定结构的尺寸。
常用的焊后热处理种类包括∶在600～650℃范围内退火，来消除应力;在低于A点的温度下进行高温回火;进行稳定化处理，可以改善铬镍奥氏体不锈钢抗腐蚀性能。
（2）焊后热处理的工件类型 母材金属强度等级较高，产生延迟裂纹倾向较大的普通低合金钢;处于低温下工作的压力容器及其他焊接结构，特别是在脆性转变温度以下使用的压力容器;承受交变载荷工作。有疲劳强度要求的构件;大型受压容器;有应力腐蚀和焊后要求几何尺寸稳定的焊接结构。
（3）焊后热处理的方法
1）整体加热处理 将焊件置于加热炉中整体加热处理，可以得到满意的处理效果。焊件进炉和出炉耐的温度应在300℃ 以下，在300℃以上的加热和冷却的速度应不大于（500/δ）℃/h （δ为板厚。mm）。厚壁容器的加热和冷却速度为（50～150）℃/h，整体处理时炉内最大温差不得超过50℃。如果焊件太长需分成2 次热处理时，重叠加热部分应在1.5 m 以上。
2）局部热处理 简单筒形容器或管件的形状比较规则，但是尺寸较长不便整体处理。对这类工件可以进行局部热处理。局部热处理时，应保证焊缝两侧有足够的加热宽度。筒体的加热宽度可取5√Rδ mm （R为筒体半径，mm;δ为筒体壁厚，mm）。局部热处理常采用火焰加热、红外线加热、工频感应加热等方法。
三、焊条的选用依据
1.焊件的力学性能、化学成分
（1）低碳钢、中碳钢和低合金钢可按其强度等级来选用相应强度的焊条。在焊接结构刚性大、受力情况复杂时，应选用比钢材强度低一级的焊条。这样，焊后可保证焊缝既有一定的强度，又能得到满意的塑性，以避免因结构刚性过大而使焊缝撕裂。但遇到焊后要进行回火处理的焊件，则应防止焊缝强度过低和焊缝中所需合金元素含量达不到要求。
焊接一般合金结构钢时，焊条的选用仍以强度等级为依据。焊接其余钢类材料 （如耐热钢、不锈钢）时，焊条的选择应从保证焊接接头的特殊性能出发，要求焊缝金属的主要合金成分与母材相近或相同。
（2）焊条的强度确定后，需要进一步确定焊条的性质。选用酸性焊条还是碱性焊条，这主要取决于焊接结构、钢材厚度（即刚性的大小）、焊件载荷的情况（静载还是动载） 和钢材的抗裂性及得到直流电源的难易等。一般来说，如果焊缝要求塑性、冲击韧性和抗裂性能较高，且在低温条件下工作，应选用碱性焊条。如果低碳钢焊件受某种条件限制而无法清理坡口处的铁锈、油污和氧化皮等脏物，应选用对铁锈、油污和氧化皮敏感性小，抗气孔性能较强的酸性焊条。
（3）焊接低碳钢与低合金钢、不同强度等级的低合金钢等时，一般选用与较低强度等级钢材相匹配的焊条。
2.焊件的工作条件及使用性能
（1）如果焊件的工作环境有特定要求（如低温、水下等），应选用相应条件的焊条 （如低温焊条、水下焊条等）。
（2）珠光体耐热钢一般选用与钢材化学成分相似的焊条，或根据焊件的工作温度来选取。
3.简化工艺、提高生产率、降低成本
（1）薄板焊接或点焊宜采用E4313 型焊条，焊件不易烧穿且易引弧。
（2）在满足焊件使用性能和焊条操作性能的前提下，应选用规格大、效率高的焊条。
（3）在使用性能基本相同时应尽量选择价格较低的焊条。
焊条除依据上述要求选用外，有时为了保证焊件的质量还需通过试验确定。另外，为了保障焊工的身体健康，在允许的情况下应尽量多采用酸性焊条。
四、手工堆焊及焊补
1.手工堆焊技术
堆焊主要用来修复机械设备工作表面的磨损部分和金属表面的残缺部分。以恢复结构原来的尺寸，或堆焊耐磨、耐蚀的特殊金属盖面层。
（1）修补堆焊所用的焊条成分一般和焊件金属相同。堆焊特殊金属表面时，应选用专用焊条，以适应工件的工作需要。
（2）堆焊前，对堆焊处的表面必须仔细清除杂物、油脂。
（3）堆焊第二条焊道时，必须熔化第一条焊道的1/3～1/2宽度（图9—3），这样才能使各焊道间紧密连接，并能防止夹渣和未焊透等缺陷的产生。
（4）进行多层堆焊时，由于加热次数较多，且加热面积又大，焊件极易产生变形，甚至会产生裂纹。这就要求第二层焊道的堆焊方向与第一层互相成90°（图9—4），同时为了使热量分散，还应注意堆焊顺序（图9—5）。
（5）轴堆焊时，可按图9—6 所示的堆焊顺序进行，即采用纵向对称堆焊和横向螺旋形堆焊。堆焊时，应注意每条焊缝结尾处不应有过深的弧坑，以免影响堆焊层边缘的成形，因此应采取将熔池引到前一条堆焊缝上的方法。
（6）为了增加堆焊层的厚度，减少清渣工作，提高生产效率，通常将焊件的堆焊面置于垂直位置（图9—7），用横焊方法进行堆焊;有时也可将焊件放成倾斜位置，采用上坡焊法。为了满足堆焊后焊件表面机械加工的要求，应留有一定厚度（3～5mm）的加工量。
2.铸钢件缺陷和裂纹的焊补技术
（1）缺陷的焊补铸钢件的缺陷一般有2 种∶一是明缺陷，焊接时电弧能直接作用到整个缺陷表面;二是暗缺陷，焊接时只能在局部缺陷上进行焊补。修补缺陷时，除了要遵守堆焊的规则外，还应特别注意要对焊前缺陷处进行清洁修正，使缺陷完全显露，并露出新的金属光泽，还应注意城口不应有尖锐的形状，以防止产生未焊透、夹渣等缺陷。
1）明缺陷的焊补将缺陷表面清除干净，用E5015 型焊条按照堆焊的方法把缺陷填满即可。如果铸钢件较大。为了防止产生裂纹，可在焊补处进行局部预热（温度为300～350℃ )。
2）暗缺陷的焊补 必须认真修正缺陷，除去妨碍电弧进入的金属，待缺陷完全暴露且清除干净后进行焊补。其方法与明缺陷的焊补相同。
（2）裂纹的焊补 焊补前应彻底检查裂纹，并用錾削或碳弧气刨的方法将裂纹修成一定的坡口形式。坡口底部避免尖角形状。为了避免在錾削过程中裂纹受振动而蔓延，錾削前应在裂纹的两端钻直径φ10～φ15 mm 的小孔。小孔的位置如图9—8 所示。裂纹的焊补一般采用E5015 型焊条，焊后的焊缝强度和塑性均能满足要求。在焊接过程中，还要注意焊接顺序。根据具体情况，在焊接前还可以在焊补处进行局部预热（温度为300～350℃）。同时，在焊接过程中及焊后应适当敲击焊缝处，以消除局部应力，防止产生新的裂纹。