碳素结构钢及低合金高强钢焊接方法选择
08-22 13:18:35 浏览次数:788次 栏目：结构设计
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碳素结构钢及低合金高强钢焊接方法选择,http://www.gong66.com
低C调质钢特别是CP钢，含C量极低，热影响区只能形成低C马氏体、巳由于Ms点较高，能产生自回火，所以冷裂倾向不大，又由于含C，S量都低，Mn/S大，所以热裂倾向很小，只要注意工艺的选用，不管是手工焊、埋弧焊，实心或药芯气保焊均可保证焊接质量。可以看出，选择焊材可以保证焊缝成分，但更重要的是选择合适的工艺。
选用气保焊焊接上述两种钢，应该说是最合适的方法，因为它热量集中，容易控制热输入，又是一种低H焊接法；在允许的同样线能量下，其焊接效率又大大高于手工焊，焊接变形小，不易引起应力集中和矫正工时，但是为什么至今在部分单位得不到认同呢?其原因首先是方法本身的局限性：气保焊有惰性气体非熔化极(T1G)、CO2气体实心焊丝和药芯焊丝、氧化性混合气体实心和药芯焊丝几种。除TIG外均可用于此二种钢，与手工焊和埋弧焊相比，实心焊丝保护焊不是气渣联合保护，在调整成分方面主要通过焊丝。在冶金反应方面单—，所以为保证质量，冶炼专用配套焊丝很重要；另外，由于气体起保护作用并参与热反应，有许多优点(如能形成带电离子和压缩电弧，电弧能量密度加大，低H)也有其缺点(如增C，形成气孔)，所以，在焊接碳素结构钢和热轧正火低合金钢常用的焊丝中，降低含C量，加大Mn、Si含量以保证焊缝的金属成分和性能，特别是韧性。除气保焊本身局限性外，我国配套焊丝极不完善(H08Mn2Si和H08Ma2SiA)，这就是许多部门采用气保焊后不能达到希望的焊缝性能的原因。特别是在焊接低C调质钢时，需要针对钢种选用合适的焊丝。加之选择工艺程序不合理，设备使用不当，气体选用处理不当，工人又都是手工焊转行，自然推广气保焊就有一定阻力。
5 关于韧性
对韧性的担心源于焊接接头的低应力破坏，而低应力破坏的原因，是材料在一定温度下的塑脆转变和接头存在的缺陷扩张造成的，因此从质量保证体系上分别用冲击韧性和断裂韧性指标来控制以上两种原因所引起的脆性破坏。
虽然过去发生的脆断实例均是在有缺陷的情况下产生的，但是接头中微小缺陷难于检测，而且断裂韧性的实验过于复杂，所以一般结构均以控制冲击韧性指标为主，但冲击韧性指标是材料塑性和强度的综合指标，塑脆转变温度又是一个范例，所以它不能单一成比例的反映其塑性。
材料冲击韧性指标的确定过程(例如碳素钢的常温为27J，低合金钢-20℃及-30℃为47J)，是以分析过去脆断实例和有关实验为基础且有一定裕量，所以在满足指标要求又不存在可检缺陷时，一般不会发生脆断事件，对重要结构还应做断裂韧性实验。
焊接接头的韧性包括焊缝及近缝区韧性，近缝区的韧性主要与近缝区的脆化有关，近缝区脆化原因与晶粒数、析出相、灰杂物偏析、组织及其变化有关。所以提高接头韧性，对应控制焊缝合金化和热循环；而对近缝区只能合理选择母材、控制线能量和热循环。
关于三峡工程所用两种钢的韧性控制问题，16MR焊接在我国已很有经验；对于610U2钢，制造厂成分匹配合理和炼钢技术高超，CEQ和PCM很低，综合性能很好，其冲击韧性在-20℃时均达200J以上；在选择焊材和焊接方法上，三峡的实践证明手工焊冲击韧性最高；但不能因此则认为只能用手工焊。
根据以上分析，提高焊缝韧性决定于合金化和冷却速度(线能量和子热等)。而合金化靠选择焊材和保证过渡，因此，手工焊和气保焊药芯丝较有利，因为在国内手工焊条配套最全，两者均是气渣联合保护，但其它方法也都可以保证控制焊缝成分；对近缝区，由于母材已定，应从焊接工艺上控制线能量及预热手段。所以不管上述的那种焊接方法，只要能选择合适的焊材和焊接工艺，均可保证韧性要求，但对韧性指标的要求应科学而适当。
从青云和葛洲坝集团提供的材料看，实验虽还不完善，但数据也完全说明此结论(见6.1，6.2内容)。无限制提高冲击韧度裕量不但在经济上不可取，在保证质量方面也无大好处，因为冲击韧度是代表塑性和强度的综合指标，冲击韧度很高时，σs会相应提高，断裂韧性的指标-裂纹容限尺寸就会减小，所以接头冲击韧度数值应保证其最低平均值达到母材的设计保证值且有一定裕量即可，不应以母材实测值为标准。
6 关于C02实心焊丝和药芯焊丝焊接
6.1 关于实心焊丝的焊接
实心焊丝气保护焊应是这两种钢的首选工艺方法，不仅可在厂房内预制，还应用到工地安装上，但要在工地风力允许或解决防风措施情况下，上面已阐述了此方法的优点，效率是手工焊的2～3倍，低H，特别是脉冲焊，在平均电流较低的情况下达到大熔深，并能控制热输入和全位置焊的成形。
①此方法的韧性不但被过去的实践证明，本次葛洲坝集团的实验也证明了接头具有良好的冲击韧性，其数据如下：
--------------------------------------------------------------------------------
焊丝和保护气所达到的冲击韧性(平均值)J(-20℃)
钢种 冲击韧性 部位
--------------------------------------------------------------------------------
要求值 国产08MnSi+CO2 日本MG50，Ar+20%CO2
--------------------------------------------------------------------------------
16MnR ≥27(常温) 焊缝热影响区 45 94～124
49 74～152
≥47(-20℃) 焊缝热影响区 日本MG60，Ar+20%CO2 MGA63B，Ar+20%CO2
610U2 ≥47(-40℃) 108.6 105～128
265 > 294，不断
--------------------------------------------------------------------------------
②过去，实心焊丝CO2保护焊不被人欢迎的的另一个原因是这种方法飞溅大，焊缝成型不美观，设备复杂等，但随着技术进步，随着对工艺方法本质的认识和设备不断改进，利用气保焊工艺方法的特点和设备配合，可取得更大效益。
由于气保焊的特点，熔滴过渡有短路、大滴、喷射三种方式 初期，三种过渡方式只决定于电弧电压和电流参数，在短路和大滴过渡时，熔滴是非轴向过渡，颗粒又大，所以焊接飞溅很大。而对于CO2气体又很难得到细滴喷射。后来采用了富氩的混合气体保护(Ar+20%～25%CO2或Ar+2%～5%C02)，使产生喷射过渡的临界电流大大下降，焊接时飞溅极少，无噪音，全位置焊时易成形。
气保焊的另一个技术进步就是脉冲焊的应用，脉冲焊采用峰值电流和维持电流间断改变，这对特殊(横立仰全位置)焊接有很大好处，而且对需控制热输入的材料以小的热输入(小的平均电流)达到高效高质量焊接。初期要得到脉冲焊较难，因为气保焊的电流大小决定于送丝速度，小规范时，送丝速度低，为短路过渡，电弧不稳，飞溅大，而现在设备先进，特别是逆变技术和计算机技术的结合，使脉冲焊不必以脉动送丝取得，且可在任意电流下得到喷射过渡，也可得到频率范围很宽的脉冲焊接——即现在几种混合气体不必单独输送，气体厂已混合好，另外焊把已把气丝电合一，送丝机经中间装置可长距离送丝。所以，根据其效率高，质量好，特别是脉冲焊的优点，应该尽量在工地安装中应用。
6.2 关于药芯焊丝的焊接
药芯焊丝有气保护和自保护两大类，白保护主要用于工地安装和用气不方便的地方，防风能力可达四级(<15m/s，)，由于仅靠熔渣和造气剂保护，药粉量相对焊条比例较少(焊条占30%，药芯占15%)，所以一般不用于重要结构。
气保护药芯焊丝属气联合保护，兼有气保护焊和手工焊两方面的优点，例如高效、冶金反应完善、工艺性能好、低H。特别是弧稳，飞溅少，熔敷速度是各种焊接方法中最高的，而且可以采用大电流进行全位置焊，对设备要求低等独特优点。所以国外此种方法的应用速度最快，且有适应各种要求的产品供选择。
气保护药芯焊丝为气渣联合保护，其药皮与焊条相同，有钛型(酸性)、钙型(碱性)、钛钙型(中性或弱碱性)。酸性工艺性能好，碱性工艺性能不好，但塑韧性高。中性介于其间。
为什么认为药芯焊丝的韧性不好呢?主要还是焊材选择不当和工艺不合理而不是这种方法固有的，特别是对气保护的气渣联合情况。其实本次会议提供的实验资料也说明了这点。葛洲坝集团搜集的一些资料，其中说气保护药芯焊丝“焊缝冲击韧性低，扩散氢含量大，CO气孔及氢致裂纹倾向大……”但未指明各自的出处，因为他们调研的岩滩和隔河岩均用的是自保护焊丝NR203Nil，又说韧性塑性较低，但到底是多大?使用后有什么问题并未说明，相反在青云公司所作的药芯焊丝的实验中，其结果却相反。实验结果中16MnR用国产芯焊丝GL-YJ502(Q)，CO2保护，其机械性能全部合格，其冲击值最低为-20℃时78J，60公斤级的610U2分别用日本种钢DW60焊丝+CO2，美国林肯91K2H+(Ar+CO2)，韩国TWE811Nil+CO2，TWE811Nil+(Ar+CO2)，TWE911N12+CO2进行试验，其结果强度、冷弯、硬度全部合格，但是塑性、韧性、美国与日本焊丝不但合格，且保持较高水平(δ5>21%；Ak-200℃，美国平均108J、98J、日本平均85J)；南韩焊丝其δ5一般为16%～19%，Ak-20℃平均值TWE811Nil42-49J，TWE911Ni2平均52-67J，但δb(δs)高，δ低，刚满足要求值也不理想。其实，葛洲坝集团自己的药芯焊丝的实验也否认了上述资料的结论。
，碳素结构钢及低合金高强钢焊接方法选择
低C调质钢特别是CP钢，含C量极低，热影响区只能形成低C马氏体、巳由于Ms点较高，能产生自回火，所以冷裂倾向不大，又由于含C，S量都低，Mn/S大，所以热裂倾向很小，只要注意工艺的选用，不管是手工焊、埋弧焊，实心或药芯气保焊均可保证焊接质量。可以看出，选择焊材可以保证焊缝成分，但更重要的是选择合适的工艺。
选用气保焊焊接上述两种钢，应该说是最合适的方法，因为它热量集中，容易控制热输入，又是一种低H焊接法；在允许的同样线能量下，其焊接效率又大大高于手工焊，焊接变形小，不易引起应力集中和矫正工时，但是为什么至今在部分单位得不到认同呢?其原因首先是方法本身的局限性：气保焊有惰性气体非熔化极(T1G)、CO2气体实心焊丝和药芯焊丝、氧化性混合气体实心和药芯焊丝几种。除TIG外均可用于此二种钢，与手工焊和埋弧焊相比，实心焊丝保护焊不是气渣联合保护，在调整成分方面主要通过焊丝。在冶金反应方面单—，所以为保证质量，冶炼专用配套焊丝很重要；另外，由于气体起保护作用并参与热反应，有许多优点(如能形成带电离子和压缩电弧，电弧能量密度加大，低H)也有其缺点(如增C，形成气孔)，所以，在焊接碳素结构钢和热轧正火低合金钢常用的焊丝中，降低含C量，加大Mn、Si含量以保证焊缝的金属成分和性能，特别是韧性。除气保焊本身局限性外，我国配套焊丝极不完善(H08Mn2Si和H08Ma2SiA)，这就是许多部门采用气保焊后不能达到希望的焊缝性能的原因。特别是在焊接低C调质钢时，需要针对钢种选用合适的焊丝。加之选择工艺程序不合理，设备使用不当，气体选用处理不当，工人又都是手工焊转行，自然推广气保焊就有一定阻力。
5 关于韧性
对韧性的担心源于焊接接头的低应力破坏，而低应力破坏的原因，是材料在一定温度下的塑脆转变和接头存在的缺陷扩张造成的，因此从质量保证体系上分别用冲击韧性和断裂韧性指标来控制以上两种原因所引起的脆性破坏。
虽然过去发生的脆断实例均是在有缺陷的情况下产生的，但是接头中微小缺陷难于检测，而且断裂韧性的实验过于复杂，所以一般结构均以控制冲击韧性指标为主，但冲击韧性指标是材料塑性和强度的综合指标，塑脆转变温度又是一个范例，所以它不能单一成比例的反映其塑性。
材料冲击韧性指标的确定过程(例如碳素钢的常温为27J，低合金钢-20℃及-30℃为47J)，是以分析过去脆断实例和有关实验为基础且有一定裕量，所以在满足指标要求又不存在可检缺陷时，一般不会发生脆断事件，对重要结构还应做断裂韧性实验。
焊接接头的韧性包括焊缝及近缝区韧性，近缝区的韧性主要与近缝区的脆化有关，近缝区脆化原因与晶粒数、析出相、灰杂物偏析、组织及其变化有关。所以提高接头韧性，对应控制焊缝合金化和热循环；而对近缝区只能合理选择母材、控制线能量和热循环。
关于三峡工程所用两种钢的韧性控制问题，16MR焊接在我国已很有经验；对于610U2钢，制造厂成分匹配合理和炼钢技术高超，CEQ和PCM很低，综合性能很好，其冲击韧性在-20℃时均达200J以上；在选择焊材和焊接方法上，三峡的实践证明手工焊冲击韧性最高；但不能因此则认为只能用手工焊。
根据以上分析，提高焊缝韧性决定于合金化和冷却速度(线能量和子热等)。而合金化靠选择焊材和保证过渡，因此，手工焊和气保焊药芯丝较有利，因为在国内手工焊条配套最全，两者均是气渣联合保护，但其它方法也都可以保证控制焊缝成分；对近缝区，由于母材已定，应从焊接工艺上控制线能量及预热手段。所以不管上述的那种焊接方法，只要能选择合适的焊材和焊接工艺，均可保证韧性要求，但对韧性指标的要求应科学而适当。
从青云和葛洲坝集团提供的材料看，实验虽还不完善，但数据也完全说明此结论(见6.1，6.2内容)。无限制提高冲击韧度裕量不但在经济上不可取，在保证质量方面也无大好处，因为冲击韧度是代表塑性和强度的综合指标，冲击韧度很高时，σs会相应提高，断裂韧性的指标-裂纹容限尺寸就会减小，所以接头冲击韧度数值应保证其最低平均值达到母材的设计保证值且有一定裕量即可，不应以母材实测值为标准。
6 关于C02实心焊丝和药芯焊丝焊接
6.1 关于实心焊丝的焊接
实心焊丝气保护焊应是这两种钢的首选工艺方法，不仅可在厂房内预制，还应用到工地安装上，但要在工地风力允许或解决防风措施情况下，上面已阐述了此方法的优点，效率是手工焊的2～3倍，低H，特别是脉冲焊，在平均电流较低的情况下达到大熔深，并能控制热输入和全位置焊的成形。
①此方法的韧性不但被过去的实践证明，本次葛洲坝集团的实验也证明了接头具有良好的冲击韧性，其数据如下：
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焊丝和保护气所达到的冲击韧性(平均值)J(-20℃)
钢种 冲击韧性 部位
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要求值 国产08MnSi+CO2 日本MG50，Ar+20%CO2
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16MnR ≥27(常温) 焊缝热影响区 45 94～124
49 74～152
≥47(-20℃) 焊缝热影响区 日本MG60，Ar+20%CO2 MGA63B，Ar+20%CO2
610U2 ≥47(-40℃) 108.6 105～128
265 > 294，不断
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②过去，实心焊丝CO2保护焊不被人欢迎的的另一个原因是这种方法飞溅大，焊缝成型不美观，设备复杂等，但随着技术进步，随着对工艺方法本质的认识和设备不断改进，利用气保焊工艺方法的特点和设备配合，可取得更大效益。
由于气保焊的特点，熔滴过渡有短路、大滴、喷射三种方式 初期，三种过渡方式只决定于电弧电压和电流参数，在短路和大滴过渡时，熔滴是非轴向过渡，颗粒又大，所以焊接飞溅很大。而对于CO2气体又很难得到细滴喷射。后来采用了富氩的混合气体保护(Ar+20%～25%CO2或Ar+2%～5%C02)，使产生喷射过渡的临界电流大大下降，焊接时飞溅极少，无噪音，全位置焊时易成形。
气保焊的另一个技术进步就是脉冲焊的应用，脉冲焊采用峰值电流和维持电流间断改变，这对特殊(横立仰全位置)焊接有很大好处，而且对需控制热输入的材料以小的热输入(小的平均电流)达到高效高质量焊接。初期要得到脉冲焊较难，因为气保焊的电流大小决定于送丝速度，小规范时，送丝速度低，为短路过渡，电弧不稳，飞溅大，而现在设备先进，特别是逆变技术和计算机技术的结合，使脉冲焊不必以脉动送丝取得，且可在任意电流下得到喷射过渡，也可得到频率范围很宽的脉冲焊接——即现在几种混合气体不必单独输送，气体厂已混合好，另外焊把已把气丝电合一，送丝机经中间装置可长距离送丝。所以，根据其效率高，质量好，特别是脉冲焊的优点，应该尽量在工地安装中应用。
6.2 关于药芯焊丝的焊接
药芯焊丝有气保护和自保护两大类，白保护主要用于工地安装和用气不方便的地方，防风能力可达四级(<15m/s，)，由于仅靠熔渣和造气剂保护，药粉量相对焊条比例较少(焊条占30%，药芯占15%)，所以一般不用于重要结构。
气保护药芯焊丝属气联合保护，兼有气保护焊和手工焊两方面的优点，例如高效、冶金反应完善、工艺性能好、低H。特别是弧稳，飞溅少，熔敷速度是各种焊接方法中最高的，而且可以采用大电流进行全位置焊，对设备要求低等独特优点。所以国外此种方法的应用速度最快，且有适应各种要求的产品供选择。
气保护药芯焊丝为气渣联合保护，其药皮与焊条相同，有钛型(酸性)、钙型(碱性)、钛钙型(中性或弱碱性)。酸性工艺性能好，碱性工艺性能不好，但塑韧性高。中性介于其间。
为什么认为药芯焊丝的韧性不好呢?主要还是焊材选择不当和工艺不合理而不是这种方法固有的，特别是对气保护的气渣联合情况。其实本次会议提供的实验资料也说明了这点。葛洲坝集团搜集的一些资料，其中说气保护药芯焊丝“焊缝冲击韧性低，扩散氢含量大，CO气孔及氢致裂纹倾向大……”但未指明各自的出处，因为他们调研的岩滩和隔河岩均用的是自保护焊丝NR203Nil，又说韧性塑性较低，但到底是多大?使用后有什么问题并未说明，相反在青云公司所作的药芯焊丝的实验中，其结果却相反。实验结果中16MnR用国产芯焊丝GL-YJ502(Q)，CO2保护，其机械性能全部合格，其冲击值最低为-20℃时78J，60公斤级的610U2分别用日本种钢DW60焊丝+CO2，美国林肯91K2H+(Ar+CO2)，韩国TWE811Nil+CO2，TWE811Nil+(Ar+CO2)，TWE911N12+CO2进行试验，其结果强度、冷弯、硬度全部合格，但是塑性、韧性、美国与日本焊丝不但合格，且保持较高水平(δ5>21%；Ak-200℃，美国平均108J、98J、日本平均85J)；南韩焊丝其δ5一般为16%～19%，Ak-20℃平均值TWE811Nil42-49J，TWE911Ni2平均52-67J，但δb(δs)高，δ低，刚满足要求值也不理想。其实，葛洲坝集团自己的药芯焊丝的实验也否认了上述资料的结论。
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