熱軋正火鋼的焊接.ppt

,8.3 熱軋正火鋼的焊接,Q235A,Q345E,16Mnq（南京長江大橋）,Q460，化學成分16Mn鋼為基礎，不添加V元素，添加約0.02的Nb元素，采用控軋控冷工藝(TMCP)主要依靠晶粒細化和析出強化提高鋼材強度。（鳥巢）,材料：Q460,S355K2G3 （16Mn）,以“渤海8號” 自升式鉆井平 臺為例，懸臂 梁選用588 MPa級高強 度鋼，牌號為 WELLEN60。,銅合金螺旋槳ZQAl10-3Fe-1.5Mn,一、熱軋、正火鋼的成分及性能,屈服強度 s為295490MPa的低合金高強鋼，一般是在熱軋或正火狀態(tài)下供貨使用，故稱為熱軋鋼或正火鋼，屬于非熱處理強化鋼。常用熱軋或正火鋼的化學成分和力學性能見表2-7和表2-8。,一、熱軋、正火鋼的成分及性能,一、熱軋、正火鋼的成分及性能,合金系：C-Mn或C-Mn-Si系，主要靠Mn、Si的固溶強化作用提高強度（在特殊狀態(tài)下加入了少量的V和Nb沉淀強化和細晶強化）。 在低碳條件下（ wC0.2% ），wMn1.6，wSi0.6時，可以保持較高的塑性和韌性。Si的質量分數(shù)超過0.6%后對沖擊韌性不利，使韌脆轉變溫度提高；C的質量分數(shù)超過0.3%和Mn的質量分數(shù)超過1.6%后，焊接時易出現(xiàn)裂紋，在熱軋鋼焊接區(qū)還會出現(xiàn)脆性的淬硬組織。因此，合金元素的用量與鋼的強度水平都受到限制。,1.熱軋鋼,熱 軋 鋼,熱軋鋼通常為鋁鎮(zhèn)靜(Al脫氧)的細晶 粒鐵素體珠光體組織的鋼,屈服強度為295-390MPa的 普通低合金鋼都屬于熱軋鋼,一、熱軋、正火鋼的成分及性能,使用狀態(tài)：一般在熱軋狀態(tài)下使用。在特殊情況下，如要求提高沖擊韌性以及板厚時，也可在正火狀態(tài)下使用。例如，Q345在個別情況下，為了改善綜合性能，特別是厚板的沖擊韌性，可進行900920正火處理，正火后強度略有降低，但塑性、韌性（特別是低溫沖擊韌性）有所提高。,一、熱軋、正火鋼的成分及性能,Q390（15MnTi） 以Q345（16Mn）為基礎，加入Ti（0.120.20%）、降低C含量(0.20%降為0.18%)。固溶+沉淀強化，性能優(yōu)于16Mn。一般在正火態(tài)使用。 Q390（15MnV） 與 Q390（15MnTi）相似，主要用V代替Ti（0.040.12%），V細化晶粒和沉淀強化,典型鋼種：Q345(16Mn) Ceq=0.49是我國于1957年研制生產(chǎn)和應用最廣泛的熱軋鋼。,一、熱軋、正火鋼的成分及性能,熱軋鋼的綜合力學性能好，焊接性及其他的加工性好，而且原材料資源豐富，冶煉工藝簡單，價格便宜，因而在國內外都得到普遍應用。,一、熱軋、正火鋼的成分及性能,就是在Q345（16Mn）固溶強化的基礎上，加入一些碳、氮化合物形成元素(如V、Nb、Ti和Mo等)，使鋼中合金元素形成的碳、氮化合物以細小的化合物質點從固溶體中沉淀析出，彌散分布在晶內和晶界，產(chǎn)生沉淀強化，并起細化晶粒的作用，可以在提高鋼材強度的同時，改善鋼材的塑性和韌性，避免過分固溶強化所造成的脆性。要求鋼的s390MPa時，必須加強合金元素的沉淀強化和細晶強化作用進行固溶強化。 成分特點： 熱軋鋼的成分 + V、Ti、Mo、Nb 強化機理： 固溶強化 + 沉淀強化+細化晶粒,一、熱軋、正火鋼的成分及性能,2.正火鋼,主要是含(V，Nb:0.15%0.20% )、Ti的鋼，Q390(15MnTi、16MnNb)利用V、Nb元素形成的碳、氮化物彌散質點所起的沉淀強化和細化晶粒的作用來達到良好的綜合性能，有可能適當?shù)亟档弯撝械暮剂?，對改善材料的焊接性和韌性都是有利的。加入少量N(N0.012%0.02%)的Mn-V-N鋼，由于增加了氮化釩的沉淀強化作用，可以提高鋼的屈服強度到420MPa Q420(15MnVN)。,其主要特點是屈強比（s/b）較高,一、熱軋、正火鋼的成分及性能,1）正火狀態(tài)下使用的鋼,正火鋼中的Mo鋼正火后還必須進行回火才能保證良好的塑性和韌性。因此正火鋼又可分為正火狀態(tài)下使用的鋼和正火+回火狀態(tài)下使用的含Mo鋼兩種。,低合金鋼中加入一定量的Mo（0.5） ，可細化晶粒，提高強度，提高鋼材的中溫性能。含Mo鋼在較高的正火溫度或較快速度的連續(xù)冷卻下，得到的組織為上貝氏體和少量的鐵素體，韌性和塑性指標不高，因此正火鋼必須回火后才能保證獲得良好的塑性和韌性。 典型鋼種：14MnMoV和18MnMoNb。,一、熱軋、正火鋼的成分及性能,2）正火+回火狀態(tài)下使用的含Mo鋼,13MnNiMoNb鋼是我國在80年代末引進國外配方研制而成的。由于含碳量低(wC0.16)，合金化配方合理，因此這種鋼具有較高的強度和韌性，并有良好的焊接性，特別是對再熱裂紋的敏感性很低。因此，13MnNiMoNb鋼在制造高壓鍋爐氣包及其它高壓容器中得到廣泛應用。,一、熱軋、正火鋼的成分及性能,13MnNiMoNb,Mn-Mo系中加入少量的Nb，可以進一步提高鋼的強度，18MnMoNb鋼的490MPa。這種鋼主要用于制造高壓鍋爐氣包。但由于含碳量較高(wC =0.170.23)，焊接性不如13MnNiMoNb，而且在正火+回火狀態(tài)的力學性能不夠穩(wěn)定。80年代末，13MnNiMoNb取代了部分18MnMoNb。,18MnMoNb,表8-9中的D36鋼是屬于保證厚度方向性能的低合金鋼，又稱Z(即厚度方向)向鋼。 由于冶煉中采用了鈣或稀土處理和真空除氣等特殊的工藝措施，使Z向鋼具有S含量低（wS 0.006%）、氣體含量低和Z向斷面收縮率高（Z35%）等特點。屈服強度s343MPa。,Z向鋼,一、熱軋、正火鋼的成分及性能,3微合金控軋鋼,X60是微合金化控軋鋼，微合金化鋼就其本質來講與正火鋼類似，它是在低碳的C-Mn鋼基礎上通過V、Nb、Ti微合金化（加入微量Nb、V、Ti 、Mo、B、RE對鋼的組織性能有顯著或特殊影響的微量合金元素，質量分數(shù)為0.1%左右）及爐外精煉、控軋、控冷等工藝，達到細化晶粒和沉淀強化相結合的效果。在冶煉工藝上采取了降C、降S、改變夾雜物形態(tài)、提高鋼的純凈度等措施，使鋼材具有均勻的細晶粒等軸晶鐵素體基體（熱軋鋼的晶粒是帶狀的）。獲得細化晶粒和良好的綜合力學性能。由于淬透性高，空冷時即可獲得韌性較高的低碳馬氏體或下貝氏體。 所謂控軋即控制軋制溫度，采用較低的軋制溫度(接近于A3，約850)，在大壓力的情況下使已經(jīng)細化的奧氏體晶粒不再長大，冷卻后的晶粒比正火鋼略細（正火鋼的奧氏體化溫度一般為900） ，強度也略高，從而獲得高強度、高韌性和良好的焊接性。但降低軋制溫度，使控軋鋼的厚度受到了限制，一般厚度超過12mm，細化晶粒和沉淀強化的效果都將受到影響。這種鋼主要用于制造石油、天然氣的輸送管線，故又稱為管線鋼。,一、熱軋、正火鋼的成分及性能,3微合金控軋鋼,鋼的晶粒尺寸在50m以下的鋼種稱為細晶粒鋼，細化晶?？墒逛摣@得強韌性匹配良好的綜合力學性能。控軋主要是控制鋼材的變形溫度和變形量，利用位錯強化來韌化鋼材；控冷主要是控制鋼材的開始形變溫度和終了形變溫度，以及隨后的冷卻速度。與控軋相比，控冷對鋼材晶粒細化的效果更顯著。控軋后立即加速冷卻所制造的鋼，稱為TMCP（Thermo-Mechanical Control Process）鋼。 TMCP鋼通過控軋控冷技術的應用晶粒尺寸可小于50m，最小可達到10m。超細晶粒鋼可使晶粒尺寸達到0.110m。TMCP鋼具有良好的加工性和焊接性，滿足了石油和天然氣等工業(yè)的需要，這類鋼還將在更多的鋼結構中得到應用。 控軋管線鋼焊接的主要問題是過熱區(qū)晶粒粗大使抗沖擊性能下降，改善措施是在鋼中加入沉淀強化元素（形成TiO2、TiN）防止晶粒長大，優(yōu)化焊接工藝及規(guī)范,一、熱軋、正火鋼的成分及性能,一、熱軋、正火鋼的成分及性能,正火鋼的強化方式多于熱軋鋼，因此其強度一般高于熱軋鋼， 另外也可以看出，熱軋及正火鋼基于其強化機理，強度直接取決于合金元素的含量，強度要求越高，所需加入的合金元素元素越多，但合金元素增加所帶來的塑性、韌性損失越大。 熱軋及正火鋼價格便宜，綜合力學性能較好,廣泛應用于常溫下工作的一些受力結構，如壓力容器、動力設備、工程機械、橋梁、建筑結構和管線等。,一、熱軋、正火鋼的成分及性能,低合金鋼的焊接性主要取決于它的化學成分和軋制工藝，鋼中元素對焊接性影響最大的是碳。熱軋及正火鋼屬于非熱處理強化鋼，碳及合金元素的含量都比較低，總體來看焊接性較好。但隨著合金元素的增加和強度的提高，焊接性也變差。焊接的問題主要來自兩方面：焊接裂紋與熱影響區(qū)母材性能下降。, 裂紋問題 接頭的脆化問題,二、熱軋及正火鋼的焊接性分析,熱軋鋼含有少量的合金元素，碳當量比較低，一般情況下（除環(huán)境溫度很低或鋼板厚度很大時）冷裂傾向不大。正火鋼由于含合金元素較多，淬硬傾向有所增加。強度級別及碳當量較低的正火鋼，冷裂紋傾向不大；但隨著正火鋼碳當量及板厚的增加，淬硬性及冷裂傾向隨之增大，需要采取控制焊接熱輸入、降低擴散氫含量、預熱和及時焊后熱處理等措施，以防止焊接冷裂紋的產(chǎn)生。 微合金控軋鋼的碳含量和碳當量都很低，冷裂紋敏感性較低。除超厚焊接結構外，490MPa級的微合金控軋鋼焊接一般不需要預熱。,1冷裂紋及影響因素,二、熱軋及正火鋼的焊接性分析,冷裂 紋的 影響 因素,碳當量 （CE）,淬硬 傾向,熱影響區(qū) 最高硬度,熱軋鋼的 淬硬傾向,正火鋼的 淬硬傾向,二、熱軋及正火鋼的焊接性分析,適用于中等強度的非調質低合金鋼(b=400700MPa),適用于強度級別較高的低合金高強鋼(b=5001000MPa),這兩個公式只適用于wC0.18%的鋼種。,適用于wC0.17%，b=400900MPa的低合金高強度鋼,CE 為國際焊接學會的碳當量公式 Ceq為日本常用的碳當量公式 Pcm為合金元素的裂紋敏感指數(shù),淬硬傾向主要取決于鋼的化學成分，其中以碳的作用最明顯?？赏ㄟ^碳當量公式來大致估算不同鋼種的冷裂敏感性。通常碳當量越高，冷裂敏感性越大。,（1）碳當量（CE）,二、熱軋及正火鋼的焊接性分析,在實際中， CE應用相當普遍 一般認為CE0.4%時，鋼材在焊接過程中基本無淬硬傾向，冷裂敏感性小。屈服強度295390MPa熱軋鋼的碳當量一般都小于0.4%，焊接性良好，除鋼板厚度很大和環(huán)境溫度很低等情況外，一般不需要預熱和嚴格控制焊接熱輸入。 CE =0.4%0.6%時，鋼材塑性下降，淬硬傾向逐漸增加，屬于有淬硬傾向的鋼。屈服強度441490MPa的正火鋼基本上處于這一范圍，其中碳當量不超過0.5%時，淬硬傾向不算嚴重，焊接性尚好，但隨著板厚增加需要采取一定的預熱措施，如Q420就是這樣。 18MnMoNb的碳當量在0.5%以上，它的冷裂敏感性較大，焊接時為避免冷裂紋的產(chǎn)生，需要采取較嚴格的工藝措施，如嚴格控制熱輸入、預熱和焊后熱處理等。 CE 0.6%時，鋼材塑性較低，淬硬傾向很強，焊接區(qū)易產(chǎn)生冷裂，焊接性不好。焊前須較高溫度預熱到，焊接時要采取減少焊接應力和防止開裂的工藝措施，焊后要進行適當?shù)臒崽幚?，才能保證焊接接頭質量。,二、熱軋及正火鋼的焊接性分析,M或M+B+F 混合組織時,而產(chǎn)生B或 B+F組織時,焊 接 熱 影 響 區(qū),對氫致 裂紋敏感,對氫致裂 紋不敏感,從材料本身看，淬硬組織是引起冷裂紋的決定因素。焊接時是否形成對氫致裂紋敏感的組織是評定材料焊接性的一個重要指標。,淬硬傾向可以通過HAZ的SHCCT或母材的CCT圖來進行分析（圖3-4）。,(2) 淬硬傾向,二、熱軋及正火鋼的焊接性分析,與低碳鋼相比，Q345在連續(xù)冷卻時，珠光體轉變右移較多，使快冷過程中（圖2-4a上的c點以左）鐵素體析出后剩下的富碳奧氏體來不及轉變?yōu)橹楣怏w，而是轉變?yōu)楹驾^高的貝氏體和馬氏體，具有淬硬傾向。從圖3-4a可以看到Q345焊條電弧焊冷速快時，熱影響區(qū)會出現(xiàn)少量鐵素體、貝氏體和大量馬氏體。而低碳鋼焊條電弧焊時（見圖3-4b），則出現(xiàn)大量鐵素體、少量珠光體和部分貝氏體。因此，Q345熱軋鋼與低碳鋼的焊接性有一定差別。但當冷卻速度不大時，兩者很相近。,1) 熱軋鋼的淬硬傾向,二、熱軋及正火鋼的焊接性分析,圖2-4熱軋鋼 (Q345 Tm 1350和低碳鋼的焊接連續(xù)冷卻組織轉變圖(SHCCT)11,當冷卻速度VVc時，F(xiàn)析出后剩下的富碳A來不及轉變?yōu)镻，直接轉變?yōu)楦咛糂和M，硬度增加，淬硬傾向增加。,少量F+大量B+大量M,二、熱軋及正火鋼的焊接性分析,低碳鋼的焊接連續(xù)冷卻組織轉變圖（SHCCT） b) 低碳鋼 Tm 1300),大量F+少量P+部分B,二、熱軋及正火鋼的焊接性分析,結論：Q345與低碳鋼比較：,分析表明：環(huán)境溫度很低或鋼板厚度很大，熱軋鋼有一定冷裂傾向,a厚板手弧焊：V冷較快 b.薄板或埋弧焊：V冷慢 16Mn ： F（少量）+B+M（多） F（大量）+ P 低碳鋼：F（大量）+P+B+M（少量） F（大量）+ P,二、熱軋及正火鋼的焊接性分析,隨著合金元素和強度級別的提高而增大，如Q420和18MnMoNb相比（見圖3-5a、b），兩者的差別較大。18MnMoNb的過冷奧氏體比Q420穩(wěn)定得多，特別是在高溫轉變區(qū)。因此，18MnMoNb冷卻下來很容易得到貝氏體和馬氏體，它的整個轉變曲線比Q420靠右，淬硬性高于Q420，故冷裂敏感性也比較大。,2) 正火鋼的淬硬傾向,二、熱軋及正火鋼的焊接性分析,圖3-5 正火鋼的焊接連續(xù)冷卻組織轉變圖（SHCCT） a）為Q420 b) 18MnMoNb,凡是淬硬傾向大的鋼材，連續(xù)冷卻轉變曲線都是往右移。但由于冷卻條件不同，不同曲線的右移程度不同。如CCT曲線右移的程度比等溫轉變TTT曲線大1.5倍以上，而SHCCT曲線右移就更多。因此，在比較兩種鋼材的淬硬傾向時，必須注意采用同一種曲線。,二、熱軋及正火鋼的焊接性分析,熱影響區(qū)最高硬度是評定鋼材淬硬傾向和冷裂敏感性的一個簡便的辦法。最高硬度允許值就是一個剛好不出現(xiàn)冷裂紋的臨界硬度值。即若實際HAZ的硬度高于HAZ最高硬度允許值，那么這個接頭有可能產(chǎn)生冷裂紋；若在最高硬度允許值內，一般認為此接頭不會產(chǎn)生冷裂。熱影響區(qū)最高硬度與裂紋率的關系如P53圖3-6所示。,(3) 熱影響區(qū)最高硬度,圖3-6 熱影響區(qū)最高硬度與裂紋率的關系,熱影區(qū)的最高硬度與鋼材的強度級別、化學成分都有關系。,二、熱軋及正火鋼的焊接性分析,表2-9 幾種焊接結構鋼的碳當量及熱影響區(qū)最高硬度允許值,二、熱軋及正火鋼的焊接性分析,碳當量增大時，熱影響區(qū)淬硬傾向隨之提高，但并非始終保持線性關系。碳當量與熱影響區(qū)最高硬度的關系如圖3-7所示。另外，焊接熱輸入E或冷卻時間t8/5對熱影響區(qū)淬硬傾向影響很大。熱影響區(qū)最高硬度與碳當量和冷卻速度的關系如圖3-8所示。冷卻時間t8/5對熱影響區(qū)最高硬度的影響如圖3-9所示。 因此，減小碳當量并降低冷卻速度，有利于減小熱影響區(qū)淬硬和冷裂紋傾向。,二、熱軋及正火鋼的焊接性分析,圖3-7 熱影響區(qū)最高硬度與碳當量的關系 Ceq=C+(Mn/6)+(Si/24)+(Cr/5)+(Mo/4)+(V/14)+(Ni/40),熱影響區(qū)的最高硬度與CE(IIW)、Pcm呈直線關系,二、熱軋及正火鋼的焊接性分析,圖3-8 熱影響區(qū)最高硬度與碳當量和冷卻速度的關系 Ceq=C+(Mn+Si)/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15,二、熱軋及正火鋼的焊接性分析,圖3-9 冷卻時間t8/5對熱影響區(qū)最高硬度的影響 （鋼材成分：wC 0.12%, wMn 1.40%, wSi 0.48%, wCu 0.15%, 板厚h=20mm）,二、熱軋及正火鋼的焊接性分析,冷裂 紋的 影響 因素,碳當量 （CE）,淬硬 傾向,熱影響區(qū) 最高硬度,熱軋鋼的 淬硬傾向,正火鋼的 淬硬傾向,二、熱軋及正火鋼的焊接性分析,從熱軋鋼和正火鋼的成分看，一般含碳量都較低，而含Mn量都較高。它們的Mn /S比都能達到要求，具有較好的抗熱裂性能，正常情況下焊縫中不會出現(xiàn)熱裂紋。但當材料成分不合格，或因嚴重偏析使局部C、S含量偏高時，Mn/S就可能低于要求而出現(xiàn)熱裂紋。在這種情況下，應采取必要的防止措施。為了防止結晶裂紋，應在提高焊縫含錳量的同時降低碳、硫的含量。具體措施可選用脫硫能力較強的低氫型焊條，埋弧焊時選用超低碳焊絲配合高錳高硅焊劑，并從工藝上降低熔合比。焊縫中的碳含量越高，要求Mn/S也提高。當co=0.12%時， Mn/S不應低于10；而c=0.16%時， Mn/S就應大于40才能不出現(xiàn)熱裂紋。Si的有害作用也與促使S的偏析有關。,2. 熱裂紋,二、熱軋及正火鋼的焊接性分析,熱軋鋼：屬于固溶強化鋼，C-Mn和Mn-Si系一般不含有強碳化物形成元素，因此熱軋鋼對再熱裂紋并不敏感 正火鋼：也是以固溶強化為主，但還具有少許的沉淀強化，鋼中含有少量的強碳化物形成元素，從理論上一般認為正火鋼具有輕微的再熱裂紋傾向。但實踐證明它對再熱裂紋不敏感。如15MnVN,形成再熱裂紋的成分條件是： 鋼中要含有一定數(shù)量的強碳化物形成元素：如V、Ti、Mo、Nb,3. 消除應力裂紋（再熱裂紋）,二、熱軋及正火鋼的焊接性分析,正火+回火鋼：Mo、V或Mo、Nb共存的正火+回火鋼，如18MnMoNb、14MnMoV則有輕微的再熱裂紋敏感性，主要產(chǎn)生在HAZ的粗晶區(qū)。 可采取提高預熱溫度或焊后立即后熱等措施來防止再熱裂紋的產(chǎn)生。如18MnMoNb只要將預熱溫度中消除冷裂紋需要的180（板厚60mm）提高到220后就能防止再熱裂紋。如果提高預熱溫度有困難，可在180預熱條件下焊后立即進行1802h的后熱也能有效地防止再熱裂紋的產(chǎn)生。,圖3-10 再熱裂紋敏感性與Cr、Mo含量的關系ASR裂紋敏感區(qū) B隨Cr、Mo含量增加，SR裂紋增加,鋼中的Cr、Mo元素及含量對再熱裂紋的產(chǎn)生影響很大。不同Cr、Mo含量低合金鋼的再熱裂紋敏感區(qū)如圖3-10所示。,二、熱軋及正火鋼的焊接性分析,層狀撕裂的產(chǎn)生不受鋼材種類和強度級別的限制，它主要發(fā)生于要求熔透的角接接頭或T形接頭的厚板結構中。當鋼板的Z向延伸率低、板厚、夾雜物較多時及焊接時在Z向承受較大的拉應力時，會沿軋制方向發(fā)生階梯狀的層狀撕裂。 從鋼材本質來說，層狀撕裂的產(chǎn)生主要取決于冶煉質量，即取決于鋼中非金屬夾雜物的形態(tài)、大小以及數(shù)量。其中層片狀硫化物的影響最為嚴重。因此，一般把鋼中的硫含量和Z向斷面收縮率作為評定鋼材層狀撕裂敏感性的主要指標。 由于熱軋及正火鋼是在一般的冶煉條件下生產(chǎn)，并沒有嚴格控制鋼液成分，沒有采取特殊的脫S、除氣以及夾雜物形態(tài)控制措施，因此，它們一般都具有層狀撕裂傾向。,4. 層狀撕裂,二、熱軋及正火鋼的焊接性分析,因此，焊接可能產(chǎn)生層狀撕裂的重要結構，可采用Z向鋼(如D36)或國外的ZC、ZD級(wS0.006， 25或更高)鋼。D36鋼的最高可達55。但這些鋼在冶煉時需要采用特殊的脫硫、脫氧和控制夾雜物的措施，成本較高。 板厚小于16mm時就不容易發(fā)生層狀撕裂。一般認為Z向20，鋼材就可以避免層狀撕裂。 板厚大于16mm的大型厚板焊接結構(如海洋工程、鍋爐吊架、核反應堆及船舶等)焊接時，如果在鋼材厚度方向承受較大的拉伸應力時，可能沿鋼材軋制方向發(fā)生呈明顯階梯狀的層狀撕裂。 合理選擇層狀撕裂敏感性小的鋼材、改善接頭形式以減輕鋼板Z向所承受的應力應變、在滿足產(chǎn)品使用要求前提下選用強度級別較低的焊接材料以及采用預熱及降氫等輔助措施，有利于防止層狀撕裂的發(fā)生。,二、熱軋及正火鋼的焊接性分析,焊接接頭中被加熱到1200以上，熔點以下的區(qū)域，由于溫度高發(fā)生了奧氏體晶粒的顯著長大和一些難熔質點(如氮化物或碳化物)向A的溶入過程。這些過程與鋼種成分和焊接E共同作用往往會導致焊接過熱區(qū)脆化，例如：溶入的難熔質點在冷卻過程中，來不及析出會使材料變脆；過熱粗大的奧氏體冷卻下來會轉變成魏氏體、粗大的馬氏體及塑性很低的混合組織(鐵素體、高碳馬氏體和貝氏體)和M-A組元，因此過熱區(qū)的性能變化取決于其在高溫的停留時間、影響冷卻速度的焊接線能量和鋼材的類型及合金系列。不同種類的鋼合金化機理和強化途徑不同，引起過熱區(qū)脆化的原因也不同,5. 焊接接頭的脆化,二、熱軋及正火鋼的焊接性分析,1) 過熱區(qū)脆化(T1200),熱軋鋼（Q345) 熱軋鋼焊接時可能產(chǎn)生過熱區(qū)脆化的兩種情況：采用過大的焊接線能量，粗晶區(qū)將因晶粒長大或出現(xiàn)魏氏組織而降低韌性；焊接線能量過小，冷速快，會使粗晶區(qū)馬氏體(M)比例增大，韌性降低，但不突出（明顯）。,熱軋鋼過熱區(qū)脆化的影響因素：Wc 、 E,Wc： Wc偏低： 低碳M（脆化不明顯） Wc偏高： 高碳M（脆化顯著） Q345 ：Wc=0.12%0.2% Wc偏低0.14%時：E過大，形成了魏氏組織 E過小，形成了高碳M,對于含碳量較高的鋼(0.24C-0.7Mn)來說，在-40時根本不存在高韌性區(qū)，低溫韌性要求高時，應避免選用含碳量高的鋼。,二、熱軋及正火鋼的焊接性分析,正火鋼： 正火鋼的過熱區(qū)脆化與魏氏組織無關，除了與晶粒粗化有關外，還主要與其強化基理和合金化方式有關 V、Ti、Mo、Nb 常溫時：合金元素以化合物的形式存在最好，但Me固溶在F 使F產(chǎn)生晶格畸變硬度、脆性 1200高溫下：起沉淀強化作用的碳化物、氮化物質點分解并溶于在A中 慢冷（正火） Me再次以化合物的形式沉淀析出 快冷（焊接） Me固溶在F中，脆性,所以正火鋼過熱區(qū)的韌性隨線能量的增加而下降，并與沉淀強化元素的含量有關。,二、熱軋及正火鋼的焊接性分析,對含V、Nb的正火鋼,線能量大時過熱區(qū)脆化的主要原因與Q345(16Mn)基本相同，取決于組織中的M-A組元。 焊接時線能量過大：會導致過熱區(qū)沉淀相固溶，這時V、Nb的碳、氮化合物細化晶粒、抑制奧氏體長大的作用大大削弱，過熱區(qū)奧氏體晶粒顯著長大，冷卻過程中可能產(chǎn)生一系列不利的組織轉變，如魏氏體、粗大的馬氏體、塑性很低的混合組織（鐵素體、高碳馬氏體和貝氏體）和M-A組元，再加上過熱區(qū)金屬碳、氮固溶量的增加，導致過熱區(qū)韌性降低和時效敏感性增加。 0.15C-1.4Mn-Nb鋼(屬于正火鋼) 含Nb鋼最佳韌性的線能量范圍很窄，而C-Mn鋼的較寬。這說明正火鋼的過熱敏感性較熱軋鋼大。,二、熱軋及正火鋼的焊接性分析,以相當于Q390的15MnTi為例，鋼中的含鈦量增加，過熱區(qū)沖擊韌度急劇下降(圖8-2)。 當wTi一定時，線能量過大時：過熱區(qū)的TiN、TiC都向奧氏體內熔入。由于鈦的擴散能力低，在隨后的冷卻過程中，即使大線能量條件下也來不及析出而停留在鐵素體中，顯著提高了鐵素體的顯微硬度，降低了材料的沖擊韌性。這就是為什么近代研究的大線能量鋼中的含鈦量都限制得很低(約0.02)。線能量E減小到一定程度后，過熱區(qū)的沖擊韌度隨E的下降而明顯提高(圖8-3)。這是由于E減小可減少過熱區(qū)在高溫停留的時間抑制了碳化鈦和氮化鈦TiN、TiC的溶解，從而有效地防止脆化。,圖8-2 15MnTi鋼過熱區(qū)沖擊韌度(-40)和鐵素體顯微硬度與wMn的關系,圖8-3 焊接線能量對15MnTi鋼過熱區(qū)沖擊韌度(-40)和鐵素體顯微硬度的關系,二、熱軋及正火鋼的焊接性分析,對含碳量偏高的熱軋鋼，焊接熱輸入要適中；對于含有碳、氮化物形成元素的正火鋼，應選用較小的焊接熱輸入。如果為了提高生產(chǎn)率而采用大熱輸入時，焊后應采用8001100正火處理來改善韌性。但正火溫度超過1100，晶粒會迅速長大，將導致焊接接頭和母材的韌性急劇下降。 主要合金元素相同的條件下，鋼中含有不同類型和不同數(shù)量雜質時，熱影響區(qū)粗晶區(qū)的韌性也會顯著降低。S和P均降低熱影響區(qū)的韌性（見P60圖3-14），特別是大熱輸入焊接時，P的影響較為嚴重。wP0.013%時，韌性明顯下降。,二、熱軋及正火鋼的焊接性分析,圖3-14 S、P對熱影響區(qū)韌性的影響（低合金鋼三絲埋弧焊）,二、熱軋及正火鋼的焊接性分析,2)熱應變脆化 是由固溶氮引起的，在熱和應變同時作用下產(chǎn)生的一種動態(tài)應變時效，產(chǎn)生在焊接熔合區(qū)及最高加熱溫度低于AC1的亞臨界熱影響區(qū)。為在200400時熱應變脆化最為明顯，當焊前已經(jīng)存在缺口時，會使亞臨界熱影響區(qū)的熱應變脆化更為嚴重。熔合區(qū)(常存在缺口性質的缺陷)易于產(chǎn)生熱應變脆化。一般認為熱應變脆化是由于氮、碳原子聚集在位錯周圍，對位錯造成釘軋作用造成的。N對Mn-Si系低合金鋼熱影響區(qū)韌性的影響如圖3-15所示。可以看到，通過降低N含量，即使焊接熱輸入在很大范圍內變化，也仍然可以獲得良好的韌性。 熱應變脆化易于發(fā)生在一些固溶N含量較高而強度級別不高的低合金鋼中，如抗拉強度490MPa級的C-Mn鋼。 在鋼中加入足夠量的氮化物形成元素(如Al、Ti、V等)，可以降低熱應變脆化傾向(如Q420比Q345的熱應變脆化傾向小。) 。 消除熱應變脆化的有效措施為焊后退火處理，可大幅度恢復韌性。如Q345經(jīng)6001h退火處理后，韌性大幅度提高，熱應變脆化傾向明顯減小。,二、熱軋及正火鋼的焊接性分析,圖3-15 N對熱影響區(qū)韌性的影響（Mn-Si系低合金鋼）,鋼的韌性起決定作用的是顯微組織。低合金高強鋼焊縫金屬的組織主要包括：先共析鐵素體PF（也叫晶界鐵素體GBF）、側板條鐵素體FSP、針狀鐵素體AF、上貝氏體Bu、珠光體P等，馬氏體較少。 焊縫韌性取決于針狀鐵素體(AF)和先共析鐵素體(PF)組織所占的比例。焊縫中存在較高比例的針狀鐵素體組織時，韌性顯著升高，韌脆轉變溫度（vTrs）降低，如P57圖3-11a所示；焊縫中先共析鐵素體組織比例增多則韌性下降，韌脆轉變溫度上升，如圖3-11b所示。針狀鐵素體晶粒細小，晶粒邊界交角大且相互交叉，每個晶界都對裂紋的擴展起阻礙作用；而先共析鐵素體沿晶界分布，裂紋易于萌生、也易于擴展，導致韌性較差。,6. 焊縫的組織和韌性,二、熱軋及正火鋼的焊接性分析,圖3-11 不同鐵素體形態(tài)對高強鋼焊縫韌性的影響 a) AF對vTrs的影響 b) PF對vTrs的影響,二、熱軋及正火鋼的焊接性分析,進一步研究表明，以針狀鐵素體組織為主的焊縫金屬，屈強比(s/b)一般大于0.8；以先共析鐵素體組織為主的焊縫金屬，屈強比多在0.8以下；焊縫金屬中有上貝氏體存在時，屈強比小于0.7。 焊縫中AF增多，有利于改善韌性，但隨著合金化程度的提高，焊縫組織可能出現(xiàn)上貝氏體和 馬氏體，在強度提高 的同時會抵消AF的有 利作用，焊縫韌性反 而會惡化。如圖3-12 所示，高強鋼焊縫中 AF由100%減少到20% 左右，焊縫韌性急劇降低。,圖3-12 高強鋼焊縫韌性與強度的關系,二、熱軋及正火鋼的焊接性分析,低合金鋼焊縫韌性在很大程度上依賴于Si、Mn含量。Si是鐵素體形成元素，焊縫中Si含量增加，將使晶界鐵素體增加。Mn是擴大奧氏體區(qū)的元素，推遲轉變，所以增加焊縫中的Mn含量，將減少先共析鐵素體的比例。但Si、Mn含量的增加，都將使焊縫金屬的晶粒粗大。試驗研究表明，當Mn、Si含量較少時，轉變形成粗大的先共析鐵素體組織，焊縫韌性較低，因為微裂紋擴展的阻力較小。當Mn、Si含量過高時，形成大量平行束狀排列的板條狀鐵素體，這些晶粒的結晶位向很相似，擴展裂紋與這些晶粒邊界相遇不會有多大的阻礙，這也使焊縫金屬韌性較低。因此，Mn和Si含量過多或過少都使韌性下降。,Mn-Si系焊縫組織與韌性的關系見表3-5。顯見，中等程度的Mn、Si含量，例如wMn=0.8%1.0%，wSi=0.15% 0.25%，Mn/Si比約47的情況下，可得到針狀鐵素體+細晶粒鐵素體的混合組織，對裂紋擴展的阻力大，焊縫韌性高。,二、熱軋及正火鋼的焊接性分析,在Mn-Si系基礎上加入適量的Ti和B或Ti和Mo均能改善的相變特性，使對韌性不利的鐵素體組織減少，細小、均勻的針狀鐵素體增多。近些年來，國內外都在探索向低合金鋼焊縫金屬中同時添加Ti、B或同時添加Ti、Mo來提高焊縫的韌性并取得了良好的效果。,表3-5 Mn-Si系焊縫組織與韌性的關系,二、熱軋及正火鋼的焊接性分析,三、熱軋及正火鋼的焊接工藝,坡口加工可采用機械加工，其加工精度較高，也可采用火焰切割或碳弧氣刨。對強度級別較高、厚度較大的鋼材，經(jīng)過火焰切割和碳弧氣刨的坡口應用砂輪仔細打磨，清除氧化皮及凹槽；在坡口兩側約50mm范圍內，應去除水、油、銹及臟物等。 焊接件的裝配間隙不應過大，盡量避免強力裝配，減小焊接應力。為防止定位焊縫開裂，要求定位焊縫應有足夠的長度（一般不小于50mm），對厚度較薄的板材不小于4倍板厚。 定位焊應選用同類型的焊接材料，也可選用強度稍低的焊條或焊絲。定位焊的順序應能防止過大的拘束、允許工件有適當?shù)淖冃?，定位焊焊縫應對稱均勻分布。定位焊所用的焊接電流可稍大于焊接時的焊接電流。,1坡口加工、裝配及定位焊,三、熱軋及正火鋼的焊接工藝,熱軋及正火鋼可以用各種焊接方法焊接，不同的焊接方法對產(chǎn)品質量無顯著影響。通常是根據(jù)產(chǎn)品的結構特點、批量、生產(chǎn)條件及經(jīng)濟效益等綜合效果選擇焊接方法。生產(chǎn)中常用的焊接方法有焊條電弧焊、埋弧焊、CO2氣體保護焊和電渣焊等。,2焊接方法,低合金鋼選擇焊接材料時必須考慮兩方面的問題：一是不能使焊縫產(chǎn)生裂紋等焊接缺陷；二是使焊接接頭能滿足使用性能要求。 熱扎正火鋼焊接時熱裂、冷裂傾向不大；同時這類鋼主要用于制造受力結構，其接頭必須具備足夠的強度和韌性。因此，選擇焊接材料的依據(jù)是保證焊縫金屬的強度、塑性和韌性等力學性能與母材相匹配。并不要求焊縫金屬的合金系統(tǒng)或化學成分與母材相同。,3. 焊接材料的選擇,其選用要點如下：,1）選擇相應強度級別的焊接材料,2）熔合比和冷卻速度的影響,3）熱處理對焊縫力學性能的影響,三、熱軋及正火鋼的焊接工藝,從焊接接頭力學性能“等強匹配”的角度選擇焊接材料，一般要求焊縫的強度性能與母材等強或稍低于母材。不能從母材成分出發(fā)，選擇與母材成分相同的焊材。如果選擇與母材化學成分相同的焊接材料，由于焊接時冷卻速度很大，將使焊縫金屬具有特殊的過飽和鑄態(tài)組織，焊縫金屬的性能表現(xiàn)為強度很高，而塑性、韌性很低，這對焊接接頭的抗裂性能和使用性能是不利的。一般情況下，希望焊縫的含碳量低于母材，控制在wC0.14，合金元素含量也應比母材稍低，必要時對合金系統(tǒng)作些調整。 如焊接Q345鋼一般選用E5015焊條，其熔敷金屬成分一般為wC0.12，wMn1.60，wSi0.75；而母材中wC0.20，wMn=1.001.60，wSi0.55。,1）選擇相應強度級別的焊接材料,三、熱軋及正火鋼的焊接工藝,例如：焊接15MnTi、15MnV 相同的C=0.120.18 Mn =1.21.6 Si=0.20.6 15MnTi 中Ti=0.120.20 15MnV中 V =0.040.16 529 Mpa 用焊條J557成分 C0.12 Mn1.2 Si=0.5 不含Ti、V 549608 Mpa C低，Mn 低于母材，同時具有很高的塑性和韌性,說明熔敷金屬中wC低于母材即可保證焊縫與母材等強。對其它強度等級的鋼情況大致相同?？梢怨烙?，如果焊條熔敷金屬的化學成分與母材完全相同，在快冷條件下，焊縫金屬的強度必將上升，而塑性韌性下降。因此，在選擇焊條時的主要依據(jù)是保證焊縫與母材的強度級別相匹配。,三、熱軋及正火鋼的焊接工藝,焊縫金屬的機械性能主要取決于其化學成分和組織的過飽和度。焊縫金屬的化學成分不僅取決于焊接材料的成分，而且與熔合比(與母材的熔入量有關)有很大關系。采用同樣的焊接材料，由于熔合比或冷卻速度不同，所得焊縫的性能會有很大差別。因此，焊條或焊絲的選擇應考慮到板厚和坡口形式的影響。薄板(熔合比較大) ，應選用強度較低的焊接材料，厚板深坡口則相反。 焊縫金屬組織的過飽和程度則與冷卻速度有很大關系。V冷越快，焊縫金屬的結晶和相變偏離平衡狀態(tài)越遠，焊縫組織的過飽和程度越大，其強度、硬度越高，塑性、韌性越低。,2）熔合比和冷卻速度的影響,三、熱軋及正火鋼的焊接工藝,例1：采用埋弧焊焊接16Mn 當不開坡口或小坡口對接時，母材熔入量較多，選用H08A焊絲配合高錳高硅焊劑(即GB中HJ402-H08A)。通過焊劑中錳、硅還原向焊縫過渡錳和硅，熔敷金屬中wMn=0.86，wSi=0.20左右。 當開大坡口時，母材熔入量較少，焊縫金屬的力學性能可能因Mn、Si含量不足而達不到要求。這時應采用含錳量較高的焊絲如H08MnA、H10Mn2A等，以保證從焊絲中過渡一定的錳。 （前者熔合比大，后者熔合比較?。?，熔合比不同，即使同種母材選用的焊材也不同。 例2：16Mn分別采用對接接頭和T型接頭焊接時，即使采用同種焊材，T型接頭的焊縫強度總是高于同種焊材的對接接頭，其塑性、韌性卻明顯低于同種焊材的對接接頭。 根本原因：是由于接頭形式會影響焊縫的V冷， T型接頭的角焊縫冷卻較快，其焊縫組織的不平衡程度較大?？梢姡?V冷不同，即使同種母材，同種焊材，其焊縫性能也不相同。,三、熱軋及正火鋼的焊接工藝,當焊縫強度余量不大時，焊后熱處理（如消除應力退火）后焊縫強度有可能低于要求。對于焊后要進行正火處理的焊縫，應選擇強度高一些的焊接材料。例如焊接大坡口的15MnV厚板，焊后需進行熱處理時，必須選用強度級別較高的H08Mn2Si焊絲，若選用H10Mn2焊絲，焊縫金屬的強度會偏低。 保證焊接過程的低氫條件 焊絲應嚴格去油，必要時應對焊絲進行真空除氫處理。保護氣體水分含量較多時要進行干燥處理。,3）熱處理對焊縫力學性能的影響,三、熱軋及正火鋼的焊接工藝,表2-10 熱軋及正火鋼常用的焊接材料13,三、熱軋及正火鋼的焊接工藝,表2-10 熱軋及正火鋼常用的焊接材料13,三、熱軋及正火鋼的焊接工藝,選擇焊接線能量及其相關參數(shù)的基本原則是，在保證質量的前提下盡可能提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。線能量對焊接質量影響之大小與被焊金屬的焊接性有關，主要取決于金屬在焊接參數(shù)變化時對接頭的性能及裂紋率影響的程度。主要考慮過熱區(qū)的脆化和冷裂兩個因素。各類鋼的脆化傾向和冷裂傾向不同，對線能量的要求也不同。 焊接碳當量(Ceq)小于0.40%的熱軋及正火鋼(如Q295 、09Mn2Si和Q345 )，這類鋼主要靠固溶強化提高強度，線能量的變化對接頭性能無明顯的不利影響。即當線能量較大時，接頭仍可保證有足夠的塑性和韌性；線能量較小時也不致出現(xiàn)淬硬組織或冷裂紋。因此，在保證焊縫成形良好的條件下不必對線能量