第3章低合金高強鋼的焊接

1、第第3 3章章 低合金高強鋼的焊接低合金高強鋼的焊接 低合金鋼：碳鋼的基礎(chǔ)上加入一定量的合金 元素，合金元素的總量不超過5%，以提高鋼 的強度并保證有一定韌性和塑性。 熱軋及正火鋼 熱軋或正火狀態(tài)下供貨和使用的鋼 s=294 490Mpa 通過合金元素的固溶強化和沉淀強化提高強度 綜合性能良好，有優(yōu)良的焊接性 新的分支：微合金化控制軋制鋼s340Mpa 低裂紋敏感性鋼（CF） 超低硫抗層狀撕裂的Z向鋼 缺點：強化方式限制，不能進一步提高強度 低碳鋼調(diào)質(zhì)鋼 在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下供貨和使用，屬于熱處理強化。 s=441 980Mpa c0.25% 合金元素的作用：提高鋼的淬透性，通過調(diào) 質(zhì)處理得到低碳馬氏

2、體或貝氏體。 有高的強度和優(yōu)良的塑性和韌性 新的分支： s490Mpa的CF鋼 含碳量極低的微合金化調(diào)質(zhì)鋼 缺點：生產(chǎn)工藝復(fù)雜、成本高、進行熱加工 時對工藝參數(shù)限制比較嚴(yán)格 中碳調(diào)質(zhì)鋼 含碳量高，塑性和韌性差，焊接性惡化 s=880 1170Mpa c 0.25% 一般需要在退火狀態(tài)下焊接，焊后進行調(diào)質(zhì) 3.1 熱軋及正火鋼的焊接 知識目標(biāo)： 1.了解熱軋及正火鋼的使用范圍 2.理解熱軋及正火鋼的焊接性分析 3.掌握熱軋及正火鋼的焊接工藝設(shè)計 能力目標(biāo)： 1.能夠?qū)彳埣罢痄撨M行焊接性分析 并設(shè)計出焊接工藝 3.1 熱軋及正火鋼的焊接 3.1.1 熱軋及正火鋼的成分和性能 熱軋鋼：將鋼錠加熱

3、到1300，經(jīng)熱軋成鋼 板厚空冷。 強度級別： s=294 343Mpa 強度機制：大多是C-Mn Mn-Si，有時用V、 Nb代替Mn，達到細化晶粒和固溶強化 常見鋼種：16Mn（Q345） 15MnV（Q390 ）唯一強度為392Mpa的熱軋鋼 正火鋼：鋼板冷卻后，再加熱到900 附近 后空冷。 強度級別： s=343490Mpa 強化機制：固溶強化 沉淀強化 細化晶粒 正火的目的：使合金元素能以細小的化合物 質(zhì)點從固溶體中充分析出，并細化晶粒。 分類 正火狀態(tài)下使用的鋼：除了Q390（15MnTi） 外，主要指含V、Nb的鋼，通過合金元素形 成碳、氮化物，起沉淀強化和細化晶粒作用， 提高

4、強度和韌性。 如：Q390 Q420 正火+回火狀態(tài)下使用的鋼：鋼中加入了 Mo，起到了細化晶粒，提高強度和提高鋼材 的中溫性能作用。 如：18MnMoNb 微合金控軋鋼 采用了微合金化（加入微量Nb、V、Ti）和 控制軋制等新技術(shù)，達到細化晶粒和沉淀強 化相結(jié)合的效果，同時從冶煉工藝上采取了 降碳、硫，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化晶粒等軸 鐵素體基體。 如：X60 X65 X70 3.1.2熱軋及正火鋼的焊接性 焊接性 a、焊接引起的各種缺陷，對這類鋼主要是各 類裂紋問題。 b、焊接時材料性能的變化，對這類鋼來說主 要是脆化。 （1）焊接裂紋 熱裂紋 含碳量量

5、低，含Mn較高，Mn/S比能有效熱裂 產(chǎn)生，只要不發(fā)生成分偏析，不會產(chǎn)生熱裂。 冷裂紋 形成冷裂紋因素： 氫 鋼的淬硬傾向 接頭拘束應(yīng)力 熱軋鋼中含合金元素少，含碳量小，冷裂傾 向小。 正火鋼含合金元素多，淬硬性傾向比熱軋鋼 大，特別是強度級別大的材料 （18MnMoNb、14MnMoV）冷裂傾向大，需要控 制。 層狀撕裂 和鋼材種類、強度無關(guān)，和含硫量和Z向斷面 收縮率有關(guān)。 s0.006% Z向斷面收縮率25% 再熱裂紋 18MnMoNb對再熱裂紋比較敏感，要控制。 （2）熱影響區(qū)脆化 過熱區(qū)的脆化 產(chǎn)生原因：過熱區(qū)溫度很高接近于熔點，因 此發(fā)生了奧氏體晶粒的顯著長大和一些難 熔質(zhì)點等溶入

6、等過程。 熱軋鋼有關(guān)因素：焊接線能量 含碳量 正火鋼有關(guān)因素：大線能量 熱應(yīng)變脆化 產(chǎn)生原因：200400，由于氮、碳原子聚 集在位錯周圍，對位錯造成釘軋作用而引 起的。本質(zhì)上是由固溶氮引起。 解決辦法：在鋼中加入足夠的氮化物元素 焊后進行消除應(yīng)力處理 3.1.3 熱軋及正火鋼的焊接工藝 （1）焊接方法的選擇 （2）焊接材料的選擇 原則：焊縫無缺陷 滿足使用性能 選擇：選擇相應(yīng)級別的材料 考慮熔合比和冷卻速度的影響 考慮熱處理對焊縫力學(xué)性能的影響 （3）焊接工藝參數(shù)的選擇 焊接線能量 取決于過熱區(qū)的脆化和冷裂 預(yù)熱 鋼材成分 與焊接時的冷卻速度有關(guān) 與拘束度有關(guān) 與含氫量有關(guān) 與焊后是否進行熱

7、處理有關(guān) 焊后熱處理 一般不進行焊后熱處理，出現(xiàn)下列情況用焊 后熱處理： a.冷裂傾向大的鋼材 b.低溫下使用的、抗應(yīng)力腐蝕、高壓構(gòu)件 c.電渣焊焊縫 焊后進行高溫回火，回火溫度選擇原則： d.不能超過母材原有的回火溫度 e.有回火脆性材料，避開回火脆溫度區(qū)間 3.2 低碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接 知識目標(biāo)： 1.了解低碳調(diào)質(zhì)鋼的使用范圍 2.理解低碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接性分析 3.掌握低碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接工藝設(shè)計 能力目標(biāo)： 1.能夠?qū)Φ吞颊{(diào)質(zhì)鋼進行焊接性分析并 設(shè)計出焊接工藝 3.2 低碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接 3.2.1低碳調(diào)質(zhì)鋼的成分和性能 s=441980Mpa c0.22%（0.18%） 合金元素的作用：提高鋼的淬

8、透性和抗回火 性，通過調(diào)質(zhì)處理得到低碳馬氏體或貝氏體 有高的強度和優(yōu)良的塑性和韌性。 如：14MnMoVN 14MnMoNbB Ni：提高鋼的塑性和韌性，降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度， 與Cr共用時可以提高鋼的淬透性（Cr上限 1.6%）。 含Cr、Ni的鋼材：WCF60(62) HQ70A HQ80C 低碳調(diào)質(zhì)鋼只有在正確的熱處理工藝下才能保 證預(yù)期的組織和性能。一般用的熱處理制度： 奧氏體化 淬火 回火 3.2.2 低碳調(diào)制鋼的焊接性 （1）焊接裂紋 熱裂紋（不敏感） 冷裂紋 1 由圖看出過冷奧氏體穩(wěn)定性提高，C曲線往右 移，所以除非冷卻速度很慢，高溫轉(zhuǎn)變是不 會進行的。 這類鋼的含碳量很低，馬氏體含

9、碳低，保持 了高的韌性，而且Ms點很高，如果在Ms點冷 卻速度比較緩慢，馬氏體就能能進行一次回 火作用，稱為自回火。 再熱裂紋 引起再熱裂紋的元素：Cr Mo Cu V Nb Ti B V的影響最大，Mo次之 Cr和含量有關(guān) Cr 1%后，繼續(xù)增加含Cr量時再熱裂紋傾向小 層狀撕裂（不敏感） 2、熱影響區(qū)性能變化 （1）脆化 A向P轉(zhuǎn)變推遲，當(dāng)冷速較低時，F(xiàn)先析出， 剩余富碳A，冷卻后得到高碳的M和B，而使 材料變脆。 (2)軟化 熱影響區(qū)的加熱溫度高于母材的回火溫度， 由于碳化物的聚集使材料軟化。 3.2.3低碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接工藝 焊接性的主要問題： 接頭在Ms點的冷卻速度不能過快，要保證 M

10、的“自回火”作用。避免產(chǎn)生冷裂紋。 控制冷卻速度，避免產(chǎn)生脆化。 （1）接頭與坡口形式設(shè)計 U型或V型為最佳，也可以使用對稱坡口形式。 （2）坡口制備 熱切割和機械切割都可以加工 100mm時，切割前不預(yù)熱 100mm時，切割前100-150預(yù)熱 （3）焊接方法的選用 為了避免鋼焊后軟化，應(yīng)采用應(yīng)力集中的熱源 s686Mpa 用熔化極氣體保護焊 s 980 Mpa 用鎢極氬弧焊或真空電子束焊 用大線能量焊接后要進行調(diào)質(zhì)處理 （4）焊接材料 當(dāng)母材是在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接時，材料強度與 母材匹配。 當(dāng)母材在退火或正火狀態(tài)下焊接時，應(yīng)保證 調(diào)質(zhì)處理后有相同的力學(xué)性能，材料的成分 和母材相近。 所選材料盡

11、量為低氫型材料，焊前烘干。 （5）焊接工藝參數(shù) 焊接線能量 為了防止熱影響區(qū)脆化和冷裂產(chǎn)生，所選線 能量應(yīng)保證在最佳冷卻速度范圍內(nèi)。 首先要通過實驗確定所焊鋼材保證韌性的最 大線能量，然后根據(jù)用此線能量焊接時的冷 裂紋傾向確定是否需要預(yù)熱。 焊接時，用小直徑的焊條（焊絲），需要多 層小道焊，不要作橫向擺動。 預(yù)熱溫度 主要是為了防止冷裂紋，對改善組織無明顯 作用。 一般預(yù)熱溫度不超過200，可以降低Ms點附 近的冷卻速度，保證有“自回火”作用。 焊后熱處理 低碳調(diào)質(zhì)鋼一般沒有必要進行焊后熱處理，只有 下列情況才要進行消除應(yīng)力退火處理： a.鋼材焊后或冷變形加工后，韌性達不到要求。 b.結(jié)構(gòu)要求

12、保證尺寸穩(wěn)定。 c.鋼材對應(yīng)力腐蝕比較敏感，而又有可能導(dǎo)致應(yīng) 力開裂的。 3.3 中碳調(diào)制鋼的焊接 知識目標(biāo)： 1.了解中碳調(diào)質(zhì)鋼的使用范圍 2.理解中碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接性分析 3.掌握中碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接工藝設(shè)計 能力目標(biāo)： 1.能夠?qū)χ刑颊{(diào)質(zhì)鋼進行焊接性分析并 設(shè)計出焊接工藝 3.3 中碳調(diào)制鋼的焊接 3.3.1中碳調(diào)質(zhì)鋼的成分和性能 s=8801170Mpa 0.45%c 0.25% 為了保證淬透性和消除回火脆性，通常會加 入很多合金元素。 熱處理工藝：淬火+回火 （1）Cr鋼 Cr能增加低溫或高溫的回火穩(wěn)定性，但Cr有 回火脆性。 Cr1% 塑性和韌性有提高 Cr1.5% 有效的提高淬透性 C

13、r2% 塑性較好，但沖擊韌性下降 如：40 Cr （2）Cr-Mo鋼 含Cr的基礎(chǔ)上加Mo=0.15%0.25% 能提高淬透性，消除回火脆性，提高中溫強度 加入V能起到細化晶粒、提高強度、韌性和塑 性，提高高溫回火穩(wěn)定性。 如：35 CrMoVA 35 CrMoA （3）Cr-Mn-Si鋼 （4）Cr-Ni-Mo鋼 加入Ni和Mo，提高淬透性和抗回火軟化性 如：34CrNiMoA 3.3.2中碳調(diào)制鋼的焊接性 （1）裂紋問題 熱裂紋 中碳調(diào)制鋼含碳量和合金元素都較高，結(jié)晶 溫度區(qū)較高，容易發(fā)生偏析。 選擇材料時應(yīng)盡量選用含碳低，S、P雜質(zhì)少 的材料。 冷裂紋 含c增加使Ms點下降，沒有“自回火

14、”效果 （2）熱影響區(qū)脆化問題 脆化的主要原因是：冷速過大時很容易形成 硬脆的高碳M，而且冷速越高，脆化越嚴(yán)重。 為了減小過熱，應(yīng)盡量提高t8/5時間，常用的 方法是小線能量、預(yù)熱、緩冷、后熱等。 1 （3）熱影響區(qū)軟化 主要是在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接的材料，容易出現(xiàn) 軟化。 調(diào)制鋼強度越高，軟化程度越嚴(yán)重。 焊接線能量越大，軟化程度越嚴(yán)重。 3.3.3中碳調(diào)制鋼的焊接工藝 調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接 中碳調(diào)制鋼的焊接工藝 退火或正火狀態(tài)下焊接 （1）調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接 焊接性問題：脆化 軟化 裂紋 焊接方法 盡量選擇熱能集中的、能量密度大的方法 焊接材料 焊后通常不再進行調(diào)質(zhì)處理，所以主要根據(jù) 強度和對裂紋控制方面進行選材 焊接工藝參數(shù) 預(yù)熱 焊接線能量：為了減小脆化和軟化，選用小 線能量。 焊后熱處理：焊后立即回火，避開回火脆性