金屬焊接性及其試驗(yàn)方法合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接

1、第一章 金屬焊接性及其試驗(yàn)方法金屬材料在焊接時(shí)，要經(jīng)受加熱、熔化、化學(xué)反應(yīng)、結(jié)晶、冷卻、相變等一系列復(fù)雜的過(guò)程。這些過(guò)程又都是在溫度、成分、應(yīng)力極不平衡的條件下進(jìn)行的，所以往往在焊接區(qū)造成缺陷，或者使金屬的性能下降而不能滿(mǎn)足使用要求。例如：二戰(zhàn)期間，美國(guó)為了應(yīng)對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)的需要，制造了4700艘海輪（焊接結(jié)構(gòu)），約有1000艘船體發(fā)生了脆性破壞事故，其中190艘的事故是極其嚴(yán)重的，有的甚至裂成兩段。因此，單從金屬材料本身的性能，不能直接說(shuō)明它在焊接時(shí)可能出現(xiàn)的問(wèn)題以及在焊后能否滿(mǎn)足使用要求。這就要求從焊接角度出發(fā)來(lái)研究金屬的某些特定性能，從而就提出了焊接性的概念。第一節(jié) 金屬焊接性概念一、金屬焊接性

2、1定義：在GB/T3375-1994焊接術(shù)語(yǔ)中下的定義是：焊接性是指材料在限定的焊接施工條件下，焊接成規(guī)定設(shè)計(jì)要求的構(gòu)件，并滿(mǎn)足預(yù)定服役要求的能力。焊接性受材料、焊接方法、構(gòu)件類(lèi)型及使用要求四個(gè)因素的影響。內(nèi)涵：a.結(jié)合性能：材料焊接時(shí)對(duì)缺陷的敏感性。 b.使用性能：焊成的接頭在指定的使用條件下可靠運(yùn)行的能力。研究焊接性的目的：查明一定的材料在指定的焊接工藝條件下可能出現(xiàn)的問(wèn)題，以確定焊接工藝的合理性或材料的改進(jìn)方向。說(shuō)的通俗些，焊接性就是指金屬材料“好焊不好焊”以及焊成的接頭“好用不好用”。如果金屬焊接工藝過(guò)程簡(jiǎn)單而接頭質(zhì)量高，性能好時(shí)，就稱(chēng)作焊接性好。反之，就稱(chēng)作焊接性差。2影響金屬焊接性

3、的因素焊接性是金屬材料的一種工藝性能，影響因素頗多，但大體可歸結(jié)為材料、工藝、結(jié)構(gòu)及服役等四個(gè)方面。（1）材料因素母材本身的理化性能對(duì)其焊接性有著決定性的作用。例如鋁的性質(zhì)很活潑，容易氧化，所以它的焊接比鋼困難得多。又如，鋼材為較復(fù)雜的合金系，并通過(guò)熱處理、變形加工等方式獲得強(qiáng)化，則不易獲得與母材完全匹配的焊縫金屬，以至整個(gè)接頭。如果兩種以上金屬材料的焊接，則和它們各自的性能有關(guān)，一般而言，晶體結(jié)構(gòu)、理化性能接近的金屬材料比較容易實(shí)現(xiàn)焊接。母材的性質(zhì)除影響到焊縫外，還影響到HAZ。如低C 鋼的焊接性好，它的HAZ組織對(duì)焊接熱輸入不敏感，可采用各種方法焊接。而中碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接性較差，其HAZ組織

4、對(duì)焊接熱輸入敏感，過(guò)小的熱輸入可造成HAZ的冷裂紋和淬硬脆化，過(guò)大的熱輸入，可造成HAZ的過(guò)熱脆化和軟化，所以不僅要控制焊接熱輸入，還要采取預(yù)熱、緩冷等其它工藝措施。焊接材料也直接參與了焊接過(guò)程的一系列化學(xué)冶金反應(yīng)，影響著焊縫金屬的成分、組織和缺陷的形成，所以對(duì)母材的焊接性有很大的影響。通過(guò)調(diào)整焊接材料的成分和熔合比，可以在一定程度上改善其焊接性。如用普通低C鋼焊絲CO2焊時(shí)，易產(chǎn)生大量CO氣孔，而用含Si、Mn較高的焊絲則可避免。（2） 工藝因素工藝因素包括焊接方法、焊接規(guī)范、預(yù)熱、后熱等。它對(duì)焊接性的影響主要體現(xiàn)在能量密度、冶金條件。焊接熱源的特點(diǎn)、功率密度、熱輸入等工藝參數(shù)，直接決定著接

5、頭的溫度場(chǎng)和熱循環(huán)，所以對(duì)HAZ的大小、組織變化、產(chǎn)生缺陷的敏感性都有顯著的影響。另外，焊接區(qū)的保護(hù)方式和冶金條件也是受工藝因素決定的。例如，等離子弧焊與氣焊相比，可以大大減小HAZ寬度，從而減少各種HAZ焊接缺陷。采用Ar弧焊可使焊接區(qū)保護(hù)嚴(yán)密，使Al、Ti等活性金屬的焊接變得容易。采用預(yù)熱、緩冷可降低接頭的冷卻速度，從而降低接頭的淬硬傾向和冷裂敏感性。（3）結(jié)構(gòu)因素影響焊接時(shí)是否發(fā)生缺陷（裂紋）影響焊后接頭的承載能力焊接接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，直接影響它的剛度，拘束應(yīng)力大小及分布。而這些又影響接頭的性能和產(chǎn)生缺陷的敏感性。所以，減小接頭剛度，避免應(yīng)力集中是改善焊接性的重要因素。（4）使用條件接頭所

6、承受載荷的性質(zhì)、溫度的高低、工作介質(zhì)的腐蝕性等，實(shí)際上是對(duì)焊接性提出了不同的要求，因而也影響著對(duì)焊接性的評(píng)價(jià)。例如在低溫下工作的接頭要考慮低溫韌性的要求，在高溫下工作的接頭要考慮合金元素?cái)U(kuò)散和結(jié)構(gòu)蠕變的問(wèn)題。綜上所述，焊接性與材料、工藝、結(jié)構(gòu)和使用條件等因素密切相關(guān)，不能單從材料本身來(lái)評(píng)價(jià)金屬的焊接性，只能通過(guò)多方面的研究對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)定。二、金屬焊接性的分析金屬的焊接性除可用直接焊接試驗(yàn)方法確定之外，還可通過(guò)分析金屬的化學(xué)成分、物理特性、化學(xué)性能、相圖、CCT圖或SHCCT圖、熱處理狀態(tài)、焊接工藝條件和措施等，可在某種程度上評(píng)價(jià)金屬的焊接性。（一）從金屬的特性分析焊接性1利用化學(xué)成分分析（1

7、）碳當(dāng)量法：鋼材的化學(xué)成分對(duì)焊接HAZ的淬硬及冷裂傾向有直接影響，因此可以用化學(xué)成分來(lái)分析其冷裂敏感性。而在各種合金元素中，C是對(duì)冷裂敏感性影響最顯著的一個(gè)。因而，人們就把各種元素按相當(dāng)于若干含C量折合并疊加起來(lái)求得所謂C當(dāng)量（CE，Ceq），用CE或Ceq來(lái)估算冷裂傾向的大小。CE（Ceq）計(jì)算公式：IIW采用： (%).(1)JIS采用： Ceq= (%)(2)（1）式適用于中、高強(qiáng)度的非調(diào)質(zhì)低合金高強(qiáng)鋼；CE0.45時(shí)，焊接厚度25mm的板可不預(yù)熱。CE0.41且含C0.207時(shí)，焊按厚度37mm的板可以不預(yù)熱。（2）式主要適用于低合金調(diào)質(zhì)鋼。化學(xué)成分范圈：C0.2或0.18；si0.5

8、5；Mn1.5；Cu0.5；Ni2.5；Cr1.25； Mo0.7；V0.1B0.006。當(dāng)板厚25mm，手孤焊熱輸入17kJ/cm時(shí)，預(yù)熱范圍大致如下：圖1-1 焊接性與Ceq的關(guān)系鋼材b500MPa，Ceq0.46時(shí)，可不預(yù)熱鋼材b700MPa，Ceq0.52時(shí)，預(yù)熱75鋼材b600MPa，Ceq0.52時(shí)，預(yù)熱100鋼材b800MPa，Ceq0.62時(shí)，預(yù)熱150。美國(guó)焊接學(xué)會(huì)的Ceq計(jì)算公式及判據(jù)。Ceq= (%)適用的化學(xué)成分范圍見(jiàn)P2。結(jié)果歸于圖1-1和表1-1。表1-1 不同條件下的預(yù)熱要求焊接性用普通酸性焊條用低氫焊條消除應(yīng)力敲擊處理.優(yōu)良不需預(yù)熱不需預(yù)熱不需不需.較好預(yù)熱40

9、100-10以上不需預(yù)熱任意任意.尚可預(yù)熱150預(yù)熱40100希望希望.可以預(yù)熱150200預(yù)熱100必要希望上述公式中Ceq的數(shù)值越高，被焊鋼材的淬硬傾向越大，冷裂敏感性越大。一般對(duì)于20mm，CE0.4%時(shí)，鋼材的淬硬傾向不大，焊接性良好，不需預(yù)熱，當(dāng)CE0.40.6%時(shí)，特別是大于0.5時(shí)鋼材易于淬硬，焊接時(shí)需預(yù)熱才能防止裂紋。用CE(Ceq )估計(jì)鋼的焊接性是比較粗略的。因?yàn)楣街兄话藥追N元素，而鋼中還有其它元素；而且在不同合金系統(tǒng)中，元素作用的大小也可能不相同。所以，CE（Ceq）只能用于對(duì)鋼材焊接性從理論上初步分析。（2）焊接冷裂紋敏感指數(shù)碳當(dāng)量法另考慮了鋼材的化學(xué)成分，而忽略

10、了板厚、焊縫含H量等重要因素。為此，日本人用200多種鋼材進(jìn)行了大量實(shí)際試驗(yàn)工作，求得了焊接冷裂紋敏感指數(shù)Pc。 (%)式中 板厚度（mm） 1950 mm H焊縫中擴(kuò)散H含量(ml/100g) H=15ml/100g適用的成分范圍：C0.070.22，Si0.60%,Mn0.401.40，Cu0.5%,Ni1.2%Cr1.2%,Mo0.7%,V0.12%,Nb0.04%,Ti0.05%,B0.005%求得Pc后，用下式即可求得斜Y坡口對(duì)接裂紋試驗(yàn)條件下，為防止冷裂所需的最低預(yù)熱溫度T0( )T0=1440Pc392( )2利用物理性能分析金屬的熔點(diǎn)、導(dǎo)熱系數(shù)、線脹系數(shù)、密度、熱容量等因素都對(duì)

11、熱循環(huán)、溫度場(chǎng)、熔化、結(jié)晶等過(guò)程產(chǎn)生影響，從而影響焊接性。Exp.(1) 紫銅，導(dǎo)熱系數(shù)大、熱散失快， HAZ大，坡口不易熔化，焊接時(shí)需大功率熱源。否則產(chǎn)生未熔透缺陷。Exp.(2) Al及其合金導(dǎo)熱系數(shù)高、結(jié)晶快、密度小，熔池中的氣泡及夾雜物不易上浮，在焊接中易產(chǎn)生氣孔、夾雜。Exp.(3) S.S.導(dǎo)熱系數(shù)小，線脹系數(shù)大，焊接時(shí)溫度梯度陡，殘余應(yīng)力高，變形大，且高溫停留時(shí)間長(zhǎng)，HAZ晶粒長(zhǎng)大，對(duì)接頭性能不利。3利用化學(xué)性能分析與O親合力強(qiáng)的金屬（Al、Ti），在高溫下極易氧化，要采取可靠的保護(hù)方法（隋性氣體、真空）甚至背面也需保護(hù)。對(duì)化學(xué)性活潑的金屬，要嚴(yán)格控制有害元素對(duì)焊接區(qū)的污染。4利

12、用合金相圖分析可利用材料的合金相圖分析焊接性問(wèn)題。例如，共晶相圖，固相線與液相線溫度區(qū)間的大小，會(huì)影響結(jié)晶時(shí)的成分偏析、脆性溫度區(qū)間大小，這對(duì)分析熱裂紋有重要的參考意義。若結(jié)晶時(shí)形成單相組織，則焊縫晶粒易粗大，易形成熱裂。5利用CCT圖或SHCCT圖分析對(duì)于低合金鋼，利用CCT圖或SHCCT圖，可以大體分析在不同的焊接熱循環(huán)條件下將獲得什么樣的組織和硬度，估計(jì)有無(wú)冷裂的危險(xiǎn)，以確定適當(dāng)?shù)暮附庸に嚄l件。除以上各項(xiàng)外，在分析焊接性時(shí)，還應(yīng)考慮金屬焊前的熱處理狀態(tài)。如調(diào)質(zhì)處理的高強(qiáng)鋼，焊后HAZ會(huì)出現(xiàn)軟化區(qū)。（二）從焊接工藝條件分析焊接性1熱源特點(diǎn) 不同的焊接方法在熱源功率、能量密度、加熱的最高溫度

13、等方面有很大差別，從而影響金屬的焊接性。Exp.(1) 電渣焊功率大、密度低、最高加熱溫度不高，加熱慢，高溫停留時(shí)時(shí)間長(zhǎng)，使得HAZ晶粒大，ak值顯著降低，須正火后方可使用。Exp.(2) 電子束焊、激光焊則與之相反，HAZ小，無(wú)晶粒長(zhǎng)大危險(xiǎn)。2保護(hù)方法 熔焊時(shí)對(duì)焊接區(qū)的保護(hù)有渣、氣和真空等幾種，這些方法分別適用于不同的金屬或合金。Exp.一般鋼材焊接時(shí)，多以渣保護(hù)為主，有時(shí)也采用氣保護(hù)。對(duì)Al、Mg、Ti等有色金屬則以惰性氣體保護(hù)焊為主。而真空保護(hù)時(shí)不宜用于含Zn、Li、Mn等高蒸氣壓成分較高的合金。保護(hù)方法選擇是否適當(dāng)也會(huì)影響金屬的焊接性。3熱循環(huán)控制 對(duì)熱循環(huán)的控制除正確選擇焊接工藝規(guī)范

14、外，也可用預(yù)熱、緩冷、層間溫度加以調(diào)整。4其它工藝因素（1）徹底清理坡口及其附近（2）嚴(yán)格按規(guī)定處理焊接材料（3）合理安排焊接順序（4）正確制定焊接規(guī)范第二節(jié) 焊接性試驗(yàn)一、焊接性試驗(yàn)的內(nèi)容1.工藝焊接性試驗(yàn) 目的：考察金屬材料的結(jié)合性能 （1）焊接裂紋敏感性試驗(yàn) a 焊接冷裂紋敏感性試驗(yàn) b 焊接熱裂紋敏感性試驗(yàn) c 焊接再熱裂紋敏感性試驗(yàn) d 層狀撕裂敏感性試驗(yàn)等（2） 析因理化試驗(yàn) a 焊接材料熔敷金屬擴(kuò)散氫試驗(yàn) b 焊縫和母材化學(xué)成分分析試驗(yàn) c 焊接接頭金相試驗(yàn) d 焊接接頭硬度試驗(yàn)等2.使用焊接性試驗(yàn) 目的：考察焊接接頭的使用性能 （1） 焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn) 如：拉伸試驗(yàn)、彎曲試

15、驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)等。 （2）其它特殊性能試驗(yàn) 如：焊接接頭抗脆斷試驗(yàn)、耐腐蝕性試驗(yàn)、高溫性能試驗(yàn)等。 （3） 析因理化試驗(yàn) 如：焊接斷口試驗(yàn)，焊接金相試驗(yàn)等。 二、焊接性試驗(yàn)方法分類(lèi)1.按試驗(yàn)者與研究對(duì)象的關(guān)系分類(lèi) （1）間接試驗(yàn)：以推理或模擬為主要特征； （2）直接試驗(yàn)：以焊接試件為主要特征。2.按照金屬焊接性的內(nèi)涵分類(lèi) （1）工藝焊接性試驗(yàn)：評(píng)定結(jié)合性能； （2）使用焊接性試驗(yàn)：評(píng)定使用性能三、焊接性試驗(yàn)方法的選用原則1.盡可能地接近產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)條件和使用條件（良好的針對(duì)性） 焊接接頭型式相對(duì)應(yīng)； 試件略大于焊件的拘束度RF。 RF=K1=E/L 式中：K1拘束系數(shù)； 板厚； E彈性模量； L拘

16、束長(zhǎng)度。2.具有較好的再現(xiàn)性和試驗(yàn)精度（較好的再現(xiàn)性）3.經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便（一定的經(jīng)濟(jì)性）。第三節(jié) 常用焊接性試驗(yàn)方法焊接性試驗(yàn)得內(nèi)容和方法種類(lèi)繁多，但由于裂紋是焊接接頭中最常見(jiàn)而又最重要的焊接缺陷，所以焊接裂紋試驗(yàn)成為最重要的焊接性試驗(yàn)。曾經(jīng)納入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的裂紋試驗(yàn)方法有斜Y形坡口裂紋試驗(yàn)方法、搭接接頭（CTS）焊接裂紋試驗(yàn)方法、T形接頭焊接裂紋試驗(yàn)方法、壓板對(duì)接（FISCO）焊接裂紋試驗(yàn)方法、焊接用插銷(xiāo)冷裂紋試驗(yàn)方法等五種。一、斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)法（GB4675.1）這種方法也稱(chēng)“小鐵研”試驗(yàn)，主要用于評(píng)定碳鋼和低合金高強(qiáng)鋼焊接HAZ的冷裂紋敏感性，也可作為焊條與母材組合的裂紋試驗(yàn)。1.試件尺寸

17、及制備坡口只準(zhǔn)用機(jī)加工，拘束焊縫用45mm低H型焊條對(duì)稱(chēng)焊接。2. 焊接試驗(yàn)試驗(yàn)焊縫采用手弧焊和自動(dòng)送進(jìn)焊條裝置焊接時(shí)，按圖14進(jìn)行。為了比較不同鋼材的冷裂紋傾向，推薦采用的工藝參數(shù)為：45mm， 170A10A， 242V， 15010mm/min。3. 裂紋檢測(cè)試驗(yàn)焊縫可在不同的溫度下施焊，焊后48h進(jìn)行裂紋檢測(cè)和解剖。表面裂紋用肉眼或磁粉滲透檢測(cè)等檢查，斷面裂紋應(yīng)先用機(jī)械方法制取斷面試樣，研磨腐蝕后用2030倍放大鏡檢查。裂紋長(zhǎng)度或高度按圖15檢測(cè)。裂紋為曲線形狀時(shí)，按直線長(zhǎng)度檢測(cè)，裂紋重疊時(shí)不必分別計(jì)算。表面裂紋率 Cf100根部裂紋率 Cr100斷面裂紋率 Cs100式中表面裂紋長(zhǎng)度

18、之和（mm） L試驗(yàn)焊縫長(zhǎng)度（mm） 根部裂紋長(zhǎng)度之和（mm） 五個(gè)斷面上裂紋深度之和（mm） 五個(gè)斷面焊縫最小厚度之和（mm）4.應(yīng)用準(zhǔn)則由于這種接頭形式的拘束度極大，應(yīng)力集中明顯，試驗(yàn)條件比較苛刻，所以一般認(rèn)為表面裂紋率小于20，無(wú)根部裂紋時(shí)，用于生產(chǎn)就是安全的。二、插銷(xiāo)試驗(yàn)方法（Implant Test） 該方法是測(cè)定低合金鋼焊接熱影響區(qū)冷裂紋敏感性的一種定量試驗(yàn)方法。這種方法因消耗材料少、試驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定，所以應(yīng)用較廣泛。1) 試樣制備 將被焊鋼材加工成圓柱形的插銷(xiāo)試棒，沿軋制方向取樣并注明插銷(xiāo)在厚度方向的位置。插銷(xiāo)試棒的形狀如圖1-8所示，各部位尺寸見(jiàn)表1-2。試棒上端附近有環(huán)形或螺形缺

19、口。將插銷(xiāo)試棒插入底板相應(yīng)的孔中，使帶缺口一端與底板表面平齊，如圖1-7所示。 圖1-7 插銷(xiāo)試棒、底板及熔敷焊道a) 環(huán)形缺口插銷(xiāo) b) 螺形缺口插銷(xiāo)圖1-8 插銷(xiāo)試棒的形狀a) 環(huán)形缺口插銷(xiāo) b) 螺形缺口插銷(xiāo)對(duì)于環(huán)形缺口的插銷(xiāo)試棒，缺口與端面的距離a應(yīng)使焊道熔深與缺口根部所截平面相切或相交，但缺口根部圓周被熔透的部分不得超過(guò)20%，如圖2-16所示。對(duì)于低合金鋼，a值在焊接熱輸入E=15kJ/cm時(shí)為2mm。根據(jù)焊接熱輸入的變化，缺口與端面的距離a可按表1-3作適當(dāng)調(diào)整 。表1-2 插銷(xiāo)試棒的尺寸表1-3 缺口位置a與焊接熱輸入E的關(guān)系圖2-16 熔透比的計(jì)算 圖1-9 底板的形狀及尺寸

20、 2) 試驗(yàn)過(guò)程 按選定的焊接方法和嚴(yán)格控制的工藝參數(shù)，在底板上熔敷一層堆焊焊道，焊道中心線通過(guò)試棒的中心，其熔深應(yīng)使缺口尖端位于熱影響區(qū)的粗晶區(qū)。焊道長(zhǎng)度L約100-150mm。施焊時(shí)應(yīng)測(cè)定800-500的冷卻時(shí)間t8/5值。不預(yù)熱焊接時(shí)，焊后冷卻至100-150時(shí)加載；焊前預(yù)熱時(shí)，應(yīng)在高于預(yù)熱溫度50-70時(shí)加載。載荷應(yīng)在1min之內(nèi)且在冷卻至100或高于預(yù)熱溫度50-70之前施加完畢。如有后熱，應(yīng)在后熱之前加載。為了獲得焊接熱循環(huán)的有關(guān)參數(shù)（t8/5、t100等），可將熱電偶焊在底板焊道下的盲孔中（見(jiàn)圖1-9），盲孔直徑3mm，深度與插銷(xiāo)試棒的缺口處一致。測(cè)點(diǎn)的最高溫度應(yīng)不低于1100。

21、當(dāng)加載試棒時(shí)，插銷(xiāo)可能在載荷持續(xù)時(shí)間內(nèi)發(fā)生斷裂，記下承載時(shí)間。在不預(yù)熱條件下，載荷保持16h而試棒未斷裂即可卸載。預(yù)熱條件下，載荷保持至少24h才可卸載?？捎媒鹣嗷蜓趸确椒z測(cè)缺口根部是否存在斷裂。經(jīng)多次改變載荷，可求出在試驗(yàn)條件下不出現(xiàn)斷裂的臨界應(yīng)力cr。臨界應(yīng)力cr可以用啟裂準(zhǔn)則，也可以用斷裂準(zhǔn)則，但應(yīng)注明。根據(jù)臨界應(yīng)力cr的大小可相對(duì)比較材料抵抗產(chǎn)生冷裂紋的能力。 三、壓板對(duì)接（FISCO）焊接裂紋試驗(yàn)（GB4675.484）用于評(píng)定低合金高強(qiáng)鋼、A不銹鋼、鋁合金的焊縫金屬熱裂紋敏感性。也可做材料與焊條匹配性的試驗(yàn)。1. 試件制備試件形式尺寸如圖。試件坡口為I形厚板可用正Y形，用機(jī)械加

22、工。2. 試驗(yàn)程序 安裝試件。將試件安裝在C形夾具中，在試件坡口兩端按試驗(yàn)要求裝入相應(yīng)的塞片，保證坡口間隙（06mm）。先將水平方向的4個(gè)螺栓緊固，頂緊試件，再把垂直方向的14個(gè)螺栓用測(cè)力扳手以120N.m的扭距緊固。圖1-10 壓板對(duì)接（FISCO）試驗(yàn)裝置1C形拘束框架 2試板 3緊固螺栓 4齒形底座 5定位塞片 6調(diào)節(jié)板 焊接。然后按生產(chǎn)上使用的工藝參數(shù)依次焊接長(zhǎng)約40mm、間距10mm的4條焊縫，弧坑不填滿(mǎn)。 檢測(cè)。焊后約10min取下試件，待冷卻后將試件沿焊縫縱向彎斷，觀測(cè)有無(wú)裂紋，并測(cè)量長(zhǎng)度。裂紋率按下式計(jì)算：CR=100式中 4條試驗(yàn)焊縫上裂紋長(zhǎng)度之和（mm） 4條試驗(yàn)焊縫長(zhǎng)度之

23、和（mm）四、可調(diào)拘束裂紋試驗(yàn)主要用于評(píng)定低合金鋼各種熱裂紋（結(jié)晶裂紋、液化裂紋等）敏感性。這種方法的原理是在焊縫凝固后期施加一定的應(yīng)變來(lái)研究產(chǎn)生裂紋的規(guī)律。當(dāng)外加應(yīng)變值在某一溫度區(qū)間超過(guò)焊縫或熱影響區(qū)金屬的塑性變形能力時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)熱裂紋，以此來(lái)評(píng)定產(chǎn)生焊接熱裂紋的敏感性。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康牟煌?，可分為縱向和橫向兩種試驗(yàn)方法。如圖1-13所示。（a）（b）圖1-13 可調(diào)拘束裂紋試驗(yàn)示意圖 a)縱向試驗(yàn)法 b)橫向試驗(yàn)法兩者可在同一臺(tái)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)過(guò)程基本相同，僅焊縫所承受的應(yīng)變方向不同。試驗(yàn)時(shí)只需將焊接方向扭轉(zhuǎn)90。用工具顯微鏡檢測(cè)裂紋的總長(zhǎng)度和裂紋數(shù)量?？烧{(diào)拘束裂紋試驗(yàn)時(shí)，加載變形可有快速和

24、慢速兩種形式。慢速變形時(shí)，采用支點(diǎn)彎曲的方式，應(yīng)變量由壓頭下降弧形距離S控制，其應(yīng)變速度約為每秒0.30.7。SR0/180式中 S加載壓頭下降的弧形位移(mm)； R0加載壓頭的旋轉(zhuǎn)半徑(mm)； 試板的彎曲角(rad)?？焖僮冃螘r(shí)，應(yīng)變量由可更換的弧形模塊的曲率半徑控制，該應(yīng)變量可用下式計(jì)算：=(/2R)100試板尺寸為：(516)mm(5080)mm(300350)mm。焊條按規(guī)定烘干，再以規(guī)定的工藝參數(shù)進(jìn)行施焊(焊條直徑4mm，焊接電流l70A，電弧電壓2426V，焊接速度150mm/min)。由A點(diǎn)焊至C點(diǎn)后熄弧，焊接到達(dá)B點(diǎn)時(shí)，加載壓頭突然加力F下壓，使試板發(fā)生強(qiáng)制變形而與模塊貼緊

25、。變更模塊的R即可變更應(yīng)變量，而達(dá)到一定數(shù)值時(shí)就會(huì)在焊縫或熱影響區(qū)發(fā)生熱裂紋。隨著增大，裂紋的數(shù)目及長(zhǎng)度總和也都增加，從而可以獲得一定的規(guī)律。圖1-15剛性固定對(duì)接裂紋試驗(yàn)試件橫向可調(diào)拘束裂紋試驗(yàn)主要用于測(cè)試焊縫中央的結(jié)晶裂紋和高溫失塑裂紋；縱向可調(diào)拘束裂紋試驗(yàn)則主要用于測(cè)試結(jié)晶裂紋和液化裂紋。五、其它焊接性試驗(yàn)方法簡(jiǎn)介（一）拉伸拘束裂紋試驗(yàn)（Tensile Restraint Cracking Test, 即TRC試驗(yàn)）基本原理是模擬焊接接頭承受的平均拘束應(yīng)力，在一定坡口形狀和一定尺寸的試板間施焊后，冷卻到規(guī)定溫度時(shí)在焊縫橫向施加一拉伸載荷并保持恒定，直到產(chǎn)生裂紋或斷裂。 調(diào)整載荷，可以求得

26、加載24h而不發(fā)生開(kāi)裂的臨界應(yīng)力。根據(jù)臨界應(yīng)力的大小，即可評(píng)定冷裂敏感性。此法設(shè)備較大而復(fù)雜，所需試板的尺寸也很大。試驗(yàn)結(jié)果常與插銷(xiāo)試驗(yàn)一致。（二）剛性拘束裂紋試驗(yàn)（Rigid Restrain Cracking Test，即RRC試驗(yàn)）基本原理是模擬焊接接頭承受外部拘束，由于接頭冷卻時(shí)金屬收縮所產(chǎn)生的應(yīng)力而引起裂紋。其簡(jiǎn)化原理圖如圖1-14所示。圖a為設(shè)想的情況，圖b為實(shí)際試驗(yàn)機(jī)上安裝試件的情況?？傊?，試驗(yàn)中要保持拘束距離l固定不變（即所謂剛性拘束)。拘束距離l增大時(shí)，拘束度就減小，焊縫處的拘束應(yīng)力便降低，產(chǎn)生裂紋所需時(shí)間也延長(zhǎng)。當(dāng)l增大到一定數(shù)值后便不再發(fā)生裂紋，此時(shí)的拘束應(yīng)力便是臨界應(yīng)力

27、，可以用作評(píng)價(jià)冷裂敏感性的尺度。此試驗(yàn)比TRC試驗(yàn)的恒載拉伸更接近實(shí)際焊接情況。（三）剛性固定對(duì)接裂紋試驗(yàn)（Restrained Butt Joint Cracking Test）這種試驗(yàn)方法主要用于測(cè)定焊縫的冷裂紋和熱裂紋傾向，也可以測(cè)定熱影響區(qū)的冷裂紋傾向，適用于低合金鋼焊條電弧焊、埋弧焊、氣體保護(hù)焊等。試件形狀、尺寸見(jiàn)圖1-l5。四周固定焊縫的焊腳K12mm，若板厚12mm，則K。試驗(yàn)焊縫按實(shí)際生產(chǎn)時(shí)的工藝參數(shù)施焊。焊后在室溫下放置24h后檢查焊縫表面有無(wú)裂紋，再橫切焊縫取兩塊磨片檢查有無(wú)裂紋，一般即以有無(wú)裂紋為評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。（四）窗形拘束裂紋試驗(yàn)（Window Type Restraint

28、 Cracking Test）主要用于測(cè)定低合金鋼多層焊時(shí)，焊縫橫向冷裂紋及熱裂紋的敏感性，為選擇焊接材料和確定工藝條件提供試驗(yàn)依據(jù)。圖1-17 Z 向拉伸試驗(yàn)a)取樣部位 b) 試棒示意圖見(jiàn)圖1-16。圖中a為窗口及試板；圖b為焊后解剖試板檢查裂紋的方式。事先將試板焊在窗口部位，然后從兩面填滿(mǎn)坡口完成試驗(yàn)焊縫。焊后放置24h再檢查，一般以有無(wú)裂紋為準(zhǔn)則也可以裂紋率為相對(duì)比較。圖1-16窗形拘束裂紋試驗(yàn)（五）Z向拉伸試驗(yàn)（Z-direction Tensile Test）它是利用鋼板厚度方向（即Z向）的斷面收縮率來(lái)評(píng)定鋼材的層狀撕裂敏感性。對(duì)于25mm的板可直接沿厚度方向截取小型拉伸試棒；如2

29、5mm或需制備常規(guī)拉伸試棒時(shí)，則可按圖1-17加工試棒。試棒拉伸破壞后，以Z向斷面收縮率Z為層狀撕裂敏感性的判斷。目前我國(guó)沒(méi)有試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于低合金鋼可參照日本有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)z5%時(shí)，層狀撕裂敏感性就很?chē)?yán)重；z25%時(shí)，才能較好地抵抗層狀撕裂?？箤訝钏毫褬?biāo)準(zhǔn)分類(lèi)該判據(jù)不是絕對(duì)的，要看原材料其它方向的Z值。該法比較簡(jiǎn)單，在工程上應(yīng)用廣泛。（六）Z 向窗口試驗(yàn)（Z-Direction Window Type Test） 也是一種測(cè)試層狀撕裂敏感性的試驗(yàn)方法，試件的形狀及尺寸如圖1-18所示。在大拘束板（300mm350mm30mm）的中心開(kāi)一“窗口”（圖a），將試驗(yàn)板插入此窗口（圖b），按圖c所示的順

30、序焊4條角焊縫，其中1、2為拘束焊縫，3、4為試驗(yàn)焊縫。裝配時(shí)應(yīng)將未加工的表面放在試驗(yàn)焊縫一側(cè)，焊后在室溫下放置24h后再切取試樣檢查裂紋率。裂紋率CR按下式計(jì)算，即：式中 l各截面上撕裂長(zhǎng)度總和（mm）； L各截面上焊縫厚度總和（mm）圖1-18 Z 向窗口試驗(yàn)a) 拘束板 b) 試驗(yàn)板的位置 c) 焊接順序 第二章 合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接第一節(jié) 合金結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)鋼：用來(lái)制造機(jī)械零件和工程結(jié)構(gòu)的鋼，分碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼。合金結(jié)構(gòu)鋼：就是在碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上添加一定量的合金元素來(lái)達(dá)到所需要求的一些鋼。通過(guò)加入合金元素，使鋼材獲得了高的強(qiáng)度，并有一定的塑性和韌性，或者其它特殊性能（如耐低溫、腐蝕性等

31、）且具有良好的加工工藝性。合金結(jié)構(gòu)鋼種類(lèi)繁多，其合金系統(tǒng)、使用環(huán)境也不相同，因此有不同的分類(lèi)方法。對(duì)焊接生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，綜合考慮了它們的性能和用途，將其分為強(qiáng)度用鋼和專(zhuān)用鋼兩類(lèi)。強(qiáng)度用鋼主要應(yīng)用在常規(guī)條件下要求其力學(xué)性能的機(jī)械零件和工程結(jié)構(gòu)，其合金化的主要目的是提高鋼材的強(qiáng)度，并保證鋼材有足夠的塑性和韌性。專(zhuān)用鋼具有特殊使用性能，除了力學(xué)性能外，還必須適應(yīng)特殊環(huán)境下工作要求。一、強(qiáng)度用鋼這類(lèi)鋼即常說(shuō)的高強(qiáng)鋼，其屈服點(diǎn)在294MPa以上。它的應(yīng)用面寬，常用來(lái)制造常溫下工作的受力構(gòu)件。如壓力容器、動(dòng)力設(shè)備、工程機(jī)械、運(yùn)輸機(jī)械、橋梁建筑結(jié)構(gòu)和管道等。根據(jù)屈服點(diǎn)高低及熱處理狀態(tài)，這類(lèi)鋼又可分為熱軋及正火鋼、

32、低碳調(diào)質(zhì)鋼、中碳調(diào)質(zhì)鋼三類(lèi)。1.熱軋及正火鋼是一種非熱處理強(qiáng)化鋼，一般在熱軋及正火狀態(tài)下供貨，故稱(chēng)為熱軋鋼或正火鋼。因其合金元素含量低（總量不大于3），屈服點(diǎn)為294490Mpa，所以又稱(chēng)為低合金高強(qiáng)鋼。在我國(guó)得到了很大的發(fā)展。近二十年來(lái)，由于大型壓力容器、寒冷地區(qū)輸油管線、大跨度全焊橋梁等工程的需要，在這類(lèi)鋼件中又開(kāi)發(fā)出了一些新分支，如微合金化控軋鋼，其本質(zhì)與正火鋼相似；Z向鋼（抗層狀撕裂鋼）在冶煉中使用了Ca（或Re）處理和真空除氣等特殊措施后，使之具有低S（0.005），低氣體含量和高的Z向斷面收縮率（35）等特點(diǎn)，它也是一種s 343MPa的正火鋼；還有一種焊接大熱輸入鋼，也是這類(lèi)鋼中

33、的一類(lèi)，它是在其中加入了微量的Ti，利用TiN質(zhì)點(diǎn)來(lái)抑制加熱時(shí)的晶粒長(zhǎng)大，改善HAZ韌性。2.低碳調(diào)質(zhì)鋼s =441980MPa(大部分書(shū)中為490980MPa)，是一種熱處理強(qiáng)化鋼，在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下供貨。其特點(diǎn)是含C量低（0.25以下），強(qiáng)度高，且有良好的塑性及韌性?？芍苯釉谡{(diào)質(zhì)狀態(tài)下進(jìn)行焊接，且焊后不須進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，必要時(shí)可采用消除應(yīng)力處理，不足之處是焊后會(huì)在HAZ造成軟化帶。在s =441490MPa的低合金鋼中有調(diào)質(zhì)和非調(diào)質(zhì)兩大類(lèi)。正火鋼和低碳調(diào)質(zhì)鋼強(qiáng)化方式的比較：正火鋼是靠加入的合金元素，在正火條件下通過(guò)沉淀強(qiáng)化和細(xì)化晶粒來(lái)提高強(qiáng)度和保證韌性的。強(qiáng)度越高，所加入的合金元素越多，當(dāng)合金元素

34、的含量超過(guò)一定值后，、aK就會(huì)嚴(yán)重惡化，所以正火鋼所能達(dá)到的最高s就是490MPa左右。調(diào)質(zhì)鋼是通過(guò)調(diào)質(zhì)處理，充分發(fā)揮了合金元素的作用，只要添加少量的合金元素，就能通過(guò)淬火回火來(lái)獲得回火M或B，既提高了強(qiáng)度又保證了韌性。所以達(dá)到同一強(qiáng)度水平，調(diào)質(zhì)鋼所需的合金元素含量要比正火鋼少。因而同一級(jí)別的調(diào)質(zhì)鋼和正火鋼，通常前者的韌性和焊接性好，HAZ淬硬傾向小，冷裂敏感性低。s490MPa的CF鋼就是含C量極低的微合金化調(diào)質(zhì)鋼。3.中碳調(diào)質(zhì)鋼s高達(dá)8801176MPa以上，也是熱處理強(qiáng)化鋼。與低碳調(diào)質(zhì)鋼相比，其含C量高（0.3），所以淬硬性強(qiáng)，熱處理后達(dá)到很高的強(qiáng)度和硬度，而韌性較低。所以給焊接工作帶來(lái)

35、了很大困難，一般要在退火狀態(tài)下焊接，焊后再進(jìn)行整體熱處理以達(dá)到所需的強(qiáng)度和硬度，主要用于制造大型機(jī)械零件和要求減輕自重的高強(qiáng)結(jié)構(gòu)，如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、飛機(jī)起落架等。二、專(zhuān)用鋼1.珠光體耐熱鋼這類(lèi)鋼主要用于最高工作溫度為500600的高溫設(shè)備，如熱動(dòng)力設(shè)備和化工設(shè)備。其特點(diǎn)是具有較好的高溫強(qiáng)度和高溫抗氧化性。它是一種以Cr、Mo為基礎(chǔ)的低中合金鋼。隨使用溫度提高，鋼中往往加入V、W、Nb、B等合金元素，這種鋼根據(jù)使用要求可以進(jìn)行各種熱處理（包括調(diào)質(zhì)處理）。但焊后一般不進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，主要進(jìn)行高溫回火處理。2.低溫用鋼其特點(diǎn)是具有非常好的低溫韌性，這是與低合金高強(qiáng)鋼的主要區(qū)別，對(duì)強(qiáng)度無(wú)特殊要求。它適用

36、于低溫（40 196）下工作的各種低溫裝置、工程結(jié)構(gòu)（如嚴(yán)寒地區(qū)的橋梁、管線），如用它制造的容器可用于液化石油氣（45 ）和液化天然氣（162）的貯運(yùn)。這類(lèi)鋼大部分是一些含Ni的低C低合金鋼。一般都在正火或調(diào)質(zhì)狀態(tài)下使用，選用時(shí)，主要根據(jù)不同的低溫韌性要求來(lái)考慮。3.低合金耐蝕鋼主要用在大氣、海水、石油、化工等腐蝕介質(zhì)中工作的機(jī)械設(shè)備和結(jié)構(gòu)。因此，除要求有一定的力學(xué)性能外，還需有耐蝕能力。由于所處介質(zhì)不同，耐蝕鋼的類(lèi)型和成分也不同，而應(yīng)用最廣的是耐大氣和海水腐蝕用鋼。第二節(jié) 熱軋、正火鋼的焊接一、熱軋及正火鋼的成分與性能1.熱軋鋼這類(lèi)鋼的價(jià)格便宜，且具有良好的綜合力學(xué)性能和工藝性能。因此，在各

37、國(guó)均得到了普遍應(yīng)用，如我國(guó)的16Mn,15MnV, 日本的SM50等，其屈服點(diǎn)為294343MPa，均屬于C-Mn或Mn-Si系的鋼種。主要用Mn、Si兩元素的固溶強(qiáng)化作用，其成分為C0.2%，Mn1.6%，Si0.55。Si0.6對(duì)ak 不利，C0.3%，Mn1.6后，焊接時(shí)常出現(xiàn)裂紋及脆性B體組織，有時(shí)也可以用V、Nb代替部分Mn。Mn、Si是固溶強(qiáng)化元素，用以保證強(qiáng)度；V、Nb用以細(xì)化晶粒，也有少許沉淀強(qiáng)化作用，需指出的是，為保證這類(lèi)鋼的焊接性和缺口韌性，其s一般限制在343MPa水平。在我國(guó)的低合金高強(qiáng)系列中，只有15MnV鋼在熱軋狀態(tài)下s 達(dá)到392MPa。它是在16Mn基礎(chǔ)上少量V

38、（0.040.12）而形成的，加V的目的在于細(xì)化晶粒和沉淀強(qiáng)化。這種鋼雖能在熱軋狀態(tài)下使用，但性能很不穩(wěn)定，板厚增加時(shí)更為嚴(yán)重。所以它應(yīng)在正火狀態(tài)下使用更為合理，因?yàn)檎鹉苁蛊渚Я＜?xì)化和VC均勻彌散分布，從而獲得高的和ak。幾種熱軋鋼的成分、性能見(jiàn)P18表21。462.正火鋼正火鋼是在熱軋鋼的基礎(chǔ)上進(jìn)一步沉淀強(qiáng)化和細(xì)化晶粒而形成的，即在C-Mn，Mn-Si系的基礎(chǔ)上再添加一些C化物，N化物形成元素，如V、Nb、Ti、Mo等。正火的目的，是為了使C、N化合物以細(xì)小的質(zhì)點(diǎn)從固溶體中沉淀析出，并起到晶粒細(xì)化的作用，使在提高強(qiáng)度的同時(shí)，鋼材的和aK也得到適當(dāng)改善，以達(dá)到最佳的綜合性能。這類(lèi)鋼的s一般在

39、343490 MPa之間。對(duì)于一些含Mo鋼來(lái)說(shuō)，正火后還必須回火才能保證其良好的和aK。因此，正火鋼又分兩種：（1）正火狀態(tài)下使用的鋼這類(lèi)鋼除了15MnTi外，主要是含V、Nb的鋼。V、Nb的作用在于形成C、N化合物，起到沉淀強(qiáng)化和細(xì)化晶粒的作用，以提高強(qiáng)度、改善韌性和塑性。另外，由于Nb、V的加入，鋼的強(qiáng)度提高，所以可以適當(dāng)降低含C量，這對(duì)提高韌性、改善焊接性也有益處。這類(lèi)鋼的特點(diǎn)是屈強(qiáng)比高，因此，從提高抗拉強(qiáng)度和降低屈強(qiáng)比出發(fā)，一般將V、Nb正火鋼中的含C量限制在0.150.20之間。我國(guó)的15MnV和美國(guó)的A225A（Mn-V）、美國(guó)的A737B（Mn-Nb）、我國(guó)的15MnVN、美國(guó)的

40、A737C和德國(guó)的FG39（Mn-V-N）都屬此類(lèi)。在這類(lèi)鋼中加入N后形成VN，其沉淀作用強(qiáng)，使MnV鋼的s由392MPa提高到441MPa。為了提高韌性，可在這類(lèi)鋼中加入少量Ni，如德國(guó)的FG43（Mn-Ni-V-N）。（2）正火回火狀態(tài)下使用的含Mo鋼Mn-Mo系鋼，鋼中加入0.5Mo，可細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度，以及鋼的中溫性能。因此，一般適用制造中溫厚壁壓力容器。但含Mo鋼在較高的正火溫度或較大的連續(xù)冷卻速度下，得到的組織為上貝氏體和少量鐵素體，必須經(jīng)回火才能具有良好的和ak，才能保證獲得良好的綜合性能。屬于這類(lèi)的鋼有：18MnMoNb、14MnMoV、A302B（美）等。加入少量Nb，使s

41、增加，同時(shí)使鋼的熱強(qiáng)性增加。另外鋼中加入0.40.7Ni成為Mn-Ni-Mo鋼，如A302C，改善了鋼的低溫韌性。3. 微合金化控軋鋼是70年代發(fā)展起來(lái)的一個(gè)新鋼種，是熱軋和正火鋼的一個(gè)重要分支。它是以微合金化（加入微量的Nb、V、Ti）及爐外精煉、控軋、控冷等工藝獲得細(xì)晶等軸F基體及高度彌散的C化物的鋼種。主要用于制造石油和天然氣的輸送管線，如X60、X65、X70、X80等。加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%左右對(duì)鋼的組織性能有顯著或特殊影響的微量合金元素的鋼，稱(chēng)為微合金鋼。多種微合金元素（如Nb、Ti、Mo、V、B、RE）的共同作用稱(chēng)為多元微合金化，微合金鋼單一微合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常在0.25%以

42、下。通過(guò)細(xì)晶強(qiáng)化可進(jìn)一步降低低合金高強(qiáng)鋼的碳含量，減少固溶的合金元素，使其沖擊韌性得到進(jìn)一步提高。 微合金控軋鋼是熱軋及正火鋼中的一個(gè)重要的分支，是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一類(lèi)新鋼種。它采用微合金化（加入微量Nb、V、Ti）和控制軋制等技術(shù)達(dá)到細(xì)化晶粒和沉淀強(qiáng)化相結(jié)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(xì)晶粒等軸晶鐵素體基體。微合金化鋼就其本質(zhì)來(lái)講與正火鋼類(lèi)似，它是在低碳的C-Mn鋼基礎(chǔ)上通過(guò)V、Nb、Ti微合金化及爐外精煉、控軋、控冷等工藝，獲得細(xì)化晶粒和綜合力學(xué)性能良好的微合金鋼。 控軋鋼具有高強(qiáng)度、高韌性和良好的焊接性等優(yōu)點(diǎn)?？剀堜摰木Я１?/p>

43、一般正火鋼的晶粒細(xì)，強(qiáng)度和韌性也高一些，因?yàn)檎痄摰膴W氏體化溫度一般為900，而控軋時(shí)的終軋溫度約為850。但控軋鋼的板厚受到一定限制，因?yàn)榘搴裨黾訒r(shí)晶粒細(xì)化和沉淀強(qiáng)化的效果會(huì)受到影響。鋼的晶粒尺寸在50m以下的鋼種稱(chēng)為細(xì)晶粒鋼，細(xì)化晶?？墒逛摣@得強(qiáng)韌性匹配良好的綜合力學(xué)性能。細(xì)化晶粒所采取的主要工藝為控軋或控冷?？剀堉饕强刂其摬牡淖冃螠囟群妥冃瘟?，利用位錯(cuò)強(qiáng)化來(lái)韌化鋼材；控冷主要是控制鋼材的開(kāi)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(duì)鋼材晶粒細(xì)化的效果更顯著?？剀埡罅⒓醇铀倮鋮s所制造的鋼，稱(chēng)為T(mén)MCP（Thermo-Mechanical Control Process

44、）鋼。 TMCP鋼通過(guò)控軋控冷技術(shù)的應(yīng)用，晶粒尺寸可小于50m，最小可達(dá)到10m。超細(xì)晶粒鋼可使晶粒尺寸達(dá)到0.110m。TMCP鋼具有良好的加工性和焊接性，滿(mǎn)足了石油和天然氣等工業(yè)的需要，這類(lèi)鋼還將在更多的鋼結(jié)構(gòu)中得到應(yīng)用。 控軋管線鋼焊接的主要問(wèn)題是過(guò)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(qiáng)化元素（形成TiO2、TiN）防止晶粒長(zhǎng)大，優(yōu)化焊接工藝及規(guī)范。二、熱軋及正火鋼的焊接性分析鋼材的焊接性主要取決于化學(xué)成分。焊接性通常表現(xiàn)為兩方面的問(wèn)題：一是焊接過(guò)程中造成的各種冶金缺陷，對(duì)這類(lèi)鋼主要是各類(lèi)裂紋，二是焊接時(shí)HAZ內(nèi)母材性能的變化，對(duì)這類(lèi)鋼主要是脆化問(wèn)題。（一）焊縫中的熱裂

45、紋結(jié)晶裂紋三大因素：1.脆性溫度區(qū)間的大小 2.在脆性溫度區(qū)間內(nèi)金屬的塑性 3.在脆性溫度區(qū)間內(nèi)隨溫度降低變形增長(zhǎng)率在這類(lèi)鋼中，熱裂紋的形成主要是S在晶間形成低熔點(diǎn)的S化物及其共晶體所引起的，所以S是直接有害元素。而C、Si、Ni等能促使它的有害作用，Mn則能抵消它的有害作用。Mn能與S形成MnS,使S化物形態(tài)分布發(fā)生變化。所以為了防止熱裂紋，鋼中的Mn/S要達(dá)到一定要求。而Mn/S值又受含C量的影響。從熱軋及正火鋼的成分來(lái)看，一般含C量都較低，而含Mn量都較高，因此它們的Mn/S比都能達(dá)到要求，抗熱裂性是比較好的，正常情況下焊縫中不會(huì)出現(xiàn)熱裂紋。但當(dāng)材料成分不合格，或局部C、S偏析，含量過(guò)高

46、時(shí)，也可能出現(xiàn)熱裂紋。在這種情況下，應(yīng)從工藝上減少熔合比，采用低C高M(jìn)n的焊接材料，以降低焊縫中的C含量，提高M(jìn)n含量。（二）冷裂紋冷裂紋是焊接這類(lèi)鋼的一個(gè)主要問(wèn)題。引起冷裂紋的原因有三個(gè)：一定的含氫量，一定的拘束度，及對(duì)裂紋敏感的淬硬組織。其中前兩個(gè)因素取決于工藝（包括焊接材料的選擇）和結(jié)構(gòu)。后一因素則與被焊材料本身有關(guān)。因此，焊接時(shí)是否形成對(duì)H致裂紋敏感的淬硬組織是評(píng)定材料焊接性的一個(gè)重要指標(biāo)。1. 淬硬傾向與冷裂紋敏感性的關(guān)系鋼材的冷裂紋敏感性主要取決于它們的淬硬傾向。所以它可通過(guò)SHCCT曲線來(lái)進(jìn)行分析比較。若無(wú)此曲線，也可借用一般的連續(xù)冷卻曲線（CCT）和恒溫轉(zhuǎn)變曲線（TTT）。因此

47、這三種曲線都反映了鋼材冷卻過(guò)程中的組織轉(zhuǎn)變特點(diǎn)。只是由于冷卻條件不同，曲線的右移程度不同。例如CCT曲線比TTT曲線右移增加1.5倍以上，而SHCCT曲線右移更多，也就是CCT的淬火臨界冷卻速度比TTT曲線所得的小1.5倍，而SHCCT更小。因此它們之間存在著一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但比較兩種鋼的淬硬傾向時(shí)，必須用同一種曲線，而且還必須注意鋼材加熱前的原始組織，A化溫度和時(shí)間，因?yàn)樗鼈兌紩?huì)影響冷卻過(guò)程中A的穩(wěn)定。（1）熱軋鋼的淬硬傾向與冷裂敏感性熱軋鋼的C含量雖不高，但含有少量的Me，因此，淬硬傾向比低C鋼大。隨鋼材強(qiáng)度級(jí)別的提高，Me量增加，淬硬傾向逐漸增大。以16Mn與低C鋼相比：16Mn在連續(xù)冷

48、卻時(shí)，P轉(zhuǎn)變右移較多，快速冷卻過(guò)程中F析出后，剩下的富碳A來(lái)不及轉(zhuǎn)變?yōu)镻，而轉(zhuǎn)變?yōu)锽和M。得到全部M的臨界冷卻速度比低C鋼小，所以淬硬傾向大，冷裂敏感性大?？筛鶕?jù)圖中R10、NO4冷卻曲線估計(jì)出厚板手弧焊時(shí)HAZ過(guò)熱區(qū)的組織狀態(tài)。16Mn為少量F、B和大量M；低C鋼為F,少量P和大量B，冷卻速度不大時(shí)，二者是相近的。圖2-1（2）正火鋼的淬硬傾向與冷裂敏感性強(qiáng)度級(jí)別較高，Me含量較高，與低C鋼相比，焊接性差別較大。冷裂紋敏感性一般隨強(qiáng)度級(jí)別的提高而增加，s為392MPa的15MnV和15MnTi，從合金元素含量來(lái)看，基本上與s為343MPa的熱軋鋼16Mn相似，淬硬傾向稍有增加，而s達(dá)490M

49、Pa的正火鋼18MnMoNb，則接近于調(diào)質(zhì)鋼的類(lèi)型。圖2-2，比較15MnVN和18MnMoNb的SHCCT曲線可看出，后者過(guò)冷A非常穩(wěn)定，轉(zhuǎn)變曲線比15MnVN靠右很多，冷卻時(shí)很容易得到B、M，所以淬硬傾向大，冷卻敏感性也大。a）15MnVN b）18MnMoNb圖2-2 15MnVN和18MnMoNb的SHCCT曲線2.碳當(dāng)量與冷裂敏感性的關(guān)系淬硬傾向越大，冷裂敏感性越大。而淬硬傾向取決于鋼材的化學(xué)成分，其中以C的作用最為明顯。因此可以用經(jīng)驗(yàn)性的C當(dāng)量來(lái)粗略估計(jì)和對(duì)比不同鋼材的冷裂敏感性。碳當(dāng)量越高，冷裂敏感性越大。IIW和JIS公式前已述及。另外，日本人又給出了合金元素的裂紋敏感指數(shù)計(jì)算

50、公式：但該式無(wú)判據(jù)。應(yīng)用這些公式時(shí)要注意其適應(yīng)范圍。在實(shí)際中，CE公式用得普遍。一般認(rèn)為CE0.4，焊接時(shí)無(wú)裂紋，焊接性良好（熱軋鋼都屬于這類(lèi)），除鋼板厚度很大和環(huán)境溫度很低外，不需預(yù)熱和控制焊接熱輸入。正火鋼的CE在0.40.6之間，屬有淬硬傾向鋼，CE0.5時(shí)，淬硬傾向不明顯，焊接性尚可，但隨板厚增加，往往要采取預(yù)熱措施，如15MnVN；當(dāng)CE0.5時(shí)，淬硬傾向明顯，冷裂傾向較大，為避免裂紋產(chǎn)生需采取嚴(yán)格的工藝措施，如預(yù)熱、焊后熱處理、嚴(yán)格控制熱輸入等，18MnMoNb就是如此。3. HAZ最高硬度值與冷裂敏感性的關(guān)系為了控制淬硬組織，采取一種簡(jiǎn)便的辦法，即將HAZ最高硬度值控制在低于某一

51、剛好不出現(xiàn)冷裂紋的臨界值最高硬度值以下。過(guò)去曾規(guī)定Hmax350HV，但隨各種低合金高強(qiáng)度鋼的大量出現(xiàn)，強(qiáng)度級(jí)別不斷提高，鋼材正常的硬度值也在提高。顯然Hmax350就不適合了。日本焊協(xié)和高壓力技術(shù)協(xié)會(huì)給出了幾種焊接結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度鋼的Hmax（表2-2）。最高硬度允許值不僅與鋼材的強(qiáng)度級(jí)別有關(guān)，而且與它的具體成分有關(guān)。所以所列數(shù)據(jù)只能作為參考。完全用它來(lái)評(píng)定焊接性和確定焊接規(guī)范、預(yù)熱溫度是不可靠的。如16Mn和15MnVN分別相對(duì)于表中HW36和HW45，但試驗(yàn)結(jié)果（表2-3與表2-4）說(shuō)明，不出現(xiàn)裂紋的最高硬度都低于表中值。（三） 再熱裂紋焊后焊件在一定溫度范圍內(nèi)再次加熱（消除應(yīng)力熱處理或其它

52、加熱過(guò)程）而產(chǎn)生的裂紋稱(chēng)為再熱裂紋。它的特點(diǎn)為：產(chǎn)生于近縫區(qū)的粗晶粒區(qū)，且屬晶間斷裂。產(chǎn)生于再熱的升溫過(guò)程中，并且存在一個(gè)敏感的溫度范圍(低合金高強(qiáng)鋼，耐熱鋼在500700)。出現(xiàn)在能產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化的金屬材料中。必須有較大的焊接殘余應(yīng)力。對(duì)于C-Mn、Mn-Si系的熱軋鋼，由于不含強(qiáng)碳化物形成元素，所以對(duì)再熱裂紋不敏感。而對(duì)一些含有強(qiáng)碳化物形成元素的正火鋼也不一定會(huì)產(chǎn)生再熱裂紋，這主要與合金系統(tǒng)有關(guān)。如15MnVN鋼，含有V，但對(duì)再熱裂紋不敏感。如18MnMoNb、14MnMoV則有輕微的再熱裂紋敏感性，可采取提高預(yù)熱溫度或焊后立即后熱等措施來(lái)防止。例如18MnMoNb預(yù)熱230或預(yù)熱18018

53、02h焊后等溫處理，14MnMoV預(yù)熱300或預(yù)熱1802502h焊后等溫處理，就可防止再熱裂紋。（四）層狀撕裂層狀撕裂主要是由于材料本身內(nèi)的夾雜物較多，Z向塑性低和Z向拘束應(yīng)力大造成的。就材料本身來(lái)說(shuō)，主要取決于冶煉條件，鋼中的片狀S化物，層狀硅酸鹽，以及成片存在于同一平面內(nèi)的其它夾雜物等都能導(dǎo)致Z向塑性的降低和層狀撕裂的產(chǎn)生。其中以片狀S化物的影響尤為嚴(yán)重。從Z向拘束應(yīng)力考慮，撕裂與板厚有關(guān)。 一般板厚大時(shí)才可出現(xiàn)，板厚在16mm以下時(shí)就不易產(chǎn)生層狀撕裂。因此，一般認(rèn)為，S含量和Z向斷面收縮率是評(píng)定鋼材層狀撕裂敏感性的主要指標(biāo)。另外，還可采用測(cè)試層狀撕裂敏感性的試驗(yàn)方法（如Z向窗口試驗(yàn)，Z

54、向拉伸試驗(yàn)）來(lái)進(jìn)一步考慮。為了防止層狀撕裂，應(yīng)選用對(duì)層狀撕裂敏感性小的材料，如專(zhuān)用的Z向鋼D36（S=0.003%）,減少Z向拘束應(yīng)力（改變接頭形式，預(yù)堆軟焊道過(guò)渡層，采用低強(qiáng)焊縫、預(yù)熱等）。（五）HAZ的性能變化HAZ的性能變化，與所焊鋼材的類(lèi)型和合金系統(tǒng)都有很大關(guān)系，焊接熱軋及正火鋼時(shí)，HAZ的主要性能變化是過(guò)熱區(qū)的脆化問(wèn)題。另外，在一些合金元素低的鋼中還可能出現(xiàn)熱應(yīng)變脆化。1.過(guò)熱脆化區(qū)過(guò)熱區(qū)是指熔合線附近加熱到1100以上到熔點(diǎn)以下的溫度區(qū)域。由于該區(qū)溫度很高，所以發(fā)生了A晶粒的顯著長(zhǎng)大和一些難熔質(zhì)點(diǎn)（如C化物和N化物）的溶入過(guò)程，這些過(guò)程的產(chǎn)生直接影響到過(guò)熱區(qū)性能的變化。例如：過(guò)熱的

55、粗大A晶粒增加了它的穩(wěn)定性，在冷卻過(guò)程中隨鋼材成分不同以及所有的焊接熱輸入不同，可能發(fā)生一系列不利的組織轉(zhuǎn)變，如W以及塑性很低的混合組織（F、高CM、B）和MA組元等；難溶質(zhì)點(diǎn)溶入后往往在冷卻過(guò)程中來(lái)不及析出而使材料變脆。但是過(guò)熱區(qū)性能變化不僅取決于影響高溫停留時(shí)間和冷卻速度的焊接熱輸入，而且與鋼材本身的類(lèi)型和合金系統(tǒng)有著密切的關(guān)系。（1）熱軋鋼。C-Mn、Mn-Si系的熱軋鋼，主要靠固溶強(qiáng)化，合金元素在全部固溶條件下能保證良好的綜合性能。因此它對(duì)焊接熱的敏感性不大。如圖2-3，0.17C1.1Mn鋼，在0時(shí)，熱輸入對(duì)過(guò)熱區(qū)斷裂韌度幾乎沒(méi)有影響，在-40時(shí)出現(xiàn)了低熱輸入和高熱輸入一側(cè)韌性下降的問(wèn)題。有關(guān)分析證明，低熱輸入時(shí)韌性下降的主要原因是M比例增加，而高熱輸入時(shí)脆化的主要原因由于A晶粒長(zhǎng)大嚴(yán)重，冷卻時(shí)形成了低塑混合組織。近年來(lái)對(duì)16Mn鋼的研究也是如此，如慢冷時(shí)，由于B、F加M-A組元數(shù)量的增加和M-A組元寬度的增加，使得16Mn鋼的低溫?cái)嗔秧g度降低