9焊接冶金學(xué)——材料焊接性第三章

1、9焊接冶金學(xué)材料焊接性第三章 2. 按用途和性能分有： 1）強(qiáng)度用鋼 即通常所說的高強(qiáng)度鋼。主要用于常規(guī)條件下要求能承受靜載和動(dòng)載的機(jī)械零件和工程結(jié)構(gòu)，如壓力容器、動(dòng)力設(shè)備、工程機(jī)械、交通運(yùn)輸工具、橋梁、建筑結(jié)構(gòu)、管道、船舶和海洋工程結(jié)構(gòu)等。 它的主要性能是力學(xué)性能，合金元素的加入是為了保證足夠的塑性和韌性的前提下，獲得不同的強(qiáng)度等級(jí)。它可以按強(qiáng)度等級(jí)或供貨熱處理)狀態(tài)進(jìn)行分類。 按供貨狀態(tài)分，強(qiáng)度用鋼大致分為熱軋與正火鋼、低碳調(diào)質(zhì)鋼和中碳調(diào)質(zhì)鋼等三類。各類的組織性能有其共同特點(diǎn)，且與焊接性密切相關(guān)。介紹如下： (1) 熱軋及正火鋼 屈服強(qiáng)度為294490MPa，在熱軋或正火狀態(tài)下使用，屬于非

2、熱處理強(qiáng)化鋼。包括微合金化控軋鋼、抗層狀撕裂的Z向鋼等。這類鋼廣泛應(yīng)用于常溫下工作的一些受力結(jié)構(gòu)，如壓力容器、動(dòng)力設(shè)備、工程機(jī)械、橋梁、建筑結(jié)構(gòu)和管線等。 (2) 低碳調(diào)質(zhì)鋼 屈服強(qiáng)度為490980MPa，在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下供貨使用，屬于熱處理強(qiáng)化鋼。這類鋼的特點(diǎn)是含碳量較低（一般碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.22%以下），既有高的強(qiáng)度，又兼有良好的塑性和韌性，可以直接在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下進(jìn)行焊接，焊后不需進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。這類鋼在焊接結(jié)構(gòu)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，可用于大型工程機(jī)械、壓力容器及艦船制造等。 (3) 中碳調(diào)質(zhì)鋼 屈服強(qiáng)度一般在8801176 MPa以上，鋼中含碳量較高（碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%0.5%），也

3、屬于熱處理強(qiáng)化鋼。它的淬硬性比低碳調(diào)質(zhì)鋼高得多，具有很高的硬度和強(qiáng)度，但韌性相對(duì)較低，給焊接帶來了很大的困難。這類鋼常用于強(qiáng)度要求很高的產(chǎn)品或部件，如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、飛機(jī)起落架等。 2) 低中合金特殊用途鋼 低中合金特殊用鋼主要用于一些特定條件下工作的機(jī)械零件和工程結(jié)構(gòu)。對(duì)其要求除了滿足常規(guī)力學(xué)性能外，還必須適應(yīng)特殊環(huán)境下工作的要求。根據(jù)對(duì)不同使用性能的要求，可分為：珠光體耐熱鋼、低溫鋼和低合金耐蝕鋼等。 (1) 珠光體耐熱鋼 以Cr、Mo為基礎(chǔ)的低中合金鋼，隨著工作溫度的提高，還可加入V、W、Nb、B等合金元素，具有較好的高溫強(qiáng)度和高溫抗氧化性，主要用于工作溫度在500600的高溫設(shè)備，如熱

4、動(dòng)力設(shè)備和化工設(shè)備等。 (2) 低溫鋼 大部分是一些含Ni或無Ni的低合金鋼，一般在正火或調(diào)質(zhì)狀態(tài)使用，主要用于各種低溫裝置（-40-196）和在嚴(yán)寒地區(qū)的一些工程結(jié)構(gòu)，如液化石油氣、天然氣的儲(chǔ)存容器等。與普通低合金鋼相比，低溫鋼必須保證在相應(yīng)的低溫下具有足夠高的低溫韌性，對(duì)強(qiáng)度無特殊要求。 (3) 低合金耐蝕鋼 除具有一般的力學(xué)性能外，必須具有耐腐蝕性能這一特殊要求。主要用于像大氣、海水、石油化工等腐蝕介質(zhì)中工作的各種機(jī)械設(shè)備和焊接結(jié)構(gòu)。由于所處的介質(zhì)不同，耐蝕鋼的類型和成分也不同。耐蝕鋼中應(yīng)用最廣泛的是耐大氣和耐海水腐蝕用鋼。 國內(nèi)外常見的合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)見表3-1。 3.1.2 合金結(jié)構(gòu)

5、鋼的基本性能 1化學(xué)成分 低合金結(jié)構(gòu)鋼是在低碳鋼基礎(chǔ)上（低碳鋼的化學(xué)成分為：wC=0.10%0.25%，wSi0.3%，wMn=0.5%0.8%）添加一定量的合金元素構(gòu)成的。碳是最能提高鋼材強(qiáng)度的元素，但易于引起焊接淬硬及焊接裂紋，所以在保證強(qiáng)度的條件下，碳的加入量越少越好。低合金鋼加入的元素有Mn、Si、Cr、Ni、Mo、V、Nb、B、Cu等，雜質(zhì)元素P、S的含量要限制在較低的程度。 用于焊接結(jié)構(gòu)的低中合金鋼合金元素總的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般不超過10%。各種元素對(duì)合金結(jié)構(gòu)鋼下臨界點(diǎn)溫度的綜合影響可用下述公式表示： A1=720+28wSi+5wCr+6wCo+3wTi5wMn10wNi3wV， （3

6、-1） 由上述公式可見，Si、Cr、Co和Ti等元素能提高下臨界點(diǎn)A1的溫度，而Mn、Ni和V則降低A1點(diǎn)溫度。根據(jù)合金元素對(duì)組織轉(zhuǎn)變的影響可將其分成兩組：一組以Ni元素為代表，稱為Ni組元素（Ni、Mn、Co）；另一組以Cr元素為代表，稱為Cr組元素（Cr、Si、P、Al、Ti、V、Mo、W）。在-Fe中具有較大溶解度的元素促使區(qū)縮小，而在晶格中具有較大溶解度的元素則擴(kuò)大區(qū)。各種合金元素的影響程度不僅取決于它的含量，還取決于同時(shí)存在的其他合金元素的性質(zhì)和含量。 加入合金元素能細(xì)化晶粒，而且各種合金元素在不同程度上改變了鋼的奧氏體轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)，直接影響鋼的淬硬傾向。如C、Mn、Cr、Mo、V、W

7、、Ni和Si等元素能提高鋼的淬硬傾向，而Ti、Nb、Ta等碳化物形成元素則降低鋼的淬硬傾向。 各種合金元素對(duì)結(jié)構(gòu)鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度影響的定量測(cè)定數(shù)據(jù)如圖3-1所示。合金元素對(duì)低合金鋼屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的綜合影響，可按下列經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，即： s=122+274wC+82wMn+55wSi+54wCr+44wNi+78wCu +353wV+755wTi+540wP+30-2(h-5), MPa b=230+686wC+78wMn+90wSi+73wCr+33wNi+56wCu+314wV+529wTi+450wP+21-1.4(h-5), MPa式中 h為板厚（mm）。 合金結(jié)構(gòu)鋼中，氮作

8、為一種合金元素被廣泛采用。氮在鋼中的作用與碳相似，當(dāng)它溶解在鐵中時(shí)，將擴(kuò)大區(qū)。氮能與鋼中的其他合金元素形成穩(wěn)定的氮化物，這些氮化物往往以彌散的微粒分布，從而細(xì)化晶粒，提高鋼的屈服點(diǎn)和抗脆斷能力。氮的影響既決定于其含量，也決定于在鋼中存在的其他合金元素的種類和數(shù)量。Al、Ti和V等合金元素對(duì)氮具有較高的親和力，并能形成較穩(wěn)定的氮化物。因此，為了充分發(fā)揮氮作為合金元素的作用，鋼中必須同時(shí)加入Al、V和Ti等氮化物形成元素。 這些合金元素或者與Fe形成固溶體，或者形成碳化物（除Ti、Nb和Ta外），都產(chǎn)生了延遲奧氏體分解的作用并由此提高了鋼的淬硬傾向。各種元素對(duì)鋼的力學(xué)性能和工藝性能的影響，取決于它

9、的含量和同時(shí)存在的其他合金元素。 熱軋及正火條件下，合金元素對(duì)塑性和韌性的影響與其強(qiáng)化作用相反，即強(qiáng)化效果越大，塑性和韌性的降低越多，當(dāng)鋼中合金元素的含量超出一定范圍后會(huì)出現(xiàn)韌性的大幅度下降。因此，抗拉強(qiáng)度大于600MPa的高強(qiáng)鋼一般都需進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。我國低碳調(diào)質(zhì)鋼的抗拉強(qiáng)度一般為6001300MPa，為了保證良好的綜合性能和焊接性，要求鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.22%（實(shí)際上碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.18%以下）。 此外，添加一些合金元素，如Mn、Cr、Ni、Mo、V、Nb、B、Cu等，主要是為了提高鋼的淬透性和馬氏體的回火穩(wěn)定性。這些元素可以推遲珠光體和貝氏體的轉(zhuǎn)變，使產(chǎn)生馬氏體轉(zhuǎn)變的臨界冷卻速率

10、降低。低合金調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼由于含碳量低，所以淬火后得到低碳馬氏體，而且發(fā)生“自回火”現(xiàn)象，脆性小，具有良好的焊接性。 國外研制的低碳調(diào)質(zhì)鋼一般含有較高的合金元素Ni和Cr，鋼材強(qiáng)度級(jí)別越高，Ni、Cr含量也越高。如美國用于工程機(jī)械、壓力容器的T-1鋼，用于海軍艦艇外殼的HY-80，以及用于潛艇、宇航業(yè)的HY100、HY-130等。20世紀(jì)六、七十年代我國發(fā)展了無Ni、Cr的低碳調(diào)質(zhì)鋼，用于工程機(jī)械、高壓容器和水輪機(jī)殼體等。低碳調(diào)質(zhì)鋼的綜合性能除了取決于化學(xué)成分外，主要是通過熱處理保證具有良好的組織和力學(xué)性能。2力學(xué)性能 合金結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度越高，屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之差也越小。屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之比稱為

11、屈強(qiáng)比（s /b）。鋼材的強(qiáng)度越高，屈強(qiáng)比增大。低碳鋼的屈強(qiáng)比約為0.7左右，控軋鋼板的屈強(qiáng)比約為0.700.85，800MPa級(jí)高強(qiáng)鋼的屈強(qiáng)比約為0.95。 低合金高強(qiáng)鋼的低溫拉伸性能如圖3-2a所示。溫度下降時(shí)，鋼材的抗拉強(qiáng)度升高，但韌性下降。一般-100以上時(shí)鋼材強(qiáng)度變化較小，溫度再低時(shí)，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度急劇升高，韌性急劇下降，當(dāng)在液氮溫度（-196）附近時(shí)，延伸率很小。低合金高強(qiáng)鋼的使用溫度多在-50以上，在此溫度范圍內(nèi)高強(qiáng)鋼的強(qiáng)度性能變化不大。 低合金高強(qiáng)鋼高溫時(shí)強(qiáng)度性能的變化如圖3-2b所示。200以前強(qiáng)度緩慢下降，溫度進(jìn)一步升高時(shí)，強(qiáng)度開始上升，300附近達(dá)到最大值，350以上

12、逐漸下降。鋼材高溫時(shí)的強(qiáng)度性能仍保持室溫強(qiáng)度的順序，基本上不發(fā)生倒位現(xiàn)象。 缺口韌性是用于表示材料抵抗脆性破壞的一項(xiàng)指標(biāo)。脆性破壞是在低應(yīng)力條件下（一般是在屈服強(qiáng)度以下）發(fā)生的，多為瞬時(shí)破壞，是低合金鋼焊接結(jié)構(gòu)安全方面最值得注意的破壞現(xiàn)象。世界各國多采用卻貝沖擊吸收功作為缺口韌性的評(píng)價(jià)方法，采用10mm10mm55mm的長方形試樣，在試樣中央開深度2mm的V形缺口，尖端半徑為0.25mm。逐漸改變?cè)囼?yàn)溫度做沖擊試驗(yàn)，用試樣破斷時(shí)所需的能量（稱為吸收能）及斷口形貌（塑性斷口和脆性斷口）來評(píng)價(jià)鋼材缺口韌性。 吸收能可以反映出某一溫度范圍韌性急劇變化的轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。當(dāng)吸收能變小時(shí)，由塑性斷口轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳?/p>

13、口。脆性斷口率為零時(shí)的吸收能稱為“上平臺(tái)能”，上平臺(tái)能一半時(shí)的溫度稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度（用VTrs表示）。鋼材的韌脆轉(zhuǎn)變溫度越低，韌性越好。根據(jù)大量的脆性破壞事故案例調(diào)查的結(jié)果，許多國家建議采用沖擊吸收功21J或48J時(shí)的溫度作為V形缺口卻貝韌性試驗(yàn)的特性值。 合金結(jié)構(gòu)鋼具有較高的強(qiáng)度和良好的塑性和韌性，采用不同的合金成分和熱處理工藝，可以獲得具有不同綜合性能的低中合金結(jié)構(gòu)鋼。Mn的固溶強(qiáng)化作用很顯著，wMn1.7%時(shí)可提高韌性、降低脆性轉(zhuǎn)變溫度，屈服強(qiáng)度提高約50，而脆性轉(zhuǎn)變溫度下降約20，如Q345（16Mn）為典型的固溶強(qiáng)化鋼，屈服強(qiáng)度為345MPa、脆性轉(zhuǎn)變溫度低于40；Si雖然顯著固溶強(qiáng)

14、化但降低塑性、韌性，一般wSi0.6%；Ni是惟一既固溶強(qiáng)化又同時(shí)提高韌性且大幅度降低脆性轉(zhuǎn)變溫度的元素，常用于低溫鋼。 V、Ti、Nb強(qiáng)烈形成碳化物，Al、V、Ti、Nb還形成氮化物，析出的微小VC、TiC、NbC及AlN、VN、TiN、Nb（C、N）產(chǎn)生明顯的沉淀強(qiáng)化作用，在固溶強(qiáng)化的基礎(chǔ)上屈服強(qiáng)度提高50100MPa，并保持了韌性。上述元素均是微量加入，故稱為微合金化。微合金化元素還有B，主要作用是在晶界上阻止先共析鐵素體生成及長大，從而改善韌性。 合金結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度級(jí)別不同，加入的合金元素及其含量也不同，成分設(shè)計(jì)既要滿足使用性能要求又要考慮其經(jīng)濟(jì)性?？估瓘?qiáng)度為600MPa級(jí)的鋼主要為Mn

15、-Si系和在Mn-Si基礎(chǔ)上加少量的Cr、Ni、Mo、V；700MPa級(jí)的鋼主要為Mn-Si-Cr-Ni-Mo系，合金元素加入量較600MPa級(jí)的鋼多些，另外還加入少量的V；800MPa級(jí)的鋼主要為Mn-Si-Cr-Ni-Mo-Cu-V系，并加入一定量的B；1000MPa級(jí)的鋼合金系列與800MPa級(jí)的鋼基本相同，但合金元素加入量較高，尤其是為了保證韌性加入較多的Ni。 3顯微組織 低合金結(jié)構(gòu)鋼為了獲得滿意的強(qiáng)度和韌性的組合，晶粒尺寸必須細(xì)小、均勻，而且應(yīng)是等軸晶。經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后的鋼材具有較高的強(qiáng)度、韌性和良好焊接性，裂紋敏感性小，熱影響區(qū)組織性能穩(wěn)定。 低合金鋼熱影響區(qū)中的顯微組織主要是低碳馬

16、氏體、貝氏體、M-A組元和珠光體類組織，導(dǎo)致具有不同的硬度、強(qiáng)度性能、塑性和韌性。幾種典型組織（特別是貝氏體組織）對(duì)低合金鋼強(qiáng)度和韌性的影響如圖3-3所示。 低合金高強(qiáng)鋼不同比例混合組織的維氏硬度和相應(yīng)金相組織的顯微硬度見表3-2。應(yīng)指出，即使是同樣的顯微組織，也具有不同的硬度，這與鋼的含碳量、合金含量及晶粒度有關(guān)。高碳馬氏體的硬度可達(dá)600HV，而低碳馬氏體的硬度只有350390HV。同時(shí)二者在性能上也有很大不同，前者是針狀馬氏體（孿晶馬氏體），屬脆硬相；后者是低碳板條馬氏體（位錯(cuò)馬氏體），硬度雖高，但仍有較好的韌性。3.2 熱軋及正火鋼的焊接3.2.1 熱軋及正火鋼的成分和性能 屈服強(qiáng)度為

17、294490MPa的低合金高強(qiáng)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(qiáng)化鋼。常用熱軋及正火鋼的化學(xué)成分和力性能見表3-3和表3-4。 1熱軋鋼 屈服強(qiáng)度為294392MPa的普通低合金鋼都屬于熱軋鋼，這類鋼是在wC0.2%的基礎(chǔ)上通過Mn、Si等合金元素的固溶強(qiáng)化作用來保證鋼的強(qiáng)度，屬于C-Mn或Mn-Si系的鋼種。也可再加入V、Nb以達(dá)到細(xì)化晶粒和沉淀強(qiáng)化的作用。 熱軋鋼主要是用Mn進(jìn)行合金化以達(dá)到所要求的性能，這類鋼的基本成分為：wC0.2%，wSi0.55%，wMn 1.5%。Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.6%后對(duì)沖擊韌性不利，使韌脆轉(zhuǎn)變溫度提高。C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超

18、過0.3%和Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過1.6%后，焊接時(shí)易出現(xiàn)裂紋，在熱軋鋼焊接區(qū)還會(huì)出現(xiàn)脆性的淬硬組織。 熱軋鋼通常為鋁鎮(zhèn)靜的細(xì)晶粒鐵素體珠光體組織的鋼，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(shí)，也可在正火狀態(tài)下使用。例如，Q345在個(gè)別情況下，為了改善綜合性能，特別是厚板的沖擊韌性，可進(jìn)行900920正火處理，正火后強(qiáng)度略有降低，但塑性、韌性（特別是低溫沖擊韌性）有所提高。2正火鋼 當(dāng)要求鋼的屈服強(qiáng)度s392MPa后，在固溶強(qiáng)化的同時(shí)，必須加強(qiáng)合金元素的沉淀強(qiáng)化作用。正火鋼是在固溶強(qiáng)化的基礎(chǔ)上，加入一些碳、氮化合物形成元素（如V、Nb、Ti和Mo等），通過沉淀強(qiáng)化和細(xì)化晶粒

19、進(jìn)一步提高鋼材的強(qiáng)度和保證韌性。正火處理的目的是為了使這些合金元素形成的碳、氮化合物以細(xì)小的化合物質(zhì)點(diǎn)從固溶體中沉淀析出，彌散分布在晶內(nèi)和晶界，起細(xì)化晶粒的作用，減少了固溶強(qiáng)化，可以在提高鋼材強(qiáng)度的同時(shí)，改善鋼材的塑性和韌性，避免過分固溶強(qiáng)化所造成的脆性。 這類鋼實(shí)際上是在Q345（16Mn）基礎(chǔ)上加入一些沉淀強(qiáng)化的合金元素，如V、Nb、Ti、Mo等強(qiáng)碳化物、氮化物形成元素。利用這些元素形成的碳、氮化物彌散質(zhì)點(diǎn)所起的沉淀強(qiáng)化和細(xì)化晶粒的作用來達(dá)到良好的綜合性能，使屈服強(qiáng)度s由Mn-V鋼的392MPa提高到441MPa，同時(shí)降低回火脆性。 對(duì)于含Mo鋼來說，正火后還必須進(jìn)行回火才能保證良好的塑性

20、和韌性。因此，正火鋼又可分為： 1) 正火狀態(tài)下使用的鋼：主要是含V、Nb、Ti的鋼，如Q390、Q345等，主要特點(diǎn)是屈強(qiáng)比（s/b）較高； 2) 正火回火狀態(tài)使用的含Mo鋼：如14MnMoV、18MnMoNb等。低合金鋼中加入一定量的Mo，可細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度，還可以提高鋼材的中溫性能，含Mo的低合金正火鋼適于制造中溫厚壁壓力容器。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，因此正火鋼必須回火后才能保證獲得良好的塑性和韌性。 屬于正火鋼的還包括抗層狀撕裂的Z向鋼，屈服強(qiáng)度s343MPa。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

21、具有S含量低（wS 0.005%）、氣體含量低和Z向斷面收縮率高（Z35%）等特點(diǎn)。3微合金控軋鋼 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%以下。通過細(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，是近年來發(fā)展起來的一類新鋼種。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

22、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)來講與正火鋼類似，它是在低碳的C-Mn鋼基礎(chǔ)上通過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纫话阏痄摰木Я＜?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)

23、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浚梦诲e(cuò)強(qiáng)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(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，稱為TMCP（Thermo-Mechanical Control Process）鋼。 TMCP鋼通過控軋控冷技術(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(jié)構(gòu)中得到應(yīng)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

24、降，改善措施是在鋼中加入沉淀強(qiáng)化元素（形成TiO2、TiN）防止晶粒長大，優(yōu)化焊接工藝及規(guī)范。3.2.2 熱軋及正火鋼的焊接性 低合金鋼的焊接性主要取決于它的化學(xué)成分和軋制工藝。隨著鋼材強(qiáng)度級(jí)別的提高和合金元素含量的增加，焊接性也隨之發(fā)生變化。1冷裂紋及影響因素 熱軋鋼含有少量的合金元素，碳當(dāng)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(shí)）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(qiáng)度級(jí)別及碳當(dāng)量較低的正火鋼，冷裂紋傾向不大；但隨著正火鋼碳當(dāng)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(kuò)散氫含量、預(yù)熱和及時(shí)焊后熱處理等措施，以防止焊接冷裂紋的產(chǎn)生

25、。 微合金控軋鋼的碳含量和碳當(dāng)量都很低，冷裂紋敏感性較低。除超厚焊接結(jié)構(gòu)外，490MPa級(jí)的微合金控軋鋼焊接一般不需要預(yù)熱。 (1) 碳當(dāng)量（Ceq） 淬硬傾向主要取決于鋼的化學(xué)成分，其中以碳的作用最明顯?？梢酝ㄟ^碳當(dāng)量公式來大致估算不同鋼種的冷裂敏感性。通常碳當(dāng)量越高，冷裂敏感性越大。國際焊接學(xué)會(huì)（IIW）推薦的碳當(dāng)量公式為： , (%) (3-2) 上述碳當(dāng)量公式用得相當(dāng)普遍，一般認(rèn)為Ceq0.4%時(shí)，鋼材在焊接過程中基本無淬硬傾向，冷裂敏感性小。屈服強(qiáng)度294392MPa熱軋鋼的碳當(dāng)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(yù)熱和嚴(yán)格控制焊接熱輸入

26、。 碳當(dāng)量Ceq0.4%0.6%時(shí)鋼的淬硬傾向逐漸增加，屬于有淬硬傾向的鋼。屈服強(qiáng)度441490MPa的正火鋼基本上處于這一范圍，其中碳當(dāng)量不超過0.5%時(shí)，淬硬傾向不算嚴(yán)重，焊接性尚好，但隨著板厚增加需要采取一定的預(yù)熱措施，如Q420就是這樣。18MnMoNb的碳當(dāng)量在0.5%以上，它的冷裂敏感性較大，焊接時(shí)為避免冷裂紋的產(chǎn)生，需要采取較嚴(yán)格的工藝措施，如嚴(yán)格控制熱輸入、預(yù)熱和焊后熱處理等。 (2) 淬硬傾向 焊接熱影響區(qū)產(chǎn)生淬硬的馬氏體或M+B+F混合組織時(shí)，對(duì)氫致裂紋敏感；而產(chǎn)生B或B+F組織時(shí)，對(duì)氫致裂紋不敏感。淬硬傾向可以通過焊接熱影響區(qū)連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖（SHCCT）或鋼材的連續(xù)冷卻組

27、織轉(zhuǎn)變圖（CCT）來進(jìn)行分析。凡是淬硬傾向大的鋼材，連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shí)，必須注意采用同一種曲線。 1) 熱軋鋼的淬硬傾向 與低碳鋼相比，Q345在連續(xù)冷卻時(shí)，珠光體轉(zhuǎn)變右移較多，使快冷過程中（如圖3-4a上的c點(diǎn)以左）鐵素體析出后剩下的富碳奧氏體來不及轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，而是轉(zhuǎn)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(shí)，熱影響區(qū)會(huì)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

28、時(shí)（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(dāng)冷卻速度不大時(shí)，兩者很相近。 2) 正火鋼的淬硬傾向 隨著合金元素和強(qiáng)度級(jí)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(zhuǎn)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(gè)轉(zhuǎn)變曲線比Q420靠右，淬硬性高于Q420，故冷裂敏感性也比較大。 (3) 熱影響區(qū)最高硬度 熱影響區(qū)最高硬度是評(píng)定鋼材淬硬傾向和冷裂敏感性的一個(gè)簡便的辦法。最高硬度允許值就是一個(gè)剛好不出現(xiàn)冷裂

29、紋的臨界硬度值。熱影響區(qū)最高硬度與裂紋率的關(guān)系如圖3-6所示。 碳當(dāng)量增大時(shí)，熱影響區(qū)淬硬傾向隨之提高，但并非始終保持線性關(guān)系。碳當(dāng)量與熱影響區(qū)最高硬度的關(guān)系如圖3-7所示。另外，焊接熱輸入E或冷卻時(shí)間t8/5對(duì)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(dāng)量和冷卻速度的關(guān)系如圖3-8所示。冷卻時(shí)間t8/5對(duì)熱影響區(qū)最高硬度的影響如圖3-9所示。 因此，要比較焊接熱影響區(qū)最高硬度，必須規(guī)定實(shí)驗(yàn)條件，如采用國際焊接學(xué)會(huì)（IIW）推薦的熱影響區(qū)最高硬度法。減小碳當(dāng)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。2熱裂紋和再熱裂紋 (1) 焊縫熱裂紋 熱軋及正火鋼一般碳含量較低、而Mn含量較

30、高，因此這類鋼的Mn/S比能達(dá)到要求，具有較好的抗熱裂性能，焊接過程中的熱裂紋傾向較小，正常情況下焊縫中不會(huì)出現(xiàn)熱裂紋。但個(gè)別情況下也會(huì)在焊縫中出現(xiàn)熱裂紋，這主要與熱軋及正火鋼中C、S、P等元素含量偏高或嚴(yán)重偏析有關(guān)。 焊縫中的碳含量越高，為了防止硫的有害作用所需的Mn含量也要求越高；隨著碳含量的增加，要求Mn/S比也提高。當(dāng)wC=0.12%時(shí)，Mn/S比不應(yīng)低于10，而wC= 0.16%時(shí)，Mn/S比就應(yīng)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(guān)，因此Si含量高時(shí)，熱裂紋傾向也增加。 (2) 再熱裂紋 含Mo正火鋼厚壁壓力容器之類的焊接結(jié)構(gòu)，進(jìn)行焊后消除應(yīng)力熱處理或焊后再次

31、高溫加熱（包括長期高溫使用過程中）的過程中，可能出現(xiàn)另一種形式的裂紋，即再熱裂紋（簡稱SR裂紋）。其他有沉淀強(qiáng)化的鋼或合金（如珠光體耐熱鋼、奧氏體不銹鋼等）的焊接接頭中，也可能產(chǎn)生再熱裂紋。 鋼中的Cr、Mo元素及含量對(duì)再熱裂紋的產(chǎn)生影響很大。元素之間的相互作用對(duì)再熱裂紋敏感性的影響更復(fù)雜（主要與形成的碳化物形態(tài)有關(guān)）。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。 再熱裂紋一般產(chǎn)生在熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，裂紋沿熔合區(qū)方向在粗晶區(qū)的奧氏體晶界斷續(xù)發(fā)展，產(chǎn)生原因與雜質(zhì)元素在奧氏體晶界偏聚及碳化物析出“二次硬化”導(dǎo)致的晶界脆化有關(guān)。再熱裂紋的產(chǎn)生一般須有較大的焊接殘余應(yīng)力，因此在拘束度大

32、的厚大工件中或應(yīng)力集中部位更易于出現(xiàn)再熱裂紋。 Mn-Mo-Nb和Mn-Mo-V系低合金鋼對(duì)再熱裂紋的產(chǎn)生有一定的敏感性。正火鋼中的18MnMoNb和14MnMoV有輕微的再熱裂紋傾向，可采取提高預(yù)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(yù)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(yù)熱溫度有困難，可在180預(yù)熱條件下焊后立即進(jìn)行1802h的后熱也能有效地防止再熱裂紋的產(chǎn)生。3非調(diào)質(zhì)鋼焊縫的組織和韌性 韌性是表征金屬對(duì)脆性裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展難易程度的性能。低合金鋼組織對(duì)韌性的影響受多種因素的控制，如顯微組織、夾雜和析出物等。

33、即使是相同的組織，其數(shù)量、晶粒尺寸、形態(tài)等不同，韌性也不一樣。盡管影響焊縫金屬韌性的因素很復(fù)雜，但起決定作用的是顯微組織。低合金高強(qiáng)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(cè)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(shí)，韌性顯著升高，韌脆轉(zhuǎn)變溫度（vTrs）降低，如圖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(zhuǎn)變溫度上升，如圖3-11b所示。針狀鐵素體晶粒細(xì)小，晶粒邊界交角大且相互交叉，每個(gè)晶界都對(duì)裂紋的擴(kuò)展起阻

34、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(kuò)展，導(dǎo)致韌性較差。 進(jìn)一步研究表明，以針狀鐵素體組織為主的焊縫金屬，屈強(qiáng)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(qiáng)比多在0.8以下；焊縫金屬中有上貝氏體存在時(shí)，屈強(qiáng)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(qiáng)度提高的同時(shí)會(huì)抵消AF的有利作用，焊縫韌性反而會(huì)惡化。如圖3-12所示，高強(qiáng)鋼焊縫中AF由100%減少到20%左右，焊縫韌性急劇降低。 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

35、。Mn是擴(kuò)大奧氏體區(qū)的元素，推遲轉(zhuǎn)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(yàn)研究表明，當(dāng)Mn、Si含量較少時(shí)，轉(zhuǎn)變形成粗大的先共析鐵素體組織，焊縫韌性較低，因?yàn)槲⒘鸭y擴(kuò)展的阻力較小。當(dāng)Mn、Si含量過高時(shí)，形成大量平行束狀排列的板條狀鐵素體，這些晶粒的結(jié)晶位向很相似，擴(kuò)展裂紋與這些晶粒邊界相遇不會(huì)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(guān)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

36、約47的情況下，可得到針狀鐵素體+細(xì)晶粒鐵素體的混合組織，對(duì)裂紋擴(kuò)展的阻力大，焊縫韌性高。表3-5 Mn-Si系焊縫組織與韌性的關(guān)系 在Mn-Si系基礎(chǔ)上加入適量的Ti和B或Ti和Mo均能改善的相變特性，使對(duì)韌性不利的鐵素體組織減少，細(xì)小、均勻的針狀鐵素體增多。近些年來，國內(nèi)外都在探索向低合金鋼焊縫金屬中同時(shí)添加Ti、B或同時(shí)添加Ti、Mo來提高焊縫的韌性并取得了良好的效果。4熱影響區(qū)脆化 (1) 粗晶區(qū)脆化 被加熱到1200以上的熱影響區(qū)過熱區(qū)可能產(chǎn)生粗晶區(qū)脆化，韌性明顯降低。這是由于熱軋鋼焊接時(shí)，采用過大的焊接熱輸入，粗晶區(qū)將因晶粒長大或出現(xiàn)魏氏組織而降低韌性；焊接熱輸入過小，粗晶區(qū)中馬氏

37、體組織所占的比例增大而降低韌性，這在焊接碳含量偏高的熱軋鋼時(shí)較明顯。 含有碳、氮化物形成元素的正火鋼（如Q420等）采用過大的焊接熱輸入時(shí)，粗晶區(qū)的V(C、N)析出相基本固溶，這時(shí)V(C、N)化合物抑制奧氏體晶粒長大及組織細(xì)化作用被削弱，粗晶區(qū)易出現(xiàn)粗大晶粒及上貝氏體、M-A組元等，導(dǎo)致粗晶區(qū)韌性降低和時(shí)效敏感性的增大。 采用小焊接熱輸入是避免這類鋼過熱區(qū)脆化的一個(gè)有效措施。對(duì)含碳量偏高的熱軋鋼，焊接熱輸入要適中；對(duì)于含有碳、氮化物形成元素的正火鋼，應(yīng)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(shí)，焊后應(yīng)采用8001050正火處理來改善韌性。但正火溫度超過1100，晶粒會(huì)迅速長大，將

38、導(dǎo)致焊接接頭和母材的韌性急劇下降。 在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(zhì)時(shí)，熱影響區(qū)粗晶區(qū)的韌性也會(huì)顯著降低。S和P均降低熱影響區(qū)的韌性（見圖3-14），特別是大熱輸入焊接時(shí)，P的影響較為嚴(yán)重。wP0.013%時(shí)，韌性明顯下降。N對(duì)Mn-Si系低合金鋼熱影響區(qū)韌性的影響如圖3-15所示?？梢钥吹?，通過降低N含量，即使焊接熱輸入在很大范圍內(nèi)變化，也仍然可以獲得良好的韌性。 (2) 熱應(yīng)變脆化 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)。對(duì)于C-Mn系熱軋鋼及氮含量較高的鋼，一般認(rèn)為熱應(yīng)變脆化是由于氮、碳原子聚集在位錯(cuò)周圍，對(duì)位錯(cuò)造成釘軋作用造成的。一般認(rèn)為在2

39、00400時(shí)熱應(yīng)變脆化最為明顯，當(dāng)焊前已經(jīng)存在缺口時(shí)，會(huì)使亞臨界熱影響區(qū)的熱應(yīng)變脆化更為嚴(yán)重。熔合區(qū)易于產(chǎn)生熱應(yīng)變脆化與此區(qū)域常存在缺口性質(zhì)的缺陷和不利組織有關(guān)。 熱應(yīng)變脆化易于發(fā)生在一些固溶N含量較高而強(qiáng)度級(jí)別不高的低合金鋼中，如抗拉強(qiáng)度490MPa級(jí)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(yīng)變脆化傾向，如Q420比Q345的熱應(yīng)變脆化傾向小。退火處理也可大幅度恢復(fù)韌性，降低熱應(yīng)變脆化，如Q345經(jīng)6001h退火處理后，韌性大幅度提高，熱應(yīng)變脆化傾向明顯減小。 5層狀撕裂 層狀撕裂是一種特殊形式的裂紋，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(jié)構(gòu)

40、中，如圖3-16所示。大型厚板焊接結(jié)構(gòu)（如海洋工程、鍋爐吊架、核反應(yīng)堆及船舶等）焊接時(shí)，如果在鋼材厚度方向承受較大的拉伸應(yīng)力時(shí)，可能沿鋼材軋制方向發(fā)生呈明顯階梯狀的層狀撕裂。 層狀撕裂的產(chǎn)生不受鋼材種類和強(qiáng)度級(jí)別的限制，從Z向拘束力考慮，層狀撕裂與板厚有關(guān)，板厚在16mm以下一般不會(huì)產(chǎn)生層狀撕裂。從鋼材本質(zhì)來說，主要取決于冶煉質(zhì)量，鋼中的片狀硫化物與層狀硅酸鹽或大量成片地密集于同一平面內(nèi)的氧化物夾雜都使Z向塑性降低，導(dǎo)致層狀撕裂的產(chǎn)生，其中層片狀硫化物的影響最為嚴(yán)重。因此，硫含量和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)。 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

41、受的應(yīng)力應(yīng)變、在滿足產(chǎn)品使用要求前提下選用強(qiáng)度級(jí)別較低的焊接材料及采用預(yù)熱及降氫等輔助措施，有利于防止層狀撕裂的發(fā)生。 3.2.3 熱軋及正火鋼的焊接工藝 熱軋及正火鋼焊接對(duì)焊接方法的選擇無特殊要求，焊條電弧焊、埋弧自動(dòng)焊、氣體保護(hù)焊、電渣焊、壓焊等焊接方法都可以采用。可根據(jù)材料厚度、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、使用性能要求及生產(chǎn)條件等選擇。其中，焊條電弧焊、埋弧自動(dòng)焊、CO2氣體保護(hù)焊是熱軋及正火鋼常用的焊接方法。 1坡口加工、裝配及定位焊 坡口加工可采用機(jī)械加工，其加工精度較高，也可采用火焰切割或碳弧氣刨。對(duì)強(qiáng)度級(jí)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(yīng)用砂輪仔細(xì)打磨，清除氧化皮及凹槽；在坡口

42、兩側(cè)約50mm范圍內(nèi)，應(yīng)去除水、油、銹及臟物等。 焊接件的裝配間隙不應(yīng)過大，盡量避免強(qiáng)力裝配，減小焊接應(yīng)力。為防止定位焊縫開裂，要求定位焊縫應(yīng)有足夠的長度（一般不小于50mm），對(duì)厚度較薄的板材不小于4倍板厚。定位焊應(yīng)選用同類型的焊接材料，也可選用強(qiáng)度稍低的焊條或焊絲。定位焊的順序應(yīng)能防止過大的拘束、允許工件有適當(dāng)?shù)淖冃?，定位焊焊縫應(yīng)對(duì)稱均勻分布。定位焊所用的焊接電流可稍大于焊接時(shí)的焊接電流。 2焊接材料的選擇 低合金鋼選擇焊接材料時(shí)必須考慮兩方面的問題：一是不能有裂紋等焊接缺陷；二是能滿足使用性能要求。選擇焊接材料的依據(jù)是保證焊縫金屬的強(qiáng)度、塑性和韌性等力學(xué)性能與母材相匹配。 熱軋及正火鋼焊

43、接一般是根據(jù)其強(qiáng)度級(jí)別選擇焊接材料，而不要求與母材同成分，其要點(diǎn)如下： (1) 選擇與母材力學(xué)性能匹配的相應(yīng)級(jí)別的焊接材料 從焊接區(qū)力學(xué)性能“等強(qiáng)匹配”的角度選擇焊接材料，一般要求焊縫的強(qiáng)度性能與母材等強(qiáng)或稍低于母材。焊縫中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不應(yīng)超過0.14%，焊縫中其他合金元素也要求低于母材中的含量，以防止裂紋及焊縫強(qiáng)度過高。 (2) 同時(shí)考慮熔合比和冷卻速度的影響 焊縫的化學(xué)成分和性能與母材的溶入量（熔合比）有很大關(guān)系，而焊縫組織的過飽和度與冷卻速度有很大關(guān)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(huì)有很大差別。因此，焊條或焊絲成分的選擇應(yīng)考慮到板厚和坡口形式的影響。薄板焊

44、接時(shí)熔合比較大，應(yīng)選用強(qiáng)度較低的焊接材料，厚板深坡口則相反。 (3) 考慮焊后熱處理對(duì)焊縫力學(xué)性能的影響 當(dāng)焊縫強(qiáng)度余量不大時(shí)，焊后熱處理（如消除應(yīng)力退火）后焊縫強(qiáng)度有可能低于要求。因此，對(duì)于焊后要進(jìn)行正火處理的焊縫，應(yīng)選擇強(qiáng)度高一些的焊接材料。熱軋及正火鋼焊接材料的選用見表3-6。 3焊接工藝參數(shù)的確定 (1) 焊接熱輸入 焊接熱輸入取決于接頭區(qū)是否出現(xiàn)冷裂紋和熱影響區(qū)脆化。對(duì)于碳當(dāng)量(Ceq)小于0.40%的熱軋及正火鋼，如Q295、09Mn2Si和Q345，焊接熱輸入的選擇可適當(dāng)放寬。碳當(dāng)量大于0.40%的鋼種，隨其碳當(dāng)量和強(qiáng)度級(jí)別的提高，所適用的焊接熱輸入的范圍隨之變窄。焊接碳當(dāng)量為0

45、.40%0.60%的熱軋及正火鋼時(shí)，由于淬硬傾向加大，馬氏體含量也增加，小熱輸入時(shí)冷裂傾向會(huì)增大，過熱區(qū)的脆化也變得嚴(yán)重，在這種情況下熱輸入寧可偏大一些比較好。但在加大熱輸入、降低冷速的同時(shí)，會(huì)引起接頭區(qū)過熱的加?。ㄔ龃缶€能量對(duì)冷速的降低效果有限，但對(duì)過熱的影響較明顯）。在這種情況下采用大熱輸入的效果不如采用小熱輸入預(yù)熱更有效。預(yù)熱溫度控制恰當(dāng)時(shí)，既能避免產(chǎn)生裂紋，又能防止晶粒的過熱。 焊接熱輸入對(duì)熱軋及正火鋼熱影響區(qū)晶粒尺寸和沖擊韌性的影響如圖3-17所示。對(duì)于一些含Nb、V、Ti的正火鋼，為了避免焊接中由于沉淀析出相的溶入以及晶粒過熱引起的熱影響區(qū)脆化，焊接熱輸入應(yīng)偏小一些。焊接屈服強(qiáng)度4

46、40MPa以上的低合金鋼或重要結(jié)構(gòu)件，嚴(yán)禁在非焊接部位引弧。多層焊的第一道焊縫需用小直徑的焊條及小熱輸入進(jìn)行焊接，減小熔合比。 (2) 預(yù)熱和焊后熱處理 預(yù)熱和焊后熱處理的目的主要是為了防止裂紋，也有一定的改善組織、性能的作用。強(qiáng)度級(jí)別較高或鋼板厚度較大的結(jié)構(gòu)件焊前應(yīng)預(yù)熱，焊后進(jìn)行熱處理。 1) 預(yù)熱 預(yù)熱溫度與鋼材的淬硬性、板厚、拘束度和氫含量等因素有關(guān)，工程中必須結(jié)合具體情況經(jīng)試驗(yàn)后才能確定，推薦的一些預(yù)熱溫度只能作為參考。多層焊時(shí)應(yīng)保持層間溫度不低于預(yù)熱溫度，但也要避免層間溫度過高引起的不利影響，如韌性下降等。不同環(huán)境溫度下焊接Q345鋼的預(yù)熱溫度見表3-12。2) 焊后熱處理 除了電渣

47、焊由于接頭區(qū)嚴(yán)重過熱而需要進(jìn)行正火處理外，其他焊接條件應(yīng)根據(jù)使用要求來考慮是否需要焊后熱處理。熱軋及正火鋼一般不需要焊后熱處理，但對(duì)要求抗應(yīng)力腐蝕的焊接結(jié)構(gòu)、低溫下使用的焊接結(jié)構(gòu)和厚板結(jié)構(gòu)等，焊后需進(jìn)行消除應(yīng)力的高溫回火。確定焊后回火溫度的原則是： 不要超過母材原來的回火溫度，以免影響母材本身的性能。 對(duì)于有回火脆性的材料，要避開出現(xiàn)回火脆性的溫度區(qū)間。例如，對(duì)含V或V+Mo的低合金鋼，回火時(shí)應(yīng)提高冷卻速度，避免在600左右的溫度區(qū)間停留較長時(shí)間，以免因V的二次碳化物析出而造成脆化；Q420的消除應(yīng)力熱處理的溫度為（55025）。 如焊后不能及時(shí)進(jìn)行熱處理，應(yīng)立即在200350保溫26h，以便

48、焊接區(qū)的氫擴(kuò)散逸出。為了消除焊接應(yīng)力，焊后應(yīng)立即輕輕錘擊焊縫金屬表面，但這不適用于塑性較差的鋼件。強(qiáng)度級(jí)別較高或重要的焊接結(jié)構(gòu)件，應(yīng)用機(jī)械方法（砂輪等）修整焊縫外形，使其平滑過渡到母材，減小應(yīng)力集中。熱軋及正火鋼的預(yù)熱和焊后熱處理工藝參數(shù)見表3-13。 3焊接接頭的力學(xué)性能 焊縫金屬和熱影響區(qū)的力學(xué)性能是影響接頭使用可靠性的基本性能，而其中強(qiáng)度與韌性又是關(guān)鍵的考核要素，特別是對(duì)合金結(jié)構(gòu)鋼接頭更為重要。幾種典型熱軋及正火鋼焊接接頭的力學(xué)性能見表3-14。 3.3 低碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接 熱軋及正火鋼依靠增添合金元素和通過固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化的途徑提高強(qiáng)度到一定程度之后，會(huì)導(dǎo)致塑、韌性的下降。因此，抗拉強(qiáng)

49、度b600MPa的高強(qiáng)度鋼都采用調(diào)質(zhì)處理，通過組織強(qiáng)韌化獲得很高的綜合力學(xué)性能。低碳調(diào)質(zhì)鋼的抗拉強(qiáng)度(b)一般為6001300MPa，屬于熱處理強(qiáng)化鋼。這類鋼既具有較高的強(qiáng)度，又有良好的塑性和韌性。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，低碳調(diào)質(zhì)鋼在工程焊接結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用日益廣泛，越來越受到工程界的重視。3.3.1 低碳調(diào)質(zhì)鋼的種類、成分及性能 金屬學(xué)和熱處理上把“淬火+高溫回火”定義為調(diào)質(zhì)處理，而焊接界則認(rèn)為鋼材淬火后不論經(jīng)高溫回火或低溫回火均稱為“調(diào)質(zhì)”，經(jīng)過“淬火+回火”熱處理的鋼稱為“調(diào)質(zhì)鋼”（QT鋼）。 為了保證良好的綜合性能和焊接性，低碳調(diào)質(zhì)鋼要求鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.22%（實(shí)際上wC0.18%）

50、。此外，添加一些合金元素，如Mn、Cr、Ni、Mo、V、Nb、B、Cu等，添加這些合金元素主要是為了提高鋼的淬透性和馬氏體的回火穩(wěn)定性。這類鋼由于含碳量低，淬火后得到低碳馬氏體，而且會(huì)發(fā)生“自回火”，脆性小，具有良好的焊接性。 低碳調(diào)質(zhì)鋼具有較高的強(qiáng)度和良好的塑性、韌性和耐磨性，特別是裂紋敏感性低，在工程結(jié)構(gòu)制造中有廣闊的應(yīng)用前景。根據(jù)使用條件的不同，低碳調(diào)質(zhì)鋼又可分為以下幾種： (1) 高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼（b 600800MPa） 如14MnMoNbB、15MnMoVNRE、HQ70、HQ80C等，這類鋼主要用于工程焊接結(jié)構(gòu)，焊縫及焊接區(qū)多承受拉伸載荷； (2) 高強(qiáng)度耐磨鋼（b1000MPa）

51、如HQ100、HQ130等，主要用于工程結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度耐磨、要求承受沖擊磨損的部位； (3) 高強(qiáng)高韌性鋼（b700MPa） 如12Ni3CrMoV、10Ni5CrMoV以及美國的HY80、HY-130、HP-9-4-20等，這類鋼要求在高強(qiáng)度的同時(shí)要具有高韌性，主要用于高強(qiáng)度高韌性焊接結(jié)構(gòu)。 部分低碳調(diào)質(zhì)鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能見表3-15和表3-16。低碳調(diào)質(zhì)鋼碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)限制在0.18%以下，為了保證較高的缺口韌性，一般含有較高的Ni和Cr，具有高強(qiáng)度，特別是具有優(yōu)異的低溫缺口韌性。Ni能提高鋼的強(qiáng)度、塑性和韌性，降低鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度。Ni與Cr一起加入時(shí)可顯著增加淬透性，得到高的綜合力學(xué)性能

52、。Cr元素在鋼中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從提高淬透性出發(fā)，上限一般約為1.6%，繼續(xù)增加反而對(duì)韌性不利。 由于采用了先進(jìn)的冶煉工藝，鋼中氣體含量及S、P等雜質(zhì)明顯降低，氧、氮、氫含量均較低。高純潔度使這類鋼母材和焊接熱影響區(qū)具有優(yōu)異的低溫韌性。這類鋼的熱處理工藝一般為奧氏體化淬火回火，回火溫度越低，強(qiáng)度級(jí)別越高，但塑性和韌性有所降低。經(jīng)淬火+回火后的組織是回火低碳馬氏體、下貝氏體或回火索氏體，這類組織可以保證得到高強(qiáng)度、高韌性和低的脆性轉(zhuǎn)變溫度。 為了改善焊接施工條件和提高低溫韌性，近年來發(fā)展起來的焊接無裂紋鋼（簡稱CF鋼）實(shí)際上是C含量降得很低（wC1，稱為“超強(qiáng)匹配”；(b)w/(b)b1稱為“等強(qiáng)匹配

53、”；(b)w/(b)b1稱為“低強(qiáng)匹配”。 對(duì)于焊縫金屬強(qiáng)度選擇問題，傳統(tǒng)上大多主張焊縫強(qiáng)度等于或大于母材的強(qiáng)度，即所謂等強(qiáng)匹配或超強(qiáng)匹配，認(rèn)為焊縫強(qiáng)度高一些更為安全。但是，焊縫金屬的強(qiáng)度越高，韌性往往越低，甚至低于母材的韌性水平。即使是低強(qiáng)度鋼，采用大熱輸入的焊接方法（如埋弧焊、電渣焊等）時(shí)，焊縫金屬的韌性也常常低于母材，要保持焊縫金屬與母材的強(qiáng)韌性匹配，有時(shí)是比較困難的。隨著高強(qiáng)鋼和超高強(qiáng)鋼的迅速發(fā)展，焊縫強(qiáng)韌性與母材的匹配問題，更顯得越來越突出。 韌性是焊縫金屬性能評(píng)定中的一個(gè)重要指標(biāo)，特別是針對(duì)800MPa級(jí)以上低合金高強(qiáng)鋼的焊接，韌性下降是焊接中一個(gè)很突出的問題。W.S.Pellin

54、i歸納的高強(qiáng)鋼焊縫金屬與母材的強(qiáng)韌性匹配如圖3-19所示?？梢?，焊縫金屬總是未能達(dá)到母材的韌性水平；與氬弧焊相比，焊條電弧焊更為遜色。而且，隨著屈服強(qiáng)度s的提高，要求鋼材安全工作的斷裂韌度KIC也要相應(yīng)提高，而鋼材實(shí)際具有的韌性水平卻隨著s提高而降低。這是現(xiàn)實(shí)存在的矛盾。 因此，對(duì)于抗拉強(qiáng)度b800MPa高強(qiáng)鋼，除考慮強(qiáng)度外，還必須考慮焊接區(qū)韌性和裂紋敏感性。就焊縫金屬而言，強(qiáng)度越高，可達(dá)到的韌性水平越低?？估瓘?qiáng)度大于800MPa的高強(qiáng)鋼，如果要求焊縫金屬與母材等強(qiáng)，焊縫的韌性儲(chǔ)備不夠；若為超強(qiáng)的情況，韌性儲(chǔ)備更低，甚至可能低到安全限以下。例如，工程中一些高強(qiáng)鋼焊接結(jié)構(gòu)脆性破壞時(shí)，強(qiáng)度及伸長率

55、都是合格的，主要是由于韌性不足而引起脆斷。 所以，即使焊縫與母材等強(qiáng)，但韌性低于安全限以下，卻是極不安全的因素。此時(shí)，少許犧牲焊縫強(qiáng)度而使韌性儲(chǔ)備提高，對(duì)接頭綜合性能有利。特別是承受動(dòng)載荷、重載荷和低溫工作條件的高強(qiáng)鋼焊接接頭，除強(qiáng)度性能外，還要求有較高的韌性。 “低強(qiáng)匹配”焊材并不意味著接頭強(qiáng)度一定低于母材。生產(chǎn)中通常是按產(chǎn)品樣本規(guī)定的熔敷金屬名義值（或標(biāo)稱強(qiáng)度）選擇焊材，但是，焊縫金屬實(shí)際強(qiáng)度往往超出熔敷金屬名義保證值。按名義強(qiáng)度選用的低強(qiáng)焊接材料，實(shí)際施焊所得的焊縫強(qiáng)度未必低強(qiáng)。再考慮冶金因素、熔合比和力學(xué)上的拘束強(qiáng)化效果，實(shí)際焊縫的強(qiáng)度可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出熔敷金屬的名義保證值。因此，選用“低強(qiáng)

56、匹配”的焊材，焊接接頭實(shí)際強(qiáng)度未必低強(qiáng)，可能等強(qiáng)，甚至還稍許超強(qiáng)；而按“等強(qiáng)匹配”選擇焊材則可能造成超強(qiáng)的效果，造成焊縫金屬塑韌性和抗裂性的下降。 實(shí)踐表明，對(duì)于承受壓應(yīng)力的焊縫“低強(qiáng)匹配”焊材可以滿足使用要求。但對(duì)于承受拉應(yīng)力的焊縫，這方面的研究結(jié)果還分歧很大。 2冷裂紋 低碳調(diào)質(zhì)鋼的合金化原則是在低碳基礎(chǔ)上通過加入多種提高淬透性的合金元素，來保證獲得強(qiáng)度高、韌性好的低碳“自回火”馬氏體和部分下貝氏體的混合組織。這類鋼由于淬硬性大，在焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)有產(chǎn)生冷裂紋和韌性下降的傾向。但熱影響區(qū)淬硬組織為Ms點(diǎn)較高的低碳馬氏體，具有一定韌性，裂紋敏感性小。對(duì)于wC0.12%的低合金鋼，熱影響區(qū)最

57、高硬度可修正為400HV。 此外，限制焊縫含氫量在超低氫水平對(duì)于防止低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接冷裂紋十分重要。鋼材強(qiáng)度級(jí)別越高, 冷裂傾向越大, 對(duì)低氫焊接條件的要求越嚴(yán)格。3熱裂紋及再熱裂紋 這類鋼C含量較低、Mn含量較高，而且對(duì)S、P的控制也較嚴(yán)格，因此熱裂紋傾向較小。但對(duì)高Ni低Mn類型的鋼種有一定的熱裂紋敏感性，主要產(chǎn)生于熱影響區(qū)過熱區(qū)（稱為液化裂紋）。 液化裂紋的產(chǎn)生也和Mn/S比有關(guān)。碳含量越高，要求的Mn/S比也越高。當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過0.2%，Mn/S比大于30時(shí)，液化裂紋敏感性較??；Mn/S比超過50后，液化裂紋的敏感性很低。此外，Ni對(duì)液化裂紋的產(chǎn)生起著明顯的有害作用。對(duì)于HY-80

58、鋼，由于Mn/S比較低，Ni含量又較高，所以對(duì)液化裂紋也較敏感。相反，HY-130鋼的Ni含量比HY-80更高，但由于碳含量很低（wC0.12%），S含量也很低（wS0.01%），Mn/S比高達(dá)6090，因此它對(duì)熱影響區(qū)的液化裂紋并不敏感。 總之，避免熱裂紋或液化裂紋的關(guān)鍵在于控制C和S含量，保證高的Mn/S比，尤其是當(dāng)Ni含量高時(shí)，要求更為嚴(yán)格。 工藝因素對(duì)焊接區(qū)液化裂紋的形成也有很大的影響。焊接熱輸入越大，熱影響區(qū)晶粒越粗大，晶界熔化越嚴(yán)重，晶粒之間的液態(tài)晶間層存在的時(shí)間也越長，液化裂紋產(chǎn)生的傾向就越大。因此，為了防止裂化裂紋的產(chǎn)生，從工藝上應(yīng)采用小熱輸入的焊接方法，并注意控制熔池形狀、減

59、小熔合區(qū)凹度等。 V對(duì)再熱裂紋的影響最大，Mo次之，而當(dāng)V和Mo同時(shí)加入時(shí)就更為敏感。在Cr-Mo和Cr-Mo-V鋼中，當(dāng)wCr1%后，繼續(xù)增加Cr含量時(shí)再熱裂紋傾向減小。一般認(rèn)為Mo-V鋼，特別是Cr-Mo-V鋼對(duì)再熱裂紋較敏感，Mo-B鋼也有一定的再熱裂紋傾向。含Nb的14MnMoNiB對(duì)再熱裂紋較敏感。此外，焊接Cr-Ni-Mo、Cr-Ni-Mo-V和Ni-Mo-V等類型鋼時(shí)，都要注意再熱裂紋的問題。 4熱影響區(qū)性能變化 低碳調(diào)質(zhì)鋼熱影響區(qū)是組織性能極不均勻的部位，突出的特點(diǎn)是同時(shí)存在脆化（即韌性下降）和軟化現(xiàn)象。即使低碳調(diào)質(zhì)鋼母材本身具有較高的韌性，結(jié)構(gòu)運(yùn)行中微裂紋也易在熱影響區(qū)脆化部

60、位產(chǎn)生和發(fā)展，存在接頭區(qū)域出現(xiàn)脆性斷裂的可能性。受焊接熱循環(huán)影響，低碳調(diào)質(zhì)鋼熱影響區(qū)可能存在強(qiáng)化效果的損失現(xiàn)象（稱為軟化或失強(qiáng)），焊前母材強(qiáng)化程度越大，焊后熱影響區(qū)的軟化程度越大。 (1) 調(diào)質(zhì)鋼熱影響區(qū)組織特征 低碳調(diào)質(zhì)鋼熱影響區(qū)由于經(jīng)歷了焊接熱循環(huán)作用，不可避免地會(huì)發(fā)生復(fù)雜的二次組織轉(zhuǎn)變。而且，調(diào)質(zhì)鋼熱影響區(qū)組織是一個(gè)連續(xù)變化并具有陡峭組織梯度的區(qū)域，這種顯微組織不均勻性將導(dǎo)致力學(xué)性能的不均勻，使接頭區(qū)的強(qiáng)韌性下降。 (2) 熱影響區(qū)脆化 在焊接熱循環(huán)作用下（t8/5繼續(xù)增加時(shí)），低碳調(diào)質(zhì)鋼熱影響區(qū)過熱區(qū)易發(fā)生脆化，即沖擊韌性明顯降低。熱影響區(qū)脆化的原因除了奧氏體晶粒粗化的原因外，更主要的