七中碳鋼熱軋鋼的焊接概要

1、七中碳鋼熱軋鋼的焊接概要表3-9 焊接常用中碳鋼的化學(xué)成分表 3-10 焊接常用中碳鋼的力學(xué)性能 二、中碳鋼的焊接性分析 中碳鋼(C)范圍為0.300.60。按IIW計(jì)算的碳當(dāng)量在0.40080%之間，當(dāng)(C)接近0.30而Mn不高的Q275、30、30Mn鋼，焊接性良好。隨著(C)的增加，焊接性逐漸變差。 冷裂紋 熱影響區(qū)可能產(chǎn)生硬脆的馬氏體組織，使其強(qiáng)度提高、脆化和硬化，冷裂紋敏感性增大。當(dāng)焊接材料和焊接過(guò)程控制不好，焊縫擴(kuò)散氫含量較大時(shí)，焊縫也開(kāi)裂。主要帶來(lái)的問(wèn)題： 熱裂紋 隨著碳含量的增加，增加了焊縫中的S、P偏析，焊縫中的熱裂紋傾向增大，特別是雜質(zhì)硫控制不嚴(yán)時(shí)，更顯示出來(lái)。這種熱裂紋

2、在弧坑處更為敏感。氣孔 焊接時(shí)，因熔化母材中的碳進(jìn)入熔池，導(dǎo)致焊縫金屬碳含量增加，也增加了氣孔(CO)的敏感性。 熱影響區(qū)軟化焊前經(jīng)過(guò)淬火處理的中碳鋼零件，在熱影響區(qū)可能出現(xiàn)回火軟化現(xiàn)象。 有時(shí)為了提高中碳鋼耐磨或耐蝕性能，在外表堆焊一層高合金層。此時(shí)應(yīng)防止堆焊層與基體成分差異過(guò)大在熔合區(qū)產(chǎn)生過(guò)多的合金馬氏體組織，易造成該區(qū)冷裂紋或產(chǎn)生剝離。 對(duì)于中碳鋼鑄鋼件，焊接修復(fù)時(shí)，應(yīng)防止焊接冷裂紋或修復(fù)部位焊接剩余應(yīng)力過(guò)大而導(dǎo)致開(kāi)裂。 三、中碳鋼的焊接工藝一焊接方法的選擇常用方法中碳鋼焊接性較差，大都用于制造機(jī)械零件，焊接方法應(yīng)選用焊接熱輸入易控制，且較小的焊接方法，如焊條電弧焊，CO2氣體保護(hù)焊、氬

3、弧焊等。 電渣焊與埋弧焊相比，由于電渣焊渣池對(duì)焊件良好的預(yù)熱作用，以及冷卻速度極慢的特點(diǎn)，更適宜于中碳鋼的焊接。如焊絲-焊劑組合選配恰當(dāng)，焊接工藝參數(shù)適宜，那么焊縫及熱影響區(qū)不至于出現(xiàn)淬硬組織，焊后產(chǎn)生冷裂紋的傾向也小。缺點(diǎn)是只適合于厚板長(zhǎng)直焊縫，且焊后應(yīng)進(jìn)展正熾熱處理以細(xì)化晶粒，如大型齒輪毛坯、電機(jī)座、壓力機(jī)機(jī)架、壓力機(jī)壓輥、大型油壓機(jī)支柱和柱體的焊接，用電渣焊能減少制造時(shí)間，節(jié)省焊劑消耗。 埋弧焊不推薦使用埋弧焊。如必須使用，也只限于C0.40的中碳鋼中薄板，如含碳量處于下限的35鋼WC0.32 0.40及 30鋼C0.270.35。選用低碳優(yōu)質(zhì)焊絲 H08A、H08E、H08MnA配硅鈣

4、型燒結(jié)焊劑SJ301、SJ302，焊前應(yīng)預(yù)熱到150。焊后立即進(jìn)展消除應(yīng)力處理或去氫處理。 二焊接材料的選擇盡量采用低氫型焊接材料 應(yīng)盡量選用抗裂性好的低氫型焊條，因熔敷金屬擴(kuò)散氫量少，去硫能力強(qiáng)，故熔敷金屬塑性、韌性良好，抗裂性好。如果選用非低氫型焊條，如鈦鐵礦型或鈦鈣型焊條進(jìn)展焊接，必須采取嚴(yán)格的工藝措施配合，如控制預(yù)熱溫度、減少母材熔合比等，才能獲得滿(mǎn)意的結(jié)果。 特殊情況下選擇焊接材料如母材不允許預(yù)熱時(shí)，可選用鉻鎳奧氏體不銹鋼焊條焊接，焊縫金屬為奧氏體組織，塑性好，可減少焊接接頭應(yīng)力，防止熱影響區(qū)冷裂紋的產(chǎn)生。用于中碳鋼焊接的鉻鎳奧氏體不銹鋼焊條有E30816A102、E30815A10

5、7、E30916A302、E30915A307、E31016A402、 E31015A407等。 焊縫金屬與母材強(qiáng)度匹配要求焊縫金屬與母材等強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)選用強(qiáng)度級(jí)別相當(dāng)?shù)牡蜌鋲A性焊條；在不要求等強(qiáng)度時(shí)，可選用強(qiáng)度級(jí)別低于母材的低氫堿性焊條，例如焊接母材為490MPa的鋼，可選用E4316、 E4315焊條。 考慮焊前狀態(tài)熱處理前即退火狀態(tài)下焊接，選用焊條必須使焊縫金屬成分與母材相近，以使焊后經(jīng)熱處理的焊縫金屬到達(dá)與母材一樣的性能；如在熱處理后一般為調(diào)質(zhì)處理的部件上焊接，那么必須選用低氫堿性焊條，采取相應(yīng)工藝措施，以防止裂紋和減少熱影響區(qū)的軟化。 三焊接工藝要點(diǎn)預(yù)熱中碳鋼焊接需要預(yù)熱，控制層間溫度

6、一般不能低于預(yù)熱溫度，以降低焊縫金屬和熱影響區(qū)的冷卻速度，抑制馬氏體的形成，提高焊接接頭的塑性，減小剩余應(yīng)力。預(yù)熱溫度取決于碳當(dāng)量、母村厚度、構(gòu)造剛度、焊條類(lèi)型和工藝方法。如表3-6 焊后熱處理焊后最好立即消除應(yīng)力熱處理，至少應(yīng)在焊件冷卻到預(yù)熱溫度或?qū)娱g溫度之前進(jìn)展，消除應(yīng)力回火溫度一般為600650，焊件在爐中加熱和冷卻應(yīng)平緩，以減少截面厚度方向的溫度梯度。 工藝措施降低母材熔合比U形坡口，減小熱輸入，降低冷卻速度細(xì)焊條，小電流，多層焊等，焊件置于立焊或半立焊位置，焊條作橫向擺動(dòng)，其幅度取焊條直徑的58倍。 冶金保護(hù)焊接中碳鋼采用J507焊條，當(dāng)焊接沸騰鋼時(shí)，參加含有足夠數(shù)量脫氧劑例如 Al

7、、 Mn、 Si的填充金屬，可以防止焊縫氣孔。 后熱假設(shè)焊后不可能立即消除應(yīng)力，也應(yīng)當(dāng)進(jìn)展后熱，以便去氫。后熱保溫時(shí)間大約每10mm厚度為lh左右。 中碳鋼的焊接并不少見(jiàn)，例如40、45或 50鋼的焊接時(shí)有發(fā)生。不過(guò)，這些鋼材往往制成機(jī)器零件，并非大型構(gòu)造，所以大多為焊條電弧焊。 三、中碳鋼焊接實(shí)例 例如，一根45鋼、75mm的機(jī)軸，采用焊接方法接長(zhǎng)。焊前接頭處開(kāi)成坡口，預(yù)熱200，采用E5015J507焊條預(yù)先按焊條說(shuō)明書(shū)規(guī)定烘培焊接。第1層焊縫焊接電流為170180A，務(wù)必焊透；第2層及以后各層焊接電流為180190A。焊接時(shí)，保持層間溫度200，焊完以后立即消除應(yīng)力，T65015、2.5

8、h，接著緩冷，24h以后翻開(kāi)取出。 又如中碳鋼的CO2氣體保護(hù)焊，工件為鍛壓機(jī)的對(duì)擊錘頭，工況條件惡劣，承受250kg的巨大沖擊載荷。錘頭材質(zhì)為ZG270-500，b490MPa,s275MPa。使用過(guò)程中，錘頭滑道板斷裂，共4道通長(zhǎng)裂紋，總長(zhǎng)約6m。如用焊條電弧焊，估計(jì)需焊條2t，焊接及中間消除應(yīng)力熱處理時(shí)間總共約需1個(gè)月，勞動(dòng)強(qiáng)度也大。因此，選用CO2氣體保護(hù)焊，焊絲為H08Mn2SiA，其熔敷金屬的b和s皆與母材匹配。錘頭滑道板曾經(jīng)外表淬火強(qiáng)化，故焊前先行退火。預(yù)熱和層間溫度為200250。焊接時(shí)先用J350焊條在工件外表進(jìn)展預(yù)堆焊，再用CO2氣體保護(hù)焊焊接。當(dāng)坡口中焊縫金屬約達(dá)1/2時(shí)

9、，進(jìn)展450480、2.5h的中間消除應(yīng)力熱處理。焊縫全部完成后，立即進(jìn)爐進(jìn)展最后消除應(yīng)力熱處理。 第二節(jié) 熱軋及正火鋼的焊接工藝 熱軋鋼或正火鋼-屈服強(qiáng)度為295490Mpa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(chēng)為熱軋鋼或正火鋼，屬于非熱處理強(qiáng)化鋼。 熱軋鋼正火鋼正火狀態(tài)下使用正火+回火狀態(tài)下使用含鉬Mo)鋼 一、熱軋及正火鋼的性能特點(diǎn) 典型熱軋及正火鋼的化學(xué)成分及牌號(hào)見(jiàn)表7-2，力學(xué)性能見(jiàn)表7-3。熱軋鋼s295390MPa的鋼，主要以Mn、Si起固溶強(qiáng)化。也可再參加V、Nb以到達(dá)細(xì)化晶粒和沉淀強(qiáng)化的作用。 Q295、Q345、Q390；組織為細(xì)晶粒F+P。正火+回火狀態(tài)使

10、用的鋼正火狀態(tài)下使用的鋼Q420、HW530、HW590；正火處理碳化物析出沉淀強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)度、韌性，焊接性。水電站壓力鋼管、壓力容器特別是球形儲(chǔ)罐用鋼 參加Mo強(qiáng)度、細(xì)晶，提高鋼的中溫耐熱性，但塑性、韌性須正火后回火以改善。一般在Mn-Mo 系上加Ni或Nb。13MnNiMoNb、18MnMoNb。主要用于制造高壓鍋爐鍋筒。 二、熱軋及正火鋼的焊接性分析 焊接性分析找出焊接時(shí)可出現(xiàn)的問(wèn)題性能不合格或焊接缺陷。 熱軋及正火鋼屬于非熱處理強(qiáng)化鋼，碳及合金元素的含量比較低，此類(lèi)鋼總的焊接性較好，但Me及強(qiáng)度 焊接性。主要為焊接裂紋與HAZ脆化。 1焊接裂紋 結(jié)晶裂紋含碳量較低，含錳量都較高，Mn/

11、S比值較大，因而具有較好的抗熱裂性能；特殊情況下C、S同時(shí)居上限或偏析嚴(yán)重可能產(chǎn)生。防止：Mn、CS含量用低氫型焊條、超低碳焊絲+高M(jìn)n高Si焊劑、熔合比。 消除應(yīng)力裂紋 含Mo正火鋼厚壁壓力容器之類(lèi)的焊接構(gòu)造，進(jìn)展焊后消除應(yīng)力熱處理或焊后再次高溫加熱包括長(zhǎng)期高溫使用的過(guò)程中產(chǎn)生，也稱(chēng)再熱裂紋簡(jiǎn)稱(chēng)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)生消除應(yīng)力裂紋。在熱軋及正火鋼中，18MnMoNb鋼對(duì)消除應(yīng)力裂紋比較敏感。通過(guò)提高預(yù)熱溫度(如將T0由180提高到230)或焊后及時(shí)進(jìn)展后熱(180預(yù)熱，焊后立即進(jìn)展180X2h后熱)，可有效地防止消除應(yīng)力裂紋。冷

12、裂紋 熱軋鋼的冷裂紋敏感性高于低碳鋼。強(qiáng)度級(jí)別、冷速冷裂傾向 層狀撕裂 主要與鋼的冶煉質(zhì)量、板厚、接頭形式和Z向應(yīng)力有關(guān)。厚板構(gòu)造及T型接頭、角接接頭用Z向鋼。注意：層狀撕裂主要以含S量及z來(lái)衡量，而與鋼材的強(qiáng)度無(wú)直接關(guān)系。 2.熱影響區(qū)的脆化 過(guò)熱區(qū)脆化熱應(yīng)變脆化1熱影響區(qū)過(guò)熱區(qū)的脆化熱軋鋼16Mn：1c偏下限：E過(guò)大晶粒粗化魏氏組織脆化嚴(yán)重；防止：E。2c偏上限：E過(guò)大晶粒粗化；E偏低冷速快高碳M脆化。防止：適當(dāng)加大E。Wc=0.14%的M4鋼的ak值隨冷卻速度的提高而上升。Wc=0.17%的M2鋼，因含碳量的增加，E偏大時(shí)形成含碳量較高的魏氏體而脆化，E偏小時(shí)出現(xiàn)含碳量高的馬氏體而脆化。

13、其線能量調(diào)整的范圍較窄。正火鋼：原因：晶粒粗化次要原因，主要為：過(guò)熱區(qū)加熱至高溫1200碳化物或氮化物分解溶入A。焊接時(shí)冷速快碳化物形成元素來(lái)不及析出形成固溶體脆化。防止：用較小的E。 2熱應(yīng)變脆化原因加熱與應(yīng)變同時(shí)作用下產(chǎn)生。由固溶的N引起，200400為敏感溫度區(qū)，大多發(fā)生在固溶含氮的低碳鋼和強(qiáng)度較低的低合金鋼(如b為490MPa級(jí)的CMn鋼)中。 熱應(yīng)變脆化-指鋼在200Ac1溫度范圍內(nèi)，受到較大的塑性變形5%10%后，出現(xiàn)斷裂韌性明顯下降，脆性轉(zhuǎn)變溫度明顯升高的現(xiàn)象。 防止假設(shè)鋼中參加足夠的氮化物形成元素，可以顯著降低熱應(yīng)變脆化傾向。消除熱應(yīng)變脆化的有效措施是進(jìn)展焊后熱處理，經(jīng) 600

14、左右的消除應(yīng)力退火后，材料的韌性可恢復(fù)到原有水平。 16Mn鋼焊后，韌脆轉(zhuǎn)變溫度比焊前提53，15MnVN鋼升高30 ，說(shuō)明二者都有一定的熱應(yīng)變脆化傾向。15MnVN中雖然加了氮，但因釩有固氮作用，故脆化傾向比16Mn低些。16Mn鋼經(jīng)600 lh退火處理后，韌性根本恢復(fù)正常。 三、熱軋及正火鋼的焊接工藝一焊接方法的選擇 對(duì)焊接方法沒(méi)有特殊要求，通常根據(jù)產(chǎn)品的構(gòu)造特點(diǎn)、批量、生產(chǎn)條件及經(jīng)濟(jì)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(hù)焊電渣焊高效焊接方法窄間隙的氣電立焊和埋弧焊 可用各種切割方法下料，如氣割、電弧氣刨、等離子切割等。二焊接材料的選擇等強(qiáng)原那

15、么選擇焊條碳含量，合金元素含量低于母材。適用于焊接 Q42015MnVN的焊條E5515的化學(xué)成分為：C0.12，Mn1.2%，Si0.5%。所以從成分上看，含C、Mn量都比 15MnVN低，而且根本不含沉淀強(qiáng)化的元素 V。但焊縫金屬的b能到達(dá)549608MPa，同時(shí)還具有很高的塑性和韌性?？紤]熱處理情況選擇焊后有熱處理時(shí)，應(yīng)適當(dāng)焊縫金屬的強(qiáng)度即選用強(qiáng)度稍高的焊接材料防止熱處理后焊縫金屬的強(qiáng)度下降。 考慮熔合比和冷卻速度選擇埋弧焊時(shí)，熔合比與焊劑是必須考慮的方面如焊縫Mn、Si含量少，那么須從焊絲和焊劑過(guò)渡Mn、Si采用低Mn低合金鋼焊絲配合高M(jìn)n高Si焊劑 考慮構(gòu)造因素的影響 對(duì)于厚板、拘束

16、度大或冷裂傾向大的焊接構(gòu)造，以及重要的產(chǎn)品，應(yīng)選用低氫或高韌性的焊接材料 三焊接工藝參數(shù)確實(shí)定 主要取決于過(guò)熱區(qū)的脆化和冷裂兩個(gè)因素。依鋼材的強(qiáng)度而定。強(qiáng)度級(jí)別較低線能量調(diào)整范圍寬；強(qiáng)度級(jí)別較高線能量調(diào)整范圍窄可配合預(yù)熱或后熱，既防止冷裂，又可接頭韌性。 Q295和含碳低的Q345固溶強(qiáng)化提高強(qiáng)度，線能量影響不大。但是，對(duì)于含碳量較高的Q345鋼，那么必須考慮在線能量較小時(shí)會(huì)產(chǎn)生淬火組織的可能，而應(yīng)選用較大的線能量。 Q390和18MnMoNb沉淀強(qiáng)化元素多，過(guò)熱區(qū)因沉淀強(qiáng)化相的溶解而造成脆化，故線能量不宜過(guò)大。即在焊接這類(lèi)鋼時(shí)，線能量的上限應(yīng)當(dāng)是保證過(guò)熱區(qū)不會(huì)出現(xiàn)由于沉淀強(qiáng)化相溶解而造成的脆

17、化。對(duì)含碳及合金元素較多的鋼，還需要考慮防止冷速過(guò)大而出現(xiàn)淬火組織或冷裂紋，因而線能量亦不宜過(guò)小。 焊前預(yù)熱是防止冷裂紋，改善接頭性能的重要措施。預(yù)熱溫度受母材強(qiáng)度、焊條類(lèi)型、坡口形式、環(huán)境溫度等因素的影響，并可利用其中有關(guān)經(jīng)歷公式進(jìn)展初步估算。 熱軋及正火鋼常用的熱處理制度有消除應(yīng)力退火、正火或正火+回火等。常用熱處理參數(shù)見(jiàn)表7-6。 在以下情況下，要求熱軋及正火鋼進(jìn)展焊后熱處理： 1)母材屈服點(diǎn)490MPa，為了防止延遲裂紋，焊后應(yīng)立即進(jìn)展消除應(yīng)力退火或消氫處理。 2)厚壁壓力容器為了防止由于焊接時(shí)在厚度方向存在溫差，而形成三向應(yīng)力場(chǎng)所導(dǎo)致的脆性破壞，焊后應(yīng)進(jìn)展消除應(yīng)力退火。 3)電渣焊接

18、頭為了細(xì)化晶粒，提高接頭韌性，焊后一般要求進(jìn)展正火或正火+回火處理。 4)對(duì)可能發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂或要求尺寸穩(wěn)定的產(chǎn)品，焊后應(yīng)進(jìn)展消除應(yīng)力退火。焊后要進(jìn)展機(jī)械加工的構(gòu)件，在加工前應(yīng)進(jìn)展消除應(yīng)力退火。 在確定退火溫度時(shí)，應(yīng)注意兩點(diǎn)：一是退火溫度不應(yīng)超過(guò)焊前的回火溫度，以保證母材的性能不發(fā)生變化；二是對(duì)有回火脆性的鋼，應(yīng)避開(kāi)回火脆性的溫度區(qū)間。 焊前預(yù)熱是防止冷裂紋，改善接頭性能的重要措施。預(yù)熱溫度受母材強(qiáng)度、焊條類(lèi)型、坡口形式、環(huán)境溫度等因素的影響，并可利用其中有關(guān)經(jīng)歷公式進(jìn)展初步估算。 表7-6為幾種常用熱軋及正火鋼的預(yù)熱溫度，可供參考。當(dāng)接頭板厚很大或施工溫度較低時(shí)，應(yīng)適當(dāng)提高預(yù)熱溫度；構(gòu)造比較復(fù)雜、接頭拘束度較大時(shí)，亦應(yīng)提高預(yù)熱溫度。而采用大線能量的焊接方法時(shí)(如電渣焊)，預(yù)熱溫度應(yīng)相應(yīng)降低或不進(jìn)展預(yù)熱。四、典型鋼種的焊接實(shí)例 Q345鋼的焊接 Q345鋼相當(dāng)于舊牌號(hào)的12MnV、14MnNb、16Mn等鋼種，這些鋼的焊接性與焊接工藝是根本一樣的。 Q345鋼的熱切割性能與