中國石油大學(xué)常見金屬材料焊接

常見材料的焊接機電工程學(xué)院材料系6.1焊接性的概念

缺陷

降低了某些必要的性能一、焊接性的定義金屬是否能適應(yīng)焊接加工而形成完整的、具備一定使用性能的焊接接頭的特性二、評價標(biāo)準焊縫及HAZ產(chǎn)生裂紋的敏感性如何焊縫及HAZ產(chǎn)生氣孔的敏感性如何焊接熱循環(huán)對HAZ組織結(jié)構(gòu)的影響焊接接頭滿足規(guī)定性能的可能性

——使用焊接性工藝焊接性

定義某種材料在一定焊接條件下，能否獲得優(yōu)質(zhì)致密、無缺陷焊接接頭的能力影響工藝焊接性的因素★材料因素★設(shè)計因素★工藝因素★使用因素三、工藝焊接性3.工藝焊接性的分類熱焊接性在焊接過程條件下，對HAZ組織性能及產(chǎn)生缺陷的影響程度評定被焊金屬對熱的敏感性，主要與被焊材質(zhì)及焊接工藝條件有關(guān)冶金焊接性冶金反應(yīng)對焊縫性能和產(chǎn)生缺陷的影響程度影響焊縫金屬化學(xué)成分和性能的主要方面四、使用焊接性定義指焊接接頭或整體結(jié)構(gòu)滿足技術(shù)條件所規(guī)定的各種使用性能的程度★力學(xué)性能★低溫韌性★抗脆性斷裂性能★高溫蠕變★疲勞性能★持久強度★抗腐蝕性能★……6.2金屬的

焊接性試驗

1、目的評定金屬材料的焊接性研制開發(fā)新型的焊接材料擬定產(chǎn)品的焊接工藝2、內(nèi)容焊縫和HAZ抗熱裂的能力焊縫和HAZ抗冷裂的能力焊接接頭抗脆性轉(zhuǎn)變的能力接頭的使用性能3、分類模擬類方法實焊類方法理論計算類方法4、選擇原則針對性可靠性經(jīng)濟性一、小鐵研試驗1、目的評定打底焊縫以及HAZ的冷裂傾向防止冷裂紋的臨界預(yù)熱溫度評價指標(biāo)：裂紋率≤20%，實際構(gòu)件不發(fā)生2、優(yōu)缺點優(yōu)點:不需要專用設(shè)備在施工現(xiàn)場可以應(yīng)用缺點:要進行大量的解剖檢查

二、插銷試驗1、目的主要用來考核材料的氫致延遲裂紋敏感性也可用來考核再熱裂紋和層狀撕裂等的敏感性1—試板；2—支點；3—加壓；4—油缸；5—插銷試樣；6—加載夾頭7—加載棒；8—應(yīng)變片；9—載荷；10—支柱；11—導(dǎo)線插銷試樣形狀、尺寸實例2、優(yōu)缺點插銷試驗的優(yōu)點節(jié)省材料（試棒?。嵫h(huán)接近實際焊接熱循環(huán)通過調(diào)整基體板板厚來調(diào)整焊接熱循環(huán)方便、靈活、實用插銷試驗的缺點需要專用設(shè)備不適合現(xiàn)場用一種模擬方法試驗結(jié)果σ－斷裂時間tF及σcr的關(guān)系找出σcr＝σs的施工條件可調(diào)節(jié)的工藝因素[H]D冷卻速度T0、TP填充金屬材料3、特點目的主要測定焊縫的熱裂敏感性也可測定HAZ的冷裂敏感性三、剛性固定對接裂紋試驗四、HAZ最高硬度試驗間接判斷母材的淬硬傾向和冷裂敏感性五、碳當(dāng)量方法目的：評價低合金鋼冷裂紋敏感性

國際焊接協(xié)會推薦Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15美國焊接學(xué)會（AWS）推薦Ceq=C+Mn/6+Si/24+Ni/15+Cr/5+Mo/4+(Cu/13+P/2)日本工業(yè)標(biāo)準JIS和西歐標(biāo)準WES推薦Ceq=C＋Mn/6＋Si/24＋Ni/40＋Cr/5＋Mo/4＋V/14Ceq越小，焊接性越好球罐炸裂失效分析時間：79年12月18日14時許地點：吉林煤氣公司液化氣廠一臺直徑9.2m、容積400m3的球罐突然爆裂，由裂縫噴出的液化石油氣，遇明火爆炸燃燒，引起附近三個400m3球罐和一個50m3臥式儲罐以及25m外倉庫中的5000個民用液化氣瓶先后爆炸起火。大火燃燒19h，共燒掉液化氣超過700t，燒毀機動車15輛以及罐區(qū)全部建筑，死亡33人，受傷53人?，F(xiàn)場調(diào)查和背景調(diào)查102＃罐材質(zhì)：15MnV,15MnVR內(nèi)徑：9.2m設(shè)計壓力：1.57MPa，經(jīng)常處較低容量壁厚：h=25mm坡口：X型液化石油氣：丙烷、丁烷、雜質(zhì)(NH3、CO、H2S)環(huán)境溫度：低斷口長度：13米，沿罐環(huán)焊縫B板一側(cè)HAZ擴展5米。主裂紋源位置：斷口上的人字紋表明，裂紋源位于B4板HAZ。裂紋走向示意圖分析項目外觀檢查焊縫無損探傷母材成分HAZ硬度和金相組織檢查分析球罐焊接時的預(yù)熱溫度插銷裂紋試驗斜Y坡口對接裂紋試驗環(huán)境影響分析（應(yīng)力腐蝕）外觀檢查根據(jù)斷口特征和斷裂力學(xué)的估算，該球罐的破裂是屬于低應(yīng)力的脆性斷裂，主斷裂源在上環(huán)焊縫的內(nèi)壁焊趾上，長約65mm。經(jīng)宏觀及無損檢驗，上、下環(huán)焊縫焊接質(zhì)量很差，焊縫表面及內(nèi)部存在很多咬邊、錯邊、裂紋、熔合不良、夾渣及氣孔等缺陷。事故發(fā)生前在上下環(huán)焊縫內(nèi)壁焊趾的一些部位已存在縱向裂紋，這些裂紋與焊接缺陷（如咬邊）有關(guān)。球罐投入使用后，從未進行檢驗，制造、安裝中的先天性缺陷未及時發(fā)現(xiàn)和消除，使裂紋擴展，當(dāng)球罐內(nèi)壓力稍有波動便造成低應(yīng)力脆性斷裂。母材成分鋼號CMnSipSV15MnV≤0.181.20～1.600.20～0.60≤0.030≤0.0300.04～0.1215MnVR≤0.181.20～1.600.20～0.55≤0.030≤0.0200.04～0.12HAZ最高硬度試驗預(yù)熱溫度T0/℃2580180200硬度/HV320297250225實際接頭:HV＝297~345實際預(yù)熱溫度<80℃

斜Y坡口對接裂紋試驗預(yù)熱溫度80℃不滿足要求

插銷裂紋試驗預(yù)熱溫度80℃不滿足要求

6.3熱軋鋼及

正火鋼的焊接

合金結(jié)構(gòu)鋼的分類

按成份低合金鋼：合金元素總量<5%，單一元素≯2%；中合金鋼：合金元素總量5-10%，單一元素≯2-5%；高合金鋼：合金元素總量>10%，單一元素≮5%按用途強度用鋼：合金化的目的是為了提高鋼的強度并保證其具有一定的塑性和韌性特殊用鋼：合金化的目的是使鋼具有某些特殊性能強度用鋼熱軋及正火鋼（非熱處理強化鋼）低碳調(diào)質(zhì)鋼

中碳調(diào)質(zhì)鋼

微合金化控軋鋼

Ｚ向鋼（正火鋼）一、熱軋鋼及正火鋼1、熱軋鋼強化機理：固溶強化屈服強度：294～392MPa級合金系：C-Mn或Mn-Si系主合金化元素：Mn、Mn-Si輔合金化元素：V、Nb，達到細化晶粒和沉淀強化的作用使用狀態(tài)：熱軋狀態(tài)典型鋼種：16Mn組織：細晶鐵素體+珠光體2、正火鋼強化機理：固溶強化＋沉淀強化或細晶強化屈服強度：為343～490MPa合金系：C-Mn或Mn-Si(V、Nb、Ti、Mo)系主合金化元素：Mn、Mn-Si輔合金化元素：V、Nb、Ti、Mo（碳化物、氮化物元素）熱處理狀態(tài)：正火典型鋼種：15MnVN二、焊接性分析鋼名CMnSiSPVQ345（16Mn）0.12~0.201.20~1.600.20~0.60≤0.05≤0.05Q420（15MnVN）0.12~0.201.30~1.700.20~0.50≤0.05≤0.050.16~0.25Ceq=C＋Mn/6＋(Cr+Mo+V)/5＋(Ni+Cu)/15(%)

裂紋問題

接頭的脆化問題1、對熱裂紋的敏感性C↓Mn↑，Mn/S合格，抗熱裂性能↑材料成分不合格或嚴重偏析→局部C、S↑→Mn/S↓→熱裂紋↑冶金措施工藝措施2、對冷裂紋的敏感性熱軋鋼正火鋼3、再熱裂紋的敏感性熱軋鋼對再熱裂紋不敏感正火鋼中有一些含有強碳化物形成元素，但對再熱裂紋不敏感正火+回火鋼，如18MnMoNb、14MnMoV則有輕微的再熱裂紋敏感性4、層狀撕裂有可能板厚小于16mm時不容易發(fā)生Z向收縮率＞20％，可以避免防止措施5、焊接接頭的脆化（1）過熱區(qū)的脆化奧氏體嚴重長大難熔質(zhì)點的溶入形成高碳馬氏體熱軋鋼－正火鋼含V、Nb的正火鋼－過熱區(qū)沉淀相固溶，奧氏體晶粒顯著長大，產(chǎn)生不利的組織轉(zhuǎn)變；含鈦正火鋼－過熱區(qū)的TiN、TiC都向奧氏體內(nèi)溶入，來不及析出而停留在鐵素體中，導(dǎo)致硬、脆（2）熱應(yīng)變脆化現(xiàn)象：熔合區(qū)及200-400℃區(qū)發(fā)生脆化原因：碳、氮原子聚集在位錯周圍，對位錯造成釘扎作用鋼種：固溶氮含量較高的低碳鋼和強度級別不高的低合金鋼消除措施：加入足夠量的氮化物形成元素焊后消除應(yīng)力退火1、焊接材料的選擇選擇相應(yīng)強度級別的焊接材料考慮熔合比和冷卻速度的影響必須考慮焊后熱處理對焊縫力學(xué)性能的影響滿足焊縫對特殊性能的要求三、焊接工藝特點2、焊接工藝參數(shù)的確定（1）焊接線能量對熱軋鋼[C]↓→E↓，[C]↑→E↑正火鋼強度級別較低：線能量↓強度級別更高、碳、合金元素較高：線能量↑；線能量↓＋預(yù)熱（2）預(yù)熱防止裂紋和適當(dāng)改善焊接接頭性能（3）焊后熱處理C(碳)

Si(硅)P(磷)S(硫)Cr(鉻)Ni(鎳)Al(鋁)Mn(錳)V(釩)Nb(鈮)Ti(鈦)≤0.20≤0.55≤0.035≤0.035≤0.70≤0.70≤0.151.00~1.700.02~0.200.015~0.060

0.02~0.20Q460化學(xué)成分Ceq=0.40%~0.47%

管線鋼的焊接CSiMnPSCrMoNiAl0.0550.20021.39710.00170.00190.03180.31840.26360.0173CuNbTiVPbSnAsBiCa0.23730.06790.01510.0400.00090.00380.00390.00940.0015SbBZnNFePcmCeq<0.00100.0006<0.0015<0.000596.790.200.49某鋼廠生產(chǎn)的X80管線鋼的化學(xué)成分（wt%）典型的X100管線鋼的化學(xué)成分典型的X100管線鋼的力學(xué)性能冷裂紋脆化HAZ軟化防止：E、T0、窄間隙、加合金元素（Nb、V、Ti）焊接性分析長輸管線的焊接1、坡口加工管壁不等厚坡口的加工2、組對及定位焊3、預(yù)熱4、焊接5、焊后熱處理6、檢驗焊縫：外觀檢查（寬度、余高、缺陷等）射線、超聲波探傷6.5低碳調(diào)質(zhì)

鋼的焊接低碳調(diào)質(zhì)鋼碳含量：在0.09-0.23%，大部分0.16-0.18%強化機理：相變強化（調(diào)質(zhì)處理〕屈服強度：為490MPa～1000MPa合金系：低C、Mn-Ni-Cr-Mo系主合金化元素：Mn、Ni、Cr、Mo輔合金化元素：V、Nb、Ti、B、Cu熱處理狀態(tài)：淬火＋回火，低碳馬氏體或下貝氏體，綜合機械性能好典型鋼種：14MnMoVN、HT60~HT80、HY80～HY130

過熱區(qū)脆化HAZ軟化裂紋？一、焊接性分析CSiMnPSMoVN0.140.301.410.0120.0250.470.130.01514MnMoVN1.過熱區(qū)脆化母材的強度越高，軟化越顯著調(diào)質(zhì)處理的回火溫度越低，軟化區(qū)越寬焊接熱源越不集中，軟化區(qū)越寬焊接E越大、預(yù)熱溫度過高，軟化加重2.HAZ軟化主要依據(jù)采用熱源集中的焊接方法焊接材料焊接線能量E預(yù)熱焊后熱處理

二、焊接工藝特點6.6中碳調(diào)質(zhì)

鋼的焊接中碳調(diào)質(zhì)鋼強化機理：相變強化（調(diào)質(zhì)處理〕屈服強度：為880MPa～1200MPa合金系：中C、Cr-Mn-Ni-Mo-Si系主合金化元素：Cr-Mn-Ni-Mo-Si輔合金化元素：V熱處理狀態(tài)：淬火＋回火典型鋼種：30CrMnSi、40Cr、35CrMoA、35CrMoVA熱裂傾向[C]↑→S、P偏析↑→熱裂傾向↑[C]多，合金多→△TB（液固相區(qū)間）↑→熱裂↑冷裂敏感性[C]↑Ceq大焊接時，T0+Tp（焊后及時進行回火處理）過熱區(qū)脆化HAZ軟化一、焊接性分析指導(dǎo)思想：防止裂紋、過熱區(qū)脆化和HAZ軟化在退火態(tài)下焊接焊接材料工藝參數(shù)選擇－主要防止裂紋鋼在調(diào)質(zhì)態(tài)下焊接焊接方法：盡量選擇熱源集中的方法焊接材料：等強原則小E，配合預(yù)熱、緩冷和后熱等預(yù)熱、焊后及時回火處理二、焊接工藝特點6.7奧氏體鋼

的焊接一、奧氏體鋼

顯微組織：奧氏體成分：高鉻不銹鋼+適量的Ni典型鋼種：18-8鋼0Cr18Ni91Cr18Ni9Ti25-20鋼2Cr25Ni20Si24Cr25Ni2025-35鋼0Cr21Ni324Cr25Ni35二、焊接性分析接頭的耐蝕性接頭的熱裂紋接頭的熱強性和再熱裂紋問題1、晶間腐蝕定義：金屬材料在特定的腐蝕介質(zhì)中沿著材料的晶粒邊界受到腐蝕，使晶粒之間喪失結(jié)合力的一種局部破壞現(xiàn)象敏化溫度區(qū):450～850℃溫度范圍產(chǎn)生機理－晶界貧鉻（一）接頭的耐蝕性④影響因素溫度、時間化學(xué)成分C其它合金元素相結(jié)構(gòu)的影響鐵素體+奧氏體雙相2、焊接接頭的晶間腐蝕區(qū)

（1）焊縫區(qū)腐蝕冶金措施：焊縫金屬超低碳或含有足夠的穩(wěn)定化元素鈮調(diào)整焊縫化學(xué)成分獲得一定數(shù)量的鐵素體工藝措施：選用適當(dāng)?shù)暮附臃椒üに噮?shù)方面操作方面：盡量采用窄焊縫，多道多層焊焊接區(qū)快速冷卻，焊縫背面可用純銅墊固溶處理：T＝1050-1150℃穩(wěn)定化退火處理：T＝850-900℃＋2h（2）敏化區(qū)腐蝕在焊接熱影響區(qū)峰值溫度處于敏化溫度區(qū)間的部位所發(fā)生的腐蝕600-1000℃普通的18-8鋼才有敏化區(qū)防治措施采用含鈦、鈮或低碳18-8鋼