金屬材料焊接工藝電子教案3合金結(jié)構(gòu)鋼課件

緒論第一單元金屬材料焊接基礎(chǔ)知識第二單元碳鋼的焊接工藝制定第三單元合金鋼結(jié)構(gòu)鋼的焊接工藝制定第四單元不銹鋼的焊接工藝制定

鑄鐵的焊接工藝制定常用有色金屬的焊接工藝制定第三單元合金鋼結(jié)構(gòu)鋼焊接工藝的制定第一模塊合金結(jié)構(gòu)鋼的種類、性能與用途

第二模塊熱軋及正火鋼的焊接第三模塊低碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接

第四模塊中碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接

第五模塊低溫鋼的焊接

綜合訓(xùn)練項目作業(yè)3第一模塊合金結(jié)構(gòu)鋼的種類、性能用途

用于機械零件和各種工程結(jié)構(gòu)的鋼統(tǒng)稱為結(jié)構(gòu)鋼。碳素結(jié)構(gòu)鋼是最早使用的結(jié)構(gòu)鋼。合金結(jié)構(gòu)鋼是在碳素結(jié)構(gòu)鋼基礎(chǔ)上添加一定量的合金元素達到所需性能要求的鋼材。1．高強度鋼高強鋼：凡是屈服點σs≥295MPa、抗拉強度σb≥390MPa的鋼，均稱為高強鋼。（發(fā)達國家該鋼種年產(chǎn)量占10%）1噸高強鋼相當(dāng)于1.2~2噸碳鋼使用。應(yīng)用：常規(guī)條件下承受靜載荷和動載荷的機械零件和工程結(jié)構(gòu)，例如壓力容器、動力設(shè)備、運輸機械、橋梁和管道等。按鋼的屈服點和熱處理狀態(tài)不同，一般分為熱軋及正火鋼、低碳調(diào)質(zhì)鋼和中碳調(diào)質(zhì)鋼。熱軋鋼：把鋼錠加熱到1300℃左右，經(jīng)熱軋成板材，然后空冷即成；正火鋼：鋼板軋制和冷卻后，經(jīng)900℃正火；調(diào)質(zhì)鋼：鋼板經(jīng)900℃加熱后水淬，再經(jīng)600℃回火處理即成。近年來這類鋼又開發(fā)出具有很大發(fā)展前途的新鋼種，如微合金化控軋鋼、焊接無裂紋鋼（CF鋼）、抗層狀撕裂鋼（Z向鋼）和焊接大熱輸入鋼等，主要用在嚴寒地區(qū)輸油管線、海上采油平臺、大型壓力容器、大型水輪機蝸殼和大跨度全焊接橋梁等工程中。國內(nèi)外常見的合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號見表3-1。（1）熱軋及正火鋼

Q295、Q345、Q390、Q420

屈服點為295～490MPa，在熱軋或正火狀態(tài)下使用，屬于非熱處理強化鋼，包括微合金化控軋鋼、焊接無裂紋鋼和抗層狀撕裂鋼，盡管采用了不同的冶煉和控軋技術(shù)，但從本質(zhì)上講它們都屬于正火鋼。這類鋼廣泛應(yīng)用于常溫下工作的各種焊接結(jié)構(gòu)，如壓力容器、動力設(shè)備、工程機械、橋梁、建筑結(jié)構(gòu)和管線等。例如：1957年建成通車的武漢長江大橋采用碳素鋼，是在蘇聯(lián)專家援助下建成的。1968年建成通車的南京長江大橋，是我國自行設(shè)計制造的公路、鐵路兩用橋，主體鋼梁采用鞍鋼生產(chǎn)的16Mn（Q345），當(dāng)年被稱為“爭氣鋼”；1993年通車九江長江大橋采用鞍鋼生產(chǎn)15MnVTi鋼；2000年通車蕪湖長江大橋采用武鋼生產(chǎn)14MnNb鋼。（2）低碳調(diào)質(zhì)鋼

屈服點為490～980MPa，在調(diào)質(zhì)（淬火+高溫回火）狀態(tài)下供貨使用，屬于熱處理強化鋼。其特點是含碳量較低（碳的質(zhì)量分數(shù)一般低于0.22%）、合金元素總量低于5%，既有高的強度，又有良好的塑性和韌性，可以直接在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下進行焊接，焊后也不需進行調(diào)質(zhì)處理。這類鋼在焊接結(jié)構(gòu)中也得到越來越廣泛的應(yīng)用，主要用于受力復(fù)雜的重要零部件，如大型機械工程、壓力容器及艦船等。2．專用鋼專用鋼是指專門用于在特定條件下工作的機械零件和工程結(jié)構(gòu)的鋼。按用途不同分為珠光體耐熱鋼、低溫鋼和低合金耐蝕鋼。（1）珠光體耐熱鋼：12GrMo、15GrMo、12GrMoV。具有較好的高溫強度和高溫抗氧化性，其最高工作溫度為500～600℃，可用于在這一溫度下工作的動力設(shè)備和化工設(shè)備等。它是以Cr、Mo為基礎(chǔ)的低中合金鋼。隨著使用溫度的提高，鋼中往往還加入W、V、Nb、B等合金元素。（2）低溫鋼具有良好的低溫韌性，其工作溫度為-40～-196℃，可用于各種低溫容器（液化石油氣≤-45℃、液化天然氣≤-162℃）、嚴寒地區(qū)的工程結(jié)構(gòu)（橋梁、管道等）和露天礦山機械等。這類鋼中大部分含有Ni，一般在正火或調(diào)質(zhì)狀態(tài)下使用，和普通低合金鋼的區(qū)別在于除具有滿足要求強度外，還必須具有足夠的低溫韌性。（3）低合金耐蝕鋼除具有一般的力學(xué)性能外，還必須滿足耐腐蝕性能的特殊要求，主要用于在大氣、海水、石油化工等腐蝕性介質(zhì)中工作的各種零件和結(jié)構(gòu)。由于所處介質(zhì)不同，耐蝕鋼的成分和類型也不同，應(yīng)用最多的是耐大氣和海水腐蝕用鋼。09MnCuPTi圖3-1各種合金元素對結(jié)構(gòu)鋼抗拉強度和屈服點的影響a）對抗拉強度的影響b)對屈服點的影響Mn的固溶強化作用很明顯，當(dāng)wMn≤1.7%時，可提高韌性和降低脆性轉(zhuǎn)變溫度（屈服點提高約50%、脆性轉(zhuǎn)變溫度約下降20℃），如Q345（16Mn）為典型的固溶強化鋼，其屈服點為345MPa、脆性轉(zhuǎn)變溫度低于-40℃；Si的固溶強化作用也很顯著，但會降低塑性和韌性，因此一般鋼中wSi≤0.6%；Ni是惟一能起固溶強化作用同時又提高韌性且大幅度降低脆性轉(zhuǎn)變溫度的合金元素，在低溫鋼中最常用。Cr能提高鋼的耐熱性、耐蝕性和降低脆性轉(zhuǎn)變溫度；Mo可提高鋼的熱強性，一般認為wMo=0.25%～0.50%時，既可以強化金屬又能改善韌性，當(dāng)wMo＞0.5%時韌性開始惡化。Cr和Mo都是提高鋼的淬透性的元素，使其裂紋敏感性增加，因此在低合金結(jié)構(gòu)鋼中的含量應(yīng)加以控制。2．合金結(jié)構(gòu)鋼的性能合金結(jié)構(gòu)鋼具有較高的強度和良好的塑性、韌性，采用不同的合金成分和熱處理方法可獲得具有不同綜合性能的低中合金結(jié)構(gòu)鋼。熱軋及正火條件下，合金元素對鋼的塑性和韌性的影響與其強化作用相反，即強化效果越大，塑性和韌性就降低越多，當(dāng)鋼中合金元素的含量超過一定值后會引起韌性大幅度下降。因此抗拉強度大于600MPa的高強鋼一般都需進行調(diào)質(zhì)處理。第二模塊熱軋及正火鋼的焊接一、熱軋及正火鋼的成分和性能1．熱軋鋼屈服點為295～390MPa的鋼大都屬于熱軋鋼；合金系統(tǒng)為C-Mn或C-Mn-Si系；熱軋鋼的組織為鐵素體+珠光體;第二模塊熱軋及正火鋼的焊接一、熱軋及正火鋼的成分和性能當(dāng)板厚較大時，可以要求在正火條件下供貨，經(jīng)正火處理可使鋼的化學(xué)成分均勻化，塑性、韌性提高，但強度略有下降。熱軋鋼的綜合力學(xué)性能和加工工藝性能都較好，且冶煉工藝簡單、價格較低，因此在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。2．正火鋼當(dāng)要求鋼的屈服點大于390MPa時，必須在固溶強化的同時加強合金元素的沉淀強化作用。正火鋼是在固溶強化的基礎(chǔ)上，加入碳、氮化物（V、Ti、Nb和Mo等）形成元素，通過沉淀強化和細晶強化來進一步提高鋼的強度和保證韌性。正火處理的目的是促使碳化物和氮化物質(zhì)點從固溶體中沉淀析出并同時細化晶粒。3．微合金控軋鋼加入質(zhì)量分數(shù)為0.1%左右對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。多種微合金元素的共同作用稱為多元微合金化。3．微合金控軋鋼微合金控軋鋼采用微合金化和控制軋制等技術(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降碳、降硫，改變夾雜物形態(tài)，提高鋼的純凈度等措施，使鋼材具有細晶組織。具有高強度、高韌性和良好的焊接性等優(yōu)點，是熱軋及正火鋼的一個新分支，是近年發(fā)展起來的一類新鋼種。主要用于石油和天然氣的輸送管線，如X60、X65和X70等管線鋼。（一）焊接裂紋1．焊接冷裂紋產(chǎn)生冷裂紋的三要素淬硬組織、拘束度和擴散氫含量淬硬組織和材料有關(guān)，因此鋼材的淬硬傾向可以作為判斷冷裂紋敏感性的標準之一。而淬硬傾向又可以通過碳當(dāng)量、Pc、熱影響區(qū)最高硬度等來判斷。例如鋼材碳當(dāng)量越大，冷裂紋敏感性也越大，利用國際焊接學(xué)會推薦的碳當(dāng)量計算公式計算CE。一般認為，CE＜0.4%時，鋼材在焊接過程中基本無淬硬傾向，冷裂敏感性小。屈服點為295～390MPa熱軋鋼的碳當(dāng)量一般都小于0.4%，焊接性良好，除大厚度鋼板和在環(huán)境溫度很低等情況下焊接外，一般不需預(yù)熱和嚴格控制焊接熱輸入。碳當(dāng)量CE=0.4%～0.6%時，鋼的淬硬傾向逐漸增加，屬于有淬硬傾向的鋼，對冷裂紋比較敏感。屈服點為440～490MPa的正火鋼基本屬于這一范圍，其中碳當(dāng)量不超過0.5%時，淬硬傾向不太嚴重，焊接性尚好，板厚較大（δ≥25mm）時需要采取預(yù)熱措施。2．焊接熱裂紋熱軋及正火鋼含碳量都較低，而含Mn量較高，Mn/S的比值可以達到防止結(jié)晶裂紋的要求，具有較好的抗熱裂紋能力，在母材化學(xué)成分正常，焊接材料和焊接參數(shù)選擇正確的情況下，一般不會產(chǎn)生熱裂紋。特殊情況，母材中的碳與硫同時居上限或嚴重偏析，則有可能產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。2．焊接熱裂紋反之，如果焊接時焊縫產(chǎn)生結(jié)晶裂紋，則是由母材中的碳與硫的不正常造成的，這時就要從工藝上設(shè)法減小熔合比，選用碳含量少、Mn含量高的焊接材料，以降低焊縫中的碳和提高焊縫中的Mn，可以達到消除結(jié)晶裂紋的目的。3．消除應(yīng)力裂紋（再熱裂紋）含有Mo、Cr元素的鋼在焊后消除應(yīng)力熱處理或焊后再次高溫加熱（包括長期高溫下使用）過程中，可能出現(xiàn)裂紋，即消除應(yīng)力裂紋，也稱再熱裂紋。一般產(chǎn)生在熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，裂紋沿熔合線方向斷續(xù)分布。該裂紋的產(chǎn)生一般須有較大的焊接殘余應(yīng)力，因此在拘束度大的厚大工件中或應(yīng)力集中部位更易于出現(xiàn)消除應(yīng)力裂紋。3．消除應(yīng)力裂紋（再熱裂紋）在熱軋及正火鋼中，18MnMoNb和14MnMoV有輕微的消除應(yīng)力裂紋傾向，可采取提高預(yù)熱溫度或焊后立即熱處理等措施來防止消除應(yīng)力裂紋的產(chǎn)生。4．層狀撕裂層狀撕裂主要與鋼的冶煉軋制質(zhì)量、板厚、接頭形式和Z向應(yīng)力有關(guān)，與鋼材強度無直接關(guān)系。一般認為，鋼中的含硫量和ψZ是衡量抗層狀撕裂能力的判據(jù)。經(jīng)驗表明，當(dāng)ψZ＞20%時，即使Z向拘束應(yīng)力較大，也不會產(chǎn)生層狀撕裂。對有可能在焊接過程產(chǎn)生層狀撕裂的重要結(jié)構(gòu)，可采用Z向鋼（如D36），其ψZ最高值可達55%。這些鋼在冶煉過程中采取了特殊的工藝措施，因此成本較高。（二）熱影響區(qū)性能變化熱軋及正火鋼焊接熱影響區(qū)性能變化主要是過熱區(qū)的脆化；在一些合金元素含量較低的鋼中有時還可能出現(xiàn)熱應(yīng)變脆化問題。（二）熱影響區(qū)性能變化1．過熱區(qū)脆化在被加熱到1200℃以上的熱影響區(qū)過熱區(qū)，會發(fā)生奧氏體晶粒的顯著長大和一些難熔質(zhì)點（如碳化物和氮化物）熔入基體的過程。在冷卻過程中可能會產(chǎn)生脆性較大的魏氏組織、粗大的馬氏體組織和塑性很低的混合組織（即鐵素體、高碳馬氏體和貝氏體的混合組織）等。熱軋鋼過熱區(qū)脆化主要是由于在熱輸入較大時產(chǎn)生魏氏組織或是由于含碳量偏高和冷卻速度較快時產(chǎn)生的馬氏體組織引起的。正火鋼過熱區(qū)脆化與魏氏組織無關(guān)，除晶粒粗化外，主要是由于在1200℃高溫下，起沉淀強化作用的碳化物和氮化物質(zhì)點分解并熔于奧氏體，在隨后的冷卻過程中來不及析出而固溶在基體中，結(jié)果使鐵素體基體的硬度上升而韌性下降，這時如果減小熱輸入，就可以減少過熱區(qū)在高溫的停留時間，抑制碳化物和氮化物的熔解，從而有效防止過熱區(qū)脆化。2．熱應(yīng)變脆化熱應(yīng)變脆化是指在焊接過程中，在熱和應(yīng)變共同作用下產(chǎn)生的一種應(yīng)變時效。一般發(fā)生在固溶氮含量較高而強度級別不高的低合金鋼中，如抗拉強度490MPa的C-Mn鋼。2．熱應(yīng)變脆化若在鋼中加入足夠的氮化物形成元素（Al、Ti、V等）可以有效降低熱應(yīng)變脆化傾向，如Q420（15MnVN）比Q345（16Mn）的熱應(yīng)變傾向小。消除熱應(yīng)變時效的有效措施是焊后熱處理，如Q345經(jīng)600℃×1h退火處理后，其韌性可恢復(fù)到原有水平。三、熱軋及正火鋼焊接工藝要點

（一）焊接方法熱軋及正火鋼焊接時對焊接方法無特殊要求，不同焊接方法對焊接質(zhì)量無顯著影響，因此可以采用各種焊接方法進行焊接，常用焊接方法如焊條電弧焊、埋弧焊、CO2氣體保護焊和電渣焊等，一般是根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點、批量、生產(chǎn)條件和經(jīng)濟效益等綜合情況進行選擇。（二）下料、坡口加工和定位焊熱軋及正火鋼可以采用各種切割方法下料。坡口加工可采用機械加工，也可采用氣割和碳弧氣刨。對強度級別較高、厚度較大的焊件，經(jīng)過火焰切割或碳弧氣刨的坡口應(yīng)用砂輪仔細打磨，消除氧化皮及凹槽；在坡口兩側(cè)20～30mm范圍內(nèi)清除油污、鐵銹等。定位焊焊縫應(yīng)有足夠的長度（一般不小于50mm）以防開裂，對厚度較薄的板材定位焊縫長度應(yīng)不小于4倍板厚。定位焊應(yīng)選用與焊縫相同的焊接材料，也可選用強度稍低的焊條或焊絲。焊接順序應(yīng)能防止過大的拘束、允許工件有適當(dāng)?shù)淖冃危捎玫暮附与娏骺缮源笥诤附訒r的焊接電流。（三）焊接材料選擇焊接材料時必須考慮到兩方面的問題：一是保證焊縫不產(chǎn)生裂紋等焊接缺陷；二是能滿足使用性能的要求。選擇焊接材料的主要依據(jù)是保證焊縫金屬的強度、塑性和韌性等力學(xué)性能與母材相匹配，而不要求與母材成分相同，因此選擇焊接材料應(yīng)考慮以下問題：1．根據(jù)母材的強度級別選用相應(yīng)的焊接材料按照焊縫與母材等強匹配的原則選擇焊接材料，一般要求焊縫與母材強度相等或略低于母材。例如適用于焊接Q420（15MnVN）的焊條E5515，其中C、Mn的含量都比母材低，且其中不含沉淀強化元素V，但用它焊接的焊縫金屬的抗拉強度可達549～608MPa，同時還具有高的塑性和韌性。2．考慮熔合比和冷卻速度的影響焊縫的力學(xué)性能取決于它的化學(xué)成分和組織狀態(tài)。焊縫化學(xué)成分不僅取決于焊接材料，而且與母材的熔入量（即熔合比）有很大關(guān)系；而焊縫組織則與冷卻速度有很大關(guān)系。2．考慮熔合比和冷卻速度的影響采用同樣焊接材料，在熔合比和冷卻速度不同時，所得焊縫的性能也會有很大差別。選擇焊條或焊絲時應(yīng)考慮到板厚和坡口形式的影響，焊接薄板時因熔合比較大，應(yīng)選用強度較低的焊接材料，焊接厚板時則相反。3．考慮焊后熱處理對焊縫力學(xué)性能的影響焊后熱處理（如消除應(yīng)力退火）會使焊縫的強度有所降低，當(dāng)焊縫強度余量不大時，焊后熱處理后焊縫強度可能低于母材，因此，對于焊后要求正火處理的焊縫，應(yīng)選擇強度高一些的焊接材料。3．考慮焊后熱處理對焊縫力學(xué)性能的影響此外，如果對焊縫金屬的使用性能有特殊要求，應(yīng)同時加以考慮。例如，在焊接16MnCu時，要求焊縫金屬與母材具有相同的耐蝕性能，則需選用含銅的焊條。（四）焊接參數(shù)1．焊接熱輸入確定焊接熱輸入主要考慮熱影響區(qū)的脆化和冷裂兩個因素。各類鋼材的脆化傾向和冷裂傾向是不同的，因此對熱輸入的要求也不同。（四）焊接參數(shù)在焊接碳當(dāng)量（Ceq）小于0.4%熱軋及正火鋼時，如Q295和Q345，對熱輸入沒有嚴格限制。焊接碳當(dāng)量為0.4%～0.6%的熱軋及正火鋼時，熱輸入應(yīng)偏大一些比較好。但最好是采用小熱輸入+預(yù)熱。恰當(dāng)控制預(yù)熱溫度，既能避免產(chǎn)生裂紋，又能防止晶粒過熱。2．預(yù)熱溫度預(yù)熱的目的是為了防止裂紋，同時還有一定的改善組織和性能的作用。預(yù)熱溫度與鋼材的淬硬性、板厚、拘束度、環(huán)境溫度等因素有關(guān)，工程中必須結(jié)合具體情況經(jīng)試驗后才能確定，推薦的一些預(yù)熱溫度只能作為參考。多層焊時應(yīng)保證道間溫度不低于預(yù)熱溫度，但也要避免道間溫度過高產(chǎn)生的不利影響，如韌性下降等。常用熱軋及正火鋼推薦的預(yù)熱溫度見表3-5表3-5幾種常用熱軋及正火鋼的預(yù)熱溫度和焊后熱處理參數(shù)鋼號預(yù)熱溫度焊后熱處理規(guī)范型號牌號電弧焊電渣焊Q29509Mn209MnNb09MnV不預(yù)熱（一般供應(yīng)的板厚δ≤16mm）不熱處理-Q34516Mn14MnNb100～150（δ≥30mm）600～650℃退火900～930℃正火600～650℃回火Q39015MnV15MnTi16MnNb100～150（δ≥28mm）550℃或650℃退火950～980℃正火550℃或650℃回火Q42015MnVN14MnVTiRE100～150（δ≥25mm）950℃正火650℃回火14MnMoV18MnMoNb≥200600～650℃退火950～980℃正火600～650℃回火3．焊后熱處理熱軋及正火鋼一般不需要焊后熱處理；但對要求抗應(yīng)力腐蝕的焊接結(jié)構(gòu)、低溫下使用的焊接結(jié)構(gòu)和厚壁高壓容器等，焊后需要進行消除應(yīng)力的高溫回火（550～650℃）。確定回火溫度的原則是：3．焊后熱處理1）不超過母材原來的回火溫度，以免影響母材本身的性能。2）對有回火脆性的材料，要避開出現(xiàn)回火脆性的溫度區(qū)間。例如，對含V或V+Mo的低合金鋼，在回火時要避免在600℃左右的溫度區(qū)間停留較長時間，以防因V的二次碳化物析出而造成脆化，如Q420（15MnVN）的消除應(yīng)力回火的溫度為（550±25）℃。另外，對于抗拉強度大于490MPa的高強度鋼，由于產(chǎn)生延遲裂紋的傾向較大，為了在消除應(yīng)力的同時起到消氫處理的作用，要求焊后立即進行回火處理。如焊后不能及時進行熱處理，應(yīng)立即在250～350℃保溫2～6h，以便焊接區(qū)的氫逸出。四、典型鋼種Q345的焊接工藝要點1．焊前準備氣割或碳弧氣刨下料和加工坡口，切口可直接進行焊接Q345鋼可以順利進行冷彎和機械切割。筒節(jié)冷彎當(dāng)板厚與直徑之比大于1/40時，成形后應(yīng)進行600～650℃的消除應(yīng)力回火，以消除冷作硬化。四、典型鋼種Q345的焊接工藝要點Q345鋼加熱到850℃以上可以進行各種熱壓成形，經(jīng)熱壓后力學(xué)性能無明顯變化，一般不需再進行熱處理。Q345鋼也可采用加熱矯正變形。經(jīng)驗表明，火焰矯正的加熱溫度應(yīng)控制在700～800℃之間，不宜超過900℃。2．預(yù)熱Q345鋼的焊接性較好，但當(dāng)結(jié)構(gòu)剛度較大或在低溫條件下焊接時，應(yīng)進行預(yù)熱。板厚/mm預(yù)熱溫度＜16不低于-10℃不預(yù)熱，-10℃以下預(yù)熱100～150℃16～24不低于-5℃不預(yù)熱，-5℃以下預(yù)熱100～150℃25～40不低于0℃不預(yù)熱，0℃以下預(yù)熱100～150℃＞40均預(yù)熱100～150℃表3-6Q345鋼在不同環(huán)境溫度下的預(yù)熱溫度3．焊條電弧焊工藝可采用I形、V形或X形坡口。一般選用E50××型的焊條。重要結(jié)構(gòu)（如壓力容器）應(yīng)選用堿性焊條（E5016、5015）；對厚度小、坡口角度小或強度要求不高的產(chǎn)品也可選用E43××型的焊條（E4316、E4315）。焊條應(yīng)嚴格按要求進行烘干：如堿性焊條必須經(jīng)350～400℃烘干2h。焊接參數(shù)見表3-7。表3-7Q345鋼平對接焊條電弧焊工藝參數(shù)坡口形式焊件厚度或焊腳尺寸/mm第一層焊縫其他各層焊縫封底焊縫焊條直徑/mm焊接電流/A焊條直徑/mm焊接電流/A焊條直徑/mm焊接電流/AI形22.550～60--2.555～602.5～43.290～120--3.290～1204～53.2100～130--3.2100～1304160～200--4160～120V形5～63.2100～130--3.2100～1304160～210--4180～210≥63.2100～1304160～2104180～2104160～2105220～2805220～260X形≥124160～2104160～210--5220～280--5．CO2氣體保護焊的工藝參數(shù)CO2氣體保護焊焊絲按表3-4選用，目前應(yīng)用較多的是H08Mn2SiA。Q345鋼CO2氣體保護焊的工藝參數(shù)焊接焊絲直徑/mm保護氣體氣體流量/L?min-1預(yù)熱或道間溫度/℃焊接參數(shù)焊接電流/A焊接電壓/V焊接速度/cm?min-1單焊道1.2CO28～15不預(yù)熱或≤100100～15021～2412～18多焊道8～15160～24022～2614～22單焊道1.6CO210～18300～36033～3520～26多焊道10～18280～34030～3218～24第三模塊低碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接

屈服點大于490MPa的高強鋼必須采用調(diào)質(zhì)處理，通過組織強化獲得很高的綜合力學(xué)性能。低碳調(diào)質(zhì)鋼屬于熱處理強化鋼。這類鋼既有較高的強度，又有良好的塑性和韌性，在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用日益廣泛。一、低碳調(diào)質(zhì)鋼的成分與性能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)量分數(shù)不大于0.22%（實際上一般wc≤0.18%），此外添加一些合金元素如Mn、Cr、Ni、Mo、V、Nb、B、Cu等，目的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，而且會發(fā)生“自回火”，脆性小，具有良好的焊接性?？估瓘姸?00Mpa、700MPa的低碳調(diào)質(zhì)鋼（HQ60、HQ70）這類鋼可在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接，焊后不再進行調(diào)質(zhì)處理，必要時進行消除應(yīng)力處理。主要用于工程機械、動力設(shè)備、交通運輸機械和橋梁等.抗拉強度800MPa的低碳調(diào)質(zhì)鋼如14MnMoNbB、HQ80和HQ80C也在工程中獲得廣泛應(yīng)用。焊接無裂紋鋼（簡稱CF鋼），為了改善野外施工焊接條件和提高低溫韌性而開發(fā)的一種含碳極低（wc≤0.09%）的調(diào)質(zhì)鋼；焊接時采用超低氫焊材，在板厚50mm以下或在0℃都可焊前不預(yù)熱。二、低碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接性低碳調(diào)質(zhì)鋼主要是作為高強度的焊接結(jié)構(gòu)用鋼，因此其中碳的質(zhì)量分數(shù)限制得較低，在合金成分的設(shè)計上也考慮了焊接性的要求。低碳調(diào)質(zhì)鋼是熱處理強化鋼，是通過調(diào)質(zhì)處理獲得強化效果的，因此焊接時在熱影響區(qū)內(nèi)除會發(fā)生脆化外還有軟化問題，在選擇焊接材料時應(yīng)著重考慮。（一）焊接裂紋1．焊接熱裂紋低碳調(diào)質(zhì)鋼一般含碳量都較低，而含Mn量較高，且對S、P的限制也較嚴格，因此焊縫金屬的結(jié)晶裂紋傾向較小。但對一些高Ni低Mn類型的低合金高強鋼來講，由于Ni的作用會增加結(jié)晶裂紋傾向，但只要選擇合適的焊接材料，提高焊縫金屬的含Mn量，就可以避免產(chǎn)生這種裂紋。2．焊接冷裂紋低碳調(diào)質(zhì)鋼在嚴格控制焊縫擴散氫含量的情況下，對冷裂紋不敏感。一般焊縫組織為馬氏體或貝氏體。馬氏體雖然屬于淬火組織，但由于含碳量低，仍保持了較高的韌性；這類鋼的Ms點比較高（400℃），如果焊接時控制在Ms點附近的冷卻速度比較低，馬氏體形成后可以進行一次“自回火”過程，使韌性得到改善，因此可以避免產(chǎn)生冷裂紋。3．消除應(yīng)力裂紋低碳調(diào)質(zhì)鋼中大都含有Cr、Ni、Mo、V、Nb、B等提高消除應(yīng)力裂紋敏感性的元素，其中影響最大的是V，其次是Mo，二者共存時情況更嚴重。一般認為Mo-V系的鋼，特別是Cr-Mo-V系的鋼對消除應(yīng)力裂紋最敏感；Mo-B和Cr-Mo系的鋼也有一定的敏感性。但不同成分的鋼對該裂紋的敏感溫度范圍有所差別，焊接時可通過一定的工藝措施，如控制預(yù)熱和后熱溫度、降低消除應(yīng)力退火溫度等，來防止消除應(yīng)力裂紋的發(fā)生。（二）熱影響區(qū)性能變化1、熱影響區(qū)脆化低碳調(diào)質(zhì)鋼熱影響區(qū)脆化的原因和規(guī)律與熱軋及正火鋼都不同。這類鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后的組織是低碳馬氏體或下貝氏體，都有較高的韌性，因此產(chǎn)生正常的淬火組織不是引起脆化的原因。圖3-2典型低碳調(diào)質(zhì)鋼連續(xù)冷卻曲線2．熱影響區(qū)軟化熱影響區(qū)軟化是指其強度和硬度下降的現(xiàn)象，是焊接調(diào)質(zhì)鋼時普遍存在的問題。熱影響區(qū)內(nèi)凡是加熱溫度高于母材回火溫度至Ac1的區(qū)域，由于組織轉(zhuǎn)變及碳化物的沉淀和聚集長大引起軟化，而且溫度越接近Ac1的區(qū)域，軟化越嚴重，如圖所示。鋼材的強度級別越高，焊前母材強化程度越大（母材調(diào)質(zhì)處理的回火溫度越低），焊后熱影響區(qū)的軟化越嚴重。低碳調(diào)質(zhì)鋼熱影響區(qū)的軟化是由母材的強化特性決定的，只能通過一定的工藝措施來防止。軟化區(qū)的寬度和軟化程度與焊接方法和熱輸入有很大關(guān)系，低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接時不宜采用大的焊接熱輸入和較高的預(yù)熱溫度。圖3-3調(diào)質(zhì)鋼熱影響區(qū)的硬度分布A-焊前淬火+低溫回火B(yǎng)-焊前淬火+高溫回火C-焊前退火1-淬火區(qū)2-部分淬火區(qū)3-回火區(qū)三、低碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接工藝要點低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接時要注意兩個基本問題：一是要求在馬氏體轉(zhuǎn)變時的速度不能太快，使馬氏體能夠發(fā)生“自回火”過程，以免產(chǎn)生冷裂紋；二是要使熱影響區(qū)在800～500℃之間的冷卻速度大于產(chǎn)生脆性混合組織的臨界冷卻速度。這兩個問題是制定低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接工藝的主要依據(jù)。1．焊前準備對于屈服點大于600MPa的低碳調(diào)質(zhì)鋼，接頭形式盡量采用對接接頭，坡口以U形或V形為好,為減小應(yīng)力還可采用雙U形或雙V形坡口。低碳調(diào)質(zhì)鋼可以用氣割方法切割坡口，但割縫邊緣有硬化層，應(yīng)通過加熱或機械加工消除。板厚小于100mm時，切割前不需預(yù)熱；板厚大于100mm時，應(yīng)進行100～150℃的預(yù)熱。強度級別較高的鋼，應(yīng)盡量采用機械切割或等離子切割方法，以減小硬化層。2．焊接方法低碳調(diào)質(zhì)鋼在焊接時需要解決的問題：一是防止裂紋；二是在保證獲得高強度的同時，提高焊縫金屬和熱影響區(qū)的韌性。屈服點σs≥980MPa的低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接時，需要采用鎢極氬弧焊或真空電子束焊才能獲得滿足要求的焊接接頭；對于屈服點σs＜980MPa的低碳調(diào)質(zhì)鋼，焊條電弧焊、埋弧焊、熔化極氣體保護焊和鎢極氬弧焊等焊接方法都可以采用；屈服點σs≥686MPa的低碳調(diào)質(zhì)鋼，熔化極氣體保護焊（如Ar+CO2混合氣體保護焊）是最合適的焊接方法。3．焊接材料選擇原則是“等強匹配”或“低強匹配”，任何情況下都不可選擇“超強匹配”。鋼種焊條電弧焊埋弧焊氣體保護焊焊絲焊劑焊絲保護氣14MnMoVNE7015-D2E7015-GH08Mn2NiMoAH08Mn2NiMoVAHJ250HJ350H08Mn2SiAH08Mn2MoACO2或Ar+CO214MnMoNbBE7015-D2E7015-GE7515-GE8015-GH08Mn2MoAH08Mn2Ni2CrMoAHJ350H08Mn2MoAH08MnNi2MoCO2或Ar+CO2HQ80E8015-GE7515-G--H08MnNi2MoAER110CO2或Ar+CO2(20%)HQ100E9015-GE1005-G--H08MnNi2CrMoAAr+CO2(5%～20%)表3-12不同強度級別的低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接材料的選用4．焊接參數(shù)（1）焊接熱輸入從防止熱影響區(qū)脆化出發(fā)，要求冷卻速度較快為好；而從防止冷裂來講，要求冷卻速度越慢越好，因此確定冷卻速度應(yīng)該兼顧兩者的要求，選擇一個合適的范圍，上限要不產(chǎn)生冷裂，下限要不產(chǎn)生引起脆化的混合組織，如圖3-2中的陰影區(qū)域是既能得到良好韌性，又能保證不產(chǎn)生冷裂的冷卻速度范圍。選擇焊接熱輸入的原則是：在保證不出現(xiàn)裂紋和滿足熱影響區(qū)韌性的條件下，應(yīng)選擇盡可能大的焊接熱輸入。例如，HQ70鋼焊接時的預(yù)熱溫度和最大焊接熱輸入見表3-13。鋼種板厚/mm預(yù)熱溫度/℃道間溫度/℃焊接熱輸入/kJ·cm-1焊條電弧焊氣體保護焊埋弧焊HQ706～13502550≤150≤2513～2675～1005050～75≤200≤4526～5012575100≤220≤48HQ80C6～13505050≤150≤2513～2675～10050～7575～100≤200≤4526～50125100125≤220≤48（2）預(yù)熱和后熱溫度低碳調(diào)質(zhì)鋼在板厚不大、接頭拘束度較小的情況下焊接時可以不預(yù)熱。但當(dāng)焊接熱輸入提高到最大允許值還不能避免裂紋時，就必須采取預(yù)熱措施。一般采用較低的預(yù)熱溫度（T0≤200℃）。板厚/mm14MnMoVN14MnMoNbB＜13--13～1650～100100～15016～19100～150150～0019～22100～150150～20022～25150～200200～25025～35150～200200～250低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接結(jié)構(gòu)一般是在焊態(tài)下使用，正常情況下不進行焊后熱處理。除非焊后接頭區(qū)強度和韌性過低、結(jié)構(gòu)要求耐應(yīng)力腐蝕以及焊后需要進行高精度加工來保證結(jié)構(gòu)尺寸等，才進行焊后熱處理。為了保證材料的強度性能，焊后熱處理溫度必須比母材原調(diào)質(zhì)處理的回火溫度低30℃。表3-14兩種低碳調(diào)質(zhì)鋼的最低預(yù)熱溫度和道間溫度（單位：℃）四、典型鋼WCF62的焊接工藝要點WCF62鋼是在940℃水淬+630℃回火調(diào)制狀態(tài)下進行加工和焊接的。為了保證母材性能在制造過程中不下降，不允許采用熱彎、熱卷成形，矯正的加熱溫度不得超過焊前回火溫度。焊接方法一般用焊條電弧焊、CO2或（Ar+CO2）氣體保護電弧焊。四、典型鋼WCF62的焊接工藝要點焊條選用E6015–G型，如J607RH等。焊條烘焙溫度400℃×1h，烘后應(yīng)立即放入低溫干燥保溫桶內(nèi)，隨用隨取。焊條在保溫桶內(nèi)存放的時間不應(yīng)超過4h。烘后焊條允許在大氣中放置的時間按生產(chǎn)廠家的規(guī)定。氣體保護焊焊絲為Mn-Si-Mo系或Mn-Ni-Mo系焊絲。保護氣體的純度及含水量應(yīng)嚴加控制，CO2氣體應(yīng)符合GB/T6052-1993中規(guī)定的Ⅰ級或Ⅱ級1類氣體的要求。焊接熱輸入對熱影響區(qū)的韌性有明顯的影響，熱輸入上升，韌性下降。最佳熱輸入為17～25kJ/cm，允許熱輸入為10～40kJ/cm。預(yù)熱溫度與擴散氫[H]有關(guān)，當(dāng)焊條經(jīng)400℃烘干，[H]＜2mL/100g時可不進行預(yù)熱。板厚較大或母材的CE（或Pcm）偏高時，應(yīng)進行50℃的預(yù)熱。一般情況下，焊后不需進行熱處理。當(dāng)δ≥36mm時，要求進行消除應(yīng)力退火。退火溫度應(yīng)低于焊前回火溫度，若超過回火溫度強度將明顯下降。綜合考慮保證性能及防止消除應(yīng)力裂紋，退火溫度應(yīng)選在550～580℃之間，加熱速度不超過120℃/h，保溫后隨爐冷至300℃后再出爐空冷。為了防止消除應(yīng)力裂紋，可采取以下措施：降低消除應(yīng)力退火溫度?？刂颇覆闹蠽、B的含量。適當(dāng)預(yù)熱（≥100℃）。焊后及時進行200℃×（0.5～1）h后熱。第四模塊中碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接

中碳調(diào)質(zhì)鋼中碳和其他合金元素的含量都較高，通過調(diào)質(zhì)處理獲得較高的強度。其中加入合金元素的作用是保證淬透性和提高抗回火性，而其強度主要還是取決于含碳量。但隨含碳量的增加，鋼的焊接性明顯變差，焊接時必須采取嚴格的工藝措施，焊后必須經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理才能達到使用要求的接頭性能。一、中碳調(diào)質(zhì)鋼的成分和性能中碳調(diào)質(zhì)鋼都是在淬火+回火狀態(tài)下使用，屈服點達880～1176MPa以上，具有高的比強度和高硬度，可以用作火箭外殼和裝甲鋼等。其中碳的質(zhì)量分數(shù)為wc=0.25%～0.5%，并加入合金元素（如Mn、Si、Ni、Cr、Mo、V、Ti等），以保證鋼的淬透性，消除回火脆性，再通過調(diào)質(zhì)處理獲得較好的綜合性能。中碳調(diào)質(zhì)鋼的淬硬性比低碳調(diào)質(zhì)鋼高得多，淬火后得到馬氏體組織，再經(jīng)回火得到的是片狀馬氏體，屬于硬脆組織，因此鋼的韌性較低，給焊接帶來很大困難。常用的中碳調(diào)質(zhì)鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能見表3-15和3-16。

表3-15中碳調(diào)質(zhì)鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）（%）鋼牌號CMnSiCrNiMoVSP30CrMnSiA0.28～0.350.8～1.10.9～1.20.8～1.1≤0.30--≤0.030≤0.03540CrMnSiMoVA0.37～0.420.8～1.21.2～1.61.2～1.5≤0.250.45～0.600.07～0.12≤0.030≤0.02535CrMoA0.30～0.400.4～0.70.17～0.350.9～1.3-0.2～0.3-≤0.030≤0.03535CrMoVA0.30～0.380.4～0.70.2～0.41.0～1.3-0.2～0.30.1～0.2≤0.030≤0.03534CrNi3MoA0.3～0.40.5～0.80.27～0.370.7～1.12.75～3.250.25～0.4-≤0.030≤0.03540CrNiMoA0.36～0.440.5～0.80.17～0.370.6～0.91.25～1.750.15～0.25-≤0.030≤0.03030Cr3SiNiMoVA0.320.700.963.100.910.700.110.0030.019表3-16中碳調(diào)質(zhì)鋼的力學(xué)性能鋼號熱處理規(guī)范屈服點σs/MPa抗拉強度σb/MPa伸長率δ（%）斷面收縮率φ（%）沖擊吸收功AKV/J硬度HBW30CrMnSiA870～890℃油淬510～550℃回火≥833≥1078≥10≥40≥49346～36330CrMnSiNi2A890～910℃油淬200～300℃回火≥1372≥1568≥9≥45≥59≥44440Cr850℃油淬520℃回火（水或油）≥785≥980≥9≥45≥47≥20740CrMnSiMoVA890～970℃油淬250～270℃回火，空冷-≥1862≥8≥35≥49≥52HRC35CrMoA860～880℃油淬560～580℃回火≥490≥657≥15≥35≥49197～24135CrMoVA880～900℃油淬640～660℃回火≥686≥814≥13≥35≥39255～30234CrNi3MoA850～870℃油淬580～670℃回火≥833≥931≥123539285～34140CrNiMoA840～860℃油淬550～650℃水冷或空冷833980125578269按照合金系統(tǒng)，中碳調(diào)質(zhì)鋼大概可以歸納為以下幾種：1．Cr鋼

40Cr是一種廣泛使用的含Cr調(diào)質(zhì)鋼，具有良好的綜合力學(xué)性能、較高的淬透性和較高的疲勞強度，用于制造較重要的在交變載荷下工作的機器零件，如齒輪和軸類。Cr能增加高溫或低溫的回火穩(wěn)定性，但Cr鋼有回火脆性。該鋼中wCr＜1.5%時能有效提高鋼的淬透性，繼續(xù)增加無實際意義；當(dāng)wCr=1%時對鋼的塑性和韌性略有提高；當(dāng)wCr＞2%時對塑性影響不大，但略使鋼的沖擊韌度降低。2．Cr-Mo鋼35CrMoA和35CrMoVA屬于Cr-Mo鋼系統(tǒng)，是在Cr鋼基礎(chǔ)上發(fā)展起來的中碳調(diào)質(zhì)鋼，具有良好的強度和韌性匹配，一般在動力設(shè)備中用于制造一些承受負荷較高、截面較大的重要零部件，如汽輪機葉輪、主軸和發(fā)電機轉(zhuǎn)子等。Cr鋼中加入少量Mo（wMo=0.15%～0.25%）可以消除Cr鋼的回火脆性，提高淬透性和高溫強度；V可以細化晶粒，提高強度、塑性和韌性，增加高溫回火穩(wěn)定性。但由于鋼中的含碳量較高，淬透性較大，因此焊接性較差，一般要求焊前預(yù)熱和焊后熱處理。3．Cr-Mn-Si鋼30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A和40CrMnSiMoVA都屬于Cr-Mn-Si鋼系統(tǒng)，這類鋼的顯著特點是強度很高，但焊接性差，在飛機制造中應(yīng)用較多。30CrMnSiA是一種典型的Cr-Mn-Si系統(tǒng)的中碳調(diào)質(zhì)鋼，其中不含貴重的Ni，因此在我國得到廣泛應(yīng)用。在退火狀態(tài)下，它的組織是鐵素體+珠光體，調(diào)質(zhì)狀態(tài)下的組織為回火索氏體。Cr-Mn-Si系鋼具有回火脆性的缺點，在300～450℃內(nèi)出現(xiàn)第一類回火脆性，同時還具有第二類回火脆性，因此高溫回火時必須采取快速冷卻的辦法，否則韌性會顯著降低。4．Cr-Ni-Mo鋼40CrNiMoA和34CrNi3MoA屬于Cr-Ni-Mo系統(tǒng)，具有良好的綜合性能，如強度高、韌性好、淬透性大等優(yōu)點，主要用于制造高負荷、大截面的軸類和承受沖擊載荷的構(gòu)件，如汽輪機、噴氣渦輪機軸、噴氣式客機的起落架及火箭發(fā)動機外殼等。二、中碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接性1．焊縫中的熱裂紋中碳調(diào)質(zhì)鋼含碳量及合金元素含量都較高，因此液-固相溫度區(qū)間大，結(jié)晶時成分偏析也較嚴重，焊接時易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋，具有較大的熱裂紋傾向。為防止熱裂紋，焊接時盡量采用含碳量低和雜質(zhì)S、P含量低的焊接材料；在焊接工藝上應(yīng)注意填滿弧坑和保證良好的焊縫成形，因為熱裂紋容易出現(xiàn)在未填滿的弧坑處，尤其是多層焊的第一層焊道的弧坑中以及焊縫的凹陷部位。2．焊接冷裂紋中碳調(diào)質(zhì)鋼含碳量及合金元素含量都較高，尤其是加入了增加淬透性的元素，因此淬硬傾向十分明顯，焊接熱影響區(qū)易出現(xiàn)硬脆的馬氏體組織，增大了焊接接頭的冷裂紋傾向。母材含碳量越高，淬硬性越大，焊接冷裂紋傾向也越大。同時，中碳調(diào)質(zhì)鋼由于Ms點較低，形成的馬氏體難以產(chǎn)生“自回火”作用，并且馬氏體中的含碳量較高，形態(tài)多為片狀甚至針狀，使得馬氏體的硬度和脆性也更大，因此中碳調(diào)質(zhì)鋼比低碳調(diào)質(zhì)鋼對冷裂紋的敏感性更大。3．熱影響區(qū)脆化中碳調(diào)質(zhì)鋼的淬硬傾向很大，在焊接熱影響區(qū)的過熱區(qū)容易產(chǎn)生大量的脆硬高碳馬氏體組織，導(dǎo)致過熱區(qū)脆化。生成的馬氏體越多，脆化越嚴重。中碳調(diào)質(zhì)鋼為防止過熱區(qū)脆化應(yīng)采用小的焊接熱輸入，同時采取預(yù)熱、緩冷和后熱等措施。4．熱影響區(qū)軟化對于必須在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接的中碳調(diào)質(zhì)鋼，需要考慮熱影響區(qū)軟化問題。鋼材調(diào)質(zhì)狀態(tài)下被加熱到該鋼調(diào)質(zhì)處理的回火溫度以上時，焊接熱影響區(qū)將出現(xiàn)強度、硬度低于母材的軟化區(qū)，一般加熱溫度在Ac1～Ac3的部位軟化最明顯，30CrMnSi調(diào)質(zhì)鋼焊接熱影響區(qū)的強度分布如圖3-4所示。圖3-430CrMnSi調(diào)質(zhì)鋼焊接熱影響區(qū)的強度分布a）焊條電弧焊b）氣焊中碳調(diào)質(zhì)鋼強度級別越高，軟化越嚴重，并且軟化程度和軟化區(qū)的寬度與焊接熱輸入、焊接方法有很大關(guān)系。焊接熱輸入越小，加熱和冷卻速度越快，軟化程度越小，軟化區(qū)的寬度也越窄。從圖3-4可以看出，30CrMnSi采用氣焊時，軟化區(qū)的抗拉強度降為590～685MPa，而采用焊條電弧焊時軟化區(qū)強度為880～1030MPa；氣焊時的軟化區(qū)比電弧焊時要寬得多。因此，焊接熱源越集中，對減少軟化越有利。四、中碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接工藝特點中碳調(diào)質(zhì)鋼淬透性很大，焊后的淬火組織是脆硬的高碳馬氏體，不僅對冷裂敏感，而且焊后如果不經(jīng)過熱處理，熱影響區(qū)性能達不到母材性能。這類鋼一般是在退火狀態(tài)下焊接，焊后經(jīng)過整體調(diào)質(zhì)處理以獲得滿足要求的焊接接頭；但有時必須在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下進行焊接，這種情況下熱影響區(qū)的性能惡化很難解決。（一）在退火狀態(tài)下焊接1．焊接方法在退火（或正火）狀態(tài)下進行焊接，焊后再進行整體調(diào)質(zhì)處理，實際上大多數(shù)中碳調(diào)質(zhì)鋼焊接是采用該方案。焊接時的主要問題是裂紋，熱影響區(qū)性能可以通過焊后調(diào)質(zhì)處理來保證。因此對焊接方法幾乎沒有限制，常用的焊接方法有焊條電弧焊、埋弧焊和氣體保護焊等。采用熱量集中的脈沖氬弧焊、等離子弧焊及電子束焊等，有利于減小熱影響區(qū)寬度，獲得細晶組織，提高接頭力學(xué)性能。薄板焊接多采用氣體保護焊、鎢極氬弧焊和微束等離子弧焊等方法。2．焊接材料在選擇焊接材料時，除應(yīng)保證焊接時不產(chǎn)生冷裂紋、熱裂紋外，還應(yīng)考慮焊縫金屬的主要合金系統(tǒng)應(yīng)盡量與母材相似，并對能使焊縫金屬熱裂傾向增加和促使金屬脆化的元素（C、Si、S、P等）嚴格限制，以使焊縫金屬在焊后經(jīng)過與母材相同的調(diào)質(zhì)處理規(guī)范后，性能與母材相同。常用鋼種焊接材料選用見表3-17。鋼牌號焊條電弧焊氣體保護焊埋弧焊保護氣體焊絲焊絲焊劑30CrMnSiAE8515-GE10015-GCO2H08Mn2SiMoAH08Mn2SiAH20CrMoAH18CrMoAHJ431HJ260ArH18CrMoA30CrMnSiNi2A-ArH18CrMoAH18CrMoAHJ350HJ26035CrMoAE8515-GArH20CrMoAH20CrMoAHJ26035CrMoVAE8515-GE10015-GArH20CrMoA--34CrNi3MoAE8515-GArH20Cr3MoNiA--40CrE8515-GE9015-GE10015-G----表3-17常用鋼種焊接材料選用3．焊接參數(shù)在焊后進行調(diào)質(zhì)處理的情況下，確定焊接參數(shù)的出發(fā)點主要是保證在調(diào)質(zhì)處理前不出現(xiàn)裂紋，接頭性能可不必考慮太多。一般中碳調(diào)質(zhì)鋼應(yīng)采用盡可能小的焊接熱輸入，這樣可以降低熱影響區(qū)脆化，同時采用預(yù)熱和后熱等措施以提高抗冷裂性能。常用中碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接參數(shù)見表3-18。焊接方法鋼號板材厚度/mm焊絲或焊條直徑/mm焊接參數(shù)說明焊接電壓/V焊接電流/A焊接速度/mh-1送絲速度/mh-1焊劑或保護氣流量/L?min-1焊條電弧焊30CrMnSiA43.220～2590～110----30CrMnSiNi2A103.221～32130～140---預(yù)熱350℃，焊后680℃回火4.0200～220CO2氣體保護焊30CrMnSiA20.817～1975～85-120～150CO27～8短路過渡485～110-150～180CO210～14鎢極氬弧焊45CrNiMoV41.69～12100～20060～7530～5205Ar10～20預(yù)熱260℃，焊后650℃回火2312～14250～3004.530～57Ar14；He5預(yù)熱300℃，焊后670℃回火表3-18常用中碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接參數(shù)4．預(yù)熱和后熱處理預(yù)熱和后熱處理是中碳調(diào)質(zhì)鋼焊接時的重要工藝措施，是否預(yù)熱及預(yù)熱溫度的高低取決于焊件結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)條件，除拘束度小，結(jié)構(gòu)簡單的薄板結(jié)構(gòu)不需預(yù)熱外，一般情況下，中碳調(diào)質(zhì)鋼焊接時都需要預(yù)熱和后熱處理，預(yù)熱溫度一般為200～350℃。常用中碳調(diào)質(zhì)鋼的預(yù)熱溫度見表3-19。鋼號預(yù)熱溫度/℃說明30CrMnSiA200～300薄板可不預(yù)熱40Cr200～300-30CrMnSiNi2A300～350預(yù)熱溫度應(yīng)一直保持到焊后熱處理表3-19常用中碳調(diào)質(zhì)鋼的預(yù)熱溫度對于焊后不能立即進行調(diào)質(zhì)處理的焊接結(jié)構(gòu)，為了保證冷卻到室溫后，在調(diào)質(zhì)前不出現(xiàn)延遲裂紋，需要在焊后及時進行一次中間熱處理，即焊后在等于或高于預(yù)熱溫度下保溫一段時間的熱處理，如低溫回火或650～680℃的高溫回火。如果采用局部預(yù)熱，預(yù)熱的溫度范圍應(yīng)在焊縫兩側(cè)不小于100mm。常用中碳調(diào)質(zhì)鋼的焊后熱處理溫度見表3-20。表3-20常用中碳調(diào)質(zhì)鋼的焊后熱處理溫度鋼號焊后處理/℃說明30CrMnSiA淬火+回火：480～700使焊縫金屬組織均勻化，焊接接頭獲得最佳性能30CrMnSiNi2A淬火+回火：200～30030CrMnSiA回火：500～700消除焊接應(yīng)力，以便于冷加工30CrMnSiNi2A（二）在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接當(dāng)必須在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下進行焊接時，主要問題是焊接裂紋和熱影響區(qū)的脆化和軟化。為減小熱影響區(qū)軟化，應(yīng)盡量選擇熱量集中、能量密度大的焊接方法，而且焊接熱輸入越小越好。氣焊最不合適；氣體保護焊比較好，尤其是鎢極氬弧焊，熱量容易控制，焊接質(zhì)量容易保證；而脈沖氬弧焊、等離子弧焊和電子束焊效果更好；但從經(jīng)濟性和方便性考慮，目前焊接這類鋼還是焊條電弧焊應(yīng)用最多。選擇合適的預(yù)熱溫度并應(yīng)焊后及時進行回火處理。必須注意預(yù)熱溫度、道間溫度和熱處理溫度應(yīng)控制在比母材淬火后的回火溫度低50℃。選擇焊接材料應(yīng)考慮的主要問題是防止冷裂，焊接時經(jīng)常采用奧氏體鉻鎳鋼焊條或鎳基焊條。例如，焊接調(diào)質(zhì)狀態(tài)下的30CrMnSiA，可采用鎳基焊條HT-4，焊后進行250℃、2h或更長時間的低溫回火處理。第五模塊低溫鋼的焊接低溫鋼是指工作在-10～-196℃溫度范圍的鋼，低于-196℃（直到-273℃）的鋼稱為超低溫鋼。主要性能特點是在低溫工作條件下具有足夠的強度、塑性和韌性，同時具有良好的加工性。主要用于制造石油化工業(yè)中的低溫設(shè)備，如液化石油氣和液化天然氣等的儲存和運輸?shù)娜萜?、管道等。一、低溫鋼的分類、成分與性能1．低溫鋼的分類（1）按使用溫度等級分類分為-50～-90℃、-100～-120℃和-196～-273℃等級的低溫鋼。（2）按合金元素含量和組織分類分為低合金鐵素體低溫鋼、中合金低溫鋼和高合金奧氏體低溫鋼。（3）按有無Ni、Cr元素分類分為無Ni、Cr低溫鋼和含Ni、Cr低溫鋼。（4）按熱處理方法分類分為非調(diào)質(zhì)低溫鋼和調(diào)質(zhì)低溫鋼。常用低溫鋼的類型及適用溫度范圍見圖3-5。圖3-5常用低溫鋼的類型及適用溫度范圍2．低溫鋼的成分、組織和性能低溫鋼的鋼種很多，包括從低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼、低合金高強度鋼、低Ni鋼，直到Ni含量為9%的鋼。低溫鋼大部分是接近鐵素體型的低合金鋼，其含碳量較低，主要通過加入Al、V、Nb、Ti和稀土（RE）等元素固溶強化和細化晶粒，再經(jīng)過正火、回火處理獲得晶粒細而均勻的組織，以得到良好的低溫韌性。如果在鋼中加入Ni，可提高鋼的強度，同時又可進一步改善低溫韌性，但在提高Ni的同時要相應(yīng)降低含碳量和嚴格控制S、P含量，以充分發(fā)揮Ni的有利作用。（1）鐵素體型低溫鋼

顯微組織為鐵素體+少量珠光體使用溫度范圍-40～-100℃，如16MnDR、09Mn2VDR、06MnNbDR、3.5Ni和06MnVTi等有“DR”標示的為低溫容器專用鋼，一般在正火狀態(tài)下使用。16MnDR是制造-40℃低溫設(shè)備用的細晶粒鋼；09Mn2VDR也屬細晶粒鋼，主要用于制造-70℃的低溫設(shè)備，如冷凍設(shè)備、液化氣儲罐、石油化工低溫設(shè)備等；06MnNbDR是具有較高強度的-90℃用細晶粒鋼，主要用于制造-60～-90℃的制冷設(shè)備、容器和儲罐。3.5Ni鋼一般經(jīng)過870℃正火和635℃、1h消除應(yīng)力回火，其最低使用溫度達-100℃；調(diào)質(zhì)處理可提高其強度、改善韌性和降低脆性轉(zhuǎn)變溫度，其最低使用溫度可達-129℃。（2）低碳馬氏體型低溫鋼含Ni較高的鋼如9Ni鋼，淬火后組織為低碳馬氏體，正火后的組織除低碳馬氏體外，還有少量鐵素體和少量奧氏體，具有較高的強度（高于奧氏體不銹鋼）、塑性和低溫韌性，能用于-196℃的低溫，適于制造儲存液化氣的大型儲罐。（3）奧氏體型低溫鋼具有很好的低溫性能，其中以18-8型鉻鎳奧氏體不銹鋼應(yīng)用最廣泛，25-20型可用于超低溫條件。我國為了節(jié)約鉻、鎳貴重金屬而研制了以鋁代鎳的15Mn26Al14的奧氏體不銹鋼。二、低溫鋼的焊接性（一）無Ni低溫鋼的焊接性無Ni低溫鋼即鐵素體型低溫鋼其中wc=0.06%～0.20%，合金元素總量≤5%，碳當(dāng)量為0.27%～0.57%，焊接性良好。在室溫下焊接不易產(chǎn)生冷裂紋，在板厚小于25mm時焊前不需預(yù)熱；板厚超過25mm或接頭剛性拘束較大時，應(yīng)預(yù)熱100～150℃，注意預(yù)熱溫度（不可超過200℃）過高會引起熱影響區(qū)晶粒長大而降低韌性。（二）含Ni低溫鋼的焊接性含Ni較低的低溫鋼如2.5Ni和3.5Ni鋼，雖然加入Ni提高了鋼的淬透性，但由于含碳量限制的較低，冷裂傾向并不嚴重，薄板焊接時可不預(yù)熱；厚板焊接時須進行100℃預(yù)熱。含Ni高的低溫鋼如9Ni鋼，淬硬性很大，焊接時熱影響區(qū)產(chǎn)生馬氏體組織是不可避免的，但由于含碳量低，并采用奧氏體焊接材料，因此冷裂傾向不大。但焊接時應(yīng)注意以下幾個問題：（1）正確選擇焊接材料9Ni具有較大的線脹系數(shù)，選擇的焊接材料必須使焊縫與母材線脹系數(shù)大致相近，以免因線脹系數(shù)差別太大而引起焊接裂紋。通常選用鎳基合金焊接材料，焊后焊縫組織為奧氏體組織，低溫韌性好，且線脹系數(shù)與9Ni鋼接近。（2）避免磁偏吹現(xiàn)象9Ni鋼具有強磁性，采用直流電源焊接時會產(chǎn)生磁偏吹現(xiàn)象，影響焊接質(zhì)量。防治措施是焊前避免接觸強磁場；盡量選用可以采用交流電源的鎳基焊條。（3）焊接熱裂紋Ni能提高鋼材的熱裂紋傾向，焊接含Ni鋼時要注意焊接熱裂紋。因此應(yīng)該嚴格控制鋼材及焊接材料中的S、P含量，以免因S、P含量偏高在焊縫結(jié)晶過程中形成低熔點共晶，而導(dǎo)致形成結(jié)晶裂紋。含Ni鋼的另一個問題是具有回火脆性，因此應(yīng)注意這類鋼焊后回火的溫度和控制冷卻速度。9Ni鋼是典型的低碳馬氏體低溫鋼，淬硬性較大。焊前應(yīng)進行正火+高溫回火或900℃水淬+570℃回火處理，其組織為低碳板條狀馬氏體，具有較高的低溫韌性，其焊接性也優(yōu)于一般低合金高強鋼，板厚小于50mm的焊接結(jié)構(gòu)焊接時不需預(yù)熱，焊后可不進行消除應(yīng)力熱處理。對這類易淬火的低溫鋼通常采用控制道間溫度及焊后緩冷等工藝措施，以降低冷卻速度，避免淬硬組織；采用較小的焊接熱輸入，避免熱影響區(qū)晶粒過分長大，達到防止冷裂和改善熱影響區(qū)低溫韌性的目的。三、低溫鋼的焊接工藝特點1．焊接方法焊接低溫鋼時，焊條電弧焊和氬弧焊應(yīng)用廣泛，埋弧焊的應(yīng)用受到限制，而氣焊和電渣焊一般不用。為避免焊縫金屬和熱影響區(qū)形成粗大組織而使接頭韌性降低，焊接熱輸入不能過大，多層焊要控制道間溫度不可過高，例如焊接06MnNbDR低溫鋼時，道間溫度不可超過300℃。2．焊接材料焊條電弧焊焊接低溫鋼時一般選用高韌性焊條，焊接含Ni的低溫鋼所用焊條的含Ni量應(yīng)與母材相當(dāng)或稍高；埋弧焊焊接低溫鋼一般選用中性熔煉焊劑配合Mn-Mo焊絲或堿性熔煉焊劑配合含Ni焊絲，也可采用C-Mn焊絲配合堿性非熔煉焊劑，由焊劑向焊縫過渡微量Ti、B合金元素，以保證焊縫獲得良好的低溫韌性。國內(nèi)研制的低溫鋼焊條牌號以W×××表示，其具體內(nèi)容如下：W×××藥皮的類型與電流種類焊條工作的溫度等級低溫用鋼焊條常用低溫鋼焊接材料的選用見表3-23。表3-23常用低溫鋼焊接材料的選用鋼號狀態(tài)焊條電弧焊埋弧焊型號牌號焊絲焊劑16MnDR正火E5016-GE5015-GJ506RHJ507RHH10Mn2AYD504A09Mn2VDR正火E5015-GE5515-C1W607AW707NiH08Mn2MoVAHJ25006MnNbDR正火800～900℃空冷E5515-C2W907Ni--15MnNiDR正火E5015-GW507R--09MnNiDR正火或正火+回火E5015-GW707RH10Mn2A或含Ni藥芯焊絲YD507A3．低溫鋼焊接操作要點為減小熱輸入，焊條電弧焊通常采用小直徑焊條（一般不大于4mm）、用盡量小的焊接電流，采用多層多道焊，每一焊道焊接時采用快速不擺動的操作方法?？焖俣嗟篮缚杀苊夂傅肋^熱，多層焊時后續(xù)焊道對前焊道的再次加熱作用可細化晶粒。低溫鋼焊條電弧焊平焊時的焊接參數(shù)見表3-24。其他位置焊接時焊接電流應(yīng)減小10%。在橫焊、立焊和仰焊時，為保證焊縫成形并與母材充分熔合，可作必要的擺動，例如采用“之”字形運條方法，但應(yīng)控制電弧在坡口兩側(cè)的停留時間，收弧時要將弧坑填滿。焊縫金屬類型焊條直徑/mm焊接電流/A焊接電壓/V鐵素體-珠光體型3.290～12023～244.0140～18024～26Fe-Mn-Al奧氏體型3.280～10023～244.0100～12024～25表3-24低溫鋼焊條電弧焊平焊時的焊接參數(shù)四、典型鋼種的焊接工藝板厚15mm的9Ni鋼大型儲罐，工作溫度為-190℃。儲罐平板對接的立焊焊縫，采用單面自動TIG焊，且背面不清根。選用鎳基焊絲70Ni-Mo-W，直徑為1.2mm。焊接電流200～240A、焊接電壓11～13V、焊接速度4.3～5cm/min、氬氣流量20～30L/min，焊后不進行消除應(yīng)力熱處理。綜合訓(xùn)練：一、簡答題1．什么是合金結(jié)構(gòu)鋼？從方便焊接的角度出發(fā)時如何進行分類的