金屬材料焊接工藝 第3版 教案 12 熱軋及正火鋼的焊接

授課教案首頁學(xué)年第學(xué)期機(jī)械工程學(xué)院材料技術(shù)系（部）焊接技術(shù)及自動(dòng)化教研室課程名稱金屬材料焊接工藝任課教師授課形式理論教學(xué)√課內(nèi)實(shí)踐□理實(shí)一體□習(xí)題復(fù)習(xí)□考核評(píng)價(jià)□其他活動(dòng)□課時(shí)安排2課時(shí)序號(hào)12授課日期月日月日月日月日授課班級(jí)教學(xué)內(nèi)容：第三章低合金鋼的焊接2、熱軋及正火鋼的焊接教學(xué)目標(biāo)：知識(shí)目標(biāo)：1、了解熱軋及正火鋼的成分特點(diǎn)2、了解熱軋及正火鋼的焊接性能力目標(biāo)：掌握熱軋及正火鋼的焊接工藝要點(diǎn)素質(zhì)目標(biāo)：1、培養(yǎng)學(xué)生良好的操作習(xí)慣2、具有與人溝通、與人合作的社會(huì)交往能力重點(diǎn)難點(diǎn)及解決方法：要求學(xué)生熟悉熱軋及正火鋼的焊接工藝要點(diǎn)。授課地點(diǎn)：教室教學(xué)媒體：投影儀設(shè)備及材料：其它資源：學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)方式：課堂提問及作業(yè)作業(yè)和思考題：1．熱軋與正火鋼的主要強(qiáng)化元素和強(qiáng)化方式有何不同？其焊接性有何差異？2．簡(jiǎn)述熱軋及正火鋼的焊接工藝要點(diǎn)。課后小結(jié)：填表說明：1.序號(hào)，指該課程授課的順序號(hào)，應(yīng)與授課計(jì)劃一致；2.授課形式在相應(yīng)的選項(xiàng)打“√”。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過程時(shí)間分配方法及手段一、教學(xué)組織1．復(fù)習(xí)引入10分鐘2．講解45分鐘3．提問20分鐘4.小結(jié)15分鐘二、教學(xué)內(nèi)容能力知識(shí)點(diǎn)1熱軋及正火鋼的成分和性能1．熱軋鋼屈服點(diǎn)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，其強(qiáng)度是靠Mn、Si的固溶強(qiáng)化作用來保證。在低碳條件下，wMn≤1.6%、wSi≤0.6%，可以保持鋼具有較高的塑性和韌性，超出這一范圍后，塑、韌性明顯惡化。因此合金元素的用量和鋼的強(qiáng)度水平都受到限制。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(jiǎn)單、價(jià)格較低，因此在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。Q345（16Mn）是我國(guó)1957年研制生產(chǎn)和應(yīng)用最廣泛的熱軋鋼，用于南京長(zhǎng)江大橋和我國(guó)第一艘萬噸運(yùn)洋貨輪。Q345按其中Mn和Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同又分為A～E5個(gè)質(zhì)量等級(jí)，Q345·A即舊牌號(hào)中的16Mn，Q345·C相當(dāng)于鍋爐和壓力容器用鋼中的16Mng和16MnR。熱軋鋼的組織為鐵素體+珠光體，當(dāng)板厚較大時(shí)，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(qiáng)度略有下降。2．正火鋼當(dāng)要求鋼的屈服點(diǎn)大于390MPa時(shí)，必須在固溶強(qiáng)化的同時(shí)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，加入碳、氮化物（V、Ti、Nb和Mo等）形成元素，通過沉淀強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化來進(jìn)一步提高鋼的強(qiáng)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(diǎn)從固溶體中沉淀析出并同時(shí)細(xì)化晶粒。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學(xué)方法如：項(xiàng)目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實(shí)物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡(luò)課程等。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過程時(shí)間分配方法及手段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。多種微合金元素的共同作用稱為多元微合金化。微合金控軋鋼采用微合金化和控制軋制等技術(shù)，達(dá)到細(xì)化晶粒和沉淀強(qiáng)化相結(jié)合的效果，同時(shí)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(xì)晶組織。具有高強(qiáng)度、高韌性和良好的焊接性等優(yōu)點(diǎn)，是熱軋及正火鋼的一個(gè)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。能力知識(shí)點(diǎn)2熱軋及正火鋼的焊接性熱軋及正火鋼中碳和合金元素的含量都較低，焊接性總體來看較好，但隨合金元素含量的增加，焊接性變差。焊接時(shí)需要注意的問題是焊接裂紋和熱影響區(qū)性能變化。一、焊接裂紋1．焊接冷裂紋在產(chǎn)生冷裂紋的三要素淬硬組織、拘束度和擴(kuò)散氫含量中，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(biāo)準(zhǔn)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(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦的碳當(dāng)量計(jì)算公式計(jì)算CE。一般認(rèn)為，CE＜0.4%時(shí)，鋼材在焊接過程中基本無淬硬傾向，冷裂敏感性小。屈服點(diǎn)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(yán)格控制焊接熱輸入。碳當(dāng)量CE=0.4%～0.6%時(shí)，鋼的淬硬傾向逐漸增加，屬于有淬硬傾向的鋼，對(duì)冷裂紋比較敏感。屈服點(diǎn)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(shí)，淬硬傾向不太嚴(yán)重，焊接性尚好，在板厚較大（δ≥25mm）時(shí)需要采取預(yù)熱措施。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學(xué)方法如：項(xiàng)目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實(shí)物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡(luò)課程等。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過程時(shí)間分配方法及手段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(dá)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(huì)產(chǎn)生熱裂紋。但在個(gè)別情況下，例如母材中的碳與硫同時(shí)居上限或嚴(yán)重偏析，則有可能產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。反之，如果焊接時(shí)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(shí)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(dá)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(zhǎng)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。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(qiáng)度無直接關(guān)系。一般認(rèn)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(yàn)表明，當(dāng)ψZ＞20%時(shí)，即使Z向拘束應(yīng)力較大，也不會(huì)產(chǎn)生層狀撕裂。對(duì)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(dá)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。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學(xué)方法如：項(xiàng)目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實(shí)物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡(luò)課程等。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過程時(shí)間分配方法及手段二、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(shí)還可能出現(xiàn)熱應(yīng)變脆化問題。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(huì)發(fā)生奧氏體晶粒的顯著長(zhǎng)大和一些難熔質(zhì)點(diǎn)（如碳化物和氮化物）熔入基體的過程。在冷卻過程中可能會(huì)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(shí)產(chǎn)生魏氏組織或是由于含碳量偏高和冷卻速度較快時(shí)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(qiáng)化作用的碳化物和氮化物質(zhì)點(diǎn)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(shí)如果減小熱輸入，就可以減少過熱區(qū)在高溫的停留時(shí)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(shí)效。一般發(fā)生在固溶氮含量較高而強(qiáng)度級(jí)別不高的低合金鋼中，如抗拉強(qiáng)度490MPa的C-Mn鋼。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(shí)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。能力知識(shí)點(diǎn)3熱軋及正火鋼的焊接工藝要點(diǎn)一、焊接方法熱軋及正火鋼焊接時(shí)對(duì)焊接方法無特殊要求，不同焊接方法對(duì)焊接質(zhì)量無顯著影響，因此可以采用各種焊接方法進(jìn)行焊接，常用焊接方法如焊條電弧焊、埋弧焊、CO2氣體保護(hù)焊和電渣焊等，一般是根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、批量、生產(chǎn)條件和經(jīng)濟(jì)效益等綜合情況進(jìn)行選擇。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學(xué)方法如：項(xiàng)目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實(shí)物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡(luò)課程等。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過程時(shí)間分配方法及手段二、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(jī)械加工，也可采用氣割和碳弧氣刨。對(duì)強(qiáng)度級(jí)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(xì)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(zhǎng)度（一般不小于50mm）以防開裂，對(duì)厚度較薄的板材定位焊縫長(zhǎng)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(qiáng)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?，采用的焊接電流可稍大于焊接時(shí)的焊接電流。三、焊接材料選擇焊接材料時(shí)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(qiáng)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(qiáng)度級(jí)別選用相應(yīng)的焊接材料按照焊縫與母材等強(qiáng)匹配的原則選擇焊接材料，一般要求焊縫與母材強(qiáng)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(qiáng)化元素V，但用它焊接的焊縫金屬的抗拉強(qiáng)度可達(dá)549～608MPa，同時(shí)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。采用同樣焊接材料，在熔合比和冷卻速度不同時(shí)，所得焊縫的性能也會(huì)有很大差別。選擇焊條或焊絲時(shí)應(yīng)考慮到板厚和坡口形式的影響，焊接薄板時(shí)因熔合比較大，應(yīng)選用強(qiáng)度較低的焊接材料，焊接厚板時(shí)則相反。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學(xué)方法如：項(xiàng)目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實(shí)物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡(luò)課程等。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過程時(shí)間分配方法及手段3．考慮焊后熱處理對(duì)焊縫力學(xué)性能的影響焊后熱處理（如消除應(yīng)力退火）會(huì)使焊縫的強(qiáng)度有所降低，當(dāng)焊縫強(qiáng)度余量不大時(shí)，焊后熱處理后焊縫強(qiáng)度可能低于母材，因此，對(duì)于焊后要求正火處理的焊縫，應(yīng)選擇強(qiáng)度高一些的焊接材料。此外，如果對(duì)焊縫金屬的使用性能有特殊要求，應(yīng)同時(shí)加以考慮。例如，在焊接16MnCu時(shí)，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(gè)因素。各類鋼材的脆化傾向和冷裂傾向是不同的，因此對(duì)熱輸入的要求也不同。在焊接碳當(dāng)量（Ceq）小于0.4%熱軋及正火鋼時(shí)，如Q295和Q345，對(duì)熱輸入沒有嚴(yán)格限制。焊接碳當(dāng)量為0.4%～0.6%的熱軋及正火鋼時(shí)，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(shí)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(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。3．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)和厚壁高壓容器等，焊后需要進(jìn)行消除應(yīng)力的高溫回火（550～650℃）。確定回火溫度的原則是：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(duì)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，在回火時(shí)要避免在600℃左右的溫度區(qū)間停留較長(zhǎng)時(shí)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）℃。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學(xué)方法如：項(xiàng)目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實(shí)物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡(luò)課程等。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過程時(shí)間分配方法及手段另外，對(duì)于抗拉強(qiáng)度大于490MPa的高強(qiáng)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(shí)起到消氫處理的作用，要求焊后立即進(jìn)行回火處理。如焊后不能及時(shí)進(jìn)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。能力知識(shí)點(diǎn)4典型鋼種Q345的焊接工藝要點(diǎn)1．焊前準(zhǔn)備氣割或碳弧氣刨下料和加工坡口，切口可直接進(jìn)行焊接Q345鋼可以順利進(jìn)行冷彎和機(jī)械切割。筒節(jié)冷彎當(dāng)板厚與直徑之比大于1/40時(shí)，成形后應(yīng)進(jìn)行600～650℃的消除應(yīng)力回火，以消除冷作硬化。Q345鋼加熱到850℃以上可以進(jìn)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(jìn)行熱處理。Q345鋼也可采用加熱矯正變形。經(jīng)驗(yàn)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，一般情況下焊接不需預(yù)熱，但當(dāng)結(jié)構(gòu)剛度較大或在低溫條件下焊接時(shí)，應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度見表3-6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℃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(duì)厚度小、坡口角度小或強(qiáng)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(yán)格按要求進(jìn)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。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學(xué)方法如：項(xiàng)目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實(shí)物講解、