第3章低合金高强钢的焊接

1、第第3 3章章 低合金高强钢的焊接低合金高强钢的焊接低合金钢：碳钢的基础上加入一定量的合金元素，合金元素的总量不超过5%，以提高钢的强度并保证有一定韧性和塑性。热轧及正火钢热轧或正火状态下供货和使用的钢s=294 490Mpa通过合金元素的固溶强化和沉淀强化提高强度综合性能良好，有优良的焊接性新的分支：微合金化控制轧制钢s340Mpa 低裂纹敏感性钢（CF） 超低硫抗层状撕裂的Z向钢缺点：强化方式限制，不能进一步提高强度低碳钢调质钢在调质状态下供货和使用，属于热处理强化。s=441 980Mpa c0.25%合金元素的作用：提高钢的淬透性，通过调质处理得到低碳马氏体或贝氏体。有高的强度和优良的

2、塑性和韧性新的分支： s490Mpa的CF钢 含碳量极低的微合金化调质钢缺点：生产工艺复杂、成本高、进行热加工 时对工艺参数限制比较严格中碳调质钢含碳量高，塑性和韧性差，焊接性恶化s=880 1170Mpa c 0.25%一般需要在退火状态下焊接，焊后进行调质3.1 热轧及正火钢的焊接知识目标： 1.了解热轧及正火钢的使用范围 2.理解热轧及正火钢的焊接性分析 3.掌握热轧及正火钢的焊接工艺设计能力目标： 1.能够对热轧及正火钢进行焊接性分析并设计出焊接工艺3.1 热轧及正火钢的焊接3.1.1 热轧及正火钢的成分和性能热轧钢：将钢锭加热到1300，经热轧成钢 板厚空冷。强度级别： s=294

3、343Mpa 强度机制：大多是C-Mn Mn-Si，有时用V、 Nb代替Mn，达到细化晶粒和固溶强化常见钢种：16Mn（Q345） 15MnV（Q390 ）唯一强度为392Mpa的热轧钢正火钢：钢板冷却后，再加热到900 附近 后空冷。强度级别： s=343490Mpa 强化机制：固溶强化 沉淀强化 细化晶粒正火的目的：使合金元素能以细小的化合物 质点从固溶体中充分析出，并细化晶粒。分类 正火状态下使用的钢：除了Q390（15MnTi） 外，主要指含V、Nb的钢，通过合金元素形成碳、氮化物，起沉淀强化和细化晶粒作用，提高强度和韧性。如：Q390 Q420正火+回火状态下使用的钢：钢中加入了Mo

4、，起到了细化晶粒，提高强度和提高钢材的中温性能作用。如：18MnMoNb微合金控轧钢采用了微合金化（加入微量Nb、V、Ti）和控制轧制等新技术，达到细化晶粒和沉淀强化相结合的效果，同时从冶炼工艺上采取了降碳、硫，改变夹杂物形态，提高钢的纯净度等措施，使钢材具有均匀的细化晶粒等轴铁素体基体。如：X60 X65 X703.1.2热轧及正火钢的焊接性焊接性a、焊接引起的各种缺陷，对这类钢主要是各类裂纹问题。b、焊接时材料性能的变化，对这类钢来说主要是脆化。（1）焊接裂纹热裂纹含碳量量低，含Mn较高，Mn/S比能有效热裂产生，只要不发生成分偏析，不会产生热裂。冷裂纹形成冷裂纹因素： 氢 钢的淬硬倾向

5、接头拘束应力热轧钢中含合金元素少，含碳量小，冷裂倾向小。正火钢含合金元素多，淬硬性倾向比热轧钢大，特别是强度级别大的材料（18MnMoNb、14MnMoV）冷裂倾向大，需要控制。层状撕裂和钢材种类、强度无关，和含硫量和Z向断面收缩率有关。s0.006% Z向断面收缩率25%再热裂纹18MnMoNb对再热裂纹比较敏感，要控制。（2）热影响区脆化过热区的脆化产生原因：过热区温度很高接近于熔点，因此发生了奥氏体晶粒的显著长大和一些难熔质点等溶入等过程。热轧钢有关因素：焊接线能量 含碳量正火钢有关因素：大线能量热应变脆化产生原因：200400，由于氮、碳原子聚集在位错周围，对位错造成钉轧作用而引起的。

6、本质上是由固溶氮引起。解决办法：在钢中加入足够的氮化物元素 焊后进行消除应力处理3.1.3 热轧及正火钢的焊接工艺（1）焊接方法的选择（2）焊接材料的选择原则：焊缝无缺陷 满足使用性能选择：选择相应级别的材料 考虑熔合比和冷却速度的影响 考虑热处理对焊缝力学性能的影响（3）焊接工艺参数的选择焊接线能量取决于过热区的脆化和冷裂预热钢材成分与焊接时的冷却速度有关与拘束度有关与含氢量有关与焊后是否进行热处理有关焊后热处理一般不进行焊后热处理，出现下列情况用焊后热处理：a.冷裂倾向大的钢材b.低温下使用的、抗应力腐蚀、高压构件c.电渣焊焊缝焊后进行高温回火，回火温度选择原则：d.不能超过母材原有的回火

7、温度e.有回火脆性材料，避开回火脆温度区间3.2 低碳调质钢的焊接知识目标： 1.了解低碳调质钢的使用范围 2.理解低碳调质钢的焊接性分析 3.掌握低碳调质钢的焊接工艺设计能力目标： 1.能够对低碳调质钢进行焊接性分析并设计出焊接工艺3.2 低碳调质钢的焊接3.2.1低碳调质钢的成分和性能s=441980Mpa c0.22%（0.18%）合金元素的作用：提高钢的淬透性和抗回火 性，通过调质处理得到低碳马氏体或贝氏体有高的强度和优良的塑性和韧性。如：14MnMoVN 14MnMoNbBNi：提高钢的塑性和韧性，降低韧脆转变温度，与Cr共用时可以提高钢的淬透性（Cr上限1.6%）。含Cr、Ni的钢

8、材：WCF60(62) HQ70A HQ80C低碳调质钢只有在正确的热处理工艺下才能保证预期的组织和性能。一般用的热处理制度：奥氏体化 淬火 回火3.2.2 低碳调制钢的焊接性（1）焊接裂纹热裂纹（不敏感）冷裂纹1由图看出过冷奥氏体稳定性提高，C曲线往右移，所以除非冷却速度很慢，高温转变是不会进行的。这类钢的含碳量很低，马氏体含碳低，保持了高的韧性，而且Ms点很高，如果在Ms点冷却速度比较缓慢，马氏体就能能进行一次回火作用，称为自回火。再热裂纹引起再热裂纹的元素：Cr Mo Cu V Nb TiB V的影响最大，Mo次之Cr和含量有关Cr 1%后，继续增加含Cr量时再热裂纹倾向小层状撕裂（不敏

9、感）2、热影响区性能变化（1）脆化A向P转变推迟，当冷速较低时，F先析出，剩余富碳A，冷却后得到高碳的M和B，而使材料变脆。(2)软化热影响区的加热温度高于母材的回火温度，由于碳化物的聚集使材料软化。3.2.3低碳调质钢的焊接工艺焊接性的主要问题：接头在Ms点的冷却速度不能过快，要保证 M的“自回火”作用。避免产生冷裂纹。控制冷却速度，避免产生脆化。（1）接头与坡口形式设计U型或V型为最佳，也可以使用对称坡口形式。（2）坡口制备热切割和机械切割都可以加工100mm时，切割前不预热100mm时，切割前100-150预热（3）焊接方法的选用为了避免钢焊后软化，应采用应力集中的热源s686Mpa 用

10、熔化极气体保护焊s 980 Mpa 用钨极氩弧焊或真空电子束焊用大线能量焊接后要进行调质处理（4）焊接材料当母材是在调质状态下焊接时，材料强度与母材匹配。当母材在退火或正火状态下焊接时，应保证调质处理后有相同的力学性能，材料的成分和母材相近。所选材料尽量为低氢型材料，焊前烘干。（5）焊接工艺参数焊接线能量为了防止热影响区脆化和冷裂产生，所选线能量应保证在最佳冷却速度范围内。首先要通过实验确定所焊钢材保证韧性的最大线能量，然后根据用此线能量焊接时的冷裂纹倾向确定是否需要预热。焊接时，用小直径的焊条（焊丝），需要多层小道焊，不要作横向摆动。预热温度主要是为了防止冷裂纹，对改善组织无明显作用。一般预

11、热温度不超过200，可以降低Ms点附近的冷却速度，保证有“自回火”作用。焊后热处理低碳调质钢一般没有必要进行焊后热处理，只有下列情况才要进行消除应力退火处理：a.钢材焊后或冷变形加工后，韧性达不到要求。b.结构要求保证尺寸稳定。c.钢材对应力腐蚀比较敏感，而又有可能导致应力开裂的。3.3 中碳调制钢的焊接知识目标： 1.了解中碳调质钢的使用范围 2.理解中碳调质钢的焊接性分析 3.掌握中碳调质钢的焊接工艺设计能力目标： 1.能够对中碳调质钢进行焊接性分析并设计出焊接工艺 3.3 中碳调制钢的焊接3.3.1中碳调质钢的成分和性能s=8801170Mpa 0.45%c 0.25%为了保证淬透性和消

12、除回火脆性，通常会加入很多合金元素。热处理工艺：淬火+回火 （1）Cr钢Cr能增加低温或高温的回火稳定性，但Cr有回火脆性。Cr1% 塑性和韧性有提高Cr1.5% 有效的提高淬透性Cr2% 塑性较好，但冲击韧性下降如：40 Cr（2）Cr-Mo钢含Cr的基础上加Mo=0.15%0.25%能提高淬透性，消除回火脆性，提高中温强度加入V能起到细化晶粒、提高强度、韧性和塑性，提高高温回火稳定性。如：35 CrMoVA 35 CrMoA（3）Cr-Mn-Si钢（4）Cr-Ni-Mo钢加入Ni和Mo，提高淬透性和抗回火软化性如：34CrNiMoA3.3.2中碳调制钢的焊接性（1）裂纹问题热裂纹中碳调制钢

13、含碳量和合金元素都较高，结晶温度区较高，容易发生偏析。选择材料时应尽量选用含碳低，S、P杂质少的材料。冷裂纹含c增加使Ms点下降，没有“自回火”效果（2）热影响区脆化问题脆化的主要原因是：冷速过大时很容易形成硬脆的高碳M，而且冷速越高，脆化越严重。为了减小过热，应尽量提高t8/5时间，常用的方法是小线能量、预热、缓冷、后热等。1（3）热影响区软化主要是在调质状态下焊接的材料，容易出现软化。调制钢强度越高，软化程度越严重。焊接线能量越大，软化程度越严重。3.3.3中碳调制钢的焊接工艺 调质状态下焊接中碳调制钢的焊接工艺 退火或正火状态下焊接（1）调质状态下焊接焊接性问题：脆化 软化 裂纹焊接方法尽量选择热能集中的、能量密度大的方法焊接材料焊后通常不再进行调质处理，所以主要根据强度和对裂纹控制方面进行选材焊接工艺参数预热 焊前回火温度 预热温度和层间温度高温回火200 350 低温回火低于焊前回火温度50 焊接线能量：为了减小脆化和软化，选用小 线能量。焊后热处理：焊后立即回火，避开回火脆性 区间，回火温度低于原母材回 火温度的50。（2）在退火或正火状态下焊接焊接性主要问题：裂纹，焊后