金属焊接性及其试验方法合金结构钢的焊接

1、第一章 金属焊接性及其试验方法金属材料在焊接时，要经受加热、熔化、化学反应、结晶、冷却、相变等一系列复杂的过程。这些过程又都是在温度、成分、应力极不平衡的条件下进行的，所以往往在焊接区造成缺陷，或者使金属的性能下降而不能满足使用要求。例如：二战期间，美国为了应对战争的需要，制造了4700艘海轮（焊接结构），约有1000艘船体发生了脆性破坏事故，其中190艘的事故是极其严重的，有的甚至裂成两段。因此，单从金属材料本身的性能，不能直接说明它在焊接时可能出现的问题以及在焊后能否满足使用要求。这就要求从焊接角度出发来研究金属的某些特定性能，从而就提出了焊接性的概念。第一节 金属焊接性概念一、金属焊接性

2、1定义：在GB/T3375-1994焊接术语中下的定义是：焊接性是指材料在限定的焊接施工条件下，焊接成规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。焊接性受材料、焊接方法、构件类型及使用要求四个因素的影响。内涵：a.结合性能：材料焊接时对缺陷的敏感性。 b.使用性能：焊成的接头在指定的使用条件下可靠运行的能力。研究焊接性的目的：查明一定的材料在指定的焊接工艺条件下可能出现的问题，以确定焊接工艺的合理性或材料的改进方向。说的通俗些，焊接性就是指金属材料“好焊不好焊”以及焊成的接头“好用不好用”。如果金属焊接工艺过程简单而接头质量高，性能好时，就称作焊接性好。反之，就称作焊接性差。2影响金属焊接性

3、的因素焊接性是金属材料的一种工艺性能，影响因素颇多，但大体可归结为材料、工艺、结构及服役等四个方面。（1）材料因素母材本身的理化性能对其焊接性有着决定性的作用。例如铝的性质很活泼，容易氧化，所以它的焊接比钢困难得多。又如，钢材为较复杂的合金系，并通过热处理、变形加工等方式获得强化，则不易获得与母材完全匹配的焊缝金属，以至整个接头。如果两种以上金属材料的焊接，则和它们各自的性能有关，一般而言，晶体结构、理化性能接近的金属材料比较容易实现焊接。母材的性质除影响到焊缝外，还影响到HAZ。如低C 钢的焊接性好，它的HAZ组织对焊接热输入不敏感，可采用各种方法焊接。而中碳调质钢的焊接性较差，其HAZ组织

4、对焊接热输入敏感，过小的热输入可造成HAZ的冷裂纹和淬硬脆化，过大的热输入，可造成HAZ的过热脆化和软化，所以不仅要控制焊接热输入，还要采取预热、缓冷等其它工艺措施。焊接材料也直接参与了焊接过程的一系列化学冶金反应，影响着焊缝金属的成分、组织和缺陷的形成，所以对母材的焊接性有很大的影响。通过调整焊接材料的成分和熔合比，可以在一定程度上改善其焊接性。如用普通低C钢焊丝CO2焊时，易产生大量CO气孔，而用含Si、Mn较高的焊丝则可避免。（2） 工艺因素工艺因素包括焊接方法、焊接规范、预热、后热等。它对焊接性的影响主要体现在能量密度、冶金条件。焊接热源的特点、功率密度、热输入等工艺参数，直接决定着接

5、头的温度场和热循环，所以对HAZ的大小、组织变化、产生缺陷的敏感性都有显著的影响。另外，焊接区的保护方式和冶金条件也是受工艺因素决定的。例如，等离子弧焊与气焊相比，可以大大减小HAZ宽度，从而减少各种HAZ焊接缺陷。采用Ar弧焊可使焊接区保护严密，使Al、Ti等活性金属的焊接变得容易。采用预热、缓冷可降低接头的冷却速度，从而降低接头的淬硬倾向和冷裂敏感性。（3）结构因素影响焊接时是否发生缺陷（裂纹）影响焊后接头的承载能力焊接接头的结构设计，直接影响它的刚度，拘束应力大小及分布。而这些又影响接头的性能和产生缺陷的敏感性。所以，减小接头刚度，避免应力集中是改善焊接性的重要因素。（4）使用条件接头所

6、承受载荷的性质、温度的高低、工作介质的腐蚀性等，实际上是对焊接性提出了不同的要求，因而也影响着对焊接性的评价。例如在低温下工作的接头要考虑低温韧性的要求，在高温下工作的接头要考虑合金元素扩散和结构蠕变的问题。综上所述，焊接性与材料、工艺、结构和使用条件等因素密切相关，不能单从材料本身来评价金属的焊接性，只能通过多方面的研究对其进行综合评定。二、金属焊接性的分析金属的焊接性除可用直接焊接试验方法确定之外，还可通过分析金属的化学成分、物理特性、化学性能、相图、CCT图或SHCCT图、热处理状态、焊接工艺条件和措施等，可在某种程度上评价金属的焊接性。（一）从金属的特性分析焊接性1利用化学成分分析（1

7、）碳当量法：钢材的化学成分对焊接HAZ的淬硬及冷裂倾向有直接影响，因此可以用化学成分来分析其冷裂敏感性。而在各种合金元素中，C是对冷裂敏感性影响最显著的一个。因而，人们就把各种元素按相当于若干含C量折合并叠加起来求得所谓C当量（CE，Ceq），用CE或Ceq来估算冷裂倾向的大小。CE（Ceq）计算公式：IIW采用： (%).(1)JIS采用： Ceq= (%)(2)（1）式适用于中、高强度的非调质低合金高强钢；CE0.45时，焊接厚度25mm的板可不预热。CE0.41且含C0.207时，焊按厚度37mm的板可以不预热。（2）式主要适用于低合金调质钢。化学成分范圈：C0.2或0.18；si0.5

8、5；Mn1.5；Cu0.5；Ni2.5；Cr1.25； Mo0.7；V0.1B0.006。当板厚25mm，手孤焊热输入17kJ/cm时，预热范围大致如下：图1-1 焊接性与Ceq的关系钢材b500MPa，Ceq0.46时，可不预热钢材b700MPa，Ceq0.52时，预热75钢材b600MPa，Ceq0.52时，预热100钢材b800MPa，Ceq0.62时，预热150。美国焊接学会的Ceq计算公式及判据。Ceq= (%)适用的化学成分范围见P2。结果归于图1-1和表1-1。表1-1 不同条件下的预热要求焊接性用普通酸性焊条用低氢焊条消除应力敲击处理.优良不需预热不需预热不需不需.较好预热40

9、100-10以上不需预热任意任意.尚可预热150预热40100希望希望.可以预热150200预热100必要希望上述公式中Ceq的数值越高，被焊钢材的淬硬倾向越大，冷裂敏感性越大。一般对于20mm，CE0.4%时，钢材的淬硬倾向不大，焊接性良好，不需预热，当CE0.40.6%时，特别是大于0.5时钢材易于淬硬，焊接时需预热才能防止裂纹。用CE(Ceq )估计钢的焊接性是比较粗略的。因为公式中只包含了几种元素，而钢中还有其它元素；而且在不同合金系统中，元素作用的大小也可能不相同。所以，CE（Ceq）只能用于对钢材焊接性从理论上初步分析。（2）焊接冷裂纹敏感指数碳当量法另考虑了钢材的化学成分，而忽略

10、了板厚、焊缝含H量等重要因素。为此，日本人用200多种钢材进行了大量实际试验工作，求得了焊接冷裂纹敏感指数Pc。 (%)式中 板厚度（mm） 1950 mm H焊缝中扩散H含量(ml/100g) H=15ml/100g适用的成分范围：C0.070.22，Si0.60%,Mn0.401.40，Cu0.5%,Ni1.2%Cr1.2%,Mo0.7%,V0.12%,Nb0.04%,Ti0.05%,B0.005%求得Pc后，用下式即可求得斜Y坡口对接裂纹试验条件下，为防止冷裂所需的最低预热温度T0( )T0=1440Pc392( )2利用物理性能分析金属的熔点、导热系数、线胀系数、密度、热容量等因素都对

11、热循环、温度场、熔化、结晶等过程产生影响，从而影响焊接性。Exp.(1) 紫铜，导热系数大、热散失快， HAZ大，坡口不易熔化，焊接时需大功率热源。否则产生未熔透缺陷。Exp.(2) Al及其合金导热系数高、结晶快、密度小，熔池中的气泡及夹杂物不易上浮，在焊接中易产生气孔、夹杂。Exp.(3) S.S.导热系数小，线胀系数大，焊接时温度梯度陡，残余应力高，变形大，且高温停留时间长，HAZ晶粒长大，对接头性能不利。3利用化学性能分析与O亲合力强的金属（Al、Ti），在高温下极易氧化，要采取可靠的保护方法（隋性气体、真空）甚至背面也需保护。对化学性活泼的金属，要严格控制有害元素对焊接区的污染。4利

12、用合金相图分析可利用材料的合金相图分析焊接性问题。例如，共晶相图，固相线与液相线温度区间的大小，会影响结晶时的成分偏析、脆性温度区间大小，这对分析热裂纹有重要的参考意义。若结晶时形成单相组织，则焊缝晶粒易粗大，易形成热裂。5利用CCT图或SHCCT图分析对于低合金钢，利用CCT图或SHCCT图，可以大体分析在不同的焊接热循环条件下将获得什么样的组织和硬度，估计有无冷裂的危险，以确定适当的焊接工艺条件。除以上各项外，在分析焊接性时，还应考虑金属焊前的热处理状态。如调质处理的高强钢，焊后HAZ会出现软化区。（二）从焊接工艺条件分析焊接性1热源特点 不同的焊接方法在热源功率、能量密度、加热的最高温度

13、等方面有很大差别，从而影响金属的焊接性。Exp.(1) 电渣焊功率大、密度低、最高加热温度不高，加热慢，高温停留时时间长，使得HAZ晶粒大，ak值显著降低，须正火后方可使用。Exp.(2) 电子束焊、激光焊则与之相反，HAZ小，无晶粒长大危险。2保护方法 熔焊时对焊接区的保护有渣、气和真空等几种，这些方法分别适用于不同的金属或合金。Exp.一般钢材焊接时，多以渣保护为主，有时也采用气保护。对Al、Mg、Ti等有色金属则以惰性气体保护焊为主。而真空保护时不宜用于含Zn、Li、Mn等高蒸气压成分较高的合金。保护方法选择是否适当也会影响金属的焊接性。3热循环控制 对热循环的控制除正确选择焊接工艺规范

14、外，也可用预热、缓冷、层间温度加以调整。4其它工艺因素（1）彻底清理坡口及其附近（2）严格按规定处理焊接材料（3）合理安排焊接顺序（4）正确制定焊接规范第二节 焊接性试验一、焊接性试验的内容1.工艺焊接性试验 目的：考察金属材料的结合性能 （1）焊接裂纹敏感性试验 a 焊接冷裂纹敏感性试验 b 焊接热裂纹敏感性试验 c 焊接再热裂纹敏感性试验 d 层状撕裂敏感性试验等（2） 析因理化试验 a 焊接材料熔敷金属扩散氢试验 b 焊缝和母材化学成分分析试验 c 焊接接头金相试验 d 焊接接头硬度试验等2.使用焊接性试验 目的：考察焊接接头的使用性能 （1） 焊接接头力学性能试验 如：拉伸试验、弯曲试

15、验、冲击试验等。 （2）其它特殊性能试验 如：焊接接头抗脆断试验、耐腐蚀性试验、高温性能试验等。 （3） 析因理化试验 如：焊接断口试验，焊接金相试验等。 二、焊接性试验方法分类1.按试验者与研究对象的关系分类 （1）间接试验：以推理或模拟为主要特征； （2）直接试验：以焊接试件为主要特征。2.按照金属焊接性的内涵分类 （1）工艺焊接性试验：评定结合性能； （2）使用焊接性试验：评定使用性能三、焊接性试验方法的选用原则1.尽可能地接近产品的结构条件和使用条件（良好的针对性） 焊接接头型式相对应； 试件略大于焊件的拘束度RF。 RF=K1=E/L 式中：K1拘束系数； 板厚； E弹性模量； L拘

16、束长度。2.具有较好的再现性和试验精度（较好的再现性）3.经济简便（一定的经济性）。第三节 常用焊接性试验方法焊接性试验得内容和方法种类繁多，但由于裂纹是焊接接头中最常见而又最重要的焊接缺陷，所以焊接裂纹试验成为最重要的焊接性试验。曾经纳入国家标准的裂纹试验方法有斜Y形坡口裂纹试验方法、搭接接头（CTS）焊接裂纹试验方法、T形接头焊接裂纹试验方法、压板对接（FISCO）焊接裂纹试验方法、焊接用插销冷裂纹试验方法等五种。一、斜Y形坡口焊接裂纹试验法（GB4675.1）这种方法也称“小铁研”试验，主要用于评定碳钢和低合金高强钢焊接HAZ的冷裂纹敏感性，也可作为焊条与母材组合的裂纹试验。1.试件尺寸

17、及制备坡口只准用机加工，拘束焊缝用45mm低H型焊条对称焊接。2. 焊接试验试验焊缝采用手弧焊和自动送进焊条装置焊接时，按图14进行。为了比较不同钢材的冷裂纹倾向，推荐采用的工艺参数为：45mm， 170A±10A， 24±2V， 150±10mm/min。3. 裂纹检测试验焊缝可在不同的温度下施焊，焊后48h进行裂纹检测和解剖。表面裂纹用肉眼或磁粉渗透检测等检查，断面裂纹应先用机械方法制取断面试样，研磨腐蚀后用2030倍放大镜检查。裂纹长度或高度按图15检测。裂纹为曲线形状时，按直线长度检测，裂纹重叠时不必分别计算。表面裂纹率 Cf×100根部裂纹率

18、Cr×100断面裂纹率 Cs×100式中表面裂纹长度之和（mm） L试验焊缝长度（mm） 根部裂纹长度之和（mm） 五个断面上裂纹深度之和（mm） 五个断面焊缝最小厚度之和（mm）4.应用准则由于这种接头形式的拘束度极大，应力集中明显，试验条件比较苛刻，所以一般认为表面裂纹率小于20，无根部裂纹时，用于生产就是安全的。二、插销试验方法（Implant Test） 该方法是测定低合金钢焊接热影响区冷裂纹敏感性的一种定量试验方法。这种方法因消耗材料少、试验结果稳定，所以应用较广泛。1) 试样制备 将被焊钢材加工成圆柱形的插销试棒，沿轧制方向取样并注明插销在厚度方向的位置。插销试

19、棒的形状如图1-8所示，各部位尺寸见表1-2。试棒上端附近有环形或螺形缺口。将插销试棒插入底板相应的孔中，使带缺口一端与底板表面平齐，如图1-7所示。 图1-7 插销试棒、底板及熔敷焊道a) 环形缺口插销 b) 螺形缺口插销图1-8 插销试棒的形状a) 环形缺口插销 b) 螺形缺口插销对于环形缺口的插销试棒，缺口与端面的距离a应使焊道熔深与缺口根部所截平面相切或相交，但缺口根部圆周被熔透的部分不得超过20%，如图2-16所示。对于低合金钢，a值在焊接热输入E=15kJ/cm时为2mm。根据焊接热输入的变化，缺口与端面的距离a可按表1-3作适当调整 。表1-2 插销试棒的尺寸表1-3 缺口位置a

20、与焊接热输入E的关系图2-16 熔透比的计算 图1-9 底板的形状及尺寸 2) 试验过程 按选定的焊接方法和严格控制的工艺参数，在底板上熔敷一层堆焊焊道，焊道中心线通过试棒的中心，其熔深应使缺口尖端位于热影响区的粗晶区。焊道长度L约100-150mm。施焊时应测定800-500的冷却时间t8/5值。不预热焊接时，焊后冷却至100-150时加载；焊前预热时，应在高于预热温度50-70时加载。载荷应在1min之内且在冷却至100或高于预热温度50-70之前施加完毕。如有后热，应在后热之前加载。为了获得焊接热循环的有关参数（t8/5、t100等），可将热电偶焊在底板焊道下的盲孔中（见图1-9），盲孔

21、直径3mm，深度与插销试棒的缺口处一致。测点的最高温度应不低于1100。当加载试棒时，插销可能在载荷持续时间内发生断裂，记下承载时间。在不预热条件下，载荷保持16h而试棒未断裂即可卸载。预热条件下，载荷保持至少24h才可卸载。可用金相或氧化等方法检测缺口根部是否存在断裂。经多次改变载荷，可求出在试验条件下不出现断裂的临界应力cr。临界应力cr可以用启裂准则，也可以用断裂准则，但应注明。根据临界应力cr的大小可相对比较材料抵抗产生冷裂纹的能力。 三、压板对接（FISCO）焊接裂纹试验（GB4675.484）用于评定低合金高强钢、A不锈钢、铝合金的焊缝金属热裂纹敏感性。也可做材料与焊条匹配性的试验

22、。1. 试件制备试件形式尺寸如图。试件坡口为I形厚板可用正Y形，用机械加工。2. 试验程序 安装试件。将试件安装在C形夹具中，在试件坡口两端按试验要求装入相应的塞片，保证坡口间隙（06mm）。先将水平方向的4个螺栓紧固，顶紧试件，再把垂直方向的14个螺栓用测力扳手以120N.m的扭距紧固。图1-10 压板对接（FISCO）试验装置1C形拘束框架 2试板 3紧固螺栓 4齿形底座 5定位塞片 6调节板 焊接。然后按生产上使用的工艺参数依次焊接长约40mm、间距10mm的4条焊缝，弧坑不填满。 检测。焊后约10min取下试件，待冷却后将试件沿焊缝纵向弯断，观测有无裂纹，并测量长度。裂纹率按下式计算：

23、CR=×100式中 4条试验焊缝上裂纹长度之和（mm） 4条试验焊缝长度之和（mm）四、可调拘束裂纹试验主要用于评定低合金钢各种热裂纹（结晶裂纹、液化裂纹等）敏感性。这种方法的原理是在焊缝凝固后期施加一定的应变来研究产生裂纹的规律。当外加应变值在某一温度区间超过焊缝或热影响区金属的塑性变形能力时，就会出现热裂纹，以此来评定产生焊接热裂纹的敏感性。根据试验目的不同，可分为纵向和横向两种试验方法。如图1-13所示。（a）（b）图1-13 可调拘束裂纹试验示意图 a)纵向试验法 b)横向试验法两者可在同一台试验机上进行。试验过程基本相同，仅焊缝所承受的应变方向不同。试验时只需将焊接方向扭转

24、90°。用工具显微镜检测裂纹的总长度和裂纹数量。可调拘束裂纹试验时，加载变形可有快速和慢速两种形式。慢速变形时，采用支点弯曲的方式，应变量由压头下降弧形距离S控制，其应变速度约为每秒0.30.7。SR0/180式中 S加载压头下降的弧形位移(mm)； R0加载压头的旋转半径(mm)； 试板的弯曲角(rad)。快速变形时，应变量由可更换的弧形模块的曲率半径控制，该应变量可用下式计算：=(/2R)×100试板尺寸为：(516)mm×(5080)mm×(300350)mm。焊条按规定烘干，再以规定的工艺参数进行施焊(焊条直径4mm，焊接电流l70A，电弧电压2

25、426V，焊接速度150mm/min)。由A点焊至C点后熄弧，焊接到达B点时，加载压头突然加力F下压，使试板发生强制变形而与模块贴紧。变更模块的R即可变更应变量，而达到一定数值时就会在焊缝或热影响区发生热裂纹。随着增大，裂纹的数目及长度总和也都增加，从而可以获得一定的规律。图1-15刚性固定对接裂纹试验试件横向可调拘束裂纹试验主要用于测试焊缝中央的结晶裂纹和高温失塑裂纹；纵向可调拘束裂纹试验则主要用于测试结晶裂纹和液化裂纹。五、其它焊接性试验方法简介（一）拉伸拘束裂纹试验（Tensile Restraint Cracking Test, 即TRC试验）基本原理是模拟焊接接头承受的平均拘束应力，

26、在一定坡口形状和一定尺寸的试板间施焊后，冷却到规定温度时在焊缝横向施加一拉伸载荷并保持恒定，直到产生裂纹或断裂。 调整载荷，可以求得加载24h而不发生开裂的临界应力。根据临界应力的大小，即可评定冷裂敏感性。此法设备较大而复杂，所需试板的尺寸也很大。试验结果常与插销试验一致。（二）刚性拘束裂纹试验（Rigid Restrain Cracking Test，即RRC试验）基本原理是模拟焊接接头承受外部拘束，由于接头冷却时金属收缩所产生的应力而引起裂纹。其简化原理图如图1-14所示。图a为设想的情况，图b为实际试验机上安装试件的情况。总之，试验中要保持拘束距离l固定不变（即所谓刚性拘束)。拘束距离l

27、增大时，拘束度就减小，焊缝处的拘束应力便降低，产生裂纹所需时间也延长。当l增大到一定数值后便不再发生裂纹，此时的拘束应力便是临界应力，可以用作评价冷裂敏感性的尺度。此试验比TRC试验的恒载拉伸更接近实际焊接情况。（三）刚性固定对接裂纹试验（Restrained Butt Joint Cracking Test）这种试验方法主要用于测定焊缝的冷裂纹和热裂纹倾向，也可以测定热影响区的冷裂纹倾向，适用于低合金钢焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊等。试件形状、尺寸见图1-l5。四周固定焊缝的焊脚K12mm，若板厚12mm，则K。试验焊缝按实际生产时的工艺参数施焊。焊后在室温下放置24h后检查焊缝表面有无裂

28、纹，再横切焊缝取两块磨片检查有无裂纹，一般即以有无裂纹为评定标准。（四）窗形拘束裂纹试验（Window Type Restraint Cracking Test）主要用于测定低合金钢多层焊时，焊缝横向冷裂纹及热裂纹的敏感性，为选择焊接材料和确定工艺条件提供试验依据。图1-17 Z 向拉伸试验a)取样部位 b) 试棒示意图见图1-16。图中a为窗口及试板；图b为焊后解剖试板检查裂纹的方式。事先将试板焊在窗口部位，然后从两面填满坡口完成试验焊缝。焊后放置24h再检查，一般以有无裂纹为准则也可以裂纹率为相对比较。图1-16窗形拘束裂纹试验（五）Z向拉伸试验（Z-direction Tensile T

29、est）它是利用钢板厚度方向（即Z向）的断面收缩率来评定钢材的层状撕裂敏感性。对于25mm的板可直接沿厚度方向截取小型拉伸试棒；如25mm或需制备常规拉伸试棒时，则可按图1-17加工试棒。试棒拉伸破坏后，以Z向断面收缩率Z为层状撕裂敏感性的判断。目前我国没有试验标准，对于低合金钢可参照日本有关标准。当z5%时，层状撕裂敏感性就很严重；z25%时，才能较好地抵抗层状撕裂。抗层状撕裂标准分类该判据不是绝对的，要看原材料其它方向的Z值。该法比较简单，在工程上应用广泛。（六）Z 向窗口试验（Z-Direction Window Type Test） 也是一种测试层状撕裂敏感性的试验方法，试件的形状及尺

30、寸如图1-18所示。在大拘束板（300mm×350mm×30mm）的中心开一“窗口”（图a），将试验板插入此窗口（图b），按图c所示的顺序焊4条角焊缝，其中1、2为拘束焊缝，3、4为试验焊缝。装配时应将未加工的表面放在试验焊缝一侧，焊后在室温下放置24h后再切取试样检查裂纹率。裂纹率CR按下式计算，即：式中 l各截面上撕裂长度总和（mm）； L各截面上焊缝厚度总和（mm）图1-18 Z 向窗口试验a) 拘束板 b) 试验板的位置 c) 焊接顺序 第二章 合金结构钢的焊接第一节 合金结构钢结构钢：用来制造机械零件和工程结构的钢，分碳素结构钢和合金结构钢。合金结构钢：就是在碳素

31、结构钢的基础上添加一定量的合金元素来达到所需要求的一些钢。通过加入合金元素，使钢材获得了高的强度，并有一定的塑性和韧性，或者其它特殊性能（如耐低温、腐蚀性等）且具有良好的加工工艺性。合金结构钢种类繁多，其合金系统、使用环境也不相同，因此有不同的分类方法。对焊接生产来说，综合考虑了它们的性能和用途，将其分为强度用钢和专用钢两类。强度用钢主要应用在常规条件下要求其力学性能的机械零件和工程结构，其合金化的主要目的是提高钢材的强度，并保证钢材有足够的塑性和韧性。专用钢具有特殊使用性能，除了力学性能外，还必须适应特殊环境下工作要求。一、强度用钢这类钢即常说的高强钢，其屈服点在294MPa以上。它的应用面

32、宽，常用来制造常温下工作的受力构件。如压力容器、动力设备、工程机械、运输机械、桥梁建筑结构和管道等。根据屈服点高低及热处理状态，这类钢又可分为热轧及正火钢、低碳调质钢、中碳调质钢三类。1.热轧及正火钢是一种非热处理强化钢，一般在热轧及正火状态下供货，故称为热轧钢或正火钢。因其合金元素含量低（总量不大于3），屈服点为294490Mpa，所以又称为低合金高强钢。在我国得到了很大的发展。近二十年来，由于大型压力容器、寒冷地区输油管线、大跨度全焊桥梁等工程的需要，在这类钢件中又开发出了一些新分支，如微合金化控轧钢，其本质与正火钢相似；Z向钢（抗层状撕裂钢）在冶炼中使用了Ca（或Re）处理和真空除气等特

33、殊措施后，使之具有低S（0.005），低气体含量和高的Z向断面收缩率（35）等特点，它也是一种s 343MPa的正火钢；还有一种焊接大热输入钢，也是这类钢中的一类，它是在其中加入了微量的Ti，利用TiN质点来抑制加热时的晶粒长大，改善HAZ韧性。2.低碳调质钢s =441980MPa(大部分书中为490980MPa)，是一种热处理强化钢，在调质状态下供货。其特点是含C量低（0.25以下），强度高，且有良好的塑性及韧性。可直接在调质状态下进行焊接，且焊后不须进行调质处理，必要时可采用消除应力处理，不足之处是焊后会在HAZ造成软化带。在s =441490MPa的低合金钢中有调质和非调质两大类。正火

34、钢和低碳调质钢强化方式的比较：正火钢是靠加入的合金元素，在正火条件下通过沉淀强化和细化晶粒来提高强度和保证韧性的。强度越高，所加入的合金元素越多，当合金元素的含量超过一定值后，、aK就会严重恶化，所以正火钢所能达到的最高s就是490MPa左右。调质钢是通过调质处理，充分发挥了合金元素的作用，只要添加少量的合金元素，就能通过淬火回火来获得回火M或B，既提高了强度又保证了韧性。所以达到同一强度水平，调质钢所需的合金元素含量要比正火钢少。因而同一级别的调质钢和正火钢，通常前者的韧性和焊接性好，HAZ淬硬倾向小，冷裂敏感性低。s490MPa的CF钢就是含C量极低的微合金化调质钢。3.中碳调质钢s高达8

35、801176MPa以上，也是热处理强化钢。与低碳调质钢相比，其含C量高（0.3），所以淬硬性强，热处理后达到很高的强度和硬度，而韧性较低。所以给焊接工作带来了很大困难，一般要在退火状态下焊接，焊后再进行整体热处理以达到所需的强度和硬度，主要用于制造大型机械零件和要求减轻自重的高强结构，如火箭发动机壳体、飞机起落架等。二、专用钢1.珠光体耐热钢这类钢主要用于最高工作温度为500600的高温设备，如热动力设备和化工设备。其特点是具有较好的高温强度和高温抗氧化性。它是一种以Cr、Mo为基础的低中合金钢。随使用温度提高，钢中往往加入V、W、Nb、B等合金元素，这种钢根据使用要求可以进行各种热处理（包括

36、调质处理）。但焊后一般不进行调质处理，主要进行高温回火处理。2.低温用钢其特点是具有非常好的低温韧性，这是与低合金高强钢的主要区别，对强度无特殊要求。它适用于低温（40 196）下工作的各种低温装置、工程结构（如严寒地区的桥梁、管线），如用它制造的容器可用于液化石油气（45 ）和液化天然气（162）的贮运。这类钢大部分是一些含Ni的低C低合金钢。一般都在正火或调质状态下使用，选用时，主要根据不同的低温韧性要求来考虑。3.低合金耐蚀钢主要用在大气、海水、石油、化工等腐蚀介质中工作的机械设备和结构。因此，除要求有一定的力学性能外，还需有耐蚀能力。由于所处介质不同，耐蚀钢的类型和成分也不同，而应用最

37、广的是耐大气和海水腐蚀用钢。第二节 热轧、正火钢的焊接一、热轧及正火钢的成分与性能1.热轧钢这类钢的价格便宜，且具有良好的综合力学性能和工艺性能。因此，在各国均得到了普遍应用，如我国的16Mn,15MnV, 日本的SM50等，其屈服点为294343MPa，均属于C-Mn或Mn-Si系的钢种。主要用Mn、Si两元素的固溶强化作用，其成分为C0.2%，Mn1.6%，Si0.55。Si>0.6对ak 不利，C>0.3%，Mn>1.6后，焊接时常出现裂纹及脆性B体组织，有时也可以用V、Nb代替部分Mn。Mn、Si是固溶强化元素，用以保证强度；V、Nb用以细化晶粒，也有少许沉淀强化作用

38、，需指出的是，为保证这类钢的焊接性和缺口韧性，其s一般限制在343MPa水平。在我国的低合金高强系列中，只有15MnV钢在热轧状态下s 达到392MPa。它是在16Mn基础上少量V（0.040.12）而形成的，加V的目的在于细化晶粒和沉淀强化。这种钢虽能在热轧状态下使用，但性能很不稳定，板厚增加时更为严重。所以它应在正火状态下使用更为合理，因为正火能使其晶粒细化和VC均匀弥散分布，从而获得高的和ak。几种热轧钢的成分、性能见P18表21。462.正火钢正火钢是在热轧钢的基础上进一步沉淀强化和细化晶粒而形成的，即在C-Mn，Mn-Si系的基础上再添加一些C化物，N化物形成元素，如V、Nb、Ti、

39、Mo等。正火的目的，是为了使C、N化合物以细小的质点从固溶体中沉淀析出，并起到晶粒细化的作用，使在提高强度的同时，钢材的和aK也得到适当改善，以达到最佳的综合性能。这类钢的s一般在343490 MPa之间。对于一些含Mo钢来说，正火后还必须回火才能保证其良好的和aK。因此，正火钢又分两种：（1）正火状态下使用的钢这类钢除了15MnTi外，主要是含V、Nb的钢。V、Nb的作用在于形成C、N化合物，起到沉淀强化和细化晶粒的作用，以提高强度、改善韧性和塑性。另外，由于Nb、V的加入，钢的强度提高，所以可以适当降低含C量，这对提高韧性、改善焊接性也有益处。这类钢的特点是屈强比高，因此，从提高抗拉强度和

40、降低屈强比出发，一般将V、Nb正火钢中的含C量限制在0.150.20之间。我国的15MnV和美国的A225A（Mn-V）、美国的A737B（Mn-Nb）、我国的15MnVN、美国的A737C和德国的FG39（Mn-V-N）都属此类。在这类钢中加入N后形成VN，其沉淀作用强，使MnV钢的s由392MPa提高到441MPa。为了提高韧性，可在这类钢中加入少量Ni，如德国的FG43（Mn-Ni-V-N）。（2）正火回火状态下使用的含Mo钢Mn-Mo系钢，钢中加入0.5Mo，可细化晶粒，提高强度，以及钢的中温性能。因此，一般适用制造中温厚壁压力容器。但含Mo钢在较高的正火温度或较大的连续冷却速度下，得

41、到的组织为上贝氏体和少量铁素体，必须经回火才能具有良好的和ak，才能保证获得良好的综合性能。属于这类的钢有：18MnMoNb、14MnMoV、A302B（美）等。加入少量Nb，使s增加，同时使钢的热强性增加。另外钢中加入0.40.7Ni成为Mn-Ni-Mo钢，如A302C，改善了钢的低温韧性。3. 微合金化控轧钢是70年代发展起来的一个新钢种，是热轧和正火钢的一个重要分支。它是以微合金化（加入微量的Nb、V、Ti）及炉外精炼、控轧、控冷等工艺获得细晶等轴F基体及高度弥散的C化物的钢种。主要用于制造石油和天然气的输送管线，如X60、X65、X70、X80等。加入质量分数为0.1%左右对钢的组织性

42、能有显著或特殊影响的微量合金元素的钢，称为微合金钢。多种微合金元素（如Nb、Ti、Mo、V、B、RE）的共同作用称为多元微合金化，微合金钢单一微合金元素的质量分数通常在0.25%以下。通过细晶强化可进一步降低低合金高强钢的碳含量，减少固溶的合金元素，使其冲击韧性得到进一步提高。 微合金控轧钢是热轧及正火钢中的一个重要的分支，是近年来发展起来的一类新钢种。它采用微合金化（加入微量Nb、V、Ti）和控制轧制等技术达到细化晶粒和沉淀强化相结合的效果。在冶炼工艺上采取了降C、降S、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晶粒等轴晶铁素体基体。微合金化钢就其本质来讲与正火钢类似，它是在低

43、碳的C-Mn钢基础上通过V、Nb、Ti微合金化及炉外精炼、控轧、控冷等工艺，获得细化晶粒和综合力学性能良好的微合金钢。 控轧钢具有高强度、高韧性和良好的焊接性等优点。控轧钢的晶粒比一般正火钢的晶粒细，强度和韧性也高一些，因为正火钢的奥氏体化温度一般为900，而控轧时的终轧温度约为850。但控轧钢的板厚受到一定限制，因为板厚增加时晶粒细化和沉淀强化的效果会受到影响。钢的晶粒尺寸在50m以下的钢种称为细晶粒钢，细化晶粒可使钢获得强韧性匹配良好的综合力学性能。细化晶粒所采取的主要工艺为控轧或控冷。控轧主要是控制钢材的变形温度和变形量，利用位错强化来韧化钢材；控冷主要是控制钢材的开始形变温度和终了形变

44、温度，以及随后的冷却速度。与控轧相比，控冷对钢材晶粒细化的效果更显著。控轧后立即加速冷却所制造的钢，称为TMCP（Thermo-Mechanical Control Process）钢。 TMCP钢通过控轧控冷技术的应用，晶粒尺寸可小于50m，最小可达到10m。超细晶粒钢可使晶粒尺寸达到0.110m。TMCP钢具有良好的加工性和焊接性，满足了石油和天然气等工业的需要，这类钢还将在更多的钢结构中得到应用。 控轧管线钢焊接的主要问题是过热区晶粒粗大使抗冲击性能下降，改善措施是在钢中加入沉淀强化元素（形成TiO2、TiN）防止晶粒长大，优化焊接工艺及规范。二、热轧及正火钢的焊接性分析钢材的焊接性主要

45、取决于化学成分。焊接性通常表现为两方面的问题：一是焊接过程中造成的各种冶金缺陷，对这类钢主要是各类裂纹，二是焊接时HAZ内母材性能的变化，对这类钢主要是脆化问题。（一）焊缝中的热裂纹结晶裂纹三大因素：1.脆性温度区间的大小 2.在脆性温度区间内金属的塑性 3.在脆性温度区间内随温度降低变形增长率在这类钢中，热裂纹的形成主要是S在晶间形成低熔点的S化物及其共晶体所引起的，所以S是直接有害元素。而C、Si、Ni等能促使它的有害作用，Mn则能抵消它的有害作用。Mn能与S形成MnS,使S化物形态分布发生变化。所以为了防止热裂纹，钢中的Mn/S要达到一定要求。而Mn/S值又受含C量的影响。从热轧及正火钢

46、的成分来看，一般含C量都较低，而含Mn量都较高，因此它们的Mn/S比都能达到要求，抗热裂性是比较好的，正常情况下焊缝中不会出现热裂纹。但当材料成分不合格，或局部C、S偏析，含量过高时，也可能出现热裂纹。在这种情况下，应从工艺上减少熔合比，采用低C高Mn的焊接材料，以降低焊缝中的C含量，提高Mn含量。（二）冷裂纹冷裂纹是焊接这类钢的一个主要问题。引起冷裂纹的原因有三个：一定的含氢量，一定的拘束度，及对裂纹敏感的淬硬组织。其中前两个因素取决于工艺（包括焊接材料的选择）和结构。后一因素则与被焊材料本身有关。因此，焊接时是否形成对H致裂纹敏感的淬硬组织是评定材料焊接性的一个重要指标。1. 淬硬倾向与冷

47、裂纹敏感性的关系钢材的冷裂纹敏感性主要取决于它们的淬硬倾向。所以它可通过SHCCT曲线来进行分析比较。若无此曲线，也可借用一般的连续冷却曲线（CCT）和恒温转变曲线（TTT）。因此这三种曲线都反映了钢材冷却过程中的组织转变特点。只是由于冷却条件不同，曲线的右移程度不同。例如CCT曲线比TTT曲线右移增加1.5倍以上，而SHCCT曲线右移更多，也就是CCT的淬火临界冷却速度比TTT曲线所得的小1.5倍，而SHCCT更小。因此它们之间存在着一定的对应关系，但比较两种钢的淬硬倾向时，必须用同一种曲线，而且还必须注意钢材加热前的原始组织，A化温度和时间，因为它们都会影响冷却过程中A的稳定。（1）热轧钢

48、的淬硬倾向与冷裂敏感性热轧钢的C含量虽不高，但含有少量的Me，因此，淬硬倾向比低C钢大。随钢材强度级别的提高，Me量增加，淬硬倾向逐渐增大。以16Mn与低C钢相比：16Mn在连续冷却时，P转变右移较多，快速冷却过程中F析出后，剩下的富碳A来不及转变为P，而转变为B和M。得到全部M的临界冷却速度比低C钢小，所以淬硬倾向大，冷裂敏感性大。可根据图中R10、NO4冷却曲线估计出厚板手弧焊时HAZ过热区的组织状态。16Mn为少量F、B和大量M；低C钢为F,少量P和大量B，冷却速度不大时，二者是相近的。图2-1（2）正火钢的淬硬倾向与冷裂敏感性强度级别较高，Me含量较高，与低C钢相比，焊接性差别较大。冷

49、裂纹敏感性一般随强度级别的提高而增加，s为392MPa的15MnV和15MnTi，从合金元素含量来看，基本上与s为343MPa的热轧钢16Mn相似，淬硬倾向稍有增加，而s达490MPa的正火钢18MnMoNb，则接近于调质钢的类型。图2-2，比较15MnVN和18MnMoNb的SHCCT曲线可看出，后者过冷A非常稳定，转变曲线比15MnVN靠右很多，冷却时很容易得到B、M，所以淬硬倾向大，冷却敏感性也大。a）15MnVN b）18MnMoNb图2-2 15MnVN和18MnMoNb的SHCCT曲线2.碳当量与冷裂敏感性的关系淬硬倾向越大，冷裂敏感性越大。而淬硬倾向取决于钢材的化学成分，其中以C

50、的作用最为明显。因此可以用经验性的C当量来粗略估计和对比不同钢材的冷裂敏感性。碳当量越高，冷裂敏感性越大。IIW和JIS公式前已述及。另外，日本人又给出了合金元素的裂纹敏感指数计算公式：但该式无判据。应用这些公式时要注意其适应范围。在实际中，CE公式用得普遍。一般认为CE0.4，焊接时无裂纹，焊接性良好（热轧钢都属于这类），除钢板厚度很大和环境温度很低外，不需预热和控制焊接热输入。正火钢的CE在0.40.6之间，属有淬硬倾向钢，CE0.5时，淬硬倾向不明显，焊接性尚可，但随板厚增加，往往要采取预热措施，如15MnVN；当CE0.5时，淬硬倾向明显，冷裂倾向较大，为避免裂纹产生需采取严格的工艺措

51、施，如预热、焊后热处理、严格控制热输入等，18MnMoNb就是如此。3. HAZ最高硬度值与冷裂敏感性的关系为了控制淬硬组织，采取一种简便的办法，即将HAZ最高硬度值控制在低于某一刚好不出现冷裂纹的临界值最高硬度值以下。过去曾规定Hmax350HV，但随各种低合金高强度钢的大量出现，强度级别不断提高，钢材正常的硬度值也在提高。显然Hmax350就不适合了。日本焊协和高压力技术协会给出了几种焊接结构用高强度钢的Hmax（表2-2）。最高硬度允许值不仅与钢材的强度级别有关，而且与它的具体成分有关。所以所列数据只能作为参考。完全用它来评定焊接性和确定焊接规范、预热温度是不可靠的。如16Mn和15Mn

52、VN分别相对于表中HW36和HW45，但试验结果（表2-3与表2-4）说明，不出现裂纹的最高硬度都低于表中值。（三） 再热裂纹焊后焊件在一定温度范围内再次加热（消除应力热处理或其它加热过程）而产生的裂纹称为再热裂纹。它的特点为：产生于近缝区的粗晶粒区，且属晶间断裂。产生于再热的升温过程中，并且存在一个敏感的温度范围(低合金高强钢，耐热钢在500700)。出现在能产生沉淀强化的金属材料中。必须有较大的焊接残余应力。对于C-Mn、Mn-Si系的热轧钢，由于不含强碳化物形成元素，所以对再热裂纹不敏感。而对一些含有强碳化物形成元素的正火钢也不一定会产生再热裂纹，这主要与合金系统有关。如15MnVN钢，

53、含有V，但对再热裂纹不敏感。如18MnMoNb、14MnMoV则有轻微的再热裂纹敏感性，可采取提高预热温度或焊后立即后热等措施来防止。例如18MnMoNb预热230或预热180180×2h焊后等温处理，14MnMoV预热300或预热180250×2h焊后等温处理，就可防止再热裂纹。（四）层状撕裂层状撕裂主要是由于材料本身内的夹杂物较多，Z向塑性低和Z向拘束应力大造成的。就材料本身来说，主要取决于冶炼条件，钢中的片状S化物，层状硅酸盐，以及成片存在于同一平面内的其它夹杂物等都能导致Z向塑性的降低和层状撕裂的产生。其中以片状S化物的影响尤为严重。从Z向拘束应力考虑，撕裂与板厚有

54、关。 一般板厚大时才可出现，板厚在16mm以下时就不易产生层状撕裂。因此，一般认为，S含量和Z向断面收缩率是评定钢材层状撕裂敏感性的主要指标。另外，还可采用测试层状撕裂敏感性的试验方法（如Z向窗口试验，Z向拉伸试验）来进一步考虑。为了防止层状撕裂，应选用对层状撕裂敏感性小的材料，如专用的Z向钢D36（S=0.003%）,减少Z向拘束应力（改变接头形式，预堆软焊道过渡层，采用低强焊缝、预热等）。（五）HAZ的性能变化HAZ的性能变化，与所焊钢材的类型和合金系统都有很大关系，焊接热轧及正火钢时，HAZ的主要性能变化是过热区的脆化问题。另外，在一些合金元素低的钢中还可能出现热应变脆化。1.过热脆化区

55、过热区是指熔合线附近加热到1100以上到熔点以下的温度区域。由于该区温度很高，所以发生了A晶粒的显著长大和一些难熔质点（如C化物和N化物）的溶入过程，这些过程的产生直接影响到过热区性能的变化。例如：过热的粗大A晶粒增加了它的稳定性，在冷却过程中随钢材成分不同以及所有的焊接热输入不同，可能发生一系列不利的组织转变，如W以及塑性很低的混合组织（F、高CM、B）和MA组元等；难溶质点溶入后往往在冷却过程中来不及析出而使材料变脆。但是过热区性能变化不仅取决于影响高温停留时间和冷却速度的焊接热输入，而且与钢材本身的类型和合金系统有着密切的关系。（1）热轧钢。C-Mn、Mn-Si系的热轧钢，主要靠固溶强化，合金元素在全部固溶条件下能保证良好的综合性能。因此它对焊接热的敏感性不大。如图2-3，0.17C1.1Mn钢，在0时，热输入对过热区断裂韧度几乎没有影响，在-40时出现了低热输入和高热输入一侧韧性下降的问题。有关分析证明，低热输入时韧性下降的主要原因是M比例增加，而高热输入时脆化的主要原因由于A晶粒长大严重，冷却时形成了低塑混合组织。近年来对16Mn钢的研究也是如此，如慢冷时，由于B、F加M-A组元数量的增加和M-A组元宽度的增加，使得16Mn钢的低温断裂