合金结构钢的焊接

1、1第三章合金结构钢的焊接3-1合金结构钢的分类科技的发展对工程结构和机械零件用钢的性能提出高要求，碳素结构钢不能满足。碳素结构钢+合金元素（改善材料的性能） 合金结构钢分类：强度用钢、特殊用钢-、强度用钢（高强钢）（Ts294N/mm大量用于常温工作的受力结构如压力容器、动力设备、工程机械、桥梁、建筑、管道等。1.热轧（热轧态）及正火钢（正火态使用）294343为热轧钢2（Ts=294490N/mm（低合金、非热处理强化）。微合金化控轧钢：CF钢（Ts343N/mrmWc,（正火钢）微合金化钢Z向钢板、（Ts343N/mrl，钙处理，真空降气，Ws大大降低2.低碳调质钢（Ts441980N/m

2、rm热处理强化Wc0.025%,S T,韧性T （T T可用调质态焊，焊后不须调质处理，必要时去应力处理。T s=441-490N/mrh,分调质与非调质二类。正火（正火+回火）钢，合金元素沉淀强化，细化晶粒，S T,韧性T但 WMTT,韧性J S J正火钢T s0. 3%，淬硬性增大，韧性降低。退火态焊接，整体热处理，结构自重 -（飞机起落架、火箭壳体）二、特殊用钢1珠光体耐热钢具较好的高温强度和高温抗氧化性。2T工作=500600r高温设备，（热动力设备、化工设备）Cr、Mo为基的低、中合金钢，T工作越高，V W,Nb,B等。焊后不进行调质处理，焊后主要进行高温回火处理。2低温钢必须保证足

3、够高的低温韧性，强度无特殊要求。T工作=-40-196C,（低温装置），严寒地区的工程结构（桥梁）。液化石油（兰-45C）,液化天燃气（-162C）。含Ni的低碳合金钢，正火或调质态使用。3低合金耐蚀钢必须具有耐腐蚀性能+一般力学性能用于大气、海洋（用得最广）、石油等腐蚀介质中工作的各类机械设备、结构。3-2热轧及正火钢的焊接一、成分和性能1.热轧钢：（T s=294343N/mr!基本上属于C-Mn和Mn-Si系钢种有用V、Nb代替Mn， 细化晶粒，沉淀强化（综合机械性能、工艺性能满意）。例如：16Mn，Ws00.6%否则韧性降低。WC0.3% WMn1%寸裂纹，出现脆性贝氏体。因此为保证好

4、焊接性与缺口韧性，W合金受限，（7s受限。沉淀强化类钢：15MnV，7s达392N/mm216Mn+V（0.040.12%）VC弥散强化、正火态、韧性改善。2.正火钢：27s=343490N/mmC-Mn，Mn-Si系基础上加V，Nb,Ti，Mo等（C化物，N化物生成元素） 在固液强化基础上，通过沉淀强化和细化晶粒来T7b,保证韧性。含Mo钢必须正火+回火才能保证塑性、韧性。1）正火状态不使用的钢除15MnTi夕卜，主要是含V,Nb,亦可 WD，对材料焊接性和韧性有利。屈强比高：Wc =0.15-0.2%之内，15MnV，15MnVN，7sTT14MnNb桥梁钢2）正火+回火态使用的含M。钢3

5、Mn-Mo系在美国用得广大，制造中温的大厚度压力容器。强度提高，组织细化，中温性能正火后组织为B上+少量F,必须回火保证S,Ak;Mo、Ni都能 钢的热强性。3）微合金化控轧钢（70年代发展起来新钢种）加入微量Ni，V，Ti和控扎技术。（控轧钢）细化晶粒与沉淀强化相结合，纯净度，钢材具均匀的细晶粒等轴铁素体的基体。（综合性能好）Ni，Cr，Cu，Mo降低F转变温度，有利于低温及F转变。二、热轧及正火钢的焊接性分析焊接性主要取决于钢材的化学成分。前面讲过金属的焊接性通常表现为：（1）焊接引起各类治金缺陷一一各类裂纹；（2）焊接时材料性能的变化一一脆化问题。1.焊缝中的热裂纹Wc降低，WMn提高，

6、Mn/S比达要求，抗裂热性好，正常不裂。当材料成分不合格，严重偏析使局部Wc降低，Ws增大，Mn/S可能低于要求出现热裂 纹。解决办法：通过焊材来调整焊缝金属的成分。降低降低WC,增加WMn，工艺上设法减小熔合比。H03MnTi+含SiO2,焊剂SJ1O1,含Mn量增加H08 Mn 2Si-H08 MnE2.冷裂纹分析问题的出发点：钢材化学成分、淬硬倾向与冷裂倾向三者间存在着密切的联系。1）淬硬倾向与冷裂倾向的关系：材料的冷裂敏感性主要取决于它的淬硬倾向，该倾向用TTT或CCT曲线来讨论。CCT:更适于研究焊接，Sh-CCT（模拟HAZ连续冷却曲线）更佳。可定量分析TTT:定性分析与比较，比C

7、CT左移，其淬火临界冷却速度比CCT大1.5倍，后者右移, 增加过冷A稳定性。a.热轧钢的淬硬倾向与冷裂倾向。分析图8-1（307）,16Mn与低碳钢比较，其淬硬倾向大。马氏体含量大。（厚板手工电弧焊AC3上的HAZ组织态）V冷不大时，两者相近。b.正火钢的淬硬倾向与冷裂倾向。强调一下：一般随强度的提高，冷裂倾向增大（WM增加）,分析图8-2（P309）15MnVN,18MnMoNb42）碳当量与冷裂倾向的关系淬硬倾向主要取决于材料的化学成分，Wc作用最明显，冷裂倾向与成分、冷却速度、含 氢量、拘束度等有关。经验性的C当量公式粗略估计与对比不同钢材的冷裂倾向。适于Wc较高，大于0.08%,cb

8、=400700MPa钢材1iiiiiCE二c Mn Cn Ni Cr Mb V（国际焊接学会）6151555511 111 1Ceq=C Si Mn Ni Cr Mo V日本用q246405414低490N/cm2钢。延迟裂纹倾向大，回火可消除应力，去氢。 3-3 低碳调质钢的焊接（用于高强度的焊接结构用钢）一、 低碳调质钢的成分和性能在正火条件下，通过增加合金元素，强化效果一般情况下，cT, akJJ,C s490N/mm高强钢场需调质处理。2cs=440980N/mmWc343N/mm调质后达490N/mg调质后达490 N/mm。当板厚T或SbT、需添加合金元素Cr、Ni、Mo V、M

9、Ti等，本保证足够淬透性和抗 回火性。（焊接无裂纹钢）70年代发展的改善野外施焊条件，T低温韧性，加多种微元素，WcJJ（三0.09%） （B具有淬透性），调质保证Sb，Ak（足够）该钢具 （CF钢），WJJ,PcmJ特点。采用超低氢焊接材料，B50mm T=0C不预热。二、 低碳调质钢的焊接性分析与正火钢类似（主要问题和工艺要求）1、裂纹。2、HAZ脆化。差别在于在HAZ内，还存在过热区脆化和软化问题。Mn/ST。一） 焊缝中的热裂纹一般Wc；、WT、S、P控制，倾向小。对高Ni低Mn类HY80倾向T,调整焊材可以避免。9（Mn Ni，扩大A元素，结晶间T热裂T）。二） 热影响压液化裂纹主要

10、发生在高Ni低Mn类低合金高强钢中。影响因素主要与Mn/S有关。成分WcT,要求Mn/ST当Wc30，液化裂纹敏感性J10四）再热裂纹四强淬透性和抗回火性而加入的一些合金元素中,大多数易引起再热裂纹。V影响最大、Mo次之（同时加入更加严重） ,Cr与含量有关。 皆注表焊接时的再热裂纹问题。（Cr-Ni、Mo、Cr-Ni-Mo-V,Ni-Mo-V系钢）五）层状撕裂严控夹杂物，纯净度T,敏感性J。六）HAZ勺性能变化钢中含有较多固N元素，热应变脆化不明显1、 过热区的脆化图8-16 M+BTi韧性最佳（W下达1030%）t8/5J a J（得到全部M）t8/5TA晶粒粗化，脆化T,B与M-A组无形

11、成普通问题,对不能处理件尤为生重 要。三、低碳调质钢的焊接工艺特点。工艺制定的主要依据：1马氏体转变时的V冷不能太快，避免冷裂，保证自回火作用。2要求800500E的V冷产生脆性混合组织的临界冷却速度, 控制T8/5，不产生上B氏体。1、焊接工艺方法和焊接材料的选择。 材料 方法（T2TT （Tb与ak下降的问题越严重解决办法：避免裂纹的关键在于控制Wc，Ws保证Mn/S高尤其当WT,要求更严。2工艺因素E线T,晶粒dT,晶界熔化严重，而且 液态晶间层存在T,倾向T。（咼线能量易发 生,埋弧焊）Ms高，如V冷;M可以进行“自回火”WeT,获得低CM和部分下B混合组织，熔池形状影响（P327）三

12、）冷裂纹其冷裂倾向在M转变时的V冷有关。作用。冷裂纹倾向（工艺合适才行A过冷稳定性TT（P327图8-14）。2、HAZ的软化 对焊后不再进行调质处理的C钢尤为重 要。软化的程度软化区的宽度与焊接工 艺有关，有小线能量基本解决。11焊后重新调质，不热处理，限制热输入。例：(Ts980N/mm2rfR(10Ni-Cr-Mo-Co)必须用TIG与电子束焊。(Ts686N/mrh熔化极气体，保护焊最佳。E热TT,焊后必须调质处理。调质态焊接，焊后不热理(异于中碳调质) 。选焊材时，要求焊缝性解接近母材的机械性能等强，当结构刚度大时，冷裂难免，低强 度匹配。3焊接工艺参数的选择综合考虑：防冷裂纹t8/

13、5V冷J。防脆化(M-A)V冷T。正确选择线能量和预热量保证不出裂纹与脆化的关键。1)确定E线尽可能选择大一些、(不出裂纹，满足韧性) ，再根据冷裂倾向考虑，预热向考虑，预热 和预热温度。122）确定T预（主要目的是为了防止冷裂，对HAZ性能不大）当Ek达最大而裂纹不能避免，必须预热。一般在焊低碳调质钢时采用较低的T预w200C。 主要是降低马氏体转变的V冷，通过M的自回火作用来提高抗裂性能。T预TT,V冷8801176N/mmWC=0.250.45%强度主要取决于WC We提高淬透性，抗回火性。特点： 高的比强和高硬度（韧性不是首要） （用作火前外壳、装甲钢）淬透性TT,焊接性差，焊接工艺复

14、杂，焊后必须调质。 严控s、P的含量一般钢0.04%S、增加热裂敏感性P、J 3、ak、T冷裂敏感性。真空冶炼，使母材与填充金属达到高纯度（Ws、p0.015%）1、40CrCr2%对S影响不大，J ak。Cr增加低温或高温的回火稳定性。良好综和机械性能，T c疲一齿轮、轴类、（交变载荷）2、35CrMoA35CrMoVA属CrMo系统WMo=0.150.25%消除Cr钢的回火脆性，高温V-细化晶粒，T cb、3、ak,高温回火稳定性。 用于动力设备 （负载高， 截面大的重要零部件） ，发电机转子， 汽轮机、 中轮、主轴等。WcT,焊前预热、焊后热处理。3、30crMnSiNi2A、40crM

15、nSiMoVA加入Ni、cbTT、ak较好，焊接性差。飞机构件：30crMnSiA典型（不含贵重的Ni），我国应用广 退火态组织、F+P调质态组织：回火索氏体（统称回M） 高温回火必须快冷！Cr-Mn-Si系统，300450E第一类回火脆性13还会有第二类飞机制造4.40CrNiMoA，美4340钢及34CrNi3MoA（4340美一类似）Cr-Ni-Mo系统加入了Ni,Mo显著提高淬透性和抗回火软化能力，T ak,c T，淬透性大。 用于高负荷，大截面轴类、承冲击、如飞机、起落架、火箭发动机外壳。5.H-11Cr5%、Mo1.5%热加工工具钢基础上展。2cb=1960N/mm，并具较高耐热性

16、（喷气机体）（经500oC回火、特殊、C化物析出）。二、中碳调质钢的焊接性分析一）焊缝中的热裂纹WcT、WeT、液一固相区间大，偏析严重，热裂倾向T。1需焊材：选用W0、S、PJ的填充材料。2焊接工艺上保证填满弧坑，焊缝成形良好。二）冷裂纹（P336图8-23）淬硬（冷裂）倾向严重，分析其冷裂敏感性，不仅看M形成倾向，而且须考虑M的类型和性能。三）HAZ的性能变化1、过热后的性能变化淬硬性TT,易产生硬脆的高碳M, 1815；，V冷T，高CMT，脆化越严重。大线能量V冷增加A过热，提高其稳定性，形成粗大M脆化更严重。 解决办法：小线能量+预热+缓冷和后热减小高温停留时间，降低A稳定性V冷J,z

17、改善性能。2、HAZ的软化该类钢常在退火态焊接、焊后调质处理cbT、软化越严重。软化程度与宽度与E线、焊接方法有关。三、中碳调质钢的焊接工艺特点焊前状态决定焊接问题及工艺1、退火（正火）态焊接，整体调质（多数情况下）1主要问题：裂纹，（HAZ性能由调保证）2焊接方法：不限，但气焊易生裂纹。3焊材：保证质量（无裂纹）调质后与母材等强（接头性能）焊缝金属主要合金应尽量与母材相似（同热处理规范）E 线J,V 冷T,t 受热J、软化J焊接热源越集中，软化J14严控CJ、Si、S、P（引起热裂倾向，促使脆化）154工艺参数：保证调质前不出裂纹，高预热温度（200350C）和层间温度复杂结构，大量焊缝，存

18、在中间回火处理（去H、冷裂敏感性低的组织） 焊后及时回火65 0C _10C，在高于T预热保温、除H防冷裂 小E+预热（高）。2、调质状态下焊接主要问题：1）裂纹:从工艺上出发，预热温度，层间温度，中间热处理postheatv母材回火温度的50C2）高M的硬化和脆化（焊后回火解决）3）高温回火区的软化（HAZE）。必须调质才能解决如果焊接后不调质处理，应该采用热量集中，能量高度大方法有利，E；o减小软化：气保焊较好，（TIG）有前途：冲氢弧焊，等离子，电子束焊接。经济和方便为手弧焊。选焊材不必考虑成分、热处理规范与母材匹配，主要防止冷裂纹。T预=200250ET层=200250ET后二250E，2h或更长时间低温回火。表3-24（P339）为母材+焊材匹配。典型范例：D6AC（相当于35CrMoV）细丝双弧焊接工艺试验采用气割小车和双送丝机头改装而成的自动焊接设备，同时送进两根2mm的焊丝。两机头距离和倾斜角度可调