第18讲调质钢

1、1.6MPaP10MPal容器直径容器直径1500mm1500mm，总长，总长3500mm3500mm；人孔接管；人孔接管450mm450mm，长，长250mm250mm；出口接管；出口接管120mm120mml材料：材料：16Mn16Mnl钢板尺寸：钢板尺寸：2000mm2000mm5000mm5000mm16mm16mml生产数量：小批量生产数量：小批量三、合金结构钢的焊接三、合金结构钢的焊接（一）分类（一）分类（二）热轧及正火钢的焊接（二）热轧及正火钢的焊接 热轧钢热轧钢：强化途径强化途径 ？ 正火钢正火钢：强化途径强化途径 ？焊接问题：一是裂纹问题；二是焊接问题：一是裂纹问题；二是HA

2、ZHAZ脆化问题脆化问题（三）调质钢的焊接（三）调质钢的焊接 热轧：固溶强化；热轧：固溶强化； 正火钢：沉淀固溶正火钢：沉淀固溶沉淀和固溶强化的同时沉淀和固溶强化的同时 塑任性塑任性s 491MPa 的钢的钢调质调质调质钢分类：低碳调质钢、中碳调质钢调质钢分类：低碳调质钢、中碳调质钢s=294-491MPa1.低碳调质钢的焊接低碳调质钢的焊接o 低碳调质钢低碳调质钢n碳含量：在碳含量：在0.09-0.23%，大部分，大部分0.16-0.18%n强化机理：相变强化（调质处理强化机理：相变强化（调质处理n屈服强度：为屈服强度：为490980MPan合金系合金系 ：低：低C、Mn-Ni-Cr-Mo系

3、系n主合金化元素：主合金化元素： Mn、Ni、Cr、Mo n辅合金化元素：辅合金化元素：V、Nb、Ti、B、Cu n热处理状态：淬火回火，热处理状态：淬火回火，低碳马氏体或下贝氏体低碳马氏体或下贝氏体， 综合机械性综合机械性能好能好n典型钢种：典型钢种：14MnMoVN、HT60HT80、HY80HY130 典型钢号典型钢号 ex. 14MnMoVN 14MnMoNbB T-1 （美国）（美国） HT-80（日本）（日本） HY-80（美国）（美国） HY-130（美国）（美国） CF钢钢 低低焊接裂纹焊接裂纹敏感性高强度钢敏感性高强度钢CF钢钢 MPaMPabs701,598MPaMPabs

4、755,686MPa 866s686MPa-395sMPa 828s%09. 0C焊接的焊接的主要问题主要问题和工艺要求基本与正火钢类似。和工艺要求基本与正火钢类似。差别仅在于这类钢通过调质获得强化，差别仅在于这类钢通过调质获得强化，HAZ除了除了脆化外还有脆化外还有软化软化问题。问题。A.低碳调质钢的焊接性低碳调质钢的焊接性o焊接性分析焊接性分析 裂纹问题裂纹问题 过热区脆化过热区脆化 HAZ软化软化n热裂纹热裂纹 C，S，P，Mn/S 热裂热裂n冷裂纹冷裂纹 与与c c有关有关 低碳钢加入大量合金低碳钢加入大量合金淬透性淬透性组织：低碳组织：低碳M +B下下因粗晶区因粗晶区Ms高，低碳高，

5、低碳M自回火，自回火， 工艺合适工艺合适冷裂可避免冷裂可避免。A.低碳调质钢的焊接性低碳调质钢的焊接性n 焊接性分析焊接性分析n 再热裂纹再热裂纹 加入加入Cr, Mo, Cu, V, Nb, Ti, B 淬透性淬透性，其中多数，其中多数也引起晶内强化也引起晶内强化易产生再热裂纹易产生再热裂纹 ex. T-1, HT-80, 14MnMoNbB 防止措施：防止措施： T0+Tp, A.低碳调质钢的焊接性低碳调质钢的焊接性主要是：过热区脆化和主要是：过热区脆化和Ac1附近的软化附近的软化 过热区脆化过热区脆化E t8/5小小cM(100%低碳低碳M，韧性，韧性) 脆化脆化冷裂冷裂Et8/5大大c

6、 A. 粗晶脆化粗晶脆化 B. B上上+M-A组元组元严重脆化严重脆化 （最佳最佳t8/5 ：M10-30%B下下）n HAZ性能变化性能变化: 脆化和软化脆化和软化热轧、正火钢、退火状态的调质钢焊接时不存在热轧、正火钢、退火状态的调质钢焊接时不存在HAZ软化。软化。调质钢焊接调质钢焊接HAZ会出现强度、硬度下降的软化现象，该区称会出现强度、硬度下降的软化现象，该区称为软化区，为软化区，TT回回， T回回AC1。 影响焊后影响焊后HAZHAZ软化程度的因素：软化程度的因素：A.与母材有关，与母材有关，b软化软化B.软化与方法及软化与方法及E有关，有关，E软化越轻越窄软化越轻越窄C.取决于母材原

7、始状态，取决于母材原始状态， T回回？ HAZ HAZ软化软化考虑：考虑： HAZ 软化软化 冷速不能太大冷速不能太大 M转变转变 冷速不能太小冷速不能太小 B上上M-A 组元组元 脆化脆化脆化%,100Mc（1）焊接方法和焊材选择）焊接方法和焊材选择软化软化：调质态只要加热温度超过了回火温度性能就会变调质态只要加热温度超过了回火温度性能就会变化，因此化，因此HAZ强度和韧性强度和韧性 解决办法解决办法：焊后重新调质焊后重新调质； 不能调质的，限制热量对母材的作用，不能调质的，限制热量对母材的作用， 即小即小E。p焊接方法选择焊接方法选择氩弧焊，电子束焊氩弧焊，电子束焊热量集中的方法，热量集中

8、的方法， 焊后一般不再焊后一般不再调质调质多丝多丝SAW，电渣焊等，电渣焊等E大的方法，大的方法，焊后必须重新调质焊后必须重新调质。（1） 焊接方法和焊材选择焊接方法和焊材选择p 焊材选择焊材选择 一般焊后不再调质一般焊后不再调质焊材焊材等强等强 当当R大时，低强焊材大时，低强焊材防止冷裂防止冷裂 ex. 14MnMoVN (s=598, b=701 MPa) ，J707, J857 14MnMoNbB (s=686, b=755 MPa) ，J857 低氢型焊材低氢型焊材，防止冷裂。，防止冷裂。 CO2焊，焊，CO2气体应符合气体应符合级气体或级气体或级气体要求级气体要求（2）工艺参数工艺参

9、数 E的确定的确定 主要考虑主要考虑冷裂纹冷裂纹和和脆化脆化 冷速上限冷速上限不产生冷裂纹，不产生冷裂纹， 下限下限保证保证HAZ不产生脆化的混合组织。不产生脆化的混合组织。 防止脆化，冷裂相矛盾防止脆化，冷裂相矛盾 E应选择保证冷速之间。应选择保证冷速之间。但对于大厚板，即使采用大但对于大厚板，即使采用大E， 也很大，要也很大，要T0来解决。来解决。c（2）工艺参数工艺参数 E的确定的确定 在满足在满足HAZ韧性前提下韧性前提下E应尽可能选择得大一些应尽可能选择得大一些 Emax不脆为原则（防脆优先）不脆为原则（防脆优先） 为避免过度损伤为避免过度损伤HAZ区的韧性，应避免采用过大区的韧性，

10、应避免采用过大E:E: 不推荐使用大直径焊条或焊丝不推荐使用大直径焊条或焊丝; ; 尽可能采用多层小焊道焊缝，最好尽可能采用多层小焊道焊缝，最好采用窄焊道，不应采用横向摆动的运采用窄焊道，不应采用横向摆动的运条技术。条技术。防脆优先，采用小防脆优先，采用小E（2）工艺参数工艺参数 T0 Emax不能防止开裂，则选择不能防止开裂，则选择T0 低碳调质钢低碳调质钢T0200 T0太高，太高，t8/5 出现出现F+M+B组织脆化组织脆化（2 2）工艺参数工艺参数 T T0 0当当h h较小或接头较小或接头R R也较小时，不也较小时，不T T0 0 如15MnMoVN、14MnMoNbB钢，板厚小于1

11、3mm时可不预热。 随随h h增加，必须增加，必须T T0 0防冷裂，但应严格防冷裂，但应严格控制控制T T0 0允许的最高允许的最高T T0 0与最低与最低T T0 0值相比，不得值相比，不得大于大于6565。 尽可能采取尽可能采取“低温预热低温预热+ +后热后热”或只或只“后热后热”的方法防止延迟裂纹。的方法防止延迟裂纹。焊件焊件厚度厚度 （mm）15MnMoVN14MnMoNbB13不预热不预热不预热不预热1316501001001501619100150150200192210015015020022251502002002502535150200200250（2）工艺参数工艺参数 E

12、 E的确定的确定（防脆（防脆优先，采用小优先，采用小E） T T0 0（防裂，（防裂，预热温度要控制）预热温度要控制） PWHTPWHT：一般不：一般不HT HT 原因：原因： a.a.能保证其能保证其HAZHAZ区在快速冷却时获得区在快速冷却时获得高强度及塑性高强度及塑性和韧性和韧性，防止焊件脆断的消除应力退防止焊件脆断的消除应力退火就没有必要；火就没有必要； b.b.有有再热裂纹倾向。再热裂纹倾向。（2）工艺参数工艺参数 PWHTPWHT：一般不：一般不HTHT 大多数低碳调质钢的焊接构件都是在大多数低碳调质钢的焊接构件都是在焊态下使用焊态下使用只有只有在下述条件下才进行焊后热处理：在下述

13、条件下才进行焊后热处理： 焊后或冷加工后的韧性过低。焊后或冷加工后的韧性过低。 焊后需进行高精度加工，要求保证焊后需进行高精度加工，要求保证结构尺寸的稳定性。结构尺寸的稳定性。 承受应力腐蚀的焊接结构。承受应力腐蚀的焊接结构。 PWHTPWHT温度必须低于母材金属调质处理的回火温度温度必须低于母材金属调质处理的回火温度3030。o 中碳调质钢中碳调质钢n碳含量：在碳含量：在0.25-0.45%n强化机理：相变强化（调质处理强化机理：相变强化（调质处理n屈服强度：为屈服强度：为880MPa 1176MPan合金系合金系 ：中：中C、 Cr -Mn -Ni-Mo-Si系系n主合金化元素：主合金化元

14、素： Cr-Mn-Ni-Mo-Si n辅合金化元素：辅合金化元素：Vn热处理状态：淬火回火热处理状态：淬火回火 n典型钢种：典型钢种：30CrMnSi、40Cr、35CrMoA、35CrMoVA 2.中碳调质钢的焊接中碳调质钢的焊接 裂纹裂纹焊接问题：焊接问题： HAZ性能恶化性能恶化A.中碳调质钢的焊接性中碳调质钢的焊接性p 焊接性分析焊接性分析C多，合金多多，合金多TB热裂热裂 ex. 30CrMnSiA, C、Si含量多含量多热裂热裂 防止措施防止措施:焊接时，选焊接时，选C, S, P焊材焊材 熔合比熔合比 保证填满弧坑和良好的焊接成形保证填满弧坑和良好的焊接成形 热裂热裂 冷裂冷裂n

15、 CC淬硬倾向淬硬倾向HAZHAZ容易形成大量硬脆高容易形成大量硬脆高碳碳M M冷裂冷裂n CeqCeq大大淬硬倾向大淬硬倾向大冷裂敏感冷裂敏感n MsMs低，无自回火效应。低，无自回火效应。防止措施防止措施:焊接时，焊接时，To+TpTo+Tp（焊后及时进行回火处理）（焊后及时进行回火处理）过热区脆化过热区脆化 原因：形成高碳原因：形成高碳M 该类钢淬硬倾向极大该类钢淬硬倾向极大大大E不适合不适合 E也不能避免也不能避免M的形成的形成 相反相反A晶粒过热长大晶粒过热长大冷却形成粗大冷却形成粗大M 使过热区脆化更严重使过热区脆化更严重 防止措施防止措施: 选用小选用小E再采用再采用T0+缓冷缓

16、冷+后热后热 HAZ性能变化：脆化软化性能变化：脆化软化HAZHAZ软化软化退火状态下焊接退火状态下焊接，焊后再调质处理不存在软化，焊后再调质处理不存在软化调质状态下焊接调质状态下焊接，软化非常突出，强度越高越严重，软化非常突出，强度越高越严重软化程度和软化区的宽度受焊接方法、软化程度和软化区的宽度受焊接方法、E影响影响 ex. 30CrMnSiAb 1570 N/mm2 电弧焊软化区：电弧焊软化区： b=880-1030 N/mm2 气焊：气焊： b=590-680 N/mm2且宽度大且宽度大 问题问题：淬硬倾向大：淬硬倾向大焊接性差焊接性差冷裂，热裂，冷裂，热裂，HAZHAZ脆化和脆化和软

17、化软化焊接方式：退火态；调质态焊接方式：退火态；调质态 退火状态下焊接退火状态下焊接 焊接的主要问题：焊接的主要问题：裂纹裂纹；而；而HAZHAZ性能可以调质处理来保证性能可以调质处理来保证 焊接方法焊接方法 由于不强调由于不强调E对接头性能的影响，基本上对接头性能的影响，基本上不受限制不受限制。 退火状态下焊接退火状态下焊接 焊接的主要问题：焊接的主要问题：裂纹裂纹；而；而HAZHAZ性能可以调质处理来保证性能可以调质处理来保证 焊材焊材 (等成分原则等成分原则) 与母材成分相似，以便调质后性能匹配与母材成分相似，以便调质后性能匹配 防热裂：防热裂：C, S, P, SiC, S, P, S

18、i工艺参数选择工艺参数选择 HAZ性能恶化不考虑，主要防止裂纹性能恶化不考虑，主要防止裂纹 T0, 层间温度，中间热处理层间温度，中间热处理 （目的：（目的：a.H；b.应力；应力；c. ） T0可以较高，可以较高，200350 ex. 焊接焊接30CrMnSiA T0=250-350 焊后焊后T250T250时立即入炉加热时立即入炉加热650650回火处理防止开裂回火处理防止开裂c退火状态下焊接）退火状态下焊接） 调质态下焊接调质态下焊接 主要问题：裂纹；脆化；软化主要问题：裂纹；脆化；软化 措施：措施： 选能量集中的方法选能量集中的方法 E软化区软化区 焊后不调质，可以不必考虑焊材成分与母

19、材相匹配焊后不调质，可以不必考虑焊材成分与母材相匹配 Ex. 30CrMnSiA, 30CrMnSiNi2A镍基奥氏体焊条镍基奥氏体焊条，可防冷裂。可防冷裂。 T0, 层间温度，中间热处理，焊后热处理层间温度，中间热处理，焊后热处理以上温度以上温度母材的原始回火温度母材的原始回火温度50 防止母材软化，强度下降防止母材软化，强度下降ASTM4130钢的焊接工艺（h=30mm）o 海洋平台高压管线管汇用材料，海洋平台高压管线管汇用材料，中碳调质钢中碳调质钢，要求具有足够的抗拉强度、低温冲击韧性等要求具有足够的抗拉强度、低温冲击韧性等力学性能。力学性能。o 化学成分化学成分ASTM4130钢的焊接

20、工艺（h=30mm）o 力学性能力学性能ASTM4130钢的焊接工艺（h=30mm）o 组织组织 回火索氏体回火索氏体ASTM4130钢的焊接性（h=30mm）o Ceq=0.72o 必须调质态下焊接必须调质态下焊接 裂纹，裂纹，HAZ脆化和软化脆化和软化 o 质量要求质量要求 无裂纹；接头使用性能要求（强度、韧性）无裂纹；接头使用性能要求（强度、韧性）焊接工艺：焊接工艺：o 坡口：坡口：V型型o 焊接工艺焊接工艺焊接层次焊接方法焊接材料电流电压/V焊速/ mmmin-1预热温度/层间温度/后热处理直径/mm牌号电流打底TIG2.4ok Tigrod 13.098014091540100Min.200Max.300 6401.5h填充焊条3.2FILARC118901402024100180盖面FILARC 118FILARC 118焊条，碱性焊条，全位置焊接，交直流两用，熔敷焊条，碱性焊条，全位置焊接，交直流两用，熔敷效