10-1合金钢结构钢及其焊接工艺ppt课件

1、第十章第十章合金钢结构钢及合金钢结构钢及铸铁的焊接铸铁的焊接第一节合金钢结构钢及其焊接第一节合金钢结构钢及其焊接工艺工艺 综合知识模块一综合知识模块一 合金结构钢的种类、合金结构钢的种类、性能与用途性能与用途 综合知识模块二综合知识模块二 热轧及正火钢的焊接热轧及正火钢的焊接 综合知识模块三综合知识模块三 低碳调质钢的焊接低碳调质钢的焊接 综合知识模块四综合知识模块四 中碳调质钢的焊接中碳调质钢的焊接 综合知识模块五综合知识模块五 低温钢的焊接低温钢的焊接 综合训练综合训练综合知识模块一综合知识模块一 合金结构钢的种合金结构钢的种类、性能与用途类、性能与用途 用于机械零件和各种工程结构的钢统称

2、为用于机械零件和各种工程结构的钢统称为结构钢。结构钢。 最早使用的结构钢是碳素结构钢。最早使用的结构钢是碳素结构钢。 合金结构钢是在碳素结构钢基础上添加一合金结构钢是在碳素结构钢基础上添加一定量的合金元素达到所需性能要求的钢材。定量的合金元素达到所需性能要求的钢材。 知识点一 合金结构钢的分类与用途 合金结构钢有根据用途进行分类，也有根据化学成分、合金系统和组织状态来分的。 用于焊接结构的大多是低合金钢，综合考虑其性能和用途后，一般分为两大类：高强度钢和专用钢。 高强度钢主要应用的是其力学性能，合金元素的加入是为了在获得高强度的同时保证有足够的塑性和韧性； 专用钢主要应用的是其特殊性能，例如耐

3、高温、耐低温和耐腐蚀等，合金元素的加入是为了获得通常所需的力学性能外，主要是满足结构的特殊性能需要。 1高强度钢 简称高强钢，凡是屈服点s295MPa、抗拉强度b440MPa的钢，均称为高强钢。主要应用于常规条件下承受静载荷和动载荷的机械零件和工程结构，例如压力容器、动力设备、运输机械、桥梁和管道等。 按钢的屈服点和热处理状态不同，一般分为热轧及正火钢、低碳调质钢和中碳调质钢。把钢锭加热到1300左右，经热轧成板材，然后空冷即成为热轧钢；钢板轧制和冷却后，经900正火即成为正火钢；钢板经900加热后水淬，再经600回火处理即成为调质钢。 近年来这类钢又开发出具有很大发展前途的新钢种，如微合金化

4、控轧钢、焊接无裂纹钢CF钢）、抗层状撕裂钢Z向钢和焊接大热输入钢等，主要用在严寒地区输油管线、海上采油平台、大型压力容器、大型水轮机蜗壳和大跨度全焊接桥梁等工程中。 国内外常见的合金结构钢的牌号见表3-1。表表3-1 3-1 国内外常见的合金结构钢的牌号国内外常见的合金结构钢的牌号 类类 型型类别类别屈服点屈服点/MPa/MPa常用钢牌号常用钢牌号高高强强度度钢钢热轧及热轧及正火钢正火钢295295490490Q295(Cu)Q295(Cu)、09Mn2Si09Mn2Si、Q345(Cu)Q345(Cu)、Q390Q390、Q390(Cu)Q390(Cu)、Q420Q420、18MnMoNb1

5、8MnMoNb、14MnMoV14MnMoV、WH530WH530、X60X60、D36D36低碳低碳调质钢调质钢49049098098014MnMoVN14MnMoVN、14MnMoNbB14MnMoNbB、WCF60WCF60、WCF62WCF62、HQ70HQ70、HQ80HQ80、HQ100HQ100、T-1T-1、HY80HY80、HY110HY110中碳中碳调质钢调质钢8808801176117635CrMoA35CrMoA、35CrMoVA35CrMoVA、30CrMnSiA30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A30CrMnSiNi2A、40CrMnSiMoVA40CrMn

6、SiMoVA、40CrNiMoA40CrNiMoA、34CrNi3MoA34CrNi3MoA专专用用钢钢珠光体耐热钢珠光体耐热钢26526564064012CrMo12CrMo、15CrMo15CrMo、2.25Cr1Mo2.25Cr1Mo、12Cr1MoV12Cr1MoV、15Cr1Mo1V15Cr1Mo1V、12Cr5Mo12Cr5Mo、12Cr9Mo112Cr9Mo1、12Cr2MoWVB12Cr2MoWVB、12Cr3MoVSiTiB12Cr3MoVSiTiB低温钢低温钢34334358558509Mn2V09Mn2V、06AlCuNbN06AlCuNbN、2.5Ni2.5Ni、3.5

7、Ni3.5Ni、5Ni5Ni、9Ni9Ni低合金耐蚀钢低合金耐蚀钢- -12MnCuCr12MnCuCr、09MnCuPTi09MnCuPTi、09CuPCrNi09CuPCrNi、12AlMoV12AlMoV、12AlMo12AlMo、15Al3MoWTi15Al3MoWTi（1热轧及正火钢 屈服点为295490MPa，在热轧或正火状态下使用，属于非热处理强化钢，包括微合金化控轧钢、焊接无裂纹钢和抗层状撕裂钢，尽管采用了不同的冶炼和控轧技术，但从本质上讲它们都属于正火钢。这类钢广泛应用于常温下工作的各种焊接结构，如压力容器、动力设备、工程机械、桥梁、建筑结构和管线等。 （2低碳调质钢 屈服点

8、为490980MPa，在调质淬火+高温回火状态下供货使用，属于热处理强化钢。其特点是含碳量较低碳的质量分数一般低于0.22%）、合金元素总量低于5%，既有高的强度，又有良好的塑性和韧性，可以直接在调质状态下进行焊接，焊后也不需进行调质处理。 这类钢在焊接结构中也得到越来越广泛的应用，主要用于大型机械工程、压力容器及舰船等。（3中碳调质钢 屈服点一般在8801176MPa或以上，钢中含碳量比低碳调质钢高碳的质量分数为0.25%0.5%），也属于热处理强化钢。其淬硬性比低碳调质钢高很多，具有很高的强度和硬度，但韧性较低，给焊接带来很大的困难，因此一般是在退火状态下焊接，焊后再进行整体热处理来达到所

9、要求的强度和硬度。这类钢主要用于强度要求很高的产品或部件，如飞机起落架、火箭发动机壳体等。2专用钢专用钢是指专门用于在特定条件下工作的机械零件和工程结构的钢。按用途不同分为珠光体耐热钢、低温钢和低合金耐蚀钢。（1珠光体耐热钢 具有较好的高温强度和高温抗氧化性，其最高工作温度为500600，可用于在这一温度下工作的动力设备和化工设备等。它是以Cr、Mo为基础的低中合金钢。随着使用温度的提高，钢中往往还加入W、V、Nb、B等合金元素。（2低温钢 具有良好的低温韧性，其工作温度为-40-196，可用于各种低温容器液化石油气-45、液化天然气-162）、严寒地区的工程结构桥梁、管道等和露天矿山机械等。

10、这类钢中大部分含有Ni，一般在正火或调质状态下使用，和普通低合金钢的区别在于除具有满足要求的的强度外，还必须具有足够的低温韧性。（3低合金耐蚀钢 除具有一般的力学性能外，还必须满足耐腐蚀性能的特殊要求，主要用于在大气、海水、石油化工等腐蚀性介质中工作的各种零件和结构。由于所处介质不同，耐蚀钢的成分和类型也不同，应用最多的是耐大气和海水腐蚀用钢。 知识点知识点2 2 合金结构钢的成分与性能合金结构钢的成分与性能 1 1合金元素的作用合金元素的作用 碳是最能提高钢材强度的元素，但易于引碳是最能提高钢材强度的元素，但易于引起淬硬和焊接裂纹，所以在保证强度的前起淬硬和焊接裂纹，所以在保证强度的前提下，

11、碳的含量越少越好。低合金钢中加提下，碳的含量越少越好。低合金钢中加入的合金元素有入的合金元素有MnMn、Si Si、CrCr、NiNi、MoMo、V V、NbNb、B B、CuCu等，对合金结构钢的组织和性等，对合金结构钢的组织和性能的影响很复杂。各种合金元素对结构钢能的影响很复杂。各种合金元素对结构钢抗拉强度和屈服点的影响如图抗拉强度和屈服点的影响如图3-13-1所示所示图图3-1各种合金元素对结构钢抗拉强度和屈服点的影响各种合金元素对结构钢抗拉强度和屈服点的影响a对抗拉强度的影响对抗拉强度的影响 b)对屈服点的影响对屈服点的影响 Mn的固溶强化作用很明显，当wMn1.7%时，可提高韧性和降

12、低脆性转变温度屈服点提高约50%、脆性转变温度约下降20），如Q34516Mn为典型的固溶强化钢，其屈服点为345MPa、脆性转变温度低于-40； Si的固溶强化作用也很显著，但会降低塑性和韧性，因此一般钢中wSi0.6%；Ni是惟一既能起固溶强化作用同时又能提高韧性且大幅度降低脆性转变温度的合金元素，在低温钢中最常用。 Cr能提高钢的耐热性、耐蚀性和降低脆性转变温度；Mo可提高钢的热强性，一般认为wMo=0.25%0.50%时，既可以强化金属又能改善韧性，当wMo0.5%时韧性开始恶化。Cr和Mo都是提高钢的淬透性的元素，使其裂纹敏感性增加，因此在低合金结构钢中的含量应加以控制。 V、Ti、

13、Nb是强烈形成碳化物的元素，Al、V、Ti、Nb还可形成氮化物，可产生明显的沉淀强化作用，在固溶强化的基础上屈服点可提高50100MPa，并能保持韧性。V、Ti、Nb均是微量加入，故称为微合金化。B元素也是微合金化的元素，它可以细化晶粒从而改善韧性。 2合金结构钢的性能 合金结构钢具有较高的强度和良好的塑性、韧性，采用不同的合金成分和热处理方法可获得具有不同综合性能的低中合金结构钢。 热轧及正火条件下，合金元素对钢的塑性和韧性的影响与其强化作用相反，即强化效果越大，塑性和韧性就降低越多，当钢中合金元素的含量超过一定值后会引起韧性大幅度下降。因此抗拉强度大于600MPa的高强钢一般都需进行调质处

14、理。综合知识模块二综合知识模块二 热轧及正火钢热轧及正火钢 的焊接的焊接 知识点1 热轧及正火钢的成分和性能 1热轧钢 屈服点为295390MPa的钢大都属于热轧钢，合金系统为C-Mn或C-Mn-Si系，其强度是靠Mn、Si的固溶强化作用来保证。在低碳条件下，wMn1.6%、wSi0.6%，可以保持钢具有较高的塑性和韧性，超出这一范围后，塑、韧性明显恶化。因此合金元素的用量和钢的强度水平都受到限制。热轧钢的综合力学性能和加工工艺性能都较好，且冶炼工艺简单、价格较低，因此在国内外得到广泛应用。 Q34516Mn是我国1957年研制生产和应用最广泛的热轧钢，用于南京长江大桥和我国第一艘万吨运洋货轮

15、。 Q345按其中Mn和Si的质量分数不同又分为AE5个质量等级，Q345A即旧牌号中的16Mn，Q345C相当于锅炉和压力容器用钢中的16Mng和16MnR。 热轧钢的组织为铁素体+珠光体，当板厚较大时，可以要求在正火条件下供货，经正火处理可使钢的化学成分均匀化，塑性、韧性提高，但强度略有下降。 2正火钢 当要求钢的屈服点大于390MPa时，必须在固溶强化的同时加强合金元素的沉淀强化作用。 正火钢是在固溶强化的基础上，加入碳、氮化物V、Ti、Nb和Mo等形成元素，通过沉淀强化和细晶强化来进一步提高钢的强度和保证韧性。正火处理的目的是促使碳化物和氮化物质点从固溶体中沉淀析出并同时细化晶粒。 3

16、微合金控轧钢 加入质量分数为0.1%左右对钢的组织性能有显著或特殊影响的微量合金元素的钢，称为微合金钢。多种微合金元素的共同作用称为多元微合金化。微合金控轧钢采用微合金化和控制轧制等技术，达到细化晶粒和沉淀强化相结合的效果，同时从冶炼工艺上采取降碳、降硫，改变夹杂物形态，提高钢的纯净度等措施，使钢材具有细晶组织。具有高强度、高韧性和良好的焊接性等优点，是热轧及正火钢的一个新分支，是近年发展起来的一类新钢种。主要用于石油和天然气的输送管线，如X60、X65和X70等管线钢。 知识点知识点2 2 热轧及正火钢的焊接性热轧及正火钢的焊接性 热轧及正火钢中碳和合金元素的含量都较热轧及正火钢中碳和合金元

17、素的含量都较低，焊接性总体来看较好，但随合金元素低，焊接性总体来看较好，但随合金元素含量的增加，焊接性变差。焊接时需要注含量的增加，焊接性变差。焊接时需要注意的问题是焊接裂纹和热影响区性能变化。意的问题是焊接裂纹和热影响区性能变化。 一、焊接裂纹一、焊接裂纹 1 1焊接冷裂纹焊接冷裂纹 在产生冷裂纹的三要素淬硬组织、拘束度在产生冷裂纹的三要素淬硬组织、拘束度和扩散氢含量中，淬硬组织和材料有关，和扩散氢含量中，淬硬组织和材料有关，因此钢材的淬硬倾向可以作为判断冷裂纹因此钢材的淬硬倾向可以作为判断冷裂纹敏感性的标准之一。而淬硬倾向又可以通敏感性的标准之一。而淬硬倾向又可以通过碳当量、过碳当量、Pc

18、Pc、热影响区最高硬度等来判、热影响区最高硬度等来判断。例如钢材碳当量越大，冷裂纹敏感性断。例如钢材碳当量越大，冷裂纹敏感性也越大，利用国际焊接学会推荐的碳当量也越大，利用国际焊接学会推荐的碳当量计算公式计算计算公式计算CECE。 一般认为，CE0.4%时，钢材在焊接过程中基本无淬硬倾向，冷裂敏感性小。屈服点为295390MPa热轧钢的碳当量一般都小于0.4%，焊接性良好，除大厚度钢板和在环境温度很低等情况下焊接外，一般不需预热和严格控制焊接热输入。 碳当量CE=0.4%0.6%时，钢的淬硬倾向逐渐增加，属于有淬硬倾向的钢，对冷裂纹比较敏感。屈服点为440490MPa的正火钢基本属于这一范围，

19、其中碳当量不超过0.5%时，淬硬倾向不太严重，焊接性尚好，在板厚较大25mm时需要采取预热措施。 2焊接热裂纹 热轧及正火钢含碳量都较低，而含Mn量较高，Mn/S的比值可以达到防止结晶裂纹的要求，具有较好的抗热裂纹能力，在母材化学成分正常，焊接材料和焊接参数选择正确的情况下，一般不会产生热裂纹。但在个别情况下，例如母材中的碳与硫同时居上限或严重偏析，则有可能产生结晶裂纹。反之，如果焊接时焊缝产生结晶裂纹，则是由母材中的碳与硫的不正常造成的，这时就要从工艺上设法减小熔合比，选用碳含量少、Mn含量高的焊接材料，以降低焊缝中的碳和提高焊缝中的Mn，可以达到消除结晶裂纹的目的。 3 3消除应力裂纹再热

20、裂纹）消除应力裂纹再热裂纹） 含有含有MoMo、CrCr元素的钢在焊后消除应力热处理或焊元素的钢在焊后消除应力热处理或焊后再次高温加热包括长期高温下使用过程中，后再次高温加热包括长期高温下使用过程中，可能出现裂纹，即消除应力裂纹，也称再热裂纹。可能出现裂纹，即消除应力裂纹，也称再热裂纹。一般产生在热影响区的粗晶区，裂纹沿熔合线方一般产生在热影响区的粗晶区，裂纹沿熔合线方向断续分布。该裂纹的产生一般须有较大的焊接向断续分布。该裂纹的产生一般须有较大的焊接残余应力，因此在拘束度大的厚大工件中或应力残余应力，因此在拘束度大的厚大工件中或应力集中部位更易于出现消除应力裂纹。集中部位更易于出现消除应力裂

21、纹。 在热轧及正火钢中，在热轧及正火钢中，18MnMoNb18MnMoNb和和14MnMoV14MnMoV有有轻微的消除应力裂纹倾向，可采取提高预热温度轻微的消除应力裂纹倾向，可采取提高预热温度或焊后立即热处理等措施来防止消除应力裂纹的或焊后立即热处理等措施来防止消除应力裂纹的产生。产生。 4 4层状撕裂层状撕裂 层状撕裂主要与钢的冶炼轧制质量、板厚、接头层状撕裂主要与钢的冶炼轧制质量、板厚、接头形式和形式和Z Z向应力有关，与钢材强度无直接关系。向应力有关，与钢材强度无直接关系。 一般认为，钢中的含硫量和一般认为，钢中的含硫量和ZZ是衡量抗层状撕是衡量抗层状撕裂能力的判据。经验表明，当裂能力

22、的判据。经验表明，当ZZ20%20%时，即时，即使使Z Z向拘束应力较大，也不会产生层状撕裂。向拘束应力较大，也不会产生层状撕裂。 对有可能在焊接过程产生层状撕裂的重要结构，对有可能在焊接过程产生层状撕裂的重要结构，可采用可采用Z Z向钢如向钢如D36D36），其），其ZZ最高值可达最高值可达55%55%。这些钢在冶炼过程中采取了特殊的工艺措施，因这些钢在冶炼过程中采取了特殊的工艺措施，因此成本较高。此成本较高。 二、热影响区性能变化二、热影响区性能变化 热轧及正火钢焊接热影响区性能变化主要是过热热轧及正火钢焊接热影响区性能变化主要是过热区的脆化；在一些合金元素含量较低的钢中有时区的脆化；在一

23、些合金元素含量较低的钢中有时还可能出现热应变脆化问题。还可能出现热应变脆化问题。 1 1过热区脆化过热区脆化 在被加热到在被加热到12001200以上的热影响区过热区，会发以上的热影响区过热区，会发生奥氏体晶粒的显著长大和一些难熔质点如碳生奥氏体晶粒的显著长大和一些难熔质点如碳化物和氮化物熔入基体的过程。在冷却过程中化物和氮化物熔入基体的过程。在冷却过程中可能会产生脆性较大的魏氏组织、粗大的马氏体可能会产生脆性较大的魏氏组织、粗大的马氏体组织和塑性很低的混合组织即铁素体、高碳马组织和塑性很低的混合组织即铁素体、高碳马氏体和贝氏体的混合组织等。氏体和贝氏体的混合组织等。 热轧钢过热区脆化主要是由

24、于在热输入较大时产生魏氏组织或是由于含碳量偏高和冷却速度较快时产生的马氏体组织引起的。 正火钢过热区脆化与魏氏组织无关，除晶粒粗化外，主要是由于在1200高温下，起沉淀强化作用的碳化物和氮化物质点分解并熔于奥氏体，在随后的冷却过程中来不及析出而固溶在基体中，结果使铁素体基体的硬度上升而韧性下降，这时如果减小热输入，就可以减少过热区在高温的停留时间，抑制碳化物和氮化物的熔解，从而有效防止过热区脆化。 2热应变脆化 热应变脆化是指在焊接过程中，在热和应变共同作用下产生的一种应变时效。一般发生在固溶氮含量较高而强度级别不高的低合金钢中，如抗拉强度490MPa的C-Mn钢。 若在钢中加入足够的氮化物形

25、成元素Al、Ti、V等可以有效降低热应变脆化倾向，如Q42015MnVN比Q34516Mn的热应变倾向小。 消除热应变时效的有效措施是焊后热处理，如Q345经6001h退火处理后，其韧性可恢复到原有水平。 知识点知识点3 3 热轧及正火钢热轧及正火钢 的焊接工艺要点的焊接工艺要点 一、焊接方法一、焊接方法 热轧及正火钢焊接时对焊接方法无特殊要热轧及正火钢焊接时对焊接方法无特殊要求，不同焊接方法对焊接质量无显著影响，求，不同焊接方法对焊接质量无显著影响，因此可以采用各种焊接方法进行焊接，常因此可以采用各种焊接方法进行焊接，常用焊接方法如焊条电弧焊、埋弧焊、用焊接方法如焊条电弧焊、埋弧焊、CO2C

26、O2气体保护焊和电渣焊等，一般是根据产品气体保护焊和电渣焊等，一般是根据产品的结构特点、批量、生产条件和经济效益的结构特点、批量、生产条件和经济效益等综合情况进行选择。等综合情况进行选择。 二、下料、坡口加工和定位焊二、下料、坡口加工和定位焊 热轧及正火钢可以采用各种切割方法下料。热轧及正火钢可以采用各种切割方法下料。 坡口加工可采用机械加工，也可采用气割和碳弧坡口加工可采用机械加工，也可采用气割和碳弧气刨。对强度级别较高、厚度较大的焊件，经过气刨。对强度级别较高、厚度较大的焊件，经过火焰切割或碳弧气刨的坡口应用砂轮仔细打磨，火焰切割或碳弧气刨的坡口应用砂轮仔细打磨，消除氧化皮及凹槽；在坡口两

27、侧消除氧化皮及凹槽；在坡口两侧202030mm30mm范围范围内清除油污、铁锈等。内清除油污、铁锈等。 定位焊焊缝应有足够的长度一般不小于定位焊焊缝应有足够的长度一般不小于50mm50mm以防开裂，对厚度较薄的板材定位焊缝长度应不以防开裂，对厚度较薄的板材定位焊缝长度应不小于小于4 4倍板厚。倍板厚。 定位焊应选用与焊缝相同的焊接材料，也可选用定位焊应选用与焊缝相同的焊接材料，也可选用强度稍低的焊条或焊丝。焊接顺序应能防止过大强度稍低的焊条或焊丝。焊接顺序应能防止过大的拘束、允许工件有适当的变形，采用的焊接电的拘束、允许工件有适当的变形，采用的焊接电流可稍大于焊接时的焊接电流。流可稍大于焊接时

28、的焊接电流。 三、焊接材料三、焊接材料 选择焊接材料时必须考虑到两方面的问题：选择焊接材料时必须考虑到两方面的问题： 一是保证焊缝不产生裂纹等焊接缺陷；一是保证焊缝不产生裂纹等焊接缺陷； 二是能满足使用性能的要求。二是能满足使用性能的要求。 选择焊接材料的主要依据是保证焊缝金属的强度、选择焊接材料的主要依据是保证焊缝金属的强度、塑性和韧性等力学性能与母材相匹配，而不要求塑性和韧性等力学性能与母材相匹配，而不要求与母材成分相同，因此选择焊接材料应考虑以下与母材成分相同，因此选择焊接材料应考虑以下问题：问题： 1根据母材的强度级别选用相应的焊接材料 按照焊缝与母材等强匹配的原则选择焊接材料，一般要

29、求焊缝与母材强度相等或略低于母材。 例如适用于焊接Q42015MnVN的焊条E5515，其中C、Mn的含量都比母材低，且其中不含沉淀强化元素V，但用它焊接的焊缝金属的抗拉强度可达549608MPa，同时还具有高的塑性和韧性。 2考虑熔合比和冷却速度的影响 焊缝的力学性能取决于它的化学成分和组织状态。焊缝化学成分不仅取决于焊接材料，而且与母材的熔入量即熔合比有很大关系；而焊缝组织则与冷却速度有很大关系。 采用同样焊接材料，在熔合比和冷却速度不同时，所得焊缝的性能也会有很大差别。 选择焊条或焊丝时应考虑到板厚和坡口形式的影响，焊接薄板时因熔合比较大，应选用强度较低的焊接材料，焊接厚板时则相反。 3

30、考虑焊后热处理对焊缝力学性能的影响 焊后热处理如消除应力退火会使焊缝的强度有所降低，当焊缝强度余量不大时，焊后热处理后焊缝强度可能低于母材，因此，对于焊后要求正火处理的焊缝，应选择强度高一些的焊接材料。 此外，如果对焊缝金属的使用性能有特殊要求，应同时加以考虑。例如，在焊接16MnCu时，要求焊缝金属与母材具有相同的耐蚀性能，则需选用含铜的焊条。 四、焊接参数四、焊接参数 1 1焊接热输入焊接热输入 确定焊接热输入主要考虑热影响区的脆化和冷裂确定焊接热输入主要考虑热影响区的脆化和冷裂两个因素。两个因素。 各类钢材的脆化倾向和冷裂倾向是不同的，因此各类钢材的脆化倾向和冷裂倾向是不同的，因此对热输

31、入的要求也不同。对热输入的要求也不同。 在焊接碳当量在焊接碳当量CeqCeq小于小于0.4%0.4%热轧及正火钢时，热轧及正火钢时，如如Q295Q295和和Q345Q345，对热输入没有严格限制。，对热输入没有严格限制。 焊接碳当量为焊接碳当量为0.4%0.4%0.6%0.6%的热轧及正火钢时，的热轧及正火钢时，热输入应偏大一些比较好。热输入应偏大一些比较好。 但最好是采用小热输入但最好是采用小热输入+ +预热。恰当控制预热温预热。恰当控制预热温度，既能避免产生裂纹，又能防止晶粒过热。度，既能避免产生裂纹，又能防止晶粒过热。 2预热温度 预热的目的是为了防止裂纹，同时还有一定的改善组织和性能的

32、作用。预热温度与钢材的淬硬性、板厚、拘束度、环境温度等因素有关，工程中必须结合具体情况经试验后才能确定，推荐的一些预热温度只能作为参考。多层焊时应保证道间温度不低于预热温度，但也要避免道间温度过高产生的不利影响，如韧性下降等。 常用热轧及正火钢推荐的预热温度见表3-5表表3-5 3-5 几种常用热轧及正火钢的预热温度和焊后热处理参数几种常用热轧及正火钢的预热温度和焊后热处理参数钢号钢号预热温度预热温度焊后热处理规范焊后热处理规范型号型号牌号牌号电弧焊电弧焊电渣焊电渣焊Q29509Mn209MnNb09MnV不预热（一般供应不预热（一般供应的板厚的板厚16mm）不热处理不热处理-Q34516Mn

33、14MnNb100150（30mm）600650退火退火900930正火正火600650回火回火Q39015MnV15MnTi16MnNb100150（28mm）550或或650退火退火950980正火正火550或或650回火回火Q42015MnVN14MnVTiRE100150（25mm）950正火正火650回火回火14MnMoV18MnMoNb200600650退火退火950980正火正火600650回火回火 3焊后热处理 热轧及正火钢一般不需要焊后热处理；但对要求抗应力腐蚀的焊接结构、低温下使用的焊接结构和厚壁高压容器等，焊后需要进行消除应力的高温回火550650）。确定回火温度的原则是

34、： 1不超过母材原来的回火温度，以免影响母材本身的性能。 2对有回火脆性的材料，要避开出现回火脆性的温度区间。例如，对含V或V+Mo的低合金钢，在回火时要避免在600左右的温度区间停留较长时间，以防因V的二次碳化物析出而造成脆化，如Q42015MnVN的消除应力回火的温度为55025）。 另外，对于抗拉强度大于490MPa的高强度钢，由于产生延迟裂纹的倾向较大，为了在消除应力的同时起到消氢处理的作用，要求焊后立即进行回火处理。如焊后不能及时进行热处理，应立即在250350保温26h，以便焊接区的氢逸出。综合知识模块三综合知识模块三 低碳调质钢的焊接低碳调质钢的焊接 屈服点大于490MPa的高强

35、钢必须采用调质处理，通过组织强化获得很高的综合力学性能。 低碳调质钢属于热处理强化钢。 这类钢既有较高的强度，又有良好的塑性和韧性，在工程结构中的应用日益广泛。 知识点知识点1 1 低碳调质钢的成分与性能低碳调质钢的成分与性能 为了保证良好的综合性能和焊接性，低碳为了保证良好的综合性能和焊接性，低碳调质钢要求钢中碳的质量分数不大于调质钢要求钢中碳的质量分数不大于0.22%0.22%（实际上一般（实际上一般wc0.18%wc0.18%），此外），此外添加一些合金元素如添加一些合金元素如MnMn、CrCr、NiNi、MoMo、V V、NbNb、B B、CuCu等，目的是为了提高钢的淬透等，目的是为

36、了提高钢的淬透性和马氏体的回火稳定性。这类钢由于含性和马氏体的回火稳定性。这类钢由于含碳量低，淬火后得到低碳马氏体，而且会碳量低，淬火后得到低碳马氏体，而且会发生发生“自回火自回火”，脆性小，具有良好的焊接，脆性小，具有良好的焊接性。性。 抗拉强度600Mpa、700MPa的低碳调质钢HQ60、HQ70主要用于工程机械、动力设备、交通运输机械和桥梁等，这类钢可在调质状态下焊接，焊后不再进行调质处理，必要时可进行消除应力处理。 抗拉强度800MPa的低碳调质钢如14MnMoNbB、HQ80和HQ80C也在工程中获得广泛应用。 为了改善野外施工焊接条件和提高低温韧性，开发了一种含碳极低wc0.09

37、%）的调质钢，即焊接无裂纹钢简称CF钢），焊接时采用超低氢焊接材料，在板厚50mm以下或在0都可焊前不预热。 知识点知识点2 2 低碳调质钢的焊接性低碳调质钢的焊接性 低碳调质钢主要是作为高强度的焊接结构低碳调质钢主要是作为高强度的焊接结构用钢，因此其中碳的质量分数限制得较低，用钢，因此其中碳的质量分数限制得较低，在合金成分的设计上也考虑了焊接性的要在合金成分的设计上也考虑了焊接性的要求。低碳调质钢是热处理强化钢，是通过求。低碳调质钢是热处理强化钢，是通过调质处理获得强化效果的，因此焊接时在调质处理获得强化效果的，因此焊接时在热影响区内除会发生脆化外还有软化问题，热影响区内除会发生脆化外还有软

38、化问题，在选择焊接材料时应着重考虑。在选择焊接材料时应着重考虑。 一、焊接裂纹一、焊接裂纹 1 1焊接热裂纹焊接热裂纹 低碳调质钢一般含碳量都较低，而含低碳调质钢一般含碳量都较低，而含MnMn量量较高，且对较高，且对S S、P P的限制也较严格，因此焊的限制也较严格，因此焊缝金属的结晶裂纹倾向较小。但对一些高缝金属的结晶裂纹倾向较小。但对一些高NiNi低低MnMn类型的低合金高强钢来讲，由于类型的低合金高强钢来讲，由于NiNi的作用会增加结晶裂纹倾向，但只要选择的作用会增加结晶裂纹倾向，但只要选择合适的焊接材料，提高焊缝金属的含合适的焊接材料，提高焊缝金属的含MnMn量，量，就可以避免产生这种

39、裂纹。就可以避免产生这种裂纹。 2焊接冷裂纹 低碳调质钢在严格控制焊缝扩散氢含量的情况下，对冷裂纹不敏感。 一般焊缝组织为马氏体或贝氏体。 马氏体虽然属于淬火组织，但由于含碳量低，仍保持了较高的韧性； 而且这类钢的Ms点比较高400），如果焊接时控制在Ms点附近的冷却速度比较低，马氏体形成后可以进行一次“自回火过程，使韧性得到改善，因此可以避免产生冷裂纹。 低碳调质钢对扩散氢比较敏感，如果焊缝中扩散氢含量较多时，冷裂纹敏感性还是相当高的。因此，焊接时必须选用低氢或超低氢焊接材料，并严格控制焊接区氢的来源。 3消除应力裂纹 低碳调质钢中大都含有Cr、Ni、Mo、V、Nb、B等提高消除应力裂纹敏感

40、性的元素，其中影响最大的是V，其次是Mo，二者共存时情况更严重。一般认为Mo-V系的钢，特别是Cr-Mo-V系的钢对消除应力裂纹最敏感；Mo-B和Cr-Mo系的钢也有一定的敏感性。但不同成分的钢对该裂纹的敏感温度范围有所差别，焊接时可通过一定的工艺措施，如控制预热和后热温度、降低消除应力退火温度等，来防止消除应力裂纹的发生。 二、热影响区性能变化二、热影响区性能变化 1、热影响区脆化、热影响区脆化 低碳调质钢热影响区脆化的原因和规律与低碳调质钢热影响区脆化的原因和规律与热轧及正火钢都不同。这类钢经调质处理热轧及正火钢都不同。这类钢经调质处理后的组织是低碳马氏体或下贝氏体，都有后的组织是低碳马氏

41、体或下贝氏体，都有较高的韧性，因此产生正常的淬火组织不较高的韧性，因此产生正常的淬火组织不是引起脆化的原因。是引起脆化的原因。 典型低碳调质钢连续冷却曲线如图典型低碳调质钢连续冷却曲线如图3-2所示，所示，可以看出奥氏体向珠光体的转变大大推迟，可以看出奥氏体向珠光体的转变大大推迟，当冷却速度较低时，会形成由铁素体当冷却速度较低时，会形成由铁素体F、高、高碳马氏体碳马氏体M和高碳贝氏体和高碳贝氏体B组成的混合组织，组成的混合组织，这种混合组织是过热区严重脆化的主要原这种混合组织是过热区严重脆化的主要原因。因。图图3-2 典型低碳调质钢连续冷却曲线典型低碳调质钢连续冷却曲线 2热影响区软化 热影响

42、区软化是指其强度和硬度下降的现象，是焊接调质钢时普遍存在的问题。热影响区内凡是加热温度高于母材回火温度至Ac1的区域，由于组织转变及碳化物的沉淀和聚集长大引起软化，而且温度越接近Ac1的区域，软化越严重，如图3-3所示。 钢材的强度级别越高，焊前母材强化程度越大母材调质处理的回火温度越低），焊后热影响区的软化越严重。 低碳调质钢热影响区的软化是由母材的强化特性决定的，只能通过一定的工艺措施来防止。软化区的宽度和软化程度与焊接方法和热输入有很大关系，低碳调质钢焊接时不宜采用大的焊接热输入和较高的预热温度。图图3-3 调质钢热影响区的硬度分布调质钢热影响区的硬度分布A-焊前淬火焊前淬火+低温回火低

43、温回火 B-焊前淬火焊前淬火+高温回火高温回火 C-焊前退焊前退火火1-淬火区淬火区 2-部分淬火区部分淬火区 3-回火区回火区 知识点知识点3 3 低碳调质钢的焊接工艺要点低碳调质钢的焊接工艺要点 低碳调质钢焊接时要注意两个基本问题：低碳调质钢焊接时要注意两个基本问题：一是要求在马氏体转变时的速度不能太快，一是要求在马氏体转变时的速度不能太快，使马氏体能够发生使马氏体能够发生“自回火过程，以免产自回火过程，以免产生冷裂纹；生冷裂纹； 二是要使热影响区在二是要使热影响区在800800500500之间的冷之间的冷却速度大于产生脆性混合组织的临界冷却却速度大于产生脆性混合组织的临界冷却速度。速度。

44、 这两个问题是制定低碳调质钢焊接工艺的这两个问题是制定低碳调质钢焊接工艺的主要依据。主要依据。 1 1焊前准备焊前准备 对于屈服点大于对于屈服点大于600MPa600MPa的低碳调质钢，接头形的低碳调质钢，接头形式尽量采用对接接头，坡口以式尽量采用对接接头，坡口以U U形或形或V V形为好形为好, ,为为减小应力还可采用双减小应力还可采用双U U形或双形或双V V形坡口。形坡口。 低碳调质钢可以用气割方法切割坡口，但割缝边低碳调质钢可以用气割方法切割坡口，但割缝边缘有硬化层，应通过加热或机械加工消除。板厚缘有硬化层，应通过加热或机械加工消除。板厚小于小于100mm100mm时，切割前不需预热；

45、板厚大于时，切割前不需预热；板厚大于100mm100mm时，应进行时，应进行100100150150的预热。强度级别的预热。强度级别较高的钢，应尽量采用机械切割或等离子切割方较高的钢，应尽量采用机械切割或等离子切割方法，以减小硬化层。法，以减小硬化层。 2焊接方法 低碳调质钢在焊接时需要解决的问题：一是防止裂纹；二是在保证获得高强度的同时，提高焊缝金属和热影响区的韧性。 屈服点s980MPa的低碳调质钢焊接时，需要采用钨极氩弧焊或真空电子束焊才能获得满足要求的焊接接头； 对于屈服点s980MPa的低碳调质钢，焊条电弧焊、埋弧焊、熔化极气体保护焊和钨极氩弧焊等焊接方法都可以采用，但对屈服点s68

46、6MPa的低碳调质钢，熔化极气体保护焊如Ar+CO2混合气体保护焊是最合适的焊接方法。 3焊接材料 低碳调质钢焊接材料的选择原则是“等强匹配或“低强匹配”，任何情况下都不可选择“超强匹配”。不同强度级别的低碳调质钢焊接材料的选用见表3-12。钢种钢种焊条电弧焊焊条电弧焊埋弧焊埋弧焊气体保护焊气体保护焊焊丝焊丝焊剂焊剂焊丝焊丝保护气保护气14MnMoVNE7015-D2E7015-GH08Mn2NiMoAH08Mn2NiMoVAHJ250HJ350H08Mn2SiAH08Mn2MoACO2或或Ar+CO214MnMoNbBE7015-D2 E7015-G E7515-G E8015-GH08Mn

47、2MoA H08Mn2Ni2CrMoAHJ350H08Mn2MoAH08MnNi2MoCO2或或Ar+CO2HQ80E8015-GE7515-G-H08MnNi2MoAER110CO2或或Ar+CO2 (20%)HQ100E9015-GE1005-G-H08MnNi2CrMoAAr+CO2(5%20%)表表3-12不同强度级别的低碳调质钢焊接材料的选用不同强度级别的低碳调质钢焊接材料的选用 4焊接参数 （1焊接热输入 从防止热影响区脆化出发，要求冷却速度较快为好；而从防止冷裂来讲，要求冷却速度越慢越好，因此确定冷却速度应该兼顾两者的要求，选择一个合适的范围，上限要不产生冷裂，下限要不产生引起脆

48、化的混合组织，如图3-2中的阴影区域是既能得到良好韧性，又能保证不产生冷裂的冷却速度范围。 选择焊接热输入的原则是：在保证不出现裂纹和满足热影响区韧性的条件下，应选择尽可能大的焊接热输入。例如，HQ70钢焊接时的预热温度和最大焊接热输入见表3-13。钢种板厚/mm预热温度/道间温度/焊接热输入/kJcm-1焊条电弧焊气体保护焊埋弧焊HQ70613502550150251326751005050752004526501257510022048HQ80C6135050501502513267510050757510020045265012510012522048表表3-13 HQ703-13 HQ

49、70钢的预热温度和最大焊接热输入钢的预热温度和最大焊接热输入 （2预热和后热温度 低碳调质钢在板厚不大、接头拘束度较小的情况下焊接时可以不预热。 但当焊接热输入提高到最大允许值还不能避免裂纹时，就必须采取预热措施。一般采用较低的预热温度T0200）。 预热主要为降低马氏体转变时的冷却速度，使马氏体能实现“自回火来提高抗裂性能。预热温度过高，不仅对防止冷裂没有必要，反而会使800500的冷却速度低于出现脆性混合组织的临界冷却速度，使热影响区韧性下降。所以要避免不必要的提高预热温度，也包括道间温度。两种低碳调质钢的最低预热温度和道间温度见表3-14。板厚板厚/mm14MnMoVN14MnMoNbB

50、13-131650100100150161910015015000192210015015020022251502002002502535150200200250低碳调质钢焊接结构一般是在焊态下使用，正常情况下不进行焊后热处理。除非焊后接头区强度和韧性过低、结构要求耐应力腐蚀以及焊后需要进行高精度加工来保证结构尺寸等，才进行焊后热处理。为了保证材料的强度性能，焊后热处理温度必须比母材原调质处理的回火温度低30。表表3-14 3-14 两种低碳调质钢的最低预热温度和道间温度两种低碳调质钢的最低预热温度和道间温度 （单位：（单位：） 焊接热输入对热影响区的韧性有明显的影响，热输入上升，韧性下降。最

51、佳热输入为1725kJ/cm，允许热输入为1040kJ/cm。 预热温度与扩散氢H有关，当焊条经400烘干，H2mL/100g时可不进行预热。板厚较大或母材的CE或Pcm偏高时，应进行50的预热。 一般情况下，焊后不需进行热处理。当36mm时，要求进行消除应力退火。退火温度应低于焊前回火温度，若超过回火温度强度将明显下降。综合考虑保证性能及防止消除应力裂纹，退火温度应选在550580之间，加热速度不超过120/h，保温后随炉冷至300后再出炉空冷。 为了防止消除应力裂纹，可采取以下措施： 降低消除应力退火温度。 控制母材中V、B的含量。 适当预热（100）。 焊后及时进行200（0.51h后热

52、。综合知识模块四综合知识模块四 中碳调质钢的焊接中碳调质钢的焊接 中碳调质钢中碳和其他合金元素的含量都较高，通过调质处理获得较高的强度。其中加入合金元素的作用是保证淬透性和提高抗回火性，而其强度主要还是取决于含碳量。但随含碳量的增加，钢的焊接性明显变差，焊接时必须采取严格的工艺措施，焊后必须经过调质处理才能达到使用要求的接头性能。 知识点1 中碳调质钢的成分和性能 中碳调质钢都是在淬火+回火状态下使用，屈服点达8801176MPa以上，具有高的比强度和高硬度，可以用作火箭外壳和装甲钢等。 其中碳的质量分数为wc=0.25%0.5%，并加入合金元素如Mn、Si、Ni、Cr、Mo、V、Ti等），以

53、保证钢的淬透性，消除回火脆性，再通过调质处理获得较好的综合性能。 中碳调质钢的淬硬性比低碳调质钢高得多，淬火后得到马氏体组织，再经回火得到的是片状马氏体，属于硬脆组织，因此钢的韧性较低，给焊接带来很大困难。常用的中碳调质钢的化学成分和力学性能见表3-15和3-16。 表表3-15 3-15 中碳调质钢的化学成分质量分数）（中碳调质钢的化学成分质量分数）（% %）钢牌号钢牌号CMnSiCrNiMoVSP30CrMnSiA0.280.350.81.10.91.20.81.10.30-0.0300.03540CrMnSiMoVA0.370.420.81.21.21.61.21.50.250.450.

54、450.0.60600.070.120.0300.02535CrMoA0.300.400.40.70.170.350.91.3-0.20.3-0.0300.03535CrMoVA0.300.380.40.70.20.41.01.3-0.20.30.10.20.0300.03534CrNi3MoA0.30.40.50.80.270.370.71.12.753.250.250.4-0.0300.03540CrNiMoA0.360.440.50.80.170.370.60.91.251.750.150.25-0.0300.03030Cr3SiNiMoVA0.320.700.963.100.910.7

55、00.110.0030.019表表3-16 3-16 中碳调质钢的力学性能中碳调质钢的力学性能钢号钢号热处理规范热处理规范屈服屈服点点s/MPa抗拉强抗拉强度度b/MPa伸长伸长率率（%）断面收断面收缩率缩率（%）冲击吸收冲击吸收功功AKV/J硬度硬度HBW30CrMnSiA870890油淬油淬510550回火回火833107810404934636330CrMnSiNi2A890910油淬油淬200300回火回火137215689455944440Cr850油淬油淬520回火（水回火（水或油）或油）7859809454720740CrMnSiMoVA890970油淬油淬250270回火回火，

56、空冷，空冷-1862835354952HRC35CrMoA860880油淬油淬560580回火回火49065715354919724135CrMoVA880900油淬油淬640660回火回火68681413353925530234CrNi3MoA850870油淬油淬580670回火回火83393112353928534140CrNiMoA840860油淬油淬550650水冷水冷或空冷或空冷833980125578269 按照合金系统，中碳调质钢大概可以归纳为以下几种： 1 Cr钢 40Cr是一种广泛使用的含Cr调质钢，具有良好的综合力学性能、较高的淬透性和较高的疲劳强度，用于制造较重要的在交变

57、载荷下工作的机器零件，如齿轮和轴类。 Cr能增加高温或低温的回火稳定性，但Cr 钢有回火脆性。该钢中wCr1.5%时能有效提高钢的淬透性，继续增加无实际意义；当wCr=1% 时对钢的塑性和韧性略有提高；当wCr2%时对塑性影响不大，但略使钢的冲击韧度降低。 2 2Cr-MoCr-Mo钢钢 35CrMoA35CrMoA和和35CrMoVA35CrMoVA属于属于Cr-MoCr-Mo钢系统，是在钢系统，是在CrCr钢基础上发展起来的中碳调质钢，具有良好的钢基础上发展起来的中碳调质钢，具有良好的强度和韧性匹配，一般在动力设备中用于制造一强度和韧性匹配，一般在动力设备中用于制造一些承受负荷较高、截面较

58、大的重要零部件，如汽些承受负荷较高、截面较大的重要零部件，如汽轮机叶轮、主轴和发电机转子等。轮机叶轮、主轴和发电机转子等。 CrCr钢中加入少量钢中加入少量MoMowMo=0.15%wMo=0.15%0.25%0.25%）可）可以消除以消除CrCr钢的回火脆性，提高淬透性和高温强度；钢的回火脆性，提高淬透性和高温强度；V V可以细化晶粒，提高强度、塑性和韧性，增加可以细化晶粒，提高强度、塑性和韧性，增加高温回火稳定性。但由于钢中的含碳量较高，淬高温回火稳定性。但由于钢中的含碳量较高，淬透性较大，因此焊接性较差，一般要求焊前预热透性较大，因此焊接性较差，一般要求焊前预热和焊后热处理。和焊后热处理

59、。 3Cr-Mn-Si钢 30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A和40CrMnSiMoVA都属于Cr-Mn-Si钢系统，这类钢的显著特点是强度很高，但焊接性差，在飞机制造中应用较多。 30CrMnSiA是一种典型的Cr-Mn-Si系统的中碳调质钢，其中不含贵重的Ni，因此在我国得到广泛应用。在退火状态下，它的组织是铁素体+珠光体，调质状态下的组织为回火索氏体。Cr-Mn-Si系钢具有回火脆性的缺点，在300450内出现第一类回火脆性，同时还具有第二类回火脆性，因此高温回火时必须采取快速冷却的办法，否则韧性会显著降低。 4Cr-Ni-Mo钢 40CrNiMoA和34CrNi3MoA属于Cr

60、-Ni-Mo系统，具有良好的综合性能，如强度高、韧性好、淬透性大等优点，主要用于制造高负荷、大截面的轴类和承受冲击载荷的构件，如汽轮机、喷气涡轮机轴、喷气式客机的起落架及火箭发动机外壳等。 知识点知识点2 2 中碳调质钢的焊接性中碳调质钢的焊接性 1 1焊缝中的热裂纹焊缝中的热裂纹 中碳调质钢含碳量及合金元素含量都较高，中碳调质钢含碳量及合金元素含量都较高，因此液因此液- -固相温度区间大，结晶时成分偏析固相温度区间大，结晶时成分偏析也较严重，焊接时易产生结晶裂纹，具有也较严重，焊接时易产生结晶裂纹，具有较大的热裂纹倾向。较大的热裂纹倾向。 为防止热裂纹，焊接时尽量采用含碳量低为防止热裂纹，焊