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1、第一模块 合金结构钢的种类、性能用途 用于机械零件和各种工程结构的钢统称为结构钢。 碳素结构钢是最早使用的结构钢。 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。第1页/共142页 一、一、合金结构钢的分类与用途 用于焊接结构的大多是用于焊接结构的大多是低合金钢（合金总量低合金钢（合金总量3%3%以下）以下）， 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。 高强度钢主要应用其力学性能高强度钢主要应用其力学性能，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专用钢主要应用的是其特殊性能，例如耐高温、耐低温和耐

2、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。第2页/共142页1高强度钢 高强钢：凡是屈服点s295MPa、抗拉强度b390MPa的钢，均称为高强钢。 （发达国家该钢种年产量占10%） 1吨高强钢相当于1.22吨碳钢使用。 应用：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。第3页/共142页 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。热轧钢：热轧钢：把钢锭加热到1300左右，经热轧成板材，然后空冷即成；正火钢：正火钢：钢板轧制和冷却后，经900正火；调质钢：调质钢：钢

3、板经900加热后水淬，再经600回火处理即成。第4页/共142页 近年来这类钢又开发出具有很大发展前途的新钢种，如微合金化控轧钢微合金化控轧钢、焊接无裂纹钢焊接无裂纹钢（CF钢）、抗层状撕裂钢抗层状撕裂钢（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。第5页/共142页表3-1 3-1 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295490Q295(Cu)、09Mn2Si、Q345(Cu)、

4、Q390、Q390(Cu)、Q420、18MnMoNb、14MnMoV、WH530、X60、D36低碳低碳调质钢调质钢49098014MnMoVN、14MnMoNbB、WCF60、WCF62、HQ70、HQ80、HQ100、T-1、HY80、HY110中碳中碳调质钢调质钢880117635CrMoA、35CrMoVA、30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A、40CrMnSiMoVA、40CrNiMoA、34CrNi3MoA专专用用钢钢珠光体耐热钢珠光体耐热钢26564012CrMo、15CrMo、2.25Cr1Mo、12Cr1MoV、15Cr1Mo1V、12Cr5Mo、12Cr9Mo1、

5、12Cr2MoWVB、12Cr3MoVSiTiB低温钢低温钢34358509Mn2V、06AlCuNbN、2.5Ni、3.5Ni、5Ni、9Ni低合金耐蚀钢低合金耐蚀钢-12MnCuCr、09MnCuPTi、09CuPCrNi、12AlMoV、12AlMo、15Al3MoWTi第6页/共142页（1 1）热轧及正火钢热轧及正火钢 Q295、 Q345、 Q390、 Q420 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

6、构，如压力容器、动力设备、工程机械、桥梁、建筑结构和管线等。第7页/共142页 例如：1957年建成通车的武汉长江大桥采用碳素钢，是在苏联专家援助下建成的。 1968年建成通车的南京长江大桥，是我国自行设计制造的公路、铁路两用桥，主体钢梁采用鞍钢生产的16Mn（Q345），当年被称为“争气钢”； 1993年通车九江长江大桥采用鞍钢生产15MnVTi钢； 2000年通车芜湖长江大桥采用武钢生产14MnNb钢。第8页/共142页（2 2）低碳调质钢）低碳调质钢 屈服点为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%）

7、、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，主要用于受力复杂的重要零部件，如大型机械大型机械工程、压力容器及舰船工程、压力容器及舰船等。第9页/共142页（3 3）中碳调质钢）中碳调质钢 40Gr、 40GrNi 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

8、所要求的强度和硬度。 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。第10页/共142页2 2专用钢专用钢 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珠光体耐热钢、低温钢和低合金耐蚀钢。耐热钢、低温钢和低合金耐蚀钢。（1）珠光体耐热钢 ：12GrMoGrMo、15GrMoGrMo 、12GrMoGrMoV。 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。第11页/共142

9、页（2）低温钢 具有良好的低温韧性，其工作温度为-40-40- -196196，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。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强度外，还必须具有足够的低温韧性。第12页/共142页（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。09MnCuPTi第13页/共142页 二、

10、合金结构钢的成分与性能二、合金结构钢的成分与性能 1合金元素的作用 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提下，碳的含量越少越好。低合金钢中加入的合金元素有Mn、Si、Cr、Ni、Mo、V、Nb、B、Cu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抗拉强度和屈服点的影响如图3-1所示第14页/共142页图图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第15页/共142页 Mn的固溶强化作用很明显，当wMn1.7%时，可提高韧性

11、和降低脆性转变温度（屈服点提高约50%、脆性转变温度约下降20），如Q345（16Mn）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是惟一能起固溶强化作用同时又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。第16页/共142页 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

12、含量应加以控制。第17页/共142页 V、Ti、Nb是强烈碳化物的元素，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是微合金化的元素，它可以细化晶粒从而改善韧性。第18页/共142页 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

13、下降。因此抗拉强度大于600MPa的高强钢一般都需进行调质处理。第19页/共142页第二模块第二模块 热轧及正火钢的焊接热轧及正火钢的焊接一、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；热轧钢的组织为铁素体+珠光体;第20页/共142页第二模块第二模块 热轧及正火钢的焊接热轧及正火钢的焊接一、热轧及正火钢的成分和性能 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。 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。第21

14、页/共142页 Q345（16Mn）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。 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。 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。第22页/共142页 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

15、（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。固溶体中沉淀析出并同时细化晶粒。第23页/共142页 3微合金控轧钢 加入质量分数为加入质量分数为0.1%0.1%左右对钢的组织性能有显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，称为微合著或特殊影响的微量合金元素的钢，称为微合金钢。金钢。多种微合金元素的共同作用称为多元微合金化。第24页/共142页 3微合金控轧钢 微合金控轧钢采用微合金化微合金化和控制轧制等技术控制轧制等技术，达

16、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，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具有高强度、高韧性和良好的焊接性等优点优点，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。第25页/共142页 二、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。焊接时需要注意的问题是焊接裂纹和热影响区性能变化。第26页/共142页 （一）焊接裂纹（一）焊接裂纹 1焊接冷裂纹 产生

17、冷裂纹的三要素淬硬组织、拘束度和扩散氢含量 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敏感性的标准之一。而淬硬倾向又可以通过碳当量、Pc、热影响区最高硬度等来判断。 例如钢材碳当量越大，冷裂纹敏感性也越大，利用国际焊接学会推荐的碳当量计算公式计算CE。第27页/共142页 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。第28页/共142页 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

18、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，其中碳当量不超过0.5%时，淬硬倾向不太严重，焊接性尚好，板厚较大（25mm）时需要采取预热措施。第29页/共142页 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。特殊情况，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。第30页/共142页 2焊接热裂纹 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，

19、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。第31页/共142页 3 3消除应力裂纹（再热裂纹）消除应力裂纹（再热裂纹）含有含有MoMo、CrCr元素的钢元素的钢在在焊后消除应力热处理或焊后消除应力热处理或焊后再次高温加热焊后再次高温加热（包括长期高温下使用）过（包括长期高温下使用）过程中，可能出现裂纹，即程中，可能出现裂纹，即消除应力裂纹，也称消除应力裂纹，也称再热裂纹再热裂纹。一般产生在热影响区的粗晶区，裂。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残余

20、应力，因此须有较大的焊接残余应力，因此在拘束度大的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厚大工件中或应力集中部位更易于出现消除应力裂纹。力裂纹。第32页/共142页 3 3消除应力裂纹（再热裂纹）消除应力裂纹（再热裂纹） 在热轧及正火钢中，在热轧及正火钢中，18MnMoNb18MnMoNb和和14MnMoV14MnMoV有轻微的消除应力裂纹倾向，可采取提高预热有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温度或焊后立即热处理等措施来防止消除应力裂纹的产生裂纹的产生。第33页/共142页 4层状撕裂 层状撕裂主要与钢的冶炼轧制质量、板厚、接头形式和

21、Z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Z是衡量抗层状撕裂能力的判据。经验表明，当Z20%时，即使Z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，可采用Z向钢（如D36），其Z最高值可达55%。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。第34页/共142页第35页/共142页 （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区的脆化；在一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。第36页/共142页 （二）热影响区性能变化（二）热影响区性能变化 1过热区脆化 在被加热到120

22、0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。第37页/共142页 热轧钢过热区脆化主要是由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。第38页/共142页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

23、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。第39页/共142页 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。第40页/共142页 2热应变脆化 若在钢中加入足够的氮化物形成元素（Al、Ti、V等）可以有效降低热应变脆化倾向，如Q420（15MnVN）比Q345（16Mn）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。第41页/共142页 三、热轧及正火钢焊接

24、工艺要点三、热轧及正火钢焊接工艺要点 （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，常用焊接方法如焊条电弧焊、埋弧焊、CO2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等综合情况进行选择。第42页/共142页 （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。 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；在坡口两侧2030mm范围内

25、清除油污、铁锈等。第43页/共142页 定位焊焊缝应有足够的长度（一般不小于50mm）以防开裂，对厚度较薄的板材定位焊缝长度应不小于4倍板厚。 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。第44页/共142页 （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： 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。 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，而不要求与母材成分相同，因此选择焊接材料应考虑以下问题：第45页/共

26、142页 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等强匹配的原则选择焊接材料，一般要求焊缝与母材强度相等或略低于母材。 例如适用于焊接Q420（15MnVN）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。第46页/共142页 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。第47页/共142页 2考虑熔合比和冷却速度的影响 采用同样

27、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。第48页/共142页 3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。第49页/共142页 3考虑焊后热处理对焊缝力学性能的影响 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

28、选用含铜的焊条。第50页/共142页 （四）焊接参数四）焊接参数 1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两个因素。 各类钢材的脆化倾向和冷裂倾向是不同的，因此对热输入的要求也不同。第51页/共142页 （四）焊接参数四）焊接参数 在焊接碳当量（Ceq）小于0.4%热轧及正火钢时，如Q295和Q345，对热输入没有严格限制。 焊接碳当量为0.4%0.6%的热轧及正火钢时，热输入应偏大一些比较好。 但最好是采用小热输入+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。第52页/共142页 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作用。预热温

29、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第53页/共142页表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-Q34516Mn14MnNb100150（30mm）60

30、0650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回火回火第54页/共142页 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：第55页/共14

31、2页 3焊后热处理 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Q420（15MnVN）的消除应力回火的温度为（55025）。第56页/共142页 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。第57页/共142页 四、典型钢种四、典型钢种Q

32、345Q345的焊接工艺要点的焊接工艺要点 1焊前准备 气割或碳弧气刨下料和加工坡口，切口可直接进行焊接 Q345钢可以顺利进行冷弯和机械切割。筒节冷弯当板厚与直径之比大于1/40时，成形后应进行600650的消除应力回火，以消除冷作硬化。第58页/共142页 四、典型钢种四、典型钢种Q345Q345的焊接工艺要点的焊接工艺要点 Q345钢加热到850以上可以进行各种热压成形，经热压后力学性能无明显变化，一般不需再进行热处理。Q345钢也可采用加热矫正变形。经验表明，火焰矫正的加热温度应控制在700800之间，不宜超过900。第59页/共142页 2预热 Q345钢的焊接性较好，但当结构刚度较

33、大或在低温条件下焊接时，应进行预热。板厚板厚/mm/mm预预 热热 温温 度度1616不低于不低于-10-10不预热，不预热，-10-10以下预热以下预热10010015015016162424不低于不低于-5-5不预热，不预热，-5-5以下预热以下预热10010015015025254040不低于不低于00不预热，不预热，00以下预热以下预热1001001501504040均预热均预热100100150150表3-6 Q3453-6 Q345钢在不同环境温度下的预热温度第60页/共142页 3焊条电弧焊工艺 可采用I形、V形或X 形坡口。 一般选用E50型的焊条。 重要结构（如压力容器）应选

34、用碱性焊条（E5016、5015）； 对厚度小、坡口角度小或强度要求不高的产品也可选用E43型的焊条（E4316、E4315）。 焊条应严格按要求进行烘干：如碱性焊条必须经350400烘干2h。焊接参数见表3-7。 第61页/共142页表3-7 Q3453-7 Q345钢平对接焊条电弧焊工艺参数坡口坡口形式形式焊件厚度焊件厚度或焊脚尺寸或焊脚尺寸/mm/mm第一层焊缝第一层焊缝其他各层焊缝其他各层焊缝封底焊缝封底焊缝焊条直径焊条直径/mm/mm焊接电流焊接电流/A/A焊条直径焊条直径/mm/mm焊接电流焊接电流/A/A焊条直径焊条直径/mm/mm焊接电流焊接电流/A/AI I形形2 22.52

35、.550506060- - -2.52.5555560602.52.54 43.23.29090120120- - -3.23.290901201204 45 53.23.2100100130130- - -3.23.21001001301304 4160160200200- - -4 4160160120120V V形形5 56 63.23.2100100130130- - -3.23.21001001301304 4160160210210- - -4 4180180210210663.23.21001001301304 41601602102104 41801802102104 4160

36、1602102105 52202202802805 5220220260260X X形形12124 41601602102104 4160160210210- - -5 5220220280280- - -第62页/共142页 5CO2气体保护焊的工艺参数 CO2气体保护焊焊丝按表3-4选用，目前应用较多的是H08Mn2SiA。Q345钢CO2气体保护焊的工艺参数焊接焊接焊丝直径焊丝直径/mm/mm保护气体保护气体气体流量气体流量/Lmin/Lmin-1-1预热或道预热或道间温度间温度/焊接参数焊接参数焊接电流焊接电流/A/A焊接电压焊接电压/V/V焊接速度焊接速度/cmmin/cmmin-1

37、-1单焊道单焊道1.21.2COCO2 28 81515不预热或不预热或1001001001001501502121242412121818多焊道多焊道8 815151601602402402222262614142222单焊道单焊道1.61.6COCO2 2101018183003003603603333353520202626多焊道多焊道101018182802803403403030323218182424第63页/共142页第三模块 低碳调质钢的焊接 屈服点大于490MPa的高强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

38、，又有良好的塑性和韧性，在工程结构中的应用日益广泛。第64页/共142页一、低碳调质钢的成分与性能一、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，低碳调质钢要求钢中碳的质量分数不大于0.22%（实际上一般wc0.18%），此外添加一些合金元素如Mn、Cr、Ni、Mo、V、Nb、B、Cu等，目的是为了提高钢的淬透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，而且会发生“自回火”，脆性小，具有良好的焊接性。第65页/共142页 抗拉强度600Mpa、700MPa的低碳调质钢（HQ60、HQ70）这类钢可在调质状态下焊接，焊后不再进行调质处理，必要时进行消除应力处理。

39、主要用于工程机械、动力设备、交通运输机械和桥梁等. 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。焊接无裂纹钢（简称CF钢），为了改善野外施工焊接条件和提高低温韧性而开发的一种含碳极低（wc0.09%）的调质钢；焊接时采用超低氢焊材，在板厚50mm以下或在0都可焊前不预热。第66页/共142页 二、低碳调质钢的焊接性二、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，因此焊接时在热影响区内除会发生脆化

40、外还有软化问题，在选择焊接材料时应着重考虑。第67页/共142页 （一）焊接裂纹（一）焊接裂纹 1焊接热裂纹 低碳调质钢一般含碳量都较低，而含Mn量较高，且对S、P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Ni低Mn类型的低合金高强钢来讲，由于Ni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Mn量，就可以避免产生这种裂纹。第68页/共142页 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； 这类钢的Ms点比较高（400），如果焊接时控

41、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。第69页/共142页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。第70页/共142页（二）热影响区性能变化（二）热影响

42、区性能变化1、热影响区脆化 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。这类钢经调质处理后的组织是低碳马氏体或下贝氏体，都有较高的韧性，因此产生正常的淬火组织不是引起脆化的原因。第71页/共142页图图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第72页/共142页 2热影响区软化热影响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

43、），焊后热影响区的软化越严重。第73页/共142页 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。第74页/共142页图图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+低温回火低温回火 B-焊前淬火焊前淬火+高温回火高温回火 C-焊前退火焊前退火1-淬火区淬火区 2-部分淬火区部分淬火区 3-回火区回火区第75页/共142页 三、低碳调质钢的焊接工艺要点三、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：一是

44、要求在马氏体转变时的速度不能太快，使马氏体能够发生“自回火”过程，以免产生冷裂纹； 二是要使热影响区在800500之间的冷却速度大于产生脆性混合组织的临界冷却速度。 这两个问题是制定低碳调质钢焊接工艺的主要依据。第76页/共142页 1 1焊前准备焊前准备 对于屈服点大于600MPa的低碳调质钢，接头形式尽量采用对接接头，坡口以U形或V形为好,为减小应力还可采用双U形或双V形坡口。 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。板厚小于100mm时，切割前不需预热；板厚大于100mm时，应进行100150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

45、方法，以减小硬化层。第77页/共142页 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； 屈服点s686MPa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。第78页/共142页 3焊接材料 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”。钢种钢种焊条电弧

46、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14MnMoVN14MnMoVNE7015-D2E7015-D2E7015-GE7015-GH08Mn2NiMoAH08Mn2NiMoAH08Mn2NiMoVAH08Mn2NiMoVAHJ250HJ250HJ350HJ350H08Mn2SiAH08Mn2SiAH08Mn2MoAH08Mn2MoACOCO2 2或或Ar+COAr+CO2 214MnMoNbB14MnMoNbBE7015-D2 E7015-D2 E7015-G E7015-G E7515-G E7515-G E8015-GE8015-GH08Mn2Mo

47、A H08Mn2MoA H08Mn2Ni2CrMH08Mn2Ni2CrMoAoAHJ350HJ350H08Mn2MoAH08Mn2MoAH08MnNi2MoH08MnNi2MoCOCO2 2或或Ar+COAr+CO2 2HQ80HQ80E8015-GE8015-GE7515-GE7515-G- - -H08MnNi2MoAH08MnNi2MoAER110ER110COCO2 2或或Ar+COAr+CO2 2 (20%)(20%)HQ100HQ100E9015-GE9015-GE1005-GE1005-G- - -H08MnNi2CrMoAH08MnNi2CrMoAAr+COAr+CO2 2(5

48、%(5%20%)20%)表表3-12第79页/共142页 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。第80页/共142页 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

49、弧焊气体保护焊埋弧焊HQ70613502550150251326751005050752004526501257510022048HQ80C6135050501502513267510050757510020045265012510012522048第81页/共142页 （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）。第82页/共142页板厚板厚/mm/mm14MnMoVN14MnMoVN14MnMoNbB14MnMoNbB1313- - -13131

50、6165050100100100100150150161619191001001501501501500000191922221001001501501501502002002222252515015020020020020025025025253535150150200200200200250250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3-14 3-14 两种低碳调质钢的最低预热

51、温度和道间温度 （单位：）第83页/共142页四、典型钢四、典型钢WCFWCF6262的焊接工艺要点的焊接工艺要点WCFWCF62钢是在940水淬+630回火调制状态下进行加工和焊接的。为了保证母材性能在制造过程中不下降，不允许采用热弯、热卷成形，矫正的加热温度不得超过焊前回火温度。 焊接方法一般用焊条电弧焊、CO2或（Ar+CO2）气体保护电弧焊。第84页/共142页四、典型钢四、典型钢WCFWCF6262的焊接工艺要点的焊接工艺要点 焊条选用E6015G型，如J607RH等。焊条烘焙温度4001h，烘后应立即放入低温干燥保温桶内，随用随取。焊条在保温桶内存放的时间不应超过4h。烘后焊条允许

52、在大气中放置的时间按生产厂家的规定。 气体保护焊焊丝为Mn-Si-Mo系或Mn-Ni-Mo系焊丝。保护气体的纯度及含水量应严加控制，CO2气体应符合GB/T6052-1993中规定的级或级1类气体的要求。第85页/共142页 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。第86页/共142页 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

53、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。第87页/共142页 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（0.51）h后热。第88页/共142页第四模块第四模块 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

54、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。第89页/共142页 一、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

55、能见表3-15和3-16。第90页/共142页 表3-15 3-15 中碳调质钢的化学成分（质量分数）（% %）钢牌号钢牌号C CMnMnSiSiCrCrNiNiMoMoV VS SP P30CrMnSiA30CrMnSiA0.280.280.30.35 50.80.81.11.10.90.91.21.20.80.81.11.10.300.30- - -0.0300.0300.0350.03540CrMnSiMoVA40CrMnSiMoVA0.370.370.40.42 20.80.81.21.21.21.21.61.61.21.21.51.50.250.250.450.450.60.60 0

56、0.070.070.10.12 20.0300.0300.0250.02535CrMoA35CrMoA0.300.300.40.40 00.40.40.70.70.170.170.30.35 50.90.91.31.3- -0.20.20.30.3- -0.0300.0300.0350.03535CrMoVA35CrMoVA0.300.300.30.38 80.40.40.70.70.20.20.40.41.01.01.31.3- -0.20.20.30.30.10.10.20.20.0300.0300.0350.03534CrNi3MoA34CrNi3MoA0.30.30.40.40.50.

57、50.80.80.270.270.30.37 70.70.71.11.12.752.753.23.25 50.250.250.40.4- -0.0300.0300.0350.03540CrNiMoA40CrNiMoA0.360.360.40.44 40.50.50.80.80.170.170.30.37 70.60.60.90.91.251.251.71.75 50.150.150.20.25 5- -0.0300.0300.0300.03030Cr3SiNiMoVA30Cr3SiNiMoVA0.320.320.700.700.960.963.103.100.910.910.700.700.1

58、10.110.0030.0030.0190.019第91页/共142页表3-16 3-16 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/s/MPaMPa抗拉强抗拉强度度b/MPb/MPa a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A AKVKV/J/J硬度硬度HBWHBW30CrMnSiA30CrMnSiA870870890890油油淬淬510510550550回回火火8338331078107810104040494934634636336330CrMnSiNi2A30CrMnSiNi2A890890910910油油淬淬2002003003

59、00回回火火1372137215681568994545595944444440Cr40Cr850850油淬油淬520520回火（水回火（水或油）或油）785785980980994545474720720740CrMnSiMoVA40CrMnSiMoVA890890970970油油淬淬250250270270回回火，空冷火，空冷- -18621862883535494952HRC52HRC35CrMoA35CrMoA860860880880油油淬淬560560580580回回火火49049065765715153535494919719724124135CrMoVA35CrMoVA88088

60、0900900油油淬淬640640660660回回火火686686814814131335353939255255302302第92页/共142页 按照合金系统，中碳调质钢大概可以归纳为以下几种： 1 1 CrCr钢钢 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。第93页/