材料焊接性-第3章-特殊用途钢的焊接-A课件

1、 3.4 中碳调质钢的焊接中碳调质钢中的碳和其他合金元素含量较高，通过调质处理（淬火+回火）可获得较高的强度性能。中碳调质钢合金元素的加入主要是起保证淬透性和提高抗回火性能的作用，而其强度性能主要还是取决于含碳量。随着碳含量的提高，钢的焊接性明显变差，焊接难度增大。 3.4.1 中碳调质钢的成分和性能屈服强度达8801176MPa以上，含碳量较高（0.25%0.5%），加入Mn、Si、Cr、Ni、B及Mo、W、V、Ti等，以保证钢的淬透性，消除回火脆性，通过调质处理获得综合性能较好的高强钢。中碳调质钢的主要特点: 高的比强度和高硬度（例如可用作火箭外壳和装甲钢等），中碳调质钢的淬硬性比低碳调质

2、钢高很多，热处理后达到很高的强度和硬度，但韧性相对较低，给焊接带来了很大的困难。 典型钢种Cr-Mn-Si系 30CrMnSiA 前苏联王牌钢，不含贵重的Ni元素，在我国 得到广泛的应用。 C 0.25-0.45%, Cr、Mo均0.8-1.1%, Si 0.9-1.2% 880油淬，530回火，组织是回火索氏体 b1100MPa，低温回火b1600MPa 主要用于坦克、装甲车外壳、飞机起落架、汽车主轴等 30CrMnSiNi2A 加Ni，提高淬透性、强度，焊接性差 40CrMnSiMoVA 加Mo、V，提高强度，但焊接性差 Cr-Ni-Mo系 美国4340（相当于40CrNi2Mo） s 1

3、330MPa 综合性能良好，强度高、韧性好、高负荷、抗冲击。 主要用于坦克、飞机、火箭外壳、航天 40CrNiMoA、34CrNi3MoA 由于加入3%Ni和Mo，提高了淬透性和抗回火软化的能力，对改善钢的韧性有好处，具有良好的综合性能，如强度高、韧性好等。主要用于高负荷、大截面的轴类以及承受冲击载荷的构件，如汽轮机、喷气涡轮机轴以及飞机起落架和火箭发动机外壳等。 Cr-Mo系 美国H-11，超高强钢，极高的强度且有较高的耐热性 成分相当于35Cr5MoSiV 真空冶炼，1000空淬，500回火，s 2000MPa S、P0.01%，强化相Mo2C、V4C3，弥散分布 主要用于：超音速喷气式飞

4、机 40Cr 一种广泛应用的含Cr中碳调质钢 （b 1000MPa，AKV47J）40Cr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，如用于制造齿轮、轴类等。钢中加入Cr1.5%时能有效的提高钢的淬透性，继续增加Cr含量无实际意义。Cr约1%时对钢的塑性、韧性略有提高，超过2%时对塑性影响不大，但略使冲击韧性下降。Cr能增加低温或高温的回火稳定性，但40Cr钢有回火脆性。 3.4.2 中碳调质钢的焊接性分析 1. 焊缝中的热裂纹 2. 淬硬性和冷裂纹 3. 热影响区的脆化和软化 1焊缝中的热裂纹 （1）产生原因：(C高、合金元素总量高、成

5、分偏析)中碳调质钢含碳量及合金元素总量较高，焊缝凝固结晶时，固-液相温度区间大，结晶偏析倾向严重，焊接时易产生结晶裂纹，具有较大的热裂纹敏感性。例如30CrMnSi由于C、Si含量较高，热裂倾向较大。为了防止产生热裂纹，要求采用低碳低硅焊丝（焊丝中C0.15%，最高不超过0.25%），严格限制母材及焊丝中的S、P含量（S+P0.03%0.035%）。对于重要产品的钢材和焊丝，要求采用真空熔炼或电渣精炼，将S、P总量限制在0.025%以下。 （2）防止热裂纹的措施焊接中碳调质钢时，应考虑到可能出现热裂纹问题，尽可能选用低碳、低Si以及含S、P杂质少的焊材。采用碱性焊条。在焊接工艺上应注意填满弧坑

6、和保证良好的焊缝成形。因为热裂纹容易出现在未填满的弧坑处，特别是多层焊时第一层焊道的弧坑中以及焊缝的凹陷部位。控制焊接热输入。 2淬硬性和冷裂纹中碳调质钢的淬硬倾向十分明显，HAZ容易出现硬脆的马氏体组织，增大了焊接接头区的冷裂纹倾向。母材C含量越高，淬硬性越大，焊接冷裂纹倾向越大。中碳调质钢对冷裂纹的敏感性之所以比低碳调质钢大，除了淬硬倾向大外，还由于Ms点较低，在低温下形成的马氏体难以产生“自回火”效应。由于马氏体中的碳含量较高，有很大的过饱和度，点阵畸变更严重，因而硬度和脆性更大，冷裂纹敏感性也更突出。 （1）冷裂原因分析屈服强度590980MPa的中碳调质钢的Ceq一般超过0.5%，多

7、数超过0.6%，属于高淬硬倾向的钢。从Ceq看，中碳调质钢与低碳调质钢的差别不显著，但二者的焊接性却差别很大。中碳调质钢的冷裂倾向比低碳调质钢更严重，原因主要在马氏体的类型和性能上。低碳马氏体有“自回火”作用，冷裂纹倾向小。分析各种钢的冷裂敏感性时，不仅要看焊接区的马氏体形成的倾向，还必须考虑到马氏体的类型和性能。 （2）防止冷裂纹的措施焊接中碳调质钢时，应尽量降低焊接接头的含氢量，除采取焊前预热措施外，焊后须及时进行回火处理。中碳调质超高强钢具有应力腐蚀开裂敏感性。应力腐蚀开裂常发生在水或高湿度空气等弱腐蚀性介质中。为了降低焊接接头的应力腐蚀开裂倾向，应采用热量集中的焊接方法和较小的焊接热输

8、入，避免焊件表面的焊接缺陷和划伤。 3热影响区的脆化和软化 (1) 热影响区脆化 中碳调质钢由于碳含量较高（C=0.25%0.45%），合金元素较多，有相当大的淬硬倾向。马氏体起始转变温度Ms一般低于400，无“自回火”过程。在焊接HAZ易产生大量脆硬的马氏体组织（尤其是高碳、粗大的马氏体），导致热影响区脆化。生成的高碳马氏体越多，脆化越严重。马氏体的硬度500HV，这样高硬度的马氏体组织必然导致较低的韧性。 防止HAZ脆化的措施从减小淬硬出发，应采用大热输入才有利，但由于这种钢的淬硬性强，仅通过增大热输入难以避免马氏体的形成，相反却增大了奥氏体过热，促使形成粗大的马氏体，反而使HAZ过热区的

9、脆化更为严重。防止HAZ脆化的工艺措施主要是采用小热输入，同时采取预热、缓冷、后热等措施。因为采用小热输入减少了高温停留时间，避免奥氏体晶粒的过热，同时采取预热和缓冷等措施来降低冷却速度，这对改善HAZ性能也是有利的。 (2) 热影响区软化 焊前为调质状态的钢材，被加热到该钢调质处理的回火温度以上时，焊接HAZ将出现强度、硬度低于母材的软化区。如果焊后不再进行调质处理，该软化区可能成为接头区的薄弱区。中碳调质钢的强度级别越高时，软化问题越突出。因此，在调质状态下焊接时应考虑HAZ软化问题。母材焊前所处的热处理状态不同，软化区的温度范围和软化程度有很大差别。低温回火的钢材，HAZ软化区的温度范围

10、越大，软化程度也越大。从韧性方面出发，过热区是接头中最薄弱的环节；而从强度方面考虑，软化区是接头中最薄弱的环节。 (a) 焊条电弧焊 (b) 气焊 图3-32 调质状态的30CrMnSi钢焊接接头的强度分布 其中在AC1附近失强最大 中碳调质钢HAZ软化最明显的部位，是温度处于Ac1Ac3之间的区段，这与该区段的不完全淬火过程有密切关系。因为不完全淬火区的奥氏体成分远未达到平衡浓度，铁素体和碳化物均未充分溶解，冷却时奥氏体易发生分解，造成这个区段的强度和硬度都较低。 3.4.3 中碳调质钢的焊接工艺特点中碳调质钢的淬透性很大，因此焊接性较差，焊后的淬火组织是硬脆的高碳马氏体，不仅冷裂纹敏感性大

11、，而且焊后若不经热处理时，HAZ性能达不到原来基体金属的性能。中碳调质钢焊前母材所处的状态非常重要，它决定了焊接时出现的问题性质和采取的工艺措施，而且对焊接工艺的要求和工艺参数的控制非常严格。 1. 退火或正火状态下焊接 工艺特点中碳调质钢最好在退火（或正火）状态下焊接，焊后通过整体调质处理获得满足性能要求的焊接接头，这是焊接中碳调质钢的一种比较合理的工艺方案。这时焊接中所要解决的主要是裂纹问题，HAZ和焊缝的性能通过焊后的调质处理来保证。 焊接方法这种情况下对选择焊接方法几乎没有限制，常用的一些焊接方法：SMAW、SAW、TIG/MIG、PAW都能采用。在焊后调质的情况下，焊接参数的确定主要

12、是保证在调质处理前不出现裂纹，接头性能由焊后热处理来保证。 焊材选用1）除要求保证不产生冷、热裂纹外，还有一些特殊要求，即要求焊缝金属与母材在同一热处理工艺下调质处理，能获得相同性能的焊接接头。2）焊缝金属的主要合金组成应与母材相似，对能引起焊缝热裂倾向和促使金属脆化的元素（如C、Si、S、P等）应加以严格控制。 预热和焊后处理1）可采用很高的预热温度（200350）和层间温度。局部预热时，预热温度范围离焊缝两侧应不小于100mm，焊后若不能及时调质处理应进行680回火处理。2）很多情况下焊后来不及立即进行调质处理，为了保证焊接接头冷却到室温后在调质处理前不产生延迟裂纹，须在焊后及时进行一次中

13、间热处理。一般是在焊后预热温度下保持一段时间，目的一是起扩散除氢的作用；二是使组织转变为对冷裂纹敏感性低的组织。3）当焊后处理温度高时，还有消除应力的作用。 产品结构复杂和有许多条焊缝时，焊完一定数量的焊缝后应及时进行中间回火处理，这样能避免等到最后处理时，先焊接部位已出现延迟裂纹的问题。中间回火的次数，要根据焊缝的多少和产品结构的复杂程度来决定。 焊接实例1）在退火状态下焊接厚度30mm的30CrMnSiA时，为了防止冷裂纹应将工件预热到250350，并在整个焊接过程中保持该温度。2）对于淬硬倾向更大的30CrMnSiNi2A，为了防止冷裂纹的产生，焊后须立即（焊缝处的金属不能冷到低于250

14、）将工件入炉加热到（65010）或680回火，然后进行调质处理。 2. 调质状态下焊接 工艺特点如果必须在调质状态下焊接，而且焊后不能再进行调质处理的焊接结构件，这时的主要问题是防止焊接裂纹和避免HAZ软化。除了裂纹外，HAZ主要问题是：高碳M引起的硬化和脆化，以及高温回火区软化引起的强度降低。高碳M引起的硬化和脆化可以通过焊后回火处理来解决。但高温回火区软化引起的强度下降，在焊后不能调质处理的情况下是无法弥补的。由于焊后不再进行调质处理，焊缝金属成分可与母材有差别。为了防止焊接冷裂纹，也可以选用塑韧性好的奥氏体焊条。对于必须在调质状态下焊接，且焊后不能再进行调质处理的焊接结构，这时HAZ性能

15、下降是很难解决的。因此应采用尽可能小的焊接热输入。 为了消除HAZ淬硬组织和防止延迟裂纹的产生，必须适当采用预热、层间温度控制、中间热处理，并应焊后及时进行回火处理。上述工艺过程的温度控制应比母材淬火后的回火温度至少低50。 焊接方法为了减少HAZ软化，从焊接方法考虑，应该是采用热量越集中、能量密度越大的方法越有利，而且焊接热输入越小越好。气焊在这种情况下是最不合适的，气体保护焊比较好，特别是TIG，它的热量容易控制，焊接质量容易保证。PC-TIG、PAW、EBW用于这类钢的焊接是很有前途的。从经济性和方便性考虑，焊接这类钢时SMAW用得最为普遍。 由于焊后不再进行调质处理，选择焊接材料时不必

16、考虑成分和热处理规范与母材相匹配的问题。 焊材选用从防止焊接冷裂纹的要求出发，可以采用塑韧性好的奥氏体焊条或镍基焊条。这时在工艺上应注意到异种钢焊接时的一些特点。例如在调质状态下焊接30CrMnSiA和30CrMnSiNi2A时采用奥氏体焊条，焊后采用2502h或更长时间的低温回火处理。焊接30CrMnSiNi2A淬硬倾向很大的钢材时，除了焊后低温回火外，还要采取一定的预热措施，预热温度应低于母材淬火后的回火温度，一般采用的预热和层间温度为200250。 3. 焊接方法及焊接材料 （中碳调质钢） （1）焊接方法SMAW、TIG、MIG/MAG、SAW。热量集中的PC-TIG、PAW、EBW等方

17、法，有利于减小焊接HAZ，获得细晶组织，提高焊接接头力学性能。薄板焊接多采用MIG/MAG、TIG和微束PAW等。凸轮轴电子束焊（2）焊接材料：根据焊缝受力条件、性能要求及焊后热处理情况选 择。采用低碳合金系，降低焊缝的S、P含量，提高焊缝金属的抗裂 性。焊后需要热处理的构件，焊缝金属的化学成分应与母材相近。 表3-28 中碳调质钢焊接材料的选用（3）焊接参数 应采用尽可能小的焊接热输入，这样可以降低HAZ 淬火区的脆化，同时采用预热、后热等措施，提高抗冷裂性能，改 善淬火区的组织性能，采用小热输入还有利于减小软化区，降低软 化程度。 表3-27 中碳调质钢的焊接参数举例 在确定中碳调质钢焊接

18、参数时，主要应从防止冷裂纹和避免HAZ软化出发。采用较高的预热温度200350和层间温度、焊后立即进行热处理等，以达到防止裂纹的目的。 4. 预热及焊后热处理预热和焊后热处理是中碳调质钢的重要工艺措施，是否预热以及预热温度的高低根据焊件结构和生产条件而定。除了拘束度小，构造简单的薄壁壳体或焊件不用预热外，中碳调质钢焊接时一般要采取预热或及时后热的措施，预热温度一般为200350。 表3-29 常用中碳调质钢焊接的预热温度 如果焊接结构件焊后不能及时进行调质处理，须及时进行中间热处理，即在预热温度下保温一定时间的热处理，如低温回火或650680高温回火。若焊件焊前为调质状态时，预热温度、层间温度

19、及热处理温度应比母材淬火后的回火温度低50。进行局部预热时，应在焊缝两侧100mm内均匀加热。 表3-30 常见中碳调质钢的焊后热处理 中碳调质钢的焊接应用主要用于汽车（拖拉机、机车）主轴、曲轴，坦克、装甲车外壳、飞机起落架、机床主轴、齿轮、汽轮机、喷气涡轮机轴、火箭外壳、航空航天等，承受 高负荷、冲击载荷的结构件。火车连接环车桥轴EBW 3.5 珠光体耐热钢的焊接珠光体耐热钢以Cr-Mo以及Cr-Mo基多元合金钢为主，加入合金元素Cr、Mo、V，有时还加入少量W、Ti、Nb、B等，合金元素总的质量分数小于10%。低、中合金珠光体耐热钢具有很好的抗氧化性和热强性，工作温度可高达600，广泛用于

20、制造蒸汽动力发电设备。这类钢还具有良好的抗硫和氢腐蚀的能力，在石油、化工、电力等工业部门得到了广泛的应用。 3.5.1 珠光体耐热钢的成分及性能珠光体耐热钢的Cr含量0.5%9%，Mo含量一般为0.5%或1%。随着Cr、Mo含量增加，钢的抗氧化性、高温强度和抗硫化物腐蚀性能也都增加。在Cr-Mo钢中加入少量的V、W、Nb、Ti等元素，可进一步提高钢的热强性。珠光体耐热钢的合金系基本上是： Cr-Mo、Cr-Mo-V、Cr-Mo-W-V、Cr-Mo-W-V-B、Cr-Mo-V-Ti-B等。 组织性能特点珠光体耐热钢的室温强度不太高，通常是在退火状态或正火+回火状态供货，在正火+回火或淬火+回火状

21、态下使用。合金元素总量3%时，为B+F（即贝氏体耐热钢）。这类钢在500600具有良好的耐热性，工艺性能好，又比较经济，是电力、石油、化工部门用于高温条件的主要结构材料，如用于加氢、裂解氢和煤液化的高压容器等。但这类钢在高温长期运行中会出现碳化物聚集长大等现象。 表3-33 珠光体耐热钢的热处理制度1）厚度不超过30mm的Mo钢和Mn-Mo钢可以在热轧状态供货或使用，其他的耐热钢应以热处理状态供货。 2）热处理的目的是使钢材获得所要求的组织、晶粒尺寸和力学性能。 耐热钢的强化途径(1) 基体固溶强化 加入合金元素强化F基体，常用的Cr、Mo、W、Nb元素能显著提高热强性。其中Mo、W的固溶强化

22、作用最显著；Cr=1%的强化作用已很显著，继续增加Cr的强化效果不显著，但可提高持久强度。(2) 第二相沉淀强化 在F为基体的耐热钢中，强化相主要是合金碳化物（V4C3或VC、NbC、TiC等）。沉淀强化作用可维持到0.7Tm（Tm为熔点），固溶强化效果在0.6Tm以上显著减弱。但碳化物种类、形态及弥散度对热强性影响很大。其中V4C3、NbC、TiC等最有效；Mo2C在温度低于520时有沉淀强化作用；Cr7C3及Cr23C6在540左右已不稳定而易于聚集。(3) 晶界强化 加入微量元素（RE、B、Ti+B等）能吸附于晶界，延缓合金元素沿晶界的扩散，从而强化晶界。 耐热钢的焊接应用在电站、核动力

23、装置、石化加氢裂化装置、合成化工容器及其他高温加工设备中，耐热钢应用普遍。耐热钢焊接对高温高压设备长期工作的可靠性有重要意义。要求抗氧化和高温强度的运行条件下，各种耐热钢的极限工作温度的限制。 图3-33 各种耐热钢的极限工作温度 表3-34 不同运行条件下耐热钢允许的最高工作温度 图3-34 高压氢介质中各种Cr-Mo钢的适用温度范围 3.5.2 珠光体耐热钢的焊接性分析珠光体耐热钢的焊接性与低碳调质钢相近，焊接中存在的主要问题是冷裂纹、HAZ硬化、软化，以及焊后热处理或高温长期使用中的再热裂纹（SR裂纹）。焊接材料选择不当，焊缝中还有可能产生热裂纹。 1. 热影响区硬化及冷裂纹珠光体耐热钢

24、中的Cr、Mo显著提高钢的淬硬性，这些合金元素推迟冷却过程中的组织转变，提高过冷A的稳定性。成分一定的耐热钢，最高硬度取决于A的冷却速度。焊接热输入小时，HAZ易出现淬硬组织；焊接热输入过大时，HAZ晶粒明显粗化。淬硬性大的珠光体耐热钢焊接中可能出现冷裂纹，裂纹倾向随着Cr、Mo含量的提高而增大。当焊缝中H含量过高、焊接热输入较小时，由于淬硬组织和H的作用，珠光体耐热钢焊接接头中出现冷裂纹。可采用低氢焊条和控制焊接热输入在合适的范围，加上适当的预热、后热措施，避免产生焊接冷裂纹。 2. 消除应力裂纹（SR裂纹）SR裂纹取决于钢中碳化物形成元素（Mo、V等）含量。SR裂纹出现在HAZ粗晶区，与焊

25、接工艺及应力有关。一般在500700的敏感温度范围形成，裂纹倾向还取决于热处理制度。采用大热输入焊接方法时，如多丝或带极SAW，在接头处高拘束应力作用下，焊层间或堆焊层下的过热区易出现SR裂纹。Mo增多时，Cr对SR裂纹的影响也增大。Mo从0.5%增至1.0%时，SR裂纹敏感性最大的Cr从1.0%降至0.5%。钢中有0.1%的V时，即使Mo=0.5%，SR裂纹倾向也很大。 防止再热裂纹的措施：1）采用高温塑性高于母材的焊接材料，限制母材和焊材的合金成分，特别是严格限制V、Ti、Nb等含量到最低的程度；2）将预热温度提高到250以上，层间温度控制在300左右；3）采用小热输入的焊接工艺，减小HA

26、Z过热区宽度，细化晶粒；4）选择合适的热处理制度、避免在敏感温度区停留较长时间。 3. 回火脆性 耐热钢及其焊接接头在350500温度区间长期运行过程中 发生脆变的现象产生回火脆性的主要原因：在回火脆化温度范围内长期加热后，P、Sb、Sn等杂质元素在奥氏体晶界偏析而引起的晶界脆化；与促进回火脆化的元素Mn、Si也有关。对于基体金属来说，严格控制有害杂质元素的含量，有回火脆性的焊缝金属须严格控制P 、Sb、Sn含量，降低Si、Mn含量，是解决回火脆性的有效措施。Si和P在晶界上形成Si-P复合物，促使晶界脆化，因此控制P0.015%，焊缝中Si3%时，焊缝背面应通氩气保护，以改善成形，防止焊缝表

27、面氧化。TIG有超低氢特点，焊接时可降低预热温度。这种焊接方法的缺点是焊接效率低，生产中多采用TIG焊根部焊道，填充层采用其他高效率的焊接方法，以提高生产率。耐热钢管件和棒材可采用电阻压力焊、感应加热压力焊。压力焊的优点是无需填充金属，但须控制焊接参数，才能获得优质焊接接头。焊接合金含量较高的耐热钢时，须向焊接区送Ar等保护气体，以保证接头的致密性。焊接工艺要点 2. 焊接材料的选用为了保证焊缝性能与母材匹配，具有必要的热强性，珠光体耐热钢的焊缝成分应与母材相近，这与其他合金结构钢不同。为了防止焊缝有较大的热裂倾向，焊缝中C要求比母材低（一般不低于0.07%）。若焊接材料选择适当，焊缝的性能可

28、以和母材匹配。焊接材料的选择原则：焊缝金属的合金成分及使用温度下的强度性能应与母材的指标一致，或达到技术条件提出的最低性能指标。焊件如焊后经退火、正火或热成形等热处理或热加工，应选择合金成分或强度级别较高的焊接材料。 表3-35 珠光体耐热钢焊接材料的选用 当需要将珠光体耐热钢和普通碳钢焊在一起时，一般选用珠光体耐热钢焊条或焊丝进行焊接。 控制焊接材料的含水量是防止焊接裂纹的主要措施之一，而珠光体耐热钢所用的焊条和焊剂都容易吸潮。在焊接工艺要求中应规定焊条和焊剂的保存和烘干制度。 表3-36 常用珠光体耐热钢焊条和焊剂的烘干制度 注意事项焊接在回火脆性温度区间长期工作的2.25Cr-1Mo耐热

29、钢，应选择具有低回火脆化倾向的焊接材料。焊补缺陷或焊后不能进行热处理时，为了防止产生冷裂纹可采用A焊条（如E309-16、E309Mo-16等）。采用A焊条时，焊前预热，焊后一般不进行回火处理。奥氏体焊缝与母材线膨胀系数不同以及在高温下长期工作时有碳的扩散迁移，在交变温度下工作时易导致熔合区的开裂。长期高温工作还可能引起焊缝中的相脆化。这些问题是采用A焊条时所要考虑的。 3. 坡口加工、预热及焊后热处理耐热钢的坡口加工可采用火焰切割，但切割边缘的淬硬层会成为后续加工的开裂源。为了防止切割边缘开裂，厚度15mm以上的Cr-Mo耐热钢，切割前应预热到150。切割边缘应机械加工并用磁粉探伤检查是否存

30、在表面裂纹；厚度15mm以下的耐热钢，切割前不必预热，切割边缘进行机械加工。为了防止冷裂纹和消除HAZ硬化现象，需正确选定焊前预热温度和焊后回火温度。生产中须结合具体条件，通过试验来确定预热及焊后热处理温度。预热温度的确定是依据钢的合金成分、接头拘束度和焊缝金属氢含量。母材Ceq0.45%、最高硬度大于350HV时，应考虑焊前预热。 表3-37 珠光体耐热钢的预热温度和焊后热处理后热去氢处理是防止冷裂纹的措施之一。氢在珠光体中的扩散速度较慢，焊后加热到250以上，保温一定时间，可以促使氢加速逸出，降低冷裂纹敏感性。采用后热处理可以降低预热温度约50100。耐热钢焊后热处理的目的不仅是消除焊接应

31、力，更重要的是改善焊接区组织和提高接头的综合力学性能，包括提高接头的高温蠕变强度和组织稳定性，降低焊缝及HAZ硬度等。 3.6 低温钢的焊接通常把-10 -196的温度范围称为 “低温”（我国从 -40算起），低于-196（直到-273）时称为“超低温”。低温钢主要是为了适应能源、石油化工等产业部门的需要而迅速发展起来的一种专用钢。低温钢要求在低温工作条件下具有足够的强度、塑性和韧性，具有良好的加工性能，用于制造-20 -253低温下工作的焊接结构，如贮存和运输各类液化气体的容器等。 3.6.1 低温钢的分类、成分及性能 1. 低温钢的分类1）按使用温度等级分类 分为-10-40、-50-90

32、、 -100-120和-196-273等级的低温钢。2）按合金含量和组织分类 分为低合金铁素体低温钢、中 合金低温钢和高合金奥氏体低温钢。3）按有无Ni、Cr元素分类 分为无Ni、Cr低温钢和含Ni、Cr低温钢。4）按热处理方法分类 分为非调质低温钢和调质低温钢。 图3-38 低温钢类型及使用的温度范围 低温钢包括的钢种很广泛，从低碳铝镇静钢、低合金高强钢、低Ni钢，一直到含Ni 9的高Ni钢。 温度-46的液化石油气储罐最初是采用2.25Ni钢制作，后来采用调质铝镇静钢；温度-104的乙烯储罐采用中压半冷藏储藏方式，储罐最初采用低温用低碳调质钢，随后采用3.5Ni钢制作；温度-162的液化天

33、然气储罐采用9Ni钢制作。 2. 低温钢的成分和组织 (1) 低合金低温钢（无Ni低温钢） 铝镇静Mn-Si低温钢 先用Mn、Si脱氧，再用Al进行强烈脱氧。为了提高韧性，从成分上采取降C和提高Mn/C比（Mn/C11）的措施。该钢正火处理或淬火+回火处理可细化晶粒，提高低温韧性，用于-40以上的结构。 低合金F低温钢 在Mn-Si钢基础上，加入少量合金元素（如Nb、V、Ti、Al、Cu、RE等）得到的低温钢（s440MPa），组织为F+少量P。其中Mn、Ni以及能促使晶粒细化的微量元素有利于提高低温韧性。为了保证良好的综合力学性能和焊接性，要求低C和低S、P。这种钢具有高的塑、韧性，用于-5

34、0以上的结构，如Q345、09MnTiCuRE、06AlCuNbN等。 (2) 中合金低温钢（含Ni低温钢）合金元素总量5%10%，其组织与热处理工艺有关。其中5Ni钢、9Ni钢是典型的中合金低温钢。 Ni是发展低温钢的重要元素。为了提高钢的低温性能，可加入Ni，形成含Ni的F低温钢，如1.5Ni钢、2.5Ni钢、3.5Ni钢以及5Ni钢等。在提高Ni的同时，应降低C含量和限制S、P及N、H、O含量，防止产生时效脆性和回火脆性等。这类钢的热处理条件为正火、正火+回火和淬火+回火等。 5Ni和9Ni钢的特点5Ni钢通过化学成分和热处理控制组织，在 -162 -196低温下具有良好的韧性。若加入0

35、.25%Mo，可增加奥氏体量并使之稳定化，可起到细化晶粒的作用。采用淬火、回火和回复退火的热处理来控制组织，使5Ni钢具有高强度、塑性和低温韧性。9Ni钢具有一定的回火脆性敏感性，并随着P的增加而增大，应严格控制9Ni钢中的P含量。9Ni低温钢由于Ni高，具有很高的低温韧性，用于-196，比奥氏体不锈钢有更高的强度，适于制造贮存液化气的大型容器，如球罐等。 3. 低温钢的力学性能这类钢须具备的最重要的性能是抗低温脆化。一些重要结构上，为了防止意外事故的发生，还要求材料具有抗脆性裂纹扩展的止裂性能，即一旦出现脆性破坏后可以停止继续破坏。从安全角度考虑，希望低温钢的屈强比（s/b）不要太高，因为屈

36、强比是衡量低温韧性的指标之一。屈强比越大，表明塑性变形能力的储备越小，在应力集中部位的应力再分配能力越低，从而易于促使脆性断裂。 表3-39 常用低温钢的力学性能对于低碳铝镇静钢，最低使用温度下的V形缺口冲击吸收功（纵向取样）保证值规定为20.5J；对于屈强比较高的低温钢，要提高到34.5J；对屈强比更高的调质钢，提高到47J。无论是无Ni或含Ni的低温钢，在冲击韧性上都可以满足规定低温下的使用要求，但是无Ni低温钢的屈强比不如含Ni低温钢的屈强比高。 对于有一定时效脆性和回火脆性的低温钢，须正确选择加工方法和工艺参数，控制冷卷、冷压及其他冷加工时的变形量，防止变形量过大造成低温韧性下降。具有

37、一定回火脆性的钢种，回火后低温韧性明显下降，如06AlCuNbN钢经550650回火后，在-100时的V形缺口冲击吸收功从152J急剧下降到17.69.8J。应合理地选择回火温度和回火时间。 3.6.2 低温钢的焊接性分析 1. 无Ni低温钢的焊接性特点不含Ni的F低温钢C含量0.06%0.20%，合金元素总量5%，Ceq 0.27%0.57%，焊接性良好。由于Ceq不高，淬硬倾向较小，室温焊接不易形成冷裂纹；钢中S、P较低，也不易产生热裂纹。这类钢用Al脱氧时形成了稳定的AlN，阻止了接头区脆化。F低温钢通过加入细化晶粒的元素（Ti、Al、Nb等）以及正火处理提高低温韧性，韧性指标能得到保证

38、。 无Ni低温钢焊接性分析时应注意的问题1）严格控制焊接热输入和层间温度，使接头不受过热的影响，避免HAZ晶粒长大和降低韧性。2）控制焊后热处理温度，避免产生回火脆性。板厚15mm时，焊后采用消除应力热处理。含有V、Ti、Nb、Cu、N的钢种，当消除应力热处理温度处于回火脆性温度区时会析出脆性相，使低温韧性下降。3）含N的F低温钢对焊接热循环敏感，对焊接应力应变循环也很敏感，接头区会发生热应变脆化，使塑、韧性下降。热应变区的温度范围为200600。采用小的焊接热输入可以减小HAZ的热塑性应变量，有利于减轻热应变脆化。 焊接无Ni低温钢时，通常板厚25mm或焊接拘束度较大时，应考虑预热，以防止产

39、生焊接裂纹。预热温度过高会使HAZ晶粒长大，在晶界处可能析出氧化物和碳化物而降低韧性，预热温度100150，最高不超过200。 2. 含Ni低温钢的焊接性特点含Ni低的2.5Ni和3.5Ni低温钢，Ni的加入提高了钢的淬透性，但由于C含量低，冷裂纹倾向不严重，薄板焊接时不预热，厚板焊接时需进行100预热。含Ni高的9Ni钢，淬硬性很大，超过临界点的焊接HAZ得到的是淬火组织。但由于C含量很低，并采用了奥氏体焊接材料，冷裂纹倾向并不大。 9Ni钢焊接性分析时应注意的问题1）正确选择焊接材料 9Ni钢线胀系数大，选择焊材时，须使焊缝与母材的线胀系数相近，以防止因线胀系数差异太大而引起焊接裂纹。2）

40、避免磁偏吹 9Ni钢是一种强磁性材料，采用直流电源时易产生磁偏吹现象，影响焊接质量。一般做法是焊前避免接触磁场，选用适于交流电源焊接的焊条（如镍基合金焊条）。3）控制焊接热输入和层间温度，焊前不预热 可避免接头过热和晶粒长大，保证焊接接头的低温韧性。 焊接厚度2.5%以后，焊缝中会出现粗大的板条贝氏体或马氏体，在这种情况下，C高焊缝韧性下降越明显。为了改善3.5Ni钢焊缝的韧性，除降低C、S、P、O等，应对焊缝中Si、Mn加以限制。因Si、Mn高时形成条状组织，韧性差。Si、Mn太低，会导致焊缝含氧量增加。在3.5Ni焊丝中加微量Ti可细化晶粒，改善焊缝的低温韧性。当焊缝Ni增加时，回火脆性也

41、会增加，加入少量Mo有利于减小回火脆性。采用奥氏体焊接材料时，热裂纹倾向随着焊缝中Ni含量提高而增大。热裂纹主要产生在焊缝起始部和弧坑处。应采取一些工艺措施防止弧坑裂纹，如收弧时要注意填满弧坑等。焊接9Ni钢时，为了保证接头的低温韧性，热输入控制在1035kJ/cm。焊接坡口两侧1020mm范围的水、油、锈、氧化皮等须清理干净。装配好的工件应及时焊接。焊接环境温度不得在小于-5或-10温度下施焊。雨天或天气十分潮湿（相对湿度在90%以上），遇有强风或风速在10m/s以上时，不得现场施焊，除非采取适当的防护措施，如升温、防潮、防风等。 低温钢焊接方法SMAW和TIG/MIG应用较广，SAW应用受

42、到限制，一般不采用气焊和ESW。为使焊接接头具有良好的低温韧性，焊接热输入不能过大。通常采用快速多道焊，并通过多层焊的再热作用细化晶粒，如焊接06MnNbDR低温钢时，层间温度不大于300。 1. 低温钢的焊条电弧焊（SMAW） 焊接工艺要点采用较小的焊接热输入，选用的焊条直径一般不大于4mm。对于开坡口的对接焊缝、丁字焊缝和角接焊缝，为获得良好的熔透和背面成形，封底焊时应选用小直径焊条，一般不超过3.2mm。尽量用较小的焊接电流，以减小焊接热输入，保证接头有足够的低温韧性。 表3-40 几种常用低温钢焊接材料的选用 焊接b490MPa低温钢球罐时，焊条中Ni 1.72%、Mo 0.16%；焊

43、接b588MPa的低温钢所用的焊条中除了含Ni、Mo外，还含有少量的Cr。 低温钢SMAW横焊、立焊、仰焊时，焊接电流应比平焊时小10%。多层多道焊时，每一焊道采用快速不摆动的操作方法。在坡口内擦划引弧，不允许工件表面有电弧擦伤。采用快速直线焊，避免采用慢速大幅度摆动的操作方法。在横焊、立焊、仰焊时，为保证良好的焊缝成形并与母材充分熔合，可作必要的摆动，采用“之”字形运条方法，控制坡口两侧停留的时间。收弧时要将熔池填满，避免产生较深的弧坑。 表3-41 低温钢焊条电弧焊平焊时的焊接参数 2. 低温钢的埋弧焊（SAW） (1) 焊材（焊丝和焊剂）的选择所用焊丝应严格控制C、S、P含量。烧结焊剂+Mn-Mo或含Ni焊丝。或 C-Mn焊丝 + 碱性非熔炼焊剂，通过焊剂向焊缝过渡微量Ti、B合金元素，可细化铁素体晶粒。 碱性焊剂焊缝的含氧量低，可得到高韧性的焊缝，以保证焊缝金属的低温韧性。也可采用中性熔炼焊剂 + 含Mo的C-Mn焊丝 或 碱性熔炼焊剂 + 含Ni焊丝。 对于2.5Ni钢、3.5Ni钢，选用Ni=2.5%焊丝和Ni=3.5%焊丝。9Ni钢选用镍基焊丝，如Ni-Cr-Nb-Ti、Ni-Cr-Mo-Nb、Ni-Fe-Cr-Mo等。低温钢埋弧焊常采用碱性焊剂或中性焊剂，以使焊缝金属具有良好的低温韧性。在保证焊缝低温韧性的前提下，还要考虑强度要求。