中国石油大学常见金属材料焊接

常见材料的焊接机电工程学院材料系6.1焊接性的概念

缺陷

降低了某些必要的性能一、焊接性的定义金属是否能适应焊接加工而形成完整的、具备一定使用性能的焊接接头的特性二、评价标准焊缝及HAZ产生裂纹的敏感性如何焊缝及HAZ产生气孔的敏感性如何焊接热循环对HAZ组织结构的影响焊接接头满足规定性能的可能性

——使用焊接性工艺焊接性

定义某种材料在一定焊接条件下，能否获得优质致密、无缺陷焊接接头的能力影响工艺焊接性的因素★材料因素★设计因素★工艺因素★使用因素三、工艺焊接性3.工艺焊接性的分类热焊接性在焊接过程条件下，对HAZ组织性能及产生缺陷的影响程度评定被焊金属对热的敏感性，主要与被焊材质及焊接工艺条件有关冶金焊接性冶金反应对焊缝性能和产生缺陷的影响程度影响焊缝金属化学成分和性能的主要方面四、使用焊接性定义指焊接接头或整体结构满足技术条件所规定的各种使用性能的程度★力学性能★低温韧性★抗脆性断裂性能★高温蠕变★疲劳性能★持久强度★抗腐蚀性能★……6.2金属的

焊接性试验

1、目的评定金属材料的焊接性研制开发新型的焊接材料拟定产品的焊接工艺2、内容焊缝和HAZ抗热裂的能力焊缝和HAZ抗冷裂的能力焊接接头抗脆性转变的能力接头的使用性能3、分类模拟类方法实焊类方法理论计算类方法4、选择原则针对性可靠性经济性一、小铁研试验1、目的评定打底焊缝以及HAZ的冷裂倾向防止冷裂纹的临界预热温度评价指标：裂纹率≤20%，实际构件不发生2、优缺点优点:不需要专用设备在施工现场可以应用缺点:要进行大量的解剖检查

二、插销试验1、目的主要用来考核材料的氢致延迟裂纹敏感性也可用来考核再热裂纹和层状撕裂等的敏感性1—试板；2—支点；3—加压；4—油缸；5—插销试样；6—加载夹头7—加载棒；8—应变片；9—载荷；10—支柱；11—导线插销试样形状、尺寸实例2、优缺点插销试验的优点节省材料（试棒小）热循环接近实际焊接热循环通过调整基体板板厚来调整焊接热循环方便、灵活、实用插销试验的缺点需要专用设备不适合现场用一种模拟方法试验结果σ－断裂时间tF及σcr的关系找出σcr＝σs的施工条件可调节的工艺因素[H]D冷却速度T0、TP填充金属材料3、特点目的主要测定焊缝的热裂敏感性也可测定HAZ的冷裂敏感性三、刚性固定对接裂纹试验四、HAZ最高硬度试验间接判断母材的淬硬倾向和冷裂敏感性五、碳当量方法目的：评价低合金钢冷裂纹敏感性

国际焊接协会推荐Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15美国焊接学会（AWS）推荐Ceq=C+Mn/6+Si/24+Ni/15+Cr/5+Mo/4+(Cu/13+P/2)日本工业标准JIS和西欧标准WES推荐Ceq=C＋Mn/6＋Si/24＋Ni/40＋Cr/5＋Mo/4＋V/14Ceq越小，焊接性越好球罐炸裂失效分析时间：79年12月18日14时许地点：吉林煤气公司液化气厂一台直径9.2m、容积400m3的球罐突然爆裂，由裂缝喷出的液化石油气，遇明火爆炸燃烧，引起附近三个400m3球罐和一个50m3卧式储罐以及25m外仓库中的5000个民用液化气瓶先后爆炸起火。大火燃烧19h，共烧掉液化气超过700t，烧毁机动车15辆以及罐区全部建筑，死亡33人，受伤53人。现场调查和背景调查102＃罐材质：15MnV,15MnVR内径：9.2m设计压力：1.57MPa，经常处较低容量壁厚：h=25mm坡口：X型液化石油气：丙烷、丁烷、杂质(NH3、CO、H2S)环境温度：低断口长度：13米，沿罐环焊缝B板一侧HAZ扩展5米。主裂纹源位置：断口上的人字纹表明，裂纹源位于B4板HAZ。裂纹走向示意图分析项目外观检查焊缝无损探伤母材成分HAZ硬度和金相组织检查分析球罐焊接时的预热温度插销裂纹试验斜Y坡口对接裂纹试验环境影响分析（应力腐蚀）外观检查根据断口特征和断裂力学的估算，该球罐的破裂是属于低应力的脆性断裂，主断裂源在上环焊缝的内壁焊趾上，长约65mm。经宏观及无损检验，上、下环焊缝焊接质量很差，焊缝表面及内部存在很多咬边、错边、裂纹、熔合不良、夹渣及气孔等缺陷。事故发生前在上下环焊缝内壁焊趾的一些部位已存在纵向裂纹，这些裂纹与焊接缺陷（如咬边）有关。球罐投入使用后，从未进行检验，制造、安装中的先天性缺陷未及时发现和消除，使裂纹扩展，当球罐内压力稍有波动便造成低应力脆性断裂。母材成分钢号CMnSipSV15MnV≤0.181.20～1.600.20～0.60≤0.030≤0.0300.04～0.1215MnVR≤0.181.20～1.600.20～0.55≤0.030≤0.0200.04～0.12HAZ最高硬度试验预热温度T0/℃2580180200硬度/HV320297250225实际接头:HV＝297~345实际预热温度<80℃

斜Y坡口对接裂纹试验预热温度80℃不满足要求

插销裂纹试验预热温度80℃不满足要求

6.3热轧钢及

正火钢的焊接

合金结构钢的分类

按成份低合金钢：合金元素总量<5%，单一元素≯2%；中合金钢：合金元素总量5-10%，单一元素≯2-5%；高合金钢：合金元素总量>10%，单一元素≮5%按用途强度用钢：合金化的目的是为了提高钢的强度并保证其具有一定的塑性和韧性特殊用钢：合金化的目的是使钢具有某些特殊性能强度用钢热轧及正火钢（非热处理强化钢）低碳调质钢

中碳调质钢

微合金化控轧钢

Ｚ向钢（正火钢）一、热轧钢及正火钢1、热轧钢强化机理：固溶强化屈服强度：294～392MPa级合金系：C-Mn或Mn-Si系主合金化元素：Mn、Mn-Si辅合金化元素：V、Nb，达到细化晶粒和沉淀强化的作用使用状态：热轧状态典型钢种：16Mn组织：细晶铁素体+珠光体2、正火钢强化机理：固溶强化＋沉淀强化或细晶强化屈服强度：为343～490MPa合金系：C-Mn或Mn-Si(V、Nb、Ti、Mo)系主合金化元素：Mn、Mn-Si辅合金化元素：V、Nb、Ti、Mo（碳化物、氮化物元素）热处理状态：正火典型钢种：15MnVN二、焊接性分析钢名CMnSiSPVQ345（16Mn）0.12~0.201.20~1.600.20~0.60≤0.05≤0.05Q420（15MnVN）0.12~0.201.30~1.700.20~0.50≤0.05≤0.050.16~0.25Ceq=C＋Mn/6＋(Cr+Mo+V)/5＋(Ni+Cu)/15(%)

裂纹问题

接头的脆化问题1、对热裂纹的敏感性C↓Mn↑，Mn/S合格，抗热裂性能↑材料成分不合格或严重偏析→局部C、S↑→Mn/S↓→热裂纹↑冶金措施工艺措施2、对冷裂纹的敏感性热轧钢正火钢3、再热裂纹的敏感性热轧钢对再热裂纹不敏感正火钢中有一些含有强碳化物形成元素，但对再热裂纹不敏感正火+回火钢，如18MnMoNb、14MnMoV则有轻微的再热裂纹敏感性4、层状撕裂有可能板厚小于16mm时不容易发生Z向收缩率＞20％，可以避免防止措施5、焊接接头的脆化（1）过热区的脆化奥氏体严重长大难熔质点的溶入形成高碳马氏体热轧钢－正火钢含V、Nb的正火钢－过热区沉淀相固溶，奥氏体晶粒显著长大，产生不利的组织转变；含钛正火钢－过热区的TiN、TiC都向奥氏体内溶入，来不及析出而停留在铁素体中，导致硬、脆（2）热应变脆化现象：熔合区及200-400℃区发生脆化原因：碳、氮原子聚集在位错周围，对位错造成钉扎作用钢种：固溶氮含量较高的低碳钢和强度级别不高的低合金钢消除措施：加入足够量的氮化物形成元素焊后消除应力退火1、焊接材料的选择选择相应强度级别的焊接材料考虑熔合比和冷却速度的影响必须考虑焊后热处理对焊缝力学性能的影响满足焊缝对特殊性能的要求三、焊接工艺特点2、焊接工艺参数的确定（1）焊接线能量对热轧钢[C]↓→E↓，[C]↑→E↑正火钢强度级别较低：线能量↓强度级别更高、碳、合金元素较高：线能量↑；线能量↓＋预热（2）预热防止裂纹和适当改善焊接接头性能（3）焊后热处理C(碳)

Si(硅)P(磷)S(硫)Cr(铬)Ni(镍)Al(铝)Mn(锰)V(钒)Nb(铌)Ti(钛)≤0.20≤0.55≤0.035≤0.035≤0.70≤0.70≤0.151.00~1.700.02~0.200.015~0.060

0.02~0.20Q460化学成分Ceq=0.40%~0.47%

管线钢的焊接CSiMnPSCrMoNiAl0.0550.20021.39710.00170.00190.03180.31840.26360.0173CuNbTiVPbSnAsBiCa0.23730.06790.01510.0400.00090.00380.00390.00940.0015SbBZnNFePcmCeq<0.00100.0006<0.0015<0.000596.790.200.49某钢厂生产的X80管线钢的化学成分（wt%）典型的X100管线钢的化学成分典型的X100管线钢的力学性能冷裂纹脆化HAZ软化防止：E、T0、窄间隙、加合金元素（Nb、V、Ti）焊接性分析长输管线的焊接1、坡口加工管壁不等厚坡口的加工2、组对及定位焊3、预热4、焊接5、焊后热处理6、检验焊缝：外观检查（宽度、余高、缺陷等）射线、超声波探伤6.5低碳调质

钢的焊接低碳调质钢碳含量：在0.09-0.23%，大部分0.16-0.18%强化机理：相变强化（调质处理〕屈服强度：为490MPa～1000MPa合金系：低C、Mn-Ni-Cr-Mo系主合金化元素：Mn、Ni、Cr、Mo辅合金化元素：V、Nb、Ti、B、Cu热处理状态：淬火＋回火，低碳马氏体或下贝氏体，综合机械性能好典型钢种：14MnMoVN、HT60~HT80、HY80～HY130

过热区脆化HAZ软化裂纹？一、焊接性分析CSiMnPSMoVN0.140.301.410.0120.0250.470.130.01514MnMoVN1.过热区脆化母材的强度越高，软化越显著调质处理的回火温度越低，软化区越宽焊接热源越不集中，软化区越宽焊接E越大、预热温度过高，软化加重2.HAZ软化主要依据采用热源集中的焊接方法焊接材料焊接线能量E预热焊后热处理

二、焊接工艺特点6.6中碳调质

钢的焊接中碳调质钢强化机理：相变强化（调质处理〕屈服强度：为880MPa～1200MPa合金系：中C、Cr-Mn-Ni-Mo-Si系主合金化元素：Cr-Mn-Ni-Mo-Si辅合金化元素：V热处理状态：淬火＋回火典型钢种：30CrMnSi、40Cr、35CrMoA、35CrMoVA热裂倾向[C]↑→S、P偏析↑→热裂倾向↑[C]多，合金多→△TB（液固相区间）↑→热裂↑冷裂敏感性[C]↑Ceq大焊接时，T0+Tp（焊后及时进行回火处理）过热区脆化HAZ软化一、焊接性分析指导思想：防止裂纹、过热区脆化和HAZ软化在退火态下焊接焊接材料工艺参数选择－主要防止裂纹钢在调质态下焊接焊接方法：尽量选择热源集中的方法焊接材料：等强原则小E，配合预热、缓冷和后热等预热、焊后及时回火处理二、焊接工艺特点6.7奥氏体钢

的焊接一、奥氏体钢

显微组织：奥氏体成分：高铬不锈钢+适量的Ni典型钢种：18-8钢0Cr18Ni91Cr18Ni9Ti25-20钢2Cr25Ni20Si24Cr25Ni2025-35钢0Cr21Ni324Cr25Ni35二、焊接性分析接头的耐蚀性接头的热裂纹接头的热强性和再热裂纹问题1、晶间腐蚀定义：金属材料在特定的腐蚀介质中沿着材料的晶粒边界受到腐蚀，使晶粒之间丧失结合力的一种局部破坏现象敏化温度区:450～850℃温度范围产生机理－晶界贫铬（一）接头的耐蚀性④影响因素温度、时间化学成分C其它合金元素相结构的影响铁素体+奥氏体双相2、焊接接头的晶间腐蚀区

（1）焊缝区腐蚀冶金措施：焊缝金属超低碳或含有足够的稳定化元素铌调整焊缝化学成分获得一定数量的铁素体工艺措施：选用适当的焊接方法工艺参数方面操作方面：尽量采用窄焊缝，多道多层焊焊接区快速冷却，焊缝背面可用纯铜垫固溶处理：T＝1050-1150℃稳定化退火处理：T＝850-900℃＋2h（2）敏化区腐蚀在焊接热影响区峰值温度处于敏化温度区间的部位所发生的腐蚀600-1000℃普通的18-8钢才有敏化区防治措施采用含钛、铌或低碳18-8钢