金属焊接性第二章shangke

第六章低合金高强度钢的焊接第一页，共三十二页。第六章低合金高强度钢的焊接焊接冶金

填空：低合金钢包括______,_________。低合金高强钢根据屈服强度和热处理状态分为_________,________,_____.热轧及正火钢的屈服强度范围_______,低、中碳调质钢_____。冷裂纹的三要素为_____,______,_________。层状撕裂的产生不受钢材种类和强度级别的限制，但与________有关，一般板厚在_______mm以下就不易产生层状撕裂简答：分析热轧及正火钢的热裂敏感性，并说明原因分析高Ni低Mn低碳调质钢的热裂敏感性，并说明原因防止热裂的冶金措施包含：防止热裂的工艺措施包括：比较热轧钢Q345与正火钢Q420的冷裂敏感性，解释原因分析低碳调质钢的脆硬性和冷裂敏感性比较低碳调质钢和中碳调质钢的冷裂倾向防止冷裂的措施包括：写出4种再热裂纹产生的原因及防止措施第二页，共三十二页。低合金高强度钢的焊接性分析主要内容

热裂纹冷裂纹再热裂纹层状撕裂脆化和软化焊接冶金

第三页，共三十二页。低合金钢的焊接性分析——脆化和软化焊接冶金

过热区的脆化热轧钢焊接接头的脆化原因因含碳量不同而异。Q345(16Mn)，碳的质量分数偏于下限(<0.12%)时，脆化一般是由于过热区晶粒粗化而形成魏氏组织而脆化外，在发生偏析等情况下还可能出现由于形成高碳马氏体组织而引起的脆化。正火钢的脆化程度不仅与晶粒粗化有关，而且与沉淀强化元素有关。在焊接热源的作用下，熔合区附近的母材被加热到接近熔点的高温，碳化物或氮化物几乎完全溶于奥氏体。即使焊接冷却速度较低时，碳化物形成元素（如Ti、V等）也来不及析出而留存在固溶体中，其结果是使铁素体的硬度提高，韧性下降。而且，碳化物形成元素的含量越多，脆化越明显。如果焊后对接头重新正火，可使正火钢的塑性和韧性得到恢复。第四页，共三十二页。低合金钢的焊接性分析——脆化和软化焊接冶金

过热区的脆化低碳调质钢过热区脆化的规律与热轧钢、正火钢不同，低碳调质钢存在一个韧性最佳的组织，即马氏体和10%~30%的下贝氏体，而对应于该组织的冷却时间则可作为最佳的冷却时间。如果冷却时间小于最佳冷却时间，则会生成较多甚至全部为低碳的马氏体，韧性也会降低；若冷却时间大于最佳冷却时间，则容易产生上贝氏体及M-A组元，也会使韧性降低。中碳调质钢的含碳量较高，合金元素含量较多，过热区内很容易生成硬而脆的高碳马氏体，因而脆化倾向比较严重。第五页，共三十二页。低合金钢的焊接性分析——脆化和软化焊接冶金

热影响区的软化焊接热影响区的软化现象主要出现在低碳调质钢和在调质状态下焊接的中碳调质钢中。在焊接热循环的作用下，热影响区上峰值温度介于母材回火温度与Ac1之间的区域，相当于经受了高于原来母材回火温度的更高温度的回火，强度和硬度降低，即出现局部软化现象。而且调质钢的强度级别越高，软化问题越突出。解决软化问题最好的方法是采用焊后重新进行调质处理，但如果不能进行重新调质处理，则应注意选择合适的焊接方法和焊接热输入。组织转变及碳化物的沉淀和聚集第六页，共三十二页。第五章焊接性及其试验方法主要内容

低合金高强刚的种类和性能低合金高强刚的焊接性分析低合金高强刚的焊接工艺要点典型低合金高强度钢的焊接

焊接冶金

第七页，共三十二页。低合金钢的焊接工艺要点主要内容

焊接方法及热输入焊接材料焊接接头设计和辅助措施焊接冶金

第八页，共三十二页。低合金钢的焊接工艺要点——焊接方法及热输入焊接冶金

焊接方法对于热轧钢及正火钢，焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护电弧焊等常规焊接方法都可以采用，主要根据材料的厚度、产品的结构和具体的施工条件来确定。低碳调质钢存在高温回火软化问题，如果焊后进行调质处理，常用的弧焊方法都可以采用。不进行焊后调质处理时，必须尽量限制焊接过程中热量对母材的作用。由于软化程度与母材强度级别有很大关系，强度级别越高，越需要注意限制热输入。对于强度级别超过980MPa的低碳调质钢，最好采用钨极氩弧焊和电子束焊等能量集中的焊接方法，强度级别低于980MPa的低碳钢，可采用焊条电弧焊、埋弧焊、熔化极气体保护焊和钨极氩弧焊等方法，并根据板厚和施工条件进行选择。第九页，共三十二页。低合金钢的焊接工艺要点——焊接方法及热输入焊接冶金

焊接方法中碳调质钢焊后的淬火组织是硬脆的高碳马氏体，对冷裂纹的敏感性很大，而且存在过热区脆化和热影响区软化等问题，焊后若不经热处理，热影响区性能达不到使用要求。因此，中碳调质钢一般首先进行退火，并在退火状态下进行焊接，焊后通过整体调质处理才能获得性能满足要求的焊接接头。此时，焊接热影响区的性能可以通过焊后的调质处理来保证，焊接重点是通过焊接材料、预热及焊后热处理解决冷裂纹问题。因此，在这种情况下，对选择焊接方法几乎没有限制。在调质状态下焊接的中碳调质钢来讲，除了焊接裂纹问题外，还要考虑热影响区的脆化和软化问题。热影响区的脆化问题可以通过焊后回火解决，但热影响区的软化问题，在焊后不进行调质处理时是无法解决的。因此，应从防止冷裂纹和避免软化两方面来选择焊接工艺和方法。为了防止冷裂纹应加强预热、控制层间温度并及时进行焊后回火处理；为了减少软化，应尽量采用能量密度高的热源进行焊接，如氩弧焊、等离子弧焊、激光束焊和电子束焊等。从经济和方便性考虑，目前还在采用焊条电弧焊来焊接这类钢种。第十页，共三十二页。低合金钢的焊接工艺要点——焊接方法及热输入焊接冶金

焊接热输入各种热轧钢和正火钢焊接接头的脆化程度、脆化原因和冷裂倾向是不同的，因此对热输入的要求也是不同的。对于含碳量很低的热轧钢如Q295（09Mn2）等，焊接热输入可以适当降低，以免过热区粗化甚至形成魏氏组织。而对于含碳量偏于上限的Q345（16Mn），焊接热输入可以适当加大，以降低淬硬倾向，防止冷裂纹的产生。对于含有V、Nb和Ti的钢种，为降低过热区粗晶区脆化造成的不利影响，应选择较小的焊接热输入。低碳调质钢的热影响区的强度、塑性和韧性是靠低碳马氏体或下贝氏体提供的。如果热影响区的冷却速度过低，则奥氏体将转变成粗大贝氏体，这对强度和韧性都不利，所以焊接这类钢时其冷却速度要高于某一临界冷却速度。然而，过高的冷却速度也会导致抗裂性和塑性的下降。因此，低碳调质钢焊接时有一个最佳的冷却速度范围。焊接热输入的选择应结合焊接时采用的预热温度，使焊接接头的冷却速度出现在最佳的冷却速度范围之内

第十一页，共三十二页。低合金钢的焊接工艺要点——焊接方法及热输入焊接冶金

焊接热输入中碳调质钢一般采用小焊接热输入焊接，有利于降低奥氏体的过热。因为即使采用大热输入焊接，热影响区仍然避免不了产生马氏体，却增大了奥氏体的稳定性，结果使淬火区形成粗大的马氏体，反而增大了脆化和冷裂倾向。预热温度/℃板厚/mm68101216202530364050焊接热输入（J/cm）207500~1600010000~1950014000~2350021500~2900017500~46000抗裂性差100冲击韧度低16000~3000022500~3600024000~4500026000~57500抗裂性差150冲击韧度低16000~2850019000~3500022500~4400025000~4900031000~6000031500~61500200冲击韧度低16000~3250020000~3950022000~4650023500~5400014NiCrMoCuVB第十二页，共三十二页。低合金钢的焊接工艺要点主要内容

焊接方法及热输入焊接材料焊接接头设计和辅助措施焊接冶金

第十三页，共三十二页。低合金钢的焊接工艺要点——焊接材料焊接冶金

热轧及正火钢选择焊接材料时，应保证焊缝金属的强度、韧性和塑性等性能指标符合产品设计要求，综合考虑焊缝金属的力学性能与抗裂性。由热轧钢及正火钢的焊接性分析可知，这类钢焊缝金属的热裂纹倾向正常情况下是较小的，有一定的冷裂纹倾向，一般可按等强原则选择焊接材料，重要结构或厚板焊接优先选择低氢焊条或碱性适度的埋弧焊剂

对于每一个级别的钢种，按照力学性能等强的原则出发，可以选择几种焊接材料，但应根据结构的重要程度、板厚和结构形式等进行具体选择。对重要结构或厚板、拘束大的焊接结构，采用低氢焊条或碱性稍高的焊剂，以防止冷裂纹的发生。对于重要的焊接产品，应选择韧性好的焊接材料。选择埋弧焊焊丝和焊剂时，要考虑焊丝和焊剂的配合，以及焊接坡口和接头的形式。第十四页，共三十二页。低合金钢的焊接工艺要点——焊接材料焊接冶金

强度等级钢材牌号焊条电弧焊埋弧焊电渣焊CO2焊焊条型号焊丝牌号焊剂牌号焊丝牌号焊剂牌号焊丝牌号294Q295(09Mn2、09MnV)E4303E4301E4316E4315H08AH08MnAHJ431————————H08Mn2SiA343Q345(16Mn、14MnNb)Q295(12Mn)E5003E5001E5016E5015I性破口对接H08A中厚板开坡口H08MnMoAH10MnH10MnSiHJ431H08MnMoAHJ431HJ360H08Mn2SiA厚板深坡口H08MnMoAHJ350H08Mn2MoVA393Q390(15MnV、15MnTi、16MnNb)E5003E5001E5016E5015E5015-GE55515-GI形坡口对接H08AHJ431H08Mn2MoVAHJ431HJ360H08Mn2SiA中厚板开坡口对接H08MnAH10MnH10MnSiHJ431厚板深坡口H08MnMoAHJ350HJ250442Q420(15MnVN、14MnVTiRE)E5015-GE5515-GE6016-D1E6015-D1H08MnMoAH08MnVTiAHJ431HJ350H10Mn2MoVAHJ431HJ360————第十五页，共三十二页。低合金钢的焊接工艺要点——焊接材料焊接冶金

强度等级钢材牌号焊条电弧焊埋弧焊电渣焊CO2焊焊条型号焊丝牌号焊剂牌号焊丝牌号焊剂牌号焊丝牌号343Q345(16Mn、14MnNb)Q295(12Mn)E5003E5001E5016E5015I性破口对接H08A中厚板开坡口H08MnMoAH10MnH10MnSiHJ431H08MnMoAHJ431HJ360H08Mn2SiA厚板深坡口H08MnMoAHJ350H08Mn2MoVAHJ431与H08A配合可以焊接不开坡口（即Ι形坡口）的Q345（16Mn）钢，因为Ι形坡口熔合比大，焊缝仍然有足够的合金元素，从而保证焊缝的力学性能。

中厚板的Q345（16Mn）钢进行埋弧焊时，一般开V形、Y形或X形等坡口形式，熔合比小。如果仍然采用HJ431与H08A配合，焊缝强度偏低，应采用HJ431与H08MnA、H10MnSi等含有一定合金元素的焊丝相配合，以保证焊缝金属的力学性能。对于开深坡口的大厚板Q345（16Mn）钢埋弧焊，不仅要降低熔合比，而且应选择抗裂性较好的焊剂HJ350，再配合韧性好的H08MnMo焊丝，以满足焊缝金属的力学性能和抗裂性的要求。第十六页，共三十二页。低合金钢的焊接工艺要点——焊接材料焊接冶金

低碳调制钢低碳调质钢一般也按等强原则进行焊接材料的选择，但当结构刚度较大时，可选择比母材强度稍低的焊接材料，以防止冷裂纹的形成钢材牌号焊条电弧焊埋弧焊气体保护焊焊条型号或牌号焊丝牌号焊剂牌号焊丝牌号保护气体14MnMoVNE7015-D2E8515-GH08Mn2MoAH08Mn2NiMoVAHJ350H08Mn2SiH08Mn2MoCO2H08Mn2MoAHJ25014MnMoNbBH14(Mn-Mo)E8515-GH08Mn2MoAH08Mn2Ni2CrMoVAHJ350——_____HQ60E6015E6016-GE6017——____H08MnNiMoAH08MnSiMoAAr+20%或CO2HQ70E7015-GE7015-GE7015-G——____H08Mn2NiMoAAr+20%或CO2HQ80CE8015-G——____H08MnNi2MoAAr+20%HQ100E9516-G________H08MnNi2CrMoVAAr+（5~20）%CO2第十七页，共三十二页。低合金钢的焊接工艺要点——焊接材料焊接冶金

中碳调制钢中碳调质钢一般是先退火（或正火）后再进行焊接，焊后再进行整体调质。此时选择焊接材料应该考虑冷裂纹和热裂纹的敏感性，应尽量降低焊缝金属中硫和磷的含量，控制焊缝金属的含碳量和含硅量，使焊缝金属的主要成分尽量与母材相似，以保证在焊后调质处理后达到等强。必须在调质下焊接的构件，由于焊后不再进行调质处理，因此选择焊接材料时没有必要考虑热处理规范对焊缝性能的影响，可以不采用和母材成分相匹配的焊接材料，重点防止冷裂纹的形成。由于在调质状态下直接焊接，母材的强度高，刚性大，冷裂纹倾向严重，所以有事采用抗裂性好的纯奥氏体焊接材料。第十八页，共三十二页。低合金钢的焊接工艺要点——焊接材料焊接冶金

中碳调制钢钢材牌号焊条电弧焊埋弧焊气体保护焊焊条型号或牌号焊丝牌号焊剂牌号焊丝牌号保护气体30CrMoAE10015-GH20CrMoAHJ260H20CrMoAH08Mn2MoAr30CrMnSiAE8515-GE10015-GHT-1(H08A焊芯)HT-1(H08CrMoA焊芯)HT-3(H08A焊芯)HT-3(H08CrMoA焊芯)HT-4(HGH41焊芯)HT-4(HGH30焊芯)H20CrMoAHJ431H08Mn2SiMoAH08Mn2SiACO2H18CrMoAHJ431HJ260H18CrMoAAr30CrMnSiNi2AHT-3(H08CrMoA焊芯)HT-4(HGH41焊芯)HT-4(HGH30焊芯)H18CrMoAHJ350-1HJ260H18CrMoAAr30CrMoVAE5515-B2-VN6E8515-GH20CrMoAHJ260H20CrMoAAr34CrNi3MoAE2-11MoVNiW-15E8515-G———____H20Cr3MoNiAAr40CrMnSiMoVAE10015-GHT-3(H18CrMoA焊芯)HT-2(H18CrMoA焊芯)———__________——第十九页，共三十二页。低合金钢的焊接工艺要点主要内容

焊接方法及热输入焊接材料焊接接头设计和辅助措施焊接冶金

第二十页，共三十二页。低合金钢的焊接工艺要点——接头设计和辅助措施焊接冶金

焊接接头设计合理的接头设计应使应力集中系数尽可能小，具有好的可焊到性，且便于焊后检验。一般来说，对接焊缝比角焊缝更为合理，因为后者应力集中系数大并有明显的缺口效应。坡口形式以U形或V形为佳，也可以采用双V形（X形）或双U形坡口，以降低焊接应力。不同的焊接方法焊接不同厚度的钢材时，坡口形式和尺寸是不同的，按照国家标准中的规定，采用气焊、焊条电弧焊和气体保护焊焊接不同板厚的钢材时，几种坡口形式。

第二十一页，共三十二页。低合金钢的焊接工艺要点——接头设计和辅助措施焊接冶金

焊前预热焊前预热是防止冷裂纹的有效措施，预热温度的确定取决于钢种的化学成分、板厚、焊接结构形状和拘束度以及环境温度等。中碳调质钢焊接时都需预热，预热温度为200~350℃。钢号板厚/mm预热温度范围/℃Q345(16Mn)、SM50、HT50、17Mn4、19Mn6、15MoV、15MnTi、SA-299≧30100~15020MnMo、HT60、12CrMo、15CrMo、13CrMo44、StE47、SA-387-P22≧15150~20014MnMoV、18MnMoNb、13MnNiMo54、HT70、StE60、SA-387-P22、10CrMo910、22NiCrMo37≧10150~20012Cr1MoV、13CrMoV42、StE70、HT80、24CrMoV55、12Cr2MoWVTiB≧6150~200第二十二页，共三十二页。低合金钢的焊接工艺要点——接头设计和辅助措施焊接冶金

焊后低温热处理焊后热处理消除应力处理焊后正火处理焊后调质处理这种焊后热处理措施主要用于板厚较大、焊接残余应力较大、低温工作、承受动载荷或有应力腐蚀要求，以及尺寸稳定性要求的结构。消除应力处理过程将焊接构件以一定速度均匀加热到Ac1点以下足够高的温度并保持一定的时间，所用的温度一般比母材的回火温度低30~60℃。对于含有一定数量的Cr、Mo、V、Ti和Nb等沉淀强化元素的某些低合金钢焊接结构，在消除应力处理时应注意防止再热裂纹的发生。

对于正火钢的焊接接头来讲，处于过热区的部位由于承受较高的温度而破坏了具有良好综合性能的正火态组织，使其回到了正火前的热轧状态，通过焊后正火处理，可以使组织再恢复到焊前状态。这种焊后热处理措施主要用于电渣焊结构件，以改善焊接接头的组织和性能。正火温度应一般比Ac3高30~50℃，而正火时间一般按每毫米厚度1~2min计算。当低合金高强度钢的强度级别达到500MPa时，焊后调质处理可以提高接头的强度和韧性。淬火温度一般比Ac3高30~50℃，保温一定时间后，在水中急冷，然后按母材的回火制度进行回火。

焊后低温处理是在焊接结束后将焊件或整条焊缝立即加热到150~250℃温度范围内并保持一段时间的一种处理工艺，主要目的是降低接头在低温转变区的冷却速度，以降低接头的冷裂倾向。对于热轧钢及正火钢和低碳调质钢来讲，一般不需要焊后低温热处理，但对于结构拘束应力比较大而使冷裂纹倾向明显增大时，可以考虑采取这种后热措施。中碳调质钢焊接时，为防止冷裂纹的产生，焊后应立即采取这种低温热处理措施。所用的后热温度和时间取决于被焊钢种的冷裂纹敏感性、焊接材料的含氢量和接头的拘束度。一般来讲，后热温度为150~250℃，含碳量高时可达300℃，保温时间可按每毫米厚度保温1min计算，但至少不小于30min。第二十三页，共三十二页。低合金钢的焊接工艺要点——接头设计和辅助措施焊接冶金

焊后热处理在选择焊后热处理规范时，除了依据母材的化学成分和焊件厚度外，还应综合考虑冶金和工艺特点，以避免在材料回火脆性或再热裂纹的敏感温区进行，加快敏感温区内的加热速度和冷却速度。针对不同用途的材料，各国法规所规定的热处理温度的差别较大，这与设计准则、材料标准及焊接工艺评定标准不同有关，使用时应根据具体情况综合考虑。强度等级σs/MPa钢材牌号回火温度/℃正火温度/℃消除应力处理温度/℃295Q295(09Mn2、09MnV)——900~940550~600345Q345(16Mn、14MnNb)Q295(12Mn)580~620900~940550~600390Q390(15MnV、15MnTi、16MnNb)620~640910~950600~65044214MnMoV620~640910~950600~66049118MnMoNb640~660620~640920~950600~660第二十四页，共三十二页。第五章焊接性及其试验方法主要内容

低合金高强刚的种类和性能低合金高强刚的焊接性分析低合金高强刚的焊接工艺要点典型低合金高强度钢的焊接

焊接冶金

第二十五页，共三十二页。典型低合金钢的焊接主要内容

正火钢Q345(14MnNb)的焊接低碳调质钢HQ80C的焊接中碳调质钢35CrMoA的焊接焊接冶金

第二十六页，共三十二页。典型低合金钢的焊接——正火钢Q345的焊接焊接冶金

Q345（14MnNb）是屈服强度为345MPa级的Nb微合金化桥梁用钢，钢板厚度为16~50min。在正火状态下，钢材具有优良的低温冲击韧度，50mm厚板抗层状撕裂性能良好。通过焊接性研究表明，该钢材采用低热输入焊接时，焊接热影响区会产生脆硬组织，具有一定的冷冽敏感性；而采用较高热输入焊接时，热影响区的粗晶区有过热脆化倾向。由Q345（14MnNb）焊接而成的弦杆箱形梁是桥梁上的一个重要受力部件，箱形梁由对接、角接及棱角接头组成。根据箱形梁的具体结构形式，为了满足焊接接头各种力学性能要求，分别采用不同的焊接材料与焊接工艺进行焊接。第二十七页，共三十二页。典型低合金钢的焊接——正火钢Q345的焊接焊接冶金

手工定位焊接工艺对接接头焊接工艺焊接材料：E5015，Φ4.0mm，350~400℃烘于1h后存放于保温筒中，2h内使用。施焊环境：温度＞5℃，湿度＜80%。预热温度：δ=16~24min，不预热；δ=32~40mm，预热≧60℃；δ=44~50mm，预热≥80℃。焊接参数：焊接电流160~200A，电弧电压23~26V。坡口形式：δ≤24mm，X形坡口，夹角76°；δ≥32mm，双U形坡口，根部R=8mm。焊接材料：焊丝H08Mn2E,焊剂SJ101，使用前350℃烘干2h。预热及层间温度：不预热，焊道层间温度不超过200℃。焊接参数：Φ1.6mm焊丝，焊接电流320~360A，焊接电压32~36V，焊接速度21.5~25m/h；Φ5.0mm焊丝，焊接电流660~700A，焊接电压32V，焊接速度21.5m/h。焊丝深处长度：Φ1.6mm焊丝，20~25mm；Φ5.0mm焊丝，35~40mm。第1道焊接，背面用焊剂衬垫；翻身焊时，背面清根，翻身焊焊接方向与第1道焊接方向相反。第二十八页，共三十二页。典型低合金钢的焊接——正火钢Q345的焊接焊接冶金

开坡口接头焊接工艺棱角接头焊接工艺坡口形式：竖板开45°的V形坡口。施焊位置：船形位置焊接，水平板与水平面夹角67.5°。焊接材料：焊丝H08MnE，焊剂SJ101，使用前350℃烘干2h。预热及层间温度：打底焊预热温度不低于50℃，焊道层间