金属材料焊接工艺 第3版 教案 13 低碳低合金调制钢的焊接

授课教案首页学年第学期机械工程学院材料技术系（部）焊接技术及自动化教研室课程名称金属材料焊接工艺任课教师授课形式理论教学√课内实践□理实一体□习题复习□考核评价□其他活动□课时安排2课时序号13授课日期月日月日月日月日授课班级教学内容：3、低碳低合金调制钢的焊接教学目标：知识目标：1、了解低碳调制钢的成分特点2、了解低碳调制钢的焊接性能力目标：掌握低碳调制钢的焊接工艺要点素质目标：1、培养学生良好的操作习惯2、具有与人沟通、与人合作的社会交往能力重点难点及解决方法：要求学生熟悉低碳调制钢的焊接工艺要点。授课地点：教室教学媒体：投影仪设备及材料：其它资源：学习效果评价方式：课堂提问及作业作业和思考题：5．低碳调质钢的成分和性能有何特点？6．简述低碳调质钢的焊接工艺要点。课后小结：填表说明：1.序号，指该课程授课的顺序号，应与授课计划一致；2.授课形式在相应的选项打“√”。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段一、教学组织1．复习引入10分钟2．讲解45分钟3．提问20分钟4.小结15分钟二、教学内容屈服点大于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，又有良好的塑性和韧性，在工程结构中的应用日益广泛。能力知识点1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wc≤0.18%），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。部分低碳调质钢的化学成分和力学性能见表3-10和3-11。（教材P43和P44）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（wc≤0.09%）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。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段能力知识点2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外还有软化问题，在选择焊接材料时应着重考虑。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。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。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段二、热影响区性能变化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。典型低碳调质钢连续冷却曲线如图3-2所示，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F、高碳马氏体M和高碳贝氏体B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因。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。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段图图3-3调质钢热影响区的硬度分布A-焊前淬火+低温回火B-焊前淬火+高温回火C-焊前退火1-淬火区2-部分淬火区3-回火区能力知识点3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800～500℃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。1．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100～150℃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σs≥980MPa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毛满足要求的焊接接头；对于屈服点σs＜980MPa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σs≥686MPa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。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段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。钢种焊条电弧焊埋弧焊气体保护焊焊丝焊剂焊丝保护气14MnMoVNE7015-D2E7015-GH08Mn2NiMoAH08Mn2NiMoVAHJ250HJ350H08Mn2SiAH08Mn2MoACO2或Ar+CO214MnMoNbBE7015-D2E7015-GE7515-GE8015-GH08Mn2MoAH08Mn2Ni2CrMoAHJ350H08Mn2MoAH08MnNi2MoCO2或Ar+CO2HQ80E8015-GE7515-G--H08MnNi2MoAER110CO2或Ar+CO2(20%)HQ100E9015-GE1005-G--H08MnNi2CrMoAAr+CO2(5%～20%)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。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/kJ·cm-1焊条电弧焊气体保护焊埋弧焊HQ706～13502550≤150≤2513～2675～1005050～75≤200≤4526～5012575100≤220≤48HQ80C6～13505050≤150≤2513～2675～10050～7575～100≤200≤4526～50125100125≤220≤48填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段（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（T0≤200℃）。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800～500℃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。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℃。板厚/mm14MnMoVN14MnMoNbB＜13--13～1650～100100～15016～19100～150150～0019～22100～150150～20022～25150～200200～25025～35150～200200～250能力知识点4典型钢WCF62的焊接工艺要点WCF62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。焊条选用E6015–G型，如J607RH等。焊条烘焙温度400℃×1h，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。烘后焊条允许在大气中放置的时间按生产厂家的规定。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段气体保护焊焊丝为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Ⅰ级或Ⅱ级1类气体的要求。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17～25kJ/cm，允许热输入为10～40kJ/cm。预热温度与扩散氢[H]有关，当焊条经400℃烘干，[H]＜2mL/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