常见金属材料的焊接性

1、第六章 常见金属材料的焊接6.1 焊接性概念6.1.1 金属焊接性概念：金属焊接性就是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。含义：一是金属在焊接加工中是否容易形成缺陷；二是焊成的接头在一定的使用条件下可靠运行的能力。评价标准： （1）焊缝以及HAZ产生裂纹的敏感性如何。（2）焊缝HAZ产生气孔的敏感性如何。（3）焊接热循环对HAZ组织结构的影响，比如HAZ容易不容易出现晶粒长大现象以及出现马氏体等脆硬组织等。（4）焊接接头满足规定性能的可能性，比如强度、韧性、低温性能、抗腐蚀性等。金属焊接性的具体内容包括工艺焊接性和使用焊接性，上面四点中，前三点属于工艺焊接性，

2、最后一点属于使用焊接性。6.1.2 工艺焊接性工艺焊接性是指某种金属在一定焊接条件下，能否获得优质致密、无缺陷焊接接头的能力。分析和研究金属的工艺焊接性时，必然要涉及到焊接过程。对于熔化焊来讲，焊接过程一般都要经历传热和冶金反应。因此，把工艺焊接性又分成“热焊接性”和“冶金焊接性”。热焊接性是指在焊接过程条件下，对HAZ组织性能及产生缺陷的影响程度。它是评定被焊金属对热的敏感性（晶粒长大和组织性能变化等），主要与被焊材质及焊接工艺条件有关。冶金焊接性是指冶金反应对焊缝性能和产生缺陷的影响程度。它包括合金元素的氧化、还原、氮化、蒸发以及氢、氧、氮的溶解，对气孔、夹杂、裂纹等缺陷的敏感性，它们是影

3、响焊缝金属化学成分和性能的主要方面。影响工艺焊接性的因素（1）材料因素（2）设计因素（3）工艺因素（4）使用因素6.1.3 使用焊接性使用焊接性是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。6.1.4 如何分析金属的焊接性6.1.4.1 从金属的特性分析焊接性（1）化学成分碳当量法焊接冷裂纹敏感系数（2）利用物理性能分析（3）利用化学性能分析（4）利用合金相图分析（5）利用CCT图或SHCCT图分析6.1.4.2 从焊接工艺条件分析焊接性（1）热源特点（2）保护方法（3）热循环的控制（4）其它工艺因素6.2 金属的焊接性试验6.2.1 焊接性试验的目的及内容金属焊接性试验的目的

4、1）评定金属材料的焊接性；2）研制和开发新型的焊接材料；3）拟定产品的焊接工艺（试件尺寸应符合产品特点，焊接工艺参数是调整的对象。具体来讲，焊接性试验的内容可以归纳为以下四个方面：1) 焊缝和HAZ抗热裂的能力2) 焊缝和HAZ抗冷裂的能力3) 焊接接头抗脆性转变的能力4) 接头的使用性能6.2.2 焊接性试验方法的分类（1）模拟类方法特点：节约材料和工时，试验周期短；可以将接头内某一区域局部放大，从而使有些因素孤立出来，便于分析研究和寻求改善焊接性的途径。和实际焊接相比有一些差别，因为很多条件是被简化了的。最常用的有热一应力模拟试验、插销试验等。（2）实焊类方法在一定条件下进行焊接，通过实焊

5、来评价焊接性。有时是在生产条件下进行焊接，然后检查焊接接头是否发生缺陷，或进行力学性能或其它方面的试验。也有时是使用一定形状尺寸的试样在规定条件下进行焊接，再作各种检查。常用方法：斜 Y 坡口对接裂纹试验、窗口拘束试验、刚性固定对接裂纹试验以及不锈钢晶间腐蚀试验。（3）理论计算类方法在大量生产和科学研究经验的基础上归纳总结出来的理论计算方法。它们主要依据母材或焊缝金属的化学成分，加上某些其它条件（如接头拘束度、焊缝扩散氢含量），然后通过一定的经验公式计算，估计冷裂、热裂、再热裂纹的倾向大小。由于是经验公式，这类方法的应用更是有条件限制的，且多半是间接，粗略估计焊接性问题。6.2.3选择或制定焊

6、接性试验方法的原则 （1）针对性：尽量接近实际焊接条件。 （2）可靠性：尽量避免人为因素影响。（3）经济性。6.3 常用焊接性试验方法金属的焊接性评定方法有两类：一是通过焊接性试验直接确定接头HAZ以及焊缝产生裂纹的倾向；一是通过钢的成分间接评定它的焊接性。具体现行焊接性试验方法很多，这里只介绍最常用的几种。6.3.1 斜Y坡口对接裂纹试验（小铁研试验）这种方法广泛用于评定打底焊缝以及HAZ的冷裂倾向。焊接规范为标准规范，焊条直径4mm，I=170A，U=24V，V焊=150mm/min。一般采用三个平行试样。熔敷焊缝试验以后，至少放置24小时，然后进行裂纹检验。首先用放大镜或磁粉检查表面裂纹

7、，然后沿焊缝长度方向将试验焊缝均匀截取6段，检查5个端面的裂纹情况，各类裂纹率的计算见图6-6及以下公式。 图6-4 斜Y坡口对接裂纹试验试样由于斜Y坡口对接裂纹试验接头拘束度很大，根部尖角又有应力集中，所以试验条件苛刻，一般认为在这种试验中裂纹率不超过20%，那么在实际焊接结构中就不会发生裂纹。当然，试验中如果保持规范不变而采用不同预热温度进行试验，也可以测得能够防止冷裂纹的临界预热温度。与斜Y坡口对接裂纹试验非常相似的是直Y坡口对接裂纹试验（图6-7），两者的不同处只是坡口形式一个是斜Y，一个是直Y。直Y坡口时，裂纹容易在焊缝根部尖角处起裂，所以适合考核焊缝金属对根部裂纹的敏感性。图6-7

8、 直Y坡口对接裂纹试验试样 铁研试验的优点是不需要专用设备，在施工现场可以应用。缺点是要进行大量的解剖检查。6.3.2 插销试验插销试验主要用来考核材料的氢致延迟裂纹敏感性，也可以用来考核再热裂纹和层状撕裂等的敏感性。试验时，在基体板上熔敷焊道，焊道通过插销中心，并将插销端部和基体板同时熔化形成焊缝，这样试棒紧靠焊缝的区域就成为了HAZ，如果缺口到试棒端面的距离a 合适，那么缺口尖端会正好落在熔合线附近的粗晶区。那么，焊后当缺口温度冷却到150时加载，直到试棒断裂。由于粗晶区有缺口，存在应力集中，所以试棒断裂一般都是断在缺口处。缺口温度降到150时加载，直到试棒断裂，需要一定的时间。在较大的外

9、加载荷P1下测得一个断裂时间t1，然后减小外载，P2又对应一个断裂时间t2，然后再减小外载，这样一直持续下去，直到试棒能够保持16小时也不断裂（有预热的话，要至少24小时），这时所加的载荷就是临界载荷，对应的应力就是临界应力。材料的临界应力小冷裂倾向大。因为开裂条件是：cr，所以cr越大越好。插销试验的优点是：节省材料（试棒小）热循环接近实际焊接热循环，而且通过调整基体板板厚就可以调整焊接热循环方便、灵活、实用。比如，用被测材料做试棒可以评价材料的脆应倾向，用全熔敷金属做试棒可以测定焊缝金属的冷裂敏感性，对轧制钢材可以取与轧制方向呈各个方向的插销试棒，研究轧制方向对开裂敏感性的影响，从而评价材

10、料对层状撕裂的敏感性，等等。插销试验的缺点是：需要专用设备，不适合现场用。图6-8 插销试验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应变篇；9载荷；10支柱；11导线图6-9 插销试样形状、尺寸实例 6.3.3 刚性固定对接裂纹试验主要用来测定焊缝的热裂敏感性，也可以测定HAZ的冷裂敏感性，试样形状和尺寸见图6-10。图6-10 刚性固定对接裂纹试验这种方法对焊缝的拘束过于严重，所以即使在在这个试验中焊缝出现裂纹，实际生产中也不一定出现，也就是这个试验得出的结论比较保守。其它的还有FISCO试验和窗口拘束对接裂纹试验。 图6-11 FISCO试验 图6-12 窗口拘束

11、试验6.3.4 HAZ最高硬度试验可以间接判断母材的脆硬倾向和冷裂敏感性。图6-13 HAZ最高硬度试验6.3.5 碳当量方法（1）国际焊接协会推荐：Ceq =C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 (%)适用范围：中、高强度的非调质低合金高强钢（强度为 500900MPa）判据：当Ceq 0.45%，且板厚小于25mm时，可不预热；当Ceq 0.41%且C0.207时，板厚小于37mm可不预热。根据经验：Ceq0.6-焊接性较差。（2）由美国焊接学会（AWS）推荐的公式Ceq = C + Mn/6 + Si/24 + Ni/15 + Cr/5 + Mo/4 + (Cu/1

12、3 + P/2)(%)适用范围：C0.6 %；Mn1.6%；Ni3.3%；Cr1.0%；Mo0.6%；Cu0.51%，P =0.050.15%，当Cu0.5或P0.6），所以更容易产生脆硬的马氏体组织，脆硬倾向和冷裂敏感性更大，因此焊接结构一般不采用这种钢，它们的焊接通常只用在焊补修理工作中。（2）焊接材料高碳钢焊接可以采用手弧焊和气焊。高碳钢的抗拉强度大多都在675Mpa以上，要求强度高时，手弧焊一般用J707、J607焊条，要求不高时，可以用J506、J507，或者选用和以上强度级别相当的低合金钢焊条或填充金属。所有焊接材料都应该是低氢型的，以提高焊缝塑韧性和抗裂性能。（3）焊接工艺要点高

13、碳钢要先进行退火才能进行焊接。采用结构钢焊条时，焊前应进行250-350以上的预热（如果用奥氏体不锈钢焊条可以不预热）。多层焊焊接过程中，还应保持与预热温度相同的层间温度，并在焊后缓冷。通常焊后要进行650高温回火消除应力。6.5 合金结构钢在碳素钢基础上加入一定的合金元素来达到所需要求的钢种称为合金结构钢。碳素钢中加入合金元素有两个目的：一个是在保证钢具有一定塑性韧性的基础上提高钢的强度；另一个目的是使钢具有某些特殊性能，比如耐蚀性、耐低温、耐高温等等。由于加入合金元素的目的不同，那么制造出来的合金钢就有不同的用途，根据合金钢的用途，合金钢分为两大类：强度用钢、特殊用钢。6.5.1 强度用钢

14、强度用钢即高强钢，在焊接结构中它应用很广。根据屈服强度级别和热处理状态，一般又分为三类：热轧钢和正火钢、低碳调质钢、中碳调质钢。新发展：微合金控扎钢、焊接无裂纹钢、抗层状撕裂钢、大线能量钢等。6.5.2 特殊用钢（1）珠光体耐热钢这类钢主要用在最高工作温度为500-600的高温设备上。它是一种以铬、钼为基础的低、中合金钢，随着使用温度的提高，钢中还往往加有V、W、Nb、B等合金元素。这种钢使用中可以根据需要进行各种热处理，焊后一般不用进行调质，主要进行高温回火处理。（2）低温钢近十几年来，由于液化石油（45）和液化天然气（-162）的开发和利用，需要大量的低温用钢来制造储存和运输这些能源的容器

15、。另外，在严寒地区的工程结构上也需要低温用钢。低温用钢必须能够保证在相应的低温下具有足够的低温韧性，而对强度没有特殊要求。低温钢大部分是一些含镍的低碳低合金钢，一般在正火或调质状态下使用。（3）低合金耐蚀钢在石化企业，很多场合存在腐蚀问题，比如海底输油管线内有原油介质腐蚀、外有海水腐蚀，输送天然气的管线内存在严重的硫化氢腐蚀等等，所以在要求设备具有一定耐蚀性的场合就采用低合金耐蚀钢。低合金耐蚀钢的成本远低于高合金耐蚀钢，但耐蚀性要比碳钢好的多。6.6 热轧钢及正火钢的焊接6.6.1 热轧和正火钢的成分和性能（1）热轧钢强化机理：固溶强化， 屈服强度：294392MPa级， 合金系： C-Mn或

16、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+珠光体一般成分范围：C0.2%，Si0.55%，Mn1.5%，在这个范围内，强度韧性都很好，焊接性也好，但如果C0.3%，Si0.6%,Mn1.6%，焊接性就要大大变差。（2）正火钢它的强化途径是：固溶强化+弥散相强化，它是在热轧钢的基础上加上V、Ti、Nb通过形成弥散相来进一步提高强度，所以它的屈服强度要比热轧钢的高。它的特点是便宜，综合机械性能好。强化机理：固溶强化沉淀强化或细晶强化， 屈服强度：为343490MPa ， 合金系

17、：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，使合金元素以细小的化合物质点从固溶体中充分析出，并同时细化晶粒，提高强度的同时改善塑性、韧性、达到最佳的综合性能典型钢种：15MnVN。l正火状态下使用钢 除15MnTi外，主要是V、Nb钢。15MnV、15MnVN。 2正火回火状态使用的含Mo钢 18MnMoNb， 3微合金化控轧钢 采用微合金化（加入微量Nb、V、Ti ) 和控制轧制技术达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了降C降S，改变夹杂物形

18、态，提高钢的纯度等措施，使钢具有均匀的细晶粒等轴铁素体基体。X70除加微量Nb、V、Ti 外，还加入Ni、Cr、Cu、Mo。6.6.2 焊接性分析焊接性通常表现为两方面的问题：一是裂纹问题，一是接头的脆化问题。6.6.2.1 对热裂纹的敏感性（1）含碳量都较低而含锰量都较高，所以它们的Mn/S比都能达到防止发生热裂纹的要求，具有较好的抗热裂性能。（2）但当材料成分不合格，或因严重偏析使局部碳、硫含量偏高时Mn/S比就可能低于要求而出现热裂纹。6.6.2.2 对冷裂纹的敏感性从材料本身看，淬硬组织是引起冷裂纹的决定因素。焊接时是否形成对氢致裂纹敏感的组织是评定材料焊接性的一个重要指标。不同成分钢

19、材的冷裂纹敏感性，可以通过反映钢材焊接热影响区淬硬倾向的模拟焊接热影响区连续冷却转变（SHCCT）曲线来进行分析比较。 热轧钢：碳当量都比较低，除环境温度很低或钢板厚度很大，一般情况下其裂纹倾向都不大。正火钢：碳当量不超过0.5时，淬硬倾向比热轧钢大，但不算严重，焊接性尚可，但对于厚板往往需要进行预热。当碳当量大于0.5时钢的淬硬倾向和冷裂倾向逐渐增加。防止措施：严格控制线能量、预热和焊后热处理等。6.6.2.3 再热裂纹（1）C-Mn和Mn-Si系热轧钢对再热裂纹不敏感，例如16Mn；（2）正火钢中有一些含有强碳化物形成元素，但实践证明它对再热裂纹不敏感，例如15MnVN；（3）正火+回火钢

20、，如18MnMoNb、14MnMoV则有轻微的再热裂纹敏感性，可提高预热温度和焊后立即后热来防止再热裂纹的产生。6.6.2.4 层状撕裂层状撕裂的产生不受钢种和强度的限制，它主要发生于厚板结构中（在热影响区或远离热影响区的母材中）。在低碳钢、热轧、正火钢中都可能发生层状撕裂。一般板厚小于16mm时就不容易发生层状撕裂。一般认为Z向收缩率20，钢材就可以避免层状撕裂。合理选用层状撕裂敏感性较低的钢材(如Z向钢)，改善接头形式以及降低钢板Z向所承受应力应变，在满足产品使用要求前提下选用强度级别较低的焊接材料或预堆低强焊缝，采用预热及降氢等措施，都有利于防止层状撕裂。6.6.3 焊接接头的脆化焊接热

21、轧钢和正火钢时，存在过热区脆化问题，此外，在一些合金元素含量低的钢中，有时还会出现热应变脆化问题。（1）过热区的脆化奥氏体严重长大魏氏体、粗大马氏体、混合组织、MA组元， 难熔质点的溶入。热轧钢焊接线能量过大：导致冷速过慢，过热区将因晶粒长大或出现魏氏组织等而使韧性降低；焊接线能量过小：由于过热区组织中马氏体比例增大而使韧性降低，这在含碳量偏高时较明显。正火钢对含V、Nb的正火钢焊接时线能量过大：会导致过热区沉淀相固溶，这时V、Nb的碳、氮化合物细化晶粒、抑制奥氏体长大的作用大大削弱，过热区奥氏体晶粒显著长大，冷却过程中可能产生一系列不利的组织转变，如魏氏体、粗大的马氏体、塑性很低的混合组织（

22、铁素体、高碳马氏体和贝氏体）和M-A组元，再加上过热区金属碳、氮固溶量的增加，导致过热区韧性降低和时效敏感性增加。含钛正火钢(Ti含量约O.22)线能量过大时：过热区的TiN、TiC都向奥氏体内溶入。由于钛的扩散能力低，在随后的冷却过程中，即使大线能量条件下也来不及析出而停留在铁素体中，显著提高了铁素体的显微硬度，降低了材料的冲击韧性。 预防措施：采用小线能量，抑制TiN、TiC向奥氏体内溶入，即便生成马氏体，也由于一部分TiC来不及溶入奥氏体而得到韧性较好的低碳马氏体。（2）热应变脆化产生区域：焊接过程中，在热和应变同时作用，熔合区及200-400区发生脆化。产生原因：一般认为这种脆化是由于

23、碳、氮原子聚集在位错周围，对位错造成钉扎作用所造成的。发生材质：固溶氮含量较高的低碳钢和强度级别不高的低合金钢中。如造船中常用的16Mn、16MnC(热轧钢)就具有一定的热应变脆化倾向。 钢中如果加入足够量的氮化物形成元素(如A1、Ti、V等)脆化倾向就显著减弱。消除措施：焊后消除应力退火6.6.4 焊接工艺特点热轧钢和正火钢进行焊接时，对焊接方法没有特殊要求，只对焊接材料的选择和工艺参数的确定进行讨论。6.6.4.1 焊接材料的选择选择焊接材料的目的是使焊缝无缺陷和满足焊接接头的使用性能。（1）选择相应强度级别的焊接材料（2）考虑熔合比和冷却速度的影响（3）必须考虑焊后热处理对焊缝力学性能的

24、影响（4）满足焊缝对特殊性能的要求6.6.4.2 焊接工艺参数的确定（1）E焊接线能量的确定主要决定于过热区的脆化和冷裂两个因素。各类钢的脆化倾向和冷裂倾向不同，所以对线能量的要求也不同。（2）预热焊接时进行预热的目的是防止裂纹和适当地改善焊接接头性能。预热温度的确定较复杂，它与以下多种因素有关：材料的成分冷却速度结构的拘束度含氢量焊后热处理（3）焊后热处理热扎正火钢一般焊后不需要热处理，但对于抗应力腐蚀的焊接结构、低温下使用的焊接结构及厚壁高压容器，焊后需要消除应力的高温回火。原则：不要超过母材原来的回火温度，以免影响母材本身的性能；回火避开脆性温度区间。6.7 低碳调质钢的焊接6.7.1

25、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、HT60HT80、HY80HY130。6.7.2 焊接性分析低碳调质钢焊接时，主要存在过热区脆化问题。和正火钢不同的地方是，低碳钢调质钢除了过热区脆化还存在HAZ软化问题。6.7.2.1 热裂纹低碳调质钢中S、P杂质控制严，含C量低，而含锰量和Mn/S

26、i比较高，所以热裂倾向很小。对一些高Ni低Mn型低合金高强调质钢（HY80），焊缝中的含Mn量可通过焊接材料加以调整，焊接热裂纹不会产生。6.7.2.2 热影响区的液化裂纹液化裂纹主要发生在高Ni低Mn的低合金高强钢中。这是因为含Mn量低，对脱S不利，焊缝金属中的S和Ni、Fe形成低熔点共晶，低熔点共晶处于晶界上而产生液化裂纹。液化裂纹产生倾向与含C量及Mn/S比有关，含C量越高，要求Mn/S也较高。因此，避免液化裂纹的关键在于控制C和S含量,保证高数值的W(Mn)W(S)。此外，焊接线能量越大，金属晶粒长得越大，晶界熔化得越严重，液态晶间层存在的时间越长，液化裂纹产生的倾向越大。6.7.2.

27、3 冷裂纹低碳调质钢是通过加入提高淬透性的合金元素，保证获得强度高、塑性和韧性好的低碳马氏体和部分下贝氏体。由于淬透性增加，使得CCT曲线大大右移，除非冷却速度很缓慢，高温转变一般不会发生。但是，这类钢马氏体含碳量很低，马氏体开始转变温度Ms较高，在该温度下以较慢的速度冷却，形成的马氏体还能来得及进行一次“自回火”处理，所以实际上冷裂倾向并不大。若马氏体转变时冷却速度较快，得不到“自回火”效果，冷裂倾向就会增大。只要焊接工艺合适，也不会产生冷裂纹。6.7.2.4 再热裂纹从合金系统来说，为加强其淬透性和提高抗回火性能，加入的合金元素Cr、Mo、V、Ti、Nb、B等，大多数都能引起再热裂纹。其中

28、V的影响最大，Mo的影响次之。一般认为，Mo-V钢、Cr-Mo-V钢对再热裂纹较敏感；Cr-Mo钢、Mo-B钢有一定的再热裂纹倾向，焊接时都应该注意再热裂纹问题。6.7.2.5 层状撕裂 低碳调质钢的生产控制较严，其杂质含量低，纯净度高，层状撕裂的敏感性低，到目前尚来见这方面报导。6.7.2.6 过热区脆化调质钢过热区脆化的原因和热轧钢、正火钢的不同。热轧钢和调质钢的主要和焊接线能量E有关，而调质钢的和冷却时间t8/5有关。 低碳调质钢的合金化是通过合金元素的作用提高其淬透性，保证获得高强度、高塑性和韧性的低碳马氏体和下贝氏体。凡是不利形成低碳马氏体+下贝氏的原因都会引起组织塑性和韧性下降脆化

29、，如由于过热造成奥氏体晶粒粗化引起的脆化；形成上贝氏体引起的脆化；由于合金化程度增加提高了奥氏体的稳定性，在贝氏体中的铁素体之间形成M-A组元引起的脆化等。每种调质钢都有一个最佳冷却时间t8/5，这时粗晶区的组织为“低碳马氏体+10-30%下贝氏体”，韧性最好，见图6-17。t8/5小（冷速快），韧性下降是由于得到了全部马氏体；t8/5大（冷速慢），韧性下降原因有两个，一是奥氏体晶粒粗化，二是出现了上贝氏体和M-A组元，而上贝氏体和M-A组元是导致脆化的主要原因。 6.7.2.7 HAZ软化焊后在HAZ某一部位的强度低于焊前的原始状态，它是调质钢焊接时普遍存在的一个问题，发生在HAZ受热时没有

30、完全奥氏体化的区域以及受热时最高温度低于AC1而高于钢调质处理时回火温度的那个区域。HAZ软化的情况和母材的强度、母材的热处理状态、选用的焊接方法、采用的焊接工艺有关。母材的强度越高，软化越显著；母材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，比如气焊的就宽；焊接E越大、预热温度过高，都会使软化程度加重。6.7.3 焊接工艺特点为了保证焊接接头的性能，制定低碳调质钢焊接工艺的主要依据：一是要求在马氏体转变时冷速不能太快，以免产生冷裂；二是要求在800500之间的冷却速度大于产生脆性混合组织的临界温度。至于热影响区的软化问题，在采用小线能量的焊接后就可基本解决。针对上面两个

31、基本要求，可以采取下列措施防止冷裂和过热区脆化：采用热源集中的焊接方法焊接材料原则上按等强度原则，但结构刚度大时用低匹配原则，以保证塑韧性。焊接线能量Ec的上限应避免产生冷裂纹，下限要避免使HAZ出现脆性混合组织。预热焊后热处理6.8 中碳调质钢的焊接6.8.1 成分和一般性能中碳调质钢的含碳量比较高（一般0.25-0.45%），而且加入了多种合金元素（Cr、Ni、Mn、Mo、Si等）来保证淬透性和提高抗回火性。中碳调质钢的S高达880-1176N/mm2，它的硬度也高，适合作火箭外壳和装甲钢。由于淬透性很大，所以焊接性比较差，焊接工艺复杂，焊后必须通过调质处理才能保证接头的性能。6.8.2

32、焊接性分析（1）热裂倾向CS、P偏析热裂倾向C多，合金多TB（液固相区间）热裂（2）冷裂敏感性C淬硬倾向HAZ容易形成大量硬脆高碳马氏体冷裂Ceq大淬硬倾向大冷裂敏感焊接时，T0+Tp（焊后及时进行回火处理）（3）HAZ性能过热区脆化中碳调质钢的过热区会形成大量脆硬的高碳马氏体，所以过热区会严重脆化。冷却速度越大，生成的高碳马氏体越多，脆化也就越严重。HAZ软化这类钢在退火状态下进行焊接时， HAZ不存在软化问题；若调质状态下焊接时， HAZ内将出现软化区，若焊后不再调质处理，该软化区可能成为接头的薄弱区。6.8.3 焊接工艺特点指导思想是：防止裂纹、过热区脆化和HAZ软化。具体焊接工艺可以分

33、两种情况进行考虑：（1）钢在退火态下焊接，焊后通过调质获得所要求的性能这种工艺比较合理，焊接时只要考虑不出现裂纹就可以。焊接方法 没有要求焊接材料主要合金组成应该和母材的尽量接近。工艺参数选择（2）钢在调质态下焊接除裂纹外，还需要解决过热区脆化和HAZ软化问题。焊接方法焊接材料焊接线能量预热、焊后及时回火处理焊接操作6.9 珠光体耐热钢的焊接6.9.1 铬-钼耐热钢的焊接特点珠光体耐热钢的焊接性和低碳调质钢的很相似，主要问题是HAZ的硬化、冷裂纹、软化以及焊后热处理或长期高温下使用中的再热裂纹倾向。（1）焊接接头产生冷裂纹珠光体耐热钢焊接过程中最常见的焊接缺陷之一就是在热影响区的粗晶区产生冷裂

34、纹，在实际生产中，为了防止冷裂纹的出现，一般都采用焊前预热、控制层间温度、焊后去氢处理、改善组织状态以及减小和消除应力等处理方法。（2）焊缝中产生热裂纹在实际生产中应用的珠光体耐热钢，很少在热影响区产生热裂纹，而多数在焊缝中产生，特别是弧坑处。（3）热影响区的再热裂纹这类钢中加入少量的合金元素Cr、Mo、V、Ti、Nb等，它们都是强烈碳化物形成元素，会增加钢的再热裂纹敏感性。再热裂纹的产生部位一般都在工件较厚的地方。（4）回火脆化现象Cr-Mn钢产生回火脆化的主要原因是由于在回火脆化温度范围内长期加热后，杂质元素P、As、Sn和Sb等在晶界上偏析而引起的晶界脆化现象，此外与促进回火脆化元素Mn

35、和Si也有定关系。因此，对基休金属来说，严格控制有害杂质元素的含量，同时降低Mn和Si含量是解决脆化的有效措施。对于焊缝金属，国内外一致认为必须严格控制P和硅的含量。6.9.2焊接工艺特点（1）焊接方法（2）焊接材料的选择要求等成分，力求焊缝金属成分和机械性能与母材相匹配手弧焊时通常采用碱性低氢焊条在结构刚度大（比如焊补缺陷）而且焊后不能进行热处理时，也可采用成分不同的奥氏体焊条。（3）正确选用预热和焊后回火温度（4）从焊接工艺和操作上尽量降低焊接残余应力6.10 低温钢的焊接低温用钢主要是为了适应石油化工的需要而发展起来的一种专用钢。主要用于低温下工作的结构，如贮存和运输液化石油和液化天然气

36、的容器和管道，在严寒地区工作的一些工程结构等。在国外：-10-196为低温，-196-273为超低温；在国内：-40-196为低温，-196-273为超低温6.10.1 低温钢的性能要求和合金系列性能要求：低温下钢材塑韧性要好 屈强比接近（S/b1）合金系列：无镍系-中国，以锰代镍，国内镍缺乏，而锰很丰富 含镍系-国外（特别是前苏联，镍资源丰富）成分特点（无镍系低温钢）：含碳量很少（0.12%）含少量Mn、Ti、Nb、NMn-代Ni（控制S的有害影响，降低热裂倾向）Ti、Nb、N-形成弥散相，细化晶粒严格控制S、P、O加有少量Re（一般是镧和铈）6.10.2 焊接特点低温用钢由于含碳量低，其淬

37、硬倾向和冷裂倾向小，所以具有较好的焊接性。主要问题是焊接接头的低温脆化：焊缝脆化出现粗大柱状组织，HAZ脆化晶粒长大。6.10.3 焊接工艺特点 关键是保证焊缝和粗晶区的低温韧性，防止接头脆化：（1）焊接材料的选择焊接低温钢时，焊缝的韧性除与线能量有关外，最根本的是取决于焊缝成分的选择。与母材同质的焊缝金属，由于是粗大的铸造状组织，因此性能低于同成分的正火态的母材，故焊缝成分不能与母材一样。应针对不同类型低温钢选择不同的焊接材料。（2）焊接工艺E要小、采用多层焊)采用表面退火焊缝焊接低温用钢产品，应注意避免形成弧坑、未焊透及焊缝成形不良等焊接缺陷，并应及时修补缺陷焊后消除应力处理6.11 低合

38、金耐蚀钢的焊接低合金耐蚀钢主要分两类：含Al耐蚀钢：主要用于石油化工中耐硫和硫化物腐蚀，故称为耐石油腐蚀钢含Cu、P耐蚀钢：抗大气、海水腐蚀用钢这两类钢的屈服强度均为294392N/mm2：，组织上都属于F-P钢，一般在热轧或正火状态供货使用。6.11.1 含Al低合金耐蚀钢的焊接（1）适用环境石化工业要求抗硫和硫化氢腐蚀的环境。在这种腐蚀环境中，国外多用铬-钼耐蚀钢。在我们国家，缺铬少镍，所以结合自己的资源优势，研制了一系列含铝耐蚀钢。国内多用含铝耐蚀钢，含铝耐蚀钢抗硫化物腐蚀能力比铬钼钢的还要好。（2）成分特点Al（主要元素）+ Cr、Mo、W、V、Ti、Nb中的一种或几种Al它是含铝耐蚀

39、钢最主要的抗蚀元素。钢中的Al能形成坚固的表面氧化膜，保护金属不再继续氧化和受腐蚀。根据含Al量的多少和耐蚀性含铝耐蚀钢可分为三类： 第一类的含Al量不超过0.5，如09AlVTiCu可用于制造油罐，其抗石油腐蚀性能比碳钢好。 第二类的含Al量为1左右，如12AIMoV等钢的抗蚀性能比第一类好。 第三类的含Al量一般为23，同时还含有增强热强性的合金元素Cr、Mo、W、V、Ti、Nb中的一种或两种，主要是为了适应石油炼制加工中的高温高压下的抗硫及硫化物腐蚀性能的要求。如15A13MoWTi锅炉管的耐蚀性和抗氧化性都达到了Cr5Mo钢管水平。Cr、Mo、W、V、Ti、Nb可以形成稳定的碳化物，并

40、细化晶粒，可以提高钢的热强性。（3）焊接特点 焊接含Al低合金耐蚀钢时，淬硬倾向很小，焊前不需预热，焊后也不需热处理，主要应考虑焊缝金属的合金化和近缝区的“铁素体带”脆化两个问题。焊缝金属的合金化 特殊钢要求焊缝与母材等成分，所以焊缝中也应该含有铝。但是铝和氧的亲和力很大，不容易过渡，很难得到含Al的焊缝金属。近缝区“铁素体带”脆化 由于焊缝与母材的成分有很大的差别，焊后在熔合线靠近母材一侧可产生1-2个晶粒宽的粗大晶粒的“铁素体带”，在光镜下呈白色，所以俗称“白带”。白带区的晶粒十分粗大，同时铁素体晶粒内和晶界上还分布有细小的脆性相，使熔合区附近的塑性、韧性很低，室温下具有较高的缺口敏感性。

41、而且铁素体带一旦形成，焊后退火也不能消除，甚至还会加宽，所以“铁素体带”是整个焊接接头中的最薄弱环节，是焊接焊接含铝钢需要解决的主要问题。影响形成白带层的因素有以下几点：a. 母材含铝量b. 焊缝中碳化物形成元素的量c. 晶体结构的影响6.11.2 含Cu、P低合金耐蚀钢的焊接（1）适用环境抗大气、海水腐蚀（2）焊接特点不含P的普通含Cu低合金钢，P是杂质元素，在含Cu量不超过0.5，并严格限制P含量时，含碳量高达0.2仍具有较好的焊接性。对于含P低合金耐蚀钢，就存在焊接问题，主要是焊缝和熔合线附近的裂纹倾向大。因为P易偏析，促使形成结晶裂纹；P可使近缝区的硬度增加，增大冷裂纹的敏感性，同时降

42、低接头的塑性和韧性。这种裂纹倾向在含碳量高时更为严重，因为C促使P的偏析。为此，焊接时必须采取下列措施：严格控制含碳量，一般C0.12，并要求CP0.25。采用小线能量焊接，合理设计接头形式，并尽量避免在大拘束度条件下进行焊接，从而降低焊接应力。加入一些细化晶粒的合金元素，使偏析层减薄。 焊缝金属可以用P来合金化（如J507CuP），也可以用Ni-Cr-Cu或Ni-Cu来合金化（如J507CrNi）。6.12 不锈钢和耐热钢不锈钢和耐热钢按照空冷后的室温组织可分为：马氏体钢、铁素体钢和奥氏体钢。在这些钢中，奥氏体钢相对应用得最广。6.13 奥氏体钢的焊接奥氏体钢由高温冷却下来时不发生任何组织变

43、化，直到室温或更低的温度下仍保持奥氏体组织。显微组织：奥氏体 一般属于耐蚀钢成分：高铬不锈钢+适量的Ni 825%典型钢种：18-8钢 0Cr18Ni9 1Cr18Ni9Ti25-20钢 2Cr25Ni20Si2 4Cr25Ni2025-35钢 0Cr21Ni32 4Cr25Ni35 4Cr25Ni35Nb6.13.1 焊接性分析奥氏体钢焊接的主要问题是：接头的耐蚀性、接头的热裂纹、有时也出现接头的热强性和再热裂纹问题等，其中主要是腐蚀和热裂问题。6.13.2 接头的耐蚀性奥氏体不锈钢接头在腐蚀介质中的腐蚀形式除整体均匀腐蚀外，还有晶间腐蚀、应力腐蚀开裂、点蚀等，它们都是局部腐蚀，比均匀腐蚀的

44、危害大的多，尤其是晶间腐蚀和应力腐蚀开裂。6.13.2.1 晶间腐蚀18-8奥氏体不锈钢在使用温度处于450850或再次加热到450850之间并停留一段时间，就会发生晶间腐蚀，这种热处理称为“敏化处理”，而在450850的温度范围称敏化温度区。（1）不锈钢的晶间腐蚀现象和产生机理对于18-8钢，一般认为是由于碳化铬在晶界沉淀造成晶界贫铬引起的。铬是决定不锈钢耐蚀性的决定元素，但是含量只有超过12%才能使钢处于耐腐蚀的钝态。由于18-8钢固溶处理态下，奥氏体一定是碳过饱和，所以呈不稳定状态。如果固溶态的不锈钢在450-850C使用或加热时，超过溶解度的C向晶界扩散，并与铬形成铬的碳化物Cr23C

45、6 在晶界沉淀，由于铬在奥氏体中扩散速度慢，晶粒内部的铬不能及时补充到晶界，就造成晶界贫铬。当贫化区的铬降至钝化所需的极限含量12%以下时，电极电位急剧下降。这样在腐蚀介质中，晶界和晶内产生电极电位差形成电化学腐蚀， 贫化区的晶界成为阳极，在腐蚀介质的作用下产生晶界腐蚀。（2）影响因素温度、时间化学成分相结构的影响（3）焊接接头的晶间腐蚀区及其控制措施18-8型不锈钢焊接接头可以有三个部位出现晶间腐蚀现象（图6-20）：焊缝区腐蚀、HAZ敏化区腐蚀、过热区腐蚀（刀状腐蚀）。但是在同一个接头并不能同时看到这三种晶间腐蚀区，出现敏化区腐蚀就不会出现刀口腐蚀，反过来出现刀口腐蚀就不会出现敏化区腐蚀，

46、具体出现哪种决定于钢的成分。 焊缝区腐蚀焊缝区腐蚀主要和焊接材料有关，当然和焊接工艺也有关系。为防止焊缝区发生晶间腐蚀，可采用如下措施：冶金措施：a、焊缝金属超低碳，或含有足够的稳定化元素铌b、调整焊缝化学成分获得一定数量的铁素体(412，5%时最优)。工艺措施：a、选用适当的焊接方法，使它输入焊接熔池的热量最小，让焊接接头尽可能地缩短在敏化温度区段下停留时间。b、工艺参数方面，用小的焊接电流，最快的焊接速度c、操作方面，尽量采用窄焊缝，多道多层焊，每一道焊缝或每一层焊缝焊后，要等焊接处冷却到室温再进行次一道或次一层焊d、 焊接区快速冷却，焊缝被面可用纯铜垫e、 固溶处理：T1050-1150

47、，使Cr23C6分解固溶。淬火冷却，消除贫铬层f、 稳定化退火处理：T850-9002h，使Cr23C6充分析出，Cr也扩散均匀，消除贫铬层。敏化区腐蚀是指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，只是和恒温加热不同，由于焊接是一个快速连续加热的过程，所以有一个过热度，敏化区温度范围不是450-850，而是600-1000。只有普通的18-8钢才会有敏化区，含有钛、铌的奥氏体不锈钢、含有一定数量铁素体的双相不锈钢、以至超低碳的奥氏体不锈钢母材，不易有敏化区出现。为防止敏化区腐蚀，一般倾向采用含钛或、铌或低碳18-8钢，比如1Cr18Ni9Ti,也可以采用超低碳不锈钢00Cr18

48、Ni11；焊接工艺上选用较低线能量、快速冷却的工艺措施等有利于防止热影响区敏化区晶间腐蚀，所采用的焊接工艺应能尽量减少HAZ处于敏化温度的时间，如强制水冷；采用固溶处理或稳定化退火。刀状腐蚀在熔合区产生的晶间腐蚀，有如刀削切口的形式，故称刀状腐蚀。腐蚀区的宽度初期不超过35个晶粒，逐步扩展到1.01.5mm发生材质：含有铌、钛的18-8钢的过热区产生原因：加入钛的18-8型不锈钢材料，固溶处理态（供货态）时，钢中只有很少量的碳和钛溶入固溶体，其余大部分碳和钛结合成游离的TiC。焊接时，这种钢的焊接接头的过热区内，加热温度超过1200的部位，NbC或TiC将全部或大部固态溶解于奥氏体晶粒内。冷却时，体积小且活泼的碳原子向奥氏体晶界扩散并聚集于此，而Ti来不及扩散留在晶内。这种状态如果再经历6001000中温敏化加热，就会在晶界产生Cr23C6沉淀，造成该区晶粒边界的贫铬。在一定腐蚀介质作用下，将从表面开始产生晶间腐蚀，直至形成刀切状腐蚀破坏。形成刀蚀的必要条件是高温过热和中温敏化。不含钛或不含铌的18-8钢不应有刀蚀发生，