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合金结构钢的焊接 2007-01-22 16:53:17作者：jql来源：浏览次数：201网友评论0条文字大小：【大】【中】【小】 评分等级：0 来源：中国焊接资源网(/)作者：jql原文：合金结构钢的焊接 (/skill/html/content_1783.htm)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。包括：强度用钢（热扎正火钢、低碳调质钢、中碳调质钢）和专用钢应用范围：机械零件、工程机械、交通运输工具、桥梁、建筑结构、管道等新发展：微合金控扎钢 焊接无裂纹钢抗层状撕裂钢焊接大线能量第二节 热扎正火钢的焊接一、热扎正火钢典型钢种成分及性能1.热扎钢：S 294343Mpa成分：含C量较低的C-Mn，Mn-Si系列，通过固溶强化获得高强度、或在特殊状态下以V、Nb代替部分Mn，以达到细化晶粒和沉淀强化的作用典型钢种：16Mn 组织：细晶铁素体+珠光体特例：15MnV V细化晶粒和沉淀强化2.正火钢：固溶强化基础上，通过细化晶粒和沉淀强化提高强度保证韧性的低合金高强钢S 343490 Mpa成分：C-Mn，Mn-Si系列基础上加入一些碳化物和氮化物的形成元素V、Nb、Ti、Mo等正火的目的：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分类：1)正火状态下使用的钢除15MnTi外，一般加入V、Nb。此外15MnVN、美国的737C、德国的FG39加入N形成Mn-V-N系列钢2)正火+回火状态下使用的含Mo钢成分：Mn-Mo系例如：A302B Mn-1/2Mo 含Mo钢在较高的正火温度和较大的冷却速度下得到的组织是上贝氏体和少量的铁素体为改善低温韧性形成Mn-NiMo系18 MnMoNb Mn-Mo系基础上加Nb3.热扎正火钢的发展：微合金控轧钢是热扎及正火钢中的一个重要分支。它采用了微合金化(加入微量Nb、V、Ti等)和控制轧制等新技术来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、改变夹杂物形态、提高钢的纯净度等措施，使钢具有均匀的细晶粒铁素体基体。因此这类钢在轧制状态下就具有相当于或优于正火钢的质量。焊接无裂纹钢实质是含碳量很低的微合金化正火钢。Z向钢是在某一等级结构钢(称为母级钢)的基础上经过特殊冶炼、镇静处理和适当热处理的钢材，是343正火钢。由于在冶炼中采用钙或稀土处理以及真空除气等特殊措施，Z向钢具有低S、低气体含量和高的Z向(即厚度方向)断面收缩率等特点。二、热扎正火钢的焊接性分析（一） 焊缝中的热裂纹1）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。3）硫对形成热裂纹起直接作用，钢中的C、Si、Ni促进有害作用，Mn抵消有害作用。经 验：1）含C量0.12 Mn/S不应低于102）含C量0.16 Mn/S应大于40典型钢种：16Mn 成分：C 0.120.2 S 0.05 Mn 1.2 1.6 Mn/S 32 问：是否可能产生热裂纹？解 决 办 法：1）从焊接材料上（选用含碳低含锰高的焊接材料）例：可用低碳钢焊丝H03MnTi含C量0.03 Mn1.5 Ti微量焊剂SiO230.28 MnO 33.432）从工艺上设法减少熔合比来调整焊缝成分以减少由母材进入焊缝的C量，焊速不宜过大，避免形成雨滴状熔池。可以减少中心裂纹。采用引弧板和熄弧板，将质量差和容易产生热裂纹的起焊点及弧坑引到正式焊缝之外，从而减少焊缝中的裂纹。降低焊接接头的刚性拘束条件，选择合理的焊接顺序，以减少焊接应力。（二）冷 裂 纹1 、淬硬倾向与冷裂倾向的关系1）热轧钢含c量不高，但含有少量的合金元素，这类钢的淬硬倾向比低碳钢的淬硬倾向大，并且随着钢材强度级别的提高淬硬倾向逐渐增大。以16Mn和低碳钢为例分析淬硬倾向与冷裂倾向的关系。16Mn钢在快速冷却时(厚板手工电弧焊时的冷却速度)铁素体析出后，剩余的富碳奥氏体来不及转变为珠光体而转变成高碳马氏体和贝氏体。从16Mn和低碳钢的CCT曲线估计，焊接16Mn时会出现少量铁素体、贝氏体和大量马氏体；焊接低碳钢时会出现大量铁素体，少量珠光体和贝氏体，更少量的马氏体。2）正火钢的强度级别较高，合金元素含量较多，高温转变区较稳定，焊接冷却下来很易得到贝氏体和马氏体。因此，其冷裂纹倾向随着强度级别的提高而增大。例：比较15MnVN和18MnMoNb15MnVN冷速慢 F+P 、中 F+B 、快M18MnMoNb冷速慢F+B、中 B、快 M2、碳当量与冷裂纹倾向的关系冷裂倾向 淬硬倾向 化学成分碳的作用因此，可以通过一些经验性的碳当量公式来粗略地估计不同钢材的冷裂倾向。以CE为例，一些技术条件中规定了最高CE值有时还同时规定了含碳量，如规定CE0.40，W(C)0.12。但对含碳量低的钢材，允许CE值更高些(如W(c)0.08的钢材，允许CE0.50) 1）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。2）当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。3、热影响区的最高硬度值与冷裂倾向关系 为了避免产生对冷裂敏感的淬硬组织，可将热影响区的最高硬度控制在某一刚好不出现冷裂纹的临界值；反过来也可根据测得的热影响区的最高硬度值来判断材料的冷裂倾向和确定预热温度。（三）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。（四）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（在热影响区甚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。如大型船舶、海上平台中某些结构的截面厚度较大，结构上又存在较多的T型、十字型接头，构件厚度方向(Z向)承受较大拉伸应力。在这种情况下，只要钢中存在片状硫化物与层状硅酸盐或大量成片地密集于同一平面内的氧化铝夹杂物，就有可能导致Z向塑性降低，沿钢材轧制方向发生阶梯状的层状撕裂。一般板层小于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。如日本经验，HT50钢的Z向收缩20即使在严酷的拘束条件下也可避免层状撕裂；英国在制造北海平台时，经验与此一致。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。（五）热影响区的性能变化1过热区脆化焊接接头被加热到1200至熔点以下的区域，由于温度高发生了奥氏体晶粒的显著长大和一些难熔质点(如氮化物或碳化物)的溶入。溶入的难熔质点在冷却过程中，来不及析出会使材料变脆；过热粗大的奥氏体冷却下来会转变成魏氏体、粗大的马氏体及塑性很低的铁素体、高碳马氏体和贝氏体的混合组织和M-A组元，因此过热区的性能变化取决于在高温的停留时间、影响冷却速度的焊接线能量和钢材的类型及合金系列。不同种类的钢合金化机理和强化途径不同，引起过热区脆化的原因也不同。1）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。过热区性能的脆化不仅取决于影响高温停留时间和冷却速度的焊接线能量，也与钢材化学成分有关，如图所示。以COD值表示断裂韧性的大小。0.17C-1.1Mn钢(属于热轧钢)O时，没有出现脆性，在试验温度降低(-40)时，因受线能量影响而表现出韧性下降。2）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（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。0.15C-1.4Mn-Nb钢(属于正火钢) 含Nb钢最佳韧性的线能量范围很窄，而C-Mn钢的较宽。这说明正火钢的过热敏感性较热轧钢大。3）焊接含钛正火钢(Ti含量约O.22) 线能量过大时：过热区的TiN、TiC都向奥氏体内熔入。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。这就是为什么近代研究的大线能量钢中的含钛量都限制得很低(约0.02)。 预防措施：采用小线能量2、 热应变脆化 产生区域：热影响区中发生过塑性变形同时受热温度在ACl以下、尤其最高加热温度在200-400的区间。 产生原因：一般认为这种脆化是由于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。如含A1的HT50钢(正火钢)热应变脆化倾向比普通HT50钢低得多。消除措施：焊后消除应力退火经验得出：16Mn焊后经600、1h的退火处理，韧性有很大提高。三、热扎正火钢的焊接工艺特点热轧和正火钢对焊接方法无特殊要求，常用的焊接方法如手工电弧焊、埋弧焊、气体保护焊和电渣焊都可选用。方法的选取主要根据材料的厚度、产品结构和具体施工条件来确定。(一）焊接材料的选择1选择相应强度级别的焊接材料 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。热扎正火钢焊接时热、冷裂倾向不大。选择焊接材料应考虑选择与母材机械性能相等强度级别的焊接材料，在没有特殊要的前提下，一般不考虑焊接材料的化学成分、如果选择与母材化学成分相同的焊接材料，由于焊接时冷却速度很大，将使焊缝金属具有特殊的过饱和铸态组织，焊缝金属的性能表现为强度很高，而塑性、韧性很低，这对焊接接头的抗裂性能和使用性能是不利的。焊缝含碳量一般要求0.14。其它合金元素低于母材含量例如：焊接15MnTi、15MnV相同的C=0.120.18 Mn =1.21.6 Si=0.20.615MnTi 中Ti=0.120.20 15MnV中 V =0.040.16 529 Mpa用焊条J557成分C0.12 Mn1.2 Si=0.5 不含Ti、V549608 Mpa C低，Mn 低于母材，同时具有很高的塑性和韧性2.考虑熔合比和冷却速度的影响焊缝金属的机械性能主要取决于其化学成分和组织的过饱和度。焊缝金属的化学成分不仅取决于焊接材料的成分，而且与熔合比(与母材的熔入量有关)有很大关系。焊缝金属组织的过饱和程度则与冷却速度有很大关系。3.必须考虑焊后热处理对焊缝力学性能的影响一般消除应力退火对强度影响不大，但对焊缝强度富裕量不大时，消除应力退火后有可能使焊缝金属的强度低于要求。例如焊接大坡口的15MnV厚板，焊后需进行热处理时，必须选用咖H08Mn2Si焊丝，若选用H10Mn2焊丝，焊缝金属的强度会偏低。(二）焊接工艺参数的确定1.焊接线能量 焊接线能量的确定主要取决于过热区的脆化和冷裂两个因素。因为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。当焊接含C量很低的一些热轧钢，如09Mn2、09Mn2Si及含C量偏于下限的16Mn时，对线能量没有严格要求。因为这类钢的过热敏感性和淬硬倾向都不大，所以焊接线能量大些或小些都可以。但从提高过热区塑性及韧性出发，线能量偏小些较为有利。当焊接含C量偏高的16Mn钢时，由于淬硬倾向大，所以在这种清况下线能量应偏大些。对于强度级别较高的正火钢如15MnTi、15MnVN来说，为了避免由于沉淀相的溶入以及晶粒的过热所引起的脆化，线能量应选得偏小些。对于强度级别更高、含碳量和合金元素量含较高的正火钢(如18MnMoNb)来说，淬硬倾向增加，容易产生延迟裂纹，所以焊接时应选大一些的线能量，或选较小些的线能量，而配合适当的预热，既能避免裂纹，又能防止晶粒的过热。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：1）材料的成分(决定材料的淬硬倾向)，CE0.4%基本上没有淬硬倾向，不必预热2）冷却速度(取决于环境温度、板厚、焊接线能量、焊接方法等)，3）结构的拘束度，拘束度增加，预热温度要求提高4）含