第二章 合金结构钢的焊接.doc

第三章 合金结构钢的焊接3-1 合金结构钢的分类 科技的发展对工程结构和机械零件用钢的性能提出高要求，碳素结构钢不能满足。 碳素结构钢+合金元素（改善材料的性能）合金结构钢 分类：强度用钢、特殊用钢一、强度用钢（高强钢）s294N/mm2，大量用于常温工作的受力结构如压力容器、动力设备、工程机械、桥梁、建筑、管道等。1. 热轧（热轧态）及正火钢（正火态使用）294343为热轧钢 s=294490N/mm2（低合金、非热处理强化）。 微合金化控轧钢： CF钢s343N/mm2 Wc,（正火钢）微合金化钢Z向钢板、s343N/mm2，钙处理，真空降气，Ws大大降低 2. 低碳调质钢 s441980N/mm2热处理强化 Wc0.025%,韧性 可用调质态焊，焊后不须调质处理，必要时去应力处理。 s=441-490N/mm2，分调质与非调质二类。正火（正火+回火）钢，合金元素沉淀强化，细化晶粒，,韧性但WM,韧性正火钢s490N/mm2左右。 同一强度等水平，所需WM0.3%，淬硬性增大，韧性降低。退火态焊接，整体热处理，结构自重（飞机起落架、火箭壳体）二、特殊用钢 1.珠光体耐热钢 具较好的高温强度和高温抗氧化性。 T工作=500600高温设备，（热动力设备、化工设备） Cr、Mo为基的低、中合金钢，T工作越高，V，W，Nb，B等。 焊后不进行调质处理，焊后主要进行高温回火处理。 2.低温钢 必须保证足够高的低温韧性，强度无特殊要求。 T工作=-40-196，（低温装置），严寒地区的工程结构（桥梁）。 液化石油（），液化天燃气（-162）。 含Ni的低碳合金钢，正火或调质态使用。 3.低合金耐蚀钢 必须具有耐腐蚀性能 + 一般力学性能 用于大气、海洋（用得最广）、石油等腐蚀介质中工作的各类机械设备、结构。3-2 热轧及正火钢的焊接一、成分和性能1.热轧钢：s=294343N/mm2基本上属于C-Mn和Mn-Si系钢种有用V、Nb代替Mn，细化晶粒，沉淀强化（综合机械性能、工艺性能满意）。 例如：16Mn，WSi0.6% 否则韧性降低。 WC0.3% WMn1%时裂纹，出现脆性贝氏体。 因此为保证好焊接性与缺口韧性，W合金受限，s受限。 沉淀强化类钢：15MnV，s达392N/mm216Mn+V（0.040.12%）VC弥散强化、正火态、韧性改善。2. 正火钢：s=343490N/mm2 C-Mn，Mn-Si系基础上加V，Nb，Ti，Mo等（C化物，N化物生成元素） 在固液强化基础上，通过沉淀强化和细化晶粒来b，保证韧性。 含Mo钢必须正火 + 回火才能保证塑性、韧性。 1）正火状态不使用的钢 除外，主要是含，对材料焊接性和韧性有利。 屈强比高：之内，15MnV，15MnVN，s14MnNb桥梁钢 2）正火 + 回火态使用的含钢 Mn-Mo系在美国用得广大，制造中温的大厚度压力容器。 强度提高，组织细化，中温性能 正火后组织为B上+少量F，必须回火保证，Ak；Mo、Ni都能钢的热强性。 3）微合金化控轧钢（70年代发展起来新钢种） 加入微量Ni，V，Ti和控扎技术。（控轧钢） 细化晶粒与沉淀强化相结合，纯净度，钢材具均匀的细晶粒等轴铁素体的基体。（综合性能好） Ni，Cr，Cu，Mo降低F转变温度，有利于低温及F转变。二、热轧及正火钢的焊接性分析 焊接性主要取决于钢材的化学成分。 前面讲过金属的焊接性通常表现为： （1）焊接引起各类治金缺陷各类裂纹； （2）焊接时材料性能的变化脆化问题。 1. 焊缝中的热裂纹 Wc降低，WMn提高，Mn/S比达要求，抗裂热性好，正常不裂。当材料成分不合格，严重偏析使局部Wc降低，Ws增大，Mn/S可能低于要求出现热裂纹。 解决办法：通过焊材来调整焊缝金属的成分。降低降低Wc，增加WMn，工艺上设法减小熔合比。 H03MnTi+含SiO2，焊剂SJ101，含Mn量增加 H08Mn2Si H08MnE 2. 冷裂纹 分析问题的出发点：钢材化学成分、淬硬倾向与冷裂倾向三者间存在着密切的联系。 1）淬硬倾向与冷裂倾向的关系： 材料的冷裂敏感性主要取决于它的淬硬倾向，该倾向用TTT或CCT曲线来讨论。 CCT：更适于研究焊接，Sh-CCT（模拟HAZ连续冷却曲线）更佳。可定量分析 TTT：定性分析与比较，比CCT左移，其淬火临界冷却速度比CCT大1.5倍，后者右移，增加过冷A稳定性。a. 热轧钢的淬硬倾向与冷裂倾向。 分析图8-1（307），与低碳钢比较，其淬硬倾向大。马氏体含量大。（厚板手工电弧焊上的HAZ组织态）V冷不大时，两者相近。 b. 正火钢的淬硬倾向与冷裂倾向。 强调一下：一般随强度的提高，冷裂倾向增大（WM增加），分析图8-2（P309） 15MnVN，18MnMoNb2）碳当量与冷裂倾向的关系 淬硬倾向主要取决于材料的化学成分，Wc作用最明显，冷裂倾向与成分、冷却速度、含氢量、拘束度等有关。 经验性的C当量公式粗略估计与对比不同钢材的冷裂倾向。 适于Wc较高，大于0.08%,b=400700MPa钢材 （国际焊接学会） 日本用 低钢材 一般最高等，超低碳钢 （合金元素的裂纹敏感系数） 应用该公式有各自的局限性，由实验来检验。 一般认为，焊接无淬硬倾向，焊接性良好，与低碳钢几乎相同。 ，淬硬性，工艺措施严格（严控线能量），预热，Postheat。 3）热影响区最高硬度值与冷裂倾向的关系（不太适用） 亦是评定淬硬倾向的一简单方法。 淬硬组织：规定Hmax时，要考虑钢材的级别来定，（级别） 表8-2（P310）不可靠，只作参考。 4）H没考虑3. 再热裂纹（含Mo才有）Mo，V，Nb含沉淀化元素。（一次溶入沉淀；二次加热沉淀强化晶内） 从钢材的化学成分考虑，在C=Mn与Mn-Si系热轧钢对再热裂纹不敏感（无强C化物形成元素，而正火钢18MNMoNb有些）如有再热裂纹，可提高预热温度或Postheat，正火钢与合金系统有大关系。（15MnVN不敏感） 4. 层状撕裂 a. 影响因素（不受级别限制） 1）Z向拘束力（与板厚有关，不易产生） 2）钢材本身（取决于冶炼条件、夹杂物，片状S化物等）。 COD：Crack Opering Rsptacemert裂纹张开位移 临界条件= b.评定敏感性指标 1）碳的含量； 2）Z向断面收缩率抗层状撕裂； 一般冶炼条件下生产的热轧和正火钢都达不到要求。 5. 热影响区的性能变化 对于焊接热轧和正火钢时，主要性能变化为：过热区的脆化问题与热应变脆化问题。a. 过热区脆化取决于1）焊接线能量（影响V冷，高温停留时间）温度高于1200熔点，A晶粒长大，难熔质点溶入（N、C化物）魏氏体、粗大马氏体、低塑性组织、M-A组元2）钢材类型、合金系列影响 例如：JF ： （1），马氏体比例，韧性，A晶粒严重长大，晶界F、侧板条F、类似P的F-中间相C化物（混合物）V冷降低，B、F+M-A数量增加，韧性降低 （2）成分（C明显） （-40无高韧性区）如要求高避免使用Wc高类别）。 比不含的钢低得多，沉淀有关，粗晶粒反条件下生成。 如图8-5，P315大线能用钢中的限制很低！ 见图8-6（b），采用小线能量是避免过热区脆化的可靠措施。 原因：高温停留时间，抑制难熔的向A熔入，产生低C马氏体（无脆化） 可用大线能量+8001100正火处理系热轧钢，固熔强化。正火钢，固溶强化+沉淀强化。 b.热应变脆化 消除的有效措施：焊后热处理，（可恢复到原来的韧性水平）（消除应力退火） 本质上是由固溶氮引起的（回足够化物形成元素倾向） 直接发生在焊接过程中，热与作用下产生的一种动态应变时效，200400最为明显，焊前有缺口时，脆化更加严重。三、热轧钢及正火钢的焊接工艺特点。C-Mn、Mn-Si+系：热轧钢V、Nb、Ti、Mo：正火钢（C化物，氮化物生成元素）主要根据材料厚度、产品结构、具体施工条件确定（与焊接方法关系非关键）1、 焊接材料的选择 要求：焊缝质量 热轧及正火钢的焊接性分析；使用性能 焊缝的热裂、冷裂倾向很小。出发点（主要依据）：保证焊缝与母材的匹配性（b、k等解）1） 与母材的机械性能出发、等强匹配（相应强度级别）（而非成分一致）成分一致时，焊缝为特殊过饱和铸态组织，其、Ak，抗裂性能与使用性能不好。 要求：Wc 0.14%时，WMe母材中的WMe。 结557焊15MnVN，无沉淀元素V，b=54P608MP9、Ak。2）必须考虑到熔合比和冷却速度的影响。决定焊缝化学成分 与焊缝组织的过饱和度有关（决定焊缝金属的机械性能） 3）如有postheat，必须考虑到对焊缝性能的影响。如要焊后正火，必须选择强度更高一些的焊材。 4）对焊缝金属的使用要求应注意其特殊性能要求 16MnCu+结50T铜（耐蚀性能） 2、焊接工参数的确定 1）焊接线能量其确定主要取决于过热区的脆化和冷裂两个因素。热轧钢正火钢：避免沉淀相的溶入及晶粒过热引起的脆化。E线Wc（09Mn2），对E线无严格的限制。材料淬硬性较小，对小E线时冷裂倾向不大。Wc偏高时，（如焊16Mn），E小时（E偏大只好）冷裂倾向，脆化严重如：15MnVN、14MnNb、47KJ/cm、k在-20在过热区合格，40KJ/cm，k在-40在过热区合格。 当Wc，WMe，淬硬性E线偏大好些。E线，V冷，但加热程度，过热，因而大线能量，采取用预热方式，避免裂纹。 2）预热，（防裂纹，改善性能）其确定取决于下面因素： 成分，To=1440Pc-396V冷拘束度H T.是否热处理 3）焊后热处理：一般情况下不需热处理；容器需高温回火（目的）消除应力：抗应力腐蚀力，低温性能，防层裂等T回确定原则：不超过母材的T回。对有回火脆性的材料，避开脆性温度区间。s490N/cm2钢。延迟裂纹倾向大，回火可消除应力，去氢。3-3 低碳调质钢的焊接（用于高强度的焊接结构用钢）一、低碳调质钢的成分和性能 在正火条件下，通过增加合金元素，强化效果一般情况下，k，s490N/mm2，高强钢场需调质处理。 s=440980N/mm2 Wc0.22%（在0.18%以下）良好综合性能和焊接性能。 最简单：Mn-Si系钢，S343N/mm2,调质后达490N/mm2，调质后达490 N/mm2。 当板厚或b、需添加合金元素Cr、Ni、Mo、V、M、Ti等，本保证足够淬透性和抗回火性。（焊接无裂纹钢）70年代发展的改善野外施焊条件，低温韧性，加多种微元素，Wc（0.09%）（B具有淬透性），调质保证b，Ak（足够）该钢具（CF钢），Wc，Pcm特点。采用超低氢焊接材料，B50mm，T=0不预热。二、低碳调质钢的焊接性分析与正火钢类似（主要问题和工艺要求）1、裂纹。2、HAZ脆化。差别在于在HAZ内，还存在过热区脆化和软化问题。Mn/S。一）焊缝中的热裂纹一般Wc、WMn、S、P控制，倾向小。对高Ni低Mn类HY80、倾向，调整焊材可以避免。（Mn、Ni，扩大A元素，结晶间热裂）。二）热影响压液化裂纹 主要发生在高Ni低Mn类低合金高强钢中。影响因素主要与Mn/S有关。 成分Wc，要求Mn/S当Wc30,液化裂纹敏感性避免裂纹的关键在于控制Wc，Ws保证Mn/S高尤其当WNi，要求更严。工艺因素 E线，晶粒d，晶界熔化严重，而且液态晶间层存在，倾向。（高线能量易发生，埋弧焊） 熔池形状影响（P327）三）冷裂纹其冷裂倾向在M转变时的V冷有关。 Ms高，如V冷M可以进行“自回火” 作用。冷裂纹倾向（工艺合适才行）。WMe，获得低CM和部分下B混合组织，A过冷稳定性（P327图8-14）。 四）再热裂纹 四强淬透性和抗回火性而加入的一些合金元素中，大多数易引起再热裂纹。 V影响最大、Mo次之（同时加入更加严重），Cr与含量有关。 皆注表焊接时的再热裂纹问题。（Cr-Ni、Mo、Cr-Ni-Mo-V，Ni-Mo-V系钢）。 五）层状撕裂 严控夹杂物，纯净度，敏感性。六）HAZ的性能变化钢中含有较多固N元素，热应变脆化不明显。1、 过热区的脆化图8-16 M+BTi韧性最佳（WB下达1030%） t8/5 k（得到全部M）t8/5 A晶粒粗化，脆化，BV与M-A组无形成普通问题，对不能处理件尤为生重要。2、 HAZ的软化对焊后不再进行调质处理的C钢尤为重要。软化的程度软化区的宽度与焊接工艺有关，有小线能量基本解决。三、低碳调质钢的焊接工艺特点。工艺制定的主要依据： 马氏体转变时的V冷不能太快，避免冷裂，保证自回火作用。 要求800500的V冷产生脆性混合组织的临界冷却速度，控制T8/5，不产生上B氏体。1、焊接工艺方法和焊接材料的选择。 材料 方法2 b与k下降的问题越严重。解决办法：焊后重新调质，不热处理，限制热输入。例：S980N/mmm2钢（10Ni-Cr-Mo-Co）必须用TIG与电子束焊。 S980N/mm2，各种方法均能用。 S686N/mm2，熔化极气体，保护焊最佳。 E热，焊后必须调质处理。 调质态焊接，焊后不热理（异于中碳调质）。 选焊材时，要求焊缝性解接近母材的机械性能等强，当结构刚度大时，冷裂难免，低强度匹配。3 焊接工艺参数的选择 综合考虑：防冷裂纹t8/5V冷。防脆化（M-A）V冷。 正确选择线能量和预热量保证不出裂纹与脆化的关键。1） 确定 E线尽可能选择大一些、（不出裂纹，满足韧性），再根据冷裂倾向考虑，预热向考虑，预热和预热温度。2） 确定 T预（主要目的是为了防止冷裂，对HAZ性能不大） 当Ek达最大而裂纹不能避免，必须预热。 一般在焊低碳调质钢时采用较低的T预200。 主要是降低马氏体转变的V冷，通过M的自回火作用来提高抗裂性能。 T预，V冷V冷脆性混合组织。3） 焊后热处理的确定510690热处理，损害ak。消除应力处理没有必要。只适于要求耐应力腐蚀的焊件，T后低于母材原回火T的30。3-4 中碳调质钢的焊接一、 中碳调质钢的成分和性能 S8801176N/mm2WC=0.250.45%强度主要取决于Wc，WMe提高淬透性，抗回火性。特点：高的比强和高硬度（韧性不是首要）（用作火前外壳、装甲钢）淬透性，焊接性差，焊接工艺复杂，焊后必须调质。 严控S、P的含量 一般钢0.04% S、增加热裂敏感性 P、k、冷裂敏感性。 真空冶炼，使母材与填充金属达到高纯度（Ws、p0.015%） 1、40Cr Cr2% 对影响不大，k。Cr增加低温或高温的回火稳定性。 良好综和机械性能，疲齿轮、轴类、（交变载荷） 2、35CrMoA 35CrMoVA 属CrMo系统 WMo=0.150.25% 消除Cr钢的回火脆性，高温V-细化晶粒，b、k，高温回火稳定性。 用于动力设备（负载高，截面大的重要零部件），发电机转子，汽轮机、中轮、主轴等。 Wc，焊前预热、焊后热处理。 3、30crMnSiNi2A、40crMnSiMoVA加入Ni、b、k较好，焊接性差。 飞机构件： 30crMnSiA典型（不含贵重的Ni），我国应用广 退火态组织、F+P 调质态组织：回火索氏体（统称回M）高温回火必须快冷！Cr-Mn-Si系统，300450第一类回火脆性还会有第二类飞机制造440CrNiMoA，美4340钢及34CrNi3MoA（4340美一类似） Cr-Ni-Mo系统 加入了Ni，Mo显著提高淬透性和抗回火软化能力，k，淬透性大。 用于高负荷，大截面轴类、承冲击、如飞机、起落架、火箭发动机外壳。5H-11 Cr5%、Mo1.5%热加工工具钢基础上展。 b=1960N/mm2,并具较高耐热性（喷气机体）(经500oC回火、特殊、C化物析出)。二、 中碳调质钢的焊接性分析一）焊缝中的热裂纹 Wc、WMe、液一固相区间大，偏析严重，热裂倾向。 需焊材：选用Wc、S、P的填充材料。焊接工艺上保证填满弧坑，焊缝成形良好。二）冷裂纹（P336图8-23） 淬硬（冷裂）倾向严重，分析其冷裂敏感性，不仅看M形成倾向，而且须考虑M的类型和性能。三）HAZ的性能变化 1、过热后的性能变化 淬硬性，易产生硬脆的高碳M，t815，V冷，高CM，脆化越严重。大线能量V冷，增加A过热，提高其稳定性，形成粗大M，脆化更严重。解决办法：小线能量+预热+缓冷和后热 减小高温停留时间，降低A稳定性V冷,z改善性能。 2、HAZ的软化E线，V冷，t受热、软化焊接热源越集中，软化该类钢常在退火态焊接、焊后调质处理 b、软化越严重。 软化程度与宽度与E线、焊接方法有关。三、 中碳调质钢的焊接工艺特点 焊前状态决定焊接问题及工艺 1、退火（正火）态焊接，整体调质（多数情况下） 主要问题：裂纹，（HAZ性能由调保证） 焊接方法：不限，但气焊易生裂纹。焊材：保证质量（无裂纹）调质后与母材等强（接头性能）焊缝金属主要合金应尽量与母材相似（同热处理规范）严控C、Si、S、P（引起热裂倾向，促使脆化）工艺参数：保证调质前不出裂纹，高预热温度（200350）和层间温度 复杂结构，大量焊缝，存在中间回火处理（去H、冷裂敏感性低的组织）焊后及时回火65 010，在高于T预热保温、除H 防冷裂小El+预热（高）。2、调质状态下焊接主要问题：1）裂纹：从工艺上出发，预热温度，层间温度，中间热处理postheat母材回火温度的50。2）高M的硬化和脆化（焊后回火解决）3）高温回火区的软化（HAZ区）。必须调质才能解决如果焊接后不调质处理，应该采用热量集中，能量高度大方法有利，E。 减小软化：气保焊较好