第二章 合金结构钢的焊接.ppt

1,第二章 合金结构钢的焊接,2,结构钢碳素结构钢合金结构钢强度用钢：低合金高强钢（简称HSLA钢）普通低合金结构钢-低碳调质钢中碳调质钢专用钢珠光体耐热钢，低温钢，低合金耐蚀钢,3,第一节 热轧、正火钢的焊接,一、热轧和正火钢的化学成分及性能二、典型钢种介绍三、热轧、正火钢的焊接性分析四、热轧、正火钢的焊接工艺特点,4,第一节 热轧、正火钢的焊接,一、热轧和正火钢的化学成分及性能1、热轧钢s=294343Mpa强化方式：Mn、Si固溶强化典型钢种：16Mn特例：15MnV， s392Mpa,5,第一节 热轧、正火钢的焊接,一、热轧和正火钢的化学成分及性能2、正火钢s=343490MPa强化方式：在固溶强化，沉淀强化，细晶强化正火目的：使碳、氮化物以细小质点沉淀析出，并细化晶粒。典型钢种：正火态使用的钢：15MnTi, 15MnVN正火+回火态使用的钢：18MnMoNb, 14MnMoV,BHW-35,6,第一节 热轧、正火钢的焊接,一、热轧和正火钢的化学成分及性能3、微合金化控轧钢在低碳的C-Mn钢基础上通过V、Nb、Ti微合金化及炉外精炼、控轧、控冷等工艺，获得细化晶粒和综合性能良好的低合金钢。典型钢种：X60，X70，X80,7,第一节 热轧、正火钢的焊接,一、热轧和正火钢的化学成分及性能4、普通低合金钢的成分特点低碳低合金元素，基本不含Cr,Ni。主加合金元素为Mn辅加合金元素V、Ti、Nb等为改善钢的耐大气腐蚀性，加入Cu和P。,8,第一节 热轧、正火钢的焊接,二、典型钢种介绍1、16Mn （热轧）,16Mn钢的基本成分及力学性能,9,第一节 热轧、正火钢的焊接,二、典型钢种介绍1、16Mn（热轧）,16Mn钢的临界点,16Mn的SH-CCT图,10,第一节 热轧、正火钢的焊接,二、典型钢种介绍2、15MnVN（正火）,15MnVN的化学成分及性能,11,第一节 热轧、正火钢的焊接,二、典型钢种介绍2、15MnVN（正火）,15MnVN的SH-CCT图,12,第一节 热轧、正火钢的焊接,二、典型钢种介绍3、18MnMoNb(正火+回火）通常热处理工艺：950980正火；600650回火,18MnMoNb的化学成分,13,第一节 热轧、正火钢的焊接,二、典型钢种介绍3、18MnMoNb(正火+回火）,18MnMoNb的力学性能,14,第一节 热轧、正火钢的焊接,二、典型钢种介绍3、18MnMoNb(正火+回火）,15,第一节 热轧、正火钢的焊接,一、热轧和正火钢的化学成分及性能二、典型钢种介绍三、热轧、正火钢的焊接性分析焊缝中的热裂纹冷裂纹再热裂纹层状撕裂热影响区性能变化四、热轧、正火钢的焊接工艺特点,16,三、热轧、正火钢的焊接性分析,（一）焊缝中的热裂纹产生热裂纹机理回顾热轧、正火钢成分特点,17,焊缝中C、S、Mn含量对角焊缝结晶裂纹的影响,正常情况下，热轧正火钢焊缝中裂纹倾向小。但当钢中C、S、P等元素含量偏高时，也会产生热裂纹。,思考题：16Mn钢中杂质含量偏高，为防止热裂纹，在工艺上应采取什么措施？,18,三、热轧、正火钢的焊接性分析,（二）冷裂纹回顾冷裂纹产生的机理产生冷裂纹的三大要素淬硬倾向（与材料成分有关）SH-CCT图碳当量HAZ最高硬度值,19,16Mn和低碳钢的SHCCT,16Mn,低碳钢,20,15MnVN和18MnMoNb的SHCCT,15MnVN,18MnMoNb,21,不同强度级别钢种的允许最高硬度值,22,16Mn(板厚36）热影响区最高硬度试验和冷裂纹试验结果,注：钢板成分（%）：C0.17,Si 0.49, Mn 1.21, P0.029, S0.028,V0.22,N0.013,23,15MnVN（板厚36）热影响区最高硬度试验和冷裂纹试验结果,注：钢板成分（%）：C0.19,Si 0.36, Mn 1.37, P0.018, S0.026,V0.22,24,三、热轧、正火钢的焊接性分析,（三）再热裂纹1、什么是再热裂纹？2、热轧、正火钢再热裂纹敏感性分析18MnMoNb对再热裂纹比较敏感提高预热温度（从180提高到230）或焊后及时热处理（预热180+焊后1802h）,25,三、热轧、正火钢的焊接性分析,（四）层状撕裂钢的冶炼质量板厚接头形式Z向应力与钢材强度无直接关系S的含量与Z向断面收缩率z评定层状撕裂敏感性Z向钢,26,三、热轧、正火钢的焊接性分析,（五）热影响区性能的变化1、过热区脆化粗晶脆化组织脆化过热区脆化与材料本身及线能量E有关,27,过热区脆化与材料本身及线能量E有关,不同温度下，几种钢的HAZ的COD值与E的关系,28,热轧钢过热区脆化程度与含碳量和线能量（冷速）有关,Mn-Si钢含碳量不同时，冷却速度对过热区V型缺口冲击韧性的影响,29,正火钢过热区脆化与线能量的关系,焊接线能量对过热区-40冲击韧度的影响a) 15MnVN b)15MnTi,E越大，韧性下降原因：1200高温下起沉淀强化的氮化物、碳化物质点溶入奥氏体中，在随后的冷却过程中来不及析出而固溶在基体中，使强度上升，韧性下降。,30,正火钢过热区脆化与沉淀强化元素有关,15MnTi钢过热区冲击韧性（-40）、铁素体显微硬度与Ti的关系,31,线能量E对15MnTi钢过热区冲击韧度（-40）和铁素体显微硬度的影响,32,焊接线能量的选取,对于含碳量较少的热轧钢,选用较小的E对含碳量偏高的热轧钢,E大些较好对含碳、氮化物形成元素的正火钢，选较小的E热轧钢对线能量的敏感性较小，正火钢较大。大线能量用高强钢的研究,33,存在这种差异的根本原因是什么？,合金化方式不同热轧钢为固溶强化正火钢为固溶强化+沉淀强化,34,三、热轧、正火钢的焊接性分析,（五）热影响区性能的变化2、热应变脆化在热和应变同时作用下产生的一种动态应变时效常发生于一些固溶N含量较高的低碳钢和强度级别不高的低合金钢,35,热应变对亚临界热影响区COD的影响,焊前存在缺口时，脆化现象更严重,36,焊后热处理对热应变脆化的影响,焊后550，1h消除应力退火，材料韧性能基本恢复到原有水平。,37,16Mn和15MnVN的热应变脆化倾向,16Mn焊后脆性转变温度较焊前提高了5315MnVN焊后脆性转变温度较焊前提高了30二者均有热应变脆化倾向16Mn的热应变脆化倾向较15MnVN大,38,第一节 热轧、正火钢的焊接,一、热轧和正火钢的化学成分及性能二、典型钢种介绍三、热轧、正火钢的焊接性分析四、热轧、正火钢的焊接工艺特点1、焊接方法的选择对焊接方法选择特殊要求2、焊接材料选择3、焊接工艺参数确定,39,2、焊接材料的选择,原则是焊缝力学性能与母材匹配，而不是化学成分相同。焊缝含碳量及合金元素通常低于母材兼顾熔合比和冷速的影响兼顾焊后热处理的影响焊后进行正火处理时，必须选择强度更高一些的焊材兼顾特殊使用性能要求,40,41,3、焊接工艺参数的确定,（1）焊接线能量的选择对于含碳量较少的热轧钢,选用较小的E对含碳量偏高的热轧钢,E大些较好对含碳、氮化物形成元素的正火钢，选较小的E合金元素含量较高的正火钢（如18MnMoNb）采用E+预热,42,自动焊18MnMoNb时不同线能量对过热区冲击韧度的影响,注：焊丝直径3,43,3、焊接工艺参数的确定,（2）预热温度的确定与材料的淬硬倾向有关，CE0.4%应预热与焊接冷却速度有关环境温度板厚焊接方法线能量与拘束度有关与含氢量有关与焊后是否进行热处理有关,44,不同环境温度下焊接16Mn钢的预热温度,45,3、焊接工艺参数的确定,（3）焊后热处理一般情况下，不需要焊后热处理s490MPa的高强钢，焊后及时消除应力处理厚壁压力容器焊接，去应力退火要求抗应力腐蚀的焊接结构，去应力退火电渣焊焊后正火处理，细化晶粒不要超过母材原来的回火温度避开回火脆性温度区间,46,本节重点内容,热轧、正火钢的焊接性分析焊接冷、裂纹倾向过热区脆化原因分析焊接线能量选择热轧、正火钢焊接工艺特点焊接材料选择焊接工艺参数确定焊接线能量预热温度后热处理,47,第二节 低碳调质钢的焊接,一、低碳调质钢的成分和性能二、低碳调质钢的焊接性分析三、低碳调质钢焊接工艺特点,48,一、低碳调质钢的成分和性能,一般地，s 490MPa的高强钢都是热处理强化钢低碳调质钢的s=441980MPa加入合金元素的目的是提高钢的淬透性和抗回火脆性，并使Ms点不致下降过多。C0.22%（实际C0.18%）具有良好的综合力学性和焊接性,49,几种国产低碳调质钢的化学成分,50,几种低碳调质钢的力学性能,51,一、低碳调质钢的成分和性能,14MnMoVN、14MnMoNbB由于不含Ni,Cr，价格便宜，主要用于中温压力容器制造。Ni是低碳调质钢的重要元素之一提高韧、塑性与Cr共用显著提高钢的淬透性cr0.16%WCF60（62）,HQ70A,HQ80C等,52,一、低碳调质钢的成分和性能,低碳调质钢只有在正确的热处理条件下（淬火+回火），才能保证有预期的组织和性能组织为回火马氏体或回火马氏体+回火贝氏体低碳调质钢种类高强度结构钢b600800MPa典型钢种：14MnMoNbB,HQ60,HY-80, HT60, WCF60等,53,一、低碳调质钢的成分和性能,高强度耐磨钢b10001300MPa典型钢种：HQ100，HQ130等高强度高韧性钢b600800MPa一般含有较高的Ni和Cr典型钢种：HY-80，HY-100，NS-80，NS-90，12Ni3CrMoV, 10Ni5CrMoV等。,54,第二节 低碳调质钢的焊接,一、低碳调质钢的成分和性能二、低碳调质钢的焊接性分析三、低碳调质钢焊接工艺特点,55,二、低碳调质钢的焊接性分析,焊缝中的热裂纹Mn/S高， c低高Ni低Mn的高强钢热影响区液化裂纹冷裂纹再热裂纹含有一定再热裂纹敏感元素层状撕裂热影响区性变化过热区脆化HAZ软化,56,冷裂纹,淬硬倾向大Ms点高冷却速度较慢时，马氏体可进行“自回火”处理生成低碳回火马氏体冷却速度适当时,冷裂纹可以避免,HT80钢焊接SHCCT曲线（最高加热温度1350）,57,低碳调质钢过热区脆化机理,冷却速度较慢时，奥氏体A向铁素体F转变，剩余高碳奥氏体继续冷却时转变为贝氏体B。混合组织F+B，使过热区脆化冷速越低，先共析F越多，脆化越严重。,典型低碳调质钢的连续冷却转变曲线,58,几种高强钢的模拟热影响区脆性转变温度与t8/5之间的关系,HAZ过热区的组织最好为ML+BL,思考题：低碳调质钢、热轧钢、正火钢过热区脆化机理有何不同？,59,HT80模拟热影响区内冷却时间t8/5与M-A组元数量之间的关系,M-A组元脆化M-A组元易在中等冷速下形成,60,HT80模拟热影响区内M-A组元的数量与脆性转变温度的关系,61,M-A组元量对模拟焊接热影响区脆性转变温度的影响,62,HAZ的软化,焊接调质钢时的普遍问题母材回火温度至AC1区域碳化物积聚长大解决办法焊后重新调质严格控制焊接热输入，即“小线量焊接”,63,第二节 低碳调质钢的焊接,一、低碳调质钢的成分和性能二、低碳调质钢的焊接性分析三、低碳调质钢焊接工艺特点,64,三、低碳调质钢焊接工艺特点,（一）焊接方法的选择减少软化集中焊接热源s680MPa：可用SMAW、SAW、MIG、TIGs680MPa：最好用CO2、Ar+CO2焊s980MPa：必须用TIG、电子束焊大线能量焊接方法+焊后调质,65,三、低碳调质钢焊接工艺特点,（二）焊接材料选择焊态焊缝金属与调质态母材性能匹配氢的危害很大严格控制焊材的氢含量,66,低碳调质钢焊接材料的选用,67,三、低碳调质钢焊接工艺特点,（三）焊接工艺参数的选择1、焊接线能量的确定防止热影响区脆化和冷裂纹,68,焊接线能量的确定,冷却速度上限取决于不产生冷裂纹，下限取决于不出现HAZ脆化的混合组织。如图中阴影部分所示。,69,如何确定焊接线能量？,通过试验方法确定保证韧性的最大线能量根据焊接时的冷裂倾向决定是否预热,70,（三）焊接工艺参数的选择,2、预热温度的确定防止冷裂纹对改善组织无明显作用低温预热，一般不超过200,71,低碳调质钢预热温度举例,72,（三）焊接工艺参数的选择,3、焊后热处理的确定一般不需要焊后热处理,73,例： WCF62钢的焊接,焊前状态：940水淬+630回火焊接方法：焊条电弧焊、CO2或Ar+20%CO2气保护焊焊接材料：E6015-G（J607RH），H08MnSiMo（或Mn-Ni-Mo焊丝）线能量：最佳1725KJ/，允许1040KJ/预热温度与H、板厚、碳当量有关焊后一般不进行热处理，36时，要求进行消除应力退火，退火温度低于焊前回火温度。,74,本节重点内容,低碳调质钢的焊接性分析冷裂纹倾向过热区脆化HAZ软化低碳调质钢焊接工艺焊接线能量的选择预热温度的选择,75,第三节 中碳调质钢的焊接,一、中碳调质钢典型钢种成分和性能二、中碳调质钢的焊接性分析三、中碳调质钢的焊接工艺特点,76,一、中碳调质钢典型钢种成分和性能,s8801176MPa含碳量增加，C=0.25%0.45%加入合金元素的目的：保证淬透性和提高抗回火性淬火组织为马氏体，经回火后得到回火索氏体或回火马氏体，马氏体为片状对硫、磷控制非常严格,77,一、中碳调质钢典型钢种成分和性能,1、Cr钢以Cr为主加元素提高钢的淬透性（Cr1.5%）提高回火稳定性具有回火脆性典型钢种：40Cr（Cr=0.8%1.1%）主要用于齿轮和轴类零件的制造,78,一、中碳调质钢典型钢种成分和性能,2、Cr-Mo钢加入Mo（ Mo=0.15%0.25%)提高淬透性消除回火脆性提高钢的高温强度具有好的强、韧性匹配加入V细化晶粒，提高强度、塑韧性增加高温回火稳定性典型钢种：35CrMoA，35CrMoVA等主要用于动力设备中，如汽轮机叶轮、主轴、发电机转子等。,79,一、中碳调质钢典型钢种成分和性能,3、Cr-Mo-Si钢具有回火脆性回火温度避免300450范围(防止第一类回火脆性)高温回火时必须快冷低温回火(200250 )时，可得到强度很高的低温回火马氏体典型钢种：30CrMnSiA，30CrMnSiNi2A，40CrMnSiMoVA,80,一、中碳调质钢典型钢种成分和性能,4、Cr-Ni-Mo钢加入Ni、Mo，提高淬透性和抗回火软化能力典型钢种：40CrNiMoA，34CrNi3MoA，4340钢主要用于高负荷、大截面的轴类以及承受冲击载荷的构件。,81,一、中碳调质钢典型钢种成分和性能,5、超高强钢典型钢种：H-11Cr=4.755.5% ,Mo=1.251.75%强度可达1960MPa具有较高的耐热性可用作超音速喷气机机体材料,82,几种中碳调质钢的化学成分,83,几种中碳调质钢的力学性能,84,第三节 中碳调质钢的焊接,一、中碳调质钢典型钢种成分和性能二、中碳调质钢的焊接性分析焊缝中的热裂纹冷裂纹热影响区的性能变化过热区脆化热影响区的软化三、中碳调质钢的焊接工艺特点,85,二、中碳调质钢的焊接性分析,（一）焊缝中的热裂纹含碳量高结晶温度区间宽易出现偏析热裂纹倾向较大采用低碳低硅的焊材严格控制母材焊材中S、P量降低熔合比注意填满弧坑和保证良好的焊缝成形,86,二、中碳调质钢的焊接性分析,（二）冷裂纹碳当量大，淬硬倾向大,87,30CrMnSi钢的等温转变曲线,88,40CrNiMo钢的等温转变曲线,89,二、中碳调质钢的焊接性分析,（二）冷裂纹Ms点较低，形成的马氏体难以产生“自回火”效应形成高碳马氏体,思考题：为什么中碳调质钢的冷裂纹倾向比低碳调质钢大？,90,二、中碳调质钢的焊接性分析,（三）HAZ的性能变化1、过热区的脆化高碳马氏体组织脆化大线能量焊接难以避免马氏体形成，且晶粒粗大采用小线能量+预热(缓冷)较好,91,二、中碳调质钢的焊接性分析,（三）HAZ的性能变化2、焊接热影响区的软化是调质钢焊接时易出现的问题软化程度和软化区宽度与焊接线能量、焊接方法有关,92,软化程度和软化区宽度与焊接线能量、焊接方法有关,电弧焊,气焊,调质状态的30CrMnSi钢焊接接头的强度分布,93,2、焊接热影响区的软化,焊接线能量越小，软化程度越小，软化区宽度越窄焊接热源越集中，对减少软化越有利焊后调质处理可消除软化,94,第三节 中碳调质钢的焊接,一、中碳调质钢典型钢种成分和性能二、中碳调质钢的焊接性分析三、中碳调质钢的焊接工艺特点焊前为退火态的焊接工艺焊前为调质态的焊接工艺,95,（一）焊前母材为退火态的焊接工艺,焊前退火+焊后整体调质处理焊接时主要解决问题：裂纹,96,（一）焊前母材为退火态的焊接工艺,工艺特点对焊接方法几乎无限制焊接材料选取原则不产生冷、热裂纹焊缝金属的主要合金组成应尽量与母材相近,97,中碳调质钢焊接材料选用示例,98,（一）焊前母材为退火态的焊接工艺,工艺特点工艺参数确定较高的预热温度（200350）和层间温度焊后及时回火处理除氢作用改变组织消除应力最后整体调质处理,99,（二）焊前母材为调质状态的焊接工艺,焊前调质态，焊后不再进行调质处理焊接时主要解决问题：裂纹和软化,100,（二）焊前母材为调质状态的焊接工艺,工艺特点防止裂纹低温预热（200250)+焊后及时回火处理减少软化采用能量集中的焊接方法好，如TIG，P-MIG，等离子，电子束焊小线能量焊接预热温度、层间温度、中间热处理温度和焊后热处理温度均应小于母材的回火温度,101,（二）焊前母材为调质状态的焊接工艺,工艺特点焊材选择主要考虑防止裂纹不需考虑成分和热处理规范与母材相匹配,102,本节重点内容,中碳调质钢焊接性冷裂纹倾向热影响区的脆化热影响区的软化中碳调质钢的焊接工艺焊前为退火态焊前为调质态,103,第四节 专用钢的焊接,一、珠光体耐热钢的焊接二、低温钢的焊接三、低合金耐蚀钢的焊接,104,一、珠光体耐热钢的焊接,是以Cr、Mo为基的合金钢具有良好的抗氧化性和热强性r0.5%9%，提高抗氧化能力Mo 0.5%或，提高钢的高温度强度加入、Ti等进一步提高热强性含碳量低工作温度为350600主要用于制造蒸气动力发电设备（锅炉管子，气包用钢）典型的钢种：12CrMo，10Cr2Mo1，12Cr1MoV,105,珠光体耐热钢焊接接头硬度分布,熔合区附近存在硬化区峰值温度为Ac1区域出现软化区,106,（一）珠光体