低合金高强钢的焊接技术

1、低合金高强钢的焊接 哈尔滨工业大学 刘爱国 一、钢的分类 工业用钢的分类方法很多，可以按化学成分、 性能、品质、用途、内部组织等进行分类。 按用途分 结构钢 工具钢 特殊性能钢 专业用钢 一、钢的分类 按化学成分分 碳钢 合金钢 低碳钢 wc0.6wt% 低合金钢 w10wt% 一、钢的分类 低合金高强钢 低合金特殊用钢 低合金钢 (按用途) 珠光体耐热钢 低温钢 低合金耐蚀钢 二、低合金高强钢的分类 低合金高强钢 (按屈服强度级别 和热处理状态) 热轧及正火钢 s=294490MPa 低碳调质钢 s=441980MPa 中碳调质钢 s=8801176MPa 三、低合金高强钢的性能 1.热轧及

2、正火钢 价格便宜，综合力学性能较好。 热处理屈服强度/ MPa合金系 热轧钢钢锭加热1300， 热轧，空冷 294343C-Mn、Mn-Si 正火钢钢板再加热900 ， 空冷 343490C-Mn、Mn-Si系，添加 碳、氮化物形成元素 三、低合金高强钢的性能 2. 低碳调质钢 热处理屈服强度/ MPa含碳量 低碳调 质钢 淬火+高温回火441980要求wc0.22wt%，实 际上都在0.18wt%以下 三、低合金高强钢的性能 2. 低碳调质钢 将钢加热到临界点Ac3或(亚共析钢)或Ac1 (过共析 钢)以上一定温度，保温一定时间，然后以大于临界淬 火速度的速度冷却，使过冷奥氏体转变为马氏体(

3、或贝 氏体)组织的热处理工艺称为淬火。 三、低合金高强钢的性能 2. 低碳调质钢 将淬火钢在A1以下温度加热，使其转变为稳定的 回火组织，并以适当的方式冷却到室温的热处理工艺 称为回火。 回火 低温回火 150250 回火马氏体 中温回火 350500 回火屈氏体 高温回火 500650 回火索氏体 三、低合金高强钢的性能 2. 低碳调质钢 金属学与热处理定义： 淬火+高温回火调质 焊接界定义： 淬火+回火调质 三、低合金高强钢的性能 2. 低碳调质钢 低碳调质钢 高强度结构钢 b=600800MPa 14MnMoNbB 高强度耐磨钢b=10001300MPa HQ100 高强度高韧性钢 b=

4、600800MPa 12Ni3CrMoV 三、低合金高强钢的性能 3. 中碳调质钢 热处理屈服强度/ MPa含碳量特点 中碳调质钢淬火+ 高温回火 8801176wc=0.22 0.45wt% 淬透性大， 焊接性差 四、典型低碳调质钢主要成分 CMnSiNiCrMoVNSP 14Mn MoVN 0.141.410.30-0.470.130.0150.0250.012 HQ600.0 9 0.16 0.9 0 1.50 0.2 0 0.60 0.3 0 0.60 0.300.0 8 0.20 0.03 0.08 - 0.0250.030 五、低碳调质钢焊接性分析 夹杂 气孔 裂纹 热裂纹 冷裂纹

5、 再热裂纹 应力腐蚀裂纹 层状撕裂 冶金缺陷 性能变化 接头脆化 接头软化 工艺焊接性 五、低碳调质钢焊接性分析 常规力学性能 耐磨性能 使用焊接性 低温韧性 抗脆断性能 高温蠕变性能 疲劳性能 耐腐蚀性能 五、低碳调质钢焊接性分析 热裂纹 低熔共晶 应力 含碳量低 S、P控制严格 含Mn量高 低碳调质钢热裂倾向低 焊接热裂纹形成的两大要素 五、低碳调质钢焊接性分析 冷裂纹 淬硬组织 拘束应力 氢 1. 含有多种提高淬透性的合金元素，淬透倾向大，本 应有很大的裂纹倾向； 焊接冷裂纹形成的三大要素 2. 含碳量低Ms点高 该温度下冷速慢自回火冷裂倾向小 五、低碳调质钢焊接性分析 再热裂纹 促进再

6、热裂纹形成的元素 Cr，Mo，Cu，V，Nb，Ti，B 具有一定再热裂纹倾向 五、低碳调质钢焊接性分析 层状撕裂 母材中杂质限制比较严格，层状撕裂倾向较小。 五、低碳调质钢焊接性分析 接头脆化 接头脆化 粗晶脆化 沉淀相脆化 M-A组元脆化 热应变时效脆化 氢脆 五、低碳调质钢焊接性分析 接头脆化 钢中含有较多固氮元素，不容易产生热应变脆化。 会产生过热区的粗晶脆化、M-A组元脆化。 五、低碳调质钢焊接性分析 粗晶脆化 被加热到1200以上的过热区，晶粒明显长大。 脆性断裂应力和晶粒直径d的关系为： 式中0-实验温度下单晶体的屈服强度； B-常数。 2/1 0 )( dB 五、低碳调质钢焊接性

7、分析 M-A组元脆化 某些低合金钢的焊接热影响区处于中温上贝氏体 的转变区间，出现含碳很低的铁素体，并且逐渐扩大， 而碳大部分富集到被铁素体包围的岛状奥氏体中去。 随后这些高碳的奥氏体转变为高碳马氏体和残余奥氏 体的混合物，称为M-A组元(martensite-austenite constituent)。 M-A组元降低韧性的原因为：奥氏体增碳后，易 于形成孪晶马氏体，夹杂于贝氏体、铁素体板条之间， 并在晶界上产生显微裂纹，沿M-A组元扩展，引起脆 化。 五、低碳调质钢焊接性分析 M-A组元脆化 冷却时间t8/5对M-A组元数量的影响 五、低碳调质钢焊接性分析 接头软化 调质钢热影响区的硬度

8、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 加热温度在 母材回火温度至 相变温度之间的 区域发生软化。 六、低碳调质钢焊接工艺 确定原则 从焊接性分析过程可知，低碳调质钢焊接时主要要注意： 马氏体转变时冷却速度不能太快 800 500 冷却速度大于产生脆性M-A组元的临界 速度 尽量减小热输入 六、低碳调质钢焊接工艺 600MPa钢(HQ60)的焊接为例 1. 焊接方法 手工电弧焊、埋弧焊、钨极氩弧焊、熔化极氩弧 焊均可。 六、低碳调质钢焊接工艺 2. 焊接材料 焊后通常不进行热处理，因此要求焊缝金属的力 学性能应接近母材，即采用“

9、等强原则”。特殊情况 下，可以采用低强匹配。 钢号焊条气体保护焊 焊丝保护气体 HQ60E6015HGHS-60NCO2或Ar+CO2 六、低碳调质钢焊接工艺 3. 焊接工艺参数 (1) 不宜采用大直径焊条或焊丝，应尽量采用多层 多道焊，以限制过大的热输入 。 (2) 采用预热，预热温度较低。 (3) 一般不进行后热处理。 六、低碳调质钢焊接工艺 3. 焊接工艺参数 焊材直径 mm 保护气体气体流量 Lmin-1 焊接电流 A 焊接电压 V 热输入 kJcm-1 预热温度 或层温/ E6015H4 160180222418 22150 GHS-60N1.680%Ar+ 20%CO2 20360

10、3720150 七、热轧及正火钢的焊接分析 热轧及正火钢的成分 CSiMnPSMoNb 16Mn0.12 0.20 0.20 0.55 1.20 1.60 0.0450.045- 18MnMo Nb 0.17 0.23 0.17 0.37 1.35 1.65 0.0400.0450.45 0.65 0.025 0.050 CMnSiNiCrMoVNSP 14Mn MoVN 0.141.410.30-0.470.130.0150.0250.012 HQ600.0 9 0.16 0.9 0 1.50 0.2 0 0.60 0.3 0 0.60 0.300.0 8 0.20 0.03 0.08 -

11、0.0250.030 七、热轧及正火钢的焊接分析 1. 热裂纹 热裂纹倾向较小。有时会在焊缝中出现热裂 纹，和热轧及正火钢中C、S、P等元素含量偏高 有关。 七、热轧及正火钢的焊接分析 2. 冷裂纹 热轧钢含有少量合金元素，碳当量比较低， 冷裂倾向不大。 正火钢含合金元素较多，随碳当量增加，淬 硬倾向及冷裂倾向增大。 七、热轧及正火钢的焊接分析 3. 层状撕裂 杂质控制不如低碳调质钢严格，厚板有一定 层状撕裂倾向。 七、热轧及正火钢的焊接分析 4. 接头脆化 会产生热应变脆化和粗晶脆化。 在焊接热循环的作用下，焊接接头的局部地 区由于热应力而产生塑性应变，使接头的硬度和 屈服强度提高，塑性变形

12、能力降低。这种现象称 为热应变脆化。 一般认为热应变脆化是由于氮、碳原子聚 集在位错周围，对位错起钉扎作用造成的。 八、中碳调质钢的焊接分析 中碳调质钢的成分 CMnSiNiCrMoVNSP 14Mn MoVN 0.141.410.30-0.470.130.0150.0250.012 HQ600.0 9 0.16 0.90 1.50 0.20 0.60 0.30 0.60 0.300.08 0.20 0.03 0.08 - 0.0250.030 CMnSiCrNiMoSP 35CrMoA0.30 0.40 0.4 0.7 0.17 0.35 0.9 1.3 -0.2 0.3 0.030 0.035 30CrMnSiA0. 28 0.35 0.81.10.91.2 0.8 1.1 0.30