中碳调质钢的焊接

1、中碳调质钢的焊接中碳调质钢中的碳和其他合金元素含量较高，通过调质处理(悴火+回火)可获得较高的强度性能。中碳调质钢合金元素的加人主要是起保证淬透性和提高抗回火性能的作用， 而其强度性能主要还是取决于含碳量。但随着碳含童的提高，钢的焊接性明显变差，焊 接难度增大。中碳调质钢的屈服强度达8801176MPa以上。钢中的含碳量较高，并加人合金元素如MN Si、Cr、V、B及Mo W、V Ti等)，以保证钢的淬透性，消除回火脆性， 再通过调质处理获得综合性能较好的高强钢。中碳调质钢的主要特点是高的比蹋度和高 硬度(例如可用作火箭外壳和装甲锅等)，中碳调质钢的淬硬性比低碳调质钢高很多， 热处理后达到很高

2、的强度和硬度，但韧性相对较低，给焊接带来了很大的困难。中碳调质钢的合金系统可以归纳为以下几种类型：(1) 40Cr是一种广泛应用的含 Cr中碳调质钢，钢中加人 Crv 1.5%时能有效地提高钢的淬透性，继续增加 Cr含量无实际意义。1%寸对钢的塑性、韧性略有提高，超过 2%时对塑性影响不大，但略使冲击韧性下降。Cr 能增加低温或高温的回火稳定性，但有回火脆性。 40Cr 钢具有良好的综合力学性能、较高的淬透性和较高的疲劳强度，可用于 制造较重要的在交变载荷下工作的机器零件。如用于制造齿轮和轴类等。(2) 35CrMoA和35CrMoVA属于Cr-Mo系统，是在Cr钢基础上发展起来的中碳调 质钢

3、。加人少量Mn可以消除Cr钢的回火脆性，提高淬透性并使钢具有较好的强度与韧 性匹配，同时Mo还能提高钢的高温强度。V可以细化晶粒，提高强度、塑性和韧性，增 加高温回火稳定性。这类钢一般在动力设备中用于制造一些承受较高负荷、截面较大的 重要零部件，如汽轮机叶轮、主轴和发电机转子等。这类钢的含碳量较高，淬透性较大， 因此焊接性较差，一般要求焊前预热、焊后热处理等。(3) 30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A 和 40CrMnSiMoVA属于 Cr-Mn-Si 系统，以及在 该基础上发展起来的含 Ni钢。30CrMnSiA是一种典型的Cr-Mn-Si系的中碳调质钢，不 含 Ni 元素。这种钢

4、退火状态下的组织是铁素体和珠光体， 调质状态下的组织为回火索氏 体。Cr-Mn-Si钢具有回火脆性的缺点，在300450C出现第一类回火脆性，因此回火时必须避开该温度范围。这类钢还具有第二类回火脆性，因此高温回火时必须采取快冷的办法 . 否则韧性会显着降低。这类钢除了在调质状态卜应用外， 有时在损失一定韧性的情况下， 为了提高钢的强度，减轻结构重量，采用200250C的低温回火，以便得到具有很高强度的低温回火马氏体 组织。当工件厚度小于25mm寸，可采用等温淬火。得到下贝氏体组织，此时强度与塑性、 韧性得到良好的配合。这种钢在飞机制造中用得较为普遍。 30CrMnSiNi2A 钢是在 Cr-M

5、n-Si 系基础上发展起来的。 其特点主要是增加 Ni 。大大提高了钢的淬透性。 与 30CrM nSi A 相比，调质后的强度有较大提高，并保持了良好的韧性，但它的焊接性较差，具 有较大的冷裂倾向。40CrMrrSiMoVA属于低Cr无Ni中碳调质高强钢，其中加人了淬透 性强的Mo元素，与30CrMnSiNi2A相比，因含碳量高且不含 Ni，焊接性要差一些，可 用来代替 30CrMnSiNi2A 制造飞机上的一些构样。（4）40CrNiMoA和34CrNi3MoA属于Cr-Ni-Mo系的调质钢，由于加人了质量分数为3%勺Ni和Mo,显着地提高了淬透性和抗回火软化的能力，对改善钢的韧性也有好处

6、，具有良好的综合性能，如强度高、韧性好、淬透性大等优点。主要用于高负荷、大截面的轴类以及承受冲击载荷的构件，如汽轮机、喷气涡轮机轴以及喷气式客机的起落架和 火箭发动机外壳等。中碳调质钢的挥接性分析1. 焊缝中的热裂纹中碳调质钢含碳量及合金元素含量较高， 焊缝凝固结晶时， 固一液相温度区间大， 结 晶偏析倾向严重，焊接时易产生结品裂纹，具有较大的热裂纹敏感性。例如 30CrMnSi 由于 C 、 Si 含量较高，因此热裂倾向较大。为了防止产生热裂纹，要求采用低碳低硅焊 丝（焊丝中碳的质量分数限制在 0.15%以下，最高不超过 0.25%），严格限制母材及焊 丝中的S P含量，对于重要产品的钢材和

7、焊丝，要求采用真空熔炼或电渣精炼，将S和P 总的质量分数限制在 0.025%以下。焊接中碳调质钢时，应考虑到可能出现热裂纹问题，尽可能选用碳含量低以及含S、P杂质少的焊接材料。在焊接工艺上应注意填满弧坑和保证良好的焊缝成形。因为热裂纹容易出现在未填满的弧坑处，特别是在多层焊时第一层焊道的弧坑中以及焊缝的凹陷 部位。2. 淬硬性和冷裂纹中碳调质钢的淬硬倾向十分明显， 焊接热影响区容易出现硬脆的马氏体组织， 增大了 焊接接头区的冷裂纹倾向。母材含碳量越高，淬硬性越大，焊接冷裂纹倾向也越大。中碳调质钢对冷裂纹的敏感性之所以比低碳调质钢大，除了淬硬倾向大外，还由于Ms点较低，在低温下形成的马氏体难以产

8、生 “自回火 ”效应。由于马氏体中的碳含量较高，有 很大的过饱和度，点阵畸变更严重，因而硬度和脆性更大，冷裂纹敏感性也更突出。屈服强度590980MPa的低、中碳调质钢的碳当量一般都超过了 0.5%,多数超过了 0.6%，属于高淬硬倾向的钢。 从碳当量来看， 中碳调质钢与低碳调质钢的差别不很显着。 二者的焊接性却差别很大。因此，中碳调质钢的冷裂倾向比低碳调质钢更为严重的原因 主要在马氏体的类型和性能上。 低碳马氏体有 ，自回火 ”作用，所以冷裂纹倾向较小。 分析各种钢的冷裂敏感性时，不仅要看焊接区的马氏体形成的倾向，还必须考虑到马氏 体的类型和性能。焊接中碳调质钢时， 为了防止冷裂纹， 应尽量

9、降低焊接接头的含氢量， 除了采取焊前 预热措施外，焊后须及时进行回火处理。此外，中碳调质超高强钢还具有应力腐蚀开裂 敏感性。这种应力腐蚀开裂常发生在水或高湿度空气等弱腐蚀性介质中。为了降低焊接 接头的应力腐蚀开裂倾向，应采用热量集中的焊接方法和较小的焊接热输人，避免焊件 表面的焊接缺陷和划伤。3. 热影响区的脆化和软化（1）热影响区脆化 中碳调质钢由于碳含最较高，合金元素较多，有相当大的淬硬倾向，马氏体转变温度（MS低，无“自回火”过程，因而在焊接热影响区容易产生大 量脆硬的马氏体组织（尤其是高碳、粗大的马氏体），导致热影响区脆化。生成的高碳 马氏体越多，脆化越严重。为了减少热影响区脆化， 从

10、减小淬硬倾向出发， 本应采用大热输人才有利， 但由于这 种钢的淬硬性强，仅通过增大热输人还难以避免马氏体的形成，柑反却增大了奥氏体的 过热，促使形成粗大的马氏体，反而使热影响区过热区的脆化更为严重。因此，防止热 影响区脆化的工艺措施主要是采用小热输入，同时采取预热、缓冷和后热等措施。因为 采用小热输人减少了高温停留时间，避免奥氏体晶粒的过热，同时采取预热和缓冷等措 施来降低冷却速度，这对改善热影响区的性能是有利的。（ 2）热影响区软化 焊前为调质状态的钢材焊接时，被加热到该钢调质处理的回火温度 以上时，焊接热影响区将出现强度、硬度低于母材的软化区。如果焊后不再进行调质处 理，该软化民可能成为降

11、低接头区强度的薄弱区。中碳调质钢的强度级别越高时，软化 问题越突出。因此，在调质状态下焊接时应考虑热影响区的软化问题。母材焊前所处的热处理状态不同， 软化区的温度范围和软化程度有很大差别。 低温回 火的钢材，热影响区软化区的温度范围越大，相对于母材的软化程度也越大。从韧性方 面出发，过热区是接头中最薄弱的环节；而从强度方面考虑，软化区是接头中最薄弱的 环节。中碳调质钢热影响区软化最明显的部位，是温度处于 AdAq,之间的区段，这与该 区段的不完全悴火过程有密切关系。 因为不完全淬火区的奥氏体成分远未达到平衡浓度， 铁素体和碳化物均未充分溶解，冷却时奥氏体易发生分解。造成这个区段的组织强度和 硬

12、度都较低。热影响区软化程度和软化区的宽度与焊接热输入、 焊接方法等有很大关系。 焊接热输 人越小，加热和冷却速度越快，软化程度越小，软化区的宽度越窄。 30CrMnSi 钢经气焊后，热影响区软化区的抗拉强度降为 590685MPa而采用焊条电弧焊时，软化区的抗拉 强度为8801030MPS。气焊时的热影响区软化区此电弧焊时宽得多因此焊接热源越集 中，对减少软化越有利。中碳调质钢的焊接工艺特点 中碳调质钢的淬透性很大，因此焊接性较差，焊后的淬火组织是硬脆的高碳马氏体， 不仅冷裂纹敏感性大，而且焊后若不经热处理时，热影响区性能达不到原来基体金属的 性能。中碳调质钢焊前母材所处的状态非常重要，它决定

13、了焊接时出现的问题性质和应 采取的工艺措施，而且对焊接工艺的要求和工艺参数的控制非常严格。1. 退火或正火状态下焊接中碳调质钢最好在退火 （或正火） 状态下焊接， 焊后通过整体调质处理获得性能满足 要求的焊接接头，这是焊接中碳调质钢的一种比较合理的工艺方案。这时焊接中所要解 决的主要是裂纹问题，热影响区和焊缝的性能通过焊后的调质处理来保证。选择焊接材 料的要求是不产生冷、热裂纹，而且要求焊缝金属与母材在同一热处理工艺下调质处理， 能获得相同性能的焊接接头。这种情况下对选择焊接方法几乎没有限制， 常用的一些焊接方法 （焊条电弧焊、 埋弧焊、TIG和MIG,等离子弧焊等）都能采用。在选择焊接材料时

14、，除了要求保证不产生冷、 热裂纹外，还有一些特殊要求，即焊缝金属的调质处理规范应与母材的一致，以保证调 质后的接头性能也与母材相同。因此，焊缝金属的主要合金组成应与母材相似，对能引 起焊缝热裂倾向和促使金属脆化的元素（如 C、 Si 、 S、 P 等）应加以严格控制。在焊后调质的情况下， 焊接参数的确定主要是保证在调质处理之前不出现裂纹， 接头 性能由焊后热处理来保证。因此可采用很高的预热温度（ 200350C）和层间温度。另 外，在很多情况下焊后往往来不及立即进行调质处理，为了保证焊接接头冷却到室温后 在调质处理前不致产生延迟裂纹，还须在焊后及时进行一次中间热处理。这种热处理一般是在焊后等于

15、或高于预热温度下保持一段时间， 目的是为了从两方面 来防止延迟裂纹：一是起到扩散除氢的作用；二是使组织转变为对冷裂纹敏感性低的组 织。当焊后处理温度高时，还有消除应力的作用。采用局部预热时，预热的温度范围离焊缝两侧应不小于 100mm焊后若不能及时调质处理应进行680C回火处理。产品结构复杂和有许多条焊缝时，焊完一定数量的焊缝后应及时进行中间回火处理，这样就能避免等到最后处理时，先焊接的部位已经出现延迟裂纹的问题。中间回火的次数，要根据焊缝的多少和产品结构的复杂程度来决定。对于 淬硬倾向更大的 30CrMnSiNi2A 来说，为了防止冷裂纹的产生，焊后须立即(焊缝处的 金属不能冷到低于250C

16、)将工件人炉加热到(650 10 C)或680E回火，然后按规定 进行调质处理。2. 调质状态下焊接如果必须在调质状态下焊接， 而且焊后不能再进行调质处理的焊接结构件， 这时的主 要问题是防止焊接裂纹和避免热影响区软化。除了裂纹外，热影响区的主要问题是：高 碳马氏体引起的硬化和脆化，以及高温回火区软化引起的强度降低。高碳马氏体引起的 硬化和脆化可以通过焊后的回火处理来解决。但高温回火区软化引起的强度下降，在焊 后不能调质处理的情况下是无法弥补的。由于焊后不再进行调质处理，焊缝金属成分可 与母材有差别。为了防止焊接冷裂纹，也可以选用塑韧性好的奥氏体焊条。为了消除热影响区的淬硬组织和防止延迟裂纹的

17、产生， 必须适当采用预热、 层间温度 控制、中间热处理，并应焊后及时进行回火处理。上述工艺过程的温度控制应比母材淬火后的回火温度至少低50 C。为了减少热影响区的软化。 从焊接方法考虑， 应该是采用热量越集中、 能量密度越大 的方法越有利，而且焊接热输入越小越好。这一点与低碳调质钢的焊接是一致的。因此 气焊在这种情况下是最不合适的，气体保护焊比较好，特别是钨极缸弧焊，它的热量比 较容易控制，焊接质量容易保证，因此常用它来焊接一些焊接性很差的高强钢。另外， 脉冲氢弧焊、等离子弧焊和电子束焊等工艺方法，用于这类钢的焊接是很有前途的。从 经济性和方便性考虑，目前在焊接这类钢时，焊条电弧焊还是用得最为

18、普遍。对于必须在调质状态下焊接， 而且焊后不能再进行调质处理的焊接结构件， 这时热影 响区性能的下降是很难解决的。因此，应采用尽可能小的焊接热输人。由于焊后不再进行调质处理， 选择焊接材料时没有必要考虑成分和热处理规范与母材相匹配的问题。从防止焊接冷裂纹的要求出发，可以采用塑韧性较好的奥氏体铭镍钢焊 条或镍基焊条。这时在工艺上应注意到异种钢焊接时的一些特点。例如在调质状态下焊接30CrMnSiA和30CrMnSilVi2A时采用镍基奥氏体焊条，焊后采用 250E x 2h或更长时间的低温回火处理。在焊接像 30Cr14M nSiNi2A淬硬倾向很大的钢材时，除了焊后 低温回火外，还要采取一定的预热措施，预热温度应低于母材淬火后的回火温度，一般 采用的预热和层间温度为 200250E。3. 焊接方法及焊接材料1）焊接方法 中碳调质钢常用的焊接方法有焊条电弧焊、气体保护焊、埋弧焊等。采用热量集中的脉冲氢弧焊、等离子弧焊及电子束焊等方法，有利于减小焊接热影响区 宽度，获得细晶组织，提高焊接接头的力学性能。一些薄板焊接多采用气体保护焊、钨 极缸弧焊和微束等离