第三章_低合金钢焊接

1、金属焊接基础主讲：叶喜葱主讲：叶喜葱第三章第三章 低合金钢焊接及工程应用低合金钢焊接及工程应用 第五节第五节 低温用钢的焊接低温用钢的焊接 第四节中碳调质钢的焊接第四节中碳调质钢的焊接 第三节低碳低合金调质钢的焊接第三节低碳低合金调质钢的焊接第二节第二节 热轧及正火钢的焊接热轧及正火钢的焊接第一节第一节 低合金钢概述低合金钢概述 复习思考题复习思考题 第六节第六节 低合金耐腐蚀钢的焊接低合金耐腐蚀钢的焊接 v低合金钢实在碳素钢的基础上添加一定量的低合金钢实在碳素钢的基础上添加一定量的合金元素冶炼而成的，其合金元素的质量分合金元素冶炼而成的，其合金元素的质量分数一般不超过数一般不超过5%（10%

2、-中合金），加入合中合金），加入合金元素的目的，是在保证足够的塑性和韧性金元素的目的，是在保证足够的塑性和韧性的基础上获得较高的强度或满足结构工作条的基础上获得较高的强度或满足结构工作条件提出的特殊要求，如耐低温、耐高温或耐件提出的特殊要求，如耐低温、耐高温或耐腐蚀等。腐蚀等。第一节 低合金钢概述合金结构钢的应用领域很广，种类繁多，可按化学成分、合金系统、组织状态、用途或使用性能等方面进行分类。合金元素在钢中的作用一、对钢中基本相的影响一、对钢中基本相的影响 合金元素在钢中存在的形式有两类型，一种是溶合金元素在钢中存在的形式有两类型，一种是溶解到碳钢原有的相中，另一种是形成新相，存在形式解到碳

3、钢原有的相中，另一种是形成新相，存在形式决定于元素的数量和性质。其中关键在于元素与碳的决定于元素的数量和性质。其中关键在于元素与碳的亲和力。亲和力。 非碳化物形成元素非碳化物形成元素 这类元素与碳的亲合力比铁这类元素与碳的亲合力比铁弱，常用元素主要有弱，常用元素主要有NiNi、CoCo、SiSi、AlAl、B B等。它们等。它们在低温时溶解在铁素体中，高温时溶解于奥氏体中。在低温时溶解在铁素体中，高温时溶解于奥氏体中。所有元素的溶入，由于固溶强化的结果，均提高材所有元素的溶入，由于固溶强化的结果，均提高材料的强度和硬度。料的强度和硬度。CrCr、NiNi、MnMn少量溶入时，对塑性少量溶入时，

4、对塑性影响不大，而因强度的提高了材料的韧性；当数量影响不大，而因强度的提高了材料的韧性；当数量过多或其他一些元素的加入会对材料的塑性带来少过多或其他一些元素的加入会对材料的塑性带来少量的下降量的下降。 碳化物形成元素碳化物形成元素 这类元素与碳的亲合力比铁强，这类元素与碳的亲合力比铁强，常用元素主要有常用元素主要有MnMn、CrCr、W W、MoMo、V V、ZrZr、NbNb、TiTi等。等。量少时溶入渗碳体中，形成合金渗碳体量少时溶入渗碳体中，形成合金渗碳体 (Fe,M)(Fe,M)3 3C C，一般合金渗碳体都比一般合金渗碳体都比FeFe3 3C C稳定，在奥氏体中的溶解稳定，在奥氏体中

5、的溶解和聚集长大比和聚集长大比FeFe3 3C C难。当钢中合金元素和碳量都较难。当钢中合金元素和碳量都较高时，可形成稳定性更高的合金碳化物，常见的有高时，可形成稳定性更高的合金碳化物，常见的有MnMn3 3C C、CrCr7 7C C3 3、CrCr2323C C6 6、FeFe4 4W W2 2C C、WCWC、MoCMoC、VCVC、TiCTiC等，它们具有比渗碳体更高的熔点和更高的硬度。等，它们具有比渗碳体更高的熔点和更高的硬度。 与碳、碳之外的其他元素的结合与碳、碳之外的其他元素的结合 合金元素与非合金元素与非金属元素金属元素N N、O O、S S结合，生产夹杂物，钢中常见的结合，生

6、产夹杂物，钢中常见的有有TiNTiN、AlNAlN、SiOSiO2 2、AlAl2 2O O3 3、MnSMnS、NiNi3 3AlAl、NiNi3 3TiTi等。等。此外此外PbPb、CuCu、C(C(石墨石墨) )以游离态的方式存在于钢中。以游离态的方式存在于钢中。 二、对铁碳相图的影响 扩大扩大相区相区 合金元素的加入，使合金元素的加入，使A3A3线下移，而线下移，而A4A4上扬，扩上扬，扩大了大了相区。这类元素有相区。这类元素有MnMn、NiNi、CoCo、N N等，也称为等，也称为相稳定相稳定化元素。碳也是属于扩大化元素。碳也是属于扩大相区的元素。当它们的含量增加，相区的元素。当它们

7、的含量增加，A1A1线也下移。当它们的含量超过一定量后，以致在室温下只线也下移。当它们的含量超过一定量后，以致在室温下只有单相的奥氏体存在，即有单相的奥氏体存在，即A1A1点降到室温以下或根本不出现点降到室温以下或根本不出现fccfcc向向bccbcc的转变，这时的钢称为奥氏体类型钢。的转变，这时的钢称为奥氏体类型钢。缩小缩小相区相区 合金元素的加入，使合金元素的加入，使A3A3线上移，而线上移，而A4A4下移，为下移，为缩小缩小相区，这类元素有相区，这类元素有CrCr、MoMo、W W、V V、TiTi、AlAl、SiSi等，也等，也称为称为相稳定化元素。当碳的含量较低，缩小相稳定化元素。当

8、碳的含量较低，缩小相区的合金相区的合金元素使元素使A3A3线在线在G G点以上，点以上，A4A4线在线在N N点以下，两线相遇，造成点以下，两线相遇，造成相区封闭，含量超过一定量后，致在室温下的铁素体升温直相区封闭，含量超过一定量后，致在室温下的铁素体升温直到溶化也不出现到溶化也不出现bccbcc向向fccfcc的转变，即的转变，即相和高温的相和高温的相区相相区相通。另外，通。另外，B B、NbNb、ZrZr只能缩小只能缩小相区，而达不到封闭。相区，而达不到封闭。 影响共析点影响共析点S S的成分的成分 合金元素的加入，随着对合金元素的加入，随着对相区的缩小相区的缩小或扩大，除造成或扩大，除造

9、成A1A1温度的上升或下降外，对温度的上升或下降外，对S S点还会造成左右点还会造成左右移动，即改变移动，即改变S S点的成分。统计表明，几乎所有的元素都使点的成分。统计表明，几乎所有的元素都使S S点左移，同时点左移，同时E E点也随之左移。例如在点也随之左移。例如在MoMo、W W、TiTi含量高的钢含量高的钢中，中，0.30.30.4%0.4%的碳量已是过共析钢，而含碳量达到的碳量已是过共析钢，而含碳量达到0.80.81.01.0就超过了就超过了E E点，在钢的组织中出现了莱氏体。点，在钢的组织中出现了莱氏体。 三、对相变过程的影响 1 1加热转变加热转变 奥氏体形成速度奥氏体形成速度

10、合金元素与碳的亲和力明显的影响碳的迁移速合金元素与碳的亲和力明显的影响碳的迁移速度。其中非碳化物元素中部分，度。其中非碳化物元素中部分，CoCo、NiNi可加速奥氏体化，另可加速奥氏体化，另一些作用不明显，但不会减慢；碳化物元素中部分，一些作用不明显，但不会减慢；碳化物元素中部分，CrCr、MoMo、W W、V V、TiTi大大减慢奥氏体的形成，另一些作用不明显，但不大大减慢奥氏体的形成，另一些作用不明显，但不会加速。所有元素在奥氏体中的需要均匀化，故奥氏体化的会加速。所有元素在奥氏体中的需要均匀化，故奥氏体化的时间必需加长。有些强碳化物元素在奥氏体中溶解十分困难，时间必需加长。有些强碳化物元

11、素在奥氏体中溶解十分困难，奥氏体化的温度有的要求奥氏体化的温度有的要求1000100011001100或更高。或更高。奥氏体的晶粒度奥氏体的晶粒度 奥氏体化中的晶粒长大过程，随着与碳的结合奥氏体化中的晶粒长大过程，随着与碳的结合力的增加，表现出阻碍作用。强碳化物形成元素，如力的增加，表现出阻碍作用。强碳化物形成元素，如V V、TiTi、NbNb、ZrZr就可以强烈阻止奥氏体晶粒生长；一般碳化物形成元就可以强烈阻止奥氏体晶粒生长；一般碳化物形成元素，如素，如W W、MoMo、CrCr可以一定程度的阻止奥氏体晶粒生长；非碳可以一定程度的阻止奥氏体晶粒生长；非碳化物形成元素，如化物形成元素，如SiS

12、i、NiNi、CuCu对奥氏体晶粒几乎不发生影响；对奥氏体晶粒几乎不发生影响；而而MnMn、P P会促进奥氏体晶粒的长大。会促进奥氏体晶粒的长大。 1 1对过冷奥氏体分解对过冷奥氏体分解 合金元素对过冷奥氏体分解的影响其实反映在对钢合金元素对过冷奥氏体分解的影响其实反映在对钢的的TTTTTT曲线的影响。曲线的影响。淬透性淬透性 CoCo使使C C曲线左移，降曲线左移，降低钢的淬透性，其它元素都使低钢的淬透性，其它元素都使C C曲线右移，提高淬透性。曲线右移，提高淬透性。马氏体点马氏体点 除除SiSi、AlAl外，这些外，这些元素还会使钢的马氏体点的温元素还会使钢的马氏体点的温度下降。降低钢的马

13、氏体点，度下降。降低钢的马氏体点，在淬火到室温时的残余奥氏体在淬火到室温时的残余奥氏体增加。增加。 1 1对过冷奥氏体分解对过冷奥氏体分解 对对C C曲线的形状曲线的形状 其中主其中主要表现为要表现为C C曲线弯曲出现曲线弯曲出现两个鼻尖，珠光体转变两个鼻尖，珠光体转变和贝氏体转变各对应一和贝氏体转变各对应一个，严重的造成这两个个，严重的造成这两个转变曲线分离，中间出转变曲线分离，中间出现一亚稳区，有的对其现一亚稳区，有的对其中某一种转变有抑制作中某一种转变有抑制作用，两个鼻尖一前一后，用，两个鼻尖一前一后，而严重时，其中的某一而严重时，其中的某一中转变受抑制，而只能中转变受抑制，而只能发生一

14、种转变，如出现发生一种转变，如出现贝氏体钢贝氏体钢 。四、对回火转变的影响 1 1提高了钢的回火稳定性提高了钢的回火稳定性 回火稳定性是表示钢对于回火时发生软化过程的抵抗能力。回火稳定性是表示钢对于回火时发生软化过程的抵抗能力。 提高回火稳定性表现为许多合金元素可以使回火过程中各个提高回火稳定性表现为许多合金元素可以使回火过程中各个转变速度减慢，或完成或达到同样的回火效果需要更高的温度。转变速度减慢，或完成或达到同样的回火效果需要更高的温度。这是由于它们减缓碳的扩散，推迟马氏体分解，在高温下碳化这是由于它们减缓碳的扩散，推迟马氏体分解，在高温下碳化物的长大速度也被减缓。同样温度下回火的硬度就较

15、高。物的长大速度也被减缓。同样温度下回火的硬度就较高。 2 2产生二次硬化效果产生二次硬化效果 一些含一些含W W、MoMo、V V较高的钢中，回火温度升高到一定程度后，较高的钢中，回火温度升高到一定程度后，出现硬度上升，一般在出现硬度上升，一般在500500600600中出现一硬度的高峰值，这中出现一硬度的高峰值，这种现象称为种现象称为“二次硬化二次硬化”。 淬火后的残余奥氏体较多且十分稳定，在回火时并未发淬火后的残余奥氏体较多且十分稳定，在回火时并未发生转变，而内应力大大减小，在冷却时这些奥氏体又部分的发生转变，而内应力大大减小，在冷却时这些奥氏体又部分的发生马氏体转变，材料的硬度得到提高

16、；在生马氏体转变，材料的硬度得到提高；在500500600600下，马下，马氏体才出现分解，析出的高硬度的碳化物弥散细小，自身硬度氏体才出现分解，析出的高硬度的碳化物弥散细小，自身硬度高，同时强化了铁素体的基体。高，同时强化了铁素体的基体。 3 3出现第二类回火脆性出现第二类回火脆性 回火脆性是钢在淬火后回火时，在一定的温度范围内，韧回火脆性是钢在淬火后回火时，在一定的温度范围内，韧性出现谷值，或表现出明显的脆化现象称为回火脆性。性出现谷值，或表现出明显的脆化现象称为回火脆性。 一般的碳钢和合金钢在一般的碳钢和合金钢在350350附附近回火都出现这种现象，称为第一近回火都出现这种现象，称为第一

17、类回火脆性，通常是不可避免的，类回火脆性，通常是不可避免的，所以回火不宜在这个温度进行。部所以回火不宜在这个温度进行。部分合金钢在分合金钢在500500650650回火后缓冷回火后缓冷时，也出现韧性下降，称为第二类时，也出现韧性下降，称为第二类回火脆性，通常认为是部分合金元回火脆性，通常认为是部分合金元素如素如NiNi、CrCr、MnMn或杂质或杂质S S、P P等在晶等在晶界处出现偏聚有关，只要在回火后界处出现偏聚有关，只要在回火后采用较快的速度冷却，如在水或油采用较快的速度冷却，如在水或油中冷却，就可以避免第二类回火脆中冷却，就可以避免第二类回火脆性的产生。性的产生。 v低合金钢分类低合金

18、钢分类v近年来这类钢又开发出具有很大发展前途的新钢种，如微合金化控轧钢、焊接无裂纹钢（CF钢）、抗层状撕裂钢（Z向钢）和焊接大热输入钢等，主要用在严寒地区输油管线、海上采油平台、大型压力容器、大型水轮机蜗壳和大跨度全焊接桥梁等工程中。v国内外常见的合金结构钢的牌号见表3-1。 类类 型型类别类别屈服点屈服点/MPa/MPa常用钢牌号常用钢牌号高高强强度度钢钢热轧及热轧及正火钢正火钢295295490490Q295(Cu)Q295(Cu)、09Mn2Si09Mn2Si、Q345(Cu)Q345(Cu)、Q390Q390、Q390(Cu)Q390(Cu)、Q420Q420、18MnMoNb18Mn

19、MoNb、14MnMoV14MnMoV、WH530WH530、X60X60、D36D36低碳低碳调质钢调质钢49049098098014MnMoVN14MnMoVN、14MnMoNbB14MnMoNbB、WCF60WCF60、WCF62WCF62、HQ70HQ70、HQ80HQ80、HQ100HQ100、T-1T-1、HY80HY80、HY110HY110中碳中碳调质钢调质钢8808801176117635CrMoA35CrMoA、35CrMoVA35CrMoVA、30CrMnSiA30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A30CrMnSiNi2A、40CrMnSiMoVA40CrMnSiM

20、oVA、40CrNiMoA40CrNiMoA、34CrNi3MoA34CrNi3MoA专专用用钢钢珠光体耐热珠光体耐热钢钢26526564064012CrMo12CrMo、15CrMo15CrMo、2.25Cr1Mo2.25Cr1Mo、12Cr1MoV12Cr1MoV、15Cr1Mo1V15Cr1Mo1V、12Cr5Mo12Cr5Mo、12Cr9Mo112Cr9Mo1、12Cr2MoWVB12Cr2MoWVB、12Cr3MoVSiTiB12Cr3MoVSiTiB低温钢低温钢34334358558509Mn2V09Mn2V、06AlCuNbN06AlCuNbN、2.5Ni2.5Ni、3.5Ni3

21、.5Ni、5Ni5Ni、9Ni9Ni低合金耐蚀低合金耐蚀钢钢- -12MnCuCr12MnCuCr、09MnCuPTi09MnCuPTi、09CuPCrNi09CuPCrNi、12AlMoV12AlMoV、12AlMo12AlMo、15Al3MoWTi15Al3MoWTi表3-1低合金高强钢(强度用钢 )低合金特殊用钢（专用钢） 合金结构钢(按用途)珠光体耐热钢 低温钢 低合金耐蚀钢 热轧及正火钢低碳调质钢中碳调质钢（1）热轧及正火钢 v屈服点为295490MPa，在热轧或正火状态下使用，属于非热处理强化钢，包括微合金化控轧钢、焊接无裂纹钢和抗层状撕裂钢，尽管采用了不同的冶炼和控轧技术，但从本

22、质上讲它们都属于正火钢。v这类钢广泛应用于常温下工作的各种焊接结构，如压力容器、动力设备、工程机械、桥梁、建筑结构和管线等。（2）低碳调质钢 v屈服点为490980MPa，在调质（淬火+高温回火）状态下供货使用，属于热处理强化钢。其特点是含碳量较低（碳的质量分数一般低于0.22%）、合金元素总量低于5%，既有高的强度，又有良好的塑性和韧性，可以直接在调质状态下进行焊接，焊后也不需进行调质处理。v这类钢在焊接结构中也得到越来越广泛的应用，主要用于大型机械工程、压力容器及舰船等。（3）中碳调质钢 v屈服点一般在8801176MPa或以上，钢中含碳量比低碳调质钢高（碳的质量分数为0.25%0.5%）

23、，也属于热处理强化钢。其淬硬性比低碳调质钢高很多，具有很高的强度和硬度，但韧性较低，给焊接带来很大的困难，因此一般是在退火状态下焊接，焊后再进行整体热处理来达到所要求的强度和硬度。v这类钢主要用于强度要求很高的产品或部件，如飞机起落架、火箭发动机壳体等。2专用钢v专用钢是指专门用于在特定条件下工作的机械零件和工程结构的钢。按用途不同分为珠光体耐热钢、低温钢和低合金耐蚀钢。（1）珠光体耐热钢 v具有较好的高温强度和高温抗氧化性，其最高工作温度为500600，可用于在这一温度下工作的动力设备和化工设备等。它是以Cr、Mo为基础的低中合金钢。随着使用温度的提高，钢中往往还加入W、V、Nb、B等合金元

24、素。（2）低温钢 v具有良好的低温韧性，其工作温度为-40-196，可用于各种低温容器（液化石油气-45、液化天然气-162）、严寒地区的工程结构（桥梁、管道等）和露天矿山机械等。这类钢中大部分含有Ni，一般在正火或调质状态下使用，和普通低合金钢的区别在于除具有满足要求的的强度外，还必须具有足够的低温韧性。（3）低合金耐蚀钢 v除具有一般的力学性能外，还必须满足耐腐蚀性能的特殊要求，主要用于在大气、海水、石油化工等腐蚀性介质中工作的各种零件和结构。由于所处介质不同，耐蚀钢的成分和类型也不同，应用最多的是耐大气和海水腐蚀用钢。第二节第二节 热轧及正火钢的焊接热轧及正火钢的焊接热处理屈服强度/ M

25、Pa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 屈服强度为294490MPa，在热轧或正火状态下使用，属于非热处理强化钢。v 强化机理： 热轧钢：固溶强化（Si、Mn） 正火钢：固溶强化 + 沉淀强化+细晶强化（ V、Ti、Mo、Nb） 正火钢的强化方式多于热轧钢，因此其强度一般高于热轧钢， 另外也可以看出，热轧及正火钢基于其强化机理，强度直接取决于合金元素的含量，强度要求越高，所需加入的合金元素元素越多，但合金元素增加所带来的塑性、韧性损失越大。 热轧及正火钢价格便宜，综合力

26、学性能较好,广泛应用于常温下工作的一些受力结构，如压力容器、动力设备、工程机械、桥梁、建筑结构和管线等。第二节第二节 热轧及正火钢的焊接热轧及正火钢的焊接一、热轧钢及正火钢的成分和性能一、热轧钢及正火钢的成分和性能二、热轧钢及正火钢的焊接性分析二、热轧钢及正火钢的焊接性分析三、热轧钢及正火钢的焊接工艺三、热轧钢及正火钢的焊接工艺四、典型钢种的焊接实例四、典型钢种的焊接实例 一、热轧钢及正火钢的成分和性能一、热轧钢及正火钢的成分和性能 热轧钢热轧钢屈服强度：（屈服强度：（294294343343）MPaMPa级级合金系：合金系：C-MnC-Mn或或Mn-SiMn-Si系系（主要通过（主要通过 S

27、iSi、MnMn的固的固溶强化作用保证其强度）溶强化作用保证其强度） 基本成分：基本成分：C0.2%C0.2%，Si0.55%Si0.55%，Mn1.5% Mn1.5% v成分特点：成分特点：a. a. 含碳量低含碳量低塑性、韧性较好塑性、韧性较好b b常用常用SiSi和和MnMn作为主加合金化元素作为主加合金化元素产生固产生固溶强化获得高强度溶强化获得高强度MnMn的应用普遍的应用普遍（Si的质量分数超过0.6%后对冲击韧性不利，使韧脆转变温度提高；C的质量分数超过0.3%和Mn的质量分数超过1.6%后，焊接时易出现裂纹，在热轧钢焊接区还会出现脆性的淬硬组织） 。 c c在特殊状态下加入了少

28、量的在特殊状态下加入了少量的V V和和NbNb沉淀强沉淀强化和细晶强化化和细晶强化典型钢种：典型钢种：16Mn16Mn，组织：细晶铁素体，组织：细晶铁素体+ +珠光体珠光体 15MnV V15MnV V细化晶粒和沉淀强化（细化晶粒和沉淀强化（390MPa390MPa） 使用状态：使用状态：一般在热轧状态下使用，但在特殊情一般在热轧状态下使用，但在特殊情况下（要求况下（要求冲击韧性或板厚），最好在正火状冲击韧性或板厚），最好在正火状态下使用。态下使用。 v 正火钢正火钢： 当要求钢的屈服强度s392MPa后，在固溶强化的同时，必须加强合金元素的沉淀强化作用。正火钢是在固溶强化的基础上，加入一些碳

29、、氮化合物形成元素（如V、Nb、Ti和Mo等），通过沉淀强化和细化晶粒进一步提高钢材的强度和保证韧性。 成分特点：热轧钢的成分 + V、Ti、Mo、Nb 强化机理： 固溶强化 + 沉淀强化+细化晶粒 屈服强度：（343490）MPa 使用状态：正火 正火处理的目的是为了使钢中合金元素形成的碳、氮化合物以细小的化合物质点从固溶体中沉淀析出，弥散分布在晶内和晶界，产生沉淀强化，并起细化晶粒的作用，可以在提高钢材强度的同时，改善钢材的塑性和韧性，避免过分固溶强化所造成的脆性。 对于含Mo钢来说，正火后还必须进行回火才能保证良好的塑性和韧性。因此，正火钢又可分为：1)1)正火状态下使用的钢正火状态下使

30、用的钢v 除15MnTi外，主要是V、Nb钢：15MnV 利用V、Nb元素形成的碳、氮化物弥散质点所起的沉淀强化和细化晶粒的作用来达到良好的综合性能v 此外15MnVN、美国的737C、德国的FG39加入N形成Mn-V-N系列钢，由于增加了氮化钒的沉淀强化作用，使屈服强度s由Mn-V钢的392MPa提高到441MPa， v 其主要特点是屈强比（s/b）较高 2) 2)正火正火+ +回火状态下使用的钢：回火状态下使用的钢： 这类钢主要是指含Mo钢，如14MnMoV、18MnMoNb等在低合金钢中加入一定量的Mo，可细化晶粒，提高强度，还可以提高钢材的中温性能。因此含Mo的低合金正火钢适于制造中温

31、厚壁压力容器。但含Mo钢在较高的正火温度或较快速度的连续冷却下，得到的组织为上贝氏体和少量的铁素体，其韧性和焊接性较差，因此正火钢必须回火处理以改善钢材的塑性和韧性。 3) 3)微合金化控轧钢微合金化控轧钢 采用微合金化（加入微量采用微合金化（加入微量NbNb、V V、Ti ) Ti ) 和和控制轧制技术达到细化晶粒和沉淀强化相结控制轧制技术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合的效果，同时从冶炼工艺上采取了降C C降降S S，改变夹杂物形态，提高钢的纯度等措施，使改变夹杂物形态，提高钢的纯度等措施，使钢具有均匀的细晶粒等轴铁素体基体。钢具有均匀的细晶粒等轴铁素体基体。

32、X70X70除加微量除加微量NbNb、V V、Ti Ti 外，还加入外，还加入NiNi、CrCr、CuCu、MoMo。 焊接性理论分析的基本内容：(1)了解金属材质的性质：成分、类别、强度等级、供货状态、力学性能、特殊性能（分析金属焊接性的基本依据）(2)对金属进行焊接性分析 焊接加工性 焊接性 使用性能接头是否产生缺陷：各种类型的裂纹HAZ的性能变化： 脆化、软化二、二、 热轧及正火钢的焊接性分析热轧及正火钢的焊接性分析(3)制定焊接工艺 关于焊接方法的选用 关于焊接材料的选用 预热温度 层间温度 关于焊接工艺参数的制定 后热温度 焊接E 焊后热处理焊接工艺 二、热轧钢及正火钢的焊接性分析

33、低合金钢的焊接性主要取决于它的化学成分和轧制工艺。随着钢材强度级别的提高和合金元素含量的增加，焊接性也随之发生变化。焊接性通常表现为两方面的问题：一是裂纹问题，一是接头的脆化问题。 二、热轧钢及正火钢的焊接性分析 低合金钢的焊接性主要取决于它的化学成分和轧制工艺。随着钢材强度级别的提高和合金元素含量的增加，焊接性也随之发生变化。焊接性通常表现为两方面的问题：一是裂纹问题，一是接头的脆化问题。 1、焊缝中的热裂纹 形成机理：主要是由于焊缝结晶时，硫在晶间形成了低熔点的硫化物和共晶体，因此，S对高强钢热裂纹的形成起着直接的有害作用。 其次，S的有害作用还与钢中的其它元素密切相关，例如钢中的C、Si

34、会促使S在晶界的偏析，因此会促进S的有害作用, 而Mn却能抵消它的有害作用。 焊缝中的碳含量越高，为了防止硫的有害作用所需的Mn含量也要求越高；随着碳含量的增加，要求Mn/S比也提高。当Wc=0.12%时，Mn/S比不应低于10，而Wc= 0.16%时，Mn/S比就应大于40才能不出现热裂纹。 判定依据：以Mn/S、Wc来评定焊缝的热裂倾向 总体而言，热轧及正火钢热裂倾向小原因： v 含碳量低（0.2%）v 含Mn量较高，Mn/S一般能达到规定要求 因此，热轧及正火钢具有较好的抗热裂性能，焊接过程中的热裂纹倾向较小，正常情况下焊缝中不会出现热裂纹。但个别情况下，当材料成分不合格或严重偏析局部C

35、、SMn/S焊缝中也会出现热裂 冶金措施 降低焊缝含碳量 适当提高焊缝含锰量，但太多，晶粒长大 工艺措施 设法减少熔合比 焊速不宜过大 采用引弧板和熄弧板 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 焊缝的含H量冷裂纹 接头的拘束度 钢种的淬硬倾向被焊材料工艺、结构因素2、冷裂纹 因此，仅从材料本身看，钢种的淬硬倾向是引起冷裂纹的决定因素。钢种的淬硬倾向越大，其冷裂倾向越大，焊接时是否形成对氢致裂纹敏感的淬硬组织是评定材料焊接性的一个重要指标。而淬硬倾向可以通过焊接热影响区连续冷却。转变图（SHCCT）或钢材的连续冷却组织转变图（CCT）来进行分析。 a 淬硬倾向与冷裂纹倾

36、向的关系 ：1）热轧钢的淬硬倾向和冷裂倾向： 热轧钢含C量不高，但含有少量的合金元素， 其淬硬倾向稍大于低碳钢，并且随着钢材强度级别的提高，淬硬倾向逐渐增大。v 与低碳钢相比，Q345在连续冷却时，珠光体转变右移较多，使快冷过程中（如图3-4a上的c点以左）铁素体析出后剩下的富碳奥氏体来不及转变为珠光体，而是转变为含碳较高的贝氏体和马氏体，具有淬硬倾向。a厚板手弧焊：V冷较快 b.薄板或埋弧焊：V冷慢低碳钢：F（大量）+P+B+M（少量） F（大量）+ P16Mn ： F（少量）+B+M（多） F（大量）+ P 分析表明：环境温度很低或钢板厚度很大，热轧钢有一定冷裂倾向2）正火钢的淬硬倾向和冷

37、裂倾向： 由于正火钢的强度级别较高，Me的含量也较多，因此正火钢的淬硬倾向大于热轧钢； 正火钢由于强度级别不同，其淬硬倾向和冷裂倾向相差较大，但总的说来，随着强度级别的提高，钢材的淬硬倾向和冷裂倾向都将 例如15MnVN和18MnMoNb相比（见图3-5a、b），两者的淬硬倾向差别较大。18MnMoNb的过冷奥氏体比15MnVN稳定得多，特别是在高温转变区。因此，18MnMoNb冷却下来很容易得到贝氏体和马氏体，它的整个转变曲线比15MnVN靠右，淬硬性高于Q420 15MnVN ，故冷裂敏感性也比较大。 b b 碳当量与冷裂纹倾向的关系碳当量与冷裂纹倾向的关系 冷裂倾向冷裂倾向 淬硬倾向淬硬

38、倾向 化学成分化学成分碳的作用碳的作用 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。v 热轧钢：C CE E0.0., ,无淬硬倾向、冷裂倾向，焊接性良好，不需预热和严格控制E。但在钢板厚度过大或环境温度很低时，要均匀预热和E 正火钢： CE=（0.40.6）: 强度级别较低：15MnVN：CE0.5%，淬硬倾向大，焊接性较差，要采取严格的工艺措施 3 3、再热裂纹：、再热裂纹： 再热裂纹是焊接结构在焊后消除应力的热处再热裂纹是焊接结构在焊后消除应力的热处理过程中或者是焊后再次高温加热过程所产理过程中或者是焊后再次高温加热过程所产生的一种裂纹。（生的一种裂纹。（含含Mo

39、Mo正火钢厚壁压力容器正火钢厚壁压力容器及其他有沉淀强化的钢或合金，如珠光体耐及其他有沉淀强化的钢或合金，如珠光体耐热钢、奥氏体不锈钢等）热钢、奥氏体不锈钢等）v形成再热裂纹的成分条件是形成再热裂纹的成分条件是： 钢中要含有一定数量的强碳化物形成元素：钢中要含有一定数量的强碳化物形成元素：如如V V、TiTi、MoMo、Nb Nb v 热轧钢：属于固溶强化钢，C-Mn和Mn-Si系一般不含有强碳化物形成元素，因此热轧钢对再热裂纹并不敏感v 正火钢：也是以固溶强化为主，但还具有少许的沉淀强化，钢中含有少量的强碳化物形成元素，从理论上一般认为正火钢具有轻微的再热裂纹倾向。但实践证明它对再热裂纹不敏

40、感。如15MnVNv 正火正火+ +回火钢：回火钢：Mo、V或Mo、Nb共存的正火+回火钢，如18MnMoNb、14MnMoV则有轻微的再热裂纹敏感性。 可采取提高预热温度或焊后立即后热等措施来防止再热裂纹的产生。如18MnMoNb只要将预热温度中消除冷裂纹需要的180（板厚60mm）提高到220后就能防止再热裂纹。如果提高预热温度有困难，可在180预热条件下焊后立即进行1802h的后热也能有效地防止再热裂纹的产生。 4、层状撕裂： 层状撕裂是一种特殊形式的裂纹，它主要发生于要求熔透的角接接头或T形接头的厚板结构中，（在热影响区甚或远离热影响区的母材中）。大型厚板焊接结构（如海洋工程、锅炉吊架

41、、核反应堆及船舶等）焊接时，如果在钢材厚度方向承受较大的拉伸应力时，可能沿钢材轧制方向发生呈明显阶梯状的层状撕裂。 层状撕裂的产生原因： 钢中的非金属夹杂物，如硫化物、硅酸盐或氧化物夹杂等沿平行于轧制的方向呈片状、层状分布或大量成片地密集于同一平面内，由于夹杂物与基体金属的结合薄弱，这种分布形态将导致钢板在板厚方向（Z向）上塑性降低，当Z向拘束力足够大时，夹杂物与基体金属就将产生开裂，并最终发展成层状撕裂。 从钢材本质来说，层状撕裂的产生主要取决于冶炼质量，即取决于钢中非金属夹杂物的形态、大小以及数量。其中层片状硫化物的影响最为严重。因此，一般把钢中的硫含量和Z向断面收缩率作为评定钢材层状撕裂

42、敏感性的主要指标。 由于热轧及正火钢是在一般的冶炼条件下生产，并没有严格控制钢液成分，没有采取特殊的脱S、除气以及夹杂物形态控制措施，因此， 它们一般都具有层状撕裂倾向。 热轧钢是在热轧状态下使用，由于轧制，钢中可能存在明显的非金属夹杂物带状组织。而正火钢由于在热轧以后进行了正火处理，钢中的带状组织已经消除，板厚方向上的塑性有所改善。因此正火钢的层状撕裂倾向较热轧钢小。 层状撕裂的产生不受钢材种类和强度级别的限制，从Z向拘束力考虑，层状撕裂与板厚有关，板厚越大，钢板的刚性越大， Z向拘束力也越大。一般认为板厚在16mm以下不会产生层状撕裂。当板厚16mm时，应检查母材带状偏析。严重时采取预热。

43、 合理选择层状撕裂敏感性小的钢材、改善接头形式以减轻钢板Z向所承受的应力应变、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及采用预热及降氢等辅助措施，有利于防止层状撕裂的发生。5、焊接接头的脆化 焊接接头中被加热到1200以上，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)向A的溶入过程。这些过程与钢种成分和焊接E共同作用往往会导致焊接过热区脆化，例如：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其在

44、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 1）过热区的脆化）过热区的脆化v 热轧钢过热区的脆化原因：a形成了粗大的魏氏组织 E过大b形成了高碳M等淬硬组织 E过小、Wc偏高 影响因素：E、Wc焊接E： 决定高温停留时间t tH H、接头V冷冷v E，t tH H、V冷冷魏氏组织（粗晶脆化）v E，V冷冷淬硬组织（淬硬脆化） Wc：Wc偏低： 低碳M（脆化不明显）Wc偏高： 高碳M（脆化显著）16Mn：Wc=0.12%0.2%v Wc偏低0.14%时：E过大，形成了魏氏组织 E过小，形成了高碳M 正火钢

45、： 正火钢的过热区脆化除了与晶粒粗化有关外，还主要与其强化基理和合金化方式有关 V、Ti、Mo、Nbv 常温时：合金元素以化合物的形式存在最好，但Me固溶在F 使F产生晶格畸变硬度、脆性v 高温下：化合物（沉淀相）又溶解在A中 慢冷（正火） Me再次以化合物的形式沉淀析出 快冷（焊接） Me固溶在F中，脆性 正火钢的过热区脆化原因：v 晶粒粗化v 高温下，难熔质点(如氮化物或碳化物) 溶解在A中，焊接冷却时固溶在F中，引起脆性 2）热应变脆化：定义：热应变脆化是焊接过程中最高加热温度区域为400200的HAZ在焊接热和应变的作用下，由固溶N所引起的一种动态应变时效 产生部位：最高加热温度低于A

46、c1的亚临界热影响区（最高加热温度400200的HAZ ）产生实质：由固溶N所引起的一种动态应变时效 v 一般认为热应变脆化是由于氮、碳原子聚集在位错周围，对位错造成钉轧作用造成的。v 主要发生在固溶氮含量较高的低碳钢和强度级别不高的低合金钢 ，16Mn、16MnC(热轧钢)就具有一定的热应变脆化倾向 v 钢中加入足够量的氮化物形成元素(如A1、Ti、V等)可显著减弱脆化倾向，15MnVN的脆化倾向小于16Mn 三、热扎正火钢的焊接工艺三、热扎正火钢的焊接工艺 1、焊接方法的选择 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

47、据材料的厚度、产品结构和具体施工条件来确定。其中，焊条电弧焊、埋弧自动焊、CO2气体保护焊是热轧及正火钢常用的焊接方法。 2 2、焊接材料的选择 低合金钢选择焊接材料时必须考虑两方面的问题：一是不能使焊缝产生裂纹等焊接缺陷；二是使焊接接头能满足使用性能要求。 热扎正火钢焊接时热裂、冷裂倾向不大；同时这类钢主要用于制造受力结构，其接头必须具备足够的强度和韧性。因此，选择焊接材料的依据是保证焊缝金属的强度、塑性和韧性等力学性能与母材相匹配。 1 1）选择与母材力学性能匹配的相应强度强度级别的焊接材料 选择焊接材料时，为保证焊缝与母材力学性能匹配，应从母材力学性能出发，选择与母材强度级别相当的焊接材

48、料，而不能从母材成分出发，选择与母材成分相同的焊材，即满足等强度要求，而无需满足焊缝与母材同成分。 焊材成分应满足以下要求： 焊缝中碳的质量分数（不应超过0.14%）以及合金元素含量都应低于母材中的含量，以防止裂纹及焊缝强度过高。例如用E515焊条焊接15MnV和15MnTi时，焊缝金属的成分：碳、硅、锰的含量都低于母材，并且不含有母材的V和Ti 2 2）考虑熔合比和冷却速度的影响）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（不平衡程度）。 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(熔化的母材金属在焊缝金属中的实际含量)有很大关系。改变熔

49、合比，必然会影响焊缝的化学成分，因此对焊缝的性能也会产生影响。 焊缝金属组织的过饱和程度则与冷却速度有很大关系。V冷越快，焊缝金属的结晶和相变偏离平衡状态越远，焊缝组织的过饱和程度越大，其强度、硬度越高，塑性、韧性越低。v 例1：采用埋弧焊焊接16Mn 当不开坡口或小坡口对接时，选用H08A焊丝即可 当开大坡口时，只能选用H08MnA或H10Mn2焊丝 （前者熔合比大，后者熔合比较小）， 熔合比不同，即使同种母材选用的焊材也不同。v 例2：16Mn分别采用对接接头和T型接头焊接时，即使采用同种焊材，T型接头的焊缝强度总是高于同种焊材的对接接头，其塑性、韧性却明显低于同种焊材的对接接头。 根本原

50、因：是由于接头形式会影响焊缝的V冷， T型接头的角焊缝冷却较快，其焊缝组织的不平衡程度较大。可见， V冷不同，即使同种母材，同种焊材，其焊缝性能也不相同。 3）考虑焊后热处理对焊缝力学性能的影响考虑焊后热处理对焊缝力学性能的影响 当焊缝强度余量不大时，焊后热处理（如消除应力退火）后焊缝强度有可能低于要求。因此，对于焊后要进行热处理，特别是正火处理的焊缝，应选择强度高一些的焊接材料。v 例如焊接大坡口的15MnV厚板，焊后需进行热处理时，必须选用强度级别较高的H08Mn2Si焊丝，若选用H10Mn2焊丝，焊缝金属的强度会偏低。 4）当对焊缝的使用性能提出特殊要求时，应选择具有当对焊缝的使用性能提

51、出特殊要求时，应选择具有相应性能的焊相应性能的焊材 3焊接工艺参数的确定焊接热输入:v焊接E E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，产生脆化；v焊接E E过小：对于有淬硬倾向的钢中，由于过热区组织中马氏体比例增大很容易产生冷裂纹 焊接线能量的确定主要决定于过热区的脆化和冷裂两个因素。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。v 热轧钢： 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

52、发，线能量偏小些较为有利。v 当焊接含C量较高的热轧钢，如含C量偏上限的16Mn钢时， E E过大，过热区会产生粗晶脆化； E E过小，由于淬硬倾向大，过热区易产生淬硬脆化和冷裂纹，但增大E引起的粗晶脆化程度远小于减小E引起的过热区淬硬脆化程度和冷裂倾向，因此一般选择焊接线能量偏大些。 v 正火钢 ： 强度级别相对较低，含C量和Me含量较低的钢种：15MnTi、15MnVN 这类钢的淬硬倾向并不大，接头的问题主要为E过大引起的脆化问题。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； 强度级别更高、含碳量和合金元素含量较高的正火钢：如18MnMoNb 这类钢的淬硬倾向增

53、加，马氏体含量也增加，小热输入时（E E过小）冷裂倾向会增大，过热区的脆化（淬硬脆化）也变得严重，在这种情况下热输入宁可偏大一些比较好。但在增大热输入、降低冷速的同时，又会引起接头区过热的加剧产生粗晶脆化（增大线能量对冷速的降低效果有限，但对过热的影响较明显）。在这种情况下采用大热输入的效果不如采用小热输入预热更有效。预热温度控制恰当时，既能避免产生裂纹，又能防止晶粒的过热。2.2.预热预热 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 1）材料的成分）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 2）冷

54、却速度）冷却速度(取决于环境温度、板厚、焊接线能量、焊接方法等)，3 3）结构的拘束度）结构的拘束度，拘束度 ，预热温度要求提高4 4）含氢量）含氢量(取决于焊接材料的烘干等)，含氢量增加，预热温度要求提高5 5）焊后热处理）焊后热处理。焊后不热处理，预热温度应偏高，对减少内应力和改善性能有利 工程中必须结合具体情况经试验后才能确定预热温度，推荐的一些预热温度只能作为参考。多层焊时应保持层间温度不低于预热温度，但也要避免层间温度过高引起的不利影响，如韧性下降等。 3.3.焊后热处理焊后热处理 除了电渣焊由于接头区严重过热而需要进行正火处理外，其他焊接条件应根据使用要求来考虑是否需要焊后热处理。

55、热扎正火钢一般焊后不需要热处理，但对于要求抗应力腐蚀的焊接结构、低温下使用的焊接结构及厚壁高压容器，焊后需进行消除应力的高温回火。 确定焊后回火温度的原则： 不要超过母材原来的回火温度，以免影响母材本身的性能。 对于有回火脆性的材料，要避开出现回火脆性的温度区间。例如，对含V或V+Mo的低合金钢，回火时应提高冷却速度，避免在600左右的温度区间停留较长时间，以免因V的二次碳化物析出而造成脆化；Q420的消除应力热处理的温度为（55025）。 如焊后不能及时进行热处理，应立即在200- 350保温26h，以便焊接区的氢扩散逸出。为了消除焊接应力，焊后应立即轻轻锤击焊缝金属表面，但这不适用于塑性较

56、差的钢件。强度级别较高或重要的焊接结构件，应用机械方法（砂轮等）修整焊缝外形，使其平滑过渡到母材，减小应力集中。热轧及正火钢的预热和焊后热处理工艺参数见表3-13。 四、典型钢种的焊接实例四、典型钢种的焊接实例Q345（低合金高强度钢）网上摘录相关资料（低合金高强度钢）网上摘录相关资料2. Q345钢的焊接特点2.1 碳当量(Ceq)的计算(国际焊接学会)Ceq=C+Mn/6+Ni/15+Cu/15+Cr/5+Mo/5+V/5计算Ceq=0.49%，大于0.4%，可见Q345钢焊接性能不是很好，需要在焊接时制定严格的工艺措施。Mn/S比（热裂纹） 2.2 Q345钢在焊接时易出现的问题Q345

57、钢在焊接冷却过程中，热影响区容易形成淬火组织-马氏体，使近缝区的硬度提高，塑性下降。结果导致焊后发生裂纹。二、焊接施工流程坡口准备点固焊预热里口施焊背部清根（碳弧气刨）外口施焊 里口施焊自检/专检焊后热处理无损检验（焊缝质量一级合格）三、焊接工艺参数的选择通过对Q345钢的焊接性分析，制定措施如下：1. 焊接材料的选用由于Q345钢的冷裂纹倾向较大，应选用低氢型的焊接材料，同时考虑到焊接接头应与母材等强的原则，选用E5015 （J507）型电焊条。2. 坡口形式：（根据图纸和设备供货） 3. 焊接方法：采用手工电弧焊 4. 焊接电流：为了避免焊缝组织粗大，造成冲击韧性下降，必须采用小规范焊接。

58、具体措施为：选用小直径焊条、窄焊道、薄焊层、多层多道的焊接工艺，焊道的宽度不大于焊条的3倍，焊层厚度不大于5mm。第一层至第三层采用3.2电焊条，焊接电流100-130A；第四层至第六层采用4.0的电焊条，焊接电流120-180A。5. 预热温度：由于Q345钢的Ceq0.40%，在焊接前应进行预热，预热温度T0=100-150。6. 焊后热处理参数：为了降低焊接残余应力，减小焊缝中的氢含量，改善焊缝的金属组织和性能，在焊后应对焊缝进行热处理。热处理温度为：600-640，恒温时间为2小时（板厚40mm时），升降温速度为125/h 。第三节 低碳低合金调质钢的焊接一、低碳低合金调质钢的成分和性

59、能一、低碳低合金调质钢的成分和性能二、二、低碳低合金调质钢低碳低合金调质钢的焊接性分析的焊接性分析三、三、低碳低合金调质钢低碳低合金调质钢的焊接工艺的焊接工艺四、典型钢种的焊接实例四、典型钢种的焊接实例 一、低碳调质钢的种类、成分及性能 热轧及正火钢依靠增添合金元素和通过固溶强化、弥散强化的途径提高强度到一定程度之后，会导致塑、韧性的下降。而且随着强度提高越多，塑性和韧性降低越多。当钢中合金元素含量超过一定范围后会 出 现 韧 性 的 大 幅 度 下 降 。 因 此 ， 抗 拉 强 度b600MPa的高强度钢都采用调质处理，通过组织强韧化获得很高的综合力学性能。第三节 低碳低合金调质钢的焊接

60、因此低碳调质钢提高强度不单纯通过合金强化，还要通过热处理（调质）强化处理。 强化基理：通过调质热处理（淬火+回火）产生相变强化。 合金化目的：保证钢材具有足够的淬透性（即获得M的能力）和马氏体回火稳定性，使珠光体和贝氏体转变推迟，使马氏体转变的临界冷却速度下降。成分、性能特点：1）碳含量低：为了保证良好的综合性能和焊接性，低碳调质钢要求钢中碳的质量分数不大于0.22%（实际上一般Wc0.18%）。目的:v调质处理后在获得高强度的同时，保证钢材具有较好的塑、韧性和可焊性好；v淬火后得到具有较好韧性的低碳马氏体，而且含C量越低，M的转变温度MS点越高，低碳马氏体还来得及进行一次“自回火”，因此其脆