第二章合金结构钢的焊接

1、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）。s > 294N/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），2943 43为热轧钢。s=29 4490N / mm，（低合金、非热处理强化）。微合金化控轧钢：CF钢。s234 3N/mm2 Wc I 1,（正火钢）微合金化钢Z向钢板、。s >343N/mm->,钙处理

2、，真空降气,Ws大大降低2 .低碳调质钢os441- 9 80N/mm2热处理强化Wc W0. 025%, 8 t，韧性 t。t可用调质态焊，焊后不须调质处理，必要时去应力处理。o s=44 1-490N/mm ',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，8 f,韧性f但Wm 1 1 ,韧性I S I正火钢。sWqgON/mm。左右。同一强度等水平，所需WmVWm正火，因调质处理充分发挥合金元素的作用，但生产麻烦。 （M、B组织、bT、Ak保证）3,中碳调质钢0 s = 8801176N/mm；热处理强化钢。W c >0. 3 %，淬硬性增大，韧性降

3、低。退火态焊接，整体热处理，结构自重J （飞机起落架、火箭壳体）二、特殊用钢L珠光体耐热钢具较好的高温强度和高温抗氧化性。T作=5 0 0 6 00C高温设备,（热动力设备、化工设备）Cr、Mo为基的低、中合金钢，T叮越高,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作=40-】96,（低温装置），严寒地区的工程结构（桥梁）o液化石油（< Y5 ）,液化天燃气（一 1 62C）。含N j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十 一般力学性能用于大气、海洋（用得最广）、石油等腐蚀介质

4、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=2 9 4、34 3N/mm2基本上属于C-Mn和Mn-S i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,WW0. 6% 否则韧性降低。出WcO. 3% WMnel%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：15Mn V,。s达392N/mnd。1 6 Mn+V （ 0 .040. 12%）。VC弥散强化、正火态、韧性改善。2 .正火钢：。s = 3 4 3490N / mm:C-Mn, Mn-S

5、i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t保证韧性。含M。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15M刀外，主要是含KM九亦可J做，对材料焊接性和韧性有利。屈强比高:做,nO.lSO?%之内，1 5 MnV,l 5MnVN,o s t tomo 14MnNb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，中温性能个正火后组织为B卜+少量F,必须回火保证8, Ak;Mo、Ni都能个钢的热强性。3）微合金化控轧钢（7 0年代发展起来新钢种）加入微量N

6、i,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T,钢材具均匀的细晶粒等轴铁素体的基体。（综合性能好)Ni, CnCu, M。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一一各类裂纹；(2)焊接时材料性能的变化一一脆化问题。L 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W c降低，WS增大,M n/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

7、法减小 熔合比。H03MnTi+含SiO2,焊剂SJ 1 01,含Mn量增加H 08M n H 08MnE2.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。马国仪的关系)Ui55!® 拘美a cc-o.ie,S O.HI.0.014)

8、用Modn图J很.哲改.力修.瞋。,弟的 CCT 招 一，vy <c /X- ：；：丁丁 .M9 .伍 p"Mb分析图8-1 （ 3 07） ,16M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AG上的HAZ组织态）V*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（P30g） 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

9、高，大于0.08%, o b=4007 00MPa钢材C. =C + -Mn+ Cn + Ni + -Cr + -Mh+-V（国际焊接学会）61515555C.=C + Si + -Mn + -LNi + Lcr + -Mo+ V 日本用 “246405414低 « 0.17%） q = 400 900钢材一般最高Y0.4%等，超低碳钢Gy0.5%Pei=C + Si + Mn + Cn + Ni + Cr + Mo+V + 5B30202060201510。（合金元素的裂纹敏感系数）1% 低（0.08%）,G 可达 0.5%应用该公式有各自的局限性，由实验来检验。一般认为,GY0.

10、4%,焊接无淬硬倾向,焊接性良好，与低碳钢几乎相同。C.A0.5%,淬硬性T,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M。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1 8MNMoNb有些）如有再热裂纹，可提高预热温度或Postheat,正

11、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q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： Crac k Op e ring Rspt a cemert 裂纹张开位移 «5欠江63c吠中幺川断裂韧性/积分oc = L ,叫做界条件二EaSnosb.评定敏感性指标1）碳的含量；2） Z向断面收缩率 20%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

12、）焊接线能量（影响V冷，高温停留时间）温度高于1200C熔点,A晶粒长大滩熔质点溶入（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:O.17C-1.1M仃 J J F :/，马氏体比例T,韧性JA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）1%J,低温4, 一40无高韧性区）如要求高避免使用W c高类别）。个4比不含N的C-M钢低得多,N4C,N）沉淀有关，粗晶粒反条件下生成。V%,% 如图 85Ri5大线能用钢中的1%限制很低！见图8-6 （b）七线个。人,采用小线能量

13、是避免过热区脆化的可靠措施。 原因:高温停留时间JL抑制难熔的77M77C向A熔入产生低C马氏体（无脆化） 可用大线能量+80 01 0 0 C正火处理TC-Si系热轧钢，固熔强化。Mn-VMn- Ti,MnNb正火钢，固溶强化+沉淀强化。0.8».)ttiett U / cm>图8-3不同温度下，几料钢的热影响区过热区C。值与线能量的关系 （济中空心符号。、为*解理断发a”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N化物形成元素ACJiy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，200

14、4 0 0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、MnSi +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（。口 3、八等解）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。t t、。、Aki I,抗裂性能与使用性 能不好。要求：WcW 0. 14%时,W*V母材中的国,。

15、结 5 57 焊 15Mn VN,无沉淀元素 V ,。K 5 4P608Mp9 6 f、Ak t o2）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pos t h ea t ,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5 0T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。Wcl I <O9Mn2）,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。热轧时Wc t偏一时,（如

16、灯16Mn）, E小时（E偏人只好）冷裂倾向t，脆化产一正火钢：避免沉淀相的溶入及晶粒过热引起的脆化。E线I如:15MnVN、1 4 MnNb>47KJ/cm、ak在-20在过热区合格，4 OK J/cm, a k在-4 0在过热区合格。当Wc t , WMe t ,淬硬性t E我偏大好些。E线t 1 , V冷I ,但加热程度t f ,过热f t , 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：IHD 1Pc = Pena + + T 60600 成分，T o =1440P c -39 6V冷拘束度1®H t T. t是否热处

17、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:t抗应力腐蚀力,t低温性能,防层裂等T回确定原则：不超过母材的T目。对有回火脆性的材料，避开脆性温度区间。sBdgON/cm。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,。t , akM , os2490N/m 高强钢场需调质处理。o s=4 40980N/mm:W c < 0 .2 2 % （在0. 18%以下）良好综合性能和焊接性能。最简单:Mn Si系钢，8 S 2343N

18、 / mm ,调质后达490N / mm',调质后达4 90 X / mmZ当板厚t或3 b t、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，t低温韧性，加多种微元素，Wcl I （W0.09%） （B具有淬透性），调质保证6 b, Ak（足够）该钢 具（CF 钢），Wc I I ,Pcml 特点。采用超低氢焊接材料，B<50mm, T=0C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 t o一

19、）焊缝中的热裂纹一般Wcl、W/、S、P控制，倾向小。对高N i低Mn类HY80、倾向t ,调整焊材可以避免。（Mn、Ni,扩大A元素,结晶间f热裂f ）。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 t ,要求 Mn/S f当Wc<0. 2%, Mn/S> 3 0,液化裂纹敏感性I 避免裂纹的关键在于控制Wc,Ws保证M n/S高尤其当WnJ,要求更严。工艺因素E线f ,晶粒d t ,晶界熔化严重，而 且液态品间层存在t，倾向f。（高线能量易 发生,埋弧焊）熔池形状影响（P327）三）冷裂纹图873焊缝形状的凹度（d） 对

20、热影响区液化裂纹的影响N一总裂效数。一横截面敷MS高，如V冷I ”可以进行"自回火”作用。冷裂纹倾向（工艺合适才行）I I o其冷裂倾向在M转变时的V冷有关。IQ50 ICOWO 10（06 >团8T6几种方通用的伍襟热影片区缺口初性与，尻 之问的关系s”加 CTWOM图8 16 M +Bt：韧性最佳（%下达1030%)，获得低CM和部分下B混合组织，A过冷稳定性t t1327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），C r与含量有关。皆注表焊接时的再热裂纹问题。（Cr-Ni、Mo、Cr

21、-N i-Mo-V,Ni-Mo-V系钢）。五）层状撕裂严控夹杂物，纯净度t ,敏感性I o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ts.5 I a -U （得到全部M）tvs t A晶粒粗化，脆化t , 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80050 0 的VQ产生脆性混合组织的临界冷却速度， 控制T&

22、,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02 ttOb与a 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：。sAggON/mmm，钢（1 0皿一。:一乂0-（2 0）必须用q16与电子束焊。s< 9 80N / mm2,各种方法均能用。0 s2686N/mm，熔化极气体,保护焊最佳。E热1 t,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ts/5 V冷|。防脆化仆冷3正确选择线能量和预热量保证不出裂纹与脆化

23、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。图8-21 HT80 （T-1钢CCT曲魏以及对应于根部裂蚊，环道零曲型性和缺口切性的整界冷却曲ST”，,/、 一分累为除光体、帙代体、乳氏体力第畀岩k井线°幻一如道弯曲5!在在界冷号畲”我B8在变23%）九一丫型技11孔粗遍我3界”却他嫉 阴影区一帙口忸住.侬的冷却框B12）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W200C。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

24、。T«t t , V冷VV/脆性混合组织。3）焊后热处理的确定5 106 9 0热处理,损害ak I o消除应力处理没有必要。只适于要求耐应力腐蚀的焊件，TM氐于母材原回火T的30 °C。§ 3-4中碳调质钢的焊接一、中碳调质钢的成分和性能Os2 8 8 0U76N/mm2Wc=0. 2 50. 4 5%强度主要取决于Wc,K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f t,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、I 3、a k、t冷裂敏感性。真空冶炼，使

25、母材与填充金属达到高纯度（Ws、p<0.0 1 5%）1、4 0CrCrvl.5%解有效提高淬透性Wa rl% t 3、ako>2% 对3影响不大，I a koCr增加低温或高温的回火稳定性。良好综和机械性能，t。他f齿轮、轴类、（交变教荷）2、35CrMoA 35C r M o VA属 CrMo 系统WMo=0. 1 50.2 5 %消除Cr钢的回火脆性，高温V-细化晶粒，fob、3、a 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 f ,焊前预热、焊后热处理。3、30c rMnSiN i 2A> 4 Oc rMn

26、 SiMo VA加入 Ni、o b t t > a k较好，焊接性差。飞机构件：3 OcrMnS i A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-S i系统，30 0 450第一类回火脆性还会有第二类飞机制造4. 40C r NiMoA,美 434 0 钢及 3 4 C r N i3MoA （ 4 3 40 美一类似）Cr-Ni-Mo 系统加入了 Ni,M。显著提高淬透性和抗回火软化能力，t ak, o t ,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。5. H-llC r5%、Mo

27、l. 5 %热加工工具钢基础上展。b=1 9 60N/mm并具较高耐热性（喷气机体）（经5 0CTC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 f、W'e f、液一固相区间大，偏析严重,热裂倾向t O需焊材：选用Wc I、S、P I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（P 3 36图8 2 3 ）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t t ,易产生硬脆的高碳M, tsl5 I , V冷f ,高CM t ,脆化越严重。大线能量V冷I,增加

28、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I, z改善性能。2、HAZ的软化该类钢常在退火态焊接、焊后调质处理。b f、软化越严重。_T E线I , V冷t , t受热I、软化I软化程度与宽度与E线、焊接方法有关焊接热源越集中，软化I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 I、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（20 0350）和层间温度复杂结构，大量焊缝，存在中间回火处理（去田、冷裂敏感性低的组织） 焊后及时回火6 5OC± 1 0,在高于T预热保温、除H 防冷裂 小E1+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post h=它母材回火温度的5 0o 2 ）高M的硬化和脆化（