热轧及正火钢的焊接修改

1、Q235AQ345E,16Mnq（南京长江大桥）（南京长江大桥）Q460，化学成分，化学成分16Mn钢为基础，不添加钢为基础，不添加V元素，添加约元素，添加约0.02的的Nb元素，采用控轧控冷元素，采用控轧控冷工艺工艺(TMCP)主要依靠晶粒细化和析出强化提高钢材强度。主要依靠晶粒细化和析出强化提高钢材强度。（鸟巢）（鸟巢）材料：Q460S355K2G3 （16Mn）以以“渤海渤海8号号”自升式钻井平自升式钻井平台为例，悬臂台为例，悬臂梁选用梁选用588MPa级高强级高强度钢，牌号为度钢，牌号为WELLEN60。铜合金螺旋桨铜合金螺旋桨ZQAl10-3Fe-1.5Mn一、热轧、正火钢的成分及性

2、能一、热轧、正火钢的成分及性能 屈服强度屈服强度 s为为295490MPa的低合金高的低合金高强钢，一般是在热轧或正火状态下供货使用，强钢，一般是在热轧或正火状态下供货使用，故称为热轧钢或正火钢，属于非热处理强化故称为热轧钢或正火钢，属于非热处理强化钢。钢。一、热轧、正火钢的成分及性能一、热轧、正火钢的成分及性能一、热轧、正火钢的成分及性能一、热轧、正火钢的成分及性能合金系：合金系：C-Mn或或C-Mn-Si系，主要靠系，主要靠Mn、Si的固溶强化作用提高强度（在的固溶强化作用提高强度（在特殊状态下加入了少量的特殊状态下加入了少量的V和和Nb沉淀强化和细晶强化）沉淀强化和细晶强化）。 在低碳条

3、件下（在低碳条件下（ wC0.2% ），），wMn1.6，wSi0.6时，可以保持较高的塑时，可以保持较高的塑性和韧性。性和韧性。Si的质量分数超过的质量分数超过0.6%后对冲击韧性不利，使韧脆转变温度提高；后对冲击韧性不利，使韧脆转变温度提高；C的质量分数超过的质量分数超过0.3%和和Mn的质量分数超过的质量分数超过1.6%后，焊接时易出现裂纹，在热轧后，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钢焊接区还会出现脆性的淬硬组织。因此，合金元素的用量与钢的强度水平都。因此，合金元素的用量与钢的强度水平都受到限制。受到限制。1.热轧钢热轧钢热热轧轧钢钢热轧钢通常为铝镇静热轧钢通常为铝

4、镇静(Al脱氧脱氧)的细晶的细晶粒铁素体珠光体组织的钢粒铁素体珠光体组织的钢屈服强度为屈服强度为295-390M295-390MP Pa a的的普通低合金钢都属于热轧钢普通低合金钢都属于热轧钢使用状态：使用状态：一般在一般在热轧热轧状态下使用。在特殊情况下，状态下使用。在特殊情况下，如要求提高冲击韧性以及板厚时，也可在如要求提高冲击韧性以及板厚时，也可在正火正火状态状态下使用。例如，下使用。例如，Q345在个别情况下，为了改善综合在个别情况下，为了改善综合性能，特别是厚板的冲击韧性，可进行性能，特别是厚板的冲击韧性，可进行900920正正火处理，正火后强度略有降低，但塑性、韧性（特火处理，正火

5、后强度略有降低，但塑性、韧性（特别是低温冲击韧性）有所提高。别是低温冲击韧性）有所提高。Q390（15MnTi） 以以Q345（16Mn）为基础，加入）为基础，加入Ti（0.120.20%）、降）、降低低C含量含量(0.20%降为降为0.18%)。固溶。固溶+沉淀强化，性能优于沉淀强化，性能优于16Mn。一般在正火态使用。一般在正火态使用。Q390（15MnV） 与与 Q390（15MnTi）相似，主要用）相似，主要用V代替代替Ti（0.040.12%），），V V细化晶粒和沉淀强化细化晶粒和沉淀强化典型钢种：典型钢种：Q345(16Mn) Ceq=0.49是我国于是我国于1957年研制生产和

6、年研制生产和应用最广泛的热轧钢。应用最广泛的热轧钢。一、热轧、正火钢的成分及性能一、热轧、正火钢的成分及性能热轧钢的综合力学性能好，焊接性及其他的加工性好，而且原材料资源丰富，冶炼工艺简单，价格便宜，因而在国内外都得到普遍应用。一、热轧、正火钢的成分及性能一、热轧、正火钢的成分及性能就是在就是在Q345（16Mn）固溶强化的基础上，加入一些碳、氮化合物形成元素固溶强化的基础上，加入一些碳、氮化合物形成元素(如如V、Nb、Ti和和Mo等等)，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，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

7、淀强化，并起细化晶粒的作用，可体中沉淀析出，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，可以在以在提高钢材强度的同时提高钢材强度的同时，改善钢材的塑性和韧性改善钢材的塑性和韧性，避免过分固溶强化所造成的脆，避免过分固溶强化所造成的脆性。要求钢的性。要求钢的s390MPa时，必须加强合金元素的沉淀强化和细晶强化作用进行固时，必须加强合金元素的沉淀强化和细晶强化作用进行固溶强化。溶强化。成分特点成分特点： 热轧钢的成分热轧钢的成分 + V、Ti、Mo、Nb 强化机理强化机理： 固溶强化固溶强化 + 沉淀强化沉淀强化+细化晶粒细化晶粒一、热轧、正火钢的成分及性能一、热轧、正火钢的成分及性

8、能2.正火钢正火钢 主要是含主要是含(V，Nb:0.15%0.20% )、Ti的钢，的钢，Q390(15MnTi、16MnNb)利用利用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，有可能适当地降低钢中的含碳量，对改善材料的焊接性和韧性都是有综合性能，有可能适当地降低钢中的含碳量，对改善材料的焊接性和韧性都是有利的。加入少量利的。加入少量N(N0.012%0.02%)的的Mn-V-N钢，由于增加了氮化钒的沉淀强化钢，由于增加了氮化钒的沉淀强化作用，可以提高钢的屈服强度到作用，可以提高

9、钢的屈服强度到420MPa Q420(15MnVN)。其主要特点是屈强比（其主要特点是屈强比（s/b）较高）较高一、热轧、正火钢的成分及性能一、热轧、正火钢的成分及性能1）正火状态下使用的钢）正火状态下使用的钢正火钢中的正火钢中的Mo钢钢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正火状态下使用的钢和正火可分为正火状态下使用的钢和正火+回火状态下使用的含回火状态下使用的含Mo钢两种。钢两种。低合金钢中加入一定量的低合金钢中加入一定量的Mo（0.5） ，可细化晶粒，提高强度，提高，可细化晶粒，提高强度，提高钢材的中温性

10、能。含钢材的中温性能。含Mo钢在较高的正火温度或较快速度的连续冷却下，得钢在较高的正火温度或较快速度的连续冷却下，得到的组织为到的组织为上贝氏体和少量的铁素体上贝氏体和少量的铁素体，韧性和塑性指标不高，因此正火钢，韧性和塑性指标不高，因此正火钢必须必须回火回火后才能保证获得良好的塑性和韧性。后才能保证获得良好的塑性和韧性。典型钢种：典型钢种：14MnMoV和和18MnMoNb。一、热轧、正火钢的成分及性能一、热轧、正火钢的成分及性能2）正火）正火+回火状态下使用的含回火状态下使用的含Mo钢钢 13MnNiMoNb钢是我国在钢是我国在80年代末引进国外配方研制而成的。由于含碳量低年代末引进国外配

11、方研制而成的。由于含碳量低(wC0.16)，合金化配方合理，因此这种钢具有较高的强度和韧性，并有良好的，合金化配方合理，因此这种钢具有较高的强度和韧性，并有良好的焊接性，特别是对再热裂纹的敏感性很低。因此，焊接性，特别是对再热裂纹的敏感性很低。因此，13MnNiMoNb钢在制造高压锅钢在制造高压锅炉气包及其它高压容器中得到广泛应用。炉气包及其它高压容器中得到广泛应用。一、热轧、正火钢的成分及性能一、热轧、正火钢的成分及性能13MnNiMoNbMn-Mo系中加入少量的系中加入少量的Nb，可以进一步提高钢的强度，可以进一步提高钢的强度，18MnMoNb钢的钢的490MPa。这种钢主要用于制造高压锅

12、炉气包。但由于含碳量较高。这种钢主要用于制造高压锅炉气包。但由于含碳量较高(wC =0.170.23)，焊接性不如，焊接性不如13MnNiMoNb，而且在正火，而且在正火+回火状态的力学性能不够回火状态的力学性能不够稳定。稳定。80年代末，年代末，13MnNiMoNb取代了部分取代了部分18MnMoNb。 18MnMoNb 20世纪70年代开始，控轧技术被用于生产管线钢，该技术在钢中添加微合金元素，如Mo、Nb、V、Ti，以扩大奥氏体无再结晶温度范围(Ar3之上)，在这一温度范围内进行集中轧制。在此基础上发展的的TMCP(Thermo-Mechanical Controlled Process

13、)技术，实际上是控轧和激冷技术的结合，该技术依靠控轧和控制始冷温度、终冷温度、冷却速度，将组织组成比控制在一定水平（如铁素体、珠光体、贝氏体、马氏体的比例），从而获得所需要的强度和韧性。 微合金控轧钢 加入质量分数为0.1%左右对钢的组织性能有显著或特殊影响的微量合金元素的钢，称为微合金钢。多种微合金元素(如Nb、Ti、Mo、V、B、RE)的共同作用称为多元微合金化，微合金钢单一微合金元素的质量分数通常在0.25%以下。通过细晶强化可进一步降低低合金高强钢的碳含量，减少固溶的合金元素，使其韧性得到进一步提高。在冶炼工艺上采取了降C、降S、改变夹杂物形态、提高钢的纯净度等措施，使钢材具有均匀的细

14、晶粒等轴晶铁素体基体。微合金化钢是在低碳的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力学性能良好的微合金钢。 过去生产的合金结构钢，着重于钢材本身的性能，偏重于氧化提纯、加工成形和相变热处理。而对其焊接性考虑较少，这给焊接技术及焊接生产带来了诸多不便。最近几十年来，国外特别注重从冶金入手从根本上解决钢的焊接性问题。近20年来我国的冶金工作者也已经对此引起重视，并通过冶金措施采用低碳微合金化及控轧控冷等工艺措施生产出了若干种强韧性好、焊接性优良的管线钢、桥梁钢、压力容器用钢等，这为焊接用合金结构钢的发展做出了新的贡献。微合金钢的生产工艺 洁净化技术

15、 （1）最大限度的去除钢中S、P、O、N、H(有时包括C)等杂质元素的含量；（2）二是严格控制钢中夹杂物的数量、成分、尺寸、形态及分布。 国外一些先进钢厂对杂质元素的总量已控制在50ppm以下，达到超洁净钢的水平。钢的洁净化会显著提高钢的冲击韧度、焊接接头的抗裂性和抗氢致裂纹-HIC (Hydrogen Induced Cracking)的能力，其焊接性会得到明显提高，相应的要求焊缝也必须洁净化细晶化技术 在常规的强化方法中(如固溶强化、沉淀强化、位错强化、细晶强化和热处理强化等) ，只有细晶强化是同时提高强韧性的有效方法，因此，研究并生产细晶钢和超细晶钢是21世纪新的钢铁发展方向。新一代的细

16、晶强化钢是在降碳、不提高合金元素含量的条件下，采用多元微合金化和控轧控冷技术较大幅度的细化晶粒来提高钢的强韧性。其基本思想是根据轧制方法的不同，向钢中加入微量Nb、Ti、Mo、V、B、Re等合金元素中的一种或几种阻止高温奥氏体的长大、控制奥氏体的再结晶温度、增加铁素体的形核核心、并通过控轧控冷细化晶粒，从而达到细晶强化的目的。 在低碳钢或低合金高强钢中加入能形成碳化物或氮化物的微量合金元素(如Nb、V、Ti)，且这些微合金元素的含量一般低于0.25%。在和一般热轧钢强度相同的情况下，这种钢的碳当量低，焊接性优良。细晶钢的晶粒尺寸在50um以下，通过细晶强化可进一步降低低合金高强钢的碳含量，减少

17、固溶的合金元素，从而使冲击韧度得到进一步提高。 TMCP钢的成分及性能按控轧控冷工艺的不同，微合金钢可分为微合金控轧钢(CR)和微合金控轧控冷钢(TMCP)。微合金控轧钢 在热轧过程中，通过对金属加热温度、轧制温度、变形量、变形速率、终轧温度和轧后冷却工艺等诸参数的合理控制，使轧件的塑性变形与固态相变相结合，以获得良好的组织，提高钢材的强韧性，使其成为具有优异综合性能的钢；微合金控轧控冷钢 在轧制过程中，通过冷却装置在轧制线上对热轧后轧件的温度和冷却速度进行控制，即利用轧件轧后的余热进行在线热处理生产的钢。这种钢具有更好的性能，特别是强度，又可省去再加热、淬火等热处理工艺。用较少的合金元素含量

18、可生产出强度和韧性更高、焊接性好的钢。TMCP钢通常纯度较高，晶粒细小，与正火钢相比，在力学性能和焊接性方面都更优越。相同的强度级别，TMCP钢比正火钢碳当量可减少0.04%0.08%。TMCP钢通过控轧控冷技术的应用使晶粒尺寸可小于50um，最小可达到10um。超细晶粒钢可使晶粒尺寸达到0.110um。具有良好的加工性和焊接性，满足了石油和天然气等工业的需要，还将在更多的钢结构中得到应用。TMCP钢的组织以细晶粒等轴晶的针状铁素体为主，先共析铁素体和渗碳体都很少。这类钢多用微量Ti处理(Ti)=0.010.02%，由于TiN颗粒的溶解温度很高(约1000以上)，所以在焊接热影响区邻近焊缝的高

19、温区中TiN颗粒很难溶解，因而阻止了奥氏体晶粒长大，使该区域的韧性下降不多，所以这种钢适宜于大线能量焊接。图2-19 TMCP钢与正火钢碳当量对比注：CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15屈服强度、抗拉强度/Mpa X60、X65、X70等管线钢为低碳Nb微合金控轧钢中加入微量Nb后，固溶于钢中的Nb使奥氏体再结晶高温转变延迟到低温，形成细小弥散分布的Nb(C、N)化合物，具有沉淀强化以及阻碍轧制过程中再结晶的作用。通过微合金化及控轧作用，获得强度和韧性良好的细晶组织。X60、X65钢)中适量的稀土(RE/S=2.02.5)目的是提高钢的韧性，改善各向异性。微合金控轧

20、管线钢的化学成分及力学性能见。X70管线钢除含Nb、V、Ti外，还加入了少量的Ni、Mo等合金元素，使铁素体的形成推迟到更低的温度，有利于形成针状铁素体和下贝氏体。因此，X70管线钢本质上是一种针状铁素体型的高强、高韧性管线钢。X65钢母材组织钢母材组织 微合金控轧管线钢的化学成分牌号化学成分(质量分数)%CSiMnNiMoVNbTiSPX60、X650.120.150.401.001.300.020.05RE/S2.02.50.025X700.100.301.600.350.500.080.040.0250.010微合金控轧管线钢的力学性能钢号热处理状态力学性能屈服强度s/MPa抗拉强度b/

21、MPa伸长率5(%)冲击吸收功AKV/J(-10)X60控轧41451720.523.554X65控轧450(480)530(540)20.523.554X70控轧48358656622.5类别热轧钢正火钢s/ MPa295390 390成分wC0.2%，wSi0.55%，wMn 1.5%。在在Q345的基础上加入的基础上加入V，Nb，Ti 、 Mo等等元元素（沉淀强化）素（沉淀强化）组织/状态钢锭加热钢锭加热13001300，热轧，空冷，热轧，空冷热轧态（非热处理强化钢）热轧态（非热处理强化钢）一般为铝镇静的细晶粒一般为铝镇静的细晶粒FP钢板再加热钢板再加热900 900 ，空冷，空冷正火正

22、火（含（含V，Nb，Ti）正火正火+回火（含回火（含Mo）强化机理Mn、Si合金固溶强化；合金固溶强化；V、Nb 、 Ti ( 形成碳化物和氮化物形成碳化物和氮化物 ) 细晶强化，沉淀强化。细晶强化，沉淀强化。在固溶强化的基础上，加入促在固溶强化的基础上，加入促C、N化合物形化合物形成元素（如成元素（如V、Nb、Ti和和Mo等），通过沉淀等），通过沉淀强化和细化晶粒进一步提高钢材的强度和保强化和细化晶粒进一步提高钢材的强度和保证韧性。证韧性。典型钢种Q345(16Mn)Q390，Q345 （s/b 高）高）14MnMoV、18MnMoNb（中温性能好），（中温性能好），Z向钢（抗撕裂）向钢（抗

23、撕裂）一、热轧、正火钢的成分及性能一、热轧、正火钢的成分及性能正火钢的强化方式多于热轧钢，因此其强度一般高于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，热轧钢， 另外也可以看出，热轧及正火钢基于其强化机理，强另外也可以看出，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。来的塑性、韧性损失越大。 热轧及正火钢价格便宜，综合力学性能较好热轧及正火钢价格便宜，综合力学性能较好, ,广广泛应用于常温下工作的一些

24、受力结构，如压力容器、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。动力设备、工程机械、桥梁、建筑结构和管线等。一、热轧、正火钢的成分及性能一、热轧、正火钢的成分及性能低合金钢的焊接性主要取决于它的化学成分和轧制工艺，钢中元素对焊接性影响最大的是碳。热轧及正火钢属于非热处理强化钢，碳及合金元素的含量都比较低，总体来看焊接性较好。但随着合金元素的增加和强度的提高，焊接性也变差。焊接的问题主要来自两方面：焊接裂纹与热影响区母材性能下降。 二、热轧及正火钢的焊接性分析二、热轧及正火钢的焊接性分析热轧钢含有少量的合金元素，碳当量比较低，一般情况下热轧钢含有少

25、量的合金元素，碳当量比较低，一般情况下（除环境温度很低或钢板厚度很大时）冷裂倾向不大。正（除环境温度很低或钢板厚度很大时）冷裂倾向不大。正火钢由于含合金元素较多，淬硬倾向有所增加。强度级别火钢由于含合金元素较多，淬硬倾向有所增加。强度级别及碳当量较低的正火钢，冷裂纹倾向不大；但随着正火钢及碳当量较低的正火钢，冷裂纹倾向不大；但随着正火钢碳当量及板厚的增加，淬硬性及冷裂倾向随之增大，需要碳当量及板厚的增加，淬硬性及冷裂倾向随之增大，需要采取控制焊接热输入、降低扩散氢含量、预热和及时焊后采取控制焊接热输入、降低扩散氢含量、预热和及时焊后热处理等措施，以防止焊接冷裂纹的产生。热处理等措施，以防止焊接

26、冷裂纹的产生。 微合金控轧钢的碳含量和碳当量都很低，冷裂纹敏感性微合金控轧钢的碳含量和碳当量都很低，冷裂纹敏感性较低。除超厚焊接结构外，较低。除超厚焊接结构外，490MPa级的微合金控轧钢焊接级的微合金控轧钢焊接一般不需要预热。一般不需要预热。1冷裂纹及影响因素冷裂纹及影响因素二、热轧及正火钢的焊接性分析二、热轧及正火钢的焊接性分析冷裂冷裂纹的纹的影响影响因素因素碳当量碳当量（C CE E）淬硬淬硬倾向倾向热影响区热影响区最高硬度最高硬度热轧钢的热轧钢的淬硬倾向淬硬倾向正火钢的正火钢的淬硬倾向淬硬倾向二、热轧及正火钢的焊接性分析二、热轧及正火钢的焊接性分析MnCu+NiCr+Mo+VCE(II

27、W)=C+6155eqMnSiNiCrMoVC (WES)=C+624405414 适用于中等强度的非调质低合金钢(b=400700MPa) 适用于强度级别较高的低合金高强钢(b=5001000MPa) 这两个公式只适用于wC0.18%的钢种。 SiMn+Cu+CrNiMoV+5B3020601510CcmP适用于适用于wC0.17%，b=400900MPa的的低合金高强度钢低合金高强度钢 CE 为国际焊接学会的碳当量公式为国际焊接学会的碳当量公式Ceq为日本常用的碳当量公式为日本常用的碳当量公式Pcm为合金元素的裂纹敏感指数为合金元素的裂纹敏感指数淬硬倾向主要取决于钢的化学成分，其中以碳的作

28、用最明显。可通过碳当量公式来大致估算不同钢种的冷裂敏感性。通常碳当量越高，冷裂敏感性越大。（1）碳当量（）碳当量（CE）二、热轧及正火钢的焊接性分析二、热轧及正火钢的焊接性分析在实际中，在实际中， CE应用相当普遍应用相当普遍p 一般认为CE0.4%时，钢材在焊接过程中基本无淬硬倾向，冷裂敏感性小。屈服强度295390MPa热轧钢的碳当量一般都小于0.4%，焊接性良好，除钢板厚度很大和环境温度很低等情况外，一般不需要预热和严格控制焊接热输入。 p CE =0.4%0.6%时，钢材塑性下降，淬硬倾向逐渐增加，属于有淬硬倾向的钢。屈服强度441490MPa的正火钢基本上处于这一范围，其中碳当量不超

29、过0.5%时，淬硬倾向不算严重，焊接性尚好，但随着板厚增加需要采取一定的预热措施，如Q420就是这样。 18MnMoNb的碳当量在0.5%以上，它的冷裂敏感性较大，焊接时为避免冷裂纹的产生，需要采取较严格的工艺措施，如严格控制热输入、预热和焊后热处理等。p CE 0.6%时，钢材塑性较低，淬硬倾向很强，焊接区易产生冷裂，焊接性不好。焊前须较高温度预热到，焊接时要采取减少焊接应力和防止开裂的工艺措施，焊后要进行适当的热处理，才能保证焊接接头质量。二、热轧及正火钢的焊接性分析二、热轧及正火钢的焊接性分析M M或或M+B+FM+B+F混合组织时混合组织时而产生而产生B B或或B+FB+F组织时组织时

30、焊焊接接热热影影响响区区对氢致对氢致裂纹敏感裂纹敏感对氢致裂对氢致裂纹不敏感纹不敏感从材料本身看，淬硬组织是引起冷裂纹的决定因素。焊接时是否形成对氢致裂纹敏从材料本身看，淬硬组织是引起冷裂纹的决定因素。焊接时是否形成对氢致裂纹敏感的组织是评定材料焊接性的一个重要指标。感的组织是评定材料焊接性的一个重要指标。淬硬倾向可以通过HAZ的SHCCT或母材的CCT图来进行分析（图3-4）。 (2) 淬硬倾向淬硬倾向二、热轧及正火钢的焊接性分析二、热轧及正火钢的焊接性分析与低碳钢相比，与低碳钢相比，Q345在连续冷却时，珠光体转在连续冷却时，珠光体转变右移较多，使快冷过程中（变右移较多，使快冷过程中（图图

31、2-4a上的上的c点以点以左）铁素体析出后剩下的富碳奥氏体来不及转左）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变为珠光体，而是转变为含碳较高的贝氏体和贝氏体和马氏体马氏体，具有淬硬倾向。从图，具有淬硬倾向。从图3-4a可以看到可以看到Q345焊条电弧焊冷速快时，热影响区会出现少焊条电弧焊冷速快时，热影响区会出现少量铁素体、贝氏体和大量马氏体。而低碳钢焊量铁素体、贝氏体和大量马氏体。而低碳钢焊条电弧焊时（条电弧焊时（见见图图3-4b），则出现大量铁素体、），则出现大量铁素体、少量珠光体和部分贝氏体。因此，少量珠光体和部分贝氏体。因此，Q345热轧钢热轧钢与低碳钢的焊接

32、性有一定差别。但当冷却速度与低碳钢的焊接性有一定差别。但当冷却速度不大时，两者很相近。不大时，两者很相近。1) 热轧钢的淬硬倾向热轧钢的淬硬倾向二、热轧及正火钢的焊接性分析二、热轧及正火钢的焊接性分析图图2-4热轧钢热轧钢 (Q345 Tm 1350和低碳钢的焊接连续冷却组和低碳钢的焊接连续冷却组织转变图织转变图(SHCCT)11t/sT/当冷却速度VVc时，F析出后剩下的富碳A来不及转变为P，直接转变为高碳B和M，硬度增加，淬硬倾向增加。少量F+大量B+大量M二、热轧及正火钢的焊接性分析二、热轧及正火钢的焊接性分析低碳钢的焊接连续冷却组织转变图（低碳钢的焊接连续冷却组织转变图（SHSHCCT

33、）b b) ) 低碳钢低碳钢 T Tm 1300)m 1300)大量F+少量P+部分B二、热轧及正火钢的焊接性分析二、热轧及正火钢的焊接性分析结论：Q345与低碳钢比较：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a a厚板手弧焊：厚板手弧焊：V V冷冷较快较快 b.b.薄板或埋弧焊：薄板或埋弧焊：V V冷冷慢慢16Mn 16Mn ： F F（少量）（少量）+B+M+B+M（多）（多） F F（大量）（大量）+ P + P 低碳钢：低碳钢：F F（大量）（大量）+P+B+M+P+B+M（少量）（少量） F F（大量）（大量）+ P+ P二、热轧及正火钢的焊接性分析二、热轧及正火钢

34、的焊接性分析 随着合金元素和强度级别的提高而增大，如随着合金元素和强度级别的提高而增大，如Q420和和18MnMoNb相比（见相比（见图图3-5a、b），两者的差别较大。），两者的差别较大。18MnMoNb的过冷奥氏体比的过冷奥氏体比Q420稳定得多，特别是在稳定得多，特别是在高温转变区。因此，高温转变区。因此，18MnMoNb冷却下来很容易得到冷却下来很容易得到贝氏体和马氏体贝氏体和马氏体，它的整个转变曲线比，它的整个转变曲线比Q420靠右，淬靠右，淬硬性高于硬性高于Q420，故冷裂敏感性也比较大。，故冷裂敏感性也比较大。2) 正火钢的淬硬倾向正火钢的淬硬倾向二、热轧及正火钢的焊接性分析二、

35、热轧及正火钢的焊接性分析图图3-5 3-5 正火钢的焊接连续冷却组织转变图（正火钢的焊接连续冷却组织转变图（SHCCTSHCCT） 类别热轧钢正火钢特点快冷时，淬硬倾向大快冷时，淬硬倾向大合金元素含量、强度级别越大，淬硬倾向大合金元素含量、强度级别越大，淬硬倾向大原因V冷冷大时，大时，HAZ的组织：的组织：少量少量F+B+大量大量M。（低碳钢：。（低碳钢：大量大量F+少量少量B+M。 ）V冷冷小时，和低碳钢类似小时，和低碳钢类似Me%越大，冷却组织中越大，冷却组织中B+M多，淬硬倾向大多，淬硬倾向大凡是淬硬倾向大的钢材，连续冷却转变曲线都是往右移。但凡是淬硬倾向大的钢材，连续冷却转变曲线都是往

36、右移。但由于冷却条件不同，不同曲线的右移程度不同。如由于冷却条件不同，不同曲线的右移程度不同。如CCT曲线右曲线右移的程度比等温转变移的程度比等温转变TTT曲线大曲线大1.5倍以上，而倍以上，而SHCCT曲线右移曲线右移就更多。因此，就更多。因此，在比较两种钢材的淬硬倾向时，必须注意采在比较两种钢材的淬硬倾向时，必须注意采用同一种曲线。用同一种曲线。二、热轧及正火钢的焊接性分析二、热轧及正火钢的焊接性分析1.热轧钢及正火钢的概况2.热轧钢的含碳量、含锰量、含硅量在什么范围内能保证较高的塑性和韧性？3.热轧及正火钢冷裂纹敏感性分析热影响区最高硬度是评热影响区最高硬度是评定钢材淬硬倾向和冷裂敏定钢

37、材淬硬倾向和冷裂敏感性的一个简便的办法。感性的一个简便的办法。最高硬度允许值就是一个最高硬度允许值就是一个刚好不出现冷裂纹的临界刚好不出现冷裂纹的临界硬度值。硬度值。即若实际HAZ的硬度高于HAZ最高硬度允许值，那么这个接头有可能产生冷裂纹；若在最高硬度允许值内，一般认为此接头不会产生冷裂。热热影响区最高硬度与裂纹率影响区最高硬度与裂纹率的关系如的关系如P53图图3-6所示。所示。(3) 热影响区最高硬度热影响区最高硬度 图图3-6 3-6 热影响区最高硬度与裂纹率的关系热影响区最高硬度与裂纹率的关系 热影区的最高硬度与热影区的最高硬度与钢材的强度级别、化学成分钢材的强度级别、化学成分都有关系

38、。都有关系。二、热轧及正火钢的焊接性分析二、热轧及正火钢的焊接性分析表表2-9 几种焊接结构钢的碳当量及热影响区最高硬度允许值几种焊接结构钢的碳当量及热影响区最高硬度允许值钢种钢种相当国产钢种相当国产钢种Pcm(%)CE(IIW)(%)最大硬度最大硬度HV非调质非调质调质调质非调质非调质调质调质非调非调质质调质调质HW36Q3450.24850.4150390HW40Q3900.24130.3993400HW45Q4200.30910.4943410380(正火正火)HW5014MnMoV0.28500.5117420390(正火正火)HW5618MnMoNb0.33560.5782420(正

39、火正火)HW6312Ni3CrMoV0.27870.6693435HW7014MnMoNbB0.26580.4593450HW8014Ni2CrMnMoVCuB0.33460.6794470HW9014Ni2CrMnMoVCuN0.32460.6794480二、热轧及正火钢的焊接性分析二、热轧及正火钢的焊接性分析碳当量增大时，热影响区淬硬倾向随之提高，碳当量增大时，热影响区淬硬倾向随之提高，但并非始终保持线性关系。碳当量与热影响区但并非始终保持线性关系。碳当量与热影响区最高硬度的关系如最高硬度的关系如图图3-7所示。另外，焊接热输所示。另外，焊接热输入入E或冷却时间或冷却时间t8/5对热影响区

40、淬硬倾向影响很对热影响区淬硬倾向影响很大。热影响区最高硬度与碳当量和冷却速度的大。热影响区最高硬度与碳当量和冷却速度的关系如关系如图图3-8所示。冷却时间所示。冷却时间t8/5对热影响区最对热影响区最高硬度的影响如高硬度的影响如图图3-9所示。所示。因此，减小碳当量并降低冷却速度，有利于减因此，减小碳当量并降低冷却速度，有利于减小热影响区淬硬和冷裂纹倾向。小热影响区淬硬和冷裂纹倾向。二、热轧及正火钢的焊接性分析二、热轧及正火钢的焊接性分析图图3-7 3-7 热影响区最高硬度与碳当量的关系热影响区最高硬度与碳当量的关系Ceq=C+(Mn/6)+(Si/24)+(Cr/5)+(Mo/4)+(V/1

41、4)+(Ni/40Ceq=C+(Mn/6)+(Si/24)+(Cr/5)+(Mo/4)+(V/14)+(Ni/40) ) 热影响区的最高硬度与CE(IIW)、Pcm呈直线关系 max127445cmHPmaxCE(IIW)100559H二、热轧及正火钢的焊接性分析二、热轧及正火钢的焊接性分析 图图3-8 3-8 热影响区最高硬度与碳当量和冷却速度的关系热影响区最高硬度与碳当量和冷却速度的关系 Ceq=C+(Mn+Si)/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15Ceq=C+(Mn+Si)/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 二、热轧及正火钢的焊接性分析二、热轧及正火钢的焊接

42、性分析图图3-9 3-9 冷却时间冷却时间t t8/58/5对热影响区最高硬度的影响对热影响区最高硬度的影响（钢材成分：（钢材成分：w wC 0.12%, C 0.12%, w wMn 1.40%, Mn 1.40%, w wSi 0.48%, Si 0.48%, w wCu 0.15%, Cu 0.15%, 板厚板厚h h=20mm=20mm） 二、热轧及正火钢的焊接性分析二、热轧及正火钢的焊接性分析冷裂冷裂纹的纹的影响影响因素因素碳当量碳当量（C CE E）淬硬淬硬倾向倾向热影响区热影响区最高硬度最高硬度热轧钢的热轧钢的淬硬倾向淬硬倾向正火钢的正火钢的淬硬倾向淬硬倾向二、热轧及正火钢的焊接

43、性分析二、热轧及正火钢的焊接性分析从热轧钢和正火钢的成分看，一般含碳量都较低，而含从热轧钢和正火钢的成分看，一般含碳量都较低，而含Mn量量都较高。它们的都较高。它们的Mn /S比都能达到要求，具有较好的抗热裂性比都能达到要求，具有较好的抗热裂性能，正常情况下焊缝中不会出现热裂纹。但当材料成分不合格，能，正常情况下焊缝中不会出现热裂纹。但当材料成分不合格，或因严重偏析使局部或因严重偏析使局部C、S含量偏高时，含量偏高时，Mn/S就可能低于要求就可能低于要求而出现热裂纹。在这种情况下，应采取必要的防止措施。为了而出现热裂纹。在这种情况下，应采取必要的防止措施。为了防止结晶裂纹，应在提高焊缝含锰量的

44、同时降低碳、硫的含量。防止结晶裂纹，应在提高焊缝含锰量的同时降低碳、硫的含量。具体措施可选用脱硫能力较强的低氢型焊条，埋弧焊时选用超具体措施可选用脱硫能力较强的低氢型焊条，埋弧焊时选用超低碳焊丝配合高锰高硅焊剂，并从工艺上降低熔合比。焊缝中低碳焊丝配合高锰高硅焊剂，并从工艺上降低熔合比。焊缝中的碳含量越高，要求的碳含量越高，要求Mn/S也提高。当也提高。当co=0.12%时，时， Mn/S不应低于不应低于10；而；而c=0.16%时，时， Mn/S就应大于就应大于40才才能不出现热裂纹。能不出现热裂纹。Si的有害作用也与促使的有害作用也与促使S的偏析有关。的偏析有关。2. 热裂纹热裂纹二、热轧

45、及正火钢的焊接性分析二、热轧及正火钢的焊接性分析热轧钢：热轧钢：属于固溶强化钢，属于固溶强化钢，C-Mn和和Mn-Si系一般不含有强碳化物形成元素，因此热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轧钢对再热裂纹并不敏感正火钢：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感。如再热裂纹不敏感。如15MnVN形成再热裂纹的形成再热裂纹的成

46、分条件成分条件是是： 钢中要含有一定数量的强碳化物形成元素：如钢中要含有一定数量的强碳化物形成元素：如V、Ti、Mo、Nb 3. 消除应力裂纹（再热裂纹）消除应力裂纹（再热裂纹）二、热轧及正火钢的焊接性分析二、热轧及正火钢的焊接性分析正火正火+回火钢：回火钢：Mo、V或或Mo、Nb共存的正火共存的正火+回火钢，如回火钢，如18MnMoNb、14MnMoV则则有轻微的再热裂纹敏感性，主要产生在有轻微的再热裂纹敏感性，主要产生在HAZ的粗晶区。的粗晶区。 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

47、将预热温度中消除冷裂纹需要的只要将预热温度中消除冷裂纹需要的180（板厚（板厚60mm）提高到）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预热条件下焊后立即进行进行1802h的后热也能有效地防止再热裂纹的产生。的后热也能有效地防止再热裂纹的产生。图图3-10 3-10 再热裂纹敏感性与再热裂纹敏感性与CrCr、MoMo含量的关系含量的关系A ASRSR裂纹敏感区裂纹敏感区 B B随随CrCr、MoMo含量增加，含量增加，SRSR裂纹增加裂纹增加 钢中的Cr、Mo元素及含量对再热裂纹的产生影响很大。不同Cr

48、、Mo含量低合金钢的再热裂纹敏感区如图3-10所示。二、热轧及正火钢的焊接性分析二、热轧及正火钢的焊接性分析层状撕裂的产生不受钢材种类和强度级别的限制层状撕裂的产生不受钢材种类和强度级别的限制，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。当钢板的当钢板的Z Z向向延伸率低、板厚、夹杂物较多时及焊接时在延伸率低、板厚、夹杂物较多时及焊接时在Z Z向承受较大的拉应向承受较大的拉应力时，会沿轧制方向发生阶梯状的层状撕裂。力时，会沿轧制方向发生阶梯状的层状撕裂。 从钢材本质来说，从钢材本质来说，层状撕裂的产生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主要取决于冶炼质量，即取决于钢

49、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重。因此，一般把钢中的硫含量和Z Z向断面收缩率作为评定钢材向断面收缩率作为评定钢材层状撕裂敏感性的主要指标。层状撕裂敏感性的主要指标。 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，没有采取特殊的脱严格控制钢液成分，没有采取特殊的脱S S、除气以及夹杂物形态、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。控制措施，因此，它们一般都具有层状撕裂倾向。4. 层状撕裂层

50、状撕裂二、热轧及正火钢的焊接性分析二、热轧及正火钢的焊接性分析 因此，焊接可能产生层状撕裂的重要结构，可采用因此，焊接可能产生层状撕裂的重要结构，可采用Z Z向钢向钢( (如如D36)D36)或国外的或国外的ZCZC、ZDZD级级( (w wS0.006S0.006， 2525或更高或更高) )钢。钢。D36D36钢的钢的最高可达最高可达5555。但这些钢在冶炼时需要采用特殊的脱。但这些钢在冶炼时需要采用特殊的脱硫、脱氧和控制夹杂物的措施，成本较高。硫、脱氧和控制夹杂物的措施，成本较高。 板厚小于板厚小于16mm16mm时就不容易发生层状撕裂。一般认为时就不容易发生层状撕裂。一般认为Z Z向向

51、2020，钢材就可以避免层状撕裂。，钢材就可以避免层状撕裂。 板厚大于板厚大于16mm16mm的大型的大型厚板焊接结构厚板焊接结构( (如海洋工程、锅炉吊架、如海洋工程、锅炉吊架、核反应堆及船舶等核反应堆及船舶等) )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。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。 合理选择层状撕裂敏感性小的钢材、改善接头形式以减轻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钢板Z 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向所承受的应力应变、在满足产

52、品使用要求前提下选用强度级别较低的焊接材料以及采用预热及降氢等辅助措施，有利度级别较低的焊接材料以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。于防止层状撕裂的发生。 二、热轧及正火钢的焊接性分析二、热轧及正火钢的焊接性分析 焊接接头中被加热到焊接接头中被加热到12001200以上，熔点以下的区以上，熔点以下的区域，由于温度高发生了域，由于温度高发生了奥氏体晶粒的显著长大和一奥氏体晶粒的显著长大和一些难熔质点些难熔质点( (如氮化物或碳化物如氮化物或碳化物) )向向A A的溶入过程的溶入过程。这。这些过程与钢种成分和焊接些过程与钢种成分和焊接E E共同作用往往会导致焊接共同作用往往会导

53、致焊接过热区脆化，例如：溶入的难熔质点在冷却过程中，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下来会转变成魏氏体、粗大的马氏体及塑性很低的混合组织混合组织( (铁素体、高碳马氏体和贝氏体铁素体、高碳马氏体和贝氏体) )和和M-AM-A组组元，因此过热区的性能变化取决于其在高温的停留元，因此过热区的性能变化取决于其在高温的停留时间、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合金系

54、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同，引起过热区脆化的原因也不同5. 焊接接头的脆化焊接接头的脆化二、热轧及正火钢的焊接性分析二、热轧及正火钢的焊接性分析微合金控轧钢的焊接性分析 微合金控轧钢含碳量一般在0.04%0.16%之间， S、P和其他杂质含量也很低，碳当量低，所以焊接性和一般热轧结构钢相比，有很大的改善。例如对预热和后热的要求低，冷裂纹、热裂纹和层状撕裂等焊接裂纹发生的可能性较低，可使用的焊接线能量范围宽，可以进行单层大线能量焊接等。一般这类钢应用在要求比较高的焊接结构中，如车辆、桥梁、船舶和采油平台、锅炉与压力容器、油气管线、建筑结构等。根据这类钢

55、在成分和热轧工艺上的特点及国外采用这类钢在焊接方面的经验，仍有一些潜在的问题需要注意：冷裂纹、热裂纹 、焊接热影响区性能的变化 冷裂纹 热影响区冷裂倾向 对于在常温下不预热、不后热的焊接结构，为避免冷裂纹，热影响区的硬度要求在350HV以下，重要焊件要求300HV以下。对于在含H2S环境下工作的管线，热影响区的硬度要求在248HV以下，对于海洋结构和管线，正火钢一般较难满足要求，而TMCP钢含碳量较低，在这方面获得广泛应用。普通低合金高强钢的碳当量为0.380.40，而CR钢为0.340.38。TMCP钢为0.300.36。碳当量降低，淬硬倾向减小，冷裂纹倾向降低。随着强度级别的提高，板厚的增

56、大，仍然具有一定的冷裂纹倾向。特别是在管线钢现场敷设安装进行环焊缝焊接时，由于常采用含氢量高的纤维素焊条，线能量小，冷却速度较快，因而会增加冷裂纹的敏感性。图2-22 临界预热温度与碳当量的关系CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 TMCP钢所需预热温度比正火钢低100左右。因为TMCP钢碳当量低、热影响区淬硬倾向较低、热影响区产生冷裂纹的倾向较小。这类钢的成分比较纯净，含C量和S、P等杂质比较少，缺少可能形成氢陷阱的杂质，使焊接时可以容纳氢的体积减少；可以形成晶核的杂质减少，使得奥氏体不易发生转变，亦即增加了淬硬性，这些都可增加冷裂纹的危险性。焊缝区的冷裂倾向 由

57、于焊缝金属为凝固态组织，未受到母材同等的工艺处理，为了使焊缝具有与母材同等的强度，需在焊缝金属中添加合金元素。因此焊接时热影响区金属可能先于焊缝金属发生奥氏体向铁素体的转变，导致扩散氢从热影响区向焊缝扩散，这种情形与普通低碳钢的焊接相反。因此TMCP钢焊接时，更可能在焊缝金属中产生冷裂纹。考虑高强TMCP钢焊接时的预热温度时，应按照焊缝金属的成分进行计算。 热裂纹 TMCP钢焊接热裂纹主要是结晶裂纹，当焊速较快时有可能产生结晶裂纹。对于高级别管线钢，出于防止产生结晶裂纹和限制热影响区硬度双重考虑，(C)为0.05%左右。由于结晶裂纹是当焊缝金属处于脆性温度区间时，应变速度大于临界应变速度时产生

58、的，尤其在钢管成形焊接和安装过程中由于存在较大的成形应力或附加应力有时也会引起结晶裂纹。因此尽可能降低焊接应力应变，并采用适当的焊接速度，可防止结晶裂纹的产生。结晶裂纹的产生主要取决于焊缝的C、S、P含量，因此在选择焊接材料时应引起注意。1) 过热区脆化过热区脆化(T1200)热轧钢热轧钢（Q345) 热轧钢热轧钢焊接时可能产生过热区脆化的两种情况：采用过大焊接时可能产生过热区脆化的两种情况：采用过大的焊接线能量，粗晶区将因晶粒长大或出现魏氏组织而降低韧性；焊接线的焊接线能量，粗晶区将因晶粒长大或出现魏氏组织而降低韧性；焊接线能量过小，能量过小，冷速快，会使粗晶区马氏体冷速快，会使粗晶区马氏体

59、(M)比例增大，韧性降低，但不突比例增大，韧性降低，但不突出（明显）。出（明显）。热轧钢过热区脆化的影响因素：Wc 、 EWc： Wc偏低：偏低： 低碳低碳M（脆化不明显）（脆化不明显） Wc偏高：偏高： 高碳高碳M（脆化显著）（脆化显著）Q345 ：Wc=0.12%0.2% Wc偏低偏低0.14%时：时：E过大，形成了魏氏组织过大，形成了魏氏组织 E过小，形成了高碳过小，形成了高碳M对于含碳量较高的钢对于含碳量较高的钢(0.24C-0.7Mn)来说，在来说，在-40时根本不存在高韧性区，时根本不存在高韧性区，低温韧性要求高时，应避免选用含碳量高的钢。低温韧性要求高时，应避免选用含碳量高的钢。

60、二、热轧及正火钢的焊接性分析二、热轧及正火钢的焊接性分析 正火钢正火钢： 正火钢的过热区脆化正火钢的过热区脆化与魏氏组织无关，与魏氏组织无关，除了与晶粒粗化有关外，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还主要与其强化基理和合金化方式有关 V V、TiTi、MoMo、NbNb 常温时：合金元素以化合物的形式存在最好，但常温时：合金元素以化合物的形式存在最好，但MeMe固溶在固溶在F F 使使F F产生晶格畸变产生晶格畸变硬度硬度、脆性、脆性 12001200高温下：高温下：起沉淀强化作用的碳化物、氮化物质点分解并起沉淀强化作用的碳化物、氮化物质点分解并溶于溶于在在A A中中 慢