材料焊接性第章-合金结构钢的焊接-A课件

1、 第3章 合金结构钢的焊接 主讲：李亚江 （山东大学教授、博士生导师）第3章 合金结构钢的焊接在碳素钢基础上添加一定量的合金元素达到所需性能要求的钢材，即构成合金结构钢。合金结构钢具有优良的综合性能，经济效益显著，应用范围涉及到国民经济和国防建设的各个领域，是焊接结构中用量最大的一类工程材料。合金结构钢的主要特点是强度高，韧性、塑性和焊接性也较好，广泛用于压力容器、工程机械、石油化工、桥梁、船舶制造、建筑和其他钢结构，在经济建设和社会发展中发挥着重要的作用。 科学的发展和技术进步，焊接结构设计日趋向高参数、轻量化及大型化发展，对钢材性能提出了越来越高的要求。随着合金结构钢的使用范围不断扩大，焊

2、接问题也日益突出，引起人们的高度重视。材料焊接性，发展成一门独立的课程。 3.1 合金结构钢的分类及性能 3.1.1 合金结构钢的分类 1. 强度用钢（非调质钢、调质钢） 1）热轧及正火钢、控轧钢 s为295490MPa，在热轧或正火状态下使用，属非热处理强化钢。包括微合金化控轧钢、抗层状撕裂的Z向钢等。广泛用于常温下工作的受力结构，如压力容器、机械、桥梁、建筑结构和管线等。 2）低碳调质钢 s为490980MPa，在淬火-回火的调质状态下供货，属热处理强化钢。特点是含碳量较低（C0.22%），既有高强度，又兼有良好的塑韧性，可在调质状态下焊接。这类钢在焊接结构中得到越来越广泛的应用，可用于大

3、型工程机械、压力容器、舰船制造等。 3）中碳调质钢 s在8801176MPa以上，钢中C含量高（C 0.25%0.5%），淬硬性比低碳调质钢高得多，具有很高的硬度和强度，但韧性较低，给焊接带来了很大的困难。这类钢用于强度要求很高的部件，如火箭发动机壳体、飞机起落架等。 2. 低中合金特殊用钢 用于一些特定条件下工作的机械零件和工程结构，能适应特殊环境下工作的要求。 1）珠光体耐热钢 以Cr、Mo为基础的低中合金钢，随工作温度的提高，可加入V、W、Nb、B等合金元素，具有较好的高温强度和高温抗氧化性，用于工作温度500600的高温设备，如电力、化工设备等。 2）低温钢 主要是一些含Ni或无Ni的

4、低合金钢，在正火或调质状态使用，用于各种低温装置（-40-196）和在严寒地区的工程结构，如液化石油气、天然气的储存容器等。与普通低合金钢相比，低温钢须保证在低温下具有足够高的低温韧性，对强度无特殊要求。 3）低合金耐蚀钢 除一般力学性能外，必须具有耐腐蚀性能的要求。用于在大气、海水、石油化工等腐蚀介质中工作的机械设备和焊接结构。由于所处的介质不同，耐蚀钢的类型和成分也不同。耐蚀钢中应用最广泛的是耐大气和耐海水腐蚀用钢。 3.1.2 合金结构钢的基本性能 1. 化学成分 合金元素总量600MPa 3. 显微组织 F+P、P、ML、ML+BL、BL (a) 对抗拉强度的影响 (b) 对屈服强度的

5、影响 图3-1 合金元素对钢材强度性能的影响 加入合金元素能细化晶粒，各种合金元素在不同程度上改变了钢的奥氏体转变动力学，直接影响钢的淬硬倾向。如C、Mn、Cr、Mo、V、W、Ni、Si等元素能提高钢的淬硬倾向，而Ti、Nb等碳化物形成元素则降低钢的淬硬倾向。 合金结构钢强度级别不同，合金元素及其含量也不同，成分设计既要满足使用性要求，又要考虑其经济性。强度级别为600MPa的钢主要为Mn-Si系和在Mn-Si基础上加少量的Cr、Ni、Mo、V；700MPa级的钢主要为Mn-Si-Cr-Ni-Mo系，合金元素加入量较600MPa级的钢多一些，另外还加入少量的V；800MPa级的钢主要为Mn-S

6、i-Cr-Ni-Mo-Cu-V系，并加入一定量的B；1000MPa级的钢合金系列与800MPa级的钢基本相同，但合金元素加入量较高，尤其是为了保证韧性加入较多的Ni。 按其供货时的热处理状态，低合金结构钢可分为热轧、控轧、正火、TMCP（控轧控冷）、调质（淬火回火）。调质处理（QT）分为水调质处理（淬火回火）和空气调质处理（正火回火）两种。屈服强度低于420MPa的低合金钢中薄板可以热轧（或控轧）状态供货；屈服强度500MPa以上的低合金钢厚板，应以正火（或空气调质）状态供货.屈服强度690MPa以上的高强度钢大都是调质处理（淬火回火）。 (a) 对强度的影响 (b) 对韧性的影响 图3-3

7、不同组织对强度和韧性的影响（C0.090.1低合金钢） 低合金钢的强化途径新的冶炼技术的进步，促进了新一代钢种的诞生。低合金钢的强化途径包括： 1）合金强化 2）组织强化（如淬火+回火） 3）控轧控冷工艺（TMCP） 4）淬火+自回火控制轧制（QST） 合金结构钢的牌号我国第一个低合金高强钢标准于1959年发布，经过多次修订，由部标升为国家标准。1988年发布的国标GB/T 1591-1988名为低合金结构钢，列入屈服强度295440MPa的 17个钢号。GB/T 1591-1988标准对钢号的化学成分、力学性能作了具体规定。这样做虽然方便标准的执行，但是不利于钢种的发展。因为国标不可能把各生

8、产厂的钢号都纳入进来；而且标准既定以后，在一段时间内又不能变化和发展。1992年以后，我国低合金钢标准进行了二次重大的修订，形成了国标GB/T 15911994和GB/T 15912008低合金高强度结构钢。 新、旧国标钢号的对照 GB/T 1591-1994 GB/T 1591-1988Q295（A、B） 09MnV, 09MnNb, 09Mn2, 12Mn Q345（A, B, C, D, E） 12MnV, 14MnNb, 16Mn, 16MnRE, 18Nb, 14MnV, 10MnSiCu Q390（A, B, C, D, E） 15MnV, 15MnTi, 15MnVRE, 16M

9、nNb Q420（A, B, C, D, E） 15MnVN（Cu）, 14MnVTiRE（Cu）, 15MnVNb（RE）Q460（C, D, E） 14MnMoV,18MnMoNb A、B、C、D、E表示“无要求、0、20 、-20 、-40”的冲击功。最新标准：GB/T 1591-2008Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、Q690 3.2 热轧及正火钢的焊接3.2.1 热轧及正火钢的成分和性能 1. 热轧钢 基本成分为：C0.2%，Si0.55%，Mn1.5%。 屈服强度为295390MPa 固溶强化，组织为P+F 主要钢种：Q295、Q345（如16

10、Mn） 我国低合金钢系列中的许多钢种是在16Mn基础上发展起来的。 2. 正火钢 在C-Mn钢基础上加强化元素，如V、Nb、Ti、Mo, 强化方式：固溶沉淀强化， 屈服强度390MPa, 在16Mn基础上加入沉淀强化元素， 形成C、N化物，弥散分布 主要钢种：Q390、Q420、Q460 例如15MnV、 15MnVN、 14MnMoV、18MnMoNb 1) 正火状态下使用的钢：主要是含V、Nb、Ti的钢， 如Q390、Q345等，主要特点是屈强比（s/b）较高； 2) 正火回火状态使用的含Mo钢，如14MnMoV、18MnMoNb等。 含Mo的低合金正火钢适于制造中温厚壁压力容器。 3.

11、微合金控轧钢 采用微合金化（加入微量Nb、V、Ti）和控轧等技术，达到细化晶粒和沉淀强化相结合的效果。 在冶炼工艺上采取了降C、降S、改变夹杂物分布形态、提高钢的纯净度等措施，使钢材具有均匀的细晶粒等轴晶铁素体基体。 在低碳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。 例如：管线钢（X60、X65、X70、X80、X90） 石油、天然气输送管线工程的主流钢种第一代管线钢（X42-X70，F+P管线钢）第二代管线钢（X60-X90，针状F管线钢）第三代管线钢（X110、X120，F+M管线钢） 4. 超细晶粒钢（超级钢）新一

12、代钢铁材料的特点是超细晶粒、超洁净度、超均匀性、性能价格比更加合理。传统钢中，晶粒尺寸在100m以下就成为细晶粒钢，其中TMCP钢通过控轧控冷技术的晶粒尺寸达到1050m，超细晶粒钢的晶粒直径可达0.110m。新一代超细晶粒钢通过合金化和应变诱导铁素体相变、两相区轧制、外场处理等多种复合工艺处理，可使晶粒尺寸达到0.110m。P+S+O+N+H总含量降低到0.005%以下，使钢的强韧性获得大幅度提高。随着晶粒变细，钢材的屈服强度随其-1/2次方增加，冲击韧性明显增加。如果将晶粒直径减小到1m，现在屈服强度为400MPa的钢，在成分基本不变的条件下屈服强度可增加到800MPa。 3.2.2 热轧

13、及正火钢的焊接性1. 冷裂纹及影响因素 1）碳当量：Ceq越大，冷裂纹敏感性越大。 0.6 2）淬硬倾向： M、ML、BU、BL、F+P、A 3）热影响区最高硬度HVm，与钢材级别有关 试验基础上，规定了热影响区HVm 4）扩散氢含量：H越高，冷裂纹越突出 高强钢焊接应控制在超低氢含量：H1200）、热应变区脆化（AC1以下） 1）粗晶脆化的防止采用过大的焊接热输入，粗晶区将因晶粒长大或出现粗化组织而降低韧性；含有碳、氮化物形成元素的正火钢（如Q420等）采用过大的焊接热输入时，粗晶区的V(C、N)析出相基本固溶，这时V(C、N)化合物抑制奥氏体晶粒长大及组织细化作用被削弱，粗晶区易出现粗大晶

14、粒及上贝氏体、M-A组元等，导致粗晶区韧性降低和时效敏感性的增大。采用小焊接热输入是避免这类钢过热区脆化的一个有效措施。 2）热应变脆化的防止200400时热应变脆化最明显，当焊前已存在缺口时，会使亚临界热影响区的热应变脆化更为严重。热应变脆化易发生在固溶N含量较高而强度级别不高的低合金钢中，如抗拉强度490MPa的C-Mn钢。在钢中加入氮化物形成元素（如Al、Ti、V等），可以降低热应变脆化倾向，如Q420比Q345的热应变脆化倾向小。退火处理也可大幅度恢复韧性，降低热应变脆化，如Q345经6001h退火处理后，韧性大幅度提高，热应变脆化倾向明显减小。 5. 层状撕裂 主要发生于角接头或T形

15、接头的厚板结构中。大型厚板结构（如海洋工程、锅炉吊架、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。硫含量和Z向断面收缩率是评定钢材层状撕裂敏感性的指标。改善接头形式、减轻Z向应力应变、预热和降氢等措施，有利于防止层状撕裂的发生。 3.2.3 热轧及正火钢的焊接工艺1. 坡口加工、装配及定位焊2. 焊接材料的选用3. 焊接参数的确定4. 预热及焊后热处理5. 焊接接头的力学性能 (1) 坡口加工、装配及定位焊焊接坡口的几何形状和制备方法，直接影响焊接接头的质量和经济性。在设计低合金结构钢接头的坡口时应注意以下两点： 避免采用无法

16、焊透或局部焊透的坡口形式。因为焊缝根部的缺口往往是各种焊接裂纹的起源区。 尽量减少焊缝的横截面积，以降低接头的焊接应力，同时也可减少焊接材料的消耗量。 2. 焊接材料的选用要点 选择与母材力学性能匹配的相应级别的焊接材料 从力学性能“等强匹配”的角度选择焊接材料，一般要求焊缝的强度性能与母材等强或稍低于母材。焊缝中碳含量12 X形 4.0 160 210 热轧及正火钢埋弧焊（SAW）的工艺参数根据板厚和焊丝直径（4）确定工艺参数 板厚（mm） 接头形式 焊接电流（A） 焊接电压（V） 焊接速度（m/h） 10 12 不开坡口 550 650 34 36 34.5 14 18 V形坡口 600

17、700 34 36 30 32 20 25 V形坡口 680 740 36 38 22 30 16 20 T形角接头 600 720 34 38 26 36 20 25 T形角接头 620 760 35 38 26 34 备注：焊接材料H08A+HJ431 适用于船舶、管道等长直焊缝，用于平焊和平角焊。 热轧及正火钢CO2焊的工艺参数根据焊丝直径、板厚确定工艺参数 焊丝直径 接头形式 气体流量 焊接电流 焊接电压 焊接速度 （mm） （L/min） （A） （V） （cm/min） 1.2 单道焊 8 15 100 150 21 24 12 18 1.2 多道焊 8 15 160 240 22

18、 26 14 22 1.6 单道焊 10 18 280 340 30 32 18 24 1.6 多道焊 10 18 300 360 33 35 20 26 备注：采用CO2保护气体 适用于平焊、平角焊等位置的焊接。 4. 预热及焊后热处理目的是为了防止裂纹，也有一定的改善组织、性能的作用。强度级别较高或钢板厚度较大的结构件焊前应预热，焊后进行热处理。预热温度 与钢材淬硬性、板厚、拘束度和氢含量等有关，须结合具体情况经试验后确定，推荐的一些预热温度只作为参考。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。不同环境温度下焊接Q345钢的预热温度: 板厚（mm） 预热温度 40 预热100 150 焊后热处理确定焊后回火温度的原则是： 不要超过母材原来的回火温度，以免影响母材本身的性能。 有回火脆性的材