第3章合金结构钢焊接课件.ppt

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1、第3章 合金结构钢的焊接_,3.1 合金结构钢的分类和性能_3.2 热轧及正火钢的焊接_3.3 低碳调质钢的焊接_3.4 中碳调质钢的焊接_3.5 珠光体耐热钢的焊接_3.6 低温钢的焊接_,1.铁碳相图,知识回顾：,铁的同素异构转变,铁素体,碳在体心立方-Fe中形成的间隙固溶体（简称铁素体)；它的溶碳量很小，最多只有0.0218%(727)，室温时几乎为0 ，因此性能与纯铁接近，强度和硬度低，塑性和韧性高，并具有铁磁性。b：180280MPa、硬度80HB，：30%50%，k：160200J/2,碳在高温-Fe中形成的间隙固溶体()，最大溶碳量为1495时的0.09。,铁素体,铁素体,奥氏体

2、,碳在面心立方-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体(A)，溶碳量较高，1148时为2.11， 727时为0.77,奥氏体是一种高温组织，稳定存在的温度范围为7271394，故奥氏体的硬度低，塑性较高，通常在对钢铁材料进行热变形加工，如锻造、热轧等时，都应将其加热成奥氏体状态，所谓“趁热打铁” 。力学性能：b=400MPa、=40%50%、170220HB,渗碳体,渗碳体是指晶体点阵为复杂正交点阵，化学式近似于Fe3C的一种间隙式化合物，用Fe3C表示，其含碳量wc=6.69%，硬度高、脆性大，力学性能指标为：硬度800HB、抗拉强度(b)30MPa、伸长率()0、冲击韧度(k)0。,珠光体,珠光

3、体P是共析铁素体F和渗碳体Fe3C的一种机械混合物，强度较高,塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间,钢铁的“四把火”,知识回顾：,钢铁的“四把火”,退火：加热到临界点以上或以下温度，保温一定时间，然后随炉冷却，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺,目的：使化学成分均匀，消除内应力和加工硬化，改善加工性能，并为淬火做准备。,知识回顾：,钢铁的“四把火”,正火：加热到Ac3或Accm以上适当温度，保温一定时间，使之完全奥氏体化，然后在空气中冷却，得到珠光体类组织,目的：改善切削加工性能，消除应力，均匀成分 低碳钢和中碳钢,知识回顾：,钢铁的“四把火”,淬火：加热到临界点Ac3或Ac1以上一定温度，

4、保温后以大于临界淬火速度冷却，得到马氏体或贝氏体组织,目的：使奥氏体化后的工件获得尽量多的马氏体，然后配以不同温度的回火，获得各种所需的性能,知识回顾：,注意：钢在任何情形下都不能以单淬火状态使用，淬火残余应力会使钢材变形或剥裂,钢铁的“四把火”,回火：将淬火钢在A1以下温度加热保温，使淬火组织转 变为稳定的回火组织，然后以适当的方式冷却到室温,目的：消除淬火应力；提高组织稳定性；提高塑性和韧性，获得硬度、强度、塑性和韧性的匹配,知识回顾：,调质处理：淬火高温回火 高温回火是指在500650之间进行的回火。 通过调质处理，可以使钢的组织和 性能得到很大程度的调整，其强度、塑性和韧性都较好，具有

5、良好的综合机械性能,3.1 钢铁的分类,碳素钢简称碳钢，是最基本的铁碳合金。它是指在冶炼时没有特意加入合金元素，含有极少量的Si、Mn和微量的S、P等元素，其含碳量大于0.0218%而小于2.11%。,按碳含量分： 低碳钢，含碳量0.25 中碳钢，含碳量：0.250.6% 高碳钢，含碳量0.6,合金结构钢的分类,合金钢：指在炼钢过程中有意识地加入一种或多种合金元素来改善钢材性能。常用合金元素有：锰、硅、铬、镍、钼、 钨、钒、钛、硼 Mn、Si、Cr、Ni、Mo、W、V、 Ti、 B,按合金元素总含量分： 低合金钢，合金元素总含量5 中合金钢，合金元素总含量510% 高合金钢，合金元素总含量10

6、,性能：强度高，韧性好，具有特殊的物理、化学性能， 如耐热性和耐蚀性等应用：压力容器、石油化工、桥梁、船舶等机械零件和工程结构,合金结构钢的分类,按用途和性能分：强度用钢（高强钢）和低中合金特殊用钢,1、强度用钢： 强度：s295MPa，高强钢 应用：常规条件下要求能承受静载和动载的机械零件和工程结构,主要性能是力学性能，合金元素的加入是为了保证足够的塑性和韧性的前提下，获得不同的强度等级，同时也可改善焊接性,非调质钢,合金结构钢,调质钢,热轧钢,正火钢,控轧钢,b600MPa,b600MPa,低碳调质钢,中碳调质钢,热轧钢：把钢锭加热到1300 左右，经热轧成板材， 然后空冷后即成热轧钢。正

7、火钢：钢板轧制和冷却后，再加热到900 附近，然 后空冷。调质钢：轧制冷却后再在900 附近加热后放入淬火设 备中水淬，然后在600 左右回火处理。,新发展钢种：微合金化控轧钢、焊接无裂纹钢（CF 钢）、抗层状撕裂钢（Z向钢）、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。,表3-1 国内外常见的合金结构钢的牌号,1. Q屈服点,18CrMoVA,0.18%C,2. 数字+合金元素+A/B/C/D,(碳含量的万分之几）,优质,A等级最低，D最高,X60：管线钢WCF62：焊接无裂纹钢HQ70、HQ80、HQ100、T-1

8、、HY80、HY110：低碳调质钢,高强钢,1）热轧及正火钢 s =294490MPa，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、抗层状撕裂的Z向钢等。应用：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,高强钢,2）低碳调质钢 s = 490980MPa，在调质状态下供货使用，属于热处理强化钢。特点：含碳量较低（0.22%），高强度，良好塑 性和韧性，可以直接在调质状态下进行焊接， 焊后不需进行调质处理。应用：大型工程机械、压力容器及舰船制造等。,高强钢,3）中碳调质钢 s = 8801176 MPa 以上，热处理强化钢特点：含碳量

9、较高（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，但韧性相对较低，焊接困难。 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。应用：强度要求很高的产品或部件，如火箭发动机 壳体、飞机起落架等。,低合金特殊用钢,应用：一些特定条件下工作的机械零件和工程结构要求：常规力学性能，必须适应特殊环境可分为：珠光体耐热钢、低温钢和低合金耐蚀钢等,低合金特殊用钢,1）珠光体耐热钢元素：以Cr、Mo为基础，随工作温度提高，加入 V、W、Nb、B等合金元素特点：具有较好的高温强度和高温抗氧化性应用：工作温度在500600的高温设备，如热动力 设备和化工设备

10、等。,低合金特殊用钢,2）低温钢 一些含Ni或无Ni的低合金钢，一般在正火或调质 状态使用。应用：各种低温装置（-40-196）和在严寒地区的一 些工程结构，如液化石油气、天然气、液氮、液 氢等生产储运设备。特点：与普通低合金钢相比，低温钢必须保证在低温下 具有足够高的低温韧性，对强度无特殊要求。,低合金特殊用钢,3）低合金耐蚀钢 要求：具有一般力学性能，必须具有耐腐蚀性能。应用：像大气、海水、石油化工等腐蚀介质中工作的 各种机械设备和焊接结构。 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,碳：最能提高强度的元素，

11、但易于引起淬硬和焊接裂 纹，所以在保证强度的前提下，碳的含量越少越 好（C%0.22%，实际C% 0.18%）,3.1.2 合金结构钢的基本性能,3.1.2 合金结构钢的基本性能,1）细化晶粒2）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。提高钢的淬硬倾向： C、Mn、Cr、Mo、V、W、Ni和Si等元素降低钢的淬硬倾向： Ti、Nb、Ta等碳化物形成元素,合金元素的作用：,淬硬倾向： 马氏体含量越多，硬度越高，淬硬倾向越大，淬硬性主要取决于马氏体中碳的过饱和度,3.1.2 合金结构钢的基本性能,合金元素N的作用：,氮（N）：在钢中的作用与碳相似，奥氏体元素 1）当它溶解在铁

12、中时，将扩大区。 2）能与钢中其他合金元素形成稳定的氮化物，这些氮化物往往以弥散的微粒分布，从而细化晶粒，提高钢的屈服点和抗脆断能力。 3）Al、Ti和V等合金元素对氮具有较高的亲和力，并能形成较稳定的氮化物。 因此，为了充分发挥氮作为合金元素的作用，钢中必须同时加入Al、V和Ti等氮化物形成元素。,3.1.2 合金结构钢的基本性能,、合金元素对抗拉强度和屈服强度的影响：,s=122+274C+82Mn+55Si+54Cr+44Ni+78Cu+353V+755Ti +540P+30-2(h-5)b=230+686C+78Mn+90Si+73Cr+33Ni+56Cu+314V+529Ti +45

13、0P+21-1.4(h-5)式中 h为板厚（mm）,3.1.2 合金结构钢的基本性能,、合金元素对塑性和韧性的影响：,热轧及正火条件下，合金元素的强化效果越大，塑性和韧性的降低越多，当钢中合金元素的含量超出一定范围后会出现韧性的大幅度下降。抗拉强度大于600MPa的高强钢一般都需进行调质处理。,3.1.2 合金结构钢的基本性能,、合金元素对淬透性的影响：,淬透性：钢淬火时得到淬硬层深度大小的能力。淬硬层（马氏体层）深度越大，则钢的淬透性越好。,提高淬透性的元素：Mn、Cr、Ni、Mo、V、Nb、B、Cu等,凡是能够增加过冷奥氏体稳定性，或者说使曲线位置右移，降低马氏体转变临界冷却速度，都能提高

14、钢的淬透性,3.1.2 合金结构钢的基本性能,各种合金元素的影响程度不仅取决于它的含量，还取决于同时存在的其他合金元素的性质和含量,低碳调质钢的综合性能除了取决于化学成分外，主要是通过热处理保证具有良好的组织和力学性能,3.1.2 合金结构钢的基本性能,2）力学性能,屈强比：屈服强度与抗拉强度之比，s /b,钢材的强度越高，屈强比增大 低碳钢的屈强比约为0.7左右 控轧钢板的屈强比约为0.700.85 800MPa级高强钢的屈强比约为0.95,反映结构的安全可靠性，屈强比愈小，意味着加工硬化指数和均匀伸长率越高，钢材受力超过屈服点工作时的可靠性愈大，因而结构安全性愈高。但屈强比太小，则钢材不能

15、有效地被利用，造成钢材浪费。建筑结构钢合理的屈强比一般为0.600.75。,3.1.2 合金结构钢的基本性能,2）力学性能：拉伸性能,低温：冷脆性， T，b 韧性下降,高温：T200，缓慢下降 T200 ，升高 T=300 ，最大 T350 ，降低,a）低温拉伸性能 b)高温拉伸性能,3.1.2 合金结构钢的基本性能,2）力学性能：缺口韧性,缺口韧性：用于表示材料抵抗脆性破坏的一项指标 却贝冲击吸收功：缺口韧性的评价方法 试验： 试样：10mm10mm55mm，中央开深度2mm 的V形缺口，尖端半径为0.25mm。 试验过程：逐渐改变试验温度做冲击试验 评价指标：1）试样破断时所需的能量（称为

16、吸 收能） 2）断口形貌（塑性断口和脆性断口）,低温冲击试验机,3.1.2 合金结构钢的基本性能,2）力学性能：缺口韧性,吸收能：可以反映出某一温度范围韧性急剧变化的 转变现象 吸收能变小，由塑性断口转变为脆性断口韧脆转变温度（ VTrs）： 低于某一温度，材料由韧性断裂转变为脆性断裂 VTrs越低，韧性越好,3.1.2 合金结构钢的基本性能,、合金元素对力学性能的影响：,缺点：Mn含量增高，有增加钢晶粒粗化的倾向和回火脆性敏感性；减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能,3.1.2 合金结构钢的基本性能,、合金元素对力学性能的影响：,惟一既能提高强度同时又能提高韧性且大幅 度降低脆性转变温度的合金元

17、素，在低温钢 和不锈钢中最常用,3.1.2 合金结构钢的基本性能,、合金元素对力学性能的影响：,可细化晶粒，提高热强性，在高温下保持足够的 强度和抗蠕变性能。当WMo=0.25%0.50% 时，既可以强化金属又能改善韧性，当WMo0.5% 时韧性开始恶化。 提高高温抗氧化性，常与Cr一起用于耐热钢,3.1.2 合金结构钢的基本性能,、合金元素对力学性能的影响：,V、Ti、Nb是强烈形成碳化物的元素；还可形成氮化物，析出微小的VC、TiC、NbC及VN、TiN、Nb(C、N)产生明显的沉淀强化作用，在固溶强化的基础上屈服强度可提高50100MPa，并能保持韧性,3.1.2 合金结构钢的基本性能,

18、、微合金化元素,在晶界上阻止先共析铁素体生成及长大， 细化晶粒从而改善韧性,合金元素的加入： 合金结构钢的强度级别不同，加入的合金元素及其含量也不同，成分设计既要满足使用性能要求又要考虑其经济性。b =600MPa：Mn-Si、Mn-Si+少量Cr、Ni、Mo、V b =700MPa：Mn-Si-Cr-Ni-Mo系，合金元素加入量较 600MPa级的钢多些，还加入少量的V；b = 800MPa：Mn-Si-Cr-Ni-Mo-Cu-V系，并加入一定量B；b = 1000MPa：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，而加入较多的Ni,3.1.2 合金结构钢的基本

19、性能,3）显微组织,为了获得满意的强度和韧性的组合：1）晶粒尺寸必须细小、均匀，而且应是等轴晶；2）经调质处理，钢材具有较高的强度、韧性和良好 焊接性，裂纹敏感性小，热影响区组织性能稳定。3）控制杂质之和，使W杂质：0.01%0.006%4）控制晶粒度：3m 经淬火+回火处理获得板条低碳马氏体组织的低合金调质钢，以其高强度、高韧性和低的缺口敏感性得到了广泛应用。,低合金钢热影响区中的显微组织主要是低碳马氏体、贝氏体、M-A组元和珠光体类组织，导致具有不同的硬度、强度、塑性和韧性,3.1.2 合金结构钢的基本性能,低合金高强钢不同比例混合组织的维氏硬度和相应金相组织的显微硬度见表3-2。,3.1

20、.2 合金结构钢的基本性能,同样的显微组织，也具有不同的硬度，与钢的含碳量、合金含量及晶粒度有关：硬度：高碳马氏体的硬度可达600HV 低碳马氏体的硬度只有350390HV性能：前者是针状马氏体（孪晶马氏体），属脆硬相； 后者是低碳板条马氏体（位错马氏体），硬度虽高，但仍有较好的韧性。,针状马氏体,3.2.1 热轧及正火钢的成分和性能_ 3.2.2 热轧及正火钢的焊接性_ 3.2.3 热轧及正火钢的焊接工艺_,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,热轧及正火钢： s =294490MPa，在热轧或正火状态下使用，属于非热处理强化钢。特点：价格便宜，具有良好的综合力学

21、性能和加工性能包括：微合金化控轧钢、抗层状撕裂的Z向钢等。应用：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,3.2.1 热轧及正火钢的成分和性能,s =294490MPa的低合金高强钢,3.2.1 热轧及正火钢的成分和性能,1. 热轧钢,s =294390MPa的普通低合金钢化学成分：C、Mn、Si、S、P、V、Nb、Ti wC0.2% Mn、Si：固溶强化保证钢的强度 V、Nb 、Ti ：细化晶粒、沉淀强化 属于C-Mn或Mn-Si系的钢种,wC0.2%，wSi0.55%，wMn 1.5% wSi 0.6%：使 vTrs 提高，对韧性不利; wC0.3

22、%、wMn1.6%：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。,3.2.1 热轧及正火钢的成分和性能,Q345（16Mn）是我国1957年研制生产和应用最广泛的热轧钢，用于南京长江大桥和我国第一艘万吨远洋货轮。,1. 热轧钢,在Q345基础上加入少量V(0.030.20%)、Nb(0.010.05%)、Ti(0.100.20%)等，利用V、Nb、Ti的碳化物和氮化物的析出可进一步提高钢的强度，细化晶粒，如Q390，Q420,3.2.1 热轧及正火钢的成分和性能,1. 热轧钢,组织：铝镇静的细晶粒铁素体珠光体，热轧供货 要求提高冲击韧度或板厚较大时，可以要求 在正火条件下供货，经正

23、火处理可使钢的化学成 分均匀化，塑性、韧性提高，但强度略有下降。如： Q345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900920正火处理，正火后强度略有降低，但塑性、韧性（特别是低温冲击韧性）有所提高,3.2.1 热轧及正火钢的成分和性能,2. 正火钢,s 390MPa必须在固溶强化的同时加强合金元素的沉淀强化作用化学成分：C、Mn、Si、S、P、Mo、V、Nb、Ti,在Q345基础上加入少量V、Nb、Ti、Mo等碳、氮化合物形成元素，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,3.2.1 热轧及正火钢的成分和性能,2. 正火钢,1）正火状态下使用的钢：主要是含

24、V、Nb、Ti的钢，如420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。Mo：细化晶粒，提高强度，提高钢材中温性能。 含Mo钢在较高的正火温度或较快速度的连续冷却下，组织为上贝氏体+少量铁素体(Bu+F)，因此正火钢必须回火后才能保证获得良好的塑性和韧性。 含Mo的低合金正火钢适于制造中温厚壁压力容器。,正火处理：促使碳化物和氮化物的细小化合物质点沉淀析出，弥散分布在晶内和晶界，起细化晶粒的作用,3.2.1 热轧及正火钢的成分和性能,2. 正火钢,还包括：抗层状撕裂的Z向钢 屈服强度s343MPa处理：冶炼中采用钙或稀土处理和真

25、空除气。Z向钢特点：S含量低（wS 0.005%）、气体含量低、 Z向断面收缩率高（Z35%）等,3.2.1 热轧及正火钢的成分和性能,3. 微合金控轧钢,微合金钢：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。多元微合金化：多种微合金元素（如Nb、Ti、Mo、 V、B、RE）的共同作用。,是热轧及正火钢的一个重要分支，是近年来新发展起来的一类新钢种,采用：1）微合金化 2）控轧等技术 3）冶炼工艺上采取降碳、降硫，改变夹杂物 形态，提高钢的纯净度等措施，使具有细晶组织。优点：高强度、高韧性和良好的焊接性。应用：石油和天然气的输送管线。,细化晶粒、沉淀强化相结合

26、,3.2.1 热轧及正火钢的成分和性能,3. 微合金控轧钢,细化晶粒所采取的主要工艺：控轧或控冷1）控轧主要是控制钢材的轧制变形温度和变形量，利用位错强化来强化钢材；2）控冷主要是控制钢材的开始形变温度和终了形变 温度，以及随后的冷却速度。 与控轧相比，控冷对钢材晶粒细化的效果更显著。,细晶粒钢：晶粒尺寸在50m以下的钢种， 获得强韧性匹配良好的综合力学性能,3.2.1 热轧及正火钢的成分和性能,3. 微合金控轧钢,控轧管线钢焊接的主要问题： 过热区晶粒粗大使抗冲击性能下降改善措施：在钢中加入沉淀强化元素Ti（形成TiO2、 TiN）防止晶粒长大，优化焊接工艺及 规范。,TMCP：控轧后立即加

27、速冷却所制造的钢 （Thermo-Mechanical Control Process） 晶粒尺寸可小于50m，最小可达到10m 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。,3.2.2 热轧及正火钢的焊接性,热轧及正火钢中碳和合金元素的含量都较低，焊接性总体较好，但随合金元素含量的增加，焊接性变差。焊接时需要注意的问题是焊接裂纹和热影响区性能变化。,1、冷裂纹及影响因素,2）正火钢：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、预热和焊后热处理

28、等措施,1）热轧钢：含有少量合金元素，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,3.2.2 热轧及正火钢的焊接性,3）微合金控轧钢：碳当量都很低，冷裂纹敏感性较低，焊接性较好。除超厚焊接结构外，490MPa级的微合金控轧钢焊接一般不需要预热。,1、冷裂纹及影响因素,3.2.2 热轧及正火钢的焊接性,1） 碳当量（Ceq） 淬硬倾向主要取决于钢的化学成分，其中以碳的 作用最明显。可以通过碳当量公式来大致估算不同钢 种的冷裂敏感性。 碳当量越高，冷裂敏感性越大。 IIW推荐碳当量公式：,Ceq0.4%时：焊接过程中基本无淬硬倾向，冷裂敏感性小。 热轧钢Ceq 0.4%

29、，焊接性良好，除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。,1、冷裂纹及影响因素,3.2.2 热轧及正火钢的焊接性,Ceq0.4%0.6%：钢的淬硬倾向逐渐增加，属于有 淬硬倾向的钢。 正火钢基本上处于这一范围，其中碳当量不超过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。,（2）淬硬倾向,3.2.2 热轧及正火钢的焊接性,焊接热影响区：产生淬硬的M或M+B+F混合组

30、织时， 对氢致裂纹敏感； 产生B或B+F组织时对氢致裂纹不敏感淬硬倾向可以通过SHCCT或CCT曲线来分析。 凡是淬硬倾向大的钢材，连续冷却转变曲线都是往右移。但由于冷却条件不同，不同曲线的右移程度不同。如CCT曲线右移的程度比等温转变TTT曲线大1.5倍以上，而SHCCT曲线右移就更多。 比较两种钢材的淬硬倾向时，必须采用同一种曲线。,1） 热轧钢的淬硬倾向,Q345在连续冷却时，珠光体转变右移较多。c点以左，铁素体F析出后剩下的富碳A来不及转变为珠光体P，而转变为含碳较高的B+M，具有淬硬倾向。,焊条电弧焊快冷时：Q345热影响区会出现少量铁素体F、贝氏体B和大量马氏体M低碳钢则出现大量铁

31、素体F、少量珠光体P和部分贝氏体B 因此，Q345热轧钢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。,2）正火钢的淬硬倾向：随着合金元素和强度级别的提高而增大18MnMoNb：高温转变区过冷奥氏体稳定，冷却下来容易得到B和M，整个转变曲线比Q420右移，淬硬性高。,（3）热影响区最高硬度,3.2.2 热轧及正火钢的焊接性,热影响区最高硬度：评价淬硬倾向和冷裂纹敏感性的简易办法最高硬度允许值：刚好不出现冷裂纹的临界硬度值。热影响区最高硬度与裂纹率的关系：,裂纹率随氢含量和最高硬度值的增加而升高。,（3）热影响区最高硬度,3.2.2 热轧及正火钢的焊接性,Ceq热影响区淬硬倾向但并

32、非始终呈线性,碳当量与热影响区最高硬度的关系：,3.2.2 热轧及正火钢的焊接性,热影响区最高硬度与Ceq和冷却速度的关系：,冷却时间t8/5对热影响区最高硬度的影响：,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。,（3）热影响区最高硬度,2、热裂纹和再热裂纹,（1）焊缝热裂纹 热轧及正火钢：具有较好的抗热裂性能 原因：C%较低、而Mn%较高，Mn/S比能达到要求个别情况：在焊缝中出现热裂纹 原因：C、S、P等元素含量偏高或严重偏析有关,3.2.2 热轧及正火钢的焊接性,2、热裂纹和再热裂纹,（1）焊缝热裂纹 C含量越高，焊缝熔融金属在进行初生相转变时，很容易析出S，P杂质，

33、且富集于晶界，增加裂纹倾向。 Mn：良好的脱S剂，生成高熔点MnS，避免产生晶界FeS，降低热脆性。,3.2.2 热轧及正火钢的焊接性,Si：Si的有害作用与促使S的偏析有关 Si含量高时，热裂纹倾向也增加,2、热裂纹和再热裂纹,（2）消除应力裂纹（SR裂纹）出现：1）含Mo正火钢厚壁压力容器之类的焊接结构， 进行焊后消除应力热处理或焊后再次高温加 热（包括长期高温使用过程中）的过程中， 可能出现消除应力裂纹，即再热裂纹。 2）有沉淀强化的钢或合金（如珠光体耐热钢、 奥氏体不锈钢等）焊接接头中，也可能产生 再热裂纹。,3.2.2 热轧及正火钢的焊接性,2、热裂纹和再热裂纹,（2）消除应力裂纹（

34、SR裂纹）影响因素：钢中的Cr、Mo元素及含量对再热裂纹的产生 影响很大。元素之间的相互作用对再热裂纹 敏感性的影响更复杂(与形成的碳化物形态有关),3.2.2 热轧及正火钢的焊接性,A-SR裂纹敏感区B-随Cr、Mo含量增加，SR 裂纹增加C-随Cr、Mo含量增加，SR 裂纹下降D-SR裂纹敏感性降低区,2、热裂纹和再热裂纹,（2）消除应力裂纹（SR裂纹）产生区域：热影响区的粗晶区 裂纹沿熔合区方向在粗晶区沿奥氏体晶界断续发展原因：与杂质元素在奥氏体晶界偏聚及碳化物析出“二次硬化” 导致的晶界脆化有关。,3.2.2 热轧及正火钢的焊接性,再热裂纹的产生一般须有较大的焊接残余应力，因此在拘束度

35、大的厚大工件中或应力集中部位更易于出现再热裂纹。,2、热裂纹和再热裂纹,（2）消除应力裂纹（SR裂纹）SR敏感钢种：Mn-Mo-Nb和Mn-Mo-V系低合金钢 正火钢中的18MnMoNb和14MnMoV采取措施：提高预热温度或焊后立即后热如：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。,3.2.2 热轧及正火钢的焊接性,3、非调质钢焊缝的组织和韧性,韧性：表征金属对脆性裂纹产生和扩展难易程度的性能 影响韧性的因素：显微组织、夹杂和析出物 起决定作用的是显微组织

36、，相同组织，其数量、晶粒 尺寸、形态等不同，韧性也不一样。,3.2.2 热轧及正火钢的焊接性,低合金高强钢焊缝金属组织：先共析铁素体PF（也叫晶界铁素体GBF）、侧板条铁素体FSP、针状铁素体AF、上贝氏体Bu、珠光体P等，马氏体M较少。,3、非调质钢焊缝的组织和韧性,焊缝韧性取决于针状铁素体（AF）和先共析铁素体（PF）组织所占的比例。,3.2.2 热轧及正火钢的焊接性,焊缝中：AF%韧性韧脆转变温度vTrs PF%韧性 vTrs,3、非调质钢焊缝的组织和韧性,针状铁素体AF：晶粒细小，晶粒边界交角大且相互交叉， 每个晶界都对裂纹的扩展起阻碍作用；先共析铁素体PF：沿晶界分布，裂纹易于萌生、

37、也易于扩展， 导致韧性较差。,3.2.2 热轧及正火钢的焊接性,3、非调质钢焊缝的组织和韧性,焊缝中AF增多，有利于改善韧性，但随着合金化程度的提高，焊缝组织可能出现Bu和M，在强度提高同时会抵消AF的有利作用，焊缝韧性反而会恶化。AF：100%20%焊缝韧性,3.2.2 热轧及正火钢的焊接性,3、非调质钢焊缝的组织和韧性,低合金钢焊缝韧性在很大程度上依赖于Si、Mn含量Si：铁素体形成元素，Si%先共析铁素体PFMn：扩大奥氏体区的元素，推迟转变 Mn% 先共析铁素体PFSi%、Mn% 焊缝金属晶粒粗大Mn%、Si%较少时，转变形成粗大PF焊缝性较低， 因为微裂纹扩展的阻力较小Mn%、Si%

38、含量过高时，形成大量平行束状排列板条状F， 这些晶粒的结晶位向很相似，裂纹扩展的阻碍小， 使焊缝金属韧性较低。 Mn和Si含量过多或过少都使韧性下降。,3.2.2 热轧及正火钢的焊接性,3、非调质钢焊缝的组织和韧性,Mn、Si：脱氧元素、合金元素，对焊缝组织和韧性 有直接影响,3.2.2 热轧及正火钢的焊接性,Mn、Si含量对焊缝韧性的影响a）对冲击吸收功的影响 b）对韧脆转变温度的影响,中等程度Mn、Si含量，例如wMn=0.8%1.0%，wSi=0.15%0.25%，Mn/Si比约47情况下，可得到针状铁素体+细晶粒铁素体的混合组织，对裂纹扩展的阻力大，焊缝韧性高。,解决措施： 在Mn-S

39、i系基础上加入适量Ti和B或Ti和Mo，均能改善的相变特性，使对韧性不利的铁素体组织减少，细小、均匀的针状铁素体增多，有效提高焊缝韧性。,4、热影响区脆化,3.2.2 热轧及正火钢的焊接性,4、热影响区脆化,3.2.2 热轧及正火钢的焊接性,原因：热轧钢焊接时，采用过大的焊接热输入，粗晶区将因晶 粒长大或出现魏氏组织而降低韧性； 焊接热输入过小，粗晶区中马氏体组织比例增大而降低韧性。,4、热影响区脆化,3.2.2 热轧及正火钢的焊接性,正火钢（如Q420 ）：含有碳、氮化物形成元素，采用过大焊接热输入时，粗晶区的V（C、N）析出相基本固溶。 此时，V（C、N）化合物抑制A晶粒长大和组织细化作用

40、被削弱；,粗晶区易出现粗大晶粒及Bu、M-A组元等 粗晶区韧性降低、时效敏感性增大。,3.2.2 热轧及正火钢的焊接性,防止措施：采用小焊接热输入 1）对C%偏高的热轧钢，焊接热输入要适中； 2）对含有碳、氮化物形成元素的正火钢，应选用 较小的焊接热输入。,如果为了提高生产率而采用大热输入时，焊后应采用8001050正火处理来改善韧性。 但正火温度超过1100，晶粒会迅速长大，将导致焊接接头和母材的韧性急剧下降。,3.2.2 热轧及正火钢的焊接性,杂质的影响：S和P均降低热影响区的韧性 特别是大热输入焊接时，P的影响较为严重,wP0.013%时，韧性明显下降,3.2.2 热轧及正火钢的焊接性,

41、N对Mn-Si系低合金钢热影响区韧性影响：,通过降低N含量，即使焊接热输入在很大范围内变化，也仍然可以获得良好的韧性。,4、热影响区脆化,3.2.2 热轧及正火钢的焊接性,原因：对于C-Mn系热轧钢及N%较高的钢，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, 在200400时热应变脆化最为明显 焊前存在缺口时，会使热应变脆化更为严重 熔合区易产生热应变脆化，与此区域常存在 缺口和不利组织有关,钉轧位错,4、热影响区脆化,3.2.2 热轧及正火钢的焊接性,防止措施：1）在钢中加入足够量的氮化物形成元素 （如Al、Ti、V等） 如Q420比Q345的热应变脆化倾向小。 2

42、）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,3.2.2 热轧及正火钢的焊接性,大型厚板：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,发生：要求熔透的角接接头或T形接头的厚板结构中,5、层状撕裂,3.2.2 热轧及正火钢的焊接性,硫含量和Z向断面收缩率是评定钢材层状撕裂敏感性的主要指标。,产生原因：不受钢材种类和强度级别的限制 1）从Z向拘束力考虑，层状撕裂与板厚有关板厚在 16mm以下一般不会产生层状撕裂 2）从钢材本质来说，主要取决于冶炼质量钢中的片状 硫化物与层状

43、硅酸盐或大量成片地密集于同一平面 内的氧化物夹杂都使Z向塑性降低，导致层状撕裂的 产生，其中层片状硫化物的影响最为严重。,5、层状撕裂,3.2.2 热轧及正火钢的焊接性,防止措施：1）合理选择层状撕裂敏感性小的钢材（Z向钢）： 处于角焊缝强烈作用的部分可采用一段优质Z向钢。 2）改善接头形式设计减小拘束应变： 将贯通板端部延伸一定长度；变更焊缝位置，使接头总 的受力方向与轧层平行等； 3）在满足使用要求下选用强度级别较低的焊接材料： 使应变集中于焊缝而减轻母材热影响区的应变 4）采用预热及降氢等辅助措施： 气体保护焊、埋焊 ，表面隔离层堆焊等,3.2.2 热轧及正火钢的焊接工艺,焊接方法：焊条

44、电弧焊、埋弧自动焊、CO2气体保护焊、电渣焊、压焊等。 坡口：机械加工(自动行进式坡口机)、 火焰切割或碳弧气刨(砂 轮打磨) 坡口两侧约50mm内，去除水、油、锈及脏物等装配：间隙不应过大，避免强力装配，减小焊接应力定位焊： 定位焊缝L应有足够长度（一般L50mm） 较薄板材L4 选用同类型焊接材料，或强度稍低焊条或焊丝 定位焊的顺序应能防止过大拘束、允许工件有适当变形， 定位焊焊缝应对称均匀分布； 定位焊电流可稍大于正常时的焊接电流。,3.2.2 热轧及正火钢的焊接工艺,2、焊接材料的选择：考虑：1）不能有裂纹等焊接缺陷； 2）能满足使用性能要求。选择依据：保证焊缝金属的强度、塑性和韧性等

45、力学性能 与母材相匹配。,热轧及正火钢焊接：根据其强度级别选择焊接材料， 而不要求与母材同成分,3.2.2 热轧及正火钢的焊接工艺,2、焊接材料的选择：1）选择与母材力学性能匹配的相应级别的焊接材料 “等强匹配”：焊缝强度性能与母材等强或稍低于母材,E5515：C%0.12%， Mn%1.2%， Si%0.5%C、Mn的含量都比母材低，且其中不含沉淀强化元素V，但用它焊接的焊缝金属的抗拉强度可达549608MPa，同时还具有高的塑性和韧性,例如：焊接Q420（15MnVN），选择焊条E5515（J557）,3.2.2 热轧及正火钢的焊接工艺,焊缝的化学成分和性能与熔合比有很大关系，而母材溶入焊

46、缝组织的过饱和度与冷却速度有很大关系,2、焊接材料的选择：2） 同时考虑熔合比和冷却速度的影响 熔合比：熔焊时，被熔化的母材部分在焊道金属中所占 的比例称为熔合比。,焊条或焊丝成分的选择应考虑板厚和坡口形式的影响： 薄板焊接时熔合比较大，应选用强度较低的焊接材料，厚板深坡口则相反。,3.2.2 热轧及正火钢的焊接工艺,2、焊接材料的选择：3） 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，对于焊后要进行正火处理的焊缝，应选择强度高一些的焊接材料。,3.2.2 热轧及正火钢的焊接工艺,3、焊接参数的确定1） 焊接热输入 取决

47、于接头区是否出现冷裂纹和热影响区脆化,Ceq0.40%，如Q295、Q345， 焊接热输入的选择可适当放宽,Ceq =0.40%0.60%：淬硬倾向加大，M含量也增加 小热输入预热 预热温度控制恰当，既能避免产生裂纹，又能防止晶粒的过热,Ceq0.40%，随Ceqs 焊接热输入范围变窄,3.2.2 热轧及正火钢的焊接工艺,3、焊接参数的确定注意：1) 含Nb、V、Ti正火钢，为避免焊接中由于沉淀析出相的溶入以及晶粒过热引起的热影响区脆化，焊接热输入应偏小2)s 440MPa低合金钢或重要结构件，严禁在非焊接部位引弧。 3) 多层焊的第一道焊缝需用小直径的焊条及小热输入进行焊接，减小熔合比。,3

48、、焊接参数的确定1）焊条电弧焊： 适用于不规则形状、各种焊接位置的焊缝 选择参数根据：焊件厚度、坡口形式、焊缝位置,表3-7 热轧及正火钢焊条电弧焊工艺参数,3、焊接参数的确定2）自动焊：埋弧焊、电渣焊、CO2气体保护焊 埋弧焊：熔敷率高、熔深大、机械化操作 适于大型焊接结构，多用于平焊、平角焊,表3-8 Q345钢对接和角接埋弧焊的工艺参数,3、焊接参数的确定电渣焊：大型厚板结构如厚壁压力容器 由于线能量大，易引起热影响区晶粒粗化，需焊后正火处理。CO2焊：焊接热输入小，热影响区窄，不同位置焊,表3-9 热轧及正火钢CO2气体保护焊的工艺参数,3、焊接参数的确定3）氩弧焊 用于打底焊，以保证

49、焊缝根部的焊接质量,表3-10 热轧及正火钢钨极氩弧焊的工艺参数,表3-11 热轧及正火钢熔化极氩弧焊焊的工艺参数,3.2.2 热轧及正火钢的焊接工艺,3、焊接参数的确定（2）预热和焊后热处理 目的：防止裂纹，改善组织、性能 针对：强度级别较高或钢板厚度较大的结构件,表3-12不同环境温度下焊接Q345钢的预热温度,3.2.2 热轧及正火钢的焊接工艺, 焊后热处理 a）电渣焊由于接头区严重过热需要进行正火处理 b）对要求抗应力腐蚀的焊接结构、低温下使用的焊接结构 和厚板结构等，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

50、的材料，要避开出现回火脆性的温度区间 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。 若焊后不能及时进行热处理，应立即在200350保温 26h，以便焊接区的氢扩散逸出。,表3-13 热轧及正火钢预热和焊后热处理的工艺参数,4、焊接接头的力学性能,强度、韧性、伸长率、断面收缩率,3.3.1 低碳调质钢的种类、成分和性能_ 3.3.2 低碳调质钢的焊接性分析_ 3.3.3 低碳调质钢的焊接工艺特点_,3.3 低碳调质钢的焊接,3.3 低碳调质钢的焊接,随着合金元素含量的增加，合金强度提高，但是韧性下降，通过调