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1、中碳调质钢的焊接,3.4 中碳调质钢的焊接,中碳调质钢中的碳和其他合金元素含量较高，通过调质处理（淬火+回火）可获得较高的强度性能。中碳调质钢合金元素的加入主要是起保证淬透性和提高抗回火性能的作用，而其强度性能主要还是取决于含碳量。随着碳含量的提高，钢的焊接性明显变差，焊接难度增大。,3.4.1 中碳调质钢的成分和性能,屈服强度达8801176MPa以上，含碳量较高（0.25%0.5%），加入Mn、Si、Cr、Ni、B及Mo、W、V、Ti等，以保证钢的淬透性，消除回火脆性，通过调质处理获得综合性能较好的高强钢。中碳调质钢的主要特点:高的比强度和高硬度（例如可用作火箭外壳和装甲钢等），中碳调质钢
2、的淬硬性比低碳调质钢高很多，热处理后达到很高的强度和硬度，但韧性相对较低，给焊接带来了很大的困难。,典型钢种,Cr-Mn-Si系 30CrMnSiA 前苏联王牌钢，不含贵重的Ni元素，在我国 得到广泛的应用。C 0.25-0.45%,Cr、Mo均0.8-1.1%,Si 0.9-1.2%880油淬，530回火，组织是回火索氏体 b1100MPa，低温回火b1600MPa 主要用于坦克、装甲车外壳、飞机起落架、汽车主轴等 30CrMnSiNi2A 加Ni，提高淬透性、强度，焊接性差 40CrMnSiMoVA 加Mo、V，提高强度，但焊接性差,飞机起落架,Cr-Ni-Mo系 美国4340（相当于40
3、CrNi2Mo）s 1330MPa 综合性能良好，强度高、韧性好、高负荷、抗冲击。主要用于坦克、飞机、火箭外壳、航天 40CrNiMoA、34CrNi3MoA 由于加入3%Ni和Mo，显著地提高了淬透性和抗回火软化的能力，对改善钢的韧性也有好处，具有良好的综合性能，如强度高、韧性好等。主要用于高负荷、大截面的轴类以及承受冲击载荷的构件，如汽轮机、喷气涡轮机轴以及喷气式客机的起落架和火箭发动机外壳等。,Cr-Mo系 美国H-11，超高强钢，极高的强度且有较高的耐热性 成分相当于35Cr5MoSiV 真空冶炼，1000空淬，500回火，s 2000MPa S、P0.01%，强化相Mo2C、V4C3
4、，弥散分布 主要用于：超音速喷气式飞机,40Cr 一种广泛应用的含Cr中碳调质钢（b 1000MPa，AKV47J）,40Cr钢具有良好的综合力学性能、较高的淬透性和较高的疲劳强度，用于制造较重要的在交变载荷下工作的机器零件，如用于制造齿轮、轴类等。钢中加入Cr1.5%时能有效的提高钢的淬透性，继续增加Cr含量无实际意义。Cr约1%时对钢的塑性、韧性略有提高，超过2%时对塑性影响不大，但略使冲击韧性下降。Cr能增加低温或高温的回火稳定性，但40Cr钢有回火脆性。,3.4.2 中碳调质钢的焊接性分析,1.焊缝中的热裂纹 2.淬硬性和冷裂纹 3.热影响区的脆化和软化,1焊缝中的热裂纹,（1）产生原
5、因：(C高、合金元素总量高、成分偏析)中碳调质钢含碳量及合金元素总量较高，焊缝凝固结晶时，固-液相温度区间大，结晶偏析倾向严重，焊接时易产生结晶裂纹，具有较大的热裂纹敏感性。例如30CrMnSi由于C、Si含量较高，热裂倾向较大。为了防止产生热裂纹，要求采用低碳低硅焊丝（焊丝中C0.15%，最高不超过0.25%），严格限制母材及焊丝中的S、P含量（S+P0.03%0.035%）。对于重要产品的钢材和焊丝，要求采用真空熔炼或电渣精炼，将S、P总量限制在0.025%以下。,（2）防止热裂纹的措施,焊接中碳调质钢时，应考虑到可能出现热裂纹问题，尽可能选用低碳、低Si以及含S、P杂质少的焊材。采用碱性
6、焊条。在焊接工艺上应注意填满弧坑和保证良好的焊缝成形。因为热裂纹容易出现在未填满的弧坑处，特别是多层焊时第一层焊道的弧坑中以及焊缝的凹陷部位。控制焊接热输入。,2淬硬性和冷裂纹,中碳调质钢的淬硬倾向十分明显，HAZ容易出现硬脆的马氏体组织，增大了焊接接头区的冷裂纹倾向。母材C含量越高，淬硬性越大，焊接冷裂纹倾向越大。中碳调质钢对冷裂纹的敏感性之所以比低碳调质钢大，除了淬硬倾向大外，还由于Ms点较低，在低温下形成的马氏体难以产生“自回火”效应。由于马氏体中的碳含量较高，有很大的过饱和度，点阵畸变更严重，因而硬度和脆性更大，冷裂纹敏感性也更突出。,（1）冷裂原因分析,屈服强度590980MPa的中
7、碳调质钢的Ceq一般超过0.5%，多数超过0.6%，属于高淬硬倾向的钢。从碳当量来看，中碳调质钢与低碳调质钢的差别不很显著。二者的焊接性却差别很大。因此，中碳调质钢的冷裂倾向比低碳调质钢更为严重的原因主要在马氏体的类型和性能上。低碳马氏体有“自回火”作用，所以冷裂纹倾向较小。分析各种钢的冷裂敏感性时，不仅要看焊接区的马氏体形成的倾向，还必须考虑到马氏体的类型和性能。,（2）防止冷裂纹的措施,焊接中碳调质钢时，应尽量降低焊接接头的含氢量，除采取焊前预热措施外，焊后须及时进行回火处理。中碳调质超高强钢还具有应力腐蚀开裂敏感性。这种应力腐蚀开裂常发生在水或高湿度空气等弱腐蚀性介质中。为了降低焊接接头
8、的应力腐蚀开裂倾向，应采用热量集中的焊接方法和较小的焊接热输入，避免焊件表面的焊接缺陷和划伤。,3热影响区的脆化和软化,(1)热影响区脆化 中碳调质钢由于碳含量较高（C=0.25%0.45%），合金元素较多，有相当大的淬硬倾向。马氏体起始转变温度Ms一般低于400，无“自回火”过程。在焊接HAZ易产生大量脆硬的马氏体组织（尤其是高碳、粗大的马氏体），导致热影响区脆化。生成的高碳马氏体越多，脆化越严重。马氏体的硬度500HV，这样高硬度的马氏体组织必然导致较低的韧性。,防止HAZ脆化的措施,从减小淬硬倾向出发，本应采用大热输入才有利，但由于这种钢的淬硬性强，仅通过增大热输入还难以避免马氏体的形成
9、，相反却增大了奥氏体的过热，促使形成粗大的马氏体，反而使HAZ过热区的脆化更为严重。因此，防止HAZ脆化的工艺措施主要是采用小热输入，同时采取预热、缓冷、后热等措施。因为采用小热输入减少了高温停留时间，避免奥氏体晶粒的过热，同时采取预热和缓冷等措施来降低冷却速度，这对改善HAZ性能也是有利的。,(2)热影响区软化,焊前为调质状态的钢材，被加热到该钢调质处理的回火温度以上时，焊接HAZ将出现强度、硬度低于母材的软化区。如果焊后不再进行调质处理，该软化区可能成为接头区的薄弱区。中碳调质钢的强度级别越高时，软化问题越突出。因此，在调质状态下焊接时应考虑HAZ软化问题。母材焊前所处的热处理状态不同，软
10、化区的温度范围和软化程度有很大差别。低温回火的钢材，HAZ软化区的温度范围越大，软化程度也越大。从韧性方面出发，过热区是接头中最薄弱的环节；而从强度方面考虑，软化区是接头中最薄弱的环节。,(a)焊条电弧焊(b)气焊 图3-32 调质状态的30CrMnSi钢焊接接头的强度分布 其中在AC1附近失强最大,中碳调质钢HAZ软化最明显的部位，是温度处于Ac1Ac3之间的区段，这与该区段的不完全淬火过程有密切关系。因为不完全淬火区的奥氏体成分远未达到平衡浓度，铁素体和碳化物均未充分溶解，冷却时奥氏体易发生分解，造成这个区段的强度和硬度都较低。,焊接热源越集中，对减少HAZ软化越有利。,HAZ软化程度和软
11、化区的宽度与焊接热输入、焊接方法等有很大关系。焊接热输入越小，加热和冷却速度越快，软化程度越小，软化区的宽度越窄。30CrMnSi钢气焊后，HAZ软化区的b降为590685MPa；而采用SMAW时，软化区的b为8801030MPa。可见，气焊时HAZ软化区比SMAW时宽得多（见图3-32b）。,3.4.3 中碳调质钢的焊接工艺特点,中碳调质钢的淬透性很大，因此焊接性较差，焊后的淬火组织是硬脆的高碳马氏体，不仅冷裂纹敏感性大，而且焊后若不经热处理时，HAZ性能达不到原来基体金属的性能。中碳调质钢焊前母材所处的状态非常重要，它决定了焊接时出现的问题性质和采取的工艺措施，而且对焊接工艺的要求和工艺参
12、数的控制非常严格。,1.退火或正火状态下焊接,工艺特点中碳调质钢最好在退火（或正火）状态下焊接，焊后通过整体调质处理获得满足性能要求的焊接接头，这是焊接中碳调质钢的一种比较合理的工艺方案。这时焊接中所要解决的主要是裂纹问题，HAZ和焊缝的性能通过焊后的调质处理来保证。焊接方法这种情况下对选择焊接方法几乎没有限制，常用的一些焊接方法：SMAW、SAW、TIG/MIG、PAW都能采用。,在焊后调质的情况下，焊接参数的确定主要是保证在调质处理前不出现裂纹，接头性能由焊后热处理来保证。,焊材选用1）除要求保证不产生冷、热裂纹外，还有一些特殊要求，即要求焊缝金属与母材在同一热处理工艺下调质处理，能获得相
13、同性能的焊接接头。2）焊缝金属的主要合金组成应与母材相似，对能引起焊缝热裂倾向和促使金属脆化的元素（如C、Si、S、P等）应加以严格控制。预热和焊后处理1）可采用很高的预热温度（200350）和层间温度。局部预热时，预热温度范围离焊缝两侧应不小于100mm，焊后若不能及时调质处理应进行680回火处理。2）很多情况下焊后来不及立即进行调质处理，为了保证焊接接头冷却到室温后在调质处理前不产生延迟裂纹，须在焊后及时进行一次中间热处理。一般是在焊后预热温度下保持一段时间，目的一是起扩散除氢的作用；二是使组织转变为对冷裂纹敏感性低的组织。3）当焊后处理温度高时，还有消除应力的作用。,产品结构复杂和有许多
14、条焊缝时，焊完一定数量的焊缝后应及时进行中间回火处理，这样能避免等到最后处理时，先焊接部位已出现延迟裂纹的问题。中间回火的次数，要根据焊缝的多少和产品结构的复杂程度来决定。焊接实例1）在退火状态下焊接厚度30mm的30CrMnSiA时，为了防止冷裂纹应将工件预热到250350，并在整个焊接过程中保持该温度。2）对于淬硬倾向更大的30CrMnSiNi2A，为了防止冷裂纹的产生，焊后须立即（焊缝处的金属不能冷到低于250）将工件入炉加热到（65010）或680回火，然后进行调质处理。,2.调质状态下焊接,工艺特点如果必须在调质状态下焊接，而且焊后不能再进行调质处理的焊接结构件，这时的主要问题是防止
15、焊接裂纹和避免HAZ软化。除了裂纹外，HAZ主要问题是：高碳M引起的硬化和脆化，以及高温回火区软化引起的强度降低。高碳M引起的硬化和脆化可以通过焊后回火处理来解决。但高温回火区软化引起的强度下降，在焊后不能调质处理的情况下是无法弥补的。由于焊后不再进行调质处理，焊缝金属成分可与母材有差别。为了防止焊接冷裂纹，也可以选用塑韧性好的奥氏体焊条。,对于必须在调质状态下焊接，且焊后不能再进行调质处理的焊接结构，这时HAZ性能下降是很难解决的。因此应采用尽可能小的焊接热输入。,为了消除HAZ淬硬组织和防止延迟裂纹的产生，必须适当采用预热、层间温度控制、中间热处理，并应焊后及时进行回火处理。上述工艺过程的
16、温度控制应比母材淬火后的回火温度至少低50。焊接方法为了减少HAZ软化，从焊接方法考虑，应该是采用热量越集中、能量密度越大的方法越有利，而且焊接热输入越小越好。气焊在这种情况下是最不合适的，气体保护焊比较好，特别是TIG，它的热量容易控制，焊接质量容易保证。PC-TIG、PAW、EBW用于这类钢的焊接是很有前途的。从经济性和方便性考虑，焊接这类钢时SMAW用得最为普遍。,由于焊后不再进行调质处理，选择焊接材料时不必考虑成分和热处理规范与母材相匹配的问题。,焊材选用从防止焊接冷裂纹的要求出发，可以采用塑韧性好的奥氏体焊条或镍基焊条。这时在工艺上应注意到异种钢焊接时的一些特点。例如在调质状态下焊接
17、30CrMnSiA和30CrMnSiNi2A时采用奥氏体焊条，焊后采用2502h或更长时间的低温回火处理。焊接30CrMnSiNi2A淬硬倾向很大的钢材时，除了焊后低温回火外，还要采取一定的预热措施，预热温度应低于母材淬火后的回火温度，一般采用的预热和层间温度为200250。,3.焊接方法及焊接材料（中碳调质钢）,（1）焊接方法SMAW、TIG、MIG/MAG、SAW。热量集中的PC-TIG、PAW、EBW等方法，有利于减小焊接HAZ，获得细晶组织，提高焊接接头力学性能。薄板焊接多采用MIG/MAG、TIG和微束PAW等。,凸轮轴电子束焊,（2）焊接材料：根据焊缝受力条件、性能要求及焊后热处理
18、情况选 择。采用低碳合金系，降低焊缝的S、P含量，提高焊缝金属的抗裂 性。焊后需要热处理的构件，焊缝金属的化学成分应与母材相近。,表3-28 中碳调质钢焊接材料的选用,（3）焊接参数 应采用尽可能小的焊接热输入，这样可以降低HAZ 淬火区的脆化，同时采用预热、后热等措施，提高抗冷裂性能，改 善淬火区的组织性能，采用小热输入还有利于减小软化区，降低软 化程度。,表3-27 中碳调质钢的焊接参数举例,在确定中碳调质钢焊接参数时，主要应从防止冷裂纹和避免HAZ软化出发。采用较高的预热温度200350和层间温度、焊后立即进行热处理等，以达到防止裂纹的目的。,4.预热及焊后热处理,预热和焊后热处理是中碳
19、调质钢的重要工艺措施，是否预热以及预热温度的高低根据焊件结构和生产条件而定。除了拘束度小，构造简单的薄壁壳体或焊件不用预热外，中碳调质钢焊接时一般要采取预热或及时后热的措施，预热温度一般为200350。,表3-29 常用中碳调质钢焊接的预热温度,如果焊接结构件焊后不能及时进行调质处理，须及时进行中间热处理，即在预热温度下保温一定时间的热处理，如低温回火或650680高温回火。若焊件焊前为调质状态时，预热温度、层间温度及热处理温度应比母材淬火后的回火温度低50。进行局部预热时，应在焊缝两侧100mm内均匀加热。表3-30 常见中碳调质钢的焊后热处理,中碳调质钢的焊接应用,主要用于汽车（拖拉机、机车）主轴、曲轴，坦克、装甲车外壳、飞机起落架、机床主轴、齿轮、汽轮机、喷气涡轮机轴、火箭外壳、航空航天等，承受 高负荷、冲击载荷的结构件。,火车连接环,车桥轴EBW,
