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1、大庆石油学院本科生毕业设计（论文）摘 要本文介绍了金属焊接性以及焊接裂纹的概念，主要介绍冷裂纹的形成与影响因素、金属焊接性的试验研究方法，论述了低碳调质钢的焊接性及焊接工艺特点。在总结大量资料和焊接实验的基础上，通过低碳调质钢18MnMoNb钢斜Y型焊接裂纹试验，即小铁研试验、18MnMoNb焊接热影响区组织性能试验、18MnMoNb焊接裂纹断口的扫描电镜分析，分析低碳调质钢的焊接性及产生冷裂纹的原因，并讨论了预热对焊接冷裂纹倾向的减小作用；并对18MnMoNb焊接热影响区组织进行了金相分析和性能研究，最后对18MnMoNb焊接热影响区的显微硬度进行了测试。完成了低碳调质钢18MnMoNb钢的
2、可焊性研究。关键词：可焊性；焊接接头；热影响区；焊接裂纹37AbstractThis paper introduces the concepts of metal welding and welding cracks，mainly on the formation and cold crack factors，and experimental methods of metal weldable capability，discussed the welding and welding technology features of low-carbon-quality steelOn the ba
3、se of investigation and weld experiments，through low-carbon-quality steel of 18MnMoNb Y-Silt Type Cracking Test，structure and performance test of 18MnMoNb weld heat affected zone，the scanning electron microscope analysis of 18MnMoNb welding crack fracture，andanalysis the welding of low-carbon-qualit
4、y steel and the reasons of the cold crack and summarize the influence of preheat on cold cracking；and the study completed Metallographic analysis and properties of the metal materials 18MnMoNb weld heat affected zoneFinally， micro-rigidity of 18MnMoNb weld heat affected zone was testedThe metal weld
5、able capability of 18MnMoNb was completedKey words：weldable；welding joint； HAZ；welding crac目 录第1章 焊接技术概述1第2章 低碳调质钢的焊接基础理论32.1 焊接冶金过程特点32.2 焊接接头的组织与性能42.3 低碳调质钢热影响区的组织分析72.4 低碳调质钢的焊接性理论分析72.5 低碳调质钢常用焊接方法12第3章 低碳调质钢焊接性能研究试验基础143.1 低碳调质钢常用焊接工艺143.2 低碳调质钢的焊接工艺特点研究173.3 低碳调质钢焊接性试验及分类193.4 斜Y形坡口焊接裂纹试验法203
6、.5 渗透探伤法在焊接检测中的应用223.6 焊接接头金相试样的制备233.7 焊接裂纹的断裂形式及断口形态24第4章 18MnMoNb钢的焊接性试验及分析254.1 焊接试验准备254.2 低碳调质钢18MnMoNb斜Y型焊接裂纹试验264.3 低碳调质钢18MnMoNb焊接裂纹断口扫描电子显微镜分析304.4 18MnMoNb焊接热影响区组织及性能试验314.5 18MnMoNb焊接接头的硬度试验32结论35参考文献36致谢37第1章 焊接技术概述焊接技术，又称连接工程，是一种重要的材料加工工艺。所谓焊接就是把两种或两种以上的材料（同种或异种），通过加热或加压或两种并用，并且用或不用填充材
7、料，使工件的材质达到原子间的结合而形成永久性连接的工艺过程。焊接与其他连接方式不同，不仅在宏观上形成了永久的接头，而且在微观上建立了组织上的内在联系1。由于焊接方法具有节省金属，生产效率高，产品质量好和大大改善劳动条件等优点，在半个世纪内得到飞速发展。近代焊接技术，从1882年出现碳弧焊开始直到本世纪30年代，在生产上还只是应用气焊和手工电弧焊等简单的焊接方法。尤其是四十年代，出现了优质电焊条，使焊接技术得到一次飞跃。以后随着埋弧焊和电阻焊的应用，使焊接过程的机械化和自动化成为现实。后来又出现电渣焊，各种气体保护焊，直到六十年代发展起来的等离子弧焊、电子束焊、激光焊接等先进的焊接方法的涌现，使
8、焊接技术达到了一个先进的水平。近年来又在研究能量束焊接，例如太阳能焊接、冷压焊接等新的焊接方法。可以说焊接方法层出不穷。金属材料在焊接时要经受加热、熔化、化学反应、结晶、冷却、固态相变等一系列复杂的过程，这些过程又都是在温度、成分及应力极不平衡的条件下发生的，有时可能在焊接区造成缺陷，或者使金属的性能下降而不能满足使用时的要求。金属本身的物理性能、化学性能和力学性能，都不足以直接说明它在焊接时可能出现什么问题或焊接后能否满足使用要求。金属焊接性就是金属是否能适应焊接加工而形成完整的、具备一定使用性能的焊接接头的特性。金属焊接性包括两大方面内容，一是金属在焊接加工中是否容易形成缺陷；二是焊成的接
9、头在一定的使用条件下可靠运行的能力。这说明，焊接性不仅包括结合性能，而且包括结合后的使用性能2。从理论上分析，只要在熔化状态下能够相互形成溶液或共晶的任意两种金 属或合金都可以经过熔焊形成接头。同种金属或合金之间当然是可以形成焊接接头的。许多异种金属或合金之间也是可以形成焊接接头的，只是有时是需要通过中间过渡层的。因此，可以认为上述几种情况都可以看作是“具有一定焊接性”的。差别在于有的工艺过程很简单，有的工艺过程很复杂；有的接头质量高、性能好、有的接头质量低、性能差。所以，金属焊接工艺过程简单而有接头质量高、性能好时，就称作焊接性好；反之，就称焊接性差。所谓工艺焊接性，是指在一定焊接工艺条件下
10、，能否获得优质、无缺陷的焊接接头的能力。对于一般熔焊来讲，焊接过程都要经历加热熔化、冶金反应和随后冷却过程。因此，工艺焊接性又分为“热焊接性”和“冶金焊接性”。热焊接性是指焊接热过程中，对焊接热影响区组织性能及产生的缺陷的影 响程度，它用于评定被焊金属对热作用的敏感性；冶金焊接性是指冶金反应对焊缝性能和产生缺陷的影响程度。所谓使用焊接性是指焊接接头或整体结构满足各种使用性能的程度，其中包括力学性能、低温韧性、抗脆断性能、高温蠕变、疲劳性能、持久强度，以及抗腐蚀性能和耐腐蚀性能等。焊接性的提出为判断材料能否适应焊接加工，提供了可靠的依据。现阶段，用来判断可焊性的方法很多，如可以直接采用焊接试验，
11、也可以通过分析金属的化学成分、物理特性、与各种气体的亲和力、相图特点，CCT图或SCCT图、热处理状态、焊接工艺条件、保护方式、工艺措施等来评价焊接性。在本论文中，将简单介绍焊接性及其试验方法，对低碳调质钢的焊接性能进行研究。低碳调质钢的s一般为441980MPa，在调质态供货和使用。其特点是含碳量更低，淬火组织为低碳马氏体，不仅强度高，并且兼有良好的塑性和韧性，可以直接在调质状态下进行焊接，焊后也不需要进行调质处理。必要时可采取消除应力处理。这类钢由于强度高，主要用于高压设备。这类刚为了保证良好的综合性能和焊接性，要求C0.22%，实际上含碳量都在0.18%以下。s 441490MPa的低合
12、金高强钢中有调质和正火（或正火+回火）两类。调质钢的韧性和焊接性通常都比同一强度等级的正火钢好；热影响区的淬硬倾向小，冷裂敏感性低。焊接裂纹是金属焊接时产生的主要缺陷，是在焊缝中的应力大而该部分的塑性变形能(即延伸性)小的情况下产生的。焊接裂纹产生的主要原因，通常随发生场所、发生时期及其形态的不同可有冷裂纹和热裂纹两种。焊接金属裂纹主要由焊接金属凝固时的收缩应力所引起。评定母材焊接性优劣程度的试验称为焊接性试验。其主要内容有：焊接热裂纹试、焊接冷裂纹试验、焊接热裂纹和层状撕裂试验、焊接热影响区缺口脆性试验和焊接接头的使用性能试验。在本论文中，对低碳调质钢18MnMoNb进行了斜Y型焊接冷裂纹实
13、验研究并用扫描电镜对裂纹断口进行观察，判断出裂纹的断裂形式，对18MnMoNb钢焊接热影响区组织性能进行了研究，并对其焊接接头组织进行了金相分析及显微硬度分析。随着人类社会对物质文明的追求、各种新型材料的不断开发及科学技术的不断发展，焊接技术已成为一门独立的科学。它广泛地应用于石油化工、电力、航空航天、海洋工程、核动力工程、微电子技术，桥梁、船舶、舰艇，以及各种金属结构等工业部门。而可焊性是焊接的首要条件，可以预料，随着焊接工业的发展，焊接将会向着更加高效、环保、新型的方向发展。第2章 低碳调质钢的焊接基础理论2.1 焊接冶金过程特点熔焊时，金属、熔渣与气相之间进行一系列的化学冶金反应，如金属
14、氧化、还原、脱硫、脱磷、参合金等。这些冶金反应可直接影响焊缝的成分、组织和性能。近年来，通过焊接材料向焊缝中加入微量合金元素（如Ti、Mo、Nb、V、Zr、B和稀土等）、适当的降低寒风中的碳、最大限度的排除焊缝中的硫、磷、氧、氮、氢等杂质强化焊缝，提高焊缝的韧性。焊接冶金过程实质上是金属在焊接条件下的再熔炼过程，具有下列特点：（1）电弧反应区温度高电弧焊时弧柱温度可达6000以上，熔滴温度可达18002400，熔池平均温度也在（1770100）左右。在这样高的温度下，工件焊接区局部金属熔化形成熔池，焊条也熔化，通过电弧进入熔池。熔池上部充满大量气体，熔池中有一定熔渣。在这个高温的焊接区，不仅有
15、气体分子，而且存在受热分解的气体原子及受激发的气态离子。气体的状态不同，在金属中的溶解度也不同。以原子、离子状态存在的气体，其化学活性显著增加，在金属中的溶解度也随之增加。因此，电弧焊时，熔化金属吸收的气体量常常超过它的标准溶解度，从而严重影响焊缝金属的成分和性能。（2）熔池体积小，冷却速度快电弧焊时，熔池体积最大只有30cm3，质量不超过100g，而且熔池周围被金属包围，冷却速度较快，平均冷速为4100/s，与铸锭冷速相差几千倍铸锭平均冷速为（3150）10-4/s。因此，冶金反应时间较短，有时反应不能达到平衡，化学成分不太均匀，凝固后使合金元素存在偏析现象。液态时金属吸收的气体有时来不及逸
16、出而形成气孔。一些非金属夹杂物也可能来不及付出而留在焊缝金属中造成。（3）铁水进入熔池电弧焊时，焊条熔化后以滴状进入熔池填充焊缝，因此，熔化金属与气体、熔渣的接触面积比正常炼钢时要大得多。这使冶金反应速度加快，增加合金元素的蒸发、烧损。气体熔入金属的机会也大大增加。（4）组织差别大焊接过程中，温度高，液体金属蒸发，化学元素烧损，有些元素在焊缝金属和基体金属之间相互扩散，近缝区各段所处温度又不同，冷却后焊接区的显微组织差别极大。焊缝金属由柱状晶组成的铸态组织，母材热影响区是在不同峰值温度焊接热循环作用下产生梯度性组织特征。明显的组织差异影响着接头的性能3。随着焊接热源离开，经过化学冶金反应的熔池
17、金属就开始凝固结晶，金属原子有近程有序变为远程有序排列，即有液态转变为固态。对于具有同素异构转变的金属，随温度下降，将发生固态转变。例如钢铁材料，将发生转变。因焊接条件是快速连续冷却，并受局部拘束应力的作用，因此，可能产生偏析、夹杂、气孔、热裂纹、冷裂纹、脆化等缺陷。下面我们将会对焊接接头的组织和力学性能和焊接接头的裂纹进行分析。2.2 焊接接头的组织与性能焊接中应用的焊接方法不同，形成焊接接头是不同的。但熔化焊焊接接头，从宏观上说，都有熔化焊缝、热影响区及母材三部分，在焊缝和热影响区中间存在过渡区，称为熔合区3。在微观上，具体划分方法如图2-1：图2-1 焊接接头金属区域组成示意图1完全混合
18、区 2不完全混合区 3部分熔合区 4纯热影响区 5焊接边界 6母材2.2.1 对焊缝金属的研究焊缝金属由熔化的母材和填充材料组成。焊接时，焊缝金属由高温液态冷却至常温固态，要经过从液相转化为固相的一次结晶过程和在固态焊缝金属中进行的同素异构转变的二次结晶过程，从而使焊缝金属具有如下特点：（1）存在铸造缺陷焊接的冶金过程与铸造相似，因此它也存在一般铸造中常产生的气孔、夹渣、偏析和晶粒大等缺陷。其晶体总是垂直于焊缝金属边缘向焊缝中心成长，最终形成粗大的柱状晶，具有很强的方向性，利于杂质偏析和热裂纹的形成。由于晶粒粗大，故其塑性和韧性一般较母材差。（2）焊缝中存在杂质此处的杂质不是熔渣，因为熔渣相对
19、密度小，易浮于表面。焊缝中的夹杂主要是指熔池冶金反应中生成的氧化物和硫化物等颗粒，由于结晶过程凝固较快，来不及浮出而残存于焊缝内部。低碳钢中的夹杂物一般为硅酸盐、主要是SiO2，呈弥散状态分布，对焊缝的危害较大。（3）焊缝中的偏析熔池的结晶过程是一种不平衡过程，由于冷却速度快，焊缝金属中的元素来不及扩散而造成化学和成分分布不均匀，这种溶质元素偏离其平均浓度的不均匀分布称为偏析。焊缝中的偏析既表现晶内与晶界，又表现焊缝边缘与焊缝中心以及每层焊波之间。根据焊接过程的特点，焊缝中的偏析主要有显微偏析、区域偏析和层状偏析等。显微偏析是指晶粒内部和晶粒之间的化学成分不均匀。一般情况下，合金元素含量越高，
20、就越出现显微偏析。区域偏析是指焊缝中心部位的杂质较其他部位的高。通常窄而深的焊缝区域偏析较宽而浅的焊缝区域偏析严重。区域偏析不但影响性能，而且产生热裂纹。层状偏析是指柱状结晶方向上杂质浓度的差别。这种偏析会使焊缝性能不均或诱发裂纹。（4）焊缝中的杂质元素硫和磷硫主要以FeS和MnS形式存在于焊缝中，硫会以熔点为985的的Fe+FeS和熔点为940的FeO+FeS低熔点共晶物，呈片状或链状析集于晶界，从而促生热裂纹，并使韧性下降；还可与Ni形成Ni+Ni3S2共晶物，其熔点仅645，危害更大。焊缝中的P主要以Fe2P和Fe3P形式存在，且可以生成熔点为1050的Fe+Fe3P和熔点为880的Ni
21、+Ni3P低熔点共晶物。故P也是热裂纹的促生元素，而且还使韧性特别是低温韧性下降。P主要来自焊接材料和母材。焊缝中的S主要来自焊接材料。为此，对焊接材料中的硫均有严格限制。碱性焊条的脱硫效果由于酸性焊条。（5）焊缝金属的力学性能焊缝金属是由焊接材料与部分母材经过熔化冷凝形成的铸造组织，它是由母材开始垂直于等温线方向（最大温度梯度的方向）结晶长大的。单层焊的组织是典型的柱状组织。在多层焊时，对前一道焊缝要重新加热，其加热超过900的部分，消除了柱状组织，并使晶粒细化，故焊缝金属的力学性能较单层好。2.2.2 熔合区的构成与特点（1）熔合区的构成熔合区即焊接接头中焊缝向母材热影响区过渡的区域，由熔
22、合线两侧的半熔化区（不完全混合区）和未混合区（部分熔合区）两部分所组成，如图2-1所示。 半熔合区是紧邻热影响区侧固液共存的部位。它的产生，一是由于电弧吹力和熔滴过渡可能造成的坡口熔化不均匀；二是由于母材晶粒的取向不同所造成的熔化不均匀；再有就是母材各点熔质分布不均匀而形成的理论熔点和实际熔点差异造成。可见熔化过程的复杂性是导致出现半熔化区的主要原因。未混合区（不完全混合区）是焊缝中紧邻焊缝边界的部位。它主要由焊接时熔化在凝固的母材所组成，而未与熔化填充金属完全相混合，因此实际就是负极母材成分的焊缝区。它的形成是由于熔池边缘的温度较低，使对流与扩散过程进行困难，从而导致母材与填充金属不能很好的
23、混合。母材与填充金属成分差异越大，未混合区越明显。如果填充金属成分与母材成分完全相同，未混合区会消失。（2）熔合区的特点温度处于固相线和液相线之间。这个区域的金属处于局部熔化状态，因此，尽力十分粗大，化学成分和组织都极不均匀。此区靠近母材一侧的金属组织属于过热组织，塑性很差。对于低碳钢，固相线和液相线之间的温度区间很小，在各种熔化焊条件下，这段区域很窄，金相观察实际上很难区分出来，但对焊接接头的强度、塑性却有很大影响。由于化学成分和物理化学性能不同，故该区焊接残余应力也大。熔合区有两高一低的特点，即残余应力和硬度高，而韧性低。在熔合线附近部位往往具有焊接接头最低的韧性和最高的硬度。因此，熔合区
24、还常常是脆性断裂和焊接裂纹的发源地，是焊接接头的最薄弱区。2.2.3热影响区在焊接过程中会，由于受到焊接热循环的作用而发生组织和性能变化的木材部分，称为焊接热影响区（简称HAZ）。实际上，热影响区各部位是在焊接过程中经受一次特殊的热处理过程。该过程所引起的组织与性能不均匀变化，会给焊接接头造成组多不良影响，如产生硬化、软化或脆化等。由于焊接热影响区各点被加热的温度不同，它们的组织和性能也不同。热影响区某点被加热的最高温度以及在高温停留的时间长短和随后的冷却速度快慢，决定了该点的组织变化情况。而加热和冷却速度的快慢与焊接方法及焊接规范有关。通常用于焊接的结构钢，从热处理的特性来看，可分为两大类：
25、一类是在一般焊接条件下淬火倾向较小的钢，例如低碳钢和含合金元素较少的普通低合金钢，称为“不易淬火钢”；另一类是含合金元素较多或含碳量较高，淬火倾向较大的钢，称为“易淬火钢”。这两类钢的焊接热影响区组织不同。下面对低碳调质钢热影响区的组织与性能进行研究。2.3 低碳调质钢热影响区的组织分析对于强度和碳当量较高的钢，如低碳调质钢、中碳钢和高强度级别的低合金钢等，在焊接后易产生淬火马氏体组织，属于易淬火钢。这类钢的热影响区可分为3部分。（1）淬火区 处于Ac3以上的高温区。由于焊后自然冷却较快，容易产生马氏体。在近缝的过热区是粗大的马氏体，特别脆，而在相当于正火温度范围则为细小马氏体，也可能产生贝氏
26、体或屈氏体的混合组织区。淬火组织硬度高，塑性、韧性低，再加上组织不均匀，故易产生冷裂纹。（2）部分淬火区 或称不完全淬火区，处于Ac1Ac3之间。加热时珠光体变成奥氏体，而铁素体几乎没有变化；冷却下来时，奥氏体转变为高碳马氏体，最后形成块状铁素体+高碳马氏体或某些其他组织的混合体。该区的组织不均，塑性、韧性差，强度也有所下降。（3）回火区 处于Ac1温度以下。对于原始状态为退火态的易淬火钢不存在此区。若原始态为淬火态，此区焊后相当于经受了回火处理，会得到不同类型的回火组织，其韧性较焊前有所提高；若原始态为调质态，则高于原回火温度处发生软化，强度、硬度有所下降，韧性有所上升，而低于原回火温度处组
27、织和性能不变。2.4 低碳调质钢的焊接性理论分析2.4.1 金属可焊性概念金属焊接性就是金属是否能适应焊接加工而形成完整的、具备一定使用性能的焊接接头的特性。金属焊接性的概念包括两大方面内容，一是金属在焊接加工中是否容易形成缺陷；二是焊成的接头在一定的使用条件下可靠运行的能力。这说明，焊接性不仅包括结合性能，而且包括结合后的使用性能。从理论上分析，只要在熔化状态下能够相互形成溶液或共晶的任意两种金属或合金都可以经过熔焊形成接头。许多异种金属或合金之间也是可以形成焊接接头的，只是有时是需要通过中间过渡层的。因此，可以认为上述情况都可以看作是“具有一定焊接性”的。差别只在于有的工艺过程很简单，有的
28、工艺过程很复杂；有的接头质量高、性能好，有的接头质量低、性能差。所以，金属焊接工艺过程简单而接头质量高、性能好时，就称作焊接性好；反之，就称作焊接性差。2.4.2 金属焊接性化学分析方法（1）碳当量法(Carbon Equivalent) 钢材的化学成分对焊接热影响区的淬硬及冷裂倾向有直接影响，因此可以用化学成分来分析其冷裂敏感性。各种元素中，碳是对冷裂敏感性影响最显著的一个。因而，人们就将各种元素都按相当于若干含碳量折合并叠加起来求得所谓碳当量（CE或Ceq）用CE或Ceq来估计冷裂纹倾向的大小。日本JIS和WES采用的碳当量公式为： （2-1）此式适用于低碳调质钢。其化学成分为：C0.2%
29、或0.18%；Si0.55%；Mn1.5%；Cu0.55%；Ni2.5%；Cr1.25%；Mo0.70；V0.1；B0.006%。当板厚25mm，手弧焊线能量17kJ/cm时，碳当量为0.52%时，对于b=700MPa的低碳调质钢来说，预热温度为100。（2）焊接冷裂纹敏感指数 除碳当量外，焊缝含氢量和接头拘束度都对冷裂倾向有很大影响。有人曾对200多种不同成分的钢材、不同的厚度及不同的焊缝含氢量进行试验，求得焊接冷裂纹敏感指数Pc： (%) （2-2）式中 板厚(mm)； H焊缝中扩散氢含量(mL/100g)。此式适用条件：C0.070.22；Si0.60%；Mn0.401.40%；Cu0.
30、50%；Ni1.20%；Cr1.20%；Mo0.70%；V0.12%；Nb0.04%；Ti0.05%；B0.005%；=1950mm；H=1.05.0mL/100g(GB396583测氢法)。求得Pc后，利用下式即可求出斜Y坡口对接裂纹试验条件下，为防止冷裂所需要的最低预热温度()： () （2-3）2.4.3低碳调质钢典型钢种成分及性能正火钢是通过沉淀析出和细化晶粒来提高强度并保证韧性符合要求的。为了进一步大幅度提高钢的强度，光靠增加合金元素和正火是达不到理想结果的。一般来说，加入的合金元素就越多，强度越高。但当合金元素的含量达到一定范围之后，钢的塑性和韧性会严重恶化，合金元素在强化的同时，
31、对钢材塑性和韧性的影响是比较复杂的，固溶强化的同时，往往会引起塑性和韧性的下降，只有少数一些元素（如Mn和Ni等）在一定含量的范围内，能强化的同时对韧性也有所改善，而沉淀强化往往会伴随着韧性和塑性的较大损失。所以，一般来说，合金元素对塑性和韧性的影响大体上与其强化作用相反,即强化效果越大，塑性和韧性的降低越多。当合金元素的含量超过一定范围之后，会出现韧性大幅度下降。在正火条件下，通过增加合金元素来进一步提高强度时引起韧性急剧恶化的现象。因此，s490MPa的高强钢都需要调质。调质钢主要是靠调质处理，可以充分地发挥合金元素的强化作用，因此在正火钢的基础上，只需添加少量合金元素就能通过淬火和回火来
32、更有效地提高强度并保证韧性。低碳调质钢的s一般为441980MPa，在调质态供货和使用。其特点是含碳量更低，淬火组织为低碳马氏体，不仅强度高，并且兼有良好的塑性和韧性，可以直接在调质状态下进行焊接，焊后也不需要进行调质处理。这类钢由于强度高，主要用于高压设备。这类刚为了保证良好的综合性能和焊接性，要求C0.22%，实际上含碳量都在0.18%以下。s 441490MPa的低合金高强钢中有调质和正火（或正火+回火）两类。调质钢中最简单的一类，就是将s343MPa的Mn-Si钢进行调质处理后达到的s441490MPa。但当板厚加大或强度级别要求更高时，就需添加一些其他的合金元素，如Cr、Ni、Mo、
33、V、Nb、B、Ti、Zr和Cu等元素，来保证达到足够的淬透性和抗回火性。日本的K-TEN62M就是调质的Mn-V钢；美国A533标准中的几个压力容器用高强度调质钢，其实就是A302标准中的几个正火+回火的Mn-Mo和No-Ni-Mo系钢，通过调质处理后，将原来的s343MPa提高到s490MPa的水平。s超过490MPa的高强钢，基本上都需要在调质状态下使用，如美国的HY-80，日本的HT70就是s495MPa的Ni-Cr-Mo系调质钢。50年代初美国研制了一种s686MPa的T-1钢，并在此基础上形成了A517标准中的一系列高强度调质钢。它们都是以Mo-B为基础分别加入Cr、Ni、V、Nb、
34、Ti、Zr、Cu和Mn等元素形成的，其中A517F，即T-1钢（Mn-Ni-Cr-Mo-Cu-V-B），A517J、K钢的成分最简单（Mn-Mo-B）。日本的HT80（s686MPa）基本上是仿T-1钢发展起来的，如WEL-TEN80，其中有一种是不含Ni的，如WEL-TEN80C。我国的14MnMoNbB和近年来由鞍山钢铁厂试制成功的HQ80C都属于这一类钢，德国的s686MPa级钢不是以Mo-B为基，而是Mn-Cr-Mo-Zr系，如17MnCrMo33钢。当s882MPa后，一般要在钢中加入更多的Ni，如美国的HY-130（5Ni-Cr-Mo-V）和s1225MPa的HP-4-20钢（9N
35、i-4Co-Cr-Mo-V）。在这类钢中，为了改善野外施工焊接条件和提高低温韧性，开发了一种含C量极低（0.09%）的调质钢，即焊缝无裂纹钢（简称CF钢），这是70年代发展起来的一个新分支。众所周知，为了提高钢材的抗冷裂性和低温韧性，降低含C量是一个有效的措施，但会牺牲钢材的强度。为了弥补这一损失，可通过加入多种微量元素，特别是像B那样能对淬透性有强烈影响的元素来提高淬透性。因此，这类钢调质后具有足够高的强度和韧性，与同强度等级的一般高强度低合金钢相比，具有低C和低Pcm的特点。日本的HT60CF类型调质钢的成分范围为：C0.04%0.09%，Cr0.2%0.3%，Mo0.2%0.3%，V0.
36、1%，B0.0005%0.002%，有时还会含有少量的Ni。这类钢调质后s490MPa，在日本已普遍用于制造城市气体的球罐。焊接这类钢时采用超低氢焊接材料后，在板厚50mm以下或在0都可焊前不预热。我国近年来由武汉钢铁厂试制的WCF60、62钢也属于这一类钢。2.4.4 低碳调质钢的焊接性分析这类钢主要作为高强度的焊接结构用钢，因此含碳量限制得较低，在合金成分的设计上也都考虑到了焊接性的要求。所以这类钢焊接时的主要问题和工艺要求基本上与正火钢类似，差别只在于在这类钢是通过调质获得强化效果的，因此在热影响区内，除了脆化外还有软化问题需要讨论。（1）焊缝中的热裂纹低碳调质钢一般含碳量都较低，含锰量
37、又较高，而且对S、P杂质的控制也较严，因此热裂倾向小。一次只要正确地选择相应的焊接材料，焊接热裂纹是不会产生的4。（2）热影响区液化裂纹这种裂纹在一般钢中并不常见，主要发生于这类高Ni低Mn的低合金高强钢中。液化裂纹的产生倾向主要也和Mn/S比有关。含碳量越高，要求的Mn/S比也越高。当含碳量不超过0.2%，Mn/S比大于30时，液化裂纹敏感性较小；Mn/S比超过50后，液化裂纹的敏感性很低。此外，Ni在这方面起着明显的有害作用，因此像HY-80这种钢，由于Mn/S比较低，含Ni量又较高，所以对液化裂纹也必然较敏感。相反，HY-130钢含Ni量虽然比HY-80还高，但由于含碳量很低(0.12%
38、)，含S量也较低（0.01%），Mn/S比高达6090，因此它对热影响区的液化裂纹并不敏感。由此可见，避免这类裂纹的关键在于控制C和S的含量，保证高的Mn/S比，尤其当含Ni量高时，对此要求更为严格5。此外，线能量与熔池的形状对液化裂纹的形成也起很大的作用。线能量越大，晶粒长得越细，晶界熔化越严重，而且液态晶间层存在的时间越长，液化裂纹产生的倾向也就越大；如果熔合线呈明显的蘑菇状，则由于在熔合线的凹处基本金属过热更严重，因此易于促使裂纹在该处形成，而且裂纹倾向随凹度的增大而提高。为了防止这类裂纹的产生，从工艺上可以采取用小线能量的焊接方法、控制熔池的形状、减小凹度等措施。（3）冷裂纹这类钢的合
39、金化原理，就是在低碳的基础上通过加入多种提高淬透性的合金元素，来保证获得强度高、韧性好的低碳马氏体和部分下贝氏体的混合组织，由于这类钢的淬硬倾向相当大，本应有很大的冷裂倾向，但由于这类钢的特点是马氏体含量很低，所以它的转变温度Ms点较高，如果在该温度下冷却较慢，则生成的马氏体还能来的及进行一次“自回火”处理，因而实际上冷裂倾向并不一定很大。也就是说，在马氏体形成后如果能从工艺上提供一个“自回火”处理的条件，即保证马氏体转变的冷却速度较慢，则冷裂纹是有可能避免的；若马氏体转变的冷却速度很快，得不到“自回火”效果，则冷裂倾向就必然会增大。（4）再热裂纹从低碳调质钢的合金系统来看，在为加强淬透性和抗
40、回火性而加的一些合金元素中，大多数是属于能引起再热裂纹的元素，如Cr、Mo、Cu、V、Nb、Ti和B等，其中V的影响最大，Mo次之，而且V和Mo同时加入是就更严重。Cr的影响与含量有关。在Cr-Mo和Cr-Mo-V钢中，当Cr1%时，随着含Cr量的增加再热裂纹的倾向加大；当Cr1%后，继续增加含Cr量时再热裂纹倾向减小。一般认为Mo-V钢，尤其是Cr-Mo-V钢对再热裂纹较敏感；Mo-B钢和Cr-Mo钢也都有一定的再热裂纹倾向。此外，在焊接Cr-Ni-Mo、Cr-Ni-Mo-V和Ni-Mo-V等类型钢时，都要注意再热裂纹的问题6。（5）层状撕裂生产这类钢时，由于采用了现代的冶炼技术，对夹杂物控
41、制较严，纯净度较高，因此它的层状撕裂的敏感性较低。例如HY-80、HY-130等钢的层状撕裂敏感性都是很低的，没有报道过有关这方面的问题。（6）热影响区的性能变化这类钢由于含有较多的固N元素，因此热影响区中不会产生明显的热应变脆化。对调质钢来说，过热区的脆化是一个主要的问题，此外，在Ac1附近还存在一个强度下降的软化区。过热区的脆化这类钢与热轧和正火钢不同，它的合金化原理是通过提高淬透性来保证获得高强度和高韧性的低碳马氏体和下贝氏体。因此它的含C量很低，一般限制在0.18%以下。对其中一些韧性要求更高的钢，其含C量就更低（如HY-130中C0.12%）。一些强度级别高的钢都存在一个韧性最佳的冷
42、却时间t8/5，这时刚好对应于马氏体+下贝氏体的组织。实践证明，形成100%的低碳马氏体时，韧性并非最好，而韧性最佳的组织为马氏体+10%30%下贝氏体。当t8/5继续增加时，引起脆化的原因除了奥氏体晶粒粗化引起脆化外，主要原因是由于上贝氏体和M-A组元的形成。这类钢中上贝氏体转变的同时很容易出现M-A组元。当合金化程度增加，奥氏体稳定性提高时，易在贝氏体组织中的铁素体之间形成一些M-A组元。在这类低碳低合金调质钢中当含Ni量较高时，形成的高Ni马氏体，甚至上贝氏体都是具有很好的韧性。因此，增加钢中的含Ni量对近缝区的韧性有很大改善。焊接热影响区的软化这是焊接调质钢时的一个普遍问题，热影响区内
43、凡是加热温度高于母材回火温度至Ac1的区域，由于碳化物的积聚长大而使钢材软化，而且温度越接近于Ac1的区域，软化越严重，因此对焊后不再进行调质处理的低碳调质钢来说尤其重要。从强度出发，这是焊接接头的一个薄弱环节，强度级别越高这一问题就越突出。此外，软化的程度和软化区的宽度也与焊接工艺也有很大关系。因此，在制定这类钢的焊接工艺时必须考虑到这一问题。2.5 低碳调质钢常用焊接方法焊条电弧焊是用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法7。它利用焊条与焊件之间建立起来的稳定燃烧的电弧，是焊条和焊件熔化，从而获得牢固的焊接接头。焊接过程中，药皮不断地分解、熔化而生成气体及熔渣，保护焊条端部、电弧、熔池及其附近区
44、域，防止大气对熔化金属的有害污染。焊条芯在电弧热作用下不断熔化，进入熔池，成为焊缝的填充金属。焊条电弧焊之所以成为最广泛的焊接方法，主要是因为它的灵活，广泛应用于平焊、立焊、横焊、仰焊等各种空间位置和对接、搭接、角接、T形接头等各种接头形式的焊接，对接接头的装配精度要求低，适用于低碳钢、低合金结构钢、铸铁、铜合金、镍合金等材料的焊接。但焊条电弧焊焊接生产率低，劳动强度大，并且焊缝质量依赖性强。埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法。这种方法是利用焊丝和焊件之间燃烧的电弧产生热量，熔化焊丝、焊剂和母材而形成焊缝的。埋弧焊由于焊接生产率高、焊缝质量好、焊接成本低、劳动条件好而被广泛使用。但埋弧焊
45、难以在全空间位置施焊、对焊接装配质量要求高并且不适合焊接薄板和短焊缝，所以埋弧焊在应用范围上受到了一定程度的限制。熔化极气体保护焊是采用惰性气体作为保护气，使用焊丝作为熔化极的一种电弧焊方法。这种方法通常用氩气或氦气或它们的混合气体作为保护气，连续送进的焊丝既作为电极又作为填充金属，在焊接过程中焊丝不断熔化并过渡到熔池金属中去而形成焊缝。在焊接结构生产中，特别是在高合金材料和有色金属及其合金材料的焊接生产，熔化极气体保护焊占有很重要的地位。随着熔化极气体保护焊应用的扩展，仅以Ar或He作保护气难以满足需要，因而发展了惰性气体中加入少量活性气体如O2、CO2等组成的混合气体作为保护气体的方法，通
46、常称为熔化极活性气体保护焊，简称MAG焊（Metal Active Gas arc welding）。熔化极气体保护焊由于采用惰性气体作保护气体，保护效果好，焊接过程稳定，变形小，飞溅极少或根本无飞溅，焊接铝及铝合金时可采用直流反极性，具有良好的阴极破碎作用。几乎所有的金属材料都可以焊接，能够连续送丝，节省材料加工时，焊缝不需要清渣，因而生产效率高。熔化极气体保护焊的缺点在于无脱氧去氢作用，因此对母材及焊丝上的油、绣等很敏感，易形成缺陷，所以对焊接材料表面清理要求特别严格；另外熔化极惰性气体保护焊的抗风能力差，不适于野外焊接；焊接设备也较复杂。钨极惰性气体保护焊试制使用纯钨或活化钨作为电极的非
47、熔化极惰性气体保护焊方法。钨极惰性气体保护焊几乎可以焊接所有金属及其合金，可获得高质量的焊缝。但由于其成本较高，生产率低，多用于焊接铝、镁、钛、铜等有色金属及合金，以及不锈钢、耐热钢等材料。第3章 低碳调质钢焊接性能研究试验基础3.1 低碳调质钢常用焊接工艺3.1.1低碳调质钢常用焊接设备及工具3.1.1.1 低碳调质钢常用焊接设备目前，我国焊条电弧焊机有三大类：弧焊变压器、直流弧焊发电机和弧焊整流器7。就现状而言，以下两种较为常用。（1）晶闸管式弧焊整流器晶闸管式弧焊整流器用晶闸管作为整流元件。由于晶闸管具有良好的可控性，因此，焊接电源外特性、焊接参数的调节，都可以通过改变晶闸管的导通角来实现。它的性能由于硅弧焊整流器。目前已成为一种主要的直流弧焊电源。我国生产的晶闸管式弧焊整流器有ZX5系列和ZDK-500型等。（2）弧焊逆变器这是一种新型的弧焊电源。单相或三相50Hz的交流网路电压先经过整流器整流和滤波器变为直流电。在经过大功率开关电子元件的交替开关作用，变成几千赫或几万赫的中频交流电；若再用输出整流器整流并经电抗器滤波。则可输出适于焊接的直流电，此逆变
