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1、第8章 合金结构钢及铸铁的焊接,第8章 合金结构钢及铸铁的焊接,主要内容 介绍合金结构钢和铸铁的种类、性能、焊接性及其焊接工艺特点。,2023/10/22,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,2,第1节 合金结构钢的焊接,一、合金结构钢的分类 强度用钢热轧正火钢：非热处理强化钢，一般在热轧或正火状态下供货，主要靠固溶强化、增加珠光体的相对量、细化晶粒及沉淀强化来保证强度。低碳调质钢：wC0.25，依靠淬火、高温回火热处理工艺(调质处理)来强化，强度高、塑韧性好。中碳调质钢：wC0.3，s880MPa。调质处理后具有很高的强度和硬度，而韧性低，因此焊接性较差。,2023/10/22,3,第八章 合金
2、结构钢及铸铁的焊接,第1节 合金结构钢的焊接,二、合金结构钢的焊接性（一）钢的成分、组织和性能热轧正火钢：WC0.2，合金元素含量3%，基本上属于C-Mn系和Mn-Si系（WMn1.8%，WSi0.6%固溶强化）。还可加入沉淀强化的V、Nb、Ti、Mo等元素。s=294343MPa低碳调质钢：WC0.22，添加一些提高钢的淬透性和马氏体回火稳定性的元素如Mn、Cr、Ni、Si、V、Mo、Ti、Nb、B等，可推迟珠光体和贝氏体的转变，使产生马氏体转变的临界冷却速率降低，从而提高淬透性和抗回火性。s=490980MPa的高强钢必须通过淬火、高温回火的调质处理进行强化并获得良好综合性能。,2023/
3、10/22,4,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,14MnNbq钢的CCT图,HQ70钢CCT曲线,第1节 合金结构钢的焊接,中碳调质钢：WC=0.250.45，并进行淬火加回火处理，可得到回火索氏体或回火马氏体组织。焊接用的中碳调质钢的合金系统主要有Cr-Mo系、Cr-Ni-Mo系和Cr-Mn-Si系，合金元素总质量分数约37。典型牌号：30CrMnSiA(Cr-Mn-Si系)、35CrMoA及35CrMoVA(Cr-Mo系)和40CrNiMoA(Cr-Ni-Mo系)s880MPa,2023/10/22,5,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,40CrNi2Mo钢CCT曲线,第1节 合金结构钢的焊
4、接,（二）高强钢的焊接性分析 1、结晶裂纹问题 其产生与焊缝中的杂质(如硫、磷、碳等)含量有关。锰具有脱硫作用，从而可提高焊缝的抗结晶裂纹性。为了防止硫引起的结晶裂纹，随含碳量的增加，Mn/S的比值也随之增加。,2023/10/22,6,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,第1节 合金结构钢的焊接,防治措施 冶金措施：调整焊缝主要成分，缩小脆性温度范围；控制硫、磷、碳等有害杂质的含量；一些重要结构采用碱性焊条或焊剂；细化晶粒；利用易熔共晶的“愈合”作用。工艺措施：预热；增大焊接线能量；改变接头形式；焊接次序合理,2023/10/22,7,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,第1节 合金结构钢的焊接,热
5、轧正火钢wC低，一般不会产生结晶裂纹；低碳调质钢wC低且控制了S、P杂质，结晶裂纹的敏感性也较小；中碳调质钢wC和合金化元素的含量均较高，结晶区较宽，会引起较大偏析，故有较大的结晶裂纹倾向。中碳调质钢的焊接尽量选择含C、S、P杂质少的焊接材料，工艺上注意不产生应力集中。,2023/10/22,8,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,第1节 合金结构钢的焊接,2、液化裂纹问题液化裂纹产生的原因 母材晶粒边界的低熔点共晶物，在焊接热循环的作用下熔化，形成液相。当焊接熔池冷却时，低熔点共晶物未完全重新凝固之前，接合区就已受到较大应变，则在这些晶界上就会出现裂纹。晶间液层的熔点越低，凝固时间越长，则液化裂
6、纹的倾向越大。液化裂纹多产生于C、S、P杂质较高的母材与焊缝的熔合边界。解决措施：降低S、P、Si、B等的含量。控制热输入和熔池形状。,2023/10/22,9,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,第1节 合金结构钢的焊接,3、冷裂纹问题冷裂纹主要发生在高、中碳钢，低、中合金高强钢焊接热影响区，但某些超高强钢、钛及钛合金等，冷裂纹有时也发生在焊缝金属中。成因钢种的淬硬倾向：钢的淬硬倾向越大，越易产生冷裂纹。焊接接头的应力状态。氢的作用：高强钢焊接接头的含氢量越高，则冷裂纹的敏感性越大。,2023/10/22,10,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,第1节 合金结构钢的焊接,焊趾裂纹：起源于母材与焊缝
7、交界处，并有明显应力集中部位(如咬肉处)。焊道下裂纹：常发生在淬硬倾向较大、含氢量较高的焊接热影响区。根部裂纹：主要发生在含氢量较高、预热温度不足的情况下。,2023/10/22,11,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,第1节 合金结构钢的焊接,防止措施选用低氢的焊接材料和焊接工艺，严格控制氢的来源；采用低匹配焊条、奥氏体焊条，加入适当合金元素提高焊缝塑性；合理选择焊接线能量、预热、焊后后热、焊后热处理,2023/10/22,12,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,第1节 合金结构钢的焊接,热轧钢一般淬硬倾向小。强度较高时要求预热。正火钢随着强度的增大冷裂倾向增大。低碳调质钢淬透性较大，但马氏体含
8、碳量较低，Ms点较高，此时可以配合工艺条件进行“自回火”获得回火马氏体，避免冷裂纹的产生。中碳调质钢难以产生“自回火”效应，对冷裂纹敏感，焊接时必须预热，焊后及时回火。,2023/10/22,13,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,第1节 合金结构钢的焊接,4、再热裂纹问题再热裂纹的主要特征都发生在焊接热影响区的粗晶部位并呈晶间开裂。进行消除应力处理之前焊接区存在较大的残余应力并有不同程度的应力集中。产生再热裂纹存在一个最敏感的温度区间，这个区间与再热温度及再热时间有关。含有一定沉淀强化元素Cr、Mo、V、Nb等的金属材料才具有产生再热裂纹的敏感性。碳素钢和固溶强化的金属材料，一般都不产生再热裂
9、纹。措施：减小焊接线能量，提高预热温度或焊后立即后热。,2023/10/22,14,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,第1节 合金结构钢的焊接,5、层状撕裂问题沿钢板轧制方向出现呈阶梯状，由平行于轧向的平台和大体垂直于平台的剪切壁所组成。常出现在T形接头、角接头和十字接头中，一般对接接头很少出现，但在焊趾和焊根处由于冷裂的诱发也会出现层状撕裂。,2023/10/22,15,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,第1节 合金结构钢的焊接,影响层状撕裂的因素 非金属夹杂物的种类、数量和分布形态是产生层状撕裂的基本原因。厚壁结构在焊接过程中承受不同程度的Z向拘束应力是造成层状撕裂的力学条件。在焊接热影响区附
10、近，由冷裂诱发成为层状撕裂中氢是一个重要的影响因素；但远离热影响区的母材处产生的层状撕裂，焊缝中的氢不会产生影响。,2023/10/22,16,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,第1节 合金结构钢的焊接,2023/10/22,17,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,c）铝酸盐引起的,第1节 合金结构钢的焊接,防止措施 选用抗层状撕裂的钢材。改变接头形式。防止冷裂诱发成为层状撕裂。,2023/10/22,18,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,第1节 合金结构钢的焊接,6、热影响区脆化熔合区、过热区和部分相变区（不完全重结晶区）脆化严重。（1）热轧钢的脆化当含碳量偏低(wC0.2%)时：采用大热输入焊
11、接时，过热区奥氏体晶粒粗大，冷却时会形成粗大的魏氏组织而发生脆化；采用小热输入时，可减小晶粒粗化现象，并且快冷时容易形成韧性较好的低碳马氏体，可避免热影响区脆化。当含碳量偏高时(wC0.2%)时：大的热输入会形成魏氏组织脆化，小的热输入会形成淬硬马氏体而发生脆化。,2023/10/22,19,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,第1节 合金结构钢的焊接,（2）正火钢的脆化 正火钢的强化方式是固溶强化+沉淀强化。在焊接热循环作用下，近缝区加热温度高，母材中沉淀相如TiC、VC、VN等将溶入奥氏体中，沉淀相的钉扎晶界作用消失，奥氏体晶粒显著粗化。在冷却过程中，由于Ti、V扩散能力很低，来不及充分析出，
12、而固溶在铁素体中导致铁素体硬度升高，韧性下降。（3）低碳调质钢的脆化 当冷却速度不当时，热影响区也会由于奥氏体晶粒粗化和形成上贝氏体和M-A组元而发生脆化。（4）中碳调质钢的脆化 过热区很容易形成脆硬高碳马氏体，冷速越大，脆化严重。一般采用预热、缓冷及合适的热输入来降低过热区脆化程度。,2023/10/22,20,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,第1节 合金结构钢的焊接,7、热影响区的软化焊接调质钢时，在Ac1温度以下，热影响区受热温度峰值超过母材调质处理时的回火温度就会出现软化现象，软化程度大小与焊前母材的回火温度有关。母材调质时，回火温度越低，软化区就越宽，软化越严重。如焊前母材为退火状态
13、，就不存在软化问题。热影响区软化程度还与焊接热输入和预热温度有关，热输入越大，预热温度越高，其软化程度越大。对低碳调质钢，采用小的热输入既可减轻软化程度又有利于防止脆化。但对中碳调质钢，采用小热输入可减小软化，但同时要注意过热区的脆化和冷裂纹问题。,2023/10/22,21,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,第1节 合金结构钢的焊接,（三）高强钢的焊接工艺焊接工艺包括：焊接方法的选择、焊接材料的选择、焊接规范的确定、热处理工艺的制定、焊接装配、焊接顺序的制定1、热轧和正火钢的焊接工艺焊接方法的选择：通常可采用焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊和电渣焊等方法进行焊接，宜选用小热输入。厚大工件、母材合
14、金元素较多的钢种可采用偏小热输入及预热措施，控制层间温度以防止产生裂纹。,2023/10/22,22,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,第1节 合金结构钢的焊接,焊接材料的选择：强度级别不高时选用酸性焊条、高锰高硅焊剂；强度级别高时选用低氢型焊条、中硅焊剂。焊接接头的热处理：热轧钢不必进行焊后热处理；正火钢焊接后应及时进行消除应力处理,以防止裂纹；电渣焊接头的焊缝和热影响区存在严重的魏氏组织，通常均需经过正火、回火处理，以细化组织；对含Mo、V的焊接接头进行消除应力处理时，要防止再热裂纹的形成。,2023/10/22,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,23,第1节 合金结构钢的焊接,2、低碳调质钢
15、的焊接工艺焊接方法的选择：应选择能量密度高，热源集中的焊接方法，如钨极和熔化极气体保护焊。如选择焊条电弧焊和埋弧焊方式，其焊接热输入应偏小些。焊接材料的选择：必须使焊缝的性能接近于母材。焊条电弧焊时选用低氢型焊条，埋弧焊时应选择中硅焊剂。焊接接头的热处理：低碳调质钢焊后不必再进行热处理。对于电渣焊接头或热输入较大的埋弧焊接头,为消除应力、改善组织和性能，焊后应进行调质处理。,2023/10/22,24,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,第1节 合金结构钢的焊接,3、中碳调质钢的焊接工艺焊接方法的选择：一般在退火状态下进行焊接，焊后整体进行调质处理，常用焊接方法都能用；在调质状态下焊接时，必须正确
16、选择预热温度及焊后及时回火处理；为减少热影响区的软化，应采用热源集中，能量密度大的焊接热源，而且以小热输入量为宜，最好采用氩弧焊；为防止冷裂纹，热输入不能太大，提高预热温度、层间温度，焊后应及时进行调质处理。焊接材料的选择：要保证焊缝和母材调质处理后具有相同的性能，并严格控制焊缝中杂质及有害元素(如C、Si、S、P等)。焊接接头的热处理：退火状态下焊接，焊后整体进行调质处理；调质状态下焊接，必须焊后及时回火处理。,2023/10/22,25,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,第1节 合金结构钢的焊接,（四）特殊用钢的焊接性(自学）1、珠光体耐热钢的焊接一般在正火回火或淬火回火状态下焊接，在热影响
17、区中会出现硬化和软化现象，还有冷裂纹和再热裂纹倾向。常采用的方法有：焊条电弧焊、埋弧焊、电渣焊等方法，有时还用CO2气体保护焊。采用焊条电弧焊时，一般用钼和铬钼耐热钢焊条。埋弧焊常用低锰中硅HJ250或中锰中硅HJ350配H08CrMoA、H10CrMo、H08CrMoVA等焊丝。尽可能选择小热输入和预热的方法。,2023/10/22,26,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,第1节 合金结构钢的焊接,2、低温钢的焊接影响低温韧性的因素：化学成分、显微组织、晶粒度和热处理状态。低温钢分为无镍钢和含镍钢两大类。无镍钢的碳当量和杂质含量均较低，焊接接头一般不会产生裂纹和硬化现象，但焊接主要问题是焊缝和
18、近缝区的晶粒粗化而使韧性降低。焊接材料的选择原则是保持焊缝中有足够的Mn和Cu，同时还渗入Mo、W、Nb、V、Ti等元素，使晶粒细化。加入Mo可控制回火脆性。选择小热输入和快速多道焊工艺，以细化晶粒，提高韧性。,2023/10/22,27,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,第1节 合金结构钢的焊接,3、耐蚀钢的焊接分类：耐大气、耐海水、石油化工中用耐硫和硫化物耐大气、海水腐蚀用钢及其焊接性 以Cu、P为主，配合其它的合金元素。Cu和P是提高钢材的耐气和耐海水腐蚀性能的最有效元素。碳含量很低，焊接冷裂纹敏感性小。Cu、P在半熔化区晶界偏析可能增加脆化和液化裂纹倾向。宜选用热输入较小的焊接参数。,2
19、023/10/22,28,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,第1节 合金结构钢的焊接,石油化工中用耐硫和硫化物腐蚀钢及其焊接性 WAl0.5%，具有抗石油腐蚀性能，具有良好的焊接性 WAl1.0%，抗蚀性更好 WAl=2.03.0%，同时加入Cr、Mo、W、Nb等 含铝量升高后，焊缝中会生成粗大铁素体铸态组织而使焊缝变脆。因此必须选用非同质的焊接材料来降低焊缝中的含Al量，但此时近缝区内出现了严重的脆化。近缝区由于生成了粗大晶粒的铁素体带(又称“脱碳层”，俗称“白带”)也会发生脆化。这是由于Al的存在加大了碳的活度，因此，含Al高的钢目前尚无法用作焊接结构，目前已经被国际上通用的Cr-Mo钢所取
20、代。,2023/10/22,29,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,第2节 铸铁的焊接(自学）,铸铁具有成本低，铸造性能、减震性能、耐磨性能与切削加工性能优良等很多优点，而且熔化设备简单，所以在机械制造业中获得了非常广泛的应用。焊接在铸铁中的应用铸造缺陷的焊补已损坏的铸铁成品件的焊补零件的生产，即把铸铁件(主要是球墨铸铁件)与钢件或其他金属件焊接起来作成零部件。国内采用很少，国外有的国家已逐渐在采用。,2023/10/22,30,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,第2节 铸铁的焊接,一、铸铁的种类及性能二、铸铁焊接性分析1、灰铸铁的焊接性 灰铸铁的碳、硫、磷含量高，焊接接头中易出现白口组织、淬硬组
21、织和裂纹。焊接接头对冷却速度变化敏感，对冷、热裂纹敏感，强度低，基本无塑性，因此铸铁的焊接性不良。,2023/10/22,31,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,焊接接头易出现白口组织和淬硬组织焊缝区：由于焊缝冷却度远大于铸件在砂型中的冷却速度，焊缝主要为共晶渗碳体、二次渗碳体及珠光体所组成，即焊缝基本为白口铸铁组织。防治方法：采用适当工艺减缓焊缝的冷速，调整成分来增强石墨化能力、采用异种金属进行焊接。,半熔化区(1150 1250C)：处于液、固两相区，铸铁中的大石墨片应碳的扩散而变成了小石墨片，这部分铸铁也相应变成了含碳过饱和奥氏体，在冷却过程中转变为白口组织，冷速高时还会成为马氏体+残余奥
22、氏体；液态铸铁凝固成莱氏体。,2023/10/22,32,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,第2节 铸铁的焊接,奥氏体区(8201150C)温度处于固相线与共析温度之间，属奥氏体化区，但碳在奥氏体中的浓度分布不均匀。在焊接冷却过程中，奥氏体转变成珠光体+二次渗碳体组织；如冷速很快，会产生马氏体+残余奥氏体。焊接时，采用适当的工艺措施使该区缓冷，使奥氏体中直接析出石墨，可避免二次渗碳体和马氏体的形成。重结晶区(780820C)温度范围处于两相区，加热速度很快，母材中只有部分原始组织可转变成奥氏体。在随后冷却时，奥氏体转变成珠光体组织，冷却快时也可能出现马氏体。,2023/10/22,33,第八章
23、合金结构钢及铸铁的焊接,第2节 铸铁的焊接,焊接接头易出现裂纹冷裂纹 冷裂纹可发生在焊缝及热影响区上，常发生在400以下。当焊缝为灰铸铁型时，石墨片两端会产生严重的应力集中、基体强度下降；当焊缝存在白口组织时，由于渗碳体较脆，容易产生裂纹；补焊时由于应力集中较大，也容易产生裂纹。热影响区的冷裂纹发生在含有较多渗碳体及马氏体的热影响区。解决方法：采用异质焊接材料，配合合理的冷焊工艺，焊缝不易出现冷裂纹。采取措施减弱接头处的应力、防止出现渗碳体及马氏体，如采用焊前预热的方法可以防止冷裂纹的产生。,2023/10/22,34,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,第2节 铸铁的焊接,2023/10/22,
24、35,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,第2节 铸铁的焊接,热裂纹 当焊缝为铸铁型时，焊缝对热裂纹不敏感。采用低碳钢焊条时，由于母材中的含硫、磷量高，导致焊缝的硫、磷量也高，且成分分布不均匀，易导致结晶裂纹。采用镍基铸铁焊条时，由于铸铁中含有较多的S、P，故镍易与硫、磷形成低熔共晶，如Ni-Ni3S2、Ni-Ni3P，其焊缝对热裂纹有较大的敏感性。解决措施：调整焊缝化学成分，缩小其脆性温度区，加入稀土，增强脱硫、磷反应，降低硫、磷含量，细化晶粒等。,2023/10/22,36,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,第2节 铸铁的焊接,2023/10/22,37,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,第2节
25、铸铁的焊接,2、球墨铸铁焊接性的特点 球墨铸铁含有一定量的球化剂，石墨以球状存在，常用球化剂有Mg、Ce、Y等。球墨铸铁的白口化倾向及淬硬倾向比灰铸铁大。球铁的强度、塑性与韧性比灰铸铁高，故对焊接接头的力学性能要求也相应提高。,2023/10/22,38,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,第2节 铸铁的焊接,2、电弧冷焊同质焊缝电弧冷焊 应防止焊接接头白口组织及淬硬组织的产生。解决方法：一是提高焊缝石墨化能力，即焊缝的wC控制在4.05.5、wSi为3.54.5；在向焊缝中加入少量的Al、Ba、Ca，使石墨细化。二是提高焊接热输入量，如采用大直径焊条，大电流连续焊工艺，以减慢焊接接头冷速。异质焊
26、缝电弧冷焊镍基焊条：采用纯镍、镍铁合金和镍铜合金作焊芯。铜基焊条：常用铜芯铁皮焊条、低碳钢芯外缠铜皮焊条等。高钒焊条：以H08为焊芯，药皮中加入适量钒铁。,2023/10/22,39,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,第2节 铸铁的焊接,三、铸铁焊接方法简介1、电弧热焊将工件整体或有缺陷的局部位置预热到600700C(暗红色)，然后进行焊补，焊后并进行缓冷的铸铁焊补工艺称之为热焊。电弧热焊时焊缝成分以WC33.8%、WSi 33.8%、WC+Si 67.6%为宜。两类常用焊条：6mm的铸铁芯加石墨药皮(Z248),5mm的钢芯加石墨型药皮(Z208)。电弧热焊主要适用于厚度10mm工件缺陷的焊补。,2023/10/22,40,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,第2节 铸铁的焊接,3、气焊优点：气焊由于火焰温度较低3400，热量不集中，很适合于薄壁件的补焊。而且气焊时，由于温度低，加热时间长，加热面积大，冷速较慢，有利于石墨化过程进行，焊缝易得到灰铸铁组织，而焊接热影响区也不易产生白口及淬硬组织。不足：由于气焊加热时间长，工件受热面积较大，焊接热应力较大，因而补焊刚度较大缺陷时，比热焊更易产生冷裂纹。,2023/10/22,41,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,
