合金结构钢的焊接.ppt

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1、2 合金结构钢的焊接,2.1 合金结构钢,2.1.1 合金结构钢的分类 结构钢：用于机械零件和各种工程结构生产的钢材。结构钢按其成分可分为：碳素结构钢和合金结构钢。从焊接的角度，考虑材料的性能和用途，大致可分为：强度用钢 用于常规条件下承静、动载荷的零件和工程结构。主要是力学性能，合金元素是为了保证足够的塑性和韧性。专用钢 用于特殊条件下的零件和工程结构。,2.1.2 强度用钢,强度用钢常称为高强钢（），大量用于常温下的受力结构，如压力容器、动力设备、工程机械、交通运输机械、桥梁、建筑结构和管道等。强度用钢合金化原则：在满足塑性、韧性及工艺性能的前提下，使钢具有更高的强度。根据强度级别和热处理

2、状态可分为：热轧及正火钢、低碳调质钢和中碳调质钢。,近二十年来，由于寒冷地区输油管道、海上采油平台、大型压力容器、大型水轮机蜗壳、大跨度全焊接桥梁等需要，通过冶炼技术的不断提高以及轧制设备、工艺和控制手段的不断革新和完善，开发出一些具有优良工艺性能的钢种。微合金控轧钢、焊接无裂纹钢（CF钢）抗层状撕裂钢（Z向钢）和焊接大线能量钢等等。对于进一步提高焊接质量和扩大焊接结构的应用具有重大意义。,2.1.3 专用用钢,珠光体耐热钢 具有较好的高温强度和高温抗氧化的特性，主要用于工作温度为500600的高温设备。以Cr、Mo为基础的低、中合金钢。低温钢 具有良好的低温韧性，用于各种低温装置（-40-1

3、96）、严寒地区工程结构、露天矿山机械和新能源开发等。,低合金耐蚀钢 主要用于大气、海水、石油和化工等腐蚀介质中工作的各种机械设备和结构，由于所处介质不同，耐蚀钢的类型和成分也不同。,2.2 热轧、正火钢的焊接,2.2.1 热轧、正火钢典型钢种成分及性能热轧钢（）固溶强化 属于C-Mn或Mn-Si系列钢种，有时加入V、Nb取代部分Mn以细化晶粒和沉淀强化作用。16Mn（C0.20，Si0.55，Mn1.50）；15MnV，在16Mn基础上加入少量V，以细化晶粒和沉淀强化，热轧状态使用性能不够稳定，尤其是厚板。组织状态：热轧态 细晶粒F+P 正火态 强度，塑性、韧性,正火钢（）固溶强化基础上加沉

4、淀及细晶强化 在C-Mn或Mn-Si系基础上，加入C、N化物的形成元素（V、Nb、Ti、Mo），通过正火C、N化物以细小质点从固溶体中析出，其沉淀强化及细化晶粒作用，提高强度同时，适当改善塑性和韧性。对含Mo钢正火后须回火才能保证良好的塑性和韧性。因为快冷得到组织为Bu和少许F，影响塑性和韧性，需通过回火处理除去Bu。,正火状态下使用的钢 V-Nb：15MnV、（USA）A225A（Mn-V）、A737B（Mn-Nb）Mn-V-V：15MnVN、（USA）737C、（GER）FG39 Mn-Ni-V-N：（GER）FG43正火回火状态下使用的含Mo钢 Mn-Mo，A302加入0.5%的Mo提高

5、强度、细化组织，提高中温性能。为改善韧性添加Ni、Nb成为Mn-Ni-Mo（A302C）或Mn-Mo-Ni（18MnMoNb）系钢。组织状态：细小的F+P,微合金化控轧钢 采用微合金化（加入微量Nb、V、Ti）和控轧新技术，达到细化晶粒和沉淀强化相结合，同时从冶金工艺上降C、S，改善夹杂物形态，提高钢的纯净度等，使钢材具有均匀细小等轴F基体。具有高强度、高韧性和良好焊接性等优点。,热轧、正火钢的焊接性分析,缺陷（结合性）分析焊缝中的热裂纹 热轧、正火钢含C量低、含Mn量高，Mn/S能达到要求热裂倾向不大。但当材料成分不合格或偏析严重，造成局部C、S含量偏高，Mn/S可能低于要求而出现裂纹。,冷

6、裂纹 冷裂纹是焊接该类钢时的主要问题。焊接热影响区和焊缝的淬硬组织是导致延迟裂纹的内在因素，只有当钢的化学成分和焊接热循环所决定淬硬组织存在时，氢才能发挥其诱发裂纹的作用。因此，淬硬组织是引起冷裂纹的决定性因素。淬硬组织的影响可从以下两方面分析：M的数量 M量裂纹倾向愈大 M的形态 高碳M硬度高，组织很脆，裂纹敏感；低碳M呈板条状，Ms较高，转变后能进行“自回火”，有一定韧性。,淬硬倾向与冷裂敏感性的关系,焊接热影响区连续冷却转变（SHCCT）曲线分析淬硬倾向，CCT、TTT曲线可近似分析。凡是孕育期延长，过冷奥氏体的稳定性增加，淬硬倾向增大。热轧钢的淬硬倾向与冷裂纹敏感性 含C不高，含有少量

7、合金元素，淬硬倾向比低碳钢大些；随强度级别增加，合金元素增加，淬硬倾向逐渐增大。,低碳钢（C0.18，Si0.25，Mn0.50，P0.018，S0.022，TA1300,16Mn（C0.15，Si0.37，S0.009，Cu0.03，TA1350）,正火钢的淬硬倾向与冷裂纹敏感性 强度级别较高，合金元素的含量较多，与低碳钢比焊接性差别较大，强度，冷裂敏感。比较分析15MnVN，18MnMoNb的冷裂敏感性。,碳当量与冷裂敏感性关系,淬硬倾向主要取决于钢的化学成分，通过一些经验性的碳当量公式粗略估计和对比不同钢材的冷裂敏感性。通常碳当量，冷裂敏感性愈大。碳当量分析根据钢种的化学成分、强度级别、

8、组织状态等因素具体分析冷裂纹的敏感性。,热影响区最高硬度值与冷裂敏感性的关系,热影响区最高硬度是评定钢材淬硬倾向的一个简便方法。最高硬度允许值是刚好不出现冷裂纹的临界硬度值。Hmax350HV，但随强度级别提高，硬度值有所增加。,再热裂纹 C-Mn、Si-Mn系的热轧钢中不含强碳化物形成元素，对再热裂纹不敏感；正火钢再热裂纹倾向与合金系统关系大：15MnVN对再热裂纹不敏感；18MnMoNb、14MnMoV有轻微再热裂纹敏感性，可通过预热或预热与后热防止再热裂纹。,层状撕裂 主要取决于冶炼条件，钢中的片状硫化物与层状硅酸盐或大量成片的密集于同一平面内的氧化铝夹杂物导致Z向塑性降低。一般板厚16

9、mm不易产生层状撕裂。S含量和Z向断面收缩率是评定层状撕裂敏感性指标：ZA级 S0.008%Z向断面收缩率无规定 ZB级 S0.008%Z向断面收缩率15%ZC级 S0.006%Z向断面收缩率25%ZD级 比ZC级更严格,热影响区的性能变化（使用性能分析）热影响区的性能变化与母材类型和合金系统等关系很大，热轧及正火钢接头性能变化主要是过热区的脆化。过热区脆化 由于过热区温度接近熔点，奥氏体晶粒显著长大和难熔质点的溶入等，直接影响热影响区的性能。质点溶入来不及析出使材料脆化；粗大奥氏体冷却过程可能发生一系列不利组织转变（魏氏体、粗大M、混合组织、M-A组元）导致材料脆化。上述变化取决于线能量（影

10、响高温停留时间、冷却速度）和材料类型、合金体系。,热轧态C-Mn、Mn-Si系为固溶强化钢，对线能量不敏感，可获得满意的使用性能。试验温度为-40以下，线能量过大或过小韧性均下降。小线能量M；高线能量奥氏体晶粒严重长大，形成晶界F、侧板条F和F-中间相碳化物混合物低解理阻力的粗大显微组织。进来研究认为冷却速度低引起Mn-Si系16Mn过热区韧性低的根本原因，是贝氏体铁素体加M-A组元数量和宽度增加。,合金元素影响：C 含量较高，韧性较低；含Nb钢，低线能量影响小，线能量超过一定值，韧性下降，可能与Nb（C、N）不均沉淀有关。含V钢大线能量韧性下降与M-A组元有关；含Ti钢过热区使TiN、TiC

11、溶入奥氏体，冷去过程中Ti来不及析出，显著提高F的显微硬度，降低材料韧性。小线能量是避免脆化的可靠措施。,热应变脆化 热应变脆化本质与常温应变时效相同，焊接过程中热和应变共同作用下产生的动态时效，在200400热应变脆化最为明显。固溶N含量较高的低碳钢和强度级别不高的低合金钢容易发生热应变脆化。消除热应变脆化的有效措施是焊后进行消除应力退火。,2.2.3 热轧、正火钢的焊接工艺特点,焊接该类钢方法的选择不是关键，主要根据材料厚度、产品结构和具体施工条件来确定。焊接材料的选择 焊接材料选择从两方面考虑：焊缝缺陷；满足使用要求。焊缝主要缺陷是裂纹，正常情况下，热裂、冷裂倾向不大。因此选材主要依据是

12、保证焊缝金属的强度、塑性和韧性等力学性能与母材相匹配。,选择相应强度级别的焊接材料（等强性原则）性能决定于化学成分和组织状态。焊接冷却速度很大，焊缝金属具有较高的过饱和度和铸态组织，如成分与母材相当，则性能表现为强度较高，韧性、塑性不足，对抗裂性能和使用性能均不利，所以，焊缝碳及合金元素含量均比母材低。,焊缝性能：,选材必须考虑熔合比和冷却速度 熔合比高母材影响大，冷却速度大焊缝过饱和度大。选材必须考虑热处理的影响 热处理对焊缝的过饱和度有影响。,焊接工艺参数确定焊接线能量 线能量确定主要取决于过热区的脆化和冷裂两个因素。热轧钢 含碳较低的热轧钢，线能量基本没有严格限制，从韧性考虑线能量偏小较

13、好；含碳较高的热轧钢，淬硬倾向增大，M含碳增加，小线能量冷裂倾向增加，脆化也变严重，线能量偏大些较好。,正火钢 含Nb、V、Ti的正火钢，为避免沉淀相溶入固溶体及晶粒粗大引起的脆化，线能量选择应偏小。对含碳和合金元素较高的正火钢（18MnMoNb），小线能量，韧性下降，并易生产延迟裂纹；线能量增大，降低冷却同时，会引起过热加剧。采用小线能量+预热方式较合理（确保避免裂纹，又能防止过热引起晶粒粗化）。,预热 预热主要是为防止裂纹，同时有一定改善性能的作用。预热温度的确定取决于以下因素：材料的淬硬倾向 CE0.4%，一般不预热 冷却速度 板厚、环境温度；线能量和焊接方法 拘束度 含氢量 含氢，T0

14、 焊后热处理,焊后热处理 通常热轧及正火钢焊后不需要热处理；对抗应力腐蚀、低温使用及厚壁高压容器等焊接结构，需进行消除应力的高温回火。确定回火的原则：不超过母材原有的回火温度有回火脆性的材料，应避开脆性的温度区间回火。,2.3 低碳调质钢的焊接,2.3.1 低碳调质钢典型钢种成分及性能,的高强钢，需要调质处理。,简单调质钢，Mn-Si钢调质后达到。普通调质钢，C0.22%，加入Cr、Ni、Mo、V、Nb、B、Ti、Zr、Cu等保证淬透性和抗回火性。,Ni-Cr-Mo钢：HY80（USA），HT70（JPN）Mo-B基加入Mn、Cr、Ni、V、Ti、Zr和Cu：A517F钢（Mn-Ni-Cr-M

15、o-Cu-V-B）T-1钢（USA）A517J、K钢（Mn-Mo-B）HT80仿T-1钢 14MnMoNbB和HQ80C Mn-Cr-Mo-Zr 钢：17MnCrMo33 进一步提高强度，一般加入更多的Ni HY-130（5Ni-Cr-Mo-V）HP-9-4-20（9Ni-4Co-Mo-V）,焊接无裂纹钢：为改善焊接性和提高低温韧性，开发出含碳极低（C0.09%）的调质钢，通过降碳并加入多种微合金元素（尤其是B）提高淬透性。具有足够高的强度和韧性，与同级别材料比具有含碳低和低Pcm特点。,2.3.2 低碳调质钢的焊接性分析,低碳调质钢作为高强度的焊接结构用钢，碳含量限制得较低。主要问题和工艺与

16、正火钢相似，差别只在于热影响区有软化问题。焊缝中的热裂纹 C低、Mn高；S、P低，热倾向较小。对高Ni低Mn钢热倾向有所增加。热影响区液化裂纹 在高Ni低Mn可能出现液化裂纹。,工艺因素对液化裂纹有重要影响：线能量增加，晶粒粗大，晶界熔化严重，且液态晶界存在时间愈长，裂纹倾向增加。熔池形状（指状熔深）,冷裂纹 合金化原理：在低碳的基础上，加入多种提高淬透性的元素，保证获得高强度、高韧性的M和部分BL 奥氏体的稳定高，易获得淬硬组织。有无“自回火”条件，是这类刚冷裂纹产生的关键。,再热裂纹 合金元素中大多属引起再热裂纹元素，如Cr、Mo、Cu、V、Nb、Ti和B等，V、Mo影响较大。Mo-V钢，

17、特别Cr-Mo-V钢对再热裂纹较敏感；Mo-B，Cr-Mo钢有再热裂纹倾向；Cr-Ni-Mo、Cr-Ni-Mo-V、Ni-Mo-V 钢要注意再热裂纹。,焊接热影响区的性能变化过热区脆化,这类钢获得M+1030%BL韧性最佳，t8/5存在最佳值。出现Bu和M-A组元韧性下降。,热影响区软化 凡加热温度超过母材回火温度至Ac1的区域，由于碳化物的聚集长大而软化，温度愈接近Ac1，软化愈严重。,2.3.3 低碳调质钢的焊接工艺特点,焊接时注意两个基本问题：M转变时冷却速度不要太快，是M获得“自回火”，以免冷裂纹产生；800500冷却速度大于产生脆性混合组织的临界速度。焊接方法和焊接材料的选择 焊接热

18、作用是热影响区强度和韧性下降不可避免，随强度级别提高，愈突出。通过焊后热处理或尽可能限制热作用的影响。的钢种必须采用TIG或电子束焊；采用手工电弧焊、埋弧焊、MIG、TIG焊,采用MIG最为合适。,焊接材料选择：焊后不调质以“等强”原则，特殊情况为防止裂纹可采用强度稍低于母材的焊接材料；,焊接工艺参数选择,线能量的确定满足韧性的前提下，线能量应尽可能大。,预热 当线能量提高到最大允许值仍不能避免裂纹产生，需要考虑预热。预热目的是防止冷裂纹，对性能改善意义不大。一般T0200,热处理 一般不采用采用消除应力热处理，510690进行处理会损害焊缝和热影响区的韧性，冷却速度愈低，影响愈严重；有再热裂

19、纹倾向；要求抗应力腐蚀需要回火处理，回火温度低于原回火温度30,2.4 中碳调质钢的焊接,2.4.1 中碳调质钢典型钢种成分及性能,必须提高碳的含量，C=0.250.45,韧性不是首要的，其特点是高的比强和高度硬度，淬透性很大，焊接性较差，工艺复杂，焊后必须通过处理才能保证接头性能。S、P等杂质必须严格控制。,Cr钢 Cr1.5，提高淬透性 Cr-Mo钢 35CrMo、35CrMoV具有良好的强度和韧性匹配。Mo=0.150.25%，消除回火脆性，提高淬透性，使钢具有良好的强度和韧性匹配，提高高温强度；V细化晶粒，提高强度、塑性韧性，增加回火稳定性。Cr-Mn-Si钢 30CrMnSiA、30

20、CrMnSiNi2A和40CrMnSiMoVA，有回火脆性。Cr-Ni-Mo钢 40CrNiMoA、34CrNi3MoA，具有良好综合性能。超高强钢 H-11是含Cr5%和Mo1.5%的热加工工具钢发展起来的，经500以上回火，特殊碳化物弥撒析出，强度可达1960MPa，较高的耐热性。,2.4.2 中碳调质钢焊接性分析,焊缝热裂纹 碳及合金元素含量较高，液-固相区间大，偏析严重，具有较大热烈倾向。选材时应尽可能选用低碳，S、P杂质少的填充材料；工艺上保证填满弧坑和焊缝良好成形。冷裂纹 冷裂纹较严重，淬硬倾向大，Ms点较低。,热影响区性能变化过热区脆化 M脆化 采用小线能量，同时预热、缓冷和后热

21、等措施。热影响区软化 退火状态下焊接，焊后调质处理无软化问题。调质状态下焊接，焊后不处理，软化是不可避免的，软化程度和宽度与焊接线能量、方法关系大。,中碳调质钢焊接工艺特点,退火状态下焊接时的工艺特点 比较合理的工艺，焊接主要解决裂纹问题，性能可通过调质来保证。方法选择：无限制（要求焊接时不能出现裂纹）材料选择：焊接时不能出现冷热裂纹，焊缝调质规范与母材一致（主要合金成分与母材相似）。工艺措施：采用高的预热温度（200350），中间热处理（起到扩散除氢、改善组织、降低应力）等。,调质状态下焊接的工艺特点 需解决裂纹、M脆化和硬化、热影响区软化三大问题，主要考虑裂纹和软化。焊接方法：应采用热量集中、能量密度大的方法，线能量愈小愈好。材料选择：从防止裂纹出发，常采用纯奥氏体的Cr-Ni钢焊条或Ni基焊条。工艺措施：为防止裂纹和消除脆化，必须正确选定预热温度，焊后及时进行回火（低于母材回火温度30）。,