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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,3.1.1 合金结构钢的分类,合金结构钢的分类,化学成分,合金系统,组织状态,用途或使性能等,按合金元素总含量的多少分有,低合合钢一般w(Me)5；,中合金钢w(Me)=510,高合金钢w(Me)10。,1.按合金元素总含量的多少分有：,2.按用途和性能分有,国内外常见的合金结构钢的牌号见表3-1,表3-1 国内外常见的合金结构钢,3.1.2 合金结构钢的基本性能,1.2 合金结构钢的基本性质,化学成分：低合金结构钢是在低碳钢基础上（低碳钢的化学成分为：wC=0.10%0.25%，wSi0.3%，wMn=0.5%0.8%）添加一定量的合
2、金元素构成的。低合金钢加入的元素有Mn、Si、Cr、Ni、Mo、V、Nb、B、Cu等，杂质元素P、S的含量要限制在较低的程度。,C：控制钢材强度、硬度的重要元素，每1C可增加抗拉强度约980MPa。Si：也是增大强度、硬度的元素，每1Si可增加抗拉强度约98MPa。Mn：增加淬透性，提高韧性，降低 S 的危害等。Al：细化钢材组织，控制冷轧钢板退火织构。Nb：细化钢材组织，增加强度、韧性等。V：细化钢材组织，增加强度、韧性等。Cr：增加强度、硬度、耐腐蚀性能。,用于焊接结构的低中合金钢合金元素总的质量分数一般10%。各种元素对合金结构钢下临界点温度的综合影响可用下述公式表示：A1=720+28
3、wSi+5wCr+6wCo+3wTi 5wMn 10wNi 3wV，（3-1）由上述公式可见：Si、Cr、Co和Ti等元素能提高下临界点A1的温度（缩小区），而Mn、Ni和V则降低A1点温度（扩大区）。,化学成分：,以Ni元素为代表（Ni组元素，扩大区）：Ni、Mn、Co以Cr元素为代表（Cr组元素，缩小区）：Cr、Si、P、Al、Ti、V、Mo、W。,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它合金元素的性质和含量。,加入合金元素能细化晶粒，而且各种合金元素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。如C、Mn、Cr、Mo、V、W、Ni和Si等元素能提高钢的
4、淬硬倾向，而Ti、Nb、Ta等碳化物形成元素则降低钢的淬硬倾向。（图3-1）,各元素对钢的性能的影响,合金元素对低合金钢屈服强度和抗拉强度的综合影响，可按下列经验公式进行计算：,s=122+274wC+82wMn+55wSi+54wCr+44wNi+78wCu+353wV+755wTi+540wP+30-2(h-5),MPa b=230+686wC+78wMn+90wSi+73wCr+33wNi+56wCu+314wV+529wTi+450wP+21-1.4(h-5),MPa式中 h为板厚（mm）。,各种合金元素对结构钢的抗拉强度和屈服强度影响的定量测定数据如图3-1所示。,图3-1 各种合金
5、元素对结构钢的抗拉强度和屈服强度的影响,N 元素对钢的性能的影响,氮在钢中的作用与碳相似，当它溶解在铁中时，将扩大区。氮能与钢中的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。氮的影响既决定于其含量，也决定于在钢中存在的其他合金元素的种类和数量。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。,合金元素的作用,合金元素或者与Fe形成固溶体，或者形成碳化物（除Ti、Nb和Ta外），都产生了延迟奥氏体分解的作用并由此提高了钢的淬硬倾
6、向。各种元素对钢的力学性能和工艺性能的影响，取决于它的含量和同时存在的其他合金元素。添加一些合金元素，如Mn、Cr、Ni、Mo、V、Nb、B、Cu等，主要是为了提高钢的淬透性和马氏体的回火稳定性。这些元素可以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。低合金调质高强钢由于含碳量低，所以淬火后得到低碳马氏体，而且发生“自回火”现象，脆性小，具有良好的焊接性。,强度(strength)：在外力作用下，材料抵抗塑性变形和断裂的能力。屈强比：屈服强度与抗拉强度之比（s/b）说明：钢材的强度越高，屈强比增大，屈服强度与抗拉强度之差越小。不同温度下，钢材的强度不同。（图3-2）低碳钢的屈
7、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。,2.力学性能强度,2力学性能,低合金高强钢的低温拉伸性能如图3-2a所示。低合金高强钢高温时强度性能的变化如图3-2b所示。,图3-2 低合金高强钢的低温拉伸性能（a,b）,说明：试验（GB/T 229-2007）：取10mm10mm 55mm的长方形试样，在试样中央开深度2mm的V形缺口，尖端半径为0.25mm。将摆锤置于一定的高度释放，冲断试件，然后刹车，读出试件冲断时消耗的功。不同温度，Ak值不同。,2.力学性能韧性,韧性（toughness）：表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能
8、力。冲击韧性(impact toughness)：材料冲击载荷作用下的断裂时的冲击吸收功Ak，Ak 与试样缺口底部处横截面积之比为冲击韧度。,合金结构钢具有较高的强度和良好的塑性和韧性，采用不同的合金成分和热处理工艺，可以获得具有不同综合性能的低中合金结构钢。1.Mn的固溶强化作用很显著，wMn1.7%时可提高韧性、降低脆性转变温度 2.Si虽然显著固溶强化但降低塑性、韧性，一般wSi0.6%；3.Ni是惟一既固溶强化又同时提高韧性且大幅度降低脆性转变温度的元素，常用于低温钢。4.V、Ti、Nb强烈形成碳化物，Al、V、Ti、Nb形成氮化物，析出的微小VC、TiC、NbC及AlN、VN、TiN
9、、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提高50100MPa，并保持了韧性。（微量加入）5.微合金化元素还有B，主要作用是在晶界上阻止先共析铁素体生成及长大，从而改善韧性。,3显微组织,低合金钢热影响区中的显微组织,低碳马氏体,贝氏体,M-A组元,珠光体类,导致具有不同的硬度、强度性能、塑性和韧性,3.显微组织,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、强度性能、塑性和韧性。几种典型组织（特别是贝氏体组织）对低合金钢强度和韧性的影响如图3-3所示。,低合金结构钢为了获得满意的强度和韧性的组合，晶粒尺寸必须细小、
10、均匀，而且应是等轴晶。经调质处理后的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。,几种典型组织（特别是贝氏体组织）对低合金钢强度和韧性的影响如图3-3所示。,图3-3典型组织（特别是贝氏体组织）对低合金钢强度和韧性的影响,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。,表3-2 常见金相组织及不同混合组织的硬度,3.2 热轧及正火钢的焊接,常用热轧及正火钢的化学成分和力性能见表3-3和表3-4。,热轧及正火钢,屈服强度为294490MPa的低合金高强钢,一般是在热轧或正火状态下供货使用,属于非热处理强化钢,表3-3 热轧及正火钢的化学成
11、分,注：括号中的成分选择加入。,表3-4 热轧及正火钢的力学性能,1热轧钢,热轧钢,屈服强度为295-390MPa的普通低合金钢都属于热轧钢,这类钢的基本成分为：wC0.2%，wSi0.55%，wMn 1.5%,热轧钢通常为铝镇静(Al脱氧)的细晶粒铁素体珠光体组织的钢一般在热轧状态下使用,Q345（16Mn）是我国于20世纪50年代研制和生产应用最广泛的热轧钢,2正火钢,正火钢,正火状态下使用的钢：主要是含V、Nb、Ti的钢，如Q390、Q345等，主要特点是屈强比（s/b）较高,正火回火状态使用的含Mo钢：如14MnMoV、18MnMoNb等,抗层状撕裂的Z向钢，屈服强度s343MPa,3
12、微合金控轧钢,微合金控轧钢,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，称为微合金钢,多种微合金元素（如Nb、Ti、Mo、V、B、RE）的共同作用称为多元微合金化,单一微合金元素的质量分数通常在0.25%以下。,微合金控轧钢是热轧及正火钢中的一个分支，是近年来发展起来的一类新钢种。采用微合金化（加入微量Nb、V、Ti）和控制轧制等技术达到细化晶粒和沉淀强化相结合的效果。在冶炼工艺上采取了降C、降S、改变夹杂物形态、提高钢的纯净度等措施，使钢材具有均匀的细晶粒等轴晶铁素体基体。微合金化钢就其本质来讲与正火钢类似，它是在低碳的C-Mn钢基础上通过V、Nb、Ti微合金
13、化及炉外精炼、控轧、控冷等工艺，获得细化晶粒和综合力学性能良好的微合金钢。控轧钢具有高强度、高韧性和良好的焊接性等优点。,微合金控轧钢,3.2.2 热轧及正火钢的焊接性,低合金钢的焊接性,化学成分,轧制工艺,1冷裂纹及影响因素,冷裂纹及影响因素,碳当量（Ceq）,淬硬倾向,热影响区最高硬度,热轧钢的淬硬倾向,正火钢的淬硬倾向,低合金钢的焊接性主要取决于它的化学成分和组织状态。随着钢材强度级别的提高和合金元素含量的增加，焊接性也随之发生变化。,（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。通常碳当量越高，冷裂敏感性越
14、大。,，(IIW公式：wt%),Ceq0.4%时，淬硬倾向不明显，焊件一般不会产生裂缝，但对厚大工件或低温下焊接时应考虑预热。Ceq=0.4%0.6%时，钢材塑性下降，淬硬倾向明显，焊性较差。焊前预热，焊后缓冷，Ceq0.6%时，钢材塑性较低，淬硬倾向很强，焊接区易产生冷裂，焊接性不好。焊前须较高温度预热到，焊接时要采取减少焊接应力和防止开裂的工艺措施，焊后要进行适当的热处理，才能保证焊接接头质量。,2.1 冷裂及影响因素,(2)淬硬倾向：焊接热影响区产生淬硬的M或M+B+F混合组织时，对氢致裂纹敏感；而产生B或B+F组织时，对氢致裂纹不敏感。淬硬倾向可以通过HAZ的SHCCT或母材的CCT图
15、来进行分析（图3-4）。结论：Q345与低碳钢比较：,2.1 冷裂及影响因素,16Mn 的SHCCT图,当冷却速度VVc时，F析出后剩下的富碳A来不及转变为P，直接转变为高碳B和M，硬度增加，淬硬倾向增加。,少量F+大量B+大量M,低碳钢SHCCT图,大量F+少量P+部分B,（3）热影响区最高硬度 HAZ最高硬度允许值就是刚好不出现冷裂纹的临界硬度值。即若实际HAZ的硬度高于HAZ最高硬度允许值，那么这个接头有可能产生冷裂纹；若在最高硬度允许值内，一般认为此接头不会产生冷裂。HAZ最高硬度值与材料的强度、成分、工艺都有关。,2.1 冷裂及影响因素,1.Ceq越高，热影响区最高硬度越大，HAZ淬
16、硬倾向越大，图3-7,2.冷却速度越大，热影响区最高硬度越大，HAZ淬硬倾向越大，图3-8，3-9,（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。国际焊接学会（IIW）推荐的碳当量公式为：碳当量Ceq0.4%0.6%时钢的淬硬倾向逐渐增加，属于有淬硬倾向的钢,(%),(2)淬硬倾向,淬硬倾向可以通过焊接热影响区连续冷却转变图（SHCCT）或钢材的连续冷却组织转变图（CCT）来进行分析。,体或M+B+F混合组织时,而产生B或B+F组织时,焊接热影响区,对氢致裂纹敏感,对氢致裂纹不敏感,1）热轧钢的淬硬倾向,从图3-4a可以看到Q345焊条电弧焊冷速快时，热影响区会
17、出现少量铁素体、贝氏体和大量马氏体。而低碳钢焊条电弧焊时（见图3-4b），则出现大量铁素体、少量珠光体和部分贝氏体。,图3-4 热轧钢（Q345）和低碳钢的焊接连续冷却组织转变图（SHCCT）a)Q345 Tm 1350 b)低碳钢 Tm 1300),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，如Q420和18MnMoNb相比（见图3-5a、b），两者的差别较大。,图3-5 正火钢的焊接连续冷却组织转变图（SHCCT）a）为Q420 b)18MnMoNb,(3)热影响区最高硬度,最高硬度允许值就是一个刚好不出现冷裂纹的临界硬度值。图3-6。,图3-6 热影响区最高硬度与裂纹率的关
18、系,碳当量增大时，热影响区淬硬倾向随之提高，但并非始终保持线性关系。碳当量与热影响区最高硬度的关系如图3-7所示。,图3-7 热影响区最高硬度与碳当量的关系Ceq=C+(Mn/6)+(Si/24)+(Cr/5)+(Mo/4)+(V/14)+(Ni/40),焊接热输入E或冷却时间t8/5对热影响区淬硬倾向影响很大。热影响区最高硬度与碳当量和冷却速度的关系如图3-8所示。,图3-8 热影响区最高硬度与碳当量和冷却速度的关系 Ceq=C+(Mn+Si)/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15,冷却时间t8/5对热影响区最高硬度的影响如图3-9所示。,图3-9 冷却时间t8/5对热影响区最高
19、硬度的影响（钢材成分：wC 0.12%,wMn 1.40%,wSi 0.48%,wCu 0.15%,板厚h=20mm）,2热裂纹和再热裂纹,裂纹,再热裂纹,焊缝热裂纹,钢中的Cr、Mo元素及含量对再热裂纹的产生影响很大。不同Cr、Mo含量低合金钢的再热裂纹敏感区如图3-10所示。,图3-10 再热裂纹敏感性与Cr、Mo含量的关系ASR裂纹敏感区 B随Cr、Mo含量增加，SR裂纹增加,3非调质钢焊缝的组织和韧性,焊缝韧性,针状铁素体(AF),先共析铁素体(PF)组织,所占的比例,焊缝中存在较高比例的针状铁素体组织时，韧性显著升高，韧脆转变温度（vTrs）降低，如图3-11a所示；焊缝中先共析铁素
20、体组织比例增多则韧性下降，韧脆转变温度上升，如图3-11b所示。,图3-11 不同铁素体形态对高强钢焊缝韧性的影响 a)AF对vTrs的影响 b)PF对vTrs的影响,焊缝中AF增多，有利于改善韧性，但随着合金化程度的提高，焊缝组织可能出现上贝氏体和马氏体，在强度提高的同时会抵消AF的有利作用，焊缝韧性反而会恶化。如图3-12所示，高强钢焊缝中AF由100%减少到20%左右，焊缝韧性急剧降低。,图3-12 高强钢焊缝韧性与强度的关系,Mn-Si系焊缝组织与韧性的关系见表3-5。,表3-5 Mn-Si系焊缝组织与韧性的关系,显见，中等程度的Mn、Si含量，例如wMn=0.8%-1.0%，wSi=
21、0.15%-0.25%，Mn/Si比约4-7的情况下，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。,4热影响区脆化,脆化,粗晶区脆化,热应变脆化,S和P均降低热影响区的韧性（见图3-14），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。,图3-14 S、P对热影响区韧性的影响（低合金钢三丝埋弧焊）,N对Mn-Si系低合金钢热影响区韧性的影响如图3-15所示。可以看到，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。,图3-15 N对热影响区韧性的影响（Mn-Si系低合金钢）,5层状撕裂,层状撕裂是一种特殊形式的
22、裂纹，它主要发生于要求熔透的角接接头或T形接头的厚板结构中，如图3-16所示。,图3-16 产生层状撕裂的一些典型接头形式a)角接T形接头 b)对接T形接头 c)对接角接头,3.2.3 热轧及正火钢的焊接工艺,1坡口加工、装配及定位焊,坡口加工装配及定位焊,坡口加工可采用机械加工，其加工精度较高，也可采用火焰切割或碳弧气刨。,焊接件的装配间隙不应过大，尽量避免强力装配，减小焊接应力。,定位焊应选用同类型的焊接材料，也可选用强度稍低的焊条或焊丝。,2焊接材料的选择,低合金钢选择焊接材料,一是不能有裂纹等焊接缺陷,二是能满足使用性能要求。,热轧及正火钢焊接一般是根据其强度级别选择焊接材料，而不要求
23、与母材同成分，其要点如下：,要点,考虑焊后热处理对焊缝力学性能的影响,同时考虑熔合比和冷却速度的影响,选择与母材力学性能匹配的相应级别的焊接材料,3焊接工艺参数的确定,工艺参数,预热和焊后热处理,焊接热输入,焊接热输入对热轧及正火钢热影响区晶粒尺寸和冲击韧性的影响如图3-17所示。,图3-17 焊接热输入对热影响区晶粒尺寸和冲击韧性的影响a)冷却时间t8/5与晶粒尺寸的关系 b)热输入对热影响区韧性的影响,1）焊接热输入,HQ70和HQ80低碳调质钢焊接一般要求低温预热，预热温度和最大焊接热输入见表3-20。,表3-20 两种低碳调质钢的最大热输入,热轧及正火钢焊接的典型工艺参数,焊条电弧焊,
24、自动焊,氩弧焊,热轧及正火钢焊条电弧焊的工艺参数见表3-7。,表3-7 热轧及正火钢焊条电弧焊的工艺参数,Q345钢对接和角接埋弧焊的工艺参数见表3-8。表3-8 Q345钢对接和角接埋弧焊的工艺参数,热轧及正火钢CO2气体保护焊的工艺参数见表3-9。,表3-9 热轧及正火钢CO2气体保护焊的工艺参数,热轧及正火钢钨极氩弧焊的工艺参数见表3-10，熔化极氩弧焊的工艺参数见表3-11。,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的工艺参数,预热温度与钢材的淬硬性、板厚、拘束度和氢含量等因素有关，工程中必须结合具体情况经试验后才能确定，推荐的一些预热温度只能作为参考。不同环境温度下焊接Q345钢的预热温度见表3-12。,2)预热和焊后热处理,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,对于有回火脆性的材料，要避开出现回火脆性的温度区间,热轧及正火钢的预热和焊后热处理工艺参数见表3-13。,4焊接接头的力学性能,焊缝金属和热影响区的力学性能是影响接头使用可靠性的基本性能，而其中强度与韧性又是关键的考核要素，特别是对合金结构钢接头更为重要。几种典型热轧及正火钢焊接接头的力学性能见书中表3-14。,
