合金结构钢的焊接

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 合金结构钢的焊接目录,2-1 合金结构钢的分类,一、强度用钢高强钢,二、特殊用钢,2-2 热轧及正火钢的焊接,一、成分和性能,二、热轧及正火钢的焊接性分析,三、热轧钢及正火钢的焊接工艺特点,2-3 低碳调质钢的焊接,一、低碳调质钢的成分和性能,二、低碳调质钢的焊接性分析,三、低碳调质钢的焊接工艺特点,2-4 中碳调质钢的焊接,一、中碳调质钢的成分和性能,二、中碳调质钢的焊接性分析,三、中碳调质钢的焊接工艺特点,第二章 合金结构钢的焊接,2-1 合金结构钢的分类,科技的开展对工程结构和机械零件用钢的性能提出高要求，碳素结构钢不能满足。,碳素结构钢+合金元素改善材料的性能=合金结构钢,分类：强度用钢、特殊用钢,一、强度用钢高强钢,Rel294N/mm2，大量用于常温工作的受力结构，常称为高强钢。,如压力容器、动力设备、工程机械、桥梁、建筑、管道等。,冶炼技术、设备、工艺与控制手段：,微合金化控轧钢，细晶粒结构用钢；,CF钢Rel343MPa ,Wc,正火钢微合金化钢；,Z向钢板、Rel343MPa，钙处理，真空降气，Ws大大降低；,焊接大现能量钢等。,1. 热轧热轧态及正火钢正火态使用,294343MPa为热轧钢非热处理强化，固溶强化,Rel=294490MPa，正火处理为正火钢,固溶强化、沉淀强化和细化晶粒强化。,微合金化控轧钢；,CF钢Rel343MPa ,Wc,正火钢微合金化钢；,Z向钢板、Rel343MPa，钙处理，真空降气，Ws大大降低；,焊接大现能量钢加Ti，细化晶粒等,2. 低碳调质钢,Rel=441980MPa热处理强化,Wc0.025%,A,韧性Rel(Rm),可用调质态焊，焊后不须调质处理，必要时去应力处理。,Rel=441-490N/mm2，分调质与非调质二类。,正火正火+回火钢，合金元素沉淀强化，细化晶粒，A,韧性,但WM,韧性A正火钢Rel490N/mm2左右。,同一强度等水平，所需WM0.3%，淬硬性增大，韧性降低。,退火态焊接，整体热处理，结构自重飞机起落架、火箭壳体,返回,二、特殊用钢,1.珠光体耐热钢,具较好的高温强度和高温抗氧化性。,T工作=500600高温设备，热动力设备、化工设备,Cr、Mo为基的低、中合金钢，T工作越高，还参加V，W，Nb，B等元素。12CrMoV等,焊后不进行调质处理，焊后主要进行高温回火处理。,2.低温钢,必须保证足够高的低温韧性，强度无特殊要求。,T工作=-40-196，低温装置，严寒地区的工程结构桥梁。,液化石油-45，液化天燃气-162。,大局部是含Ni的低碳低合金钢，正火或调质态使用。,3.低合金耐蚀钢,必须具有耐腐蚀性能 + 一般力学性能,用于大气、海洋用得最广、石油等腐蚀介质中工作的各类机械设备、结构。,由于腐蚀造成设备与工程结构报废的量很大。,返回,2-2,热轧及正火钢的焊接,一、成分和性能,1.热轧钢：,Rel=294343N/mm2，根本上属于C-Mn和Mn-Si系钢种,有用V、Nb代替Mn，细化晶粒，沉淀强化综合机械性能、工艺性能满意。,例如：16Mn，WSi0.6% 否那么韧性降低。,WC0.3% WMn1%时焊接时常出现裂纹，板材还会出现出现脆性贝氏体。,因此为保证好焊接性与缺口韧性，W合金受限，Rel受限。,沉淀强化类钢：15MnV，Rel达392N/mm2,16Mn+V0.040.12%,VC弥散强化、正火态、韧性改善。,安徽芜湖长江公铁长江大桥,2. 正火钢：,Rel=343490N/mm2,C-Mn，Mn-Si系根底上加V，Nb，Ti，Mo等C化物，N化物生成元素,在固溶强化根底上，通过沉淀强化和细化晶粒来Rel(Rm)b，保证韧性。,含Mo钢必须正火 + 回火才能保证塑性、韧性。,1正火状态使用的钢,除15MnTi外，主要是含V、Nb钢，利用沉淀强化和细化晶粒作用提高综合性能；,降低Wc，对材料焊接性和韧性有利。,屈强比高： Wc=0.150.2%之内，15MnV，15MnVN，Rel(例如: 14MnNb桥梁钢),2正火 + 回火态使用的含钢,Mn-Mo系在美国用得广阔，制造中温的大厚度压力容器。,强度提高，组织细化，中温性能 正火后组织为B上+少量F，必须回火保证A，Kv(Ku)；Mo、Ni都能提高钢的热强性。,3微合金化控轧钢70年代开展起来新钢种,参加微量Ni，V，Ti和控扎技术。控轧钢,细化晶粒与沉淀强化相结合，纯洁度，钢材具均匀的细晶粒等轴铁素体的基体。综合性能好,X70钢，含Nb、V、Ti外，还加Ni，Cr，Cu，Mo降低F转变温度，有利于低温下B转变针壮F低C的B体，为高强度、高韧性的管线钢。,返回,二、热轧及正火钢的焊接性分析,焊接性主要取决于钢材的化学成分。,前面讲过金属的焊接性通常表现为：,1焊接引起各类治金缺陷各类裂纹；,2焊接时材料性能的变化脆化问题。,1. 焊缝中的热裂纹,Wc降低，WMn提高，Mn/S比达要求，抗裂热性好，正常不裂。,当材料成分不合格，严重偏析使局部Wc降低，Ws增大，Mn/S可能低于要求出现热裂纹。,解决方法：通过焊材来调整焊缝金属的成分。降低降低Wc，增加WMn，工艺上设法减小熔合比。,H08MnTi+含SiO2，焊剂SJ101，含Mn量增加,H08Mn2Si H08MnE,例如14MnNbq的焊接。,2. 冷裂纹,分析问题的出发点：钢材化学成分、淬硬倾向与冷裂倾向三者间存在着密切的联系。,1淬硬倾向与冷裂倾向的关系：,材料的冷裂敏感性主要取决于它的淬硬倾向，该倾向用TTT或CCT曲线来讨论。,CCT：更适于研究焊接，Sh-CCT模拟HAZ连续冷却曲线更佳。可定量分析,TTT：定性分析与比较，比CCT左移，其淬火临界冷却速度比CCT大1.5倍，后者右移，增加过冷A稳定性。,a. 热轧钢的淬硬倾向与冷裂倾向。,分析图2-1，,分析图2-1中的a-R10和b-No.4,皆为厚板手工电弧焊上的HAZ过热区的组织状态, 前者为少量F、B和大量M体；后者有大量F、少量P和局部B,与低碳钢比较，16Mn钢的淬硬倾向大。马氏体含量大。,V冷不大时，两者相近。,b. 正火钢的淬硬倾向与冷裂倾向。,强调一下：一般随强度的提高，冷裂倾向增大WM增加，分析图2-2.,15MnVN，18MnMoNb,2碳当量与冷裂倾向的关系,淬硬倾向主要取决于材料的化学成分，Wc作用最明显，冷裂倾向与成分、冷却速度、含氢量、拘束度等有关。,经验性的C当量公式粗略估计与比照不同钢材的冷裂倾向。,适于Wc较高，大于0.08%,Rel(Rm)b=400700MPa钢材,Ce=C+Mn/6+(Cr+Ni+V)/5+Cu+Ni/15 国际焊接学会,Ceq=C+Mn/6+Cr/5+Mo/4+Ni/40+Si/24+V/14 (日本用),Wc低(Wc0.17%), Rel(Rm)b=400900MPa的钢材.,一般Ce最高0.4%等，超低碳钢Ce 0.5% ，淬硬性，工艺措施严格严控线能量，预热，Postheat。,3热影响区最高硬度值与冷裂倾向的关系不太适用,亦是评定淬硬倾向的一简单方法。,淬硬组织：规定Hmax时，要考虑钢材的级别来定，级别,表2-2、表2-3、,表2-4不可靠，只作参考。,4H没考虑,测氢实验,3. 再热裂纹,含Mo才有Mo，V，Nb含沉淀化元素。一次溶入淀；二次加热沉淀强化晶内,从钢材的化学成分考虑，在C=Mn与Mn-Si系热轧钢对再热裂纹不敏感无强C化物形成元素，而正火钢18MNMoNb有些如有再热裂纹，可提高预热温度或Postheat，正火钢与合金系统有大关系。15MnVN不敏感,4. 层状撕裂,a. 影响因素不受Rel级别限制,1Z向拘束力与板厚有关，20%,抗层状撕裂；,一般冶炼条件下生产的热轧和正火钢都达不到要求。,ZA 级别,Ws0.008%, Z向断面收缩率不规定,ZB级别,Ws0.008%, Z向断面收缩率15%,ZC级别,Ws0.008%, Z向断面收缩率25%,ZD要求更高。,5. 热影响区的性能变化,对于焊接热轧和正火钢时，主要性能变化为：过热区的脆化问题与热应变脆化问题。,a. 过热区脆化取决于,1焊接线能量影响V冷，高温停留时间,温度高于1200熔点，A晶粒长大，难熔质点溶入N、C化物,焊缝冷却时，魏氏体、粗大马氏体、低塑性组织、M-A组元产生,2钢材类型、合金系列影响,例如：0.17C-1.1Mn(热轧钢),热敏感性不大,(图2-3),0,El对过热区韧性几乎,无影响;,-40, 影响大。,1El越小，马氏体比例增加，HAZ韧性降低；,El越大， A晶粒严重长大，晶界F、侧板条F、类似P的F-中间相C化物混合物。在低冷速下形成低解理阻力的粗大显微组织。,V冷降低，B、F+M-A数量增加，韧性降低,2成分C明显,Wc越大，冲击值降低，低温冲击值低，-40无高韧性区如要求高应该防止使用Wc高类别。,WNb增加，冲击值比不含Nb的C-Mn钢低得多，与NbC，N沉淀有关，Nb促进粗晶区生成类似于B的晶内F板条组织有关。,WV，WTi，如图2-4aV，bTi，与图2-5aTi，,大线能用钢中的WTi限制很低！,见图2-5b，采用小线能量是防止过热区脆化的可靠措施。,原因：高温停留时间，抑制难熔的向A熔入，产生低C马氏体无脆化,可用大线能量+8001100正火处理，冲击值提高，,C-Mn，Mn-Si系热轧钢，固熔强化。,Mn-V，Mn-Ti，Mn0Nb系正火钢，固溶强化+沉淀强化。,搞清楚两种钢选择不同的El原因,返回,b.热应变脆化,直接发生在焊接过程中，热与应变同时作用下产生的一种动态应变时效，200400最为明显，焊前有缺口时，脆化更加严重。,消除的有效措施：焊后热处理，可恢复到原来的韧性水平消除应力退火,本质上是由固溶氮引起的参加足够N化物形成元素Al、Ti、V，明显减弱脆化倾向,返回,三、热轧钢及正火钢的焊接工艺特点,C-Mn、Mn-Si+系：热轧钢,V、Nb、Ti、Mo：正火钢C化物，氮化物生成元素,主要根据材料厚度、产品结构、具体施工条件确定与焊接方法关系无特殊要求。,主要讨论焊接材料选择和工艺参数确定。,1焊接材料的选择,要求：焊缝无缺陷 热轧及正火钢的焊接性分析主要是裂,纹问题；,使用性能,出发点主要依据：保证焊缝与母材的匹配性Rel(Rm)、 A、Kv2等,与母材的机械性能出发、等强匹配相应强度级别,而非成分一致,成分一致时，焊缝为特殊过饱和铸态组织，其Rel(Rm)、A、Kv(Ku)，抗裂性能与使用性能不好。,要求：焊缝Wc 0.14%时，WMe母材中的WMe。,结557焊15MnVN，焊条C、Mn低于母材，无沉淀元素V，但是Rel(Rm)b=540608MPa，A高、Kv(Ku)高。,2必须考虑到熔合比和冷却速度的影响。,决定焊缝化学成分 与焊缝组织的过饱和度有关,决定焊缝金属的机械性能,埋弧焊16Mn焊接时，选择焊材应考虑板厚与坡口形式，,I坡口焊：H08A配合高Mn高Si焊剂即可；,大坡口：H08MnA或H08Mn2提高Mn含量，母材熔入少,3如有postheat，必须考虑到对焊缝性能的影响。,如要焊后正火，必须选择强度更高一些的焊材。,大坡口15MnVN，焊后消应处理，应用H08Mn2Si，用H08Mn2焊缝强度偏低。,4对焊缝金属的使用要求应注意其特殊性能要求表2-7,16MnCu+结50T铜耐蚀性能,2、焊接工艺参数确实定,1焊接线能量,其确定主要取决于过热区的脆化和冷裂两个因素。,如：15MnVN、14MnNb、,47KJ/cm左右、Kv2在-20在过热区合格，,40KJ/cm以下，Kv2在-40在过热区合格。,当Wc例如18MnMoNb正火钢，WMe，淬硬性E线偏大好些。,E线，V冷，但加热程度，过热，,因而采取用小线能量+预热方式合理，防止裂纹，防止晶粒的过热。,热轧钢,正火钢：避免沉淀相的溶入及晶粒过热引起的脆化。,E,线,Wc,（,09Mn2,），对,E,线无严格的限制。材料淬硬性较小，对小,E,线时冷裂倾向不大。,Wc,偏高时，（如焊,16Mn,），,E,小时（,E,偏大只好）冷裂倾向,，脆化严重,2预热，防裂纹，改善性能,其确定取决于下面因素：,Pc=Pcm+H/60+A/600,Pcm=C+Si/30+Mn+Cu+Cr/20+Ni/6-+Mo/15+V/10+5B%, 成分，To=1440Pc-392,V冷 板厚、环境温度、焊接l、焊接方法,拘束度,H 裂纹倾向大， T.酸性焊条焊接的T0高于碱性焊条,是否热处理,返回,3焊后热处理：,一般情况下不需热处理；容器需高温回火目的,消除应力：抗应力腐蚀力，低温性能，防层裂等,T回确定原那么：,不超过母材的T回。,对有回火脆性的材料，避开脆性温度区间。,Rel490N/cm2钢。延迟裂纹倾向大，回火可消除应力，去氢。,返回,3-3,低碳调质钢的焊接,一、低碳调质钢的成分和性能,在正火条件下，通过增加合金元素，强化效果一般情况下，Rel(Rm)，Kv2，Rel490N/mm2，高强钢场需调质处理。,Rel=440980N/mm2,Wc0.22%在0.18%以下良好综合性能和焊接性能,最简单：Mn-Si系钢，AS343N/mm2,调质后达490N/mm2。,当板厚或Ab、需添加合金元素Cr、Ni、Mo、V、M、Ti等，本保证足够淬透性和抗回火性。,焊接无裂纹钢,70年代开展的改善野外施焊条件，低温韧性，,加多种微元素，Wc0.09%B具有淬透性，调质保证A，Kv(Ku)足够该钢具CF钢，Wc，Pcm特点。,采用超低氢焊接材料，B产生脆性混合组织的临界冷却速度，,控制T8/5，不产生上B氏体。,1、焊接工艺方法,母材Rel Rel(Rm)b与Kv2下降的问题越严重。,解决方法：,焊后重新调质，,不热处理，限制热输入。,例：Rel980N/mmm2钢10Ni-Cr-Mo-Co必须用TIG与电子束焊。,Rel980N/mm2，各种方法均能用。,Rel686N/mm2，熔化极气体，保护焊最正确。,E热，焊后必须调质处理。,调质态焊接，焊后不热理异于中碳调质。,选焊材时，要求焊缝性解接近母材的机械性能等强，当结构刚度大时，冷裂难免，低强度匹配。,2,焊接材料的选择,3 焊接工艺参数的,综合考虑：防冷裂纹t8/5V冷。,防脆化M-AV冷。 正确选择线能量和预热量保证不出裂纹与脆化的关键。,确定 E线,尽可能选择大一些、不出裂纹，满足韧性，再根据冷裂倾向考虑，预热向考虑，预热和预热温度。,2确定 T预,主要目的是为了防止冷裂，对HAZ性能不大,当Ek达最大而裂纹不能防止，必须预热。,一般在焊低碳调质钢时采用较低的T预200。,主要是降低马氏体转变的V冷，通过M的自回火作用来提高抗裂性能。,T预，V冷V冷脆性混合组织。,3焊后热处理确实定,510690热处理，损害Kv(Ku)。,消除应力处理没有必要，只适于要求耐应力腐蚀的焊件，T后低于母材原回火T的30。,返回,3-4,中碳调质钢的焊接,一、中碳调质钢的成分和性能,Rel8801176N/mm2,WC=0.250.45%,强度主要取决于Wc，WMe提高淬透性，抗回火性。,特点：高的比强和高硬度韧性不是首要,用作火前外壳、装甲钢,淬透性，焊接性差，焊接工艺复杂，焊后必须调质。,严控S、P的含量， 一般钢0.04%,S、增加热裂敏感性,P、A、Kv2、冷裂敏感性。,真空冶炼，使母材与填充金属到达高纯度Ws、p0.015%,1、40Cr,Cr2% 对A影响不大，Kv2。,Cr增加低温或高温的回火稳定性。,良好综和机械性能，Rel(Rm)疲齿轮、轴类、交变载荷,2、35CrMoA 35CrMoVA,属CrMo系统 WMo=0.150.25%,消除Cr钢的回火脆性，高温,V-细化晶粒，Rel(Rm)b、A、Kv2，高温回火稳定性。,用于动力设备负载高，截面大的重要零部件，发电机转子，汽轮机、中轮、主轴等。,Wc，焊前预热、焊后热处理。,3、30crMnSiNi2A、40crMnSiMoVA参加Ni、,Rel(Rm)b、Kv2较好，焊接性差。,飞机构件：,30crMnSiA典型不含贵重的Ni，我国应用广,退火态组织、F+P,调质态组织：回火索氏体统称低温回M； Rel(Rm)b 16661715MPa,高温回火必须快冷！,Cr-Mn-Si系统，300450第一类回火脆性,还会有第二类回火脆性,飞机制造较为普遍。,440CrNiMoA，美4340钢及34CrNi3MoA4340美一类似,Cr-Ni-Mo系统,参加了Ni，Mo显著提高淬透性和抗回火软化能力，Kv2，Rel(Rm)，淬透性大。,用于高负荷，大截面轴类、承冲击、如飞机、起落架、火箭发动机外壳。,5超高强度钢 H-11 Cr5%、Mo1.5%热加工工具钢根底上展。,Rel(Rm)b=1960N/mm2,并具较高耐热性超音速喷气机机体材料,(经500 回火、特殊、C化物析出)。,返回,二、中碳调质钢的焊接性分析,一焊缝中的热裂纹,Wc、WMe、液一固相区间大，偏析严重，热裂倾向。,需焊材：选用Wc、S、P的填充材料。,焊接工艺上保证填满弧坑，焊缝成形良好。,二冷裂纹,淬硬冷裂倾向严重，分析其冷裂敏感性，不仅看M形成倾向，而且须考虑M的类型和性能。,Ms低，M无,“自回火效应。,预热+焊后回火处理,以防止冷裂纹。,三HAZ的性能变化,1、过热后的脆化,淬硬性，易产生硬脆的高碳M，t815，V冷，高CM，脆化越严重。,大线能量V冷，增加A过热，提高其稳定性，形成粗大M，脆化更严重。,解决方法：小线能量+预热+缓冷和后热,减小t高温停留，降低A稳定性V冷,z改善性能。,2、HAZ的软化,E线，V冷，t受热、软化焊接热源越集中，软化,该类钢常在退火态焊接、焊后调质处理,Rel(Rm)b、软化越严重。,软化程度与宽度与E线、焊接方法有关。,E,线,，,V,冷，,t,受热、软化,焊接热源越集中，软化,返回,三、中碳调质钢的焊接工艺特点,焊前状态决定焊接问题及工艺,1、退火正火态焊接，整体调质多数情况下,主要问题：裂纹，HAZ性能由调保证,焊接方法：不限，但气焊易生裂纹。,焊材：保证质量无裂纹,调质后与母材等强接头性能,焊缝金属主要合金应尽量与母材相似同热处理标准,严控C、Si、S、P引起热裂倾向，促使脆化,工艺参数：保证调质前不出裂纹，,高预热温度200350和层间温度,复杂结构，大量焊缝，存在中间回火处理去H、冷裂敏感性低的组织,焊后及时回火65010，在高于T预热保温、除H 防冷裂,小El+预热高。,2、调质状态下焊接,主要问题：,1裂纹：,从工艺上出发，预热温度，层间温度，中间热处理postheat母材回火温度的50。,2高M的硬化和脆化焊后回火解决,3高温回火区的软化HAZ区。必须调质才能解决,如果焊接后不调质处理，应该采用热量集中，能量高度大方法有,利，E。,减小软化：气保焊较好，TIG,有前途：冲氢弧焊，等离子，电子束焊接。,经济和方便为手弧焊。,选焊材不必考虑成分、热处理标准与母材匹配，主要防止冷裂纹。,T预=200250 T层=200250,T后=250，2h或更长时间低温回火。,表2-18为母材+焊材匹配。,典型范例：,D6AC相当于35CrMoV细丝双弧焊接工艺试验,采用气割小车和双送丝机头改装而成的自动焊接设备，同时送进两根2mm的焊丝。两机头距离和倾斜角度可调，用两台400A场效应管逆变电源恒流特性供电。细丝双弧焊接的根本原理如图1所示图中h为焊接速度及方向。,当两平行的焊丝间距较大时,，两个电弧形成别离的电弧空间，,这时前端小电流电弧起打底和预热,的作用，后端大电流电弧起提高生,产率、延缓焊缝冷却速度和后热处,理第一层焊缝及热影响区的作用。,为了调整焊缝的成分，采用共熔池细丝双弧焊接法，即将两焊丝距离调至30mm左右，这样形成窄长的熔池和较大的t8/5和t8/3 ，虽然减少了预热和后热的作用，但可以通过工艺的调整和焊后缓冷也有利于在不预热焊接条件下防止裂纹。,由于采用双弧焊接技术，焊丝可以是不同种焊接材料，可以方便的调整焊缝成分。本试验采用1Cr18Ni9Ti焊丝和H18CrNiMoA焊丝A匹配或者H08Mn2Si和H18CrNiMoA两种焊丝匹配B匹配焊接D6AC超高强钢，焊剂均采用HJ260。焊接标准为：I1=200240A，I2=350400A，U1=3542V，U2=3845V，h=814m/h，焊后于炉中350450保温13小时，并随炉缓冷。,将焊接接头进行830900淬火、600680回火的调质处理，并进行磁粉探伤和超声波探伤试验。,取样进行焊接接头的机械性能与硬度试验，为了进一步深入分析焊接接头的性能，进行了接头各区小试件1.5mm1.5mm微型拉伸试验与跨三区试件的微区剪切试验。,返回,谢 谢 ！,