1、第九章合金结构钢的焊接 主编第一节概述1.高强度钢 高强度钢的种类很多，强度差别也很大，在讨论焊接性时，按照钢材供货的热处理状态将其分为热轧及正火钢、低碳调质钢和中碳调质钢三类。采用这样的分类方法，是因为钢的供货热处理状态是由其合金系统、强化方式、显微组织所决定的，而这些因素又直接影响钢的焊接性与力学性能，所以同一类的钢其焊接性是比较接近的。(1)热轧及正火钢以热轧或正火状态供货和使用的钢称为热轧及正火钢。表9-1几种常用热轧及正火钢的力学性能第一节概述(2)低碳调质钢这类钢在调质状态下供货和使用，属于热处理强化钢。低碳调质钢中合金元素的主要作用是提高钢的淬透性和钢的抗回火性，还使马氏体转变温
2、度降低得最少，以减少淬火裂纹和焊接裂纹。通过调质处理得到低碳马氏体或贝氏体，不但提高了强度，而且保证了塑性和韧性。对同一强度级别的钢来说，调质钢比正火钢的合金元素含量低，从而具有更好的韧性和焊接性。低碳调质钢的缺点是生产工艺复杂，成本高，进行热加工时对工艺参数限制比较严格。典型低碳调质钢的力学性能见表9 2。表9-2典型低碳调质钢的力学性能第一节概述(3)中碳调质钢这类钢属于热处理强化钢，其碳含量较高(wC0.3%)，屈服强度为8801170MPa，与低碳调质钢相比，合金系统比较简单。表9-3几种中碳调质钢的力学性能第一节概述2.专业用钢 把满足某些特殊工作条件的钢种总称为专业用钢。按用途的不
3、同，其分类品种很多，常用于焊接结构制造的有：(1)珠光体耐热钢这类钢主要用于制造工作温度在500范围内的设备，具有一定的高温强度和抗氧化能力，该钢的热处理方式包括调质处理在内的各种形式。(2)低温用钢用于制造在-20低温下工作的设备。(3)低合金耐蚀钢主要用于制造在大气、海水、石油、化工产品等腐蚀介质中工作的各种设备，除要求钢材具有合格的力学性能外，还要对相应的介质有耐蚀能力。本章主要介绍高强度钢的焊接性和焊接工艺特点，专业用钢由于受篇幅所限，这里不作介绍。第二节合金结构钢的焊接性一、合金元素对合金结构钢焊接性的影响 钢材焊接性受许多因素的影响，如碳含量、淬火倾向、抗回火性等，这些性能都取决于
4、钢材的化学成分。这就需要了解合金结构钢中常用合金元素对焊接性的影响。(1)碳碳是保证钢材强度的必不可少的元素，但也是降低钢材焊接性的元素。(2)硅硅的固溶强化作用很强，因此可以有效地提高钢的强度；但含量超过一定的范围会使韧性恶化。(3)锰锰可以提高钢的强度和淬透性。(4)铬铬能提高淬透性、耐热性和耐蚀性。(5)钼钼是提高热强性的元素，能提高热影响区的淬硬倾向，使裂纹敏感性增大。第二节合金结构钢的焊接性(6)镍对一般非热处理强化的低合金钢，加入镍可以提高强度而又不降低塑性和韧性，从避免产生硬脆组织的角度考虑，镍对焊接性有利。(7)钒钒能细化焊缝金属的铸态组织，防止热影响区的晶粒过分长大。(8)钛
5、钛是强脱氧剂、脱氮剂，能细化晶粒。(9)铌一般认为铌能细化晶粒，少量的铌可以提高某些钢的屈服强度。前面对钢中常用元素对焊接性的影响作了初步的分析，但几种元素共存时，情况要复杂得多，下面把焊接低合金结构钢时一些常见的问题加以介绍。第二节合金结构钢的焊接性二、合金结构钢焊接性分析1.热影响区的脆化图9-1焊接热输入对15MnTi钢过热区(-40C)冲击韧度和显微硬度的影响2.焊接接头的冷裂纹 低合金钢在焊接时，有时在焊缝金属和热影响区产生冷裂纹，它一般在冷却过程中产生，有时甚至放置相当长的时间后才产生，故又称延迟裂纹。随着钢材级别强度的增加，对冷裂纹的敏感性增大。第二节合金结构钢的焊接性 在钢种一
6、定的条件下，产生冷裂纹的原因是：焊接接头产生淬硬组织；接头内含氢量多；残余应力较大。为防止冷裂纹，应尽量避免在焊接接头中形成硬脆的组织，这点可通过一定的工艺措施和控制冷却速度来达到，还可以通过控制热影响区的最高硬度来防止冷裂纹。3.焊接接头的热裂纹图9-2焊缝中C、Mn、S含量对角焊缝结晶裂纹的影响第二节合金结构钢的焊接性4.消除应力裂纹(再热裂纹)很多低合金钢制造的结构，要求焊后进行消除应力的退火处理，一些特厚的、结构复杂的或技术要求高的压力容器，还要求在制造过程中进行多次中间退火。在退火的加热过程中，含有沉淀强化元素的钢就有可能出现消除应力裂纹。对一些在高温高压下长期运行的焊件，当服役较长
7、一段时间后，接头内也有可能出现这种裂纹。消除应力裂纹往往产生于应力集中区，具有明显的晶间分布特征。采取提高预热温度、进行后热、合理选用焊接参数等措施，可防止这种裂纹的发生。第二节合金结构钢的焊接性5.层状撕裂 大厚度轧制钢板焊接时，在热影响区附近，可能产生与钢板表面平行的裂纹，称为层状撕裂。它多数在三通管接头及T形接头的角焊缝处产生，与母材的层状杂质偏析有关。对于具有层状撕裂敏感性的结构形式，除严格控制母材的含硫量以外，必须合理设计接头形式和坡口形式，尽量使焊缝的熔合线与钢板表面成一定角度，并根据产品的结构与工艺条件，采取其它针对性措施，如适当提高预热温度。第三节合金结构钢的焊接工艺一、焊接材
8、料的选择 选择焊接材料最重要的原则就是确保焊缝金属的力学性能，使之满足产品的技术要求，从而保证产品在使用中正常运行。表9-4热轧及正火钢常用焊接材料示例第三节合金结构钢的焊接工艺表9-5典型低碳调质钢焊接材料选用示例第三节合金结构钢的焊接工艺表9-6中碳调质钢焊接材料选用示例第三节合金结构钢的焊接工艺二、焊接方法选择 目前用于低合金钢的焊接方法可分成两类。一类是焊接热输入大的焊接法，如单丝和多丝埋弧焊以及电渣焊等。这种方法往往会引起焊缝金属和热影响区的晶粒粗大，加之在较低的冷却速度下所发生的其他冶金变化，可能对接头的韧性产生不利影响，具有再热裂纹倾向的合金钢，其热影响区组织对消除应力裂纹的敏感
9、性增加。另一类是焊接热输入较小的焊接方法，如焊条电弧焊、钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊以及窄间隙埋弧焊等。采用这种方法时，焊缝截面大大减小，可显著缩短焊接周期，节约大量的焊接材料，保证焊接接头具有优良的性能；其不利的一面是对焊接设备和操作技能提出了较高的要求。第三节合金结构钢的焊接工艺三、焊前准备1.接头形式及坡口制备 接头形式和坡口的几何形状、尺寸、制备方法，会直接影响到合金结构钢接头的质量和生产成本。在设计坡口时，首先应避免采用易产生未焊透的坡口形式，因为焊缝根部缺口往往是各种裂纹的起源区。其次是尽量减少焊缝的横截面积，以降低接头的残余应力，同时也可以减少焊接材料的消耗量，提高生产效率。表9
10、-716Mn钢埋弧焊接头形式与焊缝性能的关系(采用焊剂HJ431)第三节合金结构钢的焊接工艺2.焊接区的清理 合金结构钢接头焊接区的清理是建立低氢环境的主要环节之一，钢材的淬硬倾向越大，对焊接区清理的要求亦越高。焊缝边缘和坡口表面不应有氧化皮、锈斑、油脂及其它污染物。焊前还必须清除焊接区钢板表面的吸附水分，特别是在相对湿度较高的环境下焊接时，更应注意这一点。第三节合金结构钢的焊接工艺3.焊接材料的焊前处理 在合金结构钢的焊接过程中，为防止产生焊接冷裂纹，保证接头的性能，通常选用低氢型碱性焊条。但碱性焊条、熔炼型焊剂和烧结型焊剂，均容易吸潮，所以焊条和焊剂在使用之前，应按技术条件的规定或生产厂推
11、荐的规范进行烘干。对于强度级别高的焊条应使用焊条保温筒，随用随取。表9 8列出了常用低合金钢焊条和焊剂的典型烘干规范，可供参考。表9-8常用低合金钢焊条和焊剂的烘干温度第三节合金结构钢的焊接工艺四、焊接参数的选择 焊接参数包括能量参数、温度参数和操作参数三部分。能量参数是指焊接电流、电弧电压和焊接速度。温度参数则包括预热温度、层间温度和后热温度。操作参数主要由焊接位置、焊接顺序、焊接方向和焊道层次等参数组成。正确地选择焊接参数可使焊缝金属和热影响区的性能达到最佳化。表9-9几种热轧及正火钢的预热温度和焊后热处理规范第三节合金结构钢的焊接工艺五、焊后热处理 合金结构钢接头在焊完一部分，或在整个焊
12、接结构的所有接头焊完后，为保证其力学性能，要按技术要求作焊后热处理。一般情况下焊后热处理的形式有下列几种：1.消除应力退火处理 焊后是否需要热处理，要根据钢板的化学成分、板厚、结构刚性、焊接方法及使用条件等因素进行考虑。对于冷裂及倾向较大的低合金高强钢、厚壁高压容器等，要求焊后应作消除应力的热处理。消除应力热处理是指将焊件均匀地以一定的速度加热到Ac3点以下足够高的温度，保温一段时间后随炉均匀地冷却到300，最后将焊件移到炉外空冷。第三节合金结构钢的焊接工艺1)母材屈服强度490MPa，为防止延迟裂纹，焊后进行退火处理。2)对厚壁压力容器，为防止三向应力场所造成的脆性破坏，焊后应进行退火处理。
13、3)对可能发生应力腐蚀开裂或要求尺寸稳定的产品，焊后进行退火处理。低碳调质钢一般不必进行退火处理，只有属下列情况之一者，才需要进行退火处理：1)钢材在焊后或冷变形加工后，韧性达不到要求。2)结构要求尺寸保持稳定。3)钢材对应力腐蚀敏感。第三节合金结构钢的焊接工艺2.正火+回火热处理 合金结构钢厚板，在电渣焊之后，或者热校、热成形之后，需作正火热处理，以细化电渣焊接头的晶粒，调整高温热成形的母材和焊缝金属的性能。钢材的正火温度应选在该钢种的Ac3点以上30，正火处理的保温时间通常按12min/mm计算，保温结束后将焊件放在平静的空气中冷却。3.淬火+回火热处理 当钢材的屈服强度达到或超过500M
14、Pa时，在正火状态下钢材的韧性会出现不稳定，采用淬火+回火热处理方法，可以提高钢材的强度，同时改善韧性。第三节合金结构钢的焊接工艺六、焊后检验 合金结构钢焊接接头的焊后检验比普通碳钢接头要严格。常用的无损检测法有射线检测、超声检测、渗透检测和磁粉检测等。在低合金结构钢接头焊后检验时，应考虑这种钢的焊接特点，制定合理的检查规程。对于具有延迟裂纹倾向的焊接接头，应规定在焊接工作全部结束后经过48h后再进行焊缝的无损检测。对消除应力裂纹敏感的低合金结构钢接头进行检查时，规定在焊后、消除应力处理后分别对接头作无损检测。由于表面裂纹对结构的安全构成极大的威胁，故在低合金结构钢焊缝及热影响区表面都应作表面
15、磁粉检测。低合金结构钢接头的强度越高，裂纹敏感性越大，无损检测包括磁粉检测的检查几率也应相应提高。第四节典型合金结构钢的焊接工艺一、Q345(16Mn)钢的焊接工艺 Q345(16Mn)钢是典型的热轧钢，板厚t30mm的焊件，焊前一般不必预热。但Q345钢的淬硬倾向比低碳钢稍大，所以在低温下，或在大刚度、大厚度结构上焊接时，为防止出现冷裂纹，仍需采取预热措施1.焊前准备 钢板可采用氧乙炔焰切割、等离子弧切割下料。板厚t90mm时，切割切缘不必预热；t90mm时，钢板切割起点处应预热至100。采用碳弧气刨制备坡口时，t30mm的钢板，气刨前应预热至100。2.焊条电弧焊工艺 可采用V形或U形坡口
16、。3.埋弧焊工艺 可采用I形、V形和U形坡口。第四节典型合金结构钢的焊接工艺二、13MnNiMoNb钢厚板的焊接工艺 13MnNiMoNb钢是典型的低碳调质钢，是以Mn、Mo、Nb为主要的合金元素，屈服强度392MPa，是中温厚壁压力容器用钢。该钢具有较好的综合力学性能，可在以下的各种温度下工作。1.焊前准备 用火焰切割厚度为80mm的钢板时，在切割前应将切割起点周围100mm处预热至以上。不作机械加工的切割边缘，焊前应作表面磁粉探伤。采用碳弧气刨清根或制备坡口。气刨时应将焊件预热至150。气刨后钢板表面应采用砂轮打磨清理。第四节典型合金结构钢的焊接工艺2.焊条电弧焊工艺坡口选择：可采用V形或U形坡口。3.埋弧焊工艺坡口选择：可采用I形、V形和U形坡口。
