1、 3.4 中碳调质钢的焊接中碳调质钢的焊接n中碳调质钢中的碳和其他合金元素含量较高，中碳调质钢中的碳和其他合金元素含量较高，通过调质处理（淬火通过调质处理（淬火+回火）可获得较高的强回火）可获得较高的强度性能。度性能。n中碳调质钢合金元素的加入主要是起保证淬透中碳调质钢合金元素的加入主要是起保证淬透性和提高抗回火性能的作用，而其强度性能主性和提高抗回火性能的作用，而其强度性能主要还是取决于含碳量。要还是取决于含碳量。n随着碳含量的提高，钢的焊接性明显变差，焊随着碳含量的提高，钢的焊接性明显变差，焊接难度增大。接难度增大。3.4.1 中碳调质钢的成分和性能中碳调质钢的成分和性能n屈服强度达屈服强
2、度达8801176MPa以上，含碳量较高以上，含碳量较高（0.25%0.5%），加入），加入Mn、Si、Cr、Ni、B及及Mo、W、V、Ti等，以保证钢的淬透性，消除回火脆等，以保证钢的淬透性，消除回火脆性，通过调质处理获得综合性能较好的高强钢。性，通过调质处理获得综合性能较好的高强钢。n中碳调质钢的主要特点中碳调质钢的主要特点:高的比强度和高硬度（例如可用作火箭外壳和装甲钢高的比强度和高硬度（例如可用作火箭外壳和装甲钢等），中碳调质钢的淬硬性比低碳调质钢高很多，热等），中碳调质钢的淬硬性比低碳调质钢高很多，热处理后达到很高的强度和硬度，但韧性相对较低，给处理后达到很高的强度和硬度，但韧性相对
3、较低，给焊接带来了很大的困难。焊接带来了很大的困难。典型钢种典型钢种nCr-Mn-Si系系 30CrMnSiA 前苏联王牌钢，不含贵重的前苏联王牌钢，不含贵重的Ni元素，在我国元素，在我国 得到广泛的应用。得到广泛的应用。C 0.25-0.45%,Cr、Mo均均0.8-1.1%,Si 0.9-1.2%880油淬，油淬，530回火，组织是回火索氏体回火，组织是回火索氏体 b1100MPa，低温回火，低温回火b1600MPa 主要用于坦克、装甲车外壳、飞机起落架、汽车主轴等主要用于坦克、装甲车外壳、飞机起落架、汽车主轴等 30CrMnSiNi2A 加加Ni，提高淬透性、强度，焊接性差，提高淬透性、
4、强度，焊接性差 40CrMnSiMoVA 加加Mo、V，提高强度，但焊接性差，提高强度，但焊接性差 nCr-Ni-Mo系系 美国美国4340（相当于（相当于40CrNi2Mo）s 1330MPa 综合性能良好，强度高、韧性好、高负荷、抗冲击。综合性能良好，强度高、韧性好、高负荷、抗冲击。主要用于坦克、飞机、火箭外壳、航天主要用于坦克、飞机、火箭外壳、航天 40CrNiMoA、34CrNi3MoA 由于加入由于加入3%Ni和和Mo，提高了淬透性和抗回火软化的，提高了淬透性和抗回火软化的能力，对改善钢的韧性有好处，具有良好的综合性能，能力，对改善钢的韧性有好处，具有良好的综合性能，如强度高、韧性好
5、等。主要用于高负荷、大截面的轴类如强度高、韧性好等。主要用于高负荷、大截面的轴类以及承受冲击载荷的构件，如汽轮机、喷气涡轮机轴以以及承受冲击载荷的构件，如汽轮机、喷气涡轮机轴以及飞机起落架和火箭发动机外壳等。及飞机起落架和火箭发动机外壳等。nCr-Mo系系 美国美国H-11，超高强钢，极高的强度且有较高的耐热性，超高强钢，极高的强度且有较高的耐热性 成分相当于成分相当于35Cr5MoSiV 真空冶炼，真空冶炼，1000空淬，空淬，500回火，回火，s 2000MPa S、P0.01%，强化相，强化相Mo2C、V4C3，弥散分布，弥散分布 主要用于：超音速喷气式飞机主要用于：超音速喷气式飞机 4
6、0Cr 一种广泛应用的含一种广泛应用的含Cr中碳调质钢中碳调质钢 （b 1000MPa，AKV47J）n40Cr钢具有良好的综合力学性能、较高的淬透性和较高的疲劳强钢具有良好的综合力学性能、较高的淬透性和较高的疲劳强度，用于制造较重要的在交变载荷下工作的机器零件，如用于制度，用于制造较重要的在交变载荷下工作的机器零件，如用于制造齿轮、轴类等。造齿轮、轴类等。n钢中加入钢中加入Cr1.5%时能有效的提高钢的淬透性，继续增加时能有效的提高钢的淬透性，继续增加Cr含含量无实际意义。量无实际意义。Cr约约1%时对钢的塑性、韧性略有提高，超过时对钢的塑性、韧性略有提高，超过2%时对塑性影响不大，但略使冲
7、击韧性下降。时对塑性影响不大，但略使冲击韧性下降。nCr能增加低温或高温的回火稳定性，但能增加低温或高温的回火稳定性，但40Cr钢有回火脆性。钢有回火脆性。3.4.2 中碳调质钢的焊接性分析中碳调质钢的焊接性分析 1.焊缝中的热裂纹焊缝中的热裂纹 2.淬硬性和冷裂纹淬硬性和冷裂纹 3.热影响区的脆化和软化热影响区的脆化和软化 1焊缝中的热裂纹焊缝中的热裂纹 （1）产生原因）产生原因：(C高、合金元素总量高、成分偏析高、合金元素总量高、成分偏析)n中碳调质钢含碳量及合金元素总量较高，焊缝凝固结中碳调质钢含碳量及合金元素总量较高，焊缝凝固结晶时，固晶时，固-液相液相温度区间大，结晶偏析倾向严重，焊
8、接温度区间大，结晶偏析倾向严重，焊接时易产生结晶裂纹，具有较大的热裂纹敏感性。时易产生结晶裂纹，具有较大的热裂纹敏感性。n例如例如30CrMnSi由于由于C、Si含量较高，热裂倾向较大。含量较高，热裂倾向较大。为了防止产生热裂纹，要求采用低碳低硅焊丝（焊丝为了防止产生热裂纹，要求采用低碳低硅焊丝（焊丝中中C0.15%，最高不超过，最高不超过0.25%），严格限制母材），严格限制母材及焊丝中的及焊丝中的S、P含量（含量（S+P0.03%0.035%）。）。n对于重要产品的钢材和焊丝，要求采用真空熔炼或电对于重要产品的钢材和焊丝，要求采用真空熔炼或电渣精炼，将渣精炼，将S、P总量限制在总量限制在0
9、.025%以下。以下。（2）防止热裂纹的措施）防止热裂纹的措施n焊接中碳调质钢时，应考虑到可能出现热裂纹问题焊接中碳调质钢时，应考虑到可能出现热裂纹问题，尽，尽可能选用低碳、低可能选用低碳、低Si以及含以及含S、P杂质少的焊材。杂质少的焊材。n采用碱性焊条。采用碱性焊条。n在焊接工艺上应注意填满弧坑和保证良好的焊缝成形。在焊接工艺上应注意填满弧坑和保证良好的焊缝成形。因为热裂纹容易出现在未填满的弧坑处，特别是多层焊因为热裂纹容易出现在未填满的弧坑处，特别是多层焊时第一层焊道的弧坑中以及焊缝的凹陷部位。时第一层焊道的弧坑中以及焊缝的凹陷部位。n控制焊接热输入。控制焊接热输入。2淬硬性和冷裂纹淬硬
10、性和冷裂纹n中碳调质钢的淬硬倾向十分明显，中碳调质钢的淬硬倾向十分明显，HAZ容易出现硬脆容易出现硬脆的马氏体组织，增大了焊接接头区的冷裂纹倾向。的马氏体组织，增大了焊接接头区的冷裂纹倾向。n母材母材C含量越高，淬硬性越大，焊接冷裂纹倾向越大。含量越高，淬硬性越大，焊接冷裂纹倾向越大。n中碳调质钢对冷裂纹的敏感性之所以比低碳调质钢大，中碳调质钢对冷裂纹的敏感性之所以比低碳调质钢大，除了淬硬倾向大外，还由于除了淬硬倾向大外，还由于Ms点较低，在低温下形成点较低，在低温下形成的马氏体难以产生的马氏体难以产生“自回火自回火”效应。效应。n由于马氏体中的碳含量较高，有很大的过饱和度，点由于马氏体中的碳
11、含量较高，有很大的过饱和度，点阵畸变更严重，因而硬度和脆性更大，冷裂纹敏感性阵畸变更严重，因而硬度和脆性更大，冷裂纹敏感性也更突出。也更突出。（1）冷裂原因分析）冷裂原因分析n屈服强度屈服强度590980MPa的中碳调质钢的的中碳调质钢的Ceq一般超过一般超过0.5%，多数超过，多数超过0.6%，属于高淬硬倾向的钢。，属于高淬硬倾向的钢。n从从Ceq看，中碳调质钢与低碳调质钢的差别不显著，看，中碳调质钢与低碳调质钢的差别不显著，但二者的焊接性却差别很大。但二者的焊接性却差别很大。n中碳调质钢的冷裂倾向比低碳调质钢更严重，原因主中碳调质钢的冷裂倾向比低碳调质钢更严重，原因主要在马氏体的类型和性能
12、上。要在马氏体的类型和性能上。n低碳马氏体有低碳马氏体有“自回火自回火”作用，冷裂纹倾向小。分析作用，冷裂纹倾向小。分析各种钢的冷裂敏感性时，不仅要看焊接区的马氏体形各种钢的冷裂敏感性时，不仅要看焊接区的马氏体形成的倾向，还必须考虑到马氏体的类型和性能。成的倾向，还必须考虑到马氏体的类型和性能。（2）防止冷裂纹的措施）防止冷裂纹的措施n焊接中碳调质钢时，应尽量降低焊接接头的含氢量，焊接中碳调质钢时，应尽量降低焊接接头的含氢量，除采取焊前预热措施外，焊后须及时进行回火处理。除采取焊前预热措施外，焊后须及时进行回火处理。n中碳调质超高强钢具有应力腐蚀开裂敏感性。应力腐中碳调质超高强钢具有应力腐蚀开
13、裂敏感性。应力腐蚀开裂常发生在水或高湿度空气等弱腐蚀性介质中。蚀开裂常发生在水或高湿度空气等弱腐蚀性介质中。n为了降低焊接接头的应力腐蚀开裂倾向，应采用热量为了降低焊接接头的应力腐蚀开裂倾向，应采用热量集中的焊接方法和较小的焊接热输入，避免焊件表面集中的焊接方法和较小的焊接热输入，避免焊件表面的焊接缺陷和划伤。的焊接缺陷和划伤。3热影响区的脆化和软化热影响区的脆化和软化 (1)热影响区脆化热影响区脆化 n中碳调质钢由于碳含量较高（中碳调质钢由于碳含量较高（C=0.25%0.45%），合），合金元素较多，有相当大的淬硬倾向。金元素较多，有相当大的淬硬倾向。n马氏体起始转变温度马氏体起始转变温度M
14、s一般低于一般低于400，无，无“自回火自回火”过程。过程。n在焊接在焊接HAZ易产生大量脆硬的马氏体组织（尤其是高易产生大量脆硬的马氏体组织（尤其是高碳、粗大的马氏体），导致热影响区脆化。碳、粗大的马氏体），导致热影响区脆化。n生成的高碳马氏体越多，脆化越严重。生成的高碳马氏体越多，脆化越严重。n马氏体的硬度马氏体的硬度500HV，这样高硬度的马氏体组织必，这样高硬度的马氏体组织必然导致较低的韧性。然导致较低的韧性。防止防止HAZ脆化的措施脆化的措施n从减小淬硬出发，应采用大热输入才有利，但由于这从减小淬硬出发，应采用大热输入才有利，但由于这种钢的淬硬性强，仅通过增大热输入难以避免马氏体种钢
15、的淬硬性强，仅通过增大热输入难以避免马氏体的形成，相反却增大了奥氏体过热，促使形成粗大的的形成，相反却增大了奥氏体过热，促使形成粗大的马氏体，反而使马氏体，反而使HAZ过热区的脆化更为严重。过热区的脆化更为严重。n防止防止HAZ脆化的工艺措施主要是采用小热输入，同时脆化的工艺措施主要是采用小热输入，同时采取预热、缓冷、后热等措施。采取预热、缓冷、后热等措施。n因为采用小热输入减少了高温停留时间，避免奥氏体因为采用小热输入减少了高温停留时间，避免奥氏体晶粒的过热，同时采取预热和缓冷等措施来降低冷却晶粒的过热，同时采取预热和缓冷等措施来降低冷却速度，这对改善速度，这对改善HAZ性能也是有利的。性能
16、也是有利的。(2)热影响区软化热影响区软化 n焊前为调质状态的钢材，被加热到该钢调质处理的回焊前为调质状态的钢材，被加热到该钢调质处理的回火温度以上时，焊接火温度以上时，焊接HAZ将出现强度、硬度低于母材将出现强度、硬度低于母材的软化区。的软化区。n如果焊后不再进行调质处理，该软化区可能成为接头如果焊后不再进行调质处理，该软化区可能成为接头区的薄弱区。中碳调质钢的强度级别越高时，软化问区的薄弱区。中碳调质钢的强度级别越高时，软化问题越突出。因此，在调质状态下焊接时应考虑题越突出。因此，在调质状态下焊接时应考虑HAZ软软化问题。化问题。n母材焊前所处的热处理状态不同，软化区的温度范围母材焊前所处
17、的热处理状态不同，软化区的温度范围和软化程度有很大差别。低温回火的钢材，和软化程度有很大差别。低温回火的钢材，HAZ软化软化区的温度范围越大，软化程度也越大。区的温度范围越大，软化程度也越大。n从韧性方面出发，过热区是接头中最薄弱的环节；而从韧性方面出发，过热区是接头中最薄弱的环节；而从强度方面考虑，软化区是接头中最薄弱的环节。从强度方面考虑，软化区是接头中最薄弱的环节。(a)焊条电弧焊焊条电弧焊 (b)气焊气焊 图图3-32 调质状态的调质状态的30CrMnSi钢焊接接头的强度分布钢焊接接头的强度分布 其中在其中在AC1附近失强最大附近失强最大 n中碳调质钢中碳调质钢HAZ软化最明显的部位，
18、是温度处于软化最明显的部位，是温度处于Ac1Ac3之间的区段，这与该区段的不完全淬火过之间的区段，这与该区段的不完全淬火过程有密切关系。程有密切关系。n因为不完全淬火区的奥氏体成分远未达到平衡浓度，因为不完全淬火区的奥氏体成分远未达到平衡浓度，铁素体和碳化物均未充分溶解，冷却时奥氏体易发铁素体和碳化物均未充分溶解，冷却时奥氏体易发生分解，造成这个区段的强度和硬度都较低。生分解，造成这个区段的强度和硬度都较低。3.4.3 中碳调质钢的焊接工艺特点中碳调质钢的焊接工艺特点n中碳调质钢的淬透性很大，因此焊接性较差，焊后的中碳调质钢的淬透性很大，因此焊接性较差，焊后的淬火组织是硬脆的高碳马氏体，不仅冷
19、裂纹敏感性大，淬火组织是硬脆的高碳马氏体，不仅冷裂纹敏感性大，而且焊后若不经热处理时，而且焊后若不经热处理时，HAZ性能达不到原来基体性能达不到原来基体金属的性能。金属的性能。n中碳调质钢焊前母材所处的状态非常重要，它决定了中碳调质钢焊前母材所处的状态非常重要，它决定了焊接时出现的问题性质和采取的工艺措施，而且对焊焊接时出现的问题性质和采取的工艺措施，而且对焊接工艺的要求和工艺参数的控制非常严格。接工艺的要求和工艺参数的控制非常严格。1.退火或正火状态下焊接退火或正火状态下焊接 工艺特点工艺特点n中碳调质钢最好在退火（或正火）状态下焊接，焊后中碳调质钢最好在退火（或正火）状态下焊接，焊后通过整
20、体调质处理获得满足性能要求的焊接接头通过整体调质处理获得满足性能要求的焊接接头，这，这是焊接中碳调质钢的一种比较合理的工艺方案。是焊接中碳调质钢的一种比较合理的工艺方案。n这时焊接中所要解决的主要是裂纹问题，这时焊接中所要解决的主要是裂纹问题，HAZ和焊缝和焊缝的性能通过焊后的调质处理来保证。的性能通过焊后的调质处理来保证。焊接方法焊接方法n这种情况下对选择焊接方法几乎没有限制，常用的一这种情况下对选择焊接方法几乎没有限制，常用的一些焊接方法：些焊接方法：SMAW、SAW、TIG/MIG、PAW都能都能采用。采用。在焊后调质的情况下，焊接参数的确定主要是保证在调在焊后调质的情况下，焊接参数的确
21、定主要是保证在调质处理前不出现裂纹，接头性能由焊后热处理来保证。质处理前不出现裂纹，接头性能由焊后热处理来保证。焊材选用焊材选用n1）除要求保证不产生冷、热裂纹外，还有一些特殊要求，即）除要求保证不产生冷、热裂纹外，还有一些特殊要求，即要求焊要求焊缝金属与母材在同一热处理工艺下调质处理，能获得相同性能的焊缝金属与母材在同一热处理工艺下调质处理，能获得相同性能的焊接接头。接接头。n2）焊缝金属的主要合金组成应与母材相似，对能引起焊缝热裂倾向）焊缝金属的主要合金组成应与母材相似，对能引起焊缝热裂倾向和促使金属脆化的元素（如和促使金属脆化的元素（如C、Si、S、P等）应加以严格控制。等）应加以严格控
22、制。预热和焊后处理预热和焊后处理n1）可采用很高的预热温度（）可采用很高的预热温度（200350）和层间温度。局部预热）和层间温度。局部预热时，预热温度范围离焊缝两侧应不小于时，预热温度范围离焊缝两侧应不小于100mm，焊后若不能及时调，焊后若不能及时调质处理应进行质处理应进行680回火处理。回火处理。n2）很多情况下焊后来不及立即进行调质处理，为了保证焊接接头冷）很多情况下焊后来不及立即进行调质处理，为了保证焊接接头冷却到室温后在调质处理前不产生延迟裂纹，须在焊后及时进行一次却到室温后在调质处理前不产生延迟裂纹，须在焊后及时进行一次中间热处理。一般是在焊后中间热处理。一般是在焊后预热温度下保
23、持一段时间，目的一是起预热温度下保持一段时间，目的一是起扩散除氢的作用；二是使组织转变为对冷裂纹敏感性低的组织。扩散除氢的作用；二是使组织转变为对冷裂纹敏感性低的组织。n3）当焊后处理温度高时，还有消除应力的作用。）当焊后处理温度高时，还有消除应力的作用。n产品结构复杂和有许多条焊缝时，焊完一定数量的焊缝产品结构复杂和有许多条焊缝时，焊完一定数量的焊缝后应及时进行中间回火处理，这样能避免等到最后处理后应及时进行中间回火处理，这样能避免等到最后处理时，先焊接部位已出现延迟裂纹的问题。中间回火的次时，先焊接部位已出现延迟裂纹的问题。中间回火的次数，要根据焊缝的多少和产品结构的复杂程度来决定。数，要
24、根据焊缝的多少和产品结构的复杂程度来决定。焊接实例焊接实例n1）在退火状态下焊接厚度）在退火状态下焊接厚度30mm的的30CrMnSiA时，为了时，为了防止冷裂纹应将工件预热到防止冷裂纹应将工件预热到250350，并在整个焊，并在整个焊接过程中保持该温度。接过程中保持该温度。n2）对于淬硬倾向更大的）对于淬硬倾向更大的30CrMnSiNi2A，为了防止冷裂为了防止冷裂纹的产生，焊后须立即（焊缝处的金属不能冷到低于纹的产生，焊后须立即（焊缝处的金属不能冷到低于250）将工件入炉加热到（）将工件入炉加热到（65010）或或680回回火，然后进行调质处理。火，然后进行调质处理。2.调质状态下焊接调质
25、状态下焊接 工艺特点工艺特点n如果必须在调质状态下焊接，而且焊后不能再进行调如果必须在调质状态下焊接，而且焊后不能再进行调质处理的焊接结构件，这时的主要问题是防止焊接裂质处理的焊接结构件，这时的主要问题是防止焊接裂纹和避免纹和避免HAZ软化。软化。n除了裂纹外，除了裂纹外，HAZ主要问题是：高碳主要问题是：高碳M引起的硬化和引起的硬化和脆化，以及高温回火区软化引起的强度降低。脆化，以及高温回火区软化引起的强度降低。n高碳高碳M引起的硬化和脆化可以通过焊后回火处理来解引起的硬化和脆化可以通过焊后回火处理来解决。但高温回火区软化引起的强度下降，在焊后不能决。但高温回火区软化引起的强度下降，在焊后不
26、能调质处理的情况下是无法弥补的。调质处理的情况下是无法弥补的。n由于焊后不再进行调质处理，焊缝金属成分可与母材由于焊后不再进行调质处理，焊缝金属成分可与母材有差别。为了防止焊接冷裂纹，也可以选用塑韧性好有差别。为了防止焊接冷裂纹，也可以选用塑韧性好的奥氏体焊条。的奥氏体焊条。对于必须在调质状态下焊接，且焊后不能再进行调质处理的焊对于必须在调质状态下焊接，且焊后不能再进行调质处理的焊接结构，这时接结构，这时HAZ性能下降是很难解决的。因此应采用尽可能性能下降是很难解决的。因此应采用尽可能小的焊接热输入。小的焊接热输入。n为了消除为了消除HAZ淬硬组织和防止延迟裂纹的产生，必须淬硬组织和防止延迟裂
27、纹的产生，必须适当采用预热、层间温度控制、中间热处理，并应焊适当采用预热、层间温度控制、中间热处理，并应焊后及时进行回火处理。上述工艺过程的温度控制应比后及时进行回火处理。上述工艺过程的温度控制应比母材淬火后的回火温度至少低母材淬火后的回火温度至少低50。焊接方法焊接方法n为了减少为了减少HAZ软化，从焊接方法考虑，应该是采用热量越集中、软化，从焊接方法考虑，应该是采用热量越集中、能量密度越大的方法越有利，而且焊接热输入越小越好。能量密度越大的方法越有利，而且焊接热输入越小越好。n气焊在这种情况下是最不合适的，气体保护焊比较好，特别是气焊在这种情况下是最不合适的，气体保护焊比较好，特别是TIG
28、，它的热量容易控制，焊接质量容易保证。，它的热量容易控制，焊接质量容易保证。PC-TIG、PAW、EBW用于这类钢的焊接是很有前途的。用于这类钢的焊接是很有前途的。n从经济性和方便性考虑，焊接这类钢时从经济性和方便性考虑，焊接这类钢时SMAW用得最为普遍。用得最为普遍。由于焊后不再进行调质处理，选择焊接材料时不必考由于焊后不再进行调质处理，选择焊接材料时不必考虑成分和热处理规范与母材相匹配的问题。虑成分和热处理规范与母材相匹配的问题。焊材选用焊材选用n从防止焊接冷裂纹的要求出发，可以采用塑韧性好的从防止焊接冷裂纹的要求出发，可以采用塑韧性好的奥氏体焊条或镍基焊条。这时在工艺上应注意到异种奥氏体
29、焊条或镍基焊条。这时在工艺上应注意到异种钢焊接时的一些特点。例如在调质状态下焊接钢焊接时的一些特点。例如在调质状态下焊接30CrMnSiA和和30CrMnSiNi2A时采用奥氏体焊条，焊时采用奥氏体焊条，焊后采用后采用2502h或更长时间的低温回火处理。或更长时间的低温回火处理。n焊接焊接30CrMnSiNi2A淬硬倾向很大的钢材时，除了焊淬硬倾向很大的钢材时，除了焊后低温回火外，还要采取一定的预热措施，预热温度后低温回火外，还要采取一定的预热措施，预热温度应低于母材淬火后的回火温度，一般采用的预热和层应低于母材淬火后的回火温度，一般采用的预热和层间温度为间温度为200250。3.焊接方法及焊
30、接材料焊接方法及焊接材料 （中碳调质钢）（中碳调质钢）（1）焊接方法）焊接方法nSMAW、TIG、MIG/MAG、SAW。n热量集中的热量集中的PC-TIG、PAW、EBW等方法，有利于减等方法，有利于减小焊接小焊接HAZ，获得细晶组织，提高焊接接头力学性能。，获得细晶组织，提高焊接接头力学性能。n薄板焊接多采用薄板焊接多采用MIG/MAG、TIG和微束和微束PAW等。等。凸轮轴电子束焊凸轮轴电子束焊（2）焊接材料：）焊接材料：根据焊缝受力条件、性能要求及焊后热处理情况选根据焊缝受力条件、性能要求及焊后热处理情况选 择。采用低碳合金系，降低焊缝的择。采用低碳合金系，降低焊缝的S、P含量，提高焊
31、缝金属的抗裂含量，提高焊缝金属的抗裂 性。焊后需要热处理的构件，焊缝金属的化学成分应与母材相近。性。焊后需要热处理的构件，焊缝金属的化学成分应与母材相近。表表3-28 中碳调质钢焊接材料的选用中碳调质钢焊接材料的选用（3）焊接参数）焊接参数 应采用尽可能小的焊接热输入，这样可以降低应采用尽可能小的焊接热输入，这样可以降低HAZ 淬火区的脆化，同时采用预热、后热等措施，提高抗冷裂性能，改淬火区的脆化，同时采用预热、后热等措施，提高抗冷裂性能，改 善淬火区的组织性能，采用小热输入还有利于减小软化区，降低软善淬火区的组织性能，采用小热输入还有利于减小软化区，降低软 化程度。化程度。表表3-27 中碳
32、调质钢的焊接参数举例中碳调质钢的焊接参数举例 在确定中碳调质钢焊接参数时，主要应从防止冷裂纹和避免在确定中碳调质钢焊接参数时，主要应从防止冷裂纹和避免HAZ软化软化出发。采用较高的预热温度出发。采用较高的预热温度200350和层间温度、焊后立即进行热处和层间温度、焊后立即进行热处理等，以达到防止裂纹的目的。理等，以达到防止裂纹的目的。4.预热及焊后热处理预热及焊后热处理n预热和焊后热处理是中碳调质钢的重要工艺措施，是否预预热和焊后热处理是中碳调质钢的重要工艺措施，是否预热以及预热温度的高低根据焊件结构和生产条件而定热以及预热温度的高低根据焊件结构和生产条件而定。n除了拘束度小，构造简单的薄壁壳
33、体或焊件不用预热外，除了拘束度小，构造简单的薄壁壳体或焊件不用预热外，中碳调质钢焊接时一般要采取预热或及时后热的措施，预中碳调质钢焊接时一般要采取预热或及时后热的措施，预热温度一般为热温度一般为200350。表表3-29 常用中碳调质钢焊接的预热温度常用中碳调质钢焊接的预热温度 n如果焊接结构件焊后不能及时进行调质处理，须及时进如果焊接结构件焊后不能及时进行调质处理，须及时进行中间热处理，即在行中间热处理，即在预热温度下保温一定时间的热处预热温度下保温一定时间的热处理，如低温回火或理，如低温回火或650680高温回火。高温回火。n若焊件焊前为调质状态时，预热温度、层间温度及热处若焊件焊前为调质
34、状态时，预热温度、层间温度及热处理温度应比母材淬火后的回火温度低理温度应比母材淬火后的回火温度低50。进行局部预。进行局部预热时，应在焊缝两侧热时，应在焊缝两侧100mm内均匀加热。内均匀加热。表表3-30 常见中碳调质钢的焊后热处理常见中碳调质钢的焊后热处理 中碳调质钢的焊接应用中碳调质钢的焊接应用n主要用于汽车（拖拉机、机车）主轴、曲轴，坦克、主要用于汽车（拖拉机、机车）主轴、曲轴，坦克、装甲车外壳、飞机起落架、机床主轴、齿轮、汽轮机、装甲车外壳、飞机起落架、机床主轴、齿轮、汽轮机、喷气涡轮机轴、火箭外壳、航空航天等，承受喷气涡轮机轴、火箭外壳、航空航天等，承受 高负荷、冲击载荷的结构件。
35、高负荷、冲击载荷的结构件。火车连接环火车连接环车桥轴车桥轴EBW 3.5 珠光体耐热钢的焊接珠光体耐热钢的焊接n珠光体耐热钢以珠光体耐热钢以Cr-Mo以及以及Cr-Mo基多元合金钢为主，基多元合金钢为主，加入合金元素加入合金元素Cr、Mo、V，有时还加入少量，有时还加入少量W、Ti、Nb、B等，合金元素总的质量分数小于等，合金元素总的质量分数小于10%。n低、中合金珠光体耐热钢具有很好的抗氧化性和热强低、中合金珠光体耐热钢具有很好的抗氧化性和热强性，工作温度可高达性，工作温度可高达600，广泛用于制造蒸汽动力，广泛用于制造蒸汽动力发电设备。发电设备。n这类钢还具有良好的抗硫和氢腐蚀的能力，在石
36、油、这类钢还具有良好的抗硫和氢腐蚀的能力，在石油、化工、电力等工业部门得到了广泛的应用。化工、电力等工业部门得到了广泛的应用。3.5.1 珠光体耐热钢的成分及性能珠光体耐热钢的成分及性能n珠光体耐热钢的珠光体耐热钢的Cr含量含量0.5%9%，Mo含量一般为含量一般为0.5%或或1%。n随着随着Cr、Mo含量增加，钢的抗氧化性、高温强度和抗含量增加，钢的抗氧化性、高温强度和抗硫化物腐蚀性能也都增加。在硫化物腐蚀性能也都增加。在Cr-Mo钢中加入少量的钢中加入少量的V、W、Nb、Ti等元素，可进一步提高钢的热强性。等元素，可进一步提高钢的热强性。n珠光体耐热钢的合金系基本上是：珠光体耐热钢的合金系
37、基本上是：Cr-Mo、Cr-Mo-V、Cr-Mo-W-V、Cr-Mo-W-V-B、Cr-Mo-V-Ti-B等。等。组织性能特点组织性能特点n珠光体耐热钢的室温强度不太高，通常是在退火状态或正火珠光体耐热钢的室温强度不太高，通常是在退火状态或正火+回回火状态供货，在正火火状态供货，在正火+回火或淬火回火或淬火+回火状态下使用。回火状态下使用。n合金元素总量合金元素总量3%时，时，为为B+F（即贝氏体耐热钢）。（即贝氏体耐热钢）。n这类钢在这类钢在500600具有良好的耐热性，工艺性能好，又比较具有良好的耐热性，工艺性能好，又比较经济，是电力、石油、化工部门用于高温条件的主要结构材料，经济，是电力
38、、石油、化工部门用于高温条件的主要结构材料，如用于加氢、裂解氢和煤液化的高压容器等。如用于加氢、裂解氢和煤液化的高压容器等。n但这类钢在高温长期运行中会出现碳化物聚集长大等现象。但这类钢在高温长期运行中会出现碳化物聚集长大等现象。表表3-33 珠光体耐热钢的热处理制度珠光体耐热钢的热处理制度1）厚度不超过）厚度不超过30mm的的Mo钢和钢和Mn-Mo钢可以在热轧状态供货或使用，钢可以在热轧状态供货或使用，其他的耐热钢应以热处理状态供货。其他的耐热钢应以热处理状态供货。2）热）热处理的目的是使钢材获得处理的目的是使钢材获得所要求所要求的组织、晶粒尺寸和力学性能。的组织、晶粒尺寸和力学性能。耐热钢
39、的强化途径耐热钢的强化途径n(1)基体固溶强化基体固溶强化 加入合金元素强化加入合金元素强化F基体，常用的基体，常用的Cr、Mo、W、Nb元素能显著提元素能显著提高热强性。其中高热强性。其中Mo、W的固溶强化作用最显著；的固溶强化作用最显著；Cr=1%的强化作用的强化作用已很显著，继续增加已很显著，继续增加Cr的强化效果不显著，但可提高持久强度。的强化效果不显著，但可提高持久强度。n(2)第二相沉淀强化第二相沉淀强化 在在F为基体的耐热钢中，强化相主要是合金碳化物（为基体的耐热钢中，强化相主要是合金碳化物（V4C3或或VC、NbC、TiC等）。沉淀强化作用可维持到等）。沉淀强化作用可维持到0.
40、7Tm（Tm为熔点），固溶为熔点），固溶强化效果在强化效果在0.6Tm以上显著减弱。但碳化物种类、形态及弥散度对热以上显著减弱。但碳化物种类、形态及弥散度对热强性影响很大。其中强性影响很大。其中V4C3、NbC、TiC等最有效；等最有效；Mo2C在温度低于在温度低于520时有沉淀强化作用；时有沉淀强化作用；Cr7C3及及Cr23C6在在540左右已不稳定而易左右已不稳定而易于聚集。于聚集。n(3)晶界强化晶界强化 加入微量元素（加入微量元素（RE、B、Ti+B等）能吸附于晶界，延缓合金元素等）能吸附于晶界，延缓合金元素沿晶界的扩散，从而强化晶界。沿晶界的扩散，从而强化晶界。耐热钢的焊接应用耐热
41、钢的焊接应用n在电站、核动力装置、石化加氢裂化装置、合成化工容在电站、核动力装置、石化加氢裂化装置、合成化工容器及其他高温加工设备中，耐热钢应用普遍。耐热钢焊器及其他高温加工设备中，耐热钢应用普遍。耐热钢焊接对高温高压设备长期工作的可靠性有重要意义。接对高温高压设备长期工作的可靠性有重要意义。n要求抗氧化和高温强度的运行条件下，各种耐热钢的极要求抗氧化和高温强度的运行条件下，各种耐热钢的极限工作温度的限制。限工作温度的限制。图图3-33 各种耐热钢的极限工作温度各种耐热钢的极限工作温度 表表3-34 不同运行条件下耐热钢允许的最高工作温度不同运行条件下耐热钢允许的最高工作温度 图图3-34 高
42、压氢介质中各种高压氢介质中各种Cr-Mo钢的适用温度范围钢的适用温度范围 3.5.2 珠光体耐热钢的焊接性分析珠光体耐热钢的焊接性分析n珠光体耐热钢的焊接性与低碳调质钢相近，焊接中存珠光体耐热钢的焊接性与低碳调质钢相近，焊接中存在的主要问题是冷裂纹、在的主要问题是冷裂纹、HAZ硬化、软化，以及焊硬化、软化，以及焊后热处理或高温长期使用中的再热裂纹（后热处理或高温长期使用中的再热裂纹（SR裂纹）。裂纹）。n焊接材料选择不当，焊缝中还有可能产生热裂纹。焊接材料选择不当，焊缝中还有可能产生热裂纹。1.热影响区硬化及冷裂纹热影响区硬化及冷裂纹n珠光体耐热钢中的珠光体耐热钢中的Cr、Mo显著提高钢的淬硬
43、性，这些合显著提高钢的淬硬性，这些合金元素推迟冷却过程中的组织转变，提高过冷金元素推迟冷却过程中的组织转变，提高过冷A的稳定性。的稳定性。成分一定的耐热钢，最高硬度取决于成分一定的耐热钢，最高硬度取决于A的冷却速度。焊接的冷却速度。焊接热输入小时，热输入小时，HAZ易出现淬硬组织；焊接热输入过大时，易出现淬硬组织；焊接热输入过大时，HAZ晶粒明显粗化。晶粒明显粗化。n淬硬性大的珠光体耐热钢焊接中可能出现冷裂纹，裂纹淬硬性大的珠光体耐热钢焊接中可能出现冷裂纹，裂纹倾向随着倾向随着Cr、Mo含量的提高而增大。含量的提高而增大。n当焊缝中当焊缝中H含量过高、焊接热输入较小时，由于淬硬组含量过高、焊接
44、热输入较小时，由于淬硬组织和织和H的作用，珠光体耐热钢焊接接头中出现冷裂纹。的作用，珠光体耐热钢焊接接头中出现冷裂纹。可采用低氢焊条和控制焊接热输入在合适的范围，加上可采用低氢焊条和控制焊接热输入在合适的范围，加上适当的预热、后热措施，避免产生焊接冷裂纹。适当的预热、后热措施，避免产生焊接冷裂纹。2.消除应力裂纹（消除应力裂纹（SR裂纹）裂纹）nSR裂纹取决于钢中碳化物形成元素（裂纹取决于钢中碳化物形成元素（Mo、V等）含量。等）含量。SR裂纹出现在裂纹出现在HAZ粗晶区，与焊接工艺及应力有关。粗晶区，与焊接工艺及应力有关。一般在一般在500700的敏感温度范围形成，裂纹倾向还取的敏感温度范围
45、形成，裂纹倾向还取决于热处理制度。决于热处理制度。n采用大热输入焊接方法时，如多丝或带极采用大热输入焊接方法时，如多丝或带极SAW，在接，在接头处高拘束应力作用下，焊层间或堆焊层下的过热区易头处高拘束应力作用下，焊层间或堆焊层下的过热区易出现出现SR裂纹。裂纹。nMo增多时，增多时，Cr对对SR裂纹的影响也增大。裂纹的影响也增大。Mo从从0.5%增增至至1.0%时，时，SR裂纹敏感性最大的裂纹敏感性最大的Cr从从1.0%降至降至0.5%。钢中有钢中有0.1%的的V时，即使时，即使Mo=0.5%，SR裂纹倾向也很裂纹倾向也很大。大。防止再热裂纹的措施：防止再热裂纹的措施：n1）采用高温塑性高于母
46、材的焊接材料，限制母材和焊）采用高温塑性高于母材的焊接材料，限制母材和焊材的合金成分，特别是严格限制材的合金成分，特别是严格限制V、Ti、Nb等含量到等含量到最低的程度；最低的程度；n2）将预热温度提高到）将预热温度提高到250以上，层间温度控制在以上，层间温度控制在300左右；左右；n3）采用小热输入的焊接工艺，减小）采用小热输入的焊接工艺，减小HAZ过热区宽度，过热区宽度，细化晶粒；细化晶粒；n4）选择合适的热处理制度、避免在敏感温度区停留较）选择合适的热处理制度、避免在敏感温度区停留较长时间。长时间。3.回火脆性回火脆性 耐热钢及其焊接接头在耐热钢及其焊接接头在350500温度区间长期运
47、行过程中温度区间长期运行过程中 发生脆变的现象发生脆变的现象n产生回火脆性的主要原因：在回火脆化温度范围内长产生回火脆性的主要原因：在回火脆化温度范围内长期加热后，期加热后，P、Sb、Sn等杂质元素在奥氏体晶界偏析等杂质元素在奥氏体晶界偏析而引起的晶界脆化；而引起的晶界脆化；n与促进回火脆化的元素与促进回火脆化的元素Mn、Si也有关。也有关。n对于基体金属来说，严格控制有害杂质元素的含量，对于基体金属来说，严格控制有害杂质元素的含量，有回火脆性的焊缝金属须严格控制有回火脆性的焊缝金属须严格控制P、Sb、Sn含量，含量，降低降低Si、Mn含量，是解决回火脆性的有效措施。含量，是解决回火脆性的有效
48、措施。nSi和和P在晶界上形成在晶界上形成Si-P复合物，促使晶界脆化，因此复合物，促使晶界脆化，因此控制控制P0.015%，焊缝，焊缝中中Si3%时，焊缝时，焊缝背面应通氩气保护，以改善成形，防止焊缝表面氧化。背面应通氩气保护，以改善成形，防止焊缝表面氧化。nTIG有超低氢特点，焊接时可降低预热温度。这种焊接方法的缺点是有超低氢特点，焊接时可降低预热温度。这种焊接方法的缺点是焊接效率低，生产中多采用焊接效率低，生产中多采用TIG焊根部焊道，填充层采用其他高效率焊根部焊道，填充层采用其他高效率的焊接方法，以提高生产率。的焊接方法，以提高生产率。n耐热钢管件和棒材可采用电阻压力焊、感应加热压力焊
49、。压力焊的优耐热钢管件和棒材可采用电阻压力焊、感应加热压力焊。压力焊的优点是无需填充金属，但须控制焊接参数，才能获得优质焊接接头。点是无需填充金属，但须控制焊接参数，才能获得优质焊接接头。n焊接合金含量较高的耐热钢时，须向焊接区送焊接合金含量较高的耐热钢时，须向焊接区送Ar等保护气体，以保证等保护气体，以保证接头的致密性。接头的致密性。焊接工艺要点焊接工艺要点 2.焊接材料的选用焊接材料的选用n为了保证焊缝性能与母材匹配，具有必要的热强性，珠为了保证焊缝性能与母材匹配，具有必要的热强性，珠光体耐热钢的焊缝成分应与母材相近，这与其他合金结光体耐热钢的焊缝成分应与母材相近，这与其他合金结构钢不同。
50、构钢不同。n为了防止焊缝有较大的热裂倾向，焊缝中为了防止焊缝有较大的热裂倾向，焊缝中C要求比母材要求比母材低（一般不低于低（一般不低于0.07%）。若焊接材料选择适当，焊缝）。若焊接材料选择适当，焊缝的性能可以和母材匹配。的性能可以和母材匹配。n焊接材料的选择原则：焊接材料的选择原则：焊缝金属的合金成分及使用温度焊缝金属的合金成分及使用温度下的强度性能应与母材的指标一致，或达到技术条件提下的强度性能应与母材的指标一致，或达到技术条件提出的最低性能指标。焊件如焊后经退火、正火或热成形出的最低性能指标。焊件如焊后经退火、正火或热成形等热处理或热加工，应选择合金成分或强度级别较高的等热处理或热加工，
