1、第第3章章 合金结构钢的焊接合金结构钢的焊接l3.1 合金结构钢的分类和性能合金结构钢的分类和性能 l 合金结构钢是在碳素钢的基础上有目的地加入一种或几种合金元素的钢。常用的合金元素有：锰、硅、铬、镍、钼、钨、钒、钛、硼等。加入合金元素可使钢的性能产生预期的变化，如提高其强度，改善其韧性，或使其具有特殊的物理、化学性能，如耐热性和耐蚀性等。l3.1.1 合金结构钢的分类l 合金结构钢的应用领域很广，种类繁多，可按化学成分、合金系统、组织状态、用途或使用性能等方面进行分类。例如：l 1.按合金元素总含量的多少分有：l 1）低合合钢，一般w(Me)5；l 2）中合金钢，w(Me)=510;l 3）
2、高合金钢，w(Me)10。l l 2.按用途和性能分有：1）强度用钢）强度用钢 即通常所说的高强度钢。主要用于常规条件下要求能承受静载和动载的机械零件和工程结构，如压力容器、动力设备、工程机械、交通运输工具、桥梁、建筑结构、管道、船舶和海洋工程结构等。它的主要性能是力学性能，合金元素的加入是为了保证足够的塑性和韧性的前提下，获得不同的强度等级。它可以按强度等级或供货热处理)状态进行分类。l 按供货状态分，强度用钢大致分为热轧与正火钢、低碳调质钢和中碳调质钢等三类。各类的组织性能有其共同特点，且与焊接性密切相关。介绍如下：l (1)热轧及正火钢 屈服强度为294490MPa，在热轧或正火状态下使
3、用，属于非热处理强化钢。包括微合金化控轧钢、抗层状撕裂的Z向钢等。这类钢广泛应用于常温下工作的一些受力结构，如压力容器、动力设备、工程机械、桥梁、建筑结构和管线等。(2)低碳调质钢 屈服强度为490980MPa，在调质状态下供货使用，属于热处理强化钢。这类钢的特点是含碳量较低（一般碳的质量分数为0.22%以下），既有高的强度，又兼有良好的塑性和韧性，可以直接在调质状态下进行焊接，焊后不需进行调质处理。这类钢在焊接结构中得到了越来越广泛的应用，可用于大型工程机械、压力容器及舰船制造等。(3)中碳调质钢 屈服强度一般在8801176 MPa以上，钢中含碳量较高（碳的质量分数为0.25%0.5%），
4、也属于热处理强化钢。它的淬硬性比低碳调质钢高得多，具有很高的硬度和强度，但韧性相对较低，给焊接带来了很大的困难。这类钢常用于强度要求很高的产品或部件，如火箭发动机壳体、飞机起落架等。2)低中合金特殊用途钢低中合金特殊用途钢 低中合金特殊用钢主要用于一些特定条件下工作的机械零件和工程结构。对其要求除了满足常规力学性能外，还必须适应特殊环境下工作的要求。根据对不同使用性能的要求，可分为：珠光体耐热钢、低温钢和低合金耐蚀钢等。l (1)珠光体耐热钢 以Cr、Mo为基础的低中合金钢，随着工作温度的提高，还可加入V、W、Nb、B等合金元素，具有较好的高温强度和高温抗氧化性，主要用于工作温度在500600
5、的高温设备，如热动力设备和化工设备等。l (2)低温钢 大部分是一些含Ni或无Ni的低合金钢，一般在正火或调质状态使用，主要用于各种低温装置（-40-196）和在严寒地区的一些工程结构，如液化石油气、天然气的储存容器等。与普通低合金钢相比，低温钢必须保证在相应的低温下具有足够高的低温韧性，对强度无特殊要求。l (3)低合金耐蚀钢 除具有一般的力学性能外，必须具有耐腐蚀性能这一特殊要求。主要用于像大气、海水、石油化工等腐蚀介质中工作的各种机械设备和焊接结构。由于所处的介质不同，耐蚀钢的类型和成分也不同。耐蚀钢中应用最广泛的是耐大气和耐海水腐蚀用钢。l 国内外常见的合金结构钢的牌号见表3-1。l3
6、.1.2 合金结构钢的基本性能 l1化学成分 l 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%）添加一定量的合金元素构成的。碳是最能提高钢材强度的元素，但易于引起焊接淬硬及焊接裂纹，所以在保证强度的条件下，碳的加入量越少越好。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。l 用于焊接结构的低中合金钢合金元素总的质量分数一般不超过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：l A1=720+28wSi+5wCr+6wCo+3wTi5w
7、Mn10wNi3wV，（3-1）l 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，而Mn、Ni和V则降低A1点温度。根据合l金元素对组织转变的影响可将其分成两组：一组以Ni元素为代表，称为Ni组元素（Ni、Mn、Co）；另一组以Cr元素为代表，称为Cr组元素（Cr、Si、P、Al、Ti、V、Mo、W）。在-Fe中具有较大溶解度的元素促使区缩小，而在晶格中具有较大溶解度的元素则扩大区。各种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他合金元素的性质和含量。l 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
8、。如C、Mn、Cr、Mo、V、W、Ni和Si等元素能提高钢的淬硬倾向，而Ti、Nb、Ta等碳化物形成元素则降低钢的淬硬倾向。l 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。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，即：s=122+274wC+82wMn+55wSi+54wCr+44wNi+78wCu +353wV+755wTi+540wP+30-2(h-5),MPa lb=230+686wC+78wMn+90wSi+73wCr+33wNi+56wCu+314wV+529wTi+450wP+21-1.4(h-5),MPal式中 h为板
9、厚（mm）。l 合金结构钢中，氮作为一种合金元素被广泛采用。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。l 这些合金元素或者与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向。各种元素对钢
10、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。l 热轧及正火条件下，合金元素对塑性和韧性的影响与其强化作用相反，即强化效果越大，塑性和韧性的降低越多，当钢中合金元素的含量超出一定范围后会出现韧性的大幅度下降。因此，抗拉强度大于600MPa的高强钢一般都需进行调质处理。我国低碳调质钢的抗拉强度一般为6001300MPa，为了保证良好的综合性能和焊接性，要求钢中碳的质量分数不大于0.22%（实际上碳的质量分数在0.18%以下）。l 此外，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
11、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。l 国外研制的低碳调质钢一般含有较高的合金元素Ni和Cr，钢材强度级别越高，Ni、Cr含量也越高。如美国用于工程机械、压力容器的T-1钢，用于海军舰艇外壳的HY-80，以及用于潜艇、宇航业的HY100、HY-130等。20世纪六、七十年代我国发展了无Ni、Cr的低碳调质钢，用于工程机械、高压容器和水轮机壳体等。低碳调质钢的综合性能除了取决于化学成分外，主要是通过热处理保证具有良好的组织和力学性能。l2力学性能l 合金结构钢的强度越高，屈服强度与
12、抗拉强度之差也越小。屈服强度与抗拉强度之比称为屈强比（s/b）。钢材的强度越高，屈强比增大。低碳钢的屈强比约为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。l 低合金高强钢的低温拉伸性能如图3-2a所示。温度下降时，钢材的抗拉强度升高，但韧性下降。一般-100以上时钢材强度变化较小，温度再低时，抗拉强度和屈服强度急剧升高，韧性急剧下降，当在液氮温度（-196）附近时，延伸率很小。低合金高强钢的使用温度多在-50以上，在此温度范围内高强钢的强度性能变化不大。l 低合金高强钢高温时强度性能的变化如图3-2b所示。200以前强度缓慢下降，温度进一步升高时
13、，强度开始上升，300附近达到最大值，350以上逐渐下降。钢材高温时的强度性能仍保持室温强度的顺序，基本上不发生倒位现象。l 缺口韧性是用于表示材料抵抗脆性破坏的一项指标。脆性破坏是在低应力条件下（一般是在屈服强度以下）发生的，多为瞬时破坏，是低合金钢焊接结构安全方面最值得注意的破坏现象。世界各国多采用却贝冲击吸收功作为缺口韧性的评价方法，采用10mm10mm55mm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。逐渐改变试验温度做冲击试验，用试样破断时所需的能量（称为吸收能）及断口形貌（塑性断口和脆性断口）来评价钢材缺口韧性。l 吸收能可以反映出某一温度范围韧性急剧变
14、化的转变现象。当吸收能变小时，由塑性断口转变为脆性断口。脆性断口率为零时的吸收能称为“上平台能”，上平台能一半时的温度称为韧脆转变温度（用VTrs表示）。钢材的韧脆转变温度越低，韧性越好。根据大量的脆性破坏事故案例调查的结果，许多国家建议采用冲击吸收功21J或48J时的温度作为V形缺口却贝韧性试验的特性值。l 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。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，屈服强度提高约50，而脆性转变温度下降约20，如Q345（16Mn）为典型的固溶强化钢，屈服强度为
15、345MPa、脆性转变温度低于40；Si虽然显著固溶强化但降低塑性、韧性，一般wSi0.6%；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。l V、Ti、Nb强烈形成碳化物，Al、V、Ti、Nb还形成氮化物，析出的微小VC、TiC、NbC及AlN、VN、TiN、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。上述元素均是微量加入，故称为微合金化。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。合金结构钢的强度级别不同，加入的合金元素及其含量也不同，成分设计既要满足使用性能要求又
16、要考虑其经济性。抗拉强度为600MPa级的钢主要为Mn-Si系和在Mn-Si基础上加少量的Cr、Ni、Mo、V；700MPa级的钢主要为Mn-Si-Cr-Ni-Mo系，合金元素加入量较600MPa级的钢多些，另外还加入少量的V；800MPa级的钢主要为Mn-Si-Cr-Ni-Mo-Cu-V系，并加入一定量的B；1000MPa级的钢合金系列与800MPa级的钢基本相同，但合金元素加入量较高，尤其是为了保证韧性加入较多的Ni。3显微组织 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、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
17、性能稳定。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。l l 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。应指出，即使是同样的显微组织，也具有不同的硬度，这与钢的含碳量、合金含量及晶粒度有关。高碳马氏体的硬度可达600HV，而低碳马氏体的硬度只有350390HV。同时二者在性能上也有很大不同，前者是针状马氏体（孪晶马氏体），属脆硬相；后者是低碳板条马氏体（位错马氏体），硬度虽高，但仍有较好的韧性。3.2 热轧及正火
18、钢的焊接热轧及正火钢的焊接l3.2.1 热轧及正火钢的成分和性能l 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，故称为热轧钢或正火钢，属于非热处理强化钢。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。l1热轧钢l 屈服强度为294392MPa的普通低合金钢都属于热轧钢，这类钢是在wC0.2%的基础上通过Mn、Si等合金元素的固溶强化作用来保证钢的强度，属于C-Mn或Mn-Si系的钢种。也可再加入V、Nb以达到细化晶粒和沉淀强化的作用。l 热轧钢主要是用Mn进行合金化以达到所要求的性能，这类钢的基本成分为：wC0.2%，wSi0.55%，wMn 1.5
19、%。Si的质量分数超过0.6%后对冲击韧性不利，使韧脆转变温度提高。C的质量分数超过0.3%和Mn的质量分数超过1.6%后，焊接时易出现裂纹，在热轧钢焊接区还会出现脆性的淬硬组织。l 热轧钢通常为铝镇静的细晶粒铁素体珠光体组织的钢，一般在热轧状态下使用。在特殊情况下，如要求提高冲击韧性以及板厚时，也可在正火状态下使用。例如，Q345在个别情况下，为了改善综合性能，特别是厚板的冲击韧性，可进行900920正火处理，正火后强度略有降低，但塑性、韧性（特别是低温冲击韧性）有所提高。l2正火钢l 当要求钢的屈服强度s392MPa后，在固溶强化的同时，必须加强合金元素的沉淀强化作用。正火钢是在固溶强化的
20、基础上，加入一些碳、氮化合物形成元素（如V、Nb、Ti和Mo等），通过沉淀强化和细化晶粒进一步提高钢材的强度和保证韧性。正火处理的目的是为了使这些合金元素形成的碳、氮化合物以细小的化合物质点从固溶体中沉淀析出，弥散分布在晶内和晶界，起细化晶粒的作用，减少了固溶强化，可以在提高钢材强度的同时，改善钢材的塑性和韧性，避免过分固溶强化所造成的脆性。l 这类钢实际上是在Q345（16Mn）基础上加入一些沉淀强化的合金元素，如V、Nb、Ti、Mo等强碳化物、氮化物形成元素。利用这些元素形成的碳、氮化物弥散质点所起的沉淀强化和细化晶粒的作用来达到良好的综合性能，使屈服强度s由Mn-V钢的392MPa提高到
21、441MPa，同时降低回火脆性。l 对于含Mo钢来说，正火后还必须进行回火才能保证良好的塑性和韧性。因此，正火钢又可分为：l 1)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；l 2)正火回火状态使用的含Mo钢：如14MnMoV、18MnMoNb等。低合金钢中加入一定量的Mo，可细化晶粒，提高强度，还可以提高钢材的中温性能，含Mo的低合金正火钢适于制造中温厚壁压力容器。含Mo钢在较高的正火温度或较快速度的连续冷却下，得到的组织为上贝氏体和少量的铁素体，因此正火钢必须回火后才能保证获得良好的塑性和韧性。l 属于正火钢的还包括抗层状撕裂的Z
22、向钢，屈服强度s343MPa。由于冶炼中采用了钙或稀土处理和真空除气等特殊的工艺措施，使Z向钢具有S含量低（wS 0.005%）、气体含量低和Z向断面收缩率高（Z35%）等特点。l3微合金控轧钢l 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，微合金钢单一微合金元素的质量分数通常在0.25%以下。通过细晶强化可进一步降低低合金高强钢的碳含量，减少固溶的合金元素，使其冲击韧性得到进一步提高。l 微合金控轧钢是热轧及正火钢中的一个重要的分支，是近年来发展起来的一类新钢种。它采用
23、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。l 控轧钢具有高强度、高韧性和良好的焊接性等优点。控轧钢的晶粒比一般正火钢的晶粒细，强度和韧性也高一些，因为正火钢的奥氏体化温度一般为900，而控轧时的终轧温度约为850。但控轧钢的板厚受到一定限制，因为板厚增加时晶粒细化和沉淀强化的效果会受到
24、影响。l 钢的晶粒尺寸在50m以下的钢种称为细晶粒钢，细化晶粒可使钢获得强韧性匹配良好的综合力学性能。细化晶粒所采取的主要工艺为控轧或控冷。控轧主要是控制钢材的变形温度和变形量，利用位错强化来韧化钢材；控冷主要是控制钢材的开始形变温度和终了形变温度，以及随后的冷却速度。与控轧相比，控冷对钢材晶粒细化的效果更显著。控轧后立即加速冷却所制造的钢，称为TMCP（Thermo-Mechanical Control Process）钢。l TMCP钢通过控轧控冷技术的应用晶粒尺寸可小于50m，最小可达到10m。超细晶粒钢可使晶粒尺寸达到0.110m。TMCP钢具有良好的加工性和焊接性，满足了石油和天然气
25、等工业的需要，这类钢还将在更多的钢结构中得到应用。l 控轧管线钢焊接的主要问题是过热区晶粒粗大使抗冲击性能下降，改善措施是在钢中加入沉淀强化元素（形成TiO2、TiN）防止晶粒长大，优化焊接工艺及规范。l3.2.2 热轧及正火钢的焊接性热轧及正火钢的焊接性l 低合金钢的焊接性主要取决于它的化学成分和轧制工艺。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。l1冷裂纹及影响因素冷裂纹及影响因素l 热轧钢含有少量的合金元素，碳当量比较低，一般情况下（除环境温度很低或钢板厚度很大时）冷裂倾向不大。正火钢由于含合金元素较多，淬硬倾向有所增加。强度级别及碳当量较低的正火钢，冷裂纹倾向不
26、大；但随着正火钢碳当量及板厚的增加，淬硬性及冷裂倾向随之增大，需要采取控制焊接热输入、降低扩散氢含量、预热和及时焊后热处理等措施，以防止焊接冷裂纹的产生。l 微合金控轧钢的碳含量和碳当量都很低，冷裂纹敏感性较低。除超厚焊接结构外，490MPa级的微合金控轧钢焊接一般不需要预热。l (1)碳当量（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，冷裂敏感性越大。国际焊接学会（IIW）推荐的碳当量公式为：l ,(%)(3-2)l 上述碳当量公式用得相当普遍，一般认为Ceq0.4%时，钢材在焊接过程中基本无淬硬倾向
27、，冷裂敏感性小。屈服强度294392MPa热轧钢的碳当量一般都小于0.4%，焊接性良好，除钢板厚度很大和环境温度很低等情况外，一般不需要预热和严格控制焊接热输入。l 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。屈服强度441490MPa的正火钢基本上处于这一范围，其中碳当量不超过0.5%时，淬硬倾向不算严重，焊接性尚好，但随着板厚增加需要采取一定的预热措施，如Q420就是这样。18MnMoNb的碳当量在0.5%以上，它的冷裂敏感性较大，焊接时为避免冷裂纹的产生，需要采取较严格的工艺措施，如严格控制热输入、预热和焊后热处理等。5156VMoCrNiCuMnCCeql
28、(2)淬硬倾向淬硬倾向 焊接热影响区产生淬硬的马氏体或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。凡是淬硬倾向大的钢材，连续冷却转变曲线都是往右移。但由于冷却条件不同，不同曲线的右移程度不同。如CCT曲线右移的程度比等温转变TTT曲线大1.5倍以上，而SHCCT曲线右移就更多。因此，在比较两种钢材的淬硬倾向时，必须注意采用同一种曲线。l 1)热轧钢的淬硬倾向 与低碳钢相比，Q345在连续冷却时，珠光体转变右移较多，使快冷过程中（如图3-4a上的c点以左）铁
29、素体析出后剩下的富碳奥氏体来不及转变为珠光体，而是转变为含碳较高的贝氏体和马氏体，具有淬硬倾向。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。因此，Q345热轧钢与低碳钢的焊接性有一定差别。但当冷却速度不大时，两者很相近。l 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。18MnMoNb的过冷奥氏体比Q420稳定得多，特别是在高温转变区。因此，18MnMoNb冷却下来很容易得到贝氏体和马
30、氏体，它的整个转变曲线比Q420靠右，淬硬性高于Q420，故冷裂敏感性也比较大。l (3)热影响区最高硬度热影响区最高硬度 热影响区最高硬度是评定钢材淬硬倾向和冷裂敏感性的一个简便的办法。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。热影响区最高硬度与裂纹率的关系如图3-6所示。l 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。另外，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。冷却时间t8/5对热影响区最高硬度的影响如图3-9所示。l 因此，要比较焊接热影
31、响区最高硬度，必须规定实验条件，如采用国际焊接学会（IIW）推荐的热影响区最高硬度法。减小碳当量并降低冷却速度，有利于减小热影响区淬硬和冷裂纹倾向。l2热裂纹热裂纹和再热裂纹和再热裂纹l (1)焊缝热裂纹焊缝热裂纹 热轧及正火钢一般碳含量较低、而Mn含量较高，因此这类钢的Mn/S比能达到要求，具有较好的抗热裂性能，焊接过程中的热裂纹倾向较小，正常情况下焊缝中不会出现热裂纹。但个别情况下也会在焊缝中出现热裂纹，这主要与热轧及正火钢中C、S、P等元素含量偏高或严重偏析有关。l 焊缝中的碳含量越高，为了防止硫的有害作用所需的Mn含量也要求越高；随着碳含量的增加，要求Mn/S比也提高。当wC=0.12
32、%时，Mn/S比不应低于10，而wC=0.16%时，Mn/S比就应大于40才能不出现热裂纹。Si的有害作用也与促使S的偏析有关，因此Si含量高时，热裂纹倾向也增加。l (2)再热裂纹再热裂纹 含Mo正火钢厚壁压力容器之类的焊接结构，进行焊后消除应力热处理或焊后再次高温加热（包括长期高温使用过程中）的过程中，可能出现另一种形式的裂纹，即再热裂纹（简称SR裂纹）。其他有沉淀强化的钢或合金（如珠光体耐热钢、奥氏体不锈钢等）的焊接接头中，也可能产生再热裂纹。l 钢中的Cr、Mo元素及含量对再热裂纹的产生影响很大。元素之间的相互作用对再热裂纹敏感性的影响更复杂（主要与形成的碳化物形态有关）。不同Cr、M
33、o含量低合金钢的再热裂纹敏感区如图3-10所示。l 再热裂纹一般产生在热影响区的粗晶区，裂纹沿熔合区方向在粗晶区的奥氏体晶界断续发展，产生原因与杂质元素在奥氏体晶界偏聚及碳化物析出“二次硬化”导致的晶界脆化有关。再热裂纹的产生一般须有较大的焊接残余应力，因此在拘束度大的厚大工件中或应力集中部位更易于出现再热裂纹。l Mn-Mo-Nb和Mn-Mo-V系低合金钢对再热裂纹的产生有一定的敏感性。正火钢中的18MnMoNb和14MnMoV有轻微的再热裂纹倾向，可采取提高预热温度或焊后立即后热等措施来防止再热裂纹的产生。如18MnMoNb只要将预热温度中消除冷裂纹需要的180（板厚60mm）提高到220
34、后就能防止再热裂纹。如果提高预热温度有困难，可在180预热条件下焊后立即进行1802h的后热也能有效地防止再热裂纹的产生。l3非调质钢焊缝的组织和韧性非调质钢焊缝的组织和韧性l 韧性是表征金属对脆性裂纹产生和扩展难易程度的性能。低合金钢组织对韧性的影响受多种因素的控制，如显微组织、夹杂和析出物等。即使是相同的组织，其数量、晶粒尺寸、形态等不同，韧性也不一样。尽管影响焊缝金属韧性的因素很复杂，但起决定作用的是显微组织。低合金高强钢焊缝金属的组织主要包括：先共析铁素体PF（也叫晶界铁素体GBF）、侧板条铁素体FSP、针状铁素体AF、上贝氏体Bu、珠光体P等，马氏体较少。l 焊缝韧性取决于针状铁素体
35、(AF)和先共析铁素体(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。针状铁素体晶粒细小，晶粒边界交角大且相互交叉，每个晶界都对裂纹的扩展起阻碍作用；而先共析铁素体沿晶界分布，裂纹易于萌生、也易于扩展，导致韧性较差。l 进一步研究表明，以针状铁素体组织为主的焊缝金属，屈强比(s/b)一般大于0.8；以先共析铁素体组织为主的焊缝金属，屈强比多在0.8以下；焊缝金属中有上贝氏体存在时，屈强比小于0.7。l 焊缝中AF增多，有利于改善韧性，但随
36、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。l 低合金钢焊缝韧性在很大程度上依赖于Si、Mn含量。Si是铁素体形成元素，焊缝中Si含量增加，将使晶界铁素体增加。Mn是扩大奥氏体区的元素，推迟转变，所以增加焊缝中的Mn含量，将减少先共析铁素体的比例。但Si、Mn含量的增加，都将使焊缝金属的晶粒粗大。试验研究表明，当Mn、Si含量较少时，转变形成粗大的先共析铁素体组织，焊缝韧性较低，因为微裂纹扩展的阻力较小。当Mn、Si含量过高时，形成大量平行束状排列
37、的板条状铁素体，这些晶粒的结晶位向很相似，扩展裂纹与这些晶粒边界相遇不会有多大的阻碍，这也使焊缝金属韧性较低。因此，Mn和Si含量过多或过少都使韧性下降。l Mn-Si系焊缝组织与韧性的关系见表3-5。显见，中等程度的Mn、Si含量，例如wMn=0.8%1.0%，wSi=0.15%0.25%，Mn/Si比约47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。l表3-5 Mn-Si系焊缝组织与韧性的关系l 在Mn-Si系基础上加入适量的Ti和B或Ti和Mo均能改善的相变特性，使对韧性不利的铁素体组织减少，细小、均匀的针状铁素体增多。近些年来，国内外都在探索向低
38、合金钢焊缝金属中同时添加Ti、B或同时添加Ti、Mo来提高焊缝的韧性并取得了良好的效果。l4热影响区脆化热影响区脆化l (1)粗晶区脆化粗晶区脆化 被加热到1200以上的热影响区过热区可能产生粗晶区脆化，韧性明显降低。这是由于热轧钢焊接时，采用过大的焊接热输入，粗晶区将因晶粒长大或出现魏氏组织而降低韧性；焊接热输入过小，粗晶区中马氏体组织所占的比例增大而降低韧性，这在焊接碳含量偏高的热轧钢时较明显。l 含有碳、氮化物形成元素的正火钢（如Q420等）采用过大的焊接热输入时，粗晶区的V(C、N)析出相基本固溶，这时V(C、N)化合物抑制奥氏体晶粒长大及组织细化作用被削弱，粗晶区易出现粗大晶粒及上贝
39、氏体、M-A组元等，导致粗晶区韧性降低和时效敏感性的增大。l 采用小焊接热输入是避免这类钢过热区脆化的一个有效措施。对含碳量偏高的热轧钢，焊接热输入要适中；对于含有碳、氮化物形成元素的正火钢，应选用较小的焊接热输入。如果为了提高生产率而采用大热输入时，焊后应采用8001050正火处理来改善韧性。但正火温度超过1100，晶粒会迅速长大，将导致焊接接头和母材的韧性急剧下降。l 在主要合金元素相同的条件下，钢中含有不同类型和不同数量杂质时，热影响区粗晶区的韧性也会显著降低。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。N对Mn-
40、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。l (2)热应变脆化热应变脆化 产生在焊接熔合区及最高加热温度低于Ac1的亚临界热影响区。对于C-Mn系热轧钢及氮含量较高的钢，一般认为热应变脆化是由于氮、碳原子聚集在位错周围，对位错造成钉轧作用造成的。一般认为在200400时热应变脆化最为明显，当焊前已经存在缺口时，会使亚临界热影响区的热应变脆化更为严重。熔合区易于产生热应变脆化与此区域常存在缺口性质的缺陷和不利组织有关。l 热应变脆化易于发生在一些固溶N含量较高而强度级别不高的低合金钢中，如抗拉强度490M
41、Pa级的C-Mn钢。在钢中加入足够量的氮化物形成元素（如Al、Ti、V等），可以降低热应变脆化倾向，如Q420比Q345的热应变脆化倾向小。退火处理也可大幅度恢复韧性，降低热应变脆化，如Q345经6001h退火处理后，韧性大幅度提高，热应变脆化倾向明显减小。l5层状撕裂层状撕裂l 层状撕裂是一种特殊形式的裂纹，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。大型厚板焊接结构（如海洋工程、锅炉吊架、核反应堆及船舶等）焊接时，如果在钢材厚度方向承受较大的拉伸应力时，可能沿钢材轧制方向发生呈明显阶梯状的层状撕裂。l 层状撕裂的产生不受钢材种类和强度级别的限制，从Z向拘束力考虑
42、，层状撕裂与板厚有关，板厚在16mm以下一般不会产生层状撕裂。从钢材本质来说，主要取决于冶炼质量，钢中的片状硫化物与层状硅酸盐或大量成片地密集于同一平面内的氧化物夹杂都使Z向塑性降低，导致层状撕裂的产生，其中层片状硫化物的影响最为严重。因此，硫含量和Z向断面收缩率是评定钢材层状撕裂敏感性的主要指标。l 合理选择层状撕裂敏感性小的钢材、改善接头形式以减轻钢板Z向所承受的应力应变、在满足产品使用要求前提下选用强度级别较低的焊接材料及采用预热及降氢等辅助措施，有利于防止层状撕裂的发生。l3.2.3 热轧及正火钢的焊接工艺l 热轧及正火钢焊接对焊接方法的选择无特殊要求，焊条电弧焊、埋弧自动焊、气体保护
43、焊、电渣焊、压焊等焊接方法都可以采用。可根据材料厚度、产品结构、使用性能要求及生产条件等选择。其中，焊条电弧焊、埋弧自动焊、CO2气体保护焊是热轧及正火钢常用的焊接方法。l 1坡口加工、装配及定位焊l 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。对强度级别较高、厚度较大的钢材，经过火焰切割和碳弧气刨的坡口应用砂轮仔细打磨，清除氧化皮及凹槽；在坡口两侧约50mm范围内，应去除水、油、锈及脏物等。l 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。为防止定位焊缝开裂，要求定位焊缝应有足够的长度（一般不小于50mm），对厚度较薄的板材不小于4倍板厚。定位焊应选用同类
44、型的焊接材料，也可选用强度稍低的焊条或焊丝。定位焊的顺序应能防止过大的拘束、允许工件有适当的变形，定位焊焊缝应对称均匀分布。定位焊所用的焊接电流可稍大于焊接时的焊接电流。l 2焊接材料的选择l 低合金钢选择焊接材料时必须考虑两方面的问题：一是不能有裂纹等焊接缺陷；二是能满足使用性能要求。选择焊接材料的依据是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。l 热轧及正火钢焊接一般是根据其强度级别选择焊接材料，而不要求与母材同成分，其要点如下：l (1)选择与母材力学性能匹配的相应级别的焊接材料 从焊接区力学性能“等强匹配”的角度选择焊接材料，一般要求焊缝的强度性能与母材等强或稍低于母材。焊
45、缝中碳的质量分数不应超过0.14%，焊缝中其他合金元素也要求低于母材中的含量，以防止裂纹及焊缝强度过高。l (2)同时考虑熔合比和冷却速度的影响 焊缝的化学成分和性能与母材的溶入量（熔合比）有很大关系，而焊缝组织的过饱和度与冷却速度有很大关系。采用同样的焊接材料，由于熔合比或冷却速度不同，所得焊缝的性能会有很大差别。因此，焊条或焊丝成分的选择应考虑到板厚和坡口形式的影响。薄板焊接时熔合比较大，应选用强度较低的焊接材料，厚板深坡口则相反。l (3)考虑焊后热处理对焊缝力学性能的影响 当焊缝强度余量不大时，焊后热处理（如消除应力退火）后焊缝强度有可能低于要求。因此，对于焊后要进行正火处理的焊缝，应
46、选择强度高一些的焊接材料。热轧及正火钢焊接材料的选用见表3-6。l3焊接工艺参数的确定l (1)焊接热输入 焊接热输入取决于接头区是否出现冷裂纹和热影响区脆化。对于碳当量(Ceq)小于0.40%的热轧及正火钢，如Q295、09Mn2Si和Q345，焊接热输入的选择可适当放宽。碳当量大于0.40%的钢种，随其碳当量和强度级别的提高，所适用的焊接热输入的范围随之变窄。焊接碳当量为0.40%0.60%的热轧及正火钢时，由于淬硬倾向加大，马氏体含量也增加，小热输入时冷裂倾向会增大，过热区的脆化也变得严重，在这种情况下热输入宁可偏大一些比较好。但在加大热输入、降低冷速的同时，会引起接头区过热的加剧（增大
47、线能量对冷速的降低效果有限，但对过热的影响较明显）。在这种情况下采用大热输入的效果不如采用小热输入预热更有效。预热温度控制恰当时，既能避免产生裂纹，又能防止晶粒的过热。l 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。对于一些含Nb、V、Ti的正火钢，为了避免焊接中由于沉淀析出相的溶入以及晶粒过热引起的热影响区脆化，焊接热输入应偏小一些。焊接屈服强度440MPa以上的低合金钢或重要结构件，严禁在非焊接部位引弧。多层焊的第一道焊缝需用小直径的焊条及小热输入进行焊接，减小熔合比。l (2)预热和焊后热处理 预热和焊后热处理的目的主要是为了防止裂纹，也有一定的改善组织、性
48、能的作用。强度级别较高或钢板厚度较大的结构件焊前应预热，焊后进行热处理。l 1)预热 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。多层焊时应保持层间温度不低于预热温度，但也要避免层间温度过高引起的不利影响，如韧性下降等。不同环境温度下焊接Q345钢的预热温度见表3-12。l2)焊后热处理l 除了电渣焊由于接头区严重过热而需要进行正火处理外，其他焊接条件应根据使用要求来考虑是否需要焊后热处理。热轧及正火钢一般不需要焊后热处理，但对要求抗应力腐蚀的焊接结构、低温下使用的焊接结构和厚板结构等，焊后需进行消除应力的高温
49、回火。确定焊后回火温度的原则是：l 不要超过母材原来的回火温度，以免影响母材本身的性能。l 对于有回火脆性的材料，要避开出现回火脆性的温度区间。例如，对含V或V+Mo的低合金钢，回火时应提高冷却速度，避免在600左右的温度区间停留较长时间，以免因V的二次碳化物析出而造成脆化；Q420的消除应力热处理的温度为（55025）。l 如焊后不能及时进行热处理，应立即在200350保温26h，以便焊接区的氢扩散逸出。为了消除焊接应力，焊后应立即轻轻锤击焊缝金属表面，但这不适用于塑性l较差的钢件。强度级别较高或重要的焊接结构件，应用机械方法（砂轮等）修整焊缝外形，使其平滑过渡到母材，减小应力集中。热轧及正
50、火钢的预热和焊后热处理工艺参数见表3-13。l3焊接接头的力学性能l 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表3-14。3.3 低碳调质钢的焊接低碳调质钢的焊接l 热轧及正火钢依靠增添合金元素和通过固溶强化、弥散强化的途径提高强度到一定程度之后，会导致塑、韧性的下降。因此，抗拉强度b600MPa的高强度钢都采用调质处理，通过组织强韧化获得很高的综合力学性能。低碳调质钢的抗拉强度(b)一般为6001300MPa，属于热处理强化钢。这类钢既具有较高的强度，又有良好的塑性
