1、第6章 低合金高强度钢的焊接 6.1 低合金高强度钢的种类和性能 6.2 低合金高强度钢的焊接性分析 6.3 低合金高强度钢的焊接工艺要点 6.4 典型低合金高强度钢的焊接 20921-5a 6.1 低合金高强度钢的种类和性能 热轧钢基本上属于C-Mn和C-Mn-Si系的钢种，其强度主要是通过合金元素的固溶强化提高的。Mn是一种固溶强化效果显著而又比较便宜的元素，除增加强度外，还能改善塑性和韧性，一般加入的质量分数不超过1.8%。Si的固溶强化效果也较好 20921-5a 6.1.1 热轧钢和正火钢 表6-1 常用热轧钢和正火钢的化学成分(GB/T 15911994)牌号 质量 化学成分(质量
2、分数)(%)等级 C Mn Si P Q295 A 016 080 150 100 160 100 160 055 0045 S 0045 V 002 015 002 015 002 020 Nb 0015 006 0015 006 0015 006 Ti 002 020 002 020 002 020 Al Cr Ni Q345 A 020 055 0045 0045 Q390 A 020 055 0045 0045 030 070 20921-5a 表6-1 常用热轧钢和正火钢的化学成分(GB/T 15911994)Q420 A 020 100 170 100 170 055 0045 0
3、045 002 020 002 020 0015 006 0015 006 002 020 002 020 040 070 Q460 C 020 055 0035 0035 0015 070 070 20921-5a 6.1.1 热轧钢和正火钢 表6-2 常用热轧钢和正火钢的力学性能(GB/T 15911994)牌号 质量 等级/MPa /MPa (%)(纵向)/J 180 弯曲试验 d=弯心直径 a=试样厚度(直径)厚度(直径)/mm 16 不小于 Q295 A Q345 A Q390 A 295 345 390 275 325 370 255 295 350 235 275 330 390
4、570 470630 490650 23 21 19 34 d=2a d=2a d=2a d=3a d=3a d=3a 1635 3550 50100 20921-5a 表6-2 常用热轧钢和正火钢的力学性能(GB/T 15911994)Q420 A Q460 C 420 460 400 440 380 420 360 400 520680 550720 18 17 34 d=2a d=2a d=3a d=3a 20921-5a 6.1.2 低碳调质钢 表6-3 典型低碳调质钢的化学成分 钢材牌号 14MnMoVN 14MnMoNbB 化学成分(质量分数)(%)C 014 Mn 141 Si
5、030 S 0035 P 0012 Ni Cr Mo 017 V 013 其他 N:00155 Nb:002006 B:000050003(%)050 012 018 130 180 015 035 003 003 056 20921-5a 表6-3 典型低碳调质钢的化学成分 WCF60 009 009 016 110 150 060 120 015 035 015 040 002 003 003 003 050 030 100 030 030 060 030 002 006 B0003 Cu:015050 B:000050003 047 HQ70A 052 20921-5a 表6-3 典型低
6、碳调质钢的化学成分 HQ80C 010 016 060 120 015 035 0015 0025 060 120 030 060 003 008 Cu:015050 B:000050005 058 20921-5a 6.1.2 低碳调质钢 表6-4 典型低碳调质钢的力学性能 钢材牌号 14MnMoVN 板厚h/mm 36/MPa 598/MPa 701(%)20 (横向)/J 20：77J/c()-40：56J/c()14MnMoNbB WCF60 HQ60A HQ70A HQ80C HQ100 50 1650 50 18 686 490 450 590 685 880 755 610725
7、 590 680 785 950 14 18 16 17 16 10 -40：39J/c()-40：40 -20：39 -40：29 -20：47 -40：29 -25：27 20921-5a 6.1.3 中碳调质钢 表6-5 常用中碳调质钢的化学成分(质量分数)(%)钢材牌号 40Cr 35CrMoA 30CrMnSiA 30CrMnSiNi2A 40CrNiMoA C Mn Si 02 04 Cr 08 11 Ni Mo 02 03 V S 0030 0030 0025 P 0035 0035 0025 037 05 045 08 030 04 040 07 028 08 035 11 0
8、27 10 034 13 017 09 035 13 09 12 09 12 08 11 09 12 030 14 18 036 05 044 08 017 06 037 09 125 015 175 025 0030 0030 20921-5a 表6-5 常用中碳调质钢的化学成分(质量分数)(%)40CrMnSiMoVA 037 08 042 12 12 16 12 15 025 045 007 003060 012 0 0030 20921-5a 6.1.3 中碳调质钢 表6-6 常用中碳调质钢的力学性能 钢材牌号 40Cr 热处理 850淬火(水)520回火(水或油)850淬火(水)55
9、0回火(水或油)锻件880淬火(油)540回火(水或油)/MPa 980 /MPa 785 (%)9 (%)45/J 47 35CrMoA 980 835 12 45 63 30CrMnSiA 1080 835 10 45 49J/c()20921-5a 表6-6 常用中碳调质钢的力学性能 30CrMnSiNi2A 890淬火(水)200300回火(空)850淬火(油)600回火(水或油)1570 9 45 59J/c()40CrNiMoA 980 835 12 55 78 40CrMnSiMoV A 890970淬火(油)250270回火(空)1862 8 35 49 20921-5a 6.
10、2 低合金高强度钢的焊接性分析 热裂纹是低合金高强度钢焊接中比较常见的焊接缺陷，它不但可以出现在焊缝中，也可出现在熔合区及其附近的热影响区中，具体表现为焊缝金属的结晶裂纹和熔合区附近的液化裂纹，其敏感性随钢种的不同而变化。20921-5a 6.2.1 热裂纹 1.热裂纹的敏感性 (1)热轧钢及正火钢的热裂纹敏感性 对于热轧钢及正火钢，一般含碳量都较低，含Mn量又较高，因而w(Mn)/w(S)较高，具有较好的抗热裂纹能力。图6-1 Q420(15MnVN)钢埋弧焊 焊缝中心的结晶裂纹 20921-5a 6.2.1 热裂纹(2)低碳调质钢的热裂纹敏感性 低碳调质钢含碳量较低，含Mn量较高，一般也无
11、热裂纹倾向。(3)中碳调质钢的热裂纹敏感性 中碳调质钢含碳量及合金元素含量都很高，具有较大的热裂倾向。2.热裂纹的防止措施 (1)冶金措施 1)低合金钢焊接接头中热裂纹的形成主要归因于冶金因素，因此从冶金技术上采取措施是防止热裂纹最有效的手段。20921-5a 6.2.1 热裂纹 2)若焊接结构的母材已选定，且C、S和P含量超过了以上限制，则应采用低碳、低硫的焊接材料来调整焊缝金属的成分。3)在焊丝成分的设计上应注意避免采用易形成低熔点共晶的合金元素，而适当加入Mo、W和V等能细化焊缝金属晶粒的合金元素，从而提高焊缝的抗裂性能。4)采用碱性药皮焊条或焊剂焊接的焊缝金属，与采用酸性药皮焊条或焊剂
12、相比，具有较高的抗热裂纹的能力。20921-5a 6.2.1 热裂纹(2)工艺措施 除了冶金措施之外，工艺措施也是防止焊接热裂纹的重要手段，主要涉及接头类型、工艺参数以及预热等。1)设计合理的坡口形状和几何尺寸，规定适当的接头装配间隙，以降低母材在焊缝金属中所占的比例。2)调整焊接参数，如降低焊接电流，以增大焊缝的成形系数，即增大熔宽与熔深的比例。3)降低焊接热输入，加快焊接速度，从而提高焊缝金属的结晶速度，以降低晶间偏析的程度。4)正确控制焊前的预热温度及多层焊的层间温度。20921-5a 6.2.2 冷裂纹 1.冷裂纹的敏感性 (1)热轧钢和正火钢的冷裂纹敏感性 在低合金高强度钢中，热轧钢
13、的冷裂倾向是最小的。(2)低碳调质钢的冷裂纹敏感性 低碳调质钢的合金化原理就是在低碳钢的基础上，通过加入多种提高淬透性的合金元素来保证获得强度高、韧性好的低碳马氏体和部分下贝氏体的混合组织。图6-2 不同正火钢的焊接CCT曲线 a)Q420(15MnVN)b)18MnMoNb 20921-5a 6.2.2 冷裂纹 图6-3 低碳调质钢HQ70的焊接CCT曲线 20921-5a 6.2.2 冷裂纹 图6-4 中碳调质钢30CrMnSi的 奥氏体等温转变图 20921-5a 6.2.2 冷裂纹(3)中碳调质钢的冷裂纹敏感性 中碳调质钢由于含碳量比较高，加入的合金元素也较多，其淬硬倾向十分明显，故冷
14、裂倾向很大。2.冷裂纹的防止措施 (1)采用低强度的熔敷金属 焊接低合金高强钢时，采用焊缝金属强度比母材低的焊接材料，能大大提高整个接头的抗冷裂性，母材的强度愈高，其效果愈明显。(2)建立低氢的焊接环境 氢是低合金高强度钢焊接产生冷裂纹的主要因素之一，因此建立低氢的焊接环境对于防止冷裂是至关重要的。20921-5a 6.2.2 冷裂纹(3)选择低氢的焊接方法 采用CO2气体保护焊或富氩的混合气体保护焊可显著降低焊缝金属的含氢量。(4)焊前预热 焊前预热是防止低合金钢接头产生冷裂纹的最有效措施之一，在低合金钢焊接中应用最为普遍。(5)焊后低温热处理 焊后低温热处理是指焊接结束后将焊件或整条焊缝立
15、即加热到150250温度范围，并保持一定的时间。20921-5a 6.2.2 冷裂纹 表6-7 焊后低温热处理对低合金钢冷裂倾向的影响 钢号 13MnNiMo54 焊接条件 焊条电弧焊 型号E6015 直径4mm 预热和及时后热 预热150 裂纹部位和裂纹率 热影响区根部裂纹率为10%无裂纹 无裂纹 热影响区及熔合区裂纹率为50%预热180 预热60+后热100 225Cr1Mo 焊条电弧焊 型号E6015?B3 直径4mm 热影响区裂纹率为20%无裂纹 预热180 预热200 预热150+后热150 20921-5a 6.2.2 冷裂纹(6)焊后脱氢处理 对于强度级别较高的钢种，特别是中碳调
16、质钢，由于氢的作用极易在焊缝或热影响区中产生延迟裂纹，而且这种裂纹很难采用焊前预热加以消除。20921-5a 6.2.3 再热裂纹 1.再热裂纹的敏感性 2.再热裂纹的防止措施 (1)控制钢材和焊缝的成分 控制母材的化学成分，降低含碳量以及杂质的含量，对防止再热裂纹是有益的。(2)减少过热区的粗晶组织 采用合理的焊接工艺，降低焊接热输入，以减小过热区的粗晶比例。(3)调整消除应力处理工艺 对再热裂纹敏感的接头在消除应力热处理时，并不是整个温度范围都可能形成再热裂纹，而是存在一个再热裂纹的敏感温区，因此最好避开这个敏感温区进行消除应力处理。20921-5a 6.2.3 再热裂纹(4)降低焊接应力
17、及应力集中 采用合理的坡口形状、焊接次序和焊前预热，可以降低接头中残余应力的峰值。20921-5a 6.2.4 层状撕裂 1.层状撕裂的敏感性 2.层状撕裂的防止 (1)选用抗层状撕裂的钢材 层状撕裂的产生与否主要取决于钢材的化学成分和冶炼条件，应尽量降低钢材中硫等杂质的含量，控制夹杂物的数量、形态及其分布，从本质上解决层状撕裂的问题。(2)合理设计焊接结构 焊接结构的种类和使用条件、焊缝的形状和尺寸以及焊接次序等都对层状撕裂的产生有重要影响。20921-5a 6.2.5 脆化和软化 1.过热区的脆化 2.热影响区的软化 20921-5a 6.3 低合金高强度钢的焊接工艺要点 合理的焊接工艺是
18、保证产品质量的关键，焊接工艺的制定需要理论和实践的指导。一般来讲，通过对被焊母材的焊接性分析，针对焊接中容易出现的问题和产品的技术要求来制定焊接工艺。主要包括焊接方法的选择、焊接材料的确定、接头形式的设计、焊接参数的确定，以及采取相应的预热或焊后热处理措施等。20921-5a 6.3.1 焊接方法及热输入 1.焊接方法 2.焊接热输入 20921-5a 6.3.1 焊接方法及热输入 表6-8 14NiCrMoCuVB焊接热输入与板厚及预热温度的关系 预热温度/20 板厚/mm 6 8 10 12 16 20 25 30 36 40 50 焊接热输入/(J/cm)7500 16000 10000
19、 19500 14000 23500 21500 29000 17500 46000 16000 30000 抗裂性差 100 冲击韧度低 22500 36000 16000 28500 24000 45000 19000 35000 26000 57500 22500 44000 抗裂性差 150 冲击韧度低 25000 49000 31000 60000 31500 61500 20921-5a 表6-8 14NiCrMoCuVB焊接热输入与板厚及预热温度的关系 200 冲击韧度低 16000 32500 20000 39500 22000 46500 23500 54000 20921-
20、5a 6.3.2 焊接材料 1.热轧钢及正火钢的焊接材料 20921-5a 6.3.2 焊接材料 表6-9 热轧钢及正火钢焊接时可选用的焊接材料 强度等级 钢材牌号 焊条电弧/MPa 焊 埋弧焊 电渣焊 C焊 焊条型号 焊丝牌号 焊剂牌号 焊丝牌号 焊剂牌号 焊丝牌号 294 Q295 (09Mn2、09MnV)E4303 E4301 E4316 E4315 H08A H08MnA HJ431 H08Mn2SiA 20921-5a 表6-9 热轧钢及正火钢焊接时可选用的焊接材料 343 Q345(16Mn、14MnNb)Q295(12Mn)E5003 E5001 E5016 E5015 HJ4
21、31 I形坡口对接 H08A 中厚板开坡口对接 H08MnA H10Mn H10MnSi H08MnMoA HJ431 HJ360 H08Mn2SiA 厚板深坡口 H08MnMoA HJ350 H08Mn2MoV A 20921-5a 表6-9 热轧钢及正火钢焊接时可选用的焊接材料 393 Q390 (15MnV、15MnTi、16MnNb)E5003 E5001 E5016 E5015 E5015?G E5515?G I形坡口对接 H08A HJ431 H08Mn2MoV A HJ431 HJ360 H08Mn2SiA 中厚板开HJ431 坡口对接 H08MnA H10Mn H10MnSi
22、厚板深坡口 H08MnMoA HJ350 HJ250 20921-5a 表6-9 热轧钢及正火钢焊接时可选用的焊接材料 442 Q420 (15MnVN、14MnVTiRE)E5015?G E5515?G E6016?D1 E6015?D1 H08MnMoA H08MnVTiA HJ431 HJ350 H10Mn2MoV A HJ431 HJ360 20921-5a 6.3.2 焊接材料 表6-9 热轧钢及正火钢焊接时可选用的焊接材料 强度等级 钢材牌号 焊条电弧/MPa 焊 埋弧焊 电渣焊 C焊 焊条型号 焊丝牌号 焊剂牌号 焊丝牌号 焊剂牌号 焊丝牌号 491 14MnMoV 18MnMo
23、Nb E6016?D1 E6015?D1 E6016?D1 E7015?G H08Mn2MoA H08Mn2MoV A HJ250 HJ350 H10Mn2MoA H10Mn2MoV A HJ431 HJ360 HJ250 HJ350 20921-5a 6.3.2 焊接材料 2.低碳调质钢的焊接材料 20921-5a 6.3.2 焊接材料 表6-10 低碳调质钢焊接可用的焊接材料 钢材牌号 焊条电弧焊 焊条型号或牌号 埋弧焊 焊丝牌号 焊剂牌号 气体保护焊 焊丝牌号 保护气体 14MnMoVN E7015?D2 E8515?G H08Mn2MoA HJ350 H08Mn2NiMoVA H08M
24、n2NiMoA HJ250 H08Mn2Si H08Mn2Mo C 14MnMoNbB H14(Mn?Mo)E8515?G H08Mn2MoA HJ350 H08Mn2Ni2CrMoV A HQ60 E6015 E6016?G E6017 H08MnNiMoA H08MnSiMoA Ar+20%C 或C 20921-5a 表6-10 低碳调质钢焊接可用的焊接材料 HQ70 E7015?G E7015?G E7015?G E8015?G E9516?G H08Mn2NiMoA Ar+20%C 或C HQ80C HQ100 H08MnNi2MoA H08MnNi2CrMoV A Ar+20%C A
25、r+(520)%C 20921-5a 6.3.2 焊接材料 3.中碳调质钢的焊接材料 20921-5a 6.3.2 焊接材料 表6-11 中碳调质钢焊接可用的焊接材料 钢材牌号 焊条电弧焊 焊条型号或牌号 埋弧焊 焊丝牌号 焊剂牌号 气体保护焊 焊丝牌号 保护气体 30CrMoA E10015?G H20CrMoA HJ260 H20CrMoA H08Mn2Mo Ar 20921-5a 表6-11 中碳调质钢焊接可用的焊接材料 30CrMnSiA E8515?G E10015?G HT?1(H08A焊芯)HT?1(H08CrMoA焊芯)HT?3(H08A焊芯)HT?3(H08CrMoA焊芯)H
26、T?4(HGH41焊芯)HT?4(HGH30焊芯)H20CrMoA HJ431 H08Mn2SiMoA H08Mn2SiA C H18CrMoA HJ431 HJ260 H18CrMoA Ar 20921-5a 表6-11 中碳调质钢焊接可用的焊接材料 30CrMnSiNi2A HT?3(H08CrMoA焊芯)HT?4(HGH41焊芯)HT?4(HGH30焊芯)E5515?B2?VN6 E8515?G E2?11MoVNiW?15 E8515?G H18CrMoA HJ350?1 HJ260 H18CrMoA Ar 30CrMoVA H20CrMoA HJ260 H20CrMoA Ar 34C
27、rNi3MoA H20Cr3MoNiA Ar 20921-5a 表6-11 中碳调质钢焊接可用的焊接材料 40CrMnSiMoVA E10015?G HT?3(H18CrMoA焊芯)HT?2(H18CrMoA焊芯)20921-5a 6.3.3 接头设计和辅助措施 1.接头设计 图6-5 对接接头的几种坡口形式 a)卷边坡口(板厚12mm)b)I形坡口(板厚16mm)c)Y形坡口(板厚326mm)d)X形坡口(板厚10mm)e)U形坡口(板厚2060mm)f)双U形坡口(板厚30mm)20921-5a 6.3.3 接头设计和辅助措施 2.焊前预热 20921-5a 6.3.3 接头设计和辅助措施
28、 表6-12 常用低合金钢推荐的预热温度范围 钢 号 Q345(16Mn)、SM50、HT50、17Mn4、19Mn6、15Mo3、15MnV、15MnTi、SA?299 20MnMo、HT60、12CrMo、15CrMo、13CrMo44、StE47、SA?387?P12 14MnMoV、18MnMoNb、13MnNiMo54、HT70、StE60、SA?387?P22、10CrMo910、22NiCrMo37 13CrMoV42、StE70、HT80、24CrMoV55、12Cr2MoWVTiB 板厚/mm 30 预热温度范围/100150 15 150200 10 150200 6 15
29、0200 20921-5a 6.3.3 接头设计和辅助措施 3.焊后热处理(1)焊后低温热处理 如前所述，焊后低温热处理是在焊接结束后将焊件或整条焊缝立即加热到 150250温度范围内并保持一段时间的一种处理工艺，主要目的是降低接头在低温转变区的冷却速度，以降低接头的冷裂倾向。(2)消除应力处理 这种焊后热处理措施主要用于板厚较大、焊接残余应力较大、低温工作、承受动载荷或有应力腐蚀要求，以及尺寸稳定性要求的结构。20921-5a 6.3.3 接头设计和辅助措施(3)焊后正火处理 对于正火钢的焊接接头来讲，处于过热区的部位由于承受较高的温度而破坏了具有良好综合性能的正火态组织，使其回到了正火前的
30、热轧状态，通过焊后正火处理，可以使组织再恢复到焊前状态。(4)焊后调质处理 当低合金高强度钢的强度级别达到500 MPa时，焊后调质处理可以提高接头的强度和韧性。20921-5a 6.3.3 接头设计和辅助措施 表6-13 几种低合金高强度钢的焊后热处理温度 强度等级/MPa 295 345 钢材牌号 Q295(09Mn2、09MnV)Q345(16Mn、14MnNb)Q295(12Mn)Q390(15MnV、15MnTi、16MnNb)回火温度/580620 正火温度/900940 900940 消除应力处理温度/550600 550600 390 620640 910950 600650
31、442 491 Q420(15MnV620640 N、14MnVTiRE)14MnMoV 18MnMoNb 640660 620640 910950 920950 600660 600660 20921-5a 6.4 典型低合金高强度钢的焊接 在正火状态下，钢材具有优良的低温冲击韧度，50mm厚板抗层状撕裂性能良好。通过焊接性研究表明，该钢材采用低热输入焊接时，焊接热影响区会产生淬硬组织，具有一定的冷裂敏感性；而采用较高热输入焊接时，热影响区的粗晶区有过热脆化倾向。20921-5a 6.4.1 正火钢Q345(14MnNb)的焊接 图6-6 箱形梁结构示意图 20921-5a 6.4.1 正火
32、钢Q345(14MnNb)的焊接 1.手工定位焊焊接工艺 2.对接接头埋弧焊焊接工艺 3.开坡口角接头埋弧焊焊接工艺 4.棱角接头埋弧焊焊接工艺 20921-5a 6.4.2 低碳调质钢HQ80C的焊接 图6-7 40t汽车起重机的活动支腿结构 20921-5a 6.4.2 低碳调质钢HQ80C的焊接 表6-14 40t汽车起重机用HQ80C钢活动支腿焊接工艺 项目 焊前处理 接头形式 焊缝形式 焊接位置 焊道数 焊接顺序 内 容 组装前经抛丸处理，去除钢板表面的氧化皮、油污及其他杂物 棱角接头 熔透焊缝 平焊 4道 先焊4条内角缝，从外部清根至露出内角缝焊肉，再焊外角各焊缝 焊丝摆动 预热及
33、层间温度 焊丝 保护气体 气体流量 施焊时焊丝不做横向摆动，焊道宽812mm，焊缝高46mm 100125，预热火焰头距板面不小于50mm HS?80A(H08MnNi2MoA),?12mm Ar+20%C，严格控制C气体中的水分 1015L/min 20921-5a 表6-14 40t汽车起重机用HQ80C钢活动支腿焊接工艺 焊接电流 电弧电压 热输入 焊后修磨 其他 打底内角焊缝 120150A 填充和盖面焊缝 270300A 1822V 约10kJ/mm 每一道焊缝清理干净后，方可施焊下一焊道；焊后必须用砂轮修磨焊缝，去除焊接飞溅，不允许存在外观缺陷 严禁在非焊接区打火引弧 20921-
34、5a 6.4.3 中碳调质钢35CrMoA的焊接 图6-8 35CrMoA钢组合齿轮结构 20921-5a 6.4.3 中碳调质钢35CrMoA的焊接 表6-15 35CrMoA钢组合齿轮的焊接工艺 焊接方法 接头形式 焊接位置 预热 焊后热处理 夹具 对接 平焊 无 无 可实现自动焊的特制夹具 实芯焊丝熔化极气体保护焊 保护气体 焊丝 焊接电流 电弧电压 焊接速度 C H08Mn2SiA，?08mm 95100A 2122V 78mm/s 20921-5a 6.4.3 中碳调质钢35CrMoA的焊接 1.论述低合金高强度钢焊接热裂纹的敏感性及防止措施。2.论述低合金高强度钢焊接冷裂纹的敏感性及防止措施。3.论述低合金高强度钢焊接接头再热裂纹的敏感性及防止措施。4.论述低合金高强度钢焊接热影响区的脆化和软化倾向及防止措施。5.分析低碳调质钢焊接中存在的问题、产生的原因，提出相应的解决办法。6.分析中碳调质钢焊接中存在的问题、产生的原因，提出相应的解决办法。20921-5a 6.4.3 中碳调质钢35CrMoA的焊接 7.在低碳调质钢、中碳调质钢的焊接中，焊接热输入及焊接材料的选择有何不同？8.论述低碳调质钢的焊接工艺要点。20921-5a
