热轧正火钢焊接

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1、,8.3 热轧正火钢的焊接,Q235A,Q345E,16Mnq（南京长江大桥）,Q460，化学成分16Mn钢为基础，不添加V元素，添加约0.02的Nb元素，采用控轧控冷工艺(TMCP)主要依靠晶粒细化和析出强化提高钢材强度。（鸟巢）,材料：Q460,S355K2G3 （16Mn）,以“渤海8号” 自升式钻井平 台为例，悬臂 梁选用588 MPa级高强 度钢，牌号为 WELLEN60。,铜合金螺旋桨ZQAl10-3Fe-1.5Mn,一、热轧、正火钢的成分及性能,屈服强度 s为295490MPa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。常用热轧或正

2、火钢的化学成分和力学性能见表2-7和表2-8。,一、热轧、正火钢的成分及性能,一、热轧、正火钢的成分及性能,合金系：C-Mn或C-Mn-Si系，主要靠Mn、Si的固溶强化作用提高强度（在特殊状态下加入了少量的V和Nb沉淀强化和细晶强化）。 在低碳条件下（ wC0.2% ），wMn1.6，wSi0.6时，可以保持较高的塑性和韧性。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。因此，合金元素的用量与钢的强度水平都受到限制。,1.热轧钢,热 轧 钢,热轧钢通常为铝镇静(A

3、l脱氧)的细晶 粒铁素体珠光体组织的钢,屈服强度为295-390MPa的 普通低合金钢都属于热轧钢,一、热轧、正火钢的成分及性能,使用状态：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。,一、热轧、正火钢的成分及性能,Q390（15MnTi） 以Q345（16Mn）为基础，加入Ti（0.120.20%）、降低C含量(0.20%降为0.18%)。固溶+沉淀强化，性能优于16Mn。一般在正火态使用。

4、 Q390（15MnV） 与 Q390（15MnTi）相似，主要用V代替Ti（0.040.12%），V细化晶粒和沉淀强化,典型钢种：Q345(16Mn) Ceq=0.49是我国于1957年研制生产和应用最广泛的热轧钢。,一、热轧、正火钢的成分及性能,热轧钢的综合力学性能好，焊接性及其他的加工性好，而且原材料资源丰富，冶炼工艺简单，价格便宜，因而在国内外都得到普遍应用。,一、热轧、正火钢的成分及性能,就是在Q345（16Mn）固溶强化的基础上，加入一些碳、氮化合物形成元素(如V、Nb、Ti和Mo等)，使钢中合金元素形成的碳、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，产生

5、沉淀强化，并起细化晶粒的作用，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。要求钢的s390MPa时，必须加强合金元素的沉淀强化和细晶强化作用进行固溶强化。 成分特点： 热轧钢的成分 + V、Ti、Mo、Nb 强化机理： 固溶强化 + 沉淀强化+细化晶粒,一、热轧、正火钢的成分及性能,2.正火钢,主要是含(V，Nb:0.15%0.20% )、Ti的钢，Q390(15MnTi、16MnNb)利用V、Nb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，有可能适当地降低钢中的含碳量，对改善材料的焊接性和韧性都是有利的。加入少量N(N0.

6、012%0.02%)的Mn-V-N钢，由于增加了氮化钒的沉淀强化作用，可以提高钢的屈服强度到420MPa Q420(15MnVN)。,其主要特点是屈强比（s/b）较高,一、热轧、正火钢的成分及性能,1）正火状态下使用的钢,正火钢中的Mo钢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正火状态下使用的钢和正火+回火状态下使用的含Mo钢两种。,低合金钢中加入一定量的Mo（0.5） ，可细化晶粒，提高强度，提高钢材的中温性能。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，韧性和塑性指标不高，因此正火钢必须回火后才能保证获得良好的塑性和韧性。 典

7、型钢种：14MnMoV和18MnMoNb。,一、热轧、正火钢的成分及性能,2）正火+回火状态下使用的含Mo钢,13MnNiMoNb钢是我国在80年代末引进国外配方研制而成的。由于含碳量低(wC0.16)，合金化配方合理，因此这种钢具有较高的强度和韧性，并有良好的焊接性，特别是对再热裂纹的敏感性很低。因此，13MnNiMoNb钢在制造高压锅炉气包及其它高压容器中得到广泛应用。,一、热轧、正火钢的成分及性能,13MnNiMoNb,Mn-Mo系中加入少量的Nb，可以进一步提高钢的强度，18MnMoNb钢的490MPa。这种钢主要用于制造高压锅炉气包。但由于含碳量较高(wC =0.170.23)，焊接

8、性不如13MnNiMoNb，而且在正火+回火状态的力学性能不够稳定。80年代末，13MnNiMoNb取代了部分18MnMoNb。,18MnMoNb,表8-9中的D36钢是属于保证厚度方向性能的低合金钢，又称Z(即厚度方向)向钢。 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 0.006%）、气体含量低和Z向断面收缩率高（Z35%）等特点。屈服强度s343MPa。,Z向钢,一、热轧、正火钢的成分及性能,3微合金控轧钢,X60是微合金化控轧钢，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（加入微量Nb、V、Ti 、

9、Mo、B、RE对钢的组织性能有显著或特殊影响的微量合金元素，质量分数为0.1%左右）及炉外精炼、控轧、控冷等工艺，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（热轧钢的晶粒是带状的）。获得细化晶粒和良好的综合力学性能。由于淬透性高，空冷时即可获得韧性较高的低碳马氏体或下贝氏体。 所谓控轧即控制轧制温度，采用较低的轧制温度(接近于A3，约850)，在大压力的情况下使已经细化的奥氏体晶粒不再长大，冷却后的晶粒比正火钢略细（正火钢的奥氏体化温度一般为900） ，强度也略高，从而获得高强度、高韧性和良好的

10、焊接性。但降低轧制温度，使控轧钢的厚度受到了限制，一般厚度超过12mm，细化晶粒和沉淀强化的效果都将受到影响。这种钢主要用于制造石油、天然气的输送管线，故又称为管线钢。,一、热轧、正火钢的成分及性能,3微合金控轧钢,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。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。

11、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等工业的需要，这类钢还将在更多的钢结构中得到应用。 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,一、热轧、正火钢的成分及性能,一、热轧、正火钢的成分及性能,正火钢的强化方式多于热轧钢，因此其强度一般高于热轧钢， 另外也可以看出，热轧及正火钢基于其强化机理，强度直接取决于合金元素的含量，强度要求越高，所需加入的合金元素元素越多，但

12、合金元素增加所带来的塑性、韧性损失越大。 热轧及正火钢价格便宜，综合力学性能较好,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。,一、热轧、正火钢的成分及性能,低合金钢的焊接性主要取决于它的化学成分和轧制工艺，钢中元素对焊接性影响最大的是碳。热轧及正火钢属于非热处理强化钢，碳及合金元素的含量都比较低，总体来看焊接性较好。但随着合金元素的增加和强度的提高，焊接性也变差。焊接的问题主要来自两方面：焊接裂纹与热影响区母材性能下降。, 裂纹问题 接头的脆化问题,二、热轧及正火钢的焊接性分析,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

13、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。 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。,1冷裂纹及影响因素,二、热轧及正火钢的焊接性分析,冷裂 纹的 影响 因素,碳当量 （CE）,淬硬 倾向,热影响区 最高硬度,热轧钢的 淬硬倾向,正火钢的 淬硬倾向,二、热轧及正火钢的焊接性分析,适用于中等

14、强度的非调质低合金钢(b=400700MPa),适用于强度级别较高的低合金高强钢(b=5001000MPa),这两个公式只适用于wC0.18%的钢种。,适用于wC0.17%，b=400900MPa的低合金高强度钢,CE 为国际焊接学会的碳当量公式 Ceq为日本常用的碳当量公式 Pcm为合金元素的裂纹敏感指数,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。,（1）碳当量（CE）,二、热轧及正火钢的焊接性分析,在实际中， CE应用相当普遍 一般认为CE0.4%时，钢材在焊接过程中基本无淬硬倾向，冷裂敏感性小。屈

15、服强度295390MPa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。 CE =0.4%0.6%时，钢材塑性下降，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。 CE 0.6%时，钢材塑性较低，淬硬倾向很强，焊接

16、区易产生冷裂，焊接性不好。焊前须较高温度预热到，焊接时要采取减少焊接应力和防止开裂的工艺措施，焊后要进行适当的热处理，才能保证焊接接头质量。,二、热轧及正火钢的焊接性分析,M或M+B+F 混合组织时,而产生B或 B+F组织时,焊 接 热 影 响 区,对氢致 裂纹敏感,对氢致裂 纹不敏感,从材料本身看，淬硬组织是引起冷裂纹的决定因素。焊接时是否形成对氢致裂纹敏感的组织是评定材料焊接性的一个重要指标。,淬硬倾向可以通过HAZ的SHCCT或母材的CCT图来进行分析（图3-4）。,(2) 淬硬倾向,二、热轧及正火钢的焊接性分析,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（图2-4a上的c点以左）铁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