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1、第8章 合金结构钢及铸铁的焊接,第8章 合金结构钢及铸铁的焊接,主要内容 介绍合金结构钢和铸铁的种类、性能、焊接性及其焊接工艺特点。,2020/7/8,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,2,第1节 合金结构钢的焊接,一、合金结构钢的分类 强度用钢 热轧正火钢：非热处理强化钢，一般在热轧或正火状态下供货，主要靠固溶强化、增加珠光体的相对量、细化晶粒及沉淀强化来保证强度。 低碳调质钢：wC0.25，依靠淬火、高温回火热处理工艺(调质处理)来强化，强度高、塑韧性好。 中碳调质钢：wC0.3，s880MPa。调质处理后具有很高的强度和硬度，而韧性低，因此焊接性较差。,2020/7/8,3,第八章 合金结
2、构钢及铸铁的焊接,第1节 合金结构钢的焊接,二、合金结构钢的焊接性 （一）钢的成分、组织和性能 热轧正火钢：WC0.2，合金元素含量3%，基本上属于C-Mn系和Mn-Si系（WMn1.8%，WSi0.6%固溶强化）。还可加入沉淀强化的V、Nb、Ti、Mo等元素。s=294343MPa 低碳调质钢：WC0.22，添加一些提高钢的淬透性和马氏体回火稳定性的元素如Mn、Cr、Ni、Si、V、Mo、Ti、Nb、B等，可推迟珠光体和贝氏体的转变，使产生马氏体转变的临界冷却速率降低，从而提高淬透性和抗回火性。s=490980MPa的高强钢必须通过淬火、高温回火的调质处理进行强化并获得良好综合性能。,202
3、0/7/8,4,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,14MnNbq钢的CCT图,HQ70钢CCT曲线,第1节 合金结构钢的焊接,（二）高强钢的焊接性分析 1、结晶裂纹问题 其产生与焊缝中的杂质(如硫、磷、碳等)含量有关。 锰具有脱硫作用，从而可提高焊缝的抗结晶裂纹性。为了防止硫引起的结晶裂纹，随含碳量的增加，Mn/S的比值也随之增加。,2020/7/8,6,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,第1节 合金结构钢的焊接,防治措施 冶金措施： 调整焊缝主要成分，缩小脆性温度范围； 控制硫、磷、碳等有害杂质的含量； 一些重要结构采用碱性焊条或焊剂； 细化晶粒； 利用易熔共晶的“愈合”作用。 工艺措施： 预热
4、；增大焊接线能量；改变接头形式；焊接次序合理,2020/7/8,7,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,第1节 合金结构钢的焊接,热轧正火钢wC低，一般不会产生结晶裂纹；低碳调质钢wC低且控制了S、P杂质，结晶裂纹的敏感性也较小；中碳调质钢wC和合金化元素的含量均较高，结晶区较宽，会引起较大偏析，故有较大的结晶裂纹倾向。 中碳调质钢的焊接尽量选择含C、S、P杂质少的焊接材料，工艺上注意不产生应力集中。,2020/7/8,8,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,第1节 合金结构钢的焊接,2、液化裂纹问题 液化裂纹产生的原因 母材晶粒边界的低熔点共晶物，在焊接热循环的作用下熔化，形成液相。当焊接熔池冷却时
5、，低熔点共晶物未完全重新凝固之前，接合区就已受到较大应变，则在这些晶界上就会出现裂纹。晶间液层的熔点越低，凝固时间越长，则液化裂纹的倾向越大。液化裂纹多产生于C、S、P杂质较高的母材与焊缝的熔合边界。 解决措施： 降低S、P、Si、B等的含量。控制热输入和熔池形状。,2020/7/8,9,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,第1节 合金结构钢的焊接,3、冷裂纹问题 冷裂纹主要发生在高、中碳钢，低、中合金高强钢焊接热影响区，但某些超高强钢、钛及钛合金等，冷裂纹有时也发生在焊缝金属中。 成因 钢种的淬硬倾向：钢的淬硬倾向越大，越易产生冷裂纹。 焊接接头的应力状态。 氢的作用：高强钢焊接接头的含氢量越高
6、，则冷裂纹的敏感性越大。,2020/7/8,10,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,第1节 合金结构钢的焊接,焊趾裂纹：起源于母材与焊缝交界处，并有明显应力集中部位(如咬肉处)。 焊道下裂纹：常发生在淬硬倾向较大、含氢量较高的焊接热影响区。 根部裂纹：主要发生在含氢量较高、预热温度不足的情况下。,2020/7/8,11,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,第1节 合金结构钢的焊接,防止措施 选用低氢的焊接材料和焊接工艺，严格控制氢的来源； 采用低匹配焊条、奥氏体焊条，加入适当合金元素提高焊缝塑性； 合理选择焊接线能量、预热、焊后后热、焊后热处理,2020/7/8,12,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接
7、,第1节 合金结构钢的焊接,热轧钢一般淬硬倾向小。强度较高时要求预热。 正火钢随着强度的增大冷裂倾向增大。 低碳调质钢淬透性较大，但马氏体含碳量较低，Ms点较高，此时可以配合工艺条件进行“自回火”获得回火马氏体，避免冷裂纹的产生。 中碳调质钢难以产生“自回火”效应，对冷裂纹敏感，焊接时必须预热，焊后及时回火。,2020/7/8,13,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,第1节 合金结构钢的焊接,4、再热裂纹问题 再热裂纹的主要特征 都发生在焊接热影响区的粗晶部位并呈晶间开裂。 进行消除应力处理之前焊接区存在较大的残余应力并有不同程度的应力集中。 产生再热裂纹存在一个最敏感的温度区间，这个区间与再热
8、温度及再热时间有关。 含有一定沉淀强化元素Cr、Mo、V、Nb等的金属材料才具有产生再热裂纹的敏感性。碳素钢和固溶强化的金属材料，一般都不产生再热裂纹。 措施：减小焊接线能量，提高预热温度或焊后立即后热。,2020/7/8,14,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,第1节 合金结构钢的焊接,5、层状撕裂问题 沿钢板轧制方向出现 呈阶梯状，由平行于轧向的平台和大体垂直于平台的剪切壁所组成。 常出现在T形接头、角接头和十字接头中，一般对接接头很少出现，但在焊趾和焊根处由于冷裂的诱发也会出现层状撕裂。,2020/7/8,15,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,第1节 合金结构钢的焊接,影响层状撕裂的因素
9、非金属夹杂物的种类、数量和分布形态是产生层状撕裂的基本原因。 厚壁结构在焊接过程中承受不同程度的Z向拘束应力是造成层状撕裂的力学条件。 在焊接热影响区附近，由冷裂诱发成为层状撕裂中氢是一个重要的影响因素；但远离热影响区的母材处产生的层状撕裂，焊缝中的氢不会产生影响。,2020/7/8,16,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,第1节 合金结构钢的焊接,2020/7/8,17,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,c）铝酸盐引起的,第1节 合金结构钢的焊接,防止措施 选用抗层状撕裂的钢材。 改变接头形式。 防止冷裂诱发成为层状撕裂。,2020/7/8,18,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,第1节 合金结构
10、钢的焊接,6、热影响区脆化 熔合区、过热区和部分相变区（不完全重结晶区）脆化严重。 （1）热轧钢的脆化 当含碳量偏低(wC0.2%)时：采用大热输入焊接时，过热区奥氏体晶粒粗大，冷却时会形成粗大的魏氏组织而发生脆化；采用小热输入时，可减小晶粒粗化现象，并且快冷时容易形成韧性较好的低碳马氏体，可避免热影响区脆化。 当含碳量偏高时(wC0.2%)时：大的热输入会形成魏氏组织脆化，小的热输入会形成淬硬马氏体而发生脆化。,2020/7/8,19,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,第1节 合金结构钢的焊接,（2）正火钢的脆化 正火钢的强化方式是固溶强化+沉淀强化。 在焊接热循环作用下，近缝区加热温度高，母
11、材中沉淀相如TiC、VC、VN等将溶入奥氏体中，沉淀相的钉扎晶界作用消失，奥氏体晶粒显著粗化。在冷却过程中，由于Ti、V扩散能力很低，来不及充分析出，而固溶在铁素体中导致铁素体硬度升高，韧性下降。 （3）低碳调质钢的脆化 当冷却速度不当时，热影响区也会由于奥氏体晶粒粗化和形成上贝氏体和M-A组元而发生脆化。 （4）中碳调质钢的脆化 过热区很容易形成脆硬高碳马氏体，冷速越大，脆化严重。 一般采用预热、缓冷及合适的热输入来降低过热区脆化程度。,2020/7/8,20,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,第1节 合金结构钢的焊接,7、热影响区的软化 焊接调质钢时，在Ac1温度以下，热影响区受热温度峰值超
12、过母材调质处理时的回火温度就会出现软化现象，软化程度大小与焊前母材的回火温度有关。 母材调质时，回火温度越低，软化区就越宽，软化越严重。如焊前母材为退火状态，就不存在软化问题。 热影响区软化程度还与焊接热输入和预热温度有关，热输入越大，预热温度越高，其软化程度越大。 对低碳调质钢，采用小的热输入既可减轻软化程度又有利于防止脆化。但对中碳调质钢，采用小热输入可减小软化，但同时要注意过热区的脆化和冷裂纹问题。,2020/7/8,21,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,第1节 合金结构钢的焊接,（三）高强钢的焊接工艺 焊接工艺包括：焊接方法的选择、焊接材料的选择、焊接规范的确定、热处理工艺的制定、焊接
13、装配、焊接顺序的制定 1、热轧和正火钢的焊接工艺 焊接方法的选择：通常可采用焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊和电渣焊等方法进行焊接，宜选用小热输入。厚大工件、母材合金元素较多的钢种可采用偏小热输入及预热措施，控制层间温度以防止产生裂纹。,2020/7/8,22,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,第1节 合金结构钢的焊接,焊接材料的选择：强度级别不高时选用酸性焊条、高锰高硅焊剂；强度级别高时选用低氢型焊条、中硅焊剂。 焊接接头的热处理：热轧钢不必进行焊后热处理；正火钢焊接后应及时进行消除应力处理, 以防止裂纹；电渣焊接头的焊缝和热影响区存在严重的魏氏组织，通常均需经过正火、回火处理，以细化组织；对含
14、Mo、V的焊接接头进行消除应力处理时，要防止再热裂纹的形成。,2020/7/8,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,23,第1节 合金结构钢的焊接,2、低碳调质钢的焊接工艺 焊接方法的选择：应选择能量密度高，热源集中的焊接方法，如钨极和熔化极气体保护焊。如选择焊条电弧焊和埋弧焊方式，其焊接热输入应偏小些。 焊接材料的选择：必须使焊缝的性能接近于母材。焊条电弧焊时选用低氢型焊条，埋弧焊时应选择中硅焊剂。 焊接接头的热处理：低碳调质钢焊后不必再进行热处理。对于电渣焊接头或热输入较大的埋弧焊接头, 为消除应力、改善组织和性能，焊后应进行调质处理。,2020/7/8,24,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,
15、第1节 合金结构钢的焊接,3、中碳调质钢的焊接工艺 焊接方法的选择：一般在退火状态下进行焊接，焊后整体进行调质处理，常用焊接方法都能用； 在调质状态下焊接时，必须正确选择预热温度及焊后及时回火处理；为减少热影响区的软化，应采用热源集中，能量密度大的焊接热源，而且以小热输入量为宜，最好采用氩弧焊；为防止冷裂纹，热输入不能太大，提高预热温度、层间温度，焊后应及时进行调质处理。 焊接材料的选择：要保证焊缝和母材调质处理后具有相同的性能，并严格控制焊缝中杂质及有害元素(如C、Si、S、P等)。 焊接接头的热处理：退火状态下焊接，焊后整体进行调质处理；调质状态下焊接，必须焊后及时回火处理。,2020/7
16、/8,25,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,第1节 合金结构钢的焊接,（四）特殊用钢的焊接性(自学） 1、珠光体耐热钢的焊接 一般在正火回火或淬火回火状态下焊接，在热影响区中会出现硬化和软化现象，还有冷裂纹和再热裂纹倾向。 常采用的方法有：焊条电弧焊、埋弧焊、电渣焊等方法，有时还用CO2气体保护焊。 采用焊条电弧焊时，一般用钼和铬钼耐热钢焊条。 埋弧焊常用低锰中硅HJ250或中锰中硅HJ350配H08CrMoA、H10CrMo、H08CrMoVA等焊丝。 尽可能选择小热输入和预热的方法。,2020/7/8,26,第八章 合金结构钢及铸铁的焊接,第1节 合金结构钢的焊接,2、低温钢的焊接 影响低温韧性的因素：化学成分、显微组织、晶粒度和热处理状态。 低温钢分为无镍钢和含镍钢两大类。无镍钢的碳当量和杂质含量均较低，焊接接头一般不会产生裂纹和硬化现象，但焊接主要问题是焊缝和近缝区的晶粒粗化而使韧性降低。 焊接材料的选择原则是保持焊缝中有足够的Mn和Cu，同时还渗入Mo、W、Nb、V、Ti等元素，使晶粒细化。加入Mo可控制回火
