《现代高强钢焊接性分析及工程案例研讨》由会员分享，可在线阅读，更多相关《现代高强钢焊接性分析及工程案例研讨（51页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、,高强钢的焊接性分析及工程案例,唐山松下产业机器有限公司 焊接技术应用中心（FATC） 2008年10月,高强钢的发展及对焊接性的要求,管线钢、压力容器用钢、舰艇钢、桥梁钢、建筑结构钢、铁路重轨钢、电力及化工石油设备、汽车车辆、工程机械、海上采油平台钢等多种焊接结构用钢均已开始采用高强钢。 其中管线钢是高强钢中发展最早、应用最成熟的钢种。 应用高强钢能够减轻焊接结构的质量，节约材料和缩短焊接工期；使焊接产品和结构不但经济，而且可以提高生产效率和使用性能。 高强钢的焊接性和结构的可靠性及安全性是高强钢应用的重要课题。,高强钢的设计思想(高强与高韧性匹配),过去传统高强钢只注重钢材本身的性能，对焊
2、接性考虑很少，而高强钢则是从提高钢的强韧性及改善焊接性两个方面入手解决新钢种的冶金问题。 (1) 成分设计思想 打破传统的C、Mn、Si系钢的设计思想，而是采用降碳、多种微量元素（如V、Nb、Ti、Cu、Re、B等）合金化，并通过控轧控冷（TMCP）工艺提高强度，保证综合的力学性能。该类钢种具有如下成分特征： 降碳，是为了改善塑性、韧性和焊接性 碳是最主要的强化元素，但会强烈的恶化塑韧性和焊接性。因此，新钢种都严格控制碳含量，如X70、X 80钢中的碳含量小于0.07，有的甚至达到超低碳（0.03%以下)水平。, 微合金化技术 通过向钢中加入少量合金元素如Ti、V、Nb、Al、Re、B等细化晶
3、粒、净化基体，并实现沉淀强化 细小弥散的碳氮化物、氧化物如TiN、Ti(C、N)、TiO等,其中Ti的细化晶粒作用最强 。 高洁净化：通过精炼，清除杂质，净化基体，控制S、P、O、N、H 的含量。钢中杂质： 普低钢： S+P+O+N+H250PPm 经济洁净钢: S+P+O+N+H120PPm 超洁净钢: S+P+O+N+H 50PPm 现在我国微合金钢杂质含量水平: w(S) 、w(P) 30 PPm w(O) 10 PPm w(H) 1 PPm,(2) 轧钢工艺 采用控轧控冷（TMCP）新技术，即控轧后立即加速冷却，以细化晶粒，在提高强度的同时提高塑韧性。 传统的细晶粒钢：晶粒直径100m
4、。 TMCP细晶钢： 晶粒直径1050 m； 超细晶粒钢： 晶粒直径0.110 m 。 (3) 焊接性要求: 冷裂纹敏感系数：Pcm0.2%，碳当量：CE0.4% 采用上述技术思想已经开发出了多种新钢种，如结构钢、压力容器用钢、建筑用钢、海上采油平台用钢、管线钢X60、X65、X70、X80、X100 、X120。对于X80以下的钢级，我国已经能够正常生产并供货。, 控制焊接工艺参数 控制焊接工艺参数 线能量：E=IU/V （J/cm）、预热、层温、后热等 ； 控制高温停留时间 tH和 t8/5（800500冷却时间），避免晶粒长大； 避免第二相粒子的集聚长大和不均匀的溶解与析出； 获得高韧性
5、的组织。,低合金高强钢的焊接性分析,低合金高强钢从 Q345（16Mn）再到Q360、Q390，一直到目前大面积推广采用的Q420、Q460等。 高强钢冷裂敏感性、再热裂纹敏感性、层状撕裂敏感性。 焊接材料和焊接工艺参数对高强钢焊接接头性能的影响，确定与之相匹配的合适焊材并焊接工艺优化。,传统钢的焊接性,传统钢合金结构钢是通过提高碳和合金元素的含量并配合适当的热处理来提高钢的强度的，且韧性偏低。设计时并未考虑焊接性的需要，因此在焊接时焊接性问题比较突出。主要的焊接性问题是： （1）焊接裂纹（包括冷裂纹、热裂纹、再热裂纹、层状撕裂等） （2）脆化（过热脆化、淬硬脆化、混合组织脆化、析出脆化、应变
6、时效脆化） （3） 软化（调质钢） 焊接这类钢时往往需要预热比较高的温度，严格控制工艺参数，并采取必要的工艺措施才能保证焊接接头的焊接性。 （4）问题部位：往往是出现在HAZ，而不是焊缝。,微合金钢的焊接性,裂纹倾向 由于管线钢采用低碳、多种微量元素合金化，严格控制了S、P 含量， Pcm0.2，Ceq 0.4。因此，管线钢的热裂倾向及冷裂倾向及脆化倾向均较小。焊接时预热温度较低。 但当C、S、P发生偏析时，热裂倾向依然较大。埋弧焊时应采用高碱度焊剂。 管道野外安装时，由于常用纤维素焊条打底，含氢量高，加之装配应力较大，冷裂纹倾向逐渐增大，需要采用预热、低氢等措施。 强度级别低于600MPa时
7、（如X80以下的钢种），裂纹一般在HAZ起裂, 也可能向焊缝扩展。 强度级别高于600MPa时（如管线钢 X100, X120等), 裂纹倾向增大，裂纹既可能出现在HAZ，又可能在焊缝中。具体起裂位置取决于氢的扩散及母材和焊缝的Ms点。 裂纹位置可用焊缝及HAZ的马氏体转变点作判据。,焊接热影响区 的脆化及韧化,焊接热影响区的局部脆化示意图,X80钢热影响区的韧性分布(-20 ),IRCGHAZ,SCGHAZ,焊缝金属的合金化 微合金高强钢通过冶炼、控轧控冷及微合金化技术相结合实现了细晶化、纯净化，从而实现了强韧性的最佳配合。这就要求与之匹配的焊接材料也必须实现细晶化和洁净化。否则焊缝的性能将
8、不能与钢种匹配，从而成为焊接接头的薄弱部位。 但是焊接材料既不能向炼钢那样实现洁净化，又不能通过控轧控冷实现细晶化，因而其强韧性的匹配难以实现。因此，研制与微合金高强钢匹配的焊接材料是焊接技术人员亟待解决的重要课题。 由上可知，微合金钢焊接时HAZ的焊接性问题已不像传统钢那样突出，而焊缝中的焊接性问题将突出出来。,焊缝的合金化可通过下面几条途径开展研究： 焊缝金属的洁净化 通过冶炼技术使焊丝、钢带中的杂质含量达到或超过微合金钢的水平； 控制焊缝中夹杂物的数量、种类、形态、尺寸及分布； 原辅材料的洁净化，严格控制原辅材料中各种铁合金、矿物质、保护气体中的杂质含量； 通过冶金反应清除杂质实现洁净化
9、。 焊缝金属的微合金化 焊缝金属不能象钢那样通过控轧控冷实现细晶化，只能通过微合金化，使焊缝出现足够量的针状铁素体来提高强韧性。这种组织只适用于600MPa级以下的钢种（如X80管线钢以下的钢级），对于更高钢级（如X100、X120等），可通过焊缝实现超低碳贝氏体来提高强韧性。,焊接热循环特性,焊接热循环中冷却时间 t8/5 的计算,二维热流 (薄板）： 三维热流（厚板）：,t8/5 计算式有关参数- 由此可了解诸因素作用,E-名义焊接线能量（J/cm) : E=IU/ V T0-预热温度（) -板厚（cm) 导热系数（J/cm.s.) : 0.28 c-容积比热容（J/cm3. ) : 6.
10、7 -热效率 K-预热修正系数（1.1-0.001T0) 2、3-接头形状修正系数,I-焊接电流(A); U-电弧电压（V); V-焊接速度(cm/s),热影响区性能一般特征,焊接缺欠分类,成型缺欠：咬边，焊瘤，余高，未焊透， 错边，焊脚尺寸不足，变形 结合缺欠：裂纹，气孔，未熔合 性能缺欠：硬化，软化，脆化，耐蚀性 恶化，疲劳强度下降,热影响区特点之一：硬化 例 ：碳当量对高强钢热影响区硬化的影响,热影响区特点之一：硬化 例：工艺参数对高强钢热影响区硬化的影响,16Mn-SMAW,=16mm,W I - 熔合线,热影响区特点 之二：软化 高强钢热影响区软化的控制,“硬夹软”的“约束强化效应”
11、,SJ -带软化区的接头屈服点 SR -软化区的屈服点 m=b / （ b-软化区宽度，-板厚） K-常数,焊接热影响区特点之三：脆化 例：焊接线能量对熔合区韧性的影响,不含V、Ti、Nb的高强钢，线能量E具有最佳值。 含有能形成碳化物或氮化物的元素V、Ti、Nb的高强钢，焊接时易过热，须限制线能量 E。,产生冷裂纹的三要素：,焊接接头中产生淬硬的马氏体组织 焊接接头中扩散氢HD 含量高 焊接接头中有较高的残余应力 冷裂纹评定方法： 碳当量估算法 斜 Y 抗裂性试验法 等 冷裂纹敏感指数估算法 （Pcm）,高强钢焊接冷裂纹, 冷裂三要素： 敏感组成 Pcm ； 扩散氢HD ；拘束度 RF 冷裂
12、敏感组成 Pcm 冷裂敏感指数 PW,T610L/T700/TH800汽车改装用高强钢 化学成分(%),T610L/T700/TH800高强钢力学性能和工艺性能,高强钢-管线钢的化学成分（）,高强钢-管线钢的力学性能,Domex700MC低合金高强钢的焊接,根据“低强匹配”的原则选择焊接材料。分别选用ER50-6实心焊丝和E91T1-B3药芯焊丝的焊接工艺。 在焊前不预热、焊后不热处理、焊接线能量8-12kJcm条件下用实心焊丝CO2气体保护焊进行多层多道焊； 在焊前预热、焊后进行后热处理、焊接线能量10-15kJcm条件下用药芯焊丝CO2气体保护焊焊接。 两种工艺焊接性良好 ，获得满意的综合
13、机械性能。 采用CO2气体保护焊时，接头热影响区的组织、性能优于埋弧焊 。,塔吊臂800MPa高强钢 H80/D80的焊接,在低碳锰钢的基础上通过加入适量的Cr,Ni,Mo,Cu等元素和V，Nb,Ti,B等微合金元素经热处理强化而成。 焊接过程中如果热输入集中或冷却速度较低，在焊接热影响区易发生软化或脆化现象，若冷却速度较快，焊接热影响区易发生淬硬组织，有出现冷裂和韧性下降的倾向。 焊前预热，改善母材金属的焊接性，延缓冷却过程，利于焊缝中氢的析出，降低接头内部的残余应力。 低热输入，小参数焊接。利于控制熔池形状，降低缺陷几率，减小变形，同时能细化晶粒，改善焊缝宏观组织；采用多层多道焊工艺，每层
14、焊道的厚度不超过3.5mm。 控制层间、道间温度，利用H80钢“自回火”特性改善焊缝微观组织，获得良好的强韧性能。 接头焊缝“残余应力不得大于屈服点的5%，残余应力不合格时，应进行焊后热处理”,WELDOX960低合金高强钢的焊接,WELDOX960低合金高强钢，具有细晶粒、超洁净度、高均匀性、高强度、高韧性和良好综合性能。 “低强匹配”原则选用瑞典生产的ED-FK 100高强焊丝+（Ar+CO2）混合气体保护焊工艺。 预热温度、焊接热输入和后热温度等工艺因素对接头强度、弯曲性能和热影响区冲击韧性的影响。 预热75、焊接线能量1012KJ/cm、层间温度8085的条件下进行多层多道焊接。 冷裂
15、和热裂敏感性小，接头屈服强度为928.8Mpa，失强率14.2，,高强钢焊接材料选用原则：,焊接性 （接合性能、实用性能） 工艺性 （操作性能、成形性能） 经济性 （生产效率、消耗费用） 注意因素： 1 母材的化学活性 2 不应追求焊缝成分与母材成分相同 3 焊缝成分不等于焊接材料成分 4 正确遵循技术标准. 5 等强性、 等韧性、 熔合比、,CO2焊接时成分的变化（质量分数%）,CO2 焊接 15MnMoVN,神钢MG-51T焊丝的综合机械性能,屈服强度 抗拉强度 延伸率 冲击韧性 s（MPa） b（MPa） （%） Akv（J） 焊接方法 CO2 460 560 32 110 MAG 520 600 31 160 MAG焊的韧性及强度均高于CO2焊,高强钢焊丝的力学性能及焊丝选择,T610L高强钢采用JM-70；T700/TH800高强钢采用JM-100；,奥运国家体育场(鸟巢）钢结构工程,YM-500CL5焊机被专家组指定为专用焊机,奥运国家体育场钢结构工程简介,建筑造
