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1、20921-5a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20921-5a6.1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20921-5a6.1.1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)牌号质量等级化学成分(质量分数)(%)CMnS
2、iPSVNbTiAlCrNiQ295A016080150055004500450020150015006002020Q345A020100160055004500450020150015006002020Q390A02010016005500450045002020001500600202003007020921-5a表6-1常用热轧钢和正火钢的化学成分(GB/T 15911994)Q420A020100170055004500450020200015006002020040070Q460C0201001700550035003500202000150060020200015070070209
3、21-5a6.1.1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)/J180弯曲试验d=弯心直径a=试样厚度(直径)厚度(直径)/mm161635355050100不小于Q295A2952752552353905702334d=2ad=3aQ345A34532529527547063021d=2ad=3aQ390A39037035033049065019d=2ad=3a20921-5a表6-2常用热轧钢和正火钢的力学性能(GB/T 15911994)Q420A42040038036052068018d=2ad=3aQ4
4、60C4604404204005507201734d=2ad=3a20921-5a6.1.2低碳调质钢表6-3典型低碳调质钢的化学成分钢材牌号化学成分(质量分数)(%)(%)CMnSiSPNiCrMoV其他14MnMoVN01414103000350012017013N:0015505014MnMoNbB012018130180015035003003Nb:002006B:00005000305620921-5a表6-3典型低碳调质钢的化学成分WCF60009110150015035002003050030030002006B0003047HQ70A0090160601200150400030
5、03030100030060Cu:015050B:00005000305220921-5a表6-3典型低碳调质钢的化学成分HQ80C01001606012001503500150025060120030060003008Cu:015050B:00005000505820921-5a6.1.2低碳调质钢表6-4典型低碳调质钢的力学性能钢材牌号板厚h/mm/MPa/MPa(%)(横向)/J14MnMoVN365987012020：77J/c()-40：56J/c()14MnMoNbB5068675514-40：39J/c()WCF60165049061072518-40：40HQ60A504505
6、9016HQ70A1859068017-20：39-40：29HQ80C68578516-20：47-40：29HQ10088095010-25：2720921-5a6.1.3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CMnSiCrNiMoVSP40Cr03704505080204081135CrMoA0300400407017035091302030030003530CrMnSiA0280350811091208110300030003530CrMnSiNi2A02703410130912091214180025002540CrNiMoA03604405080170
7、3706091251750150250030003020921-5a表6-5常用中碳调质钢的化学成分(质量分数)(%)40CrMnSiMoVA0370420812121612150250450600070120030003020921-5a6.1.3中碳调质钢表6-6常用中碳调质钢的力学性能钢材牌号热处理/MPa/MPa(%)(%)/J40Cr850淬火(水)520回火(水或油)9807859454735CrMoA850淬火(水)550回火(水或油)98083512456330CrMnSiA锻件880淬火(油)540回火(水或油)1080835104549J/c()20921-5a表6-6常用
8、中碳调质钢的力学性能30CrMnSiNi2A890淬火(水)200300回火(空)157094559J/c()40CrNiMoA850淬火(油)600回火(水或油)98083512557840CrMnSiMoVA890970淬火(油)250270回火(空)18628354920921-5a6.2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。20921-5a6.2.1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
9、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6-1Q420(15MnVN)钢埋弧焊焊缝中心的结晶裂纹20921-5a6.2.1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。20921-5a6.2.1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
10、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相比，具有较高的抗热裂纹的能力。20921-5a6.2.1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。
11、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。20921-5a6.2.2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)18MnMoNb20921-5a6.2.2冷裂纹图6-3低碳调质钢HQ70的焊接CCT曲线20921-5a
12、6.2.2冷裂纹图6-4中碳调质钢30CrMnSi的奥氏体等温转变图20921-5a6.2.2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。20921-5a6.2.2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
13、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即加热到150250温度范围，并保持一定的时间。20921-5a6.2.2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焊接条件预热和及时后热裂纹部位和裂纹率13MnNiMo54焊条电弧焊型号E6015直径4mm预热150热影响区根部裂纹率为10%预热180无裂纹预热60+后热100无裂纹225Cr1Mo焊条电弧焊型号E6015B3直径4mm预热180热影响区及熔合区裂纹率为50%预热200热影响区
14、裂纹率为20%预热150+后热150无裂纹20921-5a6.2.2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。20921-5a6.2.3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
15、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。20921-5a6.2.3再热裂纹(4)降低焊接应力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。20921-5a6.2.4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。20921-5a6.2.5脆化和软化1.过热区的脆化2.热影
16、响区的软化20921-5a6.3低合金高强度钢的焊接工艺要点合理的焊接工艺是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。20921-5a6.3.1焊接方法及热输入1.焊接方法2.焊接热输入20921-5a6.3.1焊接方法及热输入表6-814NiCrMoCuVB焊接热输入与板厚及预热温度的关系预热温度/板厚/mm68101216202530364050焊接热输入/(J/cm)207500160001000019500140002350021500290001750046000抗裂性差100冲击韧度低1600030000225003600024000450002600057500抗裂性差150冲击韧度低16000285001900035000225004400025000490003100060000315006150020921-5a表6-814NiCrMoCuVB焊接热输
