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1、第第3章章 合金结构钢的焊接合金结构钢的焊接3.1 3.1 合金结构钢的分类和性能合金结构钢的分类和性能3.1.1 3.1.1 合金结构钢的分类合金结构钢的分类合金结构合金结构钢的分类钢的分类化学化学成分成分合金合金系统系统组织组织状态状态用途或使用途或使性能等性能等按合金元素按合金元素总含量的多总含量的多少分有少分有低合合钢低合合钢一般一般w (Me)w (Me)5 5；中合金钢中合金钢w (Me)=5w (Me)=51010高合金钢高合金钢w (Me)w (Me)1010。1. 1. 按合金元素总含量的多少分有：按合金元素总含量的多少分有：2. 2. 按用途和性能分有按用途和性能分有用途和
2、性能用途和性能用途和性能用途和性能强度用钢强度用钢强度用钢强度用钢低中合金特殊用钢低中合金特殊用钢低中合金特殊用钢低中合金特殊用钢 按回火状态按回火状态按强度等级按强度等级热处理状态热处理状态非调质钢非调质钢 经过淬火经过淬火-回火回火的调质钢的调质钢 l热轧与正火钢热轧与正火钢中碳调质钢中碳调质钢低碳调质钢低碳调质钢珠光体耐热钢珠光体耐热钢低合金耐蚀钢低合金耐蚀钢低温钢低温钢热轧钢热轧钢 控轧钢控轧钢 正火钢正火钢 国内外常见的合金结构钢的牌号见表国内外常见的合金结构钢的牌号见表3-1表表3-3-1 1 国内外常见的合金结构钢国内外常见的合金结构钢3.1.2 3.1.2 合金结构钢的基本性能
3、合金结构钢的基本性能基基本本性性能能化学成分化学成分力学性能力学性能显微组织显微组织1化学成分化学成分 各种元素对合金结构钢下临界点温度各种元素对合金结构钢下临界点温度A1（）的综合影响可用下述公式表示：的综合影响可用下述公式表示： A1=720+28wSi+5wCr+6wCo+3wTi-5wMn-10wNi 3wV， 合金元素对低合金钢屈服强度和抗拉强度的综合金元素对低合金钢屈服强度和抗拉强度的综合影响，可按下列经验公式进行计算，即：合影响，可按下列经验公式进行计算，即：s=122+274wC+82wMn+55wSi+54wCr+44wNi+78wCu+353wV+755wTi+540wP+
4、30-2(h-5), MPa b=230+686wC+78wMn+90wSi+73wCr+33wNi+56wCu+314wV+529wTi+450wP+21-1.4(h-5), MPa。 式中式中 h为板厚（为板厚（mm）。）。 各种合金元素对结构钢的抗拉强度和屈各种合金元素对结构钢的抗拉强度和屈服强度影响的定量测定数据如服强度影响的定量测定数据如图图3-1所示。所示。图图3-1 3-1 各种合金元素对结构钢的抗拉强度和屈服强度的影响各种合金元素对结构钢的抗拉强度和屈服强度的影响2 2力学性能力学性能 低合金高强钢的低温拉伸性能如低合金高强钢的低温拉伸性能如图图3-2a所示。所示。 低合金高强
5、钢高温时强度性能的变化如低合金高强钢高温时强度性能的变化如图图3-2b所示。所示。 图图3-2 3-2 低合金高强钢的低温拉伸性能（低合金高强钢的低温拉伸性能（a,ba,b）3 3显微组织显微组织低合低合金钢金钢热影热影响区响区中的中的显微显微组织组织低碳马氏体低碳马氏体贝氏体贝氏体M-AM-A组元组元珠光体类珠光体类导致具有不同导致具有不同的硬度、强度的硬度、强度性能、塑性和性能、塑性和韧性韧性 几种典型组织（特别是贝氏体组织）对低几种典型组织（特别是贝氏体组织）对低合金钢强度和韧性的影响如合金钢强度和韧性的影响如图图3-33-3所示。所示。 图图3-33-3典型组织（特别是贝氏体组织）对低
6、合金钢强度和韧性的影响典型组织（特别是贝氏体组织）对低合金钢强度和韧性的影响 低合金高强钢不同比例混合组织的维氏低合金高强钢不同比例混合组织的维氏硬度和相应金相组织的显微硬度见表硬度和相应金相组织的显微硬度见表3-3-2 2。表表3-3-2 2 常见金相组织及不同混合组织的硬度常见金相组织及不同混合组织的硬度3.2 3.2 热轧及正火钢的焊接热轧及正火钢的焊接常用热轧及正火钢的化学成分和力性能见常用热轧及正火钢的化学成分和力性能见表表3-33-3和和表表3-43-4。热热轧轧及及正正火火钢钢屈服强度为屈服强度为294294490M490MP Pa a的低合金高强钢的低合金高强钢一般是在热轧或正
7、火状态一般是在热轧或正火状态下供货使用下供货使用属于非热处理强化钢属于非热处理强化钢 表表3-3 3-3 热轧及正火钢的化学成分热轧及正火钢的化学成分注：括号中的成分选择加入。注：括号中的成分选择加入。表表3-4 3-4 热轧及正火钢的力学性能热轧及正火钢的力学性能1 1热轧钢热轧钢热热轧轧钢钢屈服强度为屈服强度为294-392M294-392MP Pa a的的普通低合金钢都属于热轧钢普通低合金钢都属于热轧钢这类钢的这类钢的基本成分为：基本成分为：w wC0.2%C0.2%，w wSi0.55Si0.55%，wMn 1.5%热轧钢通常为铝镇静的细晶热轧钢通常为铝镇静的细晶粒铁素体珠光体组织的钢
8、粒铁素体珠光体组织的钢一般在热轧状态下使用一般在热轧状态下使用Q345Q345（16Mn16Mn）是我国于）是我国于2020世纪世纪5050年代研制和生产应年代研制和生产应用最广泛的热轧钢用最广泛的热轧钢2 2正火钢正火钢正正火火钢钢正火状态下使用的钢：主要正火状态下使用的钢：主要是含是含V V、NbNb、TiTi的钢，如的钢，如Q390Q390、Q345Q345等，主要特点是等，主要特点是屈强比（屈强比（s s/ /b b）较高）较高正正火回火状态使用的火回火状态使用的含含MoMo钢：如钢：如14MnMoV14MnMoV、1818MnMoNbMnMoNb等等抗层状撕裂的抗层状撕裂的Z向钢，向
9、钢，屈服强度屈服强度s343MPa3 3微合金控轧钢微合金控轧钢微微合合金金控控轧轧钢钢加入质量分数为加入质量分数为0.1%0.1%左右左右对钢的组织性能有显著或对钢的组织性能有显著或特殊影响的微量合金元素特殊影响的微量合金元素的钢，称为微合金钢的钢，称为微合金钢多种微合金元素（如多种微合金元素（如Nb、Ti、Mo、V、B、RE）的共）的共同作用称为多元微合金化同作用称为多元微合金化单一微合金元素的质量分数单一微合金元素的质量分数通常在通常在0.25%0.25%以下。以下。3.2.2 3.2.2 热轧及正火钢的焊接性热轧及正火钢的焊接性低合金钢低合金钢的焊接性的焊接性化学化学成分成分轧制轧制工
10、艺工艺1 1冷裂纹及影响因素冷裂纹及影响因素冷裂冷裂纹及纹及影响影响因素因素碳当量碳当量（C Ceqeq）淬硬淬硬倾向倾向热影响区热影响区最高硬度最高硬度热轧钢的热轧钢的淬硬倾向淬硬倾向正火钢的正火钢的淬硬倾向淬硬倾向（1 1）碳当量（）碳当量（C Ceqeq） 淬硬倾向主要取决于钢的化学成分，其中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。国际焊接学会（以碳的作用最明显。国际焊接学会（IIW）推）推荐的碳当量公式为荐的碳当量公式为： 碳当量碳当量Ceq0.4%0.6%时钢的淬硬倾向时钢的淬硬倾向逐渐增加，属于有淬硬倾向的钢逐渐增加，属于有淬硬倾向的钢 (%)(2) (2) 淬硬倾向
11、淬硬倾向 淬硬倾向淬硬倾向可以通过焊接热影响区连续冷却转可以通过焊接热影响区连续冷却转变图（变图（SHCCT）或钢材的连续冷却组织转变图）或钢材的连续冷却组织转变图（CCT）来进行分析）来进行分析。体或体或M+B+FM+B+F混合组织时混合组织时而产生而产生B B或或B+FB+F组织时组织时焊焊接接热热影影响响区区对氢致对氢致裂纹敏感裂纹敏感对氢致裂对氢致裂纹不敏感纹不敏感1 1）热轧钢的淬硬倾向）热轧钢的淬硬倾向 从从图图3-4a3-4a可以看到可以看到Q345Q345焊条电弧焊冷速焊条电弧焊冷速快时，热影响区会出现少量铁素体、贝氏快时，热影响区会出现少量铁素体、贝氏体和大量马氏体。而低碳钢
12、焊条电弧焊时体和大量马氏体。而低碳钢焊条电弧焊时（见图见图3-4b3-4b），则出现大量铁素体、少量，则出现大量铁素体、少量珠光体和部分贝氏体。珠光体和部分贝氏体。图图3-4 3-4 热轧钢（热轧钢（Q345Q345）和低碳钢的焊接连续冷却组织转变图（）和低碳钢的焊接连续冷却组织转变图（SHSHCCT）a a) Q345 ) Q345 T Tm 1350m 1350 b b) ) 低碳钢低碳钢 T Tm 1300)m 1300)2) 2) 正火钢的淬硬倾向正火钢的淬硬倾向 随着合金元素和强度级别的提高而增随着合金元素和强度级别的提高而增大，如大，如Q420Q420和和18MnMoNb18MnM
13、oNb相比相比（见图（见图3-5a3-5a、b b），），两者的差别较大。两者的差别较大。图图3-5 3-5 正火钢的焊接连续冷却组织转变图（正火钢的焊接连续冷却组织转变图（SHCCTSHCCT） a a a a）为为为为Q420 Q420 Q420 Q420 b b b b) 18MnMoNb) 18MnMoNb) 18MnMoNb) 18MnMoNb (3) (3) 热影响区最高硬度热影响区最高硬度 最高硬度允许值就是一个刚好不出现冷最高硬度允许值就是一个刚好不出现冷裂纹的临界硬度值。裂纹的临界硬度值。图图3-63-6。图图3-6 3-6 热影响区最高硬度与裂纹率的关系热影响区最高硬度与裂
14、纹率的关系 碳当量增大时，热影响区淬硬倾向随之碳当量增大时，热影响区淬硬倾向随之提高，但并非始终保持线性关系。碳当量提高，但并非始终保持线性关系。碳当量与热影响区最高硬度的关系与热影响区最高硬度的关系如图如图3-73-7所示所示。图图3-7 3-7 热影响区最高硬度与碳当量的关系热影响区最高硬度与碳当量的关系Ceq=C+(Mn/6)+(Si/24)+(Cr/5)+(Mo/4)+(V/14)+(Ni/40Ceq=C+(Mn/6)+(Si/24)+(Cr/5)+(Mo/4)+(V/14)+(Ni/40) ) 焊接热输入焊接热输入E E或冷却时间或冷却时间t t8/58/5对热影响对热影响区淬硬倾向
15、影响很大。热影响区最高硬度区淬硬倾向影响很大。热影响区最高硬度与碳当量和冷却速度的关系与碳当量和冷却速度的关系如图如图3-83-8所示。所示。 图图3-8 3-8 热影响区最高硬度与碳当量和冷却速度的关系热影响区最高硬度与碳当量和冷却速度的关系 Ceq=C+(Mn+Si)/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15Ceq=C+(Mn+Si)/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 冷却时间冷却时间t t8/58/5对热影响区最高硬度的影对热影响区最高硬度的影响如图响如图3-93-9所示。所示。 图图3-9 3-9 冷却时间冷却时间t t8/58/5对热影响区最高硬度的影响对热影
16、响区最高硬度的影响（钢材成分：（钢材成分：w wC 0.12%, C 0.12%, w wMn 1.40%, Mn 1.40%, w wSi 0.48%, Si 0.48%, w wCu 0.15%, Cu 0.15%, 板厚板厚h h=20mm=20mm） 2 2热裂纹热裂纹和再热裂纹和再热裂纹裂裂纹纹再热裂纹再热裂纹焊缝热裂纹焊缝热裂纹 钢中的钢中的CrCr、MoMo元素及含量对再热裂纹的元素及含量对再热裂纹的产生影响很大。不同产生影响很大。不同CrCr、MoMo含量低合金钢含量低合金钢的再热裂纹敏感区的再热裂纹敏感区如图如图3-103-10所示。所示。图图3-10 3-10 再热裂纹敏感
17、性与再热裂纹敏感性与CrCr、MoMo含量的关系含量的关系A ASRSR裂纹敏裂纹敏感区感区 BB随随CrCr、MoMo含量增加，含量增加，SRSR裂纹增加裂纹增加3 3非调质钢焊缝的组织和韧性非调质钢焊缝的组织和韧性焊缝焊缝韧性韧性针状铁素体针状铁素体(AF)(AF)先共析铁素体先共析铁素体(PF)组织组织所占的比例所占的比例 焊缝中存在较高比例的针状铁素体组织焊缝中存在较高比例的针状铁素体组织时，韧性显著升高，韧脆转变温度时，韧性显著升高，韧脆转变温度（vTrsvTrs）降低，如图）降低，如图3-11a3-11a所示；焊缝中先所示；焊缝中先共析铁素体组织比例增多则韧性下降，韧共析铁素体组织
18、比例增多则韧性下降，韧脆转变温度上升，如图脆转变温度上升，如图3-11b3-11b所示。所示。 图图3-11 3-11 不同铁素体形态对高强钢焊缝韧性的影响不同铁素体形态对高强钢焊缝韧性的影响 a a) AF) AF对对v vT Trsrs的影响的影响 b b) PF) PF对对v vT Trsrs的影响的影响 焊缝中焊缝中AFAF增多，有利于改善韧性，但增多，有利于改善韧性，但随着合金化程度的提高，焊缝组织可能出随着合金化程度的提高，焊缝组织可能出现上贝氏体和马氏体，在强度提高的同时现上贝氏体和马氏体，在强度提高的同时会抵消会抵消AFAF的有利作用，焊缝韧性反而会恶的有利作用，焊缝韧性反而会
19、恶化。如化。如图图3-123-12所示，高强钢焊缝中所示，高强钢焊缝中AFAF由由100%100%减少到减少到20%20%左右，焊缝韧性急剧降低。左右，焊缝韧性急剧降低。 图图3-12 3-12 高强钢焊缝韧性与强度的关系高强钢焊缝韧性与强度的关系 Mn-SiMn-Si系焊缝组织与韧性的关系见系焊缝组织与韧性的关系见表表3-53-5。 表表3-5 Mn-Si3-5 Mn-Si系焊缝组织与韧性的关系系焊缝组织与韧性的关系 显见，中等程度的显见，中等程度的MnMn、SiSi含量，例如含量，例如w wMn=0.8%Mn=0.8%-1.0%-1.0%，w wSi=0.15%-0.25%Si=0.15%
20、-0.25%，Mn/SiMn/Si比约比约4-74-7的情的情况下，可得到针状铁素体况下，可得到针状铁素体+ +细晶粒铁素体的混合细晶粒铁素体的混合组织，对裂纹扩展的阻力大，焊缝韧性高。组织，对裂纹扩展的阻力大，焊缝韧性高。4 4热影响区脆化热影响区脆化脆脆化化粗晶区脆化粗晶区脆化热应变脆化热应变脆化 S S和和P P均降低热影响区的韧性（均降低热影响区的韧性（见图见图3-3-1414），特别是大热输入焊接时，），特别是大热输入焊接时，P P的影响较的影响较为严重。为严重。w wP0.013%P0.013%时，韧性明显下降。时，韧性明显下降。图图3-14 3-14 S S、P P对热影响区韧性
21、的影响对热影响区韧性的影响（低合金钢三丝埋弧焊（低合金钢三丝埋弧焊） N N对对Mn-SiMn-Si系低合金钢热影响区韧性的影系低合金钢热影响区韧性的影响响如图如图3-153-15所示。可以看到，通过降低所示。可以看到，通过降低N N含量，即使焊接热输入在很大范围内变化，含量，即使焊接热输入在很大范围内变化，也仍然可以获得良好的韧性。也仍然可以获得良好的韧性。图图3-15 3-15 N N对热影响区韧性的影响对热影响区韧性的影响（Mn-SiMn-Si系低合金钢系低合金钢） 5 5层状撕裂层状撕裂 层状撕裂是一种特殊形式的裂纹，它主层状撕裂是一种特殊形式的裂纹，它主要发生于要求熔透的角接接头或要
22、发生于要求熔透的角接接头或T T形接头的形接头的厚板结构中，如厚板结构中，如图图3-163-16所示。所示。图图3-16 3-16 产生层状撕裂的一些典型接头形式产生层状撕裂的一些典型接头形式a a) ) 角接角接T T形接头形接头 b b) ) 对接对接T T形接头形接头 c c) ) 对接角接头对接角接头 3.2.3 3.2.3 热轧及正火钢的焊接工艺热轧及正火钢的焊接工艺1 1坡口加工、装配及定位焊坡口加工、装配及定位焊坡口坡口加工加工装配装配及定及定位焊位焊坡口加工可采用机械加工，其坡口加工可采用机械加工，其加工精度较高，也可采用火焰加工精度较高，也可采用火焰切割或碳弧气刨。切割或碳弧
23、气刨。焊接件的装配间隙不应过焊接件的装配间隙不应过大，尽量避免强力装配，大，尽量避免强力装配，减小焊接应力。减小焊接应力。定位焊应选用同类型的焊接定位焊应选用同类型的焊接材料，也可选用强度稍低的材料，也可选用强度稍低的焊条或焊丝。焊条或焊丝。 2 2焊接材料的选择焊接材料的选择低合低合金钢金钢选择选择焊接焊接材料材料一是不能有裂纹等一是不能有裂纹等焊接缺陷焊接缺陷二是能满足使用二是能满足使用性能要求。性能要求。 热轧及正火钢焊接一般是根据其强度级热轧及正火钢焊接一般是根据其强度级别选择焊接材料，而不要求与母材同成分，别选择焊接材料，而不要求与母材同成分，其要点如下：其要点如下：要要点点考虑焊后
24、热处理对考虑焊后热处理对焊缝力学性能的影响焊缝力学性能的影响同时考虑熔合比和冷却同时考虑熔合比和冷却速度的影响速度的影响选择与母材力学性能匹选择与母材力学性能匹配的相应级别的焊接材料配的相应级别的焊接材料 3 3焊接工艺参数的确定焊接工艺参数的确定工艺工艺参数参数预热和焊后热处理预热和焊后热处理焊接热输入焊接热输入 焊接热输入对热轧及正火钢热影响区焊接热输入对热轧及正火钢热影响区晶粒尺寸和晶粒尺寸和冲击韧性的影响冲击韧性的影响如图如图3-173-17所示。所示。 图图3-17 3-17 焊接热输入对热影响区晶粒尺寸和冲击韧性的影响焊接热输入对热影响区晶粒尺寸和冲击韧性的影响a a) ) 冷却时
25、间冷却时间t t8/58/5与晶粒尺寸的关系与晶粒尺寸的关系 b b) ) 热输入对热影响区韧性的影响热输入对热影响区韧性的影响 1 1） 焊接热输入焊接热输入 HQ70HQ70和和HQ80HQ80低碳调质钢焊接一般要求低低碳调质钢焊接一般要求低温预热，预热温度和最大焊接热输入见表温预热，预热温度和最大焊接热输入见表3-3-2020。表表3-20 3-20 两种低碳调质钢的最大热输入两种低碳调质钢的最大热输入热轧及正热轧及正火钢焊接火钢焊接的典型工的典型工艺参数艺参数 焊条电弧焊焊条电弧焊 自动焊自动焊 氩弧焊氩弧焊 热轧及正火钢焊条电弧焊的工艺参数见热轧及正火钢焊条电弧焊的工艺参数见表表3-
26、73-7。表表3-3-7 7 热轧及正火钢焊条电弧焊的工艺参数热轧及正火钢焊条电弧焊的工艺参数 Q345Q345钢对接和角接埋弧焊的工艺参数见钢对接和角接埋弧焊的工艺参数见表表3-83-8。 表表3-8 3-8 Q345 Q345钢对接和角接埋弧焊的工艺参数钢对接和角接埋弧焊的工艺参数 热轧及正火钢热轧及正火钢CO2CO2气体保护焊的工艺参气体保护焊的工艺参数见数见表表3-93-9。表表3-93-9 热轧及正火钢热轧及正火钢CO2CO2气体保护焊的工艺参数气体保护焊的工艺参数 热轧及正火钢钨极氩弧焊的工艺参数见热轧及正火钢钨极氩弧焊的工艺参数见表表3-103-10，熔化极氩弧焊的工艺参数见，熔
27、化极氩弧焊的工艺参数见表表3-3-1111。表表3-103-10 热轧及正火钢钨极氩弧焊的工艺参数热轧及正火钢钨极氩弧焊的工艺参数表表3-113-11 热轧及正火钢熔化极氩弧焊的工艺参数热轧及正火钢熔化极氩弧焊的工艺参数 预热温度与钢材的淬硬性、板厚、拘束预热温度与钢材的淬硬性、板厚、拘束度和氢含量等因素有关，工程中必须结合度和氢含量等因素有关，工程中必须结合具体情况经试验后才能确定，推荐的一些具体情况经试验后才能确定，推荐的一些预热温度只能作为参考。不同环境温度下预热温度只能作为参考。不同环境温度下焊接焊接Q345Q345钢的预热温度钢的预热温度见表见表3-123-12。2)2)预热和焊后热
28、处理预热和焊后热处理确定焊后确定焊后回火温度回火温度的原则的原则不要超过母材原来的不要超过母材原来的回火温度，以免影响回火温度，以免影响母材本身的性能母材本身的性能对于有回火脆性的材对于有回火脆性的材料，要避开出现回火料，要避开出现回火脆性的温度区间脆性的温度区间 热轧及正火钢的预热和焊后热处理工热轧及正火钢的预热和焊后热处理工艺参数见艺参数见表表3-3-1313。4 4焊接接头的力学性能焊接接头的力学性能 焊缝金属和热影响区的力学性能是影焊缝金属和热影响区的力学性能是影响接头使用可靠性的基本性能，而其中强响接头使用可靠性的基本性能，而其中强度与韧性又是关键的考核要素，特别是对度与韧性又是关键的考核要素，特别是对合金结构钢接头更为重要。几种典型热轧合金结构钢接头更为重要。几种典型热轧及正火钢焊接接头的力学性能见书中及正火钢焊接接头的力学性能见书中表表3-3-1414。
