金属材料焊接工艺制定与评定.pptx

第七章合金结构钢第七章合金结构钢第1页/共64页第三节第三节 低碳调质钢的焊接低碳调质钢的焊接 热轧及正火钢依靠增添合金元素和通过固溶强化、弥热轧及正火钢依靠增添合金元素和通过固溶强化、弥散强化的途径提高强度到一定程度之后，会导致塑、韧性散强化的途径提高强度到一定程度之后，会导致塑、韧性的下降。因此，的下降。因此，抗拉强度抗拉强度b b600MPa600MPa的高强度钢都采用的高强度钢都采用调质处理，通过组织强化获得很高的综合力学性能。调质处理，通过组织强化获得很高的综合力学性能。低碳调质钢的抗拉强度低碳调质钢的抗拉强度(b b)一般为一般为6006001300MPa1300MPa，属，属于热处理强化钢。这类钢既具有较高的强度，又有良好的于热处理强化钢。这类钢既具有较高的强度，又有良好的塑性和韧性。随着科学技术的发展，低碳调质钢在工程焊塑性和韧性。随着科学技术的发展，低碳调质钢在工程焊接结构中的应用日益广泛，越来越受到工程界的重视。接结构中的应用日益广泛，越来越受到工程界的重视。1 1 低碳调质钢的成分、组织与性能低碳调质钢的成分、组织与性能 金属学和热处理上把金属学和热处理上把“淬火淬火+高温回火高温回火”定义为调质定义为调质处理，而焊接界则认为钢材淬火后不论经高温回火或低温处理，而焊接界则认为钢材淬火后不论经高温回火或低温回火均称为回火均称为“调质调质”，经过，经过“淬火淬火+回火回火”热处理的钢称热处理的钢称为为“调质钢调质钢”（QTQT钢）。钢）。第2页/共64页 为了保证良好的综合性能和焊接性，低碳调质钢为了保证良好的综合性能和焊接性，低碳调质钢要求钢中碳的要求钢中碳的质量分数不大于质量分数不大于0.22%0.22%（实际上（实际上w wC C0.18%0.18%）。）。此外，添加一些合金元素，如此外，添加一些合金元素，如MnMn、CrCr、NiNi、MoMo、V V、NbNb、B B、CuCu等，添加这些合金元素主要是等，添加这些合金元素主要是为了为了提高钢的淬透性和马氏体的回火稳定性提高钢的淬透性和马氏体的回火稳定性。这类钢由。这类钢由于含碳量低，淬火后得到低碳马氏体，而且会发生于含碳量低，淬火后得到低碳马氏体，而且会发生“自自回火回火”，脆性小，具有良好的焊接性。，脆性小，具有良好的焊接性。低碳调质钢具有较高的强度和良好的塑性、韧性低碳调质钢具有较高的强度和良好的塑性、韧性和耐磨性，特别是裂纹敏感性低，在工程结构制造中有和耐磨性，特别是裂纹敏感性低，在工程结构制造中有广阔的应用前景。广阔的应用前景。根据使用条件的不同，低碳调质钢又根据使用条件的不同，低碳调质钢又可分可分为为以下几种：以下几种：(1)(1)高强度结构钢高强度结构钢（b b 600 600800MPa800MPa）如如14MnMoNbB14MnMoNbB、15MnMoVNRE15MnMoVNRE、HQ70HQ70、HQ80CHQ80C等，这类钢主等，这类钢主要用于工程焊接结构，焊缝及焊接区多承受拉伸载荷；要用于工程焊接结构，焊缝及焊接区多承受拉伸载荷；第3页/共64页 (2)(2)高强度耐磨钢（高强度耐磨钢（b1000MPab1000MPa）如如HQ100HQ100、HQ130HQ130等，主要用于工程结构高强度耐磨、要求承受冲等，主要用于工程结构高强度耐磨、要求承受冲击磨损的部位；击磨损的部位；(3)(3)高强高韧性钢（高强高韧性钢（b700MPab700MPa）如如12Ni3CrMoV12Ni3CrMoV、1010Ni5CrMoVNi5CrMoV以及美国的以及美国的HY80HY80、HY-130HY-130、HP-9-4-20HP-9-4-20等，等，这类钢要求在高强度的同时要具有高韧性，主要用于高这类钢要求在高强度的同时要具有高韧性，主要用于高强度高韧性焊接结构。强度高韧性焊接结构。部分低碳调质钢的化学成分和力学性能见表部分低碳调质钢的化学成分和力学性能见表3-3-1515和表和表3-3-1616。低碳调质钢碳的质量分数限制在。低碳调质钢碳的质量分数限制在0.18%0.18%以下，以下，为了保证为了保证较高的缺口韧性较高的缺口韧性，一般含有，一般含有较高的较高的NiNi和和CrCr，具有高强度，特别是具有优异的低温缺口韧性。具有高强度，特别是具有优异的低温缺口韧性。NiNi能提能提高钢的强度、塑性和韧性，降低钢的脆性转变温度。高钢的强度、塑性和韧性，降低钢的脆性转变温度。NiNi与与CrCr一起加入时可显著增加淬透性，得到高的综合力学一起加入时可显著增加淬透性，得到高的综合力学性能。性能。CrCr元素在钢中的质量分数从提高淬透性出发，上元素在钢中的质量分数从提高淬透性出发，上限一般约为限一般约为1.6%1.6%，继续增加反而对韧性不利。，继续增加反而对韧性不利。第4页/共64页第5页/共64页第6页/共64页 由于采用了先进的冶炼工艺，钢中气体含由于采用了先进的冶炼工艺，钢中气体含量及量及S S、P P等杂质明显降低，氧等杂质明显降低，氧、氮、氢含量均、氮、氢含量均较低。较低。高纯洁度高纯洁度使这类钢母材和焊接热影响区使这类钢母材和焊接热影响区具有具有优异的低温韧性优异的低温韧性。这类钢的热处理工艺一这类钢的热处理工艺一般为奥氏体化般为奥氏体化淬火淬火回火，回火温度越低，回火，回火温度越低，强度级别越高，但塑性和韧性有所降低。经淬强度级别越高，但塑性和韧性有所降低。经淬火火+回火后的组织是回火低碳马氏体、下贝氏体回火后的组织是回火低碳马氏体、下贝氏体或回火索氏体或回火索氏体，这类组织可以保证得到高强度、，这类组织可以保证得到高强度、高韧性和低的脆性转变温度。高韧性和低的脆性转变温度。为了改善野外施工施工焊接条件和提高低温为了改善野外施工施工焊接条件和提高低温韧性，近年来发展起来的韧性，近年来发展起来的焊接无裂纹钢焊接无裂纹钢（简称（简称CFCF钢钢）实际上是）实际上是C C含量降得很低（含量降得很低（w wC C0.09%0.09%）的）的微合金化调质钢。微合金化调质钢。(WCF60WCF60、WCF62WCF62)第7页/共64页 为了提高钢材的抗冷裂性能和低温韧性，降低为了提高钢材的抗冷裂性能和低温韧性，降低C C含量是有效措施，但含量是有效措施，但C C含量过低会牺牲钢材的强度。通含量过低会牺牲钢材的强度。通过加入多种微量元素（特别是像过加入多种微量元素（特别是像B B等对淬透性有强烈影等对淬透性有强烈影响的元素）提高淬透性，可弥补强度的损失。响的元素）提高淬透性，可弥补强度的损失。与同等强度级别的低合金高强钢相比，焊接无裂与同等强度级别的低合金高强钢相比，焊接无裂纹钢具有碳当量低和裂纹敏感指数纹钢具有碳当量低和裂纹敏感指数P Pcmcm低的特点，低温低的特点，低温冲击韧性高。钢板厚度冲击韧性高。钢板厚度50mm50mm以下或在以下或在00环境下可不预环境下可不预热进行焊接，是很有发展前景的钢种。热进行焊接，是很有发展前景的钢种。2 2 低碳调质钢的低碳调质钢的焊接性分析焊接性分析 主要作为高强度的焊接结构用钢，含碳量较低，主要作为高强度的焊接结构用钢，含碳量较低，在合金成分的设计上考虑到焊接性的要求，在合金成分的设计上考虑到焊接性的要求，焊接的主要焊接的主要问题和工艺要求基本上与正火钢类似问题和工艺要求基本上与正火钢类似，差别在于调质钢，差别在于调质钢是通过是通过调质获得强化效果调质获得强化效果的，因此在热影响区内，除了的，因此在热影响区内，除了脆化外还有软化问题。脆化外还有软化问题。1 1）焊缝中的热裂纹）焊缝中的热裂纹 低碳调质钢一般含碳量较低，含锰量较高，而且对低碳调质钢一般含碳量较低，含锰量较高，而且对、杂质控制也较严，因此热裂纹的倾向较小。、杂质控制也较严，因此热裂纹的倾向较小。第8页/共64页对于一些对于一些高镍高镍低锰的低合金结构钢来说，会低锰的低合金结构钢来说，会增加产生增加产生热裂纹热裂纹的倾向，但完全可以通过焊的倾向，但完全可以通过焊接材料加以调整和提高，因此正确的选择焊接材料加以调整和提高，因此正确的选择焊接材料，焊接热裂纹是不会产生的。接材料，焊接热裂纹是不会产生的。低碳调质钢主要是作为高强度的焊接结构用钢，低碳调质钢主要是作为高强度的焊接结构用钢，因此碳含量限制得较低，在合金成分设计上考因此碳含量限制得较低，在合金成分设计上考虑了焊接性的要求。虑了焊接性的要求。低碳调质钢碳的质量分数低碳调质钢碳的质量分数不超过不超过0.18%0.18%，焊接性能远优于中碳调质钢。，焊接性能远优于中碳调质钢。由于这类钢焊接热影响区形成的是低碳马氏体，由于这类钢焊接热影响区形成的是低碳马氏体，马氏体开始转变温度马氏体开始转变温度M Ms s较高，所形成的马氏较高，所形成的马氏体具有体具有“自回火自回火”特性，使得焊接冷裂纹倾向特性，使得焊接冷裂纹倾向比中碳调质钢小比中碳调质钢小。第9页/共64页2)2)热影响区热影响区液化裂纹液化裂纹 一般并不常见，主要发生在一般并不常见，主要发生在高镍低锰高镍低锰的低合金结构的低合金结构钢中，液化裂纹产生的倾向主要和锰钢中，液化裂纹产生的倾向主要和锰/硫比有关。硫比有关。碳含量越高，要求的碳含量越高，要求的Mn/SMn/S比也越高。比也越高。当碳的质量分数不超过当碳的质量分数不超过0.2%0.2%，Mn/SMn/S比大于比大于3030时，液时，液化裂纹敏感性较小；化裂纹敏感性较小；Mn/SMn/S比超过比超过5050后，液化裂纹的敏感后，液化裂纹的敏感性很低。性很低。因此避免液化裂纹的关键在于控制、的含量，因此避免液化裂纹的关键在于控制、的含量，保证高的锰硫比，尤其是镍含量高时，对此项的要求保证高的锰硫比，尤其是镍含量高时，对此项的要求更为严格。更为严格。此外，此外，NiNi对液化裂纹的产生起着明显的有害作用。对液化裂纹的产生起着明显的有害作用。对于对于HY-80HY-80钢，由于钢，由于Mn/SMn/S比较低，比较低，NiNi含量又较高，所以含量又较高，所以对液化裂纹也较敏感。相反，对液化裂纹也较敏感。相反，HY-130HY-130钢的钢的NiNi含量比含量比HY-HY-8080更高，但由于碳含量很低（更高，但由于碳含量很低（w wC C0.12%0.12%），），S S含量也很含量也很低低(w wS S0.01%)0.01%)，Mn/SMn/S比高达比高达60609090，因此它对热影响区，因此它对热影响区的液化裂纹并不敏感。的液化裂纹并不敏感。第10页/共64页 总之，避免热裂纹或液化裂纹的关键在于控制总之，避免热裂纹或液化裂纹的关键在于控制C C和和S S含量，保证高的含量，保证高的Mn/SMn/S比，比，尤其是当尤其是当NiNi含量高时，要求更为严格。含量高时，要求更为严格。工艺因素对焊接区液化裂纹的形成也有很大的影响。焊接热输入越大，热工艺因素对焊接区液化裂纹的形成也有很大的影响。焊接热输入越大，热影响区晶粒越粗大，晶界熔化越严重，晶粒之间的液态晶间层存在的时间也越长，影响区晶粒越粗大，晶界熔化越严重，晶粒之间的液态晶间层存在的时间也越长，液化裂纹产生的倾向就越大。因此，为了防止裂化裂纹的产生，从液化裂纹产生的倾向就越大。因此，为了防止裂化裂纹的产生，从工艺上工艺上应采用应采用小热输入的焊接方法小热输入的焊接方法，并注意，并注意控制熔池形状控制熔池形状、减小熔合区凹度、减小熔合区凹度等。等。第11页/共64页3).3).冷裂纹冷裂纹低碳调质钢的合金化原则是在低碳基础上通低碳调质钢的合金化原则是在低碳基础上通过加入多种提高淬透性的合金元素，来保证获得过加入多种提高淬透性的合金元素，来保证获得强度高、韧性好的强度高、韧性好的低碳低碳“自回火自回火”马氏体和部分马氏体和部分下贝氏体下贝氏体的混合组织。这类钢由于淬硬性大，在的混合组织。这类钢由于淬硬性大，在焊接热影响区粗晶区有产生冷裂纹和韧性下降的焊接热影响区粗晶区有产生冷裂纹和韧性下降的倾向。倾向。如果保证如果保证马氏体转变时冷却速度较慢马氏体转变时冷却速度较慢，冷，冷裂纹是可以避免的；若马氏体转变时的冷却速度裂纹是可以避免的；若马氏体转变时的冷却速度较快，冷裂纹是不可避免的。较快，冷裂纹是不可避免的。但但热影响区淬硬组织为热影响区淬硬组织为M Ms s点较高的低碳马氏点较高的低碳马氏体，具有一定韧性，裂纹敏感性小。对于体，具有一定韧性，裂纹敏感性小。对于w wC C0.12%0.12%的低合金钢，热影响区最高硬度可修正的低合金钢，热影响区最高硬度可修正为为400HV400HV。此外，限制焊缝此外，限制焊缝含氢量含氢量在超低氢水平对于防在超低氢水平对于防止低碳调质钢焊接冷裂纹十分重要。钢材强度级止低碳调质钢焊接冷裂纹十分重要。钢材强度级别越高别越高,冷裂倾向越大冷裂倾向越大,对低氢焊接条件的要求对低氢焊接条件的要求越严格。越严格。第12页/共64页4 4）再热裂纹）再热裂纹从低碳调质钢的合金系统来看，在为加强从低碳调质钢的合金系统来看，在为加强淬透性和抗回火性淬透性和抗回火性而加的一些合金元素，大多而加的一些合金元素，大多数是属于能引起数是属于能引起再热裂纹再热裂纹的元素，其中的影的元素，其中的影响最大，响最大，o o次之，同时存在时更为严重，在次之，同时存在时更为严重，在焊接过程中应引起足够的重视。焊接过程中应引起足够的重视。V V对再热裂纹的影响最大，对再热裂纹的影响最大，MoMo次之，而当次之，而当V V和和MoMo同时加入时就更为敏感。同时加入时就更为敏感。在在Cr-MoCr-Mo和和Cr-Cr-Mo-VMo-V钢中，当钢中，当w wCrCr1%1%1%后，继续增加后，继续增加CrCr含量时再热裂纹倾向减小。一般认为含量时再热裂纹倾向减小。一般认为Mo-VMo-V钢，钢，特别是特别是Cr-Mo-VCr-Mo-V钢对再热裂纹较敏感，钢对再热裂纹较敏感，Mo-BMo-B钢钢也有一定的再热裂纹倾向。含也有一定的再热裂纹倾向。含NbNb的的14MnMoNiB14MnMoNiB对再热裂纹较敏感。此外，焊接对再热裂纹较敏感。此外，焊接Cr-Ni-MoCr-Ni-Mo、Cr-Ni-Mo-VCr-Ni-Mo-V和和Ni-Mo-VNi-Mo-V等类型钢时，都要注意等类型钢时，都要注意再热裂纹的问题。再热裂纹的问题。第13页/共64页5）层状撕裂）层状撕裂 由于采用了现代的冶炼技术，对于夹杂物控制较由于采用了现代的冶炼技术，对于夹杂物控制较严，纯净度较高，因此对层状撕裂的敏感性较低，截严，纯净度较高，因此对层状撕裂的敏感性较低，截止到目前为止，还没有出现层状撕裂方面的相关研究止到目前为止，还没有出现层状撕裂方面的相关研究报道报道6 6）热影响区性能的变化）热影响区性能的变化 这类钢中由于含有较多的这类钢中由于含有较多的固固元素，热影响区元素，热影响区中中不会产生明不会产生明显的热应变脆化，对显的热应变脆化，对调质钢调质钢来说，过来说，过热区的脆热区的脆化是一个主要问题，此外在化是一个主要问题，此外在相变温度附近相变温度附近还存在一个强度下降还存在一个强度下降的软化区的软化区第14页/共64页低碳调质钢热影响区是组织性能极不均匀低碳调质钢热影响区是组织性能极不均匀的部位，突出的特点是同时存在的部位，突出的特点是同时存在脆化脆化（即韧性下（即韧性下降）和降）和软化软化现象。即使低碳调质钢母材本身具有现象。即使低碳调质钢母材本身具有较高的韧性，结构运行中微裂纹也易在热影响区较高的韧性，结构运行中微裂纹也易在热影响区脆化部位产生和发展，存在接头区域出现脆性断脆化部位产生和发展，存在接头区域出现脆性断裂的可能性。受焊接热循环影响，低碳调质钢热裂的可能性。受焊接热循环影响，低碳调质钢热影响区可能存在强化效果的损失现象（称为软化影响区可能存在强化效果的损失现象（称为软化或失强），焊前母材或失强），焊前母材强化程度越大强化程度越大，焊后热影响，焊后热影响区的区的软化程度越大软化程度越大。(1)(1)调质钢热影响区组织特征调质钢热影响区组织特征 低碳调质钢低碳调质钢热影响区由于经历了热影响区由于经历了焊接热循环焊接热循环作用，不可避免作用，不可避免地会发生复杂的地会发生复杂的二次组织转变二次组织转变。而且，调质钢热。而且，调质钢热影响区组织是一个连续变化并具有陡峭组织梯度影响区组织是一个连续变化并具有陡峭组织梯度的区域，这种显微组织不均匀性将导的区域，这种显微组织不均匀性将导致力学性能致力学性能的不均匀，使接头区的强韧性下降的不均匀，使接头区的强韧性下降。第15页/共64页 (2)(2)热影响区脆化热影响区脆化 在焊接热循环作用下在焊接热循环作用下,低碳调质低碳调质钢热影响区过热区易发生脆化，即冲击韧性明显降低。钢热影响区过热区易发生脆化，即冲击韧性明显降低。热影响区脆化的原因除了热影响区脆化的原因除了奥氏体晶粒粗化的原因奥氏体晶粒粗化的原因外，更外，更主要的是由于主要的是由于上贝氏体和上贝氏体和M-AM-A组元的形成。组元的形成。M-AM-A组元一般在中等冷速下形成，是奥氏体中碳含组元一般在中等冷速下形成，是奥氏体中碳含量升高的结果。量升高的结果。M-AM-A组元形成条件与上贝氏体（组元形成条件与上贝氏体（BuBu）相似，故）相似，故BuBu形形成常伴随成常伴随M-AM-A组元。上贝氏体在组元。上贝氏体在500500450450温度范围形温度范围形成，长大速度很快，而碳的扩散较慢，由条状铁素体包成，长大速度很快，而碳的扩散较慢，由条状铁素体包围着的岛状富碳奥氏体区围着的岛状富碳奥氏体区一部分转变为马氏体一部分转变为马氏体，另一部，另一部分分保持为残余奥氏体保持为残余奥氏体，即形成，即形成M-AM-A组元。组元。M-AM-A组元的韧性组元的韧性低是由于低是由于残余奥氏体增碳残余奥氏体增碳后易于形成后易于形成孪晶马氏体孪晶马氏体，夹杂，夹杂于贝氏体与铁素体板条之间，在界面上产生微裂纹并沿于贝氏体与铁素体板条之间，在界面上产生微裂纹并沿M-AM-A组元的边界扩展。因此，组元的边界扩展。因此，M-AM-A组元的存在导致脆化，组元的存在导致脆化，M-AM-A组元数量越多脆化越严重。组元数量越多脆化越严重。M-AM-A组元实质上成为潜在组元实质上成为潜在的裂纹源的裂纹源，起了应力集中的作用。因此，起了应力集中的作用。因此M-AM-A组元的产生组元的产生对低碳调质钢热影响区韧性有不利的影响。对低碳调质钢热影响区韧性有不利的影响。第16页/共64页(3)(3)热影响区软化热影响区软化这是焊接调质钢时的一个普遍问题，热影这是焊接调质钢时的一个普遍问题，热影响区内凡是加热温度高于响区内凡是加热温度高于母材回火温度至相变温母材回火温度至相变温度的区域度的区域，由于碳化物的积聚长大而使，由于碳化物的积聚长大而使钢材软化钢材软化，从强度角度出发，这是焊接接头中的一个薄弱环从强度角度出发，这是焊接接头中的一个薄弱环节，强度级别越高，问题越突出。此外软化节，强度级别越高，问题越突出。此外软化程度程度和软化区的和软化区的宽度宽度与与焊接工艺焊接工艺有很大的关系。因此有很大的关系。因此在在制定焊接工艺时必须考虑以上问题制定焊接工艺时必须考虑以上问题。第17页/共64页3 3 低碳调质钢的焊接工艺特点低碳调质钢的焊接工艺特点 这类钢的特点是碳含量低，基体组织是强这类钢的特点是碳含量低，基体组织是强度和韧性都较高的低碳马氏体下贝氏体，这度和韧性都较高的低碳马氏体下贝氏体，这对焊接有利。但是，调质状态下的钢材，只要对焊接有利。但是，调质状态下的钢材，只要加热温度超过它的回火温度，性能就会发生变加热温度超过它的回火温度，性能就会发生变化。因此焊接时由于热的作用使热影响区强度化。因此焊接时由于热的作用使热影响区强度和韧性的下降几乎是不可避免的。因此，低碳和韧性的下降几乎是不可避免的。因此，低碳调质钢焊接时要注意两个基本问题：调质钢焊接时要注意两个基本问题：要求马要求马氏体转变时的冷却速度不能太快，使马氏体有氏体转变时的冷却速度不能太快，使马氏体有一一“自回火自回火”作用，以防止冷裂纹的产生；作用，以防止冷裂纹的产生；要求在要求在800800500500之间的冷却速度大于产生脆之间的冷却速度大于产生脆性混合组织的临界速度性混合组织的临界速度。这两个问题是制定低碳调质钢焊接参数的这两个问题是制定低碳调质钢焊接参数的主要依据。此外，主要依据。此外，在选择焊接材料和制定焊接在选择焊接材料和制定焊接参数时，应考虑焊缝及热影响区组织状态对焊参数时，应考虑焊缝及热影响区组织状态对焊接接头强韧性的影响。接接头强韧性的影响。1)1)焊接方法和焊接材料的选择焊接方法和焊接材料的选择第18页/共64页 低碳调质钢焊接要解决的问题：一是低碳调质钢焊接要解决的问题：一是防止裂纹防止裂纹；二；二是在保证满足高强度要求的同时，提高是在保证满足高强度要求的同时，提高焊缝金属及热影焊缝金属及热影响区的韧性响区的韧性。为了消除裂纹和提高焊接效率，一般采用。为了消除裂纹和提高焊接效率，一般采用熔化极气体保护焊熔化极气体保护焊(MIG)(MIG)或活性气体保护焊或活性气体保护焊(MAG)(MAG)等自动等自动化或半自动机械化焊接方法。化或半自动机械化焊接方法。对于调质钢焊后热影响区对于调质钢焊后热影响区强度和韧性下降强度和韧性下降的问题，的问题，可以可以焊后重新调质处理焊后重新调质处理。对于焊后不能再进行调质处理。对于焊后不能再进行调质处理的，要的，要限制焊接过程中热量限制焊接过程中热量对母材的作用。低碳调质钢对母材的作用。低碳调质钢常用的焊接方法有焊条电弧焊、常用的焊接方法有焊条电弧焊、COCO2 2焊和焊和Ar+Ar+COCO2 2混合气体混合气体保护焊等。保护焊等。焊接屈服强度焊接屈服强度s s980MPa980MPa的低碳调质钢，如的低碳调质钢，如10Ni-10Ni-Cr-Mo-CoCr-Mo-Co等，采用等，采用钨极氩弧焊、电子束焊等钨极氩弧焊、电子束焊等焊接方法可焊接方法可以获得最好的焊接质量；以获得最好的焊接质量；对于屈服强度对于屈服强度s s980MPa980MPa的低碳调质钢，的低碳调质钢，焊条电弧焊条电弧焊、埋弧焊、熔化极气体保护焊和钨极氩弧焊焊、埋弧焊、熔化极气体保护焊和钨极氩弧焊等都能采等都能采用；用；但对于屈服强度但对于屈服强度s s686MPa686MPa的低碳调质钢，的低碳调质钢，熔化极熔化极气体保护焊气体保护焊（如（如Ar+COAr+CO2 2混合气体保护焊）是最合适的工艺混合气体保护焊）是最合适的工艺方法。如果采用多丝埋弧焊和电渣焊等热量输入大、冷方法。如果采用多丝埋弧焊和电渣焊等热量输入大、冷却速度低的焊接方法时，焊后必须重新进行调质处理。却速度低的焊接方法时，焊后必须重新进行调质处理。第19页/共64页低碳调质钢低碳调质钢焊后一般不再进行热处理焊后一般不再进行热处理，在选择焊接，在选择焊接材料时要求焊缝金属在焊态下应接近母材的材料时要求焊缝金属在焊态下应接近母材的力学性力学性能能。特殊条件下，如结构的刚度很大，冷裂纹很难。特殊条件下，如结构的刚度很大，冷裂纹很难避免时，应选择比母材强度避免时，应选择比母材强度稍低稍低一些的材料作为填一些的材料作为填充金属。不同强度级别低碳调质钢焊接材料的选用充金属。不同强度级别低碳调质钢焊接材料的选用见表见表3-193-19。高强高韧性钢用于重要的焊接结构，包括低温和承高强高韧性钢用于重要的焊接结构，包括低温和承受动载荷的结构受动载荷的结构，对焊接热影响区韧性要求较高。，对焊接热影响区韧性要求较高。不宜采用大热输入不宜采用大热输入的焊接方法，应尽可能采用热量的焊接方法，应尽可能采用热量集中的气体保护焊或焊条电弧焊进行焊接。采用焊集中的气体保护焊或焊条电弧焊进行焊接。采用焊条电弧焊时要用超低氢焊条。这类钢母材中条电弧焊时要用超低氢焊条。这类钢母材中NiNi含量含量较高，较高，配套焊材配套焊材也应选择也应选择NiNi含量较高含量较高的焊条或焊丝，的焊条或焊丝，保证高强度和良好的塑韧性，包括较高的低温韧性、保证高强度和良好的塑韧性，包括较高的低温韧性、较低的脆性转变温度。较低的脆性转变温度。强度级别不同强度级别不同的两种低碳调质钢焊接时的的两种低碳调质钢焊接时的淬硬性很淬硬性很大大,有产生焊接裂纹的倾向。采用有产生焊接裂纹的倾向。采用“低强匹配低强匹配”焊焊材和材和COCO2 2或或Ar+COAr+CO2 2气体保护焊，控制焊缝扩散氢含气体保护焊，控制焊缝扩散氢含量在量在超低氢超低氢水平（不超过水平（不超过5mL/100g5mL/100g），可实现在不），可实现在不预热条件下的焊接预热条件下的焊接。第20页/共64页第21页/共64页2)2)焊接工艺参数的选择焊接工艺参数的选择从防止从防止冷裂纹冷裂纹的角度出发，要求的角度出发，要求冷却速度以慢冷却速度以慢为佳；从为佳；从防止防止脆化脆化来说，要求冷却来说，要求冷却速度较快速度较快为好，因此应该确定兼顾两为好，因此应该确定兼顾两者的冷却速度范围。这个范围的者的冷却速度范围。这个范围的上限取决于不产生冷裂纹上限取决于不产生冷裂纹，下，下限取决于焊接限取决于焊接热影响区不出现脆化热影响区不出现脆化的混合组织。因此的混合组织。因此正确选择正确选择线能量和预热这两个参数是保证不出现裂纹和脆化的关键线能量和预热这两个参数是保证不出现裂纹和脆化的关键。这个范围的上限取决于不产生冷裂纹，下限取决于热影响这个范围的上限取决于不产生冷裂纹，下限取决于热影响区不出现脆化的混合组织。因此，所选的焊接热输入应保证热区不出现脆化的混合组织。因此，所选的焊接热输入应保证热影响区过热区的冷却速度刚好在该区域内。对于低合金高强钢，影响区过热区的冷却速度刚好在该区域内。对于低合金高强钢，一般认为一般认为w wC=0.18%C=0.18%是形成低碳马氏体的界限，是形成低碳马氏体的界限，w wC C0.18%0.18%时将出时将出现高碳马氏体，对韧性不利。因此，现高碳马氏体，对韧性不利。因此，w wC C0.18%0.18%时不应提高冷却时不应提高冷却速度，速度，w wC C0.18%0.18%时可以提高冷却速度。也就是说，对于含碳量时可以提高冷却速度。也就是说，对于含碳量低的低合金钢，提高冷却速度（减小热输入）以形成低碳马氏低的低合金钢，提高冷却速度（减小热输入）以形成低碳马氏体，对保证韧性有利。换句话说，焊接热输入适当小时，得到体，对保证韧性有利。换句话说，焊接热输入适当小时，得到BL+MLBL+ML混合组织时，可以获得最佳的韧性效果。混合组织时，可以获得最佳的韧性效果。第22页/共64页 但是在焊接但是在焊接厚板厚板时，即使采用了大的热输入，冷却速度还是超过了它的上限，时，即使采用了大的热输入，冷却速度还是超过了它的上限，这就必须通过这就必须通过预热预热来使冷却速度降到低于不出现裂纹的极限值。来使冷却速度降到低于不出现裂纹的极限值。(1)(1)焊接线能量的确定焊接线能量的确定从保证不出现裂纹的角度出发，在满足热影响区韧性的条件下，线能量应尽量从保证不出现裂纹的角度出发，在满足热影响区韧性的条件下，线能量应尽量选择大一些。因此有选择大一些。因此有必要通过实践把每种钢的线能量的最大允许值必要通过实践把每种钢的线能量的最大允许值确定下来，然确定下来，然后根据最大线能量时的冷裂纹倾向考虑是否采取预热和预热温度的大小。后根据最大线能量时的冷裂纹倾向考虑是否采取预热和预热温度的大小。第23页/共64页 为了为了限制过大限制过大的焊接热输入，低碳调质钢的焊接热输入，低碳调质钢不宜采用大直径不宜采用大直径的焊条或焊丝施焊，应尽量采的焊条或焊丝施焊，应尽量采用用多层多道焊多层多道焊工艺，采用工艺，采用窄焊道窄焊道而不用横向摆而不用横向摆动的运条技术。这样不仅使热影响区和焊缝金动的运条技术。这样不仅使热影响区和焊缝金属有较好的韧性，还可以减小焊接变形。双面属有较好的韧性，还可以减小焊接变形。双面施焊的焊缝，背面焊道应采用碳弧气刨清理焊施焊的焊缝，背面焊道应采用碳弧气刨清理焊根并打磨气刨表面后再进行焊接。根并打磨气刨表面后再进行焊接。低碳调质高强高韧性钢对接头区强韧性要低碳调质高强高韧性钢对接头区强韧性要求较高，这类钢对焊接求较高，这类钢对焊接热输入热输入、预热预热温度、温度、层层间温度间温度的控制更为严格，应采用的控制更为严格，应采用较小焊接热输较小焊接热输入入的多层多道焊工艺。的多层多道焊工艺。第24页/共64页(2)2)预热温度和焊后热处理预热温度和焊后热处理 当低碳调质钢板厚不大，接头拘束度较小时，可当低碳调质钢板厚不大，接头拘束度较小时，可以采用不预热焊接工艺。如焊接板厚小于以采用不预热焊接工艺。如焊接板厚小于10mm10mm的的HQ60HQ60、HQ70HQ70钢，采用低氢型焊条电弧焊、钢，采用低氢型焊条电弧焊、CO2CO2气体保护焊或气体保护焊或Ar+CO2Ar+CO2混合气体保护焊，可以进行不预热焊接。混合气体保护焊，可以进行不预热焊接。当焊接当焊接热输入提高到最大允许值热输入提高到最大允许值裂纹还不能避免裂纹还不能避免时，就必须采取预热措施。时，就必须采取预热措施。对低碳调质钢来说，预热的对低碳调质钢来说，预热的目的主要是为了防止裂纹，对于改善热影响区的组织性目的主要是为了防止裂纹，对于改善热影响区的组织性能影响不大。能影响不大。相反，从它对相反，从它对800800500500的冷却速度的的冷却速度的影响看，对热影响区韧性还可能有不利的影响，因此在影响看，对热影响区韧性还可能有不利的影响，因此在焊接低碳调质钢时都采用焊接低碳调质钢时都采用较低的预热温度较低的预热温度（T T0 0200200）。）。预热的目的是希望能降低马氏体转变时的冷却速预热的目的是希望能降低马氏体转变时的冷却速度，通过马氏体的度，通过马氏体的“自回火自回火”作用来提高抗裂性能。当作用来提高抗裂性能。当预热温度过高预热温度过高时，不仅对防止冷裂没有必要，反而会使时，不仅对防止冷裂没有必要，反而会使800800500500的冷却速度的冷却速度低于出现脆性混合组织的临界低于出现脆性混合组织的临界冷却速度冷却速度，使热影响区韧性下降。所以要避免不必要的，使热影响区韧性下降。所以要避免不必要的提高预热温度，也包括层间温度。几种低碳调质钢的最提高预热温度，也包括层间温度。几种低碳调质钢的最低预热温度和层间温度见表低预热温度和层间温度见表3-213-21。第25页/共64页第26页/共64页 低碳调质钢焊接结构一般是在焊态下使用，低碳调质钢焊接结构一般是在焊态下使用，正常情况下不进行焊后热处理。除非焊后接头正常情况下不进行焊后热处理。除非焊后接头区强度和韧性过低、焊接结构受力大或承受应区强度和韧性过低、焊接结构受力大或承受应力腐蚀以及焊后需要进行高精度加工以保证结力腐蚀以及焊后需要进行高精度加工以保证结构尺寸等，才进行焊后热处理。为了保证材料构尺寸等，才进行焊后热处理。为了保证材料的强度性能，焊后的强度性能，焊后热处理温度必须比母材原调热处理温度必须比母材原调质处理的回火温度低质处理的回火温度低3030左右左右。(3)(3)低碳调质钢焊接接头的力学性能低碳调质钢焊接接头的力学性能 对低碳调质钢焊缝金属有害的脆化元素是对低碳调质钢焊缝金属有害的脆化元素是S S、P P、N N、O O、H H，必须加以限制。强度级别越高的，必须加以限制。强度级别越高的焊缝，对这些杂质的限制越要严格。焊缝，对这些杂质的限制越要严格。铁素体铁素体化化元素对焊缝韧性有不利影响，除了元素对焊缝韧性有不利影响，除了MoMo在很窄的在很窄的含量范围内（含量范围内（w wMoMo=0.3%=0.3%0.5%0.5%）有较好的作用）有较好的作用外，其余铁素体化元素均在强化焊缝的同时恶外，其余铁素体化元素均在强化焊缝的同时恶化韧性，化韧性，V V、TiTi、NbNb的作用最明显的作用最明显。奥氏体化元。奥氏体化元素中素中C C对韧性最为不利，对韧性最为不利，MnMn、NiNi则在相当大的含则在相当大的含量范围内有利于改善焊缝韧性。量范围内有利于改善焊缝韧性。第27页/共64页第四节中碳调质钢的焊接第四节中碳调质钢的焊接一、中碳调质钢典型成分及性能一、中碳调质钢典型成分及性能 为提高钢的强度，必须提高含碳量，这类为提高钢的强度，必须提高含碳量，这类钢的特点是高的比强和高硬度，其淬透性很大，钢的特点是高的比强和高硬度，其淬透性很大，因此焊接性较差，焊接工艺非常复杂，焊接后因此焊接性较差，焊接工艺非常复杂，焊接后必须通过调质处理才能保证接头的性能。必须通过调质处理才能保证接头的性能。这类钢大致可以归纳为以下几种类型：这类钢大致可以归纳为以下几种类型：r r钢、钢、r ro o钢、钢、r rn ni i钢、钢、r ri io o钢、超高强度钢。典型钢种钢、超高强度钢。典型钢种r r。第28页/共64页二、中碳调质钢的焊接性分析二、中碳调质钢的焊接性分析（一）焊接中的热裂纹（一）焊接中的热裂纹中碳调质钢含碳量及合金元素含量较高液固中碳调质钢含碳量及合金元素含量较高液固相区间较大，偏析严重，具有较大的热裂纹倾向为相区间较大，偏析严重，具有较大的热裂纹倾向为提高焊缝金属的抗热裂纹能力，在选择提高焊缝金属的抗热裂纹能力，在选择焊接材料焊接材料时，时，应尽量选用含应尽量选用含碳量低碳量低，含，含、杂质少、杂质少的填充材料。的填充材料。在焊接在焊接工艺工艺上应注意保证填满上应注意保证填满弧坑弧坑和和良好的焊缝成形良好的焊缝成形。（二）冷裂纹（二）冷裂纹中碳调质钢的中碳调质钢的淬硬倾向淬硬倾向十分明显，冷裂倾向较为十分明显，冷裂倾向较为严重，主要原因是含碳量高和加入合金元素较多。焊严重，主要原因是含碳量高和加入合金元素较多。焊接时为了防止冷裂纹的产生，除采取接时为了防止冷裂纹的产生，除采取预热预热措施外，焊措施外，焊接后必须及时进行接后必须及时进行回火处理回火处理。第29页/共64页（三）热影响区的性能变化（三）热影响区的性能变化.过热区的脆化过热区的脆化焊接热影响区的过热区很容易焊接热影响区的过热区很容易产生脆硬产生脆硬的高碳的高碳马氏体，冷却速度越大，生成的高碳马氏体越多，马氏体，冷却速度越大，生成的高碳马氏体越多，脆化现象越严重。一般采用脆化现象越严重。一般采用小线能量小线能量，同时采取预，同时采取预热、缓冷和后热热、缓冷和后热等措施，对改善过热区的性能十分等措施，对改善过热区的性能十分有利。有利。.焊接热影响区的软化焊接热影响区的软化必须在必须在调质状态调质状态下焊接时，要考虑热影响区的下焊接时，要考虑热影响区的软化软化问题。线能量大、加热冷却速度快、受热时间问题。线能量大、加热冷却速度快、受热时间越短，软化程度越小，软化区的宽度越窄，但同时越短，软化程度越小，软化区的宽度越窄，但同时要注意过热区的要注意过热区的脆化和冷裂脆化和冷裂问题。问题。第30页/共64页三、中碳调质钢的焊接工艺特点三、中碳调质钢的焊接工艺特点对于中碳调质钢而言，焊接前所处的状态是非常重对于中碳调质钢而言，焊接前所处的状态是非常重要的，它决定了焊接时出现问题的性质和所采取的工艺要的，它决定了焊接时出现问题的性质和所采取的工艺措施。措施。（一）退火状态下焊接时的工艺特点（一）退火状态下焊接时的工艺特点在退火（或回火）状态下进行焊接，焊接后再进行在退火（或回火）状态下进行焊接，焊接后再进行整体调质处理，这是调质钢一种比较合理的工艺方案整体调质处理，这是调质钢一种比较合理的工艺方案。焊接时热影响区的性能可以通过焊后调质处理来保证，焊接时热影响区的性能可以通过焊后调质处理来保证，解决的解决的主要问题是裂纹主要问题是裂纹，常用的焊接方法都可以采用。，常用的焊接方法都可以采用。在选择焊接材料时除不产生焊接冷、热裂纹外，还要使在选择焊接材料时除不产生焊接冷、热裂纹外，还要使焊缝金属的调质范围与母材一致，保证处理后的性能相焊缝金属的调质范围与母材一致，保证处理后的性能相同；工艺参数确定的出发点是