材料焊接性第3章 合金结构钢.ppt

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1、3.3 3.3 低碳调质钢的焊接低碳调质钢的焊接什么叫调质？什么叫调质？金属学与热处理：淬火金属学与热处理：淬火+高温回火高温回火焊接：淬火焊接：淬火+回火回火为什么要调质？为什么要调质？种种类类高强度结构钢高强度结构钢b 600-800MPab 600-800MPa 高强度耐磨钢高强度耐磨钢b1000MPab1000MPa 高强高韧性钢高强高韧性钢b700MPab700MPa 14MnMoNbB 14MnMoNbB、15MnMoVNRE15MnMoVNRE、HQ70HQ70、HQ80CHQ80C等等如如HQ100HQ100、HQ130HQ13012Ni3CrMoV12Ni3CrMoV、101

2、0Ni5CrMoVNi5CrMoV以及美国的以及美国的HY80HY80、HY-130HY-130、HP-9-4-20HP-9-4-203.3.1 3.3.1 低碳调质钢的种类、成分及性能低碳调质钢的种类、成分及性能表表3-15 3-15 低碳调质钢的化学成分（质量分数）低碳调质钢的化学成分（质量分数）（%）表表3-16 3-16 低碳调质钢的力学性能低碳调质钢的力学性能3.3.2 3.3.2 低碳调质钢的焊接性分析低碳调质钢的焊接性分析焊接性焊接性分析分析焊缝强韧性匹配焊缝强韧性匹配冷裂纹冷裂纹 热裂纹及再热裂纹热裂纹及再热裂纹 焊缝强度匹配系数焊缝强度匹配系数S S(b)w/(b)w/(b)

3、bb)b表征接头力学非均质性的表征接头力学非均质性的参数之一，参数之一，(b)wb)w为焊缝为焊缝强度，强度，(b)bb)b为母材强度为母材强度当当(b)w/(b)b1(b)w/(b)b1(b)w/(b)b1超强匹配超强匹配低强匹配低强匹配等强匹配等强匹配1 1焊缝强韧性匹配焊缝强韧性匹配强韧匹配的三个观点对于较低强度的钢对于较低强度的钢等强匹配选择焊接材料；等强匹配选择焊接材料；“低强匹配低强匹配”焊材并不意味着焊材并不意味着接头强度一定低于母材。接头强度一定低于母材。对承受动载荷、重载荷和对承受动载荷、重载荷和低温工作的高强钢焊接接头，低温工作的高强钢焊接接头，除强度性能外，还要求有较高的

4、韧性；除强度性能外，还要求有较高的韧性；2 2冷裂纹冷裂纹由于含碳量比较低，热影响区的由于含碳量比较低，热影响区的粗晶区形成低碳马氏体，马氏体的粗晶区形成低碳马氏体，马氏体的起始转变点起始转变点Ms点比较高；点比较高；限制焊缝含氢量在超低氢水平对于防止限制焊缝含氢量在超低氢水平对于防止低碳调质钢焊接冷裂纹十分重要。低碳调质钢焊接冷裂纹十分重要。钢材强度级别越高钢材强度级别越高,冷裂倾向越大。冷裂倾向越大。对对但热影响区淬硬组织为但热影响区淬硬组织为Ms点较高的低碳马氏体，点较高的低碳马氏体，具有一定韧性，裂纹敏感性小。具有一定韧性，裂纹敏感性小。图图3-21 3-21 低碳调质钢低碳调质钢TR

5、CTRC试验的应力与时间关系试验的应力与时间关系(80%Ar+20%CO(80%Ar+20%CO2 2 MAG)MAG)a)HQ60 b)HQ70 a)HQ60 b)HQ70 2 2热裂纹及消除应力裂纹热裂纹及消除应力裂纹热影响区热影响区 性能变化性能变化 调质钢热影响区调质钢热影响区组织特征组织特征 热影响区脆化热影响区脆化 热影响区软化热影响区软化 调质钢热影响区组织特征调质钢热影响区组织特征热影响区脆化热影响区脆化图图3-24 3-24 裂纹在低碳马氏体和裂纹在低碳马氏体和ML+BLML+BL混合组织中扩展的示意图混合组织中扩展的示意图a)a)低碳马氏体组织低碳马氏体组织 b)ML+BL

6、 b)ML+BL混合组织混合组织 图图3-25 3-25 不同相变温度下不同相变温度下/界面碳含量的分布界面碳含量的分布11相变温度高冷速小时；相变温度高冷速小时；22中温相变，冷速中等时中温相变，冷速中等时;3;3相变温度低冷速大时相变温度低冷速大时 热影响区软化热影响区软化图图3-28 调质钢焊接热影响区的硬度分布调质钢焊接热影响区的硬度分布A焊前淬火焊前淬火+低温回火低温回火 B焊前淬火焊前淬火+高温回火高温回火 C焊前退火焊前退火1淬火区淬火区 2部分淬火区部分淬火区 3回火区回火区 3.3.3 3.3.3 低碳调质钢的焊接工艺特点低碳调质钢的焊接工艺特点低碳调质钢低碳调质钢焊接时要注

7、焊接时要注意两个基本意两个基本问题问题要求马氏体转变时的冷要求马氏体转变时的冷却速度不能太快，使马却速度不能太快，使马 氏体有一氏体有一“自回火自回火”作用，作用，以防止冷裂纹的产生以防止冷裂纹的产生要求在要求在800-500800-500之间的之间的冷却速度大于产生脆性混冷却速度大于产生脆性混合组织的临界速度合组织的临界速度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低碳调质钢低碳调质钢焊接要解决焊接要解决的问题的问题 防止裂纹防止裂纹在保证满足高强度在保证满足高强度要求的同时，提高要求的同时，提高焊缝金属及热影响焊缝金属及热影响区的韧性区的韧性2 2焊接参数的选择焊接参数的选择焊

8、接焊接参数参数的选择的选择 焊接热输入焊接热输入的确定的确定 预热温度和预热温度和 焊后热处理焊后热处理 焊接热输入的确定焊接热输入的确定预热温度和焊后热处理预热温度和焊后热处理表表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 HQ70HQ70和和HQ80HQ80低碳调质钢焊接一般要求低温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预热，预热温度和最大焊接热输入见表见表3-203-203.4 3.4 中碳调质钢的焊接中碳调质钢的焊接3.4.1 3.4.1 中碳调质钢的成分和性能中碳调质钢的成分和性能成分成分和性能和性能中碳调质钢的屈服强度中碳调质钢的屈服

9、强度达达880-1176MPa880-1176MPa以上以上 保证钢的淬透性，消除回火保证钢的淬透性，消除回火脆性再通过调质处理获得综脆性再通过调质处理获得综合性能较好的高强合性能较好的高强钢钢 钢中的含碳量（钢中的含碳量（w wC=0.25%-C=0.25%-0.5%0.5%）较高，并加入合金）较高，并加入合金 元素（如元素（如MnMn、SiSi、CrCr、NiNi、B B及及MoMo、W W、V V、TiTi等）等）表表3-24 3-24 中碳调质钢的化学成分（质量分数）（中碳调质钢的化学成分（质量分数）（%）中碳调质中碳调质钢的合金钢的合金系统系统 35CrMoA35CrMoA和和35C

10、rMoVA35CrMoVA 30CrMnSiA30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A30CrMnSiNi2A 40CrMnSiMoVA 40CrMnSiMoVA 40Cr 40Cr 属于属于Cr-MoCr-Mo系统系统 属于属于 Cr-Mn-Si Cr-Mn-Si系统系统 是一种广泛是一种广泛应用的含应用的含CrCr 中碳调质钢中碳调质钢 3.4.2 3.4.2 中碳调质钢的焊接性分析中碳调质钢的焊接性分析中碳调质中碳调质钢的焊接钢的焊接性分析性分析热影响区热影响区脆化脆化 热影响区热影响区软化软化 热影响区热影响区 的脆化和软化的脆化和软化 淬硬性淬硬性和冷裂纹和冷裂纹 焊缝中焊缝中的

11、热裂纹的热裂纹 焊缝中的热裂纹焊缝中的热裂纹淬硬性和冷裂纹淬硬性和冷裂纹热影响区脆化热影响区脆化热影响区软化热影响区软化3.4.3 3.4.3 中碳调质钢的焊接工艺特点中碳调质钢的焊接工艺特点中碳调质中碳调质钢的焊接钢的焊接工艺特点工艺特点退火或正火状态下焊接退火或正火状态下焊接 调质状态下焊接调质状态下焊接 焊接方法及焊接材料焊接方法及焊接材料 退火或正火状态下焊接退火或正火状态下焊接调质状态下焊接调质状态下焊接焊接方法与焊接材料焊接方法与焊接材料焊接焊接 方法：焊条电弧焊、气体方法：焊条电弧焊、气体 保护焊、埋弧焊等保护焊、埋弧焊等 焊接焊接 材料材料：采用低碳合金系，降低焊缝金属的：采用

12、低碳合金系，降低焊缝金属的S、P杂质含量杂质含量 预热和焊后热处理：预热温度一般为预热和焊后热处理：预热温度一般为200-350 中间热处理 表表3-28 3-28 中碳调质钢焊接材料的选用中碳调质钢焊接材料的选用表表3-29 3-29 常用中碳调质钢焊接的预热温度常用中碳调质钢焊接的预热温度表表3-30 3-30 常用中碳调质钢的焊后热处理常用中碳调质钢的焊后热处理3.5 3.5 珠光体耐热钢的焊接珠光体耐热钢的焊接3.5.1 3.5.1 珠光体耐热钢的成分及性能珠光体耐热钢的成分及性能成分成分及性能及性能珠光体耐热钢的室温强度并不珠光体耐热钢的室温强度并不太高，通常是在退火状态或太高，通常

13、是在退火状态或正火正火+回火状态供货，在正火回火状态供货，在正火+回火或淬火回火或淬火+回火状态下使用回火状态下使用 厚度不超过厚度不超过30mm30mm的的MoMo钢和钢和Mn-MoMn-Mo钢钢可以在热轧状态供货或使用，其可以在热轧状态供货或使用，其他的耐热钢应以热处理状态供货他的耐热钢应以热处理状态供货 珠珠光体耐热钢光体耐热钢CrCr的质量分数一般的质量分数一般为为0.5%-9%0.5%-9%，MoMo的质量分数一般的质量分数一般为为0.5%0.5%或或1%1%耐热钢耐热钢的三种的三种合金化合金化方式实方式实 现强化现强化 基体固基体固 溶强化溶强化 第二相第二相沉淀强化沉淀强化 晶界

14、晶界 强化强化 加入合金元素强化铁素体加入合金元素强化铁素体基体，常用的基体，常用的CrCr、MoMo、W W、NbNb元素能显著提高热强性元素能显著提高热强性 在铁素体为基体的耐热钢中，在铁素体为基体的耐热钢中，强化相主要是合金碳化物强化相主要是合金碳化物（V4C3V4C3或或VCVC、NbCNbC、TiCTiC等）等）加入微量元素（加入微量元素（RERE、B B、TiTi+B+B等）能吸附于晶界，延等）能吸附于晶界，延缓合金元素沿晶界的扩散缓合金元素沿晶界的扩散 3.5.2 3.5.2 珠光体耐热钢的焊接性分析珠光体耐热钢的焊接性分析珠光体珠光体耐热钢耐热钢的焊接的焊接性分析性分析热影响区

15、硬热影响区硬化及冷裂纹化及冷裂纹回火脆性回火脆性消除应力裂纹消除应力裂纹（SR裂纹）裂纹）3.5.3 3.5.3 珠光体耐热钢珠光体耐热钢的焊接工艺特点的焊接工艺特点常用焊接常用焊接方法和焊方法和焊接材料接材料焊接焊接 方法方法 焊接材焊接材 料的选用料的选用 预热及焊预热及焊 后热处理后热处理 焊条电弧焊、埋弧焊、焊条电弧焊、埋弧焊、熔化极气体保护焊、熔化极气体保护焊、电渣焊、钨极氩弧焊等电渣焊、钨极氩弧焊等 厚度厚度15mm15mm以上的以上的Cr-MoCr-Mo耐耐热钢板，切割前应预热热钢板，切割前应预热150150以上以上 珠光体耐热钢的珠光体耐热钢的焊缝成分应与母材相近焊缝成分应与母

16、材相近 表表3-35 3-35 珠光体耐热钢焊接材料的选用珠光体耐热钢焊接材料的选用3.6 3.6 低温钢的焊接低温钢的焊接通常把通常把-10-10-196-196的温度范围称为的温度范围称为 主要用于制造主要用于制造-20-20-253-253低温下工作低温下工作的焊接结构的焊接结构 低于低于-196-196（直（直 到到-273-273）时称为）时称为“低温低温”（我国从（我国从-40-40算起）算起）“超低温超低温”如贮存和运输各类如贮存和运输各类 液化气体的容器等液化气体的容器等 3.6.1 3.6.1 低温钢的分类、成分及性能低温钢的分类、成分及性能低温钢低温钢的分类的分类按使用温度

17、按使用温度等级分类等级分类按合金含量按合金含量 和组织分类和组织分类 按有无镍、按有无镍、铬元素分类铬元素分类 按热处理按热处理方法分类方法分类-10-10-40-40、-50-50-90-90、-100-100-120-120和和-196-196-273-273等等 低合金铁素体低温钢、中合金低合金铁素体低温钢、中合金 低温钢和高合金奥氏体低温钢低温钢和高合金奥氏体低温钢 无镍、铬低温钢和含镍、无镍、铬低温钢和含镍、铬低温钢铬低温钢 非调质低温钢和非调质低温钢和调质低温钢调质低温钢 低温钢的低温钢的学成分和学成分和组织组织 低合金低温钢（无低合金低温钢（无NiNi低温钢）低温钢）铝镇静铝镇静

18、Si-MnSi-Mn低温钢是先用低温钢是先用SiSi、MnMn进行脱氧，再用铝进进行脱氧，再用铝进行强烈脱氧的优质钢种行强烈脱氧的优质钢种 中合金低温钢（含中合金低温钢（含NiNi低温钢）合低温钢）合金元素总的质量分数为金元素总的质量分数为5%-10%5%-10%其组织与热处理工艺有关其组织与热处理工艺有关 表表3-39 3-39 常用低温钢的力学性能常用低温钢的力学性能3.6.2 3.6.2 低温钢的焊接性分析低温钢的焊接性分析低温钢低温钢的焊接的焊接性分析性分析无无NiNi低温钢的焊接性特点低温钢的焊接性特点C C：0.06-0.20%0.06-0.20%；MeMe5%5%；焊接性良好。焊

19、接性良好。碳当量为碳当量为0.27-0.57%0.27-0.57%，不易形成冷裂纹；，不易形成冷裂纹；S S、P P杂质元素含量低，不易产生热裂纹；杂质元素含量低，不易产生热裂纹；用用AlAl脱氧形成了脱氧形成了AlN,AlN,阻止接头脆化。阻止接头脆化。有有NiNi低温钢的焊接性特点低温钢的焊接性特点2.52.5NiNi和和3.5Ni3.5Ni低温钢，由于碳含量低温钢，由于碳含量限制得低，冷裂倾向不严重。薄板不预热，限制得低，冷裂倾向不严重。薄板不预热，厚板厚板100100预热。而预热。而9Ni9Ni钢，淬硬性很大，钢，淬硬性很大，HAZHAZ是淬火组织。但由于含碳量很低，是淬火组织。但由于

20、含碳量很低，并采用奥氏体焊接材料，故冷裂倾向不大。并采用奥氏体焊接材料，故冷裂倾向不大。严格控制焊接热输入和层间温度严格控制焊接热输入和层间温度避免晶粒长大和降低韧性避免晶粒长大和降低韧性含氮铁素体钢接头会发生热应变脆化含氮铁素体钢接头会发生热应变脆化h 25mm不需预热；不需预热；h 25mm考虑预热考虑预热控制焊后热处理温度，避免产生回火脆性控制焊后热处理温度，避免产生回火脆性h 15mm15mm焊后应消应力处理焊后应消应力处理无无NiNi低温钢焊接性分析时应注意：低温钢焊接性分析时应注意：有有NiNi低温钢的焊接性分析时应注意：低温钢的焊接性分析时应注意：正确选择焊接材料正确选择焊接材料

21、9Ni钢热膨胀系数较大钢热膨胀系数较大严格控制焊接热输入和层间温度，避免焊前预热严格控制焊接热输入和层间温度，避免焊前预热避免磁偏吹现象避免磁偏吹现象9Ni钢是一种强磁性材料钢是一种强磁性材料3.6.3 3.6.3 低温钢的焊接工艺特点低温钢的焊接工艺特点低温钢的低温钢的 焊条电弧焊焊条电弧焊 低温钢的低温钢的埋弧焊埋弧焊 低温钢的低温钢的氩弧焊氩弧焊 焊条的选用焊条的选用 焊接工艺要点焊接工艺要点 焊材（焊丝和焊材（焊丝和焊剂）的选择焊剂）的选择 焊接工艺焊接工艺 钨极氩弧焊钨极氩弧焊TIGTIG熔化极氩弧焊熔化极氩弧焊MIGMIG1.1.分析热轧钢和正火钢的强化方式及主分析热轧钢和正火钢的

22、强化方式及主强化元素有什么不同。二者的焊接性有何强化元素有什么不同。二者的焊接性有何差异，在制定焊接工艺时应注意什么问题差异，在制定焊接工艺时应注意什么问题？2.2.分析分析Q345Q345的焊接性特点，给出的焊接性特点，给出 相应的相应的焊接材料及焊接工艺要求。焊接材料及焊接工艺要求。3.16Mn3.16Mn与与15MnTi15MnTi的焊接性有何差异？的焊接性有何差异？16Mn16Mn的焊接工艺是否适用于的焊接工艺是否适用于15MnTi15MnTi的焊接，的焊接，为什么？为什么？4.4.低合金高强钢焊接时，选择焊接材料低合金高强钢焊接时，选择焊接材料的原则是什么？焊后热处理对选择焊接材的原

23、则是什么？焊后热处理对选择焊接材料有什么影响？料有什么影响？5.5.分析低碳调质钢焊接时可能出现什么分析低碳调质钢焊接时可能出现什么问题？简述低碳调质钢的焊接工艺要点。问题？简述低碳调质钢的焊接工艺要点。典型的低碳调质钢（如典型的低碳调质钢（如14MnMoNiB14MnMoNiB、HQ70HQ70、HQ80HQ80）的焊接线能量应控制在什么范围？）的焊接线能量应控制在什么范围？在什么情况下要采取预热措施，为什么有在什么情况下要采取预热措施，为什么有最低预热温度的要求，如何确定最高预热最低预热温度的要求，如何确定最高预热温度？温度？6.6.低碳调质钢和中碳调质钢都属于调质低碳调质钢和中碳调质钢都

24、属于调质钢，他们的焊接热影响区脆化机制是否相钢，他们的焊接热影响区脆化机制是否相同？为什么低碳调质钢在调质状态下焊接同？为什么低碳调质钢在调质状态下焊接可以保证焊接质量，而中碳调质钢一般要可以保证焊接质量，而中碳调质钢一般要求焊后进行调质处理？求焊后进行调质处理？7.7.比较比较16Mn16Mn、T-1T-1钢、钢、2.25Cr-1Mo2.25Cr-1Mo和和30CrMnSiA30CrMnSiA的冷裂、热裂和再热裂纹的的冷裂、热裂和再热裂纹的倾向。倾向。8.8.同一牌号的中碳调质钢分别在调质同一牌号的中碳调质钢分别在调质状态和退火状态进行焊接时，焊接工状态和退火状态进行焊接时，焊接工艺有什么差

25、别？为什么低碳调质钢一艺有什么差别？为什么低碳调质钢一般不在退火状态下进行焊接？般不在退火状态下进行焊接？9.9.珠光体耐热钢的焊接性特点与低碳珠光体耐热钢的焊接性特点与低碳调质钢有什么不同？珠光体耐热钢选调质钢有什么不同？珠光体耐热钢选用焊接材料的原则与强度用钢有什么用焊接材料的原则与强度用钢有什么不同，为什么？不同，为什么？10.10.低温钢用于低温钢用于4040和常温下使用和常温下使用时，在焊接工艺和焊接材料选择上是时，在焊接工艺和焊接材料选择上是否应该有所差别？为什么？否应该有所差别？为什么？11.11.某厂制造直径某厂制造直径6m6m的贮氧容器，的贮氧容器，所用的钢材为所用的钢材为16MnR16MnR，板厚，板厚32mm32mm，车，车间温度为间温度为2020，分析制定筒身及封头，分析制定筒身及封头内外纵缝和环缝的焊接工艺：内外纵缝和环缝的焊接工艺：1)1)可可采用哪几种焊接方法？采用哪几种焊接方法？2)2)给出相应给出相应的焊接材料；的焊接材料；3)3)指出其焊接工艺要指出其焊接工艺要点。点。12.12.通过本章学习，归纳在确定钢材通过本章学习，归纳在确定钢材焊后是否需要进行后热处理以及确定焊后是否需要进行后热处理以及确定后热处理温度时应考虑哪些问题？后热处理温度时应考虑哪些问题？