工信版(中职)熔焊基础与金属材料焊接第六章电子教案.ppt
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1、YCF(中职)熔焊基础与金属材料焊接第六章电子教案第第6章低合金高强钢焊接章低合金高强钢焊接6.1热轧及正火钢的焊接热轧及正火钢的焊接6.2低碳调质钢的焊接低碳调质钢的焊接6.3中碳调质钢的焊接中碳调质钢的焊接返回第第6章低合金高强钢焊接章低合金高强钢焊接低合金高强钢是低合金高强度结构钢的简称低合金高强钢是低合金高强度结构钢的简称(GB/T1591-1994),是在,是在碳素结构钢的基础上加入一种或几种合金元素冶炼而成的。焊接结构碳素结构钢的基础上加入一种或几种合金元素冶炼而成的。焊接结构生产中,低合金结构钢主要用于制造船舶、容器、桥梁及大型金属构生产中,低合金结构钢主要用于制造船舶、容器、桥
2、梁及大型金属构架。架。习惯上,把屈服强度在习惯上,把屈服强度在300Mpa以上,抗拉强度在以上,抗拉强度在450Mpa以上的钢,以上的钢,称为高强度钢。按强度等级与热处理状态,高强度钢一般可分为以下称为高强度钢。按强度等级与热处理状态,高强度钢一般可分为以下3类类:(1)热轧、正火钢。这类钢的屈服强度在热轧、正火钢。这类钢的屈服强度在300500Mpa之间,低合金结之间,低合金结构钢属此类钢,是非热处理强化钢,根据其使用状态的不同,分别为构钢属此类钢,是非热处理强化钢,根据其使用状态的不同,分别为热轧钢和正火钢。热轧钢和正火钢。下一页返回第第6章低合金高强钢焊接章低合金高强钢焊接(2)低碳低合
3、金调质钢。这类钢的屈服强度在低碳低合金调质钢。这类钢的屈服强度在5001000MPa之间,碳之间,碳含量小于含量小于0.25%,一般在调质状态下供货,属于热处理强化钢。低碳,一般在调质状态下供货,属于热处理强化钢。低碳低合金调质钢具有良好的焊接性,调质后既有较高的强度,又有良好低合金调质钢具有良好的焊接性,调质后既有较高的强度,又有良好的塑性和韧性,且具有较好的焊接性。的塑性和韧性,且具有较好的焊接性。(3)中碳调质钢。这类钢的屈服强度一般在中碳调质钢。这类钢的屈服强度一般在9001200 Mpa以上,碳含以上,碳含量在量在0.25%0.45%之间,一般用于要求高强度但对塑性要求不高的之间,一
4、般用于要求高强度但对塑性要求不高的场合。其焊接性较差。场合。其焊接性较差。上一页返回6.1热轧及正火钢的焊接热轧及正火钢的焊接热轧及正火钢包括热轧钢和正火钢。正火钢中的含钥钢需在热轧及正火钢包括热轧钢和正火钢。正火钢中的含钥钢需在“正火正火+回火回火”条件下才能保证良好的塑性和韧性。因此,正火钢又可分为在条件下才能保证良好的塑性和韧性。因此,正火钢又可分为在正火状态下使用和正火状态下使用和“正火正火+回火回火”状态下使用的两类。状态下使用的两类。6.1.1概述概述1.热轧钢热轧钢屈服强度介于屈服强度介于295390 MPa的钢,大都属于热轧钢。热轧钢主要靠的钢,大都属于热轧钢。热轧钢主要靠Mn
5、、Si的固溶强化作用提高强度。在低碳条件下,锰含量不大于的固溶强化作用提高强度。在低碳条件下,锰含量不大于1.6%,硅含量不大于,硅含量不大于0.6%时,可以保持较高的塑性和韧性。热轧钢的时,可以保持较高的塑性和韧性。热轧钢的综合力学性能和加工工艺性能都较好,而且原材料资源丰富,冶炼工综合力学性能和加工工艺性能都较好,而且原材料资源丰富,冶炼工艺简单,因而在国内外得到普遍应用。艺简单,因而在国内外得到普遍应用。上一页 下一页返回6.1热轧及正火钢的焊接热轧及正火钢的焊接Q345是国内应用最广泛的高强度钢。与是国内应用最广泛的高强度钢。与Q235相比,锰含量由相比,锰含量由0.65%提高到提高到
6、1%1.6%,并加入微量,并加入微量V、Nb、Ti等元素,强度提高近等元素,强度提高近50%。按照钢中锰、硅含量的不同,按照钢中锰、硅含量的不同,Q345又分为又分为AE 5个质量等级。其中个质量等级。其中Q345 A相当于旧牌号的相当于旧牌号的16 Mn,Q345 C相当于锅炉压力容器用钢中相当于锅炉压力容器用钢中的的16Mng和和16MnR。Q390钢是在钢是在Q345的基础上提高了钒的含量,并加入一定量的铬的基础上提高了钒的含量,并加入一定量的铬(含量含量0.30%)和镍和镍(含量含量 0.70%)而成。钒的增加进一步保证了沉淀强化而成。钒的增加进一步保证了沉淀强化作用和细化晶粒的作用。
7、铬是固溶强化元素,并能增加钢中珠光体的作用和细化晶粒的作用。铬是固溶强化元素,并能增加钢中珠光体的相对含量,少量的相对含量,少量的Cr对钢的塑性无明显的影响。镍也是固溶强化元素,对钢的塑性无明显的影响。镍也是固溶强化元素,对一般非热处理强化钢,加入镍可提高强度而基本不降低塑性和韧性。对一般非热处理强化钢,加入镍可提高强度而基本不降低塑性和韧性。上一页 下一页返回6.1热轧及正火钢的焊接热轧及正火钢的焊接热轧钢的组织为热轧钢的组织为“铁素体铁素体+珠光体珠光体”,当板厚较大时,可以要求在正,当板厚较大时,可以要求在正火条件下供货,经正火处理可使钢的化学成分均匀化,塑性、韧性提火条件下供货,经正火
8、处理可使钢的化学成分均匀化,塑性、韧性提高,但强度略有下降。高,但强度略有下降。2.正火状态下使用的钢正火状态下使用的钢这类钢中除了这类钢中除了15 MnTi外,主要是含外,主要是含V、Nb钢。这种钢利用钢。这种钢利用Nb和和V的的碳、氮化物弥散质点所起的沉淀强化和细化晶粒的作用来达到良好的碳、氮化物弥散质点所起的沉淀强化和细化晶粒的作用来达到良好的综合性能。另外,由于综合性能。另外,由于Nb和和V的强化作用,可以适当降低钢中的含碳的强化作用,可以适当降低钢中的含碳量,这对改善材料的焊接性和韧性都是有利的。这类钢的特点是屈强量,这对改善材料的焊接性和韧性都是有利的。这类钢的特点是屈强比高。因此
9、,从提高抗拉强度和降低屈强比出发,一般将比高。因此,从提高抗拉强度和降低屈强比出发,一般将V、Nb正火正火钢中的碳含量控制在钢中的碳含量控制在0.15%0.2%范围内。范围内。上一页 下一页返回6.1热轧及正火钢的焊接热轧及正火钢的焊接属于这种类型的钢属于这种类型的钢Q420,WH530和和WH590等。等。Q420的化学成分与的化学成分与Q390相比,锰含量和铬含量的上限值略有提高。相比,锰含量和铬含量的上限值略有提高。为了保证碳化物充分析出,需要进行正火处理。由于碳化物质点的沉为了保证碳化物充分析出,需要进行正火处理。由于碳化物质点的沉淀强化与细化晶粒作用,在提高强度的同时还能改善韧性。此
10、外,碳淀强化与细化晶粒作用,在提高强度的同时还能改善韧性。此外,碳化物的析出降低了固溶在基体中的碳,使淬透性下降,焊接性亦有所化物的析出降低了固溶在基体中的碳,使淬透性下降,焊接性亦有所改善。改善。WH530是武汉钢铁公司为了适应市场需要研制的新钢种,其强度、是武汉钢铁公司为了适应市场需要研制的新钢种,其强度、韧性优于目前应用较广泛的韧性优于目前应用较广泛的16 MnR,焊接性良好。该钢的供货牌号,焊接性良好。该钢的供货牌号为为15 MnNbR(WH530)。WH530钢板的成功研制与生产,为水电钢板的成功研制与生产,为水电站压力钢管、压力容器站压力钢管、压力容器(特别是球形储罐特别是球形储罐
11、)用钢提供了新的品种。用钢提供了新的品种。上一页 下一页返回6.1热轧及正火钢的焊接热轧及正火钢的焊接 WH590的供货牌号为的供货牌号为17MnNiVNbR(WH590),它具有高韧性和优,它具有高韧性和优良焊接性。良焊接性。WH590在液化气体槽车上的成功应用,有效解决了槽车壁在液化气体槽车上的成功应用,有效解决了槽车壁厚大、自重系数高、容量比小缺点,为我国国产槽车的大型化起到了厚大、自重系数高、容量比小缺点,为我国国产槽车的大型化起到了积极作用。积极作用。3.正火正火+回火状态使用的钢回火状态使用的钢这类钢中一般加入这类钢中一般加入0.5%的钼以提高强度、细化组织,并提高钢的中的钼以提高
12、强度、细化组织,并提高钢的中温耐热性能。但含温耐热性能。但含Mo钢在正火后往往得到上贝氏体钢在正火后往往得到上贝氏体+少量铁素体,韧少量铁素体,韧性和塑性指标不高,必须在正火后进行回火才能获得良好的塑性和韧性和塑性指标不高,必须在正火后进行回火才能获得良好的塑性和韧性。大多数含性。大多数含Mo的低合金钢在的低合金钢在Mn-Mo系的基础上填加系的基础上填加Ni或或Nb,Ni可可提高厚板的低温韧性,如提高厚板的低温韧性,如13MnNiMoNb钢。钢。上一页 下一页返回6.1热轧及正火钢的焊接热轧及正火钢的焊接13MnNiMoNb钢是我国在钢是我国在20世纪世纪80年代末引进国外配方研制而成并年代末
13、引进国外配方研制而成并在制造高压锅炉锅筒及其他高压容器中得到广泛应用的。由于含碳量在制造高压锅炉锅筒及其他高压容器中得到广泛应用的。由于含碳量低低(0.16%),合金化配方合理,使这种钢具有较高的强度和韧性,并,合金化配方合理,使这种钢具有较高的强度和韧性,并有良好的焊接性,特别是对再热裂纹的敏感性很低。有良好的焊接性,特别是对再热裂纹的敏感性很低。Mn-Mo系中加入少量的系中加入少量的Nb,可以进一步提高钢的强度,如,可以进一步提高钢的强度,如18MnMoNb钢的钢的s可达可达490 MPa。这种钢主要用于制造高压锅炉锅。这种钢主要用于制造高压锅炉锅筒。但由于含碳量较高筒。但由于含碳量较高(
14、0.17%0.23%,焊接性不如,焊接性不如13MnNiMoNb,而且在正火,而且在正火+回火状态的力学性能不够稳定,目前部分已被回火状态的力学性能不够稳定,目前部分已被13MnNiMoNb取代。取代。上一页 下一页返回6.1热轧及正火钢的焊接热轧及正火钢的焊接微合金化控轧钢是热轧及正火钢中的一个重要的新分支,是微合金化控轧钢是热轧及正火钢中的一个重要的新分支,是20世纪世纪70年代发展起来的一类新钢种。它采用了微合金化年代发展起来的一类新钢种。它采用了微合金化(加入微量加入微量Nb、V、Ti)和控制轧制等新技术,来达到细化晶粒和沉淀强化相结合的效果,和控制轧制等新技术,来达到细化晶粒和沉淀强
15、化相结合的效果,同时从冶炼工艺上采取了降同时从冶炼工艺上采取了降C、降、降S,改变夹杂物形态,提高钢的纯,改变夹杂物形态,提高钢的纯净度等措施,使钢材具有均匀的细晶粒等轴铁素体基体。这种钢在轧净度等措施,使钢材具有均匀的细晶粒等轴铁素体基体。这种钢在轧制状态下就具有相当于或优于正火钢的质量,具有高强度、高韧性和制状态下就具有相当于或优于正火钢的质量,具有高强度、高韧性和良好的焊接性等优点。这类钢主要用于制造石油、天然气的输送管线,良好的焊接性等优点。这类钢主要用于制造石油、天然气的输送管线,如如X60、X65和和X70等管线钢。等管线钢。上一页 下一页返回6.1热轧及正火钢的焊接热轧及正火钢的
16、焊接6.1.2热轧及正火钢的焊接性热轧及正火钢的焊接性热轧及正火钢属于非热处理强化钢,碳及合金元素的含量都比较低,热轧及正火钢属于非热处理强化钢,碳及合金元素的含量都比较低,总体来看焊接性较好。但随着合金元素的增加和强度的提高,焊接性总体来看焊接性较好。但随着合金元素的增加和强度的提高,焊接性也变差,使热影响区母材性能下降,产生焊接裂纹。热轧及正火钢焊也变差,使热影响区母材性能下降,产生焊接裂纹。热轧及正火钢焊接缺陷及防止措施见接缺陷及防止措施见表表6-1。6.1.3热轧及正火钢的焊接工艺热轧及正火钢的焊接工艺热轧及正火钢的焊接性较好,表现在对焊接方法的适应性强,工艺措热轧及正火钢的焊接性较好
17、,表现在对焊接方法的适应性强,工艺措施简单,焊接缺陷敏感性低且较易防止,产品质量稳定。热轧及正火施简单,焊接缺陷敏感性低且较易防止,产品质量稳定。热轧及正火钢焊接时,对焊接质量影响最大的是焊接材料和焊接参数。钢焊接时,对焊接质量影响最大的是焊接材料和焊接参数。上一页 下一页返回6.1热轧及正火钢的焊接热轧及正火钢的焊接1.焊前准备焊前准备彻底清除焊接坡口及两侧的水、油、锈及其他污物,焊丝要严格脱脂、彻底清除焊接坡口及两侧的水、油、锈及其他污物,焊丝要严格脱脂、除锈,尽量减少氢的来源。除锈,尽量减少氢的来源。坡口加工时,对于强度级别较高的钢材,火焰切割应注意边缘的软化坡口加工时,对于强度级别较高
18、的钢材,火焰切割应注意边缘的软化或硬化。为防止切割裂纹,可采用与焊接预热温度相同的温度预热后或硬化。为防止切割裂纹,可采用与焊接预热温度相同的温度预热后进行焰切。进行焰切。组装时,应尽量减小应力。定位焊时,强度级别高的钢材易产生冷裂组装时,应尽量减小应力。定位焊时,强度级别高的钢材易产生冷裂纹,应采用与焊接预热温度相同的温度预热后进行定位焊,并保证定纹,应采用与焊接预热温度相同的温度预热后进行定位焊,并保证定位焊焊缝具有足够的长度和焊缝厚度。位焊焊缝具有足够的长度和焊缝厚度。对低碳调质钢,严禁在非焊接部位随意引弧。对低碳调质钢,严禁在非焊接部位随意引弧。上一页 下一页返回6.1热轧及正火钢的焊
19、接热轧及正火钢的焊接焊接用焊接用CO2保护气体的纯度保护气体的纯度(体积分数体积分数)应不低于应不低于99.5%,气体流量计,气体流量计选用有加热功能的流量计。选用有加热功能的流量计。2.焊接方法的选择焊接方法的选择热轧及正火钢焊接时,焊接方法的选择并不是一个关键问题,它对焊热轧及正火钢焊接时,焊接方法的选择并不是一个关键问题,它对焊接方法无特殊要求,热轧及正火钢可以用各种焊接方法焊接,不同的接方法无特殊要求,热轧及正火钢可以用各种焊接方法焊接,不同的焊接方法对产品质量无显著影响。通常是根据产品的结构特点、批量、焊接方法对产品质量无显著影响。通常是根据产品的结构特点、批量、生产条件及经济效益等
20、综合效果选择焊接方法。生产中常用的焊接方生产条件及经济效益等综合效果选择焊接方法。生产中常用的焊接方法有焊条电弧焊、埋弧焊、法有焊条电弧焊、埋弧焊、CO2气体保护焊、电渣焊、窄间隙焊等。气体保护焊、电渣焊、窄间隙焊等。上一页 下一页返回6.1热轧及正火钢的焊接热轧及正火钢的焊接热轧及正火钢可以用各种切割方法下料,如气割、电弧气刨、等离子热轧及正火钢可以用各种切割方法下料,如气割、电弧气刨、等离子弧切割等。强度级别较高的钢,虽然在热切割边缘会形成淬硬层,但弧切割等。强度级别较高的钢,虽然在热切割边缘会形成淬硬层,但在后续的焊接时可熔入焊缝而不会影响焊接质量。因此,切割前一般在后续的焊接时可熔入焊
21、缝而不会影响焊接质量。因此,切割前一般不需预热,割后可直接焊接而不必加工。不需预热,割后可直接焊接而不必加工。3.焊接材料的选择焊接材料的选择热轧及正火钢主要用于制造受力构件,要求焊接接头具有足够的强度,热轧及正火钢主要用于制造受力构件,要求焊接接头具有足够的强度,适当的屈强比、足够的韧性和低的时效敏感性,即具有与产品技术条适当的屈强比、足够的韧性和低的时效敏感性,即具有与产品技术条件相适应的力学性能。因此选择焊接材料时必须保证焊缝金属的强度、件相适应的力学性能。因此选择焊接材料时必须保证焊缝金属的强度、塑性、韧性等力学性能指标不低于母材,同时还要满足产品的一些特塑性、韧性等力学性能指标不低于
22、母材,同时还要满足产品的一些特殊要求如中温强度、耐大气腐蚀等,并不要求焊缝金属的合金系统或殊要求如中温强度、耐大气腐蚀等,并不要求焊缝金属的合金系统或化学成分与母材相同。化学成分与母材相同。上一页 下一页返回6.1热轧及正火钢的焊接热轧及正火钢的焊接热轧及正火钢常用焊接材料选择示例见热轧及正火钢常用焊接材料选择示例见表表6-2。4.焊接参数的选择焊接参数的选择(1)焊接热输入焊接热输入焊接热输入主要取决于过热区的脆化和冷裂两个因素。各类钢的脆化焊接热输入主要取决于过热区的脆化和冷裂两个因素。各类钢的脆化倾向和冷裂倾向是不同的,因此对热输入的要求也不同。焊接含碳量倾向和冷裂倾向是不同的,因此对热
23、输入的要求也不同。焊接含碳量很低的一些热轧钢,如很低的一些热轧钢,如Q295以及含碳偏下限的以及含碳偏下限的Q345(16Mn)时,对时,对热输入基本没有严格的限制。但若要提高过热区的塑性、韧性,热输热输入基本没有严格的限制。但若要提高过热区的塑性、韧性,热输入偏小一些有利。当焊接含碳量偏高的入偏小一些有利。当焊接含碳量偏高的Q345钢时,由于淬硬倾向加钢时,由于淬硬倾向加大,马氏体的含碳量也提高,小的热输入时冷裂倾向就会增大,过热大,马氏体的含碳量也提高,小的热输入时冷裂倾向就会增大,过热区的脆化也变得严重,所以在这种情况下热输入偏大一些比较好。区的脆化也变得严重,所以在这种情况下热输入偏大
24、一些比较好。上一页 下一页返回6.1热轧及正火钢的焊接热轧及正火钢的焊接对于一些含对于一些含Nb、V、Ti的正火钢来说,为了避免由于沉淀相的溶入以的正火钢来说,为了避免由于沉淀相的溶入以及晶粒过热所引起的脆化,选择热输入应该偏小一些,如及晶粒过热所引起的脆化,选择热输入应该偏小一些,如Q420(15 MnVN。但对淬硬倾向大、含碳量和合金元素量较高的正火钢。但对淬硬倾向大、含碳量和合金元素量较高的正火钢(如如18MnMoNb)来说,随着热输入减小,过热区韧性降低,容易产生延来说,随着热输入减小,过热区韧性降低,容易产生延迟裂纹。因而一般焊接这类钢时,热输入偏大一些较好。但在加大热迟裂纹。因而一
25、般焊接这类钢时,热输入偏大一些较好。但在加大热输入、降低冷却速度的同时,会引起过热的加剧输入、降低冷却速度的同时,会引起过热的加剧(一般来说,加大热输一般来说,加大热输入对冷却速度的降低较有限,但对过热的影响较明显入对冷却速度的降低较有限,但对过热的影响较明显)。因此在这种情。因此在这种情况下采用大热输入的效果不如采用小热输入况下采用大热输入的效果不如采用小热输入+预热更合理。预热温度预热更合理。预热温度控制恰当时,既能确保避免裂纹,又能防止晶粒的过热。控制恰当时,既能确保避免裂纹,又能防止晶粒的过热。上一页 下一页返回6.1热轧及正火钢的焊接热轧及正火钢的焊接(2)预热温度预热温度焊前预热可
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