低合金高強(qiáng)鋼的焊接技術(shù)

1、低合金高強(qiáng)鋼的焊接哈爾濱工業(yè)大學(xué) 劉愛國一、鋼的分類 工業(yè)用鋼的分類方法很多，可以按化學(xué)成分、性能、品質(zhì)、用途、內(nèi)部組織等進(jìn)行分類。按用途分結(jié)構(gòu)鋼工具鋼特殊性能鋼專業(yè)用鋼一、鋼的分類按化學(xué)成分分碳鋼合金鋼低碳鋼 wc0.6wt% 低合金鋼 w10wt% 一、鋼的分類低合金高強(qiáng)鋼低合金特殊用鋼 低合金鋼(按用途)珠光體耐熱鋼 低溫鋼 低合金耐蝕鋼 二、低合金高強(qiáng)鋼的分類低合金高強(qiáng)鋼(按屈服強(qiáng)度級別和熱處理狀態(tài))熱軋及正火鋼 s=294490MPa低碳調(diào)質(zhì)鋼 s=441980MPa 中碳調(diào)質(zhì)鋼 s=8801176MPa 三、低合金高強(qiáng)鋼的性能1.熱軋及正火鋼 價格便宜，綜合力學(xué)性能較好。熱處理屈服

2、強(qiáng)度/ MPa合金系熱軋鋼鋼錠加熱1300，熱軋，空冷294343C-Mn、Mn-Si正火鋼鋼板再加熱900 ，空冷343490C-Mn、Mn-Si系，添加碳、氮化物形成元素三、低合金高強(qiáng)鋼的性能2. 低碳調(diào)質(zhì)鋼 熱處理屈服強(qiáng)度/ MPa含碳量低碳調(diào)質(zhì)鋼淬火+高溫回火441980要求wc0.22wt%，實際上都在0.18wt%以下三、低合金高強(qiáng)鋼的性能2. 低碳調(diào)質(zhì)鋼 將鋼加熱到臨界點Ac3或(亞共析鋼)或Ac1 (過共析鋼)以上一定溫度，保溫一定時間，然后以大于臨界淬火速度的速度冷卻，使過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體(或貝氏體)組織的熱處理工藝稱為淬火。三、低合金高強(qiáng)鋼的性能2. 低碳調(diào)質(zhì)鋼 將淬火

3、鋼在A1以下溫度加熱，使其轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的回火組織，并以適當(dāng)?shù)姆绞嚼鋮s到室溫的熱處理工藝稱為回火。回火低溫回火 150250 回火馬氏體中溫回火 350500 回火屈氏體高溫回火 500650 回火索氏體三、低合金高強(qiáng)鋼的性能2. 低碳調(diào)質(zhì)鋼 金屬學(xué)與熱處理定義： 淬火+高溫回火調(diào)質(zhì)焊接界定義： 淬火+回火調(diào)質(zhì)三、低合金高強(qiáng)鋼的性能2. 低碳調(diào)質(zhì)鋼 低碳調(diào)質(zhì)鋼高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼 b=600800MPa 14MnMoNbB高強(qiáng)度耐磨鋼b=10001300MPa HQ100高強(qiáng)度高韌性鋼 b=600800MPa 12Ni3CrMoV三、低合金高強(qiáng)鋼的性能3. 中碳調(diào)質(zhì)鋼 熱處理屈服強(qiáng)度/ MPa含碳量特點中

4、碳調(diào)質(zhì)鋼淬火+高溫回火8801176wc=0.220.45wt%淬透性大，焊接性差四、典型低碳調(diào)質(zhì)鋼主要成分CMnSiNiCrMoVNSP14MnMoVN0.141.410.30-0.470.130.0150.0250.012HQ600.09 0.160.901.500.200.600.300.60 0.300.080.200.030.08- 0.0250.030五、低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接性分析夾雜氣孔裂紋熱裂紋冷裂紋再熱裂紋應(yīng)力腐蝕裂紋層狀撕裂冶金缺陷性能變化接頭脆化接頭軟化工藝焊接性五、低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接性分析常規(guī)力學(xué)性能耐磨性能使用焊接性低溫韌性抗脆斷性能高溫蠕變性能疲勞性能耐腐蝕性能五、低碳調(diào)質(zhì)鋼

5、焊接性分析 熱裂紋低熔共晶應(yīng)力含碳量低S、P控制嚴(yán)格含Mn量高低碳調(diào)質(zhì)鋼熱裂傾向低焊接熱裂紋形成的兩大要素五、低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接性分析 冷裂紋淬硬組織拘束應(yīng)力氫1. 含有多種提高淬透性的合金元素，淬透傾向大，本應(yīng)有很大的裂紋傾向；焊接冷裂紋形成的三大要素2. 含碳量低Ms點高 該溫度下冷速慢自回火冷裂傾向小五、低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接性分析 再熱裂紋促進(jìn)再熱裂紋形成的元素Cr，Mo，Cu，V，Nb，Ti，B具有一定再熱裂紋傾向五、低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接性分析 層狀撕裂 母材中雜質(zhì)限制比較嚴(yán)格，層狀撕裂傾向較小。五、低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接性分析 接頭脆化 接頭脆化粗晶脆化 沉淀相脆化 M-A組元脆化 熱應(yīng)變時效脆化 氫脆 五

6、、低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接性分析 接頭脆化 鋼中含有較多固氮元素，不容易產(chǎn)生熱應(yīng)變脆化。 會產(chǎn)生過熱區(qū)的粗晶脆化、M-A組元脆化。五、低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接性分析粗晶脆化 被加熱到1200以上的過熱區(qū)，晶粒明顯長大。脆性斷裂應(yīng)力和晶粒直徑d的關(guān)系為： 式中0-實驗溫度下單晶體的屈服強(qiáng)度； B-常數(shù)。 2/10)(dB五、低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接性分析M-A組元脆化 某些低合金鋼的焊接熱影響區(qū)處于中溫上貝氏體的轉(zhuǎn)變區(qū)間，出現(xiàn)含碳很低的鐵素體，并且逐漸擴(kuò)大，而碳大部分富集到被鐵素體包圍的島狀奧氏體中去。隨后這些高碳的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)楦咛捡R氏體和殘余奧氏體的混合物，稱為M-A組元(martensite-austenite cons

7、tituent)。 M-A組元降低韌性的原因為：奧氏體增碳后，易于形成孿晶馬氏體，夾雜于貝氏體、鐵素體板條之間，并在晶界上產(chǎn)生顯微裂紋，沿M-A組元擴(kuò)展，引起脆化。 五、低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接性分析M-A組元脆化 冷卻時間t8/5對M-A組元數(shù)量的影響 五、低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接性分析 接頭軟化 調(diào)質(zhì)鋼熱影響區(qū)的硬度分布 A-焊前淬火+低溫回火；B-焊前淬火+高溫回火；C-焊前退火 1-淬火區(qū)；2-部分淬火區(qū)；3回火區(qū) 加熱溫度在母材回火溫度至相變溫度之間的區(qū)域發(fā)生軟化。六、低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接工藝確定原則從焊接性分析過程可知，低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接時主要要注意：馬氏體轉(zhuǎn)變時冷卻速度不能太快800 500 冷卻速度大于產(chǎn)生

8、脆性M-A組元的臨界速度盡量減小熱輸入六、低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接工藝600MPa鋼(HQ60)的焊接為例1. 焊接方法 手工電弧焊、埋弧焊、鎢極氬弧焊、熔化極氬弧焊均可。六、低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接工藝2. 焊接材料 焊后通常不進(jìn)行熱處理，因此要求焊縫金屬的力學(xué)性能應(yīng)接近母材，即采用“等強(qiáng)原則”。特殊情況下，可以采用低強(qiáng)匹配。鋼號焊條氣體保護(hù)焊焊絲保護(hù)氣體HQ60E6015HGHS-60NCO2或Ar+CO2六、低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接工藝3. 焊接工藝參數(shù)(1) 不宜采用大直徑焊條或焊絲，應(yīng)盡量采用多層多道焊，以限制過大的熱輸入 。(2) 采用預(yù)熱，預(yù)熱溫度較低。(3) 一般不進(jìn)行后熱處理。六、低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接工藝3.

9、焊接工藝參數(shù)焊材直徑mm保護(hù)氣體氣體流量 Lmin-1焊接電流A焊接電壓V熱輸入kJcm-1預(yù)熱溫度或?qū)訙?E6015H4160180222418 22150GHS-60N1.680%Ar+20%CO2203603720150七、熱軋及正火鋼的焊接分析熱軋及正火鋼的成分 CSiMnPSMoNb16Mn0.120.200.20 0.551.20 1.600.0450.045-18MnMoNb0.17 0.230.17 0.371.35 1.650.0400.0450.45 0.650.025 0.050CMnSiNiCrMoVNSP14MnMoVN0.141.410.30-0.470.130.0

10、150.0250.012HQ600.09 0.160.901.500.200.600.300.60 0.300.080.200.030.08- 0.0250.030七、熱軋及正火鋼的焊接分析1. 熱裂紋 熱裂紋傾向較小。有時會在焊縫中出現(xiàn)熱裂紋，和熱軋及正火鋼中C、S、P等元素含量偏高有關(guān)。七、熱軋及正火鋼的焊接分析2. 冷裂紋 熱軋鋼含有少量合金元素，碳當(dāng)量比較低，冷裂傾向不大。 正火鋼含合金元素較多，隨碳當(dāng)量增加，淬硬傾向及冷裂傾向增大。七、熱軋及正火鋼的焊接分析3. 層狀撕裂 雜質(zhì)控制不如低碳調(diào)質(zhì)鋼嚴(yán)格，厚板有一定層狀撕裂傾向。七、熱軋及正火鋼的焊接分析4. 接頭脆化 會產(chǎn)生熱應(yīng)變脆化和

11、粗晶脆化。 在焊接熱循環(huán)的作用下，焊接接頭的局部地區(qū)由于熱應(yīng)力而產(chǎn)生塑性應(yīng)變，使接頭的硬度和屈服強(qiáng)度提高，塑性變形能力降低。這種現(xiàn)象稱為熱應(yīng)變脆化。 一般認(rèn)為熱應(yīng)變脆化是由于氮、碳原子聚集在位錯周圍，對位錯起釘扎作用造成的。八、中碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接分析中碳調(diào)質(zhì)鋼的成分 CMnSiNiCrMoVNSP14MnMoVN0.141.410.30-0.470.130.0150.0250.012HQ600.09 0.160.901.500.200.600.300.60 0.300.080.200.030.08- 0.0250.030CMnSiCrNiMoSP35CrMoA0.30 0.400.4 0.70.17 0.350.9 1.3-0.2 0.3 0.030 0.03530CrMnSiA0. 28 0.350.81.10.91.2 0.8 1.1 0.30- 0