中碳調(diào)質(zhì)鋼焊接

1、8/8Cr-Mn-Si中碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接中碳調(diào)質(zhì)鋼中的碳和其他合金元素含量較高，經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)辦理（悴火+回火）可獲得較高的強(qiáng)度性能。中碳調(diào)質(zhì)鋼合金元素的加人主若是起保證淬透性和提高抗回火性能的作用，而其強(qiáng)度性能主要還是取決于含碳量。但隨著碳含童的提高，鋼的焊接性明顯變差，焊接難度增大。中碳調(diào)質(zhì)鋼的信服強(qiáng)度達(dá)8801176MPa以上。鋼中的含碳量較高，并加人合金元素如MN、Si、Cr、V、B及Mo、W、V、Ti等），以保證鋼的淬透性，除掉回火脆性，再經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)辦理獲得綜合性能較好的高強(qiáng)鋼。中碳調(diào)質(zhì)鋼的主要特點(diǎn)是高的比蹋度和高硬度（比方可用作火箭外殼和裝甲鍋等），中碳調(diào)質(zhì)鋼的淬硬性比低碳調(diào)質(zhì)鋼高好多，熱辦

2、理后達(dá)到很高的強(qiáng)度和硬度，但韌性相對(duì)較低，給焊接帶來(lái)了很大的困難。中碳調(diào)質(zhì)鋼的合金系統(tǒng)能夠歸納為以下幾各種類：（1）40Cr是一種寬泛應(yīng)用的含Cr中碳調(diào)質(zhì)鋼，鋼中加人Cr1.5%時(shí)能有效地提高鋼的淬透性，連續(xù)增加Cr含量無(wú)實(shí)質(zhì)意義。1%時(shí)對(duì)鋼的塑性、韌性略有提高，高出2%時(shí)對(duì)塑性影響不大，但略使沖擊韌性下降。Cr能增加低溫或高溫的回火牢固性，但有回火脆性。40Cr鋼擁有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能、較高的淬透性和較高的疲倦強(qiáng)度，可用于制造較重要的在交變載荷下工作的機(jī)器部件。如用于制造齒輪和軸類等。2）35CrMoA和35CrMoVA屬于Cr-Mo系統(tǒng)，是在Cr鋼基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的中碳調(diào)質(zhì)鋼。加人少量Mn能

3、夠除掉Cr鋼的回火脆性，提高淬透性并使鋼擁有較好的強(qiáng)度與韌性般配，同時(shí)Mo還能夠提高鋼的高溫強(qiáng)度。V能夠細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度、塑性和韌性，增加高溫回火牢固性。這類鋼一般在動(dòng)力設(shè)備中用于制造一些承受較高負(fù)荷、截面較大的重要零部件，如汽輪機(jī)葉輪、主軸和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子等。這類鋼的含碳量較高，淬透性較大，所以焊接性較差，一般要求焊前預(yù)熱、焊后熱辦理等。3）30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A和40CrMnSiMoVA屬于Cr-Mn-Si系統(tǒng)，以及在該基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的含Ni鋼。30CrMnSiA是一種典型的Cr-Mn-Si系的中碳調(diào)質(zhì)鋼，不含Ni元素。這類鋼退火狀態(tài)下的組織是鐵素體和珠光體，調(diào)質(zhì)狀態(tài)下

4、的組織為回火索氏體。鋼擁有回火脆性的弊端，在300450出現(xiàn)第一類回火脆性，所以回火時(shí)必定避開(kāi)該溫度范圍。這類鋼還擁有第二類回火脆性，所以高溫回火時(shí)必定采用快冷的方法.否則韌性會(huì)顯著降低。這類鋼除了在調(diào)質(zhì)狀態(tài)卜應(yīng)用外，有時(shí)在損失必然韌性的情況下，為了提高鋼的強(qiáng)度，減少構(gòu)造重量，采用200250的低溫回火，以便獲得擁有很高強(qiáng)度的低溫回火馬氏體組織。當(dāng)工件厚度小于25mm時(shí)，可采用等溫淬火。獲得下貝氏體組織，此時(shí)強(qiáng)度與塑性、韌性獲得優(yōu)異的配合。這類鋼在飛體系造中用得較為寬泛。30CrMnSiNi2A鋼是在Cr-Mn-Si系基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。其特點(diǎn)主若是增加Ni。大大提高了鋼的淬透性。與30CrMn

5、SiA對(duì)照，調(diào)質(zhì)后的強(qiáng)度有較大提高，并保持了優(yōu)異的韌性，但它的焊接性較差，擁有較大的冷裂傾向。40CrMrrSiMoVA屬于低Cr無(wú)Ni中碳調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼，其中加人了淬透性強(qiáng)的Mo元素，與30CrMnSiNi2A對(duì)照，因含碳量高且不含Ni，焊接性要差一些，可用來(lái)代替30CrMnSiNi2A制造飛機(jī)上的一些構(gòu)樣。（4）40CrNiMoA和34CrNi3MoA屬于Cr-Ni-Mo系的調(diào)質(zhì)鋼，由于加人了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的Ni和Mo，顯著地提高了淬透性和抗回火消融的能力，對(duì)改進(jìn)鋼的韌性也有好處，擁有優(yōu)異的綜合性能，如強(qiáng)度高、韌性好、淬透性大等優(yōu)點(diǎn)。主要用于高負(fù)荷、大截面的軸類以及承受沖擊載荷的構(gòu)件，如汽輪機(jī)

6、、噴氣渦輪機(jī)軸以及噴氣式客機(jī)的起落架和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)外殼等。中碳調(diào)質(zhì)鋼的揮接性解析焊縫中的熱裂紋中碳調(diào)質(zhì)鋼含碳量及合金元素含量較高，焊縫凝固結(jié)晶時(shí)，固一液相溫度區(qū)間大，結(jié)晶偏析傾向嚴(yán)重，焊接時(shí)易產(chǎn)生結(jié)品裂紋，擁有較大的熱裂紋敏感性。比方30CrMnSi由于C、Si含量較高，所以熱裂傾向較大。為了防范產(chǎn)生熱裂紋，要求采用低碳低硅焊絲（焊絲中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)限制在0.15%以下，最高不高出0.25%），嚴(yán)格限制母材及焊絲中的S、P含量，對(duì)于重要產(chǎn)品的鋼材和焊絲，要求采用真空熔煉或電渣精髓，將S和P總的質(zhì)量分?jǐn)?shù)限制在0.025%以下。焊接中碳調(diào)質(zhì)鋼時(shí)，應(yīng)試慮到可能出現(xiàn)熱裂紋問(wèn)題，盡可能采用碳含量低以及含S、

7、P雜質(zhì)少的焊接資料。在焊接工藝上應(yīng)注意填滿弧坑和保證優(yōu)異的焊縫成形。由于熱裂紋簡(jiǎn)單出現(xiàn)在未填滿的弧坑處，特別是在多層焊時(shí)第一層焊道的弧坑中以及焊縫的凹陷部位。淬硬性和冷裂紋中碳調(diào)質(zhì)鋼的淬硬傾向十分明顯，焊接熱影響區(qū)簡(jiǎn)單出現(xiàn)硬脆的馬氏體組織，增大了焊接接頭區(qū)的冷裂紋傾向。母材含碳量越高，淬硬性越大，焊接冷裂紋傾向也越大。中碳調(diào)質(zhì)鋼對(duì)冷裂紋的敏感性之所以比低碳調(diào)質(zhì)鋼大，除了淬硬傾向大外，還由于Ms點(diǎn)較低，在低溫下形成的馬氏體難以產(chǎn)生“自回火”效應(yīng)。由于馬氏體中的碳含量較高，有很大的過(guò)飽和度，點(diǎn)陣畸改正嚴(yán)重，所以硬度和脆性更大，冷裂紋敏感性也更突出。信服強(qiáng)度590980MPa的低、中碳調(diào)質(zhì)鋼的碳當(dāng)量

8、一般都高出了0.5%，多數(shù)高出了0.6%，屬于高淬硬傾向的鋼。從碳當(dāng)量來(lái)看，中碳調(diào)質(zhì)鋼與低碳調(diào)質(zhì)鋼的差別不很顯著。二者的焊接性卻差別很大。所以，中碳調(diào)質(zhì)鋼的冷裂傾向比低碳調(diào)質(zhì)鋼更為嚴(yán)重的原因主要在馬氏體的種類和性能上。低碳馬氏體有，自回火”作用，所以冷裂紋傾向較小。解析各種鋼的冷裂敏感性時(shí)，不但要看焊接區(qū)的馬氏體形成的傾向，還必定考慮到馬氏體的種類和性能。焊接中碳調(diào)質(zhì)鋼時(shí)，為了防范冷裂紋，應(yīng)盡量降低焊接接頭的含氫量，除了采用焊前預(yù)熱措施外，焊后須及時(shí)進(jìn)行回火辦理。其他，中碳調(diào)質(zhì)超高強(qiáng)鋼還擁有應(yīng)力腐化開(kāi)裂敏感性。這類應(yīng)力腐化開(kāi)裂常發(fā)生在水或高濕度空氣等弱腐化性介質(zhì)中。為了降低焊接接頭的應(yīng)力腐化開(kāi)

9、裂傾向，應(yīng)采用熱量集中的焊接方法和較小的焊接熱輸人，防范焊件表面的焊接弊端和劃傷。熱影響區(qū)的脆化和消融1）熱影響區(qū)脆化中碳調(diào)質(zhì)鋼由于碳含最較高，合金元素很多，有相當(dāng)大的淬硬傾向，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度（Ms）低，無(wú)“自回火”過(guò)程，所以在焊接熱影響區(qū)簡(jiǎn)單產(chǎn)生大量脆硬的馬氏體組織（特別是高碳、粗大的馬氏體），以致熱影響區(qū)脆化。生成的高碳馬氏體越多，脆化越嚴(yán)重。為了減少熱影響區(qū)脆化，從減小淬硬傾向出發(fā)，本應(yīng)采用大熱輸人才有利，但由于這類鋼的淬硬性強(qiáng)，僅經(jīng)過(guò)增大熱輸人還難以防范馬氏體的形成，柑反卻增大了奧氏體的過(guò)熱，促使形成粗大的馬氏體，反而使熱影響區(qū)過(guò)熱區(qū)的脆化更為嚴(yán)重。所以，防范熱影響區(qū)脆化的工藝措施主若

10、是采用小熱輸入，同時(shí)采用預(yù)熱、緩冷和后熱等措施。由于采用小熱輸人減少了高溫停留時(shí)間，防范奧氏體晶粒的過(guò)熱，同時(shí)采用預(yù)熱和緩冷等措施來(lái)降低冷卻速度，這對(duì)改進(jìn)熱影響區(qū)的性能是有利的。2）熱影響區(qū)消融焊前為調(diào)質(zhì)狀態(tài)的鋼材焊接時(shí)，被加熱到該鋼調(diào)質(zhì)辦理的回火溫度以上時(shí)，焊接熱影響區(qū)將出現(xiàn)強(qiáng)度、硬度低于母材的消融區(qū)。若是焊后不再進(jìn)行調(diào)質(zhì)辦理，該消融民可能成為降低接頭區(qū)強(qiáng)度的單薄區(qū)。中碳調(diào)質(zhì)鋼的強(qiáng)度級(jí)別越高時(shí)，消融問(wèn)題越突出。所以，在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接時(shí)應(yīng)試慮熱影響區(qū)的消融問(wèn)題。母材焊前所處的熱辦理狀態(tài)不相同，消融區(qū)的溫度范圍和消融程度有很大差別。低溫回火的鋼材，熱影響區(qū)消融區(qū)的溫度范圍越大，相對(duì)于母材的消融程

11、度也越大。從韌性方面出發(fā)，過(guò)熱區(qū)是接頭中最單薄的環(huán)節(jié)；而從強(qiáng)度方面考慮，消融區(qū)是接頭中最單薄的環(huán)節(jié)。中碳調(diào)質(zhì)鋼熱影響區(qū)消融最明顯的部位，是溫度處于Ac1Ac3，之間的區(qū)段，這與該區(qū)段的不完好悴火過(guò)程有親近關(guān)系。由于不完好淬火區(qū)的奧氏體成分遠(yuǎn)未達(dá)到平衡濃度，鐵素體和碳化物均未充分溶解，冷卻時(shí)奧氏體易發(fā)生分解。造成這個(gè)區(qū)段的組織強(qiáng)度和硬度都較低。熱影響區(qū)消融程度和消融區(qū)的寬度與焊接熱輸入、焊接方法等有很大關(guān)系。焊接熱輸人越小，加熱和冷卻速度越快，消融程度越小，消融區(qū)的寬度越窄。30CrMnSi鋼經(jīng)氣焊后，熱影響區(qū)消融區(qū)的抗拉強(qiáng)度降為590685MPa；而采用焊條電弧焊時(shí)，消融區(qū)的抗拉強(qiáng)度為8801

12、030MPa。氣焊時(shí)的熱影響區(qū)消融區(qū)此電弧焊時(shí)寬得多所以焊接熱源越集中，對(duì)減少消融越有利。中碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接工藝特點(diǎn)中碳調(diào)質(zhì)鋼的淬透性很大，所以焊接性較差，焊后的淬火組織是硬脆的高碳馬氏體，不但冷裂紋敏感性大，而且焊后若不經(jīng)熱辦理時(shí)，熱影響區(qū)性能達(dá)不到原來(lái)基體金屬的性能。中碳調(diào)質(zhì)鋼焊前母材所處的狀態(tài)特別重要，它決定了焊接時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題性質(zhì)和應(yīng)采用的工藝措施，而且對(duì)焊接工藝的要求和工藝參數(shù)的控制特別嚴(yán)格。退火或正火狀態(tài)下焊接中碳調(diào)質(zhì)鋼最幸好退火（或正火）狀態(tài)下焊接，焊后經(jīng)過(guò)整體調(diào)質(zhì)辦理獲得性能滿足要求的焊接接頭，這是焊接中碳調(diào)質(zhì)鋼的一種比較合理的工藝方案。這時(shí)焊接中所要解決的主若是裂紋問(wèn)題，熱影響區(qū)

13、和焊縫的性能經(jīng)過(guò)焊后的調(diào)質(zhì)辦理來(lái)保證。選擇焊接資料的要求是不產(chǎn)生冷、熱裂紋，而且要求焊縫金屬與母材在同一熱辦理工藝下調(diào)質(zhì)辦理，能獲得相同性能的焊接接頭。這類情況下對(duì)選擇焊接方法幾乎沒(méi)有限制，常用的一些焊接方法（焊條電弧焊、埋弧焊、TIG和MIG，等離子弧焊等）都能采用。在選擇焊接資料時(shí)，除了要求保證不產(chǎn)生冷、熱裂紋外，還有一些特別要求，即焊縫金屬的調(diào)質(zhì)辦理規(guī)范應(yīng)與母材的一致，以保證調(diào)質(zhì)后的接頭性能也與母材相同。所以，焊縫金屬的主要合金組成應(yīng)與母材相似，對(duì)能引起焊縫熱裂傾向和促使金屬脆化的元素（如C、Si、S、P等）應(yīng)加以嚴(yán)格控制。在焊后調(diào)質(zhì)的情況下，焊接參數(shù)的確定主若是保證在調(diào)質(zhì)辦理從前不出現(xiàn)

14、裂紋，接頭性能由焊后熱辦理來(lái)保證。所以可采用很高的預(yù)熱溫度（200350）和層間溫度。其他，在好多情況下焊后來(lái)往往不及馬上進(jìn)行調(diào)質(zhì)辦理，為了保證焊接接頭冷卻到室溫后在調(diào)質(zhì)辦理前不致產(chǎn)生延緩裂紋，還須在焊后及時(shí)進(jìn)行一次中間熱辦理。這類熱辦理一般是在焊后等于或高于預(yù)熱溫度下保持一段時(shí)間，目的是為了從兩方面來(lái)防范延緩裂紋：一是起到擴(kuò)散除氫的作用；二是使組織轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)冷裂紋敏感性低的組織。當(dāng)焊后辦理溫度高時(shí)，還有除掉應(yīng)力的作用。采用局部預(yù)熱時(shí)，預(yù)熱的溫度范圍離焊縫兩側(cè)應(yīng)不小于100mm，焊后若不能夠及時(shí)調(diào)質(zhì)辦理應(yīng)進(jìn)行680回火辦理。產(chǎn)品構(gòu)造復(fù)雜和有好多條焊縫時(shí)，焊完必然數(shù)量的焊縫后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行中間回火辦理

15、，這樣就能防范等到最后辦理時(shí)，先焊接的部位已經(jīng)出現(xiàn)延緩裂紋的問(wèn)題。中間回火的次數(shù)，要依照焊縫的多少和產(chǎn)品構(gòu)造的復(fù)雜程度來(lái)決定。對(duì)于淬硬傾向更大的30CrMnSiNi2A來(lái)說(shuō)，為了防范冷裂紋的產(chǎn)生，焊后須馬上（焊縫處的金屬不能夠冷到低于250）將工件人爐加熱到（65010）或680回火，爾后按規(guī)定進(jìn)行調(diào)質(zhì)辦理。調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接若是必定在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接，而且焊后不能夠再進(jìn)行調(diào)質(zhì)辦理的焊接構(gòu)造件，這時(shí)的主要問(wèn)題是防范焊接裂紋和防范熱影響區(qū)消融。除了裂紋外，熱影響區(qū)的主要問(wèn)題是：高碳馬氏體引起的硬化和脆化，以及高溫回火區(qū)消融引起的強(qiáng)度降低。高碳馬氏體引起的硬化和脆化能夠經(jīng)過(guò)焊后的回火辦理來(lái)解決。但高溫回

16、火區(qū)消融引起的強(qiáng)度下降，在焊后不能夠調(diào)質(zhì)辦理的情況下是無(wú)法填充的。由于焊后不再進(jìn)行調(diào)質(zhì)辦理，焊縫金屬成分可與母材有差別。為了防范焊接冷裂紋，也能夠采用塑韌性好的奧氏體焊條。為了除掉熱影響區(qū)的淬硬組織和防范延緩裂紋的產(chǎn)生，必定合適采用預(yù)熱、層間溫度控制、中間熱辦理，并應(yīng)焊后及時(shí)進(jìn)行回火辦理。上述工藝過(guò)程的溫度控制應(yīng)比母材淬火后的回火溫度最少低50。為了減少熱影響區(qū)的消融。從焊接方法考慮，應(yīng)該是采用熱量越集中、能量密度越大的方法越有利，而且焊接熱輸入越小越好。這一點(diǎn)與低碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接是一致的。所以氣焊在這類情況下是最不合適的，氣體保護(hù)焊比較好，特別是鎢極缸弧焊，它的熱量比較簡(jiǎn)單控制，焊接質(zhì)量簡(jiǎn)單保

17、證，所以常用它來(lái)焊接一些焊接性很差的高強(qiáng)鋼。其他，脈沖氫弧焊、等離子弧焊和電子束焊等工藝方法，用于這類鋼的焊接是很有前途的。從經(jīng)濟(jì)性和方便性考慮，目前在焊接這類鋼時(shí)，焊條電弧焊還是用得最為寬泛。對(duì)于必定在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接，而且焊后不能夠再進(jìn)行調(diào)質(zhì)辦理的焊接構(gòu)造件，這時(shí)熱影響區(qū)性能的下降是很難解決的。所以，應(yīng)采用盡可能小的焊接熱輸人。由于焊后不再進(jìn)行調(diào)質(zhì)辦理，選擇焊接資料時(shí)沒(méi)有必要考慮成分和熱辦理規(guī)范與母材相般配的問(wèn)題。從防范焊接冷裂紋的要求出發(fā)，能夠采用塑韌性較好的奧氏體銘鎳鋼焊條或鎳基焊條。這時(shí)在工藝上應(yīng)注意到異種鋼焊接時(shí)的一些特點(diǎn)。比方在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接30CrMnSiA和30CrMnSilV

18、i2A時(shí)采用鎳基奧氏體焊條，焊后采用250 x2h或更長(zhǎng)時(shí)間的低溫回火辦理。在焊接像30Cr14MnSiNi2A淬硬傾向很大的鋼材時(shí)，除了焊后低溫回火外，還要采用必然的預(yù)熱措施，預(yù)熱溫度應(yīng)低于母材淬火后的回火溫度，一般采用的預(yù)熱和層間溫度為200250。焊接方法及焊接資料1）焊接方法中碳調(diào)質(zhì)鋼常用的焊接方法有焊條電弧焊、氣體保護(hù)焊、埋弧焊等。采用熱量集中的脈沖氫弧焊、等離子弧焊及電子束焊等方法，有利于減小焊接熱影響區(qū)寬度，獲得細(xì)晶組織，提高焊接接頭的力學(xué)性能。一些薄板焊接多采用氣體保護(hù)焊、鎢極缸弧焊和微束等離子弧焊等。中碳調(diào)質(zhì)鋼應(yīng)采用盡可能小的焊接熱輸人，這樣能夠降低熱影響區(qū)淬火區(qū)的脆化，同時(shí)采用預(yù)熱、后熱等措施，還能夠提高抗冷裂性能，改進(jìn)淬火區(qū)的組織性能。采用小熱輸人還有利于減小消融區(qū)，降低消融程度。在確定中碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接參數(shù)時(shí)，主要應(yīng)從防范冷裂紋和防范熱影響區(qū)消融出發(fā)。采用較高的預(yù)熱溫度（200350）和層間溫度、焊后馬上進(jìn)行熱辦理等，以達(dá)到防范裂紋的目的。2）焊接資料中碳調(diào)質(zhì)鋼焊接資料應(yīng)采用低碳合金系。降低焊縫金屬的S、P雜質(zhì)含量，以保證焊縫金屬的韌性、塑性和強(qiáng)度，提高焊縫金屬的抗裂性。對(duì)于焊后需要熱辦理的構(gòu)件，焊縫金屬的化學(xué)成分應(yīng)與基體金屬周邊。應(yīng)依照焊縫受力條件、性能要求及焊后熱辦理情