七-中碳鋼、熱軋鋼的焊接概要

七-中碳鋼、熱軋鋼的焊接概要第一頁，編輯于星期六：十點二分。表3-9焊接常用中碳鋼的化學(xué)成分第二頁，編輯于星期六：十點二分。表3-10焊接常用中碳鋼的力學(xué)性能第三頁，編輯于星期六：十點二分。二、中碳鋼的焊接性分析中碳鋼ω(C)范圍為0.30％～0.60％。按IIW計算的碳當(dāng)量在0.40~080%之間，當(dāng)ω(C)接近0.30％而ω（Mn）不高的Q275、30、30Mn鋼，焊接性良好。隨著ω(C)的增加，焊接性逐漸變差。冷裂紋熱影響區(qū)可能產(chǎn)生硬脆的馬氏體組織，使其強度提高、脆化和硬化，冷裂紋敏感性增大。當(dāng)焊接材料和焊接過程控制不好，焊縫擴散氫含量較大時，焊縫也開裂。主要帶來的問題：熱裂紋隨著碳含量的增加，增加了焊縫中的S、P偏析，焊縫中的熱裂紋傾向增大，特別是雜質(zhì)硫控制不嚴(yán)時，更顯示出來。這種熱裂紋在弧坑處更為敏感。氣孔焊接時，因熔化母材中的碳進入熔池，導(dǎo)致焊縫金屬碳含量增加，也增加了氣孔(CO)的敏感性。

熱影響區(qū)軟化焊前經(jīng)過淬火處理的中碳鋼零件，在熱影響區(qū)可能出現(xiàn)回火軟化現(xiàn)象。第四頁，編輯于星期六：十點二分。有時為了提高中碳鋼耐磨或耐蝕性能，在表面堆焊一層高合金層。此時應(yīng)防止堆焊層與基體成分差異過大在熔合區(qū)產(chǎn)生過多的合金馬氏體組織，易造成該區(qū)冷裂紋或產(chǎn)生剝離。對于中碳鋼鑄鋼件，焊接修復(fù)時，應(yīng)防止焊接冷裂紋或修復(fù)部位焊接殘余應(yīng)力過大而導(dǎo)致開裂。第五頁，編輯于星期六：十點二分。三、中碳鋼的焊接工藝（一）焊接方法的選擇常用方法中碳鋼焊接性較差，大都用于制造機械零件，焊接方法應(yīng)選用焊接熱輸入易控制，且較小的焊接方法，如焊條電弧焊，CO2氣體保護焊、氬弧焊等。電渣焊與埋弧焊相比，由于電渣焊渣池對焊件良好的預(yù)熱作用，以及冷卻速度極慢的特點，更適宜于中碳鋼的焊接。如焊絲-焊劑組合選配恰當(dāng)，焊接工藝參數(shù)合適，則焊縫及熱影響區(qū)不至于出現(xiàn)淬硬組織，焊后產(chǎn)生冷裂紋的傾向也小。缺點是只適合于厚板長直焊縫，且焊后應(yīng)進行正火熱處理以細化晶粒，如大型齒輪毛坯、電機座、壓力機機架、壓力機壓輥、大型油壓機支柱和柱體的焊接，用電渣焊能減少制造時間，節(jié)省焊劑消耗。埋弧焊不推薦使用埋弧焊。如必須使用，也只限于ω（C）＜0.40％的中碳鋼中薄板，如含碳量處于下限的35鋼（W（C）0.32％～0.40％）及30鋼（ω（C）0.27％～0.35％）。選用低碳優(yōu)質(zhì)焊絲H08A、H08E、H08MnA配硅鈣型燒結(jié)焊劑SJ301、SJ302，焊前應(yīng)預(yù)熱到150℃。焊后立即進行消除應(yīng)力處理或去氫處理。第六頁，編輯于星期六：十點二分。（二）焊接材料的選擇盡量采用低氫型焊接材料應(yīng)盡量選用抗裂性好的低氫型焊條，因熔敷金屬擴散氫量少，去硫能力強，故熔敷金屬塑性、韌性良好，抗裂性好。如果選用非低氫型焊條，如鈦鐵礦型或鈦鈣型焊條進行焊接，必須采取嚴(yán)格的工藝措施配合，如控制預(yù)熱溫度、減少母材熔合比等，才能獲得滿意的結(jié)果。特殊情況下選擇焊接材料如母材不允許預(yù)熱時，可選用鉻鎳奧氏體不銹鋼焊條焊接，焊縫金屬為奧氏體組織，塑性好，可減少焊接接頭應(yīng)力，避免熱影響區(qū)冷裂紋的產(chǎn)生。用于中碳鋼焊接的鉻鎳奧氏體不銹鋼焊條有E308－16（A102）、E308－15（A107）、E309－16（A302）、E309－15（A307）、E310－16（A402）、E310－15（A407）等。焊縫金屬與母材強度匹配要求焊縫金屬與母材等強度時，應(yīng)選用強度級別相當(dāng)?shù)牡蜌鋲A性焊條；在不要求等強度時，可選用強度級別低于母材的低氫堿性焊條，例如焊接母材為490MPa的鋼，可選用E4316、E4315焊條?？紤]焊前狀態(tài)熱處理前即退火狀態(tài)下焊接，選用焊條必須使焊縫金屬成分與母材相近，以使焊后經(jīng)熱處理的焊縫金屬達到與母材相同的性能；如在熱處理后（一般為調(diào)質(zhì)處理）的部件上焊接，則必須選用低氫堿性焊條，采取相應(yīng)工藝措施，以防止裂紋和減少熱影響區(qū)的軟化。第七頁，編輯于星期六：十點二分。（三）焊接工藝要點預(yù)熱中碳鋼焊接需要預(yù)熱，控制層間溫度（一般不能低于預(yù)熱溫度），以降低焊縫金屬和熱影響區(qū)的冷卻速度，抑制馬氏體的形成，提高焊接接頭的塑性，減小殘余應(yīng)力。預(yù)熱溫度取決于碳當(dāng)量、母村厚度、結(jié)構(gòu)剛度、焊條類型和工藝方法。如表3-6焊后熱處理焊后最好立即消除應(yīng)力熱處理，至少應(yīng)在焊件冷卻到預(yù)熱溫度或?qū)娱g溫度之前進行，消除應(yīng)力回火溫度一般為600～650℃，焊件在爐中加熱和冷卻應(yīng)平緩，以減少截面厚度方向的溫度梯度。工藝措施降低母材熔合比（U形坡口），減小熱輸入，降低冷卻速度（細焊條，小電流，多層焊等），焊件置于立焊或半立焊位置，焊條作橫向擺動，其幅度取焊條直徑的5～8倍。冶金保護焊接中碳鋼采用J507焊條，當(dāng)焊接沸騰鋼時，加入含有足夠數(shù)量脫氧劑（例如Al、Mn、Si）的填充金屬，可以防止焊縫氣孔。后熱若焊后不可能立即消除應(yīng)力，也應(yīng)當(dāng)進行后熱，以便去氫。后熱保溫時間大約每10mm厚度為lh左右。第八頁，編輯于星期六：十點二分。中碳鋼的焊接并不少見，例如40、45或50鋼的焊接時有發(fā)生。不過，這些鋼材往往制成機器零件，并非大型結(jié)構(gòu)，所以大多為焊條電弧焊。三、中碳鋼焊接實例例如，一根45鋼、?75mm的機軸，采用焊接辦法接長。焊前接頭處開成坡口，預(yù)熱200℃，采用E5015（J507）焊條（預(yù)先按焊條說明書規(guī)定烘培）焊接。第1層焊縫焊接電流為170～180A，務(wù)必焊透；第2層及以后各層焊接電流為180～190A。焊接時，保持層間溫度200℃，焊完以后立即消除應(yīng)力，T＝650℃±15℃、2.5h，接著緩冷，24h以后打開取出。第九頁，編輯于星期六：十點二分。又如中碳鋼的CO2氣體保護焊，工件為鍛壓機的對擊錘頭，工況條件惡劣，承受250kg的巨大沖擊載荷。錘頭材質(zhì)為ZG270-500，σb＞490MPa,σs＞275MPa。使用過程中，錘頭滑道板斷裂，共4道通長裂紋，總長約6m。如用焊條電弧焊，估計需焊條2t，焊接及中間消除應(yīng)力熱處理時間總共約需1個月，勞動強度也大。因此，選用CO2氣體保護焊，焊絲為H08Mn2SiA，其熔敷金屬的σb和σs皆與母材匹配。錘頭滑道板曾經(jīng)表面淬火強化，故焊前先行退火。預(yù)熱和層間溫度為200～250℃。焊接時先用J350焊條在工件表面進行預(yù)堆焊，再用CO2氣體保護焊焊接。當(dāng)坡口中焊縫金屬約達1/2時，進行450～480℃、2.5h的中間消除應(yīng)力熱處理。焊縫全部完成后，立即進爐進行最后消除應(yīng)力熱處理。第十頁，編輯于星期六：十點二分。第二節(jié)

熱軋及正火鋼的焊接工藝

熱軋鋼或正火鋼--屈服強度為295～490Mpa的低合金高強鋼，一般是在熱軋或正火狀態(tài)下供貨使用，故稱為熱軋鋼或正火鋼，屬于非熱處理強化鋼。熱軋鋼正火鋼正火狀態(tài)下使用正火+回火狀態(tài)下使用（含鉬（Mo)鋼）一、熱軋及正火鋼的性能特點典型熱軋及正火鋼的化學(xué)成分及牌號見表7-2，力學(xué)性能見表7-3。第十一頁，編輯于星期六：十點二分。第十二頁，編輯于星期六：十點二分。第十三頁，編輯于星期六：十點二分。第十四頁，編輯于星期六：十點二分。熱軋鋼σs＝295～390MPa的鋼，主要以Mn、Si起固溶強化。也可再加入V、Nb以達到細化晶粒和沉淀強化的作用。

Q295、Q345、Q390；組織為細晶粒F+P。正火+回火狀態(tài)使用的鋼正火狀態(tài)下使用的鋼Q420、HW530、HW590；正火處理→碳化物析出→沉淀強化、細晶→↑強度、韌性，↑焊接性。水電站壓力鋼管、壓力容器（特別是球形儲罐）用鋼

加入Mo→↑強度、細晶，提高鋼的中溫耐熱性，但↓塑性、韌性（須正火后回火以改善）。一般在Mn-Mo系上加Ni或Nb。13MnNiMoNb、18MnMoNb。主要用于制造高壓鍋爐鍋筒。

第十五頁，編輯于星期六：十點二分。二、熱軋及正火鋼的焊接性分析焊接性分析→找出焊接時可出現(xiàn)的問題（性能不合格或焊接缺陷）。熱軋及正火鋼屬于非熱處理強化鋼，碳及合金元素的含量比較低，此類鋼總的焊接性較好，但Me↑及強度↑→焊接性↓。主要為焊接裂紋與HAZ脆化。

第十六頁，編輯于星期六：十點二分。1．焊接裂紋結(jié)晶裂紋含碳量較低，含錳量都較高，Mn/S比值較大，因而具有較好的抗熱裂性能；特殊情況下（C、S同時居上限或偏析嚴(yán)重）可能產(chǎn)生。防止：↑Mn、↓C↓S含量（用低氫型焊條、超低碳焊絲+高Mn高Si焊劑、↓熔合比）。消除應(yīng)力裂紋

含Mo正火鋼厚壁壓力容器之類的焊接結(jié)構(gòu)，進行焊后消除應(yīng)力熱處理或焊后再次高溫加熱（包括長期高溫使用）的過程中產(chǎn)生，也稱再熱裂紋（簡稱SR裂紋）。其他有沉淀強化的鋼或合金（如珠光體耐熱鋼、奧氏體不銹鋼等）的焊接接頭中，也可能產(chǎn)生消除應(yīng)力裂紋。在熱軋及正火鋼中，18MnMoNb鋼對消除應(yīng)力裂紋比較敏感。通過提高預(yù)熱溫度(如將T0由180℃提高到230℃)或焊后及時進行后熱(180℃預(yù)熱，焊后立即進行180℃X2h后熱)，可有效地防止消除應(yīng)力裂紋。冷裂紋

熱軋鋼的冷裂紋敏感性高于低碳鋼。強度級別↑、冷速↑→冷裂傾向↑層狀撕裂

主要與鋼的冶煉質(zhì)量、板厚、接頭形式和Z向應(yīng)力有關(guān)。厚板結(jié)構(gòu)及T型接頭、角接接頭用Z向鋼。注意：層狀撕裂主要以含S量及Ψz來衡量，而與鋼材的強度無直接關(guān)系。第十七頁，編輯于星期六：十點二分。2.熱影響區(qū)的脆化過熱區(qū)脆化熱應(yīng)變脆化（1）熱影響區(qū)（過熱區(qū)）的脆化熱軋鋼（16Mn）：1）ωc偏下限：E過大→晶粒粗化（魏氏組織）→脆化嚴(yán)重；防止：↓E。2）ωc偏上限：E過大→晶粒粗化；E偏低→冷速快→高碳M→脆化。防止：適當(dāng)加大E。第十八頁，編輯于星期六：十點二分。Wc=0.14%的M4鋼的ak值隨冷卻速度的提高而上升。Wc=0.17%的M2鋼，因含碳量的增加，E偏大時形成含碳量較高的魏氏體而脆化，E偏小時出現(xiàn)含碳量高的馬氏體而脆化。其線能量調(diào)整的范圍較窄。第十九頁，編輯于星期六：十點二分。正火鋼：原因：晶粒粗化（次要原因），主要為：過熱區(qū)加熱至高溫1200℃→碳化物或氮化物分解溶入A。焊接時冷速快→碳化物形成元素來不及析出→形成固溶體→脆化。防止：用較小的E。第二十頁，編輯于星期六：十點二分。（2）熱應(yīng)變脆化原因加熱與應(yīng)變同時作用下產(chǎn)生。由固溶的N引起，200～400℃為敏感溫度區(qū)，大多發(fā)生在固溶含氮的低碳鋼和強度較低的低合金鋼(如σb為490MPa級的C—Mn鋼)中。熱應(yīng)變脆化--指鋼在200℃～Ac1溫度范圍內(nèi)，受到較大的塑性變形（5%～10%）后，出現(xiàn)斷裂韌性明顯下降，脆性轉(zhuǎn)變溫度明顯升高的現(xiàn)象。

防止若鋼中加入足夠的氮化物形成元素，可以顯著降低熱應(yīng)變脆化傾向。消除熱應(yīng)變脆化的有效措施是進行焊后熱處理，經(jīng)600℃左右的消除應(yīng)力退火后，材料的韌性可恢復(fù)到原有水平。16Mn鋼焊后，韌脆轉(zhuǎn)變溫度比焊前提53℃，15MnVN鋼升高30℃，說明二者都有一定的熱應(yīng)變脆化傾向。15MnVN中雖然加了氮，但因釩有固氮作用，故脆化傾向比16Mn低些。16Mn鋼經(jīng)600℃×lh退火處理后，韌性基本恢復(fù)正常。第二十一頁，編輯于星期六：十點二分。三、熱軋及正火鋼的焊接工藝（一）焊接方法的選擇對焊接方法沒有特殊要求，通常根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點、批量、生產(chǎn)條件及經(jīng)濟效益等綜合效果選擇焊接方法。生產(chǎn)中常用的焊接方法有：焊條電弧焊埋弧焊CO2氣體保護焊電渣焊高效焊接方法窄間隙的氣電立焊和埋弧焊可用各種切割方法下料，如氣割、電弧氣刨、等離子切割等。第二十二頁，編輯于星期六：十點二分。（二）焊接材料的選擇等強原則選擇焊條碳含量，合金元素含量低于母材。適用于焊接Q420（15MnVN）的焊條E5515的化學(xué)成分為：ω（C）≤0.12％，ω（Mn）≈1.2%，ω（Si）≈0.5%。所以從成分上看，含C、Mn量都比15MnVN低，而且根本不含沉淀強化的元素V。但焊縫金屬的σb能達到549～608MPa，同時還具有很高的塑性和韌性。考慮熱處理情況選擇焊后有熱處理時，應(yīng)適當(dāng)↑焊縫金屬的強度（即選用強度稍高的焊接材料）→防止熱處理后焊縫金屬的強度下降?？紤]熔合比和冷卻速度選擇埋弧焊時，熔合比與焊劑是必須考慮的方面（如焊縫Mn、Si含量少，則須從焊絲和焊劑過渡Mn、Si→采用低Mn低合金鋼焊絲配合高Mn高Si焊劑）考慮結(jié)構(gòu)因素的影響對于厚板、拘束度大或冷裂傾向大的焊接結(jié)構(gòu)，以及重要的產(chǎn)品，應(yīng)選用低氫或高韌性的焊接材料

第二十三頁，編輯于星期六：十點二分。第二十四頁，編輯于星期六：十點二分。（三）焊接工藝參數(shù)的確定1.焊接熱輸入的確定主要取決于過熱區(qū)的脆化和冷裂兩個因素。依鋼材的強度而定。強度級別較低→線能量調(diào)整范圍寬；強度級別較高→線能量調(diào)整范圍窄（可配合預(yù)熱或后熱，既防止冷裂，又可↑接頭韌性）。Q295和含碳低的Q345固溶強化提高強度，線能量影響不大。但是，對于含碳量較高的Q345鋼，則必須考慮在線能量較小時會產(chǎn)生淬火組織的可能，而應(yīng)選用較大的線能量。Q390和18MnMoNb沉淀強化元素多，過熱區(qū)因沉淀強化相的溶解而造成脆化，故線能量不宜過大。即在焊接這類鋼時，線能量的上限應(yīng)當(dāng)是保證過熱區(qū)不會出現(xiàn)由于沉淀強化相溶解而造成的脆化。對含碳及合金元素較多的鋼，還需要考慮防止冷速過大而出現(xiàn)淬火組織或冷裂紋，因而線能量亦不宜過小。第二十五頁，編輯于星期六：十點二分。第二十六頁，編輯于星期六：十點二分。2.預(yù)熱溫度的確定焊前預(yù)熱是防止冷裂紋，改善接頭性能的重要措施。預(yù)熱溫度受母材強度、焊條類型、坡口形式、環(huán)境溫度等因素的影響，并可利用其中有關(guān)經(jīng)驗公式進行初步估算。第二十七頁，編輯于星期六：十點二分。3.焊后熱處理熱軋及正火鋼常用的熱處理制度有消除應(yīng)力退火、正火或正火+回火等。常用熱處理參數(shù)見表7-6。在下列情況下，要求熱軋及正火鋼進行焊后熱處理：1)母材屈服點≥490MPa，為了防止延遲裂紋，焊后應(yīng)立即進行消除應(yīng)力退火或消氫處理。2)厚壁壓力容器為了防止由于焊接時在厚度方向存在溫差，而形成三向應(yīng)力場所導(dǎo)致的脆性破壞，焊后應(yīng)進行消除應(yīng)力退火。3)電渣焊接頭為了細化晶粒，提高接頭韌性，焊后一般要求進行正火或正火+回火處理。4)對可能發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂或要求尺寸穩(wěn)定的產(chǎn)品，焊后應(yīng)進行消除應(yīng)力退火。焊后要進行機械加工的構(gòu)件，在加工前應(yīng)進行消除應(yīng)力退火。在確定退火溫度時，應(yīng)注意兩點：一是退火溫度不應(yīng)超過焊前的回火溫度，以保證母材的性能不發(fā)生變化；二是對有回火脆性的鋼，應(yīng)避開回火脆性的溫度區(qū)間。第二十八頁，編輯于星期六：十點二分。2.預(yù)熱溫度的確定焊前預(yù)熱是防止冷裂紋，改善接頭性能的重要措施。預(yù)熱溫度受母材強度、焊條類型、坡口形式、環(huán)境溫度等因素的影響，并可利用其中有關(guān)經(jīng)驗公式進行初步估算。表7-6為幾種常用熱軋及正火鋼的預(yù)熱溫度，可供參考。當(dāng)接頭板厚很大或施工溫度較低時，應(yīng)適當(dāng)提高預(yù)熱溫度；結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、接頭拘束度較大時，亦應(yīng)提高預(yù)熱溫度。而采用大線能量的焊接方法時(如電渣焊)，預(yù)熱溫度應(yīng)相應(yīng)降低或不進行預(yù)熱。第二十九頁，編輯于星期六：十點二分。四、典型鋼種的焊接實例Q345鋼的焊接Q345鋼相當(dāng)于舊牌號的12MnV、14MnNb、16Mn等鋼種，這些鋼的焊接性與焊接工藝是基本