金屬材料焊接工藝 第3版 教案 12 熱軋及正火鋼的焊接

授課教案首頁學年第學期機械工程學院材料技術系（部）焊接技術及自動化教研室課程名稱金屬材料焊接工藝任課教師授課形式理論教學√課內(nèi)實踐□理實一體□習題復習□考核評價□其他活動□課時安排2課時序號12授課日期月日月日月日月日授課班級教學內(nèi)容：第三章低合金鋼的焊接2、熱軋及正火鋼的焊接教學目標：知識目標：1、了解熱軋及正火鋼的成分特點2、了解熱軋及正火鋼的焊接性能力目標：掌握熱軋及正火鋼的焊接工藝要點素質(zhì)目標：1、培養(yǎng)學生良好的操作習慣2、具有與人溝通、與人合作的社會交往能力重點難點及解決方法：要求學生熟悉熱軋及正火鋼的焊接工藝要點。授課地點：教室教學媒體：投影儀設備及材料：其它資源：學習效果評價方式：課堂提問及作業(yè)作業(yè)和思考題：1．熱軋與正火鋼的主要強化元素和強化方式有何不同？其焊接性有何差異？2．簡述熱軋及正火鋼的焊接工藝要點。課后小結(jié)：填表說明：1.序號，指該課程授課的順序號，應與授課計劃一致；2.授課形式在相應的選項打“√”。授課教案教學內(nèi)容及過程時間分配方法及手段一、教學組織1．復習引入10分鐘2．講解45分鐘3．提問20分鐘4.小結(jié)15分鐘二、教學內(nèi)容能力知識點1熱軋及正火鋼的成分和性能1．熱軋鋼屈服點為295～390MPa的鋼大都屬于熱軋鋼，合金系統(tǒng)為C-Mn或C-Mn-Si系，其強度是靠Mn、Si的固溶強化作用來保證。在低碳條件下，wMn≤1.6%、wSi≤0.6%，可以保持鋼具有較高的塑性和韌性，超出這一范圍后，塑、韌性明顯惡化。因此合金元素的用量和鋼的強度水平都受到限制。熱軋鋼的綜合力學性能和加工工藝性能都較好，且冶煉工藝簡單、價格較低，因此在國內(nèi)外得到廣泛應用。Q345（16Mn）是我國1957年研制生產(chǎn)和應用最廣泛的熱軋鋼，用于南京長江大橋和我國第一艘萬噸運洋貨輪。Q345按其中Mn和Si的質(zhì)量分數(shù)不同又分為A～E5個質(zhì)量等級，Q345·A即舊牌號中的16Mn，Q345·C相當于鍋爐和壓力容器用鋼中的16Mng和16MnR。熱軋鋼的組織為鐵素體+珠光體，當板厚較大時，可以要求在正火條件下供貨，經(jīng)正火處理可使鋼的化學成分均勻化，塑性、韌性提高，但強度略有下降。2．正火鋼當要求鋼的屈服點大于390MPa時，必須在固溶強化的同時加強合金元素的沉淀強化作用。正火鋼是在固溶強化的基礎上，加入碳、氮化物（V、Ti、Nb和Mo等）形成元素，通過沉淀強化和細晶強化來進一步提高鋼的強度和保證韌性。正火處理的目的是促使碳化物和氮化物質(zhì)點從固溶體中沉淀析出并同時細化晶粒。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學方法如：項目教學、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導等；3.教學手段如：課件演示、模型講解、實物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡課程等。授課教案教學內(nèi)容及過程時間分配方法及手段3．微合金控軋鋼加入質(zhì)量分數(shù)為0.1%左右對鋼的組織性能有顯著或特殊影響的微量合金元素的鋼，稱為微合金鋼。多種微合金元素的共同作用稱為多元微合金化。微合金控軋鋼采用微合金化和控制軋制等技術，達到細化晶粒和沉淀強化相結(jié)合的效果，同時從冶煉工藝上采取降碳、降硫，改變夾雜物形態(tài)，提高鋼的純凈度等措施，使鋼材具有細晶組織。具有高強度、高韌性和良好的焊接性等優(yōu)點，是熱軋及正火鋼的一個新分支，是近年發(fā)展起來的一類新鋼種。主要用于石油和天然氣的輸送管線，如X60、X65和X70等管線鋼。能力知識點2熱軋及正火鋼的焊接性熱軋及正火鋼中碳和合金元素的含量都較低，焊接性總體來看較好，但隨合金元素含量的增加，焊接性變差。焊接時需要注意的問題是焊接裂紋和熱影響區(qū)性能變化。一、焊接裂紋1．焊接冷裂紋在產(chǎn)生冷裂紋的三要素淬硬組織、拘束度和擴散氫含量中，淬硬組織和材料有關，因此鋼材的淬硬傾向可以作為判斷冷裂紋敏感性的標準之一。而淬硬傾向又可以通過碳當量、Pc、熱影響區(qū)最高硬度等來判斷。例如鋼材碳當量越大，冷裂紋敏感性也越大，利用國際焊接學會推薦的碳當量計算公式計算CE。一般認為，CE＜0.4%時，鋼材在焊接過程中基本無淬硬傾向，冷裂敏感性小。屈服點為295～390MPa熱軋鋼的碳當量一般都小于0.4%，焊接性良好，除大厚度鋼板和在環(huán)境溫度很低等情況下焊接外，一般不需預熱和嚴格控制焊接熱輸入。碳當量CE=0.4%～0.6%時，鋼的淬硬傾向逐漸增加，屬于有淬硬傾向的鋼，對冷裂紋比較敏感。屈服點為440～490MPa的正火鋼基本屬于這一范圍，其中碳當量不超過0.5%時，淬硬傾向不太嚴重，焊接性尚好，在板厚較大（δ≥25mm）時需要采取預熱措施。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學方法如：項目教學、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導等；3.教學手段如：課件演示、模型講解、實物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡課程等。授課教案教學內(nèi)容及過程時間分配方法及手段2．焊接熱裂紋熱軋及正火鋼含碳量都較低，而含Mn量較高，Mn/S的比值可以達到防止結(jié)晶裂紋的要求，具有較好的抗熱裂紋能力，在母材化學成分正常，焊接材料和焊接參數(shù)選擇正確的情況下，一般不會產(chǎn)生熱裂紋。但在個別情況下，例如母材中的碳與硫同時居上限或嚴重偏析，則有可能產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。反之，如果焊接時焊縫產(chǎn)生結(jié)晶裂紋，則是由母材中的碳與硫的不正常造成的，這時就要從工藝上設法減小熔合比，選用碳含量少、Mn含量高的焊接材料，以降低焊縫中的碳和提高焊縫中的Mn，可以達到消除結(jié)晶裂紋的目的。3．消除應力裂紋（再熱裂紋）含有Mo、Cr元素的鋼在焊后消除應力熱處理或焊后再次高溫加熱（包括長期高溫下使用）過程中，可能出現(xiàn)裂紋，即消除應力裂紋，也稱再熱裂紋。一般產(chǎn)生在熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，裂紋沿熔合線方向斷續(xù)分布。該裂紋的產(chǎn)生一般須有較大的焊接殘余應力，因此在拘束度大的厚大工件中或應力集中部位更易于出現(xiàn)消除應力裂紋。在熱軋及正火鋼中，18MnMoNb和14MnMoV有輕微的消除應力裂紋傾向，可采取提高預熱溫度或焊后立即熱處理等措施來防止消除應力裂紋的產(chǎn)生。4．層狀撕裂層狀撕裂主要與鋼的冶煉軋制質(zhì)量、板厚、接頭形式和Z向應力有關，與鋼材強度無直接關系。一般認為，鋼中的含硫量和ψZ是衡量抗層狀撕裂能力的判據(jù)。經(jīng)驗表明，當ψZ＞20%時，即使Z向拘束應力較大，也不會產(chǎn)生層狀撕裂。對有可能在焊接過程產(chǎn)生層狀撕裂的重要結(jié)構(gòu)，可采用Z向鋼（如D36），其ψZ最高值可達55%。這些鋼在冶煉過程中采取了特殊的工藝措施，因此成本較高。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學方法如：項目教學、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導等；3.教學手段如：課件演示、模型講解、實物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡課程等。授課教案教學內(nèi)容及過程時間分配方法及手段二、熱影響區(qū)性能變化熱軋及正火鋼焊接熱影響區(qū)性能變化主要是過熱區(qū)的脆化；在一些合金元素含量較低的鋼中有時還可能出現(xiàn)熱應變脆化問題。1．過熱區(qū)脆化在被加熱到1200℃以上的熱影響區(qū)過熱區(qū)，會發(fā)生奧氏體晶粒的顯著長大和一些難熔質(zhì)點（如碳化物和氮化物）熔入基體的過程。在冷卻過程中可能會產(chǎn)生脆性較大的魏氏組織、粗大的馬氏體組織和塑性很低的混合組織（即鐵素體、高碳馬氏體和貝氏體的混合組織）等。熱軋鋼過熱區(qū)脆化主要是由于在熱輸入較大時產(chǎn)生魏氏組織或是由于含碳量偏高和冷卻速度較快時產(chǎn)生的馬氏體組織引起的。正火鋼過熱區(qū)脆化與魏氏組織無關，除晶粒粗化外，主要是由于在1200℃高溫下，起沉淀強化作用的碳化物和氮化物質(zhì)點分解并熔于奧氏體，在隨后的冷卻過程中來不及析出而固溶在基體中，結(jié)果使鐵素體基體的硬度上升而韌性下降，這時如果減小熱輸入，就可以減少過熱區(qū)在高溫的停留時間，抑制碳化物和氮化物的熔解，從而有效防止過熱區(qū)脆化。2．熱應變脆化熱應變脆化是指在焊接過程中，在熱和應變共同作用下產(chǎn)生的一種應變時效。一般發(fā)生在固溶氮含量較高而強度級別不高的低合金鋼中，如抗拉強度490MPa的C-Mn鋼。若在鋼中加入足夠的氮化物形成元素（Al、Ti、V等）可以有效降低熱應變脆化傾向，如Q420（15MnVN）比Q345（16Mn）的熱應變傾向小。消除熱應變時效的有效措施是焊后熱處理，如Q345經(jīng)600℃×1h退火處理后，其韌性可恢復到原有水平。能力知識點3熱軋及正火鋼的焊接工藝要點一、焊接方法熱軋及正火鋼焊接時對焊接方法無特殊要求，不同焊接方法對焊接質(zhì)量無顯著影響，因此可以采用各種焊接方法進行焊接，常用焊接方法如焊條電弧焊、埋弧焊、CO2氣體保護焊和電渣焊等，一般是根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點、批量、生產(chǎn)條件和經(jīng)濟效益等綜合情況進行選擇。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學方法如：項目教學、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導等；3.教學手段如：課件演示、模型講解、實物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡課程等。授課教案教學內(nèi)容及過程時間分配方法及手段二、下料、坡口加工和定位焊熱軋及正火鋼可以采用各種切割方法下料。坡口加工可采用機械加工，也可采用氣割和碳弧氣刨。對強度級別較高、厚度較大的焊件，經(jīng)過火焰切割或碳弧氣刨的坡口應用砂輪仔細打磨，消除氧化皮及凹槽；在坡口兩側(cè)20～30mm范圍內(nèi)清除油污、鐵銹等。定位焊焊縫應有足夠的長度（一般不小于50mm）以防開裂，對厚度較薄的板材定位焊縫長度應不小于4倍板厚。定位焊應選用與焊縫相同的焊接材料，也可選用強度稍低的焊條或焊絲。焊接順序應能防止過大的拘束、允許工件有適當?shù)淖冃?，采用的焊接電流可稍大于焊接時的焊接電流。三、焊接材料選擇焊接材料時必須考慮到兩方面的問題：一是保證焊縫不產(chǎn)生裂紋等焊接缺陷；二是能滿足使用性能的要求。選擇焊接材料的主要依據(jù)是保證焊縫金屬的強度、塑性和韌性等力學性能與母材相匹配，而不要求與母材成分相同，因此選擇焊接材料應考慮以下問題：1．根據(jù)母材的強度級別選用相應的焊接材料按照焊縫與母材等強匹配的原則選擇焊接材料，一般要求焊縫與母材強度相等或略低于母材。例如適用于焊接Q420（15MnVN）的焊條E5515，其中C、Mn的含量都比母材低，且其中不含沉淀強化元素V，但用它焊接的焊縫金屬的抗拉強度可達549～608MPa，同時還具有高的塑性和韌性。2．考慮熔合比和冷卻速度的影響焊縫的力學性能取決于它的化學成分和組織狀態(tài)。焊縫化學成分不僅取決于焊接材料，而且與母材的熔入量（即熔合比）有很大關系；而焊縫組織則與冷卻速度有很大關系。采用同樣焊接材料，在熔合比和冷卻速度不同時，所得焊縫的性能也會有很大差別。選擇焊條或焊絲時應考慮到板厚和坡口形式的影響，焊接薄板時因熔合比較大，應選用強度較低的焊接材料，焊接厚板時則相反。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學方法如：項目教學、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導等；3.教學手段如：課件演示、模型講解、實物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡課程等。授課教案教學內(nèi)容及過程時間分配方法及手段3．考慮焊后熱處理對焊縫力學性能的影響焊后熱處理（如消除應力退火）會使焊縫的強度有所降低，當焊縫強度余量不大時，焊后熱處理后焊縫強度可能低于母材，因此，對于焊后要求正火處理的焊縫，應選擇強度高一些的焊接材料。此外，如果對焊縫金屬的使用性能有特殊要求，應同時加以考慮。例如，在焊接16MnCu時，要求焊縫金屬與母材具有相同的耐蝕性能，則需選用含銅的焊條。四、焊接參數(shù)1．焊接熱輸入確定焊接熱輸入主要考慮熱影響區(qū)的脆化和冷裂兩個因素。各類鋼材的脆化傾向和冷裂傾向是不同的，因此對熱輸入的要求也不同。在焊接碳當量（Ceq）小于0.4%熱軋及正火鋼時，如Q295和Q345，對熱輸入沒有嚴格限制。焊接碳當量為0.4%～0.6%的熱軋及正火鋼時，熱輸入應偏大一些比較好。但最好是采用小熱輸入+預熱。恰當控制預熱溫度，既能避免產(chǎn)生裂紋，又能防止晶粒過熱。2．預熱溫度預熱的目的是為了防止裂紋，同時還有一定的改善組織和性能的作用。預熱溫度與鋼材的淬硬性、板厚、拘束度、環(huán)境溫度等因素有關，工程中必須結(jié)合具體情況經(jīng)試驗后才能確定，推薦的一些預熱溫度只能作為參考。多層焊時應保證道間溫度不低于預熱溫度，但也要避免道間溫度過高產(chǎn)生的不利影響，如韌性下降等。3．焊后熱處理熱軋及正火鋼一般不需要焊后熱處理；但對要求抗應力腐蝕的焊接結(jié)構(gòu)、低溫下使用的焊接結(jié)構(gòu)和厚壁高壓容器等，焊后需要進行消除應力的高溫回火（550～650℃）。確定回火溫度的原則是：1）不超過母材原來的回火溫度，以免影響母材本身的性能。2）對有回火脆性的材料，要避開出現(xiàn)回火脆性的溫度區(qū)間。例如，對含V或V+Mo的低合金鋼，在回火時要避免在600℃左右的溫度區(qū)間停留較長時間，以防因V的二次碳化物析出而造成脆化，如Q420（15MnVN）的消除應力回火的溫度為（550±25）℃。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學方法如：項目教學、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導等；3.教學手段如：課件演示、模型講解、實物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡課程等。授課教案教學內(nèi)容及過程時間分配方法及手段另外，對于抗拉強度大于490MPa的高強度鋼，由于產(chǎn)生延遲裂紋的傾向較大，為了在消除應力的同時起到消氫處理的作用，要求焊后立即進行回火處理。如焊后不能及時進行熱處理，應立即在250～350℃保溫2～6h，以便焊接區(qū)的氫逸出。能力知識點4典型鋼種Q345的焊接工藝要點1．焊前準備氣割或碳弧氣刨下料和加工坡口，切口可直接進行焊接Q345鋼可以順利進行冷彎和機械切割。筒節(jié)冷彎當板厚與直徑之比大于1/40時，成形后應進行600～650℃的消除應力回火，以消除冷作硬化。Q345鋼加熱到850℃以上可以進行各種熱壓成形，經(jīng)熱壓后力學性能無明顯變化，一般不需再進行熱處理。Q345鋼也可采用加熱矯正變形。經(jīng)驗表明，火焰矯正的加熱溫度應控制在700～800℃之間，不宜超過900℃。2．預熱Q345鋼的焊接性較好，一般情況下焊接不需預熱，但當結(jié)構(gòu)剛度較大或在低溫條件下焊接時，應進行預熱，預熱溫度見表3-6板厚/mm預熱溫度＜16不低于-10℃不預熱，-10℃以下預熱100～150℃16～24不低于-5℃不預熱，-5℃以下預熱100～150℃25～40不低于0℃不預熱，0℃以下預熱100～150℃＞40均預熱100～150℃3．焊條電弧焊工藝可采用I形、V形或X形坡口。一般選用E50××型的焊條。重要結(jié)構(gòu)（如壓力容器）應選用堿性焊條（E5016、5015）；對厚度小、坡口角度小或強度要求不高的產(chǎn)品也可選用E43××型的焊條（E4316、E4315）。焊條應嚴格按要求進行烘干：如堿性焊條必須經(jīng)350～400℃烘干2h。焊接參數(shù)見表3-7。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學方法如：項目教學、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導等；3.教學手段如：課件演示、模型講解、實物講解、