低碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接

1、低碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接低碳調(diào)質(zhì)鋼的成分是根據(jù)在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下使用而設(shè)計的。這類鋼多用于重要的焊接結(jié)構(gòu)，對焊接質(zhì)量要求高，這類鋼大都在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接。1）接頭及坡口型式設(shè)計對于屈服強(qiáng)度在600MPa以上的低碳調(diào)質(zhì)鋼來說，焊縫的分布及接頭部位的應(yīng)力集中程度都將對接頭的質(zhì)量有明顯的影響。合理的接頭應(yīng)該是應(yīng)力集中系數(shù)最低，具有良好的可焊接性，并便于焊后檢驗。為此，應(yīng)盡量避免將焊縫布置在斷面突然變化的部位，并要考慮便于施焊。一般來說，應(yīng)該采用對接接頭焊縫，而且要求焊縫與母材交界處平滑過渡。坡口型式以U型或V型為佳，但必須要求兩個坡口必須完全焊透。為了降低焊接應(yīng)力, 可采用雙V型或雙U型坡口。2）坡口制備低碳調(diào)質(zhì)鋼

2、的坡口可以用氧-乙炔火焰切割，但切割邊緣有硬化層，應(yīng)通過回火或機(jī)械加工消除之。板厚小于100mm時，切割前不需預(yù)熱。板厚超過100mm，應(yīng)進(jìn)行100150預(yù)熱。強(qiáng)度等級較高的鋼，不宜用氧-乙炔火焰切割，應(yīng)用電弧或等離子弧切割。3）焊接方法選用低碳調(diào)質(zhì)鋼在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接，為使回火區(qū)的軟化降到最低限度，應(yīng)采用比較集中的熱源。s1000MPa的鋼，可用手工電弧焊、埋弧焊、鎢極氬弧焊或熔化極氣體保護(hù)焊等方法。其中s700MPa的鋼，如HY-130鋼，為了獲得滿意的接頭性能，最好用鎢極氬弧焊或熔化極氣體保護(hù)焊。如由結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定，確實需采用高線能量的焊接方法（如電渣焊或多絲埋弧焊）, 焊后必須進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理

3、。4）焊接材料焊接材料選用的原則依母材在熱處理狀態(tài)的不同而定。母材在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下進(jìn)行焊接時，選用的焊接材料，應(yīng)保證焊態(tài)的焊縫金屬與調(diào)質(zhì)狀態(tài)的母材具有相同的力學(xué)性能；當(dāng)接頭拘束度很大時，為了防止冷裂紋，可選用強(qiáng)度略低的填充金屬。常用的焊材選用對照表手工電弧焊可用GB-E85系列的焊條，如E8515-X、E8518-X（J857、J857Fe）等或ASW中E110系列的焊條。埋弧焊則用Mn-Mo、Mn-Cr-Ni-Mo或Mn-Mo-V系焊絲。焊條必須按規(guī)定進(jìn)行烘焙，烘干后應(yīng)置于保溫筒內(nèi)，不應(yīng)在大氣中久放。耐吸潮低氫型焊條在350400烘焙1h后，可在相對濕度80%環(huán)境中放置24h，藥皮含水量仍不超過

4、規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。母材在退火（或正火）狀態(tài)下進(jìn)行焊接時，焊后需進(jìn)行整體調(diào)質(zhì)處理。選用焊接材料的原則是保證焊縫金屬經(jīng)過與母材相同的熱處理后，具有與母材相同的力學(xué)性能。為此，要求焊縫與母材的合金成分相同或相近。5）焊接線能量選用線能量的一般原則是：在保證熱影響區(qū)韌性的前提下，采用允許的最大線能量，盡量采用多層多道焊。如果此時的冷速低于防止冷裂紋的下限，就應(yīng)通過預(yù)熱調(diào)整Ms點附近的冷卻速度。6）預(yù)熱溫度預(yù)熱的主要目的是防止冷裂發(fā)生, 對改善組織無明顯效果。但為了防止在高溫階段冷速過低而產(chǎn)生脆性的混合組織，預(yù)熱溫度不宜過高，一般不超過200。條件允許時，采用“低溫預(yù)熱+后熱”或“不預(yù)熱只后熱”。常用的預(yù)熱溫度

5、對照表7）焊后熱處理一般不進(jìn)行焊后熱處理，原因：A.有些鋼種對消除應(yīng)力裂紋比較敏感；B.退火冷速低，降低韌性。下列情況之一，可進(jìn)行消除應(yīng)力退火處理：1.鋼材在焊后或冷變形加工后，韌性達(dá)不到要求；2.焊后需進(jìn)行高精度加工，結(jié)構(gòu)要求保證尺寸穩(wěn)定；3.鋼材對應(yīng)力腐蝕敏感。注意：為保證退火后的強(qiáng)度和韌性，消除應(yīng)力處理的溫度應(yīng)該低于母材焊前回火溫度30左右。焊接接頭疲勞強(qiáng)度的研究焊接作為高效的連接組裝工藝之一, 通常對一個產(chǎn)品的質(zhì)量起著決定性的作用。研究和實踐表明;焊接結(jié)構(gòu)經(jīng)常不斷發(fā)生斷裂事故, 其中90%為疲勞失效, 焊接接頭的疲勞破壞一般起裂于焊接接頭的焊趾部位, 如果能改善焊趾處疲勞裂紋的起裂性能

6、, 將有效地提高焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度。因此提高和改善焊接接頭疲勞強(qiáng)度具有極大的潛在經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。近年來, 疲勞方面的研究雖已取得了很大的成績, 但焊接結(jié)構(gòu)疲勞斷裂事故仍不斷發(fā)生,而且新材料、新工藝的不斷出現(xiàn)將產(chǎn)生許多疲勞強(qiáng)度的新問題。1焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的原因分析從我國近幾年的研究發(fā)現(xiàn), 造成焊接接頭疲勞斷裂的原因主要有以下5 方面: (A) 客觀上講, 焊接接頭的靜載承受能力一般并不低于母材, 而承受交變動載荷時, 其承受能力卻遠(yuǎn)低于母材, 而且與焊接接頭類型和焊接結(jié)構(gòu)形式有密切的關(guān)系, 這是引起一些結(jié)構(gòu)因焊接接頭的疲勞而過早失效的一個主要的因素。(B) 早期的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計以靜載強(qiáng)度設(shè)計為

7、主, 沒有考慮抗疲勞設(shè)計, 或者是焊接結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計規(guī)范并不完善, 造成焊接接頭形式和結(jié)構(gòu)不合理。(C) 技術(shù)人員對焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞性能的特點了解不夠, 所設(shè)計的焊接結(jié)構(gòu)往往照搬其他金屬結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計準(zhǔn)則與結(jié)構(gòu)形式。(D) 盲目追求結(jié)構(gòu)的低成本、輕量化, 導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計載荷越來越大。(E)對焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度方面的科研水平相對滯后。3 影響焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的主要因素影響焊接接頭疲勞強(qiáng)度的因素主要有以下兩大類:(A) 影響母材疲勞強(qiáng)度的因素(幾何不連續(xù)性、表面狀態(tài)、載荷及介質(zhì)條件) 。(B) 焊接結(jié)構(gòu)自身的特點(近縫區(qū)組織的改變,殘余應(yīng)力) 。3. 1 靜載強(qiáng)度對母材疲勞強(qiáng)度的影響對于焊接結(jié)構(gòu)來說

8、, 焊接接頭的疲勞強(qiáng)度與母材靜強(qiáng)度、焊縫金屬靜強(qiáng)度、熱影響區(qū)的組織性能以及焊縫金屬強(qiáng)度匹配沒有多大的關(guān)系, 也就是說只要焊接接頭的細(xì)節(jié)一樣, 高強(qiáng)鋼和低碳鋼的疲勞強(qiáng)度是一樣的, 具有同樣的疲勞強(qiáng)度曲線(S -N曲線), 這個規(guī)律適合對接接頭、角接接頭和焊接梁等各種接頭形式。Maddox的研究結(jié)果表明: 材料的力學(xué)性能對裂紋擴(kuò)展速率有一定影響, 但影響并不大。3. 2 應(yīng)力集中對疲勞強(qiáng)度的影響3. 2. 1 接頭類型的影響影響焊接接頭幾何不連續(xù)性的因素, 都將影響應(yīng)力集中和疲勞強(qiáng)度。(A) 接頭形式: 對接、搭接、丁字和十字接頭。在接頭部位由于傳力線受到干擾, 因而發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。(B) 母材

9、的厚度。(C) 焊后余高。(D) 母材與焊縫金屬的過渡角。(E) 焊接缺陷: 裂紋、咬邊、未焊透、未熔合、夾渣等。減小、避免接頭的幾何不連續(xù), 降低應(yīng)力集中,有利于提高接頭的疲勞強(qiáng)度。3. 2. 2 焊縫形狀的影響無論是何種接頭形式, 它們都是由2種焊縫連接的, 對接焊縫和角焊縫。焊縫形狀不同, 其應(yīng)力集中系數(shù)也不相同, 因而疲勞強(qiáng)度具有較大的分散性。(1) 對接焊縫的形狀對接頭的疲勞強(qiáng)度影響最大A.過渡角的影響Yamaguchi 等人發(fā)現(xiàn)疲勞強(qiáng)度和基本金屬與焊縫金屬之間過渡角(外鈍角) 有很大關(guān)系。焊縫寬度W和高度h變化, 但h/ W 比值保持不變, 疲勞強(qiáng)度也保持不變; 但如果W保持不變,

10、 h增加則接頭疲勞強(qiáng)度降低。B.焊縫過渡半徑的影響Sander 等人的研究結(jié)果表明焊縫過渡半徑同樣對接頭疲勞強(qiáng)度具有重要影響, 即過渡半徑增加(過渡角保持不變) , 疲勞強(qiáng)度增加。(2) 角焊縫的形狀對于接頭的疲勞強(qiáng)度也有較大的影響當(dāng)單個焊縫的計算厚度a與板厚B之比a/B 0. 7時, 一般斷于基本金屬。因此研究者提出了極限焊腳尺寸的概念: S= 0. 85B ( S 為焊腳尺寸) 。可見縱使焊腳尺寸達(dá)到板厚時( 15 mm) , 仍可得焊縫處的斷裂結(jié)果。3. 2. 3 焊接缺陷的影響焊趾部位存在著大量不同類型的缺陷, 導(dǎo)致疲勞裂紋早期開裂, 使母材的疲勞強(qiáng)度急劇下降(下降到80%) 。焊接缺

11、陷大體上可分為兩大類: 面狀缺陷(如裂紋等) 和體積型缺陷(氣孔、夾渣等) , 它們的影響程度是不同的, 同時焊接缺陷對接頭疲勞強(qiáng)度的影響與缺陷的種類、方向和位置有關(guān)。(1) 裂紋焊接中的裂紋, 如冷、熱裂紋, 除伴有具有脆性的組織結(jié)構(gòu)外, 是嚴(yán)重的應(yīng)力集中源, 它可大幅度降低結(jié)構(gòu)或接頭的疲勞強(qiáng)度。早期的研究已表明, 在寬60 mm、厚12. 7 mm 的低碳鋼對接接頭試樣中, 在焊縫中具有長25 mm、深5. 2 mm 的裂紋時(它們約占試樣橫截面積的10% ) , 在交變載荷條件下, 其2 *106循環(huán)壽命的疲勞強(qiáng)度大約降低了55% 65%。(2) 未焊透其主要影響是削弱截面積和引起應(yīng)力集

12、中。以削弱面積10%時的疲勞壽命與未含有該類缺陷的試驗結(jié)果相比, 其疲勞強(qiáng)度可降低15% 25%。(3) 氣孔氣孔為體積缺陷, Harrison 對前人的有關(guān)試驗結(jié)果進(jìn)行了分析總結(jié), 疲勞強(qiáng)度下降主要是由于氣孔減少了截面積尺寸造成, 它們之間有一定的線性關(guān)系。但是一些研究表明, 當(dāng)采用機(jī)加工方法加工試樣表面, 使氣孔處于表面上, 或剛好位于表面下方時, 氣孔的不利影響加大, 它將作為應(yīng)力集中源起作用而成為疲勞裂紋的起裂點。這說明氣孔的位置比其尺寸對接頭疲勞強(qiáng)度影響更大, 表面或表層下氣孔具有最不利影響。(4) 夾渣IIW(國際焊接學(xué)會)的有關(guān)研究報告指明: 作為體積型缺陷, 夾渣比氣孔對接頭疲勞強(qiáng)度影響要大。通過上述介紹可見焊接缺陷對接頭疲勞強(qiáng)度的影響, 不但與缺陷尺寸有關(guān), 而且還決定于其他因素, 如表面缺陷比內(nèi)部缺陷影響大, 與作用力方向垂直的面狀缺陷的影響比其他方向的大; 位于殘余拉應(yīng)力區(qū)內(nèi)的缺陷的影響比在殘余壓應(yīng)力區(qū)的大; 位于應(yīng)力集中區(qū)的缺陷(如焊縫趾部裂紋)比在均勻應(yīng)力場中同樣缺陷影響大。3. 3 焊接殘余應(yīng)力對疲勞強(qiáng)度的影響焊接殘余應(yīng)力對接頭疲勞強(qiáng)度的影響與疲勞載荷的應(yīng)力循環(huán)特性有關(guān), 循環(huán)特性值較低時, 影響比較大。由于結(jié)構(gòu)焊縫中存有達(dá)到材料屈服點的殘余應(yīng)力, 因此在常規(guī)施加應(yīng)力循環(huán)作用的接頭中, 焊縫附近所承受的實際應(yīng)力循環(huán)將是由材