中碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接

1、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，通過調(diào)質(zhì)處理(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要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)鋼的屈服強(qiáng)度達(dá)8801176MP我上。鋼中的含碳量較高，并加人合金元素如MN Si、Cr、V、B及Mq W、V、Ti等),以保證鋼的淬透性，消除回火脆性， 再通過調(diào)質(zhì)處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(例如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)鋼高很多， 熱處理后達(dá)到很高的

2、強(qiáng)度和硬度，但韌性相對(duì)較低，給焊接帶來了很大的困難。中碳調(diào)質(zhì)鋼的合金系統(tǒng)可以歸納為以下幾種類型：(1) 40Cr是一種廣泛應(yīng)用的含Cr中碳調(diào)質(zhì)鋼，鋼中加人Crv%寸能有效地提高鋼的淬透性，繼續(xù)增加Cr含量無實(shí)際意義。1%寸對(duì)鋼的塑性、韌性略有提高，超過 2%寸 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穩(wěn)定性，但有回火脆性。40Cr鋼具有良好的綜合力學(xué)性能、較高的淬透性和較高的疲勞強(qiáng)度，可用于制造 較重要的在交變載荷下工作的機(jī)器零件。如用于制造齒輪和軸類等。(2) 35CrMo簡(jiǎn)日35CrMoVA屆于Cr-Mo系統(tǒng)，是在Cr鋼基礎(chǔ)上發(fā)展起來的中碳調(diào)質(zhì)鋼。加人少量Mn可以消除

3、Cr鋼的回火脆性，提高淬透性并使鋼具有較好的強(qiáng)度與韌性匹配，同時(shí)Mo還能提高鋼的高溫強(qiáng)度。V可以細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度、塑性和韌性，增 加高溫回火穩(wěn)定性。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， 因此焊接性較差，一般要求焊前預(yù)熱、焊后熱處理等。(3) 30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A 和 40CrMnSiMoVA屆于 Cr-Mn-Si 系統(tǒng)，以及在該基礎(chǔ)上發(fā)展起來的含 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。這種鋼退火狀態(tài)下的組織是鐵素體和珠光

4、體，調(diào)質(zhì)狀態(tài)下的組織為回火索氏體。Cr-Mn-Si鋼具有回火脆性的缺點(diǎn)，在300450C出現(xiàn)第一類回火脆性，因此回火時(shí)必須避開該溫度范圍。這類鋼還具有第二類回火脆性，因此高溫回火時(shí)必須采取快冷的 辦法.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)在損失一定韌性的情況下，為了提高鋼的強(qiáng)度， 減輕結(jié)構(gòu)重量，采用200-250C的低溫回火，以便得到具有很高強(qiáng)度的低溫回火馬氏體 組織。當(dāng)工件厚度小于25mnW,可采用等溫淬火。得到下貝氏體組織，此時(shí)強(qiáng)度與塑性、 韌性得到良好的配合。這種鋼在飛機(jī)制造中用得較為普遍。30CrMnSiNi2A鋼是在Cr-Mn-Si系基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。其特點(diǎn)主要是增

5、加Ni。大大提高了鋼的淬透性。與30CrM nSi A相比，調(diào)質(zhì)后的強(qiáng)度有較大提高，并保持了良好的韌性，但它的焊接性較差，具 有較大的冷裂傾向。40CrMrrSiMoVA屆于低Cr無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相比，因含碳量高且不含 Ni,焊接性要差一些，可 用來代替30CrMnSiNi2A制造飛機(jī)上的一些構(gòu)樣。(4) 40CrNiMoA和34CrNi3MoA屆于Cr-Ni-Mo系的調(diào)質(zhì)鋼，由于加人了質(zhì)量分?jǐn)?shù) 為3%勺Ni和Mo,顯著地提高了淬透性和抗回火軟化的能力， 對(duì)改善鋼的韌性也有好處， 具有良好的綜合性能，如強(qiáng)度高、韌性好、淬透性大等優(yōu)

6、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)、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)鋼的揮接性分析1. 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，具有較大的熱裂紋敏感性。例如 30CrMnSi 由于C、Si含量較高，因此熱裂傾向較大。為了防止產(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 恕下，最高不超過，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煉，將 S和P總的質(zhì)量 分?jǐn)?shù)限制在如下。焊接中碳調(diào)質(zhì)鋼

7、時(shí)，應(yīng)考慮到可能出現(xiàn)熱裂紋問題，盡可能選用碳含量低以及含SP雜質(zhì)少的焊接材料。在焊接工藝上應(yīng)注意填滿弧坑和保證良好的焊縫成形。因?yàn)闊崃?紋容易出現(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。2. 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)容易出現(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，有很大的過飽和度，點(diǎn)陣畸變更嚴(yán)重，因而硬度和脆性更大

8、，冷裂紋敏感性也更突出。屈服強(qiáng)度590980MPa的低、中碳調(diào)質(zhì)鋼的碳當(dāng)量一般都超過了 多數(shù)超過了 屆于高淬硬傾向的鋼。從碳當(dāng)量來看，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。因此，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類型和性能上。低碳馬氏體有 ，自回火”作用，所以冷裂紋傾向較小。分析各種鋼的冷裂敏感性時(shí)，不僅要看焊接區(qū)的馬氏體形成的傾向，還必須考慮到馬氏體的 類型和性能。焊接中碳調(diào)質(zhì)鋼時(shí)，為了防止冷裂紋，應(yīng)盡量降低焊接接頭的含氫量，除了采取焊前 預(yù)熱措施外，焊后須及時(shí)進(jìn)行回火處理。此外，中碳調(diào)質(zhì)超高強(qiáng)鋼還具有應(yīng)力腐蝕開裂 敏感性。這種應(yīng)力腐蝕開裂

9、常發(fā)生在水或高濕度空氣等弱腐蝕性介質(zhì)中。為了降低焊接 接頭的應(yīng)力腐蝕開裂傾向，應(yīng)采用熱量集中的焊接方法和較小的焊接熱輸人，避免焊件 表面的焊接缺陷和劃傷。3. 熱影響區(qū)的脆化和軟化(1)熱影響區(qū)脆化 中碳調(diào)質(zhì)鋼由于碳含最較高，合金元素較多，有相當(dāng)大的淬硬傾向，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度(M低，無“自回火”過程，因而在焊接熱影響區(qū)容易產(chǎn)生大量脆硬的馬氏體組織(尤其是高碳、粗大的馬氏體)，導(dǎo)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 種鋼的淬硬性強(qiáng)，僅通過增大熱輸人還難以避免馬氏體的形成，柑反卻增大了奧氏體的 過熱，促使形成粗

10、大的馬氏體，反而使熱影響區(qū)過熱區(qū)的脆化更為嚴(yán)重。因此，防止熱 影響區(qū)脆化的工藝措施主要是采用小熱輸入，同時(shí)采取預(yù)熱、緩冷和后熱等措施。因?yàn)?采用小熱輸人減少了高溫停留時(shí)間，避免奧氏體晶粒的過熱，同時(shí)采取預(yù)熱和緩冷等措 施來降低冷卻速度，這對(duì)改善熱影響區(qū)的性能是有利的。(2) 熱影響區(qū)軟化 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)處理的回火溫度以上時(shí)，焊接熱影響區(qū)將出現(xiàn)強(qiáng)度、硬度低于母材的軟化區(qū)。如果焊后不再進(jìn)行調(diào)質(zhì)處 理，該軟化民可能成為降低接頭區(qū)強(qiáng)度的薄弱區(qū)。中碳調(diào)質(zhì)鋼的強(qiáng)度級(jí)別越高時(shí)，軟化 問題越突出。因此，在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接時(shí)應(yīng)考慮熱影響區(qū)的軟化問題。母材焊前所處的熱處理狀態(tài)不同，軟化

11、區(qū)的溫度范圍和軟化程度有很大差別。低溫回 火的鋼材，熱影響區(qū)軟化區(qū)的溫度范圍越大，相對(duì)于母材的軟化程度也越大。從韌性方面出發(fā)，過熱區(qū)是接頭中最薄弱的環(huán)節(jié)；而從強(qiáng)度方面考慮，軟化區(qū)是接頭中最薄弱的 環(huán)節(jié)。中碳調(diào)質(zhì)鋼熱影響區(qū)軟化最明顯的部位，是溫度處于AciAu,之間的區(qū)段，這與該區(qū)段的不完全悴火過程有密切關(guān)系。 因?yàn)椴煌耆慊饏^(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)軟化程度和軟化區(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，軟化程度越小，軟化區(qū)的寬度越窄。30CrMn

12、Si鋼經(jīng)氣焊后，熱影響區(qū)軟化區(qū)的抗拉強(qiáng)度降為 590685MPa而采用焊條電弧焊時(shí)，軟化區(qū)的抗拉 強(qiáng)度為880 1030MPa氣焊時(shí)的熱影響區(qū)軟化區(qū)此電弧焊時(shí)寬得多因此焊接熱源越集 中，對(duì)減少軟化越有利。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，因此焊接性較差，焊后的淬火組織是硬脆的高碳馬氏體， 不僅冷裂紋敏感性大，而且焊后若不經(jīng)熱處理時(shí)，熱影響區(qū)性能達(dá)不到原來基體金屆的 性能。中碳調(diào)質(zhì)鋼焊前母材所處的狀態(tài)非常重要，它決定了焊接時(shí)出現(xiàn)的問題性質(zhì)和應(yīng) 采取的工藝措施，而且對(duì)焊接工藝的要求和工藝參數(shù)的控制非常嚴(yán)格。1. 退火或正火狀態(tài)下焊接中碳調(diào)質(zhì)鋼最好在退火（或正火）狀態(tài)下焊接，焊后通過整

13、體調(diào)質(zhì)處理獲得性能滿足 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 決的主要是裂紋問題，熱影響區(qū)和焊縫的性能通過焊后的調(diào)質(zhì)處理來保證。選擇焊接材 料的要求是不產(chǎn)生冷、熱裂紋，而且要求焊縫金屆與母材在同一熱處理工藝下調(diào)質(zhì)處理， 能獲得相同性能的焊接接頭。這種情況下對(duì)選擇焊接方法幾乎沒有限制，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。在選擇焊接材料時(shí)，除了要求保證不產(chǎn)生冷、 熱裂紋外，還有一些特殊要求，即焊縫金屆的調(diào)質(zhì)處理規(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。因此，焊縫金屆的主要合金組成應(yīng)與母材相似，對(duì)能

14、引起焊縫熱裂傾向和促使金屆脆化的元素（如G 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)的確定主要是保證在調(diào)質(zhì)處理之前不出現(xiàn)裂紋，接頭性能由焊后熱處理來保證。因此可采用很高的預(yù)熱溫度（200350C）和層間溫度。另外，在很多情況下焊后往往來不及立即進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，為了保證焊接接頭冷卻到室溫后 在調(diào)質(zhì)處理前不致產(chǎn)生延遲裂紋，還須在焊后及時(shí)進(jìn)行一次中間熱處理。這種熱處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防止延遲裂紋：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)焊后處理溫度高時(shí)，還有消除應(yīng)力的作用。采用局部預(yù)熱時(shí)，預(yù)熱的溫度范圍離

15、焊縫兩側(cè)應(yīng)不小于 100mm焊后若不能及時(shí)調(diào)質(zhì)處理應(yīng)進(jìn)行680C回火處理。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜和有許多條焊縫時(shí)，焊完一定數(shù)量的焊縫后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行中間回火處理，這樣就能避免等到最后處理時(shí)，先焊接的部位已經(jīng)出現(xiàn)延遲 裂紋的問題。中間回火的次數(shù)，要根據(jù)焊縫的多少和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度來決定。對(duì)于淬硬傾向更大的30CrMnSiNi2A來說，為了防止冷裂紋的產(chǎn)生，焊后須立即（焊縫處的金屆不能冷到低于250C）將工件人爐加熱到（650土 10 C）或680C回火，然后按規(guī)定 進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。2. 調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接如果必須在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接，而且焊后不能再進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理的焊接結(jié)構(gòu)件，這時(shí)的主要問題是防止焊接裂紋和避免熱影響區(qū)軟

16、化。除了裂紋外，熱影響區(qū)的主要問題是：高 碳馬氏體引起的硬化和脆化，以及高溫回火區(qū)軟化引起的強(qiáng)度降低。高碳馬氏體引起的 硬化和脆化可以通過焊后的回火處理來解決。但高溫回火區(qū)軟化引起的強(qiáng)度下降，在焊 后不能調(diào)質(zhì)處理的情況下是無法彌補(bǔ)的。由于焊后不再進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，焊縫金屆成分可 與母材有差別。為了防止焊接冷裂紋，也可以選用塑韌性好的奧氏體焊條。為了消除熱影響區(qū)的淬硬組織和防止延遲裂紋的產(chǎn)生，必須適當(dāng)采用預(yù)熱、層問溫度控制、中間熱處理，并應(yīng)焊后及時(shí)進(jìn)行回火處理。上述工藝過程的溫度控制應(yīng)比母材淬火后的回火溫度至少低50 Co為了減少熱影響區(qū)的軟化。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

17、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。因此 氣焊在這種情況下是最不合適的，氣體保護(hù)焊比較好，特別是鴇極缸弧焊，它的熱量比 較容易控制，焊接質(zhì)量容易保證，因此常用它來焊接一些焊接性很差的高強(qiáng)鋼。另外， 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普遍。對(duì)于必須在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接，而且焊后不能再進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理的焊接結(jié)構(gòu)件，這時(shí)熱影響區(qū)性能的下降是很難解決的。因此，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)處理，選擇焊接材料時(shí)沒有必要考慮成分和熱處理規(guī)范與母材 相匹配的問

18、題。從防止焊接冷裂紋的要求出發(fā)，可以采用塑韌性較好的奧氏體銘銳鋼焊 條或銳基焊條。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)。例如在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接30CrMnSiA和30CrMnSilVi2A時(shí)采用銳基奧氏體焊條，焊后采用 250C x 2h或更長(zhǎng)時(shí)間的低溫回火處理。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，還要采取一定的預(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200250C。3. 焊接方法及焊接材料(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、鴇 極缸弧焊和微束等離子弧焊等。中碳調(diào)質(zhì)鋼應(yīng)采用