材料焊接性第章-合金結構鋼的焊接-A課件

1、 第3章 合金結構鋼的焊接 主講：李亞江 （山東大學教授、博士生導師）第3章 合金結構鋼的焊接在碳素鋼基礎上添加一定量的合金元素達到所需性能要求的鋼材，即構成合金結構鋼。合金結構鋼具有優(yōu)良的綜合性能，經濟效益顯著，應用范圍涉及到國民經濟和國防建設的各個領域，是焊接結構中用量最大的一類工程材料。合金結構鋼的主要特點是強度高，韌性、塑性和焊接性也較好，廣泛用于壓力容器、工程機械、石油化工、橋梁、船舶制造、建筑和其他鋼結構，在經濟建設和社會發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用。 科學的發(fā)展和技術進步，焊接結構設計日趨向高參數、輕量化及大型化發(fā)展，對鋼材性能提出了越來越高的要求。隨著合金結構鋼的使用范圍不斷擴大，焊

2、接問題也日益突出，引起人們的高度重視。材料焊接性，發(fā)展成一門獨立的課程。 3.1 合金結構鋼的分類及性能 3.1.1 合金結構鋼的分類 1. 強度用鋼（非調質鋼、調質鋼） 1）熱軋及正火鋼、控軋鋼 s為295490MPa，在熱軋或正火狀態(tài)下使用，屬非熱處理強化鋼。包括微合金化控軋鋼、抗層狀撕裂的Z向鋼等。廣泛用于常溫下工作的受力結構，如壓力容器、機械、橋梁、建筑結構和管線等。 2）低碳調質鋼 s為490980MPa，在淬火-回火的調質狀態(tài)下供貨，屬熱處理強化鋼。特點是含碳量較低（C0.22%），既有高強度，又兼有良好的塑韌性，可在調質狀態(tài)下焊接。這類鋼在焊接結構中得到越來越廣泛的應用，可用于大

3、型工程機械、壓力容器、艦船制造等。 3）中碳調質鋼 s在8801176MPa以上，鋼中C含量高（C 0.25%0.5%），淬硬性比低碳調質鋼高得多，具有很高的硬度和強度，但韌性較低，給焊接帶來了很大的困難。這類鋼用于強度要求很高的部件，如火箭發(fā)動機殼體、飛機起落架等。 2. 低中合金特殊用鋼 用于一些特定條件下工作的機械零件和工程結構，能適應特殊環(huán)境下工作的要求。 1）珠光體耐熱鋼 以Cr、Mo為基礎的低中合金鋼，隨工作溫度的提高，可加入V、W、Nb、B等合金元素，具有較好的高溫強度和高溫抗氧化性，用于工作溫度500600的高溫設備，如電力、化工設備等。 2）低溫鋼 主要是一些含Ni或無Ni的

4、低合金鋼，在正火或調質狀態(tài)使用，用于各種低溫裝置（-40-196）和在嚴寒地區(qū)的工程結構，如液化石油氣、天然氣的儲存容器等。與普通低合金鋼相比，低溫鋼須保證在低溫下具有足夠高的低溫韌性，對強度無特殊要求。 3）低合金耐蝕鋼 除一般力學性能外，必須具有耐腐蝕性能的要求。用于在大氣、海水、石油化工等腐蝕介質中工作的機械設備和焊接結構。由于所處的介質不同，耐蝕鋼的類型和成分也不同。耐蝕鋼中應用最廣泛的是耐大氣和耐海水腐蝕用鋼。 3.1.2 合金結構鋼的基本性能 1. 化學成分 合金元素總量600MPa 3. 顯微組織 F+P、P、ML、ML+BL、BL (a) 對抗拉強度的影響 (b) 對屈服強度的

5、影響 圖3-1 合金元素對鋼材強度性能的影響 加入合金元素能細化晶粒，各種合金元素在不同程度上改變了鋼的奧氏體轉變動力學，直接影響鋼的淬硬傾向。如C、Mn、Cr、Mo、V、W、Ni、Si等元素能提高鋼的淬硬傾向，而Ti、Nb等碳化物形成元素則降低鋼的淬硬傾向。 合金結構鋼強度級別不同，合金元素及其含量也不同，成分設計既要滿足使用性要求，又要考慮其經濟性。強度級別為600MPa的鋼主要為Mn-Si系和在Mn-Si基礎上加少量的Cr、Ni、Mo、V；700MPa級的鋼主要為Mn-Si-Cr-Ni-Mo系，合金元素加入量較600MPa級的鋼多一些，另外還加入少量的V；800MPa級的鋼主要為Mn-S

6、i-Cr-Ni-Mo-Cu-V系，并加入一定量的B；1000MPa級的鋼合金系列與800MPa級的鋼基本相同，但合金元素加入量較高，尤其是為了保證韌性加入較多的Ni。 按其供貨時的熱處理狀態(tài)，低合金結構鋼可分為熱軋、控軋、正火、TMCP（控軋控冷）、調質（淬火回火）。調質處理（QT）分為水調質處理（淬火回火）和空氣調質處理（正火回火）兩種。屈服強度低于420MPa的低合金鋼中薄板可以熱軋（或控軋）狀態(tài)供貨；屈服強度500MPa以上的低合金鋼厚板，應以正火（或空氣調質）狀態(tài)供貨.屈服強度690MPa以上的高強度鋼大都是調質處理（淬火回火）。 (a) 對強度的影響 (b) 對韌性的影響 圖3-3

7、不同組織對強度和韌性的影響（C0.090.1低合金鋼） 低合金鋼的強化途徑新的冶煉技術的進步，促進了新一代鋼種的誕生。低合金鋼的強化途徑包括： 1）合金強化 2）組織強化（如淬火+回火） 3）控軋控冷工藝（TMCP） 4）淬火+自回火控制軋制（QST） 合金結構鋼的牌號我國第一個低合金高強鋼標準于1959年發(fā)布，經過多次修訂，由部標升為國家標準。1988年發(fā)布的國標GB/T 1591-1988名為低合金結構鋼，列入屈服強度295440MPa的 17個鋼號。GB/T 1591-1988標準對鋼號的化學成分、力學性能作了具體規(guī)定。這樣做雖然方便標準的執(zhí)行，但是不利于鋼種的發(fā)展。因為國標不可能把各生

8、產廠的鋼號都納入進來；而且標準既定以后，在一段時間內又不能變化和發(fā)展。1992年以后，我國低合金鋼標準進行了二次重大的修訂，形成了國標GB/T 15911994和GB/T 15912008低合金高強度結構鋼。 新、舊國標鋼號的對照 GB/T 1591-1994 GB/T 1591-1988Q295（A、B） 09MnV, 09MnNb, 09Mn2, 12Mn Q345（A, B, C, D, E） 12MnV, 14MnNb, 16Mn, 16MnRE, 18Nb, 14MnV, 10MnSiCu Q390（A, B, C, D, E） 15MnV, 15MnTi, 15MnVRE, 16M

9、nNb Q420（A, B, C, D, E） 15MnVN（Cu）, 14MnVTiRE（Cu）, 15MnVNb（RE）Q460（C, D, E） 14MnMoV,18MnMoNb A、B、C、D、E表示“無要求、0、20 、-20 、-40”的沖擊功。最新標準：GB/T 1591-2008Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、Q690 3.2 熱軋及正火鋼的焊接3.2.1 熱軋及正火鋼的成分和性能 1. 熱軋鋼 基本成分為：C0.2%，Si0.55%，Mn1.5%。 屈服強度為295390MPa 固溶強化，組織為P+F 主要鋼種：Q295、Q345（如16

10、Mn） 我國低合金鋼系列中的許多鋼種是在16Mn基礎上發(fā)展起來的。 2. 正火鋼 在C-Mn鋼基礎上加強化元素，如V、Nb、Ti、Mo, 強化方式：固溶沉淀強化， 屈服強度390MPa, 在16Mn基礎上加入沉淀強化元素， 形成C、N化物，彌散分布 主要鋼種：Q390、Q420、Q460 例如15MnV、 15MnVN、 14MnMoV、18MnMoNb 1) 正火狀態(tài)下使用的鋼：主要是含V、Nb、Ti的鋼， 如Q390、Q345等，主要特點是屈強比（s/b）較高； 2) 正火回火狀態(tài)使用的含Mo鋼，如14MnMoV、18MnMoNb等。 含Mo的低合金正火鋼適于制造中溫厚壁壓力容器。 3.

11、微合金控軋鋼 采用微合金化（加入微量Nb、V、Ti）和控軋等技術，達到細化晶粒和沉淀強化相結合的效果。 在冶煉工藝上采取了降C、降S、改變夾雜物分布形態(tài)、提高鋼的純凈度等措施，使鋼材具有均勻的細晶粒等軸晶鐵素體基體。 在低碳C-Mn鋼基礎上，通過V、Nb、Ti微合金化及爐外精煉、控軋、控冷等工藝，獲得細化晶粒和綜合力學性能良好的微合金鋼。 例如：管線鋼（X60、X65、X70、X80、X90） 石油、天然氣輸送管線工程的主流鋼種第一代管線鋼（X42-X70，F+P管線鋼）第二代管線鋼（X60-X90，針狀F管線鋼）第三代管線鋼（X110、X120，F+M管線鋼） 4. 超細晶粒鋼（超級鋼）新一

12、代鋼鐵材料的特點是超細晶粒、超潔凈度、超均勻性、性能價格比更加合理。傳統鋼中，晶粒尺寸在100m以下就成為細晶粒鋼，其中TMCP鋼通過控軋控冷技術的晶粒尺寸達到1050m，超細晶粒鋼的晶粒直徑可達0.110m。新一代超細晶粒鋼通過合金化和應變誘導鐵素體相變、兩相區(qū)軋制、外場處理等多種復合工藝處理，可使晶粒尺寸達到0.110m。P+S+O+N+H總含量降低到0.005%以下，使鋼的強韌性獲得大幅度提高。隨著晶粒變細，鋼材的屈服強度隨其-1/2次方增加，沖擊韌性明顯增加。如果將晶粒直徑減小到1m，現在屈服強度為400MPa的鋼，在成分基本不變的條件下屈服強度可增加到800MPa。 3.2.2 熱軋

13、及正火鋼的焊接性1. 冷裂紋及影響因素 1）碳當量：Ceq越大，冷裂紋敏感性越大。 0.6 2）淬硬傾向： M、ML、BU、BL、F+P、A 3）熱影響區(qū)最高硬度HVm，與鋼材級別有關 試驗基礎上，規(guī)定了熱影響區(qū)HVm 4）擴散氫含量：H越高，冷裂紋越突出 高強鋼焊接應控制在超低氫含量：H1200）、熱應變區(qū)脆化（AC1以下） 1）粗晶脆化的防止采用過大的焊接熱輸入，粗晶區(qū)將因晶粒長大或出現粗化組織而降低韌性；含有碳、氮化物形成元素的正火鋼（如Q420等）采用過大的焊接熱輸入時，粗晶區(qū)的V(C、N)析出相基本固溶，這時V(C、N)化合物抑制奧氏體晶粒長大及組織細化作用被削弱，粗晶區(qū)易出現粗大晶

14、粒及上貝氏體、M-A組元等，導致粗晶區(qū)韌性降低和時效敏感性的增大。采用小焊接熱輸入是避免這類鋼過熱區(qū)脆化的一個有效措施。 2）熱應變脆化的防止200400時熱應變脆化最明顯，當焊前已存在缺口時，會使亞臨界熱影響區(qū)的熱應變脆化更為嚴重。熱應變脆化易發(fā)生在固溶N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。在鋼中加入氮化物形成元素（如Al、Ti、V等），可以降低熱應變脆化傾向，如Q420比Q345的熱應變脆化傾向小。退火處理也可大幅度恢復韌性，降低熱應變脆化，如Q345經6001h退火處理后，韌性大幅度提高，熱應變脆化傾向明顯減小。 5. 層狀撕裂 主要發(fā)生于角接頭或T形

15、接頭的厚板結構中。大型厚板結構（如海洋工程、鍋爐吊架、核反應堆及船舶等）焊接時，如果在鋼材厚度方向承受較大的拉伸應力時，可能沿鋼材軋制方向發(fā)生呈明顯階梯狀的層狀撕裂。硫含量和Z向斷面收縮率是評定鋼材層狀撕裂敏感性的指標。改善接頭形式、減輕Z向應力應變、預熱和降氫等措施，有利于防止層狀撕裂的發(fā)生。 3.2.3 熱軋及正火鋼的焊接工藝1. 坡口加工、裝配及定位焊2. 焊接材料的選用3. 焊接參數的確定4. 預熱及焊后熱處理5. 焊接接頭的力學性能 (1) 坡口加工、裝配及定位焊焊接坡口的幾何形狀和制備方法，直接影響焊接接頭的質量和經濟性。在設計低合金結構鋼接頭的坡口時應注意以下兩點： 避免采用無法

16、焊透或局部焊透的坡口形式。因為焊縫根部的缺口往往是各種焊接裂紋的起源區(qū)。 盡量減少焊縫的橫截面積，以降低接頭的焊接應力，同時也可減少焊接材料的消耗量。 2. 焊接材料的選用要點 選擇與母材力學性能匹配的相應級別的焊接材料 從力學性能“等強匹配”的角度選擇焊接材料，一般要求焊縫的強度性能與母材等強或稍低于母材。焊縫中碳含量12 X形 4.0 160 210 熱軋及正火鋼埋弧焊（SAW）的工藝參數根據板厚和焊絲直徑（4）確定工藝參數 板厚（mm） 接頭形式 焊接電流（A） 焊接電壓（V） 焊接速度（m/h） 10 12 不開坡口 550 650 34 36 34.5 14 18 V形坡口 600

17、700 34 36 30 32 20 25 V形坡口 680 740 36 38 22 30 16 20 T形角接頭 600 720 34 38 26 36 20 25 T形角接頭 620 760 35 38 26 34 備注：焊接材料H08A+HJ431 適用于船舶、管道等長直焊縫，用于平焊和平角焊。 熱軋及正火鋼CO2焊的工藝參數根據焊絲直徑、板厚確定工藝參數 焊絲直徑 接頭形式 氣體流量 焊接電流 焊接電壓 焊接速度 （mm） （L/min） （A） （V） （cm/min） 1.2 單道焊 8 15 100 150 21 24 12 18 1.2 多道焊 8 15 160 240 22

18、 26 14 22 1.6 單道焊 10 18 280 340 30 32 18 24 1.6 多道焊 10 18 300 360 33 35 20 26 備注：采用CO2保護氣體 適用于平焊、平角焊等位置的焊接。 4. 預熱及焊后熱處理目的是為了防止裂紋，也有一定的改善組織、性能的作用。強度級別較高或鋼板厚度較大的結構件焊前應預熱，焊后進行熱處理。預熱溫度 與鋼材淬硬性、板厚、拘束度和氫含量等有關，須結合具體情況經試驗后確定，推薦的一些預熱溫度只作為參考。多層焊時應保持層間溫度不低于預熱溫度，但也要避免層間溫度過高引起的不利影響，如韌性下降等。不同環(huán)境溫度下焊接Q345鋼的預熱溫度: 板厚（mm） 預熱溫度 40 預熱100 150 焊后熱處理確定焊后回火溫度的原則是： 不要超過母材原來的回火溫度，以免影響母材本身的性能。 有回火脆性的材