熱軋正火鋼的焊接

熱軋正火鋼的焊接一、熱軋正火鋼典型鋼種成分及性能熱扎鋼:J294?343Mpa成分：含C量較低的C-Mn,Mn-Si系列，通過(guò)固溶強(qiáng)化獲得高強(qiáng)度、或在特殊狀態(tài)下以V、Nb代替部分Mn，以達(dá)到細(xì)化晶粒和沉淀強(qiáng)化的作用典型鋼種：16Mn組織：細(xì)晶鐵素體+珠光體特例：15MnV V細(xì)化晶粒和沉淀強(qiáng)化正火鋼：固溶強(qiáng)化基礎(chǔ)上，通過(guò)細(xì)化晶粒和沉淀強(qiáng)化提高強(qiáng)度保證韌性的低合金高強(qiáng)鋼0s343?490Mpa成分：C-Mn,Mn-Si系列基礎(chǔ)上加入一些碳化物和氮化物的形成元素V、Nb、Ti、Mo等正火的目的：使合金元素以細(xì)小的化合物質(zhì)點(diǎn)從固溶體中充分析出，并同時(shí)細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度的同時(shí)改善塑性、韌性、達(dá)到最佳的綜合性能分類：1） 正火狀態(tài)下使用的鋼除15MnTi外，一般加入V、Nb。此外15MnVN、美國(guó)的737C、德國(guó)的FG39加入N形成Mn-V-N系列鋼2） 正火+回火狀態(tài)下使用的含Mo鋼成分：Mn-Mo系例如：A302BMn-1/2Mo含Mo鋼在較高的正火溫度和較大的冷卻速度下得到的組織是上貝氏體和少量的鐵素體為改善低溫韌性形成Mn-Ni-Mo系18MnMoNbMn-Mo系基礎(chǔ)上加Nb熱扎正火鋼的發(fā)展：微合金控軋鋼是熱扎及正火鋼中的一個(gè)重要分支。它采用了微合金化（加入微量Nb、V、Ti等）和控制軋制等新技術(shù)來(lái)達(dá)到細(xì)化晶粒和沉淀強(qiáng)化相結(jié)合的效果，同時(shí)從冶煉工藝上采取了降C、降S、改變夾雜物形態(tài)、提高鋼的純凈度等措施，使鋼具有均勻的細(xì)晶粒鐵素體基體。因此這類鋼在軋制狀態(tài)下就具有相當(dāng)于或優(yōu)于正火鋼的質(zhì)量。焊接無(wú)裂紋鋼實(shí)質(zhì)是含碳量很低的微合金化正火鋼。Z向鋼是在某一等級(jí)結(jié)構(gòu)鋼（稱為母級(jí)鋼）的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)特殊冶煉、鎮(zhèn)靜處理和適當(dāng)熱處理的鋼材，是343正火鋼。由于在冶煉中采用鈣或稀土處理以及真空除氣等特殊措施，Z向鋼具有低S、低氣體含量和高的Z向（即厚度方向）斷面收縮率等特點(diǎn)。二、熱扎正火鋼的焊接性分析（一） 焊縫中的熱裂紋數(shù)舄老構(gòu)射錢毘鈦矜it數(shù)舄老構(gòu)射錢毘鈦矜it辛見(jiàn)盛製蠻雯生沖恭憧&應(yīng)蠱裂歧I 按齢晡區(qū)婕晁罐此*1） 具有較好的抗熱裂性能。2） 但當(dāng)材料成分不合格，或因嚴(yán)重偏析使局部碳、硫含量偏高時(shí)Mn/S比就可能低于要求而出現(xiàn)熱裂紋。3） 硫?qū)π纬蔁崃鸭y起直接作用，鋼中的C、Si、Ni促進(jìn)有害作用，Mn抵消有害作用。經(jīng)驗(yàn)：1） 含C量0.12%Mn/S不應(yīng)低于102） 含C量0.16%Mn/S應(yīng)大于40典型鋼種：16Mn成分：C0.12?0.2%S0.05%Mn1.2?1.6%Mn/S32問(wèn)：是否可能產(chǎn)生熱裂紋？解決辦法：1）從焊接材料上（選用含碳低含錳高的焊接材料）例：可用低碳鋼焊絲H03MnTi含C量0.03%Mn〈1.5%Ti微量焊劑SiO230.28%MnO33.43%2）從工藝上設(shè)法減少熔合比來(lái)調(diào)整焊縫成分以減少由母材進(jìn)入焊縫的C量，焊速不宜過(guò)大，避免形成雨滴狀熔池?？梢詼p少中心裂紋。采用引弧板和熄弧板，將質(zhì)量差和容易產(chǎn)生熱裂紋的起焊點(diǎn)及弧坑引到正式焊縫之外，從而減少焊縫中的裂紋。降低焊接接頭的剛性拘束條件，選擇合理的焊接順序，以減少焊接應(yīng)力。（二）冷裂紋1、淬硬傾向與冷裂傾向的關(guān)系1）熱軋鋼含c量不高，但含有少量的合金元素，這類鋼的淬硬傾向比低碳鋼的淬硬傾向大，并且隨著鋼材強(qiáng)度級(jí)別的提高淬硬傾向逐漸增大。以16Mn和低碳鋼為例分析淬硬傾向與冷裂傾向的關(guān)系。16Mn鋼在快速冷卻時(shí)（厚板手工電弧焊時(shí)的冷卻速度）鐵素體析出后，剩余的富碳奧氏體來(lái)不及轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w而轉(zhuǎn)變成高碳馬氏體和貝氏體。從16Mn和低碳鋼的CCT曲線估計(jì)，焊接16Mn時(shí)會(huì)出現(xiàn)少量鐵素體、貝氏體和大量馬氏體；焊接低碳鋼時(shí)會(huì)出現(xiàn)大量鐵素體，少量珠光體和貝氏體，更少量的馬氏體。2）正火鋼的強(qiáng)度級(jí)別較高，合金元素含量較多，高溫轉(zhuǎn)變區(qū)較穩(wěn)定，焊接冷卻下來(lái)很易得到貝氏體和馬氏體。因此，其冷裂紋傾向隨著強(qiáng)度級(jí)別的提高而增大。例：比較15MnVN和18MnMoNb15MnVN冷速慢F+P、中F+B、快M18MnMoNb冷速慢F+B、中B、快M2、 碳當(dāng)量與冷裂紋傾向的關(guān)系冷裂傾向一淬硬傾向一化學(xué)成分一碳的作用因此，可以通過(guò)一些經(jīng)驗(yàn)性的碳當(dāng)量公式來(lái)粗略地估計(jì)不同鋼材的冷裂傾向。以CE為例，一些技術(shù)條件中規(guī)定了最高CE值.有時(shí)還同時(shí)規(guī)定了含碳量，如規(guī)定CEW0.40%,W（C）W0.12%。但對(duì)含碳量低的鋼材，允許CE值更高些（如W（c）=0.08%的鋼材，允許CE=0.50%）1） 熱軋鋼碳當(dāng)量都比較低，除環(huán)境溫度很低或鋼板厚度很大，一般情況下其裂紋傾向都不大。2） 當(dāng)正火鋼碳當(dāng)量不超過(guò)0.5％時(shí)，淬硬傾向比熱軋鋼大，但不算嚴(yán)重，焊接性尚可。但對(duì)于厚板往往需要進(jìn)行預(yù)熱。當(dāng)碳當(dāng)量大于0.5％時(shí)鋼的淬硬傾向和冷裂傾向逐漸增加。防止措施：嚴(yán)格控制線能量、預(yù)熱和焊后熱處理等。3、 熱影響區(qū)的最高硬度值與冷裂傾向關(guān)系為了避免產(chǎn)生對(duì)冷裂敏感的淬硬組織，可將熱影響區(qū)的最高硬度控制在某一剛好不出現(xiàn)冷裂紋的臨界值；反過(guò)來(lái)也可根據(jù)測(cè)得的熱影響區(qū)的最高硬度值來(lái)判斷材料的冷裂傾向和確定預(yù)熱溫度。（三） 再熱裂紋C-Mn和Mn-Si系熱軋鋼對(duì)再熱裂紋不敏感。例如16Mn。2?正火鋼中有一些含有強(qiáng)碳化物形成元素，但實(shí)踐證明它對(duì)再熱裂紋不敏感，例如15MnVN；3?正火+回火鋼如18MnMoNb、14MnMoV則有輕微的再熱裂紋敏感性，可提高預(yù)熱溫度和焊后立即后熱來(lái)防止再熱裂紋的產(chǎn)生。（四） 層狀撕裂層狀撕裂的產(chǎn)生不受鋼種和強(qiáng)度的限制，它主要發(fā)生于厚板結(jié)構(gòu)中（在熱影響區(qū)甚或遠(yuǎn)離熱影響區(qū)的母材中）。在低碳鋼、熱軋、正火鋼中都可能發(fā)生層狀撕裂。如大型船舶、海上平臺(tái)中某些結(jié)構(gòu)的截面厚度較大，結(jié)構(gòu)上又存在較多的T型、十字型接頭，構(gòu)件厚度方向（Z向）承受較大拉伸應(yīng)力。在這種情況下，只要鋼中存在片狀硫化物與層狀硅酸鹽或大量成片地密集于同一平面內(nèi)的氧化鋁夾雜物，就有可能導(dǎo)致Z向塑性降低，沿鋼材軋制方向發(fā)生階梯狀的層狀撕裂。一般板層小于16mm時(shí)就不容易發(fā)生層狀撕裂。一般認(rèn)為Z向收縮率〉20%鋼材就可以避免層狀撕裂。如日本經(jīng)驗(yàn)，HT50鋼的Z向收縮〉20%.即使在嚴(yán)酷的拘束條件下也可避免層狀撕裂；英國(guó)在制造北海平臺(tái)時(shí)，經(jīng)驗(yàn)與此一致。合理選用層狀撕裂敏感性較低的鋼材（如Z向鋼），改善接頭形式以及降低鋼板Z向所承受應(yīng)力應(yīng)變，在滿足產(chǎn)品使用要求前提下選用強(qiáng)度級(jí)別較低的焊接材料或預(yù)堆低強(qiáng)焊縫，采用預(yù)熱及降氫等措施，都有利于防止層狀撕裂。（五）熱影響區(qū)的性能變化1．過(guò)熱區(qū)脆化焊接接頭被加熱到1200°C至熔點(diǎn)以下的區(qū)域，由于溫度高發(fā)生了奧氏體晶粒的顯著長(zhǎng)大和一些難熔質(zhì)點(diǎn)（如氮化物或碳化物）的溶入。溶入的難熔質(zhì)點(diǎn)在冷卻過(guò)程中，來(lái)不及析出會(huì)使材料變脆；過(guò)熱粗大的奧氏體冷卻下來(lái)會(huì)轉(zhuǎn)變成魏氏體、粗大的馬氏體及塑性很低的鐵素體、高碳馬氏體和貝氏體的混合組織和M-A組元，因此過(guò)熱區(qū)的性能變化取決于在高溫的停留時(shí)間、影響冷卻速度的焊接線能量和鋼材的類型及合金系列。不同種類的鋼合金化機(jī)理和強(qiáng)化途徑不同，引起過(guò)熱區(qū)脆化的原因也不同。1）熱軋鋼焊接線能量過(guò)大：導(dǎo)致冷速過(guò)慢，過(guò)熱區(qū)將因晶粒長(zhǎng)大或出現(xiàn)魏氏組織等而使韌性降低焊接線能量過(guò)小：由于過(guò)熱區(qū)組織中馬氏體比例增大而使韌性降低，這在含碳量偏高時(shí)較明顯。過(guò)熱區(qū)性能的脆化不僅取決于影響高溫停留時(shí)間和冷卻速度的焊接線能量，也與鋼材化學(xué)成分有關(guān)，如圖所示。以COD值表示斷裂韌性的大小。-6D*C-6D*C不同蠱應(yīng)下，地科鋼林前焊抿熱影響直蜀熬區(qū)UOD詼/』孫軌驅(qū)駅朗找樓暫盤屮/^廠為非牌理彩舉F??為解電兩渥、0.17C-l.lMn鋼（屬于熱軋鋼）0°C時(shí)，沒(méi)有出現(xiàn)脆性，在試驗(yàn)溫度降低（-40D時(shí)，因受線能量影響而表現(xiàn)出韌性下降。2） 對(duì)含V、Nb的正火鋼焊接時(shí)線能量過(guò)大：會(huì)導(dǎo)致過(guò)熱區(qū)沉淀相固溶，這時(shí)V、Nb的碳、氮化合物細(xì)化晶粒、抑制奧氏體長(zhǎng)大的作用大大削弱，過(guò)熱區(qū)奧氏體晶粒顯著長(zhǎng)大，冷卻過(guò)程中可能產(chǎn)生一系列不利的組織轉(zhuǎn)變，如魏氏體、粗大的馬氏體、塑性很低的混合組織（鐵素體、高碳馬氏體和貝氏體）和M-A組元，再加上過(guò)熱區(qū)金屬碳、氮固溶量的增加，導(dǎo)致過(guò)熱區(qū)韌性降低和時(shí)效敏感性增加。0.15C-1.4Mn-Nb鋼（屬于正火鋼）含Nb鋼最佳韌性的線能量范圍很窄，而C-Mn鋼的較寬。這說(shuō)明正火鋼的過(guò)熱敏感性較熱軋鋼大。3） 焊接含鈦正火鋼（Ti含量約0.22%）線能量過(guò)大時(shí)：過(guò)熱區(qū)的TiN、TiC都向奧氏體內(nèi)熔入。由于鈦的擴(kuò)散能力低，在隨后的冷卻過(guò)程中，即使大線能量條件下也來(lái)不及析出而停留在鐵素體中，顯著提高了鐵素體的顯微硬度，降低了材料的沖擊韌性。這就是為什么近代研究的大線能量鋼中的含鈦量都限制得很低（約0.02%）。預(yù)防措施：采用小線能量2、 熱應(yīng)變脆化產(chǎn)生區(qū)域：熱影響區(qū)中發(fā)生過(guò)塑性變形同時(shí)受熱溫度在AC］以下、尤其最高加熱溫度在200-400C的區(qū)間。產(chǎn)生原因：一般認(rèn)為這種脆化是由于氮原子聚集在位錯(cuò)周圍，對(duì)位錯(cuò)造成釘扎作用所造成的。發(fā)生材質(zhì)：固溶氮含量較高的低碳鋼和強(qiáng)度級(jí)別不高的低合金鋼中。如造船中常用的16Mn、16MnC（熱軋鋼）就具有一定的熱應(yīng)變脆化傾向。鋼中如果加入足夠量的氮化物形成元素（如A1、Ti、V等）脆化傾向就顯著減弱。如含A1的HT50鋼（正火鋼）熱應(yīng)變脆化傾向比普通HT50鋼低得多。消除措施：焊后消除應(yīng)力退火經(jīng)驗(yàn)得出：16Mn焊后經(jīng)600°C、lh的退火處理，韌性有很大提高。三、熱扎正火鋼的焊接工藝特點(diǎn)熱軋和正火鋼對(duì)焊接方法無(wú)特殊要求，常用的焊接方法如手工電弧焊、埋弧焊、氣體保護(hù)焊和電渣焊都可選用。方法的選取主要根據(jù)材料的厚度、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和具體施工條件來(lái)確定。（一）焊接材料的選擇選擇相應(yīng)強(qiáng)度級(jí)別的焊接材料選擇焊接材料的目的是使焊縫無(wú)缺陷和滿足焊接接頭的使用性能。熱扎正火鋼焊接時(shí)熱、冷裂傾向不大。選擇焊接材料應(yīng)考慮選擇與母材機(jī)械性能相等強(qiáng)度級(jí)別的焊接材料，在沒(méi)有特殊要的前提下，一般不考慮焊接材料的化學(xué)成分、如果選擇與母材化學(xué)成分相同的焊接材料，由于焊接時(shí)冷卻速度很大，將使焊縫金屬具有特殊的過(guò)飽和鑄態(tài)組織，焊縫金屬的性能表現(xiàn)為強(qiáng)度很高，而塑性、韌性很低，這對(duì)焊接接頭的抗裂性能和使用性能是不利的。焊縫含碳量一般要求W0.14%。其它合金元素低于母材含量例如：焊接l5MnTi、l5MnV相同的C=0.12?0.18% Mn=1.2?1.6% Si=0.2?0.6%15MnTi中Ti=0.12?0.20% 15MnV中V=0.04?0.16%三529Mpa用焊條J557成分CW0.12%Mn1.2%Si=0.5%不含Ti、V549?608MpaC低，Mn低于母材，同時(shí)具有很高的塑性和韌性考慮熔合比和冷卻速度的影響焊縫金屬的機(jī)械性能主要取決于其化學(xué)成分和組織的過(guò)飽和度。焊縫金屬的化學(xué)成分不僅取決于焊接材料的成分，而且與熔合比（與母材的熔入量有關(guān)）有很大關(guān)系。焊縫金屬組織的過(guò)飽和程度則與冷卻速度有很大關(guān)系。必須考慮焊后熱處理對(duì)焊縫力學(xué)性能的影響一般消除應(yīng)力退火對(duì)強(qiáng)度影響不大，但對(duì)焊縫強(qiáng)度富裕量不大時(shí)，消除應(yīng)力退火后有可能使焊縫金屬的強(qiáng)度低于要求。例如焊接大坡口的15MnV厚板，焊后需進(jìn)行熱處理時(shí)，必須選用咖H08Mn2Si焊絲，若選用H10Mn2焊絲，焊縫金屬的強(qiáng)度會(huì)偏低。

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口!s【陽(yáng)nnf〉44?JSMn?4cNB14MnMoVF7A35FU25OHDMn2MoAIBSMnlMjVAIt］觀HIOMj^MsVAI汕叱HJHJ100詢<3闔第JSMn?4cNB14MnMoVF7A35FU25OHDMn2MoAIBSMnlMjVAIt］觀HIOMj^MsVAI汕叱HJHJ100詢<3闔第25WMil：uPTi垃MiFNb圈E7015CuP E5OC3匚nFUftHMitAH10Mn2FW3I（二）焊接工藝參數(shù)的確定焊接線能量焊接線能量的確定主要取決于過(guò)熱區(qū)的脆化和冷裂兩個(gè)因素。因?yàn)楦黝愪摰拇嗷瘍A向和冷裂傾向不同，所以對(duì)線能量的要求也不同。當(dāng)焊接含C量很低的一些熱軋鋼，如09Mn2、09Mn2Si及含C量偏于下限的16Mn時(shí)，對(duì)線能量沒(méi)有嚴(yán)格要求。因?yàn)檫@類鋼的過(guò)熱敏感性和淬硬傾向都不大，所以焊接線能量大些或小些都可以。但從提高過(guò)熱區(qū)塑性及韌性出發(fā)，線能量偏小些較為有利。當(dāng)焊接含C量偏高的16Mn鋼時(shí)，由于淬硬傾向大，所以在這種清況下線能量應(yīng)偏大些。對(duì)于強(qiáng)度級(jí)別較高的正火鋼〔如15MnTi、15MnVN〕來(lái)說(shuō)，