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1、第3章 合金结构钢的焊接,3.1 合金结构钢的分类和性能,3.1.1 合金结构钢的分类,合金结构 钢的分类,化学 成分,合金 系统,组织 状态,用途或使 性能等,按合金元素 总含量的多 少分有,低合合钢 一般w (Me)5；,中合金钢 w (Me)=510,高合金钢 w (Me)10。,1. 按合金元素总含量的多少分有：,2. 按用途和性能分有,国内外常见的合金结构钢的牌号见表3-1,表3-1 国内外常见的合金结构钢,3.1.2 合金结构钢的基本性能,1化学成分,各种元素对合金结构钢下临界点温度A1（）的综合影响可用下述公式表示： A1=720+28wSi+5wCr+6wCo+3wTi-5wM
2、n-10wNi 3wV， 合金元素对低合金钢屈服强度和抗拉强度的综合影响，可按下列经验公式进行计算，即： s=122+274wC+82wMn+55wSi+54wCr+44wNi+78wCu+353wV+755wTi+540wP+30-2(h-5), MPa b=230+686wC+78wMn+90wSi+73wCr+33wNi+56wCu+314wV+529wTi+450wP+21-1.4(h-5), MPa。 式中 h为板厚（mm）。,各种合金元素对结构钢的抗拉强度和屈服强度影响的定量测定数据如图3-1所示。,图3-1 各种合金元素对结构钢的抗拉强度和屈服强度的影响,2力学性能,低合金高强钢
3、的低温拉伸性能如图3-2a所示。 低合金高强钢高温时强度性能的变化如图3-2b所示。,图3-2 低合金高强钢的低温拉伸性能（a,b）,3显微组织,低合 金钢 热影 响区 中的 显微 组织,低碳马氏体,贝氏体,M-A组元,珠光体类,导致具有不同 的硬度、强度 性能、塑性和 韧性,几种典型组织（特别是贝氏体组织）对低合金钢强度和韧性的影响如图3-3所示。,图3-3典型组织（特别是贝氏体组织）对低合金钢强度和韧性的影响,低合金高强钢不同比例混合组织的维氏硬度和相应金相组织的显微硬度见表3-2。,表3-2 常见金相组织及不同混合组织的硬度,3.2 热轧及正火钢的焊接,常用热轧及正火钢的化学成分和力性能
4、见表3-3和表3-4。,热 轧 及 正 火 钢,屈服强度为294490MPa 的低合金高强钢,一般是在热轧或正火状态 下供货使用,属于非热处理强化钢,表3-3 热轧及正火钢的化学成分,注：括号中的成分选择加入。,表3-4 热轧及正火钢的力学性能,1热轧钢,热 轧 钢,屈服强度为294-392MPa的 普通低合金钢都属于热轧钢,这类钢的基本成分为： wC0.2%，wSi0.55%， wMn 1.5%,热轧钢通常为铝镇静的细晶 粒铁素体珠光体组织的钢 一般在热轧状态下使用,Q345（16Mn）是我国于20 世纪50年代研制和生产应 用最广泛的热轧钢,2正火钢,正 火 钢,正火状态下使用的钢：主要
5、是含V、Nb、Ti的钢，如 Q390、Q345等，主要特点是 屈强比（s/b）较高,正火回火状态使用的 含Mo钢：如14MnMoV、 18MnMoNb等,抗层状撕裂的Z向钢， 屈服强度s343MPa,3微合金控轧钢,微 合 金 控 轧 钢,加入质量分数为0.1%左右 对钢的组织性能有显著或 特殊影响的微量合金元素 的钢，称为微合金钢,多种微合金元素（如Nb、 Ti、Mo、V、B、RE）的共 同作用称为多元微合金化,单一微合金元素的质量分数 通常在0.25%以下。,3.2.2 热轧及正火钢的焊接性,低合金钢 的焊接性,化学 成分,轧制 工艺,1冷裂纹及影响因素,冷裂 纹及 影响 因素,碳当量 （
6、Ceq）,淬硬 倾向,热影响区 最高硬度,热轧钢的 淬硬倾向,正火钢的 淬硬倾向,（1）碳当量（Ceq）,淬硬倾向主要取决于钢的化学成分，其中以碳的作用最明显。国际焊接学会（IIW）推荐的碳当量公式为： 碳当量Ceq0.4%0.6%时钢的淬硬倾向逐渐增加，属于有淬硬倾向的钢,(%),(2) 淬硬倾向,淬硬倾向可以通过焊接热影响区连续冷却转变图（SHCCT）或钢材的连续冷却组织转变图（CCT）来进行分析。,体或M+B+F 混合组织时,而产生B或 B+F组织时,焊 接 热 影 响 区,对氢致 裂纹敏感,对氢致裂 纹不敏感,1）热轧钢的淬硬倾向,从图3-4a可以看到Q345焊条电弧焊冷速快时，热影响
7、区会出现少量铁素体、贝氏体和大量马氏体。而低碳钢焊条电弧焊时（见图3-4b），则出现大量铁素体、少量珠光体和部分贝氏体。,图3-4 热轧钢（Q345）和低碳钢的焊接连续冷却组织转变图（SHCCT） a) Q345 Tm 1350 b) 低碳钢 Tm 1300),2) 正火钢的淬硬倾向,随着合金元素和强度级别的提高而增大，如Q420和18MnMoNb相比（见图3-5a、b），两者的差别较大。,图3-5 正火钢的焊接连续冷却组织转变图（SHCCT） a）为Q420 b) 18MnMoNb,(3) 热影响区最高硬度,最高硬度允许值就是一个刚好不出现冷裂纹的临界硬度值。图3-6。,图3-6 热影响区最
8、高硬度与裂纹率的关系,碳当量增大时，热影响区淬硬倾向随之提高，但并非始终保持线性关系。碳当量与热影响区最高硬度的关系如图3-7所示。,图3-7 热影响区最高硬度与碳当量的关系 Ceq=C+(Mn/6)+(Si/24)+(Cr/5)+(Mo/4)+(V/14)+(Ni/40),焊接热输入E或冷却时间t8/5对热影响区淬硬倾向影响很大。热影响区最高硬度与碳当量和冷却速度的关系如图3-8所示。,图3-8 热影响区最高硬度与碳当量和冷却速度的关系 Ceq=C+(Mn+Si)/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15,冷却时间t8/5对热影响区最高硬度的影响如图3-9所示。,图3-9 冷却时间t
9、8/5对热影响区最高硬度的影响 （钢材成分：wC 0.12%, wMn 1.40%, wSi 0.48%, wCu 0.15%, 板厚h=20mm）,2热裂纹和再热裂纹,裂 纹,再热裂纹,焊缝热裂纹,钢中的Cr、Mo元素及含量对再热裂纹的产生影响很大。不同Cr、Mo含量低合金钢的再热裂纹敏感区如图3-10所示。,图3-10 再热裂纹敏感性与Cr、Mo含量的关系ASR裂纹敏感区 B随Cr、Mo含量增加，SR裂纹增加,3非调质钢焊缝的组织和韧性,焊缝 韧性,针状铁素体 (AF),先共析铁素体 (PF)组织,所占的比例,焊缝中存在较高比例的针状铁素体组织时，韧性显著升高，韧脆转变温度（vTrs）降低
10、，如图3-11a所示；焊缝中先共析铁素体组织比例增多则韧性下降，韧脆转变温度上升，如图3-11b所示。,图3-11 不同铁素体形态对高强钢焊缝韧性的影响 a) AF对vTrs的影响 b) PF对vTrs的影响,焊缝中AF增多，有利于改善韧性，但随着合金化程度的提高，焊缝组织可能出现上贝氏体和马氏体，在强度提高的同时会抵消AF的有利作用，焊缝韧性反而会恶化。如图3-12所示，高强钢焊缝中AF由100%减少到20%左右，焊缝韧性急剧降低。,图3-12 高强钢焊缝韧性与强度的关系,Mn-Si系焊缝组织与韧性的关系见表3-5。,表3-5 Mn-Si系焊缝组织与韧性的关系,显见，中等程度的Mn、Si含量
11、，例如wMn=0.8% -1.0%，wSi=0.15%-0.25%，Mn/Si比约4-7的情 况下，可得到针状铁素体+细晶粒铁素体的混合 组织，对裂纹扩展的阻力大，焊缝韧性高。,4热影响区脆化,脆 化,粗晶区脆化,热应变脆化,S和P均降低热影响区的韧性（见图3-14），特别是大热输入焊接时，P的影响较为严重。wP0.013%时，韧性明显下降。 。,图3-14 S、P对热影响区韧性的影响（低合金钢三丝埋弧焊）,N对Mn-Si系低合金钢热影响区韧性的影响如图3-15所示。可以看到，通过降低N含量，即使焊接热输入在很大范围内变化，也仍然可以获得良好的韧性。,图3-15 N对热影响区韧性的影响（Mn-
12、Si系低合金钢）,5层状撕裂,层状撕裂是一种特殊形式的裂纹，它主要发生于要求熔透的角接接头或T形接头的厚板结构中，如图3-16所示。,图3-16 产生层状撕裂的一些典型接头形式 a) 角接T形接头 b) 对接T形接头 c) 对接角接头,3.2.3 热轧及正火钢的焊接工艺,1坡口加工、装配及定位焊,坡口 加工 装配 及定 位焊,坡口加工可采用机械加工，其 加工精度较高，也可采用火焰 切割或碳弧气刨。,焊接件的装配间隙不应过 大，尽量避免强力装配， 减小焊接应力。,定位焊应选用同类型的焊接 材料，也可选用强度稍低的 焊条或焊丝。,2焊接材料的选择,低合 金钢 选择 焊接 材料,一是不能有裂纹等 焊
13、接缺陷,二是能满足使用 性能要求。,热轧及正火钢焊接一般是根据其强度级别选择焊接材料，而不要求与母材同成分，其要点如下：,要 点,考虑焊后热处理对 焊缝力学性能的影响,同时考虑熔合比和冷却 速度的影响,选择与母材力学性能匹 配的相应级别的焊接材料,3焊接工艺参数的确定,工艺 参数,预热和焊后热处理,焊接热输入,焊接热输入对热轧及正火钢热影响区晶粒尺寸和冲击韧性的影响如图3-17所示。,图3-17 焊接热输入对热影响区晶粒尺寸和冲击韧性的影响 a) 冷却时间t8/5与晶粒尺寸的关系 b) 热输入对热影响区韧性的影响,1） 焊接热输入,HQ70和HQ80低碳调质钢焊接一般要求低温预热，预热温度和最
14、大焊接热输入见表3-20。,表3-20 两种低碳调质钢的最大热输入,热轧及正 火钢焊接 的典型工 艺参数,焊条电弧焊,自动焊,氩弧焊,热轧及正火钢焊条电弧焊的工艺参数见表3-7。,表3-7 热轧及正火钢焊条电弧焊的工艺参数,Q345钢对接和角接埋弧焊的工艺参数见表3-8。 表3-8 Q345钢对接和角接埋弧焊的工艺参数,热轧及正火钢CO2气体保护焊的工艺参数见表3-9。,表3-9 热轧及正火钢CO2气体保护焊的工艺参数,热轧及正火钢钨极氩弧焊的工艺参数见表3-10，熔化极氩弧焊的工艺参数见表3-11。,表3-10 热轧及正火钢钨极氩弧焊的工艺参数,表3-11 热轧及正火钢熔化极氩弧焊的工艺参数
15、,预热温度与钢材的淬硬性、板厚、拘束度和氢含量等因素有关，工程中必须结合具体情况经试验后才能确定，推荐的一些预热温度只能作为参考。不同环境温度下焊接Q345钢的预热温度见表3-12。,2)预热和焊后热处理,确定焊后 回火温度 的原则,不要超过母材原来的 回火温度，以免影响 母材本身的性能,对于有回火脆性的材 料，要避开出现回火 脆性的温度区间,热轧及正火钢的预热和焊后热处理工艺参数见表3-13。,4焊接接头的力学性能,焊缝金属和热影响区的力学性能是影响接头使用可靠性的基本性能，而其中强度与韧性又是关键的考核要素，特别是对合金结构钢接头更为重要。几种典型热轧及正火钢焊接接头的力学性能见书中表3-14。,