合金结构钢的焊接材料焊接性教学市公开课一等奖百校联赛特等奖课件.pptx

第第3章章 合金结构钢焊接合金结构钢焊接3.1 合金结构钢分类和性能合金结构钢分类和性能 合金结构钢是在碳素钢基础上有目标地加入一个或几个合金元素钢。惯用合金元素有：锰、硅、铬、镍、钼、钨、钒、钛、硼等。加入合金元素可使钢性能产生预期改变，如提升其强度，改进其韧性，或使其含有特殊物理、化学性能，如耐热性和耐蚀性等。3.1.1 合金结构钢分类 合金结构钢应用领域很广，种类繁多，可按化学成份、合金系统、组织状态、用途或使用性能等方面进行分类。比如：1.按合金元素总含量多少分有：1）低合合钢，普通w(Me)5；2）中合金钢，w(Me)=510;3）高合金钢，w(Me)10。第1页l 2.按用途和性能分有：1）强度用钢）强度用钢 即通常所说高强度钢。主要用于常规条件下要求能承受静载和动载机械零件和工程结构，如压力容器、动力设备、工程机械、交通运输工具、桥梁、建筑结构、管道、船舶和海洋工程结构等。它主要性能是力学性能，合金元素加入是为了确保足够塑性和韧性前提下，取得不一样强度等级。它能够按强度等级或供货热处理)状态进行分类。l 按供货状态分，强度用钢大致分为热轧与正火钢、低碳调质钢和中碳调质钢等三类。各类组织性能有其共同特点，且与焊接性亲密相关。介绍以下：l (1)热轧及正火钢 屈服强度为294490MPa，在热轧或正火状态下使用，属于非热处理强化钢。包含微合金化控轧钢、抗层状撕裂Z向钢等。这类钢广泛应用于常温下工作一些受力结构，如压力容器、动力设备、工程机械、桥梁、建筑结构和管线等。第2页 (2)低碳调质钢 屈服强度为490980MPa，在调质状态下供货使用，属于热处理强化钢。这类钢特点是含碳量较低（普通碳质量分数为0.22%以下），现有高强度，又兼有良好塑性和韧性，能够直接在调质状态下进行焊接，焊后不需进行调质处理。这类钢在焊接结构中得到了越来越广泛应用，可用于大型工程机械、压力容器及舰船制造等。(3)中碳调质钢 屈服强度普通在8801176 MPa以上，钢中含碳量较高（碳质量分数为0.25%0.5%），也属于热处理强化钢。它淬硬性比低碳调质钢高得多，含有很高硬度和强度，但韧性相对较低，给焊接带来了很大困难。这类钢惯用于强度要求很高产品或部件，如火箭发动机壳体、飞机起落架等。2)低中合金特殊用途钢低中合金特殊用途钢 低中合金特殊用钢主要用于一些特定条件下工作机械零件和工程结构。对其要求除了满足常规力学性能外，还必须适应特殊环境下工作要求。依据对不一样使用性能要求，可分为：珠光体耐热钢、低温钢和低合金耐蚀钢等。第3页l (1)珠光体耐热钢 以Cr、Mo为基础低中合金钢，伴随工作温度提升，还可加入V、W、Nb、B等合金元素，含有很好高温强度和高温抗氧化性，主要用于工作温度在500600高温设备，如热动力设备和化工设备等。l (2)低温钢 大部分是一些含Ni或无Ni低合金钢，普通在正火或调质状态使用，主要用于各种低温装置（-40-196）和在严寒地域一些工程结构，如液化石油气、天然气储存容器等。与普通低合金钢相比，低温钢必须确保在对应低温下含有足够高低温韧性，对强度无特殊要求。l (3)低合金耐蚀钢 除含有普通力学性能外，必须含有耐腐蚀性能这一特殊要求。主要用于像大气、海水、石油化工等腐蚀介质中工作各种机械设备和焊接结构。因为所处介质不一样，耐蚀钢类型和成份也不一样。耐蚀钢中应用最广泛是耐大气和耐海水腐蚀用钢。第4页l 国内外常见合金结构钢牌号见表3-1。第5页l3.1.2 合金结构钢基本性能 l1化学成分 l 低合金结构钢是在低碳钢基础上（低碳钢化学成分为：wC=0.10%0.25%，wSi0.3%，wMn=0.5%0.8%）添加一定量合金元素组成。碳是最能提高钢材强度元素，但易于引发焊接淬硬及焊接裂纹，所以在保证强度条件下，碳加入量越少越好。低合金钢加入元素有Mn、Si、Cr、Ni、Mo、V、Nb、B、Cu等，杂质元素P、S含量要限制在较低程度。l 用于焊接结构低中合金钢合金元素总质量分数一般不超过10%。各种元素对合金结构钢下临界点温度综合影响可用下述公式表示：l A1=720+28wSi+5wCr+6wCo+3wTi5wMn10wNi3wV，（3-1）l 由上述公式可见，Si、Cr、Co和Ti等元素能提高低临界点A1温度，而Mn、Ni和V则降低A1点温度。根据合第6页l金元素对组织转变影响可将其分成两组：一组以Ni元素为代表，称为Ni组元素（Ni、Mn、Co）；另一组以Cr元素为代表，称为Cr组元素（Cr、Si、P、Al、Ti、V、Mo、W）。在-Fe中含有较大溶解度元素促使区缩小，而在晶格中含有较大溶解度元素则扩大区。各种合金元素影响程度不但取决于它含量，还取决于同时存在其它合金元素性质和含量。l 加入合金元素能细化晶粒，而且各种合金元素在不一样程度上改变了钢奥氏体转变动力学，直接影响钢淬硬倾向。如C、Mn、Cr、Mo、V、W、Ni和Si等元素能提升钢淬硬倾向，而Ti、Nb、Ta等碳化物形成元素则降低钢淬硬倾向。l 各种合金元素对结构钢抗拉强度和屈服强度影响定量测定数据如图3-1所表示。合金元素对低合金钢屈服强度和抗拉强度综合影响，可按以下经验公式进行计算，即：第7页 s=122+274wC+82wMn+55wSi+54wCr+44wNi+78wCu +353wV+755wTi+540wP+30-2(h-5),MPa lb=230+686wC+78wMn+90wSi+73wCr+33wNi+56wCu+314wV+529wTi+450wP+21-1.4(h-5),MPal式中 h为板厚（mm）。l 合金结构钢中，氮作为一个合金元素被广泛采取。氮在钢中作用与碳相同，当它溶解在铁中时，将扩大区。氮能与钢中其它合金元素形成稳定氮化物，这些氮化物往往以弥散微粒分布，从而细化晶粒，提升钢屈服点和抗脆断能力。氮影响既决定于其含量，也决定于在钢中存在其它合金元素种类和数量。Al、Ti和V等合金元素对氮含有较高亲和力，并能形成较稳定氮化物。所以，为了充分发挥氮作为合金元素作用，钢中必须同时加入Al、V和Ti等氮化物形成元素。第8页l 这些合金元素或者与Fe形成固溶体，或者形成碳化物（除Ti、Nb和Ta外），都产生了延迟奥氏体分解作用并由此提升了钢淬硬倾向。各种元素对钢力学性能和工艺性能影响，取决于它含量和同时存在其它合金元素。l 热轧及正火条件下，合金元素对塑性和韧性影响与其强化作用相反，即强化效果越大，塑性和韧性降低越多，当钢中合金元素含量超出一定范围后会出现韧性大幅度下降。所以，抗拉强度大于600MPa高强钢普通都需进行调质处理。我国低碳调质钢抗拉强度普通为6001300MPa，为了确保良好综合性能和焊接性，要求钢中碳质量分数小于0.22%（实际上碳质量分数在0.18%以下）。第9页l 另外，添加一些合金元素，如Mn、Cr、Ni、Mo、V、Nb、B、Cu等，主要是为了提升钢淬透性和马氏体回火稳定性。这些元素能够推迟珠光体和贝氏体转变，使产生马氏体转变临界冷却速率降低。低合金调质高强钢因为含碳量低，所以淬火后得到低碳马氏体，而且发生“自回火”现象，脆性小，含有良好焊接性。l 国外研制低碳调质钢普通含有较高合金元素Ni和Cr，钢材强度级别越高，Ni、Cr含量也越高。如美国用于工程机械、压力容器T-1钢，用于海军舰艇外壳HY-80，以及用于潜艇、宇航业HY100、HY-130等。20世纪六、七十年代我国发展了无Ni、Cr低碳调质钢，用于工程机械、高压容器和水轮机壳体等。低碳调质钢综合性能除了取决于化学成份外，主要是经过热处理确保含有良好组织和力学性能。第10页l2力学性能l 合金结构钢强度越高，屈服强度与抗拉强度之差也越小。屈服强度与抗拉强度之比称为屈强比（s/b）。钢材强度越高，屈强比增大。低碳钢屈强比约为0.7左右，控轧钢板屈强比约为0.700.85，800MPa级高强钢屈强比约为0.95。l 低合金高强钢低温拉伸性能如图3-2a所表示。温度下降时，钢材抗拉强度升高，但韧性下降。普通-100以上时钢材强度改变较小，温度再低时，抗拉强度和屈服强度急剧升高，韧性急剧下降，当在液氮温度（-196）附近时，延伸率很小。低合金高强钢使用温度多在-50以上，在此温度范围内高强钢强度性能改变不大。l 低合金高强钢高温时强度性能改变如图3-2b所表示。200以前强度迟缓下降，温度深入升高时，强度开始上升，300附近到达最大值，350以上逐步下降。钢材高温时强度性能仍保持室温强度次序，基本上不发生倒位现象。第11页第12页l 缺口韧性是用于表示材料抵抗脆性破坏一项指标。脆性破坏是在低应力条件下（普通是在屈服强度以下）发生，多为瞬时破坏，是低合金钢焊接结构安全方面最值得注意破坏现象。世界各国多采取却贝冲击吸收功作为缺口韧性评价方法，采取10mm10mm55mm长方形试样，在试样中央开深度2mmV形缺口，尖端半径为0.25mm。逐步改变试验温度做冲击试验，用试样破断时所需能量（称为吸收能）及断口形貌（塑性断口和脆性断口）来评价钢材缺口韧性。l 吸收能能够反应出某一温度范围韧性急剧改变转变现象。当吸收能变小时，由塑性断口转变为脆性断口。脆性断口率为零时吸收能称为“上平台能”，上平台能二分之一时温度称为韧脆转变温度（用VTrs表示）。钢材韧脆转变温度越低，韧性越好。依据大量脆性破坏事故案例调查结果，许多国家提议采取冲击吸收功21J或48J时温度作为V形缺口却贝韧性试验特征值。第13页l 合金结构钢含有较高强度和良好塑性和韧性，采取不一样合金成份和热处理工艺，能够取得含有不一样综合性能低中合金结构钢。Mn固溶强化作用很显著，wMn1.7%时可提升韧性、降低脆性转变温度，屈服强度提升约50，而脆性转变温度下降约20，如Q345（16Mn）为经典固溶强化钢，屈服强度为345MPa、脆性转变温度低于40；Si即使显著固溶强化但降低塑性、韧性，普通wSi0.6%；Ni是惟一既固溶强化又同时提升韧性且大幅度降低脆性转变温度元素，惯用于低温钢。l V、Ti、Nb强烈形成碳化物，Al、V、Ti、Nb还形成氮化物，析出微小VC、TiC、NbC及AlN、VN、TiN、Nb（C、N）产生显著沉淀强化作用，在固溶强化基础上屈服强度提升50100MPa，并保持了韧性。上述元素均是微量加入，故称为微合金化。微合金化元素还有B，主要作用是在晶界上阻止先共析铁素体生成及长大，从而改进韧性。第14页 合金结构钢强度级别不一样，加入合金元素及其含量也不一样，成份设计既要满足使用性能要求又要考虑其经济性。抗拉强度为600MPa级钢主要为Mn-Si系和在Mn-Si基础上加少许Cr、Ni、Mo、V；700MPa级钢主要为Mn-Si-Cr-Ni-Mo系，合金元素加入量较600MPa级钢多些，另外还加入少许V；800MPa级钢主要为Mn-Si-Cr-Ni-Mo-Cu-V系，并加入一定量B；1000MPa级钢合金系列与800MPa级钢基本相同，但合金元素加入量较高，尤其是为了确保韧性加入较多Ni。3显微组织 低合金结构钢为了取得满意强度和韧性组合，晶粒尺寸必须细小、均匀，而且应是等轴晶。经调质处理后钢材含有较高强度、韧性和良好焊接性，裂纹敏感性小，热影响区组织性能稳定。低合金钢热影响区中显微组织主要是低碳马氏体、贝氏体、M-A组元和珠光体类组织，造成含有不一样硬度、强度性能、塑性和韧性。几个经典组织（尤其是贝氏体组织）对低合金钢强度和韧性影响如图3-3所表示。第15页l 第16页l 低合金高强钢不一样百分比混合组织维氏硬度和对应金相组织显微硬度见表3-2。应指出，即使是一样显微组织，也含有不一样硬度，这与钢含碳量、合金含量及晶粒度相关。高碳马氏体硬度可达600HV，而低碳马氏体硬度只有350390HV。同时二者在性能上也有很大不一样，前者是针状马氏体（孪晶马氏体），属脆硬相；后者是低碳板条马氏体（位错马氏体），硬度虽高，但仍有很好韧性。第17页3.2 热轧及正火钢焊接热轧及正火钢焊接l3.2.1 热轧及正火钢成份和性能l 屈服强度为294490MPa低合金高强钢，普通是在热轧或正火状态下供货使用，故称为热轧钢或正火钢，属于非热处理强化钢。惯用热轧及正火钢化学成份和力性能见表3-3和表3-4。l1热轧钢l 屈服强度为294392MPa普通低合金钢都属于热轧钢，这类钢是在wC0.2%基础上经过Mn、Si等合金元素固溶强化作用来确保钢强度，属于C-Mn或Mn-Si系钢种。也可再加入V、Nb以到达细化晶粒和沉淀强化作用。l 热轧钢主要是用Mn进行合金化以到达所要求性能，这类钢基本成份为：wC0.2%，wSi0.55%，wMn 1.5%。Si质量分数超出0.6%后对冲击韧性不利，使韧脆转变温度提升。C质量分数超出0.3%和Mn质量分数超出1.6%后，焊接时易出现裂纹，在热轧钢焊接区还会出现脆性淬硬组织。第18页第19页第20页l 热轧钢通常为铝镇静细晶粒铁素体珠光体组织钢，普通在热轧状态下使用。在特殊情况下，如要求提升冲击韧性以及板厚时，也可在正火状态下使用。比如，Q345在个别情况下，为了改进综合性能，尤其是厚板冲击韧性，可进行900920正火处理，正火后强度略有降低，但塑性、韧性（尤其是低温冲击韧性）有所提升。l2正火钢l 当要求钢屈服强度s392MPa后，在固溶强化同时，必须加强合金元素沉淀强化作用。正火钢是在固溶强化基础上，加入一些碳、氮化合物形成元素（如V、Nb、Ti和Mo等），经过沉淀强化和细化晶粒深入提升钢材强度和确保韧性。正火处理目标是为了使这些合金元素形成碳、氮化合物以细小化合物质点从固溶体中沉淀析出，弥散分布在晶内和晶界，起细化晶粒作用，降低了固溶强化，能够在提升钢材强度同时，改进钢材塑性和韧性，防止过分固溶强化所造成脆性。第21页l 这类钢实际上是在Q345（16Mn）基础上加入一些沉淀强化合金元素，如V、Nb、Ti、Mo等强碳化物、氮化物形成元素。利用这些元素形成碳、氮化物弥散质点所起沉淀强化和细化晶粒作用来到达良好综合性能，使屈服强度s由Mn-V钢392MPa提升到441MPa，同时降低回火脆性。l 对于含Mo钢来说，正火后还必须进行回火才能确保良好塑性和韧性。所以，正火钢又可分为：l 1)正火状态下使用钢：主要是含V、Nb、Ti钢，如Q390、Q345等，主要特点是屈强比（s/b）较高；l 2)正火回火状态使用含Mo钢：如14MnMoV、18MnMoNb等。低合金钢中加入一定量Mo，可细化晶粒，提升强度，还能够提升钢材中温性能，含Mo低合金正火钢适于制造中温厚壁压力容器。含Mo钢在较高正火温度或较快速度连续冷却下，得到组织为上贝氏体和少许铁素体，所以正火钢必须回火后才能确保取得良好塑性和韧性。第22页l 属于正火钢还包含抗层状撕裂Z向钢，屈服强度s343MPa。因为冶炼中采取了钙或稀土处理和真空除气等特殊工艺办法，使Z向钢含有S含量低（wS 0.005%）、气体含量低和Z向断面收缩率高（Z35%）等特点。l3微合金控轧钢l 加入质量分数为0.1%左右对钢组织性能有显著或特殊影响微量合金元素钢，称为微合金钢。各种微合金元素（如Nb、Ti、Mo、V、B、RE）共同作用称为多元微合金化，微合金钢单一微合金元素质量分数通常在0.25%以下。经过细晶强化可深入降低低合金高强钢碳含量，降低固溶合金元素，使其冲击韧性得到深入提升。第23页l 微合金控轧钢是热轧及正火钢中一个主要分支，是近年来发展起来一类新钢种。它采取微合金化（加入微量Nb、V、Ti）和控制轧制等技术到达细化晶粒和沉淀强化相结合效果。在冶炼工艺上采取了降C、降S、改变夹杂物形态、提升钢纯净度等办法，使钢材含有均匀细晶粒等轴晶铁素体基体。微合金化钢就其本质来讲与正火钢类似，它是在低碳C-Mn钢基础上经过V、Nb、Ti微合金化及炉外精炼、控轧、控冷等工艺，取得细化晶粒和综协力学性能良好微合金钢。l 控轧钢含有高强度、高韧性和良好焊接性等优点。控轧钢晶粒比普通正火钢晶粒细，强度和韧性也高一些，因为正火钢奥氏体化温度普通为900，而控轧时终轧温度约为850。但控轧钢板厚受到一定限制，因为板厚增加时晶粒细化和沉淀强化效果会受到影响。第24页l 钢晶粒尺寸在50m以下钢种称为细晶粒钢，细化晶粒可使钢取得强韧性匹配良好综协力学性能。细化晶粒所采取主要工艺为控轧或控冷。控轧主要是控制钢材变形温度和变形量，利用位错强化来韧化钢材；控冷主要是控制钢材开始形变温度和终了形变温度，以及随即冷却速度。与控轧相比，控冷对钢材晶粒细化效果更显著。控轧后马上加速冷却所制造钢，称为TMCP（Thermo-Mechanical Control Process）钢。l TMCP钢经过控轧控冷技术应用晶粒尺寸可小于50m，最小可到达10m。超细晶粒钢可使晶粒尺寸到达0.110m。TMCP钢含有良好加工性和焊接性，满足了石油和天然气等工业需要，这类钢还将在更多钢结构中得到应用。l 控轧管线钢焊接主要问题是过热区晶粒粗大使抗冲击性能下降，改进办法是在钢中加入沉淀强化元素（形成TiO2、TiN）预防晶粒长大，优化焊接工艺及规范。第25页l3.2.2 热轧及正火钢焊接性热轧及正火钢焊接性l 低合金钢焊接性主要取决于它化学成份和轧制工艺。伴随钢材强度级别提升和合金元素含量增加，焊接性也随之发生改变。l1冷裂纹及影响原因冷裂纹及影响原因l 热轧钢含有少许合金元素，碳当量比较低，普通情况下（除环境温度很低或钢板厚度很大时）冷裂倾向不大。正火钢因为含合金元素较多，淬硬倾向有所增加。强度级别及碳当量较低正火钢，冷裂纹倾向不大；但伴随正火钢碳当量及板厚增加，淬硬性及冷裂倾向随之增大，需要采取控制焊接热输入、降低扩散氢含量、预热和及时焊后热处理等办法，以预防焊接冷裂纹产生。l 微合金控轧钢碳含量和碳当量都很低，冷裂纹敏感性较低。除超厚焊接结构外，490MPa级微合金控轧钢焊接普通不需要预热。第26页l (1)碳当量（碳当量（Ceq）淬硬倾向主要取决于钢化学成份，其中以碳作用最显著。能够经过碳当量公式来大致估算不一样钢种冷裂敏感性。通常碳当量越高，冷裂敏感性越大。国际焊接学会（IIW）推荐碳当量公式为：l ,(%)(3-2)l 上述碳当量公式用得相当普遍，普通认为Ceq0.4%时，钢材在焊接过程中基本无淬硬倾向，冷裂敏感性小。屈服强度294392MPa热轧钢碳当量普通都小于0.4%，焊接性良好，除钢板厚度很大和环境温度很低等情况外，普通不需要预热和严格控制焊接热输入。l 碳当量Ceq0.4%0.6%时钢淬硬倾向逐步增加，属于有淬硬倾向钢。屈服强度441490MPa正火钢基本上处于这一范围，其中碳当量不超出0.5%时，淬硬倾向不算严重，焊接性尚好，但伴随板厚增加需要采取一定预热办法，如Q420就是这么。18MnMoNb碳当量在0.5%以上，它冷裂敏感性较大，焊接时为防止冷裂纹产生，需要采取较严格工艺办法，如严格控制热输入、预热和焊后热处理等。第27页l (2)淬硬倾向淬硬倾向 焊接热影响区产生淬硬马氏体或M+B+F混合组织时，对氢致裂纹敏感；而产生B或B+F组织时，对氢致裂纹不敏感。淬硬倾向能够经过焊接热影响区连续冷却转变图（SHCCT）或钢材连续冷却组织转变图（CCT）来进行分析。凡是淬硬倾向大钢材，连续冷却转变曲线都是往右移。但因为冷却条件不一样，不一样曲线右移程度不一样。如CCT曲线右移程度比等温转变TTT曲线大1.5倍以上，而SHCCT曲线右移就更多。所以，在比较两种钢材淬硬倾向时，必须注意采取同一个曲线。l 1)热轧钢淬硬倾向 与低碳钢相比，Q345在连续冷却时，珠光体转变右移较多，使快冷过程中（如图3-4a上c点以左）铁素体析出后剩下富碳奥氏体来不及转变为珠光体，而是转变为含碳较高贝氏体和马氏体，含有淬硬倾向。从图3-4a能够看到Q345焊条电弧焊冷速快时，热影响区会出现少许铁素体、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、少许珠光体和部分贝氏体。所以，Q345热轧钢与低碳钢焊接性有一定差异。但当冷却速度不大时，二者很相近。第28页第29页l 2)正火钢淬硬倾向 伴随合金元素和强度级别提升而增大，如Q420和18MnMoNb相比（见图3-5a、b），二者差异较大。18MnMoNb过冷奥氏体比Q420稳定得多，尤其是在高温转变区。所以，18MnMoNb冷却下来很轻易得到贝氏体和马氏体，它整个转变曲线比Q420靠右，淬硬性高于Q420，故冷裂敏感性也比较大。第30页第31页l (3)热影响区最高硬度热影响区最高硬度 热影响区最高硬度是评定钢材淬硬倾向和冷裂敏感性一个简便方法。最高硬度允许值就是一个刚好不出现冷裂纹临界硬度值。热影响区最高硬度与裂纹率关系如图3-6所表示。l 碳当量增大时，热影响区淬硬倾向随之提升，但并非一直保持线性关系。碳当量与热影响区最高硬度关系如图3-7所表示。另外，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关系如图3-8所表示。冷却时间t8/5对热影响区最高硬度影响如图3-9所表示。l 所以，要比较焊接热影响区最高硬度，必须要求试验条件，如采取国际焊接学会（IIW）推荐热影响区最高硬度法。减小碳当量并降低冷却速度，有利于减小热影响区淬硬和冷裂纹倾向。第32页第33页第34页l2热裂纹热裂纹和再热裂纹和再热裂纹l (1)焊缝热裂纹焊缝热裂纹 热轧及正火钢普通碳含量较低、而Mn含量较高，所以这类钢Mn/S比能到达要求，含有很好抗热裂性能，焊接过程中热裂纹倾向较小，正常情况下焊缝中不会出现热裂纹。但个别情况下也会在焊缝中出现热裂纹，这主要与热轧及正火钢中C、S、P等元素含量偏高或严重偏析相关。l 焊缝中碳含量越高，为了预防硫有害作用所需Mn含量也要求越高；伴随碳含量增加，要求Mn/S比也提升。当wC=0.12%时，Mn/S比不应低于10，而wC=0.16%时，Mn/S比就应大于40才能不出现热裂纹。Si有害作用也与促使S偏析相关，所以Si含量高时，热裂纹倾向也增加。第35页l (2)再热裂纹再热裂纹 含Mo正火钢厚壁压力容器之类焊接结构，进行焊后消除应力热处理或焊后再次高温加热（包含长久高温使用过程中）过程中，可能出现另一个形式裂纹，即再热裂纹（简称SR裂纹）。其它有沉淀强化钢或合金（如珠光体耐热钢、奥氏体不锈钢等）焊接接头中，也可能产生再热裂纹。l 钢中Cr、Mo元素及含量对再热裂纹产生影响很大。元素之间相互作用对再热裂纹敏感性影响更复杂（主要与形成碳化物形态相关）。不一样Cr、Mo含量低合金钢再热裂纹敏感区如图3-10所表示。第36页第37页l 再热裂纹普通产生在热影响区粗晶区，裂纹沿熔合区方向在粗晶区奥氏体晶界断续发展，产生原因与杂质元素在奥氏体晶界偏聚及碳化物析出“二次硬化”造成晶界脆化相关。再热裂纹产生普通须有较大焊接残余应力，所以在拘束度大厚大工件中或应力集中部位更易于出现再热裂纹。l Mn-Mo-Nb和Mn-Mo-V系低合金钢对再热裂纹产生有一定敏感性。正火钢中18MnMoNb和14MnMoV有轻微再热裂纹倾向，可采取提升预热温度或焊后马上后热等办法来预防再热裂纹产生。如18MnMoNb只要将预热温度中消除冷裂纹需要180（板厚60mm）提升到220后就能预防再热裂纹。假如提升预热温度有困难，可在180预热条件下焊后马上进行1802h后热也能有效地预防再热裂纹产生。第38页l3非调质钢焊缝组织和韧性非调质钢焊缝组织和韧性l 韧性是表征金属对脆性裂纹产生和扩展难易程度性能。低合金钢组织对韧性影响受各种原因控制，如显微组织、夹杂和析出物等。即使是相同组织，其数量、晶粒尺寸、形态等不一样，韧性也不一样。尽管影响焊缝金属韧性原因很复杂，但起决定作用是显微组织。低合金高强钢焊缝金属组织主要包含：先共析铁素体PF（也叫晶界铁素体GBF）、侧板条铁素体FSP、针状铁素体AF、上贝氏体Bu、珠光体P等，马氏体较少。l 焊缝韧性取决于针状铁素体(AF)和先共析铁素体(PF)组织所占百分比。焊缝中存在较高百分比针状铁素体组织时，韧性显著升高，韧脆转变温度（vTrs）降低，如图3-11a所表示；焊缝中先共析铁素体组织百分比增多则韧性下降，韧脆转变温度上升，如图3-11b所表示。针状铁素体晶粒细小，晶粒边界交角大且相互交叉，每个晶界都对裂纹扩展起妨碍作用；而先共析铁素体沿晶界分布，裂纹易于萌生、也易于扩展，造成韧性较差。第39页l 深入研究表明，以针状铁素体组织为主焊缝金属，屈强比(s/b)普通大于0.8；以先共析铁素体组织为主焊缝金属，屈强比多在0.8以下；焊缝金属中有上贝氏体存在时，屈强比小于0.7。l 焊缝中AF增多，有利于改进韧性，但伴随合金化程度提升，焊缝组织可能出现上贝氏体和马氏体，在强度提升同时会抵消AF有利作用，焊缝韧性反而会恶化。如图3-12所表示，高强钢焊缝中AF由100%降低到20%左右，焊缝韧性急剧降低。第40页第41页l 低合金钢焊缝韧性在很大程度上依赖于Si、Mn含量。Si是铁素体形成元素，焊缝中Si含量增加，将使晶界铁素体增加。Mn是扩大奥氏体区元素，推迟转变，所以增加焊缝中Mn含量，将降低先共析铁素体百分比。但Si、Mn含量增加，都将使焊缝金属晶粒粗大。试验研究表明，当Mn、Si含量较少时，转变形成粗大先共析铁素体组织，焊缝韧性较低，因为微裂纹扩展阻力较小。当Mn、Si含量过高时，形成大量平行束状排列板条状铁素体，这些晶粒结晶位向很相同，扩展裂纹与这些晶粒边界相遇不会有多大妨碍，这也使焊缝金属韧性较低。所以，Mn和Si含量过多或过少都使韧性下降。l Mn-Si系焊缝组织与韧性关系见表3-5。显见，中等程度Mn、Si含量，比如wMn=0.8%1.0%，wSi=0.15%0.25%，Mn/Si比约47情况下，可得到针状铁素体+细晶粒铁素体混合组织，对裂纹扩展阻力大，焊缝韧性高。第42页l表3-5 Mn-Si系焊缝组织与韧性关系l 在Mn-Si系基础上加入适量Ti和B或Ti和Mo均能改进相变特征，使对韧性不利铁素体组织降低，细小、均匀针状铁素体增多。近些年来，国内外都在探索向低合金钢焊缝金属中同时添加Ti、B或同时添加Ti、Mo来提升焊缝韧性并取得了良好效果。第43页l4热影响区脆化热影响区脆化l (1)粗晶区脆化粗晶区脆化 被加热到1200以上热影响区过热区可能产生粗晶区脆化，韧性显著降低。这是因为热轧钢焊接时，采取过大焊接热输入，粗晶区将因晶粒长大或出现魏氏组织而降低韧性；焊接热输入过小，粗晶区中马氏体组织所占百分比增大而降低韧性，这在焊接碳含量偏高热轧钢时较显著。l 含有碳、氮化物形成元素正火钢（如Q420等）采取过大焊接热输入时，粗晶区V(C、N)析出相基本固溶，这时V(C、N)化合物抑制奥氏体晶粒长大及组织细化作用被减弱，粗晶区易出现粗大晶粒及上贝氏体、M-A组元等，造成粗晶区韧性降低和时效敏感性增大。第44页l 采取小焊接热输入是防止这类钢过热区脆化一个有效办法。对含碳量偏高热轧钢，焊接热输入要适中；对于含有碳、氮化物形成元素正火钢，应选取较小焊接热输入。假如为了提升生产率而采取大热输入时，焊后应采取8001050正火处理来改进韧性。但正火温度超出1100，晶粒会快速长大，将造成焊接接头和母材韧性急剧下降。l 在主要合金元素相同条件下，钢中含有不一样类型和不一样数量杂质时，热影响区粗晶区韧性也会显著降低。S和P均降低热影响区韧性（见图3-14），尤其是大热输入焊接时，P影响较为严重。wP0.013%时，韧性显著下降。N对Mn-Si系低合金钢热影响区韧性影响如图3-15所表示。能够看到，经过降低N含量，即使焊接热输入在很大范围内改变，也依然能够取得良好韧性。第45页第46页l (2)热应变脆化热应变脆化 产生在焊接熔合区及最高加热温度低于Ac1亚临界热影响区。对于C-Mn系热轧钢及氮含量较高钢，普通认为热应变脆化是因为氮、碳原子聚集在位错周围，对位错造成钉轧作用造成。普通认为在200400时热应变脆化最为显著，当焊前已经存在缺口时，会使亚临界热影响区热应变脆化更为严重。熔合区易于产生热应变脆化与此区域常存在缺口性质缺点和不利组织相关。l 热应变脆化易于发生在一些固溶N含量较高而强度级别不高低合金钢中，如抗拉强度490MPa级C-Mn钢。在钢中加入足够量氮化物形成元素（如Al、Ti、V等），能够降低热应变脆化倾向，如Q420比Q345热应变脆化倾向小。退火处理也可大幅度恢复韧性，降低热应变脆化，如Q345经6001h退火处理后，韧性大幅度提升，热应变脆化倾向显著减小。第47页l5层状撕裂层状撕裂l 层状撕裂是一个特殊形式裂纹，它主要发生于要求熔透角接接头或T形接头厚板结构中，如图3-16所表示。大型厚板焊接结构（如海洋工程、锅炉吊架、核反应堆及船舶等）焊接时，假如在钢材厚度方向承受较大拉伸应力时，可能沿钢材轧制方向发生呈显著阶梯状层状撕裂。第48页l 层状撕裂产生不受钢材种类和强度级别限制，从Z向拘束力考虑，层状撕裂与板厚相关，板厚在16mm以下普通不会产生层状撕裂。从钢材本质来说，主要取决于冶炼质量，钢中片状硫化物与层状硅酸盐或大量成片地密集于同一平面内氧化物夹杂都使Z向塑性降低，造成层状撕裂产生，其中层片状硫化物影响最为严重。所以，硫含量和Z向断面收缩率是评定钢材层状撕裂敏感性主要指标。l 合理选择层状撕裂敏感性小钢材、改进接头形式以减轻钢板Z向所承受应力应变、在满足产品使用要求前提下选取强度级别较低焊接材料及采取预热及降氢等辅助办法，有利于预防层状撕裂发生。第49页l3.2.3 热轧及正火钢焊接工艺l 热轧及正火钢焊接对焊接方法选择无特殊要求，焊条电弧焊、埋弧自动焊、气体保护焊、电渣焊、压焊等焊接方法都能够采取。可依据材料厚度、产品结构、使用性能要求及生产条件等选择。其中，焊条电弧焊、埋弧自动焊、CO2气体保护焊是热轧及正火钢惯用焊接方法。l 1坡口加工、装配及定位焊l 坡口加工可采取机械加工，其加工精度较高，也可采取火焰切割或碳弧气刨。对强度级别较高、厚度较大钢材，经过火焰切割和碳弧气刨坡口应用砂轮仔细打磨，去除氧化皮及凹槽；在坡口两侧约50mm范围内，应去除水、油、锈及脏物等。第50页l 焊接件装配间隙不应过大，尽可能防止强力装配，减小焊接应力。为预防定位焊缝开裂，要求定位焊缝应有足够长度（普通大于50mm），对厚度较薄板材大于4倍板厚。定位焊应选取同类型焊接材料，也可选取强度稍低焊条或焊丝。定位焊次序应能预防过大拘束、允许工件有适当变形，定位焊焊缝应对称均匀分布。定位焊所用焊接电流可稍大于焊接时焊接电流。l 2焊接材料选择l 低合金钢选择焊接材料时必须考虑两方面问题：一是不能有裂纹等焊接缺点；二是能满足使用性能要求。选择焊接材料依据是确保焊缝金属强度、塑性和韧性等力学性能与母材相匹配。l 热轧及正火钢焊接普通是依据其强度级别选择焊接材料，而不要求与母材同成份，其关键点以下：第51页l (1)选择与母材力学性能匹配对应级别焊接材料 从焊接区力学性能“等强匹配”角度选择焊接材料，普通要求焊缝强度性能与母材等强或稍低于母材。焊缝中碳质量分数不应超出0.14%，焊缝中其它合金元素也要求低于母材中含量，以预防裂纹及焊缝强度过高。l (2)同时考虑熔合比和冷却速度影响 焊缝化学成份和性能与母材溶入量（熔合比）有很大关系，而焊缝组织过饱和度与冷却速度有很大关系。采取一样焊接材料，因为熔合比或冷却速度不一样，所得焊缝性能会有很大差异。所以，焊条或焊丝成份选择应考虑到板厚和坡口形式影响。薄板焊接时熔合比较大，应选取强度较低焊接材料，厚板深坡口则相反。l (3)考虑焊后热处理对焊缝力学性能影响 当焊缝强度余量不大时，焊后热处理（如消除应力退火）后焊缝强度有可能低于要求。所以，对于焊后要进行正火处理焊缝，应选择强度高一些焊接材料。热轧及正火钢焊接材料选取见表3-6。第52页第53页l3焊接工艺参数确实定l (1)焊接热输入 焊接热输入取决于接头区是否出现冷裂纹和热影响区脆化。对于碳当量(Ceq)小于0.40%热轧及正火钢，如Q295、09Mn2Si和Q345，焊接热输入选择可适当放宽。碳当量大于0.40%钢种，随其碳当量和强度级别提升，所适用焊接热输入范围随之变窄。焊接碳当量为0.40%0.60%热轧及正火钢时，因为淬硬倾向加大，马氏体含量也增加，小热输入时冷裂倾向会增大，过热区脆化也变得严重，在这种情况下热输入宁可偏大一些比很好。但在加大热输入、降低冷速同时，会引发接头区过热加剧（增大线能量对冷速降低效果有限，但对过热影响较显著）。在这种情况下采取大热输入效果不如采取小热输入预热更有效。预热温度控制恰当初，既能防止产生裂纹，又能预防晶粒过热。第54页l 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影响如图3-17所表示。对于一些含Nb、V、Ti正火钢，为了防止焊接中因为沉淀析出相溶入以及晶粒过热引发热影响区脆化，焊接热输入应偏小一些。焊接屈服强度440MPa以上低合金钢或主要结构件，禁止在非焊接部位引弧。多层焊第一道焊缝需用小直径焊条及小热输入进行焊接，减小熔合比。第55页第56页l (2)预热和焊后热处理 预热和焊后热处理目标主要是为了预防裂纹，也有一定改进组织、性能作用。强度级别较高或钢板厚度较大结构件焊前应预热，焊后进行热处理。l 1)预热 预热温度与钢材淬硬性、板厚、拘束度和氢含量等原因相关，工程中必须结合详细情况经试验后才能确定，推荐一些预热温度只能作为参考。多层焊时应保持层间温度不低于预热温度，但也要防止层间温度过高引发不利影响，如韧性下降等。不一样环境温度下焊接Q345钢预热温度见表3-12。第57页l2)焊后热处理l 除了电渣焊因为接头区严重过热而需要进行正火处理外，其它焊接条件应依据使用要求来考虑是否需要焊后热处理。热轧及正火钢普通不需要焊后热处理，但对要求抗应力腐蚀焊接结构、低温下使用焊接结构和厚板结构等，焊后需进行消除应力高温回火。确定焊后回火温度标准是：l 不要超出母材原来回火温度，以免影响母材本身性能。l 对于有回火脆性材料，要避开出现回火脆性温度区间。比如，对含V或V+Mo低合金钢，回火时应提升冷却速度，防止在600左右温度区间停留较长时间，以免因V二次碳化物析出而造成脆化；Q420消除应力热处理温度为（55025）。l 如焊后不能及时进行热处理，应马上在200350保温26h，方便焊接区氢扩散逸出。为了消除焊接应力，焊后应马上轻轻锤击焊缝金属表面，但这不适合用于塑性第58页l较差钢件。强度级别较高或主要焊接结构件，应用机械方法（砂轮等）修整焊缝外形，使其平滑过渡到母材，减小应力集中。热轧及正火钢预热和焊后热处理工艺参数见表3-13。第59页l3焊接接头力学性能l 焊缝金属和热影响区力学性能是影响接头使用可靠性基本性能，而其中强度与韧性又是关键考评要素，尤其是对合金结构钢接头更为主要。几个经典热轧及正火钢焊接接头力学性能见表3-14。第60页第61页3.3 低碳调质钢焊接低碳调质钢焊接l 热轧及正火钢依靠增添合金元素和经过固溶强化、弥散强化路径提升强度到一定程度之后，会造成塑、韧性下降。所以，抗拉强度b600MPa高强度钢都采取调质处理，经过组织强韧化取得很高综协力学性能。低碳调质钢抗拉强度(b)普通为6001300MPa，属于热处理强化钢。这类钢既含有较高强度，又有良好塑性和韧性。伴随科学技术发展，低碳调质钢在工程焊接结构中应用日益广泛，越来越受到工程界重视。l3.3.1 低碳调质钢种类、成份及性能l 金属学和热处理上把“淬火+高温回火”定义为调质处理，而焊接界则认为钢材淬火后不论经高温回火或低温回火均称为“调质”，经过“淬火+回火”热处理钢称为“调质钢”（QT钢）。第62页l 为了确保良好综合性能和焊接性，低碳调质钢要求钢中碳质量分数小于0.22%（实际上wC0.18%）。另外，添加一些合金元素，如Mn、Cr、Ni、Mo、V、Nb、B、Cu等，添加这些合金元素主要是为了提升钢淬透性和马氏体回火稳定性。这类钢因为含碳量低，淬火后得到低碳马氏体，