热轧及正火钢的焊接性.doc

热轧及正火钢的焊接性

热轧及正火钢的焊接性分析
1.冷裂纹及影响因素
热轧钢含有少量的合金元素，碳当量比较低，一般情况下（除环境温度很低或钢板厚度很大时）冷裂倾向不大。正火钢由于含合金元紊较多，淬硬倾向有所增加。强度级别及碳当量较低的正火钢，冷裂纹倾向不大；但随着正火钢碳当量及板厚的增加，淬硬性及冷裂倾向随之增大，需要采取控制焊接热输人、降低扩散氢含量、预热和及时焊后热处理等措施，以防止焊接冷裂纹的产生。
微合金控轧钢的碳含童和碳当量都很低，冷裂纹敏感性较低。除超厚焊接结构外，490MPa级的微合金控轧钢焊接一般不需要预热。
（1）碳当量 一般认为CE≤0.4%时，钢材在焊接过程中基本无淬硬倾向，冷裂敏感性小。屈服强度为294~392MPa热轧钢的碳当量一般都小于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，一般不需要预热和严格控制焊接热输入。
碳当量CE=0.4%~0.6%时钢的淬硬倾向逐渐增加，属于有淬硬倾向的钢。屈服强度为440~490MPa的正火钢基本上处于这一范围，其中碳当量不超过0.5%时，淬硬倾向不算严重，焊接性尚好，但随着板厚的增加需要采取一定的预热措施，如Q420。18MnMoNb的碳当量在0.5%以上，它的冷裂敏感性较大，焊接时为避免冷裂纹的产生，需要采取较严格的工艺措施.如严格控制热翰人、预热和焊后热处理等。
（2）淬硬倾向 焊接热影响区产生淬硬的马氏体或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。凡是淬硬倾向大的钢材，连续冷却转变曲线都是往右移。但由于冷却条件不同，不同曲线的右移程度不同。如CCT曲线右移的程度比等温转变图TTT曲线大1.5倍以上，而SHCCT曲线右移就更多。因此，在比较两种钢材的淬硬倾向时，必须注意采用同一种曲线。
1）热轧钢的淬硬倾向。与低碳钢相比，Q345在连续冷却时，珠光体转变右移较多，使快冷过程中铁素体析出后剩下的富碳奥氏体来不及转变为珠光体，而是转变为含碳较高的贝氏体和马氏体，具有淬硬倾向。Q345焊条电弧焊冷速快时，热影响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，则出现大量铁素体、少量珠光体和部分贝氏体。因此，Q345热轧钢与低碳钢的焊接性有一定差别。但当冷却速度不大时，两者很相近。
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，两者的差别较大。18MnMoNb的过冷奥氏体比15MnVN稳定得多，特别是在高温转变区。因此，18MnMoNb冷却下来很容易得到贝氏体和马氏体，它的整个转变曲线比Q420靠右，淬硬性高于0420，故冷裂敏感性也比较大。
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。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。另外，焊接热输人E或冷却时间t8/5对热影响区淬硬倾向影响很大。
2.热裂纹和消除应力裂纹
（1）焊缝热裂纹 热轧及正火钢一般碳含量较低、而Mn含量较高，因此这类钢具有较好的抗热裂性能，焊接过程中的热裂纹倾向较小，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有关。
碳元素严重偏析，钢板不同部位碳的质量分数相差很大，因此在角焊缝施焊时出现了大量的热裂纹。在这种情况下，要从工艺上设法减小母材在焊缝中的熔合比，增大焊缝成形系数，有利于防止焊缝金属的热裂纹。也可以通过焊接材料来调整焊缝金属的成分，降低焊缝中碳含量和提高焊缝中的Mn含量。
焊缝中的碳含量越高，为了防止硫的有害作用所需的Mn含量也要求越高。Si的有害作用也与促使s的偏析有关，因此Si含量高时，热裂纹倾向也增加。
（2）消除应力裂纹 含Mo正火钢厚壁压力容器之类的焊接结构，进行焊后消除应力热处理或焊后再次高温加热的过程中，可能出现另一种形式的裂纹，即消除应力裂纹，也称再热裂纹〔SR裂纹）。其他有沉淀强化的钢或合金（如珠
光体耐热钢、奥氏体不锈钢等）的焊接接头中，也可能产生消除应力裂纹。
钢中的Cr、Mo元素及含量对消除应力裂纹的产生影响很大。元素之间的相互作用对消除应力裂纹敏感性的影响更复杂（主要与形成的碳化物形态有关）。

消除应力裂纹一般产生在热影响区的粗晶区，裂纹沿熔合区方向在粗晶区的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”导致的晶界脆化有关。消除应力裂纹的产生一般须有较大的焊接残余应力，因此在拘束度大的厚大工件中或应力集中部位更易于出现消除应力裂纹。
Mn-Mo-Nb和Mn-Mo-V系低合金钢对消除应力裂纹的产生有一定的敏感性。正火钢中的18MnMoNb和14MnMoV有轻微的消除应力裂纹倾向，可采取提高预热温度或焊后立即后热等措施来防止消除应力裂纹的产生。
3.非调质钢裸缝的组织和韧性
韧性是表征金属对脆性裂纹产生和扩展难易程度的性能。低合金钥组织对韧性的影响受多种因素的控制，如显微组织、夹杂和析出物等。即使是相同的组织，其数量、晶粒尺寸、形态等不同，韧性也不一样。尽管影响焊缝金属韧性的因素很复杂，但起决定作用的是显微组织。低合金高强钢焊缝金属的组织主要包括：先共析铁素体PF、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。
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，韧脆转变温度降低，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。针状铁素体晶粒细小，晶粒边界交角大且相互交叉，每个晶界都对裂纹的扩展起阻碍作用；而先共析铁素体沿晶界分布，裂纹易于萌生，也易于扩展，导致韧性较差。
以针状铁素体组织为主的焊缝金属，屈强比一般大于0.8；以先共析铁素体组织为主的焊缝金属，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。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。高强钢焊缝中AF由100%减少到20%左右，焊缝韧性急剧降低。在热轧及正火钢中Mn、Si在焊接中既是脱氧元素，又是合金元素，对焊缝金属的组织和韧性有直接影晌。
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是扩大奥氏体区的元素，可以推迟γ→α转变，所以增加焊缝中的Mn含量，将减少先共析铁素体的比例。但Si、 Mn含量的增加，都将使焊缝金属的晶粒粗大。试验研究表明，当Si、Mn含量较少时，γ→α转变形成粗大的先共析铁素体组织，焊缝韧性较低，因为微裂纹扩展的阻力较小。当Mn、Si含量过高时，形成大量平行束状排列的板条状铁素体，这些晶粒的结晶位向很相似，扩展裂纹与这些晶粒边界相遇不会有多大的阻碍，这也使焊缝金属韧性较低。因此，Mo和Si含量过多或过少都使韧性下降。中等程度的Mn、Si含量情况下，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。
在Mn-Si系基础上加人适量的Ti和B或Ti和Mo均能改善γ→α的相变特性，使对韧性不利的铁素体组织减少，细小、均匀的针状铁素体增多。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来提高焊缝的韧性并取得了良好的效果。
4.热影响区脆化
（1）粗晶区脆化 被加热到1200℃以上的热影响区过热区可能产生粗晶区脆化，韧性明显降低。这是由于热轧钢焊接时，采用过大的焊接热输入，粗晶区将因晶粒长大或出现魏氏组织而降低韧性；焊接热输人过小，粗晶区中马氏体组织所占的比例增大而降低韧性，这在焊接碳含量偏高的热轧钢时较明显。
含有碳、氮化物形成元素的正火钢采用过大的焊接热翰人时，粗晶区的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削弱，粗晶区易出现粗大晶粒及上贝氏体、M-A组元等，导致粗晶区韧性降低和时效敏感性的增大。
采用小焊接热输人是避免这类钢过热区脆化的一个有效措施。对含碳量偏高的热轧钢，焊接热输人要适中；对于含有碳、氮化物形成元素的正火钢，应选用较小的焊接热输人。如果为了提高生产率而采用大热输入时，焊后应采用800~1050℃正火处理来改善韧性。但正火温度超过1100℃，晶粒会迅速长大，将导致焊接接头和母材的韧性急剧下降。
在主要合金元素相同的条件下，钢中含有不同类型和不同数量杂质时热影响区粗晶区的韧性也会显著降低。S和P均降低热影响区的韧性，特别是大热输人焊接时，P的影响较为严重。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，即使焊接热输人在很大范围内变化，也仍然可以获得良好的韧性。
（2）热应变脆化 产生在焊接熔合区及最高加热温度低于Ac1的亚临界热影响区。对于C-Mn系热轧钢及氮含量较高的钢，一般认为热应变脆化是由于氮、碳原子聚集在位错周围，对位错造成钉轧作用造成的。一般认为在200~400℃时热应变脆化最为明显，当焊前已经存在缺口时，会使亚临界热影响区的热应变脆化史为严重。熔合区易于产生热应变脆化与此区域常存在缺口性质的缺陷和不利组织有关。
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的低合金钢中，如抗拉强度490MPa级的C-Mn钢。在钢中加人足够量的氮化物形成元素，可以降低热应变脆化倾向。退火处理也可大幅度恢复韧性，降低热应变脆化，如Q345经600℃x 1 h退火处理后，韧性大幅度提高，热应变脆化倾向明显减小。
5.层状撕裂
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。大型厚板焊接结构焊接时，如果在钢材厚度方向承受较大的拉伸应力时，可沿钢材轧制方向发生明显阶梯状层状撕裂。
层状撕裂的产生不受钢材种类和强度级别的限制，从Z向拘束力考虑，层状撕裂与板厚有关，板厚在16mm以下一般不会产生层状撕裂。从钢材本质来说，主要取决于冶炼质量，钢中的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的氧化物夹杂都使Z向塑性降低，导致层状撕裂的产生，其中层片状硫化物的影响最为严重。因此，硫含量和艺向断面收缩率是评定钢材层状撕裂敏感性的主要指标。
合理选择层状撕裂敏感性小的钢材、改善接头形式以减轻钢板Z向所承受的应力应变、在满足产品使用要求前提下选用强度级别较低的焊接材料以及采用预热及降氢等辅助措施，有利于防止层状撕裂的发生。
热轧及正火钢的焊接工艺
热轧及正火钢焊接对焊接方法的选择无特殊要求，焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护 焊、电渣焊、压焊等焊接方法都可以采用。可根据材料厚度、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、埋弧焊、CO2气体保护焊是热轧及正火钢常用的焊接方法。
1.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。对强度级别较高、厚度较大的钢材，经过火焰切割和碳弧气刨的坡口应用砂轮仔细打磨，清除氧化皮及凹槽；在坡口两侧约50mm范围内，应去除水、油、锈及脏物等。
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。为防止定位焊焊缝开裂，要求定位焊焊缝应有足够的长度（一般不小50mm），对厚度较薄的板材不小于4倍板厚。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。定位焊的顺序应能防止过大的拘束、允许工件有适当的变形，定位焊焊缝应对称均匀分布。定位焊所用的焊接电流可稍大于焊接时的焊接电流。
2.焊接材料的选择
低合金钢选择焊接材料时必须考虑两方面的问题：一是不能有裂纹等焊接缺陷；二是能满足使用性能要求。选择焊接材料的依据是保证焊缝金属的强度、塑性和韧性等力学性能与母材相匹配。
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，其选用要点如下：
（1）选择与母材力学性能匹配的相应级别的焊接材料从焊接接头力学性能“等强匹配”的角度选择焊接材料，一般要求焊缝的强度性能与母材等强或稍低于母材。焊缝中碳的质量分数不应超过0.14%，焊缝中其他合金元素也要求低于母材中的含量、以防止裂纹及焊缝强度过高。
（2）同时考虑熔合比和冷却速度的影响焊缝的化学成分和性能与母材的溶人量（熔合比）有很大关系，而母材溶人焊缝组织的过饱和度与冷却速度有很大关系。采用同样的焊接材料，由于熔合比或冷却速度不同，所得焊缝的性能会有很大差别。因此，焊条或焊丝成分的选择应考虑到板厚和坡口形式的影响。薄板焊接时熔合比较大，应选用强度较低的焊接材料，厚板深坡口则相反。
（3）考虑焊后热处理对焊缝力学性能的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。因此，对于焊后要进行正火处理的焊缝，应选择强度高一些的焊接材料。
热轧及正火钢焊接材料的选用见表3-6。为保证焊接过程的低氢条件，焊丝应严格去油，必要时应对焊丝进行真空除氢处理。保护气体水分含量较多时要进行干燥处理。刚性不大的焊接结构件，对焊前不预热、焊后不进行热处理的部位，在不要求母材与焊缝金属等强度的条件下，可采用奥氏体不锈钢焊条。
3.焊接参数的确定
（1）焊接热输人 焊接热输人取决于接头区是否出现冷裂纹和热影响区脆化。对于碳当量小于0.40%的热轧及正火钢，如Q295和Q345，焊接热愉人的选择可适当放宽。碳当量大于0.4%的钢种，随其碳当量和强度级别的提高，所适用的焊接热输人的范围随之变窄。焊接碳当量为0.4~0.6%的热轧及正火钢时，由于淬硬倾向加大，马氏体含量也增加，小热输人时冷裂倾向会增大，过热区的脆化也变得严重，在这种情况下热翰人宁可偏大一些比较好。但在加大热输人、降低冷速的同时，会引起接头区过热的加剧（增大热输人对冷速的降低效果有限，但对过热的影响较明显）。在这种情况下采用大热输人的效果不如采用小热输人+预热更有效。预热温度控制恰当时，既能避免产生裂纹，又能防止晶粒的过热。
对于一些含Nb、V、Ti的正火钢，为了避免焊接中由于沉淀析出相的溶人以及晶粒过热引起的热影响区脆化，焊接热输人应偏小一些。焊接屈服强度440MPa以上的低合金钢或重要结构件，严禁在非焊接部位引弧。多层焊的第一道焊缝需用小直径的焊条及小热愉入进行焊接，减小熔合比。
热轧及正火钢焊接的典型工艺参数如下：
1）焊条电弧焊。适用于各种不规则形状、各种焊接位置的焊缝。主要根据焊件厚度、坡口形式、焊缝位置等选择焊接参数。多层焊的第一层（打底层焊道）以及非平焊位置焊接时，焊条直径应小一些。热轧及正火钢的焊接性良好，在保证焊接质量的前提下，应尽可能采用大直径焊条和适当稍大的焊接电流，以提高生产率。
2）自动焊。热轧及正火钢常用的自动焊方法是埋弧焊、电渣焊、CO2气体保护焊等。埋弧焊由于具有熔敷率高、熔深大以及机械化操作的优点，特别适于大型焊接结构的制造，广泛用于船舶、管道和要求长直焊缝的结构制造，多用于平焊和平角焊。对于厚壁压力容器等大型厚板结构，电渣焊是常用的焊接方法，由于电渣焊焊缝及热影响区晶粒粗化，焊后需要进行正火处理。CO2气体保护焊具有操作方便、生产率高、焊接热输人小、热影响区窄等优点，适于不同位置焊缝的低合金钢焊接。
3）氢弧焊。用于一些重要低合金钢多层焊缝的打底焊、管道打底焊或管·板焊接，以保证焊缝根部的焊接质量（焊缝根部往往是最容易产生裂纹的部位）。
（2）预热和焊后热处理预热和焊后热处理的目的主要是为了防止裂纹，也有一定的改善组织、性能的作用。强度级别较高或钢板厚度较大的结构件焊前应预热，焊后进行热处理。
1）预热。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。多层焊时应保持层间温度不低于预热温度，但也要避免层间温度过高引起的不利影响，如韧性下降等。
2）焊后热处理。除了电渣焊由于接头区严重过热而需要进行正火处理外，其他焊接条件应根据使用要求来考虑是否需要焊后热处理。热轧及正火钢一般不需要焊后热处理，但对要求抗应力腐蚀的焊接结构、低温下使用的焊接结构和厚板结构等，焊后需进行消除应力的高温回火。确定焊后回火温度的原则是：
①不要超过母材原来的回火温度，以免影响母材本身的性能。
②对于有回火脆性的材料，要避开出现回火脆性的温度区间。例如，对含V或V+MO的低合金钢，回火时应提高冷却速度，避免在600℃左右的温度区间停留较长时间，以免因V的二次碳化物析出而造成脆化；Q420的消除应力热处理的温度为（550±25）℃。
如焊后不能及时进行热处理，应立即在20p.} 350℃保温2}6}，以便焊接区的氢扩散逸出。为了消除焊接应力，焊后应立即轻轻锤击焊缝金属表面，但这不适用于塑性较差的钢件。强度级别较高或重要的焊接结构件，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。