热轧正火钢的焊接.ppt

,8.3 热轧正火钢的焊接,Q235A,Q345E,16Mnq（南京长江大桥）,Q460，化学成分16Mn钢为基础，不添加V元素，添加约0.02的Nb元素，采用控轧控冷工艺(TMCP)主要依靠晶粒细化和析出强化提高钢材强度。（鸟巢）,材料：Q460,S355K2G3（16Mn）,以“渤海8号”自升式钻井平台为例，悬臂梁选用588MPa级高强度钢，牌号为WELLEN60。,铜合金螺旋桨ZQAl10-3Fe-1.5Mn,一、热轧、正火钢的成分及性能,屈服强度 s为295490MPa的低合金高强钢，一般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。常用热轧或正火钢的化学成分和力学性能见表2-7和表2-8。,一、热轧、正火钢的成分及性能,一、热轧、正火钢的成分及性能,合金系：C-Mn或C-Mn-Si系，主要靠Mn、Si的固溶强化作用提高强度（在特殊状态下加入了少量的V和Nb沉淀强化和细晶强化）。在低碳条件下（wC0.2%），wMn1.6，wSi0.6时，可以保持较高的塑性和韧性。Si的质量分数超过0.6%后对冲击韧性不利，使韧脆转变温度提高；C的质量分数超过0.3%和Mn的质量分数超过1.6%后，焊接时易出现裂纹，在热轧钢焊接区还会出现脆性的淬硬组织。因此，合金元素的用量与钢的强度水平都受到限制。,1.热轧钢,热轧钢,热轧钢通常为铝镇静(Al脱氧)的细晶粒铁素体珠光体组织的钢,屈服强度为295-390MPa的普通低合金钢都属于热轧钢,一、热轧、正火钢的成分及性能,使用状态：一般在热轧状态下使用。在特殊情况下，如要求提高冲击韧性以及板厚时，也可在正火状态下使用。例如，Q345在个别情况下，为了改善综合性能，特别是厚板的冲击韧性，可进行900920正火处理，正火后强度略有降低，但塑性、韧性（特别是低温冲击韧性）有所提高。,一、热轧、正火钢的成分及性能,Q390（15MnTi）以Q345（16Mn）为基础，加入Ti（0.120.20%）、降低C含量(0.20%降为0.18%)。固溶+沉淀强化，性能优于16Mn。一般在正火态使用。Q390（15MnV）与 Q390（15MnTi）相似，主要用V代替Ti（0.040.12%），V细化晶粒和沉淀强化,典型钢种：Q345(16Mn)Ceq=0.49是我国于1957年研制生产和应用最广泛的热轧钢。,一、热轧、正火钢的成分及性能,热轧钢的综合力学性能好，焊接性及其他的加工性好，而且原材料资源丰富，冶炼工艺简单，价格便宜，因而在国内外都得到普遍应用。,一、热轧、正火钢的成分及性能,就是在Q345（16Mn）固溶强化的基础上，加入一些碳、氮化合物形成元素(如V、Nb、Ti和Mo等)，使钢中合金元素形成的碳、氮化合物以细小的化合物质点从固溶体中沉淀析出，弥散分布在晶内和晶界，产生沉淀强化，并起细化晶粒的作用，可以在提高钢材强度的同时，改善钢材的塑性和韧性，避免过分固溶强化所造成的脆性。要求钢的s390MPa时，必须加强合金元素的沉淀强化和细晶强化作用进行固溶强化。成分特点：热轧钢的成分+V、Ti、Mo、Nb 强化机理：固溶强化+沉淀强化+细化晶粒,一、热轧、正火钢的成分及性能,2.正火钢,主要是含(V，Nb:0.15%0.20%)、Ti的钢，Q390(15MnTi、16MnNb)利用V、Nb元素形成的碳、氮化物弥散质点所起的沉淀强化和细化晶粒的作用来达到良好的综合性能，有可能适当地降低钢中的含碳量，对改善材料的焊接性和韧性都是有利的。加入少量N(N0.012%0.02%)的Mn-V-N钢，由于增加了氮化钒的沉淀强化作用，可以提高钢的屈服强度到420MPa Q420(15MnVN)。,其主要特点是屈强比（s/b）较高,一、热轧、正火钢的成分及性能,1）正火状态下使用的钢,正火钢中的Mo钢正火后还必须进行回火才能保证良好的塑性和韧性。因此正火钢又可分为正火状态下使用的钢和正火+回火状态下使用的含Mo钢两种。,低合金钢中加入一定量的Mo（0.5），可细化晶粒，提高强度，提高钢材的中温性能。含Mo钢在较高的正火温度或较快速度的连续冷却下，得到的组织为上贝氏体和少量的铁素体，韧性和塑性指标不高，因此正火钢必须回火后才能保证获得良好的塑性和韧性。典型钢种：14MnMoV和18MnMoNb。,一、热轧、正火钢的成分及性能,2）正火+回火状态下使用的含Mo钢,13MnNiMoNb钢是我国在80年代末引进国外配方研制而成的。由于含碳量低(wC0.16)，合金化配方合理，因此这种钢具有较高的强度和韧性，并有良好的焊接性，特别是对再热裂纹的敏感性很低。因此，13MnNiMoNb钢在制造高压锅炉气包及其它高压容器中得到广泛应用。,一、热轧、正火钢的成分及性能,13MnNiMoNb,Mn-Mo系中加入少量的Nb，可以进一步提高钢的强度，18MnMoNb钢的490MPa。这种钢主要用于制造高压锅炉气包。但由于含碳量较高(wC=0.170.23)，焊接性不如13MnNiMoNb，而且在正火+回火状态的力学性能不够稳定。80年代末，13MnNiMoNb取代了部分18MnMoNb。,18MnMoNb,表8-9中的D36钢是属于保证厚度方向性能的低合金钢，又称Z(即厚度方向)向钢。由于冶炼中采用了钙或稀土处理和真空除气等特殊的工艺措施，使Z向钢具有S含量低（wS 0.006%）、气体含量低和Z向断面收缩率高（Z35%）等特点。屈服强度s343MPa。,Z向钢,一、热轧、正火钢的成分及性能,3微合金控轧钢,X60是微合金化控轧钢，微合金化钢就其本质来讲与正火钢类似，它是在低碳的C-Mn钢基础上通过V、Nb、Ti微合金化（加入微量Nb、V、Ti、Mo、B、RE对钢的组织性能有显著或特殊影响的微量合金元素，质量分数为0.1%左右）及炉外精炼、控轧、控冷等工艺，达到细化晶粒和沉淀强化相结合的效果。在冶炼工艺上采取了降C、降S、改变夹杂物形态、提高钢的纯净度等措施，使钢材具有均匀的细晶粒等轴晶铁素体基体（热轧钢的晶粒是带状的）。获得细化晶粒和良好的综合力学性能。由于淬透性高，空冷时即可获得韧性较高的低碳马氏体或下贝氏体。所谓控轧即控制轧制温度，采用较低的轧制温度(接近于A3，约850)，在大压力的情况下使已经细化的奥氏体晶粒不再长大，冷却后的晶粒比正火钢略细（正火钢的奥氏体化温度一般为900），强度也略高，从而获得高强度、高韧性和良好的焊接性。但降低轧制温度，使控轧钢的厚度受到了限制，一般厚度超过12mm，细化晶粒和沉淀强化的效果都将受到影响。这种钢主要用于制造石油、天然气的输送管线，故又称为管线钢。,一、热轧、正火钢的成分及性能,3微合金控轧钢,钢的晶粒尺寸在50m以下的钢种称为细晶粒钢，细化晶粒可使钢获得强韧性匹配良好的综合力学性能。控轧主要是控制钢材的变形温度和变形量，利用位错强化来韧化钢材；控冷主要是控制钢材的开始形变温度和终了形变温度，以及随后的冷却速度。与控轧相比，控冷对钢材晶粒细化的效果更显著。控轧后立即加速冷却所制造的钢，称为TMCP（Thermo-Mechanical Control Process）钢。TMCP钢通过控轧控冷技术的应用晶粒尺寸可小于50m，最小可达到10m。超细晶粒钢可使晶粒尺寸达到0.110m。TMCP钢具有良好的加工性和焊接性，满足了石油和天然气等工业的需要，这类钢还将在更多的钢结构中得到应用。控轧管线钢焊接的主要问题是过热区晶粒粗大使抗冲击性能下降，改善措施是在钢中加入沉淀强化元素（形成TiO2、TiN）防止晶粒长大，优化焊接工艺及规范,一、热轧、正火钢的成分及性能,一、热轧、正火钢的成分及性能,正火钢的强化方式多于热轧钢，因此其强度一般高于热轧钢，另外也可以看出，热轧及正火钢基于其强化机理，强度直接取决于合金元素的含量，强度要求越高，所需加入的合金元素元素越多，但合金元素增加所带来的塑性、韧性损失越大。热轧及正火钢价格便宜，综合力学性能较好,广泛应用于常温下工作的一些受力结构，如压力容器、动力设备、工程机械、桥梁、建筑结构和管线等。,一、热轧、正火钢的成分及性能,低合金钢的焊接性主要取决于它的化学成分和轧制工艺，钢中元素对焊接性影响最大的是碳。热轧及正火钢属于非热处理强化钢，碳及合金元素的含量都比较低，总体来看焊接性较好。但随着合金元素的增加和强度的提高，焊接性也变差。焊接的问题主要来自两方面：焊接裂纹与热影响区母材性能下降。,裂纹问题 接头的脆化问题,二、热轧及正火钢的焊接性分析,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素较多，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入、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级的微合金控轧钢焊接一般不需要预热。,1冷裂纹及影响因素,二、热轧及正火钢的焊接性分析,冷裂纹的影响因素,碳当量（CE）,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,二、热轧及正火钢的焊接性分析,适用于中等强度的非调质低合金钢(b=400700MPa),适用于强度级别较高的低合金高强钢(b=5001000MPa),这两个公式只适用于wC0.18%的钢种。,适用于wC0.17%，b=400900MPa的低合金高强度钢,CE 为国际焊接学会的碳当量公式Ceq为日本常用的碳当量公式Pcm为合金元素的裂纹敏感指数,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。可通过碳当量公式来大致估算不同钢种的冷裂敏感性。通常碳当量越高，冷裂敏感性越大。,（1）碳当量（CE）,二、热轧及正火钢的焊接性分析,在实际中，CE应用相当普遍一般认为CE0.4%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295390MPa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。CE=0.4%0.6%时，钢材塑性下降，淬硬倾向逐渐增加，属于有淬硬倾向的钢。屈服强度441490MPa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，但随着板厚增加需要采取一定的预热措施，如Q420就是这样。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，如严格控制热输入、预热和焊后热处理等。CE 0.6%时，钢材塑性较低，淬硬倾向很强，焊接区易产生冷裂，焊接性不好。焊前须较高温度预热到，焊接时要采取减少焊接应力和防止开裂的工艺措施，焊后要进行适当的热处理，才能保证焊接接头质量。,二、热轧及正火钢的焊接性分析,M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,从材料本身看，淬硬组织是引起冷裂纹的决定因素。焊接时是否形成对氢致裂纹敏感的组织是评定材料焊接性的一个重要指标。,淬硬倾向可以通过HAZ的SHCCT或母材的CCT图来进行分析（图3-4）。,(2)淬硬倾向,二、热轧及正火钢的焊接性分析,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（图2-4a上的c点以左）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。从图3-4a可以看到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（见图3-4b），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。,1)热轧钢的淬硬倾向,二、热轧及正火钢的焊接性分析,图2-4热轧钢(Q345 Tm 1350和低碳钢的焊接连续冷却组织转变图(SHCCT)11,当冷却速度VVc时，F析出后剩下的富碳A来不及转变为P，直接转变为高碳B和M，硬度增加，淬硬倾向增加。,少量F+大量B+大量M,二、热轧及正火钢的焊接性分析,低碳钢的焊接连续冷却组织转变图（SHCCT）b)低碳钢 Tm 1300),大量F+少量P+部分B,二、热轧及正火钢的焊接性分析,结论：Q345与低碳钢比较：,分析表明：环境温度很低或钢板厚度很大，热轧钢有一定冷裂倾向,a厚板手弧焊：V冷较快 b.薄板或埋弧焊：V冷慢16Mn：F（少量）+B+M（多）F（大量）+P 低碳钢：F（大量）+P+B+M（少量）F（大量）+P,二、热轧及正火钢的焊接性分析,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。18MnMoNb的过冷奥氏体比Q420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Q420，故冷裂敏感性也比较大。,2)正火钢的淬硬倾向,二、热轧及正火钢的焊接性分析,图3-5 正火钢的焊接连续冷却组织转变图（SHCCT）a）为Q420 b)18MnMoNb,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。,二、热轧及正火钢的焊接性分析,热影响区最高硬度是评定钢材淬硬倾向和冷裂敏感性的一个简便的办法。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。即若实际HAZ的硬度高于HAZ最高硬度允许值，那么这个接头有可能产生冷裂纹；若在最高硬度允许值内，一般认为此接头不会产生冷裂。热影响区最高硬度与裂纹率的关系如P53图3-6所示。,(3)热影响区最高硬度,图3-6 热影响区最高硬度与裂纹率的关系,热影区的最高硬度与钢材的强度级别、化学成分都有关系。,二、热轧及正火钢的焊接性分析,表2-9 几种焊接结构钢的碳当量及热影响区最高硬度允许值,二、热轧及正火钢的焊接性分析,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。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的关系如图3-8所示。冷却时间t8/5对热影响区最高硬度的影响如图3-9所示。因此，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。,二、热轧及正火钢的焊接性分析,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),热影响区的最高硬度与CE(IIW)、Pcm呈直线关系,二、热轧及正火钢的焊接性分析,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)/15,二、热轧及正火钢的焊接性分析,图3-9 冷却时间t8/5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）,二、热轧及正火钢的焊接性分析,冷裂纹的影响因素,碳当量（CE）,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,二、热轧及正火钢的焊接性分析,从热轧钢和正火钢的成分看，一般含碳量都较低，而含Mn量都较高。它们的Mn/S比都能达到要求，具有较好的抗热裂性能，正常情况下焊缝中不会出现热裂纹。但当材料成分不合格，或因严重偏析使局部C、S含量偏高时，Mn/S就可能低于要求而出现热裂纹。在这种情况下，应采取必要的防止措施。为了防止结晶裂纹，应在提高焊缝含锰量的同时降低碳、硫的含量。具体措施可选用脱硫能力较强的低氢型焊条，埋弧焊时选用超低碳焊丝配合高锰高硅焊剂，并从工艺上降低熔合比。焊缝中的碳含量越高，要求Mn/S也提高。当co=0.12%时，Mn/S不应低于10；而c=0.16%时，Mn/S就应大于40才能不出现热裂纹。Si的有害作用也与促使S的偏析有关。,2.热裂纹,二、热轧及正火钢的焊接性分析,热轧钢：属于固溶强化钢，C-Mn和Mn-Si系一般不含有强碳化物形成元素，因此热轧钢对再热裂纹并不敏感正火钢：也是以固溶强化为主，但还具有少许的沉淀强化，钢中含有少量的强碳化物形成元素，从理论上一般认为正火钢具有轻微的再热裂纹倾向。但实践证明它对再热裂纹不敏感。如15MnVN,形成再热裂纹的成分条件是：钢中要含有一定数量的强碳化物形成元素：如V、Ti、Mo、Nb,3.消除应力裂纹（再热裂纹）,二、热轧及正火钢的焊接性分析,正火+回火钢：Mo、V或Mo、Nb共存的正火+回火钢，如18MnMoNb、14MnMoV则有轻微的再热裂纹敏感性，主要产生在HAZ的粗晶区。可采取提高预热温度或焊后立即后热等措施来防止再热裂纹的产生。如18MnMoNb只要将预热温度中消除冷裂纹需要的180（板厚60mm）提高到220后就能防止再热裂纹。如果提高预热温度有困难，可在180预热条件下焊后立即进行1802h的后热也能有效地防止再热裂纹的产生。,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,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。,二、热轧及正火钢的焊接性分析,层状撕裂的产生不受钢材种类和强度级别的限制，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。当钢板的Z向延伸率低、板厚、夹杂物较多时及焊接时在Z向承受较大的拉应力时，会沿轧制方向发生阶梯状的层状撕裂。从钢材本质来说，层状撕裂的产生主要取决于冶炼质量，即取决于钢中非金属夹杂物的形态、大小以及数量。其中层片状硫化物的影响最为严重。因此，一般把钢中的硫含量和Z向断面收缩率作为评定钢材层状撕裂敏感性的主要指标。由于热轧及正火钢是在一般的冶炼条件下生产，并没有严格控制钢液成分，没有采取特殊的脱S、除气以及夹杂物形态控制措施，因此，它们一般都具有层状撕裂倾向。,4.层状撕裂,二、热轧及正火钢的焊接性分析,因此，焊接可能产生层状撕裂的重要结构，可采用Z向钢(如D36)或国外的ZC、ZD级(wS0.006，25或更高)钢。D36钢的最高可达55。但这些钢在冶炼时需要采用特殊的脱硫、脱氧和控制夹杂物的措施，成本较高。板厚小于16mm时就不容易发生层状撕裂。一般认为Z向20，钢材就可以避免层状撕裂。板厚大于16mm的大型厚板焊接结构(如海洋工程、锅炉吊架、核反应堆及船舶等)焊接时，如果在钢材厚度方向承受较大的拉伸应力时，可能沿钢材轧制方向发生呈明显阶梯状的层状撕裂。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。,二、热轧及正火钢的焊接性分析,焊接接头中被加热到1200以上，熔点以下的区域，由于温度高发生了奥氏体晶粒的显著长大和一些难熔质点(如氮化物或碳化物)向A的溶入过程。这些过程与钢种成分和焊接E共同作用往往会导致焊接过热区脆化，例如：溶入的难熔质点在冷却过程中，来不及析出会使材料变脆；过热粗大的奥氏体冷却下来会转变成魏氏体、粗大的马氏体及塑性很低的混合组织(铁素体、高碳马氏体和贝氏体)和M-A组元，因此过热区的性能变化取决于其在高温的停留时间、影响冷却速度的焊接线能量和钢材的类型及合金系列。不同种类的钢合金化机理和强化途径不同，引起过热区脆化的原因也不同,5.焊接接头的脆化,二、热轧及正火钢的焊接性分析,1)过热区脆化(T1200),热轧钢（Q345)热轧钢焊接时可能产生过热区脆化的两种情况：采用过大的焊接线能量，粗晶区将因晶粒长大或出现魏氏组织而降低韧性；焊接线能量过小，冷速快，会使粗晶区马氏体(M)比例增大，韧性降低，但不突出（明显）。,热轧钢过热区脆化的影响因素：Wc、E,Wc：Wc偏低：低碳M（脆化不明显）Wc偏高：高碳M（脆化显著）Q345：Wc=0.12%0.2%Wc偏低0.14%时：E过大，形成了魏氏组织 E过小，形成了高碳M,对于含碳量较高的钢(0.24C-0.7Mn)来说，在-40时根本不存在高韧性区，低温韧性要求高时，应避免选用含碳量高的钢。,二、热轧及正火钢的焊接性分析,正火钢：正火钢的过热区脆化与魏氏组织无关，除了与晶粒粗化有关外，还主要与其强化基理和合金化方式有关 V、Ti、Mo、Nb常温时：合金元素以化合物的形式存在最好，但Me固溶在F 使F产生晶格畸变硬度、脆性1200高温下：起沉淀强化作用的碳化物、氮化物质点分解并溶于在A中 慢冷（正火）Me再次以化合物的形式沉淀析出 快冷（焊接）Me固溶在F中，脆性,所以正火钢过热区的韧性随线能量的增加而下降，并与沉淀强化元素的含量有关。,二、热轧及正火钢的焊接性分析,对含V、Nb的正火钢,线能量大时过热区脆化的主要原因与Q345(16Mn)基本相同，取决于组织中的M-A组元。焊接时线能量过大：会导致过热区沉淀相固溶，这时V、Nb的碳、氮化合物细化晶粒、抑制奥氏体长大的作用大大削弱，过热区奥氏体晶粒显著长大，冷却过程中可能产生一系列不利的组织转变，如魏氏体、粗大的马氏体、塑性很低的混合组织（铁素体、高碳马氏体和贝氏体）和M-A组元，再加上过热区金属碳、氮固溶量的增加，导致过热区韧性降低和时效敏感性增加。钢(属于正火钢)含Nb钢最佳韧性的线能量范围很窄，而C-Mn钢的较宽。这说明正火钢的过热敏感性较热轧钢大。,二、热轧及正火钢的焊接性分析,以相当于Q390的15MnTi为例，钢中的含钛量增加，过热区冲击韧度急剧下降(图8-2)。当wTi一定时，线能量过大时：过热区的TiN、TiC都向奥氏体内熔入。由于钛的扩散能力低，在随后的冷却过程中，即使大线能量条件下也来不及析出而停留在铁素体中，显著提高了铁素体的显微硬度，降低了材料的冲击韧性。这就是为什么近代研究的大线能量钢中的含钛量都限制得很低(约0.02)。线能量E减小到一定程度后，过热区的冲击韧度随E的下降而明显提高(图8-3)。这是由于E减小可减少过热区在高温停留的时间抑制了碳化钛和氮化钛TiN、TiC的溶解，从而有效地防止脆化。,图8-2 15MnTi钢过热区冲击韧度(-40)和铁素体显微硬度与wMn的关系,图8-3 焊接线能量对15MnTi钢过热区冲击韧度(-40)和铁素体显微硬度的关系,二、热轧及正火钢的焊接性分析,对含碳量偏高的热轧钢，焊接热输入要适中；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入。如果为了提高生产率而采用大热输入时，焊后应采用8001100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。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（见P60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。,二、热轧及正火钢的焊接性分析,图3-14 S、P对热影响区韧性的影响（低合金钢三丝埋弧焊）,二、热轧及正火钢的焊接性分析,2)热应变脆化 是由固溶氮引起的，在热和应变同时作用下产生的一种动态应变时效，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。为在200400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更为严重。熔合区(常存在缺口性质的缺陷)易于产生热应变脆化。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。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。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。在钢中加入足够量的氮化物形成元素(如Al、Ti、V等)，可以降低热应变脆化倾向(如Q420比Q345的热应变脆化倾向小。)。消除热应变脆化的有效措施为焊后退火处理，可大幅度恢复韧性。如Q345经6001h退火处理后，韧性大幅度提高，热应变脆化倾向明显减小。,二、热轧及正火钢的焊接性分析,图3-15 N对热影响区韧性的影响（Mn-Si系低合金钢）,钢的韧性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（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。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（vTrs）降低，如P57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。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。,6.焊缝的组织和韧性,二、热轧及正火钢的焊接性分析,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,二、热轧及正火钢的焊接性分析,进一步研究表明，以针状铁素体组织为主的焊缝金属，屈强比(s/b)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。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,二、热轧及正火钢的焊接性分析,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，推迟转变，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Mn、Si含量较少时，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，Mn和Si含量过多或过少都使韧性下降。,Mn-Si系焊缝组织与韧性的关系见表3-5。显见，中等程度的Mn、Si含量，例如wMn=0.8%1.0%，wSi=0.15%0.25%，Mn/Si比约47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。,二、热轧及正火钢的焊接性分析,在Mn-Si系基础上加入适量的Ti和B或Ti和Mo均能改善的相变特性，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。,表3-5 Mn-Si系焊缝组织与韧性的关系,二、热轧及正火钢的焊接性分析,三、热轧及正火钢的焊接工艺,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。为防止定位焊缝开裂，要求定位焊缝应有足够的长度（一般不小于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。,1坡口加工、装配及定位焊,三、热轧及正火钢的焊接工艺,热轧及正火钢可以用各种焊接方法焊接，不同的焊接方法对产品质量无显著影响。通常是根据产品的结构特点、批量、生产条件及经济效益等综合效果选择焊接方法。生产中常用的焊接方法有焊条电弧焊、埋弧焊、CO2气体保护焊和电渣焊等。,2焊接方法,低合金钢选择焊接材料时必须考虑两方面的问题：一是不能使焊缝产生裂纹等焊接缺陷；二是使焊接接头能满足使用性能要求。热扎正火钢焊接时热裂、冷裂倾向不大；同时这类钢主要用于制造受力结构，其接头必须具备足够的强度和韧性。因此，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。并不要求焊缝金属的合金系统或化学成分与母材相同。,3.焊接材料的选择,其选用要点如下：,1）选择相应强度级别的焊接材料,2）熔合比和冷却速度的影响,3）热处理对焊缝力学性能的影响,三、热轧及正火钢的焊接工艺,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。不能从母材成分出发，选择与母材成分相同的焊材。如果选择与母材化学成分相同的焊接材料，由于焊接时冷却速度很大，将使焊缝金属具有特殊的过饱和铸态组织，焊缝金属的性能表现为强度很高，而塑性、韧性很低，这对焊接接头的抗裂性能和使用性能是不利的。一般情况下，希望焊缝的含碳量低于母材，控制在wC0.14，合金元素含量也应比母材稍低，必要时对合金系统作些调整。如焊接Q345钢一般选用E5015焊条，其熔敷金属成分一般为wC0.12，wMn1.60，wSi0.75；而母材中wC0.20，wMn=1.001.60，wSi0.55。,1）选择相应强度级别的焊接材料,三、热轧及正火钢的焊接工艺,例如：焊接15MnTi、15MnV相同的C=0.120.18 Mn=1.21.6 Si=0.20.6 15MnTi 中Ti=0.120.20 15MnV中 V=0.040.16 529 Mpa用焊条J557成分C0.12 Mn1.2 Si=0.5 不含Ti、V549608 Mpa C低，Mn 低于母材，同时具有很高的塑性和韧性,说明熔敷金属中wC低于母材即可保证焊缝与母材等强。对其它强度等级的钢情况大致相同。可以估计，如果焊条熔敷金属的化学成分与母材完全相同，在快冷条件下，焊缝金属的强度必将上升，而塑性韧性下降。因此，在选择焊条时的主要依据是保证焊缝与母材的强度级别相匹配。,三、热轧及正火钢的焊接工艺,焊缝金属的机械性能主要取决于其化学成分和组织的过饱和度。焊缝金属的化学成分不仅取决于焊接材料的成分，而且与熔合比(与母材的熔入量有关)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，焊条或焊丝的选择应考虑到板厚和坡口形式的影响。薄板(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。焊缝金属组织的过饱和程度则与冷却速度有很大关系。V冷越快，焊缝金属的结晶和相变偏离平衡状态越远，焊缝组织的过饱和程度越大，其强度、硬度越高，塑性、韧性越低。,2）熔合比和冷却速度的影响,三、热轧及正火钢的焊接工艺,例1：采用埋弧焊焊接16Mn当不开坡口或小坡口对接时，母材熔入量较多，选用H08A焊丝配合高锰高硅焊剂(即GB中HJ402-H08A)。通过焊剂中锰、硅还原向焊缝过渡锰和硅，熔敷金属中wMn=0.86，wSi=0.20左右。当开大坡口时，母材熔入量较少，焊缝金属的力学性能可能因Mn、Si含量不足而达不到要求。这时应采用含锰量较高的焊丝如H08MnA、H10Mn2A等，以保证从焊丝中过渡一定的锰。（前者熔合比大，后者熔合比较小），熔合比不同，即使同种母材选用的焊材也不同。例2：16Mn分别采用对接接头和T型接头焊接时，即使采用同种焊材，T型接头的焊缝强度总是高于同种焊材的对接接头，其塑性、韧性却明显低于同种焊材的对接接头。根本原因：是由于接头形式会影响焊缝的V冷，T型接头的角焊缝冷却较快，其焊缝组织的不平衡程度较大。可见，V冷不同，即使同种母材，同种焊材，其焊缝性能也不相同。,三、热轧及正火钢的焊接工艺,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。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。例如焊接大坡口的15MnV厚板，焊后需进行热处理时，必须选用强度级别较高的H08Mn2Si焊丝，若选用H10Mn2焊丝，焊缝金属的强度会偏低。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。,3）热处理对焊缝力学性能的影响,三、热轧及正火钢的焊接工艺,表2-10 热轧及正火钢常用的焊接材料13,三、热轧及正火钢的焊接工艺,表2-10 热轧及正火钢常用的焊接材料13,三、热轧及正火钢的焊接工艺,选择焊接线能量及其相关参数的基本原则是，在保证质量的前提下尽可能提高生产率，降低生产成本。线能量对焊接质量影响之大小与被焊金属的焊接性有关，主要取决于金属在焊接参数变化时对接头的性能及裂纹率影响的程度。主要考虑过热区的脆化和冷裂两个因素。各类钢的脆化倾向和冷裂倾向不同，对线能量的要求也不同。焊接碳当量(Ceq)小于0.40%的热轧及正火钢(如Q295、09Mn2Si和Q345)，这类钢主要靠固溶强化提高强度，线能量的变化对接头性能无明显的不利影响。即当线能量较大时，接头仍可保证有足够的塑性和韧性；线能量较小时也不致出现淬硬组织或冷裂纹。因此，在保证焊缝成形良好的条件下不必对线能量作过多的限制。当然，用略小的线能量对提高热影响区的韧性更为有利。,4.焊接线能量,三、热轧及正火钢的焊接工艺,当焊接碳当量为0.40%0.60%的热轧及正火钢Q390和18MnMoNb时，由于合金元素较多，淬硬倾向加大，马氏体的含碳量也提高，小线能量时冷裂倾向就会增大，过热区的脆化也变得严重，因而线能量亦不宜过小。但在加大热输入、降低冷速的同时，过热区因沉淀强化相的溶解而造成脆化，故线能量不宜过大。即在焊接这类钢时，线能量的上限应当是保证过热区不会出现由于沉淀强化相溶解而造成的脆化。在这种情况下采用大热输入的效果不如采用小热输入预热更有效。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。,三、热轧及正火钢的焊接工艺,预热是为了改变t8/5,防止裂纹，同时还有一定的改善组织、性能的用。预热温度与环境(表2-13)和钢材的成分有关；利用碳当量经验公式，可以对一些低合金钢的预热温度进行一些粗略的估算。(CE0.4%时，一般不必预热)与拘束度有关，预热温度随拘束度增加而提高(如25mm厚的Q390(15MnV)在十字接头实验时不需预热，而斜Y坡口拘束试验时要求预热到100以上才能消除裂纹)；与含氢量有关，含氢量越高，裂纹产生的倾向越大，要求预热温度也越高，所以酸性焊条所需的预热温度比低氢型的高；与焊后是否进行热处理有关。焊后不热处理时，预热温度偏高一些。,5.预热温度的确定,三、热轧及正火钢的焊接工艺,表2-13 不同环境温度下焊接Q345钢的预热温度,三、热轧及正火钢的焊接工艺,表8-13 几种热轧及正火钢的预热温度和焊后热处理参数,三、热轧及正火钢的焊接工艺,电渣焊接头为了细化晶粒，提高接头韧性，焊后一般要求进行正火或正火+回火处理。一般情况下，热轧及正火钢焊后不需要热处理；但对要求抗应力腐蚀的焊接结构、低温下使用的焊接结构及厚壁高压容器等，焊后都需进行消除应力的高温回火。确定回火温度 原则是不超过母材原来的回火温度。对于一些有回火脆性的材料，要避开出现脆性的温度区间。例如一些含V，特别是含V+Mo的低合金钢，在回火时要避开600左右的温度区间，以免因V的二次碳化物析出而造成脆化。母材屈服点490MPa，为了防止延迟裂纹，焊后应立即进行消除应力退火或消氢处理（200350保温26h）,6.焊后热处理,Q420的消除应力热处理的温