16MnR与20MnMoNb异种钢的焊接工艺设计.docx

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1、河南机电高等专科毕业论文1 绪论在科学技术飞速发展的当今时代，焊接已经成功地完成了自身的蜕变。很少有人注意到这个过程何时开始，何时结束。但它确确实实地发生在过去的某个时段。我们今天面对着这样一个事实：焊接已经从一种传统的热加工技艺发展到了集材料、冶金、结构、力学、电子等多门类科学为一体的工程工艺学科。而且，随着相关学科技术的发展和进步，不断有新的知识融合在焊接之中。1.1 焊接技术概述焊接是一种将材料永久性的连接，并成为具有给定功能结构的制造技术。几乎所有的产品，从几十万吨巨轮到不足克的微电子元件，在生产制造中都不同程度地应用到焊接技术。焊接已经渗透到制造业的各个领域，直接影响到产品的质量、可

2、靠性和寿命以及生产的成本、效率和市场反应速度。近年来，焊接已由一个单一的加工工艺发展成为有科学基础有广泛应用范围和前景的焊接工程和焊接产业，在这些产业中，焊接在其中占有重要地位，是决定其产品使用安全的关键。有些直接出焊接产品或在现场装焊接后投入使用，有些是作成主体结构然后在其上安装动力和机电设备后应用，有焊接结构的质量和安全保证在整体结构设计合理的情况下，主要决定与焊接联结部位的结构、材料匹配、工艺设计、先进的焊接制造工艺及设备和准确的无损检测技术，这些都决定了焊接联结部位的的内在和外观质量，形成了分布在各工业和基础设施建设部门各具特色的焊接结构行业，同时也形成了结构焊接需要的焊接设备行业和焊

3、接材料行业。这些行业是互相关联促进的行业。焊接结构已有日新月异的发展:在装备制造业结构中用焊接结构局部或全部代替铸件或锻件结构和由局部铸件或锻件焊接成组合结构是大重型结构发展的方向，可大大节约大型铸锻车间及其设备的基本建设投资和生产过程的能源消费，同时还可缩短生产周期;在各种建筑行业广泛采用钢质焊接结构代替钢筋混凝土结构，可达到大跨度、轻自重、工厂造、设计优、工程在建周期短、环境污染少， 基础费用省，折除后材料可循环使用，因而符合目前绿色制造和资源循环利用建设节约型社会的大潮流。目前我国微电子及IT行业中的发展，高强有色金属、光钎、超导和复合材料及高分子材料的应用，都对焊接工艺、设备和材料提出

4、了很多新的要求，因而得到了相应发展。1.2 现代焊接的特征1.2.1 焊接已成为最流行的连接技术在当今工业社会，没有哪一种连接技术象焊接那样被如此广泛、如此普遍地应用在各个领域。而其中最主要的原因就是其极具竞争力的性价比。1.2.2 焊接显现了极高的技术含量和附加值在人类社会步入二十一世纪的今天，焊接已经进入了一个崭新的发展阶段。当今世界的许多最新科研成果、前沿技术和高新技术，诸如：计算机、微电子、数字控制、信息处理、工业机器人、激光技术等，已经被广泛地应用于焊接领域，这使得焊接的技术含量得到了空前的提高，并在制造过程中创造了极高的附加值。1.2.3 焊接已成为关键的制造技术焊接作为组装工艺之

5、一，通常被安排在制造流程的后期或最终阶段，因而对产品质量具有决定性作用。正因为如此，在许多行业中，焊接被视为一种关键的制造技术。1.3 异种材料焊接的发展近年来，环保问题越来越受到世界各国的重视，汽车工业为了节约燃料保护环境，不断努力减轻汽车重量，因此对汽车用材料提出了更高的要求。增加铝材的使用量是其中的重要措施之一，所以在汽车工业生产中，采用“钢+铝”双金属焊接结构成为汽车轻量化的首选方案，这必然涉及到铝和钢两种材料之间的连接。从21世纪初开始，国内外许多研究机构和汽车生产厂家便一直在寻找一种有效的焊接方法来减轻汽车的重量。美国成立了“新一代汽车合作计划”，即PNGV。1994年以来，美国政

6、府已为此投入了15亿美元的研究开发资金，减轻整车重量是其中的一个核心目的。布什新政府在 2002年则推出了一个自由车项目，该项目的长期目标是高教，价廉，无污染，汽车轻量化也是重要研究内容之一。汽车轻量化的要求必然涉及到铝钢之间的焊接。而铝钢之间的焊接一直是焊接领域的热点问题和难点问题，铝钢焊接的主要问题是两者之间的的固溶度较低、热物理性能差异较大，并且两者极易反应生成脆性的金属问化合物，这种脆性的金属间化合物极大地降低了焊接接头的力学性能。从20世纪60年代开始，许多学者便对铝钢之间的连接进行了详细的研究。铝钢之间的焊接几乎涉及到焊接领域的各种方法，大体上可将其分为压焊，钎焊和熔焊。文中分别阐

7、述了以上三种方法的研究现状与进展，并且论述了不同方法的优势与劣势，对今后铝钢焊接研究进行了展望。1.4 异种材料焊接的方法异种材料焊接常用的方法分为压焊，钎焊和熔焊三大类1.4.1 压焊压焊时基体金属通常并不熔化，焊接温度低于金属的熔点。有的也加热至熔化状态，然后加压将液态金属挤出，但仍以固相结合而形成接头。异种材料焊接常采用的压焊方法有电阻焊、冷压焊、扩散焊、摩擦焊等。1.4.2 钎焊钎焊是采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点，低于母材熔化的温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散，实现连接焊件的一种焊接方法。钎焊的关键是如何获得一个优质接头。显然

8、，这样的接头首先要保证熔化的钎料能很好地流入并填满接头的间隙，其次是钎料与母材相互扩散而形成金属结合。随着钎焊技术的发展，钎焊的种类越来越多。按钎焊温度的高低，钎焊通常分为低温钎焊，中温钎焊及高温钎焊。按钎焊的反应特点钎焊又分为毛细钎焊，大间隙钎焊以及反应钎焊。按加热方法不同还可以分为烙铁钎焊，火焰钎焊，炉中钎焊，电阻钎焊，感应钎焊等。1.4.3 熔焊熔焊在异种材料焊接中应用很广，主要的熔焊方法有焊条电弧焊、气体保护焊、电子束焊、激光焊等。对于相互溶解度有限、物理化学性能差别很大的异种材料，由于熔焊时的互相扩散作用会导致接头部位的化学成分和金相组织不均匀或生成脆性化合物，所以异种材料熔焊时应降

9、低稀释率，尽量用小电流、高焊速，或是在坡口一侧或两侧堆焊中间合金过渡层。1.5 异种材料焊接的工艺特点异种材料的焊接是指将不同化学成分，不同组织性能的俩种或俩种以上金属，在一定的工艺条件下焊接成规定设计要求的构件，并使形成的街头满足预定的服役要求。1.5.1 异种材料焊接的困难异种材料的焊接与同种材料焊接相比，有很大的不同。异种材料焊接时存在的主要困难如下：1）异种采莲的线膨胀系数不同，容易引起热应力，而且这种热应力不易消除，结果会使接头处产生裂纹或较大的焊接变形。2）异种材料焊接过程中，由于金相组织的变化以及新生成的物相结合或化合物，可使焊接接头的性能恶化，给焊接带来很大的困难。3）异种材料

10、焊接熔合区和热影响区的力学性能较差，特点是塑性和韧性明显下降。4）由于接头塑性韧性的下降以及焊接应力的存在，异种材料焊接接头容易产生裂纹，尤其是焊接熔合区和热影响区更容易长生裂纹，甚至发生断裂。1.5.2 影响异种材料焊接性的因素1）热物理性能的差异两种材料热物理性能的差异主要是指熔化温度，线膨胀系数，热导率等的差异，它们将影响焊接热循环过程，结晶条件，降低焊接接头的质量。当异种材料热物理性能的较大差异使熔化和结晶状态不一致时，就会给焊接造成一定的困难；俩种材料的线膨胀系数相差较大时，会使异种材料接头区产生较大的焊接应力和变形，易使焊缝及热影响区产生裂纹；异种材料电磁性相差较大时，焊接电弧不稳

11、定，焊缝成形不好甚至形成不了焊缝。2）结晶化学性能的差异结晶化学性能的差异主要是指晶格的类型，晶格参数，原子半径，原子的外层电子结构等的差异，也就是通常所说的“冶金学上的不相容性”。俩种被焊接材料在冶金学上是否相等，取决于它们在液态和固态时的互溶性以及做好俩种材料在焊接过程中是否产生新相结构或金属间化合物。材料的熔化温度，线膨胀系数，热导率和电阻率等物理性能直接影像馆焊接结晶条件和接头质量。为了改善异种材料的焊接性，防止在异种材料接头冷却过程产生的相变组织转变造成接头冷裂纹，对不能形成无限固溶体的异种材料和合金，可在俩种被焊材料之间加入过度层合金应该满足与俩种被焊金属均能形成固溶体的要求。3）

12、材料的表面状态材料的表面状态，如表面氧化层，结晶表面层，吸附的氧离子和水分，油污，杂质等，直接影响异种材料的焊接性，必须给予充分重视。生产中往往由于表面氧化膜和其他吸附物的存在给焊接带来极大地困难。此外，焊接异种材料时，必定会产生一层成分组织及性能与母材不同的过渡层，过渡层的性能对焊接接头的整体性能有很大的影响。过大的融合比，会增加母材对焊缝金属的稀释度，使过渡层更为明显；焊缝金属与母材的化学成分相差越大。熔池金属越不容易充分混合，过渡层越明显。所以，焊接异种材料时需要采取相应的工艺措施来控制过渡层以保证接头的性能。2 16MnR与20MnMoNb钢的焊接性2.1 16MnR的化学成分及力学性

13、能介绍在板材里，属低合金系列。在低合金的材质里，此种材质为最普通的。Q345过去的一种叫法为：16MnR。合金钢（C0.2%)，广泛应用于桥梁、车辆、船舶、建筑、压力容器等。Q代表的是这种材质的屈服，后面的345，就是指这种材质的屈服值，在345左右。并会随着材质的厚度的增加而使其屈服值减小16MnR是在碳素钢的基础上加入一定的合金元素所构成,低合金钢中的合金元素一般不超过5%，以提高钢的强度并保证其具有一定的塑性和韧性。主要用于制造各类中低压压力容器，其使用条件复杂，有的盛装易燃易爆物品，有的盛装有毒物品，这些易燃、易爆、有毒物品一旦泄漏，将会造成严重的环境污染并且危害人身安全，因此容器的质

14、量好坏是保证人身安全、防止环境污染的关键所在。16MnR作为压力容器用钢，应具备以下要求:首先要具有足够的强度。按现行压力容器设计标准，受压部件的强度计算是以弹性失效为设计准则，以理想化的薄壳理论为依据，虽然已经考虑了安全系数，但在开孔和几何形状不连续处的局部应力已接近或达到材料的屈服强度，因此16MnR钢必须具有足够的强度，特别是在经过热加工和多次热处理后要求钢材仍应保证强度性能不低于标准规定的下限值。其次要具有优良的焊接性。压力容器用钢具有优良的焊接性能是保证产品焊接质量的首要条件。第三要具有高的耐蚀性。压力容器用钢应具有足够的耐蚀性以确保压力容器的长期安全运行。与16Mn低合金钢相比16

15、MnR降低了S、P含量，对含碳量下限不作具体规定，化学成份见表2.1。对钢板的表面、内部质量提出更高要求，规定不得有裂纹、结疤、折叠、气泡、夹杂、分层和白点，并经需方要求，应保证超声波探伤质量；同时规定了冲击韧性指标。因此具有更好的塑性、韧性和焊接性能，更好的抗冷脆性能和较小的时效倾向，以保证压力容器的安全性和可靠性，以及低温韧性要求。为了适应较恶劣的操作条件，进一步提高钢的强度和韧性可加入少量的钒、铌、镍等，它们都易于形成强碳化物，同时又细化晶粒，镍是提高钢的韧性，降低韧脆转变温度的最有效的元素。它是使基体本身在低温不易于交叉滑移。从以上的阐述可以看出，16MnR是一种机械性能和焊接加工性能

16、高于碳钢的低合金钢，但也要注意它的使用范围和供货的要求，才能更好地保证压力容器选材的有效性、安全性和低成本性。第四要具有良好的塑性和韧性。压力容器用钢具有足够的塑性和韧性储备是压力容器抗脆断的必要条件之一，也是压力容器各种部件、封头、筒体、卷制、热压成形等制造工艺的需要。16MnR钢的各种力学性能见表2.2。表2.1 16MnR的化学成分 （质量分数%）CMnSiSP0.201.21.600.200.550.0200.030屈服强度305（MPa）抗拉强度470500（MPa）延伸率20（%）0CV型横向冲击功/J 31549061021211表2.2 16MnR的力学性能2.2 合金元素在1

17、6MnR的作用16MnR化学成分为:C 0.10%0.20%,Si0.3%,Mn 0.5%0.8%.碳是最能提高钢材强度的元素,但也易于引起焊接淬硬及焊接裂纹,所以在保证强度的条件下,碳的加入量越少越好.低合金高强钢加入的合金元素有Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V、Nb、B等,杂质元素P、S的含量要限制在较低的程度.各种合金元素对低合金钢组织和性能的影响是很复杂的,全面了解其中的规律性是研究、分析和预测各种低合金钢及其焊接接头性能的依据。各种合金元素在不同程度上改变了钢的奥氏体转变动力学,直接影响钢的淬硬倾向.如C、Mn、Cr、Mo、V、W、Ni和Si等元素都能提高钢的淬硬倾向,而Ti、

18、Nb、Ta等碳化物形成元素则降低钢的淬硬倾向。16MnR中，氮作为一种合金元素被广泛应用。按照氮在元素周期表中的位置和其原子半径判断，氮在钢中的作用与碳相似。氮能与钢中的其他合金元素形成稳定的氮化物，这些氮化物往往以弥散的微粒分布，从而细化晶粒，提高钢的屈服点和抗脆能力。Cr、Al、Ti、和V合金元素对氮具有较高的亲和力，并能形成稳定的氮化物。因此，为了充分发挥氮作为合金元素的作用，钢中必须同时加入Al、V和Ti等氮化物形成元素。所有这些合金元素或者与Fe形成固溶体，或者形成碳化物（除了Ti、Nb和Ta），都产生了延迟奥氏体分解的作用，并由此提高了钢的淬硬倾向。各种元素对16MnR的力学性能和

19、工艺性能的影响，取决于它的含量和同时存在的其它合金元素。热轧及正火条件下，合金元素对塑性和韧性的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，当钢中的合金元素的含量超出一定范围后会出现韧性大幅度下降。因此，为了保证良好的力学性能和焊接性，要求钢中的含碳量不大于0.22。此外，添加一些合金元素，如Mn、Cr、Mo、V、W、Ni、Si、B和Cu等。添加这些合金元素主要是为了提高钢的淬透性和马氏体的回火稳定性。这些元素可以推迟珠光体和贝氏体的转变，使产生马氏体转变的临界冷却速度降低。16MnR具有较高的强度和良好的塑性、韧性和耐磨性，采用不同的合金成分和热处理工艺，可以获得不同性能的钢。

20、钢的强度级别不同，加入的合金元素及其含量也不同，成分设计既要能满足性能要求，又要能满足其经济性。低合金钢的强度越高，屈服强度与抗拉强度比值就越小。抗拉强度与屈服强度之比成为屈强比。强度越高，屈强比越大。低合金高强度钢的发展和在工程结构中的应用日益广泛促进了世界各国对其的开发研究工作的不断深入。同时，冶金技术的进步，尤其是计算机自动控制在冶炼、控温、轧制和热处理等方面的应用，为焊接结构用合金钢的发展提供了重要的技术保证。16MnR为了获得满意的强度和韧性的组合，晶粒尺寸必须细小、均匀，而且应是等轴晶。普通低合金C-Mn钢的铁素体晶粒尺寸15-20微米，C-Mn-Al钢的正火约为10微米左右，C-

21、Mn-Nb-Al正火钢约为5微米左右。目前，美、日、德等国家在设计上已经突破了传统的合金化概念，不再是单纯的依靠增加和调整钢中的合金元素来增加钢的性能。在焊接热循环的作用下，焊缝周围处于固态的母材发生明显的组织变化性能的区域称为热影响区（HAZ），热影响区中的不同部位经历了不同的热循环，据熔合区越近，加热的峰值温度越高，加热速度和冷却速度越快，焊后的组织性能变化越大。低合金钢焊接热影响区的组织分布与母材的热处理状态有关。根据热影响区的组织状态不同，其组织可以分为粗晶区、细晶区、不完全重结晶区和结晶区。16MnR含碳量小于0.22%，为了提高淬透性，适量加入C、Mn、Cr、Mo、V、W、Ni和S

22、i等合金元素，具有较高的淬硬性。热影响区的显微组织主要是低碳马氏体，贝氏体，M-A组织和珠光体组织。2.3 16MnR焊接性分析2.3.1 16MnR的焊接钢的焊接性主要取决于化学成分，钢种元素对焊接性影响最大的是C，16MnR属于非热处理强化钢，C及合金元素的含量都比较低，总体看来焊接性良好。焊接的问题主要来自两个方面：焊接裂纹和热影响区母材性能的下降。16MnR的焊接性能，主要取决于它的淬透性、回火性和碳的质量分数。在焊接过程中，部分热影响区被加热到近于钢的熔点，其它部分也分别被加热到Ac3以上或Ac1Ac3温度之间。又因为钢本身导热快，迅速的冷却下来，这样，热影响区的热循环分别与淬火，正

23、火或回火的热循环相似。若钢的淬透性过高，在热影响区内必然有马氏体形成，而且近熔合线处的晶粒也将非常粗大，钢的热影响区就有发生脆裂的危险；若碳的质量分数高时，它一方面使钢的淬透性提高，另一方面使形成的马氏体更脆，更硬，在热影响区中远离熔合线的部分，其综合机械性能也会大大降低。因此，希望钢中能含有某些抗回火软化和抗回火脆化的合金元素，为了避免接近熔合线部分的晶粒因受高温而过于粗化，也希望钢中含有一些细化晶粒的合金元素。合金元素对钢材焊接性能的影响，可用焊接碳当量来估算。我国目前所广泛应用的普通低合金钢，其焊接碳当量可按下述经验公式计算；Cd=C+Mn/6+Cr/5+Ni/15+Mo/4+V/5+S

24、i/24+P/2+Cu/13焊接碳当量（Cd）与材料焊接热影响区的最高硬度之间，存在着一定的关系。一般情况下，材料的硬度越高，则焊接热影响区的硬度也越高，特别是对于那些加入各种合金元素提高材料强度的非调质钢，表现更为明显。在这些非调质钢中，由于加入合金元素较多，其焊接碳当量增大，焊接热影响区的最高硬度随之提高。这就使出现焊接裂纹的可能性也愈大。16MnR的焊接裂纹，是由焊接热影响区的组织，焊接区域金属中氢的质量分数以及结构件的外部约束等因素的综合作用所造成的，而焊接热影响区的最高硬度，主要反应了组织、化学成分和焊接区冷却速度的影响。因此，单纯以焊接热影响区的硬度或高强度合金纲的碳当量来评价焊接

25、裂纹出现的可能性，就往往不能作出正确的判断。焊接裂纹实验的结果也表明，焊接碳当量公式和焊接裂纹出现率之间，没有明显的规律性。由此可知，焊接碳当量（Cd）只能用来粗略的估计合金钢的焊接性能。在实际生产中，必须对具体钢种进行一系列的焊接性能实验，根据实验情况制订切实可行的焊接工艺规范。2.3.2 焊接裂纹倾向由于焊接冷裂纹对高强度钢的焊接结构有严重的危害，近年来世界各国对高强度钢的焊接冷裂纹进行了大量的研究。现代工业中高强度钢焊接结构的大量运用，易发生失效的熔合区裂纹引起人们的高度重视。焊接熔合区具有明显的化学和物理性能不均匀性，组织性能突变，是焊接接头中最薄弱的部位，脆性断裂和焊接裂纹易发生在该

26、区域，特别是高强度钢焊接时尤为明显。限制焊缝含氢量对于防止焊接冷裂纹至关重要，钢材的强度级别越高，冷裂倾向越大，对氢的含量要求就越严格。高效的气体保护对焊接冷裂具有比较好的作用。目前，熔合区的研究大多集中于化学成分的不均匀性，凝固过渡层、马氏体脆性层、扩散层、残余应力分布等方面。测定靠近焊缝边缘部位的焊接热循环比较困难，受实际测试手段的限制，认识仍不统一，尤其是熔合区中C、H、O的分布。16MnR焊接时，热影响区的主要变化是过热区脆化和可能发生的热应变脆化。1) 过热区脆化过热区加热温度在1200固相线温度范围内，比较高的加热温度造成奥氏体晶粒的严重粗化及难溶质点溶入固溶体，这些都将明显影响过

27、热区的性能。正火钢的过热区脆化与魏氏组织无关，除晶粒粗化外，主要是在1200的高温下，其沉淀强化作用的碳化物和氮化物质点分解并溶入奥氏体中，而在随后的冷却过程中来不及析出而固溶在基体中，结果使铁素体的硬度上升，韧性下降。所以正火钢的韧性随线能量的增加而下降。并与沉淀强化的元素有关。综上所述，正火钢过热区脆化，实质上是由于焊接热源的高温作用，使母材焊前正火作用消失的结果。当然，在钢中若含有较多的碳和合金元素时，也应注意快冷时发生马氏体转变而造成脆化。2) 热影响区脆化热影响区脆化是焊接过程中在热和应变的同时作用下产生的一种应变时效，它是由固溶的氮引起的。一般认为在200-400最为明显。若钢中加

28、入足够的氮化物形成元素，可以显著降低热应变脆化倾向，消除热应力脆化的有效措施是焊后热处理，经600消应力退火后，材料的韧性可恢复到原来的水平。3) 焊缝的强韧性匹配钢材的强度性能是焊接高强度钢的主要力学性能，屈服强度是工程设计确定许用的主要依据，而抗拉强度是强度储备的重要指标。两者之比称为屈强比，是一个选择材料的重要参数，对不同的用途有不同的要求，低的屈强比有利于加工成形，有较高的结构可靠性；高的屈强比是钢的强度潜力得到较大的发挥，具有较大的抗塑性失稳能力。焊缝的强度匹配系数是表征焊接接头力学性能非均质性的重要参数之一，焊缝强度与母材强度之比大于1称为超强匹配，等于1成为等强匹配，小于1称为低

29、强匹配。16MnR焊缝金属组织研究的重点是如何提高焊缝的韧性，近年来对其研究的突破性成果是发现了针状铁素体（AF），可以改善原始焊缝的低温韧性。当焊缝中存在高比例的针状铁素体时，低温韧性显著提高。为了改善组织，提高韧性，对焊缝中的针状体素体形核机制的研究具有重要的意义。焊缝中细小的互相交叉的针状铁素体以晶内非金属夹杂物形成核心。但由于针状铁素体的形核机理目前看法仍不统一，有人提出TiN促进针状铁素体形核，也有人认为TiO比TiN更有效，还有的研究提出针状铁素体的形核与复合氧化物有关。针状铁素体与块状铁素体具有不同的断裂特征，当裂纹穿过针状铁素体时，通过形变削减前端的应力集中，裂纹呈波浪起伏状态

30、扩展，以形成撕裂韧窝状断口，冲击韧性较高。铁素体为块状时与附近组织形变不协调，易在相界处形成裂纹，并以解理断裂方式穿过铁素体，对应端口形成解理台阶，断口单元与相应显微组织中的块状铁素体尺寸相当，其冲击韧性比针状铁素体组织时低。2.4 16MnR焊接缺陷的分析2.4.1热影响区的淬硬倾向16MnR焊接过程中一个重要的特点是热影响区有较大的淬硬倾向,其影响因素如下：（一）化学成分 钢中化学成分不同时其淬硬倾向也不同，一般是含碳量和所含合金元素量越高，其淬硬倾向就越大，强度等级高时，含碳量或合金元素较多，故淬硬倾向较大；（二）冷却速度 焊件在焊接后冷却速度越大，其淬硬倾向也越大，焊件的冷却速度决定于

31、二个因素：不能改变的因素：如钢板的厚度、尺寸大小、接头形式等。钢板越厚、尺寸越大时，冷却速度越大。此外，接头形式不同时，其散热情况不同，冷却速度也不同。可改变因素：如焊接工艺方法、焊接规范大小和预热温度等，通过调节这些因素，可减少热影响区的淬硬倾向。2.4.2焊接接头的冷裂纹在焊接时，常在焊缝金属和热影响区产生冷裂纹。冷裂纹一般是在冷却过程中产生，有时甚至放置相当长的时间后才产生（称延迟裂纹），冷裂纹产生的原因是：焊接接头处产生淬硬组织、焊接接头内含氢量较多且残余应力较大。必须指出，只有在上述三个因素同时存在时，才会产生冷裂纹。在生产实践中，常可调节其中一个或两个因素以避免产生冷裂纹。在焊接高

32、强度级的厚板时，在易产生冷裂纹。这是因为其淬硬倾向大、板厚的刚性大、焊接接头的残余应力也大，焊接接头易得到淬硬组织。针对冷裂纹产生的三个因素，我们在共上可用下列措施防止或减少冷裂纹的产生：一减少焊接接头是淬硬组织 将焊件预热或提高预热温度、适当增加焊接电流、减低焊接速度、控制层间温度不小于预热温度、焊后缓冷或立即热处理，都可减低焊接接头的冷却速度，以减少其淬硬组织。二减少焊接接头的含氢量 必须严格控制氢的侵入，如对焊件、焊丝要严格清除油和锈、低氢焊条在焊前应严格烘干，以降低焊缝的焊氢量。三减少焊件的残余应力。2.4.3焊接接头的热裂纹热裂纹的特征是沿晶界开裂，裂缝表面有明显的氧化膜颜色，多数裂

33、纹分布在焊缝中心，沿焊缝纵向呈不规则的锯齿形，也可能近缝区出现横向裂纹。影响热裂纹的因素是：一金属的化学成分及成分偏析低合金结构钢内碳和硫的增多，会形成低熔点共晶，当液态金属冷却结晶时，液态的低熔点共晶偏析于晶界处最后凝固，此时晶界的强度很低，在焊接应力作用下沿晶开裂，即为热裂纹。锰在钢中可与硫形成MnS而减少硫的不良影响，因而具有抗裂作用。我国的普通低合金钢中大部分含有一定量的锰。故其抗热裂性比普通低碳钢要好些。此外，钢中含铜会增加热裂倾向。由于基本金属是碳、硫含量一般高于焊缝金属，在焊接时减少金属的熔合比，可降低普通的碳、硫含量而减少热裂倾向。二焊缝横断面的形状与热裂纹倾向也有关，狭而深的

34、焊缝使偏析集中于焊缝的中心部分，热裂倾向大，易形成中心线裂纹。宽而浅的焊缝使偏析物浮于焊缝表面，热裂倾向小。三焊件的残余应力主要决定于焊件的刚性、装配和焊接工艺、焊件刚性大、装配和焊接时造成的残余应力大时，易造成热裂纹。2.4.4粗晶区脆化被加热到1200以上的热影响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，采用过大的焊接线能量，粗晶区将因晶粒长大或出现魏氏组织等而降低韧性；线能量过小，会由于粗晶区中马氏体组织的比例增大，而降低韧性，这在焊接含碳量偏高的热轧钢时较明显。对于含碳量较少的热轧钢，应选用较小的焊接线能量；对含碳量偏高的热轧钢，焊接线能量要适中；对于含碳、氮化物形成元

35、素的正火钢，应选用较小的焊接线能量。2.4.5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的亚临界热影响区。对于C-Mn系热轧钢及含氮量较高的钢，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。如有缺口效应，会使亚临界热影响区的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的缺陷和不利组织有关。在钢中加入氮化物形成元素，可以降低热应变脆化倾向，如16Mn比15MnVN的热应变脆化倾向大；退火处理也可大幅度地恢复韧性，降低热应变脆化，如16Mn经6001h退火处理后，脆性转变温度大幅度提高。2.4.6层状撕裂层状撕裂发生在具有角接接

36、头或丁字接头的厚板焊接结构。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的前提下选用强度级别低的焊接材料或采用预热及降氢等措施，有利于防止层状撕裂的发生。2.5 20MnMoNb的化学成分和力学性能20MnMoNb是一种低合金高强钢，属于细品粒热处理强化钢，供货状态为调质处理，即在870水淬后，630进行高温回火。低合金高强度钢具有高的屈服强度与良好的塑性和韧性，有良好的焊接性能，具有一定的耐蚀性，热加工性能和低碳钢相近。目前，我国生产的低合金高强钢品种较多，由于产品质

37、量不断提高和生产成本降低，使其在桥梁，船舶，车辆，起重机和农机等领域得到了广泛的应用。20MnMoNb其化学成分见表2.3，力学性能见表2.4。表2.3 20MnMoNb的化学成分 （质量分数%）CSiMnMoNbCrSPNiCu0.170.230.170.371.301.600.450.650.0250.0500.300.0350.0350.300.25表2.4 20MnMoNb的力学性能公称厚度(mm)热处理状态回火温度（）b（MP）s（MP)5(%)Akv(J)HB300调质6306207904701641185235300500调质63061078046016411802332.6 合

38、金元素对20MnMoNb性能的影响20MnMoNb的化学成分为：C 0.17%0.23%，Si 0.17%0.37%，Mn 1.30%1.60%,Mo 0.45%0.65，Nb 0.025%0.050。各种合金元素对低合金钢组织和性能的影响是很复杂的。2.6.1 C的影响钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当碳量0.23%超过时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20%。碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。2.6.2 Si的影响在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有

39、0.150.30%的硅。如果钢中含硅量超过0.50-0.60%,硅就算合金元素。硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，故广泛用于作弹簧钢。在调质结构钢中加入1.01.2%的硅，强度可提高1520%。硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用，可制造耐热钢。含硅14%的低碳钢，具有极高的导磁率，用于电器工业做矽钢片。硅量增加，会降低钢的焊接性能。2.6.3 Mn的影响在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.300.50%。在碳素钢中加入0.70%以上时就算“锰钢”，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能，如16Mn钢比

40、A3屈服点高40%。含锰1114%的钢有极高的耐磨性，用于挖土机铲斗，球磨机衬板等。锰量增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。2.6.4 Mo的影响钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力(长期在高温下受到应力，发生变形，称蠕变)。结构钢中加入钼，能提高机械性能。还可以抑制合金钢由于火而引起的脆性。在工具钢中可提高红性。2.6.5 Nb的影响铌能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度，但塑性和韧性有所下降。在普通低合金钢中加铌，可提高抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀能力。铌可改善焊接性能。在奥氏体不锈钢中加铌，可防止晶间腐蚀现象。2.7 20M

41、nMoNb的焊接性分析钢的焊接性主要取决于化学成分，钢种元素对焊接性影响最大的是C，20MnMoNb属于低合金高强化钢，C及合金元素的含量比较高，故20MnMoNb的冷裂大，焊接性差。由于20MnMoNb钢母材的性能，以及其成分焊接的影响，便决定留在实际的焊接过程中焊接的问题主要来自两个方面：焊接裂纹和热影响区母材性能的下降。2.7.1.焊接中的结晶裂纹 热轧及正火钢的含碳量比较低，并且含有一定的锰，Mn/S比值一般可以达到防止结晶裂纹的要求，20MnMoNb钢的焊接时若碳和硫同时居上限或存在严重的偏析，则有产生结晶裂纹的可能。在这种情况下，应采取必要的防治措施。图2.1所示碳、硫和锰对结晶裂

42、纹的影响曲线可知，为了防止结晶裂纹，应在提高焊接锰量的同时降低碳、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，并从工艺上降低融合比。 图2.1 C、S、Mn对焊接接头结晶裂纹的影响防止结晶裂纹的措施主要从冶金和工艺两个方面着手，其中冶金方面更重要一些。(1) 控制焊缝中的硫、磷、碳等有害元素的含量(2) 对熔池进行变质处理 可细化晶粒，可提高力学性能和抗结晶能力(3) 调整熔渣的碱度 碱度越高，熔池中的脱硫、脱氧越完全(4) 调节焊接参数以得到抗裂能力较强的焊缝成形系数(5) 调整冷却速度(6) 调整焊接顺序，降低拘束应力2.7.2 焊接冷裂纹国际

43、焊接学会（W）碳当量计算公式：CE=C+Mn/6+(Cr+Mn+V)/5 +(Cr+Ni)/15()计算出20MnMoNb的含碳量为0.573说明有一定的冷裂倾向，需要采取必要的工艺措施。生成冷裂纹的三个基本因素如下：（1） 氢的影响 导致接头产生冷裂纹的氢主要是扩散氢。实验证明，随着焊缝中扩散氢含量的增加，冷裂纹率提高。例如，用含有较多有机物的焊条（如氧化钛纤维素型）进行焊接，出现了大量的焊道下裂纹；而用低氢型焊条焊接时，则出现或很少出现焊道裂纹。如图2.2所示在电弧气氛中加入不同量的氢实验的结果，焊道下裂纹率也随着焊氢量的增加而上升。 图2.2 电弧气氛中含氢量对焊道下裂纹率的影响 a）试

44、件尺寸 b）裂纹率与气氛中的含碳量（2） 钢的淬透性 一般来说钢的淬硬倾向越大，则接头中出现马氏体的可能性越大越易产生冷裂纹。特别是合金钢含有较多的合金元素增加了钢的淬透性，在焊接后冷速很大的时候易产生马氏体，马氏体含量对冷裂纹率的影响如图2.3所示，可以看出，冷却速度提使马氏体含量增加，导致裂纹率上升。这个规律对各种钢都是适用的，只是钢种的化学成分不同时，因马氏体的形态不同而产生冷裂纹的临界马氏体含量不同。总之，钢种的淬硬倾向决定了接头中硬脆组织的数量，是促使冷裂纹形成的又一重要因素。（3）焊接接头的拘束应力 焊接接头的拘束应力包括接头在焊接过程中因加热不均匀所承受的热应力、相变力、结构自身

45、几何因素所决定的内应力。上述三方面的应力都是不可避免，由于都与拘束条件有关而统称为拘束应力，拘束应力也是形成冷裂纹的重要因素之一。上述三个要素的作用是相互联系，相互制约的，不同条件下起主要作用的因素不同。错误！未指定书签。 图2.3 马氏体含量与冷却速度的关系及其对热影响区冷率的影响RF拘束度2.7.3 消除应力裂纹消除应力裂纹又称为再热裂纹。经研究确认，消除应力裂纹的产生是由于晶界优先滑动而导致微裂纹发生并扩展所致。即焊后再热时，在残余应力松弛过程中，粗晶区应力集中部位的晶界滑动变形量超过了该部位的塑性变形量超过了该部位的塑性变形能力，就会产生消除应力裂纹。理论上消除应力裂纹产生的条件可用下

46、式表示 ee0式中 e粗晶区局部晶界的实际塑性应变；e0粗晶区局部晶界的塑性变形能力，即不产生开裂的临界应变量。防止消除应力裂纹的措施：（1） 选用对消除应力裂纹敏感性低的母材；（2） 选用低强高塑性的焊接材料；（3） 控制结构刚性与焊接残余应力；（4） 工艺方面的措施； 1）预热 预热可减少马氏体的冷却速度，减少马氏体裂纹的产生。2）焊后及时进行后热处理 适当减低焊缝的冷却速度，改善焊缝的组织性能，减低裂纹产生的可能性。3)控制线能量 选用小的线能量可降低裂的概率。 低碳钢中大都含有Cr、Mo、V、Nb、Ti、B等提高消除应力裂纹敏感性的元素，其中作用最大的是V，其次是Mo，因而二者共存时情

47、况最严重。一般认为Mo-V钢，特别是Cr-Mo-V钢对消除应力裂纹的敏感性最高，Mo-B钢、Cr-V钢也有一定的敏感性。不同成分的钢对消除应力裂纹敏感的温度不尽相同，焊接时可通过降低退火温度、进行适当预热或后热等措施，防止消除应力裂纹。2.7.4 层状撕裂层状撕裂产生的根本原因是钢中存在夹杂物。钢在轧制过程中夹杂物被轧成片状，平行于钢板表面眼轧制方向分布。这种片状夹杂物的存在，大大削弱钢板在厚度方向的力学性能，特别是断面收缩率（Ak）大大降低。防止层状撕裂的措施(1)控制夹杂物，特别是硫化物 薄片状夹杂物相当于金属内部尖锐的缺口，使钢板的Z向力学性能大大降低，经实验证明，当钢种含硫量极低时，各个方向的 塑性指标均有提高，层状撕裂敏感性随之降低。（2）防止母材脆化 焊接中发生过热区粗晶脆化、应变时效脆化及氢脆等，母材层状撕裂的敏感性明显增加，在焊接中应采取预热、保温缓冷、控制层间温度等降低冷却速度。（3）设计和工艺上的措施 1）尽量采用双侧焊缝，避免单侧焊缝。可以缓和焊缝根部的应力分布并减小应力集中。 2）在强度允许的条件下，尽量采用焊接量小的对称角焊缝来代替焊接量大的全焊透焊缝，以减小应力。3）对于T形接头可在横板上预堆焊一层强度低的金属，以防止出现焊根裂纹，可缓解作用在横板上Z向应力。2.7.