焊接工艺-合金结构钢的焊接.ppt

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1、合金结构钢的焊接,主讲老师吴新华,本章讲述要点,综述,合金结构钢的焊接性,合金结构钢的焊接工艺,典型合金结构钢的焊接工艺,第一节 综述,一、合金结构钢的分类与用途 用于焊接结构的大多是低合金钢（合金总量3%以下），综合考虑其性能和用途后，一般分为两大类：高强度钢和专用钢。高强度钢主要应用其力学性能：合金元素的加入是为了在获得高强度的同时保证有足够的塑性和韧性；专用钢主要应用的是其特殊性能：例如耐高温、耐低温和耐腐蚀等，合金元素的加入是为了获得通常所需的力学性能外，主要是满足结构的特殊性能需要。,1高强度钢,高强钢：凡是屈服点s295MPa、抗拉强度b390MPa的钢，均称为高强钢。（发达国家该

2、钢种年产量占10%）1吨高强钢相当于1.22吨碳钢使用。应用：常规条件下承受静载荷和动载荷的机械零件和工程结构，例如压力容器、动力设备、运输机械、桥梁和管道等。,1高强度钢,按钢的屈服点和热处理状态不同，一般分为热轧及正火钢、低碳调质钢和中碳调质钢。热轧钢：把钢锭加热到1300左右，经热轧成板材，然后空冷即成；正火钢：钢板轧制和冷却后，经900正火；调质钢：钢板经900加热后水淬，再经600回火处理即成。,1高强度钢（扩展）,近年来这类钢又开发出具有很大发展前途的新钢种，如微合金化控轧钢、焊接无裂纹钢（CF钢）、抗层状撕裂钢（Z向钢）和焊接大热输入钢等，主要用在严寒地区输油管线、海上采油平台、

3、大型压力容器、大型水轮机蜗壳和大跨度全焊接桥梁等工程中。国内外常见的合金结构钢的牌号见表9-1，9-2，9-3.,国内外常见的合金结构钢的牌号,（1）热轧及正火钢 Q295、Q345、Q390、Q420,屈服点为295490MPa，在热轧或正火状态下使用，属于非热处理强化钢，包括微合金化控轧钢、焊接无裂纹钢和抗层状撕裂钢，尽管采用了不同的冶炼和控轧技术，但从本质上讲它们都属于正火钢。这类钢广泛应用于常温下工作的各种焊接结构，如压力容器、动力设备、工程机械、桥梁、建筑结构和管线等。,例如：,1957年建成通车的武汉长江大桥采用碳素钢，是在苏联专家援助下建成的。1968年建成通车的南京长江大桥，是

4、我国自行设计制造的公路、铁路两用桥，主体钢梁采用鞍钢生产的16Mn（Q345），当年被称为“争气钢”；1993年通车九江长江大桥采用鞍钢生产15MnVTi钢；2000年通车芜湖长江大桥采用武钢生产14MnNb钢。,（2）低碳调质钢,屈服点为490980MPa，在调质（淬火+高温回火）状态下供货使用，属于热处理强化钢。其特点是含碳量较低（碳的质量分数一般低于0.22%）、合金元素总量低于5%，既有高的强度，又有良好的塑性和韧性，可以直接在调质状态下进行焊接，焊后也不需进行调质处理。这类钢在焊接结构中也得到越来越广泛的应用，主要用于受力复杂的重要零部件，如大型机械工程、压力容器及舰船等。,（3）中

5、碳调质钢 40Gr、40GrNi,屈服点一般在8801176MPa或以上，钢中含碳量比低碳调质钢高（碳的质量分数为0.25%0.5%），也属于热处理强化钢。其淬硬性比低碳调质钢高很多，具有很高的强度和硬度，但韧性较低，给焊接带来很大的困难，因此一般是在退火状态下焊接，焊后再进行整体热处理来达到所要求的强度和硬度。这类钢主要用于强度要求很高的产品或部件，如飞机起落架、火箭发动机壳体等。,2专用钢,专用钢是指专门用于在特定条件下工作的机械零件和工程结构的钢。按用途不同分为珠光体耐热钢、低温钢和低合金耐蚀钢。（1）珠光体耐热钢：12GrMo、15GrMo、12GrMoV。具有较好的高温强度和高温抗氧

6、化性，其最高工作温度为500600，可用于在这一温度下工作的动力设备和化工设备等。它是以Cr、Mo为基础的低中合金钢。随着使用温度的提高，钢中往往还加入W、V、Nb、B等合金元素。,（2）低温钢,具有良好的低温韧性，其工作温度为-40-196，可用于各种低温容器（液化石油气-45、液化天然气-162）、严寒地区的工程结构（桥梁、管道等）和露天矿山机械等。这类钢中大部分含有Ni，一般在正火或调质状态下使用，和普通低合金钢的区别在于除具有满足要求强度外，还必须具有足够的低温韧性。,（3）低合金耐蚀钢,除具有一般的力学性能外，还必须满足耐腐蚀性能的特殊要求，主要用于在大气、海水、石油化工等腐蚀性介质

7、中工作的各种零件和结构。由于所处介质不同，耐蚀钢的成分和类型也不同，应用最多的是耐大气和海水腐蚀用钢。09MnCuPTi,第二节 合金结构钢的焊接性,一 合金元素对合金结构钢焊接性的影响1合金元素的作用碳是最能提高钢材强度的元素，但易于引起淬硬和焊接裂纹，所以在保证强度的前提下，碳的含量越少越好。低合金钢中加入的合金元素有Mn、Si、Cr、Ni、Mo、V、Nb、B、Cu等，对合金结构钢的组织和性能的影响很复杂。各种合金元素对结构钢抗拉强度和屈服点的影响如图所示,1合金元素的作用,图中：各种合金元素对结构钢抗拉强度和屈服点的影响a）对抗拉强度的影响 b)对屈服点的影响,1合金元素的作用,Mn的固

8、溶强化作用很明显，当wMn1.7%时，可提高韧性和降低脆性转变温度（屈服点提高约50%、脆性转变温度约下降20），如Q345（16Mn）为典型的固溶强化钢，其屈服点为345MPa、脆性转变温度低于-40；Si的固溶强化作用也很显著，但会降低塑性和韧性，因此一般钢中wSi0.6%；Ni是惟一能起固溶强化作用同时又提高韧性且大幅度降低脆性转变温度的合金元素，在低温钢中最常用。,1合金元素的作用,Cr能提高钢的耐热性、耐蚀性和降低脆性转变温度；Mo可提高钢的热强性，一般认为wMo=0.25%0.50%时，既可以强化金属又能改善韧性，当wMo0.5%时韧性开始恶化Cr和Mo都是提高钢的淬透性的元素，使

9、其裂纹敏感性增加，因此在低合金结构钢中的含量应加以控制。V、Ti、Nb是强烈碳化物的元素，Al、V、Ti、Nb还可形成氮化物，可产生明显的沉淀强化作用，在固溶强化的基础上屈服点可提高50100MPa，并能保持韧性。V、Ti、Nb均是微量加入，故称为微合金化。B（硼）是微合金化的元素，它可以细化晶粒从而改善韧性。,二 合金结构钢焊接性分析,1）热影响区的脆化热轧及正火钢焊接热影响区性能变化主要是过热区的脆化；在一些合金元素含量较低的钢中有时还可能出现热应变脆化问题。（1）过热区脆化在被加热到1200以上的热影响区过热区，会发生奥氏体晶粒的显著长大和一些难熔质点（如碳化物和氮化物）熔入基体的过程。

10、在冷却过程中可能会产生脆性较大的魏氏组织、粗大的马氏体组织和塑性很低的混合组织（即铁素体、高碳马氏体和贝氏体的混合组织）等。,热轧钢过热区脆化,热轧钢过热区脆化主要是由于在热输入较大时产生魏氏组织或是由于含碳量偏高和冷却速度较快时产生的马氏体组织引起的。,正火钢过热区脆化,正火钢过热区脆化与魏氏组织无关，除晶粒粗化外，主要是由于在1200高温下，起沉淀强化作用的碳化物和氮化物质点分解并熔于奥氏体，在随后的冷却过程中来不及析出而固溶在基体中，结果使铁素体基体的硬度上升而韧性下降，这时如果减小热输入，就可以减少过热区在高温的停留时间，抑制碳化物和氮化物的熔解，从而有效防止过热区脆化。,热应变脆化,

11、热应变脆化是指在焊接过程中，在热和应变共同作用下产生的一种应变时效。一般发生在固溶氮含量较高而强度级别不高的低合金钢中，如抗拉强度490MPa的C-Mn钢。,热应变脆化,若在钢中加入足够的氮化物形成元素（Al、Ti、V等）可以有效降低热应变脆化倾向，如Q420（15MnVN）比Q345（16Mn）的热应变倾向小。消除热应变时效的有效措施是焊后热处理，如Q345经6001h退火处理后，其韧性可恢复到原有水平。,2）焊接接头的冷裂纹,产生冷裂纹的三要素淬硬组织、拘束度和扩散氢含量淬硬组织和材料有关，因此钢材的淬硬倾向可以作为判断冷裂纹敏感性的标准之一。而淬硬倾向又可以通过碳当量、Pc、热影响区最高

12、硬度等来判断。例如钢材碳当量越大，冷裂纹敏感性也越大，利用国际焊接学会推荐的碳当量计算公式计算CE。,2）焊接接头的冷裂纹,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。屈服点为295390MPa热轧钢的碳当量一般都小于0.4%，焊接性良好，除大厚度钢板和在环境温度很低等情况下焊接外，一般不需预热和严格控制焊接热输入。,2）焊接接头的冷裂纹,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，对冷裂纹比较敏感。屈服点为440490MPa的正火钢基本属于这一范围，其中碳当量不超过0.5%时，淬硬倾向不太严重，焊接性尚好，板厚较大（25mm）时需要采

13、取预热措施。,3）焊接接头的热裂纹,热轧及正火钢含碳量都较低，而含Mn量较高，Mn/S的比值可以达到防止结晶裂纹的要求，具有较好的抗热裂纹能力，在母材化学成分正常，焊接材料和焊接参数选择正确的情况下，一般不会产生热裂纹。特殊情况，母材中的碳与硫同时居上限或严重偏析，则有可能产生结晶裂纹。,3）焊接接头的热裂纹,反之，如果焊接时焊缝产生结晶裂纹，则是由母材中的碳与硫的不正常造成的，这时就要从工艺上设法减小熔合比，选用碳含量少、Mn含量高的焊接材料，以降低焊缝中的碳和提高焊缝中的Mn，可以达到消除结晶裂纹的目的,4）消除应力裂纹（再热裂纹）,含有Mo、Cr元素的钢在焊后消除应力热处理或焊后再次高温

14、加热（包括长期高温下使用）过程中，可能出现裂纹，即消除应力裂纹，也称再热裂纹。一般产生在热影响区的粗晶区，裂纹沿熔合线方向断续分布。该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。,4）消除应力裂纹（再热裂纹）,在热轧及正火钢中，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热处理等措施来防止消除应力裂纹的产生。,5）层状撕裂,层状撕裂主要与钢的冶炼轧制质量、板厚、接头形式和Z向应力有关，与钢材强度无直接关系。一般认为，钢中的含硫量和Z是衡量抗层状撕裂能力的判据。经验表明，当Z20%时，即使Z向拘束

15、应力较大，也不会产生层状撕裂。对有可能在焊接过程产生层状撕裂的重要结构，可采用Z向钢（如D36），其Z最高值可达55%。这些钢在冶炼过程中采取了特殊的工艺措施，因此成本较高。说明：Z向钢=（抗层状撕裂钢(lamellar tearing resistant steel)）,焊缝组织结构示意图,第三节 合金结构钢的焊接工艺,一 焊接材料的选择选择焊接材料时必须考虑到两方面的问题：一是保证焊缝不产生裂纹等焊接缺陷；二是能满足使用性能的要求。选择焊接材料的主要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，而不要求与母材成分相同，因此选择焊接材料应考虑以下问题：,一 焊接材料的选择,1根

16、据母材的强度级别选用相应的焊接材料按照焊缝与母材等强匹配的原则选择焊接材料，一般要求焊缝与母材强度相等或略低于母材。例如适用于焊接Q420（15MnVN）的焊条E5515，其中C、Mn的含量都比母材低，且其中不含沉淀强化元素V，但用它焊接的焊缝金属的抗拉强度可达549608MPa，同时还具有高的塑性和韧性。,2 考虑熔合比和冷却速度的影响,焊缝的力学性能取决于它的化学成分和组织状态。焊缝化学成分不仅取决于焊接材料，而且与母材的熔入量（即熔合比）有很大关系；而焊缝组织则与冷却速度有很大关系。,2 考虑熔合比和冷却速度的影响,采用同样焊接材料，在熔合比和冷却速度不同时，所得焊缝的性能也会有很大差别

17、。选择焊条或焊丝时应考虑到板厚和坡口形式的影响，焊接薄板时因熔合比较大，应选用强度较低的焊接材料，焊接厚板时则相反。,3考虑焊后热处理对焊缝力学性能的影响,焊后热处理（如消除应力退火）会使焊缝的强度有所降低，当焊缝强度余量不大时，焊后热处理后焊缝强度可能低于母材，因此，对于焊后要求正火处理的焊缝，应选择强度高一些的焊接材料。,3考虑焊后热处理对焊缝力学性能的影响,此外，如果对焊缝金属的使用性能有特殊要求，应同时加以考虑。例如，在焊接16MnCu时，要求焊缝金属与母材具有相同的耐蚀性能，则需选用含铜的焊条。,二 焊接方法的选择,热轧及正火钢焊接时对焊接方法无特殊要求，不同焊接方法对焊接质量无显著

18、影响，因此可以采用各种焊接方法进行焊接，常用焊接方法如焊条电弧焊、埋弧焊、CO2气体保护焊和电渣焊等，一般是根据产品的结构特点、批量、生产条件和经济效益等综合情况进行选择。,三 焊前准备,（一）下料、坡口加工和定位焊热轧及正火钢可以采用各种切割方法下料。坡口加工可采用机械加工，也可采用气割和碳弧气刨。对强度级别较高、厚度较大的焊件，经过火焰切割或碳弧气刨的坡口应用砂轮仔细打磨，消除氧化皮及凹槽；在坡口两侧2030mm范围内清除油污、铁锈等。,（一）下料、坡口加工和定位焊,定位焊焊缝应有足够的长度（一般不小于50mm）以防开裂，对厚度较薄的板材定位焊缝长度应不小于4倍板厚。定位焊应选用与焊缝相同

19、的焊接材料，也可选用强度稍低的焊条或焊丝。焊接顺序应能防止过大的拘束、允许工件有适当的变形，采用的焊接电流可稍大于焊接时的焊接电流。,（一）下料、坡口加工和定位焊,焊接区域清理干净，应无氧化皮，铁锈，油脂及其污染物 焊接材料选用低氢型焊条，要按要求烘干 合金结构钢采用等离子，火焰，机械开坡口时，切割前将切割区加热到100度，切割后用磁粉探伤对割面进行裂纹检查,四 焊接工艺参数选择,a焊接热输入 确定焊接热输入主要考虑热影响区的脆化和冷裂两个因素。各类钢材的脆化倾向和冷裂倾向是不同的，因此对热输入的要求也不同。在焊接碳当量（Ceq）小于0.4%热轧及正火钢时，如Q295和Q345，对热输入没有严

20、格限制。焊接碳当量为0.4%0.6%的热轧及正火钢时，热输入应偏大一些比较好。但最好是采用小热输入+预热。恰当控制预热温度，既能避免产生裂纹，又能防止过热晶粒粗大。,四 焊接工艺参数选择,b 预热温度预热的目的是为了防止裂纹，同时还有一定的改善组织和性能的作用。预热温度与钢材的淬硬性、板厚、拘束度、环境温度等因素有关，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。多层焊时应保证道间温度不低于预热温度，但也要避免道间温度过高产生的不利影响，如韧性下降等。,四 焊接工艺参数选择,c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

21、结构和厚壁高压容器等，焊后需要进行消除应力的高温回火（550650）。确定回火温度的原则是：不超过母材原来的回火温度，以免影响母材本身的性能。对有回火脆性的材料，要避开出现回火脆性的温度区间。,四 焊接工艺参数选择,c焊后热处理对于抗拉强度大于490MPa的高强度钢，由于产生延迟裂纹的倾向较大，为了在消除应力的同时起到消氢处理的作用，要求焊后立即进行回火处理。如焊后不能及时进行热处理，应立即在250350保温26h，以便焊接区的氢逸出。,几种常用热轧及正火钢的预热温度和焊后热处理参数,五 焊后检验,合金结构钢接头焊后检验要求严格常用无损检验法：X射线，超声波，渗透和磁粉探伤焊后48才能进行无损

22、检验接头应在消除应力后做无损检验,第四节 典型合金结构钢的焊接工艺,a焊前准备气割下料和加工坡口，切口可直接进行焊接Q345钢可以顺利进行冷弯和机械切割。筒节冷弯当板厚与直径之比大于1/40时，成形后应进行600650的消除应力回火，以消除冷作硬化。Q345钢加热到850以上可以进行各种热压成形，经热压后力学性能无明显变化，一般不需再进行热处理。Q345钢也可采用加热矫正变形。经验表明，火焰矫正的加热温度应控制在700800之间，不宜超过900。,典型合金结构钢的焊接工艺,b预热Q345钢的焊接性较好，一般情况下焊接不需预热，但当结构刚度较大或在低温条件下焊接时，应进行预热,典型合金结构钢的焊

23、接工艺,典型合金结构钢的焊接工艺,c焊条电弧焊工艺可采用I形、V形或X 形坡口。一般选用E50型的焊条。重要结构（如压力容器）应选用碱性焊条（E5016、5015）；对厚度小、坡口角度小或强度要求不高的产品也可选用E43型的焊条（E4316、E4315）。焊条应严格按要求进行烘干：如碱性焊条必须经350400烘干2h。,Q345钢平对接焊条电弧焊工艺参数,补充内容：油气输送钢管的发展,输送油、气的大口径钢管，是20世纪初首先在美国发展起来的。1926年，美国石油学会发布的API SL标准只包括三个碳素钢级。1947年发布的API SLX增加了X42,X46,X52三个钢级。1964年的API

24、SLS将螺旋焊管标准化。1967年一1970年期间API SLX不II SLS增加了X56,X60,X65三个钢级，,油气输送钢管的发展,1973年增加了X70钢级。目前X70管线钢钢管的生产技术均已成熟，并且批量供应于工程中，正在向厚壁、深海、抗腐蚀方向发展。卷板的厚度可达17.5mm1987年6月，API 形成第36版SPEC SL。从第36版到现在的第44版，其中包括了A25,A,B,X42,X46,X52,X56,X60,X65,X70,X80共11个钢级。目前，X100和 X120虽然已经研制开发成功，但尚未列入API标准,美国API SPECSL-1995规定的X70及X80化学成分及力学性能要求,油气输送钢管的发展,X70管线钢除了含有微量的Nb,V,Ti外，还加入了一定量的Ni,Cr,Cu和/或Mo，使铁素体的形成推迟到更低的温度，有利于形成针状铁素体和下贝氏体。因此X70管线钢本质上是一种针状铁素体型的高强、高韧性管线钢。,课后总结复习,什么叫合金结构钢？从焊接方面看如何分类？简述热轧及正火刚的成分，组织和性能特点？试制定Q345刚的焊接工艺？,谢 谢！,