材料焊接性合金结构钢 50页

1 第 3 章 合金结构钢的焊接 2 3 4 5 3.1 合金结构钢的分类和性能 3.1.1 合金结构钢的分类 合金结构 钢的分类 化学 成分 合金 系统 组织 状态 用途或使 用性能等 6 按合金元素 总含量的多 少分有 低合合钢 一般 w (Me) ＜ 5 ％ 中合金钢 w (Me)=5 ％～ 10 ％ 高合金钢 w (Me) ＞ 10 ％ 1. 按合金元素总含量的多少分有： 7 2. 按用途和性能分有 8 国内外常见的合金结构钢的牌号 见表 3- 1 表 3- 1 国内外常见的合金结构钢 9 3.1.2 合金结构钢的基本性能 基 本 性 能 化学成分 力学性能 显微组织 10 1 ． 化学成分 化 学 成 分 低合金结构钢是在低碳钢基础 上添加一定量的合金元素构成的 （低碳钢的化学成分为： w C=0.10% ～ 0.25% ， w Si≤0.3% ， w Mn=0.5% ～ 0.8% ） 用于焊接结构的低中合金钢 合金元素总的质量分数一般 不超过 10% 11 图 3-1 各种合金元素对结构钢的抗拉强度和屈服强度的影响 a) 对抗拉强度的影响 b) 对屈服强度的影响 12 图 3-2 低合金高强钢的低温拉伸性能（ a,b ） 2 ．力学性能 13 3 ．显微组织 低合 金钢 热影 响区 中的 显微 组织 低碳马氏体 贝氏体 M-A 组元 珠光体类 导致具有不同 的硬度、强度 性能、塑性和 韧性 14 图 3-3 典型组织（特别是贝氏体组织）对低合金钢强度和韧性的影响 15 表 3- 2 常见金相组织及不同混合组织的硬度 16 3.2 热轧及正火钢的焊接 3.2.1 热轧及正火钢的成分和性能 热 轧 及 正 火 钢 屈服强度为 294 -490M P a 的低合金高强钢 一般是在热轧或正火状态 下供货使用 属于非热处理强化钢 17 1 ．热轧钢 热 轧 钢 屈服强度为 294-392M P a 的 普通低合金钢都属于热轧钢 这类钢的 基本成分为： w C≤0.2% ， w Si≤0.55 % ， w Mn≤ 1.5% 热轧钢通常为铝镇静的细晶 粒铁素体＋珠光体组织的钢 一般在热轧状态下使用 Q345 （ 16Mn ）是我国于 20 世纪 50 年代研制和生产应 用最广泛的热轧钢 18 2 ．正火钢 正 火 钢 正火状态下使用的钢：主要 是含 V 、 Nb 、 Ti 的钢，如 Q390 、 Q345 等，主要特点是 屈强比（ σ s / σ b ）较高 正 火＋回火状态使用的 含 Mo 钢：如 14MnMoV 、 18 MnMoNb 等 抗层状撕裂的 Z 向钢， 屈服强度 σs≥ 343M P a 19 3 ．微合金控轧钢 微 合 金 控 轧 钢 加入质量分数为 0.1% 左右 对钢的组织性能有显著或 特殊影响的微量合金元素 的钢，称为微合金钢 多种微合金元素（如 Nb 、 Ti 、 Mo 、 V 、 B 、 RE ）的共 同作用称为多元微合金化 单一微合金元素的质量分数 通常在 0.25% 以下。 20 3.2.2 热轧及正火钢的焊接性 低合金钢 的焊接性 化学 成分 轧制 工艺 21 热轧 及正 火钢 的焊 接性 冷裂纹及影响因素 热裂纹 和再热裂纹 非调质钢焊缝的组织和韧性 热影响区脆化 层状撕裂 22 1 ．冷裂纹及影响因素 冷裂 纹及 影响 因素 碳当量 （ C eq ） 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 23 (2) 淬硬倾向 马氏体或 M+B+F 混合组织时 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 24 图 3-4 热轧钢（ Q345 ）和低碳钢的焊接连续冷却组织转变图（ SH CCT ） a ) Q345 T m 1350℃ b ) 低碳钢 T m 1300℃) 1 ）热轧钢的淬硬倾向 25 图 3-5 正火钢的焊接连续冷却组织转变图（ SHCCT ） a ） 为 Q420 b ) 18MnMoNb 2) 正火钢的淬硬倾向 26 (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 27 图 3-9 冷却时间 t 8/5 对热影响区最高硬度的影响 （钢材成分： w C 0.12%, w Mn 1.40%, w Si 0.48%, w Cu 0.15%, 板厚 h =20mm ） 28 2 ．热裂纹 和再热裂纹 裂 纹 再热裂纹 焊缝热裂纹 29 图 3-10 再热裂纹敏感性与 Cr 、 Mo 含量的关系 A — SR 裂纹敏感区 B — 随 Cr 、 Mo 含量增加， SR 裂纹增加 30 3 ．非调质钢焊缝的组织和韧性 焊缝 韧性 针状铁素体 (AF) 先共析铁素体 (PF) 组织 所占的比例 31 图 3-11 不同铁素体形态对高强钢焊缝韧性的影响 a ) AF 对 v T rs 的影响 b ) PF 对 v T rs 的影响 32 图 3-12 高强钢焊缝韧性与强度的关系 33 Mn-Si 系焊缝组织与韧性的关系见 表 3-5 。 表 3-5 Mn-Si 系焊缝组织与韧性的关系 34 4 ．热影响区脆化 脆 化 粗晶区脆化 热应变脆化 35 图 3-14 S 、 P 对热影响区韧性的影响 （低合金钢三丝埋弧焊 ） 36 图 3-15 N 对热影响区韧性的影响 （ Mn-Si 系低合金钢 ） 37 5 ．层状撕裂 图 3-16 产生层状撕裂的一些典型接头形式 a ) 角接 T 形接头 b ) 对接 T 形接头 c ) 对接角接头 38 3.2.3 热轧及正火钢的焊接工艺 热轧及 正火钢 的焊接 工艺 焊接材料的选择 焊接工艺参数的 确定 坡口加工、 装配及定位焊 39 1 ．坡口加工、装配及定位焊 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。 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。 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。 40 2 ．焊接材料的选择 低合 金钢 选择 焊接 材料 一是不能有裂纹等 焊接缺陷 二是能满足使用 性能要求。 41 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，其要点如下： 要 点 考虑焊后热处理对 焊缝力学性能的影响 同时考虑熔合比和冷却 速度的影响 选择与母材力学性能匹 配的相应级别的焊接材料 42 3 ．焊接工艺参数的确定 工艺 参数 预热和焊后热处理 焊接热输入 43 图 3-17 焊接热输入对热影响区晶粒尺寸和冲击韧性的影响 a ) 冷却时间 t 8/5 与晶粒尺寸的关系 b ) 热输入对热影响区韧性的影响 1 ） 焊接热输入 44 HQ70 和 HQ80 低碳调质钢焊接一般要求低温预热，预热温度和最大焊接热输入 见表 3- 20 。 表 3-20 两种低碳调质钢的最大热输入 45 热轧及正 火钢焊接 的典型工 艺参数 焊条电弧焊 自动焊 氩弧焊 46 表 3-9 热轧及正火钢 CO2 气体保护焊的工艺参数 47 表 3-10 热轧及正火钢钨极氩弧焊的工艺参数 表 3-11 热轧及正火钢熔化极氩弧焊的工艺参数 48 2) 预热和焊后热处理 49 确定焊后 回火温度 的原则 不要超过母材原来的 回火温度，以免影响 母材本身的性能 对于有回火脆性的材 料，要避开出现回火 脆性的温度区间 50 4 ．焊接接头的力学性能 焊缝金属和热影响区的力学性能是影响接头使用可靠性的基本性能，而其中强度与韧性又是关键的考核要素，特别是对合金结构钢接头更为重要，几种典型热轧及正火钢焊接接头的力学性能见表 3-14 。