热轧及正火钢的焊接工艺要点.ppt

,低碳钢与低合金高强钢 焊接工艺及问题,重庆大学孙化强,碳钢及低合金钢按化学成分分类为(GB/T13304-1991标准)：非合金钢即碳素钢、低合金钢和合金钢三类，应用最广泛应用的是碳素钢(简称碳钢)。碳钢中除以碳作为主要合金元素外，还有硅(Si0.5%)、锰(Mn0.8%)及不可避免的硫、磷等杂质。低合金钢是在碳钢基础上加入少量合金元素发展起来的钢种，一般其主要合金元素含量在2%以下，或者各种合金元素的总量达到3%5%。,1 低碳钢的焊接,碳钢的性能主要取决于碳含量，碳含量与焊接性及组织和性能的关系见图1-1和表1-1。,表1-1 各类碳钢的焊接性,1.1 碳钢的分类及焊接性,1.1.1碳钢的分类,按含碳量分 大致分成表1-1所列的低碳钢、中碳钢和高碳钢三类。按品质分 主要以有害杂质硫、磷等含量来划分：普通碳素钢 S0.050%，P0.045%；优质碳素钢S0.035%，P0.035%；高级优质碳素钢S0.030%，P0.035%。按脱氧程度分 不完全脱氧的沸腾钢；彻底脱氧的镇静钢；介于沸腾钢和镇静钢之间的半镇静钢。按用途分 结构钢和工具钢,1.1.2碳钢的焊接性,碳钢的焊接性随含碳量增加而恶化，焊接高碳钢时，可以通过预热或加大焊接线能量减缓冷却速度，以减少马氏体含量。选择焊接材料方面，除了在成分和性能上须与母材匹配外，也应避免硫、磷等有害元素从焊接材料中带入焊缝金属中来。焊接碳含量高于0.15%的碳素钢时，须注意减少氢的来源。焊接碳钢时产生裂纹的力学原因是结构的拘束应力和不均衡的热应力，应针对其含碳量不同而采取相应的工艺措施。低碳钢应着重注意防止结构拘束应力和不均衡的热应力所引起的裂纹；高碳钢除了防止因这些应力引起的裂纹外，还要特别注意防止因淬硬而引起的裂纹。,1.1.3 低碳钢的焊接,低碳钢的性能,低碳钢的含碳量低(0.25%)，Mn和Si含量也较少，因此淬硬倾向不大，是焊接性最好的钢种。除C、Mn、Si外，碳钢中的S、P、O、N等杂质元素对其力学性能、焊接接头的冷裂纹、热裂纹和时效脆化敏感性有一定影响通用低碳钢的力学性能如表2-2。,表1-2 低碳钢的力学性能,1.1.4低碳钢的焊接材料及工艺要点,低碳钢对焊接方法的选择无特殊要求，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。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。在压力容器、锅炉制造及电站安装工程中，还常用到窄间隙埋弧焊、窄间隙自动MIG全位置焊、TIG焊封底背面成形工艺及多头MIG焊等比较先进的焊接工艺方法。,焊接材料的选择 焊接材料选用的基本原则是保证焊缝和母材等强焊接。,1.1.4低碳钢的焊接材料及工艺要点,表1-3 低碳钢常用的焊接材料,S、P含量 目前随着冶金水平的提高，母材中的S、P含量不断降低。但对焊接材料中，由于矿物原材料和铁合金中的S、P含量难以再进一步降低，导致焊缝中的硫磷含量远高于母材，影响着或导致焊缝与母材的性能差别进一步加大，尤其是要求硫化氢腐蚀或要求低温冲击韧度的接头。对于重要结构和重要行业使用的超低硫磷碳钢母材的焊接，限制焊接材料的原材料中S、P含量尤为必要和重要。,焊接材料的选择,惰性气体保护焊(TIG、MIG)焊接低碳钢的成本较高，一般用于质量要求比较高的焊接结构或特殊焊缝。沸腾钢或半镇静钢焊接时，应选用有脱氧能力的焊丝作填充金属，如H08Mn2SiA等。二氧化碳气体保护焊用焊丝分实心焊丝和药芯焊丝两大类。焊接低碳钢用的实心焊丝目前主要有H08Mn2Si和H08Mn2SiA两种；药芯焊丝主要是钛钙型渣系和低氢型渣系两类，药芯焊丝中又分气保护、自保护和其他方式保护等几种,焊接材料的选择,表1-4 低碳钢不同结构的预热温度,为防止HAZ粗晶脆化，应防止过大的焊接线能量。焊接刚性大的构件时，宜采取焊前预热和焊后消除应力的措施。预热温度可根据实验经验和实验结果确定，不同产品的预热温度有所不同，见表2-4。,2 低合金结构钢的焊接,合金结构钢 在碳素钢基础上加入一定量的合金元素即构成合金结构钢。合金结构钢具有优良的综合性能，是焊接结构中用量最大的一类工程材料。合金结构钢的主要特点是强度高，韧性、塑性和焊接性也较好，广泛用于压力容器、工程机械、石油化工、桥梁、船舶制造和其他钢结构。,低合金结构钢中合金元素总的质量分数一般不超过5%，以提高钢的强度并保证具有一定的塑性和韧性。合金元素总的质量分数为5%10%的称为中合金钢，大于10%的称为高合金钢。焊接生产中常用的一些合金结构钢大致可分为两大类：是强度用钢和专用钢。国内外常见的合金结构钢的牌号见表2-6。,表2-6 国内外常用合金结构钢,2.1 合金结构钢的种类,热轧及正火钢 屈服强度为295490MPa，在热轧或正火状态下使用，属于非调质钢、热处理强化钢。正火钢主要是靠加入的合金元素，在正火条件下通过沉淀强化和细化晶粒来提高强度和保证韧性的。强度要求越高，所需加入的合金元素越多。微合金化控轧钢、焊接无裂纹的CF钢、抗层状撕裂的Z向钢等就其本质而言与正火钢类似，因此属于这类钢的分支,热轧及正火钢 把钢锭加热到1300左右，经热轧成板材，然后空冷后即成为热轧钢；钢板轧制和冷却后，再加热到900附近，然后在大气中冷却称为正火钢。,低碳调质钢 屈服强度为490980MPa，在淬火-回火的调质状态下供货使用，属于调质钢、热处理强化钢。特点：含碳量较低(0.22%)，高的强度，良好的塑性和韧性，可以直接在调质状态下进行焊接，焊后不需进行调质处理；调质钢通过调质处理，充分地发挥了合金元素的作用，因此只要添加少量的合金元素就能通过淬火和回火来获得回火马氏体或贝氏体，提高了强度，保证了韧性 不足：生产较麻烦，热成形、焊后热处理的温度及焊接线能量等的确定，都受到软化问题的限制,中碳调质钢 屈服强度一般在8801176MPa以上，钢中含碳量较高(碳的质量分数为0.250.5%)，也属于调质钢、热处理强化钢。淬硬性比低碳调质钢高得多，具有很高的硬度和强度，但韧性相对较低，焊接困难。这类钢常用于强度要求很高的产品或部件，如火箭发动机壳体、飞机起落架等。这类钢经常需要在退火状态下进行焊接，然后再通过整体热处理来达到所需的强度和硬度。,2.2低合金结构钢的分类及应用 根据利用焊接来制造金属结构的低合金结构钢分，可以分为强度用结构钢和专业用结构钢两大类。低合金结构钢的分类见图 4-3-1。,图4-3-1 低合金结构钢的分类,一、低合金高强度用结构钢 低合金高强度结构钢又称为低合金高强度钢、普通低合金钢或普低钢。（一）低合金高强度用结构钢简介 强度钢是在碳钢基础上添加不超过5%的合金元素的钢。这类钢的主要特点是：强度高、塑性韧性好，焊接和其它加工性能好。强度钢是以钢材屈服强度大小分类的，目前我国应用最多的低合金高强度钢其屈服强度在300600 MPa之间。,（二）低合金高强度用结构钢1.低合金高强度结构钢分类（1）按屈服点等级分类，可分为Q295、Q345、Q390、Q420和Q460五种。（2）按质量等级分类，可分为A、B、C、D、E五级，其中，A级没有冲击韧度指标的要求，ws和wp均不大于0.045%；B、C、D、E级有冲击韧度指标的要求，其中，B级ws和wp均不大于0.040%，E级ws和wp均不大于0.025%。具体数据见低合金高强度结构钢(GB/T1591-1994)。,（3）按热处理状态分类。可分为热轧及正火钢、低碳调质钢和中碳调质钢。热轧、正火钢：屈服点为295490MPa的低合金高强度钢，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。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。,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。这类钢主要用于大型机械工程、压力容器及舰船等。,中碳调质钢: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。,2.3 热轧及正火钢的焊接性分析,对于热轧及正火钢来说主要是各类裂纹的问题及焊接时材料性能的脆化问题。冷裂纹 从材料本身考虑，淬硬组织(马氏体或M+B+F混合组织，对氢致裂纹敏感)是引起冷裂纹的决定性因素。而产生B或B+F组织时，对氢致裂纹不敏感。热轧钢含有少量的合金元素，淬硬倾向必然要比低碳钢的大一些。而且随钢材强度级别的提高，合金元素的增加，它的淬硬倾向也在逐渐增大。,Q345在连续冷却时，珠光体转变右移较多，使快冷过程中(如图2-4上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，最后转变为含碳较高的贝氏体和马氏体，并且得到全部马氏体的临界冷却速度较低碳钢时要小。显然Q345(16Mn)的淬硬倾向比低碳钢的大。可近似地根据图2-4中的冷却曲线R10和图2-2中的冷却曲线No.4估计出厚板手弧焊时热影响区过热区的组织状态,图2-4热轧钢(Q345和低碳钢的焊接连续冷却组织转变图(SHCCT)11,热轧及正火钢的焊接性分析,冷裂敏感性 一般随强度提高而增加 屈服强度为294392MPa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线能量 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焊接时为避免冷裂的产生，需要采取较严格的工艺措施，如严格控制线能量、预热和焊后热处理等。,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,热裂纹 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。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。,热轧及正火钢的焊接性分析,再热裂纹 焊接结构在进行焊后消除应力热处理或焊后高温加热(包括长期高温使用)的过程中易出现再热裂纹(或称SR裂纹)。含Mo正火钢厚壁压力容器之类的焊接结构可能会出现再热裂纹；在C-Mn和Mn-Si系的热轧钢中由于不含强碳化物形成元素，再热裂纹不敏感；正火钢中一些含有强碳化物形成元素的钢材也不一定会产生再热裂纹，这与合金系统有很大关系。,层状撕裂 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。,热轧及正火钢的焊接性分析,焊接热影响区性能的变化 热轧和正火钢焊接主要为过热区的脆化；低合金钢中可能出现热应变脆化。过热区脆化(T1200)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，粗晶区中马氏体组织所占的比例增大而降低韧性（含碳量较高）图2-5。,组织脆化 过热区温度很高(接近于熔点)，奥氏体晶粒的显著长大，增加了奥氏体本身的稳定性，随着钢材成分的不同以及所采用的焊接线能量不同，冷却过程中可能发生一系列不利的组织转变，如魏氏体、粗大的马氏体以及塑性很低的混合组织(即铁素体、高碳马氏体、贝氏体的混合组织)和M-A组元；一些难熔质点(如碳化物、氮化物)的溶入，在冷却过程中来不及析出而使材料变脆。,热轧及正火钢的焊接性分析,焊接线能量的影响(图2-7)当线能量为16.5kJ/cm时的显微组织为铁素体-马氏体，此时铁素体的显微硬度下降得比较大。从图2-7b可以看出，随线能量的增大，铁素体的显微硬度和材料的脆性都显著提高，因此采用小线能量(可大大地缩短高温停留时间，抑制难熔的氮化钛和碳化钛向奥氏体的溶入)。若为了提高生产率采用大线能量，焊后需采用8001100 的正火处理来改善韧性。,过热区脆化影响因素 焊接线能量(影响高温停留时间和冷却速度)、钢材本身的类型和合金系统。,图2-7 线能量对正火钢的HAZ性能影响,热轧及正火钢的焊接性分析,（a）Q345HAZ组织,合金元素对HAZ韧性的影响 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。图2-6(a)为Q420(15MnVN)焊接过热区-40时冲击韧度和线能量的关系。从微观组织考虑，Q420(15MnVN)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。含Ti钢(Q390(15MnTi)的脆化2-6(b)倾向与含V钢(Q420(15MnVN)基本相似。在过热区由于温度高达接近熔点后，使氮化钛和碳化钛等难熔质点都开始向奥氏体溶入，由于钛的扩散能力很低，即使在大线能量条件下钛也来不及析出而保留在铁素体中，提高了铁素体的显微硬度和降低了材料的冲击韧度的原因。,图 2-6 两种钢焊接过热区-40时冲击韧度和线能量的关系(a)为Q420(15MnVN)焊接过热(脆化：M-A组元)区-40时冲击韧度和线能量的关系。(b)为含Ti钢(Q390(15MnTi)的脆化向,热轧及正火钢的焊接性分析,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。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：Q430、Q345)。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。,2.4 热轧及正火钢的焊接工艺要点,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。,表2-10 热轧及正火钢常用的焊接材料13,焊接材料的选择 热轧及正火钢焊接一般是根据其强度级别选择焊接材料，而不要求与母材成分相同，其选用要点如下：选择相应强度级别的焊接材料 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C0.14%，其他合金元素也要求低于母材中的含量。熔合比和冷却速度的影响 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。热处理对焊缝力学性能的影响 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。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。,2.4 热轧及正火钢的焊接工艺要点,表2-10 热轧及正火钢常用的焊接材料13,焊接工艺参数的确定,焊接线能量 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和Q345)，对线能量基本没有严格的限制,线能量偏小一些对提高塑、韧性更有利。当焊接碳当量为0.40%0.60%的热轧及正火钢时，由于淬硬倾向加大，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，线能量偏大一些比较好。含Nb、V、Ti的正火钢，为了避免由于沉淀相的溶入以及晶粒过热所引起的脆化，选择线能量应该偏小一些。,表2-11 Q345钢埋弧焊的工艺参数,表2-12 热轧及正火钢CO2气体保护焊的工艺参数,焊接工艺参数的确定预热 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；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。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),热轧及正火钢的焊接工艺要点,表2-13 不同环境温度下焊接Q345钢的预热温度,焊接工艺参数的确定焊后热处理 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。热轧及正火钢的预热和焊后热处理工艺参数见表2-14。,表2-14 热轧及正火钢预热和焊后热处理的工艺参数,热轧及正火钢的焊接工艺要点,五、低合金结构钢的焊接工艺（一）预热 低合金高强度钢焊接时常用的工艺措施是焊前预热。屈服点在390MPa以下的低合金高强度钢焊接时，一般仍可以不预热。只有在厚板、刚性大的结构钢且环境温度低的条件下，需预热100150。屈服点在390MPa以上的低合金高强度钢焊接时，一般需要预热。,预热温度决定于钢材的化学成分、板厚、焊件结构形状和拘束度以及环境温度。表4-3-2所示为几种低合金结构钢焊接的预热温度。,表4-3-2 几种热轧及正火钢的预热和焊后热处理工艺参数,（二）控制热输入 焊接含碳量低的Q295钢和含碳量偏下限的Q345(16Mn)钢时，对热输入没有严格控制，但热输入偏小更好。焊接含碳量偏高的Q345(16Mn)钢时，热输入应偏大些。对于强度等级较高低合金高强度结构钢淬硬倾向较大，应选用较大的热输入，但热输入不能过大，否则增大粗晶区脆化倾向。最好采用预热配合小的热输入。小热输入可防止粗晶区脆化，并能减小焊接应力。,（三）后热及焊后热处理 后热是焊接后立即对焊件的全部（或局部）加热到150250或保温，使其缓冷的工艺措施。在低合金结构钢焊接时，后热主要是指消氢处理。消氢处理：是指焊后立即将焊接区加热到250350，保温26h。使焊缝中的扩散氢逸出焊缝表面。它是防止焊接冷裂纹的有效措施之一。Q295Q460这类低合金高强度结构钢一般不进行焊后热处理。,只有厚板、强度级别较大及有延迟裂纹倾向的钢需焊后进行热处理。低合金结构钢焊后热处理有三种方法：（1）消除应力退火加回火（2）正火加回火（3）淬火加回火,（四）采取降低含氢量的工艺措施 对于有淬硬冷裂倾向的钢种，要降低焊缝含氢量，含氢量取决于焊接材料的烘干，含氢量增加，预热温度要求提高。采用低氢型碱性焊条时，要按照规范烘干焊条，清除焊丝表面和坡口及两侧的锈、水、油污等。,谢 谢！,重庆大学孙化强,