低合金钢的焊接

低合金钢的焊接
第一节概述
低合金钢是在碳素钢基础上加入一定量合金元素的合金钢。

合金元素的总
含量一般不超过5%,以提高钢的强度并保证其具有如耐低温，耐高温或耐腐蚀等。

焊接中常用的低合金钢分为高强钢，低温用钢，耐蚀钢及朱光体耐热钢•
1, 高强钢（强度用钢）：主要特点是强度高，塑性，任性交好，广泛用于压力容
器，桥梁，船舶，飞机等结构。

他按钢材屈服强度级别和热处理状态分为三类：1）
热扎，正火钢•屈服强度294--490MPa,在热扎或正火状态下使用,属于非热处理
强化钢，使用较广.2）低碳调质钢，屈服强度490--980MPa,是热处理强化钢,有高的硬度和教好的任性和塑性，可以直接在调质状态下焊接，焊接后不要求调质处理。

3）中碳调质钢，这种钢的屈服强度一般在880 —1176Mpa以上，钢中含
碳量较高0.25—0.5%，用于强度要求高的产品或部件，如火箭发动机外壳，飞
机起落架等。

焊接性差。

2, 低温用钢，这种钢用于空气分离设备，石油分离设备等各种低温容器及寒冷地区的金属结构。

因此，对钢材的低温任性要求高，这种钢大部分视低碳低合金钢，一般在正火状态下使用。

3, 低合金耐蚀钢，这种钢主要用于制造车辆，石油，化工，造船，海上
采油，海底电缆等设备，一般在热轧或正火状态下使用，属于非热处理强化钢。

4, 镀层钢，在低碳钢或低合金钢表面，采用热锓，电镀或其他方法镀上一层耐蚀或耐热金属而成镀层钢。

第二节低合金钢用焊接材料
一，焊丝:分为实心和药心焊丝两种.
四，低合金钢用焊接材料的选择原则：
1, 总的原则是要根据产品对焊缝性能要求选择焊接材料。

高强钢焊接时，一般应选择与母材强度相当的焊接材料，必须综合考虑焊缝金属的任性，塑性
和强度。

只要焊缝强度或焊接接头的实际强度不低于产品的要求即可.焊缝金
属强度过高，将导致焊缝任性，塑性以至抗裂性能下降，降低焊接结构的使用安全性。

如海洋工程，超高强钢壳体及压力容器。

低温用钢，耐蚀钢及镀钢焊接时，选用焊接材料，还应该保证焊缝金属具有相应的特殊性能（如低温，高温性能及耐腐蚀性能等）。

2, 选用焊接材料时还要考虑工艺条件的影响。

（1）坡口和接头形式的影响采用同一焊接材料焊接同一钢种时，如果坡
口形式不同，则焊缝性能各异。

如用HJ431焊剂进行16Mn钢埋弧焊不开坡口直边对接焊时，由于焊缝中母材熔合比较大，将有部分元素从母材熔入焊缝金属，
此时采用合金成分教低的H08A焊丝配合HJ431即可满足力学性能要求，但如
焊接16Mn钢厚板开坡口对接接头时，如仍用H08-HJ431组合，则因母材熔合
比小而使焊缝强度偏底，此时应采用合金成分比较高的H08MnA，H10Mn等焊
丝和HJ431组合，角接接头焊接时的冷却速度要大于对接接头，因此16Mn钢角
接时，应采用合金成分较低的H08A焊丝和HJ431焊剂组合，以获得综合力学
性能较好的焊缝金属，如果合金成分偏高的H08MnA或H10Mn2焊丝，则该角
焊缝的塑性偏低。

（2 ）焊接后加工工艺的影响对于经过热卷或热处理的焊接件，必须考
虑焊缝金属经受高温热处理后对其力学性能的影响。

应保证焊缝热处理后仍具
有要求的强度，塑性和任性，如厚壁压力容器筒节需用热卷方法成型，热卷温度一定要求达到或高于正火温度。

这是焊缝将随之经受正火处理，一般正火后
的焊缝强度要比焊接态的强度低，因此对于焊后要经过热处理的焊缝，要选用
合金成分较高的焊接材料。

如焊件焊后要进行消除应力热处理，一般焊缝金属
的强度将降低，这时也应选合金成分较高的焊接材料。

对于焊后要经受冷卷或
冷冲压成型的焊接件，则要求焊缝具有较高的塑性。

3，对于厚板，拘束度较大及冷裂倾向大的焊接结构，应选用超低氢焊接材料，以提高抗裂性能，降低预热温度。

厚板，大拘束度焊接件，第一层打低焊缝最容易产生裂纹，此时可以选用强度稍低，塑性，韧性良好的低氢或超低氢焊接材料。

4, 对于重要的焊接产品，如海上采油平台，压力容器，船舶等，为了确
保产品使用的安全性，焊缝应具有优良的低温冲击韧性和断裂韧性。

应选用高
韧性焊接材料，如高碱度焊剂，高韧性焊条等。

5, 为提高生产率，可选用高效铁粉焊条，重力焊条和高速焊剂等，立角
焊时可用立向下焊条；大口径管接头可用高速焊剂，小口径管接头可用底层焊
条。

6, 改善卫生条件，
第三节热轧，正火钢的焊接
一,热轧、正火钢的成分和性能
屈服强度为294—392Mpa的低合金刚基本属于热轧钢，主要通过合金元素的固熔强化获得高强度，Mr是最常用的合金元素，当16Mn钢作为低温压力容器
用钢或厚板结构时，为改善低温韧性，也可以在正火处理后使用，15MnV是在16Mr钢基础上加入少量V(0.04 —0.12%)，起沉淀强化和细化晶粒作用。

15MnV 钢在热轧状态下性能波动，经正火处理，使晶粒细化和炭化钒均匀弥散析出后，才能获得较高的韧性和塑性，所以15MnV钢在正火状态下使用更为合理。

热轧，正火钢按照其用途还可以分为：压力容器用钢，锅炉用钢，焊接气瓶用钢，桥梁用钢等，在钢种牌号后用R, g，HP, q等表示，
二，热轧、正火钢的焊接性
1，粗晶区脆化
热轧，正火钢焊接时，热影响区中被加热到1100 C以上的粗晶区，是焊接
接头的薄弱区。

热轧钢焊接时，如果焊接线能量过大，粗晶区将因晶粒长大或
出现魏氏组织等而降低韧性；焊接线能量过小，由于粗晶区组织中的马氏体比
例的增大而降低韧性，这在焊接含碳量偏高的的热轧钢时较明显。

2，热应变脆化
在C-Mn系低合金钢及低碳钢等自由氮含量较高的钢中，焊接接头熔合区及最高加热温度低于Ac1的亚临界热影响区，发现有热应变脆化现象。

一般认为，这种脆化是由于氮，碳原子聚集在位错周围，对位错造成钉扎作用所造成。

一般易于在200 C -400 C最高加热温度范围的亚临界热影响区产生热应变脆化。

如有缺口效应，则该处的热应变脆化更为严重，而熔合区常常存在缺口性质的缺陷，当缺陷周围受到连续的焊接热应变作用后，由于应变集中和不利组
织所造成的热应变脆化倾向就更大，所以热应变脆化易于在熔合区发生。

16Mn 钢的热应变脆化温度+53C,而15M nVN只有+30 C,这是因为15Mn VN冈中的V和N 形成氮化物，从而降低了热应变脆化倾向。

而16Mn中不含氮化物形成元素，因
此他具有大的热应变脆化倾向。

但是16Mr冈冈经过600 C X1h退火处理后，韧性得到很大的恢复。

3, 裂纹
（1）冷裂纹，热轧钢由于含有少量合金元素，所以这种刚的淬硬倾向比
低碳钢要大一些。

如16Mn钢，15Mn\钢焊接时，快速冷却可能出现马氏体淬硬组织，而增大冷裂倾向。

但由于热轧钢的碳当量比较低，一般情况下（除环境温度很低或钢板厚度很大时），其冷裂倾向都不大。

正火钢由于合金元素较多，与16Mr钢相比，淬硬倾向有所增加。

强度级
别及碳当量较低的正火钢，冷裂倾向还不大，但随着正火钢碳当量及板厚的增
加，其淬硬倾向也随之增大。

需要采取控制焊接线能量，降低含氢量，预热及时后热等措施，以防止冷裂纹的产生。

（2）热裂纹，一般情况下，热轧，正火钢焊接时，热裂倾向小。

但有时也会在焊缝中出现热裂纹。

如厚壁压力容器焊接生产中，焊缝金属热裂纹易于在高稀释率焊道中出现，（如根部焊道或靠近坡口边缘的多层埋弧焊焊道），
电渣焊时，如母材含碳量偏高并含铌时，电渣焊焊缝可能出现八字形分布的热
裂纹，减少母材在焊缝中的熔合比，增大焊缝形状系数（即焊缝宽度与厚度之比）
有利于防止焊缝金属的热裂纹。

（3 ）层状撕裂，大型厚板焊接结构如海洋工程，核反应堆及船舶等，如果在刚才厚度方向承受较大的拉伸应力，可能沿钢材轧制方向发生阶梯状的层
状撕裂。

这种裂纹常出现于角接接头或丁字接头。

合理选用层状撕裂敏感性小
的钢材，改善接头形式以减轻Z向所承受的应力应变，在满足产品使用要求的前提下，选用强度级别较低的焊接材料或预堆焊低强焊缝，采用预热和降氢等
措施都有利于防止层状撕裂。

三，热轧、正火钢的焊接性能
1, 焊接方法的选择
热轧正火钢可采用埋弧自动焊，手工电弧焊，气电焊，电渣焊，压力焊等
方法焊接。

这主要取决于产品结构，板厚，性能要求和生产条件等。

埋弧自动
焊，熔化极气体保护焊及手工电弧焊是常用的焊接方法。

钨极氩弧焊可用于要
求全焊透的薄壁管和厚壁管等工件的封底焊。

厚壁压力容器等大型厚板结构，电渣焊仍是我过常用的焊接方法，但鉴于电渣焊焊缝及热影响去的严重过热，焊后需要进行正火热处理，从而增加生产周期和成本。

如用一般的埋弧自动焊，
随产品厚度的增大，将降低生产率，增大焊丝消耗。

2, 焊接材料的选择
选择焊接材料时，应保证焊缝金属的强度，韧性和塑性等性能符合产品设
计要求。

应选择与母材强度相当的焊接材料，并综合考虑焊缝金属的韧性，塑性及焊接接头的抗裂性。

只要焊缝金属的强度不低于或略高于母材强度的下限值即可。

焊缝强度过高，将导致焊缝韧性，塑性和接头抗裂性的降低。

3, 焊接线能量的选择
各种热轧正火钢的脆化倾向和冷裂倾向各不相同。

对焊接线能量的要求
也不同。

含碳量低的热轧钢（09Mn2,09MnNb等）以及含碳量偏下限的16Mr钢焊接时, 焊接线能量没有严格的限制•因为这些钢的脆化，冷裂倾向小。

当焊接含碳量偏高的16Mri 时,为降低淬硬倾向,防止冷裂纹的产生,焊接线能量应偏大一些，对于含V,Nb,Ti的钢种，为降低热影响区粗晶区脆化所造成的不利影响，应选择较小的焊接线能量。

如15MnVN冈种的焊接线能量宜在40—45kj/cm以下。

对于碳及合金元素含量较高，屈服强度为490Mpa的正火钢，如18MnMoNb 等，因这种钢淬硬倾向大，应选择较大的焊接线能量，但线能量不能过大，以免增大过热倾向。

如果为了防止裂纹而采用焊前预热时，这是就不必采用大的
线能量。

利用焊接连续冷却转变图（CCT8）可以为选择冷却时间t8/5 （800-500 C
的冷却时间）和焊接规范提供参考数据。

应用焊接模拟热循环，在不同冷速条件下，用膨胀仪测绘出试样随焊接热过程变化的膨胀曲线。

由此确定出各相变过程的相变点，作出模拟试样相变温
度区间。

再根据模拟焊接热循环的连续冷却曲线，即可作出焊接连续冷却转变
图。

试样加热的峰值温度，可取热影响区粗晶区温度（约1350 C）；或取钢的
奥氏体化温度。

用热循环峰值温度为1350 C左右所建立连续冷却转变图是常用的CCT
图，称为模拟焊接热影响区粗晶区连续冷却转变图。

4, 预热温度的选择
预热是防止裂纹的有效措施，也有助于改善接头性能，是低合金钢焊接时
常用的工艺措施。

但预热常常恶化劳动条件，使生产工艺复杂化，过高的预热和层间温度还会降低接头韧性。

因此，焊前是否需要预热和预热温度的确定要
认真考虑。

预热温度的确定决定与钢材的成分（碳当量），板厚，焊件结构形状和拘束度的增加和环境温度的降低，焊前预热温度也要相应提高。

5, 焊后后热及热处理
（1）焊后即使后热及消氢处理，焊接后热是指焊接结束或焊完一条焊缝
后，将焊件或焊接区立即加热到150--250 C范围内，并保温一段时间。

而消氢
处理则是在300-400 C加热温度范围内进行。

它将加速焊接接头中氢的扩散逸出，其消氢效果比低温后热更好。

焊后即使后热及消氢处理，是防止焊接冷裂纹的有效措施之一，而且采用
后热还可以降低预热温度，有利于减轻焊接劳动强度。

（2）焊后热处理，热轧正火钢一般焊后不需要进行热处理。

电渣焊焊缝及粗晶区晶粒粗大，焊后必须正火处理以细化晶粒。

某些焊成的部件（如筒节
等）在热校和热整形过程中经过正火处理，正火温度在该钢材Ac3点以上30-50 C,过高的正火温度导致晶粒长大，保温时间按每毫米1-2min计算。

厚
壁受压不见经正火处理高温空冷后产生较高的内应力，此时正火后应做回火处
理。

消除应力处理是将焊件均匀加热到Ac1点以下高温，保温一段时间后随炉
冷到300-400 °C，最后焊件在炉外空冷。

消除应力处理可消除内应力，改善接头组织性能。

对于在低温下使用的结构，要求抗应力腐蚀容器，厚壁高压容器以及要求尺寸稳定性的结构等产品，焊后需要进行消除应力处理，这对保证产
品安全正常进行十分必要。

某些含钒，铌的低合金钢热影响区和焊缝金属在焊后热处理条件下，加热温度和保温时间如果选择不当，因碳，氮化合物的析出，会出现消除应力脆性，降低接头韧
性。

因此应恰当地选择加热制度和加热温度，或避免焊件在敏感的温度区长时间加热。

另外，消除应力处理的加热温度不要超过母材原来的回火温度，以免影响
母材的性能。

对于冷裂纹倾向大的高强钢，还要及时进行消除应力处理。

第四节，低碳调质钢的焊接
一，低碳调质钢的成分和性能
低碳调质钢一般具有高的屈服强度( 490-980MPa)，良好的塑性，韧性，
耐磨性，耐腐蚀性。

根据用途不同，采用不同的合金成分及不同的热处理制度，
可以获得具有不同综合性能的低碳调质钢。

低碳调质钢的含碳量不超过0.21%，
因此该类钢与中碳钢相比有较好的焊接性。

WCF6062、HQ70AHQ70B15 MnMoVN 15MnVNR(QJ60 QJ70)和14MnMoNb钢为国内近十年研制成功，但尚未列入冶金部或国家标准。

15Mn MoVN15 Mn VNR及14Mn MoNb和HQ70庄冈主要用于工程矿山机械的制造中，如牙轮钻机，推土机，重型汽车，工程起重机等，WCF60 62
HQ70A T-1、T-1A、T-1B、WEL-TEN80 WEL-TEN80钢具有较好的缺口韧性。

可以用于低温下服役的焊接结构，如用于开发高寒地区露天煤矿的大型挖掘机及电动轮自卸车等。

另外，也可用于高压管线，桥梁及电视塔等刚结构，。

裂纹敏感性低的WCF60 62钢在大型球罐及海上采油平台的制造中也有广阔应用前景。

国产12NiCrMoV(相当于HY8C)及HY13C冈冈，主要用于核动力装置和航天，航海装备上。

低碳调质钢综合性能的获得除了取决于其化学成分外，还要执行正确的热
处理制度才能保证良好的组织与性能。

这类钢的热处理制度一般为奥氏体话-
淬火-回火；也有少数钢采用奥氏体话-正火-回火；或采用双相区淬火或正火。

二，低碳调质钢的焊接性
低碳调质钢的含碳量不超过0.21%，与中碳调质钢相比有较好的焊接性。

但要成功地焊接这类钢，必须掌握这类钢的焊接特点，拟订正确的焊接工艺，严格实施。

这类钢焊接性的主要特点是：在焊接热影响区，特别是焊接热影响区的粗晶区有产生冷裂纹和韧性下降的倾向；在焊接热影响区受热时未完全奥
氏体化的区域，及受热时其最高温度低于AC1,而高于钢调质处理时的回火温
度的哪个区域有软化或脆化的倾向。

虽然低碳调质钢的淬硬倾向较大，但在焊
接热影响区的粗晶区形成的是低碳马氏体，又因这类钢的MS^较高，所形成的
马氏体可发生自回火，这样使得这种钢的冷裂倾向比中碳调质钢小得多。

但为
了可靠防止冷裂纹的产生，还必须严格控制焊接时的氢源及选择合适的焊接方法及焊接工艺参数。

一般低碳调质钢的热裂倾向较小，因钢中的碳，硫含量比较低，而含锰量及Mn/S又较高。

如果钢中的碳、硫含量较高或Mn/S低时，则热
裂倾向增大。

如HY80钢中的Ms/S较低，又含有较多的镍，在进缝区易出现液化裂纹。

这种裂纹出现于大线能量焊接时。

采用小线能量的焊接规范，控制熔池形状，可以防止这种裂纹的产生。

从P178图表可以看出，这类钢的马氏体开始转变温度Ms点较高。

这一特点
使这类钢在焊接时在热影响区产生的马氏体发生自回火。

这种自回火的低碳马
氏体具有较高的强度和韧性。

这是这类钢比起中碳调质钢焊接性好的重要原因。

三、接头设计
合理的接头设计、良好的坡口加工、装配与焊接质量，和适当的焊接检验，才能保证低碳调质钢的良好性能得以发挥。

接头设计时应考虑焊接操作和焊后
检验的方便。

不正确的焊缝位置能导致截面突变、未焊透、未熔合、咬肉和焊瘤并造成缺口，引起应力集中。

这些缺陷对于屈服强度大于550Mpa勺高强钢是不允许的。

因为这些缺陷将大大损害接头的疲劳强度。

对接接头比角接接头易
于探伤检验，V型和U型坡口比半V型或J型坡口易于保证焊透。

对接接头焊后应将加强高打磨平才能使接头有足够的疲劳强度。

角接接头容易产生应力集中，降低疲劳强度。

角焊缝焊趾处的机械打磨TIG重熔或锤击强化都可以提高角接
接头的疲劳强度。

但必须选择适宜的打磨、重熔或锤击工艺。

四，低碳调质钢的焊接工艺
1, 焊接方法
低碳调质钢最常用的方法有手工电弧焊、溶化极气体保护焊、埋弧焊、药
心焊丝电弧焊和钨极氩弧焊。

采用上述各种电弧焊方法，用一般焊接规范，焊接接头冷却速度较高，使低碳调质钢的焊接热影响区的机械性能接近于钢在淬火状态的力学性能，因而不需要进行焊后热处理。

如果采用电渣焊工艺，由于焊接线能量大，母材加热
时间长，冷却缓慢。

故这类钢在电渣焊后必须进行淬火加回火处理。

为了避免焊接热影响区韧性的恶化，不推荐用大电流，粗丝，多丝埋弧焊工艺。

但是，窄间隙双丝埋弧焊工艺已成功地应用于低碳调质钢压力容器焊接。

2, 焊接材料
3, 焊接线能量和焊接技术
焊接线能量不仅影响焊接热影响区的性能，也影响焊缝金属的性能。

对许多焊
缝金属来说，为获得综合的强韧性，需要获得针状铁素体组织。

这种组织必须在较快的冷却条件下才能或得。

为了避免采用过大的线能量，不推荐采用大直
径的焊条或焊丝。

重要可能，应采用多层小焊道焊缝。

最好采用窄焊道，而不采用横向摆动的运条技术。

这样不仅使焊接热影响区和焊缝金属有叫好的韧性，而且还可以减少焊接变形。

立焊时不可避免地要做局部摆动和向上挑动，但应控制在最低程度。

可以采用碳弧气刨清理焊根，但必须严格控制线能量。

在碳弧气刨以后应打磨清理气刨表面后在施焊。

4, 预热温度
为了防止冷裂纹的产生，焊接低碳调质钢时常常需要采用预热，但必须防
止由于预热而使焊接热影响区的冷却速度过于缓慢，因为在过于缓慢的冷却速
度下焊接热影响区内产生M-A组元和粗大的贝氏体。

这些组织使焊接热影响区强度下降、韧性变坏。

从P183图可以看出，与低预热温度相比，预热温度高时热影响区的韧性下降得更多，过于缓慢的冷却速度也可能使热影响区某些区域
发生软化，以致导致接头强度下降。

为了避免预热对接头造成有害影响，必须严格准确地选用预热温度。

P183图可以查找常用钢种的预热温度。

如有可能，采用低温预热加后热，或不预热只采用后热的方法来防止低碳调质钢产生冷裂纹，可以减轻或消除过高的预热
温度对其热影响区韧性的损害。

5, 焊后热处理
大多数低碳调质钢焊接构件是在焊态下使用，除非在下述条件下进行焊后热处理：1，焊后或冷加工后钢的韧性过低；2,焊后需进行高精度加工，要求保证结构尺寸的稳定性，3，焊接结构承受应力腐蚀。

某些对钢和焊缝金属强韧化有益的元素，在焊后消除应力热处理时会产生
有害的作用。

许多沉淀硬化型低碳调质钢在焊后再加热过程中在焊接热影响区会出现再热裂纹。

为了使焊后热处理不致使焊接接头受到严重损害，应仔细研
究焊后热处理的温度，时间和冷却速度对接头性能的影响，以及产生再热裂纹
的倾向和避免的条件，并认真地制定焊后热处理的规范。

焊后热处理的必须低
于母材调质处理的回火温度，以防止母材的性能受到损害。

第五节中碳调质钢的焊接
一,中碳调质钢的成分和性能
这种刚的屈服强度达到880-1176Mpa以上。

钢中含碳量较高(0.25-0.5%)，并加入合金元素如：Mn, Si，Cr，Ni，B及Mo, W V，Ti等，以保证钢的淬透性，消除回火脆性。

再通过调质处理以获得综合性能较好的高强钢。

常用于火箭发动机壳体及飞机起落架等重要产品。

为了保证钢材具有较好的综合性能和
焊接质量，钢材和焊丝要求高纯度，如钢材和焊丝采用真空熔炼或电渣精炼等。

二，中碳调质钢的焊接性
1, 焊接热影响区的脆化和软化：中碳调质钢由于含碳量高，合金元素多，
钢的淬硬倾向大，Ms点低，因而在淬火区产生大量淬硬的马氏体(尤其是高碳，
粗大的马氏体)，导致严重脆化。

焊接焊前为调质状态的钢材时，热影响区被加热到超过调质处理时回火温度的区域，将出现强度，硬度低于母材的软化区。

如果焊后不再进行调质处理，该软化区可能成为降低接头强度的薄弱区。

2, 裂纹：中碳调质钢的淬硬倾向大，近缝区所出现的马氏体组织，增大
了焊接接头的冷裂倾向。

在焊接常见的低合金钢中，中碳调质钢具有最大的冷
裂敏感性。

为了提高抗裂性，应尽量降低焊接接头的含氢量，并采用焊前预热和焊后及时热处理。

中碳调质钢的碳及合金元素含量高，焊缝凝固结晶时，结晶温度区间大，偏
析倾向较大，因而焊接时具有较大的热裂纹敏感习惯。

为了
防止产生热裂纹，要求采用低碳焊丝（一般焊丝中含碳量限制在0.15%以下,
最高不超过0.25%）严格限制母材及焊丝中的硫磷含量（小于对于重要产品的刚才和焊丝，要求米用真空熔炼或电渣精炼，
0.03-
0.035% ），
注意填满弧坑。

低合金超高强钢，还具有应力腐蚀开裂敏感性。

这种应力腐蚀开裂常发生在水或高湿度空气等弱腐蚀介质中。

为了降低焊接接头的应力腐蚀开裂倾向，应采用热量集中的。