焊接工程基础(第二篇)2合金结构钢和铸铁的焊接

a、热轧正火钢——含碳量Wc＜0.2%，通过热 轧或正火依靠固溶强化、增加珠光体的数量、 细化晶粒及沉淀强化提高强度。 b、低碳调质钢——其含碳量Wc≤0.25%，主要 依靠淬火和高温回火（调质）来提高强度和塑 韧性。 c、中碳调质钢——其含碳量Wc＞0.3%，屈服 强度σs可达880MPa，也是依靠淬火和高温回 火（调质）来提高强度和塑韧性。但由于含碳 量较高，故其韧性较低，焊接性较差。
第四章 合金结构钢 和铸铁的焊接
第一节
合金结构钢的焊接
一、合金结构钢的分类
合金结构钢是在普通碳素钢中添加了某些 合金元素以满足相关条件及性能的钢种。 它分为强度用钢和特殊用钢。 1、强度用钢——亦称高强钢，其屈服强 度σs≥290MPa，抗拉强度σb≥440MPa。 按屈服点的高低及热处理情况，分为：
b、埋弧焊工艺：可采用Ⅰ形、V形或U形坡口。 适用焊丝：H08MnA、H10Mn2。 适用焊剂：HJ431、HJ350、SJ301。 焊剂烘干规范：HJ431，250-300℃/2h；SJ301， 300-350℃/2h。 焊接工艺参数：使用φ4mm焊丝时，焊接电流600 -680A,电弧电压34-38V，焊接速度20-30m/h；使 用φ5mm焊丝时，焊接电流650-720A,电弧电压36 -40V，焊接速度25-32m/h。 预热温度：当板厚大于50mm，预热温度为100-12 0℃。
中碳调质钢由于含碳量和合金元素量较高，结 晶区较宽，易产生偏析，淬硬性和产生结晶裂 纹的倾向较大，冷裂纹的敏感性也较大，易产 生热影响区脆化。焊接时，应尽量选择碳含量 低，P、S杂质少的焊接材料；焊前应预热，冷 却时尽量慢冷，焊后应及时进行回火处理，预 热温度及焊后回火温度均应比母材的回火温度 低50℃以下；焊接时应减少热输入，最好采用 氩弧焊。
c、中碳调质钢 欲使钢的屈服强度高于880MPa，必须提高含碳 量至0.25-0.45%，并进行淬火加回火处理。淬 火后为马氏体组织；高温回火后为回火索氏体， 低温回火后为回火马氏体。 中碳调质钢主要有Cr-Mo系、Cr-Ni-Mo系和CrMn-Si系调质钢。其中的合金元素总量约为3-7 %。由于其含碳量和合金元素量较高，故铁素 体的固熔强化和合金渗碳体的弥散强化效果优 于低碳调质钢，其强度也更高。 30CrMnSiA是应用较广的中碳调质钢。
a、焊条电弧焊工艺：可采用V形或U形坡口。 使用焊条：E5003(J502)、E5001(J503)、E501 6(J506)、E5015(J507)等。 焊条烘干规范：E5003、E5001，120-150℃/1h; E5016、E5015，350-400℃/2h。 焊接工艺参数：使用φ4mm焊条时，焊接电流 160-180A,电弧电压21-22V；使用φ5mm焊条时， 焊接电流210-240A,电弧电压23-24V。 预热温度：使用E5003、E5001酸性焊条时，当 板厚大于20mm，应预热至100℃以上；使用E50 15、E5016碱性焊条时，当板厚大于32mm，应 预热至100℃以上。
图1 焊缝中C、Mn、S含量对 角焊缝结晶裂纹的影响
选用低氢型 焊条或选用 超低碳焊丝 配合高硅高 锰焊剂进行 埋弧焊，在 提高焊缝含 锰量的同时 降低碳、硫 含量，均是 防止结晶裂 纹的有效措 施。
b、液化裂纹——在多层焊接情况下，由 于焊接热循环的作用，近缝区金属晶界的 低熔点共晶发生局部熔化，在拉伸应力的 作用下而产生。
Q345(16Mn)是应用最广的热轧钢。若在其中 加入V、Nb等元素，能与钢中的C、N形成碳化 物和氮化物，进一步细化晶粒，提高钢的综 合性能。 若要进一步提高热轧钢（σs=294—343MPa） 的强度至390MPa以上时，必须在钢中加入沉 淀强化的元素（如V、Ni、Ti、Mo等），并进 行正火使合金元素沉淀强化以提高强度，形 成正火钢。
热轧正火钢由于含碳量较低，钢中的Mn/S比较 大，其焊接性良好，一般情况下不会生产结晶 裂纹和液化裂纹。但如果母材中的含碳量偏高， 且对S、P控制不严，也会产生结晶裂纹； 在热轧正火钢中，随着强度的提高和冷却速度 的加快，产生冷裂纹的倾向增加。故对强度较 高的热轧正火钢，焊接时一般要求预热； 热轧正火钢若采用大热量输入焊接，由于过热 区的奥氏体晶粒粗大，冷却时易形成粗大的魏 氏组织产生脆化，故尽量采用小热输入焊接。
珠光体耐热钢在焊接过程中有出现冷裂 纹和再热裂纹的倾向，为此，应尽可能 选择小热输入，并采用预热的方法。
e、低温钢 低温钢要求在-40~-196℃的低温工作温度范 围内有良好的韧性，为此，必须控制增加钢 脆性的C、P、S元素含量，增加有利于提高 低温韧性的Mn、Ni含量，并细化晶粒。 低温钢分无Ni钢和含Ni钢两类，由于无Ni钢 的碳和杂质量较低，不易产生裂纹，但容易 晶粒粗化降低韧性，故在选择焊接材料时应 尽量选择或添加含有Mn、Cu、Mo、Nb、Ti等 提高韧性及细化晶粒元素的材料。在工艺上 选择小热输入和快速多道焊工艺。
焊后热处理：对于低合金高强钢结构，接头 最大厚度超过50mm的重要承载部件，焊后需 作消除应力处理，温度600-650℃，保温时 间2.5min/mm。对于压力容器的预热焊部件 （壁厚大于34mm）及不预热焊部件（壁厚大 于30mm）时，要求作焊后清除应力处理，最 佳消除应力处理温度为600-620℃，保温时 间3min/mm，加热速度为150-200℃/h。
f、耐蚀钢 分为含铝低合金耐蚀钢和含磷低合金耐蚀钢。 含铝低合金耐蚀钢： 第一类：WAl≤0.5%，可抗石油腐蚀；焊接性好。 第二类：WAl≈1%，抗腐蚀性更优良； 第三类：WAl=2-3%，在高温高压下耐蚀性优良。 第二、三类钢焊接时易产生铝的分布不均及铁素 体脆化问题。为此，含铝低的耐蚀钢常选不含铝 的Mo-V焊条；含铝较高的耐蚀钢选Cr-Ni焊条或 Mn-Al焊条。焊接时采用小热输入和多层多道焊， 避免过热，减少脆化。
2、13MnNiMoNb钢厚板的焊接工艺：
13MnNiMoNb钢是典型的低碳调质钢，是以Mn、Mo、Nb 为主要合金元素的中温厚壁压力容器用钢。该钢具有 较好的力学性能，可在450℃以下的各种温度下工作。 a、焊条电弧焊工艺： 坡口选择：可采用V形或U形坡口。 使用焊条：E6015(J607)、E6016(J606)。 焊条烘干规范：350-400℃/h。 焊接工艺参数：使用φ4mm焊条时，底层焊道焊接电流 140A,电弧电压23-24V，填充焊道焊接电流160-170A； 使用φ5mm焊条时，填充焊道焊接电流220-230A,电弧 电压23-24V。
2、特殊用钢：按使用环境和性能，特殊用钢 分为珠光体耐热钢、低合金耐蚀钢和低温钢。 a、珠光体耐热钢——为Wc≤0.25%，加入了Mo 和Cr的亚共析钢。其高温强度好，高温性能稳 定，抗氧化性好，主要用于热动力设备和石油 化工设备的高温元件。 b、低合金耐蚀钢——在热轧或正火状态下使 用，要求综合力学性能和耐蚀性良好，主要为 用于石油化工设备的含铝耐蚀钢和用于耐海水 或大气腐蚀的含磷、铜耐蚀钢。 c、低温钢——在正火或正火回火状态下使用， 要求低温韧性好，常在-40~-196℃的低温下工 作，分为无镍钢和含镍钢。
低碳调质钢的冷裂纹敏感性较大，但若能在低 碳马氏体的转变温度附近（390℃）慢冷，可形 成韧性较好的回火马氏体，即可避免产生冷裂 纹。反之，若快冷，易产生冷裂纹。 为防止冷裂纹的产生，还需对焊接接头中的氢 含量进行控制，并采取预热、控制多层焊缝层 间的温度等措施。多采用钨极氩弧焊和熔化极 气体保护焊，并尽量减少焊接热输入。 由于低碳调质钢焊接后一般不需热处理，故焊 条的选择应尽量接近母材。焊条电弧焊时常选 用低氢型焊条；埋弧焊时常采用中硅焊剂。
2、合金结构钢的组织性能与焊接性分析
a、热轧正火钢 热轧正火钢中的合金元素总量小于3%，主要为 Si、Mn，该元素不仅可固溶强化铁素体,还可使 铁—碳相图中的共析点向低碳方向移动，从而 增加珠光体的相对量，以提高钢的强度。在冶 炼时作为镇静剂加入的Al可形成AlN以细化晶粒， 其室温的组织为细晶粒铁素体加珠光体，故可 在热轧状态下使用。
魏氏组织：在含碳 量小于0.6%的亚共 析钢和含碳量大于 1.2%的过共析钢中， 由高温快速冷却时， 先共析的铁素体或 渗碳体便沿着奥氏 体的一定晶面呈针 片状析出，由晶界 插入晶粒内部，这 种组织即为魏氏组 织。
图2 过共析钢中的魏氏组织
魏氏组织是一种 过热缺陷，过热 钢在空冷后容易 形成魏氏组织； 奥氏体晶粒越粗 大，越容易形成 魏氏组织，其对 基体的割裂作用 将严重降低材料 的韧性。一般通 过退火或正火消 除魏氏组织。
图3 亚共析钢中的魏氏组织
热轧正火钢适合于各种焊接方法，主要采用焊条 电弧焊、埋弧焊、CO2气体保护焊等。 采用焊条电弧焊时，对于焊接强度较低、裂纹倾 向不大的热轧钢，可选用钛—钙型焊条或低氢型 焊条；对强度级别高的钢材，宜选用低氢型焊条； 采用埋弧焊时，对强度级别不高、接头厚度不大 的热轧正火钢，可选择高硅高锰焊剂，并配合不 含或少含Mn、Si的焊丝；对强度级别较高、接头 厚度较大的热轧正火钢，可选择中硅焊剂，并配 合含Mn合金焊丝，以保证足够强度。
d、珠光体耐热钢 珠光体耐热钢是以Cr-Mo为基的低中合金钢， 属亚共析钢，其合金总量小于5%，在600℃以 下具有良好的抗氧化性和热强性，并具有一 定的抗硫腐蚀性能和抗氢腐蚀性能。
珠光体耐热钢常采用焊条电弧焊、埋弧焊、 CO2气体保护焊等焊接方法。采用焊条电弧焊 时，一般用Mo或Cr-Mo耐热钢焊条；采用埋弧 焊时，常用低锰中硅HJ250或中锰中硅HJ350 作为焊剂，用H08CrMoA、H10CrMo、H08CrMoV 蚀钢常用的牌号为09MnCuPTi、 09CuPCrNi，其含碳量低，焊接时的冷裂纹敏 感性小，但Cu和P在晶界偏析易出现脆化和液 化裂纹倾向，故焊接时宜采用小热输入。
三、典型合金结构钢的焊接工艺 1、Q345(16Mn)钢的焊接工艺
Q345(16Mn)钢是典型的热轧钢。板厚 小于30mm的焊件，焊前一般可不预热。 Q345钢的淬硬倾向比低碳钢稍大，在 低温下，或在大刚度大厚度结构上焊 接时，为防止出现冷裂纹，仍需采取 预热措施。