高强钢焊接交流资料

② 焊缝金属的微合金化
焊缝金属不能象钢那样通过控轧控冷实现细晶化，只能通过微合金 化，使焊缝出现足够量的针状铁素体来提高强韧性。这种组织只适用于 600MPa级以下的钢种（如X80管线钢以下的钢级），对于更高钢级 （如X100、X120等），可通过焊缝实现超低碳贝氏体来提高强韧性。
焊接热循环特性
℃
焊接热影响区 的脆化及韧化
X80钢热影响区的韧性分布(-20 ℃)
冲击功(-20 ℃)（J）
HAZ区段 峰值温度℃
硬度
16kJ/cm
CGHAZ ICHAZ IRCGHAZ SCGHAZ SRCGHAZ
8kJ/c m 398.3 311.7 136.7 376.7 386.7
16kJ/c m 260.2 243.6 265.0 236.2 219.2
；③拘束度
RF
Si Mn Cr Cu Ni Mo V Pcm C 5B 30 20 60 15 10
⑶ 冷裂敏感指数 PW
HD RF P Pcm W 60 400000
T610L/T700/TH800汽车改装用高强钢 化学成分(%)
牌号
T610L T700 TH800
• 现在我国微合金钢杂质含量水平: w(S) 、w(P) ≤30 PPm w(O) ≤10 PPm w(H) ≤1 PPm
(2) 轧钢工艺
采用控轧控冷（TMCP）新技术，即控轧后立即加速冷却， 以细化晶粒，在提高强度的同时提高塑韧性。
传统的细晶粒钢：晶粒直径<100μm。
TMCP细晶钢： 晶粒直径＝10～50 μm； 超细晶粒钢： 晶粒直径＝0.1～10 μm 。
8kJ/c m 252.6 237.2 255.4 249.8 236.2
1350 790 1350+790 1350+590 1350+1000
248.3 300.0 11.7 146.7 341.7
450
IRCGHAZ
400 350
16kJ/cm 8kJ/cm
SCGHAZ
300
冲击功/J
250 200 150 100
焊接热循环中冷却时间 t8/5 的计算
• 二维热流 (薄板）：
t8 / 5 k 2 E 1 1 2 2 4c 500 T0 800 T0
2
• 三维热流（厚板）：
k3 1 1 E t8 / 5 2 500 T0 800 T0
0.04
0.01
0.002
0.005
X120
0.036
1.96
0.32
B: 0.0012
0.017
高强钢--管线钢的力学性能
钢级 Rel (MPa) >530 Rm (MPa) >590 A (%)
C
Si
Mn
Cr
Mo
Ni
Nb
V
Ti
S
P
X70 0.05 （S485） X80 0.043 （S555）
0.17
1.43
0.019
0.19
0.22
0.04
0.034
0.016
0.001
0.01
0.21
1.87
Nb+V+Ti+Cu+Ni+Mo 0.15
0.0012
0.015
X100
0.03
0.20
1.96
(1) 成分设计思想
打破传统的C、Mn、Si系钢的设计思想，而是采用降碳、多 种微量元素（如V、Nb、Ti、Cu、Re、B等）合金化，并通过控
轧控冷（TMCP）工艺提高强度，保证综合的力学性能。该类钢 种具有如下成分特征： ① 降碳，是为了改善塑性、韧性和焊接性 碳是最主要的强化元素，但会强烈的恶化塑韧性和焊接性。 因此，新钢种都严格控制碳含量，如X70、X 80钢中的碳含量小 于0.07％，有的甚至达到超低碳（0.03%以下)水平。
I---焊接电流(A); U---电弧电压（V); V---焊接速度(cm/s)
热影响区性能一般特征
焊接缺欠分类
• 成型缺欠：咬边，焊瘤，余高，未焊透， 错边，焊脚尺寸不足，变形 • 结合缺欠：裂纹，气孔，未熔合 • 性能缺欠：硬化，软化，脆化，耐蚀性 恶化，疲劳强度下降
热影响区特点之一：硬化
• 焊缝的合金化可通过下面几条途径开展研究： ① 焊缝金属的洁净化
通过冶炼技术使焊丝、钢带中的杂质含量达到或超过微合金钢的水 平； 控制焊缝中夹杂物的数量、种类、形态、尺寸及分布； 原辅材料的洁净化，严格控制原辅材料中各种铁合金、矿物质、 保护气体中的杂质含量； 通过冶金反应清除杂质实现洁净化。
t8/5 计算式有关参数---由此可了解诸因素作用
• • • • • • • • E---名义焊接线能量（J/cm) : E=I×U/ V T0---预热温度（℃) δ---板厚（cm) λ —导热系数（J/cm.s.℃) : 0.28 cρ---容积比热容（J/cm3. ℃) : 6.7 η---热效率 K---预热修正系数（1.1-0.001T0) φ 2、φ 3---接头形状修正系数
16Mn-SMAW
300
HV
δ=16mm
250
W I --- 熔合线
200
I=180A,U=28V,v=14.5cm/min
150 0 1 2 3 4
WI
热影响区特点 之二：软化
高强钢热影响区软化的控制
• “硬夹软”的“约束强化效应”
SJ
σSJ
1 K SR m
(3) 焊接性要求:
冷裂纹敏感系数：Pcm≤0.2%，碳当量：CE≤0.4%
采用上述技术思想已经开发出了多种新钢种，如结构钢、压 力容器用钢、建筑用钢、海上采油平台用钢、管线钢X60、X65、 X70、X80、X100 、X120。对于X80以下的钢级，我国已经能 够正常生产并供货。
• ④ 控制焊接工艺参数
产生冷裂纹的三要素：
• 焊接接头中产生淬硬的马氏体组织 • 焊接接头中扩散氢〔H〕D 含量高 • 焊接接头中有较高的残余应力
冷裂纹评定方法：
• 碳当量估算法 • 斜 Y 抗裂性试验法 等 • 冷裂纹敏感指数估算法 （Pcm）
高强钢焊接冷裂纹
⑴ 冷裂三要素： ①敏感组成 Pcm ； ②扩散氢[H]D ⑵ 冷裂敏感组成 Pcm
550-700 ≥700
≥18 ≥17 ≥47
T700
＞10.0~
≤16.0 ≥590 ≥700 ≥15
d=2a 完好
≥3.0~ ≤8.0
≥700
≥750~ 950
≥750~ 950
≥12 ≥40
TH800 ＞ 8.0~
≤16.0 ≥680 ≥12
d=2a 完好
高强钢--管线钢的化学成分（％）
钢级
C
≤0.12
Si
≤0.50
Mn P
≤1.70 ≤0.03
S
≤0.025
Ti
≤0.22
Nb
≤0.09
V
≤0.10
Ai
≥0.015
Mo
≤0.12
≤0.50
≤2.00
≤0.02
≤0.010
≤0.15
≤0.09
≤0.20
≥0.015
≤0.50
≤0.12
≤0.40
≤2.10
≤0Biblioteka Baidu02
≤0.010
≤0.15
≤0.09
② 微合金化技术 通过向钢中加入少量合金元素如Ti、V、Nb、Al、Re、B等细 化晶粒、净化基体，并实现沉淀强化 [细小弥散的碳氮化物、氧 化物{如TiN、Ti(C、N)、TiO等},其中Ti的细化晶粒作用最强 ]。
③ 高洁净化：通过精炼，清除杂质，净化基体，控制S、P、O、N、 H 的含量。钢中杂质： 普低钢： S+P+O+N+H<250PPm 经济洁净钢: S+P+O+N+H<120PPm 超洁净钢: S+P+O+N+H <50PPm
---带软化区的接头屈服点
σSR ---软化区的屈服点
m=b /δ （ b---软化区宽度，δ---板厚）
K---常数
焊接热影响区特点之三：脆化
例：焊接线能量对熔合区韧性的影响
①不含V、Ti、Nb 的高强钢，线能 量E具有最佳值。 ②含有能形成碳 化物或氮化物的 元素V、Ti、Nb的 高强钢，焊接时 易过热，须限制 线能量 E。
• 控制焊接工艺参数 {线能量：E=I×U/V （J/cm）、 预热、层温、后热等} ； • 控制高温停留时间 tH和 t8/5（800~500℃冷却时 间），避免晶粒长大； • 避免第二相粒子的集聚长大和不均匀的溶解与析出； • 获得高韧性的组织。
低合金高强钢的焊接性分析
• 低合金高强钢从 Q345（16Mn）再到Q360、 Q390，一直到目前大面积推广采用的Q420、 Q460等。 • 高强钢冷裂敏感性、再热裂纹敏感性、层状撕裂 敏感性。 • 焊接材料和焊接工艺参数对高强钢焊接接头性能 的影响，确定与之相匹配的合适焊材并焊接工艺 优化。
焊接工期；使焊接产品和结构不但经济，而且可以提高生产效
率和使用性能。 高强钢的焊接性和结构的可靠性及安全性是高强钢应用
的重要课题。
高强钢的设计思想(高强与高韧性匹配)
过去传统高强钢只注重钢材本身的性能，对焊接性考虑很少， 而高强钢则是从提高钢的强韧性及改善焊接性两个方面入手解决 新钢种的冶金问题。
例⑴ ：碳当量对高强钢热影响区硬化的影响
范 围 上 限
500 450 400 350
范 围 下限
HVmax
300 250 200 150 0.2 0.3 0.4 0.5
板 厚20mm t8/5=6s
0.6 0.7 0.8
热影响区特点之一：硬化
例⑵：工艺参数对高强钢热影响区硬化的影响
400
350
I=140A,U=30V,v=29.3cm/min
– 强度级别低于600MPa时（如X80以下的钢种），裂纹一般在HAZ起裂, 也可能向焊缝扩展。
•
强度级别高于600MPa时（如管线钢 X100, X120等), 裂纹倾向 增大，裂纹既可能出现在HAZ，又可能在焊缝中。具体起裂位置取决 于氢的扩散及母材和焊缝的Ms点。 • 裂纹位置可用焊缝及HAZ的马氏体转变点作判据。
传统钢的焊接性
传统钢合金结构钢是通过提高碳和合金元素的含量并 配合适当的热处理来提高钢的强度的，且韧性偏低。设计 时并未考虑焊接性的需要，因此在焊接时焊接性问题比较 突出。主要的焊接性问题是： （1）焊接裂纹（包括冷裂纹、热裂纹、再热裂纹、层 状撕裂等） （2）脆化（过热脆化、淬硬脆化、混合组织脆化、析 出脆化、应变时效脆化） （3） 软化（调质钢） 焊接这类钢时往往需要预热比较高的温度，严格控制工 艺参数，并采取必要的工艺措施才能保证焊接接头的焊接 性。 （4）问题部位：往往是出现在HAZ，而不是焊缝。
焊接接头的薄弱部位。 – 但是焊接材料既不能向炼钢那样实现洁净化，又不能通 过控轧控冷实现细晶化，因而其强韧性的匹配难以实现。 因此，研制与微合金高强钢匹配的焊接材料是焊接技术 人员亟待解决的重要课题。 – 由上可知，微合金钢焊接时HAZ的焊接性问题已不像传 统钢那样突出，而焊缝中的焊接性问题将突出出来。
焊接热影响区的局部脆化示意图
50 0 CGHAZ ICHAZ SCGHAZ HAZ区域 IRCGHAZ SRCGHAZ
焊缝金属的合金化
– 微合金高强钢通过冶炼、控轧控冷及微合金化技术相结 合实现了细晶化、纯净化，从而实现了强韧性的最佳配 合。这就要求与之匹配的焊接材料也必须实现细晶化和
洁净化。否则焊缝的性能将不能与钢种匹配，从而成为
微合金钢的焊接性
• 裂纹倾向 • 由于管线钢采用低碳、多种微量元素合金化，严格控制了S、P 含量， Pcm≤0.2，Ceq ≤0.4。因此，管线钢的热裂倾向及冷裂倾向 及脆化倾向均较小。焊接时预热温度较低。 • 但当C、S、P发生偏析时，热裂倾向依然较大。埋弧焊时应采用 高碱度焊剂。 • 管道野外安装时，由于常用纤维素焊条打底，含氢量高，加之装 配应力较大，冷裂纹倾向逐渐增大，需要采用预热、低氢等措施。
≤0.20
≥0.015
≤0.50
注:Nb+V+Ti ≤0.22%
T610L/T700/TH800高强钢力学性能和工艺性能 牌号
规格范围 (mm)
力学性能 Rel,MPa Rm,MPa A,%
纵向-20℃ AKv(J)
180°横 向冷弯 试验
d=a 完好
T610L
≥6.0~ ≤10.0
≥500 ≥625
高强钢的焊接性分析及工程案例
唐山松下产业机器有限公司
焊接技术应用中心（FATC） 2008年10月
高强钢的发展及对焊接性的要求
管线钢、压力容器用钢、舰艇钢、桥梁钢、建筑结构钢、 铁路重轨钢、电力及化工石油设备、汽车车辆、工程机械、海 上采油平台钢等多种焊接结构用钢均已开始采用高强钢。 其 中管线钢是高强钢中发展最早、应用最成熟的钢种。 应用高强钢能够减轻焊接结构的质量，节约材料和缩短