8.3热轧正火钢的焊接

适用于强度级别较高的低合金高强钢 (σb=500～1000MPa)
这两个公式只适用于wC>0.18%的钢种。
P c m C + 3 S 0 i+ M n + 2 C 0 u + C r+ 6 N 0 i+ M 1 5 o+ 1 V 0+ 5 B适 90用0M于Pwa的C≤低0.合17金%高，强σb度=4钢00～
TMCP钢通过控轧控冷技术的应用晶粒尺寸可小于50μm，最小可达到 10μm。超细晶粒钢可使晶粒尺寸达到0.1~10μm。TMCP钢具有良好的加 工性和焊接性，满足了石油和天然气等工业的需要，这类钢还将在更多的 钢结构中得到应用。
控轧管线钢焊接的主要问题是过热区晶粒粗大使抗冲击性能下降，改善措 施是在钢中加入沉淀强化元素（形成TiO2、TiN）防止晶粒长大，优化焊 接工艺及规范
一、热轧、正火钢的成分及性能
13MnNiMoNb ➢13MnNiMoNb钢是我国在80年代末引进国外配方研制而成的。由于含 碳量低(wC≤0.16％)，合金化配方合理，因此这种钢具有较高的强度和韧 性，并有良好的焊接性，特别是对再热裂纹的敏感性很低。因此， 13MnNiMoNb钢在制造高压锅炉气包及其它高压容器中得到广泛应用。
微合金控轧钢的碳含量和碳当量都很低，冷裂纹敏感性 较低。除超厚焊接结构外，490MPa级的微合金控轧钢焊接 一般不需要预热。
二、热轧及正火钢的焊接性分析
冷裂 纹的 影响 因素
碳当量
（CE）
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
二、热轧及正火钢的焊接性分析
（1）碳当量（CE）
所谓控轧即控制轧制温度，采用较低的轧制温度(接近于A3，约850℃)， 在大压力的情况下使已经细化的奥氏体晶粒不再长大，冷却后的晶粒比正 火钢略细（正火钢的奥氏体化温度一般为900℃） ，强度也略高，从而获 得高强度、高韧性和良好的焊接性。但降低轧制温度，使控轧钢的厚度受 到了限制，一般厚度超过12mm，细化晶粒和沉淀强化的效果都将受到影 响。这种钢主要用于制造石油、天然气的输送管线，故又称为管线钢。
一、热轧、正火钢的成分及性能
类别 σs/ MPa
成分 组织/状态
强化机理
典型钢种
热轧钢
正火钢
295~390
wC≤0.2%，wSi≤0.55%， wMn≤ 1.5%。
钢锭加热1300℃，热轧，空冷
≥ 390
在Q345的基础上加入V，Nb，Ti 、 Mo等元 素（沉淀强化）
钢板再加热900 ℃ ，空冷
一、热轧、正火钢的成分及性能
使用状态：一般在热轧状态下使用。在特殊情况下， 如要求提高冲击韧性以及板厚时，也可在正火状态 下使用。例如，Q345在个别情况下，为了改善综合 性能，特别是厚板的冲击韧性，可进行900~920℃正 火处理，正火后强度略有降低，但塑性、韧性（特 别是低温冲击韧性）有所提高。
Q345(16Mn)
Q390，Q345 （σs/σb 高）
14MnMoV、18MnMoNb（中温性能好），Z 向钢（抗撕裂）
一、热轧、正火钢的成分及性能
正火钢的强化方式多于热轧钢，因此其强度一般高于热轧钢，
另外也可以看出，热轧及正火钢基于其强化机理，强度直接取决于合金 元素的含量，强度要求越高，所需加入的合金元素元素越多，但合 金元素增加所带来的塑性、韧性损失越大。 热轧及正火钢价格便宜，综合力学性能较好,广泛应用于常温下 工作的一些受力结构，如压力容器、动力设备、工程机械、桥梁、 建筑结构和管线等。
一、热轧、正火钢的成分及性能
一、热轧、正火钢的成分及性能
1.热轧钢 热 轧 钢
屈服强度为295-390MPa的 普通低合金钢都属于热轧钢
热轧钢通常为铝镇静(Al脱氧)的细晶 粒铁素体＋珠光体组织的钢
合金系：C-Mn或C-Mn-Si系，主要靠Mn、Si的固溶强化作用提高强
度（在特殊状态下加入了少量的V和Nb→沉淀强化和细晶强化）。
Q390（15MnV） 与 Q390（15MnTi）相似，主要用V代替Ti
（0.04~0.12%），V细化晶粒和沉淀强化
一、热轧、正火钢的成分及性能
热轧钢的综合力学性能好，焊接性及其他 的加工性好，而且原材料资源丰富，冶炼 工艺简单，价格便宜，因而在国内外都得 到普遍应用。
一、热轧、正火钢的成分及性能
铜合金螺旋桨ZQAl10-3Fe-1.5Mn
一、热轧、正火钢的成分及性能
屈服强度 σs为295～490MPa的低合金高强钢，一般是在热 轧或正火状态下供货使用，故称为热轧钢或正火钢，属于非热 处理强化钢。常用热轧或正火钢的化学成分和力学性能见表2-7 和表2-8。
一、热轧、正火钢的成分及性能
二、热轧及正火钢的焊接性分析
低合金钢的焊接性主要取决于它的化学成分和轧 制工艺，钢中元素对焊接性影响最大的是碳。热 轧及正火钢属于非热处理强化钢，碳及合金元素 的含量都比较低，总体来看焊接性较好。但随着 合金元素的增加和强度的提高，焊接性也变差。 焊接的问题主要来自两方面：焊接裂纹与热影响 区母材性能下降。
2.正火钢
➢就是在Q345（16Mn）固溶强化的基础上，加入一些碳、氮化合物形成元 素(如V、Nb、Ti和Mo等)，使钢中合金元素形成的碳、氮化合物以细小的 化合物质点从固溶体中沉淀析出，弥散分布在晶内和晶界，产生沉淀强化， 并起细化晶粒的作用，可以在提高钢材强度的同时，改善钢材的塑性和韧 性，避免过分固溶强化所造成的脆性。要求钢的σs≥390MPa时，必须加强 合金元素的沉淀强化和细晶强化作用进行固溶强化。
CE 为国际焊接学会的碳当量公式 Ceq为日本常用的碳当量公式 Pcm为合金元素的裂纹敏感指数
二、热轧及正火钢的焊接性分析
• 在实际中， CE应用相当普遍
一般认为CE＜0.4%时，钢材在焊接过程中基本无淬硬倾向，冷裂敏感性小。 屈服强度295~390MPa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热输入。
其主要特点是屈强比（σs/σb）较高
一、热轧、正火钢的成分及性能
2）正火+回火状态下使用的含Mo钢
➢低合金钢中加入一定量的Mo（0.5％） ，可细化晶粒，提高强度， 提高钢材的中温性能。含Mo钢在较高的正火温度或较快速度的连 续冷却下，得到的组织为上贝氏体和少量的铁素体，韧性和塑性指 标不高，因此正火钢必须回火后才能保证获得良好的塑性和韧性。 ➢典型钢种：14MnMoV和18MnMoNb。
Q235A
Q345E,16Mnq（南京长江大桥）
Q460，化学成分16Mn钢为基础，不添加V元素，添加约0.02％的Nb元素，采用 控轧控冷工艺(TMCP)主要依靠晶粒细化和析出强化提高钢材强度。（鸟巢）
材料：Q460
Байду номын сангаас
S355K2G3 （16Mn）
以“渤海8号” 自升式钻井平 台为例，悬臂 梁选用588 MPa级高强 度钢，牌号为 WELLEN60。
➢成分特点： 热轧钢的成分 + V、Ti、Mo、Nb
↓
↓
➢强化机理：
固溶强化 + 沉淀强化+细化晶粒
一、热轧、正火钢的成分及性能
正火钢中的Mo钢正火后还必须进行回火才能保证良好的塑性和韧性。因此 正火钢又可分为正火状态下使用的钢和正火+回火状态下使用的含Mo钢两 种。
1）正火状态下使用的钢 ➢主要是含(V，Nb:0.15%~0.20% )、Ti的钢，[Q390(15MnTi、16MnNb)] 利用V、Nb元素形成的碳、氮化物弥散质点所起的沉淀强化和细化晶粒 的作用来达到良好的综合性能，有可能适当地降低钢中的含碳量，对改 善材料的焊接性和韧性都是有利的。加入少量N(ωN≤0.012%~0.02%)的 Mn-V-N钢，由于增加了氮化钒的沉淀强化作用，可以提高钢的屈服强度 到420MPa [Q420(15MnVN)]。
CE =0.4%～0.6%时，钢材塑性下降，淬硬倾向逐渐增加，属于有淬硬倾向的
钢。屈服强度441~490MPa的正火钢基本上处于这一范围，其中碳当量不超过 0.5%时，淬硬倾向不算严重，焊接性尚好，但随着板厚增加需要采取一定的 预热措施，如Q420就是这样。 18MnMoNb的碳当量在0.5%以上，它的冷裂敏 感性较大，焊接时为避免冷裂纹的产生，需要采取较严格的工艺措施，如严格 控制热输入、预热和焊后热处理等。
一、热轧、正火钢的成分及性能
3．微合金控轧钢
钢的晶粒尺寸在50μm以下的钢种称为细晶粒钢，细化晶粒可使钢获得强 韧性匹配良好的综合力学性能。控轧主要是控制钢材的变形温度和变形量， 利用位错强化来韧化钢材；控冷主要是控制钢材的开始形变温度和终了形 变温度，以及随后的冷却速度。与控轧相比，控冷对钢材晶粒细化的效果 更显著。控轧后立即加速冷却所制造的钢，称为TMCP（ThermoMechanical Control Process）钢。
裂纹问题 接头的脆化问题
二、热轧及正火钢的焊接性分析
1．冷裂纹及影响因素
热轧钢含有少量的合金元素，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）冷裂倾向不大。正 火钢由于含合金元素较多，淬硬倾向有所增加。强度级别 及碳当量较低的正火钢，冷裂纹倾向不大；但随着正火钢 碳当量及板厚的增加，淬硬性及冷裂倾向随之增大，需要 采取控制焊接热输入、降低扩散氢含量、预热和及时焊后 热处理等措施，以防止焊接冷裂纹的产生。
一、热轧、正火钢的成分及性能
典型钢种：Q345(16Mn) Ceq=0.49是我国于1957年研制生产和 应用最广泛的热轧钢。
Q390（15MnTi） 以Q345（16Mn）为基础，加入Ti（0.12~0.20%）、
降低C含量(0.20%降为0.18%)。固溶+沉淀强化，性能优于 16Mn。一般在正火态使用。
一、热轧、正火钢的成分及性能
3．微合金控轧钢
X60是微合金化控轧钢，微合金化钢就其本质来讲与正火钢类似，它是在 低碳的C-Mn钢基础上通过V、Nb、Ti微合金化（加入微量Nb、V、Ti 、 Mo、B、RE对钢的组织性能有显著或特殊影响的微量合金元素，质量分 数为0.1%左右）及炉外精炼、控轧、控冷等工艺，达到细化晶粒和沉淀 强化相结合的效果。在冶炼工艺上采取了降C、降S、改变夹杂物形态、 提高钢的纯净度等措施，使钢材具有均匀的细晶粒等轴晶铁素体基体（热 轧钢的晶粒是带状的）。获得细化晶粒和良好的综合力学性能。由于淬透 性高，空冷时即可获得韧性较高的低碳马氏体或下贝氏体。
一、热轧、正火钢的成分及性能
Z向钢
表8-9中的D36钢是属于保证厚度方向性能的低 合金钢，又称Z(即厚度方向)向钢。 由于冶炼中 采用了钙或稀土处理和真空除气等特殊的工艺 措施，使Z向钢具有S含量低（wS≤ 0.006%）、 气体含量低和Z向断面收缩率高（ψZ≥35%）等 特点。屈服强度σs≥343MPa。
18MnMoNb ➢Mn-Mo系中加入少量的Nb，可以进一步提高钢的强度，18MnMoNb 钢的≥490MPa。这种钢主要用于制造高压锅炉气包。但由于含碳量较高 (wC =0.17％～0.23％)，焊接性不如13MnNiMoNb，而且在正火+回火状 态的力学性能不够稳定。80年代末，13MnNiMoNb取代了部分 18MnMoNb。
热轧态（非热处理强化钢） 一般为铝镇静的细晶粒F＋P
Mn、Si合金固溶强化； V、Nb 、 Ti ( 形成碳化物和氮化物 ) 细 晶强化，沉淀强化。
正火（含V，Nb，Ti） 正火+回火（含Mo）
在固溶强化的基础上，加入促C、N化合物形 成元素（如V、Nb、Ti和Mo等），通过沉淀 强化和细化晶粒进一步提高钢材的强度和保 证韧性。
淬硬倾向主要取决于钢的化学成分，其中以碳的作用最明显。可通过碳当量 公式来大致估算不同钢种的冷裂敏感性。通常碳当量越高，冷裂敏感性越大。
M n C u+ N i C r+ M o+ V 适用于中等强度的非调质低合金钢
C E (IIW )= C + + +
6 15
5
(σb=400～700MPa)
M nS i N i C r M oV C e q(W E S )= C +6+ 2 4+ 4 0+5+4+ 1 4
在低碳条件下（ wC≤0.2% ），wMn≤1.6％，wSi≤0.6％时，可以保持 较高的塑性和韧性。Si的质量分数超过0.6%后对冲击韧性不利，使韧脆 转变温度提高；C的质量分数超过0.3%和Mn的质量分数超过1.6%后， 焊接时易出现裂纹，在热轧钢焊接区还会出现脆性的淬硬组织。因此， 合金元素的用量与钢的强度水平都受到限制。