低碳调质钢的焊接

低碳调质钢的焊接

低碳调质钢的成分是根据在调质状态下使用而设计的。这类钢多用于重要的焊接结构，对焊接质量要求高，这类钢大都在调质状态下焊接。

1）接头及坡口型式设计

对于屈服强度在600MPa以上的低碳调质钢来说，焊缝的分布及接头部位的应力集中程度都将对接头的质量有明显的影响。合理的接头应该是应力集中系数最低，具有良好的可焊接性，并便于焊后检验。为此，应尽量避免将焊缝布置在断面突然变化的部位，并要考虑便于施焊。

一般来说，应该采用对接接头焊缝，而且要求焊缝与母材交界处平滑过渡。坡口型式以U型或V型为佳，但必须要求两个坡口必须完全焊透。为了降低焊接应力, 可采用双V型或双U型坡口。

2）坡口制备

低碳调质钢的坡口可以用氧-乙炔火焰切割，但切割边缘有硬化层，应通过回火或机械加工消除之。

板厚小于100mm时，切割前不需预热。板厚超过100mm，应进行100~150℃预热。

强度等级较高的钢，不宜用氧-乙炔火焰切割，应用电弧或等离子弧切割。

3）焊接方法选用

低碳调质钢在调质状态下焊接，为使回火区的软化降到最低限度，应采用比较集中的热源。

σs≤1000MPa的钢，可用手工电弧焊、埋弧焊、钨极氩弧焊或熔化极气体保护焊等方法。

其中σs≥700MPa的钢，如HY-130钢，为了获得满意的接头性能，最好用钨极氩弧焊或熔化极气体保护焊。

如由结构形式决定，确实需采用高线能量的焊接方法（如电渣焊或多丝埋弧焊）, 焊后必须进行调质处理。

4）焊接材料

焊接材料选用的原则依母材在热处理状态的不同而定。母材在调质状态下进行焊接时，选用的焊接材料，应保证焊态的焊缝金属与调质状态的母材具有相同的力学性能；当接头拘束度很大时，为了防止冷裂纹，可选用强度略低的填充金属。

常用的焊材选用对照表

手工电弧焊可用GB-E85系列的焊条，如E8515-X、E8518-X（J857、J857Fe）等或ASW中E110系列的焊条。埋弧焊则用Mn-Mo、Mn-Cr-Ni-Mo或Mn-Mo-V系焊丝。

焊条必须按规定进行烘焙，烘干后应置于保温筒内，不应在大气中久放。耐吸潮低氢型焊条在350~400℃烘焙1h后，可在相对湿度80%环境中放置24h，药皮含水量仍不超过规定标准。

母材在退火（或正火）状态下进行焊接时，焊后需进行整体调质处理。选用焊接材料的原则是保证焊缝金属经过与母材相同的热处理后，具有与母材相同的力学性能。为此，要求焊缝与母材的合金成分相同或相近。

5）焊接线能量

选用线能量的一般原则是：在保证热影响区韧性的前提下，采用允许的最大线能量，尽量采用多层多道焊。如果此时的冷速低于防止冷裂纹的下限，就应通过预热调整Ms点附近的冷却速度。

6）预热温度

预热的主要目的是防止冷裂发生, 对改善组织无明显效果。但为了防止在高温阶段冷速过低而产生脆性的混合组织，预热温度不宜过高，一般不超过200℃。条件允许时，采用“低温预热+后热”或“不预热只后热”。

常用的预热温度对照表

7）焊后热处理

一般不进行焊后热处理，原因：

A.有些钢种对消除应力裂纹比较敏感；

B.退火冷速低，降低韧性。

下列情况之一，可进行消除应力退火处理：

1.钢材在焊后或冷变形加工后，韧性达不到要求；

2.焊后需进行高精度加工，结构要求保证尺寸稳定；

3.钢材对应力腐蚀敏感。

注意：为保证退火后的强度和韧性，消除应力处理的温度应该低于母材焊前回火温度30℃左右。

焊接接头疲劳强度的研究

焊接作为高效的连接组装工艺之一, 通常对一个产品的质量起着决定性的作用。研究和实践表明; 焊接结构经常不断发生断裂事故, 其中90%为疲劳失效, 焊接接头的疲劳破坏一般起裂于焊接接头的焊趾部位, 如果能改善焊趾处疲劳裂纹的起裂性能, 将有效地提高焊接结构的疲劳强度。因此提高和改善焊接接头疲劳强度具有极大的潜在经济效益和社会效益。近年来, 疲劳方面的研究虽已取得了很大的成绩, 但焊接结构疲劳断裂事故仍不断发生, 而且新材料、新工艺的不断出现将产生许多疲劳强度的新问题。

1 焊接结构疲劳失效的原因分析

从我国近几年的研究发现, 造成焊接接头疲劳断裂的原因主要有以下5 方面:

(A) 客观上讲, 焊接接头的静载承受能力一般并不低于母材, 而承受交变动载荷时, 其承受能力却远低于母材, 而且与焊接接头类型和焊接结构形式有密切的关系, 这是引起一些结构因焊接接头的疲劳而过早失效的一个主要的因素。

(B) 早期的焊接结构设计以静载强度设计为主, 没有考虑抗疲劳设计, 或者是焊接结构疲劳设计规范并不完善, 造成焊接接头形式和结构不合理。

(C) 技术人员对焊接结构抗疲劳性能的特点了解不够, 所设计的焊接结构往往照搬其他金属结构的疲劳设计准则与结构形式。

(D) 盲目追求结构的低成本、轻量化, 导致焊接结构的设计载荷越来越大。

(E) 对焊接结构疲劳强度方面的科研水平相对滞后。

3 影响焊接结构疲劳强度的主要因素

影响焊接接头疲劳强度的因素主要有以下两大类:

(A) 影响母材疲劳强度的因素(几何不连续性、表面状态、载荷及介质条件) 。

(B) 焊接结构自身的特点(近缝区组织的改变,残余应力) 。

3. 1 静载强度对母材疲劳强度的影响

对于焊接结构来说, 焊接接头的疲劳强度与母材静强度、焊缝金属静强度、热影响区的组织性能以及焊缝金属强度匹配没有多大的关系, 也就是说只要焊接接头的细节一样, 高强钢和低碳钢的疲劳强度是一样的, 具有同样的疲劳强度曲线(S -N曲线), 这个规律适合对接接头、角接接头和焊接梁等各种接头形式。Maddox的研究结果表明: 材料的力学性能对裂纹扩展速率有一定影响, 但影响并不大。

3. 2 应力集中对疲劳强度的影响

3. 2. 1 接头类型的影响

影响焊接接头几何不连续性的因素, 都将影响应力集中和疲劳强度。

(A) 接头形式: 对接、搭接、丁字和十字接头。在接头部位由于传力线受到干扰, 因而发生应力集中现象。

(B) 母材的厚度。

(C) 焊后余高。

(D) 母材与焊缝金属的过渡角。

(E) 焊接缺陷: 裂纹、咬边、未焊透、未熔合、夹渣等。

减小、避免接头的几何不连续, 降低应力集中,有利于提高接头的疲劳强度。

3. 2. 2 焊缝形状的影响

无论是何种接头形式, 它们都是由2种焊缝连接的, 对接焊缝和角焊缝。焊缝形状不同, 其应力集中系数也不相同, 因而疲劳强度具有较大的分散性。