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。

(1) 对接焊缝的形状对接头的疲劳强度影响最大A.过渡角的影响Yamaguchi 等人发现疲劳强度和基本金属与焊缝金属之间过渡角(外钝角) 有很大关系。

焊缝宽度W和高度h变化, 但h/ W 比值保持不变, 疲劳强度也保持不变; 但如果W保持不变, h增加则接头疲劳强度降低。

B.焊缝过渡半径的影响Sander 等人的研究结果表明焊缝过渡半径同样对接头疲劳强度具有重要影响, 即过渡半径增加(过渡角保持不变) , 疲劳强度增加。

(2) 角焊缝的形状对于接头的疲劳强度也有较大的影响当单个焊缝的计算厚度a与板厚B之比a/B< 0. 6~ 0. 7时, 一般断裂于焊缝; 当a/ B > 0. 7时, 一般断于基本金属。

因此研究者提出了极限焊脚尺寸的概念: S= 0. 85B ( S 为焊脚尺寸) 。

可见纵使焊脚尺寸达到板厚时( 15 mm) , 仍可得焊缝处的断裂结果。

3. 2. 3 焊接缺陷的影响焊趾部位存在着大量不同类型的缺陷, 导致疲劳裂纹早期开裂, 使母材的疲劳强度急剧下降(下降到80%) 。

焊接缺陷大体上可分为两大类: 面状缺陷(如裂纹等) 和体积型缺陷(气孔、夹渣等) , 它们的影响程度是不同的, 同时焊接缺陷对接头疲劳强度的影响与缺陷的种类、方向和位置有关。

(1) 裂纹焊接中的裂纹, 如冷、热裂纹, 除伴有具有脆性的组织结构外, 是严重的应力集中源, 它可大幅度降低结构或接头的疲劳强度。

早期的研究已表明, 在宽60 mm、厚12. 7 mm 的低碳钢对接接头试样中, 在焊缝中具有长25 mm、深5. 2 mm 的裂纹时(它们约占试样横截面积的10% ) , 在交变载荷条件下, 其2 *106 循环寿命的疲劳强度大约降低了55%~ 65%。

(2) 未焊透其主要影响是削弱截面积和引起应力集中。

以削弱面积10%时的疲劳寿命与未含有该类缺陷的试验结果相比, 其疲劳强度可降低15% ~ 25%。

(3) 气孔气孔为体积缺陷, Harrison 对前人的有关试验结果进行了分析总结, 疲劳强度下降主要是由于气孔减少了截面积尺寸造成, 它们之间有一定的线性关系。

但是一些研究表明, 当采用机加工方法加工试样表面, 使气孔处于表面上, 或刚好位于表面下方时, 气孔的不利影响加大, 它将作为应力集中源起作用而成为疲劳裂纹的起裂点。

这说明气孔的位置比其尺寸对接头疲劳强度影响更大, 表面或表层下气孔具有最不利影响。

(4) 夹渣IIW(国际焊接学会)的有关研究报告指明: 作为体积型缺陷, 夹渣比气孔对接头疲劳强度影响要大。

通过上述介绍可见焊接缺陷对接头疲劳强度的影响, 不但与缺陷尺寸有关,而且还决定于其他因素, 如表面缺陷比内部缺陷影响大, 与作用力方向垂直的面状缺陷的影响比其他方向的大; 位于残余拉应力区内的缺陷的影响比在残余压应力区的大; 位于应力集中区的缺陷(如焊缝趾部裂纹)比在均匀应力场中同样缺陷影响大。

3. 3 焊接残余应力对疲劳强度的影响焊接残余应力对接头疲劳强度的影响与疲劳载荷的应力循环特性有关, 循环特性值较低时, 影响比较大。

由于结构焊缝中存有达到材料屈服点的残余应力, 因此在常规施加应力循环作用的接头中, 焊缝附近所承受的实际应力循环将是由材料的屈服点向下摆动, 而不管其原始作用的循环特征如何。

例如标称应力循环为+ S1 ~ - S2, 则其应力范围应为S1+ S2。

但接头中的实际应力循环范围将是由Sy(屈服点的应力幅) 到Sy - ( S1 + S 2) 。

这一点在研究焊接接头疲劳强度时是非常重要的, 它导致了一些设计规范以应力范围代替了循环特征r 。

此外, 在试验过程中, 试件的尺寸大小、加载方式、应力循环比、载荷谱也对疲劳强度有很大的影响。