冷轧钢焊接性能研究

冷轧钢焊接性能研究

一、冷轧钢与热轧性能比较

1、冷轧与热轧区别及各自优缺点

热轧和冷轧都是型钢或钢板成型的工序，它们对钢材的组织和性能有很大的影响，钢的轧制主要以热轧为主，冷轧只用于生产小号型钢和薄板。

热轧：

优点：可以破坏钢锭的铸造组织，细化钢材的晶粒，并消除显微组织的缺陷，从而使钢材组织密实，力学性能得到改善。这种改善主要体现在沿轧制方向上，从而使钢材在一定程度上不再是各向同性体；浇注时形成的气泡、裂纹和疏松，也可在高温和压力作用下被焊合。

缺点:1.经过热轧之后，钢材内部的非金属夹杂物（主要是硫化物和氧化物，还有硅酸盐）被压成薄片，出现分层（夹层）现象。分层使钢材沿厚度方向受拉的性能大大恶化，并且有可能在焊缝收缩时出现层间撕裂。焊缝收缩诱发的局部应变时常达到屈服点应变的数倍，比荷载引起的应变大得多；2.不均匀冷却造成的残余应力。残余应力是在没有外力作用下内部自相平衡的应力，各种截面的热轧型钢都有这类残余应力，一般型钢截面尺寸越大，残余应力也越大。残余应力虽然是自相平衡的，但对钢构件在外力作用下的性能还是有一定影响。如对变形、稳定性、抗疲劳等方面都可能产生不利的作用。

冷轧：

优点：成型速度快、产量高，且不损伤涂层，可以做成多种多样的截面形式，以适应使用条件的需要；冷轧可以使钢材产生很大的塑性变形，从而提高了钢材的屈服点。

缺点: ：1.虽然成型过程中没有经过热态塑性压缩，但截面内仍然存在残余应力，对钢材整体和局部屈曲的特性必然产生影响；2.冷轧型钢样式一般为开口截面，使得截面的自由扭转刚度较低。在受弯时容易出现扭转，受压时容易出现弯扭屈曲，抗扭性能较差；3.冷轧成型钢壁厚较小，在板件衔接的转角处又没有加厚，承受局部性的集中荷载的能力弱。

2、焊接性能比较

同等材质的钢材，热轧时经高温加热，相当于一个退火过程钢材自身基本没有应力。而冷轧板在轧制时不加热，在冷态时轧制，有一个“冷作硬化”的作用，强度有所升高，硬度也增加，同时也产生了应力。

在焊接时有一个“焊接应力”，由于冷轧板（含其他型材）的自有应力，加上

焊接应力，会使应力进一步加大，所以焊接性能不如热轧板了。

冷轧板表面光洁度较高，表面没有阻碍焊接的涂层，因此非常利于焊接的进行。基于这样的特点，冷轧板非常适合于薄板焊接。

热轧板表面有一层较厚且厚度不均的氧化层，或称为氧化皮。氧化皮多数呈不均匀的深色，并且板材表面光洁度较差。

由于该氧化皮的存在阻碍了焊接的进行，在焊接时，焊接电流必须首先突破氧化层的阻碍才能到达金属板表面进行焊接，因此需要较长的焊接时间才能保证焊接的强度

二、钢材可焊性研究

1、碳在钢中的作用

C是钢铁材料中提高强度最基本、也是最廉价的合金元素。由C或通过溶入Fe的晶格以固溶强化提高钢的强度，或者由过饱和Fe—C固溶体中析出碳化物以析出强化提高钢的强度。C对提高钢的淬硬性和淬透性的作用十分明显。随着钢中C含量的提高，钢的强度增加，而韧性和塑性下降。

2、碳与碳当量

钢在焊接过程中，焊缝、融合区和部分热影响区将加热到奥氏体区。对低碳钢来讲，其淬透性低，在冷却时不会形成马氏体，且此时钢材的塑性较高，一般不易产生焊接裂纹；对中、高碳钢及合金钢来讲，其淬透性较高，在焊接冷却过程中将产生马氏体，而中、高碳马氏体的硬度和强度高，但韧性、塑性很低，这样在组织应力和热应力的作用下将可能发生开裂，这是人们最早关注的焊接脆性问题。这与钢中的碳含量和合金含量有关，为用一个单一的参量来表示碳及合金元素对焊接后开裂趋势的影响，人们提出碳当量的概念，即将其他合金元素按一定比例关系折算后与碳元素相加而成。碳当量越大，越容易发生焊接开裂。同时，一般来讲钢的强度也随碳当量的提高而增加。

3、碳当量与焊接性的关系

目前有多种表示碳含量及合金元素与焊接性关系的经验公式，其中最常用的有国际焊接学会(IIW)采用的Ceq公式和日本ITO提出的通常称为焊接冷裂指数的Pcm公式：

Ceq=C+Mn／6+(Ni+Cu)／15+(Cr+Mo+V)／5

Pcm=C+Si／30+(Mn +Cu+ Cr)／20+Ni／60+Mo／15+V／10+5B

上述二公式都可称为碳当量(CE)公式。

然而，碳当量只是个近似的概念，很多合金元素的作用也很复杂，很难用一个

碳当量的公式反应各种钢材的焊接性。因此，碳当量的公式也有其适用范围，对不同的钢种应选用适用的碳当量公式来反映其焊接性。如上述Ceq的表达式是从大量w(C)>0．18％的钢种中得出的经验公式，对于w(C)>0．18％的钢种是适用的。但当向低碳含量或超低碳含量的钢种外推时，有时并不完全适用。此外，Ceq表达式与钢的强度之问存在定的对应关系，即对同类型的钢来讲，钢的强度随着Ceq的提高而增加。

4、管线钢的碳含量和碳当量(Ceq)与焊接性的关系

对管线钢韧性和焊接性的不良影响，管线钢中的c含量不断降低，为弥补由此带来的强度损失就必须通过添加其他合金元素来补充，或采用新的成分和组织设计。此时，上述Ceq表达式已不能真实反映W(C)≤0．12％的低碳和超低碳钢的焊接性，这可从著名的反映钢的焊接性与碳含量、碳当量关系的格瑞维勒(Graville)图中反映出来(图1)。图的纵座标是钢的碳含量，横座标是上述碳当量Ceq表达式，图中分为三个反映焊接性的区域。从中可见：区域I为易焊接区，在该区域的钢种具有很好的焊接性；区域II为可焊接区，在该区域的钢种通过适当的预热和焊后热处理还是可以焊接的，具有一定的焊接性；区域III为难焊接区，表明在该区域的钢种即使采用了预热和焊后热处理还是难以焊接的，其焊接性差。早期的管线钢，如图1中表示的20世纪50年代的X52钢级，其碳含量较高(W(c)>0．22％)，处在可焊接区域II和难焊接的区域III。近代管线钢的发展最显著的特征之一就是不断降低钢中的c含量，随着c含量的降低，钢的焊接性得到明显的改善。如前述的X52钢级管线钢到20世纪80年代的后期，其c含量已降低(W(c)<0．10％)，此时具有良好的焊接性。从图1可以看到管线钢c含量变化的发展轨迹。