第13章 低合金钢的焊接

第十三章低合金钢的焊接13.1概述低合金钢是在碳素钢的基础上添加一定量的合金化元素而成，其合金元素的质量分数一般不超过5%，用以提高钢的强度并保证其具有一定的塑性和韧性，或使钢具有某些特殊性能，如耐低温、耐高温或耐腐蚀等。

常用来制作焊接结构的低合金钢可分为高强度钢、低温用钢、耐腐蚀用钢及珠光体耐热钢四种。

13.2低合金高强钢的焊接其中高强度钢应用最广泛，按钢材的屈服强度及使用时的热处理状态又可分以下三种：a.在热轧、控冷控轧及正火（或正火加回火）状态下焊接和使用，屈服强度为295～490MPa的低合金高强度结构钢。

b.在调质状态下焊接和使用的，屈服强度为490～980Mpa的低碳低合金调质钢。

c.w（C）为0.25～0.50％，屈服强度为880～1176Mpa的中碳调质钢。

标准中钢的分类是按照钢的力学性能划分的。

钢的牌号由代表屈服点的汉语拼音字母Q、屈服点数值、质量等级符号三个部分按顺序排序排列。

按照钢的屈服强度，低合金高强度钢分5个强度等级，分别是295MPa、345MPa、390MPa、420MPa及460MPa。

每个强度等级又根据冲击吸收功要求分成A、B、C、D、E、5个质量等级，分别代表不同的冲击韧性要求。

低合金高强钢中w（C）一般控制在0.20%以下，为了确保钢的强度和韧性，通过添加适量的Mn、Mo等合金元素及V、Nb、Ti、Al、等微合金化元素，配合适当的轧制工艺或热处理工艺来保证钢材具有优良的综合力学性能。

由于低合金高强度钢具有良好的焊接性、优良的可成形性及较低的制造成本，因此，被广泛地用于压力容器、车辆、桥梁、建筑、机械、海洋结构、船舶等制造中，已成为大型焊接结构中最主要的结构材料之一。

低合金高强钢的强化机理与碳素钢不同，碳素钢主要通过钢中的碳含量形成珠光体、贝氏体和马氏体来达到强化；而低合金高强钢的强化主要是通过晶粒细化、沉淀硬化及亚结构的变化来实现。

屈服强度为295～390MPa的低合金钢大多属于热轧钢，是靠合金元素锰的固溶强化获得高强度。

如Q345，当Q345钢作为低温压力容器用钢或厚板结构时，为改善低温韧性，也可在正火处理后使用。

Q345、Q390等微合金化低合金钢是在Q345钢基础上，加入少量可细化晶粒和沉淀强化的Nb（0.015%~0.06%）或V（0.02%~0.20%）。

这些钢在热轧状态下性能不稳定，正火处理使其晶粒细化和碳化物均匀弥散析出，从而获得高的塑性和韧性。

所以Q345、Q390钢在正火状态下使用更为合理。

屈服强度大于390MPa的低合金钢一般需要在正火或正火加回火状态下使用，如Q420等。

正火处理后形成的碳、氮化合物以细小质点从固溶体沉淀析出，在提高钢材强度的同时，保证具有一定的塑性和韧性。

随着钢材强度的进一步提高，钢中需要加入一定量Mo，Mo不仅可以细化组织、提高强度，而且还可提高钢材的中温性能。

低合金高强度钢按其用途还可分为：锅炉用钢、管线用钢、容器用钢、造船用钢及桥梁用钢等，此外，在正火钢中，还有具有良好的抗层状撕裂性能Z向钢，主要用于海上采油平台、核反应堆及潜艇等大型厚板结构。

13.3低合金钢用焊接材料的选用原则1.）根据产品对焊缝性能要求选择焊接材料。

高强钢焊接时，一般应选择与母材强度相当的材料，必须综合考虑焊缝金属的韧性、塑性及强度。

只要焊缝强度或焊接接头的实际强度不低于产品要求即可。

焊缝金属强度过高，将导致焊缝韧性、塑性以致抗裂性能的下降，从而降低焊接结构生产及使用的安全性，这对与焊接接头的韧性要求高，且基材的抗裂性差的低合金钢结构的焊接尤为重要。

海洋工程、超高强钢壳体及压力容器选用的焊接材料，还应保证焊缝金属具有相应的低温、高温及耐蚀等特殊性能。

2.）选择焊接材料时，还要考虑工艺条件的影响a.坡口和接头形式的影响采用同一焊接材料焊同一钢种时，如过坡口形式不同，则焊缝性能各异。

如用HJ431焊剂进行Q345钢埋弧焊不开坡口直边对接焊时，由于母材溶入焊缝金属较多，此时采用合金成分较低的H08A焊丝配合HJ431，即可满足焊缝力学性能要求；但如焊接Q345钢厚板开坡口对接接头时，如仍用H08—HJ431组合，则因母材熔合比小，而使焊缝强度偏低，此时应采用合金成分较高的H08MnA、H10Mn2等焊丝与HJ431组合。

角接接头焊接时冷却速度要大于对接接头，因此Q345钢角接时，应采用合金成分较低的H08A焊丝与HJ431焊剂组合，以获得综合力学性能较好的焊缝金属；如采用合金成分偏高的H08MnA或H10Mn2焊丝，则该角焊缝的塑性偏低。

b. 焊后加工工艺的影响对于焊后经受热卷或热处理的工件，必须考虑焊缝金属经受高温热处理后对其性能的影响。

应保证焊缝热处理后仍具有所要求的强度、塑性和韧性，如厚壁压力容器筒节需要热卷方法成形，热卷温度一般要求达到或高于正火温度。

这时筒节纵缝将随着经受正火处理，一般正火处理后焊缝强度要比焊态时低，因此对于在焊后要经受正火处理的焊缝，应选用合金成分较高的焊接材料。

如焊件焊后要进行消除应力热处理，一般焊缝的强度要降低，这时也应选用合金成分较高的焊接材料。

对于焊后经受冷卷或冷冲压的焊件，则要求焊缝具有较高的塑性。

3.）对于厚板、拘束度大及冷裂倾向大的焊接结构应选用超低氢焊接材料，以提高抗裂行能，降低预热温度。

厚板、大拘束度焊件，第一层打底焊缝容易产生裂纹，此时可选用强度稍低、塑性、韧性良好的低氢或超低氢焊接材料。

4.）对于重要的焊接产品如海上采油平台、压力容器及船舶等，为确保产品使用的安全性，焊缝应具有优良的低温冲击韧性和断裂韧度，应选用高韧性材料，如高碱度焊剂、高韧性焊丝、焊条、高存度的保护气体并采Ar+CO2混合气体保护焊等。

5.）为提高生产率可选用高效铁粉焊条、重力焊条、高熔敷率的药芯焊丝及高速焊剂等，立角焊时可用立向下焊条，大口径管接头可用高速焊剂，小口径管接头可用底层焊条。

6.）改善卫生条件在通风不良的产品中焊接时（如船舱、压力容器等），宜采用低尘低毒焊条。

对于重要的焊接产品，焊接材料初步选定后，应根据相应产品的工艺规程进行评定，检测焊缝金属的力学性能、抗裂性、耐腐蚀性以及焊条、焊丝和焊剂的焊接工艺性能，经考核所选的焊接材料满足所焊产品的技术要求后，方可用于产品的焊接。

13.4低合金高强度钢的焊接性低合金高强度钢含有一定量的合金元素及微合金化元素，其焊接性与碳钢有差别，主要是焊接热影响区组织与性能的变化对焊接热输入较敏感，热影响区淬硬倾向增大，对氢致裂纹敏感性较大，含有碳、氮化合物形成元素的低合金高强度钢还存在再热裂纹的危险等。

只有在掌握各种不同低合金高强度钢焊接性特点和规律的基础上，才能制订正确的焊接工艺，保证低合金高强度钢的焊接质量。

1）焊接热影响区组织和性能依据焊接热影响区被加热的峰值温度不同，焊接热影响区可分为熔合区（1350～1450℃）、粗晶区（1000～1300℃）、细晶区（800～1000℃）、不完全相变区（700～800℃）及回火区（500～700℃）。

不同部位热影响区组织与性能取决于钢的化学成分和焊接时加热和冷却的速度。

对于某些低合金高强钢，如果焊接冷却速度控制不当，焊接热影响区局部区域将产生淬硬或脆性组织，导致抗裂性或韧性降低低合金高强度钢焊接时，热影响区中被加热到1100℃以上的粗晶区及加热温度为700～800℃的不完全相变区是焊接接头的两个薄弱区。

热轧钢焊接时，如果焊接热输入过大，粗晶区将因晶粒严重长大或出现魏氏组织等而降低韧性；如果焊接热输入过小，由于粗晶区组织中马氏体比例增大而降低韧性。

正火钢焊接时，粗晶区组织性能受焊接热输入的影响更为显著。

焊接热影响区的不完全相变区，在焊接加热时，该区域内只有部分富碳组元发生奥氏体转变，在随后的焊接冷却过程中，这部分富碳奥氏体将转变成高碳孪晶马氏体，而且这种高碳马氏体的转变终了温度（Mf）低于室温，相当一部分奥氏体残留在马氏体岛的周围，形成所谓的M－A组元。

M－A组元的形成是该区域的组织脆化的主要原因。

防止不完全相变区组织脆化的措施是控制焊接冷却速度，避免脆硬的马氏体产生。

焊接热影响区软化是控轧控冷钢焊接时遇到的主要问题，当采用埋弧焊、电渣焊及闪光对焊等高热输入焊接工艺方法时，控轧控冷钢焊接热影响区软化问题变得非常突出。

焊接热影响区的软化使焊接接头强度明显低于母材，给焊接接头的疲劳性能带来损害。

另外，焊接热输入还影响控轧控冷钢热影响区的组织和韧性，当采用较小的热输入焊接时，由于焊接冷却速度较快，焊接热影响区获得下贝氏体组织，具有较优良的韧性，而随着焊接热输入的增加，焊接冷却速度降低，焊接热影响区获得上贝氏体或侧板条铁素体组织，韧性显著降低。

2）热应变脆化在自由氮含量较高的C－Mn系低合金钢中，焊接接头熔合区及最高加热温度低于A c1的亚临界热影响区，常常有热应变脆化现象。

一般认为，这种脆化是由于氮、碳原子聚集在位错周围，对位错造成钉扎作用所造成的。

热应变脆化容易在最高加热温度范围200～400℃的亚临界热影响区产生。

如有缺口效应，则热应变脆化更为严重，熔合区常常存在缺口性质的缺陷，当缺陷周围受到连续的焊接热应变作用后，由于存在应变集中和不利组织，热应变脆化倾向就更大，所以热应变脆化也容易发生在熔合区。

在《国产低合金结构钢Q345和Q420焊接区热应变脆化研究》论文中分析了Q345和Q420钢的热应变脆化，发现Q345钢具有较大的热应变脆化倾向。

分析认为，Q420钢中的V与N形成氮化物，从而降低热应变脆化倾向，而Q345钢中不含有氮化物形成元素。

试验还发现，有热应变脆化的Q345钢经600℃×1h退火处理后，韧性得到很大恢复。

3）冷裂纹敏感性焊接氢致裂纹（通常称焊接冷裂纹或延迟裂纹）是低合金高强度钢焊接时最容易产生，而且是危害最为严重的工艺缺陷，它常常是焊接结构失效破坏的主要原因。

低合金高强度钢焊接时产生的氢致裂纹主要发生在焊接热影响区，有时也出现在焊缝金属中。

根据钢种的类型、焊接区氢含量及应力水平的不同，氢致裂纹可能在焊后200℃以下立即产生，或在焊后一段时间内产生。

大量研究表明，当低合金高强度钢焊接热影响区中产生淬硬的M或M＋B＋F组织时，对氢致裂纹敏感；而产生B或B＋F组织时，对氢致裂纹不敏感。

热影响区最高硬度可被用来粗略的评定焊接氢致裂纹敏感性。

对一般低合金高强度钢，为防止氢致裂纹的产生，焊接热影响区硬度应控制在350HV以下。

热影响区淬硬倾向可以采用碳当量公式加以评定。

强度级别较低的热扎钢，由于其合金元素含量少，钢的淬硬倾向比低碳钢稍大。

如Q345钢、15MnV钢焊接时，快速冷却可能出现淬硬的马氏体组织，冷裂倾向增大。

但由于热轧钢的碳当量比较低，通常冷裂倾向不大。

但在环境温度很低或钢板厚度大时应采取措施防止冷裂纹的产生。