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