第18讲 调质钢

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焊接性分析
裂纹问题 过热区脆化 HAZ软化
热裂纹 C,S,P↓,Mn/S ↑ →热裂↓ 冷裂纹 与ω c有关 低碳钢加入大量合金→淬透性↑ 组织:低碳M +B下 因粗晶区Ms高,低碳M自回火, 工艺合适冷裂可避免。
A.低碳调质钢的焊接性
焊接性分析
再热裂纹
加入Cr, Mo, Cu, V, Nb, Ti, B → 淬透性↑,其中多
结果
T0 为 Min.200℃,层间温度 Max.300℃, PWHT 为 640℃×1.5h , 接头的 X 射线探 伤、拉伸、侧弯、冲击性能均能满足要求。 拉伸断口分析表明为延性断裂。
(a) 宏观形貌
(b) 纤维区
(c) 剪切wk.baidu.com区 拉伸试样断口形貌
结果
T0 为 Min.200℃ , 层间 温度 Max.300℃ , PWHT 为 640℃×1.5h , 接头的 X 射线探伤、 拉伸、侧弯、冲击性能均能满足要求。 拉伸断口分析表明为延性断裂。 缺口开在熔合线 +5mm 处的断口,为韧窝 断裂,韧性较好;缺口开在焊缝、熔合线、 熔合线 +2mm 处断口存在解理断裂区,韧 性较差。与实验所得数据一致。
B.软化与方法及E有关,E↓→软化越轻越窄 C.取决于母材原始状态, T回?
B.低碳调质钢焊接工艺特点
考虑:
①HAZ 软化 ② 冷速不能太大 ③ 冷速不能太小 M转变
c M100%, 脆化
B上+M-A 组元 脆化
B.低碳调质钢焊接工艺特点
(1)焊接方法和焊材选择
软化:调质态只要加热温度超过了回火温度性能就会变 化,因此HAZ强度和韧性↓ 解决办法:①焊后重新调质; ②不能调质的,限制热量对母材的作用, 即小E。 焊接方法选择 氩弧焊,电子束焊→热量集中的方法, 焊后一般不再 调质
塑任性
调质钢分类:低碳调质钢、中碳调质钢
1.低碳调质钢的焊接
低碳调质钢
碳含量:在0.09-0.23%,大部分0.16-0.18%
强化机理:相变强化(调质处理〕 屈服强度:为490~980MPa
合金系 :低C、Mn-Ni-Cr-Mo系
主合金化元素: Mn、Ni、Cr、Mo 辅合金化元素:V、Nb、Ti、B、Cu
碳M→冷裂↑
Ceq大→淬硬倾向大→冷裂敏感
Ms低,无自回火效应。
防止措施:
焊接时,To+Tp(焊后及时进行回火处理)
⑶ HAZ性能变化:脆化+软化
①过热区脆化
原因:形成高碳M 该类钢淬硬倾向极大→大E不适合 E↑→也不能避免M的形成 →相反A晶粒过热长大→冷却形成粗大M →使过热区脆化更严重
s 539 - 686MPa HY-80(美国)
HY-130(美国) s 882 MPa CF钢 C 0.09% 低焊接裂纹敏感性高强度钢—CF钢
A.低碳调质钢的焊接性
焊接的主要问题和工艺要求基本与正火钢类似。 差别仅在于这类钢通过调质获得强化,HAZ除了 脆化外还有软化问题。
A.低碳调质钢的焊接性
压力容器焊接工艺制定实例
结构名称:中压容器 1.6MPa≤P<10MPa

容器直径Ф 1500mm,总长3500mm;人孔接管 Ф 450mm,长250mm;出口接管Ф 120mm

材料:16Mn 钢板尺寸:2000mm×5000mm×16mm 生产数量:小批量
三、合金结构钢的焊接
(一)分类(按用途):
数也引起晶内强化→易产生再热裂纹
ex. T-1, HT-80, 14MnMoNbB 防止措施: T0+Tp, σ↓
HAZ性能变化: 脆化和软化
主要是:过热区脆化和Ac1附近的软化 ① 过热区脆化 E↓→ t8/5小→ωc↑→M↑(100%低碳M,韧性↓) →脆化→冷裂↑ E↑↑→t8/5大→ωc↓↓
低碳调质钢的最低预热温度
焊件厚度 (mm) <13 13~16 16~19 15MnMoVN 不预热 50~100 100~150
(℃ )
14MnMoNbB 不预热 100~150 150~200
19~22
22~25 25~35
100~150
150~200 150~200
150~200
200~250 200~250
③ PWHT:一般不HT
大多数低碳调质钢的焊接构件都是在焊态下使用只有
在下述条件下才进行焊后热处理:
• 焊后或冷加工后的韧性过低。 • 焊后需进行高精度加工,要求保证结构尺寸的稳定性。 • 承受应力腐蚀的焊接结构。 PWHT温度必须低于母材金属调质处理的回火温度30℃。
2.中碳调质钢的焊接
中碳调质钢
B.低碳调质钢焊接工艺特点
(2)工艺参数
② T0 Emax不能防止开裂,则选择T0 低碳调质钢T0≤200℃ T0太高,t8/5↑↑→ 出现F+M+B组织脆化
B.低碳调质钢焊接工艺特点
(2)工艺参数
② T0 •当h较小或接头R也较小时,不T0 如 15MnMoVN 、 14MnMoNbB 钢,板厚小于 13mm 时可不预热。 • 随h增加,必须T0防冷裂,但应严格控制T0 •允许的最高T0与最低T0值相比,不得大于65℃。 • 尽可能采取“低温预热 + 后热”或只“后热”的方法防 止延迟裂纹。
强度用钢:热轧钢、正火钢、调质钢
特殊用钢:耐热钢、低温钢、耐蚀钢
(二)热轧及正火钢的焊接
热轧钢:强化途径 ? 正火钢:强化途径 ? 焊接问题:一是裂纹问题;二是HAZ脆化问题
(三)调质钢的焊接
热轧:固溶强化;
正火钢:沉淀+固溶
沉淀和固溶强化的同时 σs ≥491MPa 的钢→调质
σs=294-491MPa
(a) 宏观形貌
(b) 纤维区
(c) 放射区 焊缝冲击断口形貌
(d) 剪切唇区
(a) 宏观形貌
(b) 纤维区
(c) 剪切唇区 熔合线+5mm冲击断口形貌
ASTM4130 钢冲击韧性值 I-1 编号 冲击韧性 值/J 焊缝 70,82,62 71.33 I-2 熔合线 54,100,80 78 I-3 熔合线 +2mm 50,50,160 86.67 I-4 熔合线 +5mm 182,178,170 176.67
热处理状态:淬火+回火,低碳马氏体或下贝氏体, 综合机械性
能好 典型钢种:14MnMoVN、HT60~HT80、HY80~HY130
典型钢号
ex. 14MnMoVN s 598MPa, b 701MPa 14MnMoNbB s 686MPa, b 755MPa
T-1 (美国) HT-80(日本) s 686 MPa
Ceq=0.72
必须调质态下焊接
裂纹,HAZ脆化和软化
质量要求
无裂纹;接头使用性能要求(强度、韧性)
焊接工艺:
坡口:V型 焊接工艺
焊接 层次 焊接 方法 直径 /mm
焊接材料
牌号 ok Tigrod 13.09 FILARC 118
电流
电流 80~ 140 90~ 140
预热 电压 焊速/ 温度 /V mm· min-1 /℃
9~ 15 20~ 24
层间 温度 /℃
Max. 300
后热 处理
打底
填充 盖面
TIG
焊条
2.4
3.2
40~100
100~180
Min. 200
640℃ × 1.5h
FILARC 118焊条,碱性焊条,全位置焊接,交直流两用,熔敷 效率高,用于焊接屈服强度大于 680级的高强钢,如 NAXTRA70,T1,80HLES,HY80和100.
碳含量:在0.25-0.45% 强化机理:相变强化(调质处理〕 屈服强度:为880MPa ~1176MPa 合金系 :中C、 Cr -Mn -Ni-Mo-Si系 主合金化元素: Cr-Mn-Ni-Mo-Si
辅合金化元素:V
热处理状态:淬火+回火 典型钢种:30CrMnSi、40Cr、35CrMoA、35CrMoVA
A.中碳调质钢的焊接性
焊接性分析
裂纹 焊接问题: HAZ性能恶化
⑴ 热裂
[C]多,合金多→△TB↑→热裂↑
ex. 30CrMnSiA, C、Si含量多→热裂↑
防止措施:
焊接时,①选C, S, P↓焊材 ②熔合比↓ ③保证填满弧坑和良好的焊接成形
⑵ 冷裂↑
[C]↑→淬硬倾向↑→HAZ容易形成大量硬脆高
防止措施:
选用小E再采用T0+缓冷+后热
②HAZ软化
退火状态下焊接,焊后再调质处理不存在软化 调质状态下焊接,软化非常突出,强度越高越严重 软化程度和软化区的宽度受焊接方法、E影响 ex. 30CrMnSiA σb≌1570 N/mm2
电弧焊软化区: σb=880-1030 N/mm2 气焊: σb=590-680 N/mm2且宽度大
低氢型焊材,防止冷裂。
CO2焊,CO2气体应符合Ⅰ级气体或Ⅱ级气体要求
B.低碳调质钢焊接工艺特点
(2)工艺参数
① E的确定
主要考虑冷裂纹和脆化 冷速上限→不产生冷裂纹, 下限→保证HAZ不产生脆化的混合组织。 →防止脆化,冷裂相矛盾
E应选择保证冷速之间。
c 也很大,要T0来解决。 但对于大厚板,即使采用大E,
B.中碳调质钢的焊接工艺特点
问题:淬硬倾向大→焊接性差→冷裂,热裂, HAZ 脆化和 软化 焊接方式:⑴退火态;⑵调质态
⑴ 退火状态下焊接
焊接的主要问题:裂纹;而HAZ性能可以调质处理来保证 ① 焊接方法 由于不强调E对接头性能的影响,基本上不受限制。
B.中碳调质钢的焊接工艺特点
⑴ 退火状态下焊接
ex. 焊接30CrMnSiA
T0=250-350℃ 焊后T≥250℃时立即入炉加热650℃回火处理防止开裂
B.中碳调质钢的焊接工艺特点
⑵ 调质态下焊接
主要问题:①裂纹;②脆化;③软化 措施: ① 选能量集中的方法 E↓→软化区↓ ② 焊后不调质,可以不必考虑焊材成分与母材相匹配 Ex. 30CrMnSiA, 30CrMnSiNi2A镍基奥氏体焊条 ,可防冷裂。 ③T0, 层间温度,中间热处理,焊后热处理 以上温度<母材的原始回火温度50℃ 防止母材软化,强度下降
ASTM4130钢的焊接工艺(h=30mm)
海洋平台高压管线管汇用材料,中碳调质钢, 要求具有足够的抗拉强度、低温冲击韧性等 力学性能。 化学成分
ASTM4130钢的焊接工艺(h=30mm)
力学性能
ASTM4130钢的焊接工艺(h=30mm)
组织 回火索氏体
ASTM4130钢的焊接性(h=30mm)
焊接的主要问题:裂纹;而HAZ性能可以调质处理来保证
② 焊材 (等成分原则)
与母材成分相似,以便调质后性能匹配 防热裂:↓C, S, P, Si
B.中碳调质钢的焊接工艺特点
(退火状态下焊接)
③工艺参数选择
HAZ性能恶化不考虑,主要防止裂纹 T0, 层间温度,中间热处理 (目的:a.↓[H];b.↓应力;c. ↓ ) c T0可以较高,200-350℃
B.低碳调质钢焊接工艺特点
(2)工艺参数
① E的确定(防脆优先,采用小E) ② T0(防裂,预热温度要控制)
③ PWHT:一般不HT
原因: a.能保证其HAZ区在快速冷却时获得高强度及塑性 和韧性,防止焊件脆断的消除应力退火就没有必要; b.有再热裂纹倾向。
B.低碳调质钢焊接工艺特点
(2)工艺参数
→ A. 粗晶脆化
B. B上+M-A组元→严重脆化 (最佳t8/5 :M+10-30%B下)
② HAZ软化
热轧、正火钢、退火状态的调质钢焊接时不存在HAZ软化。 调质钢焊接HAZ会出现强度、硬度下降的软化现象,该区称 为软化区,T>T回, T回~AC1。 影响焊后HAZ软化程度的因素:
A.与母材有关,σb↑→软化↑
多丝SAW,电渣焊等E大的方法,焊后必须重新调质。
B.低碳调质钢焊接工艺特点
(1) 焊接方法和焊材选择
焊材选择
一般焊后不再调质→焊材等强 当R大时,低强焊材→防止冷裂 ex. 14MnMoVN (σs=598, σb=701 MPa) ,J707, J857 14MnMoNbB (σs=686, σb=755 MPa) ,J857
B.低碳调质钢焊接工艺特点
(2)工艺参数
① E的确定 在满足HAZ韧性前提下E应尽可能选择得大一些
Emax不脆为原则(防脆优先)
为避免过度损伤HAZ区的韧性,应避免采用过大E: • 不推荐使用大直径焊条或焊丝; • 尽可能采用多层小焊道焊缝,最好采用窄焊道,不应采 用横向摆动的运条技术。防脆优先,采用小E
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