低合金高强钢的焊接技术

五、低碳调质钢焊接性分析
M-A组元脆化
冷却时间t8/5对M-A组元数量的影响
五、低碳调质钢焊接性分析
<六> 接头软化 加热温度在 母材回火温度至 相变温度之间的 区域发生软化。
调质钢热影响区的硬度分布
A-焊前淬火+低温回火；B-焊前淬火+高温回火；C-焊前退火 1-淬火区；2-部分淬火区；3回火区
低合金高强钢的焊接
哈尔滨工业大学 刘爱国
一、钢的分类
工业用钢的分类方法很多，可以按化学成分、 性能、品质、用途、内部组织等进行分类。
结构钢
按用途分
工具钢 特殊性能钢 专业用钢
一、钢的分类
低碳钢 wc<0.25wt%
碳钢
按化学成分分
中碳钢 wc=0.25～0.6wt% 高碳钢 wc>0.6wt% 低合金钢 w<5wt%
八、中碳调质钢的焊接分析
1. 热裂纹 碳含量高→热裂倾向较大
八、中碳调质钢的焊接分析
2. 冷裂纹
合金元素含量高
→ 淬硬倾向大→ 冷裂倾向大 碳含量高
↓
↗
Ms点低→无自回火效应
八、中碳调质钢的焊接分析
3. 接头脆化 含碳量较高，在淬火区容易形成淬硬的马氏体。
八、中碳调质钢的焊接分析
4. 接头软化 加热温度在母材回火温度至相变温度之间的 区域发生软化。
P 0.012 ≤0.030
七、热轧及正火钢的焊接分析
1. 热裂纹 热裂纹倾向较小。有时会在焊缝中出现热裂 纹，和热轧及正火钢中C、S、P等元素含量偏高 有关。
七、热轧及正火钢的焊接分析
2. 冷裂纹 热轧钢含有少量合金元素，碳当量比较低， 冷裂倾向不大。 正火钢含合金元素较多，随碳当量增加，淬 硬倾向及冷裂倾向增大。
八、中碳调质钢的焊接分析
中碳调质钢的成分
C 35CrMoA 30CrMnSiA 0.30 ～ 0.40 0. 28 ～ 0.35 Mn 0.4 ～ 0.7 0.8～1.1 Si 0.17 ～ 0.35 0.9～1.2 Cr 0.9 ～ 1.3 0.8 ～ 1.1 Ni ≤ 0.30 Mo 0.2 ～0.3 S ≤ 0.030 ≤ 0.030 P ≤ 0.035 ≤ 0.035
C 14Mn MoVN HQ60 0.14 0.09 ～0.16
Mn 1.41 0.90～ 1.50
Si 0.30 0.20～ 0.60
Ni 0.30～ 0.60
Cr ≤0.30
Mo 0.47 0.08～ 0.20
V 0.13 0.03～ 0.08
N 0.015 -
S 0.025 ≤ 0.025
P 0.012 ≤0.030
常规力学性能 低温韧性 抗脆断性能 高温蠕变性能 疲劳性能
使用焊接性
耐腐蚀性能 耐磨性能
……
五、低碳调质钢焊接性分析
<一> 热裂纹
焊接热裂纹形成的两大要素 低熔共晶
应力
含碳量低 S、P控制严格 含Mn量高 低碳调质钢热裂倾向低
五、低碳调质钢焊接性分析
<二> 冷裂纹
焊接冷裂纹形成的三大要素 淬硬组织 氢 拘束应力 1. 含有多种提高淬透性的合金元素，淬透倾向大，本 应有很大的裂纹倾向； 2. 含碳量低→Ms点高
热应变时效脆化
氢脆
五、低碳调质钢焊接性分析
<五> 接头脆化 钢中含有较多固氮元素，不容易产生热应变脆化。 会产生过热区的粗晶脆化、M-A组元脆化。
五、低碳调质钢焊接性分析
粗晶脆化 被加热到1200℃以上的过热区，晶粒明显长大。 脆性断裂应力σ 和晶粒直径d的关系为：
0 B(d ) 1/ 2
六、低碳调质钢焊接工艺
确定原则 从焊接性分析过程可知，低碳调质钢焊接时主要要注意： 马氏体转变时冷却速度不能太快 800℃～ 500 ℃冷却速度大于产生脆性M-A组元的临界 速度 尽量减小热输入

六、低碳调质钢焊接工艺
600MPa钢(HQ60)的焊接为例 1. 焊接方法 手工电弧焊、埋弧焊、钨极氩弧焊、熔化极氩弧 焊均可。
三、低合金高强钢的性能
1.热轧及正火钢 价格便宜，综合力学性能较好。
热处理 热轧钢 钢锭加热1300℃， 热轧，空冷
屈服强度/ MPa 294～343 343～490
合金系 C-Mn、Mn-Si C-Mn、Mn-Si系，添加 碳、氮化物形成元素
正火钢 钢板再加热900 ℃ ， 空冷
三、低合金高强钢的性能
0.20 ～ 0.60
0.30 ～ 0.60
≤0.30
0.08 ～ 0.20
0.03～ 0.08
-
≤ 0.025
≤0.030
五、低碳调质钢焊接性分析
夹杂
气孔 冶金缺陷 裂纹 工艺焊接性
√ 热裂纹 √ 冷裂纹 √ 再热裂纹 应力腐蚀裂纹
层状撕裂
√ √ √
接头脆化 性能变化 接头软化
五、低碳调质钢焊接性分析
屈服强度/ MPa
880～1176
含碳量
wc=0.22～ 0.45wt%
特点
淬透性大， 焊接性差
四、典型低碳调质钢主要成分
C 14Mn MoVN 0.14
wk.baidu.com
Mn 1.41
Si 0.30
Ni -
Cr -
Mo 0.47
V 0.13
N 0.015
S 0.025
P 0.012
HQ60
0.09 ～ 0.16
0.90 ～ 1.50
2. 低碳调质钢
热处理
低碳调 质钢 淬火+高温回火
屈服强度/ MPa
441～980
含碳量
要求wc≤0.22wt%，实 际上都在0.18wt%以下
三、低合金高强钢的性能
2. 低碳调质钢 将钢加热到临界点Ac3或(亚共析钢)或Ac1 (过共析 钢)以上一定温度，保温一定时间，然后以大于临界淬 火速度的速度冷却，使过冷奥氏体转变为马氏体(或贝 氏体)组织的热处理工艺称为淬火。
C 14Mn MoVN HQ60 0.14 0.09 ～ 0.16
Mn 1.41 0.90 ～ 1.50
Si 0.30 0.20 ～ 0.60
Ni 0.30 ～ 0.60
Cr ≤0.30
Mo 0.47 0.08 ～ 0.20
V 0.13 0.03～ 0.08
N 0.015 -
S 0.025 ≤ 0.025
360
37
20
150
七、热轧及正火钢的焊接分析
热轧及正火钢的成分
C 16Mn 18MnMo Nb 0.12～ 0.20 0.17 ～ 0.23 Si 0.20 ～ 0.55 0.17 ～ 0.37 Mn 1.20 ～ 1.60 1.35 ～ 1.65 P ≤0.045 ≤0.040 S ≤0.045 ≤0.045 Mo 0.45 ～ 0.65 Nb 0.025 ～ 0.050
↑
该温度下冷速慢→自回火→冷裂倾向小
五、低碳调质钢焊接性分析
<三> 再热裂纹 促进再热裂纹形成的元素 Cr，Mo，Cu，V，Nb，Ti，B 具有一定再热裂纹倾向
五、低碳调质钢焊接性分析
<四> 层状撕裂 母材中杂质限制比较严格，层状撕裂倾向较小。
五、低碳调质钢焊接性分析
<五> 接头脆化 粗晶脆化 沉淀相脆化 接头脆化 M-A组元脆化
(3) 一般不进行后热处理。
六、低碳调质钢焊接工艺
3. 焊接工艺参数
焊材 直径 mm
4
保护气体
气体流量 L· min-1
——
焊接电流 A
160～180
焊接电压 V
22～24
热输入 kJ· cm-1
18 ～22
预热温度 或层温/℃
150
E6015H
——
GHS-60N
1.6
80%Ar+ 20%CO2
20
七、热轧及正火钢的焊接分析
3. 层状撕裂 杂质控制不如低碳调质钢严格，厚板有一定 层状撕裂倾向。
七、热轧及正火钢的焊接分析
4. 接头脆化 会产生热应变脆化和粗晶脆化。 在焊接热循环的作用下，焊接接头的局部地 区由于热应力而产生塑性应变，使接头的硬度和 屈服强度提高，塑性变形能力降低。这种现象称 为热应变脆化。 一般认为热应变脆化是由于氮、碳原子聚 集在位错周围，对位错起钉扎作用造成的。
六、低碳调质钢焊接工艺
2. 焊接材料 焊后通常不进行热处理，因此要求焊缝金属的力 学性能应接近母材，即采用“等强原则”。特殊情况 下，可以采用低强匹配。
钢号 HQ60 焊条 焊丝 E6015H GHS-60N 气体保护焊 保护气体 CO2或Ar+CO2
六、低碳调质钢焊接工艺
3. 焊接工艺参数 (1) 不宜采用大直径焊条或焊丝，应尽量采用多层 多道焊，以限制过大的热输入 。 (2) 采用预热，预热温度较低。
合金钢
中合金钢 w=5～10wt% 高合金钢 w>10wt%
一、钢的分类
低合金高强钢
低合金钢
(按用途)
珠光体耐热钢 低合金特殊用钢 低温钢 低合金耐蚀钢
二、低合金高强钢的分类
热轧及正火钢 σ s=294～490MPa 低合金高强钢
(按屈服强度级别 和热处理状态)
低碳调质钢 中碳调质钢
σ s=441～980MPa σ s=880～1176MPa
式中σ 0-实验温度下单晶体的屈服强度； B-常数。
五、低碳调质钢焊接性分析
M-A组元脆化 某些低合金钢的焊接热影响区处于中温上贝氏体 的转变区间，出现含碳很低的铁素体，并且逐渐扩大， 而碳大部分富集到被铁素体包围的岛状奥氏体中去。 随后这些高碳的奥氏体转变为高碳马氏体和残余奥氏 体的混合物，称为M-A组元(martensite-austenite constituent)。 M-A组元降低韧性的原因为：奥氏体增碳后，易 于形成孪晶马氏体，夹杂于贝氏体、铁素体板条之间， 并在晶界上产生显微裂纹，沿M-A组元扩展，引起脆 化。
三、低合金高强钢的性能
2. 低碳调质钢 将淬火钢在A1以下温度加热，使其转变为稳定的 回火组织，并以适当的方式冷却到室温的热处理工艺 称为回火。
低温回火 150～250℃ 回火马氏体
回火 中温回火 350～500℃ 回火屈氏体
高温回火 500～650℃ 回火索氏体
三、低合金高强钢的性能
2. 低碳调质钢 金属学与热处理定义： 淬火+高温回火→调质 焊接界定义： 淬火+回火→调质
三、低合金高强钢的性能
2. 低碳调质钢 高强度结构钢 σ b=600～800MPa 14MnMoNbB 低碳调质钢 高强度耐磨钢σ b=1000～1300MPa HQ100 高强度高韧性钢 σ b=600～800MPa 12Ni3CrMoV
三、低合金高强钢的性能
3. 中碳调质钢
热处理
中碳调质钢 淬火+ 高温回火