材料焊接性第章-低碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接-A課件

1、 3.3 低碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接熱軋及正火鋼依靠增添合金元素和通過固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化的途徑提高強(qiáng)度到一定程度之后，會(huì)導(dǎo)致塑、韌性的下降。因此，抗拉強(qiáng)度600MPa的高強(qiáng)度鋼都采用調(diào)質(zhì)處理，通過組織強(qiáng)韌化獲得很高的綜合力學(xué)性能。低碳調(diào)質(zhì)鋼的抗拉強(qiáng)度一般為6001300MPa，屬于熱處理強(qiáng)化鋼。這類鋼既具有較高的強(qiáng)度，又有良好的塑性和韌性。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，低碳調(diào)質(zhì)鋼在工程焊接結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用日益廣泛，越來越受到工程界的重視。 國內(nèi)外常見的低碳調(diào)質(zhì)鋼 低碳調(diào)質(zhì)鋼的特點(diǎn)為了保證良好的綜合性能和焊接性，低碳調(diào)質(zhì)鋼要求鋼中碳含量1000MPa） HQ100、HQ130等,主要用于工程結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度耐磨、要求承受沖擊

2、磨損的部位； 3. 高強(qiáng)高韌性鋼（抗拉強(qiáng)度700MPa） HY-80、HY-130、12Ni3CrMoV、10Ni5CrMoV,主要用于高強(qiáng)度高韌性焊接結(jié)構(gòu)。 作為高強(qiáng)鋼制造工藝的關(guān)鍵一環(huán)，調(diào)質(zhì)處理（淬火+回火）是為了獲得回火馬氏體或下貝氏體的回火組織，使其強(qiáng)韌性良好。對于抗拉強(qiáng)度超過600MPa的鋼材，不需添加過多的合金元素，通過調(diào)質(zhì)處理即可滿足強(qiáng)度性能要求。美國最早采用調(diào)質(zhì)處理成功地開發(fā)了抗拉強(qiáng)度為800MPa級鋼材。美國最初是降低裝甲用鋼的碳含量并進(jìn)行淬火+回火處理，大大改善了其性能，并在軍事裝備中得到使用。 600MPa、700MPa的低碳調(diào)質(zhì)鋼 （HQ60、HQ70、Q550）主要用

3、于橋梁、工程機(jī)械、動(dòng)力設(shè)備、交通運(yùn)輸機(jī)械等。這類鋼可在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接，焊后不再進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，必要時(shí)可進(jìn)行消除應(yīng)力處理。九江長江大橋武漢天心州長江大橋 800MPa的低碳調(diào)質(zhì)鋼 （14MnMoNbB、HQ80、HQ80C、Q690）我國已先后開發(fā)出14MnMoNbB、HQ80和HQ80C等抗拉強(qiáng)度為800MPa的低碳調(diào)質(zhì)鋼，并在工程中獲得廣泛應(yīng)用。HQ80鋼含有Ni、Cr元素，HQ80C鋼不含Ni只含有Cr元素，14MnMoNbB不含Ni、Cr但含有Nb元素。 1000MPa、1300MPa的低碳調(diào)質(zhì)鋼 （HQ100、HQ130）HQ100不僅強(qiáng)度高、低溫缺口韌性好，而且具有優(yōu)良的焊接性能。HQ

4、130是高強(qiáng)度工程機(jī)械用鋼（b1300MPa），含有Cr、Mo、B等多種合金元素，具有高淬透性。這兩種鋼經(jīng)淬火+回火的熱處理后，可獲得綜合性能較好的低碳回火馬氏體，具有高強(qiáng)度、高硬度以及較好的塑性和韌性。HQ100和HQ130，主要用于高強(qiáng)度焊接結(jié)構(gòu)要求承受沖擊磨損的部位，如工程機(jī)械等。 QT鋼的熱處理工藝：奧氏體化淬火回火， 回火溫度越低，強(qiáng)度級別越高，但塑性和韌性降低。低碳調(diào)質(zhì)鋼C0.18%，為了保證韌性，一般含有較高的Ni、Cr，具有高強(qiáng)度，特別是具有優(yōu)異的低溫韌性。Ni提高鋼的強(qiáng)度、塑性和韌性，降低脆性轉(zhuǎn)變溫度。Ni與Cr一起加入可增加淬透性，得到高的綜合力學(xué)性能。從提高淬透性出發(fā)，

5、Cr元素上限約為1.6%，繼續(xù)增加對韌性不利。由于采用了先進(jìn)的冶煉工藝，鋼中S、P等雜質(zhì)明顯降低，O、N、H含量均較低。高純潔度使這類鋼焊接HAZ具有優(yōu)異的低溫韌性。經(jīng)淬火+回火的組織是回火ML、BL或回火索氏體，這類組織可以保證高強(qiáng)度、高韌性和低的脆性轉(zhuǎn)變溫度。 焊接無裂紋鋼（簡稱CF鋼） WCF-60、WCF-62、WCF-80為了改善焊接施工條件和提高低溫韌性，近年來發(fā)展起來的焊接無裂紋鋼，實(shí)際上是C含量降得很低（C 1，稱為“超強(qiáng)匹配”； (b)w /(b)b1，稱為“等強(qiáng)匹配”； (b)w /(b)b 1，稱為“低強(qiáng)匹配”。 對于焊縫金屬強(qiáng)度選擇，傳統(tǒng)上大多主張焊縫強(qiáng)度等于或大于母材

6、強(qiáng)度，即所謂“等強(qiáng)匹配”或“超強(qiáng)匹配”，認(rèn)為焊縫強(qiáng)度高一些更為安全。但是，焊縫金屬的強(qiáng)度越高，韌性越低，甚至低于母材的韌性水平。保持焊縫金屬與母材的強(qiáng)韌性匹配，有時(shí)是較困難的。隨著高強(qiáng)鋼和超高強(qiáng)鋼的迅速發(fā)展，焊縫強(qiáng)韌性與母材的匹配問題，顯得越來越突出。對于抗拉強(qiáng)度800MPa高強(qiáng)鋼，除強(qiáng)度外，還必須考慮焊接區(qū)韌性和裂紋敏感性。就焊縫金屬而言，強(qiáng)度越高，可達(dá)到的韌性水平越低。 對于較低強(qiáng)度的鋼，無論是母材或焊縫都有較高的韌性儲(chǔ)備（見圖3-19），所以按等強(qiáng)匹配選用焊接材料，既可保證接頭區(qū)具有較高的強(qiáng)度，也不會(huì)損害焊縫的韌性。但對于高強(qiáng)鋼，特別是超高強(qiáng)鋼（見圖3-19），焊縫韌性儲(chǔ)備是不高的。 圖

7、3-19 焊縫金屬與母材在強(qiáng)度和韌性上的匹配水平B母材韌性水平 S安全工作限 圖中2為裂紋長度, C為臨界裂紋尺寸 TIG焊縫韌性水平 MIG焊縫韌性水平 SMAW焊縫韌性水平 工程中一些高強(qiáng)鋼焊接結(jié)構(gòu)脆性破壞時(shí)，強(qiáng)度及伸長率是合格的，主要是由于韌性不足而引起脆斷?？估瓘?qiáng)度大于800MPa的高強(qiáng)鋼，如果要求焊縫金屬與母材等強(qiáng)，焊縫的韌性儲(chǔ)備不夠；若為超強(qiáng)情況，韌性儲(chǔ)備更低，甚至可能低到安全限以下。焊縫與母材等強(qiáng)，但韌性低于安全限以下，是極不安全的。少許犧牲焊縫強(qiáng)度而使韌性儲(chǔ)備提高，對接頭綜合性能有利。特別是承受動(dòng)載荷、重載荷和低溫工作條件的高強(qiáng)鋼焊接接頭，除強(qiáng)度性能外，還要求有較高的韌性。 圖

8、3-20 不同匹配焊條為防止焊接冷裂紋所需的預(yù)熱溫度等強(qiáng)匹配焊條（E11016-G） 低匹配焊條（E9016-G） 抗潮低強(qiáng)匹配焊條 H1含氫量2.9mL/100g; H2含氫量1.7mL/100g 采用“等強(qiáng)匹配”焊條（E11016-G）時(shí)，含氫量2.9mL/100g，為防止裂紋的預(yù)熱溫度為125。在相同含氫量條件下采用“低匹配”焊條（E9016-G）只需預(yù)熱100。采用“低匹配”更低氫的抗潮型焊條（含氫量1.7mL/100g），預(yù)熱溫度僅70即可防止裂紋。 對于承受壓應(yīng)力的焊縫，用“低強(qiáng)匹配”焊材可以滿足使用要求。對于承受拉應(yīng)力的焊縫，采用“低強(qiáng)匹配”應(yīng)慎重考慮。不同強(qiáng)度級別和不同使用要求

9、的鋼結(jié)構(gòu)，“低強(qiáng)匹配”焊縫金屬的強(qiáng)、韌性界限值究竟多大才能滿足工程要求？ 2. 焊接冷裂紋影響焊接冷裂紋的三大因素：顯微組織、擴(kuò)散氫、焊接應(yīng)力低碳調(diào)質(zhì)鋼由于淬硬性大，在焊接HAZ粗晶區(qū)有產(chǎn)生冷裂紋和韌性下降的傾向。但HAZ淬硬組織為Ms點(diǎn)較高的“自回火”低碳馬氏體，具有一定韌性，裂紋敏感性小。 對于C0.12%的低合金鋼，熱影響區(qū)最高硬度可修正為400HV。 碳當(dāng)量對HVm的影響 HAZ最高硬度HVm對裂紋的影響 圖3-22b HQ80C鋼的焊接連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖它的過冷奧氏體的穩(wěn)定性很高，尤其是在高溫轉(zhuǎn)變區(qū)，使曲線大大地向右移。 低碳調(diào)質(zhì)鋼的冷裂紋敏感性這類鋼的淬硬傾向相當(dāng)大，本應(yīng)有很大的冷裂紋

10、傾向。由于這類鋼的特點(diǎn)是ML碳含量低，它的Ms點(diǎn)較高。在該溫度下冷卻較慢，生成的ML來得及進(jìn)行“自回火”處理，因而實(shí)際冷裂紋傾向并不大。也就是說，在ML形成后如果能從工藝上提供一個(gè)“自回火”處理的條件，即保證馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)的冷卻速度較慢，得到強(qiáng)度和韌性都較高的回火馬氏體和回火貝氏體，焊接冷裂紋是可以避免的。 如果馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)的冷卻速度很快，得不到“自回火”效果，冷裂紋傾向會(huì)增大。限制焊縫含氫量在超低氫水平對于防止QT鋼焊接冷裂紋十分重要。鋼材強(qiáng)度級別越高, 冷裂傾向越大, 對低氫焊接條件的要求越嚴(yán)格。 3. 熱裂紋及消除應(yīng)力裂紋低碳調(diào)質(zhì)鋼C低、Mn高，S、P控制較嚴(yán)格，熱裂紋傾向較小。但對高Ni

11、、低Mn、含V和Mo的鋼種有熱裂紋敏感性，主要產(chǎn)生于HAZ過熱區(qū)（稱為液化裂紋）。液化裂紋和Mn/S比有關(guān)。碳含量越高，要求Mn/S比越高。當(dāng)C30時(shí)，液化裂紋敏感性較??；Mn/S比超過50后，液化裂紋的敏感性更低。Ni對液化裂紋很敏感。對于HY-80鋼，由于Mn/S比較低，Ni又較高，所以對液化裂紋較敏感。相反，HY-130鋼的Ni含量比HY-80更高，但由于C很低（C0.12%），S也很低（S0.01%），Mn/S比高達(dá)6090，因此HAZ的液化裂紋并不敏感。 熱裂紋的防止措施關(guān)鍵在于控制C、S含量，保證高的Mn/S比，尤其是當(dāng)Ni含量高時(shí)，要求更為嚴(yán)格。焊接熱輸入越大，HAZ晶粒越粗大，

12、晶界液化越嚴(yán)重，熱裂紋傾向越大。因此，應(yīng)采用小熱輸入的焊接方法，控制熔池形狀、減小熔合區(qū)凹度。含Nb的14MnMoNbB鋼對再熱裂紋較敏感。焊接Cr-Ni-Mo、Cr-Ni-Mo-V和Ni-Mo-V等鋼時(shí)，要注意再熱裂紋的問題。 V對再熱裂紋的影響最大，Mo次之，而當(dāng)V和Mo同時(shí)加入時(shí)就更為敏感。在Cr-Mo和Cr-Mo-V鋼中，當(dāng)Cr1%后，繼續(xù)增加Cr含量時(shí)再熱裂紋傾向減小。Mo-V鋼，特別是Cr-Mo-V鋼對再熱裂紋較敏感，Mo-B鋼也有一定的再熱裂紋傾向。 4. 熱影響區(qū)（HAZ）性能變化低碳調(diào)質(zhì)鋼HAZ是組織性能不均勻的部位，突出特點(diǎn)是同時(shí)存在脆化（即韌性下降）和軟化現(xiàn)象。即使QT母

13、材本身有較高的韌性，結(jié)構(gòu)運(yùn)行中微裂紋也易在HAZ脆化部位產(chǎn)生，存在接頭區(qū)域出現(xiàn)脆性斷裂的可能性。受焊接熱循環(huán)影響，低碳調(diào)質(zhì)鋼HAZ可能存在強(qiáng)化效果的損失現(xiàn)象（稱為軟化或失強(qiáng)），焊前母材強(qiáng)化程度越大，焊后HAZ軟化程度越明顯。 a) 強(qiáng)度和塑性的變化 b) 韌性的變化 焊接熱影響區(qū)的組織性能 圖3-23 熱影響區(qū)連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變組織的韌性與有效晶粒 尺寸dc的關(guān)系（抗拉強(qiáng)度800MPa低碳調(diào)質(zhì)鋼）HAZ組織特征：Bu、F+Bu、ML、ML+BL下方的直線對應(yīng)于快冷（小熱輸入）近縫區(qū)附近強(qiáng)度較高的低溫轉(zhuǎn)變組織（ML或ML+BL）；上方的直線對應(yīng)于慢冷（大熱輸入）形成的強(qiáng)度較低的高溫轉(zhuǎn)變組織（Bu或F+

14、Bu）。兩直線之間vTrs的差值表明，Bu組織所表現(xiàn)的脆化不單純是由于有效晶粒尺寸的粗化，還與上貝氏體組織的結(jié)構(gòu)因素有關(guān)。 (a) 低碳馬氏體組織 (b) ML+BL混合組織 圖3-24 裂紋在低碳馬氏體和ML+BL混合組織中擴(kuò)展的示意圖 與單一ML相比，ML+BL混合組織中有更多的大角度晶界，裂紋擴(kuò)展在ML板條束界或ML與BL邊界處受阻而轉(zhuǎn)向，韌性明顯提高。 上貝氏體由于板條寬度大，且板條間結(jié)晶方位相差很小，板條幾乎平行生長貫穿原奧氏體晶粒，形成粗大的Bu板條束。解理裂紋在Bu組織中可連續(xù)貫穿，對應(yīng)較低的解理斷裂應(yīng)力，韌性較低。 低碳調(diào)質(zhì)鋼HAZ獲得較細(xì)小的ML組織或BL組織時(shí)，強(qiáng)韌性良好，

15、而韌性最佳的組織為ML+少量BL的混合組織；隨著上貝氏體組織BU的增加HAZ韌性急劇下降。低碳調(diào)質(zhì)鋼HAZ韌性的變化還與貝氏體（BL、Bg、Bu）板條寬度、板條界碳化物析出形態(tài)以及島狀M-A組元的生成等有關(guān)。由于Bu和Bg組織對高強(qiáng)鋼HAZ韌性影響很大，是高強(qiáng)鋼焊接中經(jīng)常遇到的問題，分析由貝氏體引起的脆化現(xiàn)象十分重要。 表3-18 低碳調(diào)質(zhì)鋼模擬HAZ粗晶區(qū)的組織組成 分析表中的數(shù)據(jù)可以了解工藝參數(shù)（t 8/5 或焊接熱輸入E）對HAZ粗晶區(qū)組織與性能的影響。 Q690低碳調(diào)質(zhì)鋼HAZ斷口形貌（SEM，2000） （1）熱影響區(qū)脆化在焊接熱循環(huán)作用下，低碳調(diào)質(zhì)鋼HAZ過熱區(qū)易發(fā)生脆化，即韌性明

16、顯降低。 1）HAZ脆化的原因 除了奧氏體晶粒粗化的原因外，更主要的是由于上貝氏體和M-A組元的形成。M-A組元一般在中等冷速下形成，是奧氏體中碳含量升高的結(jié)果。在相變過程中，碳原子不斷向未轉(zhuǎn)變的奧氏體擴(kuò)散，在/界面形成峰值。一旦出現(xiàn)M-A組元，脆性傾向顯著增加 。M-A組元數(shù)量越多脆化越嚴(yán)重。M-A組元實(shí)質(zhì)上成為潛在的裂紋源，起了應(yīng)力集中的作用。 2）HAZ脆化的防止M-A組元一般只在一定的冷卻速度時(shí)形成，調(diào)整工藝參數(shù)可以控制熱影響區(qū)M-A組元的產(chǎn)生?？刂坪附訜彷斎牒筒捎枚鄬佣嗟篮腹に?，使低碳調(diào)質(zhì)鋼HAZ避免出現(xiàn)高硬度M或M-A混合組織，可改善抗脆能力，對提高HAZ韌性有利。 （2）熱影響區(qū)

17、軟化低碳調(diào)質(zhì)鋼HAZ峰溫高于母材回火溫度至AC1的區(qū)域會(huì)出現(xiàn)軟化（強(qiáng)度、硬度降低）。HAZ軟化最明顯的部位是峰溫接近AC1的區(qū)域，這與該區(qū)域組織轉(zhuǎn)變及碳化物的沉淀和聚集長大有關(guān)。HAZ軟化區(qū)是焊接接頭中的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，對焊后不再進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理的調(diào)質(zhì)鋼來說尤為重要。焊前母材強(qiáng)化程度越高（母材調(diào)質(zhì)處理的回火溫度越低），焊后HAZ的軟化（或稱失強(qiáng)率）越嚴(yán)重， 圖3-28 調(diào)質(zhì)鋼焊接熱影響區(qū)的硬度分布A焊前淬火低溫回火； B 焊前淬火高溫回火； C 焊前退火 1淬火區(qū) 2部分淬火區(qū) 3回火區(qū) 熱影響區(qū)軟化：失強(qiáng)率HAZ失強(qiáng)率（D）： 式中（b）b 為母材的抗拉強(qiáng)度（MPa）； （h）h 為HAZ軟化區(qū)的

18、抗拉強(qiáng)度（MPa）。 HAZ軟化區(qū)的顯微組織為鐵素體和低碳奧氏體的分解產(chǎn)物，這種組織對塑性變形的抗力小，造成該區(qū)的強(qiáng)度和硬度較低。 (a) 20CrMnSi (b) 45鋼 圖3-29 淬火回火鋼熱影響區(qū)的硬度分布焊前熱處理：1淬火；2淬火200回火；3淬火400回火； 4淬火600回火；5退火（粒狀珠光體）；6退火（片狀珠光體）焊接條件：板厚3mm，焊接熱輸入2.48kJ/cm 帶HAZ軟化區(qū)的焊接接頭屈服強(qiáng)度計(jì)算公式： 式中SR 為軟化區(qū)屈服強(qiáng)度（MPa）； m為相對寬度，m=b/h。HAZ軟化區(qū)寬度b與板厚h之比m，對軟化程度影響很大。軟化區(qū)是一種“硬夾軟”狀態(tài)，軟夾層小到一定程度后可產(chǎn)

19、生“約束強(qiáng)化”效應(yīng)，即軟夾層的塑性應(yīng)變受相鄰強(qiáng)硬部分約束產(chǎn)生應(yīng)變強(qiáng)化效果。軟夾層越窄，約束強(qiáng)化越顯著，失強(qiáng)率越小。相對寬度m減小，即軟化區(qū)寬度b減小，接頭強(qiáng)度可提高。也就是說，板厚越小接頭軟化越突出，更需要限制焊接熱輸入和預(yù)熱溫度；板厚增大，軟化的影響將減弱。利用焊接傳熱學(xué)公式，可計(jì)算出位于Ac1至峰值溫度Tp之間的熱影響區(qū)軟化區(qū)寬度。軟化區(qū)強(qiáng)度一定時(shí)，板厚h越大，焊接熱輸入E 越小，初始預(yù)熱溫度T0越低，焊接接頭的強(qiáng)度越高（也即失強(qiáng)率越?。：附又兄灰O(shè)法減小軟化區(qū)的寬度b，即可將焊接HAZ軟化的危害降到最低程度。因此QT鋼焊接不宜采用大的焊接熱輸入（或較高預(yù)熱溫度）。 3.3.2 低碳調(diào)質(zhì)

20、鋼的焊接工藝特點(diǎn)1. 焊接方法 SMAW、氣體保護(hù)焊（CO2焊、MIG/MAG）、 埋弧焊（SAW）、電子束焊（EBW）2. 焊接材料3. 焊接工藝參數(shù) 控制焊接熱輸入、最大熱輸入4. 低溫預(yù)熱和焊后熱處理 焊接要點(diǎn)這類鋼的特點(diǎn)是碳含量低，基體組織是強(qiáng)度和韌性較高M(jìn)L+BL，這對焊接有利。但是，調(diào)質(zhì)狀態(tài)下的鋼材，只要加熱溫度超過它的回火溫度，性能就會(huì)發(fā)生變化。因此焊接時(shí)由于熱的作用使熱影響區(qū)強(qiáng)度和韌性的下降幾乎是不可避免的。低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接要注意兩個(gè)基本問題： 要求馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)的冷卻速度不能太快，使馬氏體 有一“自回火”作用，以防止冷裂紋的產(chǎn)生； 要求在800500之間的冷卻速度大于產(chǎn)生脆性混合

21、組織的臨界速度。 1焊接方法的選擇 QT鋼焊接要解決的問題：一是防止裂紋；二是在保證滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)，提高焊縫金屬及熱影響區(qū)的韌性。為了消除裂紋和提高焊接效率，一般采用熔化極氣體保護(hù)焊(MIG、MAG)等焊接方法。低碳調(diào)質(zhì)鋼常用的焊接方法: SMAW、CO2焊和Ar+CO2混合氣體保護(hù)焊等。對于調(diào)質(zhì)鋼焊后HAZ強(qiáng)度和韌性下降的問題，可以焊后重新調(diào)質(zhì)處理。對于焊后不能再進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理的，要限制焊接熱輸入對母材的作用。 焊接s980MPa的低碳調(diào)質(zhì)鋼，如10Ni-Cr-Mo-Co等，采用TIG、EBW等焊接方法可以獲得良好的焊接質(zhì)量；對于s980MPa的低碳調(diào)質(zhì)鋼，SMAW、SAW、TIG、MIG/MAG等都能采用；對