合金结构钢的焊接(1)

金属学中焊接冶金学思维导图，包含热轧,正火钢及控轧钢、低碳调质钢、分类和性能、珠光体耐热刚、中碳调质钢等。

合金结构钢的焊接

• 分类和性能
  • 分类
    • 强度用钢
      • 应用条件：要求常规条件下能承受静载和动载的机械零件和工程结构要求，具有良好的力学性能。
      • 分类：热轧及控轧,正火及控轧钢，低碳调质钢，中碳调质钢。
    • 低中合金特殊用钢
      • 定义：低中合金特殊用钢主要用于一些特定条件下工作的机械零件和工程零件
      • 分类：珠光体耐热钢，低温钢，低合金耐蚀钢
  • 性能
    • 化学成分
      • 在低碳钢的基础上（Wc=0.1%~0.25%）添加一定量的合金元素构成。
      • 在热轧及正火条件下，合金元素对塑性和韧性的影响与其强化作用相反，其强化效果越大，塑性和韧性降低的越多。当钢中的合金元素的含量超出一定范围后，会出现韧性的大幅下降。
    • 力学性能
      • 合金结构钢的强度越高，屈服强度与抗拉强度之差也就越小
      • 屈服强度与抗拉强度之比称为屈强比（Rel/Rm）。
      • 缺口韧性是用于表示材料抵抗脆性破坏的一项指标。其中吸收能可以反映某一温度范围韧性急剧变化的转变现象。韧脆转变温度越低，韧性越好。冲击吸收能越高韧性越好。
      • 锰的固溶强化作用显著，镍是唯一既固溶强化又同时提高韧性
    • 显微组织
      • 晶粒尺寸必须细小均匀，而且应是等轴晶。
      • 经调质处理后的钢材具有较高的强度韧性和良好的焊接性裂纹敏感性小，热影响区组织性能稳定。
      • 通过控制钢中杂质之和，使杂质质量分数之和由原来的0.01%降至现在的0.006%。
• 浮动主题
• 珠光体耐热钢以Cr-Mo以及Cr-Mo基多元合金钢为主，加入合金元素Cr、Mo、V，有时还加入少量W、Ti、Nb、B等，合金元素总的质量分数小于10%。
• 但对高Ni低Mn类型的钢有一定的热裂纹敏感性,主要产生热影响区过热区.也被称为液化裂纹。
• 提供影响区淬硬组织的条件是,热影响区淬硬组织Ms点较高的低碳马氏体
• 钢材淬火后无论经高温回火或低温均称为调质,经过淬火加回火热处理的钢称为调质钢。
• 热轧钢几乎不会出现冷裂纹的原因是含碳量太小
• 屈服强度为295~490MPa的低合金高强度钢,一般是在热轧,正火,或控轧控冷状态下供货使用
• 合金结构钢是在碳素钢的基础上加入一定量的合金元素
• 珠光体耐热刚
  • 成分性能
    • • 随着Cr、Mo含量的增加，钢的抗氧化性、高温强度和抗硫化物腐蚀性能也都增加。
  • 强化方式
    • 基体固溶强化
    • 第二相沉淀强化
    • 晶界强化
  • 焊接性
    • 热影响区硬化及冷裂纹。
    • 再热裂纹。
    • 热影响区回火脆性。
  • 焊接工艺特点。
    • 常用焊接方法和焊接材料。
    • 预热及焊后热处理。
      • 后热去氢处理是防止冷裂纹的重要措施之一
• 中碳调质钢
  • 成分及性能
    • ●屈服强度达880~1176MPa以上, ●钢中的含碳量（wc=0.25%-0.50%）较高， ●以保证钢的淬透性，消除回火脆性，再通过调质处理获得综合性能较好的高强度钢
  • 分类
    • 40Cr、35CrMoA和35CrMoVA、30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A和40CrMnSiMoVA
  • 焊接性
    • 焊缝中的热裂纹。
      • 碳含量低，稀奇含硫,磷杂质少的焊接材料。
    • 淬硬性和冷裂纹。
      • 母材含碳量越高，淬硬性越大，焊接冷裂纹倾向越大
      • 降低焊接接头的含氢量；焊后需及时进行回火处理；采用热量集中的焊接方法和较小的焊接热输入。
    • 热影响区的脆化和软化。
      • 热影响区软化： 焊前为调质状态的钢材焊接时，被加热到该钢调质处理的回火温度以上时，焊接热影响区将出现强度、硬度低于母材的软化区。
  • 焊接工艺特点。
    • 退火或正火下焊接。
    • 调质状态焊接。
    • 焊接方法及焊接材料。
      • 焊接方法
      • 焊接材料
        • • 采用低碳合金系，降低焊缝金属的S、P杂质含量，以确保焊缝金属的韧性、塑性和强度，提高焊缝金属的抗裂性。
      • 预热和焊后热处理。
        • 预热温度一般为200~350℃
• 低碳调质钢
  • 碳的质量分数不大于0.22%。
  • 合金化原则：在低碳基础上通过加入多种提高淬透性合金元素，来保证获得强度高,韧性好的低碳自回火马氏体和部分下贝氏体的混合组织。
  • 低碳调质钢的质量分数应该限制在0.18%以下。为了保证较高的缺口韧性,一般含有较高的Ni和Cr，具有高强度，特别是具有优异的低温缺口韧性。
  • 分类：高强度结构钢（Rm=600~800MPa），高强度耐磨钢（Rm≥1000MPa），高强高韧性钢（Rm≥700MPa）。
  • 焊接性
    • 1.焊缝强韧性匹配
      • ●焊缝强度匹配系数S=(Rm)w/(Rm)b,是表征接头力学非均质性的参数之一。其>1称为超强匹配,=1称为等强匹配，<1称为低强匹配。
    • 2.冷裂纹
      • 马氏体中的碳含量很低，所以它的开始转变温度Ms点较高，如果在该温度下冷却较慢，生成的马氏体来得及进行一次自回火处理。实际冷裂纹倾向性并不大。
    • 3.热裂纹及再热裂纹
      • 低碳调质钢碳含量较低，锰含量高，而且对硫磷的控制也比较严格，因此热裂纹的倾向较小。
      • 控制方法：采用小热输入的焊接方法，并注意控制熔池形状,减小融合区凹度。
      • 在热处理工艺中，碳化物的二次析出产生再热裂纹。V,Mo对再热裂纹的影响最大。
    • 4.热影响区性能变化
      • 调质钢热影响区组织特征。
      • 热影响区脆化。
        • 在焊接热循环作用下，t8/5继续增加时低碳调质钢热影响区过热区易发生脆化
        • 原因：奥氏体晶粒粗化,上贝氏体和M-A组员元的形成。
      • 热影响区软化。
        • 低碳调质钢热影响区峰值温度高于母材回火温度至Ac₁的区域会出现软化（强度硬度降低）
  • 焊接工艺特点
    • 1.焊接方法和焊接材料的选择。
      • ●是防止裂纹；●是在保证满足高强度要求的同时，提高焊缝金属及热影响区的韧性。
    • 2.焊接参数的选择。
      • ●焊接热输入
      • ●预热温度及焊后热处理
    • 3.低碳调质钢焊接接头的力学性能。
    • 注意问题：①要求马氏体转变时的冷却速度不能太快，使马氏体有“自回火”作用。以防止冷器纹的广生。②）要求在800~500℃之间的冷却速度大于产生脆性混合组织的临界速度
• 热轧,正火钢及控轧钢
  • 热轧钢
    • 定义：屈服强度为295~390MPa的普通低合金钢都属于热轧钢
    • 基本成分：碳含量小于等于0.2%
    • 组织结构：铝镇静的细晶粒铁素体+珠光体组织
  • 正火钢
    • 定义：在固溶强化的基础上,加入一些碳,氮化合物形成元素（V,Nb,Ti,Mo）,通过沉淀强化和细化晶粒进一步提高钢材的强度和保证韧性
    • 使用条件：
      • ①正火状态下使用的钢,主要含有V,Nb,Ti（屈强比较高）
      • ②正火+回火状态使用的含Mo钢
      • ③抗层状撕裂的Z向钢（屈服强度≥343MPa）
  • 控轧钢
    • 定义：加入质量分数为0.1%左右对钢的组织性能有显著或特殊影响的微量合金元素
    • 优点：高强度,高韧性和良好的焊接性
  • 焊接性
    • 1.冷裂纹
      • ●碳当量（碳当量越大,脆硬倾向越大）
      • ●脆硬倾向（脆硬倾向越大,连续冷却曲线右移）
      • ●热影响区最高硬度（是一个刚好不出现冷裂纹的临界硬度值）
    • 2.热裂纹及消除应力裂纹
      • ●S,P低熔点共晶物的形成
      • ●与焊缝垂直方向上的应力
      • 防止方法：工艺上减小母材的融合比，增大焊缝的成形系数；调整焊缝的金属成分，降低碳当量，提高锰含量
      • 再热裂纹一般产生在热影响区的粗晶区,可采取提高预热温度或焊后立即后热等措施
    • 3.非调制钢焊缝的组织和韧性
      • 韧性是表征金属对脆性裂纹产生和扩展难易程度的性能。
      • ●焊缝脆性取决于针状铁素体AF和先共析铁素体PF组织所占的比例
    • 4.热影响区脆化
      • 粗晶区脆化
        • 原因：①过大的焊接热输入，粗晶区将因晶粒长大或出现魏氏组织而降低韧性。②焊接热输入过小，粗晶区中马氏体组织所占的比例增大而降低韧性。
        • 预防措施：①对含碳量偏高的热轧钢,焊接热输入要适中。②对于含有碳氮化物形成元素的正火钢应选用较小的焊接热输入。③焊后应采用800~1050℃正火处理来改善韧性。
      • 热应变脆化
        • 原因：由于氮,碳原子聚集在位错周围.对位错造成钉轧作用造成的。
        • 防治措施：在钢中加入足够量的氮化物形成元素，可以降低热应变脆化倾向。
    • 5.层状撕裂
      • 产生位置：要求熔透的角接接头或梯形接头的厚板结构中。
      • 防治措施：①合理选择层状撕裂敏感性小的钢材。② 强度级别比较低的焊接材料以及采用于预热及降氢的辅助措施。③改善接头形式以减轻钢板z向所承受的应力应变。
  • 焊接工艺
    • ⒈坡口加工,装配及定位焊
      • ●坡口加工可采用机械加工，其加工精度较高，也可采用火焰切割或碳弧气刨
      • ●焊接件的装配间隙不应过大，尽量避免强力装配，减小焊接应力
      • ●定位焊应选用同类型的焊接材料，也可选用强度稍低的焊条或焊丝
    • ⒉焊接材料的选择
      • 要考虑的问题：不能有裂纹等煜接缺陷；能满足使用性能要求
      • 选用要点：
        • （1）选择与母材力学性能匹配的相应级别的焊接材料
        • （2）同时考虑熔合比和冷却速度的影响
        • （3）考虑焊后热处理对焊缝力学性能的影响
    • ⒊焊接参数的确定
      • 焊接输入取决于接头区是否出现冷裂纹和热影响区脆化
      • 预热和焊后热处理的目的主要是为了防止裂纹，也有一定的改善组织性能的作用
    • ⒋焊接接头的力学性能

合金结构钢的焊接

• 分类和性能
  • 分类
    • 强度用钢
      • 应用条件：要求常规条件下能承受静载和动载的机械零件和工程结构要求，具有良好的力学性能。
      • 分类：热轧及控轧,正火及控轧钢，低碳调质钢，中碳调质钢。
    • 低中合金特殊用钢
      • 定义：低中合金特殊用钢主要用于一些特定条件下工作的机械零件和工程零件
      • 分类：珠光体耐热钢，低温钢，低合金耐蚀钢
  • 性能
    • 化学成分
      • 在低碳钢的基础上（Wc=0.1%~0.25%）添加一定量的合金元素构成。
      • 在热轧及正火条件下，合金元素对塑性和韧性的影响与其强化作用相反，其强化效果越大，塑性和韧性降低的越多。当钢中的合金元素的含量超出一定范围后，会出现韧性的大幅下降。
    • 力学性能
      • 合金结构钢的强度越高，屈服强度与抗拉强度之差也就越小
      • 屈服强度与抗拉强度之比称为屈强比（Rel/Rm）。
      • 缺口韧性是用于表示材料抵抗脆性破坏的一项指标。其中吸收能可以反映某一温度范围韧性急剧变化的转变现象。韧脆转变温度越低，韧性越好。冲击吸收能越高韧性越好。
      • 锰的固溶强化作用显著，镍是唯一既固溶强化又同时提高韧性
    • 显微组织
      • 晶粒尺寸必须细小均匀，而且应是等轴晶。
      • 经调质处理后的钢材具有较高的强度韧性和良好的焊接性裂纹敏感性小，热影响区组织性能稳定。
      • 通过控制钢中杂质之和，使杂质质量分数之和由原来的0.01%降至现在的0.006%。
• 浮动主题
• 珠光体耐热钢以Cr-Mo以及Cr-Mo基多元合金钢为主，加入合金元素Cr、Mo、V，有时还加入少量W、Ti、Nb、B等，合金元素总的质量分数小于10%。
• 但对高Ni低Mn类型的钢有一定的热裂纹敏感性,主要产生热影响区过热区.也被称为液化裂纹。
• 提供影响区淬硬组织的条件是,热影响区淬硬组织Ms点较高的低碳马氏体
• 钢材淬火后无论经高温回火或低温均称为调质,经过淬火加回火热处理的钢称为调质钢。
• 热轧钢几乎不会出现冷裂纹的原因是含碳量太小
• 屈服强度为295~490MPa的低合金高强度钢,一般是在热轧,正火,或控轧控冷状态下供货使用
• 合金结构钢是在碳素钢的基础上加入一定量的合金元素
• 珠光体耐热刚
  • 成分性能
    • • 随着Cr、Mo含量的增加，钢的抗氧化性、高温强度和抗硫化物腐蚀性能也都增加。
  • 强化方式
    • 基体固溶强化
    • 第二相沉淀强化
    • 晶界强化
  • 焊接性
    • 热影响区硬化及冷裂纹。
    • 再热裂纹。
    • 热影响区回火脆性。
  • 焊接工艺特点。
    • 常用焊接方法和焊接材料。
    • 预热及焊后热处理。
      • 后热去氢处理是防止冷裂纹的重要措施之一
• 中碳调质钢
  • 成分及性能
    • ●屈服强度达880~1176MPa以上, ●钢中的含碳量（wc=0.25%-0.50%）较高， ●以保证钢的淬透性，消除回火脆性，再通过调质处理获得综合性能较好的高强度钢
  • 分类
    • 40Cr、35CrMoA和35CrMoVA、30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A和40CrMnSiMoVA
  • 焊接性
    • 焊缝中的热裂纹。
      • 碳含量低，稀奇含硫,磷杂质少的焊接材料。
    • 淬硬性和冷裂纹。
      • 母材含碳量越高，淬硬性越大，焊接冷裂纹倾向越大
      • 降低焊接接头的含氢量；焊后需及时进行回火处理；采用热量集中的焊接方法和较小的焊接热输入。
    • 热影响区的脆化和软化。
      • 热影响区软化： 焊前为调质状态的钢材焊接时，被加热到该钢调质处理的回火温度以上时，焊接热影响区将出现强度、硬度低于母材的软化区。
  • 焊接工艺特点。
    • 退火或正火下焊接。
    • 调质状态焊接。
    • 焊接方法及焊接材料。
      • 焊接方法
      • 焊接材料
        • • 采用低碳合金系，降低焊缝金属的S、P杂质含量，以确保焊缝金属的韧性、塑性和强度，提高焊缝金属的抗裂性。
      • 预热和焊后热处理。
        • 预热温度一般为200~350℃
• 低碳调质钢
  • 碳的质量分数不大于0.22%。
  • 合金化原则：在低碳基础上通过加入多种提高淬透性合金元素，来保证获得强度高,韧性好的低碳自回火马氏体和部分下贝氏体的混合组织。
  • 低碳调质钢的质量分数应该限制在0.18%以下。为了保证较高的缺口韧性,一般含有较高的Ni和Cr，具有高强度，特别是具有优异的低温缺口韧性。
  • 分类：高强度结构钢（Rm=600~800MPa），高强度耐磨钢（Rm≥1000MPa），高强高韧性钢（Rm≥700MPa）。
  • 焊接性
    • 1.焊缝强韧性匹配
      • ●焊缝强度匹配系数S=(Rm)w/(Rm)b,是表征接头力学非均质性的参数之一。其>1称为超强匹配,=1称为等强匹配，<1称为低强匹配。
    • 2.冷裂纹
      • 马氏体中的碳含量很低，所以它的开始转变温度Ms点较高，如果在该温度下冷却较慢，生成的马氏体来得及进行一次自回火处理。实际冷裂纹倾向性并不大。
    • 3.热裂纹及再热裂纹
      • 低碳调质钢碳含量较低，锰含量高，而且对硫磷的控制也比较严格，因此热裂纹的倾向较小。
      • 控制方法：采用小热输入的焊接方法，并注意控制熔池形状,减小融合区凹度。
      • 在热处理工艺中，碳化物的二次析出产生再热裂纹。V,Mo对再热裂纹的影响最大。
    • 4.热影响区性能变化
      • 调质钢热影响区组织特征。
      • 热影响区脆化。
        • 在焊接热循环作用下，t8/5继续增加时低碳调质钢热影响区过热区易发生脆化
        • 原因：奥氏体晶粒粗化,上贝氏体和M-A组员元的形成。
      • 热影响区软化。
        • 低碳调质钢热影响区峰值温度高于母材回火温度至Ac₁的区域会出现软化（强度硬度降低）
  • 焊接工艺特点
    • 1.焊接方法和焊接材料的选择。
      • ●是防止裂纹；●是在保证满足高强度要求的同时，提高焊缝金属及热影响区的韧性。
    • 2.焊接参数的选择。
      • ●焊接热输入
      • ●预热温度及焊后热处理
    • 3.低碳调质钢焊接接头的力学性能。
    • 注意问题：①要求马氏体转变时的冷却速度不能太快，使马氏体有“自回火”作用。以防止冷器纹的广生。②）要求在800~500℃之间的冷却速度大于产生脆性混合组织的临界速度
• 热轧,正火钢及控轧钢
  • 热轧钢
    • 定义：屈服强度为295~390MPa的普通低合金钢都属于热轧钢
    • 基本成分：碳含量小于等于0.2%
    • 组织结构：铝镇静的细晶粒铁素体+珠光体组织
  • 正火钢
    • 定义：在固溶强化的基础上,加入一些碳,氮化合物形成元素（V,Nb,Ti,Mo）,通过沉淀强化和细化晶粒进一步提高钢材的强度和保证韧性
    • 使用条件：
      • ①正火状态下使用的钢,主要含有V,Nb,Ti（屈强比较高）
      • ②正火+回火状态使用的含Mo钢
      • ③抗层状撕裂的Z向钢（屈服强度≥343MPa）
  • 控轧钢
    • 定义：加入质量分数为0.1%左右对钢的组织性能有显著或特殊影响的微量合金元素
    • 优点：高强度,高韧性和良好的焊接性
  • 焊接性
    • 1.冷裂纹
      • ●碳当量（碳当量越大,脆硬倾向越大）
      • ●脆硬倾向（脆硬倾向越大,连续冷却曲线右移）
      • ●热影响区最高硬度（是一个刚好不出现冷裂纹的临界硬度值）
    • 2.热裂纹及消除应力裂纹
      • ●S,P低熔点共晶物的形成
      • ●与焊缝垂直方向上的应力
      • 防止方法：工艺上减小母材的融合比，增大焊缝的成形系数；调整焊缝的金属成分，降低碳当量，提高锰含量
      • 再热裂纹一般产生在热影响区的粗晶区,可采取提高预热温度或焊后立即后热等措施
    • 3.非调制钢焊缝的组织和韧性
      • 韧性是表征金属对脆性裂纹产生和扩展难易程度的性能。
      • ●焊缝脆性取决于针状铁素体AF和先共析铁素体PF组织所占的比例
    • 4.热影响区脆化
      • 粗晶区脆化
        • 原因：①过大的焊接热输入，粗晶区将因晶粒长大或出现魏氏组织而降低韧性。②焊接热输入过小，粗晶区中马氏体组织所占的比例增大而降低韧性。
        • 预防措施：①对含碳量偏高的热轧钢,焊接热输入要适中。②对于含有碳氮化物形成元素的正火钢应选用较小的焊接热输入。③焊后应采用800~1050℃正火处理来改善韧性。
      • 热应变脆化
        • 原因：由于氮,碳原子聚集在位错周围.对位错造成钉轧作用造成的。
        • 防治措施：在钢中加入足够量的氮化物形成元素，可以降低热应变脆化倾向。
    • 5.层状撕裂
      • 产生位置：要求熔透的角接接头或梯形接头的厚板结构中。
      • 防治措施：①合理选择层状撕裂敏感性小的钢材。② 强度级别比较低的焊接材料以及采用于预热及降氢的辅助措施。③改善接头形式以减轻钢板z向所承受的应力应变。
  • 焊接工艺
    • ⒈坡口加工,装配及定位焊
      • ●坡口加工可采用机械加工，其加工精度较高，也可采用火焰切割或碳弧气刨
      • ●焊接件的装配间隙不应过大，尽量避免强力装配，减小焊接应力
      • ●定位焊应选用同类型的焊接材料，也可选用强度稍低的焊条或焊丝
    • ⒉焊接材料的选择
      • 要考虑的问题：不能有裂纹等煜接缺陷；能满足使用性能要求
      • 选用要点：
        • （1）选择与母材力学性能匹配的相应级别的焊接材料
        • （2）同时考虑熔合比和冷却速度的影响
        • （3）考虑焊后热处理对焊缝力学性能的影响
    • ⒊焊接参数的确定
      • 焊接输入取决于接头区是否出现冷裂纹和热影响区脆化
      • 预热和焊后热处理的目的主要是为了防止裂纹，也有一定的改善组织性能的作用
    • ⒋焊接接头的力学性能