材料焊接性全(课堂PPT).ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,焊接冶金学,兰州理工大学,王晓军,材料焊接性,1,Q345E,16Mnq,（南京长江大桥）,2,3,以,“,渤海,8,号,”,自升式钻井平,台为例，悬臂,梁选用,588,MPa,级高强,度钢，牌号为,WELLEN60,。,4,Q235A,5,Q460,，化学成分,16Mn,钢为基础，不添加,V,元素，添加约,0.02,的,Nb,元素，采用控轧控冷工艺,(TMCP),主要依靠晶粒细化和析出强化提高钢材强度。,（鸟巢）,6,S355K2G3,（,16Mn,）,7,铜合金螺旋桨,ZQAl10-3Fe-1.5Mn,8,9,10,课程基本信息,课程英文名称：,Materials Weldability,课程编号：,301501,课程学时,/,学分：,32/1.5,，,其中讲课：,28,；实验：,4,课程类别：专业课,考试方式：笔试、闭卷,试题类型：选择、判断、填空、简答、综合分析,成绩评定方式：平时成绩,30%+,期末考试,70%,11,焊接金属学,焊接工艺学,焊接力学,焊接工程学,标准,新技术,焊接系统工程学,设计,材料,施工,试验检验,性能评价,材料选择,生产设计,生产管理,质量管理,人为因素,生产性,经济性,可靠性,安全性,焊,接,网,络,焊接网络图,12,材料焊接性课程要解决的问题,如何解决实际工程中的焊接技术、焊接质量问题？这就是材料焊接性课程要解决的问题。即要解决以下两个问题：,1.,从工程实际提取理论研究对象；,2.,如何把理论应用到工程实践中去。,理论与实践结合,13,焊接工作者的两大努力方向,1,、如何把材料,焊得好,！,解决材料的焊接性，研究焊接接头的性能和工艺方法，焊接参数之间的关系。,2,、如何,焊得快,！,在保证焊接接头性能的前提下，研究采用什么工艺手段，使焊接的效率提高。,好而快,14,主要参考资料,1,、,李亚江,，,金属焊接性，机械工业出版社,2,、,陈伯蠡,，,金属焊接性基础，机械工业出版社,3,、,顾钰熹,，,焊接连续冷却转变图及其应用,机械工业出版社,15,第,1,章 概述,1.1,材料在工程中的发展及应用,发展及应用,石器,青铜器,铁器时代,先进材料,中国,6.267,亿吨，河北，宝钢，鞍本，武钢，沙钢，首钢,世界,14.14,亿吨，米塔尔，浦项，新日铁，,JFE,生产工具是生产力发展水平的标志,16,1.1.1,钢结构的发展及应用,表,1-1,国外近几年在不同结构上使用低合金钢的比例,17,表,1-2,主要工业部门对低合金钢的需求,18,1,、低合金钢的发展,铆接；设计参数,:,抗拉强度；,钢的强化,:,碳、单一合金元素。,采用焊接技术；设计参数：,屈服强度、韧性和焊接性,低合金高强钢快速发展，,钢中碳的质量分数降低到,0.1%,以下,20,世纪,20,年代以前,20,世纪,20-60,年代,20,世纪,70,年代以后,19,2,、合金结构钢的应用,低合金钢,锅炉和压力容器用钢,船舶用低合金钢,低温钢,建筑、桥梁、,工程机械等,可以热轧、退火、正火、,回火或调质状态供货,船舶用钢的合金系统基本,上为,C-Mn,和,C-Mn-V-Nb,用各种液态烯烃,低温贮存设备,20,1.1.2,有色金属的发展及应用,当前全世界金属材料的总产量约,8,亿,t,，其中有色金属材料约占,5,，处于补充地位，但有色金属的特殊作用却是钢铁材料无法代替的。,航天,电子、信息、汽车、,交通、轻工等,21,有色金属及合金分类：,合金组分总,的质量分数,根据组成合,金元素数目,按基体金属,铝合金、铜合金、,钛合金、镍合金等,二元合金、,三元合金和多元合金,小于,2.5%,的为低合金，,2.5%,-,10%,的为中合金，,大于,10,的为高合金。,22,1.,铝及,铝合金,特点,应用,密度低、强度高、耐腐蚀,导电导热性好、可焊接及,加工性能好，应用仅次于,钢铁，成为第二大金属。,航空航天、汽车、高速,列车、地铁车辆、飞机,、,舰船等,23,2.,铜及,铜合金,较高的导电导热性、,抗磁性、耐蚀性、,加工性。,特点,分类,纯铜,黄铜（铜锌合金）,青铜（黄铜、白铜 以外的铜合金）,白铜（铜镍合金）,24,3.,钛及,钛合金,日本神户,制钢公司,美国汽车,公司,在飞机机 体制造,轿车和运动摩托车排气,系统用新型钛合金，,最高温度可达,800,。,汽车弹簧、发动机连杆,和阀门上也采用了,钛合金材料。,树脂基复合材料和,钛合金用量增加。,25,1.1.3,先进材料的发展及应用,根据其使用性能可分为结构材料和功能材料，具有高强度、高韧性、耐高温、抗腐蚀等优点。,先进陶瓷,优点：耐更高温，但焊接难,度很大。在新能源、航天以,及海洋开发等特殊领域,具有广泛的应用前景。,26,金属间,化合物,先进复,合材料,具有许多独特的,物理、化学和力,学性能，是一种,很有发展前景的,高温结构材料。,克服单一材料,的局限性,Ti,3,Al,在航空航天应用十分广泛。,Fe,3,A1,能够在熔,炉高温装置以及,航空航天、电,力等的应用,。,27,1.2,本课程,的任,务、内容和特点,1.2.1,本课程的目的和任务,目的,培养学生掌,握对材料进,行焊接性分,析的基本方,法,任务,培养学生对专,业基本概念的,理解,加强学生,独立归纳整理,和分析的能力。,28,1.2.2,本课程的内容和教学要求,内,容,由概述、焊接性及其试验,评定、合金结构钢的焊接、,不锈钢及耐热钢的焊接、,有色金属的焊接、铸铁焊,接、先进材料的焊接和异,种材料的焊接等章节组成。,29,思考题：,根据本章所述内容，举例说明低合金钢焊接在工程结构中的重要作用。,30,第,1,章金属焊接性及其试验方法,由于在焊接过程中,焊接接头中的各种物理化学反应,在温度和化学成分都处于极不平衡的特定条件下进行的,引起两方面的后果,:,1.,在焊接区内产生各种类型的缺陷,使焊接接头丧失其,连续性,;,2.,即使没有产生缺陷,也可能,降低,了某些必要的,性能,影响焊接结构的使用寿命。,31,第,1,章金属焊接性及其试验方法,因此，,金属本身固有的基本性能,，还不能直接表明它在焊接时出现什么问题，以及焊后接头性能是否满足使用要求。这样就要求人们从焊接的角度来分析研究金属某些特有的性能,焊接性,。,32,1,焊接性及影响因素,一、焊接性概念,焊接性,同质材料或异质材料在制造工艺条件下，能够焊接形成完整接头并满足预期使用要求的能力。,33,讨论：,1.,正确区别“焊接”和“焊接性”；,2.,分析研究焊接性的目的。,34,1,、工艺焊接性、使用焊接性,工艺焊接性,是指金属或材料在一定的焊接工艺条件下，能否获得优质致密、无缺陷和具有一定使用性能的焊接接头的能力。,使用焊接性,是指焊接接头或整体焊接结构满足技术条件所规定的各种性能的程度，包括常规的力学性能,(,强度、塑性、韧性等,),或特定工作条件下的使用性能，如低温韧性、断裂韧性、高温蠕变强度、持久强度、疲劳性能以及耐蚀性、耐磨性等。,35,2,、,冶金焊接性、热焊接性,焊接过程,热过程,HAZ,冶金过程,WM,热焊接性,冶金焊接性,36,2,、冶金焊接性、热焊接性,(1),冶金焊接性,冶金焊接性是指熔焊高温下的熔池金属与气相、熔渣等相之间发生化学冶金反应所引起的焊接性变化。,(2),热焊接性,焊接过程中要向接头区域输人很多热量，对焊缝附近区域形成加热和冷却过程，这对靠近焊缝的热影响区的组织性能有很大影响，从而引起热影响区硬度、强度、韧性、耐蚀性等的变化。,37,二、,影响焊接性的因素,四大因素：材料、设计、工艺及服役环境。,1,、材料,母材和焊材以一定熔合比形成熔池，正确选用母材和焊材是保证焊接性良好的重要因素。若选择不当，影响化学成分，力学性能等性能，甚至导致焊接缺欠。,2,、设计,焊接接头的结构设计会影响应力状态，从而对焊接性产生影响。设计时注意减少焊接缺陷、多向应力和应力集中。,38,1.,材料因素如：焊接材料,焊,接,材,料,种类,供应方式,电极,药芯焊丝,实心焊丝,烧结型,熔炼型,焊条,焊丝,焊剂,保护气体,焊炬保护气体,背面保护气体,控制熔池用气体,控制电弧用气体,自保护,连续供给,手工,固定,填入,熔化,非熔化,39,2.,设计因素：结构类型、接头形式,接,头,形,式,对接接头,T,型接头,十字接头,角接接头,搭接接头,堆 焊,结,构,类,型,圆筒结构,球形结构,管 结 构,平板结构,框架结构,装配结构,完全焊透,部分焊透,双面焊,单面焊,衬垫焊,无衬垫,水冷铜壁板,40,3,、工艺,对于同一母材，采用不同的焊接方法和工艺措施，所表现出来的焊接性有很大的差异。,焊接方法,的影响首先表现在焊接热源能量密度、温度以及热量输入上，其次表现在保护熔池及接头附近区域的方式上，如渣保护、气体保护、渣,-,气联合保护以及在真空中焊接等。,工艺措施,（预热、层温、缓冷和焊后热处理）对防止焊接缺陷，提高接头使用性能有重要的作用。,41,3.,工艺因素如：熔焊方法,熔,焊,方,法,手工电弧焊,自动买弧焊,MIG/MAG,TIG,等离子弧焊,气电立焊,自保护电弧焊,电渣焊,电子束焊,激光焊,气焊,其它,焊,接,位,置,平焊,横焊,立焊,仰焊,水平固定管,（全位置）,42,11A1C,返回,43,横看：,没有一种母材所有焊接方法都适用,竖看：,没有一种焊接方法所有母材都适用,铝返回,44,4,、服役环境,焊接结构的服役环境多种多样，如,工作温度,高低、,工作介质种类,、,载荷性质,等都属于使用条件。工作温度高时，可能产生蠕变；工作温度低或载荷为冲击载荷时，容易发生脆,性破坏；工作介质有腐蚀性时，接头要求具有耐腐蚀性。使用条件越不利，焊接性就越不易保证。,45,2,焊接性试验的内容及评定原则,一、焊接性试验的内容,1.WM,，热裂纹？,46,2,焊接性试验的内容及评定原则,一、焊接性试验的内容,2.WM,，,HAZ,冷裂纹？,淬硬倾向,氢的作用,拘束度,冷裂纹,47,2,焊接性试验的内容及评定原则,一、焊接性试验的内容,3.,焊接接头，脆性转变能力？,48,2,焊接性试验的内容及评定原则,一、焊接性试验的内容,4.,焊接接头，使用能力？,49,2,焊接性试验的内容及评定原则,二、评定焊接性的原则,1,、评定焊接接头产生工艺缺陷的倾向，为制定合理的焊接工艺提供依据；,2,、评定焊接接头能否满足结构使用性能的要求。,选择已有的或设计新的焊接性试验方法应符合下述原则：,1,、可比性,尽可能接近实际焊接条件,2,、针对性,应针对具体的焊接结构,3,、再现性,结果要稳定可靠，具有很好的再现性,4,、经济性,力求少耗材，易加工，短周期，低费用,50,2,焊接性试验的内容及评定原则,三、焊接性评定方法的分类,1.,模拟类,2.,实焊类,3.,理论分析和计算类,51,利用,CCT,图或,SHCCT,图分析,1,、模拟类,Gleeble 3500,52,2,、实焊类方法,在一定条件下进行焊接，通过实焊过程来评价焊接性。主要有：裂纹敏感性试验、焊接接头的力学性能试验、低温脆性试验、断裂韧性试验、高温蠕变及持久强度试验等。,(1),焊接冷裂纹试验,“小铁研”试验、插销试验、,TRH,、,RRC,等。,(2),焊接热裂纹试验,可调拘束裂纹试验、,FISCO,等。,(3),消除应力裂纹试验,“小铁研”试验、,H,形拘束试验、插销式消除应力裂纹试验法等。,(4),层状撕裂试验,Z,向拉伸试验、,Z,向窗口试验等。,(5),应力腐蚀裂纹试验,U,形弯曲试验、缺口试验等。,53,3,、理论分析和计算类方法,利用物理性能分析,T,m,、,、,、,利用化学成分分析,CE Ceq,利用化学性能分析,（,Ti+O,2,TiO 4Al+3O,2,2Al,2,O,3,）,利用,CCT,图或,SHCCT,图分析,利用合金相图,根据金属的特性,54,55,56,3,焊接性的评定及试验方法,间接分析法,直接试验法,焊接性试验方法,57,碳,是各元素中对冷裂敏感性影响最显著的，因而人们就将各种元素都按相当与若干含碳量折合叠加起来求得所谓,碳当量,（,CE,或,Ceq,），用来估计冷裂倾向的大小。,加权、权重,一、焊接性的间接评定,1,、碳当量法,58,碳当量法,国际焊接协会（,IIW,）,此式适用于中、高强度的非调质低合金高强钢。,CE0.45,，焊接,25mm,的板可以不预热。,C 0.207,时，焊接厚度,37mm,的板可以不预热。,59,碳当量法,日本,JIS,此式适用于低合金调质钢，其化学成分范围：,C0.2,或,0.18,；,Si 0.55,；,Mn1.5%,；,Cu 0.5%,；,Ni2.5%,；,Cr1.25%,；,Mo 0.7%,；,V0.1%,；,B0.006%,。,60,根据钢材强度和碳当量确定预热要求,钢材强度级别,b,/MPa,碳当量,Ceq,（,JIS,）,/%,工艺措施,500,0.46,焊时不需预热,600,0.52,焊前预热,75,700,0.52,焊前预热,100,800,0.62,焊前预热,150,钢板厚度小于,25mm,，采用焊条电弧焊，焊接热输入,17KJ/cm,。,61,碳当量法,美国焊接学会,AWS,此式适合化学成分范围：,C0.6,；,Mn1.6%,；,Ni 3.3%,；,Cr 1.0%,；,Mo0.6%,；,P,：,0.05,0.15%,。,Cu,：,0.5,1.0%,；当,Cu0.5,或,P0.05,时不计入。,62,焊接性与碳当量的关系,63,不同条件下的预热要求,焊接性,用普通酸性焊条,用低氢焊条,消除应力,敲击处理,优良,不需预热,不需预热,不需,不需,较好,预热,40100,-10,以上不需预热,任意,任意,尚好,预热,150,预热,40100,希望,希望,可以,预热,150200,预热,100,必须,希望,64,2,、焊接冷裂纹敏感指数法,除,碳当量,外，焊缝,含氢量,和,接头拘束度,都对冷裂纹倾向有很大影响。,T,0,=1440,P,c,-392,65,3,、热裂纹敏感性指数法,(1),热裂纹敏感系数,HCS,HCS4,，无热裂纹；,HCS,越大，热裂纹越敏感。,临界应变增长率,CST,CST6.510,-4,，无裂纹。,66,4,、消除应力裂纹敏感性指数法,(1)G,法,（,%,）,G0,时，对裂纹不敏感；,G 0,时，敏感。,（,%,）,G1.5,时，对裂纹不敏感；,G2,时，敏感。,P,SR,法,（,%,）,P,SR,0,，对裂纹敏感。,67,5,、层状撕裂敏感性指数法,68,6,、焊接,HAZ,最高硬度法,L,=200mm,；,B,=150mm,；,=20mm,；,l,=125mm,GB 4675.5-1984,焊接性试验 焊接热影响区最高硬度试验方法,69,70,71,二、焊接性的直接试验方法,72,1,、焊接冷裂纹试验方法,73,1).,斜,Y,坡口对接裂纹试验（小铁研试验）,主要用于评价打底焊缝及其热影响区冷裂纹倾向。试验焊缝只有一道，目的是鉴定第一层焊道根部裂纹敏感性。,74,斜,Y,形坡口焊接裂纹试验,75,斜,Y,形坡口焊接裂纹试验,焊接规范为标准规范，焊条直径,4mm,，,I=170A,，,U=24V,，,V,焊,=150mm/min,。,试验焊缝两端都不得与拘束焊缝相连,，应各相距,2-3mm,。,熔敷焊缝试验以后，至少放置,24,小时,，然后进行裂纹检验。,表面裂纹率,l,f,/,L,100%,根部裂纹率,l,r,/,L,100%,断面裂纹率,H,s,/,H,100%,76,斜,Y,形坡口焊接裂纹试验,77,2).TRC,试验和,RRC,试验,78,拉伸拘束裂纹试验（,TRC,）,基本原理是模拟焊接接头承受的平均拘束应力，主要评定冷裂纹敏感性。,此法设备较大而复杂，所需试板也很大。试验结果常与插销试验结果一致，现在用的不多。,79,刚性拘束裂纹试验（,RRC,）,基本原理是模拟焊接接头承受外部拘束，由于接头冷却时金属收缩所产生的应力而引起裂纹。,可以用作评价冷裂纹敏感性的尺度。此试验比,TRC,试验的恒载拉伸更接近实际焊接情况。,80,3),、刚性固定对接裂纹试验（巴东试验）,此法主要用于测定焊缝的冷裂纹和热裂纹倾向，但也可以测定热影响区的冷裂纹倾向。,81,4).,窗形拘束裂纹试验,此法主要用于测定多层焊时焊缝横向冷裂纹及热裂纹的敏感性焊后放置,24,小时再检查，一般以有无裂纹为准，也可以裂纹率为相对比较。,82,5).,插销试验,插销试验是一种简便又省材料的试验方法主要用于考核材料的氢致延迟裂纹敏感性。,一种模拟的方法,切口效应,不同板厚、不同冷却速度、切口尖端的组织和抗裂性,拘束应力的大小、应力开始作用时间,83,插销试验,84,插销试验,85,插销试验,86,插销试验,试验结果,断裂时间,t,F,及,Cr,的关系；,找出,Cr,=,s,的施工条件；,可调节的工艺因素,H,D,；,T,0,；,T,P,；,填充金属材料。,87,6).,搭接接头焊接性试验，,CTS,88,2,、焊接热裂纹试验方法,89,1),、压板对接（,FISCO,）焊接裂纹试验法,此法（,GB4675.4-84,）主要用于评定热裂纹敏感性，也可以做钢材与焊条匹配性的试验。,90,91,压板对接（,FISCO,）焊接裂纹试验法,（,2,）焊接按生产中的工艺焊接,4,条约,40mm,长的焊缝（,3,）计算裂纹率,l,F,裂纹长度之和；,L,F,焊缝长度之和。,92,2),、可调拘束裂纹试验法,1,、用途：评定热裂纹敏感性（美国焊接专家,Savage1965,年提出）,2,、试验方法：,纵向可调拘束裂纹试验法,横向可调拘束裂纹试验法,93,可调拘束裂纹试验法,94,可调拘束裂纹试验法,试验原理,改变模块的,R,即可改变应变量，而达到一定值时，就会在焊缝或热影响区发生热裂纹，随着增加，裂纹的数目及长度的总和也增加，从而获得一定的规律。,95,3,、焊接消除应力裂纹试验方法,1,、插销式消除应力裂纹试验法,2,、,H,形拘束试验,3,、斜,Y,形坡口消除应力裂纹试验,96,4,、层状撕裂试验方法,1),、,Z,向拉伸试验,此法用于测定层状撕裂敏感性。试棒拉伸破坏后，以,Z,向断面收缩率,为层状撕裂敏感性的判据。,1525%,时，才能较好地抵抗层状撕裂。,97,98,2),、,Z,向窗口试验,99,2),、,Z,向窗口试验,此法也是测试层状撕裂敏感性的试验方法焊接顺序：先焊,1,、,2,两条拘束焊缝，再焊,3,、,4,两条试验焊缝。,计算裂纹率,l,F,裂纹长度之和；,L,F,焊缝长度之和。,100,第一章 思考题,1,、什么是焊接性,?,包含哪几个方面,?,2,、不同的焊接方法是如何影响材料焊接性的？,3,、小铁研实验的条件是什么,?,裂纹率如何测量与计算,?,4,、插销试验的目的是什么？如何利用插销试验确定预热温度？,5,、产生层状撕裂的主要原因是什么？如何用试验的方法确定材料层状撕裂的敏感性？,101,第三章 合金结构钢的焊接,碳素钢,+,合金元素,=,合金结构钢,综合性能好（强度高、韧性、塑性和焊接性好）,应用广泛（压力容器、工程机械、石油化工、桥梁、船舶等）,102,第三章 合金结构钢的焊接,1,分类和性能,一、分类,按合金元素含量分类：,合金钢,低合金钢：,合金元素总的质量分数不超过,5%,中合金钢：,合金元素总的质量分数为,5%-10%,高合金钢：,合金元素总的质量分数大于,10%,103,第,1,节 分类、性能,一、合金结构钢的分类,凡是用做机械零件和各种工程结构的钢材都称为,结构钢,。,合金结构钢可分两类：,1,、强度用钢,2,、特殊用钢,104,强度用钢,凡是屈服强度大于,295MPa,的强度用钢均可称为,高强钢,。,一般有热轧钢、正火钢、低碳调质钢和中碳调质钢、微合金化钢、焊接无裂纹钢、抗层状撕裂钢和大线能量钢。,第,1,节 分类、性能,105,1.,热轧及正火钢,凡是屈服强度为,295,490MPa,的低合金高强钢，一般都在热轧或正火状态下供货使用，故称,热轧钢及正火钢,。是一种非热处理强化钢。,CF,钢、,Z,向钢、大线能量钢、,TMCP,钢、,UFG,钢。,第,1,节 分类、性能,106,CF,钢,日本的,610U2,，属于低碳调质钢中的,焊接无裂纹钢,(CF,钢,),，其特点是含碳量低,(0.09),、总碳当量低,(CEQ2=0.39%),、裂纹敏感系数低,(PCM0.19),。由于在钢材生产过程中采用新技术，如在线余热淬火等，在碳当量不大情况下，增加其淬透性，并加入多种微量元素，所以能在保证高强度的同时提高其塑性和韧性,(-40,时其,A,Kv,200J,甚至达,300,以上,),。,107,Z,向钢,Z,向钢,是在某一等级结构钢（称为母级,钢）的基础上，经过特殊冶炼、镇静处理和适当热处理的钢材。厚度方向承受拉伸载荷而对厚度方向有性能要求的厚度不小于,15mm,的钢材与扁钢（简称,Z,向钢,）。,108,大线能量钢,Ti,作为微合金元素提高钢的大线能量焊接的可焊性,，这是由于,Ti,的氮化物和氧化物在高温下具有较好的稳定性，,Ti,微合金钢合金化的经典观点是,Ti,和,N,的含量应保持在理想化学比,Ti/N=3.42,附近。,109,TMCP,钢,热机械控制处理,(TMCP:Thermo Mechanical Control Process,，也称控轧控冷工艺，在日本被译为加工热处理,),工艺。将“,控轧,”,(CR:Controlled Rolling;,轧制温度比普通轧制低,),技术与随后的“,加速冷却,”,(AcC:Accelerated Cooling,，快于空冷,),结合起来，在尽量减少合金元素添加的情况下，依靠细化晶粒能得到正火或淬火、回火等热处理不可能得到的强度和低温韧性，实现了非调质高强钢的开发。,110,UFG,钢,超细晶粒钢,(Utrafine-Grained Steel,，简称,UFG,钢，目标粒径约,1m),作为,21,世纪的代表性先进高性能金属结构材料，其强化思路具有鲜明的特点，即通过晶粒的超细化同时实现强韧化，完全不同于传统的以合金元素添加及热处理为主要手法的强化思路。其优点在于：能同时实现强韧化；可尽量少用合金元素降低碳当量、改善焊接性，并利于循环利用以降低对环境的损害。,111,2.,低碳调质钢,屈服强度为,490,980MPa,，是热处理强化钢，一般都在调质状态下供货，含碳量小于,0.22,。,第,1,节 分类、性能,112,3,、中碳调质钢,屈服强度为,880,1176MPa,以上，含碳量较高，约,0.25,0.5%,。,这类钢通常在退火状态下焊接，然后再通过热处理来达到需要的性能。,第,1,节 分类、性能,113,特殊用钢,1,、珠光体耐热钢,具有较好的高温强度和高温抗氧化的特性。用于工作温度为,500,600,的高温设备等。合金化主要元素是：,Cr,、,Mo,为基础，再加,V,、,W,、,Nb,和,B,等合金元素。焊后进行高温回火处理。,第,1,节 分类、性能,114,2,、低温钢,具有非常好的低温韧性。用于各种低温装置,(-40,-196),。,合金化主要元素是：,Ni,元素。,3,、低合金耐蚀钢,第,1,节 分类、性能,115,二、合金结构钢的基本性能,1,、化学成分,低碳钢：,C,：,0.10%-0.25%,，提高强度，但引起淬硬和裂纹，应在保证强度的条件下，越少越好。,Si,：,0.3,；,Mn,：,0.5%-0.8%,。,P,、,S,含量要低。,合金化元素：,Mn,、,Si,、,Cr,、,Ni,、,Mo,、,V,、,Nb,、,B,、,Cu,等。,116,Ni组元素,：,Ni,、,Mn,、,Co,；,Cr组元素,：,C,r,、,Si,、,P,、,A1,、,Ti,、,V,、,Mo,、,W,。,N,：,作用与,C,相似，扩大,A,区。与其他合金元素形成稳定的氮化物，这些氮化物往往以弥散的微粒分布，从而细化晶粒，提高钢的屈服点和抗脆断能力。为了充分发挥氮作为合金元素的作用，钢中必须同时加入,Al,、,V,和,Ti,等氮化物形成元素。,C,：,为了保证良好的综合性能和焊接性，要求钢中碳的质量分数不大于,0.22%,（实际上碳的质量分数都在,0.18%,以下）。,此外，添加一些合金元素，如,Mn,、,Cr,、,Ni,、,Mo,、,V,、,Nb,、,B,、,Cu,等，主要是为了提高钢的淬透性和马氏体的回火稳定性。,117,118,2,、力学性能,屈强比,119,3,、显微组织,120,121,第,2,节 热轧、正火钢的焊接,一、热轧、正火钢的成分及性能,热轧钢：,强化机理：固溶强化,屈服强度：,295,390MPa,级,合金系：,C-Mn,或,Mn-Si,系,主合金化元素：,Mn,、,Mn-Si,辅合金化元素：,V,、,Nb,代替部分,Mn,典型钢种：,Q345(16Mn),122,第,2,节 热轧、正火钢的焊接,正火钢：,强化机理：,固溶强化沉淀强化或细晶强化,屈服强度：,为,390,490MPa,合金系：,C-Mn,或,Mn-Si(V,、,Nb,、,Ti,、,Mo),系,主合金化元素：,Mn,、,Mn-Si,辅合金化元素：,V,、,Nb,、,Ti,、,Mo(,碳化物,氮化物元素,),热处理状态：,正火，充分发挥碳化物形成元素的作用,典型钢种：,15MnVN,123,第,2,节 热轧、正火钢的焊接,正火状态下使用钢,除,15MnTi,外，主要是,V,、,Nb,钢。,15MnV,、,15MnVN,。,正火回火状态使用的含,Mo,钢,18MnMoNb,，,124,第,2,节 热轧、正火钢的焊接,微合金化控轧钢,采用微合金化,(,加入微量,Nb,、,V,、,Ti),和控制轧制技术达到细化晶粒和沉淀强化相结合的效果，同时从冶炼冶炼工艺上采取了降,C,降,S,，改变夹杂物形态，提高钢的纯度等措施，使钢具有均匀的细晶粒等轴铁素体基体。,X70,、,X80,。,X70,除加微量,Nb,、,V,、,Ti,外，还加入,Ni,、,Cr,、,Cu,、,Mo,。,125,返回,126,返回,127,第,2,节 热轧、正火钢的焊接,二、热轧、正火钢的焊接性分析,主要是：各类裂纹、脆化问题,冷裂纹,从材料本身看，淬硬组织是引起冷裂纹的决定因素。焊接时是否形成对氢致裂纹敏感的组织是评定材料焊接性的一个重要指标。,128,第,2,节 热轧、正火钢的焊接,1.,碳当量,129,第,2,节 热轧、正火钢的焊接,CE,为国际焊接学会的碳当量公式,C,eq,为日本常用的碳当量公式,P,cm,为合金元素的裂纹敏感指数,130,第,2,节 热轧、正火钢的焊接,CE,和,C,eq,适用于含碳量较高的钢,(C0.18,),以及抗拉强度在,400,700MPa,的钢材；对于含碳量较低的钢,(C0.18,),以及抗拉强度在,400,900MPa,的钢材则用,P,cm,更合适。,131,第,2,节 热轧、正火钢的焊接,在实际中，,CE,应用相当普遍，,CE0.4%,无淬硬倾向，焊接性好；,CE=0.4%,0.6%,淬硬倾向增加，属于有淬硬倾向的钢，,CE,0.5%,，淬硬倾向严重，,18MnMoNb,属于此类。焊接,18MnMoNb,要严格控制线能量、采取预热和焊后热处理等工艺。,132,第,2,节 热轧、正火钢的焊接,2,、淬硬倾向,不同成分钢材的冷裂纹敏感性，可以通过反映钢材焊接热影响区淬硬倾向的模拟焊接热影响区连续冷却转变,(SHCCT),曲线来进行分析比较。,133,第,2,节 热轧、正火钢的焊接,热轧钢的淬硬倾向与冷裂纹敏感性,热轧钢的含碳量并不高，但含有少量的合金元素，其淬硬倾向比低碳钢要大些。但冷裂纹敏感性不大。其,SHCCT,图如图,3-4,所示。,正火钢的淬硬倾向与冷裂纹敏感性,134,135,136,137,第,2,节 热轧、正火钢的焊接,由于正火钢的强度级别较高，合金元素的含量较多，因此与低碳钢相比，焊接性的差别就较大。冷裂纹敏感性一般随强度的提高而增加。如,15MnVN,与,18MnMoNb,相比，,18MnMoNb,的冷裂纹敏感性就大，这与其的,SHCCT,图的位置有关。,138,第,2,节 热轧、正火钢的焊接,3.HAZ,最高硬度,139,第,2,节 热轧、正火钢的焊接,3.HAZ,最高硬度,140,第,2,节 热轧、正火钢的焊接,热裂纹和消除应力裂纹,1,、热裂纹,碳含量较低、而,Mn,含量较高，因此这类钢的,W,Mn,/,W,S,能达到要求，具有较好的抗热裂性能，焊接过程中的热裂纹倾向较小。,141,第,2,节 热轧、正火钢的焊接,热裂纹和消除应力裂纹,2,、消除应力裂纹,消除应力裂纹一般产生在,HAZ,的粗晶区，裂纹沿,FZ,方向在粗晶区的奥氏体晶界断续发展，产生原因与杂质元素在奥氏体晶界偏聚及碳化物析出“二次硬化”导致的晶界脆化有关。消除应力裂纹的产生一般须有较大的焊接残余应力，因此在拘束度大的厚大工件中或应力集中部位更易于出现消除应力裂纹。,返回,142,第,2,节 热轧、正火钢的焊接,2.,消除应力裂纹,一般,C-Mn,和,Mn-Si,系的热轧钢由于不含碳化物形成元素，对再热裂纹不敏感。,18MnMoNb,有一定的再热裂纹敏感性。,143,第,2,节 热轧、正火钢的焊接,WM,组织和韧性,组织：,PF,、,FSP,、,AF,、,Bu,、,P,。,144,第,2,节 热轧、正火钢的焊接,145,第,2,节 热轧、正火钢的焊接,146,第,2,节 热轧、正火钢的焊接,147,第,2,节 热轧、正火钢的焊接,热影响区脆化,主要是过热区的脆化，及还有可能是热应变脆化问题。,1,、过热区脆化,奥氏体严重长大魏氏体、粗大马氏体、混合组织、,M,A,组元。,难熔质点的溶入。,148,第,2,节 热轧、正火钢的焊接,149,第,2,节 热轧、正火钢的焊接,2,、热应变脆化,热应变脆化和室温下预应变后的应变时效，本质上都是由固溶氮引起的。热应变脆化容易发生于一些固溶氮含量较高的低碳钢和强度级别不高的低合金钢中，若加入足够的,N,化物形成元素,(Ai,、,Ti,、,V),后，脆化倾向就减弱。,150,第,2,节 热轧、正火钢的焊接,层状撕裂,一般板厚在,16mm,以下就不会产生层状撕裂，从钢材本身的来讲，主要取决于冶炼条件，钢中的片状硫化物等杂质。,151,第,2,节 热轧、正火钢的焊接,三、热轧及正火钢的焊接工艺,焊接方法的选择无特殊要求，在此仅讨论焊接材料和工艺参数的确定。,坡口加工、装配及定位焊,焊接材料的选择,考虑两个问题：,无焊接缺陷；,满足使用性能要求。,焊接方法,成分,152,第,2,节 热轧、正火钢的焊接,对于热轧、正火钢，裂纹一般不会产生，主要根据使用性能要求来选择焊接材料。,注意以下问题：,1,、选择与母材力学性能匹配的相应级别的焊接材料,等强匹配或低强匹配，,C0.14%,，合金元素低于母材。,153,第,2,节 热轧、正火钢的焊接,2,、同时考虑熔合比和冷却速度的影响,焊缝金属的化学成分、力学性能取决于：,母材的熔入量即熔合比；,组织的过饱和度。,组织的过饱和度取决于：冷却速度,3,、考虑焊后热处理对焊缝力学性能的影响,154,母材性能,155,第,2,节 热轧、正火钢的焊接,焊接工艺参数的确定,1,、焊接热输入（线能量）,焊接线能量的确定，取决于：,过热区的脆化；冷裂纹。,对于,Ceq,小于,0.40%,的热轧正火钢，焊接线能量可适当放宽；,对于,Ceq0.40%-0.60%,正火钢，小焊接线能量预热。,156,157,第,2,节 热轧、正火钢的焊接,典型工艺参数：,1,）焊条电弧焊,打底焊道和非平焊位置，焊条直径小些，在保证质量前提下，尽量采用大焊条、大电流。表,3-7,2,）自动焊,埋弧焊、电渣焊、,CO,2,气体保护焊。表,3-8,、,9,3,）氩弧焊,主要用于打底焊。表,3-10,、,11,158,159,160,161,162,第,2,节 热轧、正火钢的焊接,2,、预热和焊后热处理,目的：防止裂纹，改善组织、性能。,1),预热,163,第,2,节 热轧、正火钢的焊接,164,第,2,节 热轧、正火钢的焊接,2,）焊后热处理,a),不要超过母材原来的回火温度，以免影响母材本身的性能；,b),对于有回火脆性的材料，避开出现回火脆性的温度区域。,165,166,第,2,节 热轧、正火钢的焊接,焊接接头的力学性能,WM,和,HAZ,的力学性能是影响接头使用可靠性的基本性能，而其中强度与韧性又是关键的考核要素。表,3-14,167,168,第,3,节 低碳调质钢的焊接,一、低碳调质钢的种类、成分及性能,低碳调质钢,强化机理：,相变强化（调质处理）,屈服强度：,490MPa,980MPa,抗拉强度：,600MPa,1300MPa,合金系：,低,C,、,Mn-Ni-Cr-Mo,系,169,第,3,节 低碳调质钢的焊接,主合金化元素：,C0.22%,Mn,Si,辅合金化元素：,Cr,、,Ni,、,Mo,、,V,、,Nb,、,B,、,Cu,热处理状态：,淬火回火,典型钢种：,14MnMoVN,、,HY80,HY130,。,1,、高强度结构钢,b,=600-800MPa,，,14MnMoNbB,2,、高强度耐磨钢,b,1000MPa,，,HQ100,3,、高强度韧性钢,b,700MPa,，,HY80,170,171,172,CF,钢是碳含量很低的微合金化调质钢。,CE,、,Pcm,低，,KV,高，,50mm,以下不预热。,173,第,3,节 低碳调质钢的焊接,二、低碳调质钢的焊接性分析,碳低，,C0.18%,，焊接性优于中碳调质钢。低碳马氏体自回火，冷裂纹倾向小,焊缝强韧性匹配,s,：工程设计中确定许用应力的主要依据；,b,：强度储备的重要指标；,s,/,b,：选择材料的重要参数，低的有利于加工成形，高的有利于发挥钢材的强度潜力。,174,第,3,节 低碳调质钢的焊接,焊缝强度匹配系数,:S=(,b,),w,/(,b,),b,S1,：超强匹配,S=1,：等强匹配,S1,：低强匹配,传统认为超强匹配和等强匹配安全，但韧性低，造成低应力脆断。近年来，重新认识低强匹配。,焊接结构学,175,176,177,第,3,节 低碳调质钢的焊接,冷裂纹,成分：,低碳,+,提高淬透性的合金元素。,组织：,低碳自回火马氏体,+,下贝氏体。,M,自回火条件：保证,M,转变时的冷却速度较慢。,超低氢可防止冷裂纹。,178,第,3,节 低碳调质钢的焊接,179,180,第,3,节 低碳调质钢的焊接,热裂纹和消除应力裂纹,C,低、,Mn,高，,S,、,P,低，热裂纹倾向小。,高,Ni,低,Mn,类钢有热裂纹倾向，主要为,HAZ,液化裂纹。,C,高，,Mn/S,提高,当,W,C,=0.12%,时，,W,Mn,/,W,S,10,；,当,W,C,=0.16%,时，,W,Mn,/,W,S,40,；,当,W,C,=0.2%,时，,W,Mn,/,W,S,50(30,较小敏感性,),181,第,3,节 低碳调质钢的焊接,防止液化裂纹，,小热输入，并注意控制熔池形状、减少熔合区凹度；,防止消除应力裂纹，,V,影响最大，,Mo,次之，但,V,、,Mo,同时加入更为敏感。,热影响区性能变化,组织性能不均匀，同时存在脆化和软化。,1,、调质钢,HAZ,组织特征,ML+B,L,时，韧性良好；但随着,B,U,增加韧性急剧下降。,182,183,184,185,第,3,节 低碳调质钢的焊接,2,、,HAZ,脆化,C,：,0.8%-1.0%,，有利于形成,M-A,组元。,主要由于上贝氏体和,M-A,组元。,M-A,组元一般只在一定的冷却速度时形成，调整工艺参数可以控制,M-A,组元的产生，控制焊接热输入和多层多道焊工艺有益。,186,187,188,第,3,节 低碳调质钢的焊接,3,、,HAZ,软化,当,回火温度,T,p,A,C1,时,，出现软化；,T,p,影响,A,晶粒度，碳化物溶解以及冷却时组织转变