合金结构钢和铸铁的焊接培训课件.

合金结构钢和铸铁的焊接2016年3月主讲：刘伟第一节合金结构钢的焊接一、合金结构钢的分类合金结构钢是在普通碳素钢中添加了某些合金元素以满足相关条件及性能的钢种。它分为强度用钢和特殊用钢。1、强度用钢——亦称高强钢，其屈服强度σs≥290MPa，抗拉强度σb≥440MPa。按屈服点的高低及热处理情况，分为：a、热轧正火钢——含碳量Wc＜0.2%，通过热轧或正火依靠固溶强化、增加珠光体的数量、细化晶粒及沉淀强化提高强度。b、低碳调质钢——其含碳量Wc≤0.25%，主要依靠淬火和高温回火（调质）来提高强度和塑韧性。c、中碳调质钢——其含碳量Wc＞0.3%，屈服强度σs可达880MPa，也是依靠淬火和高温回火（调质）来提高强度和塑韧性。但由于含碳量较高，故其韧性较低，焊接性较差。2、特殊用钢：按使用环境和性能，特殊用钢分为珠光体耐热钢、低合金耐蚀钢和低温钢。a、珠光体耐热钢——为Wc≤0.25%，加入了Mo和Cr的亚共析钢。其高温强度好，高温性能稳定，抗氧化性好，主要用于热动力设备和石油化工设备的高温元件。b、低合金耐蚀钢——在热轧或正火状态下使用，要求综合力学性能和耐蚀性良好，主要为用于石油化工设备的含铝耐蚀钢和用于耐海水或大气腐蚀的含磷、铜耐蚀钢。c、低温钢——在正火或正火回火状态下使用，要求低温韧性好，常在-40~-196℃的低温下工作，分无镍钢和含镍钢。二、合金结构钢的焊接性1、合金结构钢常见的焊接缺陷a、结晶裂纹——在焊接凝固后期，焊缝中的低熔点共晶在晶界形成液态薄膜，在拉伸应力作用下沿晶界开裂形成。结晶裂纹的产生与焊缝中的杂质如S、P、C等有关，这些元素均为结晶裂纹形成元素，故应严格控制。Mn可以脱S；随含C量的增加，应提高Mn/S比。选用低氢型焊条或选用超低碳焊丝配合高硅高锰焊剂进行埋弧焊，在提高焊缝含锰量的同时降低碳、硫含量，均是防止结晶裂纹的有效措施。图1焊缝中C、Mn、S含量对角焊缝结晶裂纹的影响b、液化裂纹——在多层焊接情况下，由于焊接热循环的作用，近缝区金属晶界的低熔点共晶发生局部熔化，在拉伸应力的作用下而产生。c、冷裂纹——由于焊缝中的扩散氢含量、接头的拘束程度以及金属的淬硬组织的影响而导致焊接后焊缝中出现的裂纹。d、再热裂纹——为降低焊接应力，减小脆性破坏倾向，构件在焊接后应进行去应力处理。但在消除焊接应力的处理过程中，含有沉淀强化相的一些元素（Cr、Mo、V、Ni）可能会在热影响区的粗晶区产生再热裂纹。为防止再热裂纹，必须提高预热温度。e、热影响区脆化——在焊接过程中，由于大热量的影响，导致焊接区在结晶时容易形成晶粒粗大且易脆化的组织。为避免热影响区脆化，常采用小热量输入、降低含碳量。2、合金结构钢的组织性能与焊接性分析a、热轧正火钢热轧正火钢中的合金元素总量小于3%，主要为Si、Mn，该元素不仅可固溶强化铁素体,还可使铁—碳相图中的共析点向低碳方向移动，从而增加珠光体的相对量，以提高钢的强度。在冶炼时作为镇静剂加入的Al可形成AlN以细化晶粒，其室温的组织为细晶粒铁素体加珠光体，故可在热轧状态下使用。Q345(16Mn)是应用最广的热轧钢。若在其中加入V、Nb等元素，能与钢中的C、N形成碳化物和氮化物，进一步细化晶粒，提高钢的综合性能。若要进一步提高热轧钢（σs=294—343MPa）的强度至390MPa以上时，必须在钢中加入沉淀强化的元素（如V、Ni、Ti、Mo等），并进行正火使合金元素沉淀强化以提高强度，形成正火钢。热轧正火钢由于含碳量较低，钢中的Mn/S比较大，其焊接性良好，一般情况下不会生产结晶裂纹和液化裂纹。但如果母材中的含碳量偏高，且对S、P控制不严，也会产生结晶裂纹；在热轧正火钢中，随着强度的提高和冷却速度的加快，产生冷裂纹的倾向增加。故对强度较高的热轧正火钢，焊接时一般要求预热；热轧正火钢若采用大热量输入焊接，由于过热区的奥氏体晶粒粗大，冷却时易形成粗大的魏氏组织产生脆化，故尽量采用小热输入焊接。魏氏组织：在含碳量小于0.6%的亚共析钢和含碳量大于1.2%的过共析钢中，由高温快速冷却时，先共析的铁素体或渗碳体便沿着奥氏体的一定晶面呈针片状析出，由晶界插入晶粒内部，这种组织即为魏氏组织。图2过共析钢中的魏氏组织魏氏组织是一种过热缺陷，过热钢在空冷后容易形成魏氏组织；奥氏体晶粒越粗大，越容易形成魏氏组织，其对基体的割裂作用将严重降低材料的韧性。一般通过退火或正火消除魏氏组织。图3亚共析钢中的魏氏组织热轧正火钢适合于各种焊接方法，主要采用焊条电弧焊、埋弧焊、CO2气体保护焊等。采用焊条电弧焊时，对于焊接强度较低、裂纹倾向不大的热轧钢，可选用钛—钙型焊条或低氢型焊条；对强度级别高的钢材，宜选用低氢型焊条；采用埋弧焊时，对强度级别不高、接头厚度不大的热轧正火钢，可选择高硅高锰焊剂，并配合不含或少含Mn、Si的焊丝；对强度级别较高、接头厚度较大的热轧正火钢，可选择中硅焊剂，并配合含Mn合金焊丝，以保证足够强度。热轧钢的焊接接头可在焊态下直接使用，不需要进行焊后热处理；正火钢的焊接接头在焊接后应及时进行消除应力处理，以防止裂纹。若焊接组织中存在魏氏组织，必须进行正火和回火处理，以细化组织。对含Mo、V的焊接接头进行消除应力处理时，应注意防止再热裂纹的形成。b、低碳调质钢若要使钢的屈服强度σs达到490—980MPa的水平，仅依靠固熔强化、沉淀强化已不能满足要求，还必须通过淬火、高温回火的调质处理进行强化才能获得良好的综合性能。低碳调质钢中一般都添加了提高钢的淬透性和马氏体回火稳定性的合金元素如Mn、Cr、Ni、Si、V、Mo、Ti、Nb等，其结晶裂纹敏感性小，脆性倾向小，焊接性好，焊后可不经热处理直接使用。低碳调质钢的冷裂纹敏感性较大，但若能在低碳马氏体的转变温度附近（390℃）慢冷，可形成韧性较好的回火马氏体，即可避免产生冷裂纹。反之，若快冷，易产生冷裂纹。为防止冷裂纹的产生，还需对焊接接头中的氢含量进行控制，并采取预热、控制多层焊缝层间的温度等措施。多采用钨极氩弧焊和熔化极气体保护焊，并尽量减少焊接热输入。由于低碳调质钢焊接后一般不需热处理，故焊条的选择应尽量接近母材。焊条电弧焊时常选用低氢型焊条；埋弧焊时常采用中硅焊剂。c、中碳调质钢欲使钢的屈服强度高于880MPa，必须提高含碳量至0.25-0.45%，并进行淬火加回火处理。淬火后为马氏体组织；高温回火后为回火索氏体，低温回火后为回火马氏体。中碳调质钢主要有Cr-Mo系、Cr-Ni-Mo系和Cr-Mn-Si系调质钢。其中的合金元素总量约为3-7%。由于其含碳量和合金元素量较高，故铁素体的固熔强化和合金渗碳体的弥散强化效果优于低碳调质钢，其强度也更高。30CrMnSiA是应用较广的中碳调质钢。中碳调质钢由于含碳量和合金元素量较高，结晶区较宽，易产生偏析，淬硬性和产生结晶裂纹的倾向较大，冷裂纹的敏感性也较大，易产生热影响区脆化。焊接时，应尽量选择碳含量低，P、S杂质少的焊接材料；焊前应预热，冷却时尽量慢冷，焊后应及时进行回火处理，预热温度及焊后回火温度均应比母材的回火温度低50℃以下；焊接时应减少热输入，最好采用氩弧焊。d、珠光体耐热钢珠光体耐热钢是以Cr-Mo为基的低中合金钢，属亚共析钢，其合金总量小于5%，在600℃以下具有良好的抗氧化性和热强性，并具有一定的抗硫腐蚀性能和抗氢腐蚀性能。珠光体耐热钢常采用焊条电弧焊、埋弧焊、CO2气体保护焊等焊接方法。采用焊条电弧焊时，一般用Mo或Cr-Mo耐热钢焊条；采用埋弧焊时，常用低锰中硅HJ250或中锰中硅HJ350作为焊剂，用H08CrMoA、H10CrMo、H08CrMoVA为焊丝。珠光体耐热钢在焊接过程中有出现冷裂纹和再热裂纹的倾向，为此，应尽可能选择小热输入，并采用预热的方法。e、低温钢低温钢要求在-40~-196℃的低温工作温度范围内有良好的韧性，为此，必须控制增加钢脆性的C、P、S元素含量，增加有利于提高低温韧性的Mn、Ni含量，并细化晶粒。低温钢分无Ni钢和含Ni钢两类，由于无Ni钢的碳和杂质量较低，不易产生裂纹，但容易晶粒粗化降低韧性，故在选择焊接材料时应尽量选择或添加含有Mn、Cu、Mo、Nb、Ti等提高韧性及细化晶粒元素的材料。在工艺上选择小热输入和快速多道焊工艺。f、耐蚀钢分为含铝低合金耐蚀钢和含磷低合金耐蚀钢。含铝低合金耐蚀钢：第一类：WAl≤0.5%，可抗石油腐蚀；焊接性好。第二类：WAl≈1%，抗腐蚀性更优良；第三类：WAl=2-3%，在高温高压下耐蚀性优良。第二、三类钢焊接时易产生铝的分布不均及铁素体脆化问题。为此，含铝低的耐蚀钢常选不含铝的Mo-V焊条；含铝较高的耐蚀钢选Cr-Ni焊条或Mn-Al焊条。焊接时采用小热输入和多层多道焊，避免过热，减少脆化。含磷低合金耐蚀钢：含磷低合金耐蚀钢常用的牌号为09MnCuPTi、09CuPCrNi，其含碳量低，焊接时的冷裂纹敏感性小，但Cu和P在晶界偏析易出现脆化和液化裂纹倾向，故焊接时宜采用小热输入。三、典型合金结构钢的焊接工艺1、Q345(16Mn)钢的焊接工艺Q345(16Mn)钢是典型的热轧钢。板厚小于30mm的焊件，焊前一般可不预热。Q345钢的淬硬倾向比低碳钢稍大，在低温下，或在大刚度大厚度结构上焊接时，为防止出现冷裂纹，仍需采取预热措施。a、焊条电弧焊工艺：可采用V形或U形坡口。使用焊条：E5003(J502)、E5001(J503)、E5016(J506)、E5015(J507)等。焊条烘干规范：E5003、E5001，120-150℃/1h;E5016、E5015，350-400℃/2h。焊接工艺参数：使用φ4mm焊条时，焊接电流160-180A,电弧电压21-22V；使用φ5mm焊条时，焊接电流210-240A,电弧电压23-24V。预热温度：使用E5003、E5001酸性焊条时，当板厚大于20mm，应预热至100℃以上；使用E5015、E5016碱性焊条时，当板厚大于32mm，应预热至100℃以上。b、埋弧焊工艺：可采用Ⅰ形、V形或U形坡口。适用焊丝：H08MnA、H10Mn2。适用焊剂：HJ431、HJ350、SJ301。焊剂烘干规范：HJ431，250-300℃/2h；SJ301，300-350℃/2h。焊接工艺参数：使用φ4mm焊丝时，焊接电流600-680A,电弧电压34-38V，焊接速度20-30m/h；使用φ5mm焊丝时，焊接电流650-720A,电弧电压36-40V，焊接速度25-32m/h。预热温度：当板厚大于50mm，预热温度为100-120℃。焊后热处理：对于低合金高强钢结构，接头最大厚度超过50mm的重要承载部件，焊后需作消除应力处理，温度600-650℃，保温时间2.5min/mm。对于压力容器的预热焊部件（壁厚大于34mm）及不预热焊部件（壁厚大于30mm）时，要求作焊后清除应力处理，最佳消除应力处理温度为600-620℃，保温时间3min/mm，加热速度为150-200℃/h。2、13MnNiMoNb钢厚板的焊接工艺：13MnNiMoNb钢是典型的低碳调质钢，是以Mn、Mo、Nb为主要合金元素的中温厚壁压力容器用钢。该钢具有较好的力学性能，可在450℃以下的各种温度下工作。a、焊条电弧焊工艺：坡口选择：可采用V形或U形坡口。使用焊条：E6015(J607)、E6016(J606)。焊条烘干规范：350-400℃/h。焊接工艺参数：使用φ4mm焊条时，底层焊道焊接电流140A,电弧电压23-24V，填充焊道焊接电流160-170A；使用φ5mm焊条时，填充焊道焊接电流220-230A,电弧电压23-24V。预热温度：板厚大于10mm时，应预热至150-200℃，并保持层间温度不低于150℃；板厚大于90mm时，焊后应立即进行350-400℃/2h的消氢处理。焊后消除应力处理：对于钢结构，厚度超过30mm的承载部件，焊后需作消除应力处理。对于受压容器，不预热时，任何厚度的受压部件焊后均需作消除应力处理；需要预热时，如果受压部件的厚度大于20mm时，焊后也要作消除应力处理