01-合金结构钢的焊接

山东大学李亚江教授、博士生导师[e-mail]高强钢焊接及应用第3章合金结构钢的焊接在碳素钢基础上添加一定量的合金元素达到所需性能要求的钢材，即构成合金结构钢。合金结构钢具有优良的综合性能，经济效益显著，应用范围涉及到国民经济和国防建设的各个领域，是焊接结构中用量最大的一类工程材料。合金结构钢的主要特点是强度高，韧性、塑性和焊接性也较好，广泛用于压力容器、工程机械、石油化工、桥梁、船舶制造、建筑和其他钢结构，在经济建设和社会发展中发挥着重要的作用。钢结构离不开焊接全世界结构钢的年消耗量约3.5~5.5亿吨，并以每年5%~8%的速度增长；我国发展的更为迅速，近几年每年钢产量增长超过15%。工业化国家：人均钢材占有量300kg，焊接与钢材用量成正比。IIW会员国收费标准：以该国上年度钢产量为依据收费，因为约60%的钢材需要焊接加工。科学的发展和技术进步，焊接结构设计日趋向高参数、轻量化及大型化发展，对钢材性能提出了越来越高的要求。随着合金结构钢的使用范围不断扩大，焊接问题也日益突出，引起人们的高度重视。材料焊接性，发展成一门独立的课程。3.1合金结构钢的分类及性能3.1.1合金结构钢的分类1.强度用钢（非调质钢、调质钢）1）热轧及正火钢、控轧钢σs为295~490MPa，在热轧或正火状态下使用，属非热处理强化钢。包括微合金化控轧钢、抗层状撕裂的Z向钢等。广泛用于常温下工作的受力结构，如压力容器、机械、桥梁、建筑结构和管线等。2）低碳调质钢σs为490~980MPa，在淬火-回火的调质状态下供货，属热处理强化钢。特点是含碳量较低（C0.22%），既有高强度，又兼有良好的塑韧性，可在调质状态下焊接。这类钢在焊接结构中得到越来越广泛的应用，可用于大型工程机械、压力容器、舰船制造等。3）中碳调质钢σs在880~1176MPa以上，钢中C含量高（C0.25%~0.5%），淬硬性比低碳调质钢高得多，具有很高的硬度和强度，但韧性较低，给焊接带来了很大的困难。这类钢用于强度要求很高的部件，如火箭发动机壳体、飞机起落架等。2.低中合金特殊用钢用于一些特定条件下工作的机械零件和工程结构，能适应特殊环境下工作的要求。1）珠光体耐热钢以Cr、Mo为基础的低中合金钢，随工作温度的提高，可加入V、W、Nb、B等合金元素，具有较好的高温强度和高温抗氧化性，用于工作温度500~600℃的高温设备，如电力、化工设备等。2）低温钢主要是一些含Ni或无Ni的低合金钢，在正火或调质状态使用，用于各种低温装置（-40~-196℃）和在严寒地区的工程结构，如液化石油气、天然气的储存容器等。与普通低合金钢相比，低温钢须保证在低温下具有足够高的低温韧性，对强度无特殊要求。3）低合金耐蚀钢除一般力学性能外，必须具有耐腐蚀性能的要求。用于在大气、海水、石油化工等腐蚀介质中工作的机械设备和焊接结构。由于所处的介质不同，耐蚀钢的类型和成分也不同。耐蚀钢中应用最广泛的是耐大气和耐海水腐蚀用钢。3.1.2合金结构钢的基本性能1.化学成分合金元素总量5%，合金元素总量5％~10％称为中合金钢，大于10%称为高合金钢。有影响的合金元素：Mn、Si、Cr、Ni、Mo、V、Ti、B2.力学性能非调质钢σs≤600MPa、调质钢σs600MPa3.显微组织F+P、P、ML、ML+BL、BL(a)对抗拉强度的影响(b)对屈服强度的影响图3-1合金元素对钢材强度性能的影响加入合金元素能细化晶粒，各种合金元素在不同程度上改变了钢的奥氏体转变动力学，直接影响钢的淬硬倾向。如C、Mn、Cr、Mo、V、W、Ni、Si等元素能提高钢的淬硬倾向，而Ti、Nb等碳化物形成元素则降低钢的淬硬倾向。合金结构钢强度级别不同，合金元素及其含量也不同，成分设计既要满足使用性要求，又要考虑其经济性。强度级别为600MPa的钢主要为Mn-Si系和在Mn-Si基础上加少量的Cr、Ni、Mo、V；700MPa级的钢主要为Mn-Si-Cr-Ni-Mo系，合金元素加入量较600MPa级的钢多一些，另外还加入少量的V；800MPa级的钢主要为Mn-Si-Cr-Ni-Mo-Cu-V系，并加入一定量的B；1000MPa级的钢合金系列与800MPa级的钢基本相同，但合金元素加入量较高，尤其是为了保证韧性加入较多的Ni。按其供货时的热处理状态，低合金结构钢可分为热轧、控轧、正火、TMCP（控轧控冷）、调质（淬火＋回火）。调质处理（QT）分为水调质处理（淬火＋回火）和空气调质处理（正火＋回火）两种。屈服强度低于420MPa的低合金钢中薄板可以热轧（或控轧）状态供货；屈服强度500MPa以上的低合金钢厚板，应以正火（或空气调质）状态供货.屈服强度690MPa以上的高强度钢大都是调质处理（淬火＋回火）。(a)对强度的影响(b)对韧性的影响图3-3不同组织对强度和韧性的影响（C＝0.09％－0.1％低合金钢）低合金钢的强化途径新的冶炼技术的进步，促进了新一代钢种的诞生。低合金钢的强化途径包括：1）合金强化2）组织强化（如淬火+回火）3）控轧控冷工艺（TMCP）4）淬火+自回火控制轧制（QST）1）合金强化（固溶强化、析出强化）通过合金元素的固溶强化、细晶强化、析出强化，提高钢板的强度和韧性；通过正火细化晶粒、均匀组织，进一步提高钢板的塑性和韧性。2）组织强化（如淬火+回火）轧制后加热温度超过相变温度30-50℃，经水冷后生成淬火饱和固溶体为不稳定组织，强度、硬度都很高。随后进行回火可使淬火固溶体分解，达到对钢材塑性和韧性的要求。（工艺上称该工序为“调质处理”）。3）控轧控冷工艺（TMCP）严格控制钢板的冷却过程，在接近或低于铁素体开始生成的温度（Ar3,+910℃）下完成终轧。控轧：指在更低的温度下停轧，抑制高温奥氏体晶粒长大；控冷：即轧后立即加快冷却速度，避免晶粒长大，提高形核率，产生强韧性更高的细小B或AF，通过细化晶粒显著改善钢的强韧性。★新一代钢铁材料的特色是：超洁净度、超均匀性、超细晶粒。在不增加甚至在降低碳及合金元素的条件下，强度和寿命提高1倍。超洁净度：钢中P+S+O+N+H杂质总量降低到0.01%以下，使钢的强韧性获得大幅度提高。超均匀性：是指成分、组织、性能的均匀一致，并强调组织均匀的主导作用。这种轧制工艺可使钢材在较低的碳当量下获得高的强度，且焊接性好。超细晶粒：可使晶粒尺寸达到0.1~10μm。4）淬火+自回火控制轧制（QST）淬火后利用钢截面中部的温度散热进行回火，实质是TMCP工艺的特殊应用。经过这种工艺处理的钢材，其强度高而且焊接性好。新、旧国标钢号的对照GB/T1591-1994GB/T1591-1988Q295（A、B）09MnV,09MnNb,09Mn2,12MnQ345（A,B,C,D,E）12MnV,14MnNb,16Mn,16MnRE,18Nb,14MnV,10MnSiCuQ390（A,B,C,D,E）15MnV,15MnTi,15MnVRE,16MnNbQ420（A,B,C,D,E）15MnVN（Cu）,14MnVTiRE（Cu）,15MnVNb（RE）Q460（C,D,E）14MnMoV,18MnMoNbA、B、C、D、E表示“无要求、0℃、20℃、-20℃、-40℃”的冲击功。3.2热轧及正火钢的焊接3.2.1热轧及正火钢的成分和性能1.热轧钢●基本成分为：C≤0.2%，Si≤0.55%，Mn≤1.5%。●屈服强度为295~390MPa●固溶强化，组织为P+F●主要钢种：Q295、Q345（如16Mn）我国低合金钢系列中的许多钢种是在16Mn基础上发展起来的。16Mn是我国1957年研制和生产应用最广泛的热轧钢，用于南京长江大桥和万吨远洋货轮。我国第一艘万吨远洋轮：跃进号2.正火钢●在C-Mn钢基础上加强化元素，如V、Nb、Ti、Mo,●强化方式：固溶＋沉淀强化，●屈服强度≥390MPa,在16Mn基础上加入沉淀强化元素，形成C、N化物，弥散分布●主要钢种：Q390、Q420、Q460例如15MnV、15MnVN、14MnMoV、18MnMoNb1)正火状态下使用的钢：主要是含V、Nb、Ti的钢，如Q390、Q345等，主要特点是屈强比（σs/σb）较高；2)正火＋回火状态使用的含Mo钢，如14MnMoV、18MnMoNb等。含Mo的低合金正火钢适于制造中温厚壁压力容器。3.微合金控轧钢采用微合金化（加入微量Nb、V、Ti）和控轧等技术，达到细化晶粒和沉淀强化相结合的效果。在冶炼工艺上采取了降C、降S、改变夹杂物分布形态、提高钢的纯净度等措施，使钢材具有均匀的细晶粒等轴晶铁素体基体。在低碳C-Mn钢基础上，通过V、Nb、Ti微合金化及炉外精炼、控轧、控冷等工艺，获得细化晶粒和综合力学性能良好的微合金钢。例如：管线钢（X60、X65、X70、X80、X90）石油、天然气输送管线工程的主流钢种第一代管线钢（X42-X70，F+P管线钢）第二代管线钢（X60-X90，针状F管线钢）第三代管线钢（X110、X120，F+M管线钢）4.超细晶粒钢（超级钢）新一代钢铁材料的特点是超细晶粒、超洁净度、超均匀性、性能价格比更加合理。传统细晶粒钢中，晶粒尺寸100μm，其中TMCP钢晶粒尺寸达10~50μm，超细晶粒钢的晶粒直径可达0.1~10μm。超细晶粒钢通过合金化和应变诱导铁素体相变、两相区轧制等复合工艺处理，晶粒尺寸达到0.1~10μm。P+S+O+N+H总含量降低到0.005%以下，钢的强韧性大幅度提高。随着晶粒变细，钢材的屈服强度随其-1/2次方增加，冲击韧性明显增加。如果将晶粒直径减小到1μm，现在屈服强度为400MPa的钢，在成分基本不变的条件下屈服强度可增加到800MPa。3.2.2热轧及正火钢的焊接性1.冷裂纹及影响因素1）碳当量：Ceq越大，冷裂纹敏感性越大。0.4%、0.4％－0.6％、0.6％2）淬硬倾向：M、ML、BU、BL、F+P、A3）热影响区最高硬度HVm，与钢材级别有关试验基础上，规定了热影响区HVm4）扩散氢含量：[H]越高，冷裂纹越突出高强钢焊接应控制在超低氢含量：[H]5mL/100g5）焊接应力：应力越大，裂纹越严重进行焊后消除应力热处理2.热裂纹和消除应力裂纹1)焊缝热裂纹与热轧及正火钢中C、S、P含量偏高或偏析有关。减小熔合比，增大焊缝形状系数（即焊缝宽度与厚度之比），有利于防止热裂纹。随碳含量的增加，要求Mn/S比提高。当C=0.12%时，Mn/S比不应低于10;C=0.16%时，Mn/S比应大于40。Si的有害作用与促使S的偏析有关，Si含量高时热裂纹倾向增加。2)再热裂纹（消除应力裂纹）含Mo正火钢厚壁压力容器之类的焊接结构，焊后消除应力热处理或焊后再次高温加热（包括长期高温使用）的过程中，可能出现再热裂纹（简称SR裂纹）。其他有沉淀强化的钢或合金（如珠光体耐热钢、奥氏体不锈钢等）焊接接头中，也可能产生再热裂纹。防止措施：控制焊后热处理温度3.焊缝的组织和韧性各类铁素体组织（PF、AF、FSP）、贝氏体组织（Bu、BL、Bg）、P、M、ML与韧性的关系600MPa800MPa焊缝韧性：取决于AF/PF所占的比例焊缝中AF组织比例提高，韧性升高，断口韧脆转变温度下降；焊缝中PF组织比例增多，韧性下降，断口韧脆转变温度上升。以AF组织为主的焊缝，屈强比(σs/σb)一般大于0.8；以PF组织为主的焊缝，屈强比多在0.8以下；焊缝金属中有上贝氏体存在时，屈强比在0.7以下。焊缝中贝氏体组织（Bu、BL、Bg）的性能Bu的力学性能（特别是韧性）较差，因为Bu的转变温度高，碳化物粗大，强化作用较弱，尤其是碳化物沿平行的铁素体条分布，微裂纹很容易沿这个方向扩展。BL的力学性能较好，因为BL的转变温度较低，碳化物细小且分布于铁素体内部，可得到兼顾强韧性的组织。Bg的强度和韧性取决于F上岛状物的组成、形态和颗粒大小，第二相小岛的颗粒越细小，越有利于改