低碳调质钢的焊接

低碳调质钢的焊接低碳调质钢的抗拉强度一般为600~1300MPa，属于热处理强化钢。这类钢既具有较高的强度，又有良好的塑性和韧性。。低碳调质钢的种类、成分及性能一般来说，合金元素对钢材塑性和韧性的影响与其强化的作用相反，即强化效果越大，塑性和韧性的降低越明显。在正火条件下，通过增加合金元素进一步提高强度时会引起韧性急剧下降。为了进一步提高钢材的强度需要进行调质处理。为了保证良好的综合性能和焊接性，低碳调质钢要求钢中碳的质量分数不大于0.22%。此外，添加一些合金元素是为了提高钢的淬透性和马氏体的回火稳定性。这类钢由于含碳量低，淬火后得到低碳马氏体，而且会发生“自回火”，脆性小，具有良好的焊接性。低碳调质钢具有较高的强度和良好的塑性、韧性和耐磨性，特别是裂纹敏感性低。根据使用条件的不同，低碳调质钢又可分为以下几种：（1）高强度结构钢（600~800MPa）主要用于工程焊接结构，焊缝及焊接区多承受拉伸载荷。（2）高强度耐磨钢（≥1000MPa）主要用于工程结构高强度耐磨、要求承受冲击磨损的部位。（3）高强高韧性钢（≥700MP）这类钢要求在高强度的同时要具有高韧性，主要用于高强度高韧性焊接结构。抗拉强度600MPa，、700MPa的低碳调质钢（HQ60、HQ70）主要用于工程机械、动力设备、交通运输机械和桥梁等。这类钢可在调质状态下焊接，焊后不再进行调质处理，必要时可进行消除应力处理。HQ100和HQ130主要用于高强度焊接结构要求承受冲击磨损的部位。HQ100不仅强度高、低温缺口韧性好，而且具有优良的焊接性能。HQ130是高强度工程机械用钢，含有Cr、Mo、B等多种合金元素，具有高悴透性。这两种钢经淬火+回火的热处理后，可获得综合性能较好的低碳回火马氏体，具有高强度、高硬度以及较好的塑性和韧性。低碳调质钢碳的质量分数应限制在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。Ni能提高钢的强度、塑性和韧性，降低钢的脆性转变温度。PIi与CR一起加人时可显著增加淬透性，得到高的综合力学性能。Cr元素在钢中的质量分数从提高悴透性出发，上限一般约为1.6%，继续增加反而对韧性不利。由于采用了先进的冶炼工艺，钢中气体含量及S、P等杂质明显降低，氧、氮、氢含量均较低。高纯洁度使这类钢母材和焊接热影响区具有优异的低温韧性。这类钢的热处理工艺一般为奥氏体化+淬火+回火，回火温度越低，强度级别越高，但塑性和韧性有所降低。经淬火+回火后的组织是回火低碳马氏体、下贝氏体或回火索氏体，这类组织可以保证得到高强度、高韧性和低的脆性转变温度。为了改善焊接施工条件和提高低温韧性，近年来发展起来的焊接无裂纹钢（简称CF钢）实际上是C含量降得很低的微合金化调质钢。为了提高钢材的抗冷裂性能和低温韧性，降低C含量是有效措施。但C含量过低会牺牲钢材的强度。通过加人多种微量元素（特别是像B等对淬透性有强烈影响的元素）提高淬透性，可弥补强度的损失。与同等强度级别的低合金高强钢相比，焊接无裂纹钢具有碳当量低和裂纹敏感指数Pcm低的特点，低温冲击韧性高。钢板厚度50mm以下或在0℃环境下可不预热进行焊接，是很有前景的钢种。低碳调质钢的焊接性分析低碳调质钢主要是作为高强度的焊接结构用钢，因此碳含量限制得较低，在合金成分的设计上考虑了焊接性的要求。低碳调质钥碳的质量分数不超过0.18%，焊接性能远优于中碳调质钢。由于这类钢焊接热影响区形成的是低碳马氏体，马氏体开始转变温度Ms较高，所形成的马氏体具有“自回火”特性，使得焊接冷裂纹倾向比中碳调质钢小。1.焊缝强韧性匹配保证接头区的强度性能是低碳调质钥焊接性分析中首先要考虑的问题。屈服强度是工程设计中确定许用应力的主要依据，而抗拉强度是强度储备的重要指标。屈服强度与抗拉强度之比称为屈强比，是一个选择材料的重要参数，对不同用途的焊接结构有不同的要求。低的屈强比有利于加工成形，高的屈强比使钢材的强度潜力得以较大的发挥。焊缝强度匹配系数，是表征接头力学非均质性的参数之一，分为超强匹配、等强匹配和低强匹配。对于焊缝金属强度选择问题，传统上大多主张焊缝强度等于或大于母材的强度，即所谓等强匹配或超强匹配，认为焊缝强度高一些更为安全。但是，焊缝金属的强度越高，韧性往往越低，甚至低于母材的韧性水平。即使是低强度钢，采用大热输人的焊接方法（如埋弧焊、电渣焊等）时，焊缝金属的韧性也常常低于母材，要保持焊缝金属与母材的强韧性匹配，有时是比较困难的。随着高强钢和超高强钢的迅速发展，焊缝强韧性与母材的匹配问题，更显得越来越突出。韧性是焊缝金属性能评定中的一个重要指标，特别是针对800MPa级以上低合金高强钢的焊接，韧性下降是焊接巾一个很突出的问题。焊缝金属总是未能达到母材的韧性水平；与氢弧焊相比，焊条电弧焊更为逊色。而且，随着屈服强度，。的提高，要求钢材安全工作的断裂韧度KIC也要相应提高，而钢材实际具有的韧性水平却随着屈服强度提高而降低。这是现实存在的矛盾。对于较低强度的钢，无论是母材或焊缝都有较高的韧性储备，所以按等强匹配选用焊接材料，既可保证接头区具有较高的强度，也不会损害焊缝的韧性。但对于高强钢，特别是超高强钢，焊缝韧性储备是不高的。因此，对于抗拉强度≥800MPa的高强钢，除考虑强度外，还必须考虑焊接区韧性和裂纹敏感性。就焊缝金属而言，强度越高，可达到的韧性水平越低。抗拉强度大于800MPa的高强钢，如果要求焊缝金属与母材等强，焊缝的韧性储备不够；若为超强的情况，韧性储备更低，甚至可能低到安全限以下。所以，即使焊缝与母材等强，但韧性低于安全限以下，却是极不安全的因素。此时，少许牺牲焊缝强度而使韧性储备提高，对接头综合性能有利。特别是承受动载荷、重载荷和低温工作条件的高强钢焊接接头，除强度性能外，还要求有较高的韧性。“低强匹配”焊材并不意味着接头强度一定低于母材。按名义强度选用的低强焊接材料，实际施焊所得的焊缝强度未必低强。再考虑冶金因素、熔合比和力学上的拘束强化效果，实际焊缝的强度可能远远高出熔敷金属的名义保证值。因此，选用“低强匹配”的焊材，焊接接头实际强度未必低强，可能等强，甚至还稍许超强；而按“等强匹配”选择焊材则可能造成超强的效果，造成焊缝金属塑韧性和抗裂性的下降。对于承受压应力的焊缝“低强匹配”焊材可以满足使用要求。但对于承受拉应力的焊缝，这方面的研究结果还分歧很大。分歧焦点主要集中于不同强度级别和不同使用要求的钢材，‘“低强匹配”焊缝金属的强、韧性界限值究竟多大才能满足工程要求。采用“等强匹配“焊条（E11016-G）时，含氢量为2.9mL/100g，为防止裂纹的预热温度为125℃。而在相同含氢量条件下采用“低强匹配”焊条（E9016-G）只需预热100℃。若采用“低强匹配”更低氢的抗潮型焊条（含氢量1.7mL/100g），预热温度仅70℃即可防止裂纹。降低预热温度，能明显改善生产条件，同时也降低了能耗，有良好的经济效益。高强钢焊接采用“低强匹配”能提高焊接区的抗裂性。特别是对于抗拉强度≥800MPa的高强钢，以采用低强匹配为宜，因为它能有效地防止裂纹。但焊缝强度与母材强度不能相差太大。实践经验表明，抗拉强度800~900MPa的高强钢，“低强匹配”焊缝金属的抗拉强度不应低于600MPa（韧性明显提高）。只要焊缝金属的强度不低于母材强度的80%仍可保证焊接接头的强度性能。实际上，即使是低强度钢，提高焊缝金属的韧性储备也比过分提高强度更为有利。2.冷裂纹低碳调质钢的合金化原则是在低碳基础上通过加人多种提高淬透性的合金元素，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。这类钢由于淬硬性大，在焊接热影响区粗晶区有产生冷裂纹和韧性下降的倾向。但热影响区淬硬组织为MS点较高的低碳马氏体，具有一定韧性，裂纹敏感性小。对于含碳量小于0.12%的低合金钢，热影响区最高硬度可为400HV。预热温度和t8/5对HQ80C焊接裂纹的影响，从HQ80C的焊接连续冷却转变可以看到，它的过冷奥氏体的稳定性很高，尤其是在高沮转变区，使曲线大大地向右移。这类钢的淬硬倾向相当大，本应有很大的冷裂纹倾向，但由于这类钢的特点是马氏体中的碳含量很低，所以它的开始转变温度M，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，因而实际冷裂纹倾向并不大。也就是说，在马氏体形成后如果能从工艺上提供一个“自回火”处理的条件，即保证马氏体转变时的冷却速度较慢，得到强度和韧性都较高的回火马氏体和回火贝氏体，焊接冷裂纹是可以避免的：如果马氏体转变时的冷却速度很快，得不到“自回火”效果，冷裂纹倾向就会增大。此外，限制焊缝含氢量在超低氢水平对子防止低碳调质钢焊接冷裂纹十分重要。钢材强度级别越高，冷裂倾向越大，对低氢焊接条件的要求越严格。3.热裂纹及消除应力裂纹低碳调质钢C含量较低、Mn含量较高，而且对S\P的控制也较严格，因此热裂纹倾向较小。但对高Ni低Mn类型的钢种有一定的热裂纹敏感性，主要产生于热影响区过热区（称为液化裂纹）。避免热裂纹或液化裂纹的关键在于控制C和S含量，保证高的Mn、S比，尤其是当Ni含量高时，要求更为严格。工艺因素对焊接区液化裂纹的形成也有很大的影响。焊接热输人越大，热影响区晶粒越粗大，晶界熔化越严重，晶粒之间的液态晶间层存在的时间也越长，液化裂纹产生的倾向就越大。因此，为了防止液化裂纹的产生，从工艺上应采用小热输人的焊接方法，并注意控制熔池形状、减小熔合区凹度等。V对消除应力裂纹的影响最大，Mo次之，而当V和Mo同时加人时就更为敏感。一般认为Mn-V钢，特别是Cr-Mo-V钢对消除应力裂纹较敏感，Mo-B钢也有一定的消除应力裂纹倾向。含Nb的14MnMoNiB对消除应力裂纹较敏感。此外，焊接Cr-Ni-Mo、Cr-Ni-Mo-V和Ni-Mo-V等类型钢时，都要注意消除应力裂纹的问题。4.热影响区性能变化低碳调质钢热影响区是组织性能不均匀的部位，突出的特点是同时存在脆化（即韧性下降）和软化现象。即使低碳调质钢母材本身具有较高的韧性，结构运行中微裂纹也易在热影响区脆化部位产生和发展，存在接头区域出现脆性断裂的可能性。受焊接热循环影响，低碳调质钢热影响这可能存在强化效果的损失现象（称为软化或失强），焊前母材强化程度越大，焊后热影响区的软化程度越大。(1)调质钢热影响区组织特征低碳调质钢热影响区由于经历了焊接热循环作用，不可避免地会发生复杂的二次组织转变。而且，调质钢热影响区组织是一个连续变化并具有陡峭组织梯度的区域，这种显微组织不均匀性将导致力学性能的不均匀，使接头区的强韧性下降。焊接过程中，低碳调质钢热影响区从快冷时的低碳马氏体（ML）组织向慢冷时的铁素体（F）十上贝氏体（BU）组织变化时，因有效晶粒直径变化引起V形缺口韧脆转变温度变化。韧脆转变温度与有效晶粒尺寸呈线性关系，晶粒直径越小，韧脆转变温度越低。以980MPa为分界，可连成两条直线：下方的直线对应于快冷时（小热输人）近缝区附近强度较高的低温转变组织（ML或ML+B，）；上方的直线对应于慢冷时形成的强度较低的高温转变组织（BU或F+BU）。两直线之间VTRS的差值表明，BU组织所表现的脆化不单纯是由于有效晶粒尺寸的粗化，还与上贝氏体组织的结构因素有关。低碳调质钢中，ML板条束宽度对韧性的影响与非调质钢中晶粒大小的作用相似。单一ML组织中板条束的交界属于大甭度晶界，阻碍解理裂纹的扩展。但是，调质钢中存在复相组织时，晶粒尺寸对韧性的影响就变得复杂了。低合金高强钢焊接热影响区的主要组织类型有：马氏体、贝氏体铁素体和珠光体。低碳调质钢热影响区获得较细小的低碳马氏体组织或下贝氏体组织时，韧性良好，而韧性最佳的组织为ML与低温转变贝氏体（BL）的混合组织；随着上贝氏体组织的增加韧性急剧下降。其原因是：板条马氏体转变时，约10个以上相邻板条大致具有同一结晶方位，形成一束板条，有效晶粒直径较大。下贝氏体的板条间结晶位向差较大，有效晶粒直径取决于其板条宽度，比较微细，韧性良好。当ML与BL混合生成时，原奥氏体