第一篇：中碳调质钢的焊接

中碳调质钢的焊接

中碳调质钢中的碳和其他合金元素含量较高，通过调质处理（悴火+回火）可获得较高的强度性能。中碳调质钢合金元素的加人主要是起保证淬透性和提高抗回火性能的作用，而其强度性能主要还是取决于含碳量。但随着碳含童的提高，钢的焊接性明显变差，焊接难度增大。

中碳调质钢的屈服强度达880~1176MPa以上。钢中的含碳量较高，并加人合金元素〔如MN、Si、Cr、V、B及Mo、W、V、Ti等），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钢。中碳调质钢的主要特点是高的比蹋度和高硬度（例如可用作火箭外壳和装甲锅等），中碳调质钢的淬硬性比低碳调质钢高很多，热处理后达到很高的强度和硬度，但韧性相对较低，给焊接带来了很大的困难。

中碳调质钢的合金系统可以归纳为以下几种类型：

（1）40Cr 是一种广泛应用的含Cr中碳调质钢，钢中加人Cr＜1.5%时能有效地提高钢的淬透性，继续增加Cr含量无实际意义。1%时对钢的塑性、韧性略有提高，超过2%时对塑性影响不大，但略使冲击韧性下降。Cr能增加低温或高温的回火稳定性，但有回火脆性。40Cr钢具有良好的综合力学性能、较高的淬透性和较高的疲劳强度，可用于制造较重要的在交变载荷下工作的机器零件。如用于制造齿轮和轴类等。

（2）35CrMoA和35CrMoVA 属于Cr-Mo系统，是在Cr钢基础上发展起来的中碳调质钢。加人少量Mn可以消除Cr钢的回火脆性，提高淬透性并使钢具有较好的强度与韧性匹配，同时Mo还能提高钢的高温强度。V可以细化晶粒，提高强度、塑性和韧性，增加高温回火稳定性。这类钢一般在动力设备中用于制造一些承受较高负荷、截面较大的重要零部件，如汽轮机叶轮、主轴和发电机转子等。这类钢的含碳量较高，淬透性较大，因此焊接性较差，一般要求焊前预热、焊后热处理等。

（3）30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A和40CrMnSiMoVA 属于Cr-Mn-Si系统，以及在该基础上发展起来的含Ni钢。30CrMnSiA是一种典型的Cr-Mn-Si系的中碳调质钢，不含Ni元素。这种钢退火状态下的组织是铁素体和珠光体，调质状态下的组织为回火索氏体。Cr-Mn-Si钢具有回火脆性的缺点，在300~450℃出现第一类回火脆性，因此回火时必须避开该温度范围。这类钢还具有第二类回火脆性，因此高温回火时必须采取快冷的办法.否则韧性会显著降低。

这类钢除了在调质状态卜应用外，有时在损失一定韧性的情况下，为了提高钢的强度，减轻结构重量，采用200~250℃的低温回火，以便得到具有很高强度的低温回火马氏体组织。当工件厚度小于25mm时，可采用等温淬火。得到下贝氏体组织，此时强度与塑性、韧性得到良好的配合。这种钢在飞机制造中用得较为普遍。30CrMnSiNi2A钢是在Cr-Mn-Si系基础上发展起来的。其特点主要是增加Ni。大大提高了钢的淬透性。与30CrM nSi A相比，调质后的强度有较大提高，并保持了良好的韧性，但它的焊接性较差，具有较大的冷裂倾向。40CrMrrSiMoVA属于低Cr无Ni中碳调质高强钢，其中加人了淬透性强的Mo元素，与30CrMnSiNi2A相比，因含碳量高且不含Ni，焊接性要差一些，可用来代替30CrMnSiNi2A制造飞机上的一些构样。（4）40CrNiMoA和34CrNi3MoA属于Cr-Ni-Mo系的调质钢，由于加人了质量分数为3%的Ni和Mo，显著地提高了淬透性和抗回火软化的能力，对改善钢的韧性也有好处，具有良好的综合性能，如强度高、韧性好、淬透性大等优点。主要用于高负荷、大截面的轴类以及承受冲击载荷的构件，如汽轮机、喷气涡轮机轴以及喷气式客机的起落架和火箭发动机外壳等。

中碳调质钢的挥接性分析

1.焊缝中的热裂纹

中碳调质钢含碳量及合金元素含量较高，焊缝凝固结晶时，固一液相温度区间大，结晶偏析倾向严重，焊接时易产生结品裂纹，具有较大的热裂纹敏感性。例如30CrMnSi由于C、Si含量较高，因此热裂倾向较大。为了防止产生热裂纹，要求采用低碳低硅焊丝（焊丝中碳的质量分数限制在0.15%以下，最高不超过0.25%），严格限制母材及焊丝中的S、P含量，对于重要产品的钢材和焊丝，要求采用真空熔炼或电渣精炼，将S和P总的质量分数限制在0.025%以下。

焊接中碳调质钢时，应考虑到可能出现热裂纹问题，尽可能选用碳含量低以及含S、P杂质少的焊接材料。在焊接工艺上应注意填满弧坑和保证良好的焊缝成形。因为热裂纹容易出现在未填满的弧坑处，特别是在多层焊时第一层焊道的弧坑中以及焊缝的凹陷部位。

2.淬硬性和冷裂纹

中碳调质钢的淬硬倾向十分明显，焊接热影响区容易出现硬脆的马氏体组织，增大了焊接接头区的冷裂纹倾向。母材含碳量越高，淬硬性越大，焊接冷裂纹倾向也越大。中碳调质钢对冷裂纹的敏感性之所以比低碳调质钢大，除了淬硬倾向大外，还由于Ms点较低，在低温下形成的马氏体难以产生“自回火”效应。由于马氏体中的碳含量较高，有很大的过饱和度，点阵畸变更严重，因而硬度和脆性更大，冷裂纹敏感性也更突出。

屈服强度590~980MPa的低、中碳调质钢的碳当量一般都超过了0.5%，多数超过了0.6%，属于高淬硬倾向的钢。从碳当量来看，中碳调质钢与低碳调质钢的差别不很显著。二者的焊接性却差别很大。因此，中碳调质钢的冷裂倾向比低碳调质钢更为严重的原因主要在马氏体的类型和性能上。低碳马氏体有‘，自回火”作用，所以冷裂纹倾向较小。分析各种钢的冷裂敏感性时，不仅要看焊接区的马氏体形成的倾向，还必须考虑到马氏体的类型和性能。

焊接中碳调质钢时，为了防止冷裂纹，应尽量降低焊接接头的含氢量，除了采取焊前预热措施外，焊后须及时进行回火处理。此外，中碳调质超高强钢还具有应力腐蚀开裂敏感性。这种应力腐蚀开裂常发生在水或高湿度空气等弱腐蚀性介质中。为了降低焊接接头的应力腐蚀开裂倾向，应采用热量集中的焊接方法和较小的焊接热输人，避免焊件表面的焊接缺陷和划伤。

3.热影响区的脆化和软化

（1）热影响区脆化 中碳调质钢由于碳含最较高，合金元素较多，有相当大的淬硬倾向，马氏体转变温度（Ms）低，无“自回火”过程，因而在焊接热影响区容易产生大量脆硬的马氏体组织（尤其是高碳、粗大的马氏体），导致热影响区脆化。生成的高碳马氏体越多，脆化越严重。

为了减少热影响区脆化，从减小淬硬倾向出发，本应采用大热输人才有利，但由于这种钢的淬硬性强，仅通过增大热输人还难以避免马氏体的形成，柑反却增大了奥氏体的过热，促使形成粗大的马氏体，反而使热影响区过热区的脆化更为严重。因此，防止热影响区脆化的工艺措施主要是采用小热输入，同时采取预热、缓冷和后热等措施。因为采用小热输人减少了高温停留时间，避免奥氏体晶粒的过热，同时采取预热和缓冷等措施来降低冷却速度，这对改善热影响区的性能是有利的。

（2）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。如果焊后不再进行调质处理，该软化民可能成为降低接头区强度的薄弱区。中碳调质钢的强度级别越高时，软化问题越突出。因此，在调质状态下焊接时应考虑热影响区的软化问题。

母材焊前所处的热处理状态不同，软化区的温度范围和软化程度有很大差别。低温回火的钢材，热影响区软化区的温度范围越大，相对于母材的软化程度也越大。从韧性方面出发，过热区是接头中最薄弱的环节；而从强度方面考虑，软化区是接头中最薄弱的环节。

中碳调质钢热影响区软化最明显的部位，是温度处于Ac1~Ac3，之间的区段，这与该区段的不完全悴火过程有密切关系。因为不完全淬火区的奥氏体成分远未达到平衡浓度，铁素体和碳化物均未充分溶解，冷却时奥氏体易发生分解。造成这个区段的组织强度和硬度都较低。

热影响区软化程度和软化区的宽度与焊接热输入、焊接方法等有很大关系。焊接热输人越小，加热和冷却速度越快，软化程度越小，软化区的宽度越窄。30CrMnSi钢经气焊后，热影响区软化区的抗拉强度降为590~685MPa；而采用焊条电弧焊时，软化区的抗拉强度为880 ~1030MPa。气焊时的热影响区软化区此电弧焊时宽得多因此焊接热源越集中，对减少软化越有利。

中碳调质钢的焊接工艺特点

中碳调质钢的淬透性很大，因此焊接性较差，焊后的淬火组织是硬脆的高碳马氏体，不仅冷裂纹敏感性大，而且焊后若不经热处理时，热影响区性能达不到原来基体金属的性能。中碳调质钢焊前母材所处的状态非常重要，它决定了焊接时出现的问题性质和应采取的工艺措施，而且对焊接工艺的要求和工艺参数的控制非常严格。

1.退火或正火状态下焊接

中碳调质钢最好在退火（或正火）状态下焊接，焊后通过整体调质处理获得性能满足要求的焊接接头，这是焊接中碳调质钢的一种比较合理的工艺方案。这时焊接中所要解决的主要是裂纹问题，热影响区和焊缝的性能通过焊后的调质处理来保证。选择焊接材料的要求是不产生冷、热裂纹，而且要求焊缝金属与母材在同一热处理工艺下调质处理，能获得相同性能的焊接接头。

这种情况下对选择焊接方法几乎没有限制，常用的一些焊接方法（焊条电弧焊、埋弧焊、TIG和MIG，等离子弧焊等）都能采用。在选择焊接材料时，除了要求保证不产生冷、热裂纹外，还有一些特殊要求，即焊缝金属的调质处理规范应与母材的一致，以保证调质后的接头性能也与母材相同。因此，焊缝金属的主要合金组成应与母材相似，对能引起焊缝热裂倾向和促使金属脆化的元素（如C、Si、S、P等）应加以严格控制。

在焊后调质的情况下，焊接参数的确定主要是保证在调质处理之前不出现裂纹，接头性能由焊后热处理来保证。因此可采用很高的预热温度（200~350℃）和层间温度。另外，在很多情况下焊后往往来不及立即进行调质处理，为了保证焊接接头冷却到室温后在调质处理前不致产生延迟裂纹，还须在焊后及时进行一次中间热处理。这种热处理一般是在焊后等于或高于预热温度下保持一段时间，目的是为了从两方面来防止延迟裂纹：一是起到扩散除氢的作用；二是使组织转变为对冷裂纹敏感性低的组织。当焊后处理温度高时，还有消除应力的作用。

采用局部预热时，预热的温度范围离焊缝两侧应不小于100mm，焊后若不能及时调质处理应进行680℃回火处理。产品结构复杂和有许多条焊缝时，焊完一定数量的焊缝后应及时进行中间回火处理，这样就能避免等到最后处理时，先焊接的部位已经出现延迟裂纹的问题。中间回火的次数，要根据焊缝的多少和产品结构的复杂程度来决定。对于淬硬倾向更大的30CrMnSiNi2A来说，为了防止冷裂纹的产生，焊后须立即（焊缝处的金属不能冷到低于250℃）将工件人炉加热到（650±10℃）或680℃回火，然后按规定进行调质处理。

2.调质状态下焊接

如果必须在调质状态下焊接，而且焊后不能再进行调质处理的焊接结构件，这时的主要问题是防止焊接裂纹和避免热影响区软化。除了裂纹外，热影响区的主要问题是：高碳马氏体引起的硬化和脆化，以及高温回火区软化引起的强度降低。高碳马氏体引起的硬化和脆化可以通过焊后的回火处理来解决。但高温回火区软化引起的强度下降，在焊后不能调质处理的情况下是无法弥补的。由于焊后不再进行调质处理，焊缝金属成分可与母材有差别。为了防止焊接冷裂纹，也可以选用塑韧性好的奥氏体焊条。

为了消除热影响区的淬硬组织和防止延迟裂纹的产生，必须适当采用预热、层间温度控制、中间热处理，并应焊后及时进行回火处理。上述工艺过程的温度控制应比母材淬火后的回火温度至少低50℃。

为了减少热影响区的软化。从焊接方法考虑，应该是采用热量越集中、能量密度越大的方法越有利，而且焊接热输入越小越好。这一点与低碳调质钢的焊接是一致的。因此气焊在这种情况下是最不合适的，气体保护焊比较好，特别是钨极缸弧焊，它的热量比较容易控制，焊接质量容易保证，因此常用它来焊接一些焊接性很差的高强钢。另外，脉冲氢弧焊、等离子弧焊和电子束焊等工艺方法，用于这类钢的焊接是很有前途的。从经济性和方便性考虑，目前在焊接这类钢时，焊条电弧焊还是用得最为普遍。

对于必须在调质状态下焊接，而且焊后不能再进行调质处理的焊接结构件，这时热影响区性能的下降是很难解决的。因此，应采用尽可能小的焊接热输人。

由于焊后不再进行调质处理，选择焊接材料时没有必要考虑成分和热处理规范与母材相匹配的问题。从防止焊接冷裂纹的要求出发，可以采用塑韧性较好的奥氏体铭镍钢焊条或镍基焊条。这时在工艺上应注意到异种钢焊接时的一些特点。例如在调质状态下焊接30CrMnSiA和30CrMnSilVi2A时采用镍基奥氏体焊条，焊后采用250℃ x 2h或更长时间的低温回火处理。在焊接像30Cr14MnSiNi2A淬硬倾向很大的钢材时，除了焊后低温回火外，还要采取一定的预热措施，预热温度应低于母材淬火后的回火温度，一般采用的预热和层间温度为200~250℃。

3.焊接方法及焊接材料

（1）焊接方法 中碳调质钢常用的焊接方法有焊条电弧焊、气体保护焊、埋弧焊等。采用热量集中的脉冲氢弧焊、等离子弧焊及电子束焊等方法，有利于减小焊接热影响区宽度，获得细晶组织，提高焊接接头的力学性能。一些薄板焊接多采用气体保护焊、钨极缸弧焊和微束等离子弧焊等。中碳调质钢应采用尽可能小的焊接热输人，这样可以降低热影响区淬火区的脆化，同时采用预热、后热等措施，还能提高抗冷裂性能，改善淬火区的组织性能。采用小热输人还有利于减小软化区，降低软化程度。

在确定中碳调质钢的焊接参数时，主要应从防止冷裂纹和避免热影响区软化出发。采用较高的预热温度（200~350℃）和层间温度、焊后立即进行热处理等，以达到防止裂纹的目的。

（2）焊接材料 中碳调质钢焊接材料应采用低碳合金系。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。对于焊后需要热处理的构件，焊缝金属的化学成分应与基体金属相近。应根据焊缝受力条件、性能要求及焊后热处理情况选择焊接材料。

（3）预热和焊后热处理 预热和焊后热处理是中碳调质钢的重要工艺措施，是否预热以及预热温度的高低根据焊件结构和生产条件而定。除了拘束度小，构造简单的薄壁壳体或焊件不用预热外，一般情况下，中碳调质钢焊接时都要采取预热或及时后热的措施，预热温度一般为200~350℃。表3-29为常用中碳调质钢焊接的预热温度。

如果焊接结构件焊后不能及时进行调质处理，须焊后及时进行中间热处理，即在等于或高于预热温度下保温一定时间的热处理，如低温回火或650~680℃高温回火。若焊件焊前为调质状态时，预热温度、层间温度及热处理温度应比母材淬火后的回火温度低50℃进行局部预热时，应在焊缝两侧100mm内均匀加热。

第二篇：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SP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，原奥氏体晶粒被先析出的BL有效地分割，促使ML有更多的形核位里，且限制了ML的生长，因此ML+ BL混合组织的有效晶粒最为细小。

与单一低碳马氏体组织相比，混合组织中有更多的大角度晶界，裂纹扩展在ML板条束界或ML与BL边界处受阻而转向。由于一单位裂纹扩展的长度变短，韧性明显提高。相反，上贝氏体由于板条宽度大，且板条间结晶位相差很小，板条几乎平行生长贯穿原奥氏体晶粒，形成粗大的'-'L板条束。解理裂纹在Bu组织中可连续贯穿一束板条，对应着较低的解理断裂应力，因而韧性较低。

低碳调质钢热影响区韧性的变化还与贝氏体（也称为中间组织）板条宽度、板条界碳化物析出形态以及岛状M—A组元的生成等有关。由于Bu和Bg组织对高强钢热影响区韧性影响很大，又是高强钢焊接中经常遇到的问题，故深人分析由贝氏体组织引起的脆化现象十分重要。

（2）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，即冲击韧性明显降低。热影响区脆化的原因除了奥氏体晶粒粗化的原因外，更主要的是由于上贝氏体和M-A组元的形成。

M-A组元一般在中等冷速下形成，是奥氏体中碳含量升高的结果。在相变过程中，碳原子不断向未转变的奥氏体扩散，在α/γ界面形成峰值。相变温度较高和冷速缓慢时，碳的扩散速度快，有充足的时间扩散，α/γ界面积累不起碳的含量峰值，如图3-25曲线1所示。在相变温度低和冷速较大时，α/γ界面形成局部高碳区（如图3-25曲线3所示），界面处析出碳化物，也不会形成较大的富碳奥氏体区。但在相变温度和冷速适中时，α/γ界面形成碳含量较高的区域，碳含量峰值约为0.8%~1.0%，有利于形成M-A组元。一旦出现M-A组元，脆性倾向显著增加。

M-A组元形成条件与上贝氏体相似，故上贝氏体形成常伴随M-A组元。上贝氏体在500~450℃温度范围形成，长大速度很快，而碳的扩散较慢，由条状铁素体包围着的岛状富碳奥氏体区一部分转变为马氏体，另一部分保留下来成为残余奥氏体，即形成M-A组元。M-A组元的韧性低是由于残余奥氏体增碳后易于形成孪晶马氏体，夹杂于贝氏体与铁素体板条之间，在界面上产生微裂纹并沿M-A组元的边界扩展。因此，M-A组元的存在导致脆化，M-A组元数量越多脆化越严重。M-A组元实质上成为潜在的裂纹源，起了应力集中的作用。因此M-A组元的产生，对低碳调质钢热影响区韧性有不利的影响。

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热影响区M-A组元的产生。控制焊接热愉人和采用多层多道焊工艺，使低碳调质钢热影响区避免出现高硬度的马氏体或M-A混合组织，可改善抗脆能力，对提高热影响区韧性有利。

（3）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）。热影响区峰值温度}s直接影响奥氏体晶粒度、碳化物溶解以及冷却时的组织转变。低碳调质钢热影响区软化最明显的部位是峰值温度接近Ac1的区域，这与该区域组织转变及碳化物的沉淀和聚集长大有关。

从强度考虑，热影响区软化区是焊接接头中的一个薄弱环节，对焊后不再进行调质处理的调质钢来说尤为重要。焊前母材强化程度越高（母材调质处理的回火温度越低），焊后热影响区的软化〔或称失强率）越严重。

热影响区软化区的显微组织包括铁素体和低碳奥氏体的分解产物.这种组织对塑性变形的抗力小，造成该区的强度和硬度较低。母材原始组织中碳化物弥散度越大，促使热影响区软化的临界温度越高。

低碳调质钢热影响区软化的实质是母材的强化特性，只能通过一定的工艺手段防止软化。减小焊接热输人有利于缩小软化区宽度，软化程度也有所降低。低碳调质钢的强度级别越高，母材焊前调质处理的回火温度越低（即强化程度越大），热影响区软化区的范围越宽，焊后热影响区的软化问题越突出。软化区的宽度与软化程度与焊接方法和热输人有很大关系，减小焊接热输入可使其热影响区软化风宽度减小。

热影响区软化区宽度（b）与板厚〔h）之比m，对软化程度影响很大。软化区是一种“硬夹软”状态，软夹层小到一定程度后可产生“约束强化”效应，即软夹层的塑性应变受相邻强硬部分约束产生应变强化效果。软夹层越窄，约束强化越显著，失强率越小。

相对宽度减小，即软化区宽度减小，接头强度可提高。也就是说，板厚越小接头软化越突出，因而更需要限制焊接热输人和预热温度；板厚增大，软化的影响将减弱。

利用焊接传热学公式可计算出位于Ac1至峰值温度几之间的热影响区软化区宽度。软化区宽度一定时，板厚越大，焊接热输人越小，初始预热温度越低，焊接接头的强度就可以越高一些，也即失强率越小。焊接中只要设法减小软化区的宽度，即可将焊接热影响区软化的危害降到最低程度。因此，低碳调质钢焊接时不宜采用大的焊接热输人或较高的预热温度，特别是薄板，采用大热输人或预热是不适宜的。

低碳调质钢的焊接工艺特点

这类钢的特点是碳含量低，基体组织是强度和韧性都较高的低碳马氏体+下贝氏体，这对焊接有利。但是，调质状态下的钢材。只要加热温度超过它的回火温度，性能就会发生变化。焊接时由于热循环的作用使热影响区强度和韧性的下降几乎是不可避免的。因此，低碳调质钢焊接时要注意两个基本间题：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，以防止冷裂纹的产生；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。

这两个问题是制定低碳调质钢焊接参数的主要依据。此外，在选择焊接材料和制定焊接参数时，应考虑焊缝及热影响区组织状态对焊接接头强韧性的影响。

1.焊接方法和焊接材料的选择

低碳调质钢焊接要解决的问题：一是防止裂纹；二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。为了消除裂纹和提高焊接效率，一般采用熔化极气体保护焊或活性气体保护焊等自动化或半自动机械化焊接方法。

对于调质钢焊后热影响区强度和韧性下降的向题，可以焊后重新调质处理。对于焊后不能再进行调质处理的，要限制焊接过程中热量对母材的作用。低碳调质钢常用的焊接方法有焊条电弧焊、CO2焊和Ar +CO2混合气体保护焊等。

焊接屈服强度≥980MPa的低碳调质钢，采用钨极缸弧焊、电子束焊等焊接方法可以获得最好的焊接质量；对于屈服强度≤980MPa的低碳调质钢，焊条电弧焊、埋弧焊、熔化极气体保护焊和钨极缸弧焊等都能采用：但对于屈服强度≥686MPa的低碳调质钢，熔化极气体保护焊是最合适的工艺方法。如果采用多丝埋弧焊和电喳焊等热量输人大、冷却速度慢的焊接方法时，焊后必须重新进行调质处理。

低碳调质钢焊后一般不再进行热处理，在选择焊接材料时要求焊缝金属在焊态下应接近母材的力学性能。特殊条件下，如结构的刚度很大，冷裂纹很难避免时，应选择比母材强度稍低一些的材料作为填充金属。

高强高韧性钢用于重要的焊接结构，包括低温和承受动载荷的结构，对焊接热影响区韧性要求较高。不宜采用大热输人的焊接方法，应尽可能采用热量集中的气体保护焊或焊条电孤焊进行焊接。采用焊条电弧焊时要使用超低氢焊条。这类钢母材中Ni含量较高，配套焊材也应选择Ni含量较高的焊条或焊丝。保证高强度和良好的塑韧性，包括较高的低温韧性、较低的脆性转变温度。

强度级别不同的两种低碳调质钢焊接时的淬硬性很大，有产生焊接裂纹的倾向。采用“低强匹配”焊材和CO2或Ar + CO2气体保护焊，控制焊缝扩散氢含量在超低氢水平，可实现在不预热条件下的焊接。2.焊接参数的选择

不预热条件下焊接低碳调质钢。焊接工艺对热影响区组织性能影响很大，其中控制焊接热输人是保证焊接质量的关键。

（1）焊接热输人的确定焊接热输人。热输人增大使热影响区晶粒粗化，同时也促使形成上贝氏体.甚至形成M-A组元，使韧性降低。当热输人过小时，热影响区的淬硬性明显增强，也使韧性下降。

焊接热输人E的确定以抗裂性和对热影响区韧性要求为依据。从防止冷裂纹出发，要求冷却速度慢为佳，但对防止脆化来说，却要求冷却快较好，因此应兼顾两者的冷却速度范围。这个范围的上限取决于不产生冷裂纹，下限取决于热影响区不出现脆化的混合组织。因此，所选的焊接热输人应保证热影响区过热区的冷却速度刚好在该区城内。对于低合金高强钢，一般认为0.18%是形成低碳马氏体的界限，高于0.18%时将出现高碳马氏体，对韧性不利，此时不应提高冷却速度，小于0.18%时可以提高冷却速度。也就是说，对于含碳量低的低合金钢，提高冷却速度（减小热愉人）以形成低碳马氏体，对保证韧性有利。换句话说，焊接热输人适当小时，得到BL+ ML混合组织时，可以获得最佳的韧性效果。

但是在焊接厚板时，即使采用了大的热输人，冷却速度还是超过了它的上限，这就必须通过预热来使冷却速度降到低于不出现裂纹的极限值。

在保证不出现裂纹和满足热影响区韧性的条件下，热输人应尽可能选择得大一些。通过实验确定每种钢的焊接热输人的最大允许值，然后根据最大热输人时的冷裂纹倾向再来考虑是否需要采取预热和预热温度的大小。

为了限制过大的焊接热输人，低碳调质钢不宜采用大直径的焊条或焊丝施焊，应尽量采用多层多道焊工艺，采用窄焊道而不用横向摆动的运条技术。这样不仅使热影响区和焊缝金属有较好的韧性，还可以减小焊接变形。双面施焊的焊缝，背面焊道应采用碳弧气刨清理焊根并打磨气刨表面后再进行焊接。

低碳调质高强高韧性钢对接头区强韧性要求较高，这类钢对焊接热输人、预热温度、层间温度的控制更为严格，应采用较小焊接热愉人的多层多道焊工艺。

（2）预热温度和焊后热处理当低碳调质钢板厚不大，接头拘束度较小时，可以采用不预热焊接工艺。如焊接板厚小于10mm的HQ60、HQ70钢，采用低氢型焊条电弧焊、气体保护焊，可以进行不预热焊接。

当焊接热输人提高到最大允许值裂纹还不能避免时，就必须采取预热措施。对低碳调质钢来说，预热的目的主要是为了防止裂纹，对于改善热影响区的组织性能影响不大。相反，从它对800~500℃的冷却速度的影响看，对热影响区韧性还可能有不利的影响，因此在焊接低碳调质钢时都采用较低的预热温度。

预热的目的是希望能降低马氏体转变时的冷却速度，通过马氏体的“自回火”作用来提高抗裂性能。当预热温度过高时，不仅对防止冷裂投有必要，反而会使800~500℃的冷

却速度低于出现脆性混合组织（如M-A组元等）的临界冷却速度，使热影响区韧性下降。所以要避免不必要的提高预热温度，也包括层间温度。

HQ100钢采用焊条电弧焊时层间温度应控制在100℃左右，焊接热输人为15~17kJ/cm；采用气体保护焊时层间温度应控制在100~130℃，焊接热输人为10~20kJ/cm。

低碳调质钢焊接结构一般是在焊态下使用，正常情况下不进行焊后热处理。除非焊后接头区强度和韧性过低、.焊接结构受力大或承受应力腐蚀以及焊后需要进行高精度加工以保证结构尺寸等，才进行焊后热处理。为了保证材料的强度性能，焊后热处理温度必须比母材原调质处理的回火沮度低30℃左右。

3.低碳调质纲烨按接头的力学性能

对低碳调质钢焊缝金属有害的脆化元素是S、P、N、O、H，必须加以限制。强度级别越高的焊缝，对这些杂质的限制越要严格。铁素体化元素对焊缝韧性有不利影响，除了Mo在很窄的含量范围内有较好的作用外，其余铁素体化元素均在强化焊缝的同时恶化韧性，V、Ti、Nb的作用最明显。奥氏体化元素中C对韧性最为不利，Mn，Ni则在相当大的含量范围内有利于改善焊缝韧性。

第三篇：调质钢的金相组织及检验

调质钢的金相组织及检验

调质钢通常是指采用调质处理（淬火加高温回火）的中碳优质碳素结构钢和合金结构钢，如35、45、50、40Cr、40MnB、40CrMn、30CrMnSi、38CrMoAlA、40CrNiMoA和40CrMnMo等。

调质钢主要用于制造在动态载荷或各种复合应力下工作的零件（如机器中传动轴、连杆、齿轮等）。这类零件要求钢材具有较高的综合力学性能。

一、调质钢的热处理

（一）预先热处理

为了消除和改善前道工序（铸、锻、轧、拔）遗存的组织缺陷和内应力，并为后道工序（淬火、切削、拉拔）作好组织和性能上准备而进行退火或正火工序就是预先热处理。

关于调质钢在切削加工前进行的预先热处理，珠光体钢可在Ac3 以上进行一次正火或退火；合金元素含量高的马氏体钢则先在Ac3 以上进行一次空冷淬火，然后再在Ac1以下进行高温回火，使其形成回火索氏体。

（二）最终热处理

调质钢一般加热温度在Ac3以上30~50℃，保温淬火得到马氏体组织。淬火后应进行高温回火获得回火索氏体。回火温度根据调质件的性能要求，一般取500~600℃之间，具体范围视钢的化学成分和零件的技术条件而定。因为合金元素的加人会减缓马氏体的分解、碳化物的析出和聚集以及残余奥氏体的转变等过程，回火温度将移向更高。

二、调质钢的金相检验

（一）原材料组织检验 调质工件在淬火前的理想组织应为细小均匀的铁素体加珠光体，这样才能保证在正常淬火工艺下获得良好的淬火组织---细小的马氏体。

（二）脱碳层检验 钢材在热加工或热处理时，表面因与炉气作用而形成脱碳层。脱碳层的特征是，表面铁素体量相对心部要多（半脱碳）或表面全部为铁素体（全脱碳），从而使工件淬火后出现铁素体或托氏体组织，回火后硬度不足，耐磨性和疲劳强度下降。因此调质工件淬火后不允许有超过加工余量的脱碳层。金相试样的磨面必须垂直脱碳面，边缘保持完整，不应有倒角。脱碳层的具体测量方法可按GB/T 224-1987标准进行。

（三）锻造的过热和过烧检验

锻造加热时，由于加热温度高，不仅奥氏体晶粒粗大，而且有些夹杂物发生溶解而在锻后冷却时沿奥氏体晶界重新析出。一般过热时，仅出现粗大的奥氏体晶粒并产生魏氏组织。在一些低合金钢中还会出现粗大的贝氏体或马氏体组织。过热时沿奥氏体晶界析出的常为MnS或FeS。用一般试剂无法侵蚀显示奥氏体晶界，最好方法用饱和的硝酸铵溶液进行电解侵蚀。侵蚀后试样的奥氏体晶界呈白色网状。由于过热锻件晶粒粗大，使得塑性和韧性下降，容易造成脆断。

当钢加热到更高温度，接近液相线时，会出现过烧现象。过烧特征是钢的粗大晶界被氧化和熔化，锻造时将产生沿晶裂纹，在锻件表面出现龟裂状裂纹。

（四）调质钢的淬火回火组织

调质钢正常淬火组织为板条状马氏体和针片状马氏体，当含碳量较低时，如30CrMo等，形态特征趋向于低碳马氏体。当含碳量较高，如60Si2、50CrV等，形态特征趋向于高碳马氏体。

如果淬火加热温度过低，或保温不足，奥氏体未均匀化，或淬火前预先热处理不当，未使原始组织变得细匀一致，导致工件淬火后的组织为马氏体和未溶的铁素体，后者即使回火也不能消除（图5-1）。

图5-1 低碳马氏休＋网状铁素体(500 X)图5-2 45钢调质处理之回火索氏体(500×)如果淬火加热温度正常，且保温时间足够，但冷却速度不够，以致不能淬透，结果沿工件截面各部位将得到不同的组织，即从表层至中心依次出现马氏体、马氏体+托氏体、托氏体+铁素体等组织。甚至表层也不能得到全马氏体组织。

当工件淬火温度正常，保温时间足够，且冷却速度也较大，过冷奥氏体在淬火过程中未发生分解，那么淬火后得到的组织应是板条状马氏体和针片状马氏体。在随后的高温回火过程中，马氏体中析出碳化物，最终得到的是均匀且弥散分布的回火索氏体（图5-2）。

第三节 弹簧钢的金相组织及检验

弹簧钢是用于制造各种弹性元件的专用结构钢，它具有弹性极限高、足够的韧性、塑性和较高的疲劳强度。弹簧钢含碳量比调质钢高，其中碳素弹簧钢的含碳量的质量分数约为0.6~1.05％；合金弹簧钢的含碳量的质量分数为0.4~0.74％。弹簧钢中加入的合金元素主要为硅和锰，目的是提高淬透性。要求较高的弹簧钢，还需要加入铬、钒或钨等元素。

弹簧钢的热处理方法主要有两种：（1）淬火加中温回火处理。用这种处理方法的多数为热轧材料以热成形方法制作的弹簧，或者用冷拉退火钢丝以冷卷成型的弹簧。中温回火后的组织为回火托氏体，此弹簧有很高的弹性极限与屈服强度，同时又有足够的韧性和塑性。(2)低温去应力回火。应用这一处理方法的主要是一些用冷拉弹簧钢丝或油淬回火钢丝冷盘成形的弹簧。

钢丝成材过程的强化处理也有两种方法。一种是冷拉后的淬火回火处理，其组织为回火托氏体。另一种为“铅淬”冷拔，即将热轧盘条加热到奥氏体状态，然后淬到450~550℃的熔化铅液中作等温处理，得到冷拉性能很好的回火索氏体，最后通过一系列的冷拔，得到一定规格尺寸与强度的钢丝。这种钢丝组织为纤维状的形变回火索氏体。

弹簧钢的金相检验内容有非金属夹杂物、石墨、表面脱碳、显微组织等。

（一）石墨碳与非金属夹杂物检验 检查石墨碳及非金属夹杂物时，试样取样部位一般都在材料端部，也可按照双方协议的规定。其检查方法及评级可分别按 GB/T 10561-1989和GB/T 13302-1991标准进行评定。石墨碳及非金属夹杂物是弹簧钢的内部缺陷。

（二）表面脱碳层检验 在弹簧钢各种材料标准中对表面脱碳均有明确的规定，一般脱碳深度根据材料的厚度或直径的百分数而定，而且冷拉材料要比热轧材料严格，如公称直径≤8 mm的热轧圆钢，其规定总脱碳层不大于直径的2.5％，而同规格的冷拉钢则为不大于2％。检查材料表面脱碳时，试样的切取部位均在材料两端或其中任意一端，如为弹簧成品或半成品，一般可在任意部位取。脱碳层检验标准为GB／T224-1987。

（三）显微组织检验 经过退火处理热轧弹簧钢，其组织是珠光体或珠光体和网状铁素体。规格较大的冷拉弹簧钢一般经过球化退火处理，组织为球状珠光体。冷拉碳素弹簧钢丝（包括冷拉的65 Mn弹簧钢丝），因冷拉前经过索氏体转变（俗称铅淬）处理，所以冷拉后组织呈纤维状的索氏体。油淬火回火钢丝的组织为回火托氏体。图5-

3、图5-4分别为油淬火回火钢丝组织和冷拉铅浴处理钢丝组织。

图5-3 65Mn弹簧钢之回火托氏体 图5-4 50CrV弹簧钢冷拉铅浴处理 组织（500×）之形变索氏体组织（500×）

用热轧弹簧钢制作弹簧时，由于采用热成形方法，然后需进行淬火、回火处理，故原材料的组织检验可以省略。冷拉退火钢丝用冷盘法加工弹簧，则要检验原材料组织的球化程度。若球化不良，则材料要重新球化退火。检查“铅淬”冷拉钢丝组织时，磨面应取纵向，其他试样磨面可以取任意方向。

对于用碳素弹簧钢和合金弹簧钢制作的内燃机气门弹簧，在检验组织及缺陷时，应按GB/T 2785-1988《内燃机气门弹簧技术条件》进行。对于汽车钢板弹簧的金相检验，则按照JB 3782一1984《汽车钢板弹簧金相检验标准》进行。金相试样应在钢板全长的l／4处截取，且截面距钢板一端距离不得小于50 mm。在检查带状组织时，金相磨面应取钢板的纵向截面。

第四篇：15CrMo钢焊接

耐热钢

1.1 耐热钢的定义、分类及应用

在高温条件下，具有抗氧化性和足够的高温强度以及良好的耐热性能的钢称作耐热钢。耐热钢包括抗氧化钢和热强钢两类。抗氧化钢又简称不起皮钢，一般要求较好的化学稳定性，但承受的载荷较低。热强钢则要求较高的高温强度和相应的抗氧化性。耐热钢常用于制造锅炉、汽轮机、动力机械、工业炉和航空、石油化工等工业部门中在高温下工作的零部件。这些部件除要求高温强度和抗高温氧化腐蚀外，根据用途不同还要求有足够的韧性、良好的可加工性和焊接性，以及一定的组织稳定性。中国自1952年开始生产耐热钢。以后研制出一些新型的低合金热强钢，从而使珠光体热强钢的工作温度提高到600～620℃；此外，还发展出一些新的低铬镍抗氧化钢种。耐热钢的分类有以下几种：

（1）珠光体耐热钢

珠光体钢耐热钢中合金元素以铬、钼为主，质量分数总量一般不超过5%。其组织除珠光体、铁素体外,还有贝氏体。这类钢在500～600℃有良好的高温强度及工艺性能，价格较低，广泛用于制作 600℃以下的耐热部件。如锅炉钢管、汽轮机叶轮、转子、紧固件及高压容器、管道等。典型钢种有：16Mo、15CrMo、12Cr1MoV、12Cr2MoWVTiB、10Cr2Mo1以及25Cr2Mo1V、20Cr3MoWV等。

（2）马氏体耐热钢

马氏体钢中含铬的质量分数一般为7～13%，在650℃以下有较高的高温强度、抗氧化性和耐水汽腐蚀的能力，但焊接性较差。含铬12%左右的1Cr13、2Cr13,以及在此基础上发展出来的钢号如1Cr11MoV、1Cr12WMoV、2Cr12WMoNbVB等，通常用来制作汽轮机叶片、轮盘、轴、紧固件等。此外，作为制造内燃机排气阀用的4Cr9Si2,4Cr10Si2Mo等也属于马氏体耐热钢。

（3）铁素体耐热钢

铁素体钢中含有较多的铬、铝、硅等元素，形成单相铁素体组织，有良好的抗氧化性和耐高温气体腐蚀的能力，但高温强度较低，室温脆性较大，焊接性较差。如1Cr13SiAl，1Cr25Si2等。一般用于制作承受载荷较低而要求有高温抗氧化性的部件。

（4）奥氏体耐热钢 奥氏体钢中含有较多的镍、锰、氮等奥氏体形成元素，在 600℃以上时，有较好的高温强度和组织稳定性，焊接性能良好。通常用作在 600℃以上工作的热强材料。典型钢种有 1Cr18Ni9Ti，1Cr23Ni13，1Cr25Ni20Si2，2Cr20Mn9Ni2Si2N，4Cr14Ni14W2Mo等[1]。

尤其指出的是，本课题研究的材料15CrMo钢是一种铬、钼珠光体耐热钢，它是应用于动力工业、石油化工等部门高温条件下的重要材料。主要用于制造工作温度高于450℃的压力容器、锅炉管道等。它不仅有很好的抗氧化性、热强性，还有比较好的抗硫腐蚀和抗氢腐蚀性能，并且合金元素含量少，具有较好的工艺性能和物理性能，用途很广。1.2 我国耐热钢的发展

近几年来，随着国家经济建设的发展，我国的国民经济持续高速增长，工业，建筑，冶金钢铁，热处理，航天，矿山，玻璃，石油工业，电力等行业相继快速发展。这些行业的发展都离不开钢结构，而且所用的钢都不是一般性质的钢。因为这些都不是一般性质的行业，其设备要求苛刻。性能太差就会严重影响行业的正常运作。工业与石油工业设备，锅炉等都需要一定的高温。所以在这样特殊条件下，对钢的要求就非常严格。一般新产品的诞生都是随着市场需求而产生的。耐热钢就是在这种情况下出现的。

耐热钢，能在高温的条件下保持良好的性能，能抗高温。大部分的耐热钢都是由合金组成，因为合金比单一金属的稳固性更好更强。我国从50年代就开始生产耐热钢了，从最初的几家企业发展到现在千余家，一些企业也从最初的小规模发展到现在国内知名品牌生产企业。随着科技的发展，为满足石油行业设备以及管道对钢材的抗高温抗腐蚀日趋苛刻，耐热钢需要更新的技术来解决所面临的问题。

很多企业为解决耐热钢所面临的问题，不断引进新的技术，成立专门的研究部门，研究高性能的耐热钢，以满足市场需求。在20世纪30年代，经过专业人士的不断的研究，发现了钼。钼元素对耐热钢的耐热强性有很大的帮助，在碳钢中加入钼，工作温度可以大大的提高。50年代初，我国引进低合金铬钼钢，并开始大量生产，解决了电站锅炉以及石油化工等耐高温的问题。再加上其价格便宜，性能好，被广泛的应用于工业生产和其他行业中。经过不断的开发与研究，引进国外先进的技术，在研究人员的努力下，研制出可在更高温度下使用的低合金热强钢。耐热钢及其制品的发展空间很大，市场也很广阔[2]。

1.3 15CrMo钢焊接的基本要求

由于耐热钢广泛应用于石油化工、电力等行业，常用来制造蒸汽导管、石油管道等特殊部件，因此其对焊缝组织致密性、组织连续性、焊缝缺陷等提出了更高的要求，现列如下：

（1）接头的等强性

15CrMo钢焊接接头不仅应具有与母材金属基本相等的室温和高温和高温短时强度，而且适应具有与母材金属相当的高温持久强度。（2）足够的抗氧化性

15CrMo钢焊接接头应具有与母材金属基本相同的抗氢性和高温抗氧化性。为此，焊缝金属的合金成分和含量与母材基本相等。（3）组织的稳定性

15CrMo钢焊接接头在制造过程中，尤其是厚壁接头将经受长时间的多次热处理，在运行过程中将经受长期的高温高压作用。在这些长时的热作用过程中，接头各区不应产生降低高温持久强度的组织变化，以及由此引起的脆变和软化。（4）抗脆断性

由于15CrMo钢长用来制造压力容器和管道，在设备受压检修后，都要经历冷启动过程。因此15CrMo钢焊接接头亦应具有足够的抗脆断性[3]。1.4 15CrMo钢的焊接性分析

金属焊接性是金属材料对焊接加工的适应性。主要是指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度金属焊接性分为工艺焊接性和使用焊接工艺焊接性是指特定的材料在指定工艺条件下形成优质焊接接头的能力；使用焊接性是指形成的接头适应使用要求的程度，两者都是材料在焊接过程中力学和冶金行为发展变化的结果。随着新的焊接方法的不断涌现，材料制造工艺的不断完善和新材料的出现，以及生产应用对结构越来越高的性能要求，有关金属焊接性的研究日趋显出其重要的地位。钢材的焊接性主要取决于它的化学成分，随钢材强度级别的提高，其焊接性变差。焊接性变差一般表现在两个方面：一是焊接过程中焊缝熔敷金属的各种冶金缺陷；二是焊接过程中材料性能的变化[4]。1.4.1 15CrMo钢的化学成分及性能

珠光体耐热钢的含Cr量一般为0.5%～9%，含Mo量一般为0.5%或1%。随着Co、Mo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。在Co-Mo钢中加入少量的W、Ti、Nb等元素后，可进一步提高钢的热强性。

15CrMo钢属Cr-Mo合金系统，为低碳珠光体热强钢，其国标成分和试验中试板成分见下表1.1。

表1.1 15CrMo钢的成分

(质量分

数)% 名称 15CrMo（国标）C 0.12～0.18

Si 0.17～0.37

Mn 0.40～0.70

Cr 0.8～1.1

Mo 0.40～0.55

S ≤0.04

P ≤0.04 合金元素Cr能形成致密的氧化膜，提高钢的抗氧化性能。当钢中Cr＜1.5%时，随Cr的增加钢的蠕变强度；Cr≥1.5%后，钢的蠕变强度随含铬量的增加而降低。Mo是耐热钢中的强化元素，弱碳化物元素，Mo优先溶入固溶体，强化固溶体。Mo的熔点高达2625℃，固溶后可提高钢的再结晶温度，有效地提高钢的高温强度和抗蠕变能力。Mo可以减小钢材的热脆性，还可以提高钢材的抗腐蚀能力。

钢中的V能形成细小弥散的碳化物和氮化物，分布在晶内和晶界，阻碍碳化物聚集长大，提高蠕变强度。V与C的亲和力比Cr和Mo高，否则V的碳化物高温下聚集长大，造成Cr和Mo的固溶强化作用。钢中W的作用和Mo相似，能强化固溶体，提高结晶温度，增加回火稳定性，提高蠕变强度。钢中Nb和Ti都是碳化物形成元素，可以析出细小弥散的金属间化合物，提高钢材的高温强度、抗晶间腐蚀和抗高温氧化能力，并可显著提高蠕变强度，改善钢的焊接性。钢中加入B和稀土元素，可净化晶界，提高晶界强度，组织晶粒长大，提高钢的蠕变强度和高温持久强度等[5][6]。表1.2是15CrMo钢的室温力学性能。

表1.2 15CrMo钢的室温力学性能

力学性能

钢号 热处理状态

取样位置

屈服强度 σ s/MPa

抗拉强度 σ b/ MPa

伸长率 δ 5（%）

冲击吸收功 AKV/J·cm-2 930～960℃正火

15CrMo +680～730℃回火

横向 纵向

240 230

450 450 20

49 1.4.2 15CrMo钢的焊接性分析

珠光体耐热钢的焊接性与低碳调质钢相近，焊接中存在的主要问题是冷裂纹、焊接热影响区的硬化、软化以及焊后热处理或高温长时间使用中的消除应力裂纹（SR裂纹）。如果焊接材料选择不当，焊缝中还有可能产生热裂纹。（1）15CrMo钢的裂纹敏感性分析

碳当量法(Calculation of carbon equivalents)是把钢中包括碳在内的合金元素对淬硬、冷裂和脆化的影响折合成碳的相当含量，用以进行焊接性分析的间接试验方法。碳当量越高，则材料的冷裂敏感性越大，焊接性越差。该试验中所用的15CrMo钢材是由济南钢铁股份有限公司购进，其厚度为10mm，主要化学成分见下表1.3所示：

表1.3 本试验所用15CrMo钢的成分(质量分数)

（%）元素 15CrMo(试板)C 0.14

Si 0.28

Mn 0.51

Cr 0.95

Mo 0.45

S 0.003

P 0.032 1）焊接热裂纹敏感性分析

依据热裂纹敏感性计算公式见公式1.1，有：

SiNi)25100HCS*103（1.1）

3MnCrMoV0.280.94*（0.030.32）25*103 HCS3*0.510.950.45C(SP =2.2≤4 当HCS≤4时，一般不会产生热裂纹。HCS越大的金属材料，其热裂纹敏感性分析越高。该公式适用于一般低合金钢，包括低温钢和珠光体耐热钢。

根据RaileyN.(1977式)经验公式，对于含碳的质量分数为0.08～0.23的钢，其热裂纹敏感性UCS计算公式如下式1.2：

UCS=230C+75P+45Nb-5.4Mn-1

(1.2)

裂纹敏感值为0。15CrMo钢的UCS值为：

UCS=230*0.14+75*0.032-123*0.28-5.4*0.51-1=-6.1<0 有上可以看出，15CrMo钢的热裂纹可能性比较小。2）焊接冷裂纹敏感性分析

① 国际焊接学会（ⅡW）推荐公式如下公式1.3，有： CE=（1.3）

CE=0.140.510.950.450.505 65CMnCrMoVCuNi(%)6515使用国际焊接学会（ⅡW）推荐的碳当量公式时，对于板厚δ<20mm的钢材，当CE<0.4%时，淬硬倾向不大，焊接性良好，焊前不需要预热；CE=0.4%～0.6%时，尤其CE>0.5时，钢材易淬硬，表明焊接性变差，焊接时需预热才能防止裂纹，随板厚增大到预热温度要相应提高。如上计算，本试验试板的CE>0.5%，淬硬倾向大。

② 美国焊接学会提出的公式如式1.4:

MnSiNiCrMoCuP()（1.4）62415541320.510.2800.950.4500.032()0.56 Ceq=0.146241554132 Ceq=C 使用美国焊接学会（AWS）推荐的碳当量公式时，应根据计算出来的某钢种的碳当量再结合焊件的厚度查找相应图表。结合本实验结果，可查得相应结果为：淬硬性大。

③ 日本的JIS和WES推荐计算公式如下式1.5：

MnSiNiCrMoV（1.5）6244054140.510.2800.950.4500.55 Ceq(JIS)= 0.14624405414 Ceq(JIS)=c使用日本工业标准（JIS）推荐的碳当量公式时，当板厚δ<25mm和采用焊条电弧焊时，对于强度级别为500 MPa的钢材，碳当量界限为0.46%，高于此界限，表明淬硬倾向大，而上式计算结果Ceq>0.46%。3）焊接再热裂纹敏感性分析

预测低合金结构钢时，根据合金元素对消除应力裂纹敏感性的影响，可采用消除应力裂纹敏感性指数法进行评定。其中ΔG法公式见如下公式1.6：

ΔG=Cr+3.3Mo+8.1V-2+10C(%)

(1.6)

ΔG=0.95+3.3*0.45+8.1*0-2+10*0.14=1.835 当ΔG≥2时，对消除应力裂纹敏感；1.5≤ΔG＜2时，对产生消除应力裂纹较敏感； ΔG＜1.5时，对消除应力裂纹不敏感[2]。本实验上式计算结果表明，该15CrMo钢试板对消除应力裂纹较敏感。1.4.3 15CrMo钢的裂纹分析（1）热影响区硬化分析

钢的脆硬性能取决于它的碳含量、合金成分及其含量15CrMo钢中的主要合金元素是铬和钼，在焊接过程中，由于热源对热影响区(HAZ)的影响，加之焊后冷却速度较快，热影响区就易产生脆硬的马氏体组织，变得硬脆。这将成为接头的薄弱环节。通过控制冷却速度，可以防止热影响区的硬化，通过焊接前预热和采用小线能量，可降低冷却速度及焊接峰值温度防止马氏体出现及晶粒粗大。（2）冷裂纹分析 1)

冷裂纹的特征

对于15CrMo钢，冷裂纹主要发生在具有缺口效应的焊接热影响区。冷裂纹的断裂行径，有时沿晶界扩展，有时也穿晶。冷裂纹可以在焊后立即出现，也有时要经过一段时间才开始少量出现，随着时间增长逐渐增多和扩展。大量的生产实践和理论研究证明，钢材的淬硬倾向、焊接接头含氢量及其分布以及焊接接头所承受的拘束应力状态是造成冷裂纹的原因。

2)冷裂纹产生机理

① 淬硬倾向

钢的脆硬倾向主要取决于自身的化学成分，其次是结构的厚度、焊接工艺和冷却条件。对于15CrMo钢，因为Ceq>0.5%，在焊接条件下，近缝区的加热温度很高，使奥氏体晶粒发生严重长大，当快速冷却时，粗大的奥氏体将转变为粗大的马氏体。这种马氏体呈片状，而且在片内有平行的孪晶，是一种脆硬的组织，特别是中厚板的焊接，在焊接热循环决定的冷却条件下，形成大量的晶格缺陷，这些缺陷主要是空位和位错在应力和热力不平衡的条件下，空位和位错都会发生移动和聚集，当它们的浓度达到一定的临界值后，就会形成裂纹源。在应力的继续作用下，就会不断地发生扩展而形成宏观的裂纹。② 焊接接头的含氢量

焊接时，焊接材料中的水分、焊件坡口处的铁锈、油污，以及环境湿度等都是焊缝中富氢的原因。焊接时，由于电弧高温作用，将有大量的氢分解原子或者离子状态并大量溶解在熔池中，在随后的冷却和凝固过程中，由于溶解度的急剧降低，氢极力逸出，但因冷却太快，使氢来不及逸出而保留在焊缝金属中，使焊缝中的氢处于过饱和状态，使氢极力扩散，当氢的浓度越高，马氏体更加脆化。

③ 焊接接头的应力

实验研究证明，在焊接条件下主要存在以下几种应力，一是不均匀加热及冷却过程中所产生的热应力在焊接时，焊接区由于受热而发生膨胀，因而承受压应力，冷却时由于收缩承受拉应力，一直到焊后将产生不同程度的残余应力。二是金属相变时产生的组织应力奥氏体分解时会引起体积膨胀，而且转变后的组织都具有较小的膨胀系数，这将减轻焊后收缩时产生的拉伸应力结构自身拘束条件所造成的应力，这种应力包括结构的刚度、焊缝位置、焊接顺序、构件自重、负载情况以及其他受热部位冷却过程中的收缩等均会使焊接接头承受不同的应力。对于本课题所研究的15CrMo钢试板，由于结构尺寸小，而且不存在拘束应力，在焊接生产过程中，试板各个部分虽不均匀受热，但各部分温差较小，焊后产生较小的残余应力，最后形成冷裂纹可能性也较小。

3)冷裂纹的防止措施

由于淬硬组织，钢中的含氢量和应力值是形成冷裂纹的主要因素。为了获得完好的焊接接头，就必须尽量控制这些因素的影响，从而防止冷裂纹的产生。

① 冶金方面

主要有两个方面：一是尽可能选用低氢的焊接方法和焊接材料；二是严格控制氢的来源和用微量合金元素改善焊缝的韧性等，以及采用低匹配的焊接材料。

对于15CrMo钢，普遍采用低氢碱性焊材。因为碱性焊材药皮的主要成分是大理石和萤石。焊接时，从大理石中分解出的CO2和CO在电弧气氛中占主导地位，焊缝金属中含氢量比酸性焊材要低的多。同时在焊前应高温烘干，尽量除去焊材中的水分，并贮存在100～150℃的恒温箱中，在使用时放入保温筒内并随用随取，在保温筒内存放时间不得超过4h，否则要按原烘干温度重新烘干，重复烘干不得超过两次。

仅采用低氢焊材和烘干还不能保证获得低氢的焊缝，还要严格控制氢的来源。因此必须彻底去除焊接坡口表面（带坡口的还有坡口两侧20mm范围内）的油污、水分、铁锈及其他杂物。

② 焊接工艺

对于压力容器、锅炉管道等焊接结构，对焊接线能量的控制是严格的，必须采用合适的线能量。线能量过大，会引起热影响区过热使晶粒粗大，软化区宽度增加，降低接头的抗裂性能，使得焊接结构整体的力学性能下降。线能量过小，由于降低冷却时间t800～500。和t100，使得焊缝热影响区出现淬硬组织，也不利于氢的逸出，焊缝容易产生冷裂纹。

选用适当的焊前预热温度和预热范围。适当的预热温度降低了焊缝冷却速度，可使氢更易从焊缝熔池向大气中扩散，减少焊缝中的扩散氢含量，并且可以降低焊接区的温度梯度和焊缝的冷却速度，减少硬度高马氏体的含量，减小温差应力。预热温度应通过工艺评定来确定。当环境温度低时还应增大预热温度和预热范围。对纵缝应整条焊缝同时预热，不能分段预热。

热处理的主要作用是进一步除氢，继续预热所起的作用，弥补预热的不足，焊后立即施行热处理，使扩散氢有充分的时间逸出，起到了很好的消氢作用，同时还可以降低焊缝中的残余应力，减少冷裂纹产生的机率。另外还可以降低预热温度，有利于生产操作。（3）再热裂纹分析

再热裂纹是焊件在焊接后重新加热(如焊后500～700℃消除应力)处理或者在高温下工作而在焊接热影响区产生的裂纹，一般又称为去应力裂纹。它与再热过程的加热、冷却速度无关。

1）再热裂纹主要特征

① 再热裂纹产生的部位均在近缝区的粗晶粒区中，焊缝、热影响区的细晶区和母材均不产生再热裂纹。裂纹沿熔合线方向在奥氏体粗晶晶界发展，终止于细晶区。裂纹并不一定是连续的，并且具有晶间开裂的特征。

② 焊接再热裂纹的产生必须存在较大的残余应力和应变，并且有不同程度的应力集中，二者必须同时存在如焊缝向母材过渡不平滑、余高过大、有咬边、焊瘤、未焊透、边缘未熔合等都有可能促使再热裂纹的发生。

③ 焊后不会自行发生，只是在焊后消除应力处理及焊后高温使用中产生，并与加热温度与加热时间有密切关系。且存在一个宜于产生再热裂纹的敏感温度范围对于15CrMo钢，产生裂纹的再加热温度范围一般在500～700℃，600℃附近最为敏感。

④ 含有一定沉淀强化元素的金属材料才具有产生再热裂纹的敏感性。2）再热裂纹产生机理

根据高温金相显微镜及扫描电镜的观察，认为再热裂纹是由晶界滑移，导致微裂形成而发生和扩展的，即在焊后热处理过程中，残余应力松弛时，粗晶区应力集中处的某些晶界塑性变形量超过了该处的塑性变形能力，就会产生再热裂纹，即在理论上产生再热裂纹的条件可用下式1.7表达：

e

(1.7)式中

e——局部晶界的实际塑性变形量；

ec——局部晶界的塑性变形能量。

因此，在钢的热处理过程中，当应力集中部位晶界的实际塑性变形量大于该处产生裂纹的临界塑性变形量时，就会形成再热裂纹。实际塑性变形与焊接接头的拘束度、残余应力的大小以及晶粒的大小有关，而晶界杂质的偏析，晶内沉淀强化必然影响到产生裂纹的临界变形值，也就影响到再热裂纹的产生。

3）再热裂纹的影响因素和防止措施

热影响区高位蠕变引起的高温蠕变变形的能力是产生再热裂纹与否的关键。因此，我们从冶金角度（控制钢材合金元素、残余元素或者微量元素）和从力学角度考虑降低残余应力、应力集中，或者从工艺因素出发增大焊接热输入量、提高预热温度、施行后热等出发来提高蠕变塑性变形能力。

① 冶金方面

化学成分是影响再热裂纹产生的主要因素，它不仅影响脆性温度区间的大小以及合金在脆性温度区间的塑性，还影响合金在脆性温度区内的变形增长率。

S、P:在钢中是增大再热裂纹倾向的元素，它使合金的结晶温度区间增大，在钢中易形成多种低熔点共晶，因此焊接中应控制S≤0.03%，P≤0.04% C是影响再热裂纹的主要因素。它本身影响合金结晶温度区间，而且它的存在加剧了S、P的有害作用。

Mn具有脱S作用，形成的FeS和MnS共同作用可改善硫化物的存在形态，使FeS由薄膜片状分布变为球状分布，从而提高了焊缝金属的抗裂性。Si是铁素体化元素，少量的硅可减小结晶裂纹。但当含Si>0.4%时，易形成低熔点的硅酸盐杂质，从而增加了结晶裂纹的倾向。

Cr:对于15CrMo钢，随着Cr的含量增加，裂纹倾向逐渐减少。

Mo能够降低蠕变塑性，增加裂纹。其作用是通过对相变特性的影响及碳化钼的析出而实现的。因此，随着Mo的含量增加，提高了再热裂纹的敏感性，应严格控制Mo的含量。

焊接热影响区粗晶区的晶粒大小对再热裂纹的敏感性有较大的影响。晶粒度越大，裂纹敏感性大；晶粒度越小，晶界所占的面积就大，在其他条件均相同的情况下，晶界所承受的蠕变变形量相对大，产生再热裂纹的倾向也就相应变小。另外，钢中的杂质越多，也会降低晶界开裂所需的应力，再热裂纹也越大。

② 工艺方面

首先要选择塑性和韧性好的焊接材料。消除应力热处理过程中，塑性变形首先发生在焊接接头中残余应力水平高同时强度级别又较低的部位，由于热影响区粗晶区很狭小，不足以抵偿消除应力的变形要求而发生开裂。如果消除应力所要求发生的塑性变形集中到体积比热影响区大得多而塑性又十分良好的焊缝金属中去，则就可以防止再热裂纹的产生。近年来的许多试验表明，适当降低在SR温度区间焊缝的强度，提高它的塑性和韧性，从而可以缓和焊接接头的受力状态，降低再热裂纹的敏感性。其次要选择合理的焊接规范参数。焊接规范参数主要体现在焊接热输入量上，焊接线能量对再热裂纹的影响有两个方面，一是大的线能量可以有利于降低拘束应力，降低粗晶区的硬度，使得晶内的沉淀增多，减弱焊后加热时析出的强化程度，有利于减少再热裂纹的倾向。二是大的焊接线能量可使过热区过热程度大，晶粒更加粗大，晶界结合力更加脆弱，从而增加了再热裂纹的倾向。因此，我们必须从多个方面来分析，要避免焊件快速冷却，以防止产生硬而脆的马氏体和可能出现的裂纹同时也要避免焊件冷却太慢，以防止出现低塑性的热影响区组织。

焊前预热及焊后热处理。为防止再热裂纹的产生，焊前预热降低残余应力、形成对裂纹不敏感的组织等是十分有效的。日本焊接专家认为，预热可以提高热影响区粗晶区的强度。珠光体耐热钢焊前预热，在很大程度上可以防止再热裂纹的产生试验表明，珠光体耐热钢焊后进行150～200℃的后热处理，可以有效地消除焊缝中地扩散氢，从而减少焊缝中残存的空穴，有利于防止再热裂纹的产生。同时焊后热处理可以使得焊缝晶界的有害杂质S、P等进一步弥散，减少因S、P等杂质偏析而导致的再热裂纹。焊后在不太高的温度下进行等温处理，可以产生类似预热的效果，这样还可以降低焊前的预热温度[7][8]。

第五篇：低温钢的焊接

低温钢的焊接

通常把-10~-196℃的温度范围称为“低温”（我国从-40℃算起），低于-196℃时称为“超低温”。低温钢主要是为了适应能源、石油化工等产业部门的需要而迅速发展起来的一种专用钢。低温钢要求在低温工作条件下具有足够的强度、塑性和韧性，同时应具有良好的加工性能，主要用于制造-20~-253℃低温下工作的焊接结构，如贮存和运输各类液化气体的容器等。

低温钢的分类、成分及性能

1.低温锅的分类

（1）按使用温度等级分类 分为-10~-40℃、-50~-90℃、-100~-120℃和-196~-273℃等级的低温钢。

（2）按合金含量和组织分类分为低合金铁素体低温钢、中合金低温钢和高合金奥氏体低温钢。

（3）按有无镍、铬元素分类分为无镍、铬低温钢和含镍、铬低温钢。（4）按热处理方法分类分为非调质低温钢和调质低温钢。2.低温钢的化学成分和组织

（1）低合金低温钢（无Ni低温钢）铝镇静Mn-Si低温钢是先用Mn、Si进行脱氧，再用铝进行强烈脱氧的优质钢种。该钢正火处理或淬火+回火处理可细化晶粒，明显提高其低温韧性，多用于一4O℃以上的结构。

低合金铁素体低温钢是在Si-Mn优质钢基础上，加人少量合金元素（如Nb、V、Ti、Al、Cu、RE等）得到的低温钢组织为铁素体加少量珠光体。其中Mn、Ni以及能促使晶粒细化的微量元素都有利于提高低温韧性。为了保证良好的综合力学性能和

焊接性，一般要求低C和低S、P。这种钢具有高的塑性和韧性，多用于-50℃以上的结构。

（2）中合金低温钢（含Ni低温钢）合金元素总的质量分数为5%~10%，其组织与热处理工艺有关。其中5NI钢、9Ni钢是典型的中合金低温钢。

Ni是发展低温钢的一个重要元素。为了提高钢的低温性能，可加人Ni元素，形成含Ni的铁素体低温钢。在提高Ni的同时，应降低含碳量和严格限制S、P含量及N、H、O的含量，防止产生时效脆性和回火脆性等。这类钢的热处理条件为正火、正火十回火和淬火+回火等。

5Ni钢通过化学成分调整和热处理控制组织，在-162~-196℃的低温下具有良好的低温韧性。若加人质量分数为0.25%的Mo，可增加析出奥氏体的数量并使之稳定化，还可起到细化晶粒的作用。采用淬火、回火和回复退火的热处理方法来控制组织，使5Ni钢具有高的强度、塑性和低温韧性。9Ni钢具有一定的回火脆性敏感性，并随着P含量的增加而显著增大，因此应严格控制9Ni钢中的P含量。9Ni低温钢由于Ni含量较高，具有很高的低温韧性，能用于-196℃的环境，比奥氏体不锈钢有更高的强度，适宜制造贮存液化气的大型容器。

3.低温钢的力学性能

对低温钢的性能要求，首先应满足低温下的力学性能，特别是低温条件下的缺口韧性。这类钢须具备的最重要的性能是抗低温脆化。在一些重要结构上，为了防止意外事故的发生，还要求材料具有抗脆性裂纹扩展的止裂性能，即一旦出现脆性破坏后可以停止继续破坏。安全角度考虑，希望低温钢的屈强比不要太高，因为屈强比是衡量低温缺口敏感性的指标之一。屈强比大，表明塑性变形能力的储备越小，在应力集中部位的应力再分配能力越低，从而易于促使脆性断裂。

对于低碳铝镇静钢，最低使用温度下的V形缺口冲击吸收功（纵向取样）保证值规定为20.5J；对于屈强比较高的低温钢，要提高到34.5J；对屈强比更高的调质钢，希望提高到47J。无论是无Ni或含Ni的低温钢，在冲击韧性上都可以满足规定低温下的使用要求，但是无Ni低温钢的屈强比不如含Ni低温钢的用强比高。

除了面心立方金属外（如奥氏体钢、铝、铜等），所有体心立方或六方晶格的金属均有低温脆化现象。可以通过细化晶粒、合金化和提高纯净度等措施来改善铁素体钢的低温韧性。Mn-Si系钢中各种氮化物细化奥氏体晶粒的效果如图3-39所示。可见，Ti、AL、Nb等有很好的细化晶粒作用。

低温钢的含碳量不高，在常温下具有较好的塑性和韧性，冷或热加工均可采用。铁素体低温钢的加工性能与低碳钢及低合金钢相近；奥氏体低温钢的加工性能与奥氏体不锈钢相近。

对于具有一定时效脆性敏感性和回火脆性敏感性的低温钢，须正确选择加工方法和工艺参数，控制冷卷、冷压及其他冷加工时的变形量，防止变形量过大而造成低温韧性下降。具有一定回火脆性敏感性的钢种，回火后低温韧性明显下降，因此应合理地选择回火温度和回火时间。

低温钢的焊接性分析

1.无Ni低温钢的焊接性特点

不含Ni元素的铁素体低温钢碳的质量分数约为0.06%~0.2%，合金元素总的质量分数≤5%，碳当量为0.27%--0.57 %，焊接性良好。由于碳当量不高，悴硬倾向较小，室温焊接时不易形成冷裂纹；钢中S、P等杂质元素的含量较低，也不易产生热裂纹。这类钢在用铝脱氧时形成了稳定的AIN，阻止了接头区脆化。

铁素体低温钢通过加人细化晶粒的合金元素（Ti、Al、Ni等）以及正火处理提高低温韧性，韧性指标一般能得到保证。这类钢焊接性分析时应注意以下问题：

1）严格控制焊接热输人和层间温度，目的是使接头不受过热的影响，避免热影响区晶粒长大和降低韧性。

2）控制焊后热处理温度，避免产生回火脆性。板厚大于15rnm的低温钢焊接结构，焊后应采用消除应力热处理。含有V、Ti、Nb、Cu、N等元素的钢种，在进行消除应力热处理时，当加热温度处于回火脆性敏感温度区时会析出脆性相，使低温韧性下降。应合理地择焊后热处理工艺，以保证接头的低温韧性。

3）含氮的铁素体低温钢不仅对焊接热循环敏感，而且对焊接应力应变循环也很敏感，接头某些区域会发生热应变脆化，使该区钓塑性和韧性下降。热应变区的温度范围为200~600℃。热应变量越大，脆化程度也越大。采用小的焊接热输人可以减小热影响区的热塑性应变量，有利于减轻热应变脆化程度。

焊接这类钢时，通常板厚小于25mm不需预热，当板厚大于25 mm或焊接接头拘束度较大时，应考虑预热，以防止产生焊接裂纹。预热温度过高会使热影响区晶粒长大，在晶界处可能析出氧化物和碳化物而降低韧性，所以预热温度一般在100~150℃，最高不超过200℃。

2.含Ni低温钢的俘接性特点

含Ni较低的2.5Ni和3.5Ni低温钢，虽然由于Ni的加人提高了钢材的淬透性，但由于含碳量限制得较低，冷裂纹倾向并不严重，薄板焊接时可不预热，厚板焊接时需进行100℃预热。含Ni高的9Ni钢，淬硬性很大，在超过临界点的焊接热影响区得到的是淬火组织。但由于含碳最很低，并采用了奥氏体焊接材料，因此冷裂纹倾向并不大。

对9Ni钢进行焊接性分析时应注意以下几个问题：

1）正确选择焊接材料。9Ni钢具有较大的线膨胀系数，在选择焊接材料时，必须使焊缝与母材的线膨胀系数大致相近，以防止因线膨胀系数差异太大而引起焊接裂纹。

2）避免磁偏吹现象。9Ni钢是一种强磁性材料，采用直流电源时易产生磁偏吹现象，影响焊接质量。一般做法是焊前避免接触磁场，选用适于交流电源焊接的焊条（如镍基合金焊条）。

3）严格控制焊接热输人和层间温度，避免焊前预热。这样可避免接头过热和晶粒长大，保证接头的低温韧性。

焊接厚度5Omm以下的9Ni钢时不需要预热。由于Ni能提高钢材的热裂纹倾向，因此

焊接这类含Ni钢时要注意液化裂纹的何题。在低温钢中由于含碳量和杂质S、P的含量控制得都很严格，所以液化裂纹在这类钢中不很明显。但仍须严格控制钢的化学成分，尤其是S、P含量，否则可能出现焊接热裂纹。含Ni钢中的另一个问题是回火脆性，为此要注意这类钢焊后回火时的温度和冷却速度的控制。

9Ni钢是典型的低碳马氏体低温钢，含有较多的镍，具有一定的淬硬性。焊前应进行正火+高温回火或900℃水淬+ 570℃回火处理，其组织为低碳板条马氏体。这种钢具有较高的低温韧性，其焊接性能优于一般低合金高强钢。板厚小于50mm的焊接结构可以不预热，焊后可不进行消除应力热处理口

对这类易淬火的低温钢通常采用控制层间温度及焊后缓冷等工艺措施，可降低冷却速度，避免淬硬组织。采用较小的焊接热输入，使热影响区的晶粒不至于过分长大，达到防止冷裂纹及改善热影响区韧性的目的。

低温钢的焊接工艺特点

低温钢焊接时，除了要防止出现裂纹外，关键是要保证焊缝和热影响区的低温韧性，这是制定低温钢焊接工艺的一个根本出发点。解决热影响区韧性主要是通过控制焊接热输入，而焊缝韧性除了与热输人有关外，还取决于焊缝成分的选择。由于焊缝金属是铸态组织，性能低于同样成分的母材，故焊缝成分不能与母材完全相同。由于对低温条件的要求不同。应针对不同类型低温钢选择不同的焊接材料和不同的焊接热输人。

焊接铝镇静钢时，可选择成分与母材相似的低碳钢和C-Mn钢焊条，焊缝性能在-30℃时具有足够的冲击韧性。低Ni钢焊接时，所用焊条的Ni含量应与母材相同或高于母材，但并非Ni含量高的焊缝韧性一定好。为了改善3.5Ni钢焊缝的韧性，除了降低C含量和S、P等含量外，应对焊缝中的Si和Mn含量加以限制。因为Si、Mn高时会形成明显的条状组织，韧性差。

但是，Si、Mn含量太低，会导致焊缝含氧量增加。另外，在3.5Ni焊丝中添加微量Ti可细化晶拉.改善焊缝的低温韧性。当焊缝Ni含量增加时，回火脆性也会增加，加人少量Mo有利于减小回火脆性。

9Ni钢具有优良的低温韧性，但用与9Ni钢相似的铁素体焊材时所得焊缝的韧性很差。这除了与铸态焊缝组织有关外，主要与焊缝中的含氧量有很大关系。与9Ni钢同质的l lNi铁素体焊材，只有在钨极氛弧焊时才能获得良好的低温韧性。因为此时能使焊缝金属中氧的质量分数降低到与母材相同的0.005%以下。采用奥氏体焊接材料时，热裂纹倾向随着焊缝中的Ni含星提高而增加。热裂纹主要产生在焊缝的起始部和弧坑处。一般情况下弧坑裂纹很难避免。尤其是在多层焊的根部焊缝和前几道焊缝中。因此，应采取一些工艺措施来防止弧坑裂纹，如收弧时要注意填满弧坑等。焊接9Ni钢时，为了保证接头的低温韧性，应将热输人控制在10~35kJ/cm。

焊接坡口及坡口两侧10~20mrn范围的水、油、锈、氧化皮等须清理干净。装配好的工件应及时焊接。焊接环境温度不得低于允许的最低施焊温度，通常不得在小于-5℃或-10℃温度下施焊。雨天或天气十分潮湿（相对湿度在90%以上），遇有强风或风速在10mls以上时，不得在现场施焊，除非采取适当的防护措施，如升温、防潮、防风等。

低温钢焊接时，焊条电弧焊和氢弧焊的应用较广，埋弧焊的应用受到限制，一般不采用气焊和电渣焊。为使焊接接头具有良好的低温韧性，焊接热描人不能过大。通常采用快速多道焊，并通过多层焊的再热作用细化晶粒。

1.低温钢的焊条电弧焊

(1)焊条的选用 根据低温焊接结构的工作条件，所选焊条应使焊缝达到不低于母材经过焊接后的最低韧性水平。承受交变载荷或冲击载荷的结构，焊缝金属应具有较好的抗疲劳断裂性能、良好的塑性和抗冲击性能。接触腐蚀介质的结构，应使焊缝金属的化学成分与母材大致相同，或用能保证焊缝及熔合区的抗腐蚀性能不低于母材的焊条。

几种常用低温钢焊接材料的选用见表3-40。

（2）焊接工艺要点 16MnDR钢是制造-40℃低温设备用的细晶粒钢。09Mn2VDR也属细晶粒钢，正火状态下使用，主要用于制造一7D℃的低温设备，如冷冻设备、液化气贮罐、石油化工低温设备等。06MnNbDR是具有较高强度的-90℃用细晶粒低温钢

低温钢焊接要求采用较小的焊接热输人，选用的焊条直径一般不大于4mm对于开坡口的对接焊缝、丁字焊缝和角接焊缝，为获得良好的熔透和背面成形，封底焊时应选用小直径焊条，一般不超过3.2.mm。尽量用较小的焊接电流，以减小焊接热输人，保证接头有足够的低温韧性。低温钢焊条电弧焊平焊时的焊接参数见表3-41。横焊、立焊和仰焊时使用的焊接电流应比平焊时小10%。应采用多层多道焊，每一焊道焊接时采用快速不摆动的操作方法。

应在坡口内擦划引弧，不允许工件表面有电弧擦伤。避免采用慢速大幅度摆动的操作方法，通常采用快速直线焊。在横焊、立焊和仰焊时，为保证获得良好的焊缝成形并与母材充分熔合，可作必要的摆动，可采用“之”字形运条方法，但应控制坡口两侧停留的时间。收弧时要将熔池填满，避免产生较深的弧坑。

2.低温钢的埋弧焊

（1）焊材（焊丝和焊剂）的选择 所用焊丝应严格控制含C量，P、S含量应尽量低。常选用烧结焊剂配合Mn-Mo或含Ni焊丝。由于碱性焊剂所得焊缝的含氧量低，可得到高韧性的焊缝，以保证焊缝金属的低温韧性。

低温钢焊接时也可采用中性熔炼焊剂配合含Mo的C-Mn焊丝或采用碱性熔炼焊剂配合含Ni焊丝。表3-42给出了常用低温钢埋弧焊时焊剂与焊丝的组合。

对于2.5Ni钢、3.5Ni钢选用，Ni2.5%焊丝和Ni3.5%焊丝。9Ni钢一般选用镍基焊丝。低温钢用埋弧焊焊剂常采用碱性焊剂或中性焊剂，以使焊缝金属具有良好的低温韧性。（2）焊接工艺 埋弧焊的热量输人比焊条电弧焊大，故焊缝及热影响区的组织也比焊条电弧焊的粗大。为了保证焊接接头的韧性，一般采用直流焊接电源（焊丝接正极）。对于-40~-105℃低温钢，应将焊接热输人控制在20~25kJ/cm以下；对于-196℃低碳9Ni钢，应将焊接热输人控制在35~40kJ/cm以下。

焊接低温用的低合金高强钢时，在保证焊缝具有足够的低温韧性的前提下，还要考虑到与母材相匹配的强度要求。用于焊接这类钢的材料中除了含有质量分数为1%~3%的Ni外，还含有0.2%~0.5%的Mo，有时还含有少量的Cr。

由于受焊接热输人的限制，低温钢焊接中一般不采用单面焊双面成形技术，通常采用加衬垫的单面焊技术。对接接头坡口为单面V形或U形坡口。先用焊条电弧焊或TIG焊封底，然后再用埋弧焊焊接。第一层封底焊时，若出现裂纹必须铲除重焊。为减小焊接热输入，通常采用细丝多层多道焊接，而且应严格控制层间温度，不可过热。

3.低温钢的氩弧焊

（1）钨极氢弧焊（TIG）低温钢TIG焊可填充焊丝，也可不填充焊丝。一般采用直流正接法，主要用于焊接薄板和管子，以及进行封底焊接。低温钢TIG焊的喷嘴直径为8 ~20mm；钨极伸出长度为3~10mm；喷嘴与工件间的距离为5~12mm。焊接电流根据工件厚度及对热输入的要求而定。若电流过大，易产生烧穿和咬边等缺陷，并且使接头过热而降低低温韧性。焊接电压如增大较多，易形成未焊透，并影响气体保护效果。

手工TIG焊时，应保持焊接速度均匀。焊速过快，易造成未焊透，焊接过程不稳定；焊速过慢，易形成气孔并使焊接接头过热，降低接头区低温韧性。应在保证熔透、具有一定熔深且不影响气体保护效果的前提下，尽量采用较快的焊接速度。保证接头的韧性不降低。MIG和TIG焊时，要选用质量分数为1.5%~2.5%的含Ni焊丝。

氢弧焊常用的保护气体是纯氩气，还有Ar + He、Ar + O2、Ar + CO2等混合气体。对于C-Mn钢，可选用Ni-Mo焊丝，3.5Ni钢可选用4NiNMo焊丝。9Ni钢可选用镍基焊丝。例如，9Ni钢贮罐板的立焊，仰焊，多采用自动TIG焊，而且是单面焊，背面不再清根。

自动TIG焊立焊的焊接参数为：焊丝φI.2mm，焊接电流200~250A，焊接电压11~13V，焊接速度3~5cm/min，氩气流量20~30L/min。单面焊时，焊接电流200~240A，焊接电压11~13V，焊接速度4.3~5cm/min，氩气流量20~30L/min，焊接热输人26~30kJ/cm。

（2）熔化极氢弧焊（MIG）应控制焊接热输人不宜太大。MIG焊对熔池的保护效果要求较高，保护不良时焊缝表面易氧化，故喷嘴直径及氢气流量比TIG焊大。常用的喷嘴直径为22~30mm，氩气流量为30~60L/min。若熔池较大而焊接速度又很快时，可采用附加喷嘴装置，或用双层气流保护，也可采用椭圆喷嘴。

根据焊接热循环对母材的敏感程度、熔滴过渡形式决定焊接电流和焊接电压的大小，同时应考虑工件厚度、坡口形式、焊接位置等。为获得优良的低温钢焊接接头，要合理地控制焊接热输人，焊丝直径一般在3mm以下。

MIG焊时要选择适当的焊接参数，以获得所需要的熔滴过渡形式（多采用射流过波），使焊缝成形良好、熔深合适。在各种不同位置进行多层多道焊时，应注意各层焊道的合理布置和焊接顺序，根部焊道的焊接参数不同于中间焊道和盖面层焊道。为保证根部焊道的质量，可采用控制焊炬与工件夹角及摆动焊炬的方法进行焊接。