中碳钢的焊接.pptx

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1、 中碳调质钢中碳和其他合金元素的含量都较高，通过调质处理获得较高的强度。其中加入合金元素的作用是保证淬透性和提高抗回火性，而其强度主要还是取决于含碳量。但随含碳量的增加，钢的焊接性明显变差，因此焊接工艺复杂，只有在退火状态下焊接，焊后必须经过调质处理才能达到使用要求的接头性能。第五节 中碳调质钢的焊接 第1页/共32页一、中碳调质钢的钢种、成分和性能含碳量 (c=0.25%0.45%)；屈服强度：880MPa1176MPa合金元素 Mn、Si、Cr、Ni、B及Mo、W、V、Ti等（保证钢的淬透性和消除回火脆性）热处理状态 淬火回火组织 S回、M回，M为片状主要特点 高的比强度和高硬度，淬硬性比

2、低碳调质钢高得多，淬火后得到马氏体组织，再经回火得到的是片状马氏体，属于硬脆组织，因此钢的韧性较低，焊接性较差，焊接工艺复杂，焊后必须通过调质处理才能保证接头的性能。用途：火箭发动机、飞机起落架、坦克装甲钢、高负荷机器零件等。第2页/共32页中碳调质钢的纯度对焊接性的影响特别重要。一般钢中S、P不大于0.04%即可，但在这些钢中甚至降到0.02%时还会有裂纹敏感性。S增加热裂纹敏感性，P降低塑性和韧性，提高冷裂敏感性。当钢材热处理到很高强度水平时(例如作为火箭发动机外壳，强度1380MPa)，规定S、P的极限低于0.015%。为了达到高纯度的要求，基体金属和填充金属均需采用真空熔炼办法。常用的

3、中碳调质钢的化学成分和力学性能见表8-20和表8-21。一、中碳调质钢的钢种、成分和性能第3页/共32页钢号CMnSiCrNiMoVSP30CrMnSiA0.280.350.81.10.91.20.81.10.300.0300.03530CrMnSiNi2A0.270.341.01.30.91.20.91.21.41.80.0250.02540CrMnSiMoVA0.370.420.81.21.21.61.21.5 0.250.450.600.070.120.0300.03535CrMoA0.300.400.40.70.170.350.91.30.20.30.0300.03535CrMoVA0

4、.300.380.40.70.20.41.01.30.20.30.10.20.0300.03534CrNi3MoA0.30.40.50.80.270.370.71.12.753.250.250.40.0300.03040CrNiMoA0.360.440.50.80.170.370.60.91.251.750.150.250.0300.03030Cr3SiNiMoVA0.320.70 0.963.10 0.910.70 0.110.0030.019(美)43400.380.400.60.80.20.350.70.91.622.000.20.30.0250.025(美)H-110.30.40.20

5、.40.81.24.755.51.251.750.30.50.010.01表8-20 中碳调质钢的化学成分(质量分数)第4页/共32页表8-21 中碳调质钢的力学性能钢号热处理规范屈服强度s/MPa抗拉强度b/MPa伸长率5(%)断面收缩率(%)冲击功Akv/J硬度HBW30CrMnSiA870890油淬510550回火8331078104049346363870890油淬200260回火156852544430CrMnSiNi2A890910油淬200300回火137215689455944440Cr850油淬520回火7859809454720740CrMnSiMoVA890970油淬25

6、0270回火，空冷18628354952HRC35CrMoA880900油淬560580回火490657153549197241第5页/共32页35CrMoVA880900油淬640660回火68681413353925530234CrNi3MoA850870油淬580670回火83393112353928534140CrNiMoA840860油淬550650水冷或空冷83398012557826930Cr3SiNiMoVA910油淬280回火16669(美)4340870油淬425回火13051480145025435(美)H-119801040空淬540回火480回火17252070钢号热

7、处理规范屈服强度s/MPa抗拉强度b/MPa伸长率5(%)断面收缩率(%)冲击功Akv/J硬度HBW表8-21 中碳调质钢的力学性能第6页/共32页 一种 广泛使用的含Cr中碳调质钢，Cr1%时对钢的塑性、韧性略有提高；Cr1.5%时能有效提高钢的淬透性；超过2%时对塑性影响不大，但略使冲击韧性下降。Cr能增加低温或高温回火稳定性，但Cr钢有回火脆性。40Cr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零件，如用于制造齿轮和轴类等。一、中碳调质钢的钢种、成分和性能中碳调质钢的合金系统可以归纳为以下几种类型：1.40Cr 第7页/共32页Cr-Mo

8、钢是在Cr钢的基础上加入了一定量的Mo，如35CrMoA和35CrMoVA。Cr钢加入少量Mo(Mo=0.15%0.25%)，可以消除Cr钢的回火脆性，提高淬透性，使钢具有较好的强度与韧性匹配，提高高温强度。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。这类钢含碳量较高，淬透性较大，焊接性较差，一般要求焊前预热和焊后热处理等。一、中碳调质钢的钢种、成分和性能2.Cr-Mo系一般在动力设备中用于制造承受载荷较高，截面较大的重要零部件（汽轮机叶轮、主轴和发电子转子等）。第8页/共32页一、中碳调质钢的钢种、成分和性能30CrMnSiA、40CrMnSiMoVA以及在该基础上发展起来的含

9、Ni钢(30CrMnSiNi2A)都属于Cr-Mn-Si钢系统，是应用最广泛的一类中碳调质钢，这类钢的显著特点是强度很高，焊接性差。因Cr-Mn-Si钢具有回火脆性，因此回火时必须避开发生第一类回火脆性的温度范围(300400)，同时在高温回火时必须快冷，以防止出现第二类回火脆性。这类钢除了在调质状态下应用外，有时在损失一定韧性的情况下，为提高强度，减轻结构重量，采用200250的低温回火，以便得到具有很高强度(b=1700MPa)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、韧性得到良好的配置。这种钢在飞机制造中用得较为普遍。3Cr-Mn-

10、Si钢第9页/共32页一、中碳调质钢的钢种、成分和性能30CrMnSiA是一种典型的Cr-Mn-Si系统的中碳调质钢，其中不含贵重的Ni，价格低廉，因此在我国得到广泛应用。在退火状态下，它的组织是铁素体+珠光体，调质状态下的组织为回火索氏体。30CrMoSiNi2A是在Cr-Mo-Si的基础上加入一定的镍，大大提高了淬透性，调质后强度比30CrMnSiA有明显提高，并保持了较高的韧性。但它的焊接性较差，冷裂纹敏感性较高。40CrMnSiMoVA为一种新型的低铬无镍中碳调质钢，由于碳的增加，且不含镍，焊接性更差，可用来代替30CrMnSiNi2A制造飞机上的一些构件。第10页/共32页40CrN

11、iMoA、34CrNiMoA都属Cr-Ni-Mo系。由于加入了3%的Ni和Mo，显著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，使钢具有强度高、韧性好、淬透性大等好的综合性能。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、喷气涡轮机及喷气式客机的起落架和火箭发动机外壳等。一、中碳调质钢的钢种、成分和性能4.Cr-Ni-Mo钢第11页/共32页中碳调质钢含碳量较高，结晶温度区间宽，容易出现偏析，所以这类钢对结晶裂纹比较敏感，焊接时容易在弧坑和焊缝中凹下的部位开裂。二、中碳调质钢的焊接性分析1.焊缝中的结晶裂纹材料：在选择焊接材料时，应尽量选用含碳量低的，含S、P杂质少

12、的填充材料。采用低碳低硅焊丝H18CrMoA(焊丝中碳在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(s+p0.030%0.035%)。对于重要产品的钢材(如含碳量更高的4340钢)和焊丝，要求采用真空熔炼或电渣精炼，将S和P总含量控制在0.025%以下。工艺：在焊接工艺上应注意保证填满弧坑和良好的焊接成形。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的弧坑中以及焊缝的凹陷部位。选用焊接参数时要注意降低熔合比。结晶裂纹的预防 第12页/共32页二、中碳调质钢的焊接性分析中碳调质钢的含碳量较高（屈服强度在590980Mpa的低、中碳调质钢的碳当量(Ceq

13、)一般都超过了0.5%，多数都超过了0.6%），加入的合金元素也较多，淬硬倾向大，易形成硬脆组织（粗大马氏体）；M主要是高碳M，粗大而硬脆，冷裂敏感性大；随wC的增加，在500以下的温度区间过冷奥氏体具有更大的稳定性(图2-17a、b)，Ms点较低，在低温下形成的马氏体难于产生“自回火”效应，冷裂倾向大；2.冷裂纹 中碳调质钢的淬硬倾向十分明显，冷裂倾向较为严重。原因？尽量降低焊接接头中的扩散氢；采取预热措施，焊后须及时进行回火处理？消除应力退火？预防第13页/共32页 图2-17(a)30CrMnSi和(b)40CrNiMo钢的等温转变曲线12T/t/sT/t/s(a)(b)二、中碳调质钢的

14、焊接性分析第14页/共32页二、中碳调质钢的焊接性分析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线能量，避免焊件表面的焊接缺陷和划伤。2.冷裂纹第15页/共32页热影响区脆化 c=0.25%0.45%，中碳调质钢的含碳量高，合金元素较多，有相当大的淬硬倾向，马氏体转变温度低(400)，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(尤其是高碳马氏体)，导致热影响区脆化。冷速越大，生成的高碳马氏体越多，脆化越严重。常用中碳调质钢模拟热影响区的连续冷却组织转

15、变的特征参数见表2-26。从这些图表可以看出，马氏体起始转变温度Ms点一般低于400，马氏体的硬度500HV，这样高硬度的马氏体组织必然导致较低的韧性。二、中碳调质钢的焊接性分析3.焊接热影响区性能的变化脆化软化第16页/共32页表2-26 常用中碳调质钢热影响区的组织转变的特征参数钢号Ms/Mf/tb/stm/stf/stp/s最高硬度HV30CrMo37022084524046060040CrMnMo320140953001800230067540CrNi2Mo30012014032020002800800减少热影响区脆化的措施 防止热影响区脆化的工艺措施主要是采用小线能量、同时采取预热、

16、缓冷和后热等措施。为何不采用大线能量输入：（1）采用大线量输入，有利于减缓冷却速度，有利；（2）仅采用大能量输入，难以避免马氏体的形成，相反增大了奥氏体的过热，促使形成粗大的马氏体，反而脆化更严重。二、中碳调质钢的焊接性分析采用小线能量减小了高温停留时间，避免奥氏体晶粒过热，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。第17页/共32页 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，该软化区可能成为降低接头区强度的薄弱区。在调质状态下焊接时应考虑热影响区的软化问题。中碳调质钢

17、热影响区软化最明显的部位，是温度处于Ac1Ac3之间的区段，这与该区段的不完全淬火过程有密切关系。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。图2-18是30CrMnSi调质钢焊接热影响区的强度分布，其中在Ac1附近失强最大。若在退火状态下焊接，焊后调质处理，不必考虑此问题。热影响区软化二、中碳调质钢的焊接性分析第18页/共32页图2-18 调质状态的30CrMnSi钢焊接接头区的强度分布b/MPa（a）焊条电弧焊b/MPab)气焊2.2.4.2 中碳调质钢的焊接性分析第19页/共32页影响因素母材焊前所

18、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。热影响区软化程度和软化区的宽度与焊前硬度、焊接线能量、焊接方法等有很大关系。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，软化问题越突出。焊接线能量越小，加热和冷却速度越快，软化程度越小，软化区的宽度越窄。但同时要注意过热区的脆化和冷裂问题。30CrMnSi采用气焊时，软化区的抗拉强度降为590685MPa，而采用焊条电弧焊时软化区强度为8801030MPa；气焊时的软化区比电弧焊时要宽得多。因此，焊接热源越集中，对减少软化越有利。二、中碳调质钢的焊接性分析第20页/共32页三、中碳调质钢的焊接工艺要点从韧性

19、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。母材焊前状态决定了焊接时出现的问题性质和应采取的工艺措施。中碳调质钢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。这类钢一般是在退火状态下进行焊接，焊后通过整体调质处理才能获得性能满足要求的均匀的焊接接头。但有时必须在调质后进行焊接，这时热影响区性能的恶化是很难解决的。第21页/共32页1 1、在退火态下焊接，焊后整体结构进行淬火、在退火态下焊接，焊后整体结构进行淬火+回火处理回火处理 原则：工艺参数防止裂纹原则：工艺参数防止裂纹 ，接头性能

20、则由焊接材料与焊后热处理来保证，接头性能则由焊接材料与焊后热处理来保证 A、焊接方法：由于不强调线能量对接头性能的影响，基本上不受限制。焊条电弧焊、埋弧焊、TIG和MIG、等离子弧焊等都能采用。采用热量集中的脉冲氩弧焊、等离子弧焊及电子束焊等，有利于减小热影响区宽度，获得细晶组织，提高接头力学性能。薄板焊接多采用气体保护焊、钨极氩弧焊和微束等离子弧焊等方法。B、焊接材料：为保证焊缝与母材在相同的热处理条件下获得相同的性能，应保证熔敷金属的成分与母材基本相同。同时，为了防止焊缝产生裂纹，还应对杂质和促进金属脆化元素(如S、P、C、Si等)限制更加严格，如采用低碳焊丝，焊丝中的碳的质量分数应控制在

21、0.15%以内，最高不超过0.25%，并且控制硫、磷的质量分数应小于0.03%0.035%。中碳调质钢焊接材料选用见表2-28。三、中碳调质钢的焊接工艺要点第22页/共32页J857CrJ907CrJ107CrE8515-G E9015-GE10015-G40CrH20Cr3MoNiAArJ857CrE8515-G E10015-G34CrNi3MoAH20CrMoAArJ857CrJ107CrE8515-G E10015-G35CrMoVAHJ260H20CrMoAH20CrMoAArJ107CrE10015-G35CrMoAHJ350HJ260H18CrMoAH18CrMoAArHT-3(

22、H08CrMoA焊芯)30CrMnSiNi2AH18CrMoAArHJ431HJ431HJ260H20CrMoA H18CrMoAH08Mn2SiMoAH08Mn2SiACO2J857CrJ107CrHT-1(H08CrMoA焊芯)HT-3(H08A焊芯)HT-3(H08CrMoA焊芯)E8515-G E10015-G30CrMnSiA焊剂焊丝焊丝保护气体焊条牌号焊条型号埋弧焊气体保护焊焊条电弧焊钢号表2-28 中碳调质钢焊接材料的选用第23页/共32页 C、不顾虑回火区的软化，可以采用较大的线能量+适当高温预热，从而防止冷裂。般预热温度及层间温度可控制在200-350之间。表2-29为常用中

23、碳调质钢焊接的预热温度。三、中碳调质钢的焊接工艺要点钢号预热温度/说明30CrMnSiA200300薄板可不预热40Cr20030030CrMnSiNi2A300350预热温度应一直保持到焊后热处理表2-29 常用中碳调质钢焊接的预热温度第24页/共32页 D、为了防止延迟裂纹，焊后应及时进行热处理。常见中碳调质钢的焊后热处理见表2-30。若及时进行调质处理有因难，可进行中间退火或在高于预热的温度下保温一段时间（如低温回火或650680高温回火）。作用：排除扩散氢并软化热影响区组织；消除应力的作用。E、对结构复杂、焊缝较多的产品，为防止由于焊接时间过长而在中间发生裂纹，可在焊完一定数量的焊缝后

24、，进行一次中间退火。F、在焊后回火时，注意回火脆性。三、中碳调质钢的焊接工艺要点表2-30 常用中碳调质钢的焊后热处理参数钢号焊后热处理/说明30CrMnSiA淬火+回火：480700使焊缝金属组织均匀化、焊接接头获得最佳性能30CrMnSiNi2A淬火+回火：20030030CrMnSiA回火：500700消除焊接应力，以便于冷加工30CrMnSiNi2A第25页/共32页三、中碳调质钢的焊接工艺要点2 2、钢在调质态下焊接、钢在调质态下焊接 主要问题：防止焊接裂纹和避免热影响区软化；热影响区高碳马氏体引起的硬化和脆化，以及高温回火引起的强度降低。硬化和脆化可以采用焊后高温回火解决；但高温回

25、火引起强度的下降，焊后不能调质处理则无法弥补。工艺要点：A、消除HAZ的淬硬组织和防止延迟裂纹的产生：预热、层温控制、中间热处理和焊后及时回火处理：预热温度、层间温度及焊后回火温度均应低于焊前回火温度50以上 B、减少HAZ的软化：焊接方法：采用热量集中、能量密度高的焊接热源，在保证焊透的条件下尽量用小线能量，以减小热影响区的软化。选用氩弧焊或等离子弧焊、电子束焊效果较好；C、因焊后不再进行调质处理，焊接材料成分可与母材有较大差别。为了防止冷裂纹，可以用奥氏体不锈钢焊条或镍基焊条,此时工艺注意异种钢焊。例如，焊接调质状态下的30CrMnSiA，可采用镍基焊条HT-4，焊后进行250、2h或更长

26、时间的低温回火处理。第26页/共32页常用的中碳调质钢的焊接参数见表2-27。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(200350)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。三、中碳调质钢的焊接工艺要点第27页/共32页焊接方法钢号板材厚度/mm焊丝或焊条直径/mm工艺参数说明焊接电压/V焊接电流/A焊接速度/m.h-1焊剂或保护气流量/L.min-1焊条电弧焊30CrMnSiA43.220259011030CrMnSiNi2A103.22132130140预热350，焊后680回火4.0200220埋弧焊30CrMnSiA82

27、.5213829040027HJ431焊接3层30CrMnSiNi2A263.03035280450HJ350焊接13层4.0CO2气体保护焊30CrMnSiA20.817197585CO278短路过渡485110CO21014钨极氩弧焊45CrNiMoV41.69121002006.75Ar1020预热260，焊后650回火2312142503004.5Ar14;He 5预热300，焊后670回火表2-27 常用中碳调质钢的焊接参数 第28页/共32页例：30CrMnSiA钢的焊接 典型中碳调质钢，属于Cr-Mn-Si系统，不含贵重的Ni元素，在我国得到了较为广泛的应用。退火状态组织：F+P

28、调质状态组织：回火索氏体低温回火组织：回火马氏体第一类回火脆性：300450第二类回火脆性：450600第29页/共32页钢号预热温度/说明30CrMnSiA200300薄板可不预热H18CrMoAArHJ431HJ431HJ260H20CrMoA H18CrMoAH08Mn2SiMoAH08Mn2SiACO2J857CrJ107CrHT-1(H08CrMoA焊芯)HT-3(H08A焊芯)HT-3(H08CrMoA焊芯)E8515-G E10015-G30CrMnSiA焊剂焊丝焊丝保护气体焊条牌号焊条型号埋弧焊气体保护焊焊条电弧焊钢号30CrMnSiA钢的焊接工艺3.2U=20-25VI=90-110A0.8,Q=10-14l/minU=17-19VI=85-110AV=150-180m/h2.5U=21-38VI=290-400A V=27m/h钢号焊后热处理/说明30CrMnSiA淬火+回火：480700使焊缝金属组织均匀化、焊接接头获得最佳性能第30页/共32页第31页/共32页谢谢您的观看！第32页/共32页