熱軋正火鋼的焊接一、熱軋正火鋼典型鋼種成分及性能熱扎鋼:J294?343Mpa成分：含C量較低的C-Mn,Mn-Si系列，通過固溶強化獲得高強度、或在特殊狀態下以V、Nb代替部分Mn，以達到細化晶粒和沉淀強化的作用典型鋼種：16Mn組織：細晶鐵素體+珠光體特例：15MnV V細化晶粒和沉淀強化正火鋼：固溶強化基礎上，通過細化晶粒和沉淀強化提高強度保證韌性的低合金高強鋼0s343?490Mpa成分：C-Mn,Mn-Si系列基礎上加入一些碳化物和氮化物的形成元素V、Nb、Ti、Mo等正火的目的：使合金元素以細小的化合物質點從固溶體中充分析出，并同時細化晶粒，提高強度的同時改善塑性、韌性、達到最佳的綜合性能分類：1） 正火狀態下使用的鋼除15MnTi外，一般加入V、Nb。此外15MnVN、美國的737C、德國的FG39加入N形成Mn-V-N系列鋼2） 正火+回火狀態下使用的含Mo鋼成分：Mn-Mo系例如：A302BMn-1/2Mo含Mo鋼在較高的正火溫度和較大的冷卻速度下得到的組織是上貝氏體和少量的鐵素體為改善低溫韌性形成Mn-Ni-Mo系18MnMoNbMn-Mo系基礎上加Nb熱扎正火鋼的發展：微合金控軋鋼是熱扎及正火鋼中的一個重要分支。它采用了微合金化（加入微量Nb、V、Ti等）和控制軋制等新技術來達到細化晶粒和沉淀強化相結合的效果，同時從冶煉工藝上采取了降C、降S、改變夾雜物形態、提高鋼的純凈度等措施，使鋼具有均勻的細晶粒鐵素體基體。因此這類鋼在軋制狀態下就具有相當于或優于正火鋼的質量。焊接無裂紋鋼實質是含碳量很低的微合金化正火鋼。Z向鋼是在某一等級結構鋼（稱為母級鋼）的基礎上經過特殊冶煉、鎮靜處理和適當熱處理的鋼材，是343正火鋼。由于在冶煉中采用鈣或稀土處理以及真空除氣等特殊措施，Z向鋼具有低S、低氣體含量和高的Z向（即厚度方向）斷面收縮率等特點。二、熱扎正火鋼的焊接性分析（一） 焊縫中的熱裂紋數舄老構射錢毘鈦矜it數舄老構射錢毘鈦矜it辛見盛製蠻雯生沖恭憧&應蠱裂歧I 按齢晡區婕晁罐此*1） 具有較好的抗熱裂性能。2） 但當材料成分不合格，或因嚴重偏析使局部碳、硫含量偏高時Mn/S比就可能低于要求而出現熱裂紋。3） 硫對形成熱裂紋起直接作用，鋼中的C、Si、Ni促進有害作用，Mn抵消有害作用。經驗：1） 含C量0.12%Mn/S不應低于102） 含C量0.16%Mn/S應大于40典型鋼種：16Mn成分：C0.12?0.2%S0.05%Mn1.2?1.6%Mn/S32問：是否可能產生熱裂紋？解決辦法：1）從焊接材料上（選用含碳低含錳高的焊接材料）例：可用低碳鋼焊絲H03MnTi含C量0.03%Mn〈1.5%Ti微量焊劑SiO230.28%MnO33.43%2）從工藝上設法減少熔合比來調整焊縫成分以減少由母材進入焊縫的C量，焊速不宜過大，避免形成雨滴狀熔池。可以減少中心裂紋。采用引弧板和熄弧板，將質量差和容易產生熱裂紋的起焊點及弧坑引到正式焊縫之外，從而減少焊縫中的裂紋。降低焊接接頭的剛性拘束條件，選擇合理的焊接順序，以減少焊接應力。（二）冷裂紋1、淬硬傾向與冷裂傾向的關系1）熱軋鋼含c量不高，但含有少量的合金元素，這類鋼的淬硬傾向比低碳鋼的淬硬傾向大，并且隨著鋼材強度級別的提高淬硬傾向逐漸增大。以16Mn和低碳鋼為例分析淬硬傾向與冷裂傾向的關系。16Mn鋼在快速冷卻時（厚板手工電弧焊時的冷卻速度）鐵素體析出后，剩余的富碳奧氏體來不及轉變為珠光體而轉變成高碳馬氏體和貝氏體。從16Mn和低碳鋼的CCT曲線估計，焊接16Mn時會出現少量鐵素體、貝氏體和大量馬氏體；焊接低碳鋼時會出現大量鐵素體，少量珠光體和貝氏體，更少量的馬氏體。2）正火鋼的強度級別較高，合金元素含量較多，高溫轉變區較穩定，焊接冷卻下來很易得到貝氏體和馬氏體。因此，其冷裂紋傾向隨著強度級別的提高而增大。例：比較15MnVN和18MnMoNb15MnVN冷速慢F+P、中F+B、快M18MnMoNb冷速慢F+B、中B、快M2、 碳當量與冷裂紋傾向的關系冷裂傾向一淬硬傾向一化學成分一碳的作用因此，可以通過一些經驗性的碳當量公式來粗略地估計不同鋼材的冷裂傾向。以CE為例，一些技術條件中規定了最高CE值.有時還同時規定了含碳量，如規定CEW0.40%,W（C）W0.12%。但對含碳量低的鋼材，允許CE值更高些（如W（c）=0.08%的鋼材，允許CE=0.50%）1） 熱軋鋼碳當量都比較低，除環境溫度很低或鋼板厚度很大，一般情況下其裂紋傾向都不大。2） 當正火鋼碳當量不超過0.5％時，淬硬傾向比熱軋鋼大，但不算嚴重，焊接性尚可。但對于厚板往往需要進行預熱。當碳當量大于0.5％時鋼的淬硬傾向和冷裂傾向逐漸增加。防止措施：嚴格控制線能量、預熱和焊后熱處理等。3、 熱影響區的最高硬度值與冷裂傾向關系為了避免產生對冷裂敏感的淬硬組織，可將熱影響區的最高硬度控制在某一剛好不出現冷裂紋的臨界值；反過來也可根據測得的熱影響區的最高硬度值來判斷材料的冷裂傾向和確定預熱溫度。（三） 再熱裂紋C-Mn和Mn-Si系熱軋鋼對再熱裂紋不敏感。例如16Mn。2?正火鋼中有一些含有強碳化物形成元素，但實踐證明它對再熱裂紋不敏感，例如15MnVN；3?正火+回火鋼如18MnMoNb、14MnMoV則有輕微的再熱裂紋敏感性，可提高預熱溫度和焊后立即后熱來防止再熱裂紋的產生。（四） 層狀撕裂層狀撕裂的產生不受鋼種和強度的限制，它主要發生于厚板結構中（在熱影響區甚或遠離熱影響區的母材中）。在低碳鋼、熱軋、正火鋼中都可能發生層狀撕裂。如大型船舶、海上平臺中某些結構的截面厚度較大，結構上又存在較多的T型、十字型接頭，構件厚度方向（Z向）承受較大拉伸應力。在這種情況下，只要鋼中存在片狀硫化物與層狀硅酸鹽或大量成片地密集于同一平面內的氧化鋁夾雜物，就有可能導致Z向塑性降低，沿鋼材軋制方向發生階梯狀的層狀撕裂。一般板層小于16mm時就不容易發生層狀撕裂。一般認為Z向收縮率〉20%鋼材就可以避免層狀撕裂。如日本經驗，HT50鋼的Z向收縮〉20%.即使在嚴酷的拘束條件下也可避免層狀撕裂；英國在制造北海平臺時，經驗與此一致。合理選用層狀撕裂敏感性較低的鋼材（如Z向鋼），改善接頭形式以及降低鋼板Z向所承受應力應變，在滿足產品使用要求前提下選用強度級別較低的焊接材料或預堆低強焊縫，采用預熱及降氫等措施，都有利于防止層狀撕裂。（五）熱影響區的性能變化1．過熱區脆化焊接接頭被加熱到1200°C至熔點以下的區域，由于溫度高發生了奧氏體晶粒的顯著長大和一些難熔質點（如氮化物或碳化物）的溶入。溶入的難熔質點在冷卻過程中，來不及析出會使材料變脆；過熱粗大的奧氏體冷卻下來會轉變成魏氏體、粗大的馬氏體及塑性很低的鐵素體、高碳馬氏體和貝氏體的混合組織和M-A組元，因此過熱區的性能變化取決于在高溫的停留時間、影響冷卻速度的焊接線能量和鋼材的類型及合金系列。不同種類的鋼合金化機理和強化途徑不同，引起過熱區脆化的原因也不同。1）熱軋鋼焊接線能量過大：導致冷速過慢，過熱區將因晶粒長大或出現魏氏組織等而使韌性降低焊接線能量過小：由于過熱區組織中馬氏體比例增大而使韌性降低，這在含碳量偏高時較明顯。過熱區性能的脆化不僅取決于影響高溫停留時間和冷卻速度的焊接線能量，也與鋼材化學成分有關，如圖所示。以COD值表示斷裂韌性的大小。-6D*C-6D*C不同蠱應下，地科鋼林前焊抿熱影響直蜀熬區UOD詼/』孫軌驅駅朗找樓暫盤屮/^廠為非牌理彩舉F??為解電兩渥、0.17C-l.lMn鋼（屬于熱軋鋼）0°C時，沒有出現脆性，在試驗溫度降低（-40D時，因受線能量影響而表現出韌性下降。2） 對含V、Nb的正火鋼焊接時線能量過大：會導致過熱區沉淀相固溶，這時V、Nb的碳、氮化合物細化晶粒、抑制奧氏體長大的作用大大削弱，過熱區奧氏體晶粒顯著長大，冷卻過程中可能產生一系列不利的組織轉變，如魏氏體、粗大的馬氏體、塑性很低的混合組織（鐵素體、高碳馬氏體和貝氏體）和M-A組元，再加上過熱區金屬碳、氮固溶量的增加，導致過熱區韌性降低和時效敏感性增加。0.15C-1.4Mn-Nb鋼（屬于正火鋼）含Nb鋼最佳韌性的線能量范圍很窄，而C-Mn鋼的較寬。這說明正火鋼的過熱敏感性較熱軋鋼大。3） 焊接含鈦正火鋼（Ti含量約0.22%）線能量過大時：過熱區的TiN、TiC都向奧氏體內熔入。由于鈦的擴散能力低，在隨后的冷卻過程中，即使大線能量條件下也來不及析出而停留在鐵素體中，顯著提高了鐵素體的顯微硬度，降低了材料的沖擊韌性。這就是為什么近代研究的大線能量鋼中的含鈦量都限制得很低（約0.02%）。預防措施：采用小線能量2、 熱應變脆化產生區域：熱影響區中發生過塑性變形同時受熱溫度在AC］以下、尤其最高加熱溫度在200-400C的區間。產生原因：一般認為這種脆化是由于氮原子聚集在位錯周圍，對位錯造成釘扎作用所造成的。發生材質：固溶氮含量較高的低碳鋼和強度級別不高的低合金鋼中。如造船中常用的16Mn、16MnC（熱軋鋼）就具有一定的熱應變脆化傾向。鋼中如果加入足夠量的氮化物形成元素（如A1、Ti、V等）脆化傾向就顯著減弱。如含A1的HT50鋼（正火鋼）熱應變脆化傾向比普通HT50鋼低得多。消除措施：焊后消除應力退火經驗得出：16Mn焊后經600°C、lh的退火處理，韌性有很大提高。三、熱扎正火鋼的焊接工藝特點熱軋和正火鋼對焊接方法無特殊要求，常用的焊接方法如手工電弧焊、埋弧焊、氣體保護焊和電渣焊都可選用。方法的選取主要根據材料的厚度、產品結構和具體施工條件來確定。（一）焊接材料的選擇選擇相應強度級別的焊接材料選擇焊接材料的目的是使焊縫無缺陷和滿足焊接接頭的使用性能。熱扎正火鋼焊接時熱、冷裂傾向不大。選擇焊接材料應考慮選擇與母材機械性能相等強度級別的焊接材料，在沒有特殊要的前提下，一般不考慮焊接材料的化學成分、如果選擇與母材化學成分相同的焊接材料，由于焊接時冷卻速度很大，將使焊縫金屬具有特殊的過飽和鑄態組織，焊縫金屬的性能表現為強度很高，而塑性、韌性很低，這對焊接接頭的抗裂性能和使用性能是不利的。焊縫含碳量一般要求W0.14%。其它合金元素低于母材含量例如：焊接l5MnTi、l5MnV相同的C=0.12?0.18% Mn=1.2?1.6% Si=0.2?0.6%15MnTi中Ti=0.12?0.20% 15MnV中V=0.04?0.16%三529Mpa用焊條J557成分CW0.12%Mn1.2%Si=0.5%不含Ti、V549?608MpaC低，Mn低于母材，同時具有很高的塑性和韌性考慮熔合比和冷卻速度的影響焊縫金屬的機械性能主要取決于其化學成分和組織的過飽和度。焊縫金屬的化學成分不僅取決于焊接材料的成分，而且與熔合比（與母材的熔入量有關）有很大關系。焊縫金屬組織的過飽和程度則與冷卻速度有很大關系。必須考慮焊后熱處理對焊縫力學性能的影響一般消除應力退火對強度影響不大，但對焊縫強度富裕量不大時，消除應力退火后有可能使焊縫金屬的強度低于要求。例如焊接大坡口的15MnV厚板，焊后需進行熱處理時，必須選用咖H08Mn2Si焊絲，若選用H10Mn2焊絲，焊縫金屬的強度會偏低。

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