低合金高强钢的焊接主要问题
11-4低合金高强度结构钢的焊接
钢材牌号
电渣焊 焊丝牌号 焊剂牌号
焊条电弧焊焊 条型号 E4303、E4301 E4316、E4315
埋弧焊 焊丝型号 H08A H08MnA 不开坡口 H08A 中板开坡口 H08MnA H10Mn2 H10MnSi 厚板开坡口 H10Mn2 焊剂牌号 HJ431 HJ431 HJ431 HJ431 HJ431 HJ431 HJ350
不开坡口 H08MnA 中板开坡口 H10MnSi H10Mn2 H08MnMoA 厚板开坡口 H08MnMoA H08MnMoA
HJ431 HJ431 HJ431 HJ431 HJ431 HJ350 HJ250 HJ431 HJ350
Q420
H10MnMoVA
HJ431 HJ360
E5516-G E5515-G E5516-D1 E5515-D1 E7015-G E7015- D2 E6016-D1 E6015-D2
Q460
H10Mn2MoA H10Mn2MoVA
HJ431 HJ360 HJ350 HJ250
H08Mn2MoA H08Mn2MoVA
HJ350 HJ250
预热 低合金高强度钢焊接时常用的工艺措施是焊前预热 焊前预热。 焊前预热 屈服点在390MPa以下 以下的低合金高强度钢焊接时，可不 预热 屈服点在 以下 可不 预热。 厚板、刚性大的结构钢且环境温度低的条件下，需预热 厚板、刚性大的结构钢且环境温度低的条件下 100～150℃。 屈服点在390MPa以上 以上的低合金高强度钢焊接时，一般需要 屈服点在 以上 一般需要 预热。 预热 后热及焊后热处理 低合金高强度钢后热主要是消氢处理。它是防止冷 裂纹的有效措施之一。 低合金高强度结构钢一般不进行焊后热处理。 只有厚板、强度级别较大及有延迟裂纹倾向的钢需焊后进行 热处理。
低合金高强度钢焊接性能
低合金高强度钢焊接性能引言钢是最重要的结构材料。
这是由于钢具有很高的强度-价格比，同时还可以用焊接这种最经济的工艺来连接。
尤其是在采用高输入热和不预热的情况下，焊接工艺的经济性更好。
因而对于开发新型的性能更好的低合金高强度钢来说，焊接性能的研究是很重要的。
焊接性能的概念包括对焊缝裂纹的低敏感性和良好的使用性能，即适合的强度和对脆性以及塑性裂纹扩展的抗力。
无裂纹焊接接头导致焊接接头失效的原因主要是不适当的焊接条件或焊接内部的高应力。
一些焊接缺陷，如气孔、凝固裂纹不是本文讨论的内容。
然而因合金成分的影响而引起的焊缝也常发生，这时只有认真研究其物理冶金原理才能解决问题。
当热影响区局部的塑性不足以抵消工作内部的拘束应力和焊接过程中产生的热应力和相变应力时，就会在热影响区（HAZ）内出现冷裂纹。
显微组织中的硬脆相导致塑性下降。
钢中游离氢加剧冷裂纹倾向。
游离氢来源于烘干不充分的焊接材料。
热影响区的低塑性和游离氢的同时存在带来最严重的问题。
为了表述母材化学成分对冷裂纹敏感性的影响，提出了一些回归公式。
表1（1，2）列出了最重要的两个公式。
其中CE适用于>0.18%C的钢种，P CM适用于<0.16%C的现代钢种。
碳当量越低，冷裂纹敏感性越小。
比较两个公式可以明显看出，碳是导致显微组织中形成有害硬脆相的主要元素。
在现代低碳钢中，由于其它合金元素的强化机制和碳的作用不一样，其对焊接性能的不利作用相对较小。
文献（3）对热影响区裂纹敏感性的影响因素进行了定量分析。
这些影响因素有：钢的化学成分、冷却速度（输入热、壁厚、预热温度）和焊条氢含量。
纤维素药皮焊条的氢含量很高，冷裂纹经常在此发生。
图1（4）表明在近海平台用钢板的生产发展中，采用热机械扎制的碳含量低的钢种，其焊接性能得到改善。
不预热就可以实现无裂纹焊接，给用户带来了巨大的经济效益。
除了显微组织对裂纹倾向的影响外，钢的纯净度是另一个同样重要的因素。
尤其是在组焊壁厚T型接头时，厚度方向（Z向）的应力会导致平行于板面的裂纹的产生，这种现象即为大家所知的层状撕裂，其裂纹沿延伸的夹杂物扩展。
低合金高强度钢的焊接性
低合金高强度钢的焊接性分析低合金高强钢的焊接性主要包括两个方面，其一是裂纹敏感性，其二是焊接热影响区的力学性能。
众所周知，扩散氢、脆性组织和残余应力是冷裂纹产生的三要素，碳当量公式（如IIW的CEN公式）、热影响区最大硬度等都被用来评价钢材的冷裂敏感性。
（1）冷裂纹问题对于现代低合金高强度钢，由于热机械控制工艺技术和微合金化技术的广泛应用，碳含量和碳当量都大幅度降低，因此，其冷裂敏感性不明显，除非在极端情况下（很大的拘束度或扩散氢含量很高），一般不会遭遇冷裂纹。
值得注意的是焊缝金属冷裂纹问题。
冷裂纹倾向低合金高强钢随着强度等级的增高，焊接接头冷裂纹倾向增大。
冷裂纹又叫氢致裂纹或延迟裂纹，是指焊接接头冷却到较低温度（Ms温度以下）时产生的焊接裂纹冷裂纹一般产生在热影响区，有时也产生在焊缝金属内。
产生冷裂纹的三个主要因素是：裂缝金属内残留的扩散氢、热影响区或焊缝金属硬组织、焊接残余应力。
焊接低合金高强度钢时，氢的主要来源是焊条药皮中的水分和破口表面的水分、油污等杂质。
这些物质在电弧高温作用下分解出氢，溶解在熔池金属内，熔池冷却凝时氢来不及逸出，残留在焊缝内。
另外，焊接低合金高强度钢的一个重要特点是热影响区有较大的淬硬倾向，随强度等级的提高、含碳元素或合金元素含量增多，其淬硬性也增大。
当焊接浮大焊件或冷却速度过快时，热影响区或焊缝金属更容易产生淬硬组织。
焊接时由于不均匀的加热和冷却以及构件本身的拘束作用，在焊缝内仍然会产生很大的残余应力。
所以，低合金高强度钢焊接时有较大的冷裂倾向。
为防止冷裂纹的产生，焊前应严标按照说明书的规定烘干焊条，将坡口清理干净，并采取焊前预热、焊后保温缓冷及热处理等措施。
母材强度的提高和焊接性的改善，促使冷裂纹发生的位置从热影响区转移到焊缝。
基于焊后随时间变化氢对局部临界开裂应力的影响，国际焊接联合会提出了判别高强钢冷裂纹位置的基本方法，焊后焊缝中的氢含量随时间单调减少，而热影响区的氢含量先从母材基础值升高到峰值然后下降，整个过程只有几分钟，恰好与残余应力发生的过程同步，通过计算残余应力值-时间的变化、以及热影响区和焊缝受实时扩散氢含量影响的临界开裂应力，即可预测冷裂纹发生的位置。
低合金高强度钢及其焊接技术概述-工程
低合金高强度钢及其焊接技术概述-工程低合金高强度钢概述低合金高强度钢的分类低合金高强度结构钢包括一般低合金结构钢和其它一些优质低碳低合金高强度钢，其强度高于含碳量相当的碳素钢，但塑性、韧性和焊接性良好，。
适用于较重要的钢结构，如压力容器、发电站设备、管道、工程机械、海洋结构、桥梁、船舶、建筑结构等。
低合金高强度结构钢是在低碳结构钢的基础上添加一定量的合金元素（如Mn、Si、Cr、Mo、Ni、Cu、Nb、Ti、V、Zr、B、P和N 等，但总量不超过5%，一般在3％以下），以强化铁素体基体，控制晶粒长大，提高强度和塑性、韧性。
一般在热轧后条件下供货以满足用户对冲击韧度的特殊要求。
如要求更高强度（σs=490-980MPa），也可以在调质状态下供货。
低合金高强度结构钢按屈服点（σs）分级。
国外对低合金高强度结构钢已制定标准，规定了C、S和P的上限而且对碳当量的上限，最高硬度及V型夏比值的下限均有严格规定，如日本焊接协会（WES）焊接结构用钢板标准。
低合金高强度结构钢根据屈服点和热处理状态可分为两种：1．非热处理强化钢（热轧与正火钢）（1）σs=249－392MPa级的低合金高强度钢。
除15MnTi 为正火状态供货外，均为热轧状态使用。
这类钢是在含C≤0.20%的基础上加入少量的固溶强化元素来保证钢的强度。
组织为细晶粒的铁素体和珠光体。
Mn是一种固溶强化效果最显著又比较便宜的元素，除增加强度外，还改善塑性、韧性，加入量不超过1.8%。
Si的固溶强化效果也好、但含量高于0.6%，对冲击韧度不利。
我国广泛使用的焊接性良好的16Mn、德国的St52以及日本的SM50均属此类钢。
用它代替普通低碳钢，可节约20%－30%钢材。
还可在16Mn钢中加入少量V （0.03%-0.2%）,Nb（0.01%-0.05%）,利用V、Nb的碳化物和氮化物的沉淀析出进一步提高钢的强度、细化晶粒，改善塑韧性，如12MnV、14MnNb、15MnV和16MnNb等钢种。
低合金高强钢焊接时的主要工艺措施
低合金高强钢焊接时的主要工艺措施。
⑴预热预热是防止裂纹的有效措施，并且还有助于改善接头性能。
但预热会恶化劳动条件，使生产工艺复杂化，过高的预热温度还会降低接头韧性。
因此，焊前是否需要预热以及预热温度的确定应根据钢材的成分（碳当量）、板厚、结构形状、刚度大小以及环境温度等决定。
⑵焊接线能量的选择含碳低的热轧钢（09Mn2、09MnNb钢等）以及含碳量偏下限的16Mn钢焊接时，因为这些钢的冷裂淬硬、脆化等倾向小，所以对焊接线能量没有严格的限制。
焊接含碳量偏高的16Mn钢时，为降低淬硬倾向，焊接线能量应偏大一点。
对于含V、Nb、Ti的钢种，为降低热影响区粗晶脆化所造成的不利影响，应选择较小的焊接线能量。
如15MnVN钢的焊接线能量应控制在40～45kJ/cm以下。
对于碳及合金元素含量较高而屈服点为490MPa的正火钢（如18MnMoNb钢等），因淬硬倾向大，应选择较大的焊接线能量，但当采用焊前预热时，为了避免过热倾向，可以适当地减少线能量。
⑶后热及焊后热处理后热是指焊接结束或焊完一条焊缝后，将焊件立即加热至150～250℃范围内，并保温一段时间，使接头中的氢扩散逸出，防止延迟裂纹产生。
对于厚壁容器、高刚性的焊接结构以及一些在低温、耐蚀条件下工作的构件，焊后应及时进行消除应力的高温回火，其目的是消除焊接残余应力，改善组织。
焊后立即进行高温回火的焊件，无需再进行后热处理。
低合金高强钢冬季焊接易产生冷裂纹的研究及分析
低合金高强钢冬季焊接易产生冷裂纹的研究及分析摘要：焊接冷裂纹是焊接中最为普遍的一种裂纹，是焊后冷至较低温度下产生的，特别是在冬季焊接低合金高强钢，冷裂纹的倾向大、过程控制难，焊缝只要产生裂纹，返工返修给生产带来许多困难，返修不彻底将会带来灾难性的事故。
本文通过对低合金高强钢焊接研究和性能分析，制定冬季焊接中厚板Q890D材料的专机焊接工艺规范。
关键词：冷裂纹低合金焊接热输入 Q890D前言焊接低合金高强钢，当马氏体转变温度MS附近，由于拘束应力、淬硬组织和氢元素共同作用而产生焊接冷裂纹。
氢是引起高强钢焊接时形成冷裂纹的重要因素之一，冬季焊接高强钢,采用小热输入（≤10.1kJ/cm），由于温度低、冷却快，造成层间温度控制不当和氢元素扩散聚集，焊缝上容易出现冷裂纹。
一、问题描述泵车支腿采用中厚板Q890D材料，属于低合金高强钢。
主焊缝采用多层多道专机焊接，相同的焊接规范，冬季焊接熔合区的冷速快，焊接区高温停留时间短，不利于氢向外逸出，易产生冷裂纹。
特别是多层多道焊缝中氢的逸出聚集在盖面焊中间熔合线。
横向应力大，垂直于焊缝出现横向裂纹。
泵车支腿焊缝只要存在裂纹，会带来灾难性的事故，危害性极大。
二、问题分析1.焊接工艺规范泵车支腿主焊缝焊接工艺规范（表格1）冬季焊接容易产生冷裂纹。
序号名称焊接电流（A）焊接电压（V）焊接速度（cm/min）热输入（kJ/cm）预热温度（℃）层间温度（℃）1第1道190254009.5120～150120～1502第2～3道2602850011.6表格1：焊接工艺规范经分析：焊接热输入最大11.6 kJ/cm属于小热输入焊接低合金高强钢，冬季气温低，焊后无后热和焊缝保温措施冷却快，形成脆硬的马氏体组织，造成热影响进一步脆化，易形成焊道下裂纹。
冬季焊接适当的增加热输入熔合区的冷却速度减少，焊接区高温停留时间长，有利于氢向外逸出，可以有效控制“氢致裂纹”。
2.材料可焊性分析（IIW推荐的碳当量公式如下：）结合（表2:化学成分）可以计算出碳当量：Q890D代入公式可得Ceq = 0.66% (约等于)经查询：碳当量介于0.4%～0.6% ,属于可焊性很好的钢， Q890D Ceq（约等于）0.66%，Ceq＞0.6%,Q890D可焊性较差,淬硬倾向大，易产生冷裂纹，焊接时需预热才能防止裂纹。
高强钢焊接的难点与措施 关键词：高强钢 韧性 裂纹
高强钢焊接理论研究
根据船研所的研究结果，高强钢焊接难点主要是如何提高焊缝韧性等力学性能和降低裂纹的产生。
而其关键点是如何得到合适的晶体结构、降低氢致裂纹的产生和降低焊接拘束。
1、高强钢因其较高的碳当量、高强度、低韧性，如WQ690 40mm钢板碳当量≤0.5，屈服σ0.2=690MPa，焊接时不合适的最高温度、高温保持t8/5和冷却速度，极易导致焊缝和热影响区产生粗大的晶体结构，降低焊接接头的性能。
为此，需要合适的预热温度、道间温度、线能量输入来满足高温保持时间t8/5≤30s和冷却速度控制在30℃/s以内，以得到细小的马式体组织结构。
2、合适的预热温度、线能量输入、后热和焊材氢含量的控制，也影响焊接裂纹的产生。
3、拘束的控制则需要通设计合理的结构、焊接顺序来控制。
综合考虑以上理论，通过反复试验，成功掌握高强钢焊接工艺技术。
如WQ690 40mm钢板焊接，选择预热温度150℃以
上、道间温度150～200℃、线能量1.5～
2.0KJ/mm、后热250～315℃（1.5h）、采
用GEL-11M低氢焊条、正反面交替焊接
顺序，焊接接头可得到力学性能，且无
焊接试验焊前预热
重大返修现象。
11-3低合金高强度结构钢的焊接
〖课堂总结〗
掌握低合金高强度结构钢的焊接性及焊接工艺要点
了解低合金高强度结构钢的类型及应用
〖布置作业〗
点评、记分
新旧牌号对照表11-1.
仔细分析焊接性
参见表11-2
预热条件参见表11-3。
其预热条件参见表11-5。
正确分析工艺
2、简述轴(35钢)与法兰焊接的工艺措施。
〖讲授新课〗
第三节低合金高强度结构钢的焊接
一、低合金高强度结构钢概述
主要特点是强度高、塑性和韧性也较好。按钢的屈服强度级别及热处理状态，低合金高强度结构钢可分为二类。
1、热轧、正火钢屈服强度在294Mpa~490MPa之间，其使用状态为热轧、正火或控轧状态，属于非热处理强化钢，这类钢应用最为广泛。其通用牌号有Q295、Q345、Q390、Q420、Q460等，若按质量等级又可分为A、B、C、D、E五级。
课题
§11-3低合金高强度结构钢的焊接
课型
讲授新课
分（）课时完成
课堂
记事
月日节
教具
班级
教学
目标
掌握低合金高强度结构钢的焊接性及焊接工艺要点
了解低合金高强度结构钢的类型及应用
教学重点
教学难点
低合金高强度结构钢的焊接性及焊接工艺要点
时间安排
教学内容及步骤
教学
提示
〖组织教学〗
〖复习导入〗
提问：1、中碳钢的焊接工艺要点是什么？
低合金高强度结构钢对焊接方法无特殊要求，如焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊等一些常用的焊接方法都能采用。应根据所焊的金属材料厚度、装配结构和具体施工条件来确定焊接材料和工艺参数。
1．Q345钢的焊接性
（1）Q345钢淬硬倾向比Q235钢稍大些，在大厚度、低温条件下焊接时应进行适当的预热。
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由于低合金高强钢中的含碳量低，且冶炼过程中严格控制了硫、磷等杂质元素，而锰含量又较高，因此低合金高强钢的热裂纹倾向较小。
低合金高强钢焊接裂纹主要是冷裂纹，而引起高强钢焊接冷裂纹的主要因素是氢，焊接接头中的氢量含量越高，产生裂纹的倾向就越大。
低合金调质高强钢熔合区附近组织性能及其突变对焊接裂纹的产生极为敏感，焊接裂纹和脆性断裂多发生在这一区域，并且随着钢强度级别的提升，裂纹敏感性越高。
大量研究表明低合金高强钢焊缝中组织通常由先共析铁素体、侧板条铁素体、针状铁素体、细晶铁素体、贝氏体等组织组成, 而先共析铁素体和侧板条铁素体，一般沿晶界生长，铁素体板条粗大，裂纹扩展阻力小，会使接头韧性降低。
低合金高强钢热影响区中的显微组织主要是低碳马氏体、贝氏体、M-A组元和珠光体类组织。
焊丝中合金元素和焊接参数对焊缝显微组织、力学性能具有重要影响已被研究。
研究表明，焊丝中合金元素的含量应随着焊接热输入的增大而增加，从而来抑制铁素体在晶界处的生成，合金元素形成的夹杂物可作为针状铁素体的形核质点。
因此，应增加焊丝中的合金元素的含量，或限制焊接热输入，减少焊接过程中合金元素的挥发。
随着钢种强度级别的提高，焊接热影响区的脆化、软化和裂纹倾向也越来越严重，尤其是800MPa级以上的钢种，焊接热影响区的粗晶区有产生冷裂纹和韧性下降的倾向。
低合金高强钢热影响区可能存在强化效果的损失现象（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明显。
并且在低合金高强钢焊接中为防止焊接裂纹，多采用焊前预热工艺。
如何选择焊接参数，优化焊接工艺，控制热影响区微观组织，避免热影响区脆化的问题，实现高强钢的不预热焊接成为国内外关注的重点。