低合金高強度鋼及其焊接技術概述

焊接技術    時間:2014-03-07 21:59:51
低合金高強度鋼及其焊接技術概述簡介
低合金高強度鋼概述     低合金高強度鋼的分類     低合金高強度結構鋼包括一般低合金結構鋼和其它一些優質低碳低合金高強……
低合金高強度鋼及其焊接技術概述正文


低合金高強度鋼概述

    低合金高強度鋼的分類
    低合金高強度結構鋼包括一般低合金結構鋼和其它一些優質低碳低合金高強度鋼,其強度高於含碳量相當的碳素鋼,但塑性、韌性和焊接性良好。適用於較重要的鋼結構,如壓力容器、發電站設備、管道、工程機械、海洋結構、橋樑、船舶、建築結構等。
    低合金高強度結構鋼是在低碳結構鋼的基礎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,但總量不超過5%,一般在3%以下),以強化鐵素體基體,控制晶粒長大,提高強度和塑性、韌性。一般在熱軋后條件下供貨以滿足用戶對衝擊韌度的特殊要求。如要求更高強度(σs=490-980MPa),也可以在調質狀態下供貨。
    低合金高強度結構鋼按屈服點(σs)分級。
    國外對低合金高強度結構鋼已制定標準,規定了C、S和P的上限而且對碳當量的上限,最高硬度及V型夏比值的下限均有嚴格規定,如日本焊接協會(WES)焊接結構用鋼板標準。

    低合金高強度結構鋼根據屈服點和熱處理狀態可分為兩種:

    1.非熱處理強化鋼(熱軋與正火鋼)

    (1)σs=249-392MPa級的低合金高強度鋼。除15MnTi 為正火狀態供貨外,均為熱軋狀態使用。這類鋼是在含C≤0.20%的基礎上加入少量的固溶強化元素來保證鋼的強度。組織為細晶粒的鐵素體和珠光體。Mn是一種固溶強化效果最顯著又比較便宜的元素,除增加強度外,還改善塑性、韌性,加入量不超過1.8%。Si的固溶強化效果也好、但含量高於0.6%,對衝擊韌度不利。我國廣泛使用的焊接性良好的16Mn、德國的St52以及日本的SM50均屬此類鋼。用它代替普通低碳鋼,可節約20%-30%鋼材。還可在16Mn鋼中加入少量V(0.03%-0.2%),Nb(0.01%-0.05%),利用V、Nb的碳化物和氮化物的沉澱析出進一步提高鋼的強度、細化晶粒,改善塑韌性,如12MnV、14MnNb、15MnV和16MnNb等鋼種。
    (2)σs=441-540MPa 級的低合金伉強度鋼,在固溶強化的同時,必須同時加入其它合金元素(如加入Mn、Si、Ni、Mo、Nb、Ti等),通過正火處理后,使這些元素的化合物以細小的質點從固溶體中沉澱析出,彌散分佈在晶內和晶界,並細化晶粒,以有效地提高強度,改善塑性、韌性。一般正火鋼的組織為細晶粒的鐵素體和珠光體。含Mo鋼正火后的組織為上貝氏體和少量鐵素體,必須進行回火處理以保證其塑性、韌性。

    2.熱處理強化鋼(低碳調質鋼)

    σs=490-981MPa級的低合金高強度結構鋼,一般在調質狀態下供貨,其組織為回火低碳馬氏體或貝氏體。這類鋼既有較高的強度,又有較好的韌性、塑性和焊接性。如果焊接規範選擇適當,可以直接在調質狀態下進行焊接,這樣可以地HAZ中得到無效的低碳馬氏體或貝氏體,焊后可不要求調質處理,但必要時要求消除應力處理。如果焊接規範選擇不當,冷卻速度低於臨界值時,會產生韌性很差的混合組織。
    調質鋼的合金化設計原則與鐵素體-珠光體型熱軋和正火鋼不一樣。其強度主要不直接取決於合金元素的含量,而取決於含碳量。加入合金元素(如Cr、Ni、Mn、Mo、V、B、Ti 和Cu 等)的主要作用是保證淬透性,調節塑性、韌性,加入量視淬透性的要求而定;有的合金元素(如Mo)還可提高鋼的抗回火性,使鋼能在較高溫度下回火消除應力而不致於降低鋼的強度,因而對改善塑、韌性有利。Ni在這類鋼中是非常重要的合金元素。它能提高鋼的韌性與塑性,降低鋼的脆性轉變溫度。與Cr一起加入時,因此,在這類鋼中幾乎離不開這兩種元素,且隨著強度級別的提高,含Ni量也不斷增加。但從增加鋼的淬透性出發,含Cr量超過1.6%已無實際意義,而且反而對韌性不利。
   σs≥667MPa的T-1鋼是美國早期發展的一種含Cr、Ni的低碳調質鋼,主要用於壓力容器、橋樑、工程機械和塔式結構等。日本的HT-80型的Welten80C類似T-1鋼,但不含Ni和V,故抗應力腐蝕能力高,在日本用來製造-30℃的大型球形貯罐。我國GQ-702和GQ-705屬於這類鋼。
    HY-80鋼是美國σs=540-687MPa的調質高強鋼,在低溫下有高的韌性與防爆性能,主要用於製造潛艇這類的耐壓外殼。日本的NS-63、英國的Q1鋼和我國的GQ-604鋼類似於此類鋼。
    HY-130鋼是σs=883MPa以上的新發展的韌性優良的低碳調質鋼,主要用于海洋和宇航等重要結構。
    根據我國資源條件發展的σs=600-700MPa級的無Ni、Cr低碳調質鋼,如14MnMoVN和14MnMoNbB等,主要用於製造中溫高壓鍋爐及石油、化工作的中溫高壓容器等。

 

低合金高強度鋼焊接概述

    低合金高強度結構鋼的焊接特點:

    1.熱影響區的淬硬傾向   焊后冷卻過程中,易在熱影響區中出現低塑性的脆硬組織,這種組織在焊縫擴散氫量較高和接頭拘束較大時易產生氫致裂紋。
    鋼材的碳當量是決定熱影響區淬硬傾向的主要因素。碳當量越高,鋼材淬硬傾向越大。焊接時熱影響區過熱區的800-500℃的冷卻時間(一般用t8/5表示)是另一個重要參數。該冷卻速度越大,則熱影響區的淬硬程度越高。焊接方法、板厚、接頭形式、焊接規範、預熱溫度決定了t8/5的大小。
    焊接接頭中,熱影響區的硬度值最高。一般用熱影響區的最高硬度來衡量淬硬程度的高低。不同級別的主強度鋼熱影響區有不同的最高硬度允許值,目前我國還沒有明確規定。

    2.冷裂紋敏感性   低合金高強度鋼焊接時出現的裂紋主要是冷裂紋。因此,焊接時對於防止冷裂紋問題必須予以足夠的重視。鋼的強度級別越高,淬硬傾向越大,冷裂紋敏感性也越大。關於冷裂紋形成機理,是一種比較複雜的現象,一直有人在深入研究。目前多數人認為產生冷裂紋的三大因素是:
    (1)焊縫凝固以後冷卻時,由於焊縫一般含碳量比母材低,所以焊縫的奧氏體向鐵素體轉變較母材早,此時氫的溶解度急劇降低,大量的氫向仍處於奧氏體的母材熱影響區中擴散,由於氫在奧氏體中擴散速度小,在熔合區附近形成了富氫帶,含氫量越高,冷裂紋敏感性越大。
    (2)滯后相變的熱影響區發生奧氏體向馬氏體轉變的淬硬組織,氫以過飽和狀態殘存於馬氏體中並逐步晶格缺陷等應力集中處擴散聚集,使該處的金屬結合強度降低或脆化。鋼的淬硬性傾向越大,冷裂紋傾向也越大。
    (3)結構的剛性越大,由於焊接時加熱引起的拘束應力也越大。同時熱影響區相變組織應力共同構成了產生冷裂紋的應力條件。焊接應力越大,冷裂紋敏感性越大。
    冷裂紋一般在焊后冷卻過程中發生,也可能在焊后數分鐘或數天後發生,具有延遲的性質,這可以理解為是氫從焊縫金屬擴散到熱影響區淬硬區集聚達到某一臨界值的時間。在點固焊時,由於冷卻速度快,極易出現冷裂紋,必須特別注意。3.再熱裂紋傾向   當焊接厚壁壓力容器等結構件時,焊后需進行消除應力熱處理,對於含鉻、鉬、釩、鈦、鈮等合金元素的鋼材,在熱處理過程中,易在熱影響區的粗晶區產生晶間裂紋。有時不僅在熱處理過程中發生,也可能發生於焊后再次高溫加熱的使用過程中。焊接這類高強度低合金鋼時,應重視防止再熱裂紋問題。防止再熱   裂紋的主要措施是盡量選取對再熱裂紋不敏感的材料,選擇強度較低的焊接材料,提高預熱溫度和焊接線能量,以及盡量減少焊接接頭中的應力集中等。

    4.層狀撕裂  大型厚板結構件,特別是T型接頭,角焊縫處,由於母材軋制時產生的層狀偏析(主要是MnS)、各向異性等缺陷,在熱影響區或在遠離焊縫的母材中產生與鋼板表面成梯形平行的裂紋,叫層狀撕裂。焊接大厚度鋼板角焊縫時,應注意在選材和工藝上防止層狀撕裂。

 

    5.液化裂紋   液化裂紋是一種熱裂紋,某些低合金高強度鋼焊接時,可能有液化裂紋傾向,主要是由於母材含雜質量(如S、P和Si等)偏高,能在晶間形成低熔點的複合夾雜物(共晶或化合物)。由於焊接時的高溫使近縫區晶間液化,加之隨後冷卻所出現的焊接應力的作用而引起沿晶開裂。

 


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