1、 . . 42/421 緒論在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的當(dāng)今時代，焊接已經(jīng)成功地完成了自身的蛻變。很少有人注意到這個過程何時開始，何時結(jié)束。但它確確實實地發(fā)生在過去的某個時段。我們今天面對著這樣一個事實：焊接已經(jīng)從一種傳統(tǒng)的熱加工技藝發(fā)展到了集材料、冶金、結(jié)構(gòu)、力學(xué)、電子等多門類科學(xué)為一體的工程工藝學(xué)科。而且，隨著相關(guān)學(xué)科技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，不斷有新的知識融合在焊接之中。1.1 焊接技術(shù)概述焊接是一種將材料永久性的連接，并成為具有給定功能結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)。幾乎所有的產(chǎn)品，從幾十萬噸巨輪到不足克的微電子元件，在生產(chǎn)制造中都不同程度地應(yīng)用到焊接技術(shù)。焊接已經(jīng)滲透到制造業(yè)的各個領(lǐng)域，直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性

2、和壽命以與生產(chǎn)的成本、效率和市場反應(yīng)速度。近年來，焊接已由一個單一的加工工藝發(fā)展成為有科學(xué)基礎(chǔ)有廣泛應(yīng)用圍和前景的焊接工程和焊接產(chǎn)業(yè)，在這些產(chǎn)業(yè)中，焊接在其中占有重要地位，是決定其產(chǎn)品使用安全的關(guān)鍵。有些直接出焊接產(chǎn)品或在現(xiàn)場裝焊接后投入使用，有些是作成主體結(jié)構(gòu)然后在其上安裝動力和機(jī)電設(shè)備后應(yīng)用，有焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和安全保證在整體結(jié)構(gòu)設(shè)計合理的情況下，主要決定與焊接聯(lián)結(jié)部位的結(jié)構(gòu)、材料匹配、工藝設(shè)計、先進(jìn)的焊接制造工藝與設(shè)備和準(zhǔn)確的無損檢測技術(shù)，這些都決定了焊接聯(lián)結(jié)部位的的在和外觀質(zhì)量，形成了分布在各工業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)部門各具特色的焊接結(jié)構(gòu)行業(yè)，同時也形成了結(jié)構(gòu)焊接需要的焊接設(shè)備行業(yè)和焊接材料行

3、業(yè)。這些行業(yè)是互相關(guān)聯(lián)促進(jìn)的行業(yè)。焊接結(jié)構(gòu)已有日新月異的發(fā)展:在裝備制造業(yè)結(jié)構(gòu)中用焊接結(jié)構(gòu)局部或全部代替鑄件或鍛件結(jié)構(gòu)和由局部鑄件或鍛件焊接成組合結(jié)構(gòu)是大重型結(jié)構(gòu)發(fā)展的方向，可大大節(jié)約大型鑄鍛車間與其設(shè)備的基本建設(shè)投資和生產(chǎn)過程的能源消費(fèi)，同時還可縮短生產(chǎn)周期;在各種建筑行業(yè)廣泛采用鋼質(zhì)焊接結(jié)構(gòu)代替鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，可達(dá)到大跨度、輕自重、工廠造、設(shè)計優(yōu)、工程在建周期短、環(huán)境污染少， 基礎(chǔ)費(fèi)用省，折除后材料可循環(huán)使用，因而符合目前綠色制造和資源循環(huán)利用建設(shè)節(jié)約型社會的大潮流。目前我國微電子與IT行業(yè)中的發(fā)展，高強(qiáng)有色金屬、光釬、超導(dǎo)和復(fù)合材料與高分子材料的應(yīng)用，都對焊接工藝、設(shè)備和材料提出了很多新

4、的要求，因而得到了相應(yīng)發(fā)展。1.2現(xiàn)代焊接的特征1.2.1焊接已成為最流行的連接技術(shù)在當(dāng)今工業(yè)社會，沒有哪一種連接技術(shù)象焊接那樣被如此廣泛、如此普遍地應(yīng)用在各個領(lǐng)域。而其中最主要的原因就是其極具競爭力的性價比。1.2.2焊接顯現(xiàn)了極高的技術(shù)含量和附加值在人類社會步入二十一世紀(jì)的今天，焊接已經(jīng)進(jìn)入了一個嶄新的發(fā)展階段。當(dāng)今世界的許多最新科研成果、前沿技術(shù)和高新技術(shù)，諸如：計算機(jī)、微電子、數(shù)字控制、信息處理、工業(yè)機(jī)器人、激光技術(shù)等，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于焊接領(lǐng)域，這使得焊接的技術(shù)含量得到了空前的提高，并在制造過程中創(chuàng)造了極高的附加值。1.2.3焊接已成為關(guān)鍵的制造技術(shù)焊接作為組裝工藝之一，通常被安排在

5、制造流程的后期或最終階段，因而對產(chǎn)品質(zhì)量具有決定性作用。正因為如此，在許多行業(yè)中，焊接被視為一種關(guān)鍵的制造技術(shù)。1.3 異種材料焊接的發(fā)展近年來，環(huán)保問題越來越受到世界各國的重視，汽車工業(yè)為了節(jié)約燃料保護(hù)環(huán)境，不斷努力減輕汽車重量，因此對汽車用材料提出了更高的要求。增加鋁材的使用量是其中的重要措施之一，所以在汽車工業(yè)生產(chǎn)中，采用“鋼+鋁”雙金屬焊接結(jié)構(gòu)成為汽車輕量化的首選方案，這必然涉與到鋁和鋼兩種材料之間的連接。從21世紀(jì)初開始，國外許多研究機(jī)構(gòu)和汽車生產(chǎn)廠家便一直在尋找一種有效的焊接方法來減輕汽車的重量。美國成立了“新一代汽車合作計劃”，即PNGV。1994年以來，美國政府已為此投入了15

6、億美元的研究開發(fā)資金，減輕整車重量是其中的一個核心目的。布什新政府在 2002年則推出了一個自由車項目，該項目的長期目標(biāo)是高教，價廉，無污染，汽車輕量化也是重要研究容之一。汽車輕量化的要求必然涉與到鋁鋼之間的焊接。而鋁鋼之間的焊接一直是焊接領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題和難點(diǎn)問題，鋁鋼焊接的主要問題是兩者之間的的固溶度較低、熱物理性能差異較大，并且兩者極易反應(yīng)生成脆性的金屬問化合物，這種脆性的金屬間化合物極降低了焊接接頭的力學(xué)性能。從20世紀(jì)60年代開始，許多學(xué)者便對鋁鋼之間的連接進(jìn)行了詳細(xì)的研究。鋁鋼之間的焊接幾乎涉與到焊接領(lǐng)域的各種方法，大體上可將其分為壓焊，釬焊和熔焊。文中分別闡述了以上三種方法的研究現(xiàn)

7、狀與進(jìn)展，并且論述了不同方法的優(yōu)勢與劣勢，對今后鋁鋼焊接研究進(jìn)行了展望。1.4 異種材料焊接的方法異種材料焊接常用的方法分為壓焊，釬焊和熔焊三大類1.4.1壓焊壓焊時基體金屬通常并不熔化，焊接溫度低于金屬的熔點(diǎn)。有的也加熱至熔化狀態(tài)，然后加壓將液態(tài)金屬擠出，但仍以固相結(jié)合而形成接頭。異種材料焊接常采用的壓焊方法有電阻焊、冷壓焊、擴(kuò)散焊、摩擦焊等。1.4.2釬焊釬焊是采用比母材熔點(diǎn)低的金屬材料作釬料，將焊件和釬料加熱到高于釬料熔點(diǎn)，低于母材熔化的溫度，利用液態(tài)釬料潤濕母材，填充接頭間隙并與母材相互擴(kuò)散，實現(xiàn)連接焊件的一種焊接方法。釬焊的關(guān)鍵是如何獲得一個優(yōu)質(zhì)接頭。顯然，這樣的接頭首先要保證熔化的

8、釬料能很好地流入并填滿接頭的間隙，其次是釬料與母材相互擴(kuò)散而形成金屬結(jié)合。隨著釬焊技術(shù)的發(fā)展，釬焊的種類越來越多。按釬焊溫度的高低，釬焊通常分為低溫釬焊，中溫釬焊與高溫釬焊。按釬焊的反應(yīng)特點(diǎn)釬焊又分為毛細(xì)釬焊，大間隙釬焊以與反應(yīng)釬焊。按加熱方法不同還可以分為烙鐵釬焊，火焰釬焊，爐中釬焊，電阻釬焊，感應(yīng)釬焊等。1.4.3熔焊熔焊在異種材料焊接中應(yīng)用很廣，主要的熔焊方法有焊條電弧焊、氣體保護(hù)焊、電子束焊、激光焊等。對于相互溶解度有限、物理化學(xué)性能差別很大的異種材料，由于熔焊時的互相擴(kuò)散作用會導(dǎo)致接頭部位的化學(xué)成分和金相組織不均勻或生成脆性化合物，所以異種材料熔焊時應(yīng)降低稀釋率，盡量用小電流、高焊速

9、，或是在坡口一側(cè)或兩側(cè)堆焊中間合金過渡層。1.5 異種材料焊接的工藝特點(diǎn)異種材料的焊接是指將不同化學(xué)成分，不同組織性能的倆種或倆種以上金屬，在一定的工藝條件下焊接成規(guī)定設(shè)計要求的構(gòu)件，并使形成的街頭滿足預(yù)定的服役要求。1.5.1異種材料焊接的困難異種材料的焊接與同種材料焊接相比，有很大的不同。異種材料焊接時存在的主要困難如下：1）異種采蓮的線膨脹系數(shù)不同，容易引起熱應(yīng)力，而且這種熱應(yīng)力不易消除，結(jié)果會使接頭處產(chǎn)生裂紋或較大的焊接變形。2）異種材料焊接過程中，由于金相組織的變化以與新生成的物相結(jié)合或化合物，可使焊接接頭的性能惡化，給焊接帶來很大的困難。3）異種材料焊接熔合區(qū)和熱影響區(qū)的力學(xué)性能較

10、差，特點(diǎn)是塑性和韌性明顯下降。4）由于接頭塑性韌性的下降以與焊接應(yīng)力的存在，異種材料焊接接頭容易產(chǎn)生裂紋，尤其是焊接熔合區(qū)和熱影響區(qū)更容易長生裂紋，甚至發(fā)生斷裂。1.5.2影響異種材料焊接性的因素1）熱物理性能的差異兩種材料熱物理性能的差異主要是指熔化溫度，線膨脹系數(shù)，熱導(dǎo)率等的差異，它們將影響焊接熱循環(huán)過程，結(jié)晶條件，降低焊接接頭的質(zhì)量。當(dāng)異種材料熱物理性能的較大差異使熔化和結(jié)晶狀態(tài)不一致時，就會給焊接造成一定的困難；倆種材料的線膨脹系數(shù)相差較大時，會使異種材料接頭區(qū)產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力和變形，易使焊縫與熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋；異種材料電磁性相差較大時，焊接電弧不穩(wěn)定，焊縫成形不好甚至形成不了焊縫。

11、2）結(jié)晶化學(xué)性能的差異結(jié)晶化學(xué)性能的差異主要是指晶格的類型，晶格參數(shù)，原子半徑，原子的外層電子結(jié)構(gòu)等的差異，也就是通常所說的“冶金學(xué)上的不相容性”。倆種被焊接材料在冶金學(xué)上是否相等，取決于它們在液態(tài)和固態(tài)時的互溶性以與做好倆種材料在焊接過程中是否產(chǎn)生新相結(jié)構(gòu)或金屬間化合物。材料的熔化溫度，線膨脹系數(shù)，熱導(dǎo)率和電阻率等物理性能直接影像館焊接結(jié)晶條件和接頭質(zhì)量。為了改善異種材料的焊接性，防止在異種材料接頭冷卻過程產(chǎn)生的相變組織轉(zhuǎn)變造成接頭冷裂紋，對不能形成無限固溶體的異種材料和合金，可在倆種被焊材料之間加入過度層合金應(yīng)該滿足與倆種被焊金屬均能形成固溶體的要求。3）材料的表面狀態(tài)材料的表面狀態(tài)，如表

12、面氧化層，結(jié)晶表面層，吸附的氧離子和水分，油污，雜質(zhì)等，直接影響異種材料的焊接性，必須給予充分重視。生產(chǎn)中往往由于表面氧化膜和其他吸附物的存在給焊接帶來極困難。此外，焊接異種材料時，必定會產(chǎn)生一層成分組織與性能與母材不同的過渡層，過渡層的性能對焊接接頭的整體性能有很大的影響。過大的融合比，會增加母材對焊縫金屬的稀釋度，使過渡層更為明顯；焊縫金屬與母材的化學(xué)成分相差越大。熔池金屬越不容易充分混合，過渡層越明顯。所以，焊接異種材料時需要采取相應(yīng)的工藝措施來控制過渡層以保證接頭的性能。2 16MnR與20MnMoNb鋼的焊接性2.116MnR的化學(xué)成分與力學(xué)性能介紹在板材里，屬低合金系列。在低合金的

13、材質(zhì)里，此種材質(zhì)為最普通的。Q345過去的一種叫法為：16MnR。合金鋼（C0.2%)，廣泛應(yīng)用于橋梁、車輛、船舶、建筑、壓力容器等。Q代表的是這種材質(zhì)的屈服，后面的345，就是指這種材質(zhì)的屈服值，在345左右。并會隨著材質(zhì)的厚度的增加而使其屈服值減小16MnR是在碳素鋼的基礎(chǔ)上加入一定的合金元素所構(gòu)成,低合金鋼中的合金元素一般不超過5%，以提高鋼的強(qiáng)度并保證其具有一定的塑性和韌性。主要用于制造各類中低壓壓力容器，其使用條件復(fù)雜，有的盛裝易燃易爆物品，有的盛裝有毒物品，這些易燃、易爆、有毒物品一旦泄漏，將會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染并且危害人身安全，因此容器的質(zhì)量好壞是保證人身安全、防止環(huán)境污染的關(guān)鍵

14、所在。16MnR作為壓力容器用鋼，應(yīng)具備以下要求:首先要具有足夠的強(qiáng)度。按現(xiàn)行壓力容器設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，受壓部件的強(qiáng)度計算是以彈性失效為設(shè)計準(zhǔn)則，以理想化的薄殼理論為依據(jù)，雖然已經(jīng)考慮了安全系數(shù)，但在開孔和幾何形狀不連續(xù)處的局部應(yīng)力已接近或達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度，因此16MnR鋼必須具有足夠的強(qiáng)度，特別是在經(jīng)過熱加工和多次熱處理后要求鋼材仍應(yīng)保證強(qiáng)度性能不低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下限值。其次要具有優(yōu)良的焊接性。壓力容器用鋼具有優(yōu)良的焊接性能是保證產(chǎn)品焊接質(zhì)量的首要條件。第三要具有高的耐蝕性。壓力容器用鋼應(yīng)具有足夠的耐蝕性以確保壓力容器的長期安全運(yùn)行。與16Mn低合金鋼相比16MnR降低了S、P含量，對含碳量下限不作

15、具體規(guī)定，化學(xué)成份見表2.1。對鋼板的表面、部質(zhì)量提出更高要求，規(guī)定不得有裂紋、結(jié)疤、折疊、氣泡、夾雜、分層和白點(diǎn)，并經(jīng)需方要求，應(yīng)保證超聲波探傷質(zhì)量；同時規(guī)定了沖擊韌性指標(biāo)。因此具有更好的塑性、韌性和焊接性能，更好的抗冷脆性能和較小的時效傾向，以保證壓力容器的安全性和可靠性，以與低溫韌性要求。為了適應(yīng)較惡劣的操作條件，進(jìn)一步提高鋼的強(qiáng)度和韌性可加入少量的釩、鈮、鎳等，它們都易于形成強(qiáng)碳化物，同時又細(xì)化晶粒，鎳是提高鋼的韌性，降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度的最有效的元素。它是使基體本身在低溫不易于交叉滑移。從以上的闡述可以看出，16MnR是一種機(jī)械性能和焊接加工性能高于碳鋼的低合金鋼，但也要注意它的使用圍和

16、供貨的要求，才能更好地保證壓力容器選材的有效性、安全性和低成本性。第四要具有良好的塑性和韌性。壓力容器用鋼具有足夠的塑性和韌性儲備是壓力容器抗脆斷的必要條件之一，也是壓力容器各種部件、封頭、筒體、卷制、熱壓成形等制造工藝的需要。16MnR鋼的各種力學(xué)性能見表2.2。表2.1 16MnR的化學(xué)成分 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）CMnSiSP0.201.21.600.200.550.0200.030屈服強(qiáng)度305（MPa）抗拉強(qiáng)度470500（MPa）延伸率20（%）0CV型橫向沖擊功/J 31549061021211表2.2 16MnR的力學(xué)性能2.2 合金元素在16MnR的作用16MnR化學(xué)成分為:C 0.

17、10%0.20%,Si0.3%,Mn 0.5%0.8%.碳是最能提高鋼材強(qiáng)度的元素,但也易于引起焊接淬硬與焊接裂紋,所以在保證強(qiáng)度的條件下,碳的加入量越少越好.低合金高強(qiáng)鋼加入的合金元素有Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V、Nb、B等,雜質(zhì)元素P、S的含量要限制在較低的程度.各種合金元素對低合金鋼組織和性能的影響是很復(fù)雜的,全面了解其中的規(guī)律性是研究、分析和預(yù)測各種低合金鋼與其焊接接頭性能的依據(jù)。各種合金元素在不同程度上改變了鋼的奧氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué),直接影響鋼的淬硬傾向.如C、Mn、Cr、Mo、V、W、Ni和Si等元素都能提高鋼的淬硬傾向,而Ti、Nb、Ta等碳化物形成元素則降低鋼的淬硬傾向

18、。16MnR中，氮作為一種合金元素被廣泛應(yīng)用。按照氮在元素周期表中的位置和其原子半徑判斷，氮在鋼中的作用與碳相似。氮能與鋼中的其他合金元素形成穩(wěn)定的氮化物，這些氮化物往往以彌散的微粒分布，從而細(xì)化晶粒，提高鋼的屈服點(diǎn)和抗脆能力。Cr、Al、Ti、和V合金元素對氮具有較高的親和力，并能形成穩(wěn)定的氮化物。因此，為了充分發(fā)揮氮作為合金元素的作用，鋼中必須同時加入Al、V和Ti等氮化物形成元素。所有這些合金元素或者與Fe形成固溶體，或者形成碳化物（除了Ti、Nb和Ta），都產(chǎn)生了延遲奧氏體分解的作用，并由此提高了鋼的淬硬傾向。各種元素對16MnR的力學(xué)性能和工藝性能的影響，取決于它的含量和同時存在的其

19、它合金元素。熱軋與正火條件下，合金元素對塑性和韌性的影響與其強(qiáng)化作用相反，即強(qiáng)化效果越大，塑性和韌性降低越多，當(dāng)鋼中的合金元素的含量超出一定圍后會出現(xiàn)韌性大幅度下降。因此，為了保證良好的力學(xué)性能和焊接性，要求鋼中的含碳量不大于0.22。此外，添加一些合金元素，如Mn、Cr、Mo、V、W、Ni、Si、B和Cu等。添加這些合金元素主要是為了提高鋼的淬透性和馬氏體的回火穩(wěn)定性。這些元素可以推遲珠光體和貝氏體的轉(zhuǎn)變，使產(chǎn)生馬氏體轉(zhuǎn)變的臨界冷卻速度降低。16MnR具有較高的強(qiáng)度和良好的塑性、韌性和耐磨性，采用不同的合金成分和熱處理工藝，可以獲得不同性能的鋼。鋼的強(qiáng)度級別不同，加入的合金元素與其含量也不同

20、，成分設(shè)計既要能滿足性能要求，又要能滿足其經(jīng)濟(jì)性。低合金鋼的強(qiáng)度越高，屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度比值就越小?？估瓘?qiáng)度與屈服強(qiáng)度之比成為屈強(qiáng)比。強(qiáng)度越高，屈強(qiáng)比越大。低合金高強(qiáng)度鋼的發(fā)展和在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用日益廣泛促進(jìn)了世界各國對其的開發(fā)研究工作的不斷深入。同時，冶金技術(shù)的進(jìn)步，尤其是計算機(jī)自動控制在冶煉、控溫、軋制和熱處理等方面的應(yīng)用，為焊接結(jié)構(gòu)用合金鋼的發(fā)展提供了重要的技術(shù)保證。16MnR為了獲得滿意的強(qiáng)度和韌性的組合，晶粒尺寸必須細(xì)小、均勻，而且應(yīng)是等軸晶。普通低合金C-Mn鋼的鐵素體晶粒尺寸15-20微米，C-Mn-Al鋼的正火約為10微米左右，C-Mn-Nb-Al正火鋼約為5微米左右。目前，美

21、、日、德等國家在設(shè)計上已經(jīng)突破了傳統(tǒng)的合金化概念，不再是單純的依靠增加和調(diào)整鋼中的合金元素來增加鋼的性能。在焊接熱循環(huán)的作用下，焊縫周圍處于固態(tài)的母材發(fā)生明顯的組織變化性能的區(qū)域稱為熱影響區(qū)（HAZ），熱影響區(qū)中的不同部位經(jīng)歷了不同的熱循環(huán)，據(jù)熔合區(qū)越近，加熱的峰值溫度越高，加熱速度和冷卻速度越快，焊后的組織性能變化越大。低合金鋼焊接熱影響區(qū)的組織分布與母材的熱處理狀態(tài)有關(guān)。根據(jù)熱影響區(qū)的組織狀態(tài)不同，其組織可以分為粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)、不完全重結(jié)晶區(qū)和結(jié)晶區(qū)。16MnR含碳量小于0.22%，為了提高淬透性，適量加入C、Mn、Cr、Mo、V、W、Ni和Si等合金元素，具有較高的淬硬性。熱影響區(qū)的顯微

22、組織主要是低碳馬氏體，貝氏體，M-A組織和珠光體組織。2.3 16MnR焊接性分析2.3.116MnR的焊接鋼的焊接性主要取決于化學(xué)成分，鋼種元素對焊接性影響最大的是C，16MnR屬于非熱處理強(qiáng)化鋼，C與合金元素的含量都比較低，總體看來焊接性良好。焊接的問題主要來自兩個方面：焊接裂紋和熱影響區(qū)母材性能的下降。16MnR的焊接性能，主要取決于它的淬透性、回火性和碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。在焊接過程中，部分熱影響區(qū)被加熱到近于鋼的熔點(diǎn)，其它部分也分別被加熱到Ac3以上或Ac1Ac3溫度之間。又因為鋼本身導(dǎo)熱快，迅速的冷卻下來，這樣，熱影響區(qū)的熱循環(huán)分別與淬火，正火或回火的熱循環(huán)相似。若鋼的淬透性過高，在熱影響

23、區(qū)必然有馬氏體形成，而且近熔合線處的晶粒也將非常粗大，鋼的熱影響區(qū)就有發(fā)生脆裂的危險；若碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高時，它一方面使鋼的淬透性提高，另一方面使形成的馬氏體更脆，更硬，在熱影響區(qū)中遠(yuǎn)離熔合線的部分，其綜合機(jī)械性能也會大大降低。因此，希望鋼中能含有某些抗回火軟化和抗回火脆化的合金元素，為了避免接近熔合線部分的晶粒因受高溫而過于粗化，也希望鋼中含有一些細(xì)化晶粒的合金元素。合金元素對鋼材焊接性能的影響，可用焊接碳當(dāng)量來估算。我國目前所廣泛應(yīng)用的普通低合金鋼，其焊接碳當(dāng)量可按下述經(jīng)驗公式計算；Cd=C+Mn/6+Cr/5+Ni/15+Mo/4+V/5+Si/24+P/2+Cu/13焊接碳當(dāng)量（Cd）與材

24、料焊接熱影響區(qū)的最高硬度之間，存在著一定的關(guān)系。一般情況下，材料的硬度越高，則焊接熱影響區(qū)的硬度也越高，特別是對于那些加入各種合金元素提高材料強(qiáng)度的非調(diào)質(zhì)鋼，表現(xiàn)更為明顯。在這些非調(diào)質(zhì)鋼中，由于加入合金元素較多，其焊接碳當(dāng)量增大，焊接熱影響區(qū)的最高硬度隨之提高。這就使出現(xiàn)焊接裂紋的可能性也愈大。16MnR的焊接裂紋，是由焊接熱影響區(qū)的組織，焊接區(qū)域金屬中氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)以與結(jié)構(gòu)件的外部約束等因素的綜合作用所造成的，而焊接熱影響區(qū)的最高硬度，主要反應(yīng)了組織、化學(xué)成分和焊接區(qū)冷卻速度的影響。因此，單純以焊接熱影響區(qū)的硬度或高強(qiáng)度合金綱的碳當(dāng)量來評價焊接裂紋出現(xiàn)的可能性，就往往不能作出正確的判斷。焊接裂

25、紋實驗的結(jié)果也表明，焊接碳當(dāng)量公式和焊接裂紋出現(xiàn)率之間，沒有明顯的規(guī)律性。由此可知，焊接碳當(dāng)量（Cd）只能用來粗略的估計合金鋼的焊接性能。在實際生產(chǎn)中，必須對具體鋼種進(jìn)行一系列的焊接性能實驗，根據(jù)實驗情況制訂切實可行的焊接工藝規(guī)。2.3.2焊接裂紋傾向由于焊接冷裂紋對高強(qiáng)度鋼的焊接結(jié)構(gòu)有嚴(yán)重的危害，近年來世界各國對高強(qiáng)度鋼的焊接冷裂紋進(jìn)行了大量的研究?，F(xiàn)代工業(yè)中高強(qiáng)度鋼焊接結(jié)構(gòu)的大量運(yùn)用，易發(fā)生失效的熔合區(qū)裂紋引起人們的高度重視。焊接熔合區(qū)具有明顯的化學(xué)和物理性能不均勻性，組織性能突變，是焊接接頭中最薄弱的部位，脆性斷裂和焊接裂紋易發(fā)生在該區(qū)域，特別是高強(qiáng)度鋼焊接時尤為明顯。限制焊縫含氫量對于

26、防止焊接冷裂紋至關(guān)重要，鋼材的強(qiáng)度級別越高，冷裂傾向越大，對氫的含量要求就越嚴(yán)格。高效的氣體保護(hù)對焊接冷裂具有比較好的作用。目前，熔合區(qū)的研究大多集中于化學(xué)成分的不均勻性，凝固過渡層、馬氏體脆性層、擴(kuò)散層、殘余應(yīng)力分布等方面。測定靠近焊縫邊緣部位的焊接熱循環(huán)比較困難，受實際測試手段的限制，認(rèn)識仍不統(tǒng)一，尤其是熔合區(qū)中C、H、O的分布。16MnR焊接時，熱影響區(qū)的主要變化是過熱區(qū)脆化和可能發(fā)生的熱應(yīng)變脆化。1) 過熱區(qū)脆化過熱區(qū)加熱溫度在1200固相線溫度圍，比較高的加熱溫度造成奧氏體晶粒的嚴(yán)重粗化與難溶質(zhì)點(diǎn)溶入固溶體，這些都將明顯影響過熱區(qū)的性能。正火鋼的過熱區(qū)脆化與氏組織無關(guān)，除晶粒粗化外，

27、主要是在1200的高溫下，其沉淀強(qiáng)化作用的碳化物和氮化物質(zhì)點(diǎn)分解并溶入奧氏體中，而在隨后的冷卻過程中來不與析出而固溶在基體中，結(jié)果使鐵素體的硬度上升，韌性下降。所以正火鋼的韌性隨線能量的增加而下降。并與沉淀強(qiáng)化的元素有關(guān)。綜上所述，正火鋼過熱區(qū)脆化，實質(zhì)上是由于焊接熱源的高溫作用，使母材焊前正火作用消失的結(jié)果。當(dāng)然，在鋼中若含有較多的碳和合金元素時，也應(yīng)注意快冷時發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變而造成脆化。2)熱影響區(qū)脆化熱影響區(qū)脆化是焊接過程中在熱和應(yīng)變的同時作用下產(chǎn)生的一種應(yīng)變時效，它是由固溶的氮引起的。一般認(rèn)為在200-400最為明顯。若鋼中加入足夠的氮化物形成元素，可以顯著降低熱應(yīng)變脆化傾向，消除熱應(yīng)力

28、脆化的有效措施是焊后熱處理，經(jīng)600消應(yīng)力退火后，材料的韌性可恢復(fù)到原來的水平。3)焊縫的強(qiáng)韌性匹配鋼材的強(qiáng)度性能是焊接高強(qiáng)度鋼的主要力學(xué)性能，屈服強(qiáng)度是工程設(shè)計確定許用的主要依據(jù)，而抗拉強(qiáng)度是強(qiáng)度儲備的重要指標(biāo)。兩者之比稱為屈強(qiáng)比，是一個選擇材料的重要參數(shù)，對不同的用途有不同的要求，低的屈強(qiáng)比有利于加工成形，有較高的結(jié)構(gòu)可靠性；高的屈強(qiáng)比是鋼的強(qiáng)度潛力得到較大的發(fā)揮，具有較大的抗塑性失穩(wěn)能力。焊縫的強(qiáng)度匹配系數(shù)是表征焊接接頭力學(xué)性能非均質(zhì)性的重要參數(shù)之一，焊縫強(qiáng)度與母材強(qiáng)度之比大于1稱為超強(qiáng)匹配，等于1成為等強(qiáng)匹配，小于1稱為低強(qiáng)匹配。16MnR焊縫金屬組織研究的重點(diǎn)是如何提高焊縫的韌性，近

29、年來對其研究的突破性成果是發(fā)現(xiàn)了針狀鐵素體（AF），可以改善原始焊縫的低溫韌性。當(dāng)焊縫中存在高比例的針狀鐵素體時，低溫韌性顯著提高。為了改善組織，提高韌性，對焊縫中的針狀體素體形核機(jī)制的研究具有重要的意義。焊縫中細(xì)小的互相交叉的針狀鐵素體以晶非金屬夾雜物形成核心。但由于針狀鐵素體的形核機(jī)理目前看法仍不統(tǒng)一，有人提出TiN促進(jìn)針狀鐵素體形核，也有人認(rèn)為TiO比TiN更有效，還有的研究提出針狀鐵素體的形核與復(fù)合氧化物有關(guān)。針狀鐵素體與塊狀鐵素體具有不同的斷裂特征，當(dāng)裂紋穿過針狀鐵素體時，通過形變削減前端的應(yīng)力集中，裂紋呈波浪起伏狀態(tài)擴(kuò)展，以形成撕裂韌窩狀斷口，沖擊韌性較高。鐵素體為塊狀時與附近組織

30、形變不協(xié)調(diào)，易在相界處形成裂紋，并以解理斷裂方式穿過鐵素體，對應(yīng)端口形成解理臺階，斷口單元與相應(yīng)顯微組織中的塊狀鐵素體尺寸相當(dāng)，其沖擊韌性比針狀鐵素體組織時低。2.4 16MnR焊接缺陷的分析2.4.1熱影響區(qū)的淬硬傾向16MnR焊接過程中一個重要的特點(diǎn)是熱影響區(qū)有較大的淬硬傾向,其影響因素如下：（一）化學(xué)成分 鋼中化學(xué)成分不同時其淬硬傾向也不同，一般是含碳量和所含合金元素量越高，其淬硬傾向就越大，強(qiáng)度等級高時，含碳量或合金元素較多，故淬硬傾向較大；（二）冷卻速度 焊件在焊接后冷卻速度越大，其淬硬傾向也越大，焊件的冷卻速度決定于二個因素：不能改變的因素：如鋼板的厚度、尺寸大小、接頭形式等。鋼板

31、越厚、尺寸越大時，冷卻速度越大。此外，接頭形式不同時，其散熱情況不同，冷卻速度也不同?？筛淖円蛩兀喝绾附庸に嚪椒?、焊接規(guī)大小和預(yù)熱溫度等，通過調(diào)節(jié)這些因素，可減少熱影響區(qū)的淬硬傾向。2.4.2焊接接頭的冷裂紋在焊接時，常在焊縫金屬和熱影響區(qū)產(chǎn)生冷裂紋。冷裂紋一般是在冷卻過程中產(chǎn)生，有時甚至放置相當(dāng)長的時間后才產(chǎn)生（稱延遲裂紋），冷裂紋產(chǎn)生的原因是：焊接接頭處產(chǎn)生淬硬組織、焊接接頭含氫量較多且殘余應(yīng)力較大。必須指出，只有在上述三個因素同時存在時，才會產(chǎn)生冷裂紋。在生產(chǎn)實踐中，?？烧{(diào)節(jié)其中一個或兩個因素以避免產(chǎn)生冷裂紋。在焊接高強(qiáng)度級的厚板時，在易產(chǎn)生冷裂紋。這是因為其淬硬傾向大、板厚的剛性大、焊

32、接接頭的殘余應(yīng)力也大，焊接接頭易得到淬硬組織。針對冷裂紋產(chǎn)生的三個因素，我們在共上可用下列措施防止或減少冷裂紋的產(chǎn)生：一減少焊接接頭是淬硬組織 將焊件預(yù)熱或提高預(yù)熱溫度、適當(dāng)增加焊接電流、減低焊接速度、控制層間溫度不小于預(yù)熱溫度、焊后緩冷或立即熱處理，都可減低焊接接頭的冷卻速度，以減少其淬硬組織。二減少焊接接頭的含氫量 必須嚴(yán)格控制氫的侵入，如對焊件、焊絲要嚴(yán)格清除油和銹、低氫焊條在焊前應(yīng)嚴(yán)格烘干，以降低焊縫的焊氫量。三減少焊件的殘余應(yīng)力。2.4.3焊接接頭的熱裂紋熱裂紋的特征是沿晶界開裂，裂縫表面有明顯的氧化膜顏色，多數(shù)裂紋分布在焊縫中心，沿焊縫縱向呈不規(guī)則的鋸齒形，也可能近縫區(qū)出現(xiàn)橫向裂紋

33、。影響熱裂紋的因素是：一金屬的化學(xué)成分與成分偏析低合金結(jié)構(gòu)鋼碳和硫的增多，會形成低熔點(diǎn)共晶，當(dāng)液態(tài)金屬冷卻結(jié)晶時，液態(tài)的低熔點(diǎn)共晶偏析于晶界處最后凝固，此時晶界的強(qiáng)度很低，在焊接應(yīng)力作用下沿晶開裂，即為熱裂紋。錳在鋼中可與硫形成MnS而減少硫的不良影響，因而具有抗裂作用。我國的普通低合金鋼部分含有一定量的錳。故其抗熱裂性比普通低碳鋼要好些。此外，鋼中含銅會增加熱裂傾向。由于基本金屬是碳、硫含量一般高于焊縫金屬，在焊接時減少金屬的熔合比，可降低普通的碳、硫含量而減少熱裂傾向。二焊縫橫斷面的形狀與熱裂紋傾向也有關(guān)，狹而深的焊縫使偏析集中于焊縫的中心部分，熱裂傾向大，易形成中心線裂紋。寬而淺的焊縫使

34、偏析物浮于焊縫表面，熱裂傾向小。三焊件的殘余應(yīng)力主要決定于焊件的剛性、裝配和焊接工藝、焊件剛性大、裝配和焊接時造成的殘余應(yīng)力大時，易造成熱裂紋。2.4.4粗晶區(qū)脆化被加熱到1200以上的熱影響區(qū)可能產(chǎn)生粗晶區(qū)脆化，韌性明顯降低。這是由于熱軋鋼焊接時，采用過大的焊接線能量，粗晶區(qū)將因晶粒長大或出現(xiàn)氏組織等而降低韌性；線能量過小，會由于粗晶區(qū)中馬氏體組織的比例增大，而降低韌性，這在焊接含碳量偏高的熱軋鋼時較明顯。對于含碳量較少的熱軋鋼，應(yīng)選用較小的焊接線能量；對含碳量偏高的熱軋鋼，焊接線能量要適中；對于含碳、氮化物形成元素的正火鋼，應(yīng)選用較小的焊接線能量。2.4.5熱應(yīng)變脆化熱應(yīng)變脆化產(chǎn)生在焊接熔

35、合區(qū)與最高加熱溫度低于Ac1的亞臨界熱影響區(qū)。對于C-Mn系熱軋鋼與含氮量較高的鋼，一般認(rèn)為熱應(yīng)變脆化是由于氮、碳原子聚集在位錯周圍，對位錯造成釘軋作用造成的。如有缺口效應(yīng)，會使亞臨界熱影響區(qū)的熱應(yīng)變脆化更為嚴(yán)重。熔合區(qū)易于產(chǎn)生熱應(yīng)變脆化與此區(qū)域常存在缺口性質(zhì)的缺陷和不利組織有關(guān)。在鋼中加入氮化物形成元素，可以降低熱應(yīng)變脆化傾向，如16Mn比15MnVN的熱應(yīng)變脆化傾向大；退火處理也可大幅度地恢復(fù)韌性，降低熱應(yīng)變脆化，如16Mn經(jīng)6001h退火處理后，脆性轉(zhuǎn)變溫度大幅度提高。2.4.6層狀撕裂層狀撕裂發(fā)生在具有角接接頭或丁字接頭的厚板焊接結(jié)構(gòu)。在鋼材厚度方向承受較大的拉伸應(yīng)力時，可能沿鋼材軋制

36、方向發(fā)生階梯狀的層狀撕裂。合理選擇層狀撕裂敏感性小的鋼材、改善接頭形式以減輕鋼板Z向所承受的應(yīng)力應(yīng)變、在滿足產(chǎn)品使用要求的前提下選用強(qiáng)度級別低的焊接材料或采用預(yù)熱與降氫等措施，有利于防止層狀撕裂的發(fā)生。2.5 20MnMoNb的化學(xué)成分和力學(xué)性能20MnMoNb是一種低合金高強(qiáng)鋼，屬于細(xì)品粒熱處理強(qiáng)化鋼，供貨狀態(tài)為調(diào)質(zhì)處理，即在870水淬后，630進(jìn)行高溫回火。低合金高強(qiáng)度鋼具有高的屈服強(qiáng)度與良好的塑性和韌性，有良好的焊接性能，具有一定的耐蝕性，熱加工性能和低碳鋼相近。目前，我國生產(chǎn)的低合金高強(qiáng)鋼品種較多，由于產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高和生產(chǎn)成本降低，使其在橋梁，船舶，車輛，起重機(jī)和農(nóng)機(jī)等領(lǐng)域得到了廣泛

37、的應(yīng)用。20MnMoNb其化學(xué)成分見表2.3，力學(xué)性能見表2.4。表2.3 20MnMoNb的化學(xué)成分 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）CSiMnMoNbCrSPNiCu0.170.230.170.371.301.600.450.650.0250.0500.300.0350.0350.300.25表2.4 20MnMoNb的力學(xué)性能公稱厚度(mm)熱處理狀態(tài)回火溫度（）b（MP）s（MP)5(%)Akv(J)HB300調(diào)質(zhì)6306207904701641185235300500調(diào)質(zhì)63061078046016411802332.6 合金元素對20MnMoNb性能的影響20MnMoNb的化學(xué)成分為：C 0.17%

38、0.23%，Si 0.17%0.37%，Mn 1.30%1.60%,Mo 0.45%0.65，Nb 0.025%0.050。各種合金元素對低合金鋼組織和性能的影響是很復(fù)雜的。2.6.1 C的影響鋼中含碳量增加，屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度升高，但塑性和沖擊性降低，當(dāng)碳量0.23%超過時，鋼的焊接性能變壞，因此用于焊接的低合金結(jié)構(gòu)鋼，含碳量一般不超過0.20%。碳量高還會降低鋼的耐大氣腐蝕能力，在露天料場的高碳鋼就易銹蝕；此外，碳能增加鋼的冷脆性和時效敏感性。2.6.2 Si的影響在煉鋼過程中加硅作為還原劑和脫氧劑，所以鎮(zhèn)靜鋼含有0.150.30%的硅。如果鋼中含硅量超過0.50-0.60%,硅就算合金元素

39、。硅能顯著提高鋼的彈性極限，屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度，故廣泛用于作彈簧鋼。在調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼中加入1.01.2%的硅，強(qiáng)度可提高1520%。硅和鉬、鎢、鉻等結(jié)合，有提高抗腐蝕性和抗氧化的作用，可制造耐熱鋼。含硅14%的低碳鋼，具有極高的導(dǎo)磁率，用于電器工業(yè)做矽鋼片。硅量增加，會降低鋼的焊接性能。2.6.3 Mn的影響在煉鋼過程中，錳是良好的脫氧劑和脫硫劑，一般鋼中含錳0.300.50%。在碳素鋼中加入0.70%以上時就算“錳鋼”，較一般鋼量的鋼不但有足夠的韌性，且有較高的強(qiáng)度和硬度，提高鋼的淬性，改善鋼的熱加工性能，如16Mn鋼比A3屈服點(diǎn)高40%。含錳1114%的鋼有極高的耐磨性，用于挖土機(jī)鏟斗，球磨機(jī)襯

40、板等。錳量增高，減弱鋼的抗腐蝕能力，降低焊接性能。2.6.4 Mo的影響鉬能使鋼的晶粒細(xì)化，提高淬透性和熱強(qiáng)性能，在高溫時保持足夠的強(qiáng)度和抗蠕變能力(長期在高溫下受到應(yīng)力，發(fā)生變形，稱蠕變)。結(jié)構(gòu)鋼中加入鉬，能提高機(jī)械性能。還可以抑制合金鋼由于火而引起的脆性。在工具鋼中可提高紅性。2.6.5 Nb的影響鈮能細(xì)化晶粒和降低鋼的過熱敏感性與回火脆性，提高強(qiáng)度，但塑性和韌性有所下降。在普通低合金鋼中加鈮，可提高抗大氣腐蝕與高溫下抗氫、氮、氨腐蝕能力。鈮可改善焊接性能。在奧氏體不銹鋼中加鈮，可防止晶間腐蝕現(xiàn)象。2.7 20MnMoNb的焊接性分析鋼的焊接性主要取決于化學(xué)成分，鋼種元素對焊接性影響最大的

41、是C，20MnMoNb屬于低合金高強(qiáng)化鋼，C與合金元素的含量比較高，故20MnMoNb的冷裂大，焊接性差。由于20MnMoNb鋼母材的性能，以與其成分焊接的影響，便決定留在實際的焊接過程中焊接的問題主要來自兩個方面：焊接裂紋和熱影響區(qū)母材性能的下降。2.7.1.焊接中的結(jié)晶裂紋 熱軋與正火鋼的含碳量比較低，并且含有一定的錳，Mn/S比值一般可以達(dá)到防止結(jié)晶裂紋的要求，20MnMoNb鋼的焊接時若碳和硫同時居上限或存在嚴(yán)重的偏析，則有產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的可能。在這種情況下，應(yīng)采取必要的防治措施。圖2.1所示碳、硫和錳對結(jié)晶裂紋的影響曲線可知，為了防止結(jié)晶裂紋，應(yīng)在提高焊接錳量的同時降低碳、硫的含量。具

42、體措施可選用脫硫能力較強(qiáng)的低氫型焊條，埋弧焊時選用超低碳焊絲配合高錳高硅焊劑，并從工藝上降低融合比。 圖2.1 C、S、Mn對焊接接頭結(jié)晶裂紋的影響防止結(jié)晶裂紋的措施主要從冶金和工藝兩個方面著手，其中冶金方面更重要一些?？刂坪缚p中的硫、磷、碳等有害元素的含量對熔池進(jìn)行變質(zhì)處理 可細(xì)化晶粒，可提高力學(xué)性能和抗結(jié)晶能力調(diào)整熔渣的堿度 堿度越高，熔池中的脫硫、脫氧越完全調(diào)節(jié)焊接參數(shù)以得到抗裂能力較強(qiáng)的焊縫成形系數(shù)調(diào)整冷卻速度調(diào)整焊接順序，降低拘束應(yīng)力2.7.2 焊接冷裂紋國際焊接學(xué)會（W）碳當(dāng)量計算公式：CE=C+Mn/6+(Cr+Mn+V)/5 +(Cr+Ni)/15()計算出20MnMoNb的含

43、碳量為0.573說明有一定的冷裂傾向，需要采取必要的工藝措施。生成冷裂紋的三個基本因素如下：氫的影響 導(dǎo)致接頭產(chǎn)生冷裂紋的氫主要是擴(kuò)散氫。實驗證明，隨著焊縫中擴(kuò)散氫含量的增加，冷裂紋率提高。例如，用含有較多有機(jī)物的焊條（如氧化鈦纖維素型）進(jìn)行焊接，出現(xiàn)了大量的焊道下裂紋；而用低氫型焊條焊接時，則出現(xiàn)或很少出現(xiàn)焊道裂紋。如圖2.2所示在電弧氣氛中加入不同量的氫實驗的結(jié)果，焊道下裂紋率也隨著焊氫量的增加而上升。 圖2.2 電弧氣氛中含氫量對焊道下裂紋率的影響a）試件尺寸 b）裂紋率與氣氛中的含碳量鋼的淬透性 一般來說鋼的淬硬傾向越大，則接頭中出現(xiàn)馬氏體的可能性越大越易產(chǎn)生冷裂紋。特別是合金鋼含有較

44、多的合金元素增加了鋼的淬透性，在焊接后冷速很大的時候易產(chǎn)生馬氏體，馬氏體含量對冷裂紋率的影響如圖2.3所示，可以看出，冷卻速度提使馬氏體含量增加，導(dǎo)致裂紋率上升。這個規(guī)律對各種鋼都是適用的，只是鋼種的化學(xué)成分不同時，因馬氏體的形態(tài)不同而產(chǎn)生冷裂紋的臨界馬氏體含量不同?？傊摲N的淬硬傾向決定了接頭中硬脆組織的數(shù)量，是促使冷裂紋形成的又一重要因素。（3）焊接接頭的拘束應(yīng)力 焊接接頭的拘束應(yīng)力包括接頭在焊接過程中因加熱不均勻所承受的熱應(yīng)力、相變力、結(jié)構(gòu)自身幾何因素所決定的應(yīng)力。上述三方面的應(yīng)力都是不可避免，由于都與拘束條件有關(guān)而統(tǒng)稱為拘束應(yīng)力，拘束應(yīng)力也是形成冷裂紋的重要因素之一。上述三個要素的作

45、用是相互聯(lián)系，相互制約的，不同條件下起主要作用的因素不同。CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)+(Cr+Ni)/15() * MERGEFORMAT 錯誤！未指定書簽。圖2.3 馬氏體含量與冷卻速度的關(guān)系與其對熱影響區(qū)冷率的影響RF拘束度2.7.3 消除應(yīng)力裂紋消除應(yīng)力裂紋又稱為再熱裂紋。經(jīng)研究確認(rèn)，消除應(yīng)力裂紋的產(chǎn)生是由于晶界優(yōu)先滑動而導(dǎo)致微裂紋發(fā)生并擴(kuò)展所致。即焊后再熱時，在殘余應(yīng)力松弛過程中，粗晶區(qū)應(yīng)力集中部位的晶界滑動變形量超過了該部位的塑性變形量超過了該部位的塑性變形能力，就會產(chǎn)生消除應(yīng)力裂紋。理論上消除應(yīng)力裂紋產(chǎn)生的條件可用下式表示 ee0式中e粗晶區(qū)局部晶界的實際塑性應(yīng)變；e0

46、粗晶區(qū)局部晶界的塑性變形能力，即不產(chǎn)生開裂的臨界應(yīng)變量。防止消除應(yīng)力裂紋的措施：選用對消除應(yīng)力裂紋敏感性低的母材；選用低強(qiáng)高塑性的焊接材料；控制結(jié)構(gòu)剛性與焊接殘余應(yīng)力；工藝方面的措施；1）預(yù)熱 預(yù)熱可減少馬氏體的冷卻速度，減少馬氏體裂紋的產(chǎn)生。2）焊后與時進(jìn)行后熱處理 適當(dāng)減低焊縫的冷卻速度，改善焊縫的組織性能，減低裂紋產(chǎn)生的可能性。3)控制線能量 選用小的線能量可降低裂的概率。 低碳鋼都含有Cr、Mo、V、Nb、Ti、B等提高消除應(yīng)力裂紋敏感性的元素，其中作用最大的是V，其次是Mo，因而二者共存時情況最嚴(yán)重。一般認(rèn)為Mo-V鋼，特別是Cr-Mo-V鋼對消除應(yīng)力裂紋的敏感性最高，Mo-B鋼、C

47、r-V鋼也有一定的敏感性。不同成分的鋼對消除應(yīng)力裂紋敏感的溫度不盡一樣，焊接時可通過降低退火溫度、進(jìn)行適當(dāng)預(yù)熱或后熱等措施，防止消除應(yīng)力裂紋。2.7.4 層狀撕裂層狀撕裂產(chǎn)生的根本原因是鋼中存在夾雜物。鋼在軋制過程中夾雜物被軋成片狀，平行于鋼板表面眼軋制方向分布。這種片狀夾雜物的存在，大大削弱鋼板在厚度方向的力學(xué)性能，特別是斷面收縮率（Ak）大大降低。防止層狀撕裂的措施(1)控制夾雜物，特別是硫化物 薄片狀夾雜物相當(dāng)于金屬部尖銳的缺口，使鋼板的Z向力學(xué)性能大大降低，經(jīng)實驗證明，當(dāng)鋼種含硫量極低時，各個方向的 塑性指標(biāo)均有提高，層狀撕裂敏感性隨之降低。（2）防止母材脆化 焊接中發(fā)生過熱區(qū)粗晶脆化

48、、應(yīng)變時效脆化與氫脆等，母材層狀撕裂的敏感性明顯增加，在焊接中應(yīng)采取預(yù)熱、保溫緩冷、控制層間溫度等降低冷卻速度。（3）設(shè)計和工藝上的措施 1）盡量采用雙側(cè)焊縫，避免單側(cè)焊縫?？梢跃徍秃缚p根部的應(yīng)力分布并減小應(yīng)力集中。 2）在強(qiáng)度允許的條件下，盡量采用焊接量小的對稱角焊縫來代替焊接量大的全焊透焊縫，以減小應(yīng)力。3）對于T形接頭可在橫板上預(yù)堆焊一層強(qiáng)度低的金屬，以防止出現(xiàn)焊根裂紋，可緩解作用在橫板上Z向應(yīng)力。2.7.5熱影響區(qū)性能的變化熱軋與正火鋼焊接時，熱影響區(qū)性能的主要變化是過熱區(qū)脆化和可能發(fā)生的熱應(yīng)變脆化。1.過熱區(qū)脆化 過熱區(qū)的加熱溫度在1200固相溫度圍，高的加熱溫度造成奧氏體晶粒嚴(yán)重粗

49、化與難熔質(zhì)點(diǎn)（氮化物、碳化物）溶入固溶體，在這些都將明顯影響過熱區(qū)的性能。具體變化則隨鋼種成分不同而異，而且與焊接工藝（主要是線能量）有密切關(guān)系。 正火鋼的過熱區(qū)催化的原因與氏組織無關(guān)，除晶粒粗化外，主要是由于在1200的高溫下，起沉淀強(qiáng)化作用的碳化物、氮化物質(zhì)點(diǎn)分解并溶解于奧氏體中，而在隨后的冷卻過程中來不與在析出而固溶在基體中，結(jié)果使鐵素體的硬度上升，韌性下降。所以正火鋼過熱區(qū)的韌性隨線能量的增加而下降，并與沉淀強(qiáng)化元素的含量有關(guān)。其實質(zhì)是由于焊接熱源的高溫作用，使母材焊前的正火效果消失的結(jié)果。當(dāng)然，在鋼中若含有較多的碳和合金元素時（如20MnMoNb鋼），也應(yīng)注意快冷時發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變而造

50、成的脆化。2.熱應(yīng)變脆化 熱應(yīng)變脆化是焊接過程中在熱和應(yīng)變同時作用下產(chǎn)生的一種應(yīng)變時效，它是由于固溶的氮所引起的。它的形成機(jī)理雖有很多的論述，但至今尚未有明確、一致的結(jié)論，多數(shù)人認(rèn)為，是碳、氮原子集聚在位錯附近對位錯產(chǎn)生釘扎作用而引起的。一般認(rèn)為在200400是最為明顯，消除應(yīng)變脆化的有效措施是進(jìn)行焊后熱處理，經(jīng)600左右的消除應(yīng)力退火后，材料的韌性可恢復(fù)到原來的水平。2.820MnMoNb焊接缺陷的分析2.8.1 結(jié)晶裂紋盡管有些低碳鋼中含有一定的Ni，但對結(jié)晶裂紋的敏感性比某些熱軋與正火鋼還低些。也就是說，這類鋼的化學(xué)成分可以滿足防止結(jié)晶裂紋的要求。2.8.2 熱影響區(qū)液化裂紋液化裂紋常出

51、現(xiàn)于表2.5所列的高鎳的低碳調(diào)質(zhì)鋼中，但如鋼中的碳，硫都很低，即使鎳的含量相當(dāng)高，對液化裂紋也不敏感。表2.5 幾種易發(fā)生液化裂紋的低碳調(diào)質(zhì)鋼成分w（%）類別牌號CMnSiCrNiMoVNb鍛件14Cr2Ni4MoV0.120.140.70.80.220.291.424.784.40.390.410.070.0210.039鋼板10CrNi4 MoV0.0150.100.540.590.360.430.550.634.154.460.490.580.070.08鋼板12Ni3Cr MoV0.110.120.480.500.260.340.12.692.80.220.240.060.07Ti0.

52、24除了化學(xué)成分外，工藝因素的作用也很重要，其中首要因素是焊接線能量。線能越大，過熱區(qū)晶粒越粗大，晶界面積減少，容易形成液態(tài)薄膜，液化裂紋的敏感性加大。因此埋弧焊比焊條電弧焊更容易出現(xiàn)液化裂紋，而后者只有在母材的液化裂紋敏感性很高的情況下才會出現(xiàn)。此外，熔池形狀對液化裂紋的敏感性也有明顯影響，如液化裂紋很容易產(chǎn)生在蘑菇狀熔池凹進(jìn)處的熱影響區(qū)中。熔池斷面形狀與焊接方法，焊接參數(shù)有關(guān)。這點(diǎn)也可以說明，焊接參數(shù)的調(diào)整對某些鋼種來說是個既重要而又復(fù)雜的問題。2.8.3冷裂紋低碳鋼中加入了較多的提高淬透性的合金元素，提高過冷奧氏體的穩(wěn)定性，因此在焊接條件下，一般不會發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，容易得到馬氏體和貝氏體

53、。馬氏體屬淬火組織，但由于含碳量低，仍保持較高的韌性。而且這類鋼的Ms點(diǎn)比較高，如果在Ms點(diǎn)附近的冷速比較低，Ms點(diǎn)后就形成一次“自回火”過程，使韌性得到改善，而且避免產(chǎn)生冷裂紋。反之，若在Ms點(diǎn)附近的冷速較高，不能實現(xiàn)“自回火”，在焊接應(yīng)力的作用下就很可能產(chǎn)生冷裂紋。因此，從防止冷裂紋的角度考慮，焊接低碳鋼時，希望高溫時冷速較高，而在Ms點(diǎn)附近的冷速要低些。低碳鋼對擴(kuò)散H比較敏感，當(dāng)對H控制不嚴(yán)時，冷裂紋敏感性還是相當(dāng)高的。消除應(yīng)力裂紋低碳鋼都含有Cr、Mo、V、Nb、Ti、B等提高消除應(yīng)力裂紋敏感性的元素，其中作用最大的是V，其次是Mo，因而二者共存時情況最嚴(yán)重。一般認(rèn)為Mo-V鋼，特別是

54、Cr-Mo-V鋼對消除應(yīng)力裂紋的敏感性最高，Mo-B鋼、Cr-V鋼也有一定的敏感性。不同成分的鋼對消除應(yīng)力裂紋敏感的溫度不盡一樣，焊接時可通過降低退火溫度、進(jìn)行適當(dāng)預(yù)熱或后熱等措施，防止消除應(yīng)力裂紋。低碳鋼一般采用先進(jìn)的技術(shù)冶煉，對雜質(zhì)控制嚴(yán)格，抗層狀撕裂能力較好，目前尚未發(fā)現(xiàn)層狀撕裂的報導(dǎo)。3 焊接工藝的擬定計算碳當(dāng)量是確定鋼材焊接性的一種方法。各國計算碳當(dāng)量的公式各有不同，我們計算碳當(dāng)量則采用國際焊接協(xié)會(IIW)推薦的碳當(dāng)量計算式Ce=C+Mn6+Cr5+Mo4+Cu13+V/5+Si24（）。通過計算得出16MnR鋼是我國壓力容器行業(yè)使用最廣泛的一種低合金高強(qiáng)鋼，其CeO.5，16Mn

55、R的Ce0.5，如果焊接工藝不當(dāng)，會使基本金屬的焊接熱循環(huán)惡化，在熱影響區(qū)產(chǎn)生淬硬組織，加上應(yīng)力的存在，很容易在熱影響區(qū)產(chǎn)生冷裂紋。為保證良好的焊接接頭質(zhì)量，避免焊接冷裂紋的產(chǎn)生，綜合考慮這兩種鋼的焊接冷裂紋敏感性，通過試驗確定預(yù)熱溫度為230，層間溫度為200250，焊后直接進(jìn)行去應(yīng)力熱處理。3.1 焊接方法與焊材選擇焊接方法采用手工鎢極氬弧焊打底，焊條電弧焊填充與蓋面。焊條電弧焊是用手工操縱焊條進(jìn)行焊接的電弧焊方法。它利用焊條于焊件之間建立起來的穩(wěn)定燃燒的電弧，使焊條和焊件熔化，從而獲得牢固的焊接接頭，其原理如圖3.1所示。焊接工程中，藥皮不斷分解，熔化而生成氣體與熔渣，保護(hù)焊條端部，電弧

56、，熔池與其附近區(qū)域，防止大氣對熔化金屬的有害污染。焊條芯也在電弧熱作用下不斷熔化，進(jìn)入熔池，成為焊縫的填充金屬。圖3.1焊條電弧焊的原理1藥皮 2焊芯 3保護(hù)氣 4電弧 5熔池6母材7焊縫 8焊渣 9熔渣 10熔滴埋弧焊是以連續(xù)送給的焊絲作為電極和填充金屬。焊接時，在焊接區(qū)的上面覆蓋一層顆粒狀焊劑，電弧在焊劑層下燃燒，將焊絲端部和局部母材熔化形成焊縫。在電弧熱的作用下，上部分焊劑熔化熔渣并與液態(tài)金屬發(fā)生冶金反應(yīng)。熔渣浮在金屬熔池的表面，一方面可以保護(hù)焊縫金屬，防止空氣的污染，并與熔化金屬產(chǎn)生物理化學(xué)反應(yīng)，改善焊縫金屬的成分與性能；另一方面還可以使焊縫金屬緩慢泠卻。埋弧焊可以采用較大的焊接電流。

57、與手弧焊相比，其最大的優(yōu)點(diǎn)是焊縫質(zhì)量好，焊接速度高。因此，它特別適于焊接大型工件的直縫或環(huán)縫。而且多數(shù)采用機(jī)械化焊接。埋弧焊已廣泛用于碳鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼和不銹鋼的焊接。由于熔渣可降低接頭冷卻速度，故某些高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼、高碳鋼等也可采用埋弧焊焊接.它的主要缺點(diǎn)是:1由于埋弧焊是依靠顆粒狀焊劑堆積形成保護(hù)條件，因此主要適用于水平焊縫。2由于埋弧焊焊劑的主要成分是氧化錳、二氧化硅等金屬與非金屬氧化物,難以用來焊接鋁、鈦等氧化性較強(qiáng)的金屬與其合金。3只適用于長焊縫的焊接。4由于埋弧焊電弧的電場強(qiáng)度較大,電流小于100A時，電弧的穩(wěn)定性不好，因此不適合焊接厚度小于1mm的薄板。選擇焊接材料時，應(yīng)保證焊縫金

58、屬的強(qiáng)度、韌性和塑性等性能符合產(chǎn)品設(shè)計要求。選擇與母材強(qiáng)度相當(dāng)?shù)暮附硬牧?，并綜合考慮焊縫金屬的韌性、塑性與焊接接頭的抗裂性。焊縫金屬的強(qiáng)度不低于或高于母材強(qiáng)度的下限值即可。根據(jù)表3.1、表3.2化學(xué)成分與力學(xué)性能的比較，20MnMoNb與16MnR為異種低合金高強(qiáng)鋼焊接，焊條選用E50154.0或3.2，焊絲選用H08Mn2SiA。電焊條烘干溫度350，烘干1小時。焊條干燥后放置4小時以上的焊條應(yīng)重新進(jìn)行干燥，干燥超過兩次以上并被水淋濕的焊條報廢不用，藥皮開裂和偏心超標(biāo)也不用。電焊條放在保溫桶，隨用隨取。表3.1 16MnR與20MnMoNb的化學(xué)成分鋼號化學(xué)成分CSiMnMoNbCrSP16

59、MnR0.200.200.501.201.600.0300.03520MnMoNb0.170.231.170.371.301.600.450.650.0250.050.300.0350.035表3.2 16MnR與20MnMoNb的力學(xué)性能鋼號b/MPas/MPa s/（100%） Akv/J(-20)16MnR575425 27 2220MnMoNb620790470 16 413.2 焊前準(zhǔn)備組對前對20MnMoNb與16MnR兩側(cè)20mm圍用拋光機(jī)將鐵銹、油污與雜物清理干凈。組對時20MnMoNb與16MnR的錯口量應(yīng)小于2mm。20MnMoNb與16MnR坡口間隙應(yīng)為4mm。組對時點(diǎn)焊

60、長度不小于50mm，成對稱的點(diǎn)焊四處，施焊前用砂輪機(jī)將點(diǎn)焊部位打磨掉。3.3預(yù)熱和焊后熱處理焊前預(yù)熱是防止冷裂紋、降低焊縫和熱影響區(qū)冷卻速度、減小應(yīng)力和改善接頭性能的重要措施。預(yù)熱溫度受母材強(qiáng)度、焊條類型、坡口形式、環(huán)境溫度等因素的影響，并可利用其中有關(guān)經(jīng)驗公式進(jìn)行初步估算。用電阻絲將整個坡口兩側(cè)100mm圍進(jìn)行加熱，加熱溫度達(dá)到140焊接。焊接程中，由電腦溫控儀控制電阻絲持續(xù)加熱，保證焊道溫度在180。測溫時每道焊縫測6處，每處測3點(diǎn)(焊縫溫度，焊縫兩側(cè)各50mm處母材溫度)，每道焊縫的溫差在10。焊后熱處理的目的是為了消除焊接應(yīng)力、提高構(gòu)件尺寸的穩(wěn)定性、增強(qiáng)抗應(yīng)力腐蝕性能、改善接頭組織與力