［精品］16mnr与20mnmonb异种钢的焊接工艺设计

［精品］16mnr与20mnmonb异种钢的焊接工艺设计内容摘要：

≤ ～ ～ ≤ ≤ 表 16MnR的力学性能 合金元素在 16MnR 的作用 16MnR化学成分为 :C %～ %,Si≤%,Mn %～ %.碳是最能提高钢材强度的元素 ,但也易于引起焊接淬硬及焊接裂纹 ,所以在 保证强度的条件下 ,碳的加入量越少越好 .低合金高强钢加入的合金元素有 Si、 Mn、 Cu、 Ni、 Cr、Mo、 V、 Nb、 B 等 ,杂质元素 P、 S 的含量要限制在较低的程度 .各种合金元素对低合金钢组织和性能的影响是很复杂的 ,全面了解其中的规律性是研究、分析和预测各种低合金钢及其焊接接头性能的依据。 各种合金元素在不同程度上改变了钢的奥氏体转变动力学 ,直接影响钢的淬硬倾向 .如 C、 Mn、 Cr、 Mo、 V、 W、 Ni 和 Si 等元素都能提高钢的淬硬倾向 ,而Ti、 Nb、 Ta 等碳化物形成元素则降低钢的淬硬倾向。 16MnR 中，氮作为一种合金元素被广泛应用。 按照氮在元素周期表中的位置和其原子半径判断，氮在钢中的作用与碳相似。 氮能与钢中的其他合金元素形成稳定的氮化物，这些氮化物往往以弥散的微粒分布，从而细化晶粒，提高钢的屈服点和抗脆能力。 Cr、 Al、 Ti、 和 V合金元素对氮具有较高的亲和力，并能形成稳定的氮化物。 因此，为了充分发挥氮作为合金元素的作用，钢中必须同时加入 Al、 V和 Ti 等氮化物形成元素。 所有这些合金元素或者与 Fe 形成固溶体，或者形成碳化物（除了 Ti、 Nb和 Ta），都产生了延迟奥氏体分解的作用，并由此提高了钢的淬硬倾向。 各种元素对 16MnR 的力学性能和工艺性能的影响，取决于它的含量和同时存在的其它合金元素。 热轧及正火条件下，合金元素对塑性和韧性的影响与其强化作用相反，即强化效果越大，塑性和韧性降低越多，当钢中的合金元素的含量超出一定范围后会出现韧性大幅度下降。 因此，为了保证良好的力学性能和焊接性，要求钢中的含碳量不大于 ％。 此外，添加一些合金元素，如 Mn、 Cr、 Mo、 V、 W、 Ni、 Si、 B 和 Cu等。 添加这些合金元素主要是为了提高钢的淬透性和马氏体的 回火稳定性。 这些元素可以推迟珠光体和贝氏体的转变，使产生马氏体转变的临界冷却速度降低。 16MnR 具有较高的强度和良好的塑性、韧性和耐磨性，采用不同的合金成分和热处理工艺，可以获得不同性能的钢。 钢的强度级别不同，加入的合金元素及其含量也不同，成分设计既要能满足性能要求，又要能满足其经济性。 低合金钢的强度越高，屈服强度与抗拉强度比值就越小。 抗拉强度与屈服强度之比成为屈强比。 强度越高，屈强比越大。 低合金高强度钢的发展和在工程结构中的应用日益广泛促进了世界各国对其的开发研究工作的不断深入。 同时，冶金技术的进步， 尤其是计算机自动控制在冶炼、控温、轧制和热处理等方面的应用，为焊接结构用合金钢的发展提供了重要的技屈服强度 ≥ 305（ MPa） 抗拉强度 470～ 500（ MPa） 延伸率 ≥ 20（ %） 0186。 CV型横向冲击功 /J ≥ 315 490~610 ≥ 21 211 术保证。 16MnR 为了获得满意的强度和韧性的组合，晶粒尺寸必须细小、均匀，而且应是等轴晶。 普通低合金 CMn 钢的铁素体晶粒尺寸 1520 微米， CMnAl 钢的正火约为 10 微米左右， CMnNbAl 正火钢约为 5 微米左右。 目前，美、日、德等国家在设计上已经突破了传统的合金化概念，不再是单纯的依靠增加和调整钢中的合金元素来增加钢的性能。 在焊接热循环的作用下，焊缝周围处于固态的母材发生明显的组织变化性能的区域 称为热影响区（ HAZ），热影响区中的不同部位经历了不同的热循环，据熔合区越近，加热的峰值温度越高，加热速度和冷却速度越快，焊后的组织性能变化越大。 低合金钢焊接热影响区的组织分布与母材的热处理状态有关。 根据热影响区的组织状态不同，其组织可以分为粗晶区、细晶区、不完全重结晶区和结晶区。 16MnR 含碳量小于 %，为了提高淬透性，适量加入 C、 Mn、Cr、 Mo、 V、 W、 Ni 和 Si 等合金元素，具有较高的淬硬性。 热影响区的显微组织主要是低碳马氏体，贝氏体， MA 组织和珠光体组织。 16MnR 焊接性分析 16MnR 的焊接 钢的焊接性主要取决于化学成分，钢种元素对焊接性影响最大的是 C， 16MnR属于非热处理强化钢 ， C及合金元素的含量都比较低，总体看来焊接性良好。 焊接的问题主要来自两个方面：焊接裂纹和热影响区母材性能的下降。 16MnR 的焊接性能，主要取决于它的淬透性、回火性和碳的质量分数。 在焊接过程中，部分热影响区被加热到近于钢的熔点，其它部分也分别被加热到 Ac3以上或 Ac1～ Ac3 温度之间。 又因为钢本身导热快，迅速的冷却下来，这样，热影响区的热循环分别与淬火，正火或回火的热循环相似。 若钢的淬透性 过高，在热影响区内必然有马氏体形成，而且近熔合线处的晶粒也将非常粗大，钢的热影响区就有发生脆裂的危险；若碳的质量分数高时，它一方面使钢的淬透性提高，另一方面使形成的马氏体更脆，更硬，在热影响区中远离熔合线的部分，其综合机械性能也会大大降低。 因此，希望钢中能含有某些抗回火软化和抗回火脆化的合金元素，为了避免接近熔合线部分的晶粒因受高温而过于粗化，也希望钢中含有一些细化晶粒的合金元素。 合金元素对钢材焊接性能的影响，可用焊接碳当量来估算。 我国目前所广泛应用的普通低合金钢，其焊接碳当量可按下述经验公式计算； Cd=C+Mn/6+Cr/5+Ni/15+Mo/4+V/5+Si/24+P/2+Cu/13 焊接碳当量（ Cd）与材料焊接热影响区的最高硬度之间，存在着一定的关系。 一般情况下，材料的硬度越高，则焊接热影响区的硬度也越高，特别是对于那些加入各种合金元素提高材料强度的非调质钢，表现更为明显。 在这些非调质钢中，由于加入合金元素较多，其焊接碳当量增大，焊接热影响区的最高硬度随之提高。 这就使出现焊接裂纹的可能性也愈大。 16MnR 的焊接裂纹，是由焊接热影响区的组织，焊接区域金属中氢的质量分数以及结构件的外部约束等因素的综合 作用所造成的，而焊接热影响区的最高硬度，主要反应了组织、化学成分和焊接区冷却速度的影响。 因此，单纯以焊接热影响区的硬度或高强度合金纲的碳当量来评价焊接裂纹出现的可能性，就往往不能作出正确的判断。 焊接裂纹实验的结果也表明，焊接碳当量公式和焊接裂纹出现率之间，没有明显的规律性。 由此可知，焊接碳当量（ Cd）只能用来粗略的估计合金钢的焊接性能。 在实际生产中，必须对具体钢种进行一系列的焊接性能实验，根据实验情况制订切实可行的焊接工艺规范。 焊接裂纹倾向 由于焊接冷裂纹对高强度钢的焊接结构有严重的危害，近 年来世界各国对高强度钢的焊接冷裂纹进行了大量的研究。 现代工业中高强度钢焊接结构的大量运用，易发生失效的熔合区裂纹引起人们的高度重视。 焊接熔合区具有明显的化学和物理性能不均匀性，组织性能突变，是焊接接头中最薄弱的部位，脆性断裂和焊接裂纹易发生在该区域，特别是高强度钢焊接时尤为明显。 限制焊缝含氢量对于防止焊接冷裂纹至关重要，钢材的强度级别越高，冷裂倾向越大，对氢的含量要求就越严格。 高效的气体保护对焊接冷裂具有比较好的作用。 目前，熔合区的研究大多集中于化学成分的不均匀性，凝固过渡层、马氏体脆性层、扩散层、残余 应力分布等方面。 测定靠近焊缝边缘部位的焊接热循环比较困难，受实际测试手段的限制，认识仍不统一，尤其是熔合区中 C、 H、 O 的分布。 16MnR 焊接时，热影响区的主要变化是过热区脆化和可能发生的热应变脆化。 1) 过热区脆化 过热区加热温度在 1200℃ — 固相线温度范围内，比较高的加热温度造成奥氏体晶粒的严重粗化及难溶质点溶入固溶体，这些都将明显影响过热区的性能。 正火钢的过热区脆化与魏氏组织无关，除晶粒粗化外，主要是在 1200℃ 的高温下，其沉淀强化作用的碳化物和氮化物质点分解并溶入奥氏体中，而在随后的冷却过程中来 不及析出而固溶在基体中，结果使铁素体的硬度上升，韧性下降。 所以正火钢的韧性随线能量的增加而下降。 并与沉淀强化的元素有关。 综上所述，正火钢过热区脆化，实质上是由于焊接热源的高温作用，使母材焊前正火作用消失的结果。 当然，在钢中若含有较多的碳和合金元素时，也应注意快冷时发生马氏体转变而造成脆化。 2) 热影响区脆化 热影响区脆化是焊接过程中在热和应变的同时作用下产生的一种应变时效，它是由固溶的氮引起的。 一般认为在 200400℃ 最为明显。 若钢中加入足够的氮化物形成元素，可以显著降低热应变脆化倾向，消除热应力脆 化的有效措施是焊后热处理，经 600℃ 消应力退火后，材料的韧性可恢复到原来的水平。 3) 焊缝的强韧性匹配 钢材的强度性能是焊接高强度钢的主要力学性能，屈服强度是工程设计确定许用的主要依据，而抗拉强度是强度储备的重要指标。 两者之比称为屈强比，是一个选择材料的重要参数，对不同的用途有不同的要求，低的屈强比有利于加工成形，有较高的结构可靠性；高的屈强比是钢的强度潜力得到较大的发挥，具有较大的抗塑性失稳能力。 焊缝的强度匹配系数是表征焊接接头力学性能非均质性的重要参数之一，焊缝强度与母材强度之比大于 1 称为超强匹配， 等于 1 成为等强匹配，小于 1 称为低强匹配。 16MnR 焊缝金属组织研究的重点是如何提高焊缝的韧性，近年来对其研究的突破性成果是发现了针状铁素体（ AF），可以改善原始焊缝的低温韧性。 当焊缝中存在高比例的针状铁素体时，低温韧性显著提高。 为了改善组织，提高韧性，对焊缝中的针状体素体形核机制的研究具有重要的意义。 焊缝中细小的互相交叉的针状铁素体以晶内非金属夹杂物形成核心。 但由于针状铁素体的形核机理目前看法仍不统一，有人提出 TiN 促进针状铁素体形核，也有人认为 TiO 比 TiN 更有效，还有的研究提出针状铁素体的形核与复合 氧化物有关。 针状铁素体与块状铁素体具有不同的断裂特征，当裂纹穿过针状铁素体时，通过形变削减前端的应力集中，裂纹呈波浪起伏状态扩展，以形成撕裂韧窝状断口，冲击韧性较高。 铁素体为块状时与附近组织形变不协调，易在相界处形成裂纹，并以解理断裂方式穿过铁素体，对应端口形成解理台阶，断口单元与相应显微组织中的块状铁素体尺寸相当，其冲击韧性比针状铁素体组织时低。 16MnR 焊接缺陷的分析 热影响区的淬硬倾向 16MnR 焊接过程中一个重要的特点是热影响区有较大的淬硬倾向 ,其影响因素如下： （一）化学成 分 钢中化学成分不同时其淬硬倾向也不同，一般是含碳量和所含合金元素量越高，其淬硬倾向就越大，强度等级高时，含碳量或合金元素较多，故淬硬倾向较大； （二）冷却速度 焊件在焊接后冷却速度越大，其淬硬倾向也越大，焊件的冷却速度决定于二个因素： ① 不能改变的因素：如钢板的厚度、尺寸大小、接头形式等。 钢板越厚、尺寸越大时，冷却速度越大。 此外，接头形式不同时，其散热情况不同，冷却速度也不同。 ② 可改变因素：如焊接工艺方法、焊接规范大小和预热温度等，通过调节这些因素，可减少热影响区的淬硬倾向。 焊接接头的冷 裂纹 在焊接时，常在焊缝金属和热影响区产生冷裂纹。 冷裂纹一般是在冷却过程中产生，有时甚至放置相当长的时间后才产生（称延迟裂纹），冷裂纹产生的原因是：焊接接头处产生淬硬组织、焊接接头内含氢量较多且残余应力较大。 必须指出，只有在上述三个因素同时存在时，才会产生冷裂纹。 在生产实践中，常可调节其中一个或两个因素以避免产生冷裂纹。 在焊接高强度级的厚板时，在易产生冷裂纹。 这是因为其淬硬倾向大、板厚的刚性大、焊接接头的残余应力也大，焊接接头易得到淬硬组织。 针对冷裂纹产生的三个因素，我们在共上可用下列措施防止或减少冷裂纹 的产生：一减少焊接接头是淬硬组织 将焊件预热或提高预热温度、适当增加焊接电流、减低焊接速度、控制层间温度不小于预热温度、焊后缓冷或立即热处理，都可减低焊接接头的冷却速度，以减少其淬硬组织。 二减少焊接接头的含氢量 必须严格控制氢的侵入，如对焊件、焊丝要严格清除油和锈、低氢焊条在焊前应严格烘干，以降低焊缝的焊氢量。 三减少焊件的残余应力。 焊接接头的热裂纹 热裂纹的特征是沿晶界开裂，裂缝表面有明显的氧化膜颜色，多数裂纹分布在焊缝中心，沿焊缝纵向呈不规则的锯齿形，也可能近缝区出现横向裂纹。 影响热裂纹的 因素是：一金属的化学成分及成分偏析低合金结构钢内碳和硫的增多，会形成低熔点共晶，当液态金属冷却结晶时，液态的低熔点共晶偏析于晶界处最后凝固，此时晶界的强度很低，在焊接应力作用下沿晶开裂，即为热裂纹。 锰在钢中可与硫形成 MnS 而减少硫的不良影响，因而具有抗裂作用。 我国的普通低合金钢中大部分含有一定量的锰。 故其抗热裂性比普通低碳钢要好些。 此外，钢中含铜会增加热裂倾向。 由于基本金属是碳、硫含量一般高于焊缝金属，在焊接时减少金属的熔合比，可降低普通的碳、硫含量而减少热裂倾向。 二焊缝横断面的形状与热裂纹倾向也有关，狭而 深的焊缝使偏析集中于焊缝的中心部分，热裂倾向大，易形成中心线裂纹。 宽而浅的焊缝使偏析物浮于焊缝表面，热裂倾向小。 三焊件的残余应力主要决定于焊件的刚性、装配和焊接工艺、焊件刚性大、装配和焊接时造成的残余应力大时，易造成热裂纹。 粗晶区脆化 被加热到 1200℃ 以上的热影响区可能产生粗晶区脆化，韧性明显降低。 这是由于热轧钢焊接。