低合金钢焊接
出处：按学科分类—工业技术 北京工业大学出版社《热加工手册》第753页（10008字）
10．2．2．1 低合金钢分类
低合金钢是在碳素钢基础上加入一定量合金元素的合金钢，其合金元素总的质量分数含量一般不超过5%，以提高钢的强度并保证其具有一定的塑性和韧性，或使钢具有某些特殊性能，如耐低温、耐高温或耐腐蚀性等．
焊接生产中常用的低合金钢，大致可以分为两大类：一类是强度用钢，主要是根据强度来选用的，因此，合金化的主要目的是为了提高强度，并保证足够的塑性和韧性；另一类是特殊用钢，主要是为了满足一些特殊使用性能的要求，如高温性能、低温性能和耐蚀性能等．
1．强度用钢
这种钢的主要特点是强度高，塑性、韧性也较好，广泛用于压力容器、桥梁、船舶、飞机及其他金属结构．根据屈服强度级别及热处理状态，强度用钢又可以分为三种类型：热轧及正火钢、低碳调质钢和中碳调质钢等．
(1)热轧及正火钢．这类钢的屈服强度为294～490MPa，一般都在热轧或正火状态下供货使用，属于非热处理强化钢．
(2)低碳调质钢．这类钢的屈服强度为490～980MPa，是一种热处理强化钢，一般在调质状态下供货使用．其特点是碳的质量分数较低(一般在0．25%以下)，不仅具有高的强度，而且具有良好的塑性和韧性，可以直接在调质状态下进行焊接，焊后不需进行调质处理，必要时可进行消除应力热处理．
(3)中碳调质钢．这类钢的屈服强度一般在880～1176MPa以上，是热处理强化钢．这类钢与低碳调质钢的主要不同之处是碳的质量分数较高(大于0．3%)．因此，它的淬硬性要比低碳调质钢高很多，这就使它有可能在热处理后达到很高的强度和硬度，但韧性相对较低，特别是给焊接带来了很大的困难．所以，这类钢经常需要在退火状态下进行焊接，然后再通过整体热处理达到所需的强度和硬度．
2．特殊用钢
根据使用中对不同特殊使用性能的要求，特殊用钢大致分为三种：珠光体耐热钢、低温钢和低合金耐蚀钢．
(1)珠光体耐热钢．这类钢具有较好的高温强度和高温抗氧化特性．它主要用于最高工作温度为500～600℃的高温设备．这是一种以铬、钼为基础的低、中合金钢，随着使用温度的提高，钢中往往还加有钒、钨、铌、硼等合金元素．这种钢根据使用中的需要可以进行包括调质处理在内的各种形式的热处理．焊后这种钢一般不进行调质处理，主要进行高温回火处理．
(2)低温钢．这类钢主要用于各种低温装置(-40～-196℃)和在严寒地区的一些工程结构．低温用钢与普通低合金高强度钢的最大差别就在于，低温用钢必须保证在相应的低温下具有足够高的低温韧性，这种钢大部分是一些含镍的低碳低合金钢，一般都在正火或调质状态下使用．
(3)低合金耐蚀钢．这种钢主要用于制造车辆、石油、化工、造船等设备，能耐大气、海水及硫化氢等介质的腐蚀．这种钢一般在热轧或正火状态下使用，属于非热处理强化钢．
10．2．2．2 热轧、正火钢焊接
1．热轧、正火钢的成分和性能
热轧、正火钢的成分和力学性能如表10-9和表10-10所示．
表10-9 热轧、正火钢的化学成分
表10-10 热轧、正火钢的力学性能
屈服强度为294～392MPa级的热轧钢基本上都是属于C-Mn和Mn-Si系的钢种，主要通过合金元素的固溶强化获得高强度．锰是最常用的合金元素，有时也可能用钒、铌代替部分锰，以达到细化晶粒和沉淀强化的作用．
通常所谓的正火钢是指在固溶强化的基础上，通过沉淀强化和细化晶粒来进一步提高强度和保证韧性的一类低合金高强度钢．这类钢的屈服强度一般在392～490MPa之间．它是在C-Mn和Mn-Si系的基础上加入一些碳化物和氮化物的生成元素(如钒、铌、钛和钼等)形成的．正火的目的是为了使这些合金元素能以细小的化合物质点从固溶体中沉淀析出，并同时起细化晶粒的作用，提高强度的同时，适当地改善了钢材的塑性和韧性，以达到最佳的综合性能．对一些含钼钢来说，正火后还必须进行回火才能保证良好的塑性和韧性．
2．热轧、正火钢的焊接工艺
(1)焊接方法．热轧及正火钢焊接时，手工电弧焊、埋弧焊、气体保护焊和电渣焊等一些常用的焊接方法都能采用，主要根据材料厚度、产品结构和具体施工条件来确定．
(2)焊接材料．选择焊接材料时必须考虑到两方面的问题：一要焊缝没有缺陷；二要满足使用性能的要求．焊接合金结构钢时，焊缝中的主要缺陷是裂纹问题．热轧及正火钢的焊缝金属的热裂及冷裂倾向在正常情况下是很小的，因此，焊接热轧及正火钢时，选择材料的主要依据是保证焊缝金属的强度、塑性和韧性等力学性能与母材相匹配．热轧及正火钢常用焊接材料选择见表10-11．
表10-11 热轧及正火钢常用焊接材料示例
(3)焊接工艺特点．焊接线能量的选择：焊接线能量的确定，主要取决于过热区的脆化和冷裂两个因素．根据焊接性分析，由于各种热轧正火钢的脆化倾向和冷裂倾向不同，因此对焊接线能量的要求也不同．含碳量低的热轧钢以及含碳量偏下限的16Mn钢焊接时，由于这些钢的脆化、冷裂倾向校对焊接线能量没有严格的限制．当焊接含碳量偏高的16Mn钢时，为降低淬硬倾向，防止冷裂纹的产生，焊接线能量应偏大一些．对于一些含铌、钒、钛的正火钢，为了避免由于沉淀相的溶入以及晶粒过热所引起的脆化，线能量应该偏小一些．对于碳及合金元素含量较高，屈服强度为490MPa的正火钢，由于淬硬倾向大，应选择较大的焊接线能量，但线能量不能过大，以免增大过热倾向．如果为了防止裂纹而采用焊前预热时，就不必采用大的线能量．
预热温度的选择：预热是防止裂纹的有效措施，也有助于改善焊接接头性能，是低合金钢焊接时常用的工艺措施．预热温度的确定决定于钢材的成分、板厚、焊件结构形状和拘束度以及环境温度等．
一般情况下，热轧及正火钢焊后是不需要热处理的，但要求抗应力腐蚀的容器、低温下使用的容器以及厚壁高压容器等，焊后都需进行消除应力的高温回火．确定回火温度的原则是：不要超过母材原来的回火温度，以免影响母材本身的性能；对于一些有回火脆性的材料，要避开出现脆性的温度区间．
几种热轧及正火钢的焊后热处理规范如表10-12所示．
表10-12 几种热轧及正火钢的预热和焊后热处理规范
10．2．2．3 低碳调质钢焊接
1．低碳调质钢的成分和性能
低碳调质钢一般具有高的屈服强度(490～980MPa)，良好的塑性、韧性、耐磨性及耐蚀性．常用的几种低碳调质钢的化学成分见表10-13，力学性能见表10-14．
低碳调质钢综合性能的获得除了取决于其化学成分外，还要执行正确的热处理制度才能保证有良好的组织与性能．常用的几种低碳调质钢的热处理规范及组织如表10-15所示．
2．低碳调质钢的焊接工艺
在焊接低碳调质钢时要注意两个基本问题：一是要求在马氏体转变时的冷却速度不能太快，以免冷裂纹的产生；二是要求在800～500℃之间的冷却速度大于产生脆性混合组织的临界速度．
(1)焊接方法．在焊接屈服强度超过980MPa的低碳调质钢时，应该采用钨极氩弧焊或电子束焊的焊接方法．对于屈服强度低于980MPa的低碳调质钢，手弧焊、埋弧自动焊、熔化极气体保护焊和钨极氩弧焊等都能采用．对于屈服强度高于686MPa的低碳调质钢，熔化极气体保护焊是最合适的自动焊工艺方法．
表10-13 常用低碳调质钢化学成分
①必要时加入．
表10-14 常用低碳调质钢的力学性能
表10-15 几种低碳调质钢的热处理规范及组织
(2)焊接材料．由于低碳调质钢产生冷裂纹的倾向较大，因此严格控制焊接材料中的氢含量是十分重要的．低碳调质钢焊后一般不再进行热处理，因此在选择焊接材料时，要求所得焊缝金属在焊态下应具有接近于母材的力学性能．几种低碳调质钢的焊接材料列于表10-16．
(3)焊接工艺特点．在焊接低碳调质钢时，从防止冷裂纹出发，要求冷却速度慢好，但对防止脆化来说却要求冷却速度较快为好，因此应该确定兼顾两者的冷却速度的范围．正确选择线能量和预热温度这两个参数是保证不出现裂纹和脆化的关键．表10-17列出了一些低碳调质钢的最低预热温度和层间温度．最高预热温度和层间温度同表10-17规定的最低值相比要求不超过65℃
表10-16 低碳调质钢焊接材料选择
表10-17 几种低碳调质钢的最低预热温度和层间温度
①最高预热温度不得大于表中温度65℃．
②HY-130的最高预热温度建议：16mm，65℃；16～22mm，93℃；22～35mm，135℃；>35mm，149℃
大多数低碳调质钢焊接构件是在焊态下使用的，在下列几种情况下才进行焊后热处理：焊后或冷加工后钢的韧性过低；焊后需进行高精度加工，要求保证结构尺寸的稳定性；焊接结构承受应力腐蚀．焊后热处理的温度应该比母材调质处理的回火温度低30℃左右，以防止母材的性能受到损害．
10．2．2．4 中碳调质钢焊接
1．中碳调质钢的成分和性能
中碳调质钢的屈服强度达到880～1176MPa以上．钢中碳的质量分数较高(0．25%～0．5%)，并加入合金元素，如Mn、Si、Cr、Ni、B、Mo、W、V、Ti等，起到保证淬透性和提高抗回火脆性的作用，再通过调质处理以获得综合性能较好的高强钢．表10-18、表10-19是焊接构件中常用的中碳调质钢的成分和力学性能．
2．中碳调质钢的焊接工艺
中碳调质钢焊后的淬火组织是硬脆的高碳马氏体，仅对冷裂的敏感性大，而且焊后若不经热处理时，热影响区性能就达不到原来基本金属的性能．对于中碳调质钢的焊接，焊前钢材所处的状态是非常重要的，它决定了焊接时出现问题的性质和所需采取的工艺措施．
表10-18 中碳调质钢的化学成分(ω) %
表10-19 中碳调质钢的力学性能
大多数情况下中碳调质钢都是在退火(或正火)状态下进行焊接，焊后再进行整体调质处理．焊接时所要解决的问题主要就是裂纹，热影响区的性能可以通过焊后的调质处理来保证．在这种情况下，常用的一些焊接方法都能采用．在选择焊接材料时，除了要求保证不产生冷、热裂纹外，还有一些特殊要求，即焊缝金属的调质处理规范应与母材的调质处理规范一致，以保证调质后的接头性能与母材相同，因此，焊缝金属的主要合金组成应尽量与母材相似，对能引起焊缝热裂倾向和促使金属脆化的元素(如C、Si、S、P等)应该严格控制其含量．几种常用中碳调质钢焊接材料的选用如表10-20所示．
正确地选择预热和后热温度，有助于改善焊接接头的组织性能和应力状态，降低焊缝和近缝区的含氢量，从而有效地提高抗冷裂性能．一般情况下，中碳调质钢焊接时，都要采用预热或及时后热，预热温度约为200～350℃．如果产品焊后不能及时进行调质处理，则应该在焊后及时进行中间热处理，即在等于或高于预热温度下保温一段时间的热处理，如低温回火或650～680℃高温回火．
当中碳调质钢必须在调质状态下进行焊接时，除了裂纹外，热影响区的主要问题是：高碳马氏体引起的硬化和脆化；高温回火区软化引起的强度降低．
为了消除过热区的淬硬组织和防止延迟裂纹的产生，必须正确选定预热温度，焊后应及时进行回火处理．在焊接调质状态的钢材时必须注意预热温度、层间温度、中间热处理温度和焊后热处理温度都应该比母材淬火后的回火温度低50℃．
为了减少热影响区的软化，采用热量集中、能量密度大、焊接线能量小的焊接方法，因此气体保护焊，特别是钨极氩弧焊对于焊接这类钢最适合．从经济性和方便性考虑，焊接这类钢时，手工电弧焊用得较为普遍．
由于焊后不再进行调质处理，因此选择焊接材料时，从防止产生冷裂纹的要求出发，经常采用纯奥氏体的铬镍钢焊条或镍基焊条．
10．2．2．5 珠光体耐热钢焊接
1．珠光体耐热钢的成分和性能
以Cr-Mo为基的低、中合金珠光体耐热钢具有很好的抗氧化性和热强性，工作温度可达600℃．一般珠光体耐热钢以加入铬、钼、钒合金元素为主，有时还加入少量的钨、钛、铌、硼，合金元素添加总的质量分数小于7%．珠光体耐热钢的化学成分见表10-21，室温力学性能见表10-22，高温力学性能见表10-23．
表10-20 中碳调质钢焊接材料的选用
表10-21 珠光体耐热钢化学成分(ω) %
表10-22 珠光体耐热钢室温力学性能
表10-23 珠光体耐热钢高温力学性能
2．珠光体耐热钢的焊接工艺
珠光体耐热钢由于含碳和含合金元素较多，在焊缝和热影响区容易产生淬硬组织．当拘束应力较大时，容易产生冷裂纹．焊后热处理或高温长期使用中容易产生再热裂纹．
(1)焊接方法．珠光体耐热钢一般在热处理状态(见表10-22)下焊接，焊后大多数要进行高温回火处理．常用的焊接方法以手工电弧焊为主，也经常采用埋弧焊和电渣焊．
(2)焊接材料．在选择焊接材料时，为了保证焊缝性能同母材性能匹配，焊接材料应具有必要的热强性，焊缝成分应该尽量与母材成分相近．但是为了防止焊缝有较大的热裂倾向，焊缝的碳的质量分数往往比母材的要低一些(但一般不希望低于0．07%)．珠光体耐热钢常用的焊接材料如表10-24所示．
表10-24 珠光体耐热钢常用焊接材料
(3)焊接工艺特点．为了防止冷裂纹和消除近缝区硬化现象，正确选定预热温度和焊后回火温度是很重要的．常用珠光体耐热钢预热温度及焊后回火温度如表10-25所示．
表10-25 常用珠光体耐热钢焊接预热温度及焊后回火温度
① 12Cr2MoWVB的气焊接头焊后宜作正火+回火处理，推荐规范为：正火1000～1030℃+回火760～780℃
10．2．2．6 低温用钢焊接
1．低温用钢的成分和性能
低温用钢主要用于低温下工作的容器、管道和结构．低温用钢可分为无镍及含镍两大类，其化学成分和力学性能如表10-26所示．
表10-26 低温用钢的化学成分和力学性能
0～-50℃的焊接结构采用以锰为主要合金元素的低合金钢，-50～—150℃的焊接结构主要采用镍的质量分数为2．5%～9%的镍钢，—150～-200℃的焊接结构采用镍的质量分数为9%的镍钢或采用奥氏体不锈钢，低于-200℃的焊接结构采用奥氏体Cr-Ni不锈钢或铝合金(图10-9)．对于极低温度用钢，则采用奥氏体不锈钢或FeMn-Al钢．
2．低温用钢的焊接工艺
低温用钢由于含碳量低，其淬硬倾向和冷裂倾向校低温用钢具有良好的焊接性．关键是保证焊缝和粗晶区的低温韧性．为避免焊缝金属及近缝区形成粗晶组织而降低低温韧性，应采用小的焊接线能量．焊接电流不宜过大，最好采用快速多道焊以减少焊道过热，并通过多层焊的重热作用细化晶粒．多道焊时应注意控制层间温度．
表10-27 低温用钢焊接材料
注：1．焊缝金属化学成分，对于手工焊指堆焊金属成分，对于自动焊指焊丝成分．
2．aK指U形缺口梅氏冲击值．
3．Ni3．5及Ni9钢手弧焊焊条还可选因科镍合金焊条．
4．除低207及低407外，其他焊条焊丝为非标准焊条
低温用钢的焊接方法和焊接材料如表10-27所示．低温用钢焊接材料的选择必须保证焊缝含有的有害杂质硫、磷、氧、氮最少，尤其含镍钢应严格限制杂质含量，因为杂质含量增加，明显降低焊缝的韧性．
10．2．2．7 低合金耐蚀钢焊接
1．低合金耐蚀钢的成分和性能
低合金耐蚀钢包括的范围很广，根据用途可分为耐大气腐蚀钢、耐海水腐蚀钢和石油化工中用的耐硫和硫化物腐蚀钢．
耐候及耐海水腐蚀用钢的成分和力学性能见表10-28、表10-29．
2．低合金耐蚀钢的焊接工艺
耐大气和耐海水腐蚀用钢的焊接特点是，在选择焊接材料时除了要满足强度要求外，必须在耐腐蚀性方面与母材相匹配．焊接时，应尽可能避免在大拘束度条件下进行焊接，要合理设计接头形式，尽可能采用小的焊接线能量．焊接耐候及耐海水腐蚀用钢的焊条如表10-30所示．埋弧自动焊时，采用H08MnA、H10Mn2焊丝配合HJ431焊剂．
耐硫和硫化物腐蚀有两大类型：一类是使用广泛的Cr-Mo钢；一类是含铝钢．耐腐蚀的Cr-Mo钢，实际上就是珠光体耐热钢中的Cr-Mo钢，其焊接工艺前面已讲过(见10．2．2．5节)．含铝钢的主要成分如表10-31所示．根据含铝量的不同，含铝钢大致分为三类：第一类是含铝量较低的热轧钢(一般铝的质量分数≤0．5%)，焊接性较好，基本上可按16Mn的要求进行焊接；第二类是铝的质量分数在1%左右的热轧钢；第三类是铝的质量分数为2%～3%的正火钢．第二、三类由于含铝量较高，给焊接造成了很大的困难．
图10-9 低温材料的适用范围
表10-28 耐候及耐海水腐蚀用钢的化学成分(ω) %
表10-29 耐候及耐海水腐蚀用钢的力学性能
①V形冲击试样方向为纵向，钢材厚度15～20mm．
表10-30 焊接耐候及耐海水腐蚀用钢的电焊条
表10-31 典型含Al低合金耐蚀钢的主要化学成分(ω) %
