低合金高强钢的焊接主要问题

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。

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。

低合金高强钢的焊接性。

强度级别较低的低合金高强钢，如300～400MPa级，由于钢中合金元素含量较少，其焊接性良好，接近于低碳钢。

随着钢中合金元素的增加，强度级别提高，钢的焊接性也逐渐变差，出现的主要问题是：
⑴热影响区的淬硬倾向含碳时较少、强度级别较低的钢种，如09Mn2、09Mn2Si、09MnV钢等，淬硬倾向很小。

随着强度级别的提高，淬硬倾向也开始加大，如16Mn、15MnV钢焊接时，快速度冷却会导致在热影响区出现马氏体组织。

⑵冷裂纹低合金高强钢焊接时，热影响区的冷裂纹倾向加大，并且这种冷裂纹往往具有延迟的性质，危害性很大。

例如，材料为18MnMoNb钢壁厚115mm的一大型容器，由于预热温度不够，焊后在热影响区形成大量冷裂纹。

低合金高强钢的定位焊缝很容易开裂，其原因是由于焊缝尺寸小、长度短、冷却速度快，这种开裂属于冷裂纹性质。

⑶热裂纹一般情况下，强度等级为294～392MPa的热轧、正火钢，热裂倾向较小，但在厚壁压力容器的高稀释率焊道（如根部焊道或靠近坡口边缘的多层埋弧焊焊道）中也会出现热裂纹。

电渣焊时，若母材的含碳量偏高并含镍时，电渣焊缝中可能会出现呈八字形分布的热裂纹。

强度等级为800～1176MPa的中碳调质钢（如30CrMnSiA钢），焊接时热裂的敏感性较大。

⑷粗晶区脆化热影响区中被加热至1100℃以上的粗晶区，当焊接线能量过大时，粗晶区的晶粒将迅速长大或出现魏氏组织而使韧性下降，出现脆化段。

碳钢、低合金高强钢压力容器的焊接一、压力容器用碳钢的焊接碳钢以铁为基础，以碳为合金元素，含量一般不超过1.0％。

此外，含锰量不超过1.2％，含硅量不超过0.5％，Si、Mn皆不作为合金元素。

而其他元素，如Ni、Cr、Cu等，控制在残余量限度内，更不是合金元素。

S、P、O、N等作为杂质元素，根据钢材品种和等级，也都有严格限制。

碳钢根据含碳量的不同，分为低碳钢(C≤0.30％)、中碳钢(C= 0.30％~ 0.60％)、高碳钢(C≥0.60％)。

压力容器主要受压元件用碳钢，主要限于低碳钢。

在《容规》中规定：“用于焊接结构压力容器主要受压元件的碳素钢和低合金钢，其含碳量不应大于0.25％。

在特殊条件下，如选用含碳量超过0.25％的钢材，应限定碳当量不大于0.45％，由制造单位征得用户同意，并经制造单位压力容器技术总负责人批准，并按相关规定办理批准手续”。

常用的压力容器用碳钢牌号有Q235-B、Q235-C、10、20、20R等。

（一）低碳钢焊接特点低碳钢含碳量低，锰、硅含量少，在通常情况下不会因焊接而引起严重组织硬化或出现淬火组织。

这种钢的塑性和冲击韧性优良，其焊接接头的塑性、韧性也极其良好。

焊接时一般不需预热和后热，不需采取特殊的工艺措施，即可获得质量满意的焊接接头，故低碳钢钢具有优良的焊接性能，是所有钢材中焊接性能最好的钢种。

（二）低碳钢焊接要点（1）埋弧焊时若焊接线能量过大，会使热影响区粗晶区的晶粒过于粗大，甚至会产生魏氏组织，从而使该区的冲击韧性和弯曲性能降低，导致冲击韧性和弯曲性能不合格。

故在使用埋弧焊焊接，尤其是焊接厚板时，应严格按经焊接工艺评定合格的焊接线能量施焊。

（2）在现场低温条件下焊接、焊接厚度或刚性较大的焊缝时，由于焊接接头冷却速度较快，冷裂纹的倾向增大。

为避免焊接裂纹，应采取焊前预热等措施。

二、压力容器用低合金高强钢及其焊接特点在钢中除碳外少量加入一种或多种合金元素(合金元素总量在5％以下)，以提高钢的力学性能，使其屈服强度在275 MPa以上，并具有良好的综合性能，这类钢称之为低合金高强钢，其主要特点是强度高、塑性和韧性也较好。