低合金高强度钢的焊接

低合金高强度钢的焊接

一、低合金钢概述

低合金钢是在碳钢的基础上添加一定量的合金化元素而成，其合金元素的质量分数一般不超过5%，用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，相应地称为低合金高强度钢、低温钢、珠光体耐热钢和耐蚀钢四种。本节所述的低合金仅指以提高强度为目的的低合金钢，也有称之为低合金结构钢的。这种钢的主要特点是强度高、塑性和韧性较好。按钢的屈服强度级别及热处理状态，这种钢可分为三类;

1.热轧、正火钢

屈服强度在294~490MPa，其使用状态大多是在热轧、控轧或正火状态，属于非热处理强化钢，应用广泛。

2.低碳调质钢

这种钢的屈服强度在490~980MPa，在调质状态下使用，属于热处理强化钢。其特点是既有高的强度，且塑性和韧性也较好，可以直接在调质状态下焊接。近年来，这种低碳调质钢应用日益广泛。

3.中碳调质钢

屈服强度在880~1176MPa，该类钢中的碳含量较高，由于含碳量高，强度高，焊接性差，故特种设备中基本上不使用。目前应用于特种设备的低合金高强钢钢号，如钢板有Q345R、O370R、18MnMoNbR、13MnNiMoR等，焊接气瓶用低合金钢牌号有HP295、HP325、HP345等，长输管道有L320、L360、L390等。

二、低合金高强度钢的焊接特点

（一）热轧、控轧及正火钢的焊接特点

这类钢的含碳量一般控制在0.2%以下，为了确保钢的强度和韧性，主要通过添加适量的锰、钼等合金元素及钒、铌、钛、铝等微合金化元素，达到晶粒细化、沉淀强化或通过控制终轧温度和变形量，并配合加速冷却，使钢材获得细小的铁素体组织，从而使钢材具有良好的综合力学性能。由于它含有一定量的合金元素及微合金化元素，使其焊接性能与碳钢有一定差别，主要表现如下。

1.焊接热影响区的组织与性能变化

低合金高强度钢焊接时，热影响区粗晶区和不完全相变区是焊接接头的两个薄弱区。热轧钢焊接时，如果焊接热输入过大，粗晶区将因晶粒严重长大或出现魏氏组织等而降低韧性;而热输入过小，粗晶区组织中的马氏体比例增大而降低韧性。正火钢焊接时的影响更为显著。对于控轧钢来说则主要是高热输入焊接方法带来的焊接热影响区的软化问题。

2.冷裂纹的敏感性

强度级别较低的热轧钢，合金元素含量少，碳当量比较低，冷裂倾向不大，只有在环境温度很低或钢板厚度大时应采取措施防止冷裂纹的产生。控轧钢同热轧钢基本相同。正火钢合金元素含量较高，焊接热影响区的淬硬倾向有所增加，随着强度级别及板厚的增加，淬硬倾向和冷裂倾向随之增大，需要采取措施防止冷裂纹的产生。热影响区的最高硬度通常用来粗估评定钢产生焊接冷裂纹的敏感性，对于一般的低合金高强度钢而言，为了防止氢致冷裂纹的产生，通常规定其焊接热影响区的硬度应控制在350HV以下。

3.再热裂纹敏感性

低合金钢焊接接头中的再热裂纹亦称消除应力裂纹，出现在焊后消除应力热处理过程中。再热裂纹属于沿晶断裂，一般都出现在热影响区的粗晶区，有时也在焊缝金属中出现。Mn-Mo-Nb和Mn-Mo-V系低合金高强度钢对再热裂纹的产生有一定的敏感性。如容器用钢18MnMoNbR、07MnMoVR等。

4.热裂纹的敏感性

与碳素钢相比，低合金高强度钢含碳、硫量较低，且含锰量较高，其热裂纹倾向小。但有时也会在焊缝中出现热裂纹。如厚壁压力容器焊接生产中，在多层多道埋弧焊焊缝的根部焊道或靠近坡口边缘的高稀释率焊道中易出现焊缝金属热裂纹。此时采用高锰焊接材料，减小热输入，减少熔合比，增大焊缝成形系数，有利于防止焊缝金属热裂纹。

（二）低碳低合金调质钢的焊接特点

这类钢虽然通过热处理获得较高的强度，但由于含碳量一般不超过0.21%，故与中碳调质钢相比仍具有较好的焊接性能。其主要的焊接特点是;热影响区粗晶区有产生冷裂纹和韧性下降的倾向;热影响区有软化和脆化的倾向;淬硬倾向较大，粗晶区易形成低碳马氏体，但由于马氏体的自回火作用，冷裂倾向比中碳调质钢小，只要严格控制焊接时的氢源及选择合适的焊接方法和焊接参数，就可有效地避免冷裂纹的产生。对于热影响区中组织软化的问题，虽然随着焊接热输入的增加和提高预热温度而加重，但一般其软化区的断裂强度仍高于母材标准值的下限要求，所以这类钢的热影响区软化问题只要工艺得当，不致影响其接头的使用性能。这类钢的热裂倾向一般不大。

三、低合金高强度钢的焊材选用

根据钢材不同的强度级别选择与母材强度相当的焊缝金属是这类钢焊材选用的基本原则，同时还要根据产品的使用条件、产品结构和板材厚度等因素，综合考虑焊缝金属的韧性、塑性和焊接接头的抗裂性。只要焊缝强度不低于或略高于母材标准抗拉强度的下限值即可。若选择的焊材焊缝金属强度过高，将会导致接头的韧性、塑性及抗裂性降低，接头的冷弯性能不易合格。

由于这类钢都具有程度不同的冷裂纹倾向，所以在等强度原则的前提下，严格控制焊接材料中的氢含量是非常重要的。特别对于结构刚性较大的焊接件而言，应尽量选择低氢型药皮焊条。对于强度较高的低碳低合金调质钢焊接时，更是如此，甚至要选择超低氢型药皮焊条，并严格控制焊条的存放和使用。在日本一些规范中规定，高强度钢用焊条在空气中存放的时间不能超过1h，否则要重新烘干。

低合金高强度钢的焊材用于承压设备时，订货技术条件还需符合NB/T47018—2011。

（一）低合金高强钢的焊条选用

1）总的原则是根据产品对焊缝金属性能要求选用焊条。对高强钢一般应选用与母材强度相当的焊条，但必须综合考虑焊缝金属的韧性、塑性及强度。只要熔敷金属强度或焊接接头的强度不低于产品要求即可。若焊缝金属强度过高，将导致接头韧性、塑性及抗裂性的下降，从而降低焊接结构的使用安全性。

2）考虑焊后加工工艺的影响。对焊后需经热处理、热卷的焊件，应考虑焊缝金属经受高温处理作用对其力学性能的影响，应保证焊缝金属经热处理后仍具有要求的强度、塑性和韧性等。如焊后需经正火处理或消除应力处理时，应选用焊缝金属合金成分较高的焊条;对焊后需冷弯、冷冲压的焊件则应选用塑性好的焊条。

3）对于厚度、拘束度及冷裂倾向大的焊接结构，应选用低氢型或超低氢型焊条。以提高抗裂性能，降低预热温度，简化焊接工艺。

4）对某些低合金钢结构的重要产品，为确保这些结构的使用安全性，焊缝金属应具有良好的低温冲击韧性和断裂韧性。如压力容器等承压设备，应选用高冲击韧性的焊条。

低合金钢条标准有GB/T5117—2012《非合金钢及细晶粒钢焊条》，该标准中按熔敷金属强度等级将焊条分成E43、E50、E55、E57四个强度级别，按合金成分有管线钢、碳钼钢、锰钼钢、镍钢、镍钼钢、耐候钢（镍铬、铬铜、镍铬铜）等。焊接低合金钢时可以根据相应的强度等级及合金元素选择焊条，具体见表4-1。

（二）低合金高强钢埋弧焊焊剂及焊丝的选用

焊接低合金高强钢时，焊缝金属强度不宜过高，一般满足母材强度的下限即可。因为焊缝金属强度过高，往往会导致接头韧性、塑性和抗裂性能降低。由于低合金高强钢氢致裂纹敏感性较高，因此，选择焊接材料时应优先采用碱度适中的埋弧焊焊剂，且要根据焊缝强度级别和韧性的要求，分别采用不同合金系统的焊丝。强度在490MPa级的焊缝可采用Mn-Mo系焊丝，如H08MnMoA、H08Mn2MoA、H10MnSiMoTi及H10Mn2Mo焊丝等;强度在690~780MPa级的焊缝多采用Mn-Cr-Mo系、Mn-Ni-Mo系或Mn-Ni-Cr-Mo系焊丝。当对焊缝韧性要求较高时，往往采用含镍的焊丝成分系统，如H08CrNi2MoA 等焊丝。焊接690MPa级以下的钢种时，既可采用熔炼焊剂，也可采用烧结焊剂;焊接780MPa级高强钢时，为了得到高的韧性，最好采用烧结焊剂。因为熔炼焊剂碱度较低，为提高韧性，就应提高焊剂碱度，但这又会导致焊接工艺性能明显 变坏，故熔炼型焊剂的应用受到限制。

低合金钢焊丝焊剂标准有GB/T12470—2003《埋弧焊用低合金钢焊丝和焊剂》，可根据不同的强度级别选用不同的焊丝焊剂组合，具体见表4-1。

（三）低合金高强钢气体保护焊焊接材料的选用

选用焊丝时，首先要满足焊缝金属与母材等强度及其他力学性能指标（如低温韧性等）符合规定的要求，同时还应该考虑抗裂性及焊接生产效率。焊接热轧钢、正火钢及焊态下使用的低碳调质钢时，首先考虑焊缝金属的力学性能与母材相接近或相当，焊缝金属化学成分与母材一致性则放在次要。值得注意的是，当焊缝金属强度超过母材过多时，可能引起不良后果。因此，焊缝金属强度等于或稍高于母材即可。按等强度要求选择焊丝等级时，应考虑板厚、接头形式、坡口形状及焊接热输入等因素的影响，这些因素对焊缝合金元素稀释和冷却速度，即对焊缝金属的化学成分和接头的组织都有影响，并因此影响到最终的焊缝金属力学性能。

需要指出的是，对同一钢种的焊接，当其板厚和坡口形式不同时，为了保证焊缝力学性能要求，选用的配套焊丝也不尽相同。对焊后作正火或消除应力处理时，必须选择含较多合金元素的焊丝，以便补偿焊后热处理带来的强度损失。

在焊丝合金系统选择上，主要是在保证等强度的前提下，重点考虑焊缝金属冲击韧性的要求。对于强度等级490MPa以下的焊丝，只要保证焊缝含有1.2%～1.6%的锰，而不再需要添加其他的合金元素就可满足强度要求。当要求低温下具有优良的冲击及断裂韧性时，也可添加0.5%左右的镍或微量钛、硼;对于强度等级 590～680MPa的焊丝，其焊缝通常有两个成分系统，即Mn-Mo系和 Mn-Ni-Mo系。对低温韧性要求较高的，宜采用后者，通常锰含量为1.0%～1.4%，钼含量约为0.2%～0.4%;根据对低温韧性的要求，可加入不同数量的镍，多在0.5%~2.0%之间，也可再加入少量的铬，以得到良好的综合性能;对于强度等级在780MPa以上的焊丝，其焊缝成分多为Mn-Ni-Cr-Mo系，也有的是Mn-Ni-Mo系。在Mn-Ni-Cr-Mo系焊缝中，锰和钼的含量可适当减少，加人适量的镍（1.5%~2.5%）和铬（0.2%～0.6%）后，既可改善焊缝的低温韧性，又可起强化作用。

适用于低合金高强钢的实芯焊丝标准有CB/T8110-2008《气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝》，合金系统有锰-钼、锰-镍、锰-镍-钼或锰-镍-铬-钼系等。药芯焊丝标准有GB/T17493—2008《低合金钢药芯焊丝》，焊丝按药芯类型分为非金属粉型药芯焊丝和金属粉型药芯焊丝。非金属粉型药芯焊丝按化学成分分为钼钢、铬钼钢、镍钢、锰钼钢和其他低合金钢等五类;金属粉型药芯焊丝按化学成分分为铬钼钢、镍钢、锰钼钢和其他低合金钢等四类。保护气体按焊丝标准或焊丝厂家质保书提供的匹配气体选择，自保护药芯焊丝不需要保护气体。焊丝的选择见表4-1。

四、低合金高强度钢的焊接工艺要点

1）该类钢的焊接方法适应范围较广泛，其中焊条电弧焊、埋弧焊、钨极或熔化极气体保护焊为最常采用的焊接方法。电渣焊焊后需进行正火处理，成本增加且延缓生产周期。特别对于低碳调质钢而言，将会破坏其母材热影响区的调质状态，使其强度下降，韧性恶化，故不推荐采用。

2）为了避免热影响区粗晶区的脆化，一般应注意不要使用过大的热输入量。对于含碳量偏下限的16Mn 钢焊接时，焊接热输入没有严格的限制，因为这些钢焊接热影响区脆化倾向较小，但对于含钒、铌、钛微合金化元素的钢，则应选用较小的焊接热输人。

3）对于碳及合金元素较高、屈服强度也较高的低合金高强度钢，如18MnMoNb钢，由于这种钢淬硬倾向较大，又要考虑其热影响区的过热倾向，则要选用较小热输人的同时，还要增加焊前预热、焊后及时后热等措施。

4）焊接低碳低合金调质钢时，为了使热影响区保持良好的韧性，同时使焊缝金属既有较高的强度又有良好的韧性，这就要求焊缝金属得到针状铁素体组织，而这种组织只有在较快的冷却条件下才能获得。为此要严格控制焊接热输入，不推荐采用大直径的焊条和焊丝，且要采用多道多层的窄焊道焊，尽量不作横向摆动的运条方式。为防止冷裂纹的产生，焊前需要预热，但应严格控制预热温度。预热温度过高，会使热影响区冷却速度过于缓慢，从而在该区内产生马氏体和奥氏体的混合组织和粗大的贝氏体，使强度下降，韧性变坏。一般要求最高预热温度不得高于推荐的最低预热温度加65℃。采用低温预热加后热的方法既可防止低碳调质钢产生冷裂纹，又可减轻或消除预热温度过高带来的不利影响。

5）大多数低碳调质钢焊件是在焊态下使用，除非在下述条件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，保证尺寸稳定性;焊接结构承受应力腐蚀。为了防止焊件脆断而进行的消除应力处理对这类钢来说是没有必要的;另外，保证材料的强度，消除应力处理的温度应该比钢材原来的回火温度低30℃左右。