【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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)以及結(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(lái)評(píng)價(jià)焊接裂紋出現(xiàn)的可能性，就往往不能作出正確的判斷。焊接裂紋實(shí)驗(yàn)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(méi)有明顯的規(guī)律性。由此可知，焊接碳當(dāng)量（Cd）只能用來(lái)粗略的估計(jì)合金鋼的焊接性能。在實(shí)際生產(chǎn)中，必須對(duì)具體鋼種進(jìn)行一系列的焊接性能實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況制訂切實(shí)可行的焊接工藝規(guī)范。 焊接裂紋傾向由于焊接冷裂紋對(duì)高強(qiáng)度鋼的焊接結(jié)構(gòu)有嚴(yán)重的危害，近年來(lái)世界各國(guó)對(duì)高強(qiáng)度鋼的焊接冷裂紋進(jìn)行了大量的研究。現(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(shí)尤為明顯。限制焊縫含氫量對(duì)于防止焊接冷裂紋至關(guān)重要，鋼材的強(qiáng)度級(jí)別越高，冷裂傾向越大，對(duì)氫的含量要求就越嚴(yán)格。高效的氣體保護(hù)對(duì)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(guò)渡層、馬氏體脆性層、擴(kuò)散層、殘余應(yīng)力分布等方面。測(cè)定靠近焊縫邊緣部位的焊接熱循環(huán)比較困難，受實(shí)際測(cè)試手段的限制，認(rèn)識(shí)仍不統(tǒng)一，尤其是熔合區(qū)中C、H、O的分布。16MnR焊接時(shí)，熱影響區(qū)的主要變化是過(guò)熱區(qū)脆化和可能發(fā)生的熱應(yīng)變脆化。1) 過(guò)熱區(qū)脆化過(guò)熱區(qū)加熱溫度在1200℃—固相線溫度范圍內(nèi)，比較高的加熱溫度造成奧氏體晶粒的嚴(yán)重粗化及難溶質(zhì)點(diǎn)溶入固溶體，這些都將明顯影響過(guò)熱區(qū)的性能。正火鋼的過(guò)熱區(qū)脆化與魏氏組織無(wú)關(guān)，除晶粒粗化外，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(guò)程中來(lái)不及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(guò)熱區(qū)脆化，實(shí)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(shí)，也應(yīng)注意快冷時(shí)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(guò)程中在熱和應(yīng)變的同時(shí)作用下產(chǎn)生的一種應(yīng)變時(shí)效，它是由固溶的氮引起的。一般認(rèn)為在200400℃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(lái)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(jì)確定許用的主要依據(jù)，而抗拉強(qiáng)度是強(qiáng)度儲(chǔ)備的重要指標(biāo)。兩者之比稱為屈強(qiáng)比，是一個(gè)選擇材料的重要參數(shù)，對(duì)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，近年來(lái)對(duì)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(shí)，低溫韌性顯著提高。為了改善組織，提高韌性，對(duì)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內(nèi)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(guò)針狀鐵素體時(shí)，通過(guò)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(shí)與附近組織形變不協(xié)調(diào)，易在相界處形成裂紋，并以解理斷裂方式穿過(guò)鐵素體，對(duì)應(yīng)端口形成解理臺(tái)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(shí)低。 16MnR焊接缺陷的分析16MnR焊接過(guò)程中一個(gè)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(shí)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(jí)高時(shí)，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(gè)因素：①不能改變的因素：如鋼板的厚度、尺寸大小、接頭形式等。鋼板越厚、尺寸越大時(shí)，冷卻速度越大。此外，接頭形式不同時(shí)，其散熱情況不同，冷卻速度也不同。②可改變因素：如焊接工藝方法、焊接規(guī)范大小和預(yù)熱溫度等，通過(guò)調(diào)節(jié)這些因素，可減少熱影響區(qū)的淬硬傾向。在焊接時(shí)，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(guò)程中產(chǎn)生，有時(shí)甚至放置相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)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、焊接接頭內(nèi)含氫量較多且殘余應(yīng)力較大。必須指出，只有在上述三個(gè)因素同時(shí)存在時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生冷裂紋。在生產(chǎn)實(shí)踐中，?？烧{(diào)節(jié)其中一個(gè)或兩個(gè)因素以避免產(chǎn)生冷裂紋。在焊接高強(qiáng)度級(jí)的厚板時(shí)，在易產(chǎn)生冷裂紋。這是因?yàn)槠浯阌矁A向大、板厚的剛性大、焊接接頭的殘余應(yīng)力也大，焊接接頭易得到淬硬組織。針對(duì)冷裂紋產(chǎn)生的三個(gè)因素，我們?cè)诠采峡捎孟铝写胧┓乐够驕p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(duì)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。熱裂紋的特征是沿晶界開(kāi)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。影響熱裂紋的因素是：一金屬的化學(xué)成分及成分偏析低合金結(jié)構(gòu)鋼內(nèi)碳和硫的增多，會(huì)形成低熔點(diǎn)共晶，當(dāng)液態(tài)金屬冷卻結(jié)晶時(shí)，液態(tài)的低熔點(diǎn)共晶偏析于晶界處最后凝固，此時(shí)晶界的強(qiáng)度很低，在焊接應(yīng)力作用下沿晶開(kāi)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(guó)的普通低合金鋼中大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(huì)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(shí)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(shí)造成的殘余應(yīng)力大時(shí)，易造成熱裂紋。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(shí)，采用過(guò)大的焊接線能量，粗晶區(qū)將因晶粒長(zhǎng)大或出現(xiàn)魏氏組織等而降低韌性；線能量過(guò)小，會(huì)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(shí)較明顯。對(duì)于含碳量較少的熱軋鋼，應(yīng)選用較小的焊接線能量；對(duì)含碳量偏高的熱軋鋼，焊接線能量要適中；對(duì)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。熱應(yīng)變脆化產(chǎn)生在焊接熔合區(qū)及最高加熱溫度低于Ac1的亞臨界熱影響區(qū)。對(duì)于CMn系熱軋鋼及含氮量較高的鋼，一般認(rèn)為熱應(yīng)變脆化是由于氮、碳原子聚集在位錯(cuò)周圍，對(duì)位錯(cuò)造成釘軋作用造成的。如有缺口效應(yīng)，會(huì)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)600℃1h退火處理后，脆性轉(zhuǎn)變溫度大幅度提高。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(shí)，可能沿鋼材軋制方向發(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(jí)別低的焊接材料或采用預(yù)熱及降氫等措施，有利于防止層狀撕裂的發(fā)生。 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(guó)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)域得到了廣泛的應(yīng)用。 20MnMoNb的化學(xué)成分 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）CSiMnMoNbCrSPNiCu～～～～～≤≤≤≤≤ 20MnMoNb的力學(xué)性能公稱厚度(mm)熱處理狀態(tài)回火溫度（℃）σb（MP）σs（MP)δ5(%)Akv(J)HB≤300調(diào)質(zhì)630620～790≥470≥16≥41185～235＞300～500調(diào)質(zhì)630610～780≥460≥16≥41180～233 合金元素對(duì)20MnMoNb性能的影響20MnMoNb的化學(xué)成分為：C %～%，Si %～%，Mn %～%,Mo %～，Nb %～。各種合金元素對(duì)低合金鋼組織和性能的影響是很復(fù)雜的。 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，%超過(guò)時(shí)，鋼的焊接性能變壞，因此用于焊接的低合金結(jié)構(gòu)鋼，%。碳量高還會(huì)降低鋼的耐大氣腐蝕能力，在露天料場(chǎng)的高碳鋼就易銹蝕；此外，碳能增加鋼的冷脆性和時(shí)效敏感性。 Si的影響在煉鋼過(guò)程中加硅作為還原劑和脫氧劑，－%的硅。%,硅就算合金元素。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。－%的硅，強(qiáng)度可提高15－20%。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1－4%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(huì)降低鋼的焊接性能。 Mn的影響在煉鋼過(guò)程中，錳是良好的脫氧劑和脫硫劑，－%。%以上時(shí)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11－14%的鋼有極高的耐磨性，用于挖土機(jī)鏟斗，球磨機(jī)襯板等。錳量增高，減弱鋼的抗腐蝕能力，降低焊接性能。 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(shí)保持足夠的強(qiáng)度和抗蠕變能力(長(zhǎng)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。 Nb的影響鈮能細(xì)化晶粒和降低鋼的過(guò)熱敏感性及回火脆性，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，可提高抗大氣腐蝕及高溫下抗氫、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。 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(duì)焊接性影響最大的是C，20MnMoNb屬于低合金高強(qiáng)化鋼，C及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，以及其成分焊接的影響，便決定留在實(shí)際的焊接過(guò)程中焊接的問(wèn)題主要來(lái)自兩個(gè)方面：焊接裂紋和熱影響區(qū)母材性能的下降。 熱軋及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(shí)若碳和硫同時(shí)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。、硫和錳對(duì)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(shí)降低碳、硫的含量。具體措施可選用脫硫能力較強(qiáng)的低氫型焊條，埋弧焊時(shí)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。 C、S、Mn對(duì)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(gè)方面著手，其中冶金方面更重要一些。(1) 控制焊縫中的硫、磷、碳等有害元素的含量(2) 對(duì)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(3) 調(diào)整熔渣的堿度 堿度越高，熔池中的脫硫、脫氧越完全(4) 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)(5) 調(diào)整冷卻速度(6) 調(diào)整焊接順序，降低拘束應(yīng)力 焊接冷裂紋國(guó)際焊接學(xué)會(huì)（ⅡW）碳當(dāng)量計(jì)算公式：CE=C+Mn/6+(Cr+Mn+V)/5 +(Cr+Ni)/15(％)％說(shuō)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(gè)基本因素如下：（1） 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(shí)驗(yàn)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(shí)，則出現(xiàn)或很少出現(xiàn)焊道裂紋。，焊道下裂紋率也隨著焊氫量的增加而上升。 電弧氣氛中含氫量對(duì)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（2） 鋼的淬透性 一般來(lái)說(shuō)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多的合金元素增加了鋼的淬透性，在焊接后冷速很大的時(shí)候易產(chǎn)生馬氏體，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(gè)規(guī)律對(duì)各種鋼都是適用的，只是鋼種的