低合金高强度钢焊接的最佳选材方案

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：（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。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。（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。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。

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／T 47018—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／T 5117—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／T 12470—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，加入适量的镍（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GB／T 8110—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／T 17493—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。

低合金高强度钢焊接的最佳选材方案

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