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材料焊接性
一、钢的碳当量计算及其在焊接中的应用
发布日期:
2008-7-6[收藏评论没有找到想要的知识]
曹良裕 魏战江
摘 要 介绍了目前世界各国常用的碳当量公式及其适用的钢种、强度级别、化学成分范围及应用判据。
关键词 碳当量 焊接裂纹 低合金高强度钢
钢的碳当量就是把钢中包括碳在内的对淬硬、冷裂纹及脆化等有影响的合金元素含量换算成碳的相当含量。
通过对钢的碳当量和冷裂敏感指数的估算,可以初步衡量低合金高强度钢冷裂敏感性的高低,这对焊接工艺条件如预热、焊后热处理、线能量等的确定具有重要的指导作用。
50年代初,当时钢的强化主要采用碳锰,在预测钢的焊接性时,应用较广泛的碳当量公式主要有国际焊接学会(IIW)所推荐的公式和日本JIS标准规定的公式。
60年代以后,人们为改进钢的性能和焊接性,大力发展了低碳微量多合金之类的低合金高强度钢,同时又提出了许多新的碳当量计算公式。
由于各国所采用的试验方法和钢材的合金体系不尽相同,所以应搞清楚各国所使用的碳当量公式的来源、用途及应用范围等,以免应用不当。
1 国际焊接学会推荐的碳当量公式CE(IIW):
[1]
CE(IIW)=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15(%)
(1)
(式中的元素符号均表示该元素的质量分数,下同。
)
该式主要适用于中、高强度的非调质低合金高强度钢(σb=500~900MPa。
当板厚小于20mm,CE(IIW)<0.40%时,钢材淬硬倾向不大,焊接性良好,不需预热;CE(IIW)=0.40%~0.60%,特别当大于0.5%时,钢材易于淬硬,焊接前需预热。
2 日本推荐的碳当量公式
2.1 日本JIS和WES标准规定的碳当量公式:
[2]
Ceq(JIS)=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14(%)
(2)
该式主要适用于低碳调质的低合金高强度钢(σb=500~1000MPa)。
当板厚小于25mm,手工焊线能量为17kJ/cm时,确定的预热温度大致如下:
钢材σb=500MPa, Ceq(JIS)≈0.46%, 不预热
σb=600MPa, Ceq(JIS)≈0.52%, 预热75℃
σb=700MPa, Ceq(JIS)≈0.52%, 预热100℃
σb=800MPa, Ceq(JIS)≈0.62%, 预热150℃
(1)、
(2)式均适用于含碳量偏高的钢种(C≥0.18%),即C≤0.20%;Si≤0.55%;Mn≤1.5%;Cu≤0.50%;Ni≤2.5%;Cr≤1.25%;Mo≤0.70%;V≤0.1%;B≤0.006%。
2.2 Pcm公式
日本伊藤等人进行了大量试验后,提出了冷裂敏感指数(Pcm)的计算公式:
Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B(%) (3)
该式适用于C=0.07%~0.22%,σb=400~1000MPa的低合金高强度钢。
适用化学成分范围:
C0.07%~0.22%;Si0~0.60%;Mn0.40%~1.40%;Cu0~0.50%;Ni0~1.20%;Cr0~1.20%;Mo0~0.70%;V0~0.12%;Nb0~0.04%;Ti0~0.05%;B0~0.005%。
伊藤等又根据Pcm、板厚h或拘束度(R),建立了冷裂敏感性(Pw)、冷裂敏感指数(Pcm)及防止冷裂所需要的预热温度的计算公式:
Pw=Pcm+[H]/60+h/600 (3-1)
或Pw=Pcm+[H]/60+R/40000 (3-2)
式中, [H]熔敷金属中扩散氢含量(ml/100g,甘油法)
R接缝拉伸拘束度(kg/mm.mm)
h板厚(mm)
Pcm冷裂敏感指数
当Pw>0时,即有产生裂纹的可能性。
利用(3-1)、(3-2)两公式可以计算出无裂纹焊缝所需预热温度:
T0=1440Pw-392 (℃)
(3-1)、(3-2)两式适用条件:
扩散氢含量[H]为1.0~5.0ml/100g;板厚为19~50mm;线能量为17~30kJ/cm;化学成分范围同(3)式。
(3-1)、(3-2)两式不仅考虑了钢中化学成分的影响,还考虑到钢板厚度或拘束度,以及熔敷金属中含氢量,利用这两式可以计算出防止冷裂纹所需的预热温度。
3 美国推荐的碳当量公式
3.1 计算预热温度的碳当量公式
美国金属学会提出的用于计算预热温度的碳当量CE经验公式:
[3]
CE=C+Mn/6+Ni/15+Mo/4+Cr/4+Cu/13 (%) (5)
当CE<0.45%时,可不预热;当CE在0.45%~0.60%之间时,预热100~200℃;当CE>0.60%时,预热200~370℃。
该式适用于碳钢和低合金高强度钢。
3.2 评定焊接性的碳当量公式
美国金属学会提出的用于评定淬火碳钢和低合金钢的焊接性的碳当量公式:
CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Si+Ni+Cu)/15 (%) (6)
该式考虑了钢中Si的影响,当CE<0.35%时,通常不需预热和后热;当CE在0.35%~0.55%之间时,一般需预热;当CE>0.55%时,可能既要预热,又要后热。
3.3 美国焊接学会(AWS)提出的碳当量公式:
[4]
CE=C+Mn/6+Si/24+Ni/15+Cr/5+Mo/4+Cu/13+P/2 (%) (7)
该式适用于碳钢和低合金钢,适用的化学成分范围如下:
C<0.60%;Mn<1.6%;Ni<3.3%;Cr<1.0%;Mo<0.6%;Cu0.50%~1.0%;P0.05%~0.15%(当Cu<0.50%和P<0.05%时可不计)。
碳当量及所对应的板厚的焊接性和施焊条件分别见图3和表2。
表2 钢的焊接性与施焊条件
焊接性分类
普通酸性焊条
低氢焊条
消除应力
敲击处理
Ⅰ优良
不需预热
不需预热
不需
不需
Ⅱ较好
预热40~100℃
-10℃以上不需预热
任意
任意
Ⅲ尚好
预热150℃
预热40~100℃
希望
希望
Ⅳ难焊
预热150~200℃
预热100℃
必要
希望
图3 焊接性与板厚、碳当量的关系
由图3可查得Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类钢的最佳施焊条件。
二、各种钢材焊接知识要点
(一)
发布日期:
2010-5-1[收藏评论没有找到想要的知识]
1 什么是焊接性?
试述碳钢的焊接性。
焊接性是指材料在限定的施工条件下焊接成按规定设计要求的构件,并满足预定服役要求的能力。
焊接性受材料、焊接方法、构件类型及使用要求四个因素的影响。
碳钢是以铁元素为基础的,铁碳合金,碳为合金元素,其碳的质量分数不超过1%,此外,锰的质量分数不超过1.2%,硅的质量分数不超过0.5%,后两者皆不作为合金元素。
其它元素如Ni、Cr、Cu等均控制在残余量的限度以内,更不作为合金元素。
杂质元素如S、P、O、N等,根据钢材品种和等级的不同,均有严格限制。
因此,碳钢的焊接性主要取决于含碳量,随着含碳量的增加,焊接性逐渐变差,其中以低碳钢的焊接性最好,见表1。
表1 碳钢焊接性与含碳量的关系
名 称
碳的质量分数(%)
典型硬度
典型用途
焊接性
低碳钢
≤0.15
60HRB
特殊板材和型材薄板、带材、焊丝
优
0.15~0.25
90HRB
结构用型材、板材、棒材
良
中碳钢
0.25~0.60
25HRC
机器部件和工具
中(需预热、后热,推荐使用低氢焊接方法)
高碳钢
≥0.60
40HRC
弹簧,模具,钢轨
劣(需预热、后热,必需使用低氢焊接方法)
2 什么是碳当量?
碳钢的碳当量如何计算?
把钢中合金元素(包括碳)的含量按其作用换自成碳的相当含量,称为该种钢材的碳当量,可作为评定钢材焊接性的一种参考指标。
碳钢中的元素除C外,主要是Mn和Si,它们的含量增加,焊接性变差,但其作用不及碳强烈。
国际焊接学会推荐的碳当量公式为
CE(IIW)=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15(%)
随着碳当量值的增加,钢材的焊接性会变差。
当CE值大于0.4%~0.6%时,冷裂纹的敏感性将增大,焊接时需要采取预热、后热及用低氢型焊接材料施焊等一系列工艺措施。
3 利用碳当量值评价钢材焊接性有何局限性?
碳当量值只能在一定范围内,对钢材概括地、相对地评价其焊接性,这是因为:
1)如果两种钢材的碳当量值相等,但是含碳量不等,含碳量较高的钢材在施焊过程中容易产生淬硬组织,其裂纹倾向显然比含碳量较低的钢材来得大,焊接性较差。
因此,当钢材的碳当量值相等时,不能看成焊接性就完全相同。
2)碳当量计算值只表达了化学成分对焊接性的影响,没有考虑到冷却速度不同,可以得到不同的组织,冷却速度快时,容易产生淬硬组织,焊接性就会变差。
3)影响焊缝金属组织从而影响焊接性的因素,除了化学成分和冷却速度外,还有焊接循环中的最高加热温度和在高温停留时间等参数,在碳当量值计算公式中均没有表示出来。
因此,碳当量值的计算公式只能在一定的钢种范围内,概括地、相对地评价钢材的焊接性,不能作为准确的评定指标。
4 试述低碳钢的焊接性。
由于低碳钢含碳量低,锰、硅含量也少,所以,通常情况下不会因焊接而产生严重硬化组织或淬火组织。
低碳钢焊后的接头塑性和冲击韧度良好,焊接时,一般不需预热、控制层间温度和后热,焊后也不必采用热处理改善组织,整个焊接过程不必采取特殊的工艺措施,焊接性优良。
但在少数情况下,焊接时也会出现困难:
1)采用旧冶炼方法生产的转炉钢含氮量高,杂质含量多,从而冷脆性大,时效敏感性增加,焊接接头质量降低,焊接性变差。
2)沸腾钢脱氧不完全,含氧量较高,P等杂质分布不均,局部地区含量会超标,时效敏感性及冷脆敏感性大,热裂纹倾向也增大。
3)采用质量不符合要求的焊条,使焊缝金属中的碳、硫含量过高,会导致产生裂纹。
如某厂采用酸性焊条焊接Q235-A钢时,因焊条药皮中锰铁的含碳量过高,会引起焊缝产生热裂纹。
4)某些焊接方法会降低低碳钢焊接接头的质量。
如电渣焊,由于线能量大,会使焊接热影响区的粗晶区晶粒长得十分粗大,引起冲击韧度的严重下降,焊后必需进行细化晶粒的正火处理,以提高冲击韧度。
总之,低碳钢是属于焊接性最好、最容易焊接的钢种,所有焊接方法都能适用于低碳钢的焊接。
5 低碳钢焊接时,如何正确地选用焊接材料?
⑴手弧焊焊条的选用 常用低碳钢Q235的抗拉强度平均值为417.5MPa,根据等强度原则,与之匹配的焊条应为E43系列。
几种不同钢号的低碳钢手弧焊时焊条的选用,见表2。
表2 低碳钢手弧焊时焊条的选用
钢 号
一般结构选用的
焊条型号
动载荷、复杂、厚板结构,锅炉受压容器,低温焊接
选用的焊条型号
施 焊 条 件
Q235
E4313,E4303,E4301,E4320,E4311
E4316,E4315
(E5016,E5015)
一般不预热
Q255
一般不预热
Q275
E4316,E4315
E5016,E5015
厚板结构预热150℃以上
08、10、
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