15MnVN钢焊接冷裂纹及防止措施研究Word文档格式.docx
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315MnVN钢的化学成分、基本性能、应用
（1）15MnVN钢的化学成分
15MnVN钢是碳素结构钢，其等级分A\B\C\D四级，从左往右质量依次提高。
表3-115MnVN钢的化学成分
牌号
等级
化学成分（质量分数）（%）
C
Mn
Si
S
P
≤
Q235
A
0.14~0.22
0.30~0.65
0.30
0.050
0.045
B
0.12~0.20
0.30~0.70
≤0.18
0.35~0.80
0.040
D
≤0.17
0.035
（2）15MnVN钢的基本性能、应用。
15MnVN的塑性好、焊接性好强度低。
表3-2Q235钢的基本性能
牌号
拉力强度MPa
屈服点MPa
伸长率（%）
15MnVN
375~500
235
26
15MnVN钢低碳优质碳素结构钢（wC<
0.25％）主要轧制成薄板、钢带、型钢及拉制成丝等供货。
由于强度低，塑性、韧性好，易于冲压与焊接，一般用于制造受力不大的零件，如螺栓、螺母、垫圈、小轴、销子、链等。
经过渗碳处理可用来制作表面要求耐磨、心部要求塑性、韧性好的机械零件。
其中碳质量分数较低的钢如08F多用于制造各种冲压件，如搪瓷制品、汽车外壳零件等；
而碳质量分数较高的钢15、20、20Mn是常用的渗碳钢，可用于制造对心部强度要求不高的渗碳零件，如机械、汽车和拖拉机的齿轮、凸轮、活塞销等。
中碳优质碳素结构钢（wC=0.25％～0.60％）多轧制成型钢供货，与低碳优质碳素结构钢相比，强度较高而塑性、韧性稍低，即具有较好的综合力学性能。
此外切削加工性较好，但焊接性能较差。
多在调质或正火状态下使用，还可在表面淬火处理后提高零件的疲劳性能和表面耐磨性。
用于制造受力较大或受力情况较复杂的零件，如主轴、曲轴、齿轮、连杆、套筒、活塞销等零件。
其中45钢是应用最广泛的中碳优质碳素结构钢。
高碳优质碳素结构钢（wC>
0.60％）多以型钢供货，具有较高的强度、硬度、弹性和耐磨性，而塑性、韧性较低，切削加工性中等，焊接性能不佳，淬火开裂倾向较大，主要用于制造耐磨零件、弹簧和钢丝绳等，如凸轮、轧机轧辊及减振弹簧、座垫弹簧等，其中65钢是一种常用的弹簧钢
4冷裂纹的基本特征
对循环载荷作用下15MnVN钢的显微组织变形、微观裂纹的萌生和短裂纹扩展过程进行了研究。
结果表明,在孔边应力集中处,显微组织的变形是不均匀的,其主要集中在铁素体晶粒内。
在循环载荷作用下,晶内滑移带与晶界相互作用,形成晶界微裂纹。
微裂纹合并形成短裂纹。
裂纹尖端塑性区内晶粒同样经历裂纹的萌生和扩展过程。
在短裂纹范围内,裂纹的扩展过程有很大的随机性。
分析结果表明,短裂纹的扩展过程符合对数正态分布
焊缝和热影响区均可出现冷裂纹，主要发生在低合金钢、中合金钢、中碳钢、高碳钢、钛及钛合金的焊接接头中。
焊道下裂纹、焊趾裂纹、焊根裂纹为热影响区纵裂纹。
焊道下裂纹常平行于焊缝长度方向，并向热影响区扩展，不一定贯穿表面；
焊根裂纹产生在根附近或根部未焊透等缺口部位；
焊趾裂纹和根部裂纹主要由于缺口导致应力集中而发生。
扩散氢的存在进一步促使裂纹
515MnVN钢形成冷裂纹的基本因素及其作用
5.1形成冷裂纹的基本因素及其作用
（1）15MnVN钢形成冷裂纹的基本因素
15MnVN纲是低碳钢，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15MnVN纲钢时，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。
（2）15MnVN钢形成冷裂纹及其作用
1）15MnVN钢属于奥氏体不锈钢，其组织为奥氏体（A）加3-5％铁素体（F）。
它具有良好的塑性和高温、低温性能。
它在焊接热循环的作用下，主要显示出以下基本要求：
①焊接过程中采用小的线能量输入，减小热影响区范围，加快焊缝及热影响区的冷却速度对不锈钢的焊接是有益的。
②用15MnVN钢焊接时导热系数小，存在过热区，也容易造成热影响区的晶粒长大。
焊缝高温停留时间过长，在高温状态下Cr和C形成化合物，在高温区就形成了贫铬层，也会导致焊缝的枝晶倾向加剧。
因此要求尽量选择线能觉输入较小的焊接方法。
③由于导热系数小而线膨胀系数大，自由焊态下焊接易产生较大的变形，选用能量集中，热影响区窄的焊接方法能在一定程度上减少焊接变形。
2）15MnVN钢的含碳量很小，在加上它属于高合金钢碳当量法对它焊接性能的估算是不怎么准确的。
因此我们不用碳当量对它的焊接性进行分析。
3）15MnVN钢属于奥氏体不锈钢，这类钢有具有交高的变形能
两种母材自身的问题：
珠光体钢：
冷裂纹、脆化等；
奥氏体钢：
热裂纹等。
特殊问题：
（1）母材对焊缝的稀释，引起焊缝组织与性能的变化
珠光体钢母材的溶入，将稀释填充金属，引起其成分与组织的变化。
（2）形成凝固过渡层
在靠近珠光体钢一侧熔合线的焊缝金属中，会形成一层与内部焊缝金属成分不同的过渡层。
过渡层中的高硬度马氏体组织会使脆性增加，塑性显著降低，形成低塑性带，从而降低了焊接结构的可靠性。
（3）形成碳迁移过渡层
在焊接或焊后加热（热处理或高温运行）时，碳从珠光体母材通过熔合区向焊缝扩散，在靠近熔合区的珠光体母材上形成一个软化的脱碳层，而在靠近熔合区的奥氏体焊缝中形成硬度较高的增碳层。
（4）接头应力状态复杂
局部加热引起的热应力、两种钢的热膨胀系数不同引起的残余应力（热处理无法消除此应力）。
5.2基本因素的作用
（1）焊接冷裂纹的形态和特征
冷裂纹形态焊道下裂纹：
在焊道下的热影响区内形成的焊接冷裂纹，常平行于熔合线发展；
焊指裂纹：
沿应力集中的焊址处形成的冷裂纹，在热影响内扩展；
焊根裂纹：
沿应力集中的焊缝根部所形成的冷裂纹，向焊缝或热影响发展。
特征：
无分支、穿晶开裂、断口表面无氧化色。
最主要、最常见的冷裂纹为延迟裂纹（即在焊后延迟一段时间才发生的裂纹-因为氢是最活跃的诱发因素，而氢在金属中扩散、聚集和诱发裂纹需要一定的时间）。
延迟裂纹的产生原因
①焊接接头存在淬硬组织，性能脆化；
②扩散氢含量较高，使接头性能脆化，并聚集在焊接缺陷处形成大量氢分子，造成非常大的局部压力；
（氢是诱发延迟裂纹的最活跃因素，故有人将延迟裂纹又称氢致裂纹）
③存在较大的焊接拉应力。
（2）防止延迟裂纹的措施
①选用碱性焊条，减少焊缝金属中氢含量、提高焊缝金属塑性；
②减少氢来源枣焊材要烘干，接头要清洁（无油、无锈、无水）；
③避免产生淬硬组织枣焊前预热、焊后缓冷（可以降低焊后冷却速度）；
④降低焊接应力枣采用合理的工艺规范，焊后热处理等；
⑤焊后立即进行消氢处理（即加热到250℃，保温2～6左右，使焊缝金属中的扩散氢逸出金属表面）。
（3）脆化
a
在一定温度条件下出现的脆性，温度条件改变后，脆性自行消失，或者在一定温度条件下，经一定时间后出现的脆性。
这种情况下，金属的组织变化不明显。
有冷脆性，热脆性，红脆性及回火脆性。
b由于应力的反复作用，介质的浸蚀以在高温下长期工作后，金属组织改变引起的脆化现象。
这种脆性无法消除或要通过一定的特殊方法消除。
如氢脆。
影响因素：
a化学成分含C量，铬锰钼磷等；
b保温时间不同钢产生热脆性所需的保温时间不同；
c热处理调质处理可阻止热脆性产生。
消除方法：
6防止冷裂纹的措施
6.1选择冷裂纹敏感性低的材料
冷拔无缝钢管的轴向，平行于晶粒的拉长方向，强度升高；
高压管的径向，垂直于晶粒的拉长方向，强度反而降低，而液压油缸最大的应力正存在于无缝钢管的径向上，所以，变形太大对充分发挥冷拔管的性能不利。
对于钢材中出现的纤维组织以及位错、空位等晶体缺陷，一般均采取退火或正火等热处理手段加以消除。
退火的目的是细化晶粒，消除组织缺陷，降低硬度，提高塑性
6.2严格控制气孔的来源
焊接产生的气孔主要有以下几种：
a一氧化碳气孔
产生CO气孔的原因主要是熔池中的FeO和C发生了如下的还原反应：
FeO+C＝Fe+CO
该反应在熔池处于结晶温度时，进行得比较剧烈。
同时，由于熔池已开始凝固，CO气体不易逸出，于是在焊缝中形成CO气孔。
b氢气孔
焊丝、工件表面的油污和铁锈，以及气体中所含的水分都含有氢元素，它们在电弧高温下都会分解出氢气。
氢气难溶于固体金属，易溶于熔融态金属中。
如果熔池在高温时溶入了大量氢气，在结晶过程中又不能充分排出，则留在焊缝金属中形成气孔。
c氮气孔
氮气孔的成因与氢气孔类似，都是因为气体在固体金属和熔融态金属中的溶解度差异。
氮气的主要来源是空气侵入焊接区。
（1）产生的原因
①焊接材料方面。
焊条受潮，未按要求烘干，药皮变质、剥落，焊芯锈蚀，焊件未清理干净；
②焊接工艺方面。
手弧焊时，采用过大的焊接电流，造成焊条药皮发红而导致保护失败。
焊接电弧过长造成熔池保护不良产生气孔。
（3）气孔的预防措施：
不使用药皮剥落、偏心或焊芯锈蚀的焊条，各种类型焊条应按规定烘干，焊接坡口两侧应清理干净，选用合适的焊接电流，采用短弧焊接，若发现偏心焊条应及时转动或倾斜焊条，焊工操作要熟练。
6.3焊前预热
表6-115MnVN钢焊接材料选用表
钢材
手工电弧焊用焊条
埋弧自动焊
电渣焊
气体保护焊
气焊
应选用焊条
允许代替焊条
应选用焊丝
焊剂
保护气体
Q235-A
E4303
E5015
H08A
HJ431
H10Mn2
H08Mn2SiA
CO2
E4315
E5105
H08MnA
Ar
综上，15MnVN钢焊接的焊接材料的选用。
表6-2奥氏体不锈钢与碳钢焊接的焊接材料的选用表
焊接接头异种钢材
手工焊焊条
奥氏体不锈钢与碳钢
E1-23-13-16（H0Cr24Ni13）
注:
1）碳钢Q235-A
2）奥氏体不锈钢15MnVN
（1）.分析15MnVN钢焊接的工艺性
接头与坡口形式设计焊缝布置与接头的应力集中程度对接头质量有明显的影响。
合理的接头设计应使应力集中系数尽可能小，且具有好的可焊到性，并便于焊后检验。
为此，应避免将焊缝布置在断面突然变化的部位，并要考虑施焊方便。
一般来说，对接焊缝比角焊缝更合理，因为后者应力集中系数大，并有明显的缺口效应；
同时，对接焊缝更便于进行射线或超声波探伤。
坡口形式以U形或V形为佳，单边V形或J形坡口也可采用，但必须在工艺规程中注明要求两个坡口必须完全焊透。
为了降低焊接应力，可采用双V形或双U形坡口。
X型坡口:
适用于δ=12~60㎜
优点:
填充金属及变形比V形坡口减小1/2.
缺点:
加工较V形复杂,需两面施焊。
一般用于板较厚且可以双面焊,变形要求较小的工件。
U型坡口:
适用于δ=20~60㎜
填充金属比X形小,变形小,单面施焊。
坡口加工困难。
多用于厚板且变形要求小,而且只允许单面施焊的工件。
双U型坡口:
适用于δ=40~60㎜
填充金属及变形最小。
加工困难,需双面焊接。
多用于变形要求特别小,允许双面施焊时。
坡口尺寸:
夹角α,α=60.±
5.
根部间隙b,b=2±
1㎜.
钝边厚度P,P=2±
斜角β,β=10.±
3.
根部半径R,R=3~5.
1㎜
表6-3坡口与接头
因此，无论用何种形式的接头或坡口，都必须要求焊缝与母材交界处平滑过渡。
（2）坡口制备
Q235的坡口可以用气割切制，但切割边缘有硬化层，应通过加热或机械加工消除。
当板厚小于100mm时，切割前不需预热。
当板厚不小于100mm，应进行100~150℃预热。
15MnVN采用机械切割或等离子弧切割。
图6-1气割设备
（3）焊接方法选用
由于15MnVN钢的强度均小于980MPa，且材料的焊接性知，这两种材料的焊接需采用焊条电弧焊。
图6-2为交流弧焊机
（4）焊接位置与焊枪角度
将焊枪从直角顶点远离螺座圆弧面平移一段距离，即仍然保持45°
不变，但焊丝的接触点在距直角顶点1.5～2.5mm处，使电弧稍集中在碳钢母材侧，确保两母材金属受热均匀一致，从而保证了焊接接头熔深一致。
（5）焊接线能量
标准规定，生产中的所采用的线能量不能大于工艺评定中的线能量，这个线能量是平均值还是最大值，如果是最大值，是否合适。
比如说，有一条焊缝，焊了十层，其中大部分的线能量都在20kj/cm，而其中两层的线能量在30kj/cm，如果按最大线能量去制定工艺，所焊出的产品就不一定能合格了。
工艺评定应该尽量代表产品的焊接工艺，而产品的焊接工艺也应尽量和工艺评定一致。
实际生产中确定线能量的步骤是，首先通过实验确定所焊钢材保证韧性的最大线能量，然后根据用此线能量焊接时的冷裂倾向确定预热温度。
（6）预热温度
预热的目的主要防止冷裂为，对改善组织没明显作用。
前对碳钢板预热也能弥补两种材料因热导率不一致引起的焊缝熔深不一致，预热温度一般为100～200°
，预热温度过高，会导致焊缝的冷却速度变慢，有可能引起焊接接头晶粒边界碳化物的析出和形成铁素体组织，大大地降低接头的冲击韧性。
预热温度过低，则起不到预热的作用，无法防止焊缝熔深不一致的形成。
对于多层焊，则应考虑层间温度，让前一层焊缝冷却至100～200℃后再焊下一道焊缝。
（7）焊接参数
对于0Cr18Ni9不锈钢与Q235B碳钢的异种钢焊接，为防止在实际应用中由于焊缝的一侧晶体粗大而产生脆化和裂纹，还要选用小的热输入，小的焊接电流，较大的焊接电压，较快的焊接速度，小直径焊条或焊丝等。
6.4焊后热处理
不锈钢复合板焊后热处理按基层材料要求进行。
覆层为堆焊金属的不锈钢复合钢板基层需要焊后热处理，则应在堆焊覆层后再进行。
对耐晶间腐蚀要求较高的设备，如果基层需要焊后热处理，则宜在热处理后再焊覆层的盖面层焊缝。
复合钢板焊后热处理温度表6-4示
覆层材料
基层材料
温度
不锈钢
铬系
低碳钢
低合金钢
600-650
奥氏体系
<
550
由于15MnVN钢自身母材的影响，易产生热裂纹、冷裂纹、脆化、气孔、夹渣等。
1.热裂纹
（1）定义热裂纹常发生在焊缝区，在焊缝结晶过程中产生的叫结晶裂纹，也有发生在热影响区中，在加热到过热温度时，晶间低熔点杂质发生熔化，产生裂纹，叫液化裂纹。
特征：
沿晶界开裂（故又称晶间裂纹），断口表面有氧化
（2）焊接热裂纹发生的原因及防止措施：
对热裂纹中最有代表性的凝固裂纹的发生原因和防止对策进行说明。
一般地，凝固裂纹是在冷却过程中的凝固温度附近，结晶粒界处残余的液相或脆弱的不纯物的液体薄膜
不能支撑由于凝固进行而发生的收缩应力而发生开裂。
因此，凝固裂纹发生的原因是
材料的化学
C,P,S的影响---焊缝金属中C,P,S的含有量高
防止对策:
尽可能选用低C,P,S的焊丝和母材。
Ni的影响---焊缝金属中Ni的含有量高。
防止对策:
尽可能选用成为低P,S焊缝的焊丝.标准:
P+S≦0.02%
.
Si,Nb的影响---焊缝金属中Si,Nb的含有量高
避免多余的Si,Nb的添加如母材中Si,Nb的成分高时，用低Si的焊丝。
焊接施工条件
a-电流过大，会使熔深过深
以能得到安全的断面形状为限，降低电流值。
调整导电嘴和母材的距离，降低电流值。
焊接量有保证的场合，使用细径焊丝
以能获得熔深浅宽的焊缝，设定施工条件。
b-电压过低，焊缝幅窄，最终凝固区域成为焊缝的内部
为获得适当的凝固形态，设定提高电压值的值。
c-速度过快，柱状晶的突出变成凝固。
为使柱状晶的形成呈向上的状态，减慢速度
d-焊枪角度---焊枪太过于倾斜。
焊枪角度以垂直±
20°
为标准.
e-弧坑处理不彻底
弧坑处电流为焊接电流×
0.6～0.7.
其他
（a）预焊---预焊部的处理不彻底.
预焊尽可能不要熔断。
（未熔合的根源，在预焊焊缝处裂纹发生焊缝裂纹的起点）。
（b）零件形状复杂时，要考虑焊接顺序，考虑不要有局部的拘束。
焊接时过度抑制应变将成为开裂的根源。
有可能时进行预热（250℃～300℃）,（250℃～300℃时降伏应力急剧下降）。
（c）其他---电弧不稳定的要因管理不适当。
除去焊接面（包括反面）的油、锈、涂料等
2冷裂纹
（1）定义焊接接头冷却到较低温度下（对于钢来说在Ms温度以下）时产生的焊接裂纹。
（2）焊接冷裂纹的形态和特征
（3）防止延迟裂纹的措施
3脆化
（1）
（2）由于应力的反复作用，介质的浸蚀以在高温下长期工作后，金属组织改变引起的脆化现象。
在450～600℃长时间回火或在更高温度（600～70
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