Cr金属焊接性说明书.docx
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Cr金属焊接性说明书
摘?
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要
40Cr是我国GB的标准钢号，40Cr钢是机械制造业使用最广泛的钢之一。
调质处理后具有良好的综合力学性能，良好的低温冲击韧性和低的缺口敏感性。
钢的淬透性良好，水淬时可淬透到Ф28～60mm,油淬时可淬透到Ф15～40mm。
这种钢除调质处理外还适于氰化和高频淬火处理。
切削性能较好，当硬度HB174～229时，相对切削加工性为60%。
该钢适于制作中型塑料模具。
本次课程设计的主要内容包括：
中碳调质钢的概述、40Cr化学成分及力学性能、40Cr碳当量的计算、40Cr焊接性的具体分析等。
编写设计的说明书讲述了所研究的、参数及热处理；本次课程设计我所设计40Cr焊接性分析。
根据40Cr材料的化学成分及力学性能分析，计算出碳当量值为%，并通过碳当量值分析出焊接性是否良好。
经过中碳调质钢40Cr的化学成分、力学性能和碳当量值分析了结晶裂纹、冷裂纹和热影响区的性能、焊接工艺特点等并作出了相应的解决措施。
解决了40Cr焊接时，出现的常见问题。
第1章绪论
中碳调质钢简介
中碳调质钢中的碳和其他合金元素含量较高，通过调质处理（淬火+回火）可获得较高的强度性能。
中碳调质钢合金元素的加人主要是起保证淬透性和提高抗回火性能的作用，而其强度性能主要还是取决于含碳量。
但随着碳含童的提高，钢的焊接性明显变差，焊接难度增大。
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中碳调质钢的屈服强度达880-1176MPa以上。
钢中的含碳量较高，并加人合金元素〔如MN、Si、Cr、V、B及Mo、W、V、Ti等），以保证钢的淬透性，消除回火脆性，再通过调质处理获得综合性能较好的高强钢。
中碳调质钢的主要特点是高的比蹋度和高硬度（例如可用作火箭外壳和装甲锅等），中碳调质钢的淬硬性比低碳调质钢高很多，热处理后达到很高的强度和硬度，但韧性相对较低，给焊接带来了很大的困难。
中碳调质钢的合金系统可以归纳为以下几种类型：
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（1）40Cr?
是一种广泛应用的含Cr中碳调质钢，钢中加人Cr＜%时能有效地提高钢的淬透性，继续增加Cr含量无实际意义。
1%时对钢的塑性、韧性略有提高，超过2%时对塑性影响不大，但略使冲击韧性下降。
Cr能增加低温或高温的回火稳定性，但有回火脆性。
40Cr钢具有良好的综合力学性能、较高的淬透性和较高的疲劳强度，可用于制造较重要的在交变载荷下工作的机器零件。
如用于制造齿轮和轴类等。
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（2）35CrMoA和35CrMoVA?
属于Cr-Mo系统，是在Cr钢基础上发展起来的中碳调质钢。
加人少量Mn可以消除Cr钢的回火脆性，提高淬透性并使钢具有较好的强度与韧性匹配，同时Mo还能提高钢的高温强度。
V可以细化晶粒，提高强度、塑性和韧性，增加高温回火稳定性。
这类钢一般在动力设备中用于制造一些承受较高负荷、截面较大的重要零部件，如汽轮机叶轮、主轴和发电机转子等。
这类钢的含碳量较高，淬透性较大，因此焊接性较差，一般要求焊前预热、焊后热处理等。
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（3）?
30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A和40CrMnSiMoVA?
属于Cr-Mn-Si系统，以及在该基础上发展起来的含Ni钢。
30CrMnSiA是一种典型的Cr-Mn-Si系的中碳调质钢，不含Ni元素。
这种钢退火状态下的组织是铁素体和珠光体，调质状态下的组织为回火索氏体。
Cr-Mn-Si钢具有回火脆性的缺点，在300-450℃出现第一类回火脆性，因此回火时必须避开该温度范围。
这类钢还具有第二类回火脆性，因此高温回火时必须采取快冷的办法，否则韧性会显着降低。
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这类钢除了在调质状态下应用外，有时在损失一定韧性的情况下，为了提高钢的强度，减轻结构重量，采用200-250℃的低温回火，以便得到具有很高强度的低温回火马氏体组织。
当工件厚度小于25mm时，可采用等温淬火。
得到下贝氏体组织，此时强度与塑性、韧性得到良好的配合。
这种钢在飞机制造中用得较为普遍。
30CrMnSiNi2A钢是在Cr-Mn-Si系基础上发展起来的。
其特点主要是增加Ni。
大大提高了钢的淬透性。
与30CrMnSiA相比，调质后的强度有较大提高，并保持了良好的韧性，但它的焊接性较差，具有较大的冷裂倾向。
40CrMnSiMoVA属于低Cr无Ni中碳调质高强钢，其中加人了淬透性强的Mo元素，与30CrMnSiNi2A相比，因含碳量高且不含Ni，焊接性要差一些，可用来代替30CrMnSiNi2A制造飞机上的一些构样。
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（4）40CrNiMoA和34CrNi3MoA属于Cr-Ni-Mo系的调质钢，由于加人了质量分数为3%的Ni和Mo，显着地提高了淬透性和抗回火软化的能力，对改善钢的韧性也有好处，具有良好的综合性能，如强度高、韧性好、淬透性大等优点。
主要用于高负荷、大截面的轴类以及承受冲击载荷的构件，如汽轮机、喷气涡轮机轴以及喷气式客机的起落架和火箭发动机外壳等。
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材料介绍
材料的成分
此次所研究的材料为40Cr，材料的成分如下表《40Cr的化学成分》：
表40Cr的化学成分质量分数（%）
钢号
C
Si
Mn
Cr
Ni
P
S
Cu
40Cr
~
~
~
~
≦
≦
≦
≦
材料的性能
此次所涉及的材料为40Cr，材料的力学性能如下表《40Cr的力学性能》：
表40Cr的力学性能
钢种
热处理
HBW
40Cr
850℃油淬
520℃回火（水或油）
≧785
≧980
≧9
≧45
≧47
≧207
第2章40Cr的碳当量分析计算
碳当量的介绍
碳当量的定义：
将钢铁中各种合金元素对实际碳量的影响折算成碳的增减，这样算的的碳量称为“碳当量”，用.标识。
碳素钢中决定强度和可焊性的因素主要是含碳量。
合金钢（主要是）除碳以外各种合金元素对钢材的强度与可焊性也起着重要作用。
为便于表达这些材料的强度性能和焊接性能便通过大量试验数据的统计简单地以碳当量来表示。
有许多碳当量指标，如拉伸强度碳当量、屈服强度碳当量、焊接碳当量，还有裂纹敏感性指标（实质上也是碳当量）。
每一种元素的碳当量以1/X表示，X一般为正整数，由决定。
若干元素的碳当量计算之和即各个1/X值之和。
同一元素在不同的碳当量计算法中其X值不同。
不同研究者得到的X值也不相同。
通信设备降耗有助于降低碳排放。
碳当量的计算
由于焊接热影响区的淬硬及冷裂纹倾向与钢种的化学成分有密切关系，因此可以用化学成分间接地评估钢材冷裂纹的敏感性。
各种元素中，碳对冷裂纹敏感性的影响最显着。
可以把钢中合金元素的含量按相当于若干碳当量折算并叠加起来，作为粗略评定冷裂纹倾向的参数指标。
碳当量的概念来源，及理论应用都与铁碳相图密切相关。
将CE与共晶点的碳含量相比，即可判断具体成分铸铁偏离共晶点的方向和程度。
即可轻易判断其成分是过共晶、亚共晶还是。
如图所示[2]。
图铁碳相图
由于世界各地各国研究单位采用的试验方法和钢材的合金体系不同，各自建立了有一定范围的碳当量计算公式，如表所示[1]。
表常用合金结构钢碳当量公式
序号
碳当量公式
适用钢种
1
国际焊接学会（IIW）推荐：
含碳量较高（WC≧%）、强度级别（
=500-900MPa）的非调质低合金高强钢
2
日本JIS标准规定：
强度级别：
（
=500-1000MPa）
3
美国焊接学会（AWS）推荐：
碳钢和低合金高强钢
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。
随着碳当量值的增加，钢材的焊接性会变差。
当CE值大于%～%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。
由于所研究的材料为40Cr，
≧980Mpa?
，采用日本JIS标准规定的碳当量计算公式：
...............................（公式[1]）
材料40Cr化学成分为，C=、Si=、Mn=、Cr=,Ni=
%（最小值）
钢中碳含量较高且碳当量较大。
当碳当量大于%时,则热影响区淬硬倾向性增大,使焊接接头的熔合性能降低,且易产生冷裂纹。
故焊接时需采用相应的工艺措施。
但该类工件结构对称,刚体拘束度小,则是焊接有利的一面。
第3章金属材料40Cr焊接性分析
金属材料焊接性简介
所谓金属焊接性是金属是否具有合适焊接加工而形成完整的，具有一定使用性能的焊接接头的能力。
换句话说，焊接性是材料对焊接加工的适应性，指材料在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度和该焊接接头是否在使用条件下可靠运行[1]。
材料焊接性的概念有两个方面的含义：
一是材料在焊接加工中是否容易形成接头和产生缺陷；二是焊接完成的接头在一定的使用条件下可靠运行的能力。
也就是说，焊接性不仅包括结合能力，而且包括结合后的使用能力。
对焊接工作者来说，充分理解“焊接”和“焊接性”的含义十分重要。
“焊接性”是从英文“Weldability”得来的，它的深刻含义把焊接、结构材料本身的性能以及材料的发展结合在一起。
从20世纪40年代初从“焊接”中派生出“焊接性”概念以来，“焊接性”的含义一直在不断发展着，人们曾给它下了很多定义，这是由于理解角度的不同、分析目的不同和由于焊接技术本身不断发展而引起。
分析和研究焊接性的目的，在于查明一定材料在制定焊接工艺条件下可能出现的问题，以确定焊接工艺的合理性或材料的改进方向。
因此，必须对整体焊接过程中的材料和焊接接头区的成分、组织和性能，包括工艺参数的影响和焊后接头的使用性能等，进行系统地研究。
40Cr焊接性分析
焊接中产生的问题及解决方案
1.焊缝中的热裂纹
中碳调质钢40Cr含碳量及合金元素含量较高，焊缝凝固结晶时，固一液相温度区间大，结晶偏析倾向严重，焊接时易产生结晶裂纹，具有较大的热裂纹敏感性。
例如40Cr由于C、Si含量较高，因此热裂倾向较大。
为了防止产生热裂纹，要求采用低碳低硅焊丝（焊丝中碳的质量分数限制在%以下，最高不超过%），严格限制母材及焊丝中的S、P含量，对于重要产品的钢材和焊丝，要求采用真空熔炼或电渣精炼，将S和P总的质量分数限制在%以下。
焊接中碳调质钢40Cr时，应考虑到可能出现热裂纹问题，尽可能选用碳含量低以及含S、P杂质少的焊接材料。
在焊接工艺上应注意填满弧坑和保证良好的焊缝成形。
因为热裂纹容易出现在未填满的弧坑处，特别是在多层焊时第一层焊道的弧坑中以及焊缝的凹陷部位。
2.淬硬性和冷裂纹
中碳调质钢40Cr的淬硬倾向十分明显，焊接热影响区容易出现硬脆的马氏体组织，增大了焊接接头区的冷裂纹倾向。
母材含碳量越高，淬硬性越大，焊接冷裂纹倾向也越大。
中碳调质钢40Cr对冷裂纹的敏感性之所以比低碳调质钢大，除了淬硬倾向大外，还由于Ms点较低，在低温下形成的马氏体难以产生“自回火”效应。
由于马氏体中的碳含量较高，有很大的过饱和度，点阵畸变更严重，因而硬度和脆性更大，冷裂纹敏感性也更突出。
屈服强度590-980MPa的低、中碳调质钢40Cr的碳当量一般都超过了%，多数超过了%，属于高淬硬倾向的钢。
从碳当量来看，中碳调质钢与低碳调质钢的差别不很显着。
二者的焊接性却差别很大。
因此，中碳调质钢40Cr的冷裂倾向比低碳调质钢更为严重的原因主要在马氏体的类型和性能上。
低碳马氏体有‘，自回火”作用，所以冷裂纹倾向较小。
分析各种钢的冷裂敏感性时，不仅要看焊接区的马氏体形成的倾向，还必须考虑到马氏体的类型和性能。
焊接中碳调质钢40Cr时，为了防止冷裂纹，应尽量降低焊接接头的含氢量，除了采取焊前预热措施外，焊后须及时进行回火处理。
此外，中碳调质超高强钢还具有应力腐蚀开裂敏感性。
这种应力腐蚀开裂常发生在水或高湿度空气等弱腐蚀性介质中。
为了降低焊接接头的应力腐蚀开裂倾向，应采用热量集中的焊接方法和较小的焊接热输人，避免焊件表面的焊接缺陷和划伤。
3.热影响区的脆化和软化
（1）热影响区脆化中碳调质钢40Cr由于碳含最较高，合金元素较多，有相当大的淬硬倾向，马氏体转变温度（Ms）低，无“自回火”过程，因而在焊接热影响区容易产生大量脆硬的马氏体组织（尤其是高碳、粗大的马氏体），导致热影响区脆化。
生成的高碳马氏体越多，脆化越严重。
为了减少热影响区脆化，从减小淬硬倾向出发，本应采用大热输人才有利，但由于这种钢的淬硬性强，仅通过增大热输人还难以避免马氏体的形成，柑反却增大了奥氏体的过热，促使形成粗大的马氏体，反而使热影响区过热区的脆化更为严重。
因此，防止热影响区脆化的工艺措施主要是采用小热输入，同时采取预热、缓冷和后热等措施。
因为采用小热输人减少了高温停留时间，避免奥氏体晶粒的过热，同时采取预热和缓冷等措施来降低冷却速度，这对改善热影响区的性能是有利的。
（2）热影响区软化焊前为调质状态的钢材焊接时，被加热到该钢调质处理的回火温度以上时，焊接热影响区将出现强度、硬度低于母材的软化区。
如果焊后不再进行调质处理，该软化民可能成为降低接头区强度的薄弱区。
中碳调质钢40Cr的强度级别越高时，软化问题越突出。
因此，在调质状态下焊接时应考虑热影响区的软化问题。
母材焊前所处的热处理状态不同，软化区的温度范围和软化程度有很大差别。
低温回火的钢材，热影响区软化区的温度范围越大，相对于母材的软化程度也越大。
从韧性方面出发，过热区是接头中最薄弱的环节；而从强度方面考虑，软化区是接头中最薄弱的环节。
中碳调质钢热影响区软化最明显的部位，是温度处于Ac1~Ac3，之间的区段，这与该区段的不完全悴火过程有密切关系。
因为不完全淬火区的奥氏体成分远未达到平衡浓度，铁素体和碳化物均未充分溶解，冷却时奥氏体易发生分解。
造成这个区段的组织强度和硬度都较低。
热影响区软化程度和软化区的宽度与焊接热输入、焊接方法等有很大关系。
焊接热输人越小，加热和冷却速度越快，软化程度越小，软化区的宽度越窄。
30CrMnSi钢经气焊后，热影响区软化区的抗拉强度降为590-685MPa；而采用焊条电弧焊时，软化区的抗拉强度为880-1030MPa。
气焊时的热影响区软化区此电弧焊时宽得多因此焊接热源越集中，对减少软化越有利。
中碳调质钢40Cr的焊接工艺特点
中碳调质钢40Cr的淬透性很大，因此焊接性较差，焊后的淬火组织是硬脆的高碳马氏体，不仅冷裂纹敏感性大，而且焊后若不经热处理时，热影响区性能达不到原来基体金属的性能。
中碳调质钢40Cr焊前母材所处的状态非常重要，它决定了焊接时出现的问题性质和应采取的工艺措施，而且对焊接工艺的要求和工艺参数的控制非常严格。
1.退火或正火状态下焊接[3]
中碳调质钢40Cr最好在退火（或正火）状态下焊接，焊后通过整体调质处理获得性能满足要求的焊接接头，这是焊接中碳调质钢40Cr的一种比较合理的工艺方案。
这时焊接中所要解决的主要是裂纹问题，热影响区和焊缝的性能通过焊后的调质处理来保证。
选择焊接材料的要求是不产生冷、热裂纹，而且要求焊缝金属与母材在同一热处理工艺下调质处理，能获得相同性能的焊接接头。
这种情况下对选择焊接方法几乎没有限制，常用的一些焊接方法（焊条电弧焊、埋弧焊、TIG和MIG，等离子弧焊等）都能采用。
在选择焊接材料时，除了要求保证不产生冷、热裂纹外，还有一些特殊要求，即焊缝金属的调质处理规范应与母材的一致，以保证调质后的接头性能也与母材相同。
因此，焊缝金属的主要合金组成应与母材相似，对能引起焊缝热裂倾向和促使金属脆化的元素（如C、Si、S、P等）应加以严格控制。
在焊后调质的情况下，焊接参数的确定主要是保证在调质处理之前不出现裂纹，接头性能由焊后热处理来保证。
因此可采用很高的预热温度（200-350℃）和层间温度。
另外，在很多情况下焊后往往来不及立即进行调质处理，为了保证焊接接头冷却到室温后在调质处理前不致产生延迟裂纹，还须在焊后及时进行一次中间热处理。
这种热处理一般是在焊后等于或高于预热温度下保持一段时间，目的是为了从两方面来防止延迟裂纹：
一是起到扩散除氢的作用；二是使组织转变为对冷裂纹敏感性低的组织。
当焊后处理温度高时，还有消除应力的作用。
采用局部预热时，预热的温度范围离焊缝两侧应不小于100mm，焊后若不能及时调质处理应进行680℃回火处理。
产品结构复杂和有许多条焊缝时，焊完一定数量的焊缝后应及时进行中间回火处理，这样就能避免等到最后处理时，先焊接的部位已经出现延迟裂纹的问题。
中间回火的次数，要根据焊缝的多少和产品结构的复杂程度来决定。
2.调质状态下焊接
如果必须在调质状态下焊接，而且焊后不能再进行调质处理的焊接结构件，这时的主要问题是防止焊接裂纹和避免热影响区软化。
除了裂纹外，热影响区的主要问题是：
高碳马氏体引起的硬化和脆化，以及高温回火区软化引起的强度降低。
高碳马氏体引起的硬化和脆化可以通过焊后的回火处理来解决。
但高温回火区软化引起的强度下降，在焊后不能调质处理的情况下是无法弥补的。
由于焊后不再进行调质处理，焊缝金属成分可与母材有差别。
为了防止焊接冷裂纹，也可以选用塑韧性好的奥氏体焊条。
为了消除热影响区的淬硬组织和防止延迟裂纹的产生，必须适当采用预热、层间温度控制、中间热处理，并应焊后及时进行回火处理。
上述工艺过程的温度控制应比母材淬火后的回火温度至少低50℃。
为了减少热影响区的软化。
从焊接方法考虑，应该是采用热量越集中、能量密度越大的方法越有利，而且焊接热输入越小越好。
这一点与低碳调质钢的焊接是一致的。
因此气焊在这种情况下是最不合适的，气体保护焊比较好，特别是钨极缸弧焊，它的热量比较容易控制，焊接质量容易保证，因此常用它来焊接一些焊接性很差的高强钢。
另外，脉冲氢弧焊、等离子弧焊和电子束焊等工艺方法，用于这类钢的焊接是很有前途的。
从经济性和方便性考虑，目前在焊接这类钢时，焊条电弧焊还是用得最为普遍。
对于必须在调质状态下焊接，而且焊后不能再进行调质处理的焊接结构件，这时热影响区性能的下降是很难解决的。
因此，应采用尽可能小的焊接热输人。
由于焊后不再进行调质处理，选择焊接材料时没有必要考虑成分和热处理规范与母材相匹配的问题。
从防止焊接冷裂纹的要求出发，可以采用塑韧性较好的奥氏体铭镍钢焊条或镍基焊条。
这时在工艺上应注意到异种钢焊接时的一些特点。
3.焊接方法及焊接材料
（1）焊接方法中碳调质钢40Cr的焊接方法有焊条电弧焊、气体保护焊、埋弧焊等。
采用热量集中的脉冲氢弧焊、等离子弧焊及电子束焊等方法，有利于减小焊接热影响区宽度，获得细晶组织，提高焊接接头的力学性能。
一些薄板焊接多采用气体保护焊、钨极缸弧焊和微束等离子弧焊等。
中碳调质钢40Cr应采用尽可能小的焊接热输人，这样可以降低热影响区淬火区的脆化，同时采用预热、后热等措施，还能提高抗冷裂性能，改善淬火区的组织性能。
采用小热输人还有利于减小软化区，降低软化程度。
在确定中碳调质钢40Cr的焊接参数时，主要应从防止冷裂纹和避免热影响区软化出发。
采用较高的预热温度（200-350℃）和层间温度、焊后立即进行热处理等，以达到防止裂纹的目的。
（2）焊接材料中碳调质钢40Cr焊接材料应采用低碳合金系。
降低焊缝金属的S、P杂质含量，以确保焊缝金属的韧性、塑性和强度，提高焊缝金属的抗裂性。
对于焊后需要热处理的构件，焊缝金属的化学成分应与基体金属相近。
应根据焊缝受力条件、性能要求及焊后热处理情况选择焊接材料。
如表所示[4]。
表40Cr焊接材料的选择
钢号
焊条电弧焊
气体保护焊
埋弧焊
焊条型号
焊条牌号
保护气体
焊丝
焊丝
焊剂
40Cr
E8515-G
J857Cr
-
-
-
-
E9015-G
J907Cr
-
-
-
-
E10015-G
J107Cr
-
-
-
-
（3）预热和焊后热处理预热和焊后热处理是中碳调质钢40Cr的重要工艺措施，是否预热以及预热温度的高低根据焊件结构和生产条件而定。
除了拘束度小，构造简单的薄壁壳体或焊件不用预热外，一般情况下，中碳调质钢40Cr焊接时都要采取预热或及时后热的措施，预热温度一般为200-300℃（如表所示[5]）。
如果焊接结构件焊后不能及时进行调质处理，须焊后及时进行中间热处理，即在等于或高于预热温度下保温一定时间的热处理，如低温回火或650-680℃高温回火。
若焊件焊前为调质状态时，预热温度、层间温度及热处理温度应比母材淬火后的回火温度低50℃进行局部预热时，应在焊缝两侧100mm内均匀加热。
表40Cr焊接的预热温度
钢号
预热温度/℃
说明
40Cr
200-300
-
参考文献
[1]李亚江,焊接冶金学,,机械工业出版社
[2]杨秀英刘春忠,金属学及热处理,,机械工业出版社
[3]张文钺,焊接冶金原理,,机械工业出版社
[4]王宗杰,熔焊方法及设备,,机械工业出版社
[5]吴燕生,焊接冶金学及金属材料焊接,,大连理工大学出版社
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