低合金调质钢焊接性分析与优化

表6.3-11和图6.3-1所示为低碳调质钢HQ60和HQ70的拉伸拘束裂纹试验焊接参数及试验结果（TRC）。

表6.3-1 高强度结构用调质钢板的化学成分（GB/T 16270—2009）

（续）

注：1.根据需要生产厂可添加其中一种或几种合金元素，最大值应符合表中规定，其含量应在质量证明书中报告。

2.钢中至少应添加Nb、Ti、V、Al中的一种细化晶粒元素，其中至少一种元素的最小质量分数为0.015%；Al的最小质量分数为0.018%。

3.CE=w（C）+w（Mn）/6+w（Cr+Mo+V）/5+w（Ni+Cu）/15。

4.关于P、S含量，各牌号的C、D级钢P、S上限取括号外值，E、F级钢取括号内值。

表6.3-2 高强度结构用调质钢板的力学性能及工艺性能（GB/T 16270—2009）

注：1.拉伸试验适用于横向试样，冲击试验适用于纵向试样。

2.当屈服现象不明显时，采用R_p0.2。

3.V形缺口冲击试样为纵向试样，冲击吸收能量按一组3个试样的算术平均值计算，允许其中1个试样单值低于规定值，但不得低于规定值的70%。

表6.3-3 部分低碳调质钢的化学成分

（续）

注：HQ70、HQ80C、HQ100为我国鞍山钢铁公司的产品牌号。

表6.3-4 部分低碳调质钢的力学性能

注：HQ70、HQ80、HQ100为我国鞍山钢铁公司的产品牌号。

表6.3-5 焊接无裂纹钢（CF钢）的化学成分和力学性能

（续）

注：表中为日本牌号。

表6.3-6 HQ系列低碳调质钢的化学成分、力学性能及热处理条件

注：d为压头直径（mm），δ为试板厚度（mm）。

表6.3-7 不同质量等级调质高强度钢的S、P含量和残余元素含量

表6.3-8 HQ系列低碳调质钢的临界温度

表6.3-9 高强度高韧性钢的化学成分和力学性能

表6.3-10 日本NS系列高强度钢的化学成分和力学性能

注：表中单值为最大值。

表6.3-11 HQ60钢和HQ70钢TRC试验的焊接参数

图6.3-1 低碳调质钢TRC试验的应力与时间关系（80%Ar+20%CO₂MAG）

a）HQ60 b）HQ70

图6.3-2和图6.3-3所示为HQ80C钢的焊接连续冷却转变图及焊接冷裂纹倾向。

图6.3-2 HQ80C钢的焊接连续冷却转变图

注：原始状态为调质，奥氏体晶粒度为8级；峰值温度为1320℃。

图6.3-3 HQ80C钢的焊接冷裂纹倾向

注：插销试验，热输入q_v=17.5kJ/cm，扩散氢含量3.6mL/100g。

表6.3-12、表6.3-13和图6.3-4为高强度钢斜Y和直Y坡口裂纹试验结果。

表6.3-12 Q550高强钢斜Y坡口对接裂纹试验的裂纹率

图6.3-4 高强度钢焊接的裂纹倾向（铁研试验）

a）Q550钢 b）Q690钢(www.xing528.com)

表6.3-13 Q550+Q690高强度异种钢直Y坡口对接裂纹率

图6.3-5所示为800MPa高强度钢热影响区转变组织的韧性与有效晶粒尺寸d_c的关系。图6.3-6所示为低碳马氏体和低碳马氏体+下贝氏体（M_L+B_L）混合组织中裂纹扩展示意图。图6.3-7所示为淬火+回火钢热影响区的硬度分布。图6.3-8所示为冷却时间t₈/5对M-A组元数量的影响。图6.3-9所示为调质钢焊接热影响区的硬度分布。

图6.3-5 热影响区连续冷却转变组织的韧性与有效晶粒尺寸d_c的关系

注：抗拉强度为800MPa的低碳调质钢。

图6.3-5中以R_m=980MPa为分界可连成两条直线：下方的直线对应于快冷时（小热输入）近缝区附近强度较高的低温转变组织（ML或ML+B_L）；上方的直线对应于慢冷时（大热输入）形成的强度较低的高温转变组织（B_U或F+B_U）。

图6.3-6 裂纹在低碳马氏体和ML+B_L混合组织中扩展的示意图

a）低碳马氏体组织 b）ML+B_L混合组织

热影响区软化必然引起强度降低，失强率（D）可表述为

式中 D——失强率（%）；

（R_m）_b——母材的抗拉强度（MPa）；

（R_m）_h——热影响区软化区的抗拉强度（MPa）。

带热影响区软化区的接头屈服强度（R_eL）_J可表述为

式中 （R_eL）_h——软化区下屈服强度；

m——相对宽度，m=b/δ；

K——常数。

图6.3-7 淬火+回火钢热影响区的硬度分布

a）20CrMnSi b）45钢

注：板厚h=3mm，焊接热输入 qv=2.48J/cm。

1—淬火 2—淬火+200℃回火 3—淬火+400℃回火 4—淬火+600℃回火 5—退火（粒状珠光体）6—退火（片状珠光体）

图6.3-8 冷却时间t_8/5对M-A组元数量的影响

相对宽度m减小，即软化区宽度b减小，接头强度可提高。软化区强度一定时，板厚δ越大，焊接热输入q_v越小，初始预热温度T₀越低，则焊接接头的强度越高（也即失强率越小）。焊接中只要设法减小软化区的宽度b，即可将焊接热影响区软化的危害降到最低程度。

图6.3-9 调质钢焊接热影响区的硬度分布

A—焊前淬火+低温回火 B—焊前淬火+高温回火 C—焊前退火

1—淬火区 2—部分淬火区 3—回火区

图6.3-10 不同焊条施焊时为防止焊接冷裂纹所需的预热温度

●—等强匹配焊条（E11016-G）

△—低强匹配焊条（E9016-G）

○—抗潮低强匹配焊条

[H₁]—氢含量2.9mL/100g；

[H₂]—氢含量1.7mL/100g

图6.3-10所示为不同焊条施焊时为防止焊接冷裂纹所需的预热温度。图6.3-11所示为焊缝金属与母材的强度匹配。

表6.3-14所列为低合金高强度钢在最低工作温度要求达到的冲击吸收能量，图6.3-12所示为焊接热输入对热影响区组织和韧性的影响。

图6.3-11 焊缝金属与母材在强度和韧性上的匹配水平

B—母材韧性水平 S—安全工作限 2a—裂纹长度 a_c—临界裂纹尺寸

①—GTAW焊缝韧性水平 ②—GMAW焊缝韧性水平 ③—SMAW焊缝韧性水平

表6.3-14 低合金高强度钢在最低工作温度要求达到的冲击吸收能量

图6.3-12 焊接热输入对热影响区组织和韧性的影响

图6.3-13～图6.3-16所示为HQ60和HQ70高强度钢的连续冷却曲线和冷却时间t_8/5与HAZ硬度、组织组成的关系。

图6.3-13 调质状态的HQ60钢焊接连续冷却转变曲线

注：奥氏体化1300℃×1s；加热速度130℃/s；化学成分（质量分数，%）：C=0.15，Si=0.26，Mn=1.41，Ni=0.31，Mo=0.18，V=0.05，S=0.013，P=0.029。

图6.3-14 HQ60钢焊接冷却时间t_8/5与HAZ硬度、组织组成的关系

注：化学成分（质量分数，%）：C=0.15，Si=0.26，Mn=1.41，Ni=0.31，Mo=0.18，V=0.05，S=0.013，P=0.029。T_p=1300℃。