毕业论文：WELDOX960高强钢焊接性研究-精品(7)

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3.1.1碳当量法

碳当量法(Calculation of carbon equivalents)是把钢中包括碳在内的合金元素对淬硬、冷裂和脆化的影响折合成碳的相当含量，用以进行焊接性分析的间接试验方法。碳当量越高，则材料的冷裂敏感性越大，焊接性越差。试验用WELDOX960高强钢的化学成分及机械性能见表3-1。

表3-1 WELDOX960高强钢的化学成分（wt%） Tab.3-1 Chemical composition of WELDOX960 （wt%）

元 素 含量（wt%） 元 素 含量(wt%) 屈服强度/MPa 960

C 0.17 Mo 0.62

Si 0.19 Cu 0.02 抗拉强度/MPa 985

Mn 1.21 Ti －

S 0.001 B 0.0008 伸长率δ5% 13.0

P 0.008 Ni 0.042

Cr 0.016 V -

断面收缩率A5%

33.0

根据WELDOX960高强钢的化学成分分别对其碳当量Ceq和冷裂敏感指数Pcm进行计算，结果如下[7] Ceq=C+

Pcm?C?SiMn?Cu?CrNiMo???＝0.28 （3-2） 30206015MnCu?NiCr?Mo?V??=0.50 （3-1） 6155

由上式计算结果可知，WELDOX960高强钢碳当量Ceq=0.50，冷裂敏感指数Pcm=0.28，该钢冷裂敏感性小，在适当的预热温度下冷裂倾向小。 另外对WELDOX960高强钢的再热裂纹敏感系数PSR和焊后产生热裂纹的临界值HCS进行计算，结果如下[7]

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PSR?Cr?Cu?2Mo?5Ti?7Nb?10V?2= -0.46 （3-3）

C(S?P?Si/25?Ni/100)HCS??103=0.678 （3-4）

3Mn?Cr?Mo?V

Mn/S比值大对防止热裂十分有利，焊接中当Mn/S比大于25时，一般认为焊接中不会产生热裂纹[10]。经计算,WELDOX960高强钢的Mn/S比为1210≥25，热裂纹敏感系数HCS= 0.678≤4，此外, WELDOX960高强钢的再热裂纹敏感指数PSR= -0.46＜0。综合以上计算可以认为该钢产生焊接热裂纹的可能性非常小。

由上述分析可知，WELDOX960高强钢的淬硬倾向很小，冷裂敏感性低，几乎不会产生热裂纹。 3.1.2 预热温度Tp的计算

预热是焊前对试件的全部或局部进行加热的工艺措施，主要作用是降低接头热影响区的温度梯度，使其在比较宽的范围内获得相对均匀的分布，从而减少温度应力的峰值；同时通过预热能够控制焊接接头的冷却速度，延长奥氏体冷却转变温度范围内的冷却时间t8/5，避免或减少产生淬硬组织的倾向，还有利于加速焊缝中氢的扩散逸出，防止冷裂纹的产生。

Tp并非越高越好，选择过高时，一方面恶化了工作条件，另一方面在局部预热的情况下会产生附加应力，反而加大冷裂纹倾向。因此预热温度应根据钢材和和焊接材料的成分、焊件厚度、结构刚度、焊接方法和环境温度等通过焊接性试验来确定。根据EN 1011-2[11] 推荐公式：

Tp?f[CET,t,Q,HD] （3－5）

式中CET为焊接线能量，t为板厚，Q为热输入，HD为焊缝扩散氢含量。

考虑到WELDOX960钢材本身的特性，SSAB OXELOSUND在式

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（3－5）的的基础上进行修正，提出修正因子f (Ox) [11]，即

Tp?f[CET,f(Ox),t,Q,HD] （3－6）根据公式3-6，计算出板厚为12mm的WELDOX960高强钢焊前最低预热温度为50～75℃。

3.1.3 热影响区最高硬度HVmax与t8/5的关系

钢材的焊接性与其淬硬倾向密切相关，淬硬倾向越大，越容易产生裂纹。钢材的淬硬倾向主要取决于钢材的化学成分，焊接工艺和冷却条件。为了判别钢材淬硬的程度，常以其硬度值为指标，在焊接中一般采用热影响区最高硬度值（HVmax）作为评定高强钢焊接性的技术参数。热影响区最高硬度可以由下式[11]进行估算：

HVmax?220?442Z?65Y?[68?402Z?59Y]X （3－7）

其中X=arctan [f(t8/5, Ceq)]； Y=tan(2.65×Ceq-0.690)； Z=Wc(1-0.3Wc2)；

t8/5－接头从800℃冷却到500℃所需要的时间 Wc－钢材中碳的质量百分数

从式（3－7）可知t8/5对于焊接接头的性能至关重要，当材料种类、板厚板厚、接头形式和焊接工艺参数给定，t8/5可由公式(3-8)、(3-9)[11]求得：

二维热流:

11Q2 t8/5?(4300?4.5?Tp)?(?)?2?F2 （3－8）22(500?Tp)(800?TP)t-26-

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三维热流:

t8/5?(6700?5Tp)?(11?)?F3 （3－9）

500?Tp800?TP其中F2、F3为形状因子。 热输入: E?UI?60 （3－10）

1000V式中U－电弧电压，I－焊接电流，V－焊接速度。 关于WELDOX960高强钢焊接中t8/5对热影响区硬度的影响如图3-1所示，随着冷却时间的延长，HVmax硬度逐渐下降。

HAZ(HV)5004003002001000102030405060t8/5(s) 图3-1 焊接热影响区的最高硬度与t8/5的关系 Fig.3-1 Relationship between peak hardness of HAZ and t8/5

3.1.4 焊接工艺参数曲线

综合上述分析可知，在母材化学成分、板厚、焊接方法、接头形式一定的情况下可以估算工艺参数的范围。在本试验中，初步拟定焊接方法采用Ar+CO2混合气体保护焊，接头形式分别采用对接和塔接，不同接头形式的焊接工艺参数曲线如图3－2（a）和（b）所示。

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太 原 理 工 大 学 学 位 论 文 Heat input (KJ/mm) 3④ ③ 210⑤ B+C B C C+D D ① A+B A A A+D 050100150200250B Ⅰ Ⅱ ② ① t8/5min ② t8/5max ③ TpCET ④ TpCEOX ⑤ Interpass

(a)对接接头焊接工艺参数

(a)Welding parameter of butt joint of WELDOX960

Heat input (KJ/mm) 54Tp / Interpass (℃)

④ ③ ⑤ 3B+C C C C+D 210② Ⅱ D ① A+B A A A+D B Ⅰ 50100150200250① 8/5min ② 8/5max ③ TpCET ④ TpCEOX ⑤ Interpass 0Tp / Interpass (℃)

(b)搭接接头焊接工艺参数

(b) Welding parameters of lap joint of WELDOX960 备注：焊缝金属含氢量≤3ml/100g，t8/5的取值范围5～15s

图3-2 WELDOX960高强钢焊接工艺参数分布曲线 Fig.3-2 Welding parameters tolerance box of WELDOX960

图3-2中t8/5min和t8/5max分别代表焊缝从800℃冷却到500℃的最短时间和最长时间，TpCET是根据式（3-5）计算出的预热温度，TpCEO根据式（3-6）计算出预热温度，Interpass代表层间温度。Ⅰ＋Ⅱ－焊接规范选择区域， A－未熔透区，B－裂纹区，C－HAZ脆化和软化区，D－HAZ软化区。

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