低合金钢的焊接特点

设计人员应掌握一些基本的制造知识，以免编制设计文件时“闭门造车”。

本文主要摘录整理自参考文献：王增新. 压力容器制造和修理. 化学工业出版社, 2015.

文献将低合金钢定义为，除碳（≤0.20%）之外还含有少量的一种或多种合金元素（控制在5%以下），用于提高钢的力学性能，屈服强度在275MPa以上，并具有良好的综合力学性能。如GB/T 713中所列的几种钢。

有关压力容器用钢的内容，可参考之前的文章《GB/T 150 2表2所列20种钢材概述》。

低合金钢虽具有较好的焊接性能，但还应注意其焊接中的几个特点。

1. 焊接接头的焊接裂纹

1.1 冷裂纹

因低合钢中含C，Mn，V，Nb等元素，在焊接时易淬硬而产生敏感的硬化组织。在刚性较大或拘束应力高的情况下，若焊接工艺不当，冷却后易产生冷裂纹，而冷裂纹具有一定的延迟性，危害性较大。

文献中举了一个15MnV（GB/T 713已删除这个牌号）制球罐出现大量裂纹的例子，认为其原因在于：焊前预热不足，焊后未热处理，热影响区HAZ硬度较高；采用了强度偏高的酸性焊条，焊缝金属WM的扩散氢含量高；并且球壳板尺寸较大，出现了强力组装。

1.2 再热裂纹

焊接接头在焊后热处理PWHT或长期处理于高温运行中，发生在靠近熔合线粗晶区的沿晶开裂。一种观点认为，焊接高温使HAZ附近的V，Nb，Cr，Mo等的碳化物溶于奥氏体中，焊后冷却来不及析出。而在PWHT等高温环境下弥散析出，从而强化了晶内，使应力松驰时的蠕变变形时集中于晶界。还有观点认为是钢中的B，P，Sn，As等在焊后热处理时沿晶界析出，减小了晶界结合力。

主要应对措施为：适当的预热，和PWHT时避开敏感的再热温度区间。

实践表明，Q345R，Q370R对再热裂纹不敏感，18MnMoNb只有轻微敏感性。

事实上，此前我们也提到过冷裂纹（延迟裂纹）和再热裂纹，见《无损检测的时机——延迟裂纹、再热裂纹》。

1.3 应力腐蚀开裂SCC

高强钢的焊接接头由于成形和焊接都不可避免存在不同程度的残余应力，在一定的介质环境中，即使无载静置，也可能发生应力腐蚀。

有关应力腐蚀，我们之前也讨论过，具体可见《应力腐蚀及晶间腐蚀》。

2. 焊接接头的脆化和软化

2.1 应变时效脆化

焊接接头在焊前需要经过各种冷加工，如下料剪切、筒体卷圆等，钢材会产生塑性变形，如果该区再经200~500℃的热作用就会引起应变时效。应变时效会使钢材塑性降低，脆性转变温度提高。

正因为如此GB/T 150.4规定：对于碳钢、低合金钢等材料变形率超过5%，奥氏体钢变形率超过15%时，需要进行成形后的恢复性能热处理。

之前我们还讨论过恢复热处理与焊后热处理的区别，见《辨析丨恢复性能热处理与焊后热处理的区别》。

2.2 焊缝和热影响区脆化

焊接是不均匀加热和过程，从而形成不均匀组织。焊缝WM和热影响区HAZ的脆性转变温度比母材高，是焊接接头中的薄弱环节。

焊接的热输入量对高强钢WM和HAZ性能有重要影响，高强钢易淬硬，热输入量过小，HAZ会出马氏体引起裂纹；热输入量过大，WM和HAZ的晶粒粗大会造成接头脆化。调质钢和正火钢相比，对热输入量过大而引起的HAZ脆化倾向更严重，所以焊接时应将热输入量控制在一定范围。

2.3 焊接接头的软化

由于焊接热作用，调质钢的HAZ外侧加热到回火温度以上特别是A_C1附近的区域，会产生强度下降的软化带。

3. 应对措施

要获得无超标缺陷的优质焊接接头，应对整个制造过程进行质量控制。

1) 尽量避免错边、棱角及强力组装而引起的附加载荷；

2）尽量减少焊缝中氢的来源，如选用低氢或超低氢高韧性的焊材，及烘干焊条等。

3）制定合适的焊接工艺、焊接顺序等，防止HAZ软化、脆化，控制焊接变形或过大的残余应力，并适当地进行预热和后热；

4）进行焊后热处理，尤其是有应力腐蚀SCC倾向的容器，焊后热处理不仅能消除残余应力，还能降低硬度；此前我们还讨论过需要进行热处理的情况，见《压力容器需要热处理的情况》 。

5）对有延迟裂纹倾向的焊接接头应注意无损检测时机；对焊接表面有缺口效应的部位，应打磨消除，以避免其成为裂纹源；对再热裂纹敏感的钢种，应在PWHT前后进行RT或UT。