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焊接低合金钢，如何成功？
由于低合金钢比低碳钢更容易硬化，因此控制氢含量和焊后冷却速率至关重要
从钢结构到压力容器，再至重型设备制造，低合金钢在工业中的应用愈加广泛，因此用于连接低合金钢的焊接材料和焊接工艺愈加关键。
低合金钢之所以在工业中广泛应用，是因为碳钢相比，低合金刚可以在更苛刻的服役条件下提供更高的强度、韧性或综合性能。对于低合金钢来讲，合金元素的添加对其影响较大，合金元素不同，机械性能方面也会表现出较大的差异。
从钢结构到压力容器，再至重型设备制造，低合金钢在工业中的应用愈加广泛，因此用于连接低合金钢的焊接材料和焊接工艺愈加关键。
在低合金钢的焊接过程中考虑下文所述的要点可以帮助你获得性能更为优异的焊接接头。
什么是低合金钢？
低合金钢含有多种合金化元素，比如镍、钼和铬，一般来讲合金元素的总含量范围在0.5%～5%之间。
每一种合金元素在材料特性的影响方面都有不同的作用。比如镍元素不仅能改善钢本身的拉伸强度，还可以提高低温韧性。钼和铬可以提高拉伸强度，并且有助于提高高温强度。铜可以与其他元素结合使用来提高钢在大气中的耐腐蚀性，比如耐候钢。
大多数低合金钢的拉伸强度都有超过70ksi，有些甚至超过120ksi。有的低合金钢具有良好的焊接性能，有一些焊接性则较差。通常情况下，低合金钢的合金含量越高，焊后越容易形成脆性微观组织，焊接成功的难度越大。
由于每种合金元素都会影响焊缝金属的性能和服役特性，因此正确的选用焊接材料来匹配母材至关重要。
焊接材料的选择
在为低合金钢选择合适的焊接材料时，最重要的就是要先确定母材的规格和等级，获得母材的最低性能要求。其中最简单的方法就是查阅相应的母材标准规范，在ASTM标准中大多都对母材的化学成分和性能要求进行了规定；但是在许多AISI/SAE规范中只提及了化学成分，所以要在购买材料时确定好母材的最低性能要求。
在查阅过母材的化学成分后，就可以进行焊接材料的选择。一般来讲，用于改善母材性能的化学成分在匹配的焊接材料中也会出现，因此我们只需要选择与母材的成分和性能类似的焊材就可以。不过值得的是，很少有焊接材料与配套的母材具有相同的化学成分，这是由于钢的冶金生产和熔覆金属的形成在机制和过程上有很大的区别。由于焊材与母材很少有精确的匹配，因此在焊接材料选择时只需要在名义化学成分范围内达到匹配即可以获得良好的焊接接头，比如母材和焊材在耐腐蚀性能或者高温性能的合金元素范围上相类似。
焊接材料的选择也可以在母材的机械性能上实现匹配。不过值得注意的是，有些合金可以在退火、正火或者调质状态下使用，因此即使相同的材料也可能因为热加工方式的不同而在性能上体现出较大的差异，比如4130和4140铬钼钢。
在使用机械性能作为焊接材料的选择标准时，一般是根据具体的工况服役需求，以拉伸强度和屈服强度作为量纲进行选取。在按照AWS D1.1《钢结构焊接规范》或AWS D1.5《桥梁焊接规范》进行产品制造时，可以参照D1.1表3.1和4.9以及AWS D1.5的表4.1进行焊接材料的选取，这些表对已知牌号母材的匹配焊材进行了分类。
有时低合金高强钢的焊接也会出现强度不匹配的时候，这时焊缝的抗拉强度或者屈服强度要低于母材。这是因为焊缝强度的增加会导致塑性的下降，此时焊缝的强度低于母材，在服役的过程中接头的应力就不会在焊缝处集中，这样的低强匹配就能够最大程度的提高焊缝的韧性和疲劳寿命。
氢元素含量的控制
在选择焊接材料时要使用扩散氢含量较低的焊材，因为低合金钢在焊后容易出现淬硬的显微组织，而这些组织在氢致裂纹方面尤为敏感。
焊接接头的扩散氢在焊接过程中可能来源于母材、焊接环境或者焊接材料，因此在选择焊接材料时，使用具有较低扩散氢的焊材能够减少氢致裂纹的产生。在焊接材料选择时，使用标有H4或H8的焊材，其中数字越低，扩散氢的含量就越低。
焊材的适当存储能够减少在存放过程中对氢元素的摄取，从而减弱在焊接过程中氢元素的引入。焊材存储时要避免存储温度出现剧烈的温度波动，并且还要尽量减少在大气下暴露的时间（包装拆除之后的时间），同时还应焊材遵循制造商提供的储存建议。
在焊接时将母材预热温度在212°F以上，去除母材的金属锈斑、水垢或涂层（如油、油脂或水垢）也是减少熔覆金属中扩散氢的一种方法，加之上面所述的适当存储焊条，可以有效的改善低合金钢在焊接时的裂纹敏感性。
在使用机械性能作为焊接材料的选择标准时，一般是根据具体的工况服役需求，以拉伸强度和屈服强度作为量纲进行选取。
关注冷却速率
焊缝和热影响区的冷却速率非常重要，因为冷却速率将直接影响这些区域的微观结构组成及其焊后的力学性能。热影响区（HAZ）是焊缝附近的区域，该区域没有被电弧熔化，但由于加热过程，其微观结构会发生变化。由于低合金钢的高淬透性使其更容易在热影响区形成脆性组织，因此热影响区性能是低合金钢焊接成功的一个重要考虑因素。
过快的冷却速率会促进脆性组织的形成，而过慢的冷却速度和过高的热输入会导致接头出现非常粗大的显微组织，从而无法提供良好的力学性能，因此学者合适的冷却速率是低合金钢焊接的关键。
在冷却速率的控制方面可以考虑一下几方面的因素:
焊前预热和预热温度：焊前进行适当的预热有助于降低冷却速度，防止或尽量减少脆性组织的形成。为了确保有效的预热，母材需要预热至足够的温度。合金含量高的材料，往往具有更高的淬透性，因此需要更高的预热温度。同样重要的是，在预热的时候要确保母材整个厚度范围内都要达到适当的预热温度，而不是仅母材表面达到预定温度。焊前预热可以通过感应加热或者将母材加热并保温一段时间，一般来讲保温时间应该为0.5h/英寸，举个例子来说就是厚度为4英寸的部件应该在预热温度下保温2小时，这样才能确保板材预热均匀。预热的范围也是焊接成功的关键，经验数据表明最好在焊接位置3英寸范围内进行预热，如果工件较大的话，最好把预热的范围的适当的扩大。
层道间温度：为了避免冷却过慢和焊后的再次调质处理，设置最大的层道间温度也很重要。焊接热影响区的焊接热循环将母材原始优异的调质组织进行了重置，因此最好在焊接过程中应将层道间温度控制在钢材制造商提供的阈值温度以下。此外，还有一些钢容易出现再热裂纹，如ASTM A514，并且再热裂纹出现的风险随着层道间温度的升高而增加。
热输入：焊接热输入是指焊接过程中单位长度焊缝所输入的热量。在北美，热输入通常用千焦耳每英寸表示，也可以用焦耳每毫米表示。热输入的增加会减缓冷却速度，产生更粗的晶粒组织，导致接头的拉伸强度和韧性下降。焊接热输入的降低会加快冷却速度，从而产生更细的晶粒结构，这在一定程度上会使得接头的拉伸强度和韧性得以提高。但是过低的热输入也会对材料的延性和韧性产生负面影响。
焊道顺序
焊接低合金钢时，焊道顺序是影响焊接效果的另一个因素。每个焊道都具有自己的焊接热影响区。宽的焊道具有较小的厚度和较浅的熔深，因此这种类型的多层多道焊有助于促进焊接过程的晶粒细化，并形成更为细小的微观组织结构，这对整个接头来讲是一件好事。因此建议在焊接时使用更薄、更宽的焊道，而不是那种更大、更厚的焊道。
对于超高强度低合金钢的焊接也可以使用回火焊道技术，这项技术是将焊道熔覆在已完成的焊层上，从而细化热影响区和焊缝的组织，使焊接接头呈现出良好的韧性，焊后再将最后一层焊道去除，留下性能较好、组织较细的熔覆金属。
焊后热处理
由于低合金钢材料的硬度较大，导致焊接应力也较高，因此在焊后一般需要进行焊后热处理。
焊后热处理可以缓解焊接过程产生的应力，但是焊缝金属在焊后热处理后可能与母材在性能上出现较大差别，因此在选择焊接材料时要确保熔覆金属在焊后热处理之后仍能够保持足够的拉伸强度和韧性。
可以咨询焊材制造商所采购焊材的热处理性能，尤其是在长时间热处理条件下的熔覆金属性能转变问题。
在某些情况下，焊接后还要对工件进行后热，后热温度可以为最低预热温度或者最低层道间温度，保温时间为1小时/英寸。这在低合金钢的焊接上叫做消氢处理，这有助于加速工件在服役前氢原子从焊缝中扩散去除。
结论
低合金钢比低碳钢更容易硬化，因此在进行焊接时氢含量和冷却速度的控制至关重要。选择与母材性能相匹配的焊接材料，并在焊接过程中适当的预热，采用合适的层道间温度和焊接热输入，这些都有助于获得理想的焊接接头。
ROBERT FOX (robert.fox@hobartbrothers.com)，俄亥俄州特洛伊市霍巴特兄弟公司工程师。
译者：秦建
由于低合金钢比低碳钢更容易硬化，因此控制氢含量和焊后冷却速率至关重要
从钢结构到压力容器，再至重型设备制造，低合金钢在工业中的应用愈加广泛，因此用于连接低合金钢的焊接材料和焊接工艺愈加关键。
低合金钢之所以在工业中广泛应用，是因为碳钢相比，低合金刚可以在更苛刻的服役条件下提供更高的强度、韧性或综合性能。对于低合金钢来讲，合金元素的添加对其影响较大，合金元素不同，机械性能方面也会表现出较大的差异。
从钢结构到压力容器，再至重型设备制造，低合金钢在工业中的应用愈加广泛，因此用于连接低合金钢的焊接材料和焊接工艺愈加关键。
在低合金钢的焊接过程中考虑下文所述的要点可以帮助你获得性能更为优异的焊接接头。
什么是低合金钢？
低合金钢含有多种合金化元素，比如镍、钼和铬，一般来讲合金元素的总含量范围在0.5%～5%之间。
每一种合金元素在材料特性的影响方面都有不同的作用。比如镍元素不仅能改善钢本身的拉伸强度，还可以提高低温韧性。钼和铬可以提高拉伸强度，并且有助于提高高温强度。铜可以与其他元素结合使用来提高钢在大气中的耐腐蚀性，比如耐候钢。
大多数低合金钢的拉伸强度都有超过70ksi，有些甚至超过120ksi。有的低合金钢具有良好的焊接性能，有一些焊接性则较差。通常情况下，低合金钢的合金含量越高，焊后越容易形成脆性微观组织，焊接成功的难度越大。
由于每种合金元素都会影响焊缝金属的性能和服役特性，因此正确的选用焊接材料来匹配母材至关重要。
焊接材料的选择
在为低合金钢选择合适的焊接材料时，最重要的就是要先确定母材的规格和等级，获得母材的最低性能要求。其中最简单的方法就是查阅相应的母材标准规范，在ASTM标准中大多都对母材的化学成分和性能要求进行了规定；但是在许多AISI/SAE规范中只提及了化学成分，所以要在购买材料时确定好母材的最低性能要求。
在查阅过母材的化学成分后，就可以进行焊接材料的选择。一般来讲，用于改善母材性能的化学成分在匹配的焊接材料中也会出现，因此我们只需要选择与母材的成分和性能类似的焊材就可以。不过值得的是，很少有焊接材料与配套的母材具有相同的化学成分，这是由于钢的冶金生产和熔覆金属的形成在机制和过程上有很大的区别。由于焊材与母材很少有精确的匹配，因此在焊接材料选择时只需要在名义化学成分范围内达到匹配即可以获得良好的焊接接头，比如母材和焊材在耐腐蚀性能或者高温性能的合金元素范围上相类似。
焊接材料的选择也可以在母材的机械性能上实现匹配。不过值得注意的是，有些合金可以在退火、正火或者调质状态下使用，因此即使相同的材料也可能因为热加工方式的不同而在性能上体现出较大的差异，比如4130和4140铬钼钢。
在使用机械性能作为焊接材料的选择标准时，一般是根据具体的工况服役需求，以拉伸强度和屈服强度作为量纲进行选取。在按照AWS D1.1《钢结构焊接规范》或AWS D1.5《桥梁焊接规范》进行产品制造时，可以参照D1.1表3.1和4.9以及AWS D1.5的表4.1进行焊接材料的选取，这些表对已知牌号母材的匹配焊材进行了分类。
有时低合金高强钢的焊接也会出现强度不匹配的时候，这时焊缝的抗拉强度或者屈服强度要低于母材。这是因为焊缝强度的增加会导致塑性的下降，此时焊缝的强度低于母材，在服役的过程中接头的应力就不会在焊缝处集中，这样的低强匹配就能够最大程度的提高焊缝的韧性和疲劳寿命。
氢元素含量的控制
在选择焊接材料时要使用扩散氢含量较低的焊材，因为低合金钢在焊后容易出现淬硬的显微组织，而这些组织在氢致裂纹方面尤为敏感。
焊接接头的扩散氢在焊接过程中可能来源于母材、焊接环境或者焊接材料，因此在选择焊接材料时，使用具有较低扩散氢的焊材能够减少氢致裂纹的产生。在焊接材料选择时，使用标有H4或H8的焊材，其中数字越低，扩散氢的含量就越低。
焊材的适当存储能够减少在存放过程中对氢元素的摄取，从而减弱在焊接过程中氢元素的引入。焊材存储时要避免存储温度出现剧烈的温度波动，并且还要尽量减少在大气下暴露的时间（包装拆除之后的时间），同时还应焊材遵循制造商提供的储存建议。
在焊接时将母材预热温度在212°F以上，去除母材的金属锈斑、水垢或涂层（如油、油脂或水垢）也是减少熔覆金属中扩散氢的一种方法，加之上面所述的适当存储焊条，可以有效的改善低合金钢在焊接时的裂纹敏感性。
在使用机械性能作为焊接材料的选择标准时，一般是根据具体的工况服役需求，以拉伸强度和屈服强度作为量纲进行选取。
关注冷却速率
焊缝和热影响区的冷却速率非常重要，因为冷却速率将直接影响这些区域的微观结构组成及其焊后的力学性能。热影响区（HAZ）是焊缝附近的区域，该区域没有被电弧熔化，但由于加热过程，其微观结构会发生变化。由于低合金钢的高淬透性使其更容易在热影响区形成脆性组织，因此热影响区性能是低合金钢焊接成功的一个重要考虑因素。
过快的冷却速率会促进脆性组织的形成，而过慢的冷却速度和过高的热输入会导致接头出现非常粗大的显微组织，从而无法提供良好的力学性能，因此学者合适的冷却速率是低合金钢焊接的关键。
在冷却速率的控制方面可以考虑一下几方面的因素:
焊前预热和预热温度：焊前进行适当的预热有助于降低冷却速度，防止或尽量减少脆性组织的形成。为了确保有效的预热，母材需要预热至足够的温度。合金含量高的材料，往往具有更高的淬透性，因此需要更高的预热温度。同样重要的是，在预热的时候要确保母材整个厚度范围内都要达到适当的预热温度，而不是仅母材表面达到预定温度。焊前预热可以通过感应加热或者将母材加热并保温一段时间，一般来讲保温时间应该为0.5h/英寸，举个例子来说就是厚度为4英寸的部件应该在预热温度下保温2小时，这样才能确保板材预热均匀。预热的范围也是焊接成功的关键，经验数据表明最好在焊接位置3英寸范围内进行预热，如果工件较大的话，最好把预热的范围的适当的扩大。
层道间温度：为了避免冷却过慢和焊后的再次调质处理，设置最大的层道间温度也很重要。焊接热影响区的焊接热循环将母材原始优异的调质组织进行了重置，因此最好在焊接过程中应将层道间温度控制在钢材制造商提供的阈值温度以下。此外，还有一些钢容易出现再热裂纹，如ASTM A514，并且再热裂纹出现的风险随着层道间温度的升高而增加。
热输入：焊接热输入是指焊接过程中单位长度焊缝所输入的热量。在北美，热输入通常用千焦耳每英寸表示，也可以用焦耳每毫米表示。热输入的增加会减缓冷却速度，产生更粗的晶粒组织，导致接头的拉伸强度和韧性下降。焊接热输入的降低会加快冷却速度，从而产生更细的晶粒结构，这在一定程度上会使得接头的拉伸强度和韧性得以提高。但是过低的热输入也会对材料的延性和韧性产生负面影响。
焊道顺序
焊接低合金钢时，焊道顺序是影响焊接效果的另一个因素。每个焊道都具有自己的焊接热影响区。宽的焊道具有较小的厚度和较浅的熔深，因此这种类型的多层多道焊有助于促进焊接过程的晶粒细化，并形成更为细小的微观组织结构，这对整个接头来讲是一件好事。因此建议在焊接时使用更薄、更宽的焊道，而不是那种更大、更厚的焊道。
对于超高强度低合金钢的焊接也可以使用回火焊道技术，这项技术是将焊道熔覆在已完成的焊层上，从而细化热影响区和焊缝的组织，使焊接接头呈现出良好的韧性，焊后再将最后一层焊道去除，留下性能较好、组织较细的熔覆金属。
焊后热处理
由于低合金钢材料的硬度较大，导致焊接应力也较高，因此在焊后一般需要进行焊后热处理。
焊后热处理可以缓解焊接过程产生的应力，但是焊缝金属在焊后热处理后可能与母材在性能上出现较大差别，因此在选择焊接材料时要确保熔覆金属在焊后热处理之后仍能够保持足够的拉伸强度和韧性。
可以咨询焊材制造商所采购焊材的热处理性能，尤其是在长时间热处理条件下的熔覆金属性能转变问题。
在某些情况下，焊接后还要对工件进行后热，后热温度可以为最低预热温度或者最低层道间温度，保温时间为1小时/英寸。这在低合金钢的焊接上叫做消氢处理，这有助于加速工件在服役前氢原子从焊缝中扩散去除。
结论
低合金钢比低碳钢更容易硬化，因此在进行焊接时氢含量和冷却速度的控制至关重要。选择与母材性能相匹配的焊接材料，并在焊接过程中适当的预热，采用合适的层道间温度和焊接热输入，这些都有助于获得理想的焊接接头。
ROBERT FOX (robert.fox@hobartbrothers.com)，俄亥俄州特洛伊市霍巴特兄弟公司工程师。
译者：秦建
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