周 林，盛連才，劉傳寧

（中國(guó)水利水電第三工程局有限公司，陜西 西安 710016）

0 前言

在20世紀(jì)90年代，高壓管道、壓力容器用的600 MPa及以上級(jí)的高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼都以進(jìn)口為主，價(jià)格昂貴。20世紀(jì)末至21世紀(jì)初，國(guó)產(chǎn)600MPa、800 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼已經(jīng)成熟。WHT590鋼是當(dāng)時(shí)為水電站引水壓力鋼管開發(fā)的600MPa級(jí)高強(qiáng)鋼的一個(gè)型號(hào)，在許多方面值得探討與研究，在此就焊接工藝進(jìn)行了試驗(yàn)與評(píng)定。

1 材料性能

WHT590鋼為代替同類進(jìn)口鋼材而專門開發(fā)的低焊接裂紋敏感性的控軋鋼，C含量小于或等于0.07%。該鋼板按低碳貝氏體鋼設(shè)計(jì)，采用控軋控冷工藝，依靠微合金化的晶粒細(xì)化、沉淀強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化和貝氏體強(qiáng)化作用，輔以高溫回火處理,進(jìn)一步提高鋼板的韌性并使之均勻化。交貨材料質(zhì)保書中的化學(xué)成份和機(jī)械性能分別見表1和表2。

由表1可知，鋼材碳當(dāng)量較高，Ceq值大于0.45%，冷裂紋敏感指數(shù)Pcm大于0.20%，產(chǎn)生冷裂紋的傾向較大，屬于較難焊接的材料，與鋼廠的試驗(yàn)結(jié)果不相符合。

因WHT590鋼是第一次用于水電站壓力鋼管，按用戶要求對(duì)已經(jīng)到貨的鋼板進(jìn)行了抽樣檢驗(yàn)。按不同板厚、爐號(hào)、批號(hào)分別抽取兩個(gè)試樣的方法，共抽取9組18個(gè)試樣進(jìn)行了檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果分別見表3、表4。

表1 WHT590鋼的化學(xué)成分 %

表2 WHT590鋼的力學(xué)性能

表3 WHT590鋼抽樣樣品檢驗(yàn)的化學(xué)成分 %

表4 WHT590鋼抽樣樣品檢驗(yàn)的平均力學(xué)性能

樣品化學(xué)成分的碳當(dāng)量：Ceq=0.40%＜0.45%；冷裂敏感指數(shù)：Pcm=0.16%＜0.20%。反映出鋼板的碳當(dāng)量較低，冷裂敏感指數(shù)較小，特別是鋼板的S、P雜質(zhì)含量很低，認(rèn)定材料的焊接性較好。

2 焊接性試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度28℃～33℃，空氣相對(duì)濕度78%；焊接方法為焊條電弧焊，直流反接。選用電力牌J607RH、φ4.0 mm焊條，焊前經(jīng)400℃、1 h烘干；電焊機(jī)型號(hào)ZX7-400；實(shí)測(cè)焊接電流168～170 A，焊接電壓22～24 V，焊接速度155 mm/min，無(wú)擺動(dòng)焊接。采用履帶式遠(yuǎn)紅外電加熱板進(jìn)行預(yù)熱，遠(yuǎn)紅外測(cè)溫槍測(cè)溫。室溫、預(yù)熱50℃、預(yù)熱75℃分別焊接兩對(duì)試板。

2.2 試件制備

根據(jù)GB4675.1《焊接性試驗(yàn) 斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)方法》對(duì)WHT590鋼進(jìn)行焊接裂紋試驗(yàn)。試件采用δ=40 mm厚的鋼板，尺寸200 mm×160 mm，焊縫垂直鋼板的軋制方向。試件坡口用半自動(dòng)氧-乙炔火焰切割，角向磨光機(jī)手工打磨。試件裝配時(shí)，在焊接試驗(yàn)部位插入2.2 mm的楔形塞片，在拘束焊后取出，保證了拘束焊接后試件的間隙。

2.3 檢驗(yàn)方法和結(jié)果

焊后直接在室溫冷卻，48 h后輔助以5倍放大鏡進(jìn)行外觀的VT、PT檢查，未發(fā)現(xiàn)表面裂紋。將試件鋸開5個(gè)斷面，研磨后用5%硝酸酒精溶液腐蝕，用10倍放大鏡配合PT檢查，除個(gè)別斷面有根部裂紋外，未發(fā)現(xiàn)其他缺陷。用刨床從焊縫背面的一側(cè)順焊縫軸線進(jìn)行精刨，直到焊縫根部，以VT、PT方法檢查根部裂紋，發(fā)現(xiàn)一個(gè)在室溫條件下焊接的試樣出現(xiàn)了根部裂紋。各種裂紋率檢驗(yàn)結(jié)果如表5所示。斜Y試驗(yàn)的約束條件與實(shí)際工件有較大的區(qū)別，如果將裂紋率不大于25%的預(yù)熱溫度作為工件預(yù)熱溫度的最低臨界值，則WHT590鋼可在室溫下焊接。這與鋼廠材料說(shuō)明書相符，也印證了材料現(xiàn)場(chǎng)抽樣檢驗(yàn)結(jié)果。

3 焊接工藝評(píng)定

3.1 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

焊接工藝評(píng)定按DL5017《壓力鋼管制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范》的要求，嚴(yán)格執(zhí)行JB4708《鋼制壓力容器焊接工藝評(píng)定》、JB/T4709《鋼制壓力容器焊接規(guī)程》、JB4744《鋼制壓力容器產(chǎn)品焊接試板的力學(xué)性能檢驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)。

表5 斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)果

3.2 焊接方法和試板

根據(jù)工程實(shí)際確定焊接方法為焊條電弧焊和埋弧自動(dòng)焊兩種。工程中需要進(jìn)行對(duì)接焊接的鋼板厚度δ=28～50 mm，根據(jù)DL5017-93規(guī)范確定焊接試板數(shù)量及規(guī)格如表6所示。試板采用不對(duì)稱X型坡口的對(duì)接接頭，坡口尺寸如圖1所示。

3.3 焊接設(shè)備與材料

焊條電弧焊：選用J607RH（E6015-G）型焊條，φ3.2 mm、φ4.0 mm兩種規(guī)格，焊前經(jīng)350℃、1 h干燥；設(shè)備為ZX7-400D型逆變焊機(jī)。

埋弧自動(dòng)焊：選用CHW-S9（H08MnMoA）焊絲，CHF101焊劑。焊劑在焊前經(jīng)300℃～350℃、1.5 h干燥；選用MZ-1250K型埋弧焊機(jī)。

3.4 評(píng)定條件和工藝參數(shù)

焊條電弧焊正縫采用45°固定爬坡立焊，背縫為45°固定爬坡仰焊，微擺動(dòng)多層多道焊。背縫碳弧氣刨清根，VT、MT檢查。

表6 評(píng)定試板規(guī)格、數(shù)量

圖1 試板坡口

埋弧自動(dòng)焊采用平焊，不擺動(dòng)多層多道焊。焊條電弧焊封底，背縫不加墊焊劑。背縫碳弧氣刨清根，VT、MT檢查。

根據(jù)斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)結(jié)果，確定焊接工藝評(píng)定在常溫下進(jìn)行，30℃～35℃，空氣相對(duì)濕度47%～73%。施焊過(guò)程嚴(yán)格執(zhí)行《WHT590鋼板焊接工藝評(píng)定指導(dǎo)書》中的工藝參數(shù)。焊接電流、電壓、層間溫、線能量等記錄如表7所示。

3.5 試板的檢驗(yàn)及結(jié)果

3.5.1 無(wú)損檢測(cè)

試板焊接完成48 h后，對(duì)焊接接頭進(jìn)行VT、UT、RT檢查，未發(fā)現(xiàn)裂紋、未熔合等危害性缺陷，滿足一級(jí)焊縫的質(zhì)量要求。

表7 工藝評(píng)定施焊參數(shù)

3.5.2 硬度檢測(cè)

硬度的測(cè)點(diǎn)位置如圖2所示，測(cè)試結(jié)果如表8所示。從硬度的平均值看，焊條電弧焊熱影響區(qū)、焊縫區(qū)的硬度明顯低于母材，材料被軟化，但下降的數(shù)值不大，對(duì)材料的強(qiáng)度不會(huì)產(chǎn)生較大影響，滿足要求。埋弧自動(dòng)焊的焊縫、熱影響區(qū)、母材硬度沒有明顯區(qū)別。

3.5.3 強(qiáng)度、沖擊、彎曲試驗(yàn)

圖2 硬度測(cè)試測(cè)點(diǎn)分布

表8 試樣硬度測(cè)試結(jié)果HB

試板焊接接頭的拉伸、彎曲、沖擊試驗(yàn)結(jié)果分別如表9、表10所示。結(jié)果表明接頭拉伸多數(shù)斷裂于母材部位，且所有斷裂時(shí)的應(yīng)力值均大于標(biāo)準(zhǔn)值。全部彎曲試樣過(guò)程中未出現(xiàn)開裂。焊縫沖擊功與母材相比雖偏低，但與規(guī)范要求（不小于47 kJ）相比，還有較多的裕量。

表9 試板焊接接頭的拉伸、彎曲試驗(yàn)結(jié)果

4 工程應(yīng)用實(shí)例

WTH590高強(qiáng)鋼的焊接性試驗(yàn)與工藝評(píng)定的結(jié)果，已經(jīng)成功應(yīng)用于水電站引水壓力鋼管工程，共使用WTH590高強(qiáng)鋼2 000余t，鋼管壁厚δ=28～100 mm。

表10 試板焊接接頭的沖擊試驗(yàn)結(jié)果

在鋼管制造安裝的焊接中，采取了提高裝配質(zhì)量、保證坡口清潔和干燥、嚴(yán)格焊接材料的管理和預(yù)處理、分層退步多層多道焊、控制線能量、焊后緩冷等措施，焊縫中未發(fā)現(xiàn)裂紋。焊縫100%UT檢查，一次合格率99.57%，進(jìn)行5%總長(zhǎng)達(dá)20 m的RT復(fù)查，一次合格率100%。工程從2009年竣工以來(lái)，運(yùn)行安全可靠。

5 結(jié)論

（1）經(jīng)斜Y焊接裂紋試驗(yàn)研究證明：該鋼種焊接裂紋敏感性低，可焊性好。對(duì)于δ≤50 mm的鋼板，在室溫下可不預(yù)熱；（2）從熱影響區(qū)硬度值看：該鋼種沒有明顯的淬硬傾向，具有良好的可焊性能；（3）焊縫沖擊功雖偏低，但與不小于47 k J的規(guī)范要求相比還有較多裕量，滿足工程質(zhì)量要求；（4）實(shí)際工程應(yīng)用證明：該鋼種對(duì)氣割、炭弧氣刨、彎曲成型等制造工藝適應(yīng)廣泛，具有較好的加工性；（5）電站引水壓力鋼管制安焊縫的一次合格率、4年多的安全運(yùn)行記錄均已證明，壓力鋼管的鋼板、焊材選材合理，焊接方法、工藝可行。