黃治軍，胡家國，何 嘉，陳 浮，季益好

(1.武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院，湖北 武漢 430080;2.武漢鐵錨焊接材料股份有限公司，湖北 武漢 430084)

0 前言

鋼結(jié)構(gòu)逐步向輕量化發(fā)展，鋼鐵材料的強(qiáng)度日益提高，抗拉強(qiáng)度900 MPa級的鋼鐵品種的應(yīng)用比例不斷擴(kuò)大。鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展使鋼鐵品質(zhì)越來越好，強(qiáng)度提高，焊接性能也得到一定的改善?，F(xiàn)在抗拉強(qiáng)度900 MPa以上鋼種大部分采用調(diào)質(zhì)工藝，部分鋼種應(yīng)用了TMCP、DIFT、SIDT等先進(jìn)工藝生產(chǎn)，鋼的抗裂性能有一定的改善［1－2］。目前國內(nèi)只有個別鋼企和焊絲廠生產(chǎn)900 MPa級焊接材料(焊縫抗拉強(qiáng)度)，大部分依靠從國外進(jìn)口，或采用低強(qiáng)度級別的焊絲作低強(qiáng)度焊接匹配［3］，但低強(qiáng)匹配會影響高強(qiáng)鋼種優(yōu)勢的有效發(fā)揮。這種局面勢必會對高強(qiáng)鋼的應(yīng)用產(chǎn)生不利影響。

研制900 MPa級焊接材料，用于焊接抗拉強(qiáng)度為900～1 000 MPa的高強(qiáng)鋼，為高強(qiáng)度鋼的推廣應(yīng)用提供具有較好性價比的配套焊接材料，有較大的經(jīng)濟(jì)價值。

設(shè)計了焊絲的化學(xué)成分范圍，在50 kg真空爐冶煉了試驗(yàn)用鋼，在有關(guān)軋鋼廠和焊絲廠軋制盤條及拉拔成絲，焊絲表面鍍銅，制成成品焊絲，按級別取牌號WER90，相當(dāng)于ER130S－G。檢驗(yàn)了焊接熔敷金屬性能。

1 焊絲試制

1.1 合金元素對焊縫性能的影響

焊縫金屬性能主要由焊縫組織決定，而后者則由焊縫金屬化學(xué)成分和焊接熱循環(huán)條件決定。低合金鋼焊縫組織一般有先共析鐵素體、針狀鐵素體、粒狀貝氏體、珠光體、馬氏體等。具有共析鐵素體、針狀鐵素體組織的焊縫強(qiáng)度一般在800 MPa以下，要想得到強(qiáng)度高于900 MPa的焊縫，焊縫組織應(yīng)以貝氏體或馬氏體等組織為主。為了獲得這樣的組織，應(yīng)提高焊縫中的合金元素含量。貝氏體焊縫韌性高，對焊接工藝適應(yīng)性強(qiáng)，但需要較高的Ni含量，相應(yīng)成本增高。馬氏體組織焊縫強(qiáng)度高，但韌性不太好，成本較低，具有較好的經(jīng)濟(jì)性［4－5］。

各主要合金元素的作用為:

C元素含量對焊縫的強(qiáng)韌性尤其是強(qiáng)度有較大的影響。焊縫中Si含量不宜太高，但富Ar保護(hù)氣體具有一定的氧化性，焊絲中加入一定量的Si有利于焊接時脫氧。Mn是焊縫強(qiáng)韌化的有效元素，并能防止引起熱裂紋的鐵硫化物的形成，焊縫中w(Mn)在1.20%～1.60%時，有利于保持高強(qiáng)鋼焊縫強(qiáng)韌性，同時Mn也有一定的脫氧作用。Ni有利于提高焊縫金屬的強(qiáng)韌性尤其是低溫沖擊韌性，降低脆性轉(zhuǎn)變溫度。Cr元素有利于提高焊縫強(qiáng)度，細(xì)化鐵素體晶粒，并有助于焊縫熱處理后?性能維持在較高的水平，使用Cr合金還能有效控制焊絲成本。Mo元素能有效提高焊縫的強(qiáng)度，但是當(dāng)焊縫中Mo及Cr含量較高時(如分別超過0.7%)，低溫沖擊韌性將明顯下降。焊絲中加入Ti可以使焊縫形成形核質(zhì)點(diǎn)，細(xì)化焊縫金屬組織。S、P元素是焊縫中的主要有害元素，會顯著降低焊縫金屬低溫沖擊韌性。

1.2 焊絲成分

經(jīng)過焊縫合金化試驗(yàn)，確定了焊縫的化學(xué)成分，設(shè)計焊絲的化學(xué)成分如表1所示。試驗(yàn)研究表明，焊縫碳當(dāng)量與焊縫強(qiáng)度有一定的對應(yīng)關(guān)系，通過碳當(dāng)量來平衡各元素對焊縫強(qiáng)度的控制是可行的。焊縫強(qiáng)度低于900 MPa則不滿足要求，但焊縫強(qiáng)度過高會使制作成本增加、韌性下降、焊接工藝難以控制?？梢钥刂铺籍?dāng)量處于一定范圍內(nèi)，以便對焊縫強(qiáng)度作適當(dāng)?shù)南拗?，CE=C+Mn/6+(Ni+Cu)/15+(Cr+Mo+V)/5=0.70% ～0.90%。

表1 焊絲成分%

1.3 焊絲

采用50 kg真空爐冶煉，鋼質(zhì)較為潔凈，冶煉兩例成分如表2所示。將鋼錠加熱軋制成方坯和盤條。

表2 焊絲鋼冶煉成分 %

由于合金元素多，強(qiáng)度較高，拉拔較為困難，有的文獻(xiàn)報道此類焊絲甚至采用了“四退四拉”工藝。為了減少盤條的拉拔量，嘗試軋制較細(xì)的盤條。經(jīng)多次試驗(yàn)，WER90采用如下工藝制成成品焊絲:

軋制成φ4 mm盤條→酸洗→清洗→烘干→拔絲至φ2.2 mm→在線熱處理→酸洗→清洗→烘干→水箱拉絲→鍍銅前表面酸洗處理→清洗→鍍金鍍槽前處理→清洗→鍍銅→清洗→φ1.6 mm或φ1.2 mm→在包裝車間用烘箱表面烘干→絞直→層繞→熱塑包裝。

焊絲滿足GB/T8110《氣體保護(hù)焊用碳鋼、低合金鋼焊絲》標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定。焊絲的金相組織為馬氏體，如圖1所示。

圖1 焊絲組織

2 焊絲熔敷金屬性能試驗(yàn)

按GB/T8110標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行熔敷金屬試驗(yàn)，采用富Ar混合氣體φ(Ar)80%+φ(CO2)20%。焊前預(yù)熱80℃，層間溫度80℃～150℃。

2.1 力學(xué)性能試驗(yàn)

熔敷金屬拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，熔敷金屬沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表3 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表4 熔敷金屬沖擊試驗(yàn)結(jié)果

熔敷金屬焊接為多層焊。圖2a為1#焊縫半個橫截面，經(jīng)磨光、拋光和5%硝酸酒精腐蝕，可以看出明顯的多層焊道，較暗的部分為焊態(tài)或經(jīng)后道焊縫的再熱但尚未發(fā)生組織轉(zhuǎn)變的區(qū)域，較亮部分為組織有所變化的再熱區(qū)域。通過硬度測試可以看出其性能的變化。沿圖2a中的斜線從焊縫中心至最后一道焊縫表面測量，點(diǎn)距為0.5 mm，硬度分布如圖2b所示。由圖2b可知:就每道焊縫而言，從焊縫底部到焊縫表面，硬度是逐漸降低的，最后一道焊縫的硬度較高。分析原因:一是與焊縫底部相比，焊縫表面冷速較慢;二是前道焊縫受后道焊縫的再熱作用而軟化。沒經(jīng)后道焊縫再加熱的最后一道焊縫的硬度較高。焊縫中的最高硬度比最低硬度高約35%，焊縫性能具有明顯的不均勻性，最高硬度超過350 HV10，焊縫金屬具有一定的淬硬傾向。

圖2 1#焊縫各區(qū)硬度分布

熔敷金屬力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果表明，兩例焊絲焊縫強(qiáng)度和韌性均有一定的富裕。2#焊絲焊縫強(qiáng)度較低韌性較高。1#焊絲焊縫實(shí)際強(qiáng)度達(dá)到1 010 MPa，韌性低一些。實(shí)際上此種強(qiáng)度級別的鋼種的韌性也不高，如文獻(xiàn)［6］報道的瑞典奧克德隆(SSAB)的WELDOX960鋼實(shí)際沖擊功為 30 J(－20℃)，WER90焊縫韌性完全可以與其匹配。另外，對于超高強(qiáng)焊縫多采用等韌原則選擇焊材，對于連接性質(zhì)的焊縫(非主應(yīng)力方向)，一般采用低強(qiáng)匹配。只要是焊縫強(qiáng)度不低于母材強(qiáng)度的87%，則認(rèn)為是等強(qiáng)匹配。因此，對于900 MPa級氣保焊絲，建議將焊縫實(shí)際強(qiáng)度控制在980 MPa以下，這就需要適當(dāng)控制焊絲的化學(xué)成分和各主合金元素含量的平衡。適當(dāng)降低C、Mo、Cr含量、增加Ni含量有利于提高焊縫韌性。以2#焊絲為目標(biāo)成分，可以得到強(qiáng)度及韌性均較好的焊縫。

2.2 化學(xué)成分分析

熔敷金屬化學(xué)成分如表5所示。與焊絲相比，相應(yīng)的熔敷金屬中Ni、Cr、Mo含量變化不大，Mn含量相對較少。

表5 熔敷金屬化學(xué)成分 %

2.3 金相分析

1#焊縫最后一道焊縫、焊縫上的熱影響區(qū)金相分析部位如圖3所示。兩個部位金相組織如圖4所示，組織均為馬氏體+貝氏體。

圖3 熔敷金屬金屬金相分析部位

3 結(jié)論

(1)設(shè)定了WER90焊絲的成分范圍，采用碳當(dāng)量對各合金元素進(jìn)行總體平衡，能將焊縫強(qiáng)度及韌性控制在較佳水平。

(2)采用富Ar保護(hù)氣體，焊縫典型力學(xué)性能為Rm=960 MPa，AKV2=67 J(－20℃)。多道焊縫金屬顯示出硬度不均勻性和一定的淬硬性，焊縫組織為馬氏體+貝氏體。

圖4 1#焊縫金相組織

(3)在設(shè)計成分范圍內(nèi)，適當(dāng)降低C、Mo、Cr含量，增加Ni含量有利于焊縫韌性的提高。

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［3］李 陽，孫 攀.HG980 D高強(qiáng)鋼焊接試驗(yàn)研究［J］.金屬加工，2009(12):36－39.

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