鋼鐵研究總院焊接研究所(北京市 100081)

肖紅軍 田志凌

安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院(馬鞍山市 243000)

崔 冰

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Q890D鋼焊接冷裂紋敏感性試驗研究

鋼鐵研究總院焊接研究所(北京市 100081)

肖紅軍 田志凌

安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院(馬鞍山市 243000)

崔 冰

采用理論計算、最高硬度試驗及斜Y型抗裂性試驗對Q890D鋼的冷裂紋敏感性進行研究，并采用金相顯微鏡、維式硬度計對斜Y型試樣的顯微結(jié)構(gòu)和顯微硬度進行了測試與分析。結(jié)果表明，理論計算和最高硬度試驗均表明該鋼具有一定的淬硬傾向，在適當?shù)念A(yù)熱條件和濕度下可避免冷裂紋產(chǎn)生。通過硬度試驗發(fā)現(xiàn)，在冷裂紋的兩側(cè)硬度值波動較大，在裂紋部位產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中。

Q890D 冷裂紋 預(yù)熱溫度

0 序 言

隨著鋼材強度的提高及鋼板厚度的增大，高強鋼焊接接頭產(chǎn)生焊接冷裂紋的傾向增大。因此，制定正確的焊接工藝防止焊接冷裂紋的產(chǎn)生是高強鋼焊接技術(shù)關(guān)鍵之一[1-3]。為了減輕材料自重，節(jié)約制造成本，開發(fā)和應(yīng)用更高強度的Q890D鋼顯得越來越迫切。Q890D鋼由于抗拉強度達到1 000 MPa，在實際焊接時會產(chǎn)生很大的拘束應(yīng)力，增大材料的冷裂紋敏感性[3-6]。

文中以 Q890D鋼為研究對象，采用間接評定法和直接評定法對Q890D鋼的焊接冷裂紋敏感性進行綜合評定，間接評定法為國際上公認的碳當量(Carbon equivalent，CE)和冷裂紋敏感指數(shù)(P)的理論計算；直接評定法為熱影響區(qū)最高硬度試驗和斜Y型坡口裂紋敏感性試驗(小鐵研試驗)[7-12]，以期為今后該鋼種的實際焊接工藝制定及推廣應(yīng)用提供基礎(chǔ)性的焊接數(shù)據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用鋼板為國產(chǎn)Q890D高強鋼板，為熱軋態(tài)，其化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1～2，金相組織為回火馬氏體，如圖1所示。試板尺寸為200 mm×150 mm×30mm，長度方向為軋制方向。

表1 Q890D鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

表2 Q890D鋼的力學(xué)性能

1.2 試驗方法

1.2.1 間接法

碳當量是把鋼中所有的元素(包括C)對淬硬傾向、冷裂紋傾向和脆化的影響折合成碳元素的相當含量，用來進行焊接前理論分析。碳當量越高，則鋼的冷裂紋敏感性越大，焊接性越差。由于世界各個國家鋼種的合金體系和所采用的試驗方法不同，所以都建立了相適應(yīng)的碳當量公式[8]。對于高強鋼來說，近年來更多采用日本伊藤等人經(jīng)大量試驗后提出的數(shù)值公式[13]來表征焊接性的好壞。該公式增加了合金元素的種類，同時降低了各元素對碳當量的影響因素，能夠很好的反映鋼材的焊接性能。

1.2.2 直接法

1.2.2.1 熱影響區(qū)最高硬度試驗

焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗是國際上通用的評定鋼材冷裂紋傾向的試驗方法，試驗按照GB/T 4675.2—84《焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗方法》進行，將試板機械切削加工成20 mm厚，并保留一個軋制面。試件的形狀和尺寸如圖2所示。其中，B為板寬，室溫條件下B=75 mm，預(yù)熱條件下B=150 mm。

圖1 母材組織

圖2 試件的形狀及尺寸

在焊接前應(yīng)利用砂輪打磨要焊接位置，去除試件表面有害于焊接的水、油、鐵銹及過厚的氧化皮，對室溫(27 ℃)、預(yù)熱120 ℃和150 ℃的最高硬度試驗焊接時所采用的電流為280 A、電壓為33 V、焊接速度為33 cm/min、保護氣為80%Ar+20%CO2、氣體流量為20 L/min。

試件在焊后靜止的空氣中自然冷卻，且不進行任何熱處理，焊后經(jīng)過12 h才能取測量硬度的試樣，取后要盡快測試硬度。在室溫下，采用線切割方法垂直切割焊縫的中部，然后在此斷面上取硬度的測量試樣。硬度測量試樣的檢測面經(jīng)砂紙研磨、拋光、腐蝕后進行硬度測量。測試位置如圖3所示，劃一條既切于熔合線底部切點O，又平行于試板軋制表面的直線，在此直線上每隔0.5 mm進行室溫下，載荷為10 kg的維氏硬度的測定，切點O及兩側(cè)各7個以上的點作為硬度的測定點。

1.2.2.2 斜Y型坡口裂紋敏感性試驗

斜Y型坡口焊接裂紋試驗是用于評定碳鋼和低合金鋼焊接熱影響區(qū)對冷裂紋的敏感性試驗，試驗按照GB 4675.1—84 《斜Y型坡口焊接裂紋試驗方法》規(guī)定進行。試件的形狀和尺寸如圖4所示，焊條電弧焊時焊縫的位置如圖5所示。

圖3 硬度的檢測位置

圖4 試件的形狀和尺寸

圖5 采用焊條電弧焊時試驗焊縫位置

試驗鋼板為30 mm厚Q890D鋼板，焊絲采用φ1.2 mmGHS90焊絲，焊接環(huán)境條件：溫度為27 ℃，相對濕度為86%，濕度較高。預(yù)熱溫度分別為60 ℃，80 ℃和100 ℃，在高濕度條件下考察不同預(yù)熱溫度對裂紋的影響。焊接工藝參數(shù)見表3。焊后放置48 h檢查表面裂紋、斷面裂紋和根部裂紋。

為了了解空氣濕度對Q890D鋼斜Y型試樣抗裂性試驗的影響，采用溫度為27 ℃，相對濕度分別為56%和86%的環(huán)境進行對比試驗，焊接工藝參數(shù)不發(fā)生變化。考察對比預(yù)熱60 ℃小鐵研試樣焊后放置48 h表面裂紋、斷面裂紋和根部裂紋情況。

表3 Q890D鋼斜Y型坡口焊接裂紋試驗工藝參數(shù)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 裂紋敏感性計算評估

日本工業(yè)標準(JIS)公式使用范圍為強度級別在500 ～1 000 MPa范圍內(nèi)，調(diào)質(zhì)和非調(diào)質(zhì)態(tài)的低合金高強鋼。利用計算公式：

(1)

對Q890D鋼的Ceq和Pcm進行計算，Ceq為0.437，當高強鋼板的Ceq在0.4～0.6時，表明鋼材有一定的淬硬傾向，滿足標準GB/T 16270—2009《高強度結(jié)構(gòu)用鋼板》 ,Ceq最大值為0.65，Pcm為0.287，而標準YB 4137—2005《低焊接裂紋敏感性高強度鋼板》 中Pcm最大值為0.25，所以該鋼的冷裂紋敏感性較高，焊接時需預(yù)熱才能防止焊接裂紋產(chǎn)生[14]。

2.2 焊接熱影響區(qū)最高硬度測定

通常用熱影響區(qū)的最高硬度來判斷熱影響區(qū)的性能，它可以間接預(yù)測熱影響區(qū)的韌性、脆性和抗裂性[15-16]。圖6為Q890D鋼在不同預(yù)熱溫度下最高硬度分布曲線，可以看出該鋼有明顯的淬硬區(qū)。在室溫條件下焊接時，熱影響區(qū)的最高硬度值為361 HV10，隨著預(yù)熱溫度的升高，最高硬度值逐漸降低。這是因為不預(yù)熱焊接時，熱影響區(qū)的冷卻速度增加，相變后的淬硬性增加，硬度值升高。3種不同預(yù)熱溫度下Q890D鋼的焊接熱影響區(qū)最高硬度分別為361 HV10，348 HV10和338 HV10，按國際焊接協(xié)會推薦的評定標準，低合金高強鋼焊接熱影響區(qū)允許的最高硬度值為350 HV10，如果超過此值，表面該種低合金鋼熱影響區(qū)有冷裂傾向，所以該Q890D鋼在不預(yù)熱時具有一定的冷裂傾向。隨著預(yù)熱溫度的升高，熱影響區(qū)的寬度增加，最高硬度下降，表明該鋼在適當?shù)念A(yù)熱溫度下，可進一步降低焊接冷裂紋敏感性。

圖6 Q890D鋼最高硬度試驗硬度分布曲線

2.3 斜Y型坡口拘束焊接(小鐵研試驗)

2.3.1 預(yù)熱溫度對裂紋率的影響

焊后觀察根部裂紋率、表面裂紋率和界面裂紋率，由于小鐵研試驗接頭所承受的拘束度大，根部缺口效應(yīng)明顯，條件苛刻，因此一般認為裂紋率低于20%即可用于一般焊接構(gòu)件的生產(chǎn)[17-18]。

表4為3種預(yù)熱溫度下抗裂性試驗結(jié)果。圖7～8分別為小鐵研根部斷面、橫截面宏觀形貌圖。從圖7并結(jié)合表4可以看出，在60 ℃的預(yù)熱溫度下，斷面裂紋率、根部裂紋率及表面裂紋率均為100%。隨著預(yù)熱溫度的升高，表面裂紋率為0，而斷面裂紋從90%降低到20%，可見提高預(yù)熱溫度能夠有效地降低斷面及表面裂紋率。

表4 Q890D鋼斜Y型坡口焊接裂紋試驗結(jié)果

圖7 Q890D鋼斜Y型坡口焊接裂紋試驗根部斷面照片

圖8 Q890D鋼斜Y型坡口焊接裂紋試驗橫斷面照片

2.3.2 裂紋擴展

圖9a焊縫(Welded metal，WM)組織為細小的馬氏體與貝氏體混合組織。圖9b為起裂附近焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)(Coarse grain heat affected zone，CGHAZ)組織，為典型的板條馬氏體組織，經(jīng)過熱循環(huán)后母材晶粒迅速長大。

圖9 焊縫根部組織及粗晶區(qū)組織

2.3.2.1 預(yù)熱60 ℃小鐵研試樣

圖10a為斜Y型試樣預(yù)熱60 ℃時裂紋宏觀照片。從圖10b～10d可以看出斷面裂紋是從熔合線處起裂，在焊縫區(qū)域擴展，最后止裂于焊縫，貫穿了整個焊縫區(qū)域，裂紋率為100%。從金相組織可以看出，未出現(xiàn)異常組織，在低倍光學(xué)電鏡下呈柱狀晶形態(tài)。對裂紋附近組織的硬度值進行測量，試驗結(jié)果見表5。

從表5及圖11可以看出，裂紋兩側(cè)的硬度有一定的差別，尤其是在起裂位置(熔合線)，由于兩邊組織類型不同，粗晶區(qū)(Coarse grain heat affected zone，CGHAZ)為馬氏體組織，焊縫(Welded metal，WM)區(qū)域誘導(dǎo)裂紋的產(chǎn)生。而且CGHAZ的硬度值很高，淬硬程度大。而在擴展和止裂區(qū)域，由于焊接的快速加熱及冷卻過程，成分及性能會有一定的不均勻性，從宏觀力學(xué)性能上表現(xiàn)出硬度值波動較大，這將使得焊縫區(qū)域的內(nèi)應(yīng)力增大，有利于裂紋的擴展。

表5 裂紋兩側(cè)硬度 HV5

圖11 預(yù)熱60 ℃時起裂位置硬度分布曲線

2.3.2.2 預(yù)熱80 ℃小鐵研試樣

圖12a為斜Y型試樣預(yù)熱80 ℃時裂紋宏觀照片，可以看出，斷面裂紋是從熔合線處起裂，在焊縫區(qū)域擴展，最后止裂于焊縫，裂紋率為90%。

從圖12b～12c及表6可以看出，在起裂位置(熔合線)，由于熔合線兩邊組織類型不同，粗晶區(qū)(Coarse grain heat affected zone，CGHAZ)為馬氏體組織，焊縫(Welded metal，WM)區(qū)域為馬氏體/貝氏體組織，會造成應(yīng)力集中，并且小鐵研試樣的根部也是整個接頭應(yīng)力集中部位及氫易聚集部位，易產(chǎn)生裂紋，由于冷卻速度較快，焊縫區(qū)域硬度值較高，如圖13所示。

圖12 預(yù)熱80 ℃時斷面裂紋宏觀和微觀形貌

表6 裂紋兩側(cè)硬度 HV5

圖13 預(yù)熱80 ℃時起裂位置硬度分布曲線

2.3.2.3 預(yù)熱100 ℃小鐵研試樣

從圖14可以看出，預(yù)熱100 ℃時，斷面裂紋從熔合線處起裂，在焊縫區(qū)域擴展，最后止裂于焊縫。觀察金相組織，可以看出焊縫(Welded metal，WM)處組織類型為馬氏體/貝氏體組織，粗晶區(qū)(Coarse grain heat affected zone，CGHAZ)組織為馬氏體組織，與預(yù)熱60 ℃時組織基本相同。但是預(yù)熱100 ℃時的斷面裂紋率僅為20%，可以看出，提高預(yù)熱溫度可以有效的降低斷面裂紋率。

圖14 預(yù)熱100 ℃時斷面裂紋宏觀和微觀形貌

對裂紋兩側(cè)及起裂處進行硬度測試，試驗結(jié)果見表7及圖15。從表7及圖15可以看出，相比于預(yù)熱60 ℃、預(yù)熱100 ℃時裂紋兩側(cè)的組織硬度差別較小，內(nèi)應(yīng)力減小，不利于裂紋的生成及擴展。這是因為提高了預(yù)熱溫度，焊縫的冷卻速度減慢，組織更加均勻。而在起裂位置(熔合線)，由于兩邊組織類型不同，CGHAZ為馬氏體組織，WM區(qū)域為馬氏體/貝氏體組織，使得硬度值差別大，這會造成較大的應(yīng)力集中，誘導(dǎo)裂紋的產(chǎn)生。

2.3.3 不同濕度下預(yù)熱60 ℃小鐵研試樣

為了了解空氣濕度對Q890D鋼斜Y型試樣抗裂性試驗的影響，采用相對濕度為56%和86%的環(huán)境進行對比試驗，焊接工藝參數(shù)不發(fā)生變化。在預(yù)熱為60 ℃時靜置48 h后，斷面裂紋率、表面裂紋率和根部裂紋率均為0，如圖16所示。而在濕度86%的環(huán)境條件下，小鐵研的斷面裂紋率、表面裂紋率和根部裂紋率均為100%。濕度降低后，會導(dǎo)致焊縫中的擴散氫含量降低，從而降低了焊縫冷裂紋傾向。

表7 裂紋兩側(cè)硬度 HV5

圖15 預(yù)熱100 ℃時起裂位置硬度分布曲線

圖16 Q890D鋼斜Y型坡口焊接裂紋試驗橫斷面照片

3 結(jié) 論

(1)30 mm厚的Q890D鋼板Ceq在0.4%～0.6%之間，Pcm為0.287表明鋼板有一定的淬硬傾向，焊接時需預(yù)熱才能防止焊接裂紋的產(chǎn)生。隨著預(yù)熱溫度的升高，熱影響區(qū)最高硬度降低，

(2)由于焊絲與母材的成分不同，經(jīng)過焊接熱循環(huán)后，焊縫與粗晶區(qū)的組織有較大差別，使得硬度值差異較大，在粗晶區(qū)與焊縫之間造成應(yīng)力集中，加速裂紋的擴展。

(3)通過試驗發(fā)現(xiàn)了環(huán)境濕度對Q890D鋼的冷裂紋敏感性有很大影響。環(huán)境濕度在56%時，斷面裂紋率、表面裂紋率和根部裂紋率均為0，說明低溫預(yù)熱可防止裂紋。當環(huán)境濕度過高時，需提高預(yù)熱溫度，以減少氫帶來的不利影響。

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2016-07-14

TG406

肖紅軍，1976 年出生，博士研究生。主要研究方向為焊接材料與工藝，已發(fā)表論文2篇。