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        RE-P復(fù)合耐候鋼焊接工藝

        2018-12-17 09:52:16供稿張楠文小明ZHANGNanWENXiaoming
        金屬世界 2018年6期
        關(guān)鍵詞:耐候單面母材

        供稿|張楠,文小明 / ZHANG Nan, WEN Xiao-ming

        作者單位:1. 本鋼集團(tuán)有限公司熱連軋廠,遼寧 本溪 117000;2. 本鋼集團(tuán)有限公司技術(shù)研究院,遼寧 本溪 117000

        內(nèi)容導(dǎo)讀隨著近幾年集裝箱、鐵道車輛行業(yè)重載發(fā)展需求,采用高強(qiáng)度高耐腐蝕性耐候鋼生產(chǎn)集裝箱及鐵道車輛結(jié)構(gòu)件成為趨勢,針對行業(yè)需求開發(fā)了RE-P復(fù)合方式屈服強(qiáng)度450 MPa級高強(qiáng)經(jīng)濟(jì)型耐候鋼BG450PRE。RE-P復(fù)合鋼板對焊接工藝及焊接性能要求嚴(yán)格,通過對BG450PR的焊接材料選用和焊接性能分析,對經(jīng)濟(jì)型耐候鋼的焊接工藝進(jìn)行全面研究,提出了BG450PR在鐵道貨車用結(jié)構(gòu)件制造中的焊接工藝指導(dǎo),保證了BG450PRE在裝車使用過程中的焊接。

        因大氣腐蝕所造成鋼鐵材料的損失約占總腐蝕損失的50%,因此提高鋼鐵材料本身的耐大氣腐蝕性具有極大的現(xiàn)實(shí)意義與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。現(xiàn)階段使用的耐候鋼一般是Cu-P-Cr-Ni系的Corten A和Cu-Mn-Cr-Ni系的Corten B,或?yàn)檫@兩類鋼的變種。中國現(xiàn)在是全球最大的集裝箱制造、鐵道車輛制造國,對于耐大氣腐蝕和海水腐蝕鋼的需求量極大。

        常規(guī)耐候鋼中需要加入一定量的Cu、Cr、Ni等合金元素,提高了其材料成本,使耐候鋼在市場競爭中處于劣勢,限制了其廣泛使用。經(jīng)濟(jì)型耐候鋼的開發(fā)與耐蝕性的研究一直是國內(nèi)外鋼鐵研究的熱點(diǎn),為滿足市場需求,研發(fā)屈服強(qiáng)度450 MPa級高強(qiáng)經(jīng)濟(jì)型耐候鋼BG450RPE。而在實(shí)際裝車使用過程中RE-P復(fù)合的方式對焊接工藝及焊接性能要求嚴(yán)格,因此進(jìn)行焊接材料選用及焊接工藝研究工作十分重要。

        試驗(yàn)鋼

        試驗(yàn)鋼化學(xué)成分設(shè)計(jì)

        試驗(yàn)鋼成分見表1。試驗(yàn)鋼中含有少量的磷和稀土,碳含量較低,有利于焊接性的改善,少量的Nb元素用于細(xì)化晶粒及提高強(qiáng)度。

        試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能

        通過適當(dāng)?shù)目剀埧乩涫侄危囼?yàn)鋼達(dá)到了Q450級低合金鋼力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn),符合材料設(shè)計(jì)要求。具體力學(xué)性能見表2。

        焊接工藝

        實(shí)驗(yàn)方法及焊縫組織

        焊接實(shí)驗(yàn)采用φ1.2 mm的 GHS50CuC焊絲,試驗(yàn)板坡口為單面V型45°。采用CO2氣體保護(hù)焊接,焊接過程不預(yù)熱。使用工藝性試驗(yàn)確定的最佳焊接工藝規(guī)范焊接試板,單面單道焊方式焊接時,焊接熱輸入為13.8 kJ/cm;雙面單道焊方式焊接時,焊接熱輸入為8.8 kJ/cm。圖1為焊接接頭的截面形貌,可見焊縫成形良好。

        圖2是焊縫的柱狀晶組織,由晶界先共析鐵素體+針狀貝氏體組成,單面焊的先共析鐵素體寬且組織明顯粗大。

        表1 試驗(yàn)鋼成分設(shè)計(jì)(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

        表2 BG450PRE試驗(yàn)鋼力學(xué)性能

        圖1 試驗(yàn)鋼焊接接頭的宏觀形貌

        圖2 BG450PRE鋼接頭焊縫的組織

        焊縫性能分析

        分別沿著焊縫上表面(雙面焊時取后焊面)距鋼板表面1 mm處、鋼板厚度中心處測試焊接接頭硬度分布,見圖3。單面焊時,表面與心部的硬度分布是一致的,焊縫的硬度比母材略高,粗晶區(qū)(CG-HAZ)的硬度稍高于焊縫,最高硬度為230 Hv;臨界區(qū)(ICHAZ)的硬度略低于母材,但區(qū)域很窄,一般不會影響接頭的強(qiáng)度。雙面焊時,后焊面表面處的硬度分布與單面焊相同,熱影響區(qū)最高硬度為225 Hv;在板厚中心處,焊縫、熱影響區(qū)(HAZ)及臨近母材的硬度有降低,下降幅度為20~40Hv,因此接頭區(qū)的強(qiáng)度會發(fā)生弱化。試驗(yàn)鋼的屈服強(qiáng)度高于焊絲熔敷金屬的屈服強(qiáng)度,抗拉強(qiáng)度與熔敷金屬相當(dāng),焊縫的硬度也與母材接近,因此GHS50CuC焊絲與新型耐候鋼為等強(qiáng)匹配。新型耐候鋼BG450PRE的焊接熱影響區(qū)不存在淬硬區(qū),也沒有明顯的軟化現(xiàn)象。

        焊接接頭拉伸及冷彎實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。接頭拉伸只有1個試樣斷在母材,3個試樣斷于焊縫,抗拉強(qiáng)度為580~590 MPa,焊縫的強(qiáng)度與母材相當(dāng)。焊接接頭冷彎實(shí)驗(yàn)均為180°完好,塑性變形均勻,塑性良好。

        圖3 工業(yè)試制BG450PRE鋼焊接接頭硬度分布

        表3 新研制耐候鋼焊接接頭力學(xué)性能

        圖4 工業(yè)試制BG450PRE鋼焊接接頭沖擊溫度曲線

        焊接接頭沖擊采用5 mm×10 mm×55 mm非標(biāo)試樣,缺口分別位于母材、焊縫中心、熔合線、熱影響區(qū)處,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4。焊接接頭各部位的沖擊功都隨著實(shí)驗(yàn)溫度的降低而下降,單面焊的沖擊功明顯低于雙面焊,與試驗(yàn)鋼相比大幅度降低。雙面焊焊縫的沖擊功在–20℃以上與試驗(yàn)鋼的熔合線相當(dāng),–40℃時顯著下降,熔合線的沖擊功與試驗(yàn)鋼相當(dāng),熱影響區(qū)的沖擊功明顯高。

        對工業(yè)試制BG450PRE鋼沖擊斷口進(jìn)行觀察,并測量結(jié)晶狀斷口率。圖5是接頭各部位沖擊功與結(jié)晶斷口率關(guān)系圖,可以看到各部位沖擊斷口的結(jié)晶斷口率都比較高,單面焊時更高。因此試驗(yàn)鋼焊接接頭的脆化傾向比較嚴(yán)重,應(yīng)采用小熱輸入多道焊工藝焊接。

        結(jié)束語

        采用合理的化學(xué)成分和TMCP工藝設(shè)計(jì)可以獲得具有優(yōu)良耐腐蝕性能、良好焊接性能、成型性能、高強(qiáng)韌性的經(jīng)濟(jì)型耐候鋼BG450PRE。

        BG450PRE鋼匹配新研制的焊絲,焊接接頭拉伸試樣多數(shù)斷于焊縫,其強(qiáng)度與母材的強(qiáng)度相當(dāng),為等強(qiáng)匹配,冷彎實(shí)驗(yàn)達(dá)到180°完好,熱影響區(qū)沒有明顯的硬化傾向,也沒有明顯地軟化現(xiàn)象,具有良好的抗裂性能,焊接工藝合理。

        圖5 工業(yè)試制BG450PRE鋼焊接接頭沖擊功及斷口率曲線

        BG450PRE鋼焊接時,焊縫、熔合線及熱影響區(qū)的沖擊功相對于母材明顯低,當(dāng)焊接熱輸入較大時,接頭區(qū)脆化傾向比較嚴(yán)重,應(yīng)采用小熱輸入多道焊工藝焊接。

        經(jīng)濟(jì)型RE-P復(fù)合耐候鋼BG450PRE作為鐵道車輛行業(yè)的更新?lián)Q代產(chǎn)品,具有廣闊的市場前景。

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