楊永強(qiáng) 歐陽(yáng)建國(guó) 鄭春雷

(1．巨力索具股份有限公司河北省吊索具工程技術(shù)研究中心，河北072550；2．燕山大學(xué)材料學(xué)院材料綜合試驗(yàn)教學(xué)示范中心，河北066004)

G10MnMoV6-3是一種歐標(biāo)材質(zhì)的低碳、低硫磷鑄鋼，常用在大型鑄鋼節(jié)點(diǎn)上。一些情況下，為降低鑄造難度，一些分支通常不鑄造出來(lái)，待鑄鋼節(jié)點(diǎn)鑄造完畢后，再將用鋼板制造的分支焊接到鑄鋼節(jié)點(diǎn)上，這樣就存在著大量鑄鋼節(jié)點(diǎn)與普通鋼板組合的焊接接頭。該鑄鋼節(jié)點(diǎn)調(diào)質(zhì)狀態(tài)交貨，在制造廠進(jìn)行分支的焊接工作，為降低鑄造過(guò)程中產(chǎn)生的鑄造應(yīng)力及焊接過(guò)程中的焊接應(yīng)力，焊后可以進(jìn)行消應(yīng)力退火，以避免焊后產(chǎn)生裂紋等缺陷。本文針對(duì)G10MnMoV6-3和S355J2的焊接接頭，分別進(jìn)行焊后消應(yīng)力熱處理和不進(jìn)行焊后消應(yīng)力熱處理，分別對(duì)其性能進(jìn)行研究。

1 母材的可焊性分析

本次試驗(yàn)用低碳鑄鋼牌號(hào)為G10MnMoV6-3，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的G10MnMoV6-3鋼及S355J2鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

由表1可見(jiàn)，G10MnMoV6-3為低碳調(diào)質(zhì)鋼，碳當(dāng)量(CE)比較低，在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接對(duì)最終的焊接接頭性能不會(huì)有大的影響，采用合理的焊接工藝即可保證不產(chǎn)生焊接熱影響區(qū)的脆化和軟化的現(xiàn)象，焊接性較好。S355J2為普通的碳素結(jié)構(gòu)鋼，焊接性良好。

表1 母材的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of base metal(mass fraction, %)

表2 母材和焊材的力學(xué)性能對(duì)比Table 2 Comparison of mechanical properties of base metal and welding material

2 焊接工藝

2.1 焊接材料的選擇

G10MnMoV6-3鋼、S355J2鋼和所選取焊材的力學(xué)性能見(jiàn)表2，由于G10MnMoV6-3和S355J2的強(qiáng)度不同，S355J2的強(qiáng)度略低，因此焊絲選擇和S355J2匹配的焊絲即可，焊材型號(hào)為ER50-6，直徑為1.2 mm。

2.2 保護(hù)氣體的選擇

CO2保護(hù)氣具有較強(qiáng)的氧化性，在焊接過(guò)程中會(huì)引起熔池中合金元素的燒損，產(chǎn)生氣孔和引起較強(qiáng)的飛濺。而富氬氣保護(hù)焊可以克服這些缺點(diǎn)，飛濺問(wèn)題可以得到有效控制，節(jié)省清渣費(fèi)用并減少清渣劑的使用，所以本研究選擇80%Ar+20%CO2的富氬混合氣作為焊接過(guò)程中的保護(hù)氣。

2.3 預(yù)熱溫度

碳當(dāng)量、試板厚度、焊絲的擴(kuò)散氫含量和焊接熱輸入量等是在選擇預(yù)熱溫度時(shí)需要考慮的重要因素。一般條件下，預(yù)熱溫度隨母材的碳當(dāng)量、焊絲的擴(kuò)散氫含量和試板厚度的增加而增加，隨著焊接熱輸入量的增加而減小，本次焊接接頭的預(yù)熱溫度通過(guò)圖表法來(lái)確定。

(a)試板厚度以30 mm作為界限，為產(chǎn)品的最大板厚。

(b)鑄鋼G10MnMoV6-3在項(xiàng)目技術(shù)要求上的CE≤0.49，S355J2允許的碳當(dāng)量范圍是CE≤0.47。焊接接頭的預(yù)熱溫度按照碳當(dāng)量數(shù)值高的G10MnMoV6-3的要求來(lái)執(zhí)行。

(c)實(shí)芯焊絲的擴(kuò)散氫等級(jí)通常選5 mL/100g。

(d)焊接線能量選0.5 kJ/mm。

經(jīng)查表，預(yù)熱溫度選擇150℃。

2.4 焊接工藝參數(shù)

對(duì)于此類(lèi)低碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接，為了滿(mǎn)足熱影響區(qū)沖擊韌性，焊接線能量要盡量在2 kJ/mm以?xún)?nèi)。焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

2.5 焊后消應(yīng)力退火

為對(duì)比焊后消應(yīng)力退火的效果，故焊接了兩塊試板，一塊試板進(jìn)行焊后消應(yīng)力退火，另外一件焊后蓋石棉緩慢冷卻。

消應(yīng)力退火的目的有以下幾點(diǎn)：一是起擴(kuò)散除氫的作用，二是使組織轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)冷裂敏感性低的組織，三是消除焊接應(yīng)力。由于G10MnMoV6-3的回火溫度為650℃，消應(yīng)力退火溫度不能高于此溫度，故選取600℃加熱5 h，加熱速率要小于150℃/h，400℃出爐，蓋石棉緩慢冷卻。焊后消應(yīng)力退火曲線見(jiàn)圖1。

3 焊后檢驗(yàn)

3.1 無(wú)損檢測(cè)

兩組試板焊接完成24 h后，分別進(jìn)行MT和UT檢測(cè)，MT驗(yàn)收等級(jí)符合ISO 23278:2015 2X級(jí)，UT等級(jí)符合ISO 11666:2018 II級(jí)。

3.2 力學(xué)性能檢測(cè)

(1)焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果

焊后未進(jìn)行消應(yīng)力處理的焊接接頭抗拉強(qiáng)度平均值為535 MPa，焊后進(jìn)行消應(yīng)力處理的焊接接頭抗拉強(qiáng)度平均值為525 MPa，強(qiáng)度略有降低，降低比例為1.8%。斷裂位置均斷裂在S355J2側(cè)母材上，兩組試板均判定合格。

(2)側(cè)彎試驗(yàn)結(jié)果

2組焊接試板各加工4個(gè)側(cè)彎試樣，經(jīng)過(guò)180°彎曲后，試樣的彎曲面均無(wú)開(kāi)裂。

(3)沖擊試驗(yàn)結(jié)果

2組試板分別進(jìn)行了焊縫及兩側(cè)熱影響區(qū)的V形缺口沖擊試驗(yàn)，沖擊溫度為-20℃，試驗(yàn)結(jié)果均合格，見(jiàn)表4。從表中可見(jiàn)焊后消應(yīng)力處理后，S355J2側(cè)熱影響區(qū)沖擊數(shù)值無(wú)明顯變化，焊縫處沖擊韌性略有下降，下降比例4.89%，G10MnMoV6-3側(cè)沖擊韌性有提升，上升比例3.01%。

表3 焊接工藝參數(shù)Table 3 Welding parameters

圖1 焊后熱處理曲線Figure 1 Post-weld heat treatment curve

表4 焊接接頭沖擊試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Impact test results of welded joints

表5 焊接接頭硬度HV10試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Hardness test results of welded joint HV10

(4)硬度檢測(cè)結(jié)果

兩組試板的焊接接頭的硬度結(jié)果見(jiàn)表5。可見(jiàn)焊后消應(yīng)力處理后，除了S355J2側(cè)熱影響區(qū)硬

度稍微上升(上升比例小于1%)之外，其余區(qū)域硬度都略微下降，下降比例均小于3.5%。

4 結(jié)論

G10MnMoV6-3和S355J2的焊接接頭進(jìn)行焊后熱處理后，與不進(jìn)行焊后熱處理進(jìn)行對(duì)比，各項(xiàng)力學(xué)性能數(shù)值變化均在3.5%以?xún)?nèi)。從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，這種低碳調(diào)質(zhì)鑄鋼焊后可不進(jìn)行消應(yīng)力處理。