細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)鋼XG800CF和B780CF焊條電弧焊工藝

廖　琪，周友龍，張遠(yuǎn)望，王文輝，陳　恒

（1.西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031；2.葛洲壩集團(tuán)機(jī)電建設(shè)有限公司，湖北宜昌443002）

細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)鋼XG800CF和B780CF焊條電弧焊工藝

廖琪1，周友龍1，張遠(yuǎn)望2，王文輝2，陳恒1

（1.西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031；2.葛洲壩集團(tuán)機(jī)電建設(shè)有限公司，湖北宜昌443002）

XG800CF和B780CF是兩種新型國產(chǎn)800 MPa超細(xì)晶粒高強(qiáng)鋼，逐步替代進(jìn)口的水電機(jī)組蝸殼材料，并首次應(yīng)用于大型水電站的壓力鋼管焊接工程。為了研究其焊接性和焊接工藝，針對兩種焊接接頭的焊接性、力學(xué)性能、力學(xué)不均勻性和微觀組織進(jìn)行試驗(yàn)和分析。結(jié)果表明，在制定的焊接工藝條件下，XG800CF和B780CF鋼焊接接頭的拉伸強(qiáng)度、彎曲性能和硬度值均滿足標(biāo)準(zhǔn)GB50766-2012要求。XG800CF鋼焊接接頭的強(qiáng)度高于B780CF，同時從微觀組織上客觀分析了焊接接頭的力學(xué)不均勻性。兩種高強(qiáng)鋼在水電站大型壓力鋼管工程中值得推廣。

XG800CF；B780CF；細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)鋼；焊接工藝

0　前言

細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)鋼綜合機(jī)械性能好，在水電等行業(yè)有一定的應(yīng)用[1]。目前，水電站大型壓力鋼管常用Q390和WDB610等材料，而800 MPa級別的鋼種一般靠進(jìn)口，主要用于蝸殼結(jié)構(gòu)。800 MPa級別的高強(qiáng)鋼具有較高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，與普通鋼相比，可較大減少大型壓力鋼管管壁的厚度，同時具有良好的低溫沖擊韌性，為鋼管的可靠運(yùn)行提供了保證[2]，促進(jìn)了該鋼種在水電行業(yè)中的應(yīng)用。800 MPa鋼在其焊接過程中要解決的主要問題是冷裂紋、熱影響區(qū)的脆化和熱影響區(qū)軟化[3]。

國產(chǎn)XG800CF和B780CF800鋼首次用于金沙江烏東德水電站的渦殼、岔管和大型壓力鋼管焊接工程，其GMAW工藝直接影響現(xiàn)場焊接的質(zhì)量和生產(chǎn)成本，對于推廣國產(chǎn)800 MPa鋼在水電站大型壓力鋼管工程的應(yīng)用，具有較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會效益。

1　試驗(yàn)方法

1.1試驗(yàn)材料和焊接性分析

1#試樣母材為XG800CF鋼，2#試樣母材為B780CF，母材厚度60 mm，化學(xué)成分如表1所示。

表1　母材及焊絲的化學(xué)成分％

根據(jù)XG800CF和B780CF的化學(xué)成分，結(jié)合式（1）～式（4）可計(jì)算出兩種鋼的碳當(dāng)量（單位：％）、冷裂紋敏感系數(shù)（單位：％）和最低預(yù)熱溫度[4]。

XG800CF鋼結(jié)算結(jié)果：Ceq=0.49％，Pcm=0.225 9％，Pc=0.326，T0=66℃；B780CF鋼計(jì)算結(jié)果為：Ceq=0.48％，Pcm=0.218％，Pc=0.318，T0=66℃。兩種鋼材的焊接性都較差，焊前必須預(yù)熱。當(dāng)厚度增加時，拘束度和熱影響區(qū)的冷卻速度增大，使淬硬及冷裂傾向增大[5]。當(dāng)厚度為60 mm時，XG800CF預(yù)熱溫度確定為100℃～120℃，B780CF預(yù)熱溫度為90℃～110℃。由于S、P含量低，故兩種鋼材焊接時的熱烈紋傾向都較小。

1.2試驗(yàn)過程

兩個試件均采用焊條電弧焊（SWAM），焊接位置為立焊，焊條型號CHE80CF。試件坡口形式采用不對稱X型坡口，焊接接頭焊道如圖1所示，焊接參數(shù)如表2所示。焊接接頭經(jīng)過超聲波探傷合格后，根據(jù)GB50766-2012標(biāo)準(zhǔn)，對焊接接頭進(jìn)行力學(xué)性能、硬度試驗(yàn)和微觀組織觀察。

圖1　焊接接頭焊道簡圖

表2　焊接工藝參數(shù)

2　試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1焊接接頭力學(xué)性能

對焊接試件進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果見表3。

表3　力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，1#試樣比2#試樣抗拉強(qiáng)度高，斷裂位置均在母材。兩種鋼材在-40℃的沖擊功和強(qiáng)度性能都滿足GB50766-2012標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)范要求。1#試樣焊接接頭沖擊值與2#試樣的略有差異，兩組試驗(yàn)的熱影響區(qū)沖擊值都很高，故兩種試樣的抗裂性和止裂性都較好。

2.2焊接接頭不均勻性分析

細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理獲得了較高的強(qiáng)度，由于焊接過程中的熱循環(huán)作用，發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，消除了調(diào)質(zhì)處理的作用，易造成熱影響區(qū)局部區(qū)域的軟化。兩種焊接接頭的硬度分布曲線如圖2所示?？梢钥闯?，1#試件接頭的硬度普遍稍高于2#試件。兩種焊接接頭熱影響區(qū)的硬度小于母材，出現(xiàn)了局部軟化現(xiàn)象。

2.3焊接接頭顯微組織分析

超細(xì)晶粒高強(qiáng)鋼通過特殊的控軋工藝獲得了晶粒細(xì)小的貝氏體組織，而焊縫依賴微合金化作用細(xì)化晶粒，在得到高強(qiáng)度、良好韌性的焊接接頭。但由于晶粒的長大速度和晶粒長大驅(qū)動力都是和晶粒直徑成反比的，所以超細(xì)晶粒高強(qiáng)鋼在焊接過程中組織上具有一定的晶粒長大傾向，易造成接頭韌性變差[6]。

1#試件的焊接接頭各區(qū)域組織如圖3所示，2#試件的焊接接頭各區(qū)域組織如圖4所示。

圖2　1#、2#試件上部焊道的硬度分布

圖3　1#試件焊接接頭各區(qū)域組織

圖4　2#試件焊接接頭各區(qū)域組織

由圖3可知，1#試件焊縫區(qū)的組織為先析鐵素體、粒狀貝氏體和少量針狀鐵素體組織，粗晶區(qū)和母材為回火貝氏體。焊縫區(qū)粒狀貝氏體量較多，故硬度值較高。熱影響區(qū)由于受到焊接熱循環(huán)作用使得晶粒長大，并出現(xiàn)少量針狀鐵素體組織，造成局部硬度值下降，即HAZ區(qū)出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。

由圖3a和圖4a可知，1#試樣和2#試樣的焊縫組織都由先析鐵素體、粒狀貝氏體和針狀鐵素體組成。2#試樣針狀鐵素體含量比1#試件多，因此該焊縫硬度值稍低。

兩個試件HAZ區(qū)微觀金相組織主要由貝氏體組成。1#試樣母材中Ni含量稍高，Ni是鐵素體化元素，故1#試件的熱影響區(qū)局部出現(xiàn)了少量針狀鐵素體，使得低溫沖擊韌性比2#試件稍有提高。

3　結(jié)論

（1）兩種鋼材的碳當(dāng)量均大于0.4，表明兩種材料有一定的冷裂傾向，焊前需要預(yù)熱。

（2）兩種焊接接頭力學(xué)性能均滿足GB 50766 -2012的標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

（3）1#試件母材Ni含量比2#試件高，使得1#試件HAZ區(qū)低溫沖擊韌性稍高。

[1]辜家明.水電站Rm≥800 MPa高強(qiáng)鋼岔管焊接工藝[J].電焊機(jī)，2012，42（02）：11-15.

[2]楊莉，鄭軍，黃小婷.800MPa高強(qiáng)鋼的焊接性試驗(yàn)研究[J].鄭州紡織工學(xué)院學(xué)報(bào)，1999（06）：55-58.

[3]周振豐，張文鉞.焊接冶金及金屬焊接性[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.

[4]周振豐.焊接冶金學(xué)[M].成都:西南交通大學(xué)出版社，2012.

[5]P T HOULDCROFT.Welding Process Technol[M].London：Combridge University Press，1977.

[6]徐春華.800MPa超細(xì)晶粒鋼焊接接頭組織和性能控制[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.

Research on welding technology of fine grain structural steel XG800CF and B780CF by SMAW

LIAO Qi1，ZHOU Youlong1，ZHANG Yuanwang2，WANG Wenhui2，CHEN Heng1
（1.Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China；2.Gezhouba Group Mechanical and Electrical Construction Co.，Ltd.，Yichang 443002，China）

XG800CF and B780CF are two new types of domestic 800MPa ultra fine grained high strength steel which could replace the imported volute material.The material could be used firstly for pressure pipes in the hydropower unit.In this paper，the weldability is analyzed，the mechanical properties of the joints are carried out，the hardness distribution of the joints is tested.Meanwhile，the microstructure is observed.The results show that the properties of the joints of the XG800CF and B780CF steel could satisfied the demand of the GB 50766-2012 standard.The strength of joint of XG800CF steel is higher than that of the B780CF.At the same time，it objectively analyze mechanical heterogeneity of joints by microstructure observation.The research could promote the application of two kinds of high strength steel in the large pressure pipe engineering in hydropower station.

XG800CF；B780CF；fine grain structural steel；welding procedure

TG457.11

B

1001－2303（2015）11－0133-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.11.28

2015-05-11；

2015-06-15

國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201310613006)

廖琪（1992—），女，四川人，在讀碩士，主要從事焊接工藝和攪拌摩擦焊研究工作。