含硼低成本低碳貝氏體鋼焊接性能研究

孫　斌

(安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司)

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含硼低成本低碳貝氏體鋼焊接性能研究

孫斌

(安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司)

通過(guò)對(duì)安陽(yáng)鋼鐵公司生產(chǎn)的含硼低成本低碳貝氏體鋼AH70DB進(jìn)行焊接性能研究，分別進(jìn)行了焊接CCT曲線(xiàn)測(cè)定，焊接冷裂紋敏感性研究，以及對(duì)焊接熱影響區(qū)組織性能、焊熱熱輸入量、焊后熱處理及焊接接頭綜合力學(xué)性能評(píng)定等內(nèi)容進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究表明，AH70DB鋼淬硬傾向較小，對(duì)氫致開(kāi)裂敏感性較低。在中等拘束條件下焊接，室溫10 ℃以上不需預(yù)熱；在苛刻拘束條件下，可實(shí)現(xiàn)低預(yù)熱溫度，預(yù)熱溫度50 ℃以上。采用推薦的焊接工藝焊接25 mm厚AH70DB鋼板對(duì)接接頭，焊接接頭綜合性能良好，能夠滿(mǎn)足工礦產(chǎn)品的使用要求。

低碳貝氏體鋼冷裂紋敏感性焊接工藝焊接性能

0　前言

安陽(yáng)鋼鐵公司已有生產(chǎn)抗拉600 MPa級(jí)、700 MPa級(jí)和800 MPa級(jí)高強(qiáng)板10年以上的經(jīng)驗(yàn)，其生產(chǎn)的700 MPa級(jí)高強(qiáng)板AH70DB鋼板采用微量的硼作為淬透性元素，組織為低碳貝氏體組織，采用TMCP工藝生產(chǎn)，具有優(yōu)良的拉伸性能和低溫沖擊韌性，較低的生產(chǎn)成本，產(chǎn)2品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)，批量應(yīng)用于煤礦液壓支架的制造。為更好的指導(dǎo)用戶(hù)使用AH70DB高強(qiáng)度鋼板，對(duì)其焊接性能進(jìn)行了全面的研究。

1　試驗(yàn)材料及方法

1.1試驗(yàn)材料

低碳貝氏體鋼是按抗拉強(qiáng)度700 MPa級(jí)以上強(qiáng)度級(jí)別設(shè)計(jì)的，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。在C-Mn-Si基礎(chǔ)上添加Nb、Ti、B等合金元素。

其母材原始拉伸及沖擊試驗(yàn)性能見(jiàn)表2。

表1　低碳貝氏體鋼化學(xué)成分

表2　25 mmAH70DB鋼板拉伸及彎曲性能

1.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用Formaster-D全自動(dòng)快速膨脹儀，按GB5056《鋼的臨界點(diǎn)測(cè)定方法對(duì)其AC1、AC3進(jìn)行測(cè)定。焊接CCT圖測(cè)定參照GB5057《鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)圖的測(cè)定方法》進(jìn)行測(cè)定；依據(jù)GB9446《焊接用插銷(xiāo)冷裂紋試驗(yàn)方法》進(jìn)行插銷(xiāo)冷裂紋敏感性試驗(yàn)；依據(jù)GB4675.1《焊接性試驗(yàn) 斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)方法》進(jìn)行拘束程度較苛刻的焊接冷裂紋試驗(yàn)；采用Gleeble-1500熱模擬試驗(yàn)機(jī)，選擇1320 ℃、930 ℃、790 ℃三種峰值溫度研究不同冷卻條件下AH70DB鋼焊接熱影響區(qū)韌性變化規(guī)律。最后進(jìn)行了焊后熱處理工藝研究與焊接接頭的綜合力學(xué)性能評(píng)定。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1低碳貝氏體鋼焊接CCT曲線(xiàn)測(cè)定

含硼低碳貝氏體鋼AH70DB的臨界點(diǎn)見(jiàn)表3。

表3　AH70DB鋼臨界點(diǎn)測(cè)定結(jié)果

注：1. AC1—鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變的開(kāi)始溫度;2.AC3—鐵素體向 奧氏體轉(zhuǎn)變的終了溫度。

AH70DB焊接CCT如圖1所示。參數(shù)和性能分別見(jiàn)表4。

圖1　AH70DB焊接CCT

由表4可知，AH70DB鋼馬氏體轉(zhuǎn)變終了的臨界冷卻時(shí)間為23.2 s，出現(xiàn)鐵素體的臨界冷卻時(shí)間為730 s，出現(xiàn)珠光體的臨界冷卻時(shí)間為810 s。當(dāng)t8/5在1.7 s～9.3 s區(qū)間時(shí)，AH70DB鋼HAZ過(guò)熱區(qū)組織為馬氏體和貝氏體的混合組織，隨t8/5增加，過(guò)熱區(qū)組織中馬氏體數(shù)量逐漸減少，貝氏體組織數(shù)量逐漸增加，硬度逐漸下降；當(dāng)t8/5=1.7 s時(shí)，過(guò)熱區(qū)組織為40%M+60%B，此時(shí)HAZ組織硬度最高，HV5為308；當(dāng)t8/5=9.3 s時(shí)，過(guò)熱區(qū)組織為10%M+90%B，硬度HV5 下降為273。當(dāng)t8/5在23.2 s～730 s區(qū)間時(shí)，HAZ過(guò)熱區(qū)組織為100%貝氏體,硬度HV5在210以上。當(dāng)t8/5在730 s～810 s時(shí)，過(guò)熱區(qū)組織為貝氏體和鐵素體混合組織；當(dāng)t8/5≥810 s時(shí)，HAZ過(guò)熱區(qū)組織為貝氏體+鐵素體+珠光體混合組織，隨t8/5增加，硬度略有降低，但變化不大。

表4　AH70DB鋼焊接CCT圖測(cè)試數(shù)據(jù)表

注：1. tmf —馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束臨界冷卻時(shí)間；2. tfs—鐵素體開(kāi)始轉(zhuǎn)變臨界冷卻時(shí)間；3. tps —珠光體開(kāi)始轉(zhuǎn)變臨界冷卻時(shí)間。

2.2插銷(xiāo)冷裂敏感性試驗(yàn)

插銷(xiāo)試件從母材板厚1/4處取，試件長(zhǎng)度方向垂直于鋼板的軋向，試件直徑為Φ6 mm，采用螺旋缺口，插銷(xiāo)試件尺寸如圖2所示。

圖2　插銷(xiāo)試件尺寸

插銷(xiāo)底板采用25 mm厚AH70DB鋼板，焊絲采用哈爾濱焊接研究所生產(chǎn)的實(shí)心焊絲HS-70進(jìn)行試驗(yàn)，焊接規(guī)范見(jiàn)表5，AH70DB鋼插銷(xiāo)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表5　實(shí)心焊絲氣保焊焊接規(guī)范

表6　AH70DB鋼插銷(xiāo)試驗(yàn)結(jié)果

由表6可知，在不預(yù)熱焊接條件下，采用HS-70焊絲氣體保護(hù)焊，插銷(xiāo)加載到AH70DB鋼的實(shí)際屈服強(qiáng)度639 MPa，保持載荷24 h內(nèi)未發(fā)生斷裂，AH70DB鋼插銷(xiāo)臨界斷裂應(yīng)力超過(guò)鋼材的屈服強(qiáng)度。插銷(xiāo)試驗(yàn)結(jié)果表明，在中等拘束條件下，AH70DB鋼采用實(shí)心焊絲富氬混合氣體保護(hù)焊，在不預(yù)熱條件下(室溫10 ℃以上)焊接可以防止焊接冷裂紋產(chǎn)生。

2.3斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)

采用HS-70實(shí)心焊絲以及80%Ar+20%CO2富氬混合氣體保護(hù)焊對(duì)AH70DB鋼進(jìn)行了斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)，焊接規(guī)范見(jiàn)表5。試件焊后放置48 h，然后對(duì)其進(jìn)行表面、斷面裂紋檢查，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7　斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)結(jié)果

由表7可知，試驗(yàn)用25 mm厚AH70DB鋼板在預(yù)熱50 ℃條件下焊接，小鐵研試件的表面裂紋率、斷面裂紋率均為零；在室溫不預(yù)熱條件下焊接，試件表面裂紋率為零，斷面裂紋率分別為3%和12%。試驗(yàn)結(jié)果表明：在較苛刻條件下焊接，25 mm厚AH70DB鋼可以采用低溫度預(yù)熱，預(yù)熱50 ℃以上可防止焊接冷裂紋產(chǎn)生。

2.4AH70DB鋼焊接熱影響區(qū)韌性的研究

熱模擬試樣取自25 mm厚的AH70DB鋼板的1/4厚度處,試樣尺寸如圖3所示。本試驗(yàn)選擇1320 ℃、930 ℃、790 ℃三種峰值溫度分別代表焊接熱影響區(qū)過(guò)熱區(qū)、正火區(qū)及不完全相變區(qū)，試件經(jīng)熱模擬后，加工成V型缺口沖擊試樣，然后進(jìn)行-20 ℃沖擊試驗(yàn)。

圖3熱模擬試件

不同峰值溫度、不同冷卻條件下，AH70DB鋼模擬熱影響區(qū)沖擊功見(jiàn)表8。

表8　不同焊接熱循環(huán)條件下AH70DB鋼熱影響區(qū)沖擊功KV2

由表8可知，對(duì)應(yīng)峰值溫度為930 ℃的正火區(qū)，在不同的t8/5冷卻條件下，AH70DB鋼該區(qū)域低溫沖擊韌性整體保持在較高水平，KV2-20 ℃平均在220 J以上，不同的焊接冷卻速度對(duì)正火區(qū)沖擊韌性影響不大。對(duì)應(yīng)峰值溫度790 ℃的不完全相變區(qū)，除t8/5=15 s時(shí)KV2-20 ℃為100 J以外，在其它不同t8/5冷卻條件下，AH70DB鋼不完全相變區(qū)低溫沖擊韌性整體水平較高，KV2-20 ℃平均在150 J以上，不同的焊接冷卻速度對(duì)不完全相變區(qū)沖擊韌性影響不大。對(duì)應(yīng)峰值溫度為1320 ℃的過(guò)熱區(qū)，在t8/5=5 s、10 s冷卻條件下，AH70DB鋼過(guò)熱區(qū)低溫沖擊韌性水平較好，KV2-20 ℃分別為140 J和67 J，以后隨t8/5增加，過(guò)熱區(qū)低溫沖擊韌性下降，KV2-20 ℃最高僅為41 J，水平較低。對(duì)比AH70DB鋼焊接CCT圖可知，當(dāng)t8/5≤10 s時(shí)，焊接過(guò)熱區(qū)為板條馬氏體+貝氏體混合組織，晶粒較細(xì)??；當(dāng)t8/5大于23.2 s后，焊接過(guò)熱區(qū)以粒狀貝氏體組織為主，晶粒較粗大。因此，為提高熱影響區(qū)過(guò)熱區(qū)韌性，焊接時(shí)應(yīng)控制焊接冷卻速度，控制t8/5在15 s以?xún)?nèi)，使焊接過(guò)熱區(qū)獲得板條馬氏體+貝氏體混合組織。試驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)際焊接AH70DB鋼時(shí)選擇適當(dāng)?shù)暮附訜彷斎肓坎⒖刂茖娱g溫度，使焊接冷卻速度t8/5在小于15 s范圍內(nèi)，可以使焊接熱影響區(qū)獲得較好的低溫韌性。

2.5不同焊接熱輸入量對(duì)焊接接頭的影響

對(duì)在不同焊接熱輸入量條件下25 mm厚AH70DB鋼焊接接頭的力學(xué)性能和微觀組織進(jìn)行試驗(yàn)和分析。預(yù)熱溫度50 ℃，不同熱輸入量條件下AH70DB鋼焊接接頭焊縫金屬拉伸及低溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9。

表9　熱輸入量對(duì)AH70DB鋼焊接接頭力學(xué)性能影響

由表9可知，焊接熱輸入量在0.96 KJ/mm～2.11 KJ/mm范圍內(nèi)變化，對(duì)AH70DB鋼焊接接頭低溫沖擊韌性影響不大，其中熱影響區(qū)低溫韌性保持較高水平，沖擊吸收功KV2-20 ℃在200 J以上。

2.6AH70DB鋼焊后熱處理工藝研究

本試驗(yàn)采用表5焊接規(guī)范焊接AH70DB鋼對(duì)接接頭，焊后對(duì)接接頭分別進(jìn)行250 ℃保溫2 h爐冷消氫處理及480 ℃保溫2 h爐冷、580 ℃保溫2 h爐冷至310 ℃空冷焊后熱處理。經(jīng)焊后熱消氫處理及不同工藝焊后熱處理后，AH70DB鋼焊接接頭焊縫金屬拉伸及接頭各部位低溫沖擊試驗(yàn)的結(jié)果見(jiàn)表10。

表10　焊后處理變化對(duì)AH70DB鋼焊接接頭力學(xué)性能的影響

焊后熱處理工藝研究試驗(yàn)結(jié)果表明，焊后經(jīng)250 ℃×2 h 消氫處理的AH70DB鋼焊接接頭力學(xué)性能最好；采用480 ℃×2 h爐冷、580 ℃×2 h爐冷至310 ℃空冷兩種焊后熱處理工藝，接頭各部位低溫沖擊韌性及焊縫金屬拉伸性能未見(jiàn)明顯破壞，三種熱處理工藝條件下的AH70DB鋼焊接接頭綜合性能的良好。AH70DB鋼對(duì)焊后熱處理工藝有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

2.7AH70DB鋼焊接接頭綜合力學(xué)性能評(píng)定

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合工程及礦山機(jī)械焊接規(guī)范，推薦采用表11所示焊接工藝焊接AH70DB鋼板。

采用實(shí)心焊絲HS-70按表11推薦的焊接工藝和圖4所示的坡口型式及尺寸焊接AH70DB鋼板對(duì)接接頭，試板尺寸為25 mm ×150 mm ×450 mm，焊后進(jìn)行250 ℃×2 h消氫處理，焊接接頭綜合力學(xué)性能見(jiàn)表12、表13，AH70DB鋼綜合力學(xué)性能對(duì)接接頭硬度分布如圖5所示。

可見(jiàn)，焊接AH70DB鋼對(duì)接接頭，焊后經(jīng)250 ℃×2 h消氫處理，焊接接頭熔合情況良好，無(wú)宏觀缺陷；焊接接頭拉伸均斷于母材，抗拉強(qiáng)度均值分別為728 MPa、710 MPa；焊接接頭彎曲性能良好(側(cè)彎d=3a，α=180 °)。

焊接熱影響區(qū)低溫沖擊功良好。其焊接接頭最高硬度HV10為274，在焊接熱影響區(qū)過(guò)熱區(qū)；最低硬度HV10為230，在焊接熱影響區(qū)不完全正火區(qū)。

表11　推薦的AH70DB鋼板焊接工藝

表13　AH70DB鋼對(duì)接接頭綜合力學(xué)性能低溫沖擊韌性

圖4　試板坡口型式及尺寸

圖5AH70DB鋼綜合力學(xué)性能對(duì)接接頭硬度分布(距接頭表面2 mm板厚處)

3　結(jié)論

(1)焊接CCT圖測(cè)定結(jié)果試驗(yàn)表明，AH70DB鋼淬硬傾向較小。

(2)焊接冷裂紋敏感性試驗(yàn)研究表明： AH70DB鋼焊接熱影響區(qū)淬硬傾向較小，對(duì)氫致開(kāi)裂敏感性較低。在中等拘束條件下焊接，室溫10 ℃以上不需預(yù)熱；在苛刻拘束條件下，預(yù)熱溫度不低于50 ℃。

(3)焊接工藝試驗(yàn)結(jié)果表明：焊接熱輸入量變化對(duì)AH70DB鋼焊接接頭各部位沖擊韌性影響不大，對(duì)焊縫金屬拉伸性能有一定影響，隨焊接熱輸入量增大，接頭焊縫金屬拉伸性能有所下降。在實(shí)際焊接時(shí)應(yīng)避免使用過(guò)大焊接熱輸入量，以獲得綜合性能良好的焊接接頭。焊接道間溫度在100 ℃～200 ℃之間變化對(duì)AH70DB鋼焊接接頭力學(xué)性能影響不大，各指標(biāo)均能達(dá)到較高水平。

(4)焊后高溫回火熱處理工藝對(duì)AH70DB鋼焊接接頭各性能指標(biāo)有一定的影響，但未造成焊接接頭性能明顯破壞，AH70DB鋼對(duì)焊后熱處理工藝有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

(5)采用推薦的焊接工藝焊接25 mm厚AH70DB鋼板對(duì)接接頭，焊接接頭綜合性能良好，能夠滿(mǎn)足工礦產(chǎn)品的使用要求。

STUDY ON WELD PROPERTY OF THE LOW COST AND LOW CARBON BAINITIC STEEL WITH BORON

Sun Bin

(Anyang Iron and Steel Stock Co., Ltd)

In the paper, study on welding performance of low cost low carbon bainitic steel AH70DB with boron is carried out, including welding CCT curves determination, weld cold cracking susceptibility, the HAZ microstructure and properties, soldering heat input, weld heat treatment and mechanical properties of welded joint assessment. The results show that the hardened tendency of the AH70DB steel is smaller, and the cracking sensitivity which induced by hydrogen is lower. Under conditions of moderate restraint welding, the steel isn't preheated when the room temperature is above 10 ℃.In the condition of the harsh restraint intensity, low temperature preheating is achieved, preheat temperature must be above 50 ℃. With the welding processes recommended, welded joints of 25 mm thick steel AH70DB shows good overall performance, that can meet the requirements of industrial products.

Low carbon bainitic steelcold cracking susceptibilityweld processweld property

聯(lián)系人：孫斌，高級(jí)工程師，河南.安陽(yáng)(455004)，安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心；2016—4—2