RE-P復(fù)合耐候鋼焊接工藝

供稿|張楠，文小明 / ZHANG Nan, WEN Xiao-ming

作者單位：1. 本鋼集團有限公司熱連軋廠，遼寧 本溪 117000；2. 本鋼集團有限公司技術(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)合方式屈服強度450 MPa級高強經(jīng)濟型耐候鋼BG450PRE。RE-P復(fù)合鋼板對焊接工藝及焊接性能要求嚴格，通過對BG450PR的焊接材料選用和焊接性能分析，對經(jīng)濟型耐候鋼的焊接工藝進行全面研究，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)實意義與經(jīng)濟價值?，F(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，或為這兩類鋼的變種。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，為滿足市場需求，研發(fā)屈服強度450 MPa級高強經(jīng)濟型耐候鋼BG450RPE。而在實際裝車使用過程中RE-P復(fù)合的方式對焊接工藝及焊接性能要求嚴格，因此進行焊接材料選用及焊接工藝研究工作十分重要。

試驗鋼

試驗鋼化學(xué)成分設(shè)計

試驗鋼成分見表1。試驗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元素用于細化晶粒及提高強度。

試驗鋼的力學(xué)性能

通過適當(dāng)?shù)目剀埧乩涫侄危囼炰撨_到了Q450級低合金鋼力學(xué)性能標準，符合材料設(shè)計要求。具體力學(xué)性能見表2。

焊接工藝

實驗方法及焊縫組織

焊接實驗采用φ1.2 mm的 GHS50CuC焊絲，試驗板坡口為單面V型45°。采用CO2氣體保護焊接，焊接過程不預(yù)熱。使用工藝性試驗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 試驗鋼成分設(shè)計(質(zhì)量分數(shù)，%)

表2 BG450PRE試驗鋼力學(xué)性能

圖1 試驗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)的強度會發(fā)生弱化。試驗鋼的屈服強度高于焊絲熔敷金屬的屈服強度，抗拉強度與熔敷金屬相當(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驗結(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，抗拉強度為580～590 MPa，焊縫的強度與母材相當(dāng)。焊接接頭冷彎實驗均為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非標試樣，缺口分別位于母材、焊縫中心、熔合線、熱影響區(qū)處，實驗結(jié)果見圖4。焊接接頭各部位的沖擊功都隨著實驗溫度的降低而下降，單面焊的沖擊功明顯低于雙面焊，與試驗鋼相比大幅度降低。雙面焊焊縫的沖擊功在–20℃以上與試驗鋼的熔合線相當(dāng)，–40℃時顯著下降，熔合線的沖擊功與試驗鋼相當(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。因此試驗鋼焊接接頭的脆化傾向比較嚴重，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、高強韌性的經(jīng)濟型耐候鋼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，其強度與母材的強度相當(dāng)，為等強匹配，冷彎實驗達到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)脆化傾向比較嚴重，應(yīng)采用小熱輸入多道焊工藝焊接。

經(jīng)濟型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。