10mm厚Q1100E板材焊接性分析及試驗研究

易忠奇，程浩軒，邱福祥

1.湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南長沙 410151

2.湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司 湖南湘潭 411101

1 序言

低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼通常是指抗拉強(qiáng)度在500～1200MPa（屈服強(qiáng)度＞350MPa），并考慮焊接性而生產(chǎn)制造的鋼材，抗拉強(qiáng)度在1200MPa以上的稱為超高強(qiáng)鋼[1]。

隨著工程機(jī)械構(gòu)件大型化、大跨度化和輕量化制造的需求不斷增強(qiáng)，使用的高強(qiáng)鋼板強(qiáng)度級別也在不斷提高，為此對材料的規(guī)格和使用性能提出了更加苛刻的要求[2]。鋼材的焊接性在使用不同焊接方法焊接時會顯現(xiàn)出一定的差異，在工程機(jī)械產(chǎn)品構(gòu)件焊接中，因焊條電弧焊、氬弧焊的生產(chǎn)效率較低，埋弧焊的焊接位置受限而應(yīng)用較少。因此，工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品焊接大都采用效率高、質(zhì)量好、操作方便的CO2氣體保護(hù)焊。

當(dāng)前，屈服強(qiáng)度1100MPa級的高強(qiáng)鋼已有寶鋼、湘鋼等部分鋼廠可以生產(chǎn)，在部分企業(yè)已有試用。由于1100MPa級的高強(qiáng)鋼屬于特殊優(yōu)質(zhì)合金鋼，在冶煉中添加了多種合金元素成分，因此碳當(dāng)量（Ceq）較高、冷裂傾向比較大、焊接工藝性較差，其焊接工藝與低級別（Q960以下）的高強(qiáng)鋼有較大不同。為研究Q1100E焊接性能，結(jié)合材料的成分與組織，對厚度10mm的Q1100E進(jìn)行了斜Y形坡口和搭接接頭（CTS）的焊接裂紋試驗。

2 Q1100E板材成分與性能

（1）化學(xué)成分及力學(xué)性能 Q1100E板材化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1、表2，交貨狀態(tài)：淬火+回火。

表1 板材化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 板材力學(xué)性能

（2）焊接性分析 碳當(dāng)量法是一個簡單實用的確定金屬焊接性的方法，目前應(yīng)用的碳當(dāng)量計算公式較多。其中，國際焊接學(xué)會（I I W）推薦的CE、日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JIS）規(guī)定和美國焊接學(xué)會（AWS）推薦的Ceq應(yīng)用較廣泛。CE主要適用于中高強(qiáng)度的非調(diào)質(zhì)低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼（抗拉強(qiáng)度為500～900MPa），Ceq（JIS）主要適用于調(diào)質(zhì)低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼（抗拉強(qiáng)度為500～1000MPa），Ceq（AWS）適用于碳素鋼和低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。根據(jù)Ceq（AWS）=C+Mn/6+Si/24+Ni/15+Cr/5+Mo/4+Cu/13+P/2計算公式，可計算出試驗用Q1100E板材碳當(dāng)量為0.56%，其厚度為10mm，由此可知其焊接性較好。

（3）焊絲化學(xué)成分與力學(xué)性能 試驗用焊絲化學(xué)成分與力學(xué)性能見表3、表4。

表3 焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表4 焊絲力學(xué)性能

3 Q1100E板材焊接性試驗

（1）斜Y形坡口焊接裂紋試驗 按CB/T 4364—2013《斜Y形坡口焊接裂紋試驗方法》進(jìn)行，主要用于評價厚板多層焊根部焊道的冷裂紋敏感性。試板厚度為10mm。如圖1所示，對試板進(jìn)行組對，其焊接參數(shù)：焊接電流230～240A，電弧電壓22～24V，焊接速度180mm/min。試板焊后經(jīng)48h自然冷卻，對試驗焊縫表面進(jìn)行滲透檢測。然后將試驗焊縫切成4片5個斷面進(jìn)行裂紋檢查，試驗結(jié)果見表5，部分試樣金相照片如圖2、圖3所示。

圖1 試件組對要求

圖2 N100-1鐵研試樣金相照片

圖3 F100-1鐵研試樣金相照片

表5 斜Y形坡口焊接裂紋試驗結(jié)果

（2）搭接接頭（CTS）焊接裂紋試驗 按GB/T 32260.2—2015《金屬材料焊縫的破壞性試驗 焊件的冷裂紋試驗 弧焊方法 第2部分：自拘束試驗方法》進(jìn)行，主要用于評價搭接接頭焊接裂紋試驗。上下試板厚度為10mm，試板組對要求如圖4所示。其焊接參數(shù)：焊接電流230～240A，電弧電壓22～24V，焊接速度180mm/min。試板焊后經(jīng)48h自然冷卻，對試驗焊縫表面進(jìn)行滲透檢測。然后將試驗焊縫切成6片6個斷面進(jìn)行裂紋檢查，試驗結(jié)果見表6，部分CTS試樣金相照片如圖5、圖6所示。

圖4 試板組對要求

圖5 N15-1 CTS試樣金相照片

圖6 F15-1 CTS試樣金相照片

表6 CTS試驗結(jié)果

4 結(jié)束語

鋼的淬硬性是形成焊接冷裂紋的主要原因之一，受到焊接熱循環(huán)的影響，焊接熱影響區(qū)有著較高的淬硬傾向，是焊接冷裂紋敏感性較高的區(qū)域[3]。

按CB/T 4364—2013《斜Y形坡口焊接裂紋試驗方法》和GB/T 32260.2—2015《金屬材料焊縫的破壞性試驗 焊件的冷裂紋試驗 弧焊方法 第2部分：自拘束試驗進(jìn)行焊接試驗》進(jìn)行試驗。由試驗結(jié)果可知，室溫（15℃）、預(yù)熱75℃和預(yù)熱100℃時存在一定程度裂紋，當(dāng)預(yù)熱溫度在125℃及以上時，裂紋消失，可滿足使用要求。