工程機(jī)械用鋼Q960E高強(qiáng)鋼焊接工藝研究

樊新波，王桂紅，王志輝，易傳佩

(1.湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410208；2.湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410151)

0 引言

隨著“中國制造2025”和“一帶一路”戰(zhàn)略的實(shí)施，將進(jìn)一步促進(jìn)我國裝備制造業(yè)的升級轉(zhuǎn)型和技術(shù)革新。低合金高強(qiáng)鋼以其低成本、高強(qiáng)度、高韌性、易焊接易加工、可有效減輕設(shè)備自重等優(yōu)點(diǎn)在工程機(jī)械、高層建筑、油氣運(yùn)輸、海洋設(shè)施和壓力容器制造等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，其焊接性主要考察兩方面，即裂紋敏感性和焊接熱影響區(qū)的力學(xué)性能。因此，為了研究低合金高強(qiáng)鋼Q960E焊接性能，得到滿足工程應(yīng)用需求的焊接工藝，進(jìn)行了斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)和焊接工藝試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果可為Q960E鋼板在工程機(jī)械中的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料

選用Q960E板材作為焊接母材，交貨狀態(tài)為淬火+回火，試板尺寸為500 mm(軋向)×225 mm×30 mm。試板的化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1和表2所示。

表1 試板的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

表2 試板的力學(xué)性能

2 斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)

采用GB4675.1-84《斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)方法》，對厚度為30 mm的Q960E鋼板冷裂紋敏感性進(jìn)行評價。試板按焊前預(yù)熱溫度分為4組:室溫18 ℃和預(yù)熱溫度100 ℃、120 ℃、150 ℃，每組準(zhǔn)備2對試板。試件形狀和尺寸如圖1所示。

焊接試驗(yàn)選用Ф4.0 mm的CHE107Cr焊條，烘干溫度為400 ℃，保溫1 h；環(huán)境溫度為15 ℃～20 ℃，環(huán)境濕度為45%～60%；電源極性采用直流反接，焊接電流為170 A～180 A，焊接電壓為22 V～24 V，焊接速度為150 mm/min。

圖1 試件形狀和尺寸

焊完經(jīng)過48 h的自然冷卻后對試驗(yàn)焊縫表面進(jìn)行滲透著色檢測，沒有發(fā)現(xiàn)表面裂紋，然后將每組試驗(yàn)焊縫切成4片5個斷面進(jìn)行裂紋檢查，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)結(jié)果

Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)結(jié)果表明：在120 ℃和150 ℃的預(yù)熱條件下試板焊縫表面均無裂紋。綜上所述，Q960E鋼焊接時需預(yù)熱120 ℃，考慮到Q960E強(qiáng)度較高，對于復(fù)雜構(gòu)件需要預(yù)熱到150 ℃。

3 焊接試驗(yàn)

3.1 焊接材料及設(shè)備

選用美國林肯455M/STT焊機(jī)，分別采用德國蒂森、德國斯坦因以及國產(chǎn)中冶寶鋼直徑為Φ1.2 mm的焊絲，進(jìn)行熔化極混合氣體保護(hù)焊焊接對比試驗(yàn)，保護(hù)氣體為80%Ar+20%CO2富氬保護(hù)氣體。焊接材料如表4所示。

表4 焊接材料

3.2 焊接工藝參數(shù)

采用X形坡口，坡口角度為單邊30°，依次進(jìn)行打底層、中間層和蓋面焊接，焊接順序如圖2所示，焊接工藝參數(shù)見表5。

圖2 焊接順序

表5 焊接工藝參數(shù)

3.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

3.3.1 焊接鋼板拉伸試驗(yàn)

分別對不同焊接工藝的焊接接頭按橫向切取加工成帶肩全厚度拉伸試樣(如圖3所示)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表6，均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 拉伸試樣實(shí)物照片

3.3.2 彎曲試驗(yàn)

采用橫向取樣加工制備厚度為10 mm全厚度側(cè)彎試樣4件，試驗(yàn)壓頭直徑d為60 mm、彎曲角度為180°。試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，試驗(yàn)完成后在試件彎曲部分外側(cè)沒有發(fā)現(xiàn)裂紋或起層等缺陷(如圖4所示)，所有試樣側(cè)彎試驗(yàn)結(jié)果為合格。

表6 試樣焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖4 試樣側(cè)彎實(shí)物照片

3.3.3 沖擊試驗(yàn)

對焊接接頭進(jìn)行夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)，沖擊試驗(yàn)溫度為-40 ℃，焊縫金屬的缺口軸線在焊縫中心線上，熱影響區(qū)的缺口軸線分別位于熔合線和熔合線外2 mm，并且垂直于板厚方向。焊縫金屬及焊接熱影響區(qū)的沖擊試樣取樣部位均為板厚表面1 mm～2 mm處。沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表7，所有試樣均滿足要求。

表7 接頭不同位置試件沖擊結(jié)果

3.4 金相組織

圖5為Q960E-01號試樣截面的金相組織。通過觀察可知：焊縫區(qū)組織為針狀鐵素體+細(xì)小的馬氏體，焊縫區(qū)溫度高，冷卻速度快，形成針狀鐵素體使焊縫金屬具有較好的韌性；粗晶區(qū)主要為板條馬氏體，由于該區(qū)域高溫停留的時間較長，原奧氏體晶粒內(nèi)部形成具有一定交角的馬氏體板條，由于碳原子固溶強(qiáng)化以及位錯密度大，使其硬度值相應(yīng)偏高；細(xì)晶區(qū)組織為細(xì)小的索氏體+貝氏體，組織均勻，塑性韌性較好，細(xì)晶區(qū)經(jīng)過高溫回火得到了索氏體，少量馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榱钬愂象w，因此其組織為回火索氏體和粒狀貝氏體混合組織，晶粒大小不均勻，該區(qū)的強(qiáng)度和硬度有所下降，形成軟化區(qū)。

圖5 Q960E-01號試樣金相組織

4 結(jié)論

通過斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)，得知Q960E鋼焊接時需預(yù)熱120 ℃，復(fù)雜構(gòu)件需預(yù)熱150 ℃。在熱輸入為8 kJ/cm～10 kJ/cm條件下，選擇三種焊絲材料對Q960E鋼板進(jìn)行富氬CO2焊焊接對比試驗(yàn)，評定在不同焊接熱輸入下鋼板的焊接性，焊接試板完成后外觀檢驗(yàn)合格，經(jīng)超聲波檢驗(yàn)均達(dá)到I級標(biāo)準(zhǔn)，焊后進(jìn)行力學(xué)檢測以及金相分析，結(jié)果表明，在8 kJ/cm～10 kJ/cm焊接熱輸入下，能獲得良好力學(xué)性能的焊接接頭，Q960E的焊接性能良好，能夠滿足工程需要。