孫 斌 徐黨委 陳尹澤

（安陽(yáng)鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司）

0 前言

隨著冶金和制造技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)谠O(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)和工程機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)，希望用高強(qiáng)高韌材料代替低強(qiáng)度材料，達(dá)到安全、降低自重等要求。同時(shí),隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)阡摻Y(jié)構(gòu)制造中越來(lái)越追求無(wú)預(yù)熱或低預(yù)熱焊接，以適應(yīng)惡劣條件下的焊接要求。因此，低碳貝氏體高強(qiáng)度鋼的設(shè)計(jì)思想應(yīng)運(yùn)而生。其思想是通過(guò)降低鋼中的碳含量，充分利用微合金和淬透性元素，獲得細(xì)小的低碳貝氏體組織，達(dá)到使鋼具有高強(qiáng)、高韌、良好焊接性能的目的。國(guó)內(nèi)煤礦液壓支架用鋼鐵材料的更新?lián)Q代，為高強(qiáng)度鋼的發(fā)展提供了廣闊的市場(chǎng)，推動(dòng)了低碳貝氏體鋼的發(fā)展，煤礦綜采設(shè)備中液壓支架的消費(fèi)達(dá)到60%左右，其中鋼板焊接結(jié)構(gòu)件約占支架重量的75%。液壓支架用高強(qiáng)鋼板在近10 余年內(nèi)得到了飛速發(fā)展。2000年前普遍采用16Mn、 15MnVN，之后屈服強(qiáng)度460 MPa、550 MPa、和690 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼板相繼得到使用并被逐步推廣[1]，其中僅煤機(jī)行業(yè)700 MPa級(jí)以上的高強(qiáng)度鋼板一年的用量就達(dá)到了20萬(wàn)噸以上。

隨著具有高強(qiáng)度、高韌性和低焊接裂紋敏感性低碳貝氏體鋼的出現(xiàn)，又使得通過(guò)降低碳含量來(lái)改善焊接性能的趨勢(shì)更為明顯[2]。

1 AH70DB的鋼板實(shí)物質(zhì)量

對(duì)AH70DB鋼板進(jìn)行了全面測(cè)試，其實(shí)測(cè)化學(xué)成分、力學(xué)性能、系列溫度沖擊功分別見(jiàn)表1、表2和表3。

表1 實(shí)際測(cè)試AH70DB鋼化學(xué)成分 %

表2 對(duì)應(yīng)測(cè)試AH70DB鋼力學(xué)性能

表3 系列溫度沖擊功

通過(guò)以上測(cè)試，說(shuō)明AH70DB具備良好的強(qiáng)度、優(yōu)異的韌性、良好的延伸性能，其組織為低碳貝氏體，同時(shí)具備低的碳當(dāng)量（Ceq≤0.42%）和低的焊接裂紋敏感性指數(shù)(Pcm≤0.19%)，有良好的焊接性能。為確定其焊接性能，進(jìn)行了焊接性能試驗(yàn)。

2 AH70DB焊接性能

2.1 AH70DB鋼的臨界點(diǎn)

試驗(yàn)按GB5056《鋼的臨界點(diǎn)測(cè)定方法》進(jìn)行，AH70DB鋼的臨界點(diǎn)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表4（表中:AC1—鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變的開(kāi)始溫度；AC3—鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變的終了溫度；MS—奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的開(kāi)始溫度）。

表4 AH70DB鋼臨界點(diǎn)測(cè)定結(jié)果 ℃

2.2 焊接CCT圖

焊接CCT圖測(cè)定按GB5057《鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線圖的測(cè)定方法》進(jìn)行，不同冷卻條件下AH70DB鋼模擬熱影響區(qū)過(guò)熱區(qū)硬度見(jiàn)表5（表中:Cbs——貝氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變的臨界冷卻時(shí)間；Cmf——馬氏體轉(zhuǎn)變終了臨界冷卻時(shí)間；Cfs——鐵素體開(kāi)始轉(zhuǎn)變的臨界冷卻時(shí)間；Cps——珠光體開(kāi)始轉(zhuǎn)變的臨界冷卻時(shí)間），AH70DB鋼焊接CCT圖，如圖1所示。

表5 AH70DB焊接CCT測(cè)試數(shù)據(jù)

圖1 AH70DB鋼焊接CCT圖

從圖1可以看出，AH70DB鋼出現(xiàn)貝氏體的臨界冷卻時(shí)間為16.9 s，馬氏體轉(zhuǎn)變終了的臨界冷卻時(shí)間為74 s,出現(xiàn)鐵素體的臨界冷卻時(shí)間670 s，出現(xiàn)珠光體的臨界冷卻時(shí)間為1 050 s。當(dāng)t8/3≤16.9 s時(shí)，焊接熱影響區(qū)過(guò)熱區(qū)組織為100%馬氏體，硬度為325（HV5）；當(dāng)16.9 s＜t8/3≤74 s時(shí)，熱影響區(qū)過(guò)熱區(qū)組織為馬氏體+貝氏體混合組織，隨著t8/3的增加，馬氏體逐漸減少,貝氏體逐漸增加，硬度逐漸降低，由325（HV5）逐漸降低到260（HV5）以下；當(dāng)74 s＜t8/3≤670 s時(shí)，過(guò)熱區(qū)組織為100%貝氏體，HV5降低到240左右；當(dāng)670 s＜t8/3≤1 050 s時(shí)，過(guò)熱區(qū)除貝氏體外開(kāi)始出現(xiàn)鐵素體，HV5降低到 220左右；t8/3＞1 050 s以后，開(kāi)始出現(xiàn)珠光體，過(guò)熱區(qū)組織為貝氏體+鐵素體+少量珠光體，隨著t8/3的增加相應(yīng)的硬度值降低到200（HV5）左右。

2.3 AH70DB鋼焊接冷裂紋敏感性

針對(duì)AH70DB低碳貝氏體高強(qiáng)度鋼，進(jìn)行了插銷(xiāo)冷裂紋試驗(yàn)及斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)。插銷(xiāo)試驗(yàn)使用HCL-3MC微機(jī)自動(dòng)控制五頭插銷(xiāo)試驗(yàn)機(jī)，按GB9446《焊接用插銷(xiāo)冷裂紋試驗(yàn)方法》規(guī)定進(jìn)行，采用GHS70焊絲進(jìn)行試驗(yàn)，在室溫（26 ℃）不預(yù)熱條件下焊接，AH70DB插銷(xiāo)臨界斷裂應(yīng)力超過(guò)鋼材的實(shí)際屈服強(qiáng)度（620 MPa）。斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)按照GB4675.1規(guī)定執(zhí)行，采用GHS70焊絲分別在室溫（25 ℃）不預(yù)熱、50 ℃預(yù)熱兩種條件下進(jìn)行了焊接裂紋試驗(yàn)。試件焊后放置48 h，進(jìn)行表面、斷面裂紋檢查。檢查結(jié)果表明，30 mm厚AH70DB鋼板在室溫不預(yù)熱條件下焊接，小鐵研試驗(yàn)的表面裂紋率為零，斷面裂紋率為7.9%；當(dāng)預(yù)熱溫度為50 ℃時(shí)，小鐵研試驗(yàn)的表面裂紋率及斷面裂紋率均為零。綜合AH70DB鋼兩項(xiàng)焊接試驗(yàn)的結(jié)果可以得出，AH70DB鋼板焊接熱影響區(qū)淬硬傾向不是很大。在中等拘束條件下（如普通聯(lián)系焊縫、角焊縫等），采用實(shí)心焊絲富氬混合氣體保護(hù)焊，室溫不預(yù)熱焊接不會(huì)產(chǎn)生焊接冷裂紋，但在苛刻的拘束條件下（如定位焊、對(duì)接焊根部焊道、補(bǔ)焊等）焊接，應(yīng)采取必要的預(yù)熱措施，預(yù)熱溫度應(yīng)不低于50 ℃。由于不同厚度鋼板焊接時(shí)結(jié)構(gòu)的拘束程度不同，在同樣焊接條件下防止焊接冷裂紋所需要的預(yù)熱溫度是不一樣的，如果實(shí)際結(jié)構(gòu)AH70DB鋼板的板厚小于30 mm，預(yù)熱溫度可相應(yīng)降低或可以不預(yù)熱。

2.4 AH70DB鋼焊接接頭綜合力學(xué)性能評(píng)定

分別采用MK.GHS70(等匹配)和SLD-60(低匹配)兩種焊絲，按表6中煤機(jī)廠推薦的焊接工藝參數(shù)，采用60型坡口，焊接20 mm厚AH70DB鋼對(duì)接接頭，試板尺寸為20 mm×150 mm×500 mm，試板焊后進(jìn)行250 ℃保溫2 h消氫處理。按照GB2650~2655—89規(guī)定，分別對(duì)焊接接頭的拉伸性能、沖擊性能、彎曲性能及硬度進(jìn)行了試驗(yàn)。焊接接頭綜合力學(xué)性能見(jiàn)表7，MK.GHS70(等匹配)焊接接頭宏觀金相如圖2所示，焊接接頭的硬度分布情況如圖3所示。

表6 試板焊接條件

表7 AH70DB對(duì)接接頭綜合力學(xué)性能

圖2 GHS70焊接接頭宏觀金相

從表6、表7、圖2和圖3可以看出，采用煤機(jī)廠推薦的焊接工藝焊接AH70DB對(duì)接接頭，焊接接頭熔合情況良好，無(wú)宏觀焊接缺陷；采用MK.GHS70焊絲焊接的“等匹配”接頭，接頭橫向拉伸斷于母材，抗拉強(qiáng)度分別為695 MPa和690 MPa；采用SLD-60焊絲焊接的“低匹配”接頭，接頭橫向拉伸斷于母材，抗拉強(qiáng)度分別為690 MPa和705 MPa；兩種匹配焊接接頭彎曲性能良好（側(cè)彎 d=3a，α=180°）， 焊縫金屬及焊接熱影響區(qū)的平均沖擊功AKV-20 ℃較高，焊接接頭的最高硬度位于焊接熱影響區(qū)，HV10＜300，接頭硬度分布比較均勻，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的硬化和軟化現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果表明，AH70DB鋼板焊接接頭的焊接質(zhì)量良好、綜合力學(xué)性能優(yōu)良，能夠滿足工程及礦山機(jī)械的設(shè)計(jì)和使用要求。

圖3 GHS70焊接接頭硬度分布

3 結(jié)論

（1）AH70DB鋼焊接CCT圖測(cè)試結(jié)果表明：當(dāng)t8/3≤16.9 s時(shí)，焊接熱影響區(qū)過(guò)熱區(qū)組織為100%馬氏體，硬度325（HV5）；當(dāng)16.9 s≤t8/3≤74 s時(shí),過(guò)熱區(qū)組織為M+B混合組織，硬度為325～260（HV5）；當(dāng)74 s＜t8/3≤670 s時(shí),過(guò)熱區(qū)組織為100%貝氏體，HV5降低到240左右。這表明AH70DB鋼板焊接熱影響區(qū)淬硬傾向不明顯。

（2）焊接冷裂紋敏感性試驗(yàn)研究表明：在中等拘束條件下，30 mm厚AH70DB鋼采用實(shí)心焊絲富氬混合氣體保護(hù)焊，在不預(yù)熱條件下焊接可以防止冷裂紋產(chǎn)生，但在苛刻的拘束條件下，最低預(yù)熱溫度應(yīng)該不低于50 ℃。

（3）AH70DB鋼焊后熱處理工藝試驗(yàn)結(jié)果表明：焊后采用250 ℃保溫2 h消氫處理時(shí)AH70DB鋼焊接接頭的力學(xué)性能較好。

（4）采用煤機(jī)廠推薦的焊接工藝焊接AH70DB鋼對(duì)接接頭，焊接接頭的綜合力學(xué)性能良好，能夠滿足工礦產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求，實(shí)際應(yīng)用中全部采用無(wú)預(yù)熱焊接。