960MPa級工程機械用鋼焊接性能試驗研究

張 楠，董現春，劉 宏，牟淑坤，陳延清，章 軍

(首鋼技術研究院，北京 100041)

重點關注

960MPa級工程機械用鋼焊接性能試驗研究

張 楠，董現春，劉 宏，牟淑坤，陳延清，章 軍

(首鋼技術研究院，北京 100041)

通過連續冷卻轉變曲線的繪制、焊接冷裂紋敏感性試驗以及從800℃冷卻到500℃的時間(t8／5)對焊接粗晶熱影響區(CGHAZ)韌性的影響等方法，系統評價了一種960 MPa級工程機械用鋼的焊接性能。結果表明：工程上配套使用GHS-90實心焊絲，在φ(Ar)80%+φ(CO2)20%混合氣體保護下焊接，需將該鋼板預熱至200℃以上才能避免焊接冷裂紋傾向(鋼板厚度為20 mm)；t8／5＞20 s后，粗晶區韌性嚴重降低；通過制定合理焊接工藝可滿足960 MPa強度級別的工程使用要求。

焊接性能；預熱溫度；焊接裂紋敏感性；CGHAZ

0 前言

隨著科學技術的進步及國家基礎建設投資的增加，我國工程機械的用鋼量逐年提升[1-2]，特別是液壓挖掘機械、道路機械及工程起重機械等，均要求材料具有高強度、高韌性及低焊接裂紋敏感性，并對輕量化、小型化和高效化的要求越來越高[3]。近年來，通過調整化學成分并匹配合理的工藝，許多國內鋼鐵企業已經成功研制了性能優良的高強度鋼板。舞鋼最早采用軋后淬火+回火工藝試驗開發了厚WQ960D／E工程機械用鋼[4]。首鋼采用Ti、Nb、V微合金化成分設計，并匹配Mo、Cr、B提高淬透性，經控軋控冷+離線調質工藝處理，本著鋼板輕量化的設計原則，成功研發了20 mm厚S960QL工程機械用鋼，產品性能符合YB／T4137-2005《低焊接裂紋敏感性高強度鋼板》的技術要求，可廣泛應用于工程機械和礦山機械行業中。

氣體保護焊是現今工程機械生產中普遍使用的焊接方法，尤其是φ(Ar)80%+φ(CO2)20%混合氣體保護焊，具有生產效率高、焊接質量好、操作靈活多變、價格低廉等優點[5]。在此采用φ(Ar)80%+φ(CO2) 20%混合氣體保護焊對首鋼S960QL鋼板進行焊接性能分析，系統研究了S960QL鋼板的焊接裂紋敏感性、熱模擬粗晶區組織及性能、焊接接頭綜合力學性能及最高硬度試驗，以期為用戶合理匹配焊接材料和優化焊接生產工藝提供參考依據。

1 鋼板組織和性能

焊接母材選自首鋼批量生產的厚20mm的S960QL，通過添加適量的微合金元素及控軋控冷(TMCP)工藝細化晶粒，離線調質處理達到鋼板的強韌性要求。母材橫向組織如圖1所示，試驗材料的化學成分、力學性能和落錘試驗結果如表1～表3所示。

板厚1／4處母材原始金相組織為細小的板條狀貝氏體。作為一種中溫轉變組織，經調質處理后可得到如表2、表3所示的性能，S960QL鋼板和焊絲熔覆金屬都具有良好的拉伸性能和較低的沖擊韌性。母材的落錘試驗還表明，S960QL板厚中心的低溫無塑性轉變溫度在-40℃以下。以上數據充分體現S960QL綜合力學性能達到了相關標準要求。

圖1 S960QL鋼板橫向組織形貌(1 000×)

表1 試驗材料的化學成分%

表2 試驗材料的力學性能

表3 試驗材料的落錘試驗結果

2 CCT曲線測定

為分析母材在不同焊接熱輸入條件下的組織，就必須建立相應材料的焊接連續冷卻轉變曲線圖，即焊接CCT圖。采用Gleeble-2000熱模擬試驗機將母材從室溫升至1 350℃，依據焊接特征參數t8／5(從800℃冷卻至500℃的時間)的不同，分別在峰值溫度保溫0.5～3.0 s不等，再以不同的t8／5時間冷卻至300℃。S960QL焊接連續冷卻轉變曲線中組織與維氏硬度HV10的對應關系如圖2所示。

3 鋼板焊接裂紋敏感性試驗

3.1 焊接冷裂紋敏感指數

圖2 S960QL鋼板焊接連續冷卻轉變曲線

鋼板的化學成分與其焊接冷裂紋傾向和熱影響區的硬度都有著密切聯系。導致焊接冷裂紋產生的三個主要因素分別是淬硬組織、拘束應力和氫。按照國際焊接學會推薦的Ceq計算公式(見表1)，S960QL鋼的Ceq≈0.57，表明其具有一定的淬硬傾向，采用常規的弧焊工藝，熱影響區會不可避免的產生淬硬組織。日本伊藤等人進行了斜Y坡口焊接裂紋敏感性試驗，并建立了如下經驗公式，用于預測焊接預熱溫度T0(使用條件：w(C)＜0.16%、抗拉強度為400～900 MPa的低合金高強度鋼)

式中 Pcm為焊接冷裂紋敏感指數；[H]為100 g熔覆金屬擴散氫含量(單位：ml)；h為被焊金屬板厚(單位：mm)；T0為最低焊前預熱溫度(單位：℃)。

根據表1的化學成分，結合匹配焊絲GHS-90熔覆金屬擴散氫含量技術要求(每100 g不大于5 ml)計算，焊接冷裂紋敏感指數Pcm≈0.426。按式(2)預測，為避免焊接熱影響區的淬硬傾向，降低焊接裂紋產生幾率，斜Y坡口焊接裂紋敏感性試驗前對鋼板的最低預熱溫度應大于220℃。

3.2 焊接熱影響區最高硬度

焊接熱影響區最高硬度試驗依據JIS Z 3101-1990《焊接熱影響區最高硬度試驗方法》進行，焊接材料為GHS-90實心焊絲，按規定在一個軋制表面進行試驗。預熱溫度分別為100℃、200℃、250℃，焊接線能量15～16 kJ／cm，試板焊后12 h加工硬度試樣進行HV10硬度測定。硬度分布曲線如圖3所示，S960QL在預熱溫度為100℃焊接時，焊接熱影響區最高硬度HV10＝413；在預熱溫度為200℃時，焊接熱影響區的最高硬度HV10＝371；在預熱溫度為250℃時，焊接熱影響區的最高硬度HV10＝345。通常認為，鋼板的焊接熱影響區最高維氏硬度大于350時，即有一定的冷裂紋傾向[6]。由此可見，該規格鋼板需預熱至250℃時，焊接熱影響區的最高維氏硬度HV10＝340，方可降低冷裂傾向。

3.3 斜Y裂紋敏感性試驗

斜Y坡口焊接裂紋試驗又稱小鐵研試驗，是一種拘束程度較為苛刻的冷裂紋試驗方法，主要用于考核對接接頭焊接熱影響區的根部裂紋情況。試驗方法可參照EN ISO 17642-2：2005《金屬材料焊接的有損試驗》的標準規定執行。小鐵研試驗組對如圖4所示，拘束焊縫在φ(Ar)80%+φ(CO2)20%混合氣體保護下使用試驗用GHS-90實心焊絲焊接，試驗焊縫間隙g＝1～2 mm。試驗設置了100℃、200℃和250℃下三種預熱條件。試件焊后放置48 h，進行表面、根部及斷面裂紋率測定。斜Y坡口焊接裂紋檢測結果見表4。由表4可知，20mm厚S960QL鋼板使用15～16kJ／cm線能量焊接，當預熱250℃時，表面、根部及斷面裂紋率均為零；預熱200℃時，表面裂紋率為零，斷面裂紋率和根部裂紋率分別為5.6%和2.5%；預熱100℃時，表面裂紋率為零，根部及斷面裂紋率分別達到10.8%和4.7%。一般認定，斜Y坡口焊接裂紋試驗是在較苛刻的拘束條件下進行的，因此工程實際中往往將裂紋率控制在10%以內則認為是安全的。

圖3 20 mm厚S960QL鋼板在不同預熱溫度時焊接熱影響區維氏硬度曲線

表420 mm厚S960QL鋼板斜Y裂紋敏感性試驗結果

4 S960QL鋼板CGHAZ韌性研究

對焊接粗晶熱影響區(CGHAZ)的韌性研究一直是鋼板焊接性研究的重要環節之一。本試驗采用Gleeble-2000熱模擬試驗機模擬焊接熱循環過程，研究了不同t8／5時間下CGHAZ的韌性變化，為制定焊接工藝提供依據。

本次點評病歷136份，其中男性72例，女性64例，平均年齡（57.48±17.3）歲；平均住院時間 11.32天；伏立康唑片平均用藥6.16天。經治療，127例好轉，1例未愈，3例死亡，5例不詳。

熱模擬試樣保留了一個軋制表面，規格11 mm× 11 mm×90 mm；熱模擬工藝為：預熱溫度200℃保溫30 s，升溫速度150℃／s，峰值溫度1 320℃，峰值溫度停留時間2s。不同t8／5冷卻時間下CGHAZ的金相組織如圖5所示；不同t8／5冷卻時間對-40℃下CGHAZ斷裂韌性的影響如圖6所示；熱循環參數和實際焊接方法的對應關系如表5所示[7]。

圖4 斜Y坡口試件組對

圖5 不同t8／5冷卻時間下CGHAZ金相組織

分析圖5和圖6可知，焊接熱影響區的冷卻速度對其沖擊韌性有較大影響。當t8／5＜10s時，組織以細小的板條狀馬氏體為主，CGHAZ的沖擊韌性處于與母材同等級別水平；當t8／5＞20 s時，組織類型雖然同為板條狀馬氏體，但已明顯長大，-40℃下沖擊吸收功低于27 J，且呈急劇降低。

由圖6和表5可知，20 mm厚S960QL高強鋼板適合采用低線能量焊條電弧焊和氣體保護焊，以保證CGHAZ的低溫沖擊韌性。

圖6 不同t8／5冷卻時間下的CGHAZ沖擊吸收功(-40℃)

表5 低合金鋼焊接熱循環參數與實際焊接方法的對應關系

5 S960QL鋼板焊接工藝研究

通過對S960QL進行焊接性研究，特制訂如下焊接工藝試驗。

結合大型工程起重機械用鋼的實際焊接方式，對S960QL高強鋼板進行縱向焊接試驗，取樣規格400 mm(長)×200 mm(寬)×20 mm(厚)，X型坡口角度60°。選用GHS-90同規格高強焊絲作為填充材料。打底焊前試板溫度為200℃，控制層道間溫度在200℃～250℃，焊后分別檢驗試驗鋼板的強度、沖擊韌性、冷彎性能、接頭金相組織和維氏硬度。φ(Ar)80% +φ(CO2)20%混合氣體保護焊焊接工藝參數見表6。

接頭力學性能如表7所示。由表7可知，S960QL鋼板焊接斷裂位置在焊縫，焊接接頭強度、冷彎性能和沖擊韌性均能滿足20 mm厚S960QL的使用要求。由圖7可知，焊縫金屬及熱影響區細晶區均為細小的貝氏體組織；熱影響區過熱區及粗晶區為馬氏體+板條狀貝氏體組織；不完全相變區為回火索氏體+貝氏體組織；焊縫組織中未見明顯影響韌性的粗大魏氏體；接頭各區域未見氣孔、夾渣和裂紋等焊接缺陷，從而保證了焊接接頭具有良好的拉伸性能和沖擊韌性。

蓋面焊道接頭硬度分布如圖8所示。由圖8可知，細晶區硬度在焊接熱循環后有下降現象，最低值約為331 HV10，與母材硬度相比，硬度下降6%～7%，但該區域綜合力學性能良好，不影響材料在工程上的應用。

表6 S960QL鋼板匹配GHS-90焊絲焊接工藝參數

表7 S960QL鋼板焊接接頭力學性能

圖8 接頭硬度分布

6 結論

(1)20 mm厚S960QL工程機械用鋼具有良好的力學性能和低溫沖擊韌性。

(2)工程上使用GHS-90實心焊絲焊接20 mm厚S960QL鋼板需將預熱溫度升至200℃以上才能抑制焊接淬硬傾向的產生。

(3)焊接冷卻速度對粗晶區韌性有較大影響。為保證良好韌性，需嚴格控制t8／5＜20 s。

(4)焊接接頭硬度、組織及性能良好，可以滿足960 MPa強度級別的工程使用要求。

[1]張 熹，董現春，鞠建斌，等.高強熱軋卷板SQ600MC焊接性研究[J].電焊機，2011，41(5)：93-96.

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圖7 S960QL 鋼板匹配GHS-90實心焊絲焊接接頭金相組織

[4]王國花，鄧東生.舞鋼工程機械用高強鋼的試驗研究[J].寬厚板，2009，15(5)：27-29.

[5]殷樹言.氣體保護焊工藝基礎[M].北京：機械工業出版社，2007.

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Study on the welding performance testing of 960 MPa grade machinery steel

ZHANG Nan，DONG Xian-chun，LIU Hong，MU Shu-kun，CHEN Yan-qing，ZHANG Jun
(Shougang Research Institute of Technology，Beijing 100041，China)

The welding performance testing of 960 MPa grade machinery steel was systematically investigated by following methods：drawing the curve of CCT，testing the cold cracking sensitivity of welding and effect of the cooling time from 800℃to 500℃(t8／5)on toughness variation of the CGHAZ.The results showed that，the cold cracking propensity of welding could be avoided by raising preheating temperature to more than 200℃in engineering(plate thickness 20 mm)，that was compatible with the solid wire GHS-90 forφ(Ar) 80%+φ(CO2)20%shielded arc welding；the toughness variation of the CGHAZ was rapidly decreased while the t8／5was up to 20 s；though made the reasonable welding process，the 960 MPa grade machinery steel could be used in engineering field，successfully.

welding performance；preheating temperature；cracking sensitivity of welding；CGHAZ

TG457.11

A

1001-2303(2012)07-0001-06

2012-03-05

張 楠(1983—)，男，河北香河人，碩士，工程師，主要從事鋼鐵焊接性及熱處理的研究工作。