兩種不同牌號800 MPA級高強鋼焊接性試驗比較

周 林，屈 剛，羅栓定

（中國水利水電第三工程局有限公司，陜西 西安 710016）

0 前言

近十幾年來，800 MPa級高強鋼已經越來越多地應用于大型壓力管道、容器、儲罐的制造，在保證結構安全的前提下，不但取得了較好的經濟效益。也使一些原本要求極厚的鋼板減薄，使難于加工成型或無法加工成型的結構變得較易加工或能夠加工。由于受高強度鋼焊接難度大、工藝復雜、易出現焊接缺陷等因素的影響，國內起步較晚。在高強鋼特別是高強鋼的寬厚板的一些技術指標，與國外先進國家生產的高強鋼還存在一定的差別。在近十年的時間里，先后在多個不同的工程項目參加了日產SUMITEN780、國產 WSD690E、SG780CFE、B800CF等幾種不同牌號的800MPa級鋼的焊接性試驗、焊接工藝評定及實際應用施工。幾種鋼板均是調質狀態供貨，有很多相同之處，也存在一些不同的特點，但每個項目的鋼板用量均較大，為800MPa級高強鋼的焊接試驗和施工積累了一定的經驗。現將具有一定代表性的日產SUMITEN780和國產WSD690E鋼的部分焊接試驗及工程項目焊接施工中的異同進行分析比較，供此類鋼板的生產者、使用者參考。

1 鋼板性能比較

1.1 鋼板的化學成分與冷裂紋敏感指數

鋼材的裂紋傾向與鋼材的化學成分密切相關，焊接性一般以碳當量Ceq來衡量，冷裂傾向通常則以冷裂敏感指數Pcm來衡量。兩種鋼板均在國內使用，執行我國相關標準，采購合同對鋼板的化學成分要求也相同。鋼板到貨后分規格、批號、爐號進行了較大密度的抽樣檢驗，抽樣檢測中發現兩種鋼板合金元素的含量差別較大。兩種鋼板的合金元素含量如表1所示，合金元素的比較如圖1所示。用式（1）、式（2）分別計算碳當量 Ceq、冷裂敏感指數Pcm，如表2所示。

表1 鋼板的化學成分

圖1 兩種鋼板化學成分含量比較

表2 取樣實測的Ceq、Pcm值

碳當量

冷裂敏感指數

由表1、表2和圖1可知：a.兩種鋼板現場抽樣檢測的化學成份以及Ceq、Pcm均符合合同要求，作為雜質存留的P、S含量遠低于合同規定的要求，鋼板質量優良。但SUMITEN780鋼的Ceq值略高，主要是因為 Cu、Ni、Cr、Mo、Ti、Nb 含量高于 WSD690E鋼較多；b.兩種鋼的C含量基本相等，SUMITEN780鋼的 Si、Mn、S、B 的含量比 WSD690E 鋼的含量低，其中S、B的含量不到WSD690E鋼的一半。

1.2 鋼板力學性能

兩種鋼板的現場抽樣力學性能檢查結果如表3、圖2所示。從圖表中看出，兩種鋼板的力學性能滿足合同要求，SUMITEN780鋼的δ5%伸長率、-40℃橫向沖擊功略優于WSD690E鋼。但WSD690E鋼的抗拉強度、屈服強度略高，且具有相對明顯一些的屈服點，屈強比σs/σb指標比SUMITEN780鋼好。

表3 鋼板的力學性能

2 斜Y型坡口焊接裂紋試驗比較

2.1 執行標準與試驗條件

所有試驗遵循《焊接性試驗斜Y型坡口焊接裂紋試驗方法》（GB4675.1-84）標準，主要施焊條件基本相同。

圖2 兩種鋼板的力學性能比較

試件尺寸200 mm×160 mm；焊接方法為焊條電弧焊；焊接電流170 A，電壓22～24 V，速度150～155 mm/min。焊后48 h后進行各裂紋率的檢測。

2.2 SUMITEN780鋼的斜Y試驗

試件δ=60 mm，焊條牌號L-80SN。試驗檢測結果如表4所示。

表4 SUMITEN780鋼斜Y試驗檢驗結果

2.3 WSD690E鋼的斜Y試驗

試件δ=66mm，焊條牌號CHE807RH。試驗檢測結果如表5所示。

3 工程應用與比較

3.1 應用工程概況

日產SUMITEN780、國產WSD690E鋼分別應用于山西西龍池和內蒙呼和浩特抽蓄能電站的輸水壓力鋼管項目。共同特點是電站水頭高，鋼管內水壓力大，安裝于洞內斜井，埋設于混凝土之中。工程均地處干燥寒冷的北方，施工跨越四季。焊接由同一單位、同一批人員進行。800 MPa級鋼鋼管的基本情況見表6。

表5 WSD690E鋼斜Y試驗檢驗結果

3.2 產品焊接

3.2.1 基本參數

兩種鋼板分別用在了兩個不同的工程，但焊接方法與設備相同。制造焊接以埋弧自動焊為主，焊條電弧焊為輔，安裝焊接全部采用焊條電弧焊。接頭的坡口型式為非對稱雙V型坡口，背縫碳弧氣刨清根。焊接工藝參數差異如表7所示。

3.2.2 操作工藝比較

工程應用焊接中，SUMITEN780鋼及其配用的焊接材料的比WSD690E鋼及其配用的焊接材料在焊接工藝的操作性方面略優。主要表現在：

（1）SUMITEN780鋼：a.允許的線能量輸入范圍較大，有利于坡口的預處理和層間清理；b.較大范圍的線能量輸入，便于焊接層道的布置、調整，對于采用多道焊蓋面的寬焊縫，成型更加美觀；c.因布道較允許的層間溫度差較大，便于焊接過程中溫度的控制。

表6 鋼板應用工程基本情況表

表7 兩種鋼板不同的焊接工藝參數

（2）WSD690E鋼：a.允許的最大焊接線能量相對較小，對坡口的預處理和層間清理要求嚴格，否則，易出現夾渣等缺陷；b.埋弧自動焊背縫第一層焊接時，因焊道深且窄，出現過淺表性的結晶裂紋。因受線能量上限的限制，使采用提高弧柱電壓、加大寬深比預防結晶裂紋的作用受到限制，同時也增加了焊渣清理難度。SUMITEN780鋼的焊接中未出現過結晶裂紋。

兩種鋼板在焊接中均出現過意外停電，無法進行層間保溫和及時后熱而產生冷裂紋，正常情況下均未發現焊接冷裂紋。總體而言，兩種鋼板的焊接性均較好，所應用的工程焊接質量優良，探傷一次合格率如表8所示。經生產性焊接試驗驗證，兩種鋼板的所有焊接接頭的力學性能指標符合設計要求。

表8 實檢焊縫一次合格率 %

4 結論

（1）兩種鋼板到貨后的抽樣檢測結果符合我國《低合金高強度結構鋼》GB/T1591標準和供貨合同的要求。實測SUMITEN780鋼的延伸率、-40℃沖擊功高于WSD690E鋼。

（2）兩種鋼板含C量均很低且基本相等，SUMI TEN780 鋼的 Cu、Ni、Cr、Mo、Ti、Nb 含量高，而 Si、Mn、S、B的含量低，其中S、B的含量不到WSD690E鋼的一半，Mn/S很大，對焊接裂紋的預防有利。

（3）鋼板的焊接性：兩種均具有較好的焊接性。只要工藝規范嚴格，便可得到高強度和高塑、韌性的焊接接頭。

（4）WSD690E鋼焊接熱影響區軟化現象比SU MITEN780鋼明顯。但鋼板厚度δ與軟化區的寬度HAZ之比數值很大，接頭的失強率很小。實測接頭的抗拉強度σb、屈服強度σs、-40℃橫向沖擊功均大于設計指標，且Akv（單位：J）具有足夠的韌性儲備。

（5）WSD690E鋼焊接，為預防結晶裂縫的產生，需采取減小焊接電流，加大熔池的寬深比措施。這樣，增加了焊接操作的難度，降低了焊接效率。

（6）國產800MPa級高強鋼寬厚鋼板價格0.85～1.05萬元/t，而SUMITEN780鋼在中國4個水電工程的平均報價已超過2500美元/t。由此看出，國產800 MPa級高強鋼板的性價比遠高于SUMITEN780鋼板。對于沒有特殊要求的水電站引水壓力鋼管工程而言，是否有必要采購國外鋼板，應該引起思考。

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