A588 GR A低合金高強鋼焊接性研究及應用

摘 要：對美標鋼板A588 GR A的焊接性能進行研究，分析了鋼板在焊接過程中的冷裂傾向，熱裂傾向，進行預熱溫度的確定，進行了三種焊接方法的焊接工藝評定，并成功應用于實際產品制造中。

關鍵詞：低合金高強鋼；焊接性；焊接材料

1 前言

A588 GR A是美國標準ASTMA 588/ A588M-05中一種抗大氣腐蝕的高強度低合金鋼。我公司負責制造的AP1000壓水堆核電站某設備主體采用該材料焊接而成，該設備對控制棒驅動機構進行支持和保護及冷卻，其制造質量直接關系到核電站的安全運行。為高質量的完成該設備的制造，對該材料進行必要的焊接性研究及試驗顯得非常有必要。

2 A588 GR A鋼的焊接性分析

A588 GR A鋼的化學成分及力學性能見表1（供貨值）。

表1 化學成分及力學性能 （%）

該鋼中作為合金元素有Si、Mn、Cr、Ni、Cu、V等， V的加入可以起到細化晶粒和沉淀強化的作用，其他元素均屬固溶強化。這些元素的加入，在提高鋼的強度的同時，也惡化了鋼的焊接性。該鋼通過加入Cu元素合金化來提高耐大氣腐蝕，Cu的含量較高，達到0.32%，而Cu元素是容易引起焊接熱裂紋的元素。

淬硬傾向分析：

按照國際焊接學會（IIW）推薦的碳當量公式計算該鋼種的CE：

CE=C+Mn/6+（Cu+Ni）/15+（Cr+Mo+V）/5=0.48%；

因CE值處于0.40%與0.60%之間時，鋼材有一定的淬硬傾向，焊接前需要預熱。

熱裂紋敏感性分析：采用熱裂紋敏感系數公式計算熱裂紋敏感系數：

HCS=1000C（S+P+Si/25+Ni/100）/（3Mn+Cr+Mo+V）=0.95≤2，不會產生熱裂紋。

3 焊接方法的確定及焊接材料的選擇

由于被焊產品主體為大直徑筒形構件，在筒體上還接了許多其他零部件，設計對筒體尺寸精度要求很高，需要嚴格控制焊接變形，同時該零件的焊縫長度比較長，焊接量較大，焊接時需要全位置焊接。

熔化極氣體保護焊（GMAW）焊接方法因其熔覆率高，熱輸入小，對控制焊接變形及提高生產率有利，故確定焊接方法選用GMAW。

短路過渡的GMAW飛濺較大，一般用于焊接薄板，焊接中厚板時容易產生熔合不良缺陷，故對重要構件來說，一般不推薦使用。噴射過渡弧GMAW焊接飛濺小，焊接質量好，但是由于其要求使用的焊接電流要高于臨界電流，因而電流比較大，不適合全位置焊接。

脈沖弧可以在平均電流小于臨界電流的情況下獲得噴射過渡，可以采用從短路過渡到噴射過渡的所有電流區域的電流，這樣就可以用較小的電流進行焊接，因而熔池體積小。采用脈沖電流時，熔滴過渡和熔池金屬的加熱是間歇的，熔池金屬不易發生流淌。此外，由于熔滴的過渡力與電流的平方成正比，在脈沖峰值電流的作用下，熔滴的軸向性比較好，在仰焊或立焊也能使熔滴沿著電弧軸線向熔池過渡，飛濺很小并且焊縫成型好。因此選擇了脈沖弧熔化極氣體保護焊用于厚板長焊縫焊接，同時選擇焊條電弧焊（SMAW）用于空間位置不方便處或短焊縫的焊接，選擇鎢極氬弧焊（GTAW）用于單面焊接且有全熔透要求的焊縫打底焊接及薄板焊接。

因該產品制作完成后需要涂漆防腐，所以選擇焊材的時候不需要考慮其耐大氣腐蝕的因素。根據A588 GR A的力學性能以及焊后不做熱處理，參照ASME 第Ⅱ卷 C篇，對于三種焊接方法分別選擇焊絲為ER70S-6、E7018和ER70S-6。為提高電弧穩定性和改善焊縫成形，GMAW焊接方法選用加入活性氣體的80%Ar+20%CO2混合氣作為保護氣體。

GMAW、SMAW和GTAW三種方法對應的焊絲化學成分見表2，力學性能見表3。從力學性能指標來看，三種焊接材料均可滿足要求。

表2 化學成分（質量分數，%）

表3 力學性能

4 預熱溫度的確定

根據該產品設計文件的要求，根據ASME規范案例N71-18，厚度不超過38.1mm的材料焊接時預熱溫度取不低于68℃，厚度在38.1mm以上的材料焊接時預熱溫度取不低于121℃。

5 焊接工藝評定

按照ASME 第Ⅸ卷及ASME 第Ⅲ卷 NE分卷，采用38.1 mm厚度的對接試件進行焊接工藝評定。GMAW、SMAW和GTAW三種焊接方法的焊接線能量分別在13-29 kJ/cm、22-42 kJ/cm和12-32kJ/cm范圍內，結合焊前預熱的工藝進行試件焊接。試件焊接完成后進行拉伸試驗、彎曲試驗及V型缺口沖擊試驗和落錘試驗，試驗結果見表4，完全滿足技術要求。

表4 力學性能試驗結果

6 結束語

A588 GR A低合金高強鋼由于采用多元素固溶強化，且Cu元素含量較高，焊接時存在一定的冷裂和熱裂敏感性。根據使用情況，選取與母材匹配的焊材，并根據不同的厚度，采取不同的焊前預熱溫度可以獲得滿意的焊接質量。工藝評定已成功應用于生產，目前已按照評定合格的焊接規范成功地制造了2臺產品，取得滿意的效果。

參考文獻

[1]中國機械工程學會焊接學會. 焊接手冊：第2卷[M] .北京：機械工業出版社，2001.

[2]稻桓道夫，田中甚吉.高強鋼焊接實踐[M] .郭希烈，張文鉞 譯.北京：機械工業出版社，1992.

[3]李亞江，王娟，劉鵬.低合金鋼焊接及工程應用[M] .北京：化學工業出版社，2003.

[4]姜煥中.電弧焊及電渣焊[M] .北京：機械工業出版社，1988.

[5]張文鉞.焊接冶金學（基本原理）[M] .北京：機械工業出版社，1995.