含硼低成本低碳貝氏體鋼焊接性能研究

孫　斌

(安陽鋼鐵股份有限公司)

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含硼低成本低碳貝氏體鋼焊接性能研究

孫斌

(安陽鋼鐵股份有限公司)

通過對安陽鋼鐵公司生產的含硼低成本低碳貝氏體鋼AH70DB進行焊接性能研究，分別進行了焊接CCT曲線測定，焊接冷裂紋敏感性研究，以及對焊接熱影響區組織性能、焊熱熱輸入量、焊后熱處理及焊接接頭綜合力學性能評定等內容進行了試驗研究。研究表明，AH70DB鋼淬硬傾向較小，對氫致開裂敏感性較低。在中等拘束條件下焊接，室溫10 ℃以上不需預熱；在苛刻拘束條件下，可實現低預熱溫度，預熱溫度50 ℃以上。采用推薦的焊接工藝焊接25 mm厚AH70DB鋼板對接接頭，焊接接頭綜合性能良好，能夠滿足工礦產品的使用要求。

低碳貝氏體鋼冷裂紋敏感性焊接工藝焊接性能

0　前言

安陽鋼鐵公司已有生產抗拉600 MPa級、700 MPa級和800 MPa級高強板10年以上的經驗，其生產的700 MPa級高強板AH70DB鋼板采用微量的硼作為淬透性元素，組織為低碳貝氏體組織，采用TMCP工藝生產，具有優良的拉伸性能和低溫沖擊韌性，較低的生產成本，產2品市場競爭力強，批量應用于煤礦液壓支架的制造。為更好的指導用戶使用AH70DB高強度鋼板，對其焊接性能進行了全面的研究。

1　試驗材料及方法

1.1試驗材料

低碳貝氏體鋼是按抗拉強度700 MPa級以上強度級別設計的，其化學成分見表1。在C-Mn-Si基礎上添加Nb、Ti、B等合金元素。

其母材原始拉伸及沖擊試驗性能見表2。

表1　低碳貝氏體鋼化學成分

表2　25 mmAH70DB鋼板拉伸及彎曲性能

1.2試驗方法

試驗采用Formaster-D全自動快速膨脹儀，按GB5056《鋼的臨界點測定方法對其AC1、AC3進行測定。焊接CCT圖測定參照GB5057《鋼的連續冷卻轉變曲線圖的測定方法》進行測定；依據GB9446《焊接用插銷冷裂紋試驗方法》進行插銷冷裂紋敏感性試驗；依據GB4675.1《焊接性試驗 斜Y型坡口焊接裂紋試驗方法》進行拘束程度較苛刻的焊接冷裂紋試驗；采用Gleeble-1500熱模擬試驗機，選擇1320 ℃、930 ℃、790 ℃三種峰值溫度研究不同冷卻條件下AH70DB鋼焊接熱影響區韌性變化規律。最后進行了焊后熱處理工藝研究與焊接接頭的綜合力學性能評定。

2　實驗結果與討論

2.1低碳貝氏體鋼焊接CCT曲線測定

含硼低碳貝氏體鋼AH70DB的臨界點見表3。

表3　AH70DB鋼臨界點測定結果

注：1. AC1—鐵素體向奧氏體轉變的開始溫度;2.AC3—鐵素體向 奧氏體轉變的終了溫度。

AH70DB焊接CCT如圖1所示。參數和性能分別見表4。

圖1　AH70DB焊接CCT

由表4可知，AH70DB鋼馬氏體轉變終了的臨界冷卻時間為23.2 s，出現鐵素體的臨界冷卻時間為730 s，出現珠光體的臨界冷卻時間為810 s。當t8/5在1.7 s～9.3 s區間時，AH70DB鋼HAZ過熱區組織為馬氏體和貝氏體的混合組織，隨t8/5增加，過熱區組織中馬氏體數量逐漸減少，貝氏體組織數量逐漸增加，硬度逐漸下降；當t8/5=1.7 s時，過熱區組織為40%M+60%B，此時HAZ組織硬度最高，HV5為308；當t8/5=9.3 s時，過熱區組織為10%M+90%B，硬度HV5 下降為273。當t8/5在23.2 s～730 s區間時，HAZ過熱區組織為100%貝氏體,硬度HV5在210以上。當t8/5在730 s～810 s時，過熱區組織為貝氏體和鐵素體混合組織；當t8/5≥810 s時，HAZ過熱區組織為貝氏體+鐵素體+珠光體混合組織，隨t8/5增加，硬度略有降低，但變化不大。

表4　AH70DB鋼焊接CCT圖測試數據表

注：1. tmf —馬氏體轉變結束臨界冷卻時間；2. tfs—鐵素體開始轉變臨界冷卻時間；3. tps —珠光體開始轉變臨界冷卻時間。

2.2插銷冷裂敏感性試驗

插銷試件從母材板厚1/4處取，試件長度方向垂直于鋼板的軋向，試件直徑為Φ6 mm，采用螺旋缺口，插銷試件尺寸如圖2所示。

圖2　插銷試件尺寸

插銷底板采用25 mm厚AH70DB鋼板，焊絲采用哈爾濱焊接研究所生產的實心焊絲HS-70進行試驗，焊接規范見表5，AH70DB鋼插銷試驗結果見表6。

表5　實心焊絲氣保焊焊接規范

表6　AH70DB鋼插銷試驗結果

由表6可知，在不預熱焊接條件下，采用HS-70焊絲氣體保護焊，插銷加載到AH70DB鋼的實際屈服強度639 MPa，保持載荷24 h內未發生斷裂，AH70DB鋼插銷臨界斷裂應力超過鋼材的屈服強度。插銷試驗結果表明，在中等拘束條件下，AH70DB鋼采用實心焊絲富氬混合氣體保護焊，在不預熱條件下(室溫10 ℃以上)焊接可以防止焊接冷裂紋產生。

2.3斜Y坡口焊接裂紋試驗

采用HS-70實心焊絲以及80%Ar+20%CO2富氬混合氣體保護焊對AH70DB鋼進行了斜Y坡口焊接裂紋試驗，焊接規范見表5。試件焊后放置48 h，然后對其進行表面、斷面裂紋檢查，試驗結果見表7。

表7　斜Y坡口焊接裂紋試驗結果

由表7可知，試驗用25 mm厚AH70DB鋼板在預熱50 ℃條件下焊接，小鐵研試件的表面裂紋率、斷面裂紋率均為零；在室溫不預熱條件下焊接，試件表面裂紋率為零，斷面裂紋率分別為3%和12%。試驗結果表明：在較苛刻條件下焊接，25 mm厚AH70DB鋼可以采用低溫度預熱，預熱50 ℃以上可防止焊接冷裂紋產生。

2.4AH70DB鋼焊接熱影響區韌性的研究

熱模擬試樣取自25 mm厚的AH70DB鋼板的1/4厚度處,試樣尺寸如圖3所示。本試驗選擇1320 ℃、930 ℃、790 ℃三種峰值溫度分別代表焊接熱影響區過熱區、正火區及不完全相變區，試件經熱模擬后，加工成V型缺口沖擊試樣，然后進行-20 ℃沖擊試驗。

圖3熱模擬試件

不同峰值溫度、不同冷卻條件下，AH70DB鋼模擬熱影響區沖擊功見表8。

表8　不同焊接熱循環條件下AH70DB鋼熱影響區沖擊功KV2

由表8可知，對應峰值溫度為930 ℃的正火區，在不同的t8/5冷卻條件下，AH70DB鋼該區域低溫沖擊韌性整體保持在較高水平，KV2-20 ℃平均在220 J以上，不同的焊接冷卻速度對正火區沖擊韌性影響不大。對應峰值溫度790 ℃的不完全相變區，除t8/5=15 s時KV2-20 ℃為100 J以外，在其它不同t8/5冷卻條件下，AH70DB鋼不完全相變區低溫沖擊韌性整體水平較高，KV2-20 ℃平均在150 J以上，不同的焊接冷卻速度對不完全相變區沖擊韌性影響不大。對應峰值溫度為1320 ℃的過熱區，在t8/5=5 s、10 s冷卻條件下，AH70DB鋼過熱區低溫沖擊韌性水平較好，KV2-20 ℃分別為140 J和67 J，以后隨t8/5增加，過熱區低溫沖擊韌性下降，KV2-20 ℃最高僅為41 J，水平較低。對比AH70DB鋼焊接CCT圖可知，當t8/5≤10 s時，焊接過熱區為板條馬氏體+貝氏體混合組織，晶粒較細小；當t8/5大于23.2 s后，焊接過熱區以粒狀貝氏體組織為主，晶粒較粗大。因此，為提高熱影響區過熱區韌性，焊接時應控制焊接冷卻速度，控制t8/5在15 s以內，使焊接過熱區獲得板條馬氏體+貝氏體混合組織。試驗結果表明，實際焊接AH70DB鋼時選擇適當的焊接熱輸入量并控制層間溫度，使焊接冷卻速度t8/5在小于15 s范圍內，可以使焊接熱影響區獲得較好的低溫韌性。

2.5不同焊接熱輸入量對焊接接頭的影響

對在不同焊接熱輸入量條件下25 mm厚AH70DB鋼焊接接頭的力學性能和微觀組織進行試驗和分析。預熱溫度50 ℃，不同熱輸入量條件下AH70DB鋼焊接接頭焊縫金屬拉伸及低溫沖擊試驗結果見表9。

表9　熱輸入量對AH70DB鋼焊接接頭力學性能影響

由表9可知，焊接熱輸入量在0.96 KJ/mm～2.11 KJ/mm范圍內變化，對AH70DB鋼焊接接頭低溫沖擊韌性影響不大，其中熱影響區低溫韌性保持較高水平，沖擊吸收功KV2-20 ℃在200 J以上。

2.6AH70DB鋼焊后熱處理工藝研究

本試驗采用表5焊接規范焊接AH70DB鋼對接接頭，焊后對接接頭分別進行250 ℃保溫2 h爐冷消氫處理及480 ℃保溫2 h爐冷、580 ℃保溫2 h爐冷至310 ℃空冷焊后熱處理。經焊后熱消氫處理及不同工藝焊后熱處理后，AH70DB鋼焊接接頭焊縫金屬拉伸及接頭各部位低溫沖擊試驗的結果見表10。

表10　焊后處理變化對AH70DB鋼焊接接頭力學性能的影響

焊后熱處理工藝研究試驗結果表明，焊后經250 ℃×2 h 消氫處理的AH70DB鋼焊接接頭力學性能最好；采用480 ℃×2 h爐冷、580 ℃×2 h爐冷至310 ℃空冷兩種焊后熱處理工藝，接頭各部位低溫沖擊韌性及焊縫金屬拉伸性能未見明顯破壞，三種熱處理工藝條件下的AH70DB鋼焊接接頭綜合性能的良好。AH70DB鋼對焊后熱處理工藝有較強的適應性。

2.7AH70DB鋼焊接接頭綜合力學性能評定

根據以上試驗結果，結合工程及礦山機械焊接規范，推薦采用表11所示焊接工藝焊接AH70DB鋼板。

采用實心焊絲HS-70按表11推薦的焊接工藝和圖4所示的坡口型式及尺寸焊接AH70DB鋼板對接接頭，試板尺寸為25 mm ×150 mm ×450 mm，焊后進行250 ℃×2 h消氫處理，焊接接頭綜合力學性能見表12、表13，AH70DB鋼綜合力學性能對接接頭硬度分布如圖5所示。

可見，焊接AH70DB鋼對接接頭，焊后經250 ℃×2 h消氫處理，焊接接頭熔合情況良好，無宏觀缺陷；焊接接頭拉伸均斷于母材，抗拉強度均值分別為728 MPa、710 MPa；焊接接頭彎曲性能良好(側彎d=3a，α=180 °)。

焊接熱影響區低溫沖擊功良好。其焊接接頭最高硬度HV10為274，在焊接熱影響區過熱區；最低硬度HV10為230，在焊接熱影響區不完全正火區。

表11　推薦的AH70DB鋼板焊接工藝

表13　AH70DB鋼對接接頭綜合力學性能低溫沖擊韌性

圖4　試板坡口型式及尺寸

圖5AH70DB鋼綜合力學性能對接接頭硬度分布(距接頭表面2 mm板厚處)

3　結論

(1)焊接CCT圖測定結果試驗表明，AH70DB鋼淬硬傾向較小。

(2)焊接冷裂紋敏感性試驗研究表明： AH70DB鋼焊接熱影響區淬硬傾向較小，對氫致開裂敏感性較低。在中等拘束條件下焊接，室溫10 ℃以上不需預熱；在苛刻拘束條件下，預熱溫度不低于50 ℃。

(3)焊接工藝試驗結果表明：焊接熱輸入量變化對AH70DB鋼焊接接頭各部位沖擊韌性影響不大，對焊縫金屬拉伸性能有一定影響，隨焊接熱輸入量增大，接頭焊縫金屬拉伸性能有所下降。在實際焊接時應避免使用過大焊接熱輸入量，以獲得綜合性能良好的焊接接頭。焊接道間溫度在100 ℃～200 ℃之間變化對AH70DB鋼焊接接頭力學性能影響不大，各指標均能達到較高水平。

(4)焊后高溫回火熱處理工藝對AH70DB鋼焊接接頭各性能指標有一定的影響，但未造成焊接接頭性能明顯破壞，AH70DB鋼對焊后熱處理工藝有較強的適應性。

(5)采用推薦的焊接工藝焊接25 mm厚AH70DB鋼板對接接頭，焊接接頭綜合性能良好，能夠滿足工礦產品的使用要求。

STUDY ON WELD PROPERTY OF THE LOW COST AND LOW CARBON BAINITIC STEEL WITH BORON

Sun Bin

(Anyang Iron and Steel Stock Co., Ltd)

In the paper, study on welding performance of low cost low carbon bainitic steel AH70DB with boron is carried out, including welding CCT curves determination, weld cold cracking susceptibility, the HAZ microstructure and properties, soldering heat input, weld heat treatment and mechanical properties of welded joint assessment. The results show that the hardened tendency of the AH70DB steel is smaller, and the cracking sensitivity which induced by hydrogen is lower. Under conditions of moderate restraint welding, the steel isn't preheated when the room temperature is above 10 ℃.In the condition of the harsh restraint intensity, low temperature preheating is achieved, preheat temperature must be above 50 ℃. With the welding processes recommended, welded joints of 25 mm thick steel AH70DB shows good overall performance, that can meet the requirements of industrial products.

Low carbon bainitic steelcold cracking susceptibilityweld processweld property

聯系人：孫斌，高級工程師，河南.安陽(455004)，安陽鋼鐵股份有限公司技術中心；2016—4—2