BS700MCK2低合金高強鋼焊接工藝及焊接接頭性能分析

王洪權 趙河林 王許濤

河南森源重工有限公司 河南省長葛市 461500

1 序言

低合金高強度鋼是在低合金鋼中添加C、Si、Mn等主要元素（含量≤5%）及Nb、V、Ti等微量元素，并采用先進的冶煉工藝和熱處理工藝生產的屈服強度大于600MPa的鋼種[1]。低合金高強鋼含碳量低，可焊性好，晶粒細小，屈服強度高。

BS700 MCK2是寶鋼2005年開發的具有優良低溫韌性的第二代高強鋼。BS系列高強鋼為低碳低合金結構鋼，具有良好的可焊性和冷成形性，廣泛應用于工程機械、車輛結構、集裝箱等制造行業。

本公司研發的泵車等產品主要采用BS700MCK2低合金高強度鋼，因此對BS700MCK2鋼的焊接工藝及接頭性能進行了試驗及評定，為生產提供合適的焊接工藝。

2 試驗材料及試驗方法

試驗用屈服強度700MPa級高強鋼板BS700MCK2由寶鋼生產，交貨狀態為扎態（TMCP），鋼板厚度12mm。鋼板化學成分見表1，其力學性能見表2。

BS700MCK2試件焊接選用瑞典伊薩OK.Aristorod.69低合金氣保護實芯焊絲，符合標準EN ISO 16834-A: G 69 4 M Mn3Ni1CrMo。焊絲成分見表3，熔敷金屬力學性能見表4。

表1 BS700MCK2鋼板化學成分（wt.%）

表2 BS700MCK2鋼板力學性能

表3 OK.Aristorod.69焊絲成分

表4 OK.Aristorod.69焊絲熔敷金屬力學性能

試件尺寸12mm×150mm×300mm，采用雙邊60°V形坡口的對接形式，鈍邊2mm，裝配間隙2mm，如圖1所示。

試件焊前除油、除銹。焊前不預熱，焊后不熱處理。MAG焊焊接順序為：（1）正面打底焊；（2）背面打底焊，焊前清根；（3）背面蓋面焊，焊前清理焊道表面；（4）正面蓋面焊，焊前清理焊道表面，防止焊道間夾渣。焊接參數見表5。

試件抗拉試驗按照GB/T 2651規定的試驗方法制備抗拉試樣形式及尺寸，并測定焊接接頭的抗拉強度。試件彎曲試驗按GB/T 2653規定的試驗方法制備彎曲試樣形式及尺寸，并測定焊接接頭的完好性和塑性。試件沖擊試驗按照GB/T 2650規定的試驗方法制備試樣形式，并測定焊接接頭或焊縫在受沖擊載荷時的抗折斷能力。

BS700MCK2焊接工藝評定試樣明細如表6所示。

3 BS700MCK2鋼焊接性分析

焊接性是指金屬材料在采用一定的焊接工藝（如焊接方法、焊接材料、焊接規范及焊接結構形式等）條件下，獲得優良焊接接頭的難易程度。主要包括兩方面內容：一是工藝性能，在一定焊接工藝條件下，形成焊接缺陷的敏感性；二是使用性能，在一定的焊接工藝條件下，其焊接接頭對使用要求的適用性，如承受靜載荷、沖擊載荷、疲勞載荷及抗高低溫性能、抗氧化、腐蝕性能等。金屬如果能夠用較多普通又簡單的焊接工藝獲得優質接頭，可認為這種金屬具有良好的焊接性能。

金屬材料的焊接性主要采用三個指標：碳當量，冷裂紋敏感系數及熱影響區最高硬度等。碳當量計算公式如式3-1，冷裂敏感系數計算公式如式3-2。

Ceq=C+Mn/6+（Cu+Ni）/15+（Cr+Mo+V）/5 （式3-1）

Pcm=C+Si/30+（Mn+Cu+Cr）/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B （式3-2）

當Ceq≤0.4%時，材料焊接性較好；Ceq＝0.4%～0.6%，材料焊接性稍差，易產生冷裂紋，焊前需要適當預熱；Ceq≥0.6%時，材料焊接性較差，屬于難焊材料，需要采用較高的預熱溫度和嚴格的焊接工藝方法。

根據BS700MCK2鋼成分含量計算其碳當量Ceq≤0.42%和冷裂紋敏感指數Pcm≤0.21%。試驗環境溫度為20℃，不需要預熱直接可以焊接；但環境溫度低于0℃時，試件需要預熱防止產生冷裂紋。

4 試驗結果及分析

焊接接頭的機械性能主要取決于焊縫金屬組織、晶粒大小及焊縫金屬化學成分等因素，還與試件焊前焊后熱處理狀態有關。

4.1 焊接接頭抗拉性能分析

表7是BS700MCK2試件拉伸試驗結果。從表中可以看出，試樣PL1和PL2抗拉強度檢測值均超過母材最低抗拉強度值，且斷裂位置出現在熔合區。焊縫熔合區具有明顯的化學和物理不均勻性，組織性能突變明顯，是焊接接頭中最薄弱的部位，對于低合金高強鋼來說，問題更突出[2-3]。

試樣PL3試樣經過500℃加熱，試樣在母材處斷裂，即熱影響區母材，且其抗拉強度值低于母材抗拉強度最低值的95%（712MPa）。其原因是熱影響區組織不均勻導致力學性能的差異。雖然試樣經過500℃加熱，但加熱時間過長，導致熱影響區組織晶粒嚴重長大，冷卻后得到晶粒粗大的過熱組織，最終導致焊接接頭抗拉強度降低。

圖1 試件接頭形式

表5 BS700MCK2鋼焊接參數

表6 BS700MCK2焊接工藝評定試樣明細

4.2 焊接接頭彎曲性能分析

表8是BS700MCK2試件彎曲試驗結果。其中一個面彎試樣拉伸面的焊縫區出現了7mm的裂紋，其它彎曲試樣的焊縫及熱影響區均未出現裂紋。

4.3 焊接接頭沖擊性能分析

BS700MCK2試件沖擊試驗結果如表9所示。焊縫金屬和熱影響區-20℃夏比V形缺口沖擊功平均值分別為88.7J和73.3J，均超過技術指標，說明BS700MCK2試件焊接接頭沖擊性能較好，可以滿足設計需求。但是試件熱影響區的沖擊韌性比焊縫金屬沖擊韌性低，其主要原因是低合金高強鋼焊接后，其熱影響區組織比較粗大，降低了熱影響區的沖擊韌性[4-5]。

5 結語

低合金高強鋼焊接面臨的主要問題是：一是防止裂紋；二是在保證高強度的同時，提高焊縫金屬和熱影響區的沖擊韌性。因此低合金高強鋼焊接時，選擇和制定合適的焊接工藝及規范是十分重要的。

表7 BS700MCK2試件拉伸試驗結果

表8 BS700MCK2試件彎曲試驗結果

表9 BS700MCK2試件沖擊試驗結果