AH70DBD焊接性能研究

孫 斌 徐黨委 陳尹澤

（安陽鋼鐵集團有限責任公司）

0 前言

隨著冶金和制造技術的發展，人們在設計鋼結構和工程機械結構時，希望用高強高韌材料代替低強度材料，達到安全、降低自重等要求。同時,隨著焊接技術的發展，人們在鋼結構制造中越來越追求無預熱或低預熱焊接，以適應惡劣條件下的焊接要求。因此，低碳貝氏體高強度鋼的設計思想應運而生。其思想是通過降低鋼中的碳含量，充分利用微合金和淬透性元素，獲得細小的低碳貝氏體組織，達到使鋼具有高強、高韌、良好焊接性能的目的。國內煤礦液壓支架用鋼鐵材料的更新換代，為高強度鋼的發展提供了廣闊的市場，推動了低碳貝氏體鋼的發展，煤礦綜采設備中液壓支架的消費達到60%左右，其中鋼板焊接結構件約占支架重量的75%。液壓支架用高強鋼板在近10 余年內得到了飛速發展。2000年前普遍采用16Mn、 15MnVN，之后屈服強度460 MPa、550 MPa、和690 MPa級高強鋼板相繼得到使用并被逐步推廣[1]，其中僅煤機行業700 MPa級以上的高強度鋼板一年的用量就達到了20萬噸以上。

隨著具有高強度、高韌性和低焊接裂紋敏感性低碳貝氏體鋼的出現，又使得通過降低碳含量來改善焊接性能的趨勢更為明顯[2]。

1 AH70DB的鋼板實物質量

對AH70DB鋼板進行了全面測試，其實測化學成分、力學性能、系列溫度沖擊功分別見表1、表2和表3。

表1 實際測試AH70DB鋼化學成分 %

表2 對應測試AH70DB鋼力學性能

表3 系列溫度沖擊功

通過以上測試，說明AH70DB具備良好的強度、優異的韌性、良好的延伸性能，其組織為低碳貝氏體，同時具備低的碳當量（Ceq≤0.42%）和低的焊接裂紋敏感性指數(Pcm≤0.19%)，有良好的焊接性能。為確定其焊接性能，進行了焊接性能試驗。

2 AH70DB焊接性能

2.1 AH70DB鋼的臨界點

試驗按GB5056《鋼的臨界點測定方法》進行，AH70DB鋼的臨界點測定結果見表4（表中:AC1—鐵素體向奧氏體轉變的開始溫度；AC3—鐵素體向奧氏體轉變的終了溫度；MS—奧氏體轉變為馬氏體的開始溫度）。

表4 AH70DB鋼臨界點測定結果 ℃

2.2 焊接CCT圖

焊接CCT圖測定按GB5057《鋼的連續冷卻轉變曲線圖的測定方法》進行，不同冷卻條件下AH70DB鋼模擬熱影響區過熱區硬度見表5（表中:Cbs——貝氏體開始轉變的臨界冷卻時間；Cmf——馬氏體轉變終了臨界冷卻時間；Cfs——鐵素體開始轉變的臨界冷卻時間；Cps——珠光體開始轉變的臨界冷卻時間），AH70DB鋼焊接CCT圖，如圖1所示。

表5 AH70DB焊接CCT測試數據

圖1 AH70DB鋼焊接CCT圖

從圖1可以看出，AH70DB鋼出現貝氏體的臨界冷卻時間為16.9 s，馬氏體轉變終了的臨界冷卻時間為74 s,出現鐵素體的臨界冷卻時間670 s，出現珠光體的臨界冷卻時間為1 050 s。當t8/3≤16.9 s時，焊接熱影響區過熱區組織為100%馬氏體，硬度為325（HV5）；當16.9 s＜t8/3≤74 s時，熱影響區過熱區組織為馬氏體+貝氏體混合組織，隨著t8/3的增加，馬氏體逐漸減少,貝氏體逐漸增加，硬度逐漸降低，由325（HV5）逐漸降低到260（HV5）以下；當74 s＜t8/3≤670 s時，過熱區組織為100%貝氏體，HV5降低到240左右；當670 s＜t8/3≤1 050 s時，過熱區除貝氏體外開始出現鐵素體，HV5降低到 220左右；t8/3＞1 050 s以后，開始出現珠光體，過熱區組織為貝氏體+鐵素體+少量珠光體，隨著t8/3的增加相應的硬度值降低到200（HV5）左右。

2.3 AH70DB鋼焊接冷裂紋敏感性

針對AH70DB低碳貝氏體高強度鋼，進行了插銷冷裂紋試驗及斜Y坡口焊接裂紋試驗。插銷試驗使用HCL-3MC微機自動控制五頭插銷試驗機，按GB9446《焊接用插銷冷裂紋試驗方法》規定進行，采用GHS70焊絲進行試驗，在室溫（26 ℃）不預熱條件下焊接，AH70DB插銷臨界斷裂應力超過鋼材的實際屈服強度（620 MPa）。斜Y坡口焊接裂紋試驗按照GB4675.1規定執行，采用GHS70焊絲分別在室溫（25 ℃）不預熱、50 ℃預熱兩種條件下進行了焊接裂紋試驗。試件焊后放置48 h，進行表面、斷面裂紋檢查。檢查結果表明，30 mm厚AH70DB鋼板在室溫不預熱條件下焊接，小鐵研試驗的表面裂紋率為零，斷面裂紋率為7.9%；當預熱溫度為50 ℃時，小鐵研試驗的表面裂紋率及斷面裂紋率均為零。綜合AH70DB鋼兩項焊接試驗的結果可以得出，AH70DB鋼板焊接熱影響區淬硬傾向不是很大。在中等拘束條件下（如普通聯系焊縫、角焊縫等），采用實心焊絲富氬混合氣體保護焊，室溫不預熱焊接不會產生焊接冷裂紋，但在苛刻的拘束條件下（如定位焊、對接焊根部焊道、補焊等）焊接，應采取必要的預熱措施，預熱溫度應不低于50 ℃。由于不同厚度鋼板焊接時結構的拘束程度不同，在同樣焊接條件下防止焊接冷裂紋所需要的預熱溫度是不一樣的，如果實際結構AH70DB鋼板的板厚小于30 mm，預熱溫度可相應降低或可以不預熱。

2.4 AH70DB鋼焊接接頭綜合力學性能評定

分別采用MK.GHS70(等匹配)和SLD-60(低匹配)兩種焊絲，按表6中煤機廠推薦的焊接工藝參數，采用60型坡口，焊接20 mm厚AH70DB鋼對接接頭，試板尺寸為20 mm×150 mm×500 mm，試板焊后進行250 ℃保溫2 h消氫處理。按照GB2650~2655—89規定，分別對焊接接頭的拉伸性能、沖擊性能、彎曲性能及硬度進行了試驗。焊接接頭綜合力學性能見表7，MK.GHS70(等匹配)焊接接頭宏觀金相如圖2所示，焊接接頭的硬度分布情況如圖3所示。

表6 試板焊接條件

表7 AH70DB對接接頭綜合力學性能

圖2 GHS70焊接接頭宏觀金相

從表6、表7、圖2和圖3可以看出，采用煤機廠推薦的焊接工藝焊接AH70DB對接接頭，焊接接頭熔合情況良好，無宏觀焊接缺陷；采用MK.GHS70焊絲焊接的“等匹配”接頭，接頭橫向拉伸斷于母材，抗拉強度分別為695 MPa和690 MPa；采用SLD-60焊絲焊接的“低匹配”接頭，接頭橫向拉伸斷于母材，抗拉強度分別為690 MPa和705 MPa；兩種匹配焊接接頭彎曲性能良好（側彎 d=3a，α=180°）， 焊縫金屬及焊接熱影響區的平均沖擊功AKV-20 ℃較高，焊接接頭的最高硬度位于焊接熱影響區，HV10＜300，接頭硬度分布比較均勻，沒有出現明顯的硬化和軟化現象。試驗結果表明，AH70DB鋼板焊接接頭的焊接質量良好、綜合力學性能優良，能夠滿足工程及礦山機械的設計和使用要求。

圖3 GHS70焊接接頭硬度分布

3 結論

（1）AH70DB鋼焊接CCT圖測試結果表明：當t8/3≤16.9 s時，焊接熱影響區過熱區組織為100%馬氏體，硬度325（HV5）；當16.9 s≤t8/3≤74 s時,過熱區組織為M+B混合組織，硬度為325～260（HV5）；當74 s＜t8/3≤670 s時,過熱區組織為100%貝氏體，HV5降低到240左右。這表明AH70DB鋼板焊接熱影響區淬硬傾向不明顯。

（2）焊接冷裂紋敏感性試驗研究表明：在中等拘束條件下，30 mm厚AH70DB鋼采用實心焊絲富氬混合氣體保護焊，在不預熱條件下焊接可以防止冷裂紋產生，但在苛刻的拘束條件下，最低預熱溫度應該不低于50 ℃。

（3）AH70DB鋼焊后熱處理工藝試驗結果表明：焊后采用250 ℃保溫2 h消氫處理時AH70DB鋼焊接接頭的力學性能較好。

（4）采用煤機廠推薦的焊接工藝焊接AH70DB鋼對接接頭，焊接接頭的綜合力學性能良好，能夠滿足工礦產品的設計要求，實際應用中全部采用無預熱焊接。