1?000?MPa水電用高強鋼埋弧焊材試驗研究

任希樂 萬天明 康丹丹

摘要：隨著國內用電量的不斷增加，高水頭大容量抽水儲能電站的建設也不斷增多。針對國產(chǎn)B950CF鋼板使用自主研發(fā)的埋弧焊絲與焊劑，進行相關焊接性試驗。經(jīng)熔敷金屬試驗檢測，抗拉強度為979 MPa，屈服強度為812 MPa，-40 ℃沖擊吸收能量均在90 J以上，-60 ℃沖擊吸收能量均在60 J以上。并且在對接接頭焊接時也具有優(yōu)良的性能，板厚為70 mm的彎曲試驗合格率為100%。實現(xiàn)了高強度與高韌性的良好匹配，為國產(chǎn)1 000 MPa水電用鋼材在工程應用上奠定了基礎。

關鍵詞：1 000 MPa水電用高強鋼;埋弧焊材;國產(chǎn)B950CF鋼;熔敷金屬;力學性能

中圖分類號：TG457.11 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1001-2003（2021）04-0062-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.04.12

0 ? ?前言

目前，長江上游干流及金沙江、大渡河已經(jīng)或即將建設的大型高水頭電站項目共有33個，500萬kW以上的水電站就有向家壩、溪洛渡、白鶴灘、烏東德、龍盤峽等[1]。目前壓力鋼管的最高水頭已達到1 200 m，高強鋼管壁厚度已達90 mm，高強鋼月牙肋厚已為150 mm，HD值（H指蝸殼承受的內壓水頭，D指蝸殼進口斷面的直徑）已超過4 700 m2[2]。應用于工程的相應材料不斷更新?lián)Q代，800 MPa高強鋼已經(jīng)在水電領域普遍使用，1 000 MPa新材料也將逐步推廣使用。圍繞適用于大型水電站、抽水蓄能電站等重要部件用高塑韌性、超低焊接裂紋鋼板配套焊接材料，開展國產(chǎn)化焊材技術研究迫在眉睫且意義重大。在工程中使用1 000 MPa高強鋼材料，減少壁厚的同時也能減輕構件重量，降低施工難度，更減少了材料的使用量，在節(jié)能減排方面有著顯著效果。

對于1 000 MPa水電用高強鋼埋弧焊材來說，在保證高強度的同時，還需要達到一定的低溫韌性。而材料的強度越高，它的裂紋敏感性就越高，在滿足機械性能的同時，還需防止其產(chǎn)生熱裂紋與冷裂紋，技術難度較大。

1 試驗材料與方法

試驗鋼板為寶鋼B950CF調制鋼，試驗用焊材為自主研發(fā)，焊絲牌號XY-S100SD，焊劑牌號XY-AF100SD，試驗內容主要包括：熔敷金屬力學性能，38 mm厚度和70 mm厚度對接接頭相關試驗，熱影響區(qū)最高硬度試驗以及斷口SEM掃描與金相組織分析。

（1）熔敷金屬力學性能。開發(fā)之初對新的焊絲、焊劑進行熔敷金屬力學性能試驗以確定設計的成分是否滿足1 000 MPa水電用高強鋼焊材的要求。從焊縫成形到化學成分再到力學性能，最終達到水電用高強鋼焊材的標準，在滿足性能的前提下對焊材進行不同線能量（25～50 kJ/cm，5個檔位）的焊接試驗，盡可能地提高焊接效率，得到焊接線能量范圍，為今后實際應用提供有力的數(shù)據(jù)保障，并且進行了脆性轉變試驗。

（2）不同厚度對接接頭試驗。在熔敷金屬力學性能滿足要求之后，用母材B950CF鋼進行對接接頭試驗，板厚分別為38 mm與70 mm，試驗內容包括接頭拉伸和對接接頭側向彎曲。判斷該焊材在工程應用的大致情況。

（3）熱影響區(qū)最高硬度試驗。將焊接熱影響區(qū)最高硬度作為評價金屬焊接性（包括冷裂紋敏感性）的一個因子，既能反映鋼種的化學成分，又能反映焊接工藝參數(shù)影響下形成的不同組織形態(tài)。

（4）斷口SEM掃描與金相組織分析。了解水電用高強鋼焊縫的微觀斷口形貌，根據(jù)形貌特征判斷其性能。觀察了焊縫和熱影響區(qū)的微觀組織。

2 試驗結果與分析

2.1 主要試驗材料

（1）試驗用鋼板為寶鋼B950CF鋼板，板厚為38 mm、70 mm。化學成分與力學性能如表1所示。

（2）試驗用焊材。焊劑為氟堿型燒結焊劑，該焊劑配合此焊絲，焊接電弧穩(wěn)定，焊縫成形良好，脫渣容易。焊絲與焊劑化學成分如表2、表3所示。

2.2 主要試驗內容

2.2.1 熔敷金屬力學試驗

試驗按照GB/T 12470-2003標準嚴格執(zhí)行，試驗設備為ESAB Aristol1000AC/DC埋弧焊機，電流種類為直流反接，焊接位置為平焊，采用多層多道焊接，每道施焊溫度控制在160±10 ℃，分別采用25.0 kJ/cm，30 kJ/cm，35 kJ/cm，40 kJ/cm，50 kJ/cm五種線能量進行試驗，焊接參數(shù)如表4所示。

對于不同線能量，對比熔敷金屬抗拉強度和低溫沖擊韌性，并作出曲線，如圖1所示。

由圖1可知，隨著線能量的增大，在保證施焊溫度范圍一致及焊后熱處理250 ℃×2 h的條件不變的情況下，抗拉強度呈下降趨勢，當平均線能量為50 kJ/cm時，抗拉強度只有903 MPa;低溫沖擊吸收能量隨著線能量的增加總體也呈現(xiàn)下降趨勢，但下降幅度不大，最低值也出現(xiàn)在50 kJ/cm時。這是由于焊接線能量增大，焊接熱循環(huán)在相變溫度以上停留時間延長，尤其是焊接熱循環(huán)中t8/5冷卻時間延長，有助于晶粒長大，金相組織發(fā)生變化，焊縫性能會下降，并使熱影響區(qū)范圍增大，軟化帶也相應變寬[1]。所以在高強鋼焊接時，必須嚴格控制線能量范圍，避免晶粒粗大造成材料性能下降，此類高強鋼焊接時線能量≤35 kJ/cm是較為合適的。

脆性轉變溫度試驗是測定不同溫度對材料低溫沖擊吸收能量的影響。首先進行熔敷金屬試板焊接，然后在焊縫中心取沖擊試樣，分別進行不同溫度下的沖擊吸收能量試驗，按GB/T 229-2007中對脆性轉變溫度的試驗方法進行測定，試驗結果如圖2所示。

由圖2可知，隨著溫度的下降，沖擊吸收能量也在降低，但在-70 ℃時依然具有平均65 J的沖擊吸收能量，說明該組埋弧焊焊材組合具有優(yōu)秀的低溫沖擊吸收能量，能適應大部分地區(qū)的寒冷溫度，具有更大的使用范圍。

2.2.2 不同厚度母材對接接頭試驗

在熔敷金屬力學性能滿足設計要求后，采用該組焊材在母材（寶鋼B950CF）上進行了焊接工藝試驗，試驗內容包括：焊接接頭室溫拉伸試驗，焊接接頭沖擊吸收能量試驗（-40 ℃和-60 ℃），熱影響區(qū)最高硬度試驗，焊接接頭彎曲試驗，試驗嚴格按照GB/T 2651-2008、GB/T 2650-2008、GB/T 2653-2008、GB/T 2654-2008進行。焊接接頭坡口形式如圖3所示。試驗設備為ESAB Aristol1000AC/DC埋弧焊機。

焊接前對試板進行150±10 ℃預熱處理，用牛頭刨床進行機械清根，清根完畢后繼續(xù)將試板預熱至相同溫度進行施焊，焊接道溫范圍控制在170±15 ℃，施焊平均線能量為25 kJ/cm。進行了接頭室溫拉伸試驗及-40℃、-60℃的沖擊試驗，取樣位置如圖4所示，試驗結果見表5、表6。

2.2.3 熱影響區(qū)最高硬度試驗

因為硬度與強度有一定的對應關系，即強度高，對應的硬度也高。因此焊接熱影響區(qū)最高硬度也反映了焊接熱影響區(qū)的強度，而焊接熱影響區(qū)的強度超高，會導致其塑性降低，從而易形成裂紋或裂紋易于擴展。所以焊接熱影響區(qū)最高硬度也可以間接反映接頭的性能與焊材的裂紋敏感性[2]。

依據(jù)GB/T 4340.1-2009測定焊接接頭維氏硬度，試驗編號及參數(shù)如表7所示，試驗結果如圖5所示。

對于一般材料而言，熱影響區(qū)的粗晶區(qū)由于組織與晶粒的嚴重長大，常常成為焊接接頭的最薄弱環(huán)節(jié)[3]。由圖5a可知，焊接熱影響區(qū)硬度的最大值位于距焊縫中心線兩側2～4 mm。接頭HAZ存在一定程度的軟化，隨著線能量的增大，軟化區(qū)有遠離熔合線的趨勢，熱影響區(qū)寬度增加，硬度值降低。但線能量太大時容易引起HAZ軟化嚴重，影響接頭強度，因此在實際生產(chǎn)中應嚴格控制焊接線能量。

由圖5b可知，焊接熱影響區(qū)最高硬度與預熱溫度有關。試板經(jīng)100 ℃預熱后，熱影響區(qū)硬度均有一定程度的下降，熱影響區(qū)寬度適當增加，因此，合適的預熱溫度能夠降低焊接冷裂敏感性，防止焊材的開裂，保證了施工的安全性。

2.2.4 SEM沖擊斷口形貌觀察及金相組織

選取38 mm厚度對接試板的-40 ℃沖擊斷口樣進行SEM電子掃描，掃描結果如圖6所示。由圖6可知，沖擊斷口形貌主要由韌窩形貌（等軸韌窩與拋物線韌窩）組成，伴隨有少量的撕裂棱和準解理形貌，該斷口形貌造成沖擊斷裂時的吸收能力大，表現(xiàn)出較好的塑性。而熱影響區(qū)沖擊斷口能譜顯示韌窩區(qū)域內未含有雜質元素，斷口表面純凈無雜質，也是具有良好塑性的表現(xiàn)。

對接接頭焊接區(qū)域進行微觀組織觀察，拍攝倍數(shù)為1 000倍，試樣加工按照GB/T 13298標準進行。金相照片如圖7所示。

由圖7可知，金相組織主要為先共析鐵素體、粒狀貝氏體及少量的低碳馬氏體。低碳馬氏體的存在表示焊縫具有一定的裂紋敏感性，而先共析鐵素體中夾雜著針狀鐵素體，對塑性與韌性起主要作用。粒狀貝氏體阻礙了位錯運動，通過彌散強化、細晶強化和位錯強化提高焊縫的強度[4-5]。

3 結論

（1）自主研發(fā)的埋弧焊絲、焊劑焊接工藝優(yōu)良，適應大線能量焊接。35 kJ/cm線能量焊接時，抗拉強度為930 MPa，-40 ℃沖擊平均值達到85 J，在實際工程應用中有較高的工作效率。

（2）無論是38 mm還是70 mm厚度的對接接頭，力學性能均優(yōu)異，焊縫具有良好的低溫沖擊韌性。

（3）線能量增大，熱影響區(qū)寬度增加，熱影響區(qū)硬度下降。適當?shù)念A熱溫度可以降低熱影響區(qū)硬度，增加熱影響區(qū)寬度，降低冷裂敏感性。

（4）沖擊斷口呈現(xiàn)大量韌窩形貌，使低溫韌性得到保障;而純凈無雜質的斷口也使沖擊值未出現(xiàn)低值。

參考文獻：

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收稿日期：2020-12-14;修回日期：2021-02-14

作者簡介：任希樂（1990—），男，學士，工程師，主要從事焊接材料的研發(fā)及焊接工藝評定的相關研究。E-mail：316865547@qq.com。