Q690抗震耐蝕鋼埋弧焊熔敷金屬性能研究

張慶素，陳振業(yè)，陳 波，齊建軍，胡曉波，馮 偉

1.哈爾濱威爾焊接有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150060 2.河鋼股份有限公司，河北 石家莊 050023

0 前言

隨著近年來世界各地基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的蓬勃開展，高強(qiáng)鋼的用量越來越大。Q690鋼是一種調(diào)質(zhì)型低合金高強(qiáng)鋼，具有優(yōu)良的強(qiáng)韌性匹配，既具有優(yōu)于普通碳素鋼的性能，又能把成本控制在恰當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。因此在工程機(jī)械、壓力管道、海洋裝備、橋梁、大型建筑和輸電塔架等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［1-5］。

Q690在設(shè)計(jì)時(shí)就兼顧了強(qiáng)度、韌性、焊接性等多方面的性能需求。在焊接性方面，采用了一系列措施使其具備低焊接裂紋敏感性。如低碳當(dāng)量，加入改善韌性的元素，降低P、S等有害元素含量，用Ca對(duì)夾雜物進(jìn)行球化處理等。

但是，盡管在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)采取了上述措施以改善Q690的焊接性，在實(shí)際施焊時(shí)仍需根據(jù)實(shí)際構(gòu)件的尺寸以及選用的焊材制定恰當(dāng)?shù)暮附庸に嚒５吞籍?dāng)量固然能顯著降低鋼的焊接裂紋傾向，但也需要在元素分布均勻，增韌元素狀態(tài)恰當(dāng)?shù)那闆r下才能發(fā)揮作用。而這些均需要合理的焊接工藝提供保障［6-11］。

本文源于《建筑結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度抗震耐蝕鋼焊接材料研發(fā)及焊接性能評(píng)價(jià)》項(xiàng)目，根據(jù)項(xiàng)目需求，需要對(duì)Q690鋼進(jìn)行埋弧焊熔敷金屬性能的研究。項(xiàng)目對(duì)埋弧焊熔敷金屬抗拉強(qiáng)度以及-40℃沖擊韌性有較高的要求。本研究嘗試通過熔敷金屬工藝試驗(yàn)，尋找恰當(dāng)?shù)穆窕『腹に噮?shù)，為工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

Q690高強(qiáng)鋼焊接過程中，如果焊接工藝不當(dāng)，會(huì)造成較大的淬硬、冷裂傾向［12］。因此工程應(yīng)用中對(duì)其焊接工藝參數(shù)控制非常嚴(yán)格。在此選用哈爾濱威爾焊接有限責(zé)任公司（威爾公司）研制的Q690抗震耐蝕鋼埋弧焊材料H80GJ/SJ111G。

1.1 試驗(yàn)材料

選用河鋼生產(chǎn)的Q690母材，化學(xué)成分如表1所示，供貨狀態(tài)下母材力學(xué)性能如表2所示。

表1 Q690母材化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1Chemical composition of Q690 base metal（wt.%）

表2 Q690母材力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of Q690 base metal

所用焊絲為威爾公司專為Q690抗震耐蝕鋼的埋弧焊研制的H80GJ焊絲，規(guī)格Φ4.0 mm，化學(xué)成分如表3所示。

表3 H80GJ焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 3 Chemical composition of H80GJ wire（wt.%）

所用焊劑為威爾公司配套研制的氟堿型低氫高堿度焊劑SJ111G，屬CaF2-MgO-TiO2-Al2O3-SiO2渣系，化學(xué)成分如表4所示。該焊劑可保證熔敷金屬具有較低的S、P含量，且對(duì)擴(kuò)散氫的含量控制效果較好，進(jìn)而有利于提高熔敷金屬的低溫韌性。

表4 SJ111G焊劑化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 4 Chemical composition of Flux SJ111G（wt.%）

1.2 試驗(yàn)方法

試樣制備參照GB/T 25774.1-2010，熔敷金屬室溫拉伸按GB/T 228.1-2010和GB/T 2652-2008進(jìn)行；沖擊試驗(yàn)按GB/T 229-2007進(jìn)行，硬度測(cè)試按GB/T 231.1-2018進(jìn)行。

試樣尺寸如圖1所示，焊接電源為L(zhǎng)INCOLN AC/DC-1000。采用不同道間溫度、焊接熱輸入進(jìn)行Q690高強(qiáng)鋼埋弧焊，研究道間溫度、焊接熱輸入對(duì)熔敷金屬性能的影響。

圖1 試樣制作示意圖Fig.1 Schematic diagram of sample making

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 道間溫度的影響

為便于生產(chǎn)過程控制，試驗(yàn)設(shè)定3種道間溫度，焊接參數(shù)如表5所示，電源極性為DCEP。

表5 焊接工藝參數(shù)Table 5 Parameters of welding process

不同道間溫度對(duì)應(yīng)的熔敷金屬拉伸性能曲線如圖2所示。道間溫度對(duì)熔敷金屬力學(xué)性能影響明顯。當(dāng)?shù)篱g溫度低于100℃時(shí)，熔敷金屬拉伸試樣脆斷（見圖3），抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度非常低，延伸率低于10%；當(dāng)?shù)篱g溫度大于200℃，熔敷金屬屈服強(qiáng)度下降明顯。

圖2 道間溫度-熔敷金屬拉伸性能曲線Fig.2 interpass temperature-deposited metal tensile properties curve

圖3 道間溫度低于100℃拉伸試樣照片F(xiàn)ig.3 Tensile sample while interpass temperature below 100℃

道間溫度對(duì)熔敷金屬?zèng)_擊韌性的影響如圖4所示（3次平均值）。道間溫度從小于100℃到100～200℃時(shí)，沖擊值顯著增加；當(dāng)?shù)篱g溫度大于200℃時(shí)，熔敷金屬-40℃沖擊值平均值下降明顯。

圖4 道間溫度-熔敷金屬?zèng)_擊曲線Fig.4 interpass temperature-deposited metal impact curve

道間溫度低于100℃時(shí)，拉伸試樣斷口有肉眼可見白點(diǎn)狀缺陷，重復(fù)試驗(yàn)仍然出現(xiàn)。道間溫度大于100℃時(shí)，白點(diǎn)狀缺陷消失。對(duì)缺陷位置進(jìn)行斷口掃描電鏡分析，結(jié)果如圖5所示。由掃描電鏡分析可知，白點(diǎn)中心有異常的夾雜物，夾雜物周邊呈現(xiàn)解理狀脆性相。夾雜物能譜分析結(jié)果如圖6所示。

圖5 道間溫度低于100℃的拉伸斷口微觀組織Fig.5 Microstructure of tensile fracture with interpass temperature below 100℃

圖6 夾雜物能譜分析Fig.6 Energy spectrum analysis of inclusions

由能譜分析可知，該夾雜物中Ca、Mg、F、O的含量非常高，可以推斷為非金屬夾渣。由于道間溫度低，熔敷金屬的參與擴(kuò)散氫含量增加，熔敷金屬在受力時(shí)，殘存的氫容易聚集于缺陷位置周邊的高能量晶界，導(dǎo)致熔敷金屬受力時(shí)出現(xiàn)異常脆斷。

可以得出，隨著道間溫度增大，熔敷金屬強(qiáng)度和延伸率逐漸提高，屈服強(qiáng)度和沖擊平均值先增加后降低。道間溫度低于100℃時(shí)，容易出現(xiàn)氫致缺陷，導(dǎo)致熔敷金屬抗拉強(qiáng)度和延伸率大大下降。道間溫度高于200℃時(shí)，熔敷金屬高溫停留時(shí)間增大，導(dǎo)致熔敷金屬晶粒粗大，從而使得熔敷金屬屈服強(qiáng)度和沖擊韌性大大下降。道間溫度控制在100～200℃時(shí)，熔敷金屬的強(qiáng)韌性非常好，延伸率適中。

2.2 焊接熱輸入的影響

保持道間溫度150～200℃，電流設(shè)置為550～650 A，焊接速度為350～500 mm/min，電壓30 V，進(jìn)行焊接熱輸入對(duì)熔敷金屬力學(xué)性能的影響研究，具體焊接參數(shù)如表6所示。

表6 設(shè)定的焊接工藝參數(shù)Table 5 Preset welding parameters

不同熱輸入對(duì)應(yīng)的熔敷金屬拉伸性能曲線如圖7所示，當(dāng)熱輸入為19.8～23.4 kJ/cm時(shí)，隨著熱輸入增加，熔敷金屬抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中屈服強(qiáng)度下降明顯。熱輸入為23.0 kJ/cm、23.4 kJ/cm時(shí)，屈服強(qiáng)度低于690 MPa，不能滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求。

圖7 熱輸入-熔敷金屬拉伸性能曲線Fig.7 Heat input-deposited metal tensile properties curve

熱輸入對(duì)沖擊平均值和布氏硬度的影響如圖8所示。隨著熱輸入增加，熔敷金屬?zèng)_擊平均值先增加，當(dāng)熱輸入大于21.6 kJ/cm時(shí)，熔敷金屬?zèng)_擊平均值降低明顯，布氏硬度隨熱輸入增加而下降。

圖8 熱輸入-熔敷金屬布氏硬度、沖擊平均值曲線Fig.8 Heat input-deposited metal Brinell hardness and impact energy curve

低熱輸入一方面可以減小熱影響區(qū)，使異常組織區(qū)域減小，從而提高力學(xué)性能。另一方面，低熱輸入使有害氣體（如氫）的帶入風(fēng)險(xiǎn)降低，也有助于提高力學(xué)性能。但低熱輸入會(huì)縮短熔池存在的時(shí)間。而對(duì)于埋弧焊，熔池需要一定的存在時(shí)間才能完成各種有利的冶金反應(yīng)，如造渣、氣體的生成以及上浮，焊絲和焊劑中合金元素的滲入、均勻化等，都需要一定的時(shí)間。所以熱輸入不能太低。如圖8所示，當(dāng)熱輸入從19.8 kJ/cm提高到21.6 kJ/cm后，沖擊韌性有顯著的提升。

而熱輸入過高雖然使熔池中的冶金反應(yīng)可以充分地進(jìn)行，但也導(dǎo)致熱影響區(qū)擴(kuò)大、吸氣傾向增大，這些會(huì)不同程度地?fù)p害力學(xué)性能。

綜上所述，當(dāng)焊接電流為550～600A，電壓30 V，焊接速度500 mm/min，即熱輸入為19.8～21.6 kJ/cm時(shí)，熔敷拉伸性能相對(duì)穩(wěn)定，-40℃韌性充足。

2.3 熔敷金屬成分及力學(xué)性能

應(yīng)用上述試驗(yàn)方法，焊接參數(shù)選用表6中的編號(hào)2，得到H80GJ/SJ111G熔敷金屬化學(xué)成分如表7所示，力學(xué)性能如表8所示。

表7 H80GJ/SJ111G熔敷金屬化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 7 Chemical composition of H80GJ/SJ111G deposited metal（wt.%）

表8 H80GJ/SJ111G熔敷金屬力學(xué)性能Table 8 Mechanical properties of H80GJ/SJ111G deposited metal

由表8可知，H80GJ/SJ111G熔敷金屬力學(xué)性能優(yōu)異，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、-40℃沖擊功滿足目標(biāo)要求。

4 結(jié)論

（1）Q690抗震耐蝕鋼埋弧焊用焊絲/焊劑H80GJ/SJ111G，能夠滿足建筑結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度抗震耐蝕鋼項(xiàng)目要求。

（2）道間溫度低于100℃時(shí)，熔敷金屬受力時(shí)容易出現(xiàn)氫脆缺陷，此時(shí)熔敷金屬抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度降低。道間溫度為100～200℃時(shí)，熔敷金屬屈服強(qiáng)度、延伸率以及-40℃沖擊平均值最佳，抗拉強(qiáng)度適中。

（3）隨著熱輸入增大，熔敷金屬拉伸性能總體呈下降趨勢(shì)，熔敷金屬?zèng)_擊平均值隨熱輸入增加先增加后降低，熱輸入為21.6 kJ/cm時(shí)熔敷金屬?zèng)_擊平均值最佳。布氏硬度隨著熱輸入增大而降低。

（4）推薦焊接參數(shù)為：道間溫度100～200℃，電流550～600 A，電壓30 V，焊接速度500 mm/min，熱輸入為19.8～21.6 kJ/cm。