張 熹，董現(xiàn)春，鞠建斌，陳延清，章 軍

(首鋼技術(shù)研究院，北京 100043)

焊接材料

高強(qiáng)熱軋卷板SQ600MC焊接性研究

張 熹，董現(xiàn)春，鞠建斌，陳延清，章 軍

(首鋼技術(shù)研究院，北京 100043)

評(píng)價(jià)了SQ600MC的焊接性。采用熱模擬測(cè)定了首鋼生產(chǎn)的SQ600MC鋼焊接連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線，得到SQ600MC熱影響區(qū)粗晶區(qū)的組織轉(zhuǎn)變規(guī)律；最高硬度試驗(yàn)和斜Y冷裂紋敏感性試驗(yàn)結(jié)果表明SQ600MC具有低的冷裂敏感性；焊接工藝試驗(yàn)表明熱輸入在14.26～20.16 kJ／cm范圍內(nèi)SQ600MC焊接接頭的力學(xué)性能夠滿足使用要求。

高強(qiáng)鋼；SQ600MC；焊接性

0 前言

工程機(jī)械行業(yè)是機(jī)械工業(yè)的重要組成部分，工程機(jī)械主要包括挖掘機(jī)械、鏟土運(yùn)輸機(jī)械、工程起重機(jī)械、叉車、工業(yè)車輛等零部件。這些機(jī)械的制造所需的焊接結(jié)構(gòu)部件用材通常稱為工程機(jī)械用鋼[1]。600 MPa級(jí)工程機(jī)械用鋼主要用于工程結(jié)構(gòu)、煤機(jī)制造行業(yè)，如大型推土機(jī)底板、汽車起重機(jī)的液壓支架、挖掘機(jī)底板、液壓支架等。工程機(jī)械服役環(huán)境十分惡劣，除了承受負(fù)責(zé)的疲勞、沖擊承載外，在嚴(yán)寒地區(qū)服役還得受到低溫作業(yè)的考驗(yàn)。這不僅要求工程機(jī)械用鋼母材的性能符合服役條件的要求，而且要求機(jī)械工程用鋼具有良好的焊接性，從而保證工程機(jī)械的安全服役[2]。為了滿足日益增長(zhǎng)的工程機(jī)械用鋼需求，首鋼開(kāi)發(fā)了SQ600MC熱軋板卷。為了全面、客觀地了解首鋼SQ600MC焊接性，本研究測(cè)定了SQ600MC的焊接連續(xù)冷卻曲線，評(píng)價(jià)了其冷裂敏感性并對(duì)實(shí)際焊接接頭進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試。

1 試驗(yàn)鋼的成分和性能

為了提高工程機(jī)械用鋼的綜合性能和焊接性，首鋼采用微合金化技術(shù)，同時(shí)降低硫、磷等有害元素含量，提高鋼純凈度。試驗(yàn)采用首鋼9.8mm厚SQ600MC熱軋板卷為試驗(yàn)材料，成分和力學(xué)性能如表1、表2所示，其基體組織為鐵素體+貝氏體，如圖1所示。

表1 SQ600MC鋼板的化學(xué)成分%

表2 SQ600MC鋼板的力學(xué)性能

圖1 SQ600MC金相組織

2 SQ600MC焊接連續(xù)冷卻曲線(SHCCT)的測(cè)定

試驗(yàn)采用Gleeble1500熱模擬試驗(yàn)機(jī)，通過(guò)測(cè)定11種冷卻速率下SQ600MC鋼的組織轉(zhuǎn)變規(guī)律，得到了SQ600MC的焊接連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線(SH-CCT曲線)，如圖2所示。熱影響區(qū)組織隨t8／5的變化規(guī)律如圖3、圖4所示，熱影響區(qū)組織的硬度隨t8／5的變化規(guī)律如圖5所示。

圖2 SQ600MC鋼的焊接連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線

圖3 金相組織與冷卻速率(t8／5)的關(guān)系

由以上試驗(yàn)結(jié)果可知：

(1)隨著焊接熱輸入的增加，焊后冷卻速度由快變慢，SQ600MC熱影響區(qū)粗晶區(qū)可能會(huì)發(fā)生M、M+ B、B、B+F、B+F+P、F+P(M—馬氏體；B—貝氏體；F—鐵素體；P—珠光體)六種組織轉(zhuǎn)變。t8／5＜3 s時(shí)粗晶區(qū)發(fā)生100%M相變；3 s≤t8／5＜40 s時(shí)粗晶區(qū)發(fā)生M+ B相變；40 s≤t8／5＜80 s時(shí)粗晶區(qū)發(fā)生100%B相變；80 s≤t8／5＜600 s時(shí)粗晶區(qū)發(fā)生B+F相變；600 s≤t8／5＜1 600 s時(shí)粗晶區(qū)發(fā)生B+F+P相變；t8／5≥1 600 s時(shí)粗晶區(qū)發(fā)生F+P相變。

(2)隨著t8／5的逐漸增加，即線能量的增加，粗晶區(qū)的維氏硬度HV10逐漸下降，熱影響區(qū)的硬度最高值為HV10291，最高硬度值較低，表明該鋼種淬硬傾向和冷裂敏感性較小。

圖4 組織比例與t8／5之間的關(guān)系

圖5 組織硬度與t8／5之間的關(guān)系

(3)熱模擬t8／5在15～100s時(shí)的熱輸入與氣保護(hù)焊12～32kJ／cm的熱輸入相當(dāng)，熱影響區(qū)發(fā)生的B、B+M組織轉(zhuǎn)變，硬度值在HV10220～240之間，低于國(guó)際焊接學(xué)會(huì)提出的具有焊接冷裂紋傾向的臨界硬度值HV10350，因此該鋼在氣保護(hù)焊時(shí)冷裂傾向較小。

3 SQ600MC的冷裂傾向評(píng)價(jià)

(1)Ceq和Pcm的計(jì)算。

鋼的化學(xué)成分直接影響焊接熱影響區(qū)的冷裂傾向，常用碳當(dāng)量評(píng)價(jià)鋼材的冷裂紋敏感性。對(duì)于中、高強(qiáng)度的非調(diào)質(zhì)低合金高強(qiáng)度鋼，常用國(guó)際焊接學(xué)會(huì)(IIW)推薦的公式和日本提出的焊接冷裂紋敏感性當(dāng)量Pcm來(lái)判斷鋼的焊接性優(yōu)劣：

按以上公式計(jì)算，9.8 mm厚SQ600MC的碳當(dāng)量Ceq＝0.332%，Pcm＝0.156%。表明該鋼種處于Graville焊接性評(píng)價(jià)圖的易焊區(qū)內(nèi)，且計(jì)算的焊接冷裂敏感性當(dāng)量符合Pcm＜0.2%，即該鋼種具有小的冷裂敏感性。

(2)焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)。

焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)按照J(rèn)IS Z 3101-1990(GB4675.5-1984)“焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)方法”進(jìn)行。不預(yù)熱(室溫0℃)進(jìn)行最高硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。最高硬度結(jié)果表明，其不預(yù)熱下熱影響區(qū)的最高硬度為HV10222.88，遠(yuǎn)小于國(guó)際焊接學(xué)會(huì)提出的具有焊接冷裂紋傾向的臨界硬度值HV10350，表明該鋼種淬硬傾向較小。

圖6 SQ600MC熱影響區(qū)最高硬度

(3)斜Y坡口冷裂敏感性試驗(yàn)。

斜Y坡口冷裂敏感性試驗(yàn)參考JIS Z 3158-1993(GB4675.1-1984)“斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)方法”進(jìn)行。試驗(yàn)焊絲采用HS-70，不預(yù)熱(室溫0℃)試驗(yàn)時(shí)，焊后48 h后滲透著色檢驗(yàn)表面裂紋，然后將試樣機(jī)械加工并經(jīng)過(guò)研磨拋光后，通過(guò)金相顯微鏡放大100倍檢驗(yàn)斷面裂紋，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：表面裂紋率0%，斷面裂紋率遠(yuǎn)小于20%，由于斜Y裂紋敏感性試驗(yàn)試驗(yàn)條件比較苛刻，表明該鋼在不預(yù)熱焊接時(shí)產(chǎn)生冷裂紋的幾率很小。

表3 斜Y坡口冷裂敏感性試驗(yàn)結(jié)果(規(guī)格：9.8 mm厚)

4 焊接工藝研究

焊接試板尺寸9.8 mm×200 mm×600 mm，開(kāi)雙面60°坡口，采用HS-70氣保護(hù)實(shí)心焊絲，使用φ(Ar) 80%+φ(CO2)20%氣體保護(hù)焊，兩種線能量下焊接試板兩付。焊接前不預(yù)熱(環(huán)境溫度0℃)，層間溫度150℃～200℃，具體焊接規(guī)范如表4所示。

焊接后對(duì)兩付試板進(jìn)行力學(xué)檢驗(yàn)，按照標(biāo)準(zhǔn)GB2650-2652進(jìn)行焊接接頭的力學(xué)性能檢驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5、表6所示。焊接接頭的拉伸、冷彎性能合格，拉伸斷裂位置雖然位于焊縫，但性能滿足使用要求；沖擊結(jié)果顯示(試樣尺寸5mm×10mm×55 mm)，焊接板的焊縫中心和熱影響區(qū)0℃、-20℃沖擊功都保持較高水平，可以滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。線能量在14.26～20.16 kJ／cm內(nèi)，線能量較高時(shí)焊縫中心的沖擊功較線能量較低時(shí)要低，根據(jù)圖7可知，不同線能量下焊縫沖擊功的差異是由焊縫中針狀鐵素體的晶粒度不同造成的，即線能量大時(shí)焊縫中的針狀鐵素體比線能量小時(shí)粒度要??；線能量在14.26～20.16 kJ／cm范圍內(nèi)時(shí)，線能量對(duì)熱影響區(qū)的沖擊功影響較少。由圖8可知兩種線能量下粗晶區(qū)都為貝氏體且晶粒度相當(dāng)，因此導(dǎo)致了熱影響區(qū)的沖擊功在該線能量范圍內(nèi)差別較小。

表4 氣體保護(hù)焊工藝參數(shù)

表5 試板焊接接頭力學(xué)性能

表6 焊接接頭沖擊韌性

圖7 焊縫中心金相照片(500×)

5 結(jié)論

(1)采用Gleeble1500測(cè)得的SQ600MC的焊接CCT曲線表明：t8／5＜3s時(shí)粗晶區(qū)發(fā)生100%M相變；3s≤t8／5＜40 s時(shí)粗晶區(qū)發(fā)生M+B相變；40 s≤t8／5＜80 s時(shí)粗晶區(qū)發(fā)生100%B相變；80 s≤t8／5＜600 s時(shí)粗晶區(qū)發(fā)生B+F相變；600 s≤t8／5＜1 600 s時(shí)粗晶區(qū)發(fā)生B+ F+P相變；t8／5≥1 600 s時(shí)粗晶區(qū)發(fā)生F+P相變。

(2)焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)和斜Y冷裂敏感性試驗(yàn)表明：SQ600MC的冷裂紋敏感性較低，在不預(yù)熱(室溫0℃)條件下焊接，產(chǎn)生冷裂紋的幾率很小。

(3)焊接工藝試驗(yàn)表明，熱輸入14.26～20.16 kJ／cm內(nèi)進(jìn)行焊接，焊接接頭的拉伸和沖擊性能能夠滿足使用要求，HS-70氣保護(hù)焊絲與母材匹配合適。

圖8 粗晶區(qū)金相照片(500×)

[1]李燦明，王建景，閆志華.國(guó)內(nèi)工程機(jī)械用鋼發(fā)展現(xiàn)狀和市場(chǎng)預(yù)測(cè)[J].山東冶金，2008(5)：9-11.

[2]史耀武，韓準(zhǔn)祥.工程機(jī)械用800MPa低合金高強(qiáng)鋼焊接熱影響區(qū)斷裂韌性評(píng)價(jià)[J].熱加工工藝，2006(15)：1-5.

Study on the weldability of high strength hot roll bending steel plate SQ600MC

ZHANG Xi，DONG Xian-chun，JU Jian-bin，CHEN Yan-qing，ZHANG Jun
(Shougang Research Institute of Technology，Beijing 100043，China)

The article evaluates the weldability of SQ600MC.The welding continuous cooling transformation curve of Shougang'SQ600MC was determinated and the transformation regularity of coarse grain zone'microstructure was acquired.The results of maximum hardness test and Y-slit type cracking test indicated that the cooling crack sensibility of SQ600MC is lower.While the heat input from 14.26 to 20.16 kJ／cm，the mechanical properties of welding joint satisfied operation requirement.

high strength steel；SQ600MC；weldability

TG457.1

A

1001-2303(2011)05-0093-04

2010-11-03

張 熹(1980—)，男，天津人，碩士，主要從事板材焊接性的研究工作。