WHT590高強鋼焊接性試驗及工藝評定

周 林，盛連才，劉傳寧

（中國水利水電第三工程局有限公司，陜西 西安 710016）

0 前言

在20世紀90年代，高壓管道、壓力容器用的600 MPa及以上級的高強結(jié)構(gòu)鋼都以進口為主，價格昂貴。20世紀末至21世紀初，國產(chǎn)600MPa、800 MPa級高強鋼已經(jīng)成熟。WHT590鋼是當時為水電站引水壓力鋼管開發(fā)的600MPa級高強鋼的一個型號，在許多方面值得探討與研究，在此就焊接工藝進行了試驗與評定。

1 材料性能

WHT590鋼為代替同類進口鋼材而專門開發(fā)的低焊接裂紋敏感性的控軋鋼，C含量小于或等于0.07%。該鋼板按低碳貝氏體鋼設計，采用控軋控冷工藝，依靠微合金化的晶粒細化、沉淀強化、位錯強化和貝氏體強化作用，輔以高溫回火處理,進一步提高鋼板的韌性并使之均勻化。交貨材料質(zhì)保書中的化學成份和機械性能分別見表1和表2。

由表1可知，鋼材碳當量較高，Ceq值大于0.45%，冷裂紋敏感指數(shù)Pcm大于0.20%，產(chǎn)生冷裂紋的傾向較大，屬于較難焊接的材料，與鋼廠的試驗結(jié)果不相符合。

因WHT590鋼是第一次用于水電站壓力鋼管，按用戶要求對已經(jīng)到貨的鋼板進行了抽樣檢驗。按不同板厚、爐號、批號分別抽取兩個試樣的方法，共抽取9組18個試樣進行了檢驗，檢驗結(jié)果分別見表3、表4。

表1 WHT590鋼的化學成分 %

表2 WHT590鋼的力學性能

表3 WHT590鋼抽樣樣品檢驗的化學成分 %

表4 WHT590鋼抽樣樣品檢驗的平均力學性能

樣品化學成分的碳當量：Ceq=0.40%＜0.45%；冷裂敏感指數(shù)：Pcm=0.16%＜0.20%。反映出鋼板的碳當量較低，冷裂敏感指數(shù)較小，特別是鋼板的S、P雜質(zhì)含量很低，認定材料的焊接性較好。

2 焊接性試驗

2.1 試驗條件

試驗時環(huán)境溫度28℃～33℃，空氣相對濕度78%；焊接方法為焊條電弧焊，直流反接。選用電力牌J607RH、φ4.0 mm焊條，焊前經(jīng)400℃、1 h烘干；電焊機型號ZX7-400；實測焊接電流168～170 A，焊接電壓22～24 V，焊接速度155 mm/min，無擺動焊接。采用履帶式遠紅外電加熱板進行預熱，遠紅外測溫槍測溫。室溫、預熱50℃、預熱75℃分別焊接兩對試板。

2.2 試件制備

根據(jù)GB4675.1《焊接性試驗 斜Y型坡口焊接裂紋試驗方法》對WHT590鋼進行焊接裂紋試驗。試件采用δ=40 mm厚的鋼板，尺寸200 mm×160 mm，焊縫垂直鋼板的軋制方向。試件坡口用半自動氧-乙炔火焰切割，角向磨光機手工打磨。試件裝配時，在焊接試驗部位插入2.2 mm的楔形塞片，在拘束焊后取出，保證了拘束焊接后試件的間隙。

2.3 檢驗方法和結(jié)果

焊后直接在室溫冷卻，48 h后輔助以5倍放大鏡進行外觀的VT、PT檢查，未發(fā)現(xiàn)表面裂紋。將試件鋸開5個斷面，研磨后用5%硝酸酒精溶液腐蝕，用10倍放大鏡配合PT檢查，除個別斷面有根部裂紋外，未發(fā)現(xiàn)其他缺陷。用刨床從焊縫背面的一側(cè)順焊縫軸線進行精刨，直到焊縫根部，以VT、PT方法檢查根部裂紋，發(fā)現(xiàn)一個在室溫條件下焊接的試樣出現(xiàn)了根部裂紋。各種裂紋率檢驗結(jié)果如表5所示。斜Y試驗的約束條件與實際工件有較大的區(qū)別，如果將裂紋率不大于25%的預熱溫度作為工件預熱溫度的最低臨界值，則WHT590鋼可在室溫下焊接。這與鋼廠材料說明書相符，也印證了材料現(xiàn)場抽樣檢驗結(jié)果。

3 焊接工藝評定

3.1 執(zhí)行標準

焊接工藝評定按DL5017《壓力鋼管制造安裝及驗收規(guī)范》的要求，嚴格執(zhí)行JB4708《鋼制壓力容器焊接工藝評定》、JB/T4709《鋼制壓力容器焊接規(guī)程》、JB4744《鋼制壓力容器產(chǎn)品焊接試板的力學性能檢驗》標準。

表5 斜Y型坡口焊接裂紋試驗檢驗結(jié)果

3.2 焊接方法和試板

根據(jù)工程實際確定焊接方法為焊條電弧焊和埋弧自動焊兩種。工程中需要進行對接焊接的鋼板厚度δ=28～50 mm，根據(jù)DL5017-93規(guī)范確定焊接試板數(shù)量及規(guī)格如表6所示。試板采用不對稱X型坡口的對接接頭，坡口尺寸如圖1所示。

3.3 焊接設備與材料

焊條電弧焊：選用J607RH（E6015-G）型焊條，φ3.2 mm、φ4.0 mm兩種規(guī)格，焊前經(jīng)350℃、1 h干燥；設備為ZX7-400D型逆變焊機。

埋弧自動焊：選用CHW-S9（H08MnMoA）焊絲，CHF101焊劑。焊劑在焊前經(jīng)300℃～350℃、1.5 h干燥；選用MZ-1250K型埋弧焊機。

3.4 評定條件和工藝參數(shù)

焊條電弧焊正縫采用45°固定爬坡立焊，背縫為45°固定爬坡仰焊，微擺動多層多道焊。背縫碳弧氣刨清根，VT、MT檢查。

表6 評定試板規(guī)格、數(shù)量

圖1 試板坡口

埋弧自動焊采用平焊，不擺動多層多道焊。焊條電弧焊封底，背縫不加墊焊劑。背縫碳弧氣刨清根，VT、MT檢查。

根據(jù)斜Y型坡口焊接裂紋試驗結(jié)果，確定焊接工藝評定在常溫下進行，30℃～35℃，空氣相對濕度47%～73%。施焊過程嚴格執(zhí)行《WHT590鋼板焊接工藝評定指導書》中的工藝參數(shù)。焊接電流、電壓、層間溫、線能量等記錄如表7所示。

3.5 試板的檢驗及結(jié)果

3.5.1 無損檢測

試板焊接完成48 h后，對焊接接頭進行VT、UT、RT檢查，未發(fā)現(xiàn)裂紋、未熔合等危害性缺陷，滿足一級焊縫的質(zhì)量要求。

表7 工藝評定施焊參數(shù)

3.5.2 硬度檢測

硬度的測點位置如圖2所示，測試結(jié)果如表8所示。從硬度的平均值看，焊條電弧焊熱影響區(qū)、焊縫區(qū)的硬度明顯低于母材，材料被軟化，但下降的數(shù)值不大，對材料的強度不會產(chǎn)生較大影響，滿足要求。埋弧自動焊的焊縫、熱影響區(qū)、母材硬度沒有明顯區(qū)別。

3.5.3 強度、沖擊、彎曲試驗

圖2 硬度測試測點分布

表8 試樣硬度測試結(jié)果HB

試板焊接接頭的拉伸、彎曲、沖擊試驗結(jié)果分別如表9、表10所示。結(jié)果表明接頭拉伸多數(shù)斷裂于母材部位，且所有斷裂時的應力值均大于標準值。全部彎曲試樣過程中未出現(xiàn)開裂。焊縫沖擊功與母材相比雖偏低，但與規(guī)范要求（不小于47 kJ）相比，還有較多的裕量。

表9 試板焊接接頭的拉伸、彎曲試驗結(jié)果

4 工程應用實例

WTH590高強鋼的焊接性試驗與工藝評定的結(jié)果，已經(jīng)成功應用于水電站引水壓力鋼管工程，共使用WTH590高強鋼2 000余t，鋼管壁厚δ=28～100 mm。

表10 試板焊接接頭的沖擊試驗結(jié)果

在鋼管制造安裝的焊接中，采取了提高裝配質(zhì)量、保證坡口清潔和干燥、嚴格焊接材料的管理和預處理、分層退步多層多道焊、控制線能量、焊后緩冷等措施，焊縫中未發(fā)現(xiàn)裂紋。焊縫100%UT檢查，一次合格率99.57%，進行5%總長達20 m的RT復查，一次合格率100%。工程從2009年竣工以來，運行安全可靠。

5 結(jié)論

（1）經(jīng)斜Y焊接裂紋試驗研究證明：該鋼種焊接裂紋敏感性低，可焊性好。對于δ≤50 mm的鋼板，在室溫下可不預熱；（2）從熱影響區(qū)硬度值看：該鋼種沒有明顯的淬硬傾向，具有良好的可焊性能；（3）焊縫沖擊功雖偏低，但與不小于47 k J的規(guī)范要求相比還有較多裕量，滿足工程質(zhì)量要求；（4）實際工程應用證明：該鋼種對氣割、炭弧氣刨、彎曲成型等制造工藝適應廣泛，具有較好的加工性；（5）電站引水壓力鋼管制安焊縫的一次合格率、4年多的安全運行記錄均已證明，壓力鋼管的鋼板、焊材選材合理，焊接方法、工藝可行。