WDB620鋼的焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果分析

李鳳倫

（中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司，云南昆明650032）

WDB620鋼的焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果分析

李鳳倫

（中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司，云南昆明650032）

WDB620鋼是610 MPa級(jí)的低合金高強(qiáng)鋼，它具有良好的綜合力學(xué)性能和較高的屈強(qiáng)比，主要應(yīng)用于水電站壓力管道、蝸殼的制作安裝。本文結(jié)合承壓大的高水頭水電站壓力管道及蝸殼的實(shí)際操作情況，對(duì)WDB620鋼的焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，以此為后續(xù)水電站壓力管道及蝸殼制作安裝焊接質(zhì)量提供依據(jù)。

WDB620鋼；化學(xué)成分；焊接熱影響區(qū)；試驗(yàn)結(jié)果

1　概述

WDB620是舞鋼生產(chǎn)的壓力鋼管用低焊接裂紋敏感性高強(qiáng)度鋼板，采用國(guó)際低合金高強(qiáng)度鋼的先進(jìn)設(shè)計(jì)思想和研究成果，運(yùn)用微合金化原理和控軋工藝開發(fā)的超低碳貝氏體鋼。WDB620鋼具有理想的強(qiáng)度，塑韌性指標(biāo)及優(yōu)良的焊接性能，達(dá)到或超過(guò)了同類進(jìn)口產(chǎn)品的水平，廣泛應(yīng)用于水電站壓力鋼管、蝸殼及大型工程機(jī)械設(shè)備。

2　 WDB620鋼的化學(xué)成分及力學(xué)性能

WDB620高強(qiáng)鋼，這是一種含C、S、P、B量很低的Cr、Mo、V系低合金鋼，有著優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，而且它是一種非調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼，較通常所用的調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼裂紋傾向性小，抗拉強(qiáng)度≥620 MPa，是一種具有很好的焊接性和抗裂性的鋼種。Mn含量較高，約為1.00%～1.60%，可以減小高溫脆性區(qū)，因而WDB620鋼是一種可以減小高溫脆性區(qū)的鋼種。這類鋼主要是作為高強(qiáng)度的焊接結(jié)構(gòu)用鋼，適用于在惡劣環(huán)境下焊接施工的工程，如海洋平臺(tái)、水電站高壓叉管及寒冷地區(qū)使用的鋼結(jié)構(gòu)件等，因此，對(duì)WDB620鋼的焊接熱影響區(qū)的最高硬度試驗(yàn)具體而細(xì)致的分析，是整個(gè)工程中的關(guān)鍵一步。WDB620鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1和表2所示。

表1　WDB620鋼的化學(xué)成分

表2　WDB620鋼的力學(xué)性能

3　什么是焊接熱影響區(qū)

焊接熱影響區(qū)（HAZ）的最高硬度HVmax，作為金屬材料焊接性的一項(xiàng)評(píng)定指標(biāo)，其應(yīng)用價(jià)值在于可以由給定的焊接工藝條件和規(guī)范參數(shù)估算被焊材料熱影響區(qū)的最高硬度，以此推斷其冷裂傾向，根據(jù)給定材料的允許最大硬度來(lái)確定焊接、焊前預(yù)熱乃至焊后熱處理的工藝規(guī)范（見圖1）。

圖1　焊接接頭示意圖

HVmax是HAZ組織的反映，其大小取決于材料在焊接熱循環(huán)作用下的相變過(guò)程。為便于計(jì)算，通常將HVmax視為材料碳當(dāng)量（Ceq）和HAZ在特定溫度下的冷卻速度或特定溫度區(qū)間冷卻時(shí)間的函數(shù)。熱影響區(qū)最高硬度法是采用標(biāo)準(zhǔn)試件、標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，用測(cè)定熱影響區(qū)的最高硬度值HVmax間接地評(píng)價(jià)鋼材冷裂傾向的一種試驗(yàn)方法。

4　試樣形狀及其制備

4.1試樣形狀

試樣形狀如圖2，預(yù)熱試件形狀如圖3，不預(yù)熱試件形狀如圖4。

圖2　試樣的形狀

圖3　預(yù)熱試件的形狀

圖4　不預(yù)熱試件的形狀

4.2試樣的制備

根據(jù)GB4675.5-84《焊接性試驗(yàn)焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)方法》，用氣割的方法，分別割取一塊200 mm×75 mm×36 mm和一塊200 mm×150 mm× 36 mm試件，將試件分別標(biāo)上1號(hào)、2號(hào)，對(duì)試件1號(hào)用氣體保護(hù)焊焊接方法進(jìn)行焊接，沿試件軋制表面的中心線堆焊出125±10 mm的焊縫，焊絲的一些相關(guān)參數(shù)在前面已經(jīng)給出，焊接工藝參數(shù)如下表3。

表3　焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)CO2氣體保護(hù)焊焊焊接工藝參數(shù)

圖5　高硬度試驗(yàn)試樣取樣圖

對(duì)試件2號(hào)、預(yù)熱100℃然后同樣用CO2氣體保護(hù)焊焊接方法進(jìn)行焊接，沿試件軋制表面的中心線堆焊出125±10 mm焊縫，其余焊接工藝參數(shù)與試件1號(hào)的一樣。

在加工測(cè)定硬度的試樣時(shí)，規(guī)定要在焊后的12h之后取樣，并盡可能迅速測(cè)定硬度，那是因?yàn)樽罡哂捕仍囼?yàn)是反映焊接后試樣放置在室溫時(shí)的時(shí)效現(xiàn)象。即在最初數(shù)小時(shí)內(nèi)，硬度有一定的增加，約10 h后達(dá)到最高值，以后又出現(xiàn)稍微減小的傾向。

按照規(guī)定，在焊后靜置12 h后進(jìn)行取樣，并給試樣做上相應(yīng)的標(biāo)記。取樣按照?qǐng)D5進(jìn)行。

5　試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)過(guò)程

5.1試驗(yàn)設(shè)備

5.1.1設(shè)備簡(jiǎn)介

試驗(yàn)用CO2氣體保護(hù)焊焊機(jī)型號(hào)為NBC-350，具體說(shuō)明如下：

NBC-350型逆變式半自動(dòng)二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊機(jī)，是采用先進(jìn)功率開關(guān)器件IGBT開發(fā)的新一代產(chǎn)品，焊機(jī)把焊接電源與送絲控制融為一體，焊機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧。焊機(jī)適用以Φ0.8，Φ1.0，Φ1.2，Φ1.6焊絲的CO2焊接；焊機(jī)電流調(diào)節(jié)范圍寬，可適用于全位置以及超薄板（如1.0 mm厚的低碳鋼板）焊接。焊機(jī)采用逆變式電源新技術(shù)，逆變頻率20 kHz，電源動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度極快，可對(duì)電弧動(dòng)態(tài)過(guò)程的電流、電壓加以控制，溶滴短路瞬間電路上升率（di/dt）采用電子電抗器新技術(shù)控制。溶滴脫離焊絲端部過(guò)渡到溶池的過(guò)程采用表面張力過(guò)度新技術(shù)，使溶滴短路過(guò)渡柔和無(wú)爆裂過(guò)程。因此比常規(guī)焊機(jī)的焊接飛濺明顯減少，焊縫成形美觀，焊接質(zhì)量?jī)?yōu)良。

5.1.2結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

（1）溶滴短路瞬間電流上升率（di/dt）通過(guò)面板上旋鈕無(wú)級(jí)可調(diào)，焊接飛濺明顯減少，焊縫成形美觀，焊接質(zhì)量好。

（2）焊接結(jié)束時(shí)，焊絲端部無(wú)焊接小球，再次引弧容易，引弧方便。

（3）焊機(jī)有/無(wú)填弧坑，兩種功能選擇，填弧電流、電壓可在面板上無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。

（4）焊接電流、電壓在遙控器上調(diào)節(jié)，焊工在其手旁即可調(diào)節(jié)，使用十分方便。

（5）焊機(jī)具有多種保護(hù)：有過(guò)電壓、缺相、過(guò)熱、次級(jí)短路、開機(jī)、關(guān)機(jī)等保護(hù)功能，使焊機(jī)有較高的可靠性。

（6）焊機(jī)具有網(wǎng)路電壓自動(dòng)補(bǔ)償功能，在較惡劣的網(wǎng)路電壓（±15%）下工作，仍可保證焊接質(zhì)量。

（7）該焊機(jī)與一般焊機(jī)相比，還具有重量輕、效率高等特點(diǎn)。

5.1.3主要技術(shù)參數(shù)

試驗(yàn)用CO2氣體保護(hù)焊焊機(jī)型號(hào)為NBC-350的主要技術(shù)參數(shù)如下表4。

表4　NBC-350的主要技術(shù)參數(shù)

5.2試驗(yàn)過(guò)程

硬度試驗(yàn)采用HV-50A型維氏硬度機(jī)，由山東萊州試驗(yàn)機(jī)總廠生產(chǎn)，于2003年12月出廠，該試驗(yàn)機(jī)較先進(jìn)，技術(shù)含量較高，其加載和卸載過(guò)程是一個(gè)自動(dòng)的過(guò)程，因此在試驗(yàn)過(guò)程中減少了一些人為因素造成的誤差，使試驗(yàn)結(jié)果更加接近真實(shí)值。

試樣斷面經(jīng)研磨后進(jìn)行腐蝕，以顯示出熔合線，然后按圖6所示，畫一條與熔合線相切且平行于試板軋制表面的直線，在切點(diǎn)（O點(diǎn)）兩側(cè)各定9個(gè)點(diǎn)作為硬度測(cè)定點(diǎn)，每點(diǎn)的間距為0.5 mm，并在室溫下測(cè)定。

圖6　焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)點(diǎn)分布圖

6　試驗(yàn)結(jié)果及分析

6.1試驗(yàn)結(jié)果

負(fù)荷為294kN（30kgf），加載時(shí)間為15s，測(cè)試HAZ的最高硬度，1號(hào)CO2氣體保護(hù)焊焊接預(yù)熱試樣的HAZ區(qū)的硬度值見表5，其硬度分布見圖7。

表5　 1號(hào)氣體保護(hù)焊焊接不預(yù)熱試樣的HAZ區(qū)的硬度值

圖7　 1號(hào)CO2氣體保護(hù)焊焊接不預(yù)熱試樣的HAZ區(qū)硬度分布曲線圖

2號(hào)CO2氣體保護(hù)焊焊接方法預(yù)熱試樣的HAZ區(qū)的硬度值見表6，硬度分布見圖8。

表62　號(hào)氣體保護(hù)焊焊接預(yù)熱試樣的HAZ區(qū)的硬度值

6.2試驗(yàn)結(jié)果及分析

熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)結(jié)果見表7。

試樣的最高硬度分別為1號(hào)—340 HV、2號(hào)—318 HV，從而可知不預(yù)熱的試樣的最高硬度值比預(yù)熱試樣的最高硬度值要高。這是因?yàn)樵嚇油ㄟ^(guò)預(yù)熱后，使熱影響區(qū)的冷卻速度減少了，從而減少了冷裂紋傾向，使得不預(yù)熱的試樣的硬度高于預(yù)熱的試樣。

圖8　 2號(hào)氣體保護(hù)焊焊接預(yù)熱試樣的HAZ區(qū)的硬度分布曲線圖

表7　熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)結(jié)果

7　結(jié)語(yǔ)

焊接熱影響區(qū)的最高硬度值分別為：預(yù)熱CO2氣體保護(hù)焊試樣318 HV、不預(yù)熱CO2氣體保護(hù)焊試樣340 HV。由試驗(yàn)結(jié)果可知，不預(yù)熱的試樣最高硬度值比預(yù)熱試樣的最高硬度值高，但考慮到實(shí)際工作條件和工作環(huán)境，建議采用預(yù)熱溫度為100～150℃對(duì)鋼板預(yù)熱后焊接，以此提高壓力管道、蝸殼的焊接質(zhì)量。

［1］王祖濱，宋青.世紀(jì)之交看低合金高強(qiáng)度鋼的發(fā)展［J］.鋼鐵，2001，36（9）：66-70.

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TG457.1

A

1672-5387（2016）09-0010-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.09.004

2016-04-15

李鳳倫（1980-），男，工程師，從事水電站金屬結(jié)構(gòu)制作及機(jī)電安裝工程安全、技術(shù)質(zhì)量管理工作。