PRO500（S）防彈鋼焊接性能分析及工藝

梁斌+陳紅亮

摘 要：為掌握PRO500（S）型防彈鋼板的焊接性能，本文對該材料進(jìn)行技術(shù)性能、母材金相、焊接性能進(jìn)行理論研究分析；通過小鐵研斜Y 型坡口對接抗裂性試驗(yàn)，確定焊絲的正確選用型號。結(jié)合有關(guān)的分析和試驗(yàn)，熟悉該型材質(zhì)的工藝特點(diǎn)，制定現(xiàn)場施工要領(lǐng)，保證現(xiàn)場焊接質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：防彈鋼；冷裂紋敏感性；脆化；軟化

中圖分類號：671.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： In order to master the welding performance of PRO500 （S） bullet-proof steel， this paper analyses the materials technical function， the base material microstructure， welding performance in theory and chooses the correct wire model by butt crack resistance testing of tekken oblique Y-groove in order to be familiar with the materials process features， develop the main points of site construction and to guarantee the quality of site welding.

Key words： Bullet-proof steel；Cold cracking sensitivity； Embrittlement；Soften

1 前言

PRO500（S）是瑞典PRO 500系列進(jìn)口防彈鋼種之一，該鋼種設(shè)計(jì)種類較多，即使采用同一牌號、也有不同的強(qiáng)度、硬度、熱處理狀態(tài)和焊接性，西方國家一般用于輪式戰(zhàn)車車體的制造。國內(nèi)在研制輪式戰(zhàn)車時(shí)，曾進(jìn)口散件組裝過樣車，但因其它原因未正式采用，后全部采用國產(chǎn)某牌號防彈鋼種。PROPRO 500（S）總體強(qiáng)度高、塑性低，焊接工藝要求嚴(yán)格，國內(nèi)沒有正式使用該類抗彈鋼，目前部分型號的公務(wù)船設(shè)計(jì)應(yīng)用，應(yīng)對該鋼種進(jìn)行深入的研究。

2 技術(shù)性能

2.1 PRO500（S）型號防彈鋼板的特點(diǎn)

（1）防彈性能：可滿足常規(guī)武器的防彈要求；

（2）合金成分：發(fā)揮微合金化使用作用，使鋼材具有優(yōu)良的工藝性能；

（3）精確的熱軋板型：材料的厚度公差小于±0.2 mm，雙向平整度高；

（4）厚度小、重量輕：在同樣防護(hù)等級條件下，本鋼板的厚度僅為國產(chǎn)防彈鋼板的70%～80%，可減輕1/5～1/4的重量。

（5）材料供貨狀態(tài)：采用自控噴霧淬火250 ℃～260 ℃低溫回火，以達(dá)到微觀組織細(xì)小，硬度分布更均勻的優(yōu)良防彈性能。

2.2 PRO500（S）型號防彈鋼板典型化學(xué)成分及性能

PRO500（S）屬中碳鋼，材質(zhì)中加入Cr 能提高低溫回火穩(wěn)定性，本身具有回火脆性，應(yīng)限制含量；Ni、Mo合金元素，提高其淬透性和抗回火軟化的能力，對改善鋼的韌性，使材質(zhì)具有良好的綜合性能。

3 冷裂紋與熱影響區(qū)

3.1 冷裂紋敏感性

PRO500（S）型防彈鋼板含碳量實(shí)測值處于中碳鋼下限值，但按照其材料供貨狀態(tài)，在表面自動(dòng)噴霧淬火后，并進(jìn)行250 ℃～260 ℃低溫回火，母材組織為具有更高強(qiáng)度的低溫回火馬氏體組織，得到超高強(qiáng)度鋼材性能標(biāo)準(zhǔn)，硬度和強(qiáng)度太高，實(shí)際鋼材的強(qiáng)度與塑性、韌性的綜合性能匹配存在欠缺，使得冷裂紋十分敏感。

PRO-500（S）防彈鋼強(qiáng)度太高，焊接裂紋是施工中考慮的首要問題，焊接時(shí)焊縫內(nèi)部組織變化應(yīng)力和焊接應(yīng)力是導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的主要原因，為消除焊接過熱區(qū)的脆硬組織和防止并延遲冷裂紋的產(chǎn)生，必須焊前預(yù)熱和焊后保溫。從探究冷裂紋的產(chǎn)生原因出發(fā)，防焊接接頭淬硬，防氫脆、防拘束應(yīng)力是關(guān)鍵工藝考慮要素。

熱處理狀態(tài)改變了材料的焊接性能，因此使用前必須測定每批次材料的機(jī)械性能，當(dāng)延伸率和沖擊值達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，用于焊接件時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎。

3.2 焊縫熱影響區(qū)的性能變化

（1）過熱區(qū)的脆化：PRO500（S）型防彈鋼含碳量和其它合金元素含量較高，有很大的淬硬性，因而在焊接接頭的過熱區(qū)內(nèi)容易產(chǎn)生硬脆的高碳馬氏體，冷卻速度越大，生成的高碳馬氏體越多，脆化也就越嚴(yán)重。

（2）過熱區(qū)的軟化：中碳鋼強(qiáng)度越高，焊接后受熱量影響軟化問題也會越嚴(yán)重，熱量影響區(qū)域相對材料進(jìn)行一次由高溫到低溫的回火，軟化程度和軟化區(qū)的寬度與焊接線能量、焊接方式關(guān)系很大，線能量小，冷卻速度快，受熱時(shí)間短，軟化程度就會較小。軟化區(qū)的寬度窄，有利于提高防彈性能。

4 母材金相

截取母材試樣拋光，不侵蝕，放置在蔡司顯微鏡下觀察，金屬夾雜物按GB/T10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測試標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》來評定，球狀氧化物均可評為0.5級（見圖1、圖2）。試樣經(jīng)4%硝酸酒精侵蝕后，在蔡司顯微鏡下觀察，試樣顯微組織為回火馬氏體（見圖3、圖4）。

PRO-500（S）防彈鋼低溫回火，材質(zhì)表面和內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)均勻細(xì)化，為其優(yōu)良的機(jī)械性能和防彈性能提供保證。

5 焊接工藝性能試驗(yàn)

焊接材料選配：PRO-500（S）防彈鋼強(qiáng)度太高，很難找到強(qiáng)度與其相匹配的焊接材料，只能采用低匹配焊接材料。從施工方便性、焊接效率考慮，采用CO2氣體保護(hù)焊焊接，結(jié)合現(xiàn)有的焊接材料，選取不同牌號焊絲組合進(jìn)行了斜Y 坡口抗裂紋試驗(yàn)，用于評定焊接熱影響區(qū)對冷裂的敏感性。試樣形狀及尺寸如圖5所示。endprint

第一組：采用YCJ E501T-1 低合金藥芯焊絲焊接；

第二組：采用GFR-110K3 低合金高強(qiáng)度藥芯焊絲焊接；

第三組：采用HCr20Ni10Mn7Mo 不銹鋼焊絲焊接。

拘束焊縫為雙面焊接，應(yīng)事先焊好，注意防止角變形和未焊透。試驗(yàn)焊縫采用手工焊接時(shí)按圖6 進(jìn)行。

試樣放置24 h，用肉眼或放大鏡檢查表面裂紋、根部裂紋和斷面裂紋，并用下述方法分別計(jì)算表面裂紋率、根部裂紋率和斷面裂紋率，主要測量計(jì)算表面裂紋。試驗(yàn)對應(yīng)的圖像如圖7、8；紀(jì)錄數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見表3、表4。

PRO500（S）防彈鋼采用YCJ E501T-1、GFR-110K3 合金鋼焊絲裂紋傾向大，在焊縫中心出現(xiàn)縱向貫穿性裂縫，線切割試樣時(shí)全部斷裂，微觀檢查試樣中出現(xiàn)裂紋，熔合區(qū)較多、焊縫、粗晶區(qū)也存在一定的數(shù)量，超過斜Y 坡口試驗(yàn)裂紋率20%的界限，表明該類板材采用YCJE501T-1、GFR-110K3 合金高強(qiáng)鋼焊絲施焊焊接裂紋傾向特別大，不適宜采用。

采用HCr20Ni10Mn7Mo 類別焊絲，表面未發(fā)現(xiàn)裂紋、橫截面出現(xiàn)個(gè)別裂紋，裂紋率小于20%，可以采用HCr20Ni10Mn7Mo 類全奧氏體不銹鋼焊絲，是該類鋼材適用的焊絲材料。

6 施工要領(lǐng)

結(jié)合上述的焊接性能分析，制定以下工藝措施：

6.1 下料加工

（1）原材料經(jīng)過低溫回火后，母材應(yīng)力分布均勻，為便于儲存和長期存放，材料表面涂有防銹油封，后續(xù)施工期間表面防銹油封不得采用酸洗方法清除，考慮表面打砂噴丸處理會造成組織應(yīng)力的不均衡，形成新的內(nèi)應(yīng)力，因此建議表面可進(jìn)行鋼絲輪除銹除油；

（2）鋼材在吊運(yùn)過程中應(yīng)多吊點(diǎn)吊運(yùn)，水平放置，減少起吊運(yùn)輸、堆放過程產(chǎn)生的變形；

（3）鋼材表面保護(hù)，不允許表面損傷、錘擊防彈鋼板等行為；

（4）防彈鋼切割，包含開孔和修割等，僅能使用等離子切割方式進(jìn)行，嚴(yán)禁使用氧乙炔火焰切割方式進(jìn)行。

6.2 裝配焊接

（1）減少加強(qiáng)排和裝配馬腳，采用無碼安裝方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)安裝；

（2）焊接前必須清除板材焊縫部位的油漆、鐵銹，減少氫的存在；

（3）所有涉及焊接的部位焊前應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度200 ℃-250 ℃；

（4）焊接參數(shù)選取下限值進(jìn)行焊接，減少熱輸入；

（5）焊接完成后，及時(shí)進(jìn)行焊后保溫緩冷；

（6）重視端部包角焊，端部兩側(cè)應(yīng)預(yù)留100 mm作為包角焊焊段，一次完成，包角均勻圓滑過渡；

（7）焊縫與母材過渡必須圓滑，不允許有防彈鋼母材的咬邊缺陷，飛濺物應(yīng)及時(shí)清除；

（8）采用手工半自動(dòng)分段焊，改善焊縫應(yīng)力分布狀況；

（9）因加熱會引起防彈鋼軟化，降低防彈性能，因此防彈鋼焊后不允許進(jìn)行火工變形校正，施工前應(yīng)有防變形預(yù)防控制措施。

7 結(jié)束語

PRO500（S）防彈鋼在國內(nèi)使用經(jīng)驗(yàn)不足，用于結(jié)構(gòu)件焊接時(shí)，應(yīng)注意其本身的性能，經(jīng)過高溫加熱后，硬度下降，防彈性能減弱，不允許采用加熱的方法來進(jìn)行變形矯正，焊接變形控制應(yīng)貫穿于防彈鋼建造全過程；強(qiáng)度、硬度高，容易產(chǎn)生焊接裂紋，應(yīng)采取焊前預(yù)熱和焊后保溫措施；為減少熱影響區(qū)的軟化，采用小的焊接線能量。這些工藝措施都應(yīng)在施工中得到重視，才能保證最終的施工質(zhì)量。endprint