防護(hù)鋼的焊接冷裂紋敏感性研究

（三一重工股份有限公司，湖南長(zhǎng)沙410100）

防護(hù)鋼的焊接冷裂紋敏感性研究

鄧才智，陳 欣

（三一重工股份有限公司，湖南長(zhǎng)沙410100）

通過(guò)冷裂紋敏感指數(shù)計(jì)算、焊縫接頭硬度試驗(yàn)和斜Y型坡口試驗(yàn)，分析防護(hù)鋼板的焊接冷裂紋敏感性。結(jié)果表明，防護(hù)鋼板冷裂紋敏感指數(shù)Pcm=0.329%，不產(chǎn)生冷裂紋的預(yù)熱溫度為172℃。在常溫和預(yù)熱172℃條件下，熱影響區(qū)的最高硬度分別為475 HV和310 HV；斜Y型坡口試驗(yàn)在室溫條件下焊接時(shí)，焊縫表面裂紋率為0，平均斷面裂紋率為10.5%，在172℃預(yù)熱條件下焊接時(shí)，焊縫表面和斷面裂紋率均為0。

防護(hù)鋼板；預(yù)熱；焊接冷裂紋敏感性

0 前言

防護(hù)鋼板具有高強(qiáng)高硬的特點(diǎn)，主要應(yīng)用于防護(hù)車輛結(jié)構(gòu)件。防護(hù)鋼一般屬于低合金鋼，母材容易淬硬，在未采用預(yù)熱保溫以及緩冷等措施下焊接，冷卻速度較快，熱影響區(qū)容易產(chǎn)生馬氏體組織。馬氏體硬而脆，當(dāng)焊縫接頭氫含量較高以及焊接應(yīng)力較大時(shí)，容易產(chǎn)生冷裂紋。根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和實(shí)際工況，焊縫正面不承受較大的沖擊力，其主要功能是保證母材受到?jīng)_擊后仍然能保持可靠的連接，因此要求焊縫接頭具有較高的焊接強(qiáng)度和沖擊韌性[1]。張?jiān)艿热薣2]以及張錄鶴[3]分別通過(guò)焊接熱模擬試驗(yàn)、斜Y型坡口試驗(yàn)等方法研究了Q890、700 MPa低合金高強(qiáng)鋼的抗冷裂紋敏感性，但是國(guó)內(nèi)針對(duì)1 000 MPa以上的低合金高強(qiáng)鋼研究甚少。為了有效評(píng)價(jià)這種超高強(qiáng)度防護(hù)鋼板的焊接可行性，通過(guò)冷裂紋敏感指數(shù)計(jì)算、熱影響區(qū)最高硬度和斜Y型坡口試驗(yàn)，分析防護(hù)鋼板焊接熱影響區(qū)的冷裂紋敏感性。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用厚度為8 mm的防護(hù)鋼，母材化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1、表2所示。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 斜Y型坡口試驗(yàn)

試驗(yàn)按照GB4975.1規(guī)定進(jìn)行[4]。采用MAG焊，保護(hù)氣體為 φ（Ar）98%+φ（O2）2%，采用直流反接，焊接電流為200±10 A，電弧電壓為26±2 V，焊接速度為300 mm/min，熱輸入量小于等于1.2 kJ/mm。采用瑞典ESAB公司研制的實(shí)心焊絲OK16.95，其化學(xué)成分及熔敷金屬的力學(xué)性能如表3、表4所示。試驗(yàn)分兩部分進(jìn)行，即室溫下施焊和預(yù)熱條件下施焊。預(yù)熱溫度根據(jù)理論結(jié)果計(jì)算。

表1 防護(hù)鋼板的化學(xué)成分%

表2 防護(hù)鋼板的力學(xué)性能

表3 實(shí)心焊絲OK 16.95的化學(xué)成分%

表4 熔敷金屬的力學(xué)性能

1.2.2 焊縫接頭硬度試驗(yàn)

按照GB/T 27552規(guī)定取樣，對(duì)橫截面經(jīng)粗磨、拋光后，使用4%的硝酸酒精腐蝕，并用Olympus金相顯微鏡觀察熱影響區(qū)附近的金相組織，然后用Wilson顯微硬度計(jì)測(cè)試焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材附近的硬度，每隔0.5 mm進(jìn)行取樣。

1.2.3 冷裂紋敏感指數(shù)

一般認(rèn)為，單純以合金元素含量來(lái)評(píng)定鋼的冷裂紋敏感性是片面的，必須加入板厚、擴(kuò)散氫、拘束度等因素。賈坤寧等人[5]指出，當(dāng)鋼板化學(xué)成分冷裂紋敏感系數(shù)Pcm≤0.2%時(shí)，防止冷裂紋的預(yù)熱溫度可以不超過(guò)50℃。若考慮焊縫金屬中擴(kuò)散氫含量和不同板厚的影響，在Pcm指數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步得到Pc指數(shù)。根據(jù)Pc可計(jì)算不產(chǎn)生冷裂紋的預(yù)熱溫度To

式中 Pcm為鋼的化學(xué)成分冷裂紋敏感指數(shù)；Pc為焊接冷裂紋敏感指數(shù)（單位：%）；[H]為焊絲焊縫擴(kuò)散氫含量（單位：ml/100g）；t為鋼板厚度（單位：mm）；To為防止產(chǎn)生焊接冷裂紋的預(yù)熱溫度（單位：℃）。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 冷裂紋敏感指數(shù)

根據(jù)防護(hù)鋼的化學(xué)成分，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 Pcm、Pc和焊前預(yù)熱溫度To

結(jié)果表明，防護(hù)鋼板的Pcm為0.329%，大于0.2%，具有一定的冷裂紋敏感性，在焊接過(guò)程中需要進(jìn)行預(yù)熱處理，并盡量采用能夠形成低氫焊縫的焊接材料和工藝方法，以降低鋼板的焊接冷裂紋傾向。表5中To計(jì)算出的溫度是以斜Y坡口對(duì)接裂紋試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，其他接頭形式只作參考，不能直接套用。

2.2 斜Y型坡口試驗(yàn)結(jié)果

試板焊接完畢48 h后，檢測(cè)焊縫表面裂紋。首先用肉眼觀察焊縫表面，第一組和第二組焊縫根部均沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。然后采用著色滲透法分別檢測(cè)焊縫表面，沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。結(jié)果表明：在室溫條件下焊接時(shí)，焊縫表面裂紋率為0，平均斷面裂紋率為10.5%；在172℃預(yù)熱條件下焊接時(shí)，焊縫表面及斷面裂紋率均為0，具體如表6所示。斷面的金相組織如圖1所示。

表6 斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)結(jié)果

2.3 焊縫接頭硬度試驗(yàn)結(jié)果

焊接接頭的硬度分布曲線如圖2所示。由圖2可知，在室溫條件下，焊縫熱影響區(qū)接頭的硬度梯度曲線大致呈現(xiàn)以焊縫中心線對(duì)稱分布。接頭硬度值約為200～475 HV，焊縫中心的硬度最低，隨著與焊縫中心距離的增加，硬度明顯上升。但在熱影響區(qū)距焊縫中心約6 mm處出現(xiàn)硬度最低值。而經(jīng)過(guò)預(yù)熱處理后，熱影響區(qū)的峰值硬度下降為310 HV，并出現(xiàn)軟化，HAZ寬度增加。證明在適當(dāng)?shù)念A(yù)熱溫度下可以進(jìn)一步降低焊接冷裂紋敏感性。

圖1 不同預(yù)熱溫度下斜Y型坡口焊接裂紋試樣斷面形貌

圖2 焊接接頭的硬度分布曲線

冷裂紋的產(chǎn)生主要取決于三個(gè)因素：熱影響區(qū)組織、擴(kuò)散氫含量和接頭的拘束應(yīng)力。氫是焊接冷裂紋產(chǎn)生的主要因素之一，而氫的擴(kuò)散和聚集需要一定時(shí)間，因此冷裂紋的產(chǎn)生具有一定的延遲性。在預(yù)熱條件下焊接時(shí)，焊接接頭冷卻速度減慢，可以有效避免淬硬組織的出現(xiàn)。預(yù)熱溫度越高，接頭冷卻速度越緩慢，可供擴(kuò)散氫逸出的時(shí)間越長(zhǎng)，導(dǎo)致熱影響區(qū)的擴(kuò)散氫含量就越低。同時(shí)，預(yù)熱還能進(jìn)一步降低接頭的殘余應(yīng)力，從而避免焊縫冷裂紋出現(xiàn)[6]。

過(guò)熱區(qū)的金相組織如圖3所示，在未預(yù)熱的條件下，過(guò)熱區(qū)的金相組織為板條狀馬氏體。而經(jīng)過(guò)172℃預(yù)熱，過(guò)熱區(qū)的金相組織為上貝氏體和少量的針狀、塊狀鐵素體。這表明預(yù)熱處理后，過(guò)熱區(qū)組織中發(fā)生了過(guò)冷奧氏體向貝氏體的轉(zhuǎn)化過(guò)程。

3 結(jié)論

（1）防護(hù)鋼板的冷裂紋敏感指數(shù)為Pcm=0.329%，具有一定的冷裂紋傾向，不產(chǎn)生冷裂紋的理論預(yù)熱溫度為172℃。

（2）在室溫條件下焊接時(shí)，焊縫表面裂紋率為0，平均斷面裂紋率為10.5%，在172℃預(yù)熱條件下焊接時(shí)，焊縫表面和斷面裂紋率均為0。

（3）經(jīng)過(guò)172℃焊前預(yù)熱后，焊縫熱影響區(qū)的最高硬度明顯下降，冷裂傾向減小。

預(yù)熱極大降低了防護(hù)鋼板的冷裂紋傾向性。焊后不需要熱處理，具有較低的焊接冷裂紋敏感性。

圖3 過(guò)熱區(qū)的金相組織

[1]譚俊，張勇.裝甲鋼焊接技術(shù)研究進(jìn)展[J].兵工學(xué)報(bào)，2013，34（1）：115-117.

[2]張?jiān)?，彭云，馬成勇，等.Q890高強(qiáng)鋼焊接淬硬傾向和冷裂紋敏感性[J].焊接學(xué)報(bào)，2013，34（6）：53-56.

[3]張錄鶴.屈服強(qiáng)度700 MPa級(jí)低合金高強(qiáng)鋼的焊接冷裂紋敏感性[J].新鄉(xiāng)學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，30（4）：299-301.

[4]GB4975.1-1984.焊接性試驗(yàn)斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)方法[S].

[5]賈坤寧，王海東，姜秋月.高強(qiáng)度橋梁鋼焊接冷裂紋敏感性研究[J].電焊機(jī)，2012，42（2）：23-25.

[6]蔣慶梅，陳禮清，許云波，等.一種微合金高強(qiáng)鋼焊接冷裂紋敏感性[J].中國(guó)科技論文在線，2011，6（2）：103-108.

Study on weld cold cracking sensitivity of protective steel

DENG Caizhi，CHEN Xin
（Sany Heavy Industry Co.，Ltd.，Changsha 410100，China）

Theweldcoldcrackingsensitivityofprotectivesteelwasstudiedthroughthecoldcrackingsensitivityindexcalculations，hardness test of heat affected zone（HAZ）and oblique Y-groove cracking test.The results indicate that cold cracking sensitivity index Pcmof steel is 0.329%，preheat temperature that avoid cold crack is 172 ℃；the maximum hardness of heat affected zone at ambient and preheating temperature are respectively 475HV and 310HV；oblique Y-groove test shows that the weld surface crack is 0，the average rate in the crack section is 10.5%at ambient temperature，the surface of welding and section of the crack rates are 0 at 172 ℃.

protective steel；preheating；weld cold cracking sensitivity

TG457.11

A

1001-2303（2017）09-0075-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.09.15

本文參考文獻(xiàn)引用格式：鄧才智，陳欣.防護(hù)鋼的焊接冷裂紋敏感性研究[J].電焊機(jī)，2017，47（09）：75-77+84.

2016-12-12；

2017-01-04

鄧才智（1982—），男，湖南邵陽(yáng)人，工程師，碩士，主要從事結(jié)構(gòu)件焊接工藝的研究工作。E-mail：cai12.zhi15@163.com。