BS700MCK2低合金高強(qiáng)鋼焊接工藝及焊接接頭性能分析

王洪權(quán) 趙河林 王許濤

河南森源重工有限公司 河南省長(zhǎng)葛市 461500

1 序言

低合金高強(qiáng)度鋼是在低合金鋼中添加C、Si、Mn等主要元素（含量≤5%）及Nb、V、Ti等微量元素，并采用先進(jìn)的冶煉工藝和熱處理工藝生產(chǎn)的屈服強(qiáng)度大于600MPa的鋼種[1]。低合金高強(qiáng)鋼含碳量低，可焊性好，晶粒細(xì)小，屈服強(qiáng)度高。

BS700 MCK2是寶鋼2005年開(kāi)發(fā)的具有優(yōu)良低溫韌性的第二代高強(qiáng)鋼。BS系列高強(qiáng)鋼為低碳低合金結(jié)構(gòu)鋼，具有良好的可焊性和冷成形性，廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、車(chē)輛結(jié)構(gòu)、集裝箱等制造行業(yè)。

本公司研發(fā)的泵車(chē)等產(chǎn)品主要采用BS700MCK2低合金高強(qiáng)度鋼，因此對(duì)BS700MCK2鋼的焊接工藝及接頭性能進(jìn)行了試驗(yàn)及評(píng)定，為生產(chǎn)提供合適的焊接工藝。

2 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用屈服強(qiáng)度700MPa級(jí)高強(qiáng)鋼板BS700MCK2由寶鋼生產(chǎn)，交貨狀態(tài)為扎態(tài)（TMCP），鋼板厚度12mm。鋼板化學(xué)成分見(jiàn)表1，其力學(xué)性能見(jiàn)表2。

BS700MCK2試件焊接選用瑞典伊薩OK.Aristorod.69低合金氣保護(hù)實(shí)芯焊絲，符合標(biāo)準(zhǔn)EN ISO 16834-A: G 69 4 M Mn3Ni1CrMo。焊絲成分見(jiàn)表3，熔敷金屬力學(xué)性能見(jiàn)表4。

表1 BS700MCK2鋼板化學(xué)成分（wt.%）

表2 BS700MCK2鋼板力學(xué)性能

表3 OK.Aristorod.69焊絲成分

表4 OK.Aristorod.69焊絲熔敷金屬力學(xué)性能

試件尺寸12mm×150mm×300mm，采用雙邊60°V形坡口的對(duì)接形式，鈍邊2mm，裝配間隙2mm，如圖1所示。

試件焊前除油、除銹。焊前不預(yù)熱，焊后不熱處理。MAG焊焊接順序?yàn)椋海?）正面打底焊；（2）背面打底焊，焊前清根；（3）背面蓋面焊，焊前清理焊道表面；（4）正面蓋面焊，焊前清理焊道表面，防止焊道間夾渣。焊接參數(shù)見(jiàn)表5。

試件抗拉試驗(yàn)按照GB/T 2651規(guī)定的試驗(yàn)方法制備抗拉試樣形式及尺寸，并測(cè)定焊接接頭的抗拉強(qiáng)度。試件彎曲試驗(yàn)按GB/T 2653規(guī)定的試驗(yàn)方法制備彎曲試樣形式及尺寸，并測(cè)定焊接接頭的完好性和塑性。試件沖擊試驗(yàn)按照GB/T 2650規(guī)定的試驗(yàn)方法制備試樣形式，并測(cè)定焊接接頭或焊縫在受沖擊載荷時(shí)的抗折斷能力。

BS700MCK2焊接工藝評(píng)定試樣明細(xì)如表6所示。

3 BS700MCK2鋼焊接性分析

焊接性是指金屬材料在采用一定的焊接工藝（如焊接方法、焊接材料、焊接規(guī)范及焊接結(jié)構(gòu)形式等）條件下，獲得優(yōu)良焊接接頭的難易程度。主要包括兩方面內(nèi)容：一是工藝性能，在一定焊接工藝條件下，形成焊接缺陷的敏感性；二是使用性能，在一定的焊接工藝條件下，其焊接接頭對(duì)使用要求的適用性，如承受靜載荷、沖擊載荷、疲勞載荷及抗高低溫性能、抗氧化、腐蝕性能等。金屬如果能夠用較多普通又簡(jiǎn)單的焊接工藝獲得優(yōu)質(zhì)接頭，可認(rèn)為這種金屬具有良好的焊接性能。

金屬材料的焊接性主要采用三個(gè)指標(biāo)：碳當(dāng)量，冷裂紋敏感系數(shù)及熱影響區(qū)最高硬度等。碳當(dāng)量計(jì)算公式如式3-1，冷裂敏感系數(shù)計(jì)算公式如式3-2。

Ceq=C+Mn/6+（Cu+Ni）/15+（Cr+Mo+V）/5 （式3-1）

Pcm=C+Si/30+（Mn+Cu+Cr）/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B （式3-2）

當(dāng)Ceq≤0.4%時(shí)，材料焊接性較好；Ceq＝0.4%～0.6%，材料焊接性稍差，易產(chǎn)生冷裂紋，焊前需要適當(dāng)預(yù)熱；Ceq≥0.6%時(shí)，材料焊接性較差，屬于難焊材料，需要采用較高的預(yù)熱溫度和嚴(yán)格的焊接工藝方法。

根據(jù)BS700MCK2鋼成分含量計(jì)算其碳當(dāng)量Ceq≤0.42%和冷裂紋敏感指數(shù)Pcm≤0.21%。試驗(yàn)環(huán)境溫度為20℃，不需要預(yù)熱直接可以焊接；但環(huán)境溫度低于0℃時(shí)，試件需要預(yù)熱防止產(chǎn)生冷裂紋。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

焊接接頭的機(jī)械性能主要取決于焊縫金屬組織、晶粒大小及焊縫金屬化學(xué)成分等因素，還與試件焊前焊后熱處理狀態(tài)有關(guān)。

4.1 焊接接頭抗拉性能分析

表7是BS700MCK2試件拉伸試驗(yàn)結(jié)果。從表中可以看出，試樣PL1和PL2抗拉強(qiáng)度檢測(cè)值均超過(guò)母材最低抗拉強(qiáng)度值，且斷裂位置出現(xiàn)在熔合區(qū)。焊縫熔合區(qū)具有明顯的化學(xué)和物理不均勻性，組織性能突變明顯，是焊接接頭中最薄弱的部位，對(duì)于低合金高強(qiáng)鋼來(lái)說(shuō)，問(wèn)題更突出[2-3]。

試樣PL3試樣經(jīng)過(guò)500℃加熱，試樣在母材處斷裂，即熱影響區(qū)母材，且其抗拉強(qiáng)度值低于母材抗拉強(qiáng)度最低值的95%（712MPa）。其原因是熱影響區(qū)組織不均勻?qū)е铝W(xué)性能的差異。雖然試樣經(jīng)過(guò)500℃加熱，但加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致熱影響區(qū)組織晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大，冷卻后得到晶粒粗大的過(guò)熱組織，最終導(dǎo)致焊接接頭抗拉強(qiáng)度降低。

圖1 試件接頭形式

表5 BS700MCK2鋼焊接參數(shù)

表6 BS700MCK2焊接工藝評(píng)定試樣明細(xì)

4.2 焊接接頭彎曲性能分析

表8是BS700MCK2試件彎曲試驗(yàn)結(jié)果。其中一個(gè)面彎試樣拉伸面的焊縫區(qū)出現(xiàn)了7mm的裂紋，其它彎曲試樣的焊縫及熱影響區(qū)均未出現(xiàn)裂紋。

4.3 焊接接頭沖擊性能分析

BS700MCK2試件沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。焊縫金屬和熱影響區(qū)-20℃夏比V形缺口沖擊功平均值分別為88.7J和73.3J，均超過(guò)技術(shù)指標(biāo)，說(shuō)明BS700MCK2試件焊接接頭沖擊性能較好，可以滿足設(shè)計(jì)需求。但是試件熱影響區(qū)的沖擊韌性比焊縫金屬?zèng)_擊韌性低，其主要原因是低合金高強(qiáng)鋼焊接后，其熱影響區(qū)組織比較粗大，降低了熱影響區(qū)的沖擊韌性[4-5]。

5 結(jié)語(yǔ)

低合金高強(qiáng)鋼焊接面臨的主要問(wèn)題是：一是防止裂紋；二是在保證高強(qiáng)度的同時(shí)，提高焊縫金屬和熱影響區(qū)的沖擊韌性。因此低合金高強(qiáng)鋼焊接時(shí)，選擇和制定合適的焊接工藝及規(guī)范是十分重要的。

表7 BS700MCK2試件拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表8 BS700MCK2試件彎曲試驗(yàn)結(jié)果

表9 BS700MCK2試件沖擊試驗(yàn)結(jié)果