API X52管線鋼與Corus RQT 701超高強鋼的焊接工藝

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(1.青島四方龐巴迪鐵路運輸設備有限公司，山東 青島 266111;2.山東蓬萊巨濤海洋工程重工有限公司，山東 煙臺 265607)

0 前言

低合金調(diào)質(zhì)高強鋼以其超高的強度、良好的塑韌性和較好的焊接性能廣泛應用于工程機械、海洋船舶、壓力容器等領(lǐng)域,這類鋼合金系統(tǒng)復雜,淬硬性大,在焊接過程中主要會出現(xiàn):熱影響區(qū)的軟化、熱影響區(qū)的脆化和焊接冷裂紋三個問題[1-5]。焊接是影響低合金調(diào)質(zhì)高強鋼應用至關(guān)重要的因素，而熱輸入的控制，是高強鋼焊接的重點和難點,也是獲得無缺陷、性能優(yōu)良焊縫的關(guān)鍵之一[6]。為使API X52管線鋼和Corus RQT 701超高強鋼的焊接接頭的綜合力學性能滿足高強度、高可靠性的設計及使用要求，文中針對API X52管線鋼和Corus RQT 701超高強鋼的異種高強鋼焊接進行了工藝試驗，恰當?shù)倪x取焊接材料并匹配了合理的工藝參數(shù)，同時也為其它類形的高強鋼焊接提供一些經(jīng)驗借鑒。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

選用試驗工件的母材規(guī)格為Corus RQT 701超高強鋼φ406.4 mm×12 mm,API X52 管線鋼φ406.4 mm×6.3 mm，主要的化學成分和力學性能如表1和表2所示。兩種母材的化學成分相異，它們的導熱系數(shù)和線膨脹系數(shù)不同，焊后焊接接頭中存在著較大的殘余應力，因此焊接材料的選定尤其重要。根據(jù)選用焊接材料等強匹配原則，在保證焊接接頭與母材同等的抗拉強度和抗淬硬脆化的前提下改善其焊接性，即提高其抗裂性，選用打底專用焊條LB-52U(φ2.6 mm/ AWS 5.1 / E7016)和氣體保護焊藥芯焊絲GFL-71Ni(φ1.2 mm/AWS 5.20/ E71T-1J)，兩種焊接材料均適合全位置焊接，具有良好的力學性能，其化學成分如表1所示，力學性能如表2所示。

表1 母材和焊接材料的主要化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

表2 母材和焊接材料的主要力學性能

1.2 焊接工藝試驗

1.2.1焊接方法與焊接位置

試驗采用焊條電弧焊(SMAW)進行打底焊，藥芯氣體保護焊(FCAW-GS)進行填充和蓋面，電源極性為直流反接。焊接試驗的位置為6GR(根據(jù)標準AWS D1.1[7]),按試驗要求的尺寸對試件進行組裝定位，坡口的組對間隙為1～3 mm，鈍邊尺寸1～2 mm，采用單邊V形坡口，坡口角度為37.5°,焊接試件的傾斜角度為45°，6GR的焊接位置如圖1所示。

圖1 6GR的焊接位置示意圖

1.2.2焊接工藝過程

焊縫坡口區(qū)域的打磨清理，目的是除去坡口表面及附近的鐵銹、油脂等影響焊縫性能的雜質(zhì)，打磨范圍為距離焊縫坡口邊緣的20～30 mm，直至打磨光亮為止，并采用丙酮或酒精進行擦洗，同時對影響焊接質(zhì)量的局部凹凸不平處進行修理磨平，焊前對焊條進行260～300 ℃的烘干保溫處理，以徹底除去水分，減少擴散氫含量和降低延遲裂紋敏感性，防止產(chǎn)生冷裂紋等缺陷，焊接工藝參數(shù)如表3所示。

表3 焊接工藝參數(shù)

焊前需要進行預熱，預熱主要目的是為了降低鋼材的淬硬程度，延緩或改善焊縫的冷卻速度，以利于氫的逸出和改善應力條件，從而降低接頭的延遲裂紋傾向，有助于改善接頭性能。選取的預熱溫度為100 ℃，層間最高溫度160 ℃，并在焊接過程中對層間溫度進行監(jiān)控，對焊道層間焊縫打磨，避免各種缺欠的產(chǎn)生，確保焊道圓滑過渡。異種鋼焊接，熔合比越小越好，可以減少焊縫金屬化學成分和性能波動，由于焊接熱輸入過高會導致焊縫金屬晶粒粗大,造成熱影響區(qū)的脆化。因此焊接時選用小參數(shù)的多層多道焊接，嚴格控制焊接過程的熱輸入量，這樣既可以有效的細化晶粒，改善接頭組織和化學成分的不均勻性，同時利用后層焊道對前層焊道的回火作用，改善二次結(jié)晶，進一步改善焊縫組織，提高接頭整體的塑性和韌性。焊接完成后將焊件在150～250 ℃范圍內(nèi)加熱，并保溫一段時間，可以消除或減弱焊接殘余應力的作用，同時使接頭中的氫擴散逸出，防止延遲裂紋產(chǎn)生。從SMAW和FCAW-GS焊接速度的對比來看，vFCAW是vSMAW的5倍左右，考慮到兩種焊接方法填充厚度的不同及過程中更換焊接材料的時間問題。最后經(jīng)統(tǒng)計可知，SMAW+FCAW組合焊的焊接效率較單純采用SMAW提高2倍以上。

2 試驗結(jié)果與分析

焊接完成24 h后對焊縫進行外觀檢測和超聲波、射線探傷檢測，焊縫無損檢測結(jié)果良好，并對焊縫進行了常規(guī)的拉伸、彎曲、維氏硬度、低溫夏比V型沖擊的力學性能測試和宏觀金相分析，可知焊縫熔合良好，其力學性能達到了AWS D1.1標準的要求。常規(guī)拉伸試驗數(shù)值如表4所示，焊縫于母材金屬斷裂，抗拉強度介于兩種母材金屬的抗拉強度之間，焊縫根部彎曲試驗無裂紋等缺陷產(chǎn)生，宏觀金相如圖2所示，在焊縫區(qū)未發(fā)現(xiàn)缺陷。

表4 焊接接頭拉伸試驗

圖2焊縫接頭宏觀形貌

決定焊縫質(zhì)量的兩個重要力學性能測試，即焊縫低溫夏比V型沖擊和焊縫維氏硬度，測試數(shù)據(jù)如表5～6所示，表中的沖擊吸收能量、硬度均取3個試樣測試結(jié)果的平均值。根據(jù)AWS D1.1標準可知，當使用小尺寸試樣55 mm×4 mm×10 mm且橫過缺口的試樣寬度小于母材厚度6.3 mm的80%時，則實際試驗溫度應降低16.8 ℃，即溫度由-20 ℃變?yōu)?36.8 ℃，同時根據(jù)ASTM A370[8]可知，當使用小尺寸試樣時夏比V型缺口試驗的驗收標準也必須隨之改變，沖擊吸收能量AKV由34 J更改為16 J。從表5可知，在-36.8 ℃的低溫韌性沖擊中，接頭的沖擊吸收能量均大于16 J，表明接頭的低溫韌性良好，但相比較焊接接頭其它區(qū)域，焊縫中心是韌性相對薄弱區(qū)。從表6可知，焊接接頭中的焊縫金屬、熱影響區(qū)的維氏硬度HV10測試值均高于API X52管線鋼的硬度值，且低于Corus RQT 701超高強鋼的硬度值，實現(xiàn)了異種鋼的焊接。

表5 夏比V型沖擊吸收能量

表6 焊接接頭維氏硬度值(HV10)

3 結(jié)論

(1)通過合理匹配焊接工藝參數(shù)，嚴格控制熱輸入及層間溫度，實現(xiàn)了小熔合比的異種鋼焊接，且焊接接頭具有良好的力學性能，達到了AWS D1.1標準的要求。

(2)異種高強鋼焊接，采用SMAW打底焊接和FCAW-GS填充并蓋面的方法，焊接效率較單純采用焊條電弧焊工藝SMAW提高2倍以上。

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