高強度含銅結(jié)構(gòu)鋼（WA710）的焊接性及應(yīng)用研究

王 靚，尹云洋，牟文廣

（寶武股份中央研究院武漢分院（武鋼有限技術(shù)中心），湖北武漢430080）

0 前言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展，高強度含銅結(jié)構(gòu)鋼的開發(fā)及其焊接應(yīng)用研究越來越活躍。20世紀(jì)美國研發(fā)出含Cu時效ASTM-A710鋼，與普通高強度低合金鋼相比，該鋼具有高強度、高韌性、易焊接等特點[1]，主要用于美國海軍艦艇的建造，與傳統(tǒng)的低合金鋼相比，在提高性能的同時，顯著降低船體建造成本[2]。近10多年來，我國已在積極的研究及開發(fā)該類鋼種并應(yīng)用于海洋工程、橋梁工程等。銅在傳統(tǒng)的鋼種中易發(fā)生銅的熱脆傾向，所以銅的加入受到限制，我國長期以來，銅在結(jié)構(gòu)鋼中只作為耐腐蝕元素加入，其含量一般低于0.35%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），沒有明顯的強化作用。只有w（Cu）＞0.75%時，其強化作用才能明顯地表現(xiàn)出來[3]。但鋼中銅含量的提高必須是在低碳及Ni-Cu匹配的條件下，采用科學(xué)的熱處理工藝，才能獲得理想的力學(xué)性能指標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn)：鋼中加入1%Cu時，時效處理后屈服強度提高100～150 MPa，此處理工藝對鋼的性能和組織有很大影響，淬火600～650℃時效處理，鋼的綜合性能最好；正火+時效處理，鋼的強度降低、韌性提高；熱軋+時效處理，鋼的韌性最低[4]。所以，開發(fā)研制高強度含銅結(jié)構(gòu)鋼既涉及鋼種的成分設(shè)計，又涉及冶煉、軋制、熱處理能力和水平。武鋼集團(tuán)公司在含銅耐腐蝕鋼及高強度含銅結(jié)構(gòu)鋼的開發(fā)和應(yīng)用方面均取得了良好的業(yè)績。

近年來，武鋼根據(jù)市場需求及ASTM-A710鋼標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了WA710鋼的工業(yè)試制，“高強度含銅結(jié)構(gòu)鋼（WA710）開發(fā)及焊接應(yīng)用”取得了成效。隨著工程機械行業(yè)的迅猛發(fā)展，市場競爭異常激烈。重載車輛對鋼板的力學(xué)性能、表面質(zhì)量、焊接性能等提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)和要求。武鋼曾與中國某集團(tuán)公司合作，承接了我國首臺最大重載礦車（363 t）制造用鋼的供貨及焊接技術(shù)研究，用戶裝備制造的技術(shù)條件為：除鋼板性能滿足技術(shù)指標(biāo)外，還要提供該鋼板的焊接性能及配套焊材、焊接工藝等相關(guān)應(yīng)用技術(shù)支持。

通過對WA710鋼的可焊接性試驗、氣體保護(hù)焊工藝試驗等，武鋼產(chǎn)品質(zhì)量及焊接應(yīng)用性能均優(yōu)于國外同類產(chǎn)品，完全滿足了我國首臺最大重載礦車制造的技術(shù)要求。目前，高強度含銅結(jié)構(gòu)鋼（WA710）及焊接研究已成功應(yīng)用于363 t重載礦車（最大載重礦車）及其他工程裝備的制造，為企業(yè)獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 可焊接性試驗

1.1 抗裂試驗條件及方法

試驗鋼板：高強度含銅結(jié)構(gòu)鋼WA710，厚度為20mm。力學(xué)性能：Rel=625 MPa，Rm=715 MPa，A=26%，Z=76%，KV2（-60℃）=296 J。鋼板及焊材化學(xué)成分如表1所示。

采用小鐵研試驗方法和熱影響區(qū)最高硬度試驗方法對試驗鋼進(jìn)行了抗裂性評價。按照GB/4675.1焊接性試驗《斜Y型坡口焊接裂紋試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)和最高硬度試驗按照GB4675.5-84《焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。在低負(fù)荷HV-10A型維氏硬度計上測試硬度，測試點間距0.5 mm。抗裂性試驗的焊接工藝參數(shù)如表2所示。

表1 試驗用鋼及焊材的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of test steels and welding materials %

表2 抗裂性試驗焊接工藝參數(shù)及環(huán)境條件Table 2 Welding process parameters and environmental conditions for crack resistance test

1.2 小鐵研抗裂性試驗結(jié)果

小鐵研試驗結(jié)果如圖1所示，在-5℃以上溫度焊接時，WA710鋼表面、截面、根部裂紋率都為零。-7℃溫度以下焊接時，根部首先出現(xiàn)微小裂紋，隨著溫度的降低，裂紋率升高。-20℃下焊接，根部裂紋達(dá)到100%，并且在表面處均出現(xiàn)裂紋。

圖1 低溫小鐵研試驗結(jié)果Fig.1 Small iron research results in low temperature

小鐵研試樣解剖顯示裂紋走向如圖2所示。裂紋由根部處的熔合線啟裂，向焊縫金屬中發(fā)展，并未向母材熱影響區(qū)擴(kuò)展，這說明WA710鋼基體具有良好的低溫抗裂性。

最高硬度試驗結(jié)果如圖3所示，WA710鋼沒有明顯淬硬現(xiàn)象，焊接熱影響區(qū)的最高硬度為HV257。這表明WA710鋼焊接時淬硬傾向較小，具備優(yōu)良的抗裂性能。

2 氣體保護(hù)焊試驗

2.1 試驗條件

試驗用鋼板WA710鋼厚度32 mm；焊絲牌號WER70-NH，直徑 1.2 mm，保護(hù)氣體為φ（Ar）80%+φ（CO2）20%，層間溫度 100～150 ℃，其焊接頭為 X型、開55°坡口。焊接工藝參數(shù)見表3。

圖2 小鐵研試樣解剖顯示裂紋走向Fig.2 Microstructure of the sample shows the crack dir-ection

圖3 最高硬度結(jié)果Fig.3 Maximumhardness result

2.2 焊接接頭力學(xué)性能試驗結(jié)果

對焊接接頭進(jìn)行接頭拉伸試驗、冷彎試驗及沖擊試驗，試驗結(jié)果如表4～表6所示。

由表4～表6可知，在線能量約為13～15kJ/cm時，氣保護(hù)焊接頭拉伸強度為725 MPa，斷于母材；冷彎試驗在D=3a、彎曲至180°情況下未開裂。夏比V型缺口沖擊試驗，焊縫在-40℃平均沖擊功為148 J，熔合線、熱影響區(qū)均在150 J以上，富裕量較高，滿足WA710鋼技術(shù)條件，達(dá)到重載車輛制造技術(shù)要求（Rel≥590 MPa，Rm≥650 MPa，-40 ℃沖擊功 Akv≥60 J），如圖 4 所示。

表3 氣體保護(hù)焊焊接工藝參數(shù)Table 3 Gas shielded welding process parameters

表4 焊接接頭拉伸性能試驗結(jié)果Table 4 Tensile test results of welded joints

表5 焊接接頭冷彎性能試驗結(jié)果Table 5 Test results of cold bending performance of welded joints

表6 焊接接頭沖擊韌性試驗結(jié)果（鋼板厚度32 mm）Table 6 Test results of impact toughness of welded joints

圖4 焊接接頭各區(qū)沖擊功曲線Fig.4 Impact power curves of welding joints in various areas

2.3 焊接接頭顯微組織分析

對焊接接頭進(jìn)行了金相組織分析，結(jié)果如表7所示，焊縫為針狀鐵素體+少量先共析鐵素體，如圖5所示。研究表明[5]：針狀鐵素體是在原奧氏體晶內(nèi)以針狀分布，常以某些質(zhì)點（主要氧化物彌散夾雜）為核心放射性成長，并具有較高的位錯密度。焊縫中的針狀鐵素體晶粒較細(xì)小，裂紋擴(kuò)展需要更大的能量。因此，焊縫具有優(yōu)良的低溫沖擊韌性，-40℃平均度沖擊功達(dá)148 J，熱區(qū)組織為貝氏體，見圖6。

表7 各區(qū)金相組織結(jié)果Table 7 Results of metallographic organization in each district

圖5 焊縫組織Fig.5 Microstructure of weld metal

2.4 焊接接頭硬度

焊后對焊接接頭進(jìn)行HV10硬度試驗，試驗依據(jù)GB/T4340.1-1999執(zhí)行，每隔0.5 mm打一點，測試部位分別為正面表面下2 mm、反面表面下2 mm，測試區(qū)域涵蓋基材、熱影響區(qū)、焊縫，試驗結(jié)果如表8所示。由表8可知，WER70-NH匹配WA710鋼焊接接頭HV10硬度為226～275。從焊縫到基材，HV10硬度過渡均勻，無明顯的硬化及軟化現(xiàn)象。由此可知，焊縫強度與基材強度匹配。

圖6 過熱區(qū)組織Fig.6 Over hot zone organization

表8 氣保焊接頭硬度試驗結(jié)果Table 8 Hardness test results of gas-protection welding head

3 高強度含銅結(jié)構(gòu)鋼（WA710）焊接在制造工程的應(yīng)用

中國某集團(tuán)公司承擔(dān)我國首臺最大載重礦車的制造，對鋼板及其焊接應(yīng)用均有嚴(yán)格的技術(shù)要求。在與美國EVRAZ、日本JFE等其他鋼廠的競爭中，武鋼WA710鋼取得了用鋼全部供貨權(quán)，鋼板厚度規(guī)格6～50 mm。除了車斗使用耐磨鋼外，其余部位（如主車體、油箱、駕駛室、橫梁等）均采用WA710鋼焊接結(jié)構(gòu)件。因此，對鋼板及焊接材料、焊接接頭性能等要求極為嚴(yán)格和苛刻。2015年我國首臺最大載重（363 t）礦車制造成功并正式投入運營，迄今為止，該車運行良好，得到了用戶高度評價。目前，武鋼WA710鋼以優(yōu)異的實物性能和良好的焊接性能等指標(biāo)，又獲得了多家礦車制造企業(yè)的青睞。

4 結(jié)論

通過對WA710鋼板進(jìn)行可焊性抗裂試驗和氣體保護(hù)焊評定試驗及其應(yīng)用，結(jié)論為：

（1）抗裂性試驗結(jié)果表明：高強度含銅結(jié)構(gòu)鋼（WA710）在-5℃以上的溫度條件下，實施焊接可無需預(yù)熱，具備優(yōu)良的抗裂性能。最高硬度試驗結(jié)果則進(jìn)一步表明，WA710鋼焊接時，焊接熱影響區(qū)無過高硬度值出現(xiàn)，淬硬傾向較小。

（2）采用氣體保護(hù)焊 φ（Ar）80%+φ（CO2）20%工藝，匹配WER70NH焊絲焊接WA710鋼，其焊接頭力學(xué)性能與基材匹配，尤其是焊接頭沖擊值具有較大的富裕量。

（3）應(yīng)用研究表明，WA710鋼板力學(xué)性能及焊縫成形良好，焊接性能優(yōu)異（-5℃以上焊接無需預(yù)熱），可大幅降低裝備的制造成本，提高市場競爭力。現(xiàn)已成功應(yīng)用于我國首臺最大重載礦車的制造，并獲得顯著的效益。

本研究為我國第一臺最大載重礦車的制造提供了可靠的技術(shù)支持，不但為武鋼公司創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益，也為我國載重礦車的制造升級做出了貢獻(xiàn)。