國產(chǎn)A514F鋼板與焊絲匹配的探討

徐沛禮

(上海電氣碾磨特裝設(shè)備有限公司 質(zhì)量保證部,上海 200245)

A514Gr.F(以下簡稱A514F)是符合美國測試材料協(xié)會(huì)(American Society of Testing Materials，ASTM)標(biāo)準(zhǔn)的一種焊接用低合金高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)合金鋼，主要用在需要高抗拉、高屈服的場所，如大型挖掘機(jī)、工程汽車的升降齒輪，海洋平臺(tái)上使用的齒條等。隨著冶金技術(shù)的發(fā)展，近幾年該型鋼板已經(jīng)實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。為保證焊接質(zhì)量，在焊接A514F鋼板之前，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際，按化學(xué)成分挑選合適的焊絲牌號(hào)，采用承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定(NB/T 47014-2011)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn),并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)判。本文擬選擇低合金高強(qiáng)鋼用鍍銅實(shí)芯氣保CHW-80C焊絲和承壓設(shè)備用氣體保護(hù)焊HS-70焊絲，與A514F鋼板相焊接，并分別進(jìn)行探討。

1 材料分析

1.1 母材分析

A514是ASTM標(biāo)準(zhǔn)下經(jīng)淬火與回火的高強(qiáng)度可焊接鋼板。因其化學(xué)成分和性能不同，ASTM標(biāo)準(zhǔn)下共有8種不同級(jí)別的A514鋼板，A514F是其中之一。筆者所在公司在實(shí)際生產(chǎn)中使用的A514F鋼板是由國內(nèi)某公司生產(chǎn)的化學(xué)成分經(jīng)優(yōu)化的，與國外A514F鋼板同牌號(hào)的產(chǎn)品。

母材A514F鋼板的供貨為調(diào)質(zhì)態(tài)。其化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1所示。

由表1可見：經(jīng)優(yōu)化的A514F鋼板的力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)值與ASTM標(biāo)準(zhǔn)值基本一致；母材實(shí)際的化學(xué)成分和力學(xué)性能幾乎都在優(yōu)化后A514F鋼板標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)。

表1 A514F鋼板的化學(xué)成分與力學(xué)性能

母材的焊接性分析常采用國際焊接協(xié)會(huì)規(guī)定公式[1-4]進(jìn)行計(jì)算。它也是生產(chǎn)廠家推薦使用的碳當(dāng)量計(jì)算公式，即

Ceq=C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5 (%)

式中：Ceq為碳當(dāng)量；C、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V分別為元素C、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

將各元素含量代入式中可求得，Ceq=0.53，即A514F鋼板的碳當(dāng)量為0.53。

A514F鋼板屬于一定條件下可焊接的材料。它是一種高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)合金鋼。合金成分的添加使其淬硬性增大，焊接時(shí)易在接頭處產(chǎn)生脆硬的馬氏體，使接頭脆化[3-4]。因此，該型鋼板在焊接時(shí)需要進(jìn)行預(yù)熱以及焊后的熱處理。

1.2 焊材分析

CHW-80C焊絲的化學(xué)成分和熔敷金屬力學(xué)性能如表2所示。HS-70焊絲的化學(xué)成分和熔敷金屬力學(xué)性能如表3所示。

表2 CHW-80C焊絲的化學(xué)成分和熔敷金屬力學(xué)性能

表3 HS-70焊絲的化學(xué)成分和熔敷金屬力學(xué)性能

2 母材與焊材匹配性分析

承壓設(shè)備焊接規(guī)程規(guī)定：焊縫金屬的力學(xué)性能應(yīng)高于或等于規(guī)定的母材限值[5]。在熔敷金屬化學(xué)成分與母材化學(xué)成分相同或相近的情況下，應(yīng)選擇高強(qiáng)匹配或等強(qiáng)匹配方式。在實(shí)際操作中，考慮經(jīng)濟(jì)性，通常不會(huì)選用比母材強(qiáng)度等級(jí)高的焊材，而是首先要求焊材與母材的抗拉強(qiáng)度在同一級(jí)別，其次要求沖擊韌性較好，從而保證焊縫的強(qiáng)度與韌性滿足產(chǎn)品技術(shù)要求。通常，母材與焊材的匹配方式為等強(qiáng)匹配。

選擇母材與焊材的匹配方式時(shí)，需要計(jì)算抗拉強(qiáng)度匹配系數(shù)Sr，即焊接材料的熔敷金屬抗拉強(qiáng)度與母材抗拉強(qiáng)度的比值[6]。當(dāng)抗拉強(qiáng)度匹配系數(shù)Sr為0.95～1.05時(shí)，母材與焊材的匹配方式為等強(qiáng)匹配；當(dāng)Sr為0.86～0.95時(shí)，母材與焊材的匹配方式為低強(qiáng)匹配；當(dāng)Sr大于1.05時(shí)，母材與焊材的匹配方式為高強(qiáng)匹配[4，7-10]。

由表1—表3可以看出，兩種焊絲的化學(xué)成分與母材相似，但抗拉強(qiáng)度等級(jí)與母材不完全相同。A514F鋼板抗拉強(qiáng)度優(yōu)化后標(biāo)準(zhǔn)值為760～930 MPa，實(shí)測值為827 MPa；CHW-80C焊絲抗拉強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值為760 MPa以上，實(shí)測值為805 MPa；HS-70焊絲抗拉強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值為690 MPa以上，實(shí)測值為762 MPa。

分析可知，CHW-80C焊絲的抗拉強(qiáng)度與母材的抗拉強(qiáng)度為同一等級(jí)。 CHW-80C焊絲與A514F鋼板的抗拉強(qiáng)度匹配系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值為1，實(shí)測值為0.97。無論是標(biāo)準(zhǔn)值還是實(shí)測值，均在等強(qiáng)匹配要求的0.95～1.05之間，滿足了承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的要求。

HS-70焊絲的抗拉強(qiáng)度低于母材的抗拉強(qiáng)度。HS-70焊絲與A514F鋼板的抗拉強(qiáng)度匹配系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值為0.91，實(shí)測值為0.92。無論是標(biāo)準(zhǔn)值還是實(shí)測值均在0.86 ～ 0.95之間，符合低強(qiáng)匹配的特征。因此，HS-70焊絲與A514F鋼板的匹配方式屬于低強(qiáng)匹配。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)被焊結(jié)構(gòu)剛性大、接頭應(yīng)力高、焊縫容易產(chǎn)生裂紋時(shí)，可以選用抗拉強(qiáng)度等級(jí)比母材低一級(jí)的焊材。因此，選擇HS-70焊絲與A514F鋼板相焊，理論上可行。

3 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)

在焊接A514F鋼板時(shí)，選用等強(qiáng)匹配還是低強(qiáng)匹配焊絲，或者兩者均適合，需用相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證。同時(shí)，為確保生產(chǎn)的順利進(jìn)行，鋼板與焊絲相焊之前必須進(jìn)行焊接評(píng)定，使其既滿足技術(shù)要求又經(jīng)濟(jì)合理。

3.1 焊接工藝

A514F鋼板分別與CHW-80C焊絲、HS-70焊絲焊接的工藝如表4所示。

表4 A514F鋼板分別與CHW-80C焊絲、HS-70焊絲焊接的工藝

對于這兩種焊材來說，焊材與母材焊接的方法、焊絲直徑、保護(hù)氣體、熱處理時(shí)間和溫度、層間溫度，均應(yīng)相同，以保證A514F鋼板分別用兩種焊絲焊接的試板具有較強(qiáng)的可比性。

經(jīng)目視檢查焊縫發(fā)現(xiàn)，兩種焊接試板均無氣孔、夾渣、未焊透等焊接缺陷，無損檢測結(jié)果合格。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

按承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定要求，將試板制成相關(guān)試驗(yàn)用的試件，并按標(biāo)準(zhǔn)要求完成相關(guān)試驗(yàn)。試件經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的硝酸水溶液腐蝕，用肉眼和放大境觀察，未發(fā)現(xiàn)夾渣、裂紋、氣孔、未熔合和未焊透等焊接缺陷。圖1、圖2所示分別為CHW-80C焊絲與A514F鋼板焊接試件、HS-70焊絲與A514F鋼板焊接試件的微觀金相。A514F鋼板分別與CHW-80C焊絲、HS-70焊絲的焊接試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

圖1 CHW-80C焊絲與A514F鋼板焊接試件的微觀金相

圖2 HS-70焊絲與A514F鋼板焊接試件的微觀金相

表5 A514F鋼板分別與CHW-80C焊絲、HS-70焊絲的焊接試驗(yàn)結(jié)果

從表5的試驗(yàn)結(jié)果可看出：使用CHW-80C焊絲焊接A514F鋼板后制成的焊接試件各項(xiàng)性能合格，符合承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定相關(guān)試驗(yàn)的要求，表明A514F鋼板與CHW-80C焊絲進(jìn)行焊接是合適的；用HS-70焊絲焊接A514F鋼板后制成的焊接試件，除拉伸試驗(yàn)時(shí)焊縫拉伸強(qiáng)度值低于母材抗拉強(qiáng)度最低值、側(cè)彎試驗(yàn)中一塊試件在彎曲后有一處2 mm裂紋外，其余結(jié)果均合格。

承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：“若規(guī)定使用室溫抗拉強(qiáng)度低于母材的焊縫金屬，則每個(gè)(片)試樣的抗拉強(qiáng)度應(yīng)不低于焊縫金屬規(guī)定的抗拉強(qiáng)度最低值”；“試樣彎曲達(dá)到規(guī)定角度后，其拉伸面上沿任何方向不得有單條長度大于3 mm的裂紋或缺陷，棱角開裂一般不計(jì)，但由夾渣或其他焊接缺陷引起的應(yīng)計(jì)入”[6]。對于用HS-70焊絲焊接A514F鋼板的焊接試件，在拉伸試驗(yàn)中，焊縫拉伸強(qiáng)度雖低于母材抗拉強(qiáng)度，但高于焊材規(guī)定的抗拉強(qiáng)度最低值，拉伸試驗(yàn)結(jié)果能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；在側(cè)彎試驗(yàn)中，試件在無夾渣和其他缺陷的情況下，雖然存在一處 2 mm 的裂紋，但試驗(yàn)結(jié)果仍可滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，相應(yīng)拉伸試驗(yàn)和側(cè)彎試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果是合格的。

分析可知，分別使用CHW-80C焊絲和HS-70焊絲焊接A514F鋼板時(shí)，兩者的拉伸試驗(yàn)和側(cè)彎試驗(yàn)結(jié)果、宏觀觀察情況、微觀金相基本一致。但在測試焊縫沖擊吸收功的試驗(yàn)中，無論是0 ℃還是-40 ℃，用HS-70焊絲的試件焊縫沖擊吸收功均比用CHW-80C焊絲高出許多，表明HS-70焊絲與A514F鋼板相焊時(shí)，焊縫的塑性更好，抗沖擊能力更強(qiáng)，焊縫不易開裂。

CHW-80C焊絲與A514F鋼板焊接屬于等強(qiáng)匹配，HS-70焊絲與A514F鋼板焊接屬于低強(qiáng)匹配。從試驗(yàn)結(jié)果看，等強(qiáng)匹配與低強(qiáng)匹配的焊接試件在拉伸試驗(yàn)、側(cè)彎試驗(yàn)、宏觀觀察情況、微觀金相的試驗(yàn)結(jié)果基本一致，但低強(qiáng)匹配焊接試件的低溫沖擊吸收功較高，這意味著低強(qiáng)匹配比等強(qiáng)匹配的焊接試件韌性更好，抗裂能力更強(qiáng)。

4 生產(chǎn)應(yīng)用

將低合金高強(qiáng)鋼用鍍銅實(shí)芯氣保焊絲CHW-80C和承壓設(shè)備用氣體保護(hù)焊鋼焊絲HS-70分別應(yīng)用在A514F鋼板的焊接上，熱處理后經(jīng)無損檢測，焊縫質(zhì)量合格，無夾渣、未焊透、裂紋等焊接缺陷。

5 結(jié)束語

本文針對A514F鋼板，分別選用CHW-80C焊絲和HS-70焊絲進(jìn)行焊接。焊接工藝評(píng)定的試驗(yàn)結(jié)果表明，A514F鋼板焊接時(shí)可采用等強(qiáng)匹配和低強(qiáng)匹配方式選擇焊絲；當(dāng)焊縫韌性要求高時(shí)，采用低強(qiáng)匹配方式的焊縫韌性更好，不易開裂。