1?000?MPa水電用高強(qiáng)鋼埋弧焊材試驗(yàn)研究

任希樂 萬天明 康丹丹

摘要：隨著國(guó)內(nèi)用電量的不斷增加，高水頭大容量抽水儲(chǔ)能電站的建設(shè)也不斷增多。針對(duì)國(guó)產(chǎn)B950CF鋼板使用自主研發(fā)的埋弧焊絲與焊劑，進(jìn)行相關(guān)焊接性試驗(yàn)。經(jīng)熔敷金屬試驗(yàn)檢測(cè)，抗拉強(qiáng)度為979 MPa，屈服強(qiáng)度為812 MPa，-40 ℃沖擊吸收能量均在90 J以上，-60 ℃沖擊吸收能量均在60 J以上。并且在對(duì)接接頭焊接時(shí)也具有優(yōu)良的性能，板厚為70 mm的彎曲試驗(yàn)合格率為100%。實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度與高韌性的良好匹配，為國(guó)產(chǎn)1 000 MPa水電用鋼材在工程應(yīng)用上奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：1 000 MPa水電用高強(qiáng)鋼;埋弧焊材;國(guó)產(chǎn)B950CF鋼;熔敷金屬;力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TG457.11 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1001-2003（2021）04-0062-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.04.12

0 ? ?前言

目前，長(zhǎng)江上游干流及金沙江、大渡河已經(jīng)或即將建設(shè)的大型高水頭電站項(xiàng)目共有33個(gè)，500萬kW以上的水電站就有向家壩、溪洛渡、白鶴灘、烏東德、龍盤峽等[1]。目前壓力鋼管的最高水頭已達(dá)到1 200 m，高強(qiáng)鋼管壁厚度已達(dá)90 mm，高強(qiáng)鋼月牙肋厚已為150 mm，HD值（H指蝸殼承受的內(nèi)壓水頭，D指蝸殼進(jìn)口斷面的直徑）已超過4 700 m2[2]。應(yīng)用于工程的相應(yīng)材料不斷更新?lián)Q代，800 MPa高強(qiáng)鋼已經(jīng)在水電領(lǐng)域普遍使用，1 000 MPa新材料也將逐步推廣使用。圍繞適用于大型水電站、抽水蓄能電站等重要部件用高塑韌性、超低焊接裂紋鋼板配套焊接材料，開展國(guó)產(chǎn)化焊材技術(shù)研究迫在眉睫且意義重大。在工程中使用1 000 MPa高強(qiáng)鋼材料，減少壁厚的同時(shí)也能減輕構(gòu)件重量，降低施工難度，更減少了材料的使用量，在節(jié)能減排方面有著顯著效果。

對(duì)于1 000 MPa水電用高強(qiáng)鋼埋弧焊材來說，在保證高強(qiáng)度的同時(shí)，還需要達(dá)到一定的低溫韌性。而材料的強(qiáng)度越高，它的裂紋敏感性就越高，在滿足機(jī)械性能的同時(shí)，還需防止其產(chǎn)生熱裂紋與冷裂紋，技術(shù)難度較大。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)鋼板為寶鋼B950CF調(diào)制鋼，試驗(yàn)用焊材為自主研發(fā)，焊絲牌號(hào)XY-S100SD，焊劑牌號(hào)XY-AF100SD，試驗(yàn)內(nèi)容主要包括：熔敷金屬力學(xué)性能，38 mm厚度和70 mm厚度對(duì)接接頭相關(guān)試驗(yàn)，熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)以及斷口SEM掃描與金相組織分析。

（1）熔敷金屬力學(xué)性能。開發(fā)之初對(duì)新的焊絲、焊劑進(jìn)行熔敷金屬力學(xué)性能試驗(yàn)以確定設(shè)計(jì)的成分是否滿足1 000 MPa水電用高強(qiáng)鋼焊材的要求。從焊縫成形到化學(xué)成分再到力學(xué)性能，最終達(dá)到水電用高強(qiáng)鋼焊材的標(biāo)準(zhǔn)，在滿足性能的前提下對(duì)焊材進(jìn)行不同線能量（25～50 kJ/cm，5個(gè)檔位）的焊接試驗(yàn)，盡可能地提高焊接效率，得到焊接線能量范圍，為今后實(shí)際應(yīng)用提供有力的數(shù)據(jù)保障，并且進(jìn)行了脆性轉(zhuǎn)變?cè)囼?yàn)。

（2）不同厚度對(duì)接接頭試驗(yàn)。在熔敷金屬力學(xué)性能滿足要求之后，用母材B950CF鋼進(jìn)行對(duì)接接頭試驗(yàn)，板厚分別為38 mm與70 mm，試驗(yàn)內(nèi)容包括接頭拉伸和對(duì)接接頭側(cè)向彎曲。判斷該焊材在工程應(yīng)用的大致情況。

（3）熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)。將焊接熱影響區(qū)最高硬度作為評(píng)價(jià)金屬焊接性（包括冷裂紋敏感性）的一個(gè)因子，既能反映鋼種的化學(xué)成分，又能反映焊接工藝參數(shù)影響下形成的不同組織形態(tài)。

（4）斷口SEM掃描與金相組織分析。了解水電用高強(qiáng)鋼焊縫的微觀斷口形貌，根據(jù)形貌特征判斷其性能。觀察了焊縫和熱影響區(qū)的微觀組織。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 主要試驗(yàn)材料

（1）試驗(yàn)用鋼板為寶鋼B950CF鋼板，板厚為38 mm、70 mm?；瘜W(xué)成分與力學(xué)性能如表1所示。

（2）試驗(yàn)用焊材。焊劑為氟堿型燒結(jié)焊劑，該焊劑配合此焊絲，焊接電弧穩(wěn)定，焊縫成形良好，脫渣容易。焊絲與焊劑化學(xué)成分如表2、表3所示。

2.2 主要試驗(yàn)內(nèi)容

2.2.1 熔敷金屬力學(xué)試驗(yàn)

試驗(yàn)按照GB/T 12470-2003標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格執(zhí)行，試驗(yàn)設(shè)備為ESAB Aristol1000AC/DC埋弧焊機(jī)，電流種類為直流反接，焊接位置為平焊，采用多層多道焊接，每道施焊溫度控制在160±10 ℃，分別采用25.0 kJ/cm，30 kJ/cm，35 kJ/cm，40 kJ/cm，50 kJ/cm五種線能量進(jìn)行試驗(yàn)，焊接參數(shù)如表4所示。

對(duì)于不同線能量，對(duì)比熔敷金屬抗拉強(qiáng)度和低溫沖擊韌性，并作出曲線，如圖1所示。

由圖1可知，隨著線能量的增大，在保證施焊溫度范圍一致及焊后熱處理250 ℃×2 h的條件不變的情況下，抗拉強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，當(dāng)平均線能量為50 kJ/cm時(shí)，抗拉強(qiáng)度只有903 MPa;低溫沖擊吸收能量隨著線能量的增加總體也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但下降幅度不大，最低值也出現(xiàn)在50 kJ/cm時(shí)。這是由于焊接線能量增大，焊接熱循環(huán)在相變溫度以上停留時(shí)間延長(zhǎng)，尤其是焊接熱循環(huán)中t8/5冷卻時(shí)間延長(zhǎng)，有助于晶粒長(zhǎng)大，金相組織發(fā)生變化，焊縫性能會(huì)下降，并使熱影響區(qū)范圍增大，軟化帶也相應(yīng)變寬[1]。所以在高強(qiáng)鋼焊接時(shí)，必須嚴(yán)格控制線能量范圍，避免晶粒粗大造成材料性能下降，此類高強(qiáng)鋼焊接時(shí)線能量≤35 kJ/cm是較為合適的。

脆性轉(zhuǎn)變溫度試驗(yàn)是測(cè)定不同溫度對(duì)材料低溫沖擊吸收能量的影響。首先進(jìn)行熔敷金屬試板焊接，然后在焊縫中心取沖擊試樣，分別進(jìn)行不同溫度下的沖擊吸收能量試驗(yàn)，按GB/T 229-2007中對(duì)脆性轉(zhuǎn)變溫度的試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)定，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，隨著溫度的下降，沖擊吸收能量也在降低，但在-70 ℃時(shí)依然具有平均65 J的沖擊吸收能量，說明該組埋弧焊焊材組合具有優(yōu)秀的低溫沖擊吸收能量，能適應(yīng)大部分地區(qū)的寒冷溫度，具有更大的使用范圍。

2.2.2 不同厚度母材對(duì)接接頭試驗(yàn)

在熔敷金屬力學(xué)性能滿足設(shè)計(jì)要求后，采用該組焊材在母材（寶鋼B950CF）上進(jìn)行了焊接工藝試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容包括：焊接接頭室溫拉伸試驗(yàn)，焊接接頭沖擊吸收能量試驗(yàn)（-40 ℃和-60 ℃），熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)，焊接接頭彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)嚴(yán)格按照GB/T 2651-2008、GB/T 2650-2008、GB/T 2653-2008、GB/T 2654-2008進(jìn)行。焊接接頭坡口形式如圖3所示。試驗(yàn)設(shè)備為ESAB Aristol1000AC/DC埋弧焊機(jī)。

焊接前對(duì)試板進(jìn)行150±10 ℃預(yù)熱處理，用牛頭刨床進(jìn)行機(jī)械清根，清根完畢后繼續(xù)將試板預(yù)熱至相同溫度進(jìn)行施焊，焊接道溫范圍控制在170±15 ℃，施焊平均線能量為25 kJ/cm。進(jìn)行了接頭室溫拉伸試驗(yàn)及-40℃、-60℃的沖擊試驗(yàn)，取樣位置如圖4所示，試驗(yàn)結(jié)果見表5、表6。

2.2.3 熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)

因?yàn)橛捕扰c強(qiáng)度有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即強(qiáng)度高，對(duì)應(yīng)的硬度也高。因此焊接熱影響區(qū)最高硬度也反映了焊接熱影響區(qū)的強(qiáng)度，而焊接熱影響區(qū)的強(qiáng)度超高，會(huì)導(dǎo)致其塑性降低，從而易形成裂紋或裂紋易于擴(kuò)展。所以焊接熱影響區(qū)最高硬度也可以間接反映接頭的性能與焊材的裂紋敏感性[2]。

依據(jù)GB/T 4340.1-2009測(cè)定焊接接頭維氏硬度，試驗(yàn)編號(hào)及參數(shù)如表7所示，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

對(duì)于一般材料而言，熱影響區(qū)的粗晶區(qū)由于組織與晶粒的嚴(yán)重長(zhǎng)大，常常成為焊接接頭的最薄弱環(huán)節(jié)[3]。由圖5a可知，焊接熱影響區(qū)硬度的最大值位于距焊縫中心線兩側(cè)2～4 mm。接頭HAZ存在一定程度的軟化，隨著線能量的增大，軟化區(qū)有遠(yuǎn)離熔合線的趨勢(shì)，熱影響區(qū)寬度增加，硬度值降低。但線能量太大時(shí)容易引起HAZ軟化嚴(yán)重，影響接頭強(qiáng)度，因此在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)嚴(yán)格控制焊接線能量。

由圖5b可知，焊接熱影響區(qū)最高硬度與預(yù)熱溫度有關(guān)。試板經(jīng)100 ℃預(yù)熱后，熱影響區(qū)硬度均有一定程度的下降，熱影響區(qū)寬度適當(dāng)增加，因此，合適的預(yù)熱溫度能夠降低焊接冷裂敏感性，防止焊材的開裂，保證了施工的安全性。

2.2.4 SEM沖擊斷口形貌觀察及金相組織

選取38 mm厚度對(duì)接試板的-40 ℃沖擊斷口樣進(jìn)行SEM電子掃描，掃描結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，沖擊斷口形貌主要由韌窩形貌（等軸韌窩與拋物線韌窩）組成，伴隨有少量的撕裂棱和準(zhǔn)解理形貌，該斷口形貌造成沖擊斷裂時(shí)的吸收能力大，表現(xiàn)出較好的塑性。而熱影響區(qū)沖擊斷口能譜顯示韌窩區(qū)域內(nèi)未含有雜質(zhì)元素，斷口表面純凈無雜質(zhì)，也是具有良好塑性的表現(xiàn)。

對(duì)接接頭焊接區(qū)域進(jìn)行微觀組織觀察，拍攝倍數(shù)為1 000倍，試樣加工按照GB/T 13298標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。金相照片如圖7所示。

由圖7可知，金相組織主要為先共析鐵素體、粒狀貝氏體及少量的低碳馬氏體。低碳馬氏體的存在表示焊縫具有一定的裂紋敏感性，而先共析鐵素體中夾雜著針狀鐵素體，對(duì)塑性與韌性起主要作用。粒狀貝氏體阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，通過彌散強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化提高焊縫的強(qiáng)度[4-5]。

3 結(jié)論

（1）自主研發(fā)的埋弧焊絲、焊劑焊接工藝優(yōu)良，適應(yīng)大線能量焊接。35 kJ/cm線能量焊接時(shí)，抗拉強(qiáng)度為930 MPa，-40 ℃沖擊平均值達(dá)到85 J，在實(shí)際工程應(yīng)用中有較高的工作效率。

（2）無論是38 mm還是70 mm厚度的對(duì)接接頭，力學(xué)性能均優(yōu)異，焊縫具有良好的低溫沖擊韌性。

（3）線能量增大，熱影響區(qū)寬度增加，熱影響區(qū)硬度下降。適當(dāng)?shù)念A(yù)熱溫度可以降低熱影響區(qū)硬度，增加熱影響區(qū)寬度，降低冷裂敏感性。

（4）沖擊斷口呈現(xiàn)大量韌窩形貌，使低溫韌性得到保障;而純凈無雜質(zhì)的斷口也使沖擊值未出現(xiàn)低值。

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收稿日期：2020-12-14;修回日期：2021-02-14

作者簡(jiǎn)介：任希樂（1990—），男，學(xué)士，工程師，主要從事焊接材料的研發(fā)及焊接工藝評(píng)定的相關(guān)研究。E-mail：316865547@qq.com。