690 MPa級高強(qiáng)抗震耐候鋼氣體保護(hù)焊絲的研制

陳振業(yè)， 魏濤， 吝章國， 陳波， 馮偉

摘要： 針對屈服強(qiáng)度690 MPa級高強(qiáng)度建筑結(jié)構(gòu)用抗震耐候鋼母材，開展適用于690 MPa級高強(qiáng)度建筑結(jié)構(gòu)用抗震耐候鋼配套的焊接材料和焊接工藝的研究工作。對研制的焊絲C，Si，Mn，S，P等合金元素的含量進(jìn)行了嚴(yán)格的比例控制，通過調(diào)整合金元素比例，達(dá)到強(qiáng)度和韌性的平衡，抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性均有明顯提升。滿足690 MPa抗震耐候鋼板抗震性要求，控制焊接材料屈強(qiáng)比R≤0.92。焊縫金相組織未見硬脆相，組織柱狀晶轉(zhuǎn)化為等軸晶，宏觀表現(xiàn)韌性提高。結(jié)果表明，研制的HS80GJ低合金高強(qiáng)鋼氣體保護(hù)焊絲具有良好的焊接工藝，熔敷金屬力學(xué)性能滿足考核指標(biāo)的要求。

關(guān)鍵詞： 抗震耐候鋼； 屈強(qiáng)比； HS80GJ; 顯微組織； 力學(xué)性能

中圖分類號： TG 422

Development of gas shielded welding wire for 690 MPa high

strength antiseismic and weathering steel

Chen Zhenye1， Wei Tao2，3， Lin Zhangguo1， Chen Bo2，3， Feng Wei2，3

（1. HBIS Company Limited， Shijiazhuang 050023， Hebei， China;

2. Harbin Well Welding Co.， Ltd.， Harbin 150028， Heilongjiang， China;

3. Harbin Welding Institute Co.， Ltd.， Harbin 150028， Heilongjiang， China）

Abstract： Aiming at base material of antiseismic and weathering steel for high strength building structure with 690 MPa yield strength， welding materials and welding process suitable for 690 MPa high strength antiseismic and weathering steel for building structures were studied. The content of C， Si， Mn， S， P and other alloying elements in the developed welding wire was strictly controlled in proportion. By adjusting the proportion of alloying elements， the balance of strength and toughness was achieved， and tensile strength and impact toughness were both obviously improved. It met antiseismic and weathering requirements of Q690 MPa steel plate， and yield ratio of welding materials was controlled no more than 0.92. No hard brittle phase was found in the metallographic structure of weld， and columnar crystal was transformed into equiaxed crystal， and toughness was improved at macro level. The results showed that gas shielded welding wire HS80GJ for? high strength low alloy steel had a good welding process and mechanical properties of the deposited metal met requirements of the test index.

Key words：? antiseismic and weathering steel; yield ratio; HS80GJ; microstructure; mechanical properties0前言

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對于超高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的應(yīng)用越來越多。在建筑用鋼領(lǐng)域，歐美國家已將超高強(qiáng)度鋼納入到鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中。為滿足工程機(jī)械領(lǐng)域、建筑領(lǐng)域及跨海大橋等要求其鋼種高耐候、高強(qiáng)度、高韌性并要求屈服強(qiáng)度級別達(dá)到690 MPa以上的需求，針對工程、建筑及海洋大氣環(huán)境，國內(nèi)鋼廠已經(jīng)研制出具有高強(qiáng)韌性、高耐蝕性、抗震的屈服強(qiáng)度690 MPa以上級別的Q690耐候鋼[1-3]。故對焊接接頭的性能也提出了更高的要求，焊接接頭必須具有與母材相當(dāng)?shù)膹?qiáng)韌性及耐候性能[4-5]，抗拉強(qiáng)度要達(dá)到810 MPa以上強(qiáng)度的要求。相應(yīng)的焊接材料也必須同時(shí)滿足這種要求，并且還要經(jīng)濟(jì)性。但目前市場尚無能滿足需求的相應(yīng)氣體保護(hù)焊絲品種。現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)中沒有耐候鋼氣體保護(hù)焊絲，沒有能解決高強(qiáng)度高韌性耐候鋼相匹配焊接材料。隨著超高強(qiáng)度耐候鋼的開發(fā)和推廣，對相應(yīng)強(qiáng)度級別的焊接材料的需求也越來越迫切。文中對Q690耐候鋼配套高強(qiáng)度高韌性耐候氣體保護(hù)焊絲進(jìn)行深入研究，實(shí)現(xiàn)Q690耐候鋼配套焊接材料的國產(chǎn)化，解決國內(nèi)制造企業(yè)的燃眉之急。

1試驗(yàn)要求與方法

1.1技術(shù)要求

Q690耐候鋼配套的焊接材料研制過程中對焊絲及熔敷金屬中的C，Si，Mn，S，P等合金元素含量進(jìn)行了嚴(yán)格比例控制，見表1；對熔敷金屬力學(xué)性能也進(jìn)行了嚴(yán)格要求，熔敷金屬力學(xué)性能要求見表2；彎曲試驗(yàn)，取4個(gè)側(cè)彎試件，彎曲直徑：D=4a，彎曲角度：180°，彎曲后受拉面焊縫金屬不應(yīng)出現(xiàn)明顯開裂，并且沿任何方向不應(yīng)有超過3 mm的開口缺陷。同時(shí)要求研制的氣體保護(hù)焊絲MAG焊接工藝性良好。

1.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用母材為Q235鋼，試板尺寸350 mm×300 mm×20 mm。對接試板，采用V形坡口，坡口角度為25°，根部間隙16 mm，墊板厚度為10 mm，墊板寬度為32 mm。對接試板用HS80GJ焊絲焊接3層過渡層，焊接方式為MAG焊接。對接試板坡口形式如圖1所示，焊接工藝參數(shù)見表3。

焊絲的化學(xué)成分分析按照GB/T 223《鋼鐵及合金化學(xué)分析方法系列》標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)部分進(jìn)行。

拉伸試件、沖擊試件、彎曲試件按照GB/T 25774.1—2010 《焊接材料的檢驗(yàn) 第1部分：鋼、鎳及鎳合金熔敷金屬力學(xué)性能試樣的制備及檢驗(yàn)》制備。拉伸試驗(yàn)按照GB/T 2652—2008《焊縫及熔敷金屬拉伸試驗(yàn)方法》執(zhí)行，沖擊試驗(yàn)按照GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》執(zhí)行，彎曲試驗(yàn)按照GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法》執(zhí)行。

2焊接材料的研制

2.1焊絲成分設(shè)計(jì)

對于焊絲，要具有高強(qiáng)韌性、高耐蝕性、抗震、耐候等要求，要做到屈強(qiáng)比適當(dāng)、高韌性、抗裂性優(yōu)異的超低氫690 MPa級配套用氣體保護(hù)焊焊絲，因此需嚴(yán)格控制C，Si，Mn，Mo，Ni，Cu合金元素的比例，更要控制焊縫金屬中S，P等元素有害元素含量，以提高低溫沖擊韌性、抗裂性、耐候等性能[6-8]。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步及對鋼鐵材料的更新，對合金元素在鋼鐵材料中的作用研究的越來越深入。結(jié)合多年焊接材料經(jīng)驗(yàn)積累，設(shè)計(jì)研制焊絲的化學(xué)成分。

690 MPa級配套用氣體保護(hù)焊焊絲研制的關(guān)鍵技術(shù)主要有2點(diǎn)：屈強(qiáng)比的控制及強(qiáng)度和韌性的平衡。

2.1.1屈強(qiáng)比的控制

690 MPa級鋼板要求抗震性能好，控制焊接材料屈強(qiáng)比R≤0.92。影響屈強(qiáng)比的因素較多，包括化學(xué)成分、基體組織及顯微缺陷等。一般情況下要使高強(qiáng)鋼具有較低的屈強(qiáng)比，往往需要形成雙相或多相組織，其中抗拉強(qiáng)度更接近于硬質(zhì)相的抗拉強(qiáng)度，而屈服強(qiáng)度的大小取決于基體中軟質(zhì)相的屈服強(qiáng)度。

材料中顯微缺陷組織對其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度具有重要影響，各種顯微缺陷引起的強(qiáng)化方式主要有固溶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化及沉淀強(qiáng)化等。其中固溶強(qiáng)化中的間隙固溶元素C，N提高材料抗拉強(qiáng)度作用小于屈服強(qiáng)度，可以提高屈強(qiáng)比；固溶強(qiáng)化中的置換固溶元素Mn，Si等則提高材料抗拉強(qiáng)度作用略高于屈服強(qiáng)度，從而降低屈強(qiáng)比；位錯(cuò)強(qiáng)化提高材料的屈服強(qiáng)度作用更強(qiáng)，可以明顯提高材料的屈強(qiáng)比，因此快速冷卻過程中形成的貝氏體內(nèi)部具有很高的位錯(cuò)密度，使材料的屈強(qiáng)比明顯升高；細(xì)化晶粒，提高材料的屈服強(qiáng)度的作用大于抗拉強(qiáng)度，故隨著晶粒的不斷細(xì)化，材料的屈強(qiáng)比也在不斷地提高。

2.1.2強(qiáng)度和韌性的平衡

焊縫的強(qiáng)度容易獲得，同時(shí)要平衡滿意的韌性指標(biāo)，需要考慮焊接工藝影響，優(yōu)化化學(xué)成分和控制雜質(zhì)元素。焊縫的強(qiáng)度和韌性可通過主要元素來進(jìn)行調(diào)整。

C溶入基體形成間隙固溶體，可以顯著增加基體的強(qiáng)度，隨著C含量的增加，材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均會(huì)提高，但是斷后伸長率和沖擊韌性均下降。同時(shí)，C是影響碳當(dāng)量和焊接裂紋敏感性系數(shù)的主要元素，含量過高，焊接時(shí)增加產(chǎn)生冷裂紋的傾向[9]。

Si含量對焊接工藝性能影響較大，含量較大時(shí)使焊縫外觀平滑且容易脫渣，但是會(huì)增加裂紋傾向[10]。

Mn能擴(kuò)大奧氏體相區(qū)，推遲γα的轉(zhuǎn)變，使焊縫組織的轉(zhuǎn)變溫度向針狀鐵素體形成溫度接近[11]，從而在提高焊縫金屬強(qiáng)度的同時(shí)改善韌性，同時(shí)，Mn還是良好的脫氧劑、脫硫劑，因此焊縫中含有一定量的Mn是有益的。

Mo是強(qiáng)碳化物形成元素，可以明顯提高焊縫強(qiáng)度[12]，但對韌性有損，因此在滿足強(qiáng)度的前提下，限制Mo含量。

Cu在鋼中的突出作用是改善普通低合金鋼的抗大氣腐蝕性能，特別是和磷配合使用時(shí)，加入Cu還能提高鋼的強(qiáng)度和屈強(qiáng)比，而對焊接性能沒有不利的影響[13]。Cu含量超過0.75%時(shí)，經(jīng)固溶處理和時(shí)效后，可產(chǎn)生時(shí)效強(qiáng)化作用。Cu含量低時(shí)，其作用與Ni相似，但較弱。Cu含量較高時(shí)，可能導(dǎo)致銅脆現(xiàn)象造成脆斷。

控制熔敷金屬中的O含量，O含量越低，熔敷金屬韌性越好。

N和V， Ti等元素結(jié)合易形成脆化組織，導(dǎo)致焊縫脆化，應(yīng)對焊縫金屬中N含量加以控制[14]。

2.2焊絲冶煉

共計(jì)冶煉了5批次焊絲，其中第1次冶煉的焊絲成分設(shè)計(jì)偏差造成力學(xué)性能不合格，其余4個(gè)批次焊絲力學(xué)性能均能滿足考核指標(biāo)。1號的焊絲沖擊韌性較差，沖擊吸收能量值達(dá)不到指標(biāo)要求。根據(jù)多次小樣試制進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，調(diào)整了主成分比例再適量的添加Al，Ti等脫氧元素，冶煉2號、3號、4號、5號的焊絲斷后伸長率和沖擊韌性均有顯著提高。屈強(qiáng)比也滿足R≤0.92的考核指標(biāo)。

將1號和2號焊絲化學(xué)成分及熔敷金屬力學(xué)性能比較分析，研制的焊絲化學(xué)成分及熔敷金屬力學(xué)性能見表4、表5。

3試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1焊絲的工藝性能

通過改變焊絲的化學(xué)成分和生產(chǎn)工藝，使焊接過程中熔池的流動(dòng)性提高、電弧穩(wěn)定，提高了焊絲的焊接性。

研制的HS80GJ焊絲。適用于大規(guī)范焊接。焊接工藝性良好，飛濺較少，焊渣少且易清理，焊道成形美觀，圖2 為MAG焊平焊和坡口內(nèi)焊接焊道形貌。

3.2熔敷金屬化學(xué)成分及力學(xué)性能

研制的HS80GJ焊絲化學(xué)成分分析結(jié)果見表 4中編號2，滿足表1 的要求。熔敷金屬力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表5中編號2，熔敷金屬力學(xué)性能能夠滿足表2的要求，側(cè)彎試樣完好無裂紋，結(jié)果如圖3所示。

3.3金相組織

焊縫微觀組織形貌如圖4所示，為少量先共析鐵素體+針狀鐵素體+塊狀鐵素體+貝氏體，呈柱狀晶

圖4焊縫微觀組織形貌特征，晶內(nèi)硬度約為265 HV1；熱影響區(qū)微觀組織形貌如圖5所示，為針狀鐵素體+塊狀鐵素體+貝氏體，呈等軸晶特征。

4結(jié)論

（1）研制的HS80GJ低合金高強(qiáng)鋼氣體保護(hù)焊焊絲，其化學(xué)成分和熔敷金屬力學(xué)性能指標(biāo)均滿足項(xiàng)目要求。

（2）研制的HS80GJ低合金高強(qiáng)鋼氣體保護(hù)焊焊絲具有良好的焊接工藝性。熔敷金屬不但具有很高的抗拉強(qiáng)度，而且低溫沖擊韌性良好，-40 ℃低溫沖擊吸收能量平均值達(dá)到120 J以上。

（3）研制的HS80GJ低合金高強(qiáng)鋼氣體保護(hù)焊焊絲具有良好的抗震性能。屈強(qiáng)比適當(dāng)，屈強(qiáng)比為0.86，滿足熔敷金屬抗震性能屈強(qiáng)比R≤0.92的要求。

（4）焊縫金相組織未見硬脆相，柱狀晶轉(zhuǎn)化為等軸晶，組織細(xì)化，單位面積晶界比例明顯上升，使得位錯(cuò)擴(kuò)展受到阻礙，宏觀表現(xiàn)韌性提高。

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收稿日期： 2022-04-29

陳振業(yè)簡介： 碩士，高級工程師；主要從事中厚鋼板產(chǎn)品開發(fā)及應(yīng)用技術(shù)研究；chenzhenye@hbisco.com。

馮偉簡介： 通信作者，碩士，正高級工程師；主要從事特種焊接材料的研發(fā)及工程應(yīng)用推廣；已發(fā)表文章10余篇；fengwei323412@163.com。