控轧控冷Q460高强钢焊接裂纹敏感性研究

2013-08-09肖德铭王学张祥贵张永生刘文虎张兆弟史文渊

电力建设 2013年1期

肖德铭，王学，张祥贵，张永生，刘文虎，张兆弟，史文渊

(1.中国能源建设集团天津电力建设公司，天津市 300041;2.武汉大学动力与机械学院，武汉市 430072;3.绥中发电有限责任公司，辽宁省葫芦岛市 125205)

0 引言

近年来，为解决日益增长的用电需求，我国正在加紧进行特高压、超高压电网建设。采用高强钢(Q460钢)钢管塔已成为输电铁塔的主要技术趋势。在钢管塔的推广应用中，高强钢的焊接技术与铁塔加工质量密切相关，其焊接工艺要求较高［1-2］。本文对控扎控冷(thermo mechanical control process，TMCP)Q460高强钢的强化机理、焊接裂纹敏感性等进行研究，为焊接工艺的制定提供理论依据。

1 TMCP Q460钢简介及强化机理分析

1.1 TMCP Q460钢

降低合金元素含量和细晶化是目前Q460钢的发展方向。近年来，随着冶炼与轧制技术的进步，特别是TMCP技术的发展，细晶粒钢甚至超细晶粒钢的出现，使Q460钢的成分与强化机理发生了较大的变化。新开发的TMCP Q460钢中不添加V元素，将Nb的用量控制在0.01% ～0.02%，化学成分与传统16Mn钢成分相近，在轧制态就可使用，大大降低了生产成本［3］。与传统Q460钢相比，通过采用控轧控冷工艺细化晶粒，改善性能，既可以节省合金元素，而且在轧制状态下就具有较高的强度和塑韧性，因此可省去“正火+回火或淬火+回火”工艺，降低生产成本。

1.2 试验用TMCP Q460钢

1.2.1 化学成分与力学性能

试验用TMCP Q460钢的化学成分如表1所示。

表1 试验用TMCP Q460钢的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical composition of Q460 steel(mass fraction)

由表1可以看出TMCP Q460钢的含碳量较低，并且加入了少量微合金化元素Nb和Ti，此外S、P含量更低。

1.2.2 TMCP Q460钢的力学性能

TMCP Q460钢常温下力学性能要求值如下:抗拉强度Rm≥600 MPa，屈服强度 σs≥505 MPa，延伸率δ≥20%。

TMCP Q460钢冲击韧性实测结果如下:室温时测试试样X1、X2、X3的实测平均值为256 J，－20℃时测试试样 X4、X5、X6的实测平均值为 232 J，－40℃时测试试样 X7、X8、X9的实测平均值为207 J。

上述测试数据表明，实验用TMCP Q460钢韧性良好。

1.2.3 显微组织

在TMCP Q460材料中取样，磨制成光学金相试样，用硝酸酒精腐蚀后在光学显微镜下观察组织形貌，如图1所示。用线切割机在材料中取0.4 mm左右的薄片，机械磨制成厚度约80 μm的薄膜，用电解双喷法减薄穿孔，将制备好的薄膜试样放入JEM－2010型透射电镜中，观察它们的组织精细结构，如图2所示。

图1 TMCP Q460钢的显微组织Fig.1 Microstructure of TMCP Q460 steel

图2 TMCP Q460钢组织精细结构Fig.2 Fine structure of TMCP Q460 steel organization

通过组织形貌观察可以看出，TMCP Q460钢以铁素体为主，珠光体数量较少，晶粒度约为7级，但存在大小不均匀的现象。从图2中可以看到基体中析出了大量非常细小的碳化物。

1.2.4 强化机理分析

上文的微观分析结果表明，TMCP Q460钢合金元素含量，特别是碳含量减少，难以得到较多的珠光体组织，其高强度主要是靠晶粒细化和碳化物的沉淀强化作用来获得的。

在低碳钢中加入一定量的V、Nb、Ti等微合金化元素，再通过控制轧制技术，如控制变形量、终轧温度和冷却速度等可以得到细小的铁素体晶粒，使屈服强度成倍提高［4-5］。其细化晶粒的原理为，在热变形过程中发生动态再结晶之前，有VC、NbC、TiC等微颗粒析出，它们推迟或阻止了奥氏体在轧制时的动态再结晶，使等轴晶被压扁。被压扁的晶粒面积与体积之比增大，因此再结晶形核位置增多，再结晶后的晶粒变细。此过程反复进行，逐步细化，最终获得很细小的铁素体晶粒。

2 TMCP Q460钢的热裂纹及再热裂纹倾向

TMCP Q460钢属于低合金结构钢，根据焊接性理论，低合金结构钢焊接性问题主要有热裂纹、再热裂纹、冷裂纹以及热影响区的性能变化等。

2.1 热裂纹敏感性

焊接热裂纹中最为常见的是结晶裂纹。这类裂纹是在焊接凝固后期，由于低熔点共晶在晶界形成液态薄膜，在拉伸应力作用下沿晶界开裂而形成的，主要出现在焊缝部位。结晶裂纹的产生与焊缝中的杂质(如S、P、C、Ni等)含量有关。锰具有脱硫的作用，可提高焊缝的抗结晶裂纹性。对于一般低合金钢的热裂纹敏感性，可用如下经验公式进行评价:

式中:HCS为热裂纹敏感性;WS、WC、WP、WSi、WNi、WMn、WMo、WCr、WV分别为钢材化学成分中各元素的质量分数，%。当HCS＜4，表示可以防止裂纹［6］。

将试验用TMCP Q460钢的化学成分代入式(1)，计算得HCS=0.25＜4，由此可知TMCP Q460钢热裂纹敏感性很小。

2.2 再热裂纹敏感性

从化学成分来看，TMCP Q460钢虽然加入了沉淀强化元素Nb和Ti，但它们含量较少，产生再热裂纹的可能性应不大。可用以下的经验公式进行定量评定:

式中:PSR为再热裂纹敏感性;WCr、WCu、WMo、WTi、WNb、WV分别为钢材化学成分中各元素的质量分数，%。当PSR＞ 0，表示易裂［6］。

将试验用TMCP Q460钢的化学成分代入式(2)，计算得PSR=－0.927＜0，由此可知TMCP Q460钢不具有再热裂纹倾向。

3 TMCP Q460钢冷裂纹敏感性倾向

冷裂纹是接头冷却到较低温度时产生的一种裂纹，在低合金高强钢的焊接中，氢致延迟裂纹最为常见，一般产生于熔合线附近的热影响区。氢致延迟裂纹形成的3个要素为:热影响区的淬硬倾向、接头的扩散氢含量以及拘束应力［7］。

3.1 冷裂纹敏感性的公式计算

可应用碳当量法来间接评价钢材的冷裂纹敏感性。应用国际焊接学会(IIW)推荐的碳当量计算公式，计算得到TMCP Q460钢的碳当量为0.39%，表明该钢种的冷裂纹敏感性较小。需要指出的是，上述碳当量公式是在传统低合金钢冷裂纹试验基础上得到的，用它来评价控轧Q460钢的冷裂纹敏感性并不一定准确，TMCP Q460钢冷裂纹敏感性还需要通过冷裂纹敏感性试验来进一步验证、评价。

3.2 插销试验法判定TMCP Q460钢的冷裂纹敏感性

可用插销试验法评定TMCP Q460钢冷裂纹敏感性的大小。在药芯焊丝电弧焊(flux-cored arc welding，FCAW)条件下，进行 TMCP Q460钢插销试验，根据临界断裂应力大小判断其冷裂纹倾向，确定其是否需要预热。

3.2.1 试验材料及方法

插销试棒直径为8 mm，缺口形式为环形，缺口深度为1.5 mm。使用相同的焊接工艺，在不预热条件下进行试验，焊后冷至150℃加载。改变试验应力进行试验，得到插销保持16 h不断的最大应力，即临界断裂应力σcr。临界断裂应力确定方法为:如在某一应力值下有的试件断裂，有的试件不断，则在低于此应力20 MPa的应力下再做2个试样，如都不断，则确定后者为 σcr［8-11］。

3.2.2 试验结果及分析

试验应力与插销断裂时间关系如图3所示。由图3可以看出，临界断裂应力为980 MPa，远高于该钢材的屈服极限505 MPa，这表明，TMCP Q460钢的冷裂纹敏感性很小。

TMCP Q460钢插销试样断口附近的显微组织如图4所示。由图4可以看到热影响区(heat affected zone，HAZ)形成了较多粗大的板条马氏体组织。通过试验得到断口附近HAZ硬度(HV0.1)，3组实测数据平均值为266，此硬度值较低。