Q690抗震耐蚀钢埋弧焊熔敷金属性能研究

2022-04-02张庆素陈振业齐建军胡晓波

电焊机 2022年3期

张庆素，陈振业，陈波，齐建军，胡晓波，冯伟

1.哈尔滨威尔焊接有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150060 2.河钢股份有限公司，河北石家庄 050023

0 前言

随着近年来世界各地基础设施建设的蓬勃开展，高强钢的用量越来越大。Q690钢是一种调质型低合金高强钢，具有优良的强韧性匹配，既具有优于普通碳素钢的性能，又能把成本控制在恰当的范围内。因此在工程机械、压力管道、海洋装备、桥梁、大型建筑和输电塔架等领域得到了广泛应用［1-5］。

Q690在设计时就兼顾了强度、韧性、焊接性等多方面的性能需求。在焊接性方面，采用了一系列措施使其具备低焊接裂纹敏感性。如低碳当量，加入改善韧性的元素，降低P、S等有害元素含量，用Ca对夹杂物进行球化处理等。

但是，尽管在设计时已经采取了上述措施以改善Q690的焊接性，在实际施焊时仍需根据实际构件的尺寸以及选用的焊材制定恰当的焊接工艺。低碳当量固然能显著降低钢的焊接裂纹倾向，但也需要在元素分布均匀，增韧元素状态恰当的情况下才能发挥作用。而这些均需要合理的焊接工艺提供保障［6-11］。

本文源于《建筑结构用高强度抗震耐蚀钢焊接材料研发及焊接性能评价》项目，根据项目需求，需要对Q690钢进行埋弧焊熔敷金属性能的研究。项目对埋弧焊熔敷金属抗拉强度以及-40℃冲击韧性有较高的要求。本研究尝试通过熔敷金属工艺试验，寻找恰当的埋弧焊工艺参数，为工程应用提供参考。

1 试验材料与试验方法

Q690高强钢焊接过程中，如果焊接工艺不当，会造成较大的淬硬、冷裂倾向［12］。因此工程应用中对其焊接工艺参数控制非常严格。在此选用哈尔滨威尔焊接有限责任公司（威尔公司）研制的Q690抗震耐蚀钢埋弧焊材料H80GJ/SJ111G。

1.1 试验材料

选用河钢生产的Q690母材，化学成分如表1所示，供货状态下母材力学性能如表2所示。

表1 Q690母材化学成分（质量分数，%）Table 1Chemical composition of Q690 base metal（wt.%）

表2 Q690母材力学性能Table 2 Mechanical properties of Q690 base metal

所用焊丝为威尔公司专为Q690抗震耐蚀钢的埋弧焊研制的H80GJ焊丝，规格Φ4.0 mm，化学成分如表3所示。

表3 H80GJ焊丝化学成分（质量分数，%）Table 3 Chemical composition of H80GJ wire（wt.%）

所用焊剂为威尔公司配套研制的氟碱型低氢高碱度焊剂SJ111G，属CaF2-MgO-TiO2-Al2O3-SiO2渣系，化学成分如表4所示。该焊剂可保证熔敷金属具有较低的S、P含量，且对扩散氢的含量控制效果较好，进而有利于提高熔敷金属的低温韧性。

表4 SJ111G焊剂化学成分（质量分数，%）Table 4 Chemical composition of Flux SJ111G（wt.%）

1.2 试验方法

试样制备参照GB/T 25774.1-2010，熔敷金属室温拉伸按GB/T 228.1-2010和GB/T 2652-2008进行；冲击试验按GB/T 229-2007进行，硬度测试按GB/T 231.1-2018进行。

试样尺寸如图1所示，焊接电源为LINCOLN AC/DC-1000。采用不同道间温度、焊接热输入进行Q690高强钢埋弧焊，研究道间温度、焊接热输入对熔敷金属性能的影响。

图1 试样制作示意图Fig.1 Schematic diagram of sample making

2 试验结果与分析

2.1 道间温度的影响

为便于生产过程控制，试验设定3种道间温度，焊接参数如表5所示，电源极性为DCEP。

表5 焊接工艺参数Table 5 Parameters of welding process

不同道间温度对应的熔敷金属拉伸性能曲线如图2所示。道间温度对熔敷金属力学性能影响明显。当道间温度低于100℃时，熔敷金属拉伸试样脆断（见图3），抗拉强度和屈服强度非常低，延伸率低于10%；当道间温度大于200℃，熔敷金属屈服强度下降明显。

图2 道间温度-熔敷金属拉伸性能曲线Fig.2 interpass temperature-deposited metal tensile properties curve

图3 道间温度低于100℃拉伸试样照片Fig.3 Tensile sample while interpass temperature below 100℃

道间温度对熔敷金属冲击韧性的影响如图4所示（3次平均值）。道间温度从小于100℃到100～200℃时，冲击值显著增加；当道间温度大于200℃时，熔敷金属-40℃冲击值平均值下降明显。

图4 道间温度-熔敷金属冲击曲线Fig.4 interpass temperature-deposited metal impact curve

道间温度低于100℃时，拉伸试样断口有肉眼可见白点状缺陷，重复试验仍然出现。道间温度大于100℃时，白点状缺陷消失。对缺陷位置进行断口扫描电镜分析，结果如图5所示。由扫描电镜分析可知，白点中心有异常的夹杂物，夹杂物周边呈现解理状脆性相。夹杂物能谱分析结果如图6所示。

图5 道间温度低于100℃的拉伸断口微观组织Fig.5 Microstructure of tensile fracture with interpass temperature below 100℃

图6 夹杂物能谱分析Fig.6 Energy spectrum analysis of inclusions

由能谱分析可知，该夹杂物中Ca、Mg、F、O的含量非常高，可以推断为非金属夹渣。由于道间温度低，熔敷金属的参与扩散氢含量增加，熔敷金属在受力时，残存的氢容易聚集于缺陷位置周边的高能量晶界，导致熔敷金属受力时出现异常脆断。

可以得出，随着道间温度增大，熔敷金属强度和延伸率逐渐提高，屈服强度和冲击平均值先增加后降低。道间温度低于100℃时，容易出现氢致缺陷，导致熔敷金属抗拉强度和延伸率大大下降。道间温度高于200℃时，熔敷金属高温停留时间增大，导致熔敷金属晶粒粗大，从而使得熔敷金属屈服强度和冲击韧性大大下降。道间温度控制在100～200℃时，熔敷金属的强韧性非常好，延伸率适中。

2.2 焊接热输入的影响

保持道间温度150～200℃，电流设置为550～650 A，焊接速度为350～500 mm/min，电压30 V，进行焊接热输入对熔敷金属力学性能的影响研究，具体焊接参数如表6所示。

表6 设定的焊接工艺参数Table 5 Preset welding parameters

不同热输入对应的熔敷金属拉伸性能曲线如图7所示，当热输入为19.8～23.4 kJ/cm时，随着热输入增加，熔敷金属抗拉强度和屈服强度呈现下降趋势，其中屈服强度下降明显。热输入为23.0 kJ/cm、23.4 kJ/cm时，屈服强度低于690 MPa，不能满足项目设计要求。

图7 热输入-熔敷金属拉伸性能曲线Fig.7 Heat input-deposited metal tensile properties curve

热输入对冲击平均值和布氏硬度的影响如图8所示。随着热输入增加，熔敷金属冲击平均值先增加，当热输入大于21.6 kJ/cm时，熔敷金属冲击平均值降低明显，布氏硬度随热输入增加而下降。

图8 热输入-熔敷金属布氏硬度、冲击平均值曲线Fig.8 Heat input-deposited metal Brinell hardness and impact energy curve

低热输入一方面可以减小热影响区，使异常组织区域减小，从而提高力学性能。另一方面，低热输入使有害气体（如氢）的带入风险降低，也有助于提高力学性能。但低热输入会缩短熔池存在的时间。而对于埋弧焊，熔池需要一定的存在时间才能完成各种有利的冶金反应，如造渣、气体的生成以及上浮，焊丝和焊剂中合金元素的渗入、均匀化等，都需要一定的时间。所以热输入不能太低。如图8所示，当热输入从19.8 kJ/cm提高到21.6 kJ/cm后，冲击韧性有显著的提升。

而热输入过高虽然使熔池中的冶金反应可以充分地进行，但也导致热影响区扩大、吸气倾向增大，这些会不同程度地损害力学性能。

综上所述，当焊接电流为550～600A，电压30 V，焊接速度500 mm/min，即热输入为19.8～21.6 kJ/cm时，熔敷拉伸性能相对稳定，-40℃韧性充足。