魏寧，李仁民，姜錫祥，魏成民，王勝林

中國(guó)船舶重工集團(tuán)柴油機(jī)有限公司 山東青島 266000

1 序言

某項(xiàng)目燃?xì)廨啓C(jī)底座為焊接結(jié)構(gòu)件，其材質(zhì)主要為ASTM A572 Gr.50正火鋼（以下簡(jiǎn)稱A572），國(guó)內(nèi)同級(jí)別材料為Q355鋼；底座主承載件材質(zhì)為A S T M A514 G r. F高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼（以下簡(jiǎn)稱A514），國(guó)內(nèi)同級(jí)別材料為Q690鋼。

異種鋼焊接可分為兩種：一種是金相組織相同，僅合金化程度不同的異種鋼焊接，如不同珠光體鋼焊接；另一種是金相組織不同的異種鋼焊接，A572與A514焊接屬于后者。異種鋼焊接要比同種金屬焊接復(fù)雜，既有不同母材與焊材之間作用帶來的冶金反應(yīng)上的困難，也有因物理性能不同而產(chǎn)生的工藝上的困難，如熔點(diǎn)、線脹系數(shù)及熱導(dǎo)率等。A572與A514焊接，存在淬硬傾向大，易產(chǎn)生冷裂紋，以及焊接HAZ脆化、軟化問題。因此，對(duì)A572與A514異種鋼的焊接工藝研究，不但可以完善中國(guó)船舶重工集團(tuán)柴油機(jī)有限公司的焊接數(shù)據(jù)庫(kù)，豐富產(chǎn)品類型，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，還可以有效地保障出口產(chǎn)品的焊接質(zhì)量。

2 材料焊接性分析

2.1 化學(xué)成分及力學(xué)性能

A572和A514是按照ASTM標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的鋼板，其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表1、表2。

表1 母材化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2.2 焊接性

焊接性指金屬是否適應(yīng)焊接加工而形成完整的、具備一定使用性能的焊接接頭的特性。鋼材的化學(xué)成分對(duì)焊接HAZ的淬硬及冷裂有直接影響，C對(duì)冷裂敏感性影響最顯著，可以將各種元素都按相當(dāng)于若干C含量折合疊加起來求得碳當(dāng)量，進(jìn)而估計(jì)材料冷裂傾向的大小。

采用國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦的碳當(dāng)量計(jì)算公式，得出A572的最大碳當(dāng)量為0.48%；A514的最大碳當(dāng)量為0.73%。一般認(rèn)為碳當(dāng)量≤0.4%時(shí)，鋼材在焊接時(shí)無淬硬傾向，焊接性良好。當(dāng)碳當(dāng)量為0.4%~0.6%時(shí)，鋼的淬硬傾向逐步增加。故A572有一定淬硬傾向，而A514碳當(dāng)量遠(yuǎn)高于焊接性良好的判定標(biāo)準(zhǔn)。

綜上可知，A572與A514異種鋼熔焊焊接性較差。對(duì)于正火鋼與高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼的焊接，主要存在以下問題。

（1）冷裂傾向 A572為低合金高強(qiáng)鋼，熱處理狀態(tài)為正火。其C含量較低，而Mn含量較高，Mn/S高，具有較好的抗熱裂性能，正常情況下焊縫中不會(huì)出現(xiàn)熱裂紋。因?yàn)锳572最大碳當(dāng)量不超過0.5%，所以淬硬傾向不嚴(yán)重，焊接性尚可，但隨板厚增加往往需要采取預(yù)熱措施。

A514為低碳調(diào)質(zhì)鋼，其C含量較低，Mn含量較高，而且對(duì)S、P雜質(zhì)的控制也較嚴(yán)，因此熱裂傾向較小。這類鋼的合金化原理，就是在低碳的基礎(chǔ)上通過加入多種提高淬透性的合金元素，來保證獲得強(qiáng)度高、韌性好的低碳馬氏體和部分下貝氏體的混合組織。由于這類鋼的淬硬傾向較大，故會(huì)有很大的冷裂傾向，但如果從工藝上提供一個(gè)“自回火”處理?xiàng)l件，即保證馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)冷卻速度較慢，則冷裂紋是可能避免的。

（2）H A Z 性能變化 A 572 過熱區(qū)溫度在1100~1300℃之間，會(huì)發(fā)生奧氏體晶粒粗大及難熔質(zhì)點(diǎn)熔入過程。過熱的粗大奧氏體晶粒增加了它的穩(wěn)定性，冷卻過程中會(huì)出現(xiàn)粗大的馬氏體和M-A組元等脆性組織；難熔質(zhì)點(diǎn)熔入后往往在冷卻過程中來不及析出而使材料變脆。因此，過熱區(qū)的性能變化取決于高溫停留時(shí)間和焊接熱輸入，采用小熱輸入是避免這類鋼過熱區(qū)脆化的一個(gè)可靠措施。

A 514 過熱區(qū)形成100%的低碳馬氏體時(shí)，韌性并非最好，而韌性最佳的組織為馬氏體+（10%~30%）下貝氏體[1]，控制好t8/5是形成理想組結(jié)的關(guān)鍵。當(dāng)冷卻時(shí)間超過最佳的t8/5時(shí)，引起脆化的原因除了奧氏體晶粒粗大外，還有上貝氏體和M-A組元的形成；當(dāng)冷卻時(shí)間過快時(shí)，易形成單一的馬氏體組織。HAZ的軟化，是焊接調(diào)質(zhì)鋼時(shí)的一個(gè)普遍問題，凡是加熱溫度高于母材回火溫度至AC1的區(qū)域，由于碳化物的積聚長(zhǎng)大而使鋼材軟化。本產(chǎn)品不進(jìn)行焊后熱處理，故HAZ軟化問題不可避免，因此制定工藝時(shí)應(yīng)盡量限制軟化區(qū)域的寬度和軟化程度。

3 焊接方法及焊接參數(shù)的確定

通過對(duì)兩種金屬材料焊接性的分析可知，A572與A514異種鋼焊接主要問題是冷裂紋的產(chǎn)生和焊接HAZ脆化、軟化。那么，對(duì)于焊接工藝的設(shè)計(jì)，將著重避免以下問題。

3.1 焊接方法及焊接材料的選擇

根據(jù)焊接生產(chǎn)效率及熱輸入量，選擇熔化極氣體保護(hù)焊；由于藥芯焊絲熔敷速度高于實(shí)芯焊絲，故使用低氫藥芯焊絲，熔敷金屬擴(kuò)散氫含量≤8.0mL/100g；A572與A514組織相近，焊接材料選擇的原則是焊縫金屬化學(xué)成分、力學(xué)性能不能低于母材中性能較低一側(cè)性能指標(biāo)，故焊材型號(hào)選用AWS A5.20 E71T-1C H8，即低強(qiáng)匹配原則。此種焊材化學(xué)成分及力學(xué)性能見表3。

3.2 預(yù)熱及層間溫度

（1）預(yù)熱 對(duì)于低碳調(diào)質(zhì)鋼，預(yù)熱的主要目的是降低馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)的冷卻速度，通過馬氏體的“自回火”作用來提高其抗裂性。預(yù)熱溫度與母材材質(zhì)、母材厚度、焊材擴(kuò)散氫含量及熱輸入量等因素相關(guān)。異種鋼焊接時(shí)，預(yù)熱溫度按照碳當(dāng)量較高一側(cè)母材的要求確定，即按A514確定預(yù)熱溫度。根據(jù)EN 1011-2—2001《鐵素體鋼電弧焊》推薦，初步確定預(yù)熱溫度為90℃。

（2）層間溫度 過高的層間溫度會(huì)影響焊縫接頭的沖擊韌度，異種鋼焊接層間溫度按照碳當(dāng)量較高一側(cè)母材的要求確定，不得超過220℃[2]。

3.3 熱輸入量的確定

對(duì)于A572與A514焊接，熱輸入量關(guān)系到冷裂紋的產(chǎn)生、熱影響區(qū)的脆化及軟化，其最大值不宜超過2.5kJ/mm。

4 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)

4.1 工藝評(píng)定參數(shù)

采用K形坡口橫焊（即2G），接頭形式如圖1所示，工藝評(píng)定焊接參數(shù)見表4。

圖1 接頭形式示意

表4 工藝評(píng)定焊接參數(shù)

4.2 工藝評(píng)定結(jié)果

根據(jù)AWS D1.1《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》，對(duì)試件進(jìn)行外觀檢測(cè)、超聲波檢測(cè)。無損檢測(cè)之后，對(duì)試件取樣，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)及側(cè)彎試驗(yàn)。該項(xiàng)目合同及圖樣中未規(guī)定沖擊試驗(yàn)、硬度測(cè)試要求，但為進(jìn)一步驗(yàn)證工藝的合理性，依據(jù)母材材質(zhì)沖擊試驗(yàn)溫度，進(jìn)行－40℃沖擊試驗(yàn)；同時(shí)，增加硬度測(cè)試試驗(yàn)。力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表5，焊縫接頭顯微硬度檢測(cè)結(jié)果見表6。

表5 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

表6 焊縫接頭顯微硬度檢測(cè)結(jié)果 （HV10）

從A572與A514焊接工藝評(píng)定力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

1）拉伸試驗(yàn)斷口位置在A572母材上，抗拉強(qiáng)度高于A572母材規(guī)定值，說明按該工藝方案制作的試件獲得了抗拉強(qiáng)度較好的焊縫。

2）側(cè)彎試驗(yàn)采用彎頭直徑為63.5mm，彎曲角度為180°，4個(gè)試樣均未出現(xiàn)裂紋缺陷，說明焊縫塑性較好。

3）沖擊試驗(yàn)中焊縫中心沖擊吸收能量較高，達(dá)到101J；A572一側(cè)，沖擊吸收能量尚可，說明該種材料HAZ脆化不嚴(yán)重；A514一側(cè)沖擊吸收質(zhì)量較低，說明其HAZ中出現(xiàn)了脆性組織，后續(xù)生產(chǎn)中必須控制焊接參數(shù)。

4）接頭硬度可以間接反應(yīng)出焊縫冷裂傾向。通常來講，接頭硬度越高，冷裂傾向越大。A572屈服強(qiáng)度≤460MPa，接頭硬度應(yīng)≤380HV10；A514屈服強(qiáng)度≥690MPa，接頭硬度應(yīng)≤450HV10。用顯微硬度儀對(duì)兩側(cè)母材與HAZ、焊縫進(jìn)行硬度檢測(cè)。從表6可以看出，焊縫硬度在215~250HV10，硬度分布均勻；A514側(cè)HAZ及熔合線硬度在255~291HV10，較母材硬度低，此種現(xiàn)象說明調(diào)質(zhì)鋼焊接后HAZ有一定軟化傾向。

5 結(jié)束語(yǔ)

1）A572與A514異種鋼焊接，采用藥芯焊絲氣體保護(hù)焊，根據(jù)低強(qiáng)匹配原則選用E71T-1C H8低氫焊材，焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)符合AWS D1.1要求。

2）正火鋼與低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接，焊縫接頭存在冷裂傾向，HAZ有脆化、軟化問題，但輔以適當(dāng)?shù)念A(yù)熱措施，控制層間溫度，采用小熱輸入，可以得到滿意的接頭性能。

3）該工藝用于出口燃?xì)廨啓C(jī)底座的焊接生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量滿足客戶的技術(shù)要求。