＊羅鋒 李許亮 胡安成 李峰

（中國核工業(yè)二三建設(shè)有限公司 北京 100000）

遼寧某電廠長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)工程凈空尺寸為20m×30m×40m，結(jié)構(gòu)工程均采用980鋼，結(jié)構(gòu)工程側(cè)面外部均焊接T型結(jié)構(gòu)鋼（橫豎向各1m）。結(jié)構(gòu)工程由980鋼板材通過場(chǎng)外模塊化預(yù)制+場(chǎng)內(nèi)預(yù)制拼裝+施工現(xiàn)場(chǎng)組焊的方式制造而成。焊接過程中存在大量的對(duì)接焊縫和角焊縫，且這些焊縫都為多層多道焊縫。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車制造業(yè)、油氣運(yùn)輸行業(yè)及航空航天、航海領(lǐng)域?qū)τ阡撹F材料的要求已不單單只局限于其強(qiáng)度，良好的焊接性能和抗腐蝕性能、較高的韌性等開始逐漸成為對(duì)鋼材新的要求，而較高的碳元素會(huì)嚴(yán)重?fù)p害鋼材的韌性和可焊性[1]。在汽車應(yīng)用領(lǐng)域，汽車逐漸向輕量型方向轉(zhuǎn)化，越來越多高強(qiáng)度鋼應(yīng)用其中。第3代高強(qiáng)度鋼中的QP鋼具有高強(qiáng)度、高成形性能的特性，一定程度上提升了冷成形高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用潛力，目前已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的最高強(qiáng)度為1180MPa級(jí)。近年來，在傳統(tǒng)DP鋼基礎(chǔ)上開發(fā)了DH鋼，與傳統(tǒng)DP鋼中的鐵素體和馬氏體組織相比，DH鋼中含有5%左右的殘余奧氏體，具有更優(yōu)異的成形性能[2]。在船舶選材中廣泛使用高強(qiáng)度鋼，一方面可以保證船體的強(qiáng)度和使用性能，另一方面可以減小構(gòu)件尺寸以及焊接尺寸，進(jìn)一步降低船體重量，提高其裝載運(yùn)輸量和船體性能，不僅能夠節(jié)省能量消耗，還能降低節(jié)約成本。我國船體高強(qiáng)度鋼主要選用（AH32、DH32、EH32、AH36、DH36、EH36級(jí)）鋼板，且這類船板高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度一般可以達(dá)到450～980MPa[3-4]。另外，高強(qiáng)鋼作為海軍艦艇發(fā)展的重要基礎(chǔ)材料，對(duì)海軍艦艇先進(jìn)性和安全性具有重要的意義和價(jià)值。在美國航母艦艇制造中，使用的HSLA-100型鋼性能已達(dá)到HY-100鋼的水平（屈服強(qiáng)度高于690MPa），但HSLA-100型鋼可在比HY-100鋼更低的焊接預(yù)熱層間溫度下施焊，大大減少了建造成本。美國根據(jù)艦艇減重及重心降低的要求為了降低甲板厚度，減輕航母質(zhì)量而進(jìn)一步研制出的HSLA-115鋼和HSLA-65鋼，其屈服強(qiáng)度分別達(dá)785MPa和445.9MPa。進(jìn)入20世紀(jì)80年代，我國在航艦結(jié)構(gòu)鋼領(lǐng)域逐步形成了以強(qiáng)度級(jí)別為系列和品種規(guī)格較完整的耐蝕可焊鋼系列，主要代表有390MPa級(jí)907A系列鋼、耐海水腐蝕性能和低溫性能好的440MPa級(jí)含鎳鉻945系列鋼、590MPa級(jí)921A系列鋼、785MPa級(jí)980系列鋼等。近年來，我國自主研制的艦船用鋼已成功應(yīng)用于海軍艦艇建造，并且艦船用鋼的研制與耐腐蝕性發(fā)展基本滿足了不同時(shí)期艦船建造的需要，但與國外先進(jìn)海軍艦船用鋼及耐腐蝕性能相比還有一定差距[5]。

隨著高強(qiáng)鋼的強(qiáng)度、厚度以及合金元素的不斷提高，這類鋼的強(qiáng)度不再依靠鋼中碳含量，而主要通過細(xì)晶組織強(qiáng)化，位錯(cuò)及亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化，鈮、鈦、釩微合金元素析出強(qiáng)化，以及沉淀強(qiáng)化等方式來保證鋼的強(qiáng)韌性匹配極佳，尤其是具有優(yōu)良的野外焊接性能和抗氫致開裂能力。但高強(qiáng)度鋼在使用過程中存在一些不良因素，通常焊接接頭中要求焊縫金屬的性能要與母材合金的性能相匹配，但隨著母材合金元素增加會(huì)導(dǎo)致焊接接頭過度硬化，或者焊后熱處理不當(dāng)引起硬度過高，韌性變低，力學(xué)性能下降。并且，在焊接過程中高強(qiáng)鋼易產(chǎn)生氫致裂紋；造成氣孔、夾渣等焊接缺陷；因焊后熱處理不當(dāng)引起硬度過高，韌性變低等材料性能裂化；焊接性能差導(dǎo)致預(yù)熱及熱處理使成本增加。另外，在石油化工領(lǐng)域，有相當(dāng)一部分石油化工過程是在高溫高壓的環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn)，其設(shè)備，尤其是高壓容器用材要求極高[6]。而隨高強(qiáng)鋼開發(fā)而帶來的是焊接冷裂紋問題，為了避免類似我國吉林液化氣球罐爆炸事故的發(fā)生[7]，因此對(duì)高強(qiáng)鋼焊接技術(shù)及其配套處理工藝進(jìn)行研究是尤為重要的。

本論文通過對(duì)980鋼的可焊性及配套焊材工藝進(jìn)行探索后，開展其焊接工藝分析研究，采用焊條電弧焊（SMAW）對(duì)焊接接頭進(jìn)行不同預(yù)熱后熱溫度試驗(yàn)，通過冷卻速度，提高焊接接頭的韌性，獲得了符合要求的焊接接頭，大大縮短了工程的焊接施工周期，為電廠結(jié)構(gòu)工程的施工提供保障。

1.實(shí)驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)方法

(1)980鋼的化學(xué)成分及焊接性分析

980鋼屬于低碳低合金調(diào)質(zhì)鋼，鋼板厚度30mm，其焊接性的主要特點(diǎn)是在焊接熱影響區(qū)，特別是焊接熱影響區(qū)的粗晶區(qū)有產(chǎn)生冷裂紋和韌性下降的傾向；同時(shí)，低碳調(diào)質(zhì)鋼淬硬傾向較大，但在焊接熱影響區(qū)的粗晶區(qū)形成的是低碳馬氏體，又因?yàn)檫@類鋼的Ms點(diǎn)較高，在焊接冷卻過程中，所形成的馬氏體可發(fā)生自回火，因而這種鋼的冷裂傾向比中碳調(diào)質(zhì)鋼小得多；另外，因鋼中的C、S含量都比較低，而Mn含量及Mn/S又較高，所以其熱裂傾向較小[8]。980鋼供貨狀態(tài)為以淬火加高溫回火熱處理（調(diào)質(zhì)），執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GJB7786-2012，其化學(xué)成分，如表1，其力學(xué)性能，如表2。

表1 母材化學(xué)成分（wt%）

表2 母材力學(xué)性能

(2)焊接材料選擇

高強(qiáng)鋼焊接時(shí)應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品對(duì)焊縫性能要求選擇焊接材料，一般應(yīng)選擇與母材強(qiáng)度相當(dāng)?shù)暮附硬牧希瑫r(shí)必須考慮焊縫金屬的塑韌性及抗裂性能。本試驗(yàn)研究采用V840焊條（執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)HJB788-2017）；其化學(xué)成分及力學(xué)性能見表3、表4。

表3 V840焊條熔敷金屬化學(xué)成分（wt%）

表4 V840焊條熔敷金屬力學(xué)性能

(3)實(shí)驗(yàn)方法

采用HVS-1000型顯微硬度儀，根據(jù)ASTM E384-11e1《材料的努氏和維氏硬度標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法（中文版）》進(jìn)行顯微硬度測(cè)試。同時(shí)對(duì)不同預(yù)熱、后熱溫度的焊接接頭進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)，拉伸試驗(yàn)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《GB/T228.1-2010金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》在型號(hào)為WDW-3100的微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。沖擊試驗(yàn)采用JB-300B型擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)，根據(jù)GB/T 229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，測(cè)定其沖擊功。圖1為拉伸實(shí)驗(yàn)加工試樣示意圖。

圖1 拉伸試樣加工尺寸

2.試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)不同預(yù)熱、后熱溫度對(duì)焊接接頭拉伸性能的影響

由于不同預(yù)熱溫度和后熱溫度將直接影響焊接區(qū)的冷卻速度，從而影響焊接熱循環(huán)過程，由此將對(duì)焊接接頭焊縫金屬和熱影響區(qū)的組織和力學(xué)性能帶來影響，采取不同的預(yù)熱溫度主要是控制調(diào)整焊接接頭冷卻過程中500～800℃的冷卻時(shí)間，預(yù)熱溫度越低或不預(yù)熱，接頭冷卻速度快，熱影響區(qū)及熔合線處硬化，預(yù)熱溫度越高，熱影響區(qū)軟化，熔寬增加，產(chǎn)生過熱組織，使晶粒粗大，接頭的缺口韌性降低。采用不同預(yù)熱、后熱溫度對(duì)試樣進(jìn)行焊接，試樣尺寸為500mm×200mm×30mm，采用單邊30oV型坡口，其余焊接工藝參數(shù)，如表5。

表5 不同預(yù)熱、后熱溫度條件的焊接工藝參數(shù)

分別對(duì)不同預(yù)熱和后熱溫度試樣進(jìn)行了拉伸實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表6，從表中可以看出，隨著預(yù)熱后熱溫度的不同對(duì)焊縫金屬的拉伸性能影響不大，而對(duì)焊接接頭延伸率和斷面收縮率影響比較大。采取試件3的焊接工藝參數(shù)，拉伸試驗(yàn)結(jié)果滿足其設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表6 焊接接頭拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(2)不同預(yù)熱、后熱溫度對(duì)焊接接頭沖擊性能的影響

分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行-20℃的低溫沖擊韌性試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果為No.1試樣的焊縫區(qū)和熱影響區(qū)平均沖擊韌性值分別為106.7J/cm2、273.3J/cm2；No.2試樣的焊縫區(qū)和熱影響區(qū)平均沖擊韌性值分別為113.3J/cm2、317.7J/cm2；No.3試樣的焊縫區(qū)和熱影響區(qū)平均沖擊韌性值分別為96.3J/cm2、276.0J/cm2。母材的平均沖擊功為307.3J/cm2，熱影響區(qū)的沖擊韌性明顯高于焊縫區(qū)的沖擊韌性。熱影響區(qū)總體沖擊韌性較好，可以與母材相匹配。但是當(dāng)焊接接頭未預(yù)熱時(shí)，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的沖擊值最低，韌性相對(duì)變差。這主要是隨著冷卻速度的加快，焊縫區(qū)由大量的M-A組元構(gòu)成（圖2（a）（b）），由于沖擊試驗(yàn)時(shí)三向應(yīng)力度（平均應(yīng)力/等效應(yīng)力）大，形成的貝氏體板條較脆并產(chǎn)生部分孿晶馬氏體，因此塑性變差。

圖2 焊縫區(qū)微觀組織

(3)不同預(yù)熱、后熱溫度對(duì)焊接接頭顯微硬度的影響

采用HVS-1000型顯微硬度儀，加載載荷1.96N，加載時(shí)間20s進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試距離為0.5mm,測(cè)試方向按如圖3線1和線2進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果，如圖4。

圖3 硬度實(shí)驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)示意圖

圖4 接頭顯微硬度測(cè)試曲線

圖4為不同預(yù)熱、后熱溫度下獲得的焊接接頭的顯微硬度分布曲線，從圖中可以看出，不同預(yù)熱、后熱溫度下的焊縫熱影響區(qū)均出現(xiàn)了不同程度的硬化。980鋼板焊接熱影響區(qū)硬度一般在310～350之間，最高位于靠近融合線的過熱區(qū)；表明980鋼焊接熱影響區(qū)有較強(qiáng)的淬硬傾向，實(shí)際焊接過程中應(yīng)該采取必要措施預(yù)防焊接冷裂紋的產(chǎn)生。

3.焊接工藝的確定

為了提高焊接接頭的綜合性能，根據(jù)分析結(jié)果確定了以下焊接工藝：采用SMAW工藝，焊前需預(yù)熱，預(yù)熱溫度為80～120℃，道間溫度應(yīng)控制在100～150℃，焊后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行200～250℃，保溫1～2h，后熱處理。工藝評(píng)定試驗(yàn)結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)采用的NB/T 20002標(biāo)準(zhǔn)以及上由設(shè)計(jì)文件的要求進(jìn)行相應(yīng)的無損檢測(cè)及理化試驗(yàn)，其中無損檢測(cè)包括液體滲透檢驗(yàn)、射線檢驗(yàn)；理化試驗(yàn)包括拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、宏觀組織、微觀組織以及硬度試驗(yàn)等，其試驗(yàn)結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)的相關(guān)要求。其橫向拉伸屈服強(qiáng)度為822MPa，抗拉強(qiáng)度為845MPa，A為15.5%，Z為64%；焊縫區(qū)和熱影響區(qū)平均沖擊韌性值分別為113.5J/cm2、323.7J/cm2；母材的平均沖擊功為307.3J/cm2。

4.結(jié)論

（1）980鋼焊接，對(duì)于預(yù)熱溫度的變化，與焊接接頭焊縫金屬的拉伸強(qiáng)度和韌性密切相關(guān)；為了提高焊接接頭的綜合性能，980鋼焊接建議焊前需預(yù)熱，預(yù)熱溫度80℃為宜，后熱溫度為200～250℃，保溫1h為宜，焊道間溫度控制在150℃以內(nèi)。（2）980鋼板焊接熱影響區(qū)硬度一般在310～350之間，最高位于靠近融合線的過熱區(qū)；表明980鋼焊接熱影響區(qū)有較強(qiáng)的淬硬傾向，實(shí)際焊接過程中應(yīng)該采取必要措施預(yù)防焊接冷裂紋的產(chǎn)生。（3）采用V840焊條，焊前預(yù)熱，預(yù)熱溫度為80～120℃，道間溫度應(yīng)控制在100～150℃，焊后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行200～250℃，保溫1～2h，后熱處理，焊接接頭能滿足工程使用性能要求；不僅質(zhì)量穩(wěn)定而且焊縫RT探傷合格率達(dá)到97%以上，大大縮短了工程的焊接施工周期，為電廠結(jié)構(gòu)工程的施工提供保障.