含硼低成本低碳贝氏体钢焊接性能研究

孙　斌

(安阳钢铁股份有限公司)



含硼低成本低碳贝氏体钢焊接性能研究

孙斌

(安阳钢铁股份有限公司)

通过对安阳钢铁公司生产的含硼低成本低碳贝氏体钢AH70DB进行焊接性能研究，分别进行了焊接CCT曲线测定，焊接冷裂纹敏感性研究，以及对焊接热影响区组织性能、焊热热输入量、焊后热处理及焊接接头综合力学性能评定等内容进行了试验研究。研究表明，AH70DB钢淬硬倾向较小，对氢致开裂敏感性较低。在中等拘束条件下焊接，室温10 ℃以上不需预热；在苛刻拘束条件下，可实现低预热温度，预热温度50 ℃以上。采用推荐的焊接工艺焊接25 mm厚AH70DB钢板对接接头，焊接接头综合性能良好，能够满足工矿产品的使用要求。

低碳贝氏体钢冷裂纹敏感性焊接工艺焊接性能

0　前言

安阳钢铁公司已有生产抗拉600 MPa级、700 MPa级和800 MPa级高强板10年以上的经验，其生产的700 MPa级高强板AH70DB钢板采用微量的硼作为淬透性元素，组织为低碳贝氏体组织，采用TMCP工艺生产，具有优良的拉伸性能和低温冲击韧性，较低的生产成本，产2品市场竞争力强，批量应用于煤矿液压支架的制造。为更好的指导用户使用AH70DB高强度钢板，对其焊接性能进行了全面的研究。

1　试验材料及方法

1.1试验材料

低碳贝氏体钢是按抗拉强度700 MPa级以上强度级别设计的，其化学成分见表1。在C-Mn-Si基础上添加Nb、Ti、B等合金元素。

其母材原始拉伸及冲击试验性能见表2。

表1　低碳贝氏体钢化学成分

表2　25 mmAH70DB钢板拉伸及弯曲性能

1.2试验方法

试验采用Formaster-D全自动快速膨胀仪，按GB5056《钢的临界点测定方法对其AC1、AC3进行测定。焊接CCT图测定参照GB5057《钢的连续冷却转变曲线图的测定方法》进行测定；依据GB9446《焊接用插销冷裂纹试验方法》进行插销冷裂纹敏感性试验；依据GB4675.1《焊接性试验 斜Y型坡口焊接裂纹试验方法》进行拘束程度较苛刻的焊接冷裂纹试验；采用Gleeble-1500热模拟试验机，选择1320 ℃、930 ℃、790 ℃三种峰值温度研究不同冷却条件下AH70DB钢焊接热影响区韧性变化规律。最后进行了焊后热处理工艺研究与焊接接头的综合力学性能评定。

2　实验结果与讨论

2.1低碳贝氏体钢焊接CCT曲线测定

含硼低碳贝氏体钢AH70DB的临界点见表3。

表3　AH70DB钢临界点测定结果

注：1. AC1—铁素体向奥氏体转变的开始温度;2.AC3—铁素体向 奥氏体转变的终了温度。

AH70DB焊接CCT如图1所示。参数和性能分别见表4。

图1　AH70DB焊接CCT

由表4可知，AH70DB钢马氏体转变终了的临界冷却时间为23.2 s，出现铁素体的临界冷却时间为730 s，出现珠光体的临界冷却时间为810 s。当t8/5在1.7 s～9.3 s区间时，AH70DB钢HAZ过热区组织为马氏体和贝氏体的混合组织，随t8/5增加，过热区组织中马氏体数量逐渐减少，贝氏体组织数量逐渐增加，硬度逐渐下降；当t8/5=1.7 s时，过热区组织为40%M+60%B，此时HAZ组织硬度最高，HV5为308；当t8/5=9.3 s时，过热区组织为10%M+90%B，硬度HV5 下降为273。当t8/5在23.2 s～730 s区间时，HAZ过热区组织为100%贝氏体,硬度HV5在210以上。当t8/5在730 s～810 s时，过热区组织为贝氏体和铁素体混合组织；当t8/5≥810 s时，HAZ过热区组织为贝氏体+铁素体+珠光体混合组织，随t8/5增加，硬度略有降低，但变化不大。

表4　AH70DB钢焊接CCT图测试数据表

注：1. tmf —马氏体转变结束临界冷却时间；2. tfs—铁素体开始转变临界冷却时间；3. tps —珠光体开始转变临界冷却时间。

2.2插销冷裂敏感性试验

插销试件从母材板厚1/4处取，试件长度方向垂直于钢板的轧向，试件直径为Φ6 mm，采用螺旋缺口，插销试件尺寸如图2所示。

图2　插销试件尺寸

插销底板采用25 mm厚AH70DB钢板，焊丝采用哈尔滨焊接研究所生产的实心焊丝HS-70进行试验，焊接规范见表5，AH70DB钢插销试验结果见表6。

表5　实心焊丝气保焊焊接规范

表6　AH70DB钢插销试验结果

由表6可知，在不预热焊接条件下，采用HS-70焊丝气体保护焊，插销加载到AH70DB钢的实际屈服强度639 MPa，保持载荷24 h内未发生断裂，AH70DB钢插销临界断裂应力超过钢材的屈服强度。插销试验结果表明，在中等拘束条件下，AH70DB钢采用实心焊丝富氩混合气体保护焊，在不预热条件下(室温10 ℃以上)焊接可以防止焊接冷裂纹产生。

2.3斜Y坡口焊接裂纹试验

采用HS-70实心焊丝以及80%Ar+20%CO2富氩混合气体保护焊对AH70DB钢进行了斜Y坡口焊接裂纹试验，焊接规范见表5。试件焊后放置48 h，然后对其进行表面、断面裂纹检查，试验结果见表7。

表7　斜Y坡口焊接裂纹试验结果

由表7可知，试验用25 mm厚AH70DB钢板在预热50 ℃条件下焊接，小铁研试件的表面裂纹率、断面裂纹率均为零；在室温不预热条件下焊接，试件表面裂纹率为零，断面裂纹率分别为3%和12%。试验结果表明：在较苛刻条件下焊接，25 mm厚AH70DB钢可以采用低温度预热，预热50 ℃以上可防止焊接冷裂纹产生。

2.4AH70DB钢焊接热影响区韧性的研究

热模拟试样取自25 mm厚的AH70DB钢板的1/4厚度处,试样尺寸如图3所示。本试验选择1320 ℃、930 ℃、790 ℃三种峰值温度分别代表焊接热影响区过热区、正火区及不完全相变区，试件经热模拟后，加工成V型缺口冲击试样，然后进行-20 ℃冲击试验。

图3热模拟试件

不同峰值温度、不同冷却条件下，AH70DB钢模拟热影响区冲击功见表8。

表8　不同焊接热循环条件下AH70DB钢热影响区冲击功KV2

由表8可知，对应峰值温度为930 ℃的正火区，在不同的t8/5冷却条件下，AH70DB钢该区域低温冲击韧性整体保持在较高水平，KV2-20 ℃平均在220 J以上，不同的焊接冷却速度对正火区冲击韧性影响不大。对应峰值温度790 ℃的不完全相变区，除t8/5=15 s时KV2-20 ℃为100 J以外，在其它不同t8/5冷却条件下，AH70DB钢不完全相变区低温冲击韧性整体水平较高，KV2-20 ℃平均在150 J以上，不同的焊接冷却速度对不完全相变区冲击韧性影响不大。对应峰值温度为1320 ℃的过热区，在t8/5=5 s、10 s冷却条件下，AH70DB钢过热区低温冲击韧性水平较好，KV2-20 ℃分别为140 J和67 J，以后随t8/5增加，过热区低温冲击韧性下降，KV2-20 ℃最高仅为41 J，水平较低。对比AH70DB钢焊接CCT图可知，当t8/5≤10 s时，焊接过热区为板条马氏体+贝氏体混合组织，晶粒较细小；当t8/5大于23.2 s后，焊接过热区以粒状贝氏体组织为主，晶粒较粗大。因此，为提高热影响区过热区韧性，焊接时应控制焊接冷却速度，控制t8/5在15 s以内，使焊接过热区获得板条马氏体+贝氏体混合组织。试验结果表明，实际焊接AH70DB钢时选择适当的焊接热输入量并控制层间温度，使焊接冷却速度t8/5在小于15 s范围内，可以使焊接热影响区获得较好的低温韧性。

2.5不同焊接热输入量对焊接接头的影响

对在不同焊接热输入量条件下25 mm厚AH70DB钢焊接接头的力学性能和微观组织进行试验和分析。预热温度50 ℃，不同热输入量条件下AH70DB钢焊接接头焊缝金属拉伸及低温冲击试验结果见表9。

表9　热输入量对AH70DB钢焊接接头力学性能影响

由表9可知，焊接热输入量在0.96 KJ/mm～2.11 KJ/mm范围内变化，对AH70DB钢焊接接头低温冲击韧性影响不大，其中热影响区低温韧性保持较高水平，冲击吸收功KV2-20 ℃在200 J以上。

2.6AH70DB钢焊后热处理工艺研究

本试验采用表5焊接规范焊接AH70DB钢对接接头，焊后对接接头分别进行250 ℃保温2 h炉冷消氢处理及480 ℃保温2 h炉冷、580 ℃保温2 h炉冷至310 ℃空冷焊后热处理。经焊后热消氢处理及不同工艺焊后热处理后，AH70DB钢焊接接头焊缝金属拉伸及接头各部位低温冲击试验的结果见表10。

表10　焊后处理变化对AH70DB钢焊接接头力学性能的影响

焊后热处理工艺研究试验结果表明，焊后经250 ℃×2 h 消氢处理的AH70DB钢焊接接头力学性能最好；采用480 ℃×2 h炉冷、580 ℃×2 h炉冷至310 ℃空冷两种焊后热处理工艺，接头各部位低温冲击韧性及焊缝金属拉伸性能未见明显破坏，三种热处理工艺条件下的AH70DB钢焊接接头综合性能的良好。AH70DB钢对焊后热处理工艺有较强的适应性。

2.7AH70DB钢焊接接头综合力学性能评定

根据以上试验结果，结合工程及矿山机械焊接规范，推荐采用表11所示焊接工艺焊接AH70DB钢板。

采用实心焊丝HS-70按表11推荐的焊接工艺和图4所示的坡口型式及尺寸焊接AH70DB钢板对接接头，试板尺寸为25 mm ×150 mm ×450 mm，焊后进行250 ℃×2 h消氢处理，焊接接头综合力学性能见表12、表13，AH70DB钢综合力学性能对接接头硬度分布如图5所示。

可见，焊接AH70DB钢对接接头，焊后经250 ℃×2 h消氢处理，焊接接头熔合情况良好，无宏观缺陷；焊接接头拉伸均断于母材，抗拉强度均值分别为728 MPa、710 MPa；焊接接头弯曲性能良好(侧弯d=3a，α=180 °)。

焊接热影响区低温冲击功良好。其焊接接头最高硬度HV10为274，在焊接热影响区过热区；最低硬度HV10为230，在焊接热影响区不完全正火区。

表11　推荐的AH70DB钢板焊接工艺

表13　AH70DB钢对接接头综合力学性能低温冲击韧性

图4　试板坡口型式及尺寸

图5AH70DB钢综合力学性能对接接头硬度分布(距接头表面2 mm板厚处)

3　结论

(1)焊接CCT图测定结果试验表明，AH70DB钢淬硬倾向较小。

(2)焊接冷裂纹敏感性试验研究表明： AH70DB钢焊接热影响区淬硬倾向较小，对氢致开裂敏感性较低。在中等拘束条件下焊接，室温10 ℃以上不需预热；在苛刻拘束条件下，预热温度不低于50 ℃。

(3)焊接工艺试验结果表明：焊接热输入量变化对AH70DB钢焊接接头各部位冲击韧性影响不大，对焊缝金属拉伸性能有一定影响，随焊接热输入量增大，接头焊缝金属拉伸性能有所下降。在实际焊接时应避免使用过大焊接热输入量，以获得综合性能良好的焊接接头。焊接道间温度在100 ℃～200 ℃之间变化对AH70DB钢焊接接头力学性能影响不大，各指标均能达到较高水平。

(4)焊后高温回火热处理工艺对AH70DB钢焊接接头各性能指标有一定的影响，但未造成焊接接头性能明显破坏，AH70DB钢对焊后热处理工艺有较强的适应性。

(5)采用推荐的焊接工艺焊接25 mm厚AH70DB钢板对接接头，焊接接头综合性能良好，能够满足工矿产品的使用要求。

STUDY ON WELD PROPERTY OF THE LOW COST AND LOW CARBON BAINITIC STEEL WITH BORON

Sun Bin

(Anyang Iron and Steel Stock Co., Ltd)

In the paper, study on welding performance of low cost low carbon bainitic steel AH70DB with boron is carried out, including welding CCT curves determination, weld cold cracking susceptibility, the HAZ microstructure and properties, soldering heat input, weld heat treatment and mechanical properties of welded joint assessment. The results show that the hardened tendency of the AH70DB steel is smaller, and the cracking sensitivity which induced by hydrogen is lower. Under conditions of moderate restraint welding, the steel isn't preheated when the room temperature is above 10 ℃.In the condition of the harsh restraint intensity, low temperature preheating is achieved, preheat temperature must be above 50 ℃. With the welding processes recommended, welded joints of 25 mm thick steel AH70DB shows good overall performance, that can meet the requirements of industrial products.

Low carbon bainitic steelcold cracking susceptibilityweld processweld property

联系人：孙斌，高级工程师，河南.安阳(455004)，安阳钢铁股份有限公司技术中心；2016—4—2