控軋控冷Q460高強鋼焊接裂紋敏感性研究

肖德銘，王學，張祥貴，張永生，劉文虎，張兆弟，史文淵

(1.中國能源建設集團天津電力建設公司，天津市 300041;2.武漢大學動力與機械學院，武漢市 430072;3.綏中發電有限責任公司，遼寧省葫蘆島市 125205)

0 引言

近年來，為解決日益增長的用電需求，我國正在加緊進行特高壓、超高壓電網建設。采用高強鋼(Q460鋼)鋼管塔已成為輸電鐵塔的主要技術趨勢。在鋼管塔的推廣應用中，高強鋼的焊接技術與鐵塔加工質量密切相關，其焊接工藝要求較高［1-2］。本文對控扎控冷(thermo mechanical control process，TMCP)Q460高強鋼的強化機理、焊接裂紋敏感性等進行研究，為焊接工藝的制定提供理論依據。

1 TMCP Q460鋼簡介及強化機理分析

1.1 TMCP Q460鋼

降低合金元素含量和細晶化是目前Q460鋼的發展方向。近年來，隨著冶煉與軋制技術的進步，特別是TMCP技術的發展，細晶粒鋼甚至超細晶粒鋼的出現，使Q460鋼的成分與強化機理發生了較大的變化。新開發的TMCP Q460鋼中不添加V元素，將Nb的用量控制在0.01% ～0.02%，化學成分與傳統16Mn鋼成分相近，在軋制態就可使用，大大降低了生產成本［3］。與傳統Q460鋼相比，通過采用控軋控冷工藝細化晶粒，改善性能，既可以節省合金元素，而且在軋制狀態下就具有較高的強度和塑韌性，因此可省去“正火+回火或淬火+回火”工藝，降低生產成本。

1.2 試驗用TMCP Q460鋼

1.2.1 化學成分與力學性能

試驗用TMCP Q460鋼的化學成分如表1所示。

表1 試驗用TMCP Q460鋼的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical composition of Q460 steel(mass fraction)

由表1可以看出TMCP Q460鋼的含碳量較低，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鋼的力學性能

TMCP Q460鋼常溫下力學性能要求值如下:抗拉強度Rm≥600 MPa，屈服強度 σs≥505 MPa，延伸率δ≥20%。

TMCP Q460鋼沖擊韌性實測結果如下:室溫時測試試樣X1、X2、X3的實測平均值為256 J，－20℃時測試試樣 X4、X5、X6的實測平均值為 232 J，－40℃時測試試樣 X7、X8、X9的實測平均值為207 J。

上述測試數據表明，實驗用TMCP Q460鋼韌性良好。

1.2.3 顯微組織

在TMCP Q460材料中取樣，磨制成光學金相試樣，用硝酸酒精腐蝕后在光學顯微鏡下觀察組織形貌，如圖1所示。用線切割機在材料中取0.4 mm左右的薄片，機械磨制成厚度約80 μm的薄膜，用電解雙噴法減薄穿孔，將制備好的薄膜試樣放入JEM－2010型透射電鏡中，觀察它們的組織精細結構，如圖2所示。

圖1 TMCP Q460鋼的顯微組織Fig.1 Microstructure of TMCP Q460 steel

圖2 TMCP Q460鋼組織精細結構Fig.2 Fine structure of TMCP Q460 steel organization

通過組織形貌觀察可以看出，TMCP Q460鋼以鐵素體為主，珠光體數量較少，晶粒度約為7級，但存在大小不均勻的現象。從圖2中可以看到基體中析出了大量非常細小的碳化物。

1.2.4 強化機理分析

上文的微觀分析結果表明，TMCP Q460鋼合金元素含量，特別是碳含量減少，難以得到較多的珠光體組織，其高強度主要是靠晶粒細化和碳化物的沉淀強化作用來獲得的。

在低碳鋼中加入一定量的V、Nb、Ti等微合金化元素，再通過控制軋制技術，如控制變形量、終軋溫度和冷卻速度等可以得到細小的鐵素體晶粒，使屈服強度成倍提高［4-5］。其細化晶粒的原理為，在熱變形過程中發生動態再結晶之前，有VC、NbC、TiC等微顆粒析出，它們推遲或阻止了奧氏體在軋制時的動態再結晶，使等軸晶被壓扁。被壓扁的晶粒面積與體積之比增大，因此再結晶形核位置增多，再結晶后的晶粒變細。此過程反復進行，逐步細化，最終獲得很細小的鐵素體晶粒。

2 TMCP Q460鋼的熱裂紋及再熱裂紋傾向

TMCP Q460鋼屬于低合金結構鋼，根據焊接性理論，低合金結構鋼焊接性問題主要有熱裂紋、再熱裂紋、冷裂紋以及熱影響區的性能變化等。

2.1 熱裂紋敏感性

焊接熱裂紋中最為常見的是結晶裂紋。這類裂紋是在焊接凝固后期，由于低熔點共晶在晶界形成液態薄膜，在拉伸應力作用下沿晶界開裂而形成的，主要出現在焊縫部位。結晶裂紋的產生與焊縫中的雜質(如S、P、C、Ni等)含量有關。錳具有脫硫的作用，可提高焊縫的抗結晶裂紋性。對于一般低合金鋼的熱裂紋敏感性，可用如下經驗公式進行評價:

式中:HCS為熱裂紋敏感性;WS、WC、WP、WSi、WNi、WMn、WMo、WCr、WV分別為鋼材化學成分中各元素的質量分數，%。當HCS＜4，表示可以防止裂紋［6］。

將試驗用TMCP Q460鋼的化學成分代入式(1)，計算得HCS=0.25＜4，由此可知TMCP Q460鋼熱裂紋敏感性很小。

2.2 再熱裂紋敏感性

從化學成分來看，TMCP Q460鋼雖然加入了沉淀強化元素Nb和Ti，但它們含量較少，產生再熱裂紋的可能性應不大。可用以下的經驗公式進行定量評定:

式中:PSR為再熱裂紋敏感性;WCr、WCu、WMo、WTi、WNb、WV分別為鋼材化學成分中各元素的質量分數，%。當PSR＞ 0，表示易裂［6］。

將試驗用TMCP Q460鋼的化學成分代入式(2)，計算得PSR=－0.927＜0，由此可知TMCP Q460鋼不具有再熱裂紋傾向。

3 TMCP Q460鋼冷裂紋敏感性傾向

冷裂紋是接頭冷卻到較低溫度時產生的一種裂紋，在低合金高強鋼的焊接中，氫致延遲裂紋最為常見，一般產生于熔合線附近的熱影響區。氫致延遲裂紋形成的3個要素為:熱影響區的淬硬傾向、接頭的擴散氫含量以及拘束應力［7］。

3.1 冷裂紋敏感性的公式計算

可應用碳當量法來間接評價鋼材的冷裂紋敏感性。應用國際焊接學會(IIW)推薦的碳當量計算公式，計算得到TMCP Q460鋼的碳當量為0.39%，表明該鋼種的冷裂紋敏感性較小。需要指出的是，上述碳當量公式是在傳統低合金鋼冷裂紋試驗基礎上得到的，用它來評價控軋Q460鋼的冷裂紋敏感性并不一定準確，TMCP Q460鋼冷裂紋敏感性還需要通過冷裂紋敏感性試驗來進一步驗證、評價。

3.2 插銷試驗法判定TMCP Q460鋼的冷裂紋敏感性

可用插銷試驗法評定TMCP Q460鋼冷裂紋敏感性的大小。在藥芯焊絲電弧焊(flux-cored arc welding，FCAW)條件下，進行 TMCP Q460鋼插銷試驗，根據臨界斷裂應力大小判斷其冷裂紋傾向，確定其是否需要預熱。

3.2.1 試驗材料及方法

插銷試棒直徑為8 mm，缺口形式為環形，缺口深度為1.5 mm。使用相同的焊接工藝，在不預熱條件下進行試驗，焊后冷至150℃加載。改變試驗應力進行試驗，得到插銷保持16 h不斷的最大應力，即臨界斷裂應力σcr。臨界斷裂應力確定方法為:如在某一應力值下有的試件斷裂，有的試件不斷，則在低于此應力20 MPa的應力下再做2個試樣，如都不斷，則確定后者為 σcr［8-11］。

3.2.2 試驗結果及分析

試驗應力與插銷斷裂時間關系如圖3所示。由圖3可以看出，臨界斷裂應力為980 MPa，遠高于該鋼材的屈服極限505 MPa，這表明，TMCP Q460鋼的冷裂紋敏感性很小。

TMCP Q460鋼插銷試樣斷口附近的顯微組織如圖4所示。由圖4可以看到熱影響區(heat affected zone，HAZ)形成了較多粗大的板條馬氏體組織。通過試驗得到斷口附近HAZ硬度(HV0.1)，3組實測數據平均值為266，此硬度值較低。

HAZ硬化是產生冷裂紋的3個要素之一，因此可以判斷TMCP Q460鋼臨界斷裂應力升高和抗冷裂紋性能好的主要原因是由于HAZ淬硬傾向降低。

綜上所述，可以認為TMCP Q460鋼的冷裂紋敏感性很小，在一般情況下可以不預熱焊接。

4 結論

(1)TMCP Q460鋼由于碳以及其他合金元素含量的減少難以得到較多的珠光體組織，其高強度主要是靠晶粒細化和碳化物的沉淀強化作用來獲得的。

(2)TMCP Q460鋼的熱裂紋傾向很小，并且基本不具有再熱裂紋傾向。

(3)TMCP Q460鋼冷裂紋敏感性很小，可不預熱進行焊接，其臨界斷裂應力升高和抗冷裂紋性能好的主要原因是由于HAZ淬硬傾向降低。

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