工程機(jī)械用高強(qiáng)鋼HG785匹配WER80焊絲焊接性研究

牛全峰，楊學(xué)智

（恩施職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣與機(jī)械工程系，湖北 恩施 445000）

工程機(jī)械用高強(qiáng)鋼HG785匹配WER80焊絲焊接性研究

牛全峰，楊學(xué)智

（恩施職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣與機(jī)械工程系，湖北 恩施 445000）

為了檢驗武鋼研發(fā)的高強(qiáng)度級別工程機(jī)械用鋼HG785的焊接性能是否滿足工程技術(shù)要求，加快該鋼種的推廣應(yīng)用，對20 mm和40 mm規(guī)格HG785鋼的冷裂紋敏感性、焊接工藝性能、焊接材料及焊接熱影響區(qū)、焊縫性能變化規(guī)律進(jìn)行了試驗研究。研究結(jié)果表明，20 mm規(guī)格以下HG785鋼可實現(xiàn)無預(yù)熱焊接，等強(qiáng)匹配WER80焊絲氣體保護(hù)焊接接頭力學(xué)性能亦達(dá)到該鋼種工程技術(shù)要求。

工程機(jī)械用鋼；無預(yù)熱焊接；冷裂紋敏感性；氣體保護(hù)焊接；焊接材料

在鋼鐵制造行業(yè)中，隨著精煉技術(shù)、微合金技術(shù)、控軋控冷技術(shù)以及變形熱處理等技術(shù)的應(yīng)用，使現(xiàn)代高強(qiáng)鋼的強(qiáng)度韌性及焊接性大幅度提高。高強(qiáng)鋼的焊接性主要包括裂紋敏感性和焊接熱影響區(qū)性能兩個方面。焊接性、焊接材料及相應(yīng)的焊接工藝是高強(qiáng)鋼焊接的三個基本要素，三者密不可分。因此，如不解決高強(qiáng)鋼的焊接性及配套焊接材料和焊接工藝問題，將會直接阻礙該鋼種的推廣應(yīng)用。本課題主要圍繞工程機(jī)械用高強(qiáng)鋼HG785d的焊接性、焊接材料及焊接熱影響區(qū)性能展開試驗研究，掌握焊接熱影響區(qū)性能變化規(guī)律，使焊接接頭綜合性能滿足高強(qiáng)鋼焊接技術(shù)要求。

1 HG785鋼抗裂性能研究

工程機(jī)械低合金高強(qiáng)鋼HG785在成分設(shè)計中注重鋼的焊接性能，通過微合金化控軋控冷工藝，在保證高強(qiáng)度和高韌性的同時，希望鋼種的淬硬性低，具有較高的抗冷裂紋能力，從而能采用不預(yù)熱焊接。

1.1 冷裂紋敏感性評估

試驗所用HG785鋼化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。

表1 HG785鋼化學(xué)成分 %

表2 HG785鋼力學(xué)性能

低合金高強(qiáng)鋼的焊接冷裂紋敏感指數(shù)Pcm和Pc可以用于碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.18%的低合金高強(qiáng)鋼冷裂紋敏感性評估與預(yù)測，根據(jù)Pcm和Pc可以計算出HG785低合金高強(qiáng)鋼焊接試驗的預(yù)熱溫度T0。

式中：[H]—焊條擴(kuò)散氫含量，mL/100 g；

h—鋼板厚度，mm。

通過公式（1）~（3），可以計算出厚度為20 mm和40 mm試驗用HG785鋼的Pcm，Pc及所需的預(yù)熱溫度，具體數(shù)值見表3。

表3 HG785鋼的Pcm，Pc及所需的焊接預(yù)熱溫度

采用JS80高強(qiáng)度氣體保護(hù)焊絲焊接預(yù)熱溫度計算結(jié)果表明，焊接20 mm規(guī)格HG785鋼所要求的防止冷裂紋產(chǎn)生的預(yù)熱溫度為10℃，即在常溫下可進(jìn)行焊接試驗。焊接40 mm規(guī)格的HG785鋼需要預(yù)熱。

1.2 斜Y形坡口焊接裂紋試驗

斜Y形坡口焊接裂紋試驗方法具有較大的拘束度，在試驗焊縫及熱影響區(qū)中模擬了焊接結(jié)構(gòu)中嚴(yán)酷的應(yīng)力狀態(tài)，因此常用來測定鋼種的焊接冷裂紋敏感性。

1.2.1 試驗條件

斜Y形坡口焊接裂紋試驗條件(焊絲、鋼板及焊接設(shè)備)見表4。

表4 斜Y形坡口焊接裂紋試驗條件

1.2.2 試驗工藝

此次HG785鋼的斜Y形坡口焊接試驗采用手工氣體保護(hù)焊進(jìn)行，焊接規(guī)范參數(shù)根據(jù)氣體保護(hù)焊工藝特點制定，固定焊縫焊接采用JS80氣體保護(hù)焊絲，保證焊縫有一定的余高以增加試件的剛性。焊接規(guī)范參數(shù)見表5。

表5 試驗焊縫焊接規(guī)范參數(shù)

1.2.3 試驗結(jié)果

試驗焊縫焊后放置48 h，用10倍放大鏡進(jìn)行試驗焊縫的表面裂紋檢查。完成表面裂紋觀察后進(jìn)行試樣的解剖，將焊縫寬度開始均勻處與焊縫弧坑中心之間長度約70 mm的試驗焊縫分成5等分，磨平5個觀察面，用10%的硝酸酒精溶液腐蝕后進(jìn)行焊縫斷面裂紋率的檢測。斜Y形坡口焊接裂紋試驗結(jié)果見表6，斜Y形焊接裂紋試驗焊后剖面低倍照片如圖1所示。表面裂紋率和斷面裂紋率計算按照GB 4675.1—1984中的公式（4）和公式（5）計算，即

式中：Cf—表面裂紋率，%；

式中：CS—斷面裂紋率，%；

He—斷面裂紋高度，mm；

H—焊縫金屬斷面高度，mm。

表6 斜Y形坡口焊接裂紋試驗結(jié)果

圖1 不同規(guī)格HG785Q鋼斜Y形焊接裂紋試驗焊后剖面低倍照片

對HG785鋼冷裂紋敏感性分析得出：隨著板厚的增加，鋼的冷裂紋敏感系數(shù)增加，并促使預(yù)熱溫度升高。在常溫下進(jìn)行了20 mm和40 mm規(guī)格的HG785鋼斜Y形坡口焊接裂紋試驗，20 mm規(guī)格的HG785鋼斷面裂紋率均為零，可進(jìn)行不預(yù)熱焊接。40 mm規(guī)格的HG785鋼斷面裂紋率為51%，根據(jù)冷裂紋敏感性評估及試驗結(jié)果，焊接時應(yīng)預(yù)熱至85℃。試驗用HG785鋼斜Y形坡口焊接裂紋試驗結(jié)果與冷裂紋敏感性評估結(jié)果相一致。

2 HG785鋼匹配WER80焊絲焊接研究

為了配合武鋼高強(qiáng)度工程機(jī)械用鋼的研制及推廣應(yīng)用，對20 mm和40 mm板厚的工程機(jī)械用鋼HG785進(jìn)行了氣體保護(hù)焊接性能試驗，試驗中鋼板與焊材為等強(qiáng)匹配。

2.1 焊接材料及焊接工藝條件

試驗所用氣體保護(hù)焊絲為常州金獅焊接材料有限公司生產(chǎn)的WER80焊絲，直徑為1.2 mm。焊接試驗采用LINCOLN Powerwave 455焊機(jī)，保護(hù)氣體為M21（80%Ar+20%CO2）富氬混合氣，氣體流量為18 L/min。焊接時采用多層多道焊，在保證母材充分融合的情況下，盡量減少熱輸入。層間溫度控制在150℃以下，采用正面焊完反面機(jī)械清根，見焊肉。焊接環(huán)境溫度為25℃，濕度為85%，焊接工藝參數(shù)見表7。

表7 HG785鋼匹配WER80焊絲焊接工藝參數(shù)（縱向）

2.2 焊接接頭力學(xué)性能

對規(guī)格為20 mm和40 mm的HG785鋼板焊接后進(jìn)行焊接接頭力學(xué)性能試驗，包括焊接接頭橫向拉伸試驗、彎曲試驗、沖擊試驗（焊縫、熔合線及熱影響區(qū)）和焊縫金屬拉伸試驗。焊接接頭拉伸及冷彎試驗結(jié)果見表8，焊縫金屬拉伸試驗結(jié)果見表9，不同規(guī)格HG785鋼氣體保護(hù)焊焊接接頭沖擊試驗結(jié)果如圖2所示。

表8 焊接接頭拉伸及冷彎試驗結(jié)果

表9 焊縫金屬拉伸試驗結(jié)果（φ6 mm圓棒試樣）

2.3 焊接接頭硬度試驗

圖2 不同規(guī)格HG785鋼氣體保護(hù)焊焊接接頭沖擊試驗結(jié)果

對規(guī)格為20 mm和40 mm兩種HG785鋼氣體保護(hù)焊焊接接頭進(jìn)行了維氏硬度試驗。測試焊接接頭HV5硬度值，每0.5 mm測試一點，試驗部位從基材到焊縫全接頭斷面，硬度測試位置如圖3所示。圖3中HG785鋼各測試位置的焊接接頭硬度曲線如圖4和圖5所示。

圖3 硬度測試位置

圖4 規(guī)格為20 mm的HG785鋼焊接接頭硬度曲線

圖5 規(guī)格為40 mm的HG785鋼焊接接頭硬度曲線

3 試驗結(jié)果分析與結(jié)論

（1）20 mm鋼板焊接接頭試樣抗拉強(qiáng)度達(dá)到810 MPa，斷于焊縫外。40 mm鋼板全板厚拉伸試樣抗拉強(qiáng)度達(dá)到855 MPa，斷于焊縫。焊接接頭拉伸試驗結(jié)果表明，焊接接頭抗拉強(qiáng)度滿足鋼材強(qiáng)度要求。

（2）彎曲試驗（d=3a）20 mm鋼板正彎67o出現(xiàn)裂紋，反彎79o出現(xiàn)裂紋；40 mm鋼板正彎95o出現(xiàn)裂紋，反彎91o出現(xiàn)裂紋，彎曲性能良好。

（3）20 mm鋼板焊接接頭試樣焊縫-20℃沖擊功均值達(dá)到119 J，熔合線達(dá)到78 J，熱影響區(qū)（線外 1 mm）達(dá)到 78 J。40 mm鋼板焊縫-20℃沖擊功均值達(dá)到98 J，熔合線達(dá)到76 J，熱影響區(qū) （線外1 mm）達(dá)到65 J。金屬夏比V形缺口沖擊試驗結(jié)果表明，焊接接頭焊縫金屬沖擊韌性均滿足鋼材技術(shù)條件要求。

（4）φ 6 mm焊縫金屬抗拉強(qiáng)度均值達(dá)到775MPa，斷面收縮率達(dá)到65%，焊縫金屬抗拉強(qiáng)度稍低于名義值，延展性滿足鋼材技術(shù)條件要求。

（5）從焊接接頭硬度曲線圖可以看出：基材與焊縫的硬度比較平均，HV5均在250左右，熱影響區(qū)存在一定程度的硬化，最高值超過了350，在工程機(jī)械用鋼硬度允許范圍內(nèi)。

研究結(jié)果表明，焊接20 mm規(guī)格HG785鋼無需預(yù)熱，40 mm規(guī)格的HG785鋼需要預(yù)熱；選用WER80氣體保護(hù)焊絲分別匹配20 mm和40 mm板厚的武鋼工程機(jī)械用鋼HG785進(jìn)行了氣體保護(hù)焊接性能試驗，焊接接頭三區(qū)力學(xué)性能滿足工程機(jī)械用高強(qiáng)鋼焊接技術(shù)要求。

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Research on Weldability of High Strength Steel HG785 Used for Engineering Machinery Matching WER80 Welding Wire

NIU Quanfeng，YANG Xuezhi
(Department of Electrical and Mechanical Engineering,Enshi Polytechnic,Enshi 445000,Hubei,China)

In order to verify whether the weldability of high strength steel HG785 used for engineering machinery can meet the requirements of engineering technology,it should speed up the popularization and application of this steel grade.In this article,it studied 20 mm and 40 mm HG785 steel from several aspects,including cold cracking sensitivity,welding process performance,welding material,change rule of HAZ and weld properties.The results indicated that HG785 steel below 20 mm can realize welding without preheating,and the mechanical properties of welded joints by adopting gas shielded welding with same strength matching WER80 wire also reach the requirements of this steel engineering technology.

engineering machinery steel;welding without preheating;cold cracking sensitivity;gas shielded welding;welding material

TG406

B

1001－3938（2015）08-0006-05

牛全峰（1977—），男，山東日照人，碩士，副教授，工程師，主要從事材料的加工技術(shù)與應(yīng)用研究工作。

2015－04－01

李紅麗