防護鋼的焊接冷裂紋敏感性研究

（三一重工股份有限公司，湖南長沙410100）

防護鋼的焊接冷裂紋敏感性研究

鄧才智，陳 欣

（三一重工股份有限公司，湖南長沙410100）

通過冷裂紋敏感指數計算、焊縫接頭硬度試驗和斜Y型坡口試驗，分析防護鋼板的焊接冷裂紋敏感性。結果表明，防護鋼板冷裂紋敏感指數Pcm=0.329%，不產生冷裂紋的預熱溫度為172℃。在常溫和預熱172℃條件下，熱影響區的最高硬度分別為475 HV和310 HV；斜Y型坡口試驗在室溫條件下焊接時，焊縫表面裂紋率為0，平均斷面裂紋率為10.5%，在172℃預熱條件下焊接時，焊縫表面和斷面裂紋率均為0。

防護鋼板；預熱；焊接冷裂紋敏感性

0 前言

防護鋼板具有高強高硬的特點，主要應用于防護車輛結構件。防護鋼一般屬于低合金鋼，母材容易淬硬，在未采用預熱保溫以及緩冷等措施下焊接，冷卻速度較快，熱影響區容易產生馬氏體組織。馬氏體硬而脆，當焊縫接頭氫含量較高以及焊接應力較大時，容易產生冷裂紋。根據產品的結構特點和實際工況，焊縫正面不承受較大的沖擊力，其主要功能是保證母材受到沖擊后仍然能保持可靠的連接，因此要求焊縫接頭具有較高的焊接強度和沖擊韌性[1]。張元杰等人[2]以及張錄鶴[3]分別通過焊接熱模擬試驗、斜Y型坡口試驗等方法研究了Q890、700 MPa低合金高強鋼的抗冷裂紋敏感性，但是國內針對1 000 MPa以上的低合金高強鋼研究甚少。為了有效評價這種超高強度防護鋼板的焊接可行性，通過冷裂紋敏感指數計算、熱影響區最高硬度和斜Y型坡口試驗，分析防護鋼板焊接熱影響區的冷裂紋敏感性。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗采用厚度為8 mm的防護鋼，母材化學成分和力學性能如表1、表2所示。

1.2 試驗方法

1.2.1 斜Y型坡口試驗

試驗按照GB4975.1規定進行[4]。采用MAG焊，保護氣體為 φ（Ar）98%+φ（O2）2%，采用直流反接，焊接電流為200±10 A，電弧電壓為26±2 V，焊接速度為300 mm/min，熱輸入量小于等于1.2 kJ/mm。采用瑞典ESAB公司研制的實心焊絲OK16.95，其化學成分及熔敷金屬的力學性能如表3、表4所示。試驗分兩部分進行，即室溫下施焊和預熱條件下施焊。預熱溫度根據理論結果計算。

表1 防護鋼板的化學成分%

表2 防護鋼板的力學性能

表3 實心焊絲OK 16.95的化學成分%

表4 熔敷金屬的力學性能

1.2.2 焊縫接頭硬度試驗

按照GB/T 27552規定取樣，對橫截面經粗磨、拋光后，使用4%的硝酸酒精腐蝕，并用Olympus金相顯微鏡觀察熱影響區附近的金相組織，然后用Wilson顯微硬度計測試焊縫區、熱影響區和母材附近的硬度，每隔0.5 mm進行取樣。

1.2.3 冷裂紋敏感指數

一般認為，單純以合金元素含量來評定鋼的冷裂紋敏感性是片面的，必須加入板厚、擴散氫、拘束度等因素。賈坤寧等人[5]指出，當鋼板化學成分冷裂紋敏感系數Pcm≤0.2%時，防止冷裂紋的預熱溫度可以不超過50℃。若考慮焊縫金屬中擴散氫含量和不同板厚的影響，在Pcm指數的基礎上進一步得到Pc指數。根據Pc可計算不產生冷裂紋的預熱溫度To

式中 Pcm為鋼的化學成分冷裂紋敏感指數；Pc為焊接冷裂紋敏感指數（單位：%）；[H]為焊絲焊縫擴散氫含量（單位：ml/100g）；t為鋼板厚度（單位：mm）；To為防止產生焊接冷裂紋的預熱溫度（單位：℃）。

2 試驗結果及分析

2.1 冷裂紋敏感指數

根據防護鋼的化學成分，計算結果如表5所示。

表5 Pcm、Pc和焊前預熱溫度To

結果表明，防護鋼板的Pcm為0.329%，大于0.2%，具有一定的冷裂紋敏感性，在焊接過程中需要進行預熱處理，并盡量采用能夠形成低氫焊縫的焊接材料和工藝方法，以降低鋼板的焊接冷裂紋傾向。表5中To計算出的溫度是以斜Y坡口對接裂紋試驗結果為依據，其他接頭形式只作參考，不能直接套用。

2.2 斜Y型坡口試驗結果

試板焊接完畢48 h后，檢測焊縫表面裂紋。首先用肉眼觀察焊縫表面，第一組和第二組焊縫根部均沒有發現裂紋。然后采用著色滲透法分別檢測焊縫表面，沒有發現裂紋。結果表明：在室溫條件下焊接時，焊縫表面裂紋率為0，平均斷面裂紋率為10.5%；在172℃預熱條件下焊接時，焊縫表面及斷面裂紋率均為0，具體如表6所示。斷面的金相組織如圖1所示。

表6 斜Y型坡口焊接裂紋試驗結果

2.3 焊縫接頭硬度試驗結果

焊接接頭的硬度分布曲線如圖2所示。由圖2可知，在室溫條件下，焊縫熱影響區接頭的硬度梯度曲線大致呈現以焊縫中心線對稱分布。接頭硬度值約為200～475 HV，焊縫中心的硬度最低，隨著與焊縫中心距離的增加，硬度明顯上升。但在熱影響區距焊縫中心約6 mm處出現硬度最低值。而經過預熱處理后，熱影響區的峰值硬度下降為310 HV，并出現軟化，HAZ寬度增加。證明在適當的預熱溫度下可以進一步降低焊接冷裂紋敏感性。

圖1 不同預熱溫度下斜Y型坡口焊接裂紋試樣斷面形貌

圖2 焊接接頭的硬度分布曲線

冷裂紋的產生主要取決于三個因素：熱影響區組織、擴散氫含量和接頭的拘束應力。氫是焊接冷裂紋產生的主要因素之一，而氫的擴散和聚集需要一定時間，因此冷裂紋的產生具有一定的延遲性。在預熱條件下焊接時，焊接接頭冷卻速度減慢，可以有效避免淬硬組織的出現。預熱溫度越高，接頭冷卻速度越緩慢，可供擴散氫逸出的時間越長，導致熱影響區的擴散氫含量就越低。同時，預熱還能進一步降低接頭的殘余應力，從而避免焊縫冷裂紋出現[6]。

過熱區的金相組織如圖3所示，在未預熱的條件下，過熱區的金相組織為板條狀馬氏體。而經過172℃預熱，過熱區的金相組織為上貝氏體和少量的針狀、塊狀鐵素體。這表明預熱處理后，過熱區組織中發生了過冷奧氏體向貝氏體的轉化過程。

3 結論

（1）防護鋼板的冷裂紋敏感指數為Pcm=0.329%，具有一定的冷裂紋傾向，不產生冷裂紋的理論預熱溫度為172℃。

（2）在室溫條件下焊接時，焊縫表面裂紋率為0，平均斷面裂紋率為10.5%，在172℃預熱條件下焊接時，焊縫表面和斷面裂紋率均為0。

（3）經過172℃焊前預熱后，焊縫熱影響區的最高硬度明顯下降，冷裂傾向減小。

預熱極大降低了防護鋼板的冷裂紋傾向性。焊后不需要熱處理，具有較低的焊接冷裂紋敏感性。

圖3 過熱區的金相組織

[1]譚俊，張勇.裝甲鋼焊接技術研究進展[J].兵工學報，2013，34（1）：115-117.

[2]張元杰，彭云，馬成勇，等.Q890高強鋼焊接淬硬傾向和冷裂紋敏感性[J].焊接學報，2013，34（6）：53-56.

[3]張錄鶴.屈服強度700 MPa級低合金高強鋼的焊接冷裂紋敏感性[J].新鄉學院學報，2013，30（4）：299-301.

[4]GB4975.1-1984.焊接性試驗斜Y型坡口焊接裂紋試驗方法[S].

[5]賈坤寧，王海東，姜秋月.高強度橋梁鋼焊接冷裂紋敏感性研究[J].電焊機，2012，42（2）：23-25.

[6]蔣慶梅，陳禮清，許云波，等.一種微合金高強鋼焊接冷裂紋敏感性[J].中國科技論文在線，2011，6（2）：103-108.

Study on weld cold cracking sensitivity of protective steel

DENG Caizhi，CHEN Xin
（Sany Heavy Industry Co.，Ltd.，Changsha 410100，China）

Theweldcoldcrackingsensitivityofprotectivesteelwasstudiedthroughthecoldcrackingsensitivityindexcalculations，hardness test of heat affected zone（HAZ）and oblique Y-groove cracking test.The results indicate that cold cracking sensitivity index Pcmof steel is 0.329%，preheat temperature that avoid cold crack is 172 ℃；the maximum hardness of heat affected zone at ambient and preheating temperature are respectively 475HV and 310HV；oblique Y-groove test shows that the weld surface crack is 0，the average rate in the crack section is 10.5%at ambient temperature，the surface of welding and section of the crack rates are 0 at 172 ℃.

protective steel；preheating；weld cold cracking sensitivity

TG457.11

A

1001-2303（2017）09-0075-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.09.15

本文參考文獻引用格式：鄧才智，陳欣.防護鋼的焊接冷裂紋敏感性研究[J].電焊機，2017，47（09）：75-77+84.

2016-12-12；

2017-01-04

鄧才智（1982—），男，湖南邵陽人，工程師，碩士，主要從事結構件焊接工藝的研究工作。E-mail：cai12.zhi15@163.com。