高強度含銅結構鋼（WA710）的焊接性及應用研究

王 靚，尹云洋，牟文廣

（寶武股份中央研究院武漢分院（武鋼有限技術中心），湖北武漢430080）

0 前言

近年來，隨著我國經濟建設的迅速發展，高強度含銅結構鋼的開發及其焊接應用研究越來越活躍。20世紀美國研發出含Cu時效ASTM-A710鋼，與普通高強度低合金鋼相比，該鋼具有高強度、高韌性、易焊接等特點[1]，主要用于美國海軍艦艇的建造，與傳統的低合金鋼相比，在提高性能的同時，顯著降低船體建造成本[2]。近10多年來，我國已在積極的研究及開發該類鋼種并應用于海洋工程、橋梁工程等。銅在傳統的鋼種中易發生銅的熱脆傾向，所以銅的加入受到限制，我國長期以來，銅在結構鋼中只作為耐腐蝕元素加入，其含量一般低于0.35%（質量分數），沒有明顯的強化作用。只有w（Cu）＞0.75%時，其強化作用才能明顯地表現出來[3]。但鋼中銅含量的提高必須是在低碳及Ni-Cu匹配的條件下，采用科學的熱處理工藝，才能獲得理想的力學性能指標。研究發現：鋼中加入1%Cu時，時效處理后屈服強度提高100～150 MPa，此處理工藝對鋼的性能和組織有很大影響，淬火600～650℃時效處理，鋼的綜合性能最好；正火+時效處理，鋼的強度降低、韌性提高；熱軋+時效處理，鋼的韌性最低[4]。所以，開發研制高強度含銅結構鋼既涉及鋼種的成分設計，又涉及冶煉、軋制、熱處理能力和水平。武鋼集團公司在含銅耐腐蝕鋼及高強度含銅結構鋼的開發和應用方面均取得了良好的業績。

近年來，武鋼根據市場需求及ASTM-A710鋼標準，進行了WA710鋼的工業試制，“高強度含銅結構鋼（WA710）開發及焊接應用”取得了成效。隨著工程機械行業的迅猛發展，市場競爭異常激烈。重載車輛對鋼板的力學性能、表面質量、焊接性能等提出了更高的標準和要求。武鋼曾與中國某集團公司合作，承接了我國首臺最大重載礦車（363 t）制造用鋼的供貨及焊接技術研究，用戶裝備制造的技術條件為：除鋼板性能滿足技術指標外，還要提供該鋼板的焊接性能及配套焊材、焊接工藝等相關應用技術支持。

通過對WA710鋼的可焊接性試驗、氣體保護焊工藝試驗等，武鋼產品質量及焊接應用性能均優于國外同類產品，完全滿足了我國首臺最大重載礦車制造的技術要求。目前，高強度含銅結構鋼（WA710）及焊接研究已成功應用于363 t重載礦車（最大載重礦車）及其他工程裝備的制造，為企業獲得了良好的經濟效益。

1 可焊接性試驗

1.1 抗裂試驗條件及方法

試驗鋼板：高強度含銅結構鋼WA710，厚度為20mm。力學性能：Rel=625 MPa，Rm=715 MPa，A=26%，Z=76%，KV2（-60℃）=296 J。鋼板及焊材化學成分如表1所示。

采用小鐵研試驗方法和熱影響區最高硬度試驗方法對試驗鋼進行了抗裂性評價。按照GB/4675.1焊接性試驗《斜Y型坡口焊接裂紋試驗方法》標準和最高硬度試驗按照GB4675.5-84《焊接熱影響區最高硬度試驗方法》標準進行。在低負荷HV-10A型維氏硬度計上測試硬度，測試點間距0.5 mm。抗裂性試驗的焊接工藝參數如表2所示。

表1 試驗用鋼及焊材的化學成分Table 1 Chemical composition of test steels and welding materials %

表2 抗裂性試驗焊接工藝參數及環境條件Table 2 Welding process parameters and environmental conditions for crack resistance test

1.2 小鐵研抗裂性試驗結果

小鐵研試驗結果如圖1所示，在-5℃以上溫度焊接時，WA710鋼表面、截面、根部裂紋率都為零。-7℃溫度以下焊接時，根部首先出現微小裂紋，隨著溫度的降低，裂紋率升高。-20℃下焊接，根部裂紋達到100%，并且在表面處均出現裂紋。

圖1 低溫小鐵研試驗結果Fig.1 Small iron research results in low temperature

小鐵研試樣解剖顯示裂紋走向如圖2所示。裂紋由根部處的熔合線啟裂，向焊縫金屬中發展，并未向母材熱影響區擴展，這說明WA710鋼基體具有良好的低溫抗裂性。

最高硬度試驗結果如圖3所示，WA710鋼沒有明顯淬硬現象，焊接熱影響區的最高硬度為HV257。這表明WA710鋼焊接時淬硬傾向較小，具備優良的抗裂性能。

2 氣體保護焊試驗

2.1 試驗條件

試驗用鋼板WA710鋼厚度32 mm；焊絲牌號WER70-NH，直徑 1.2 mm，保護氣體為φ（Ar）80%+φ（CO2）20%，層間溫度 100～150 ℃，其焊接頭為 X型、開55°坡口。焊接工藝參數見表3。

圖2 小鐵研試樣解剖顯示裂紋走向Fig.2 Microstructure of the sample shows the crack dir-ection

圖3 最高硬度結果Fig.3 Maximumhardness result

2.2 焊接接頭力學性能試驗結果

對焊接接頭進行接頭拉伸試驗、冷彎試驗及沖擊試驗，試驗結果如表4～表6所示。

由表4～表6可知，在線能量約為13～15kJ/cm時，氣保護焊接頭拉伸強度為725 MPa，斷于母材；冷彎試驗在D=3a、彎曲至180°情況下未開裂。夏比V型缺口沖擊試驗，焊縫在-40℃平均沖擊功為148 J，熔合線、熱影響區均在150 J以上，富裕量較高，滿足WA710鋼技術條件，達到重載車輛制造技術要求（Rel≥590 MPa，Rm≥650 MPa，-40 ℃沖擊功 Akv≥60 J），如圖 4 所示。

表3 氣體保護焊焊接工藝參數Table 3 Gas shielded welding process parameters

表4 焊接接頭拉伸性能試驗結果Table 4 Tensile test results of welded joints

表5 焊接接頭冷彎性能試驗結果Table 5 Test results of cold bending performance of welded joints

表6 焊接接頭沖擊韌性試驗結果（鋼板厚度32 mm）Table 6 Test results of impact toughness of welded joints

圖4 焊接接頭各區沖擊功曲線Fig.4 Impact power curves of welding joints in various areas

2.3 焊接接頭顯微組織分析

對焊接接頭進行了金相組織分析，結果如表7所示，焊縫為針狀鐵素體+少量先共析鐵素體，如圖5所示。研究表明[5]：針狀鐵素體是在原奧氏體晶內以針狀分布，常以某些質點（主要氧化物彌散夾雜）為核心放射性成長，并具有較高的位錯密度。焊縫中的針狀鐵素體晶粒較細小，裂紋擴展需要更大的能量。因此，焊縫具有優良的低溫沖擊韌性，-40℃平均度沖擊功達148 J，熱區組織為貝氏體，見圖6。

表7 各區金相組織結果Table 7 Results of metallographic organization in each district

圖5 焊縫組織Fig.5 Microstructure of weld metal

2.4 焊接接頭硬度

焊后對焊接接頭進行HV10硬度試驗，試驗依據GB/T4340.1-1999執行，每隔0.5 mm打一點，測試部位分別為正面表面下2 mm、反面表面下2 mm，測試區域涵蓋基材、熱影響區、焊縫，試驗結果如表8所示。由表8可知，WER70-NH匹配WA710鋼焊接接頭HV10硬度為226～275。從焊縫到基材，HV10硬度過渡均勻，無明顯的硬化及軟化現象。由此可知，焊縫強度與基材強度匹配。

圖6 過熱區組織Fig.6 Over hot zone organization

表8 氣保焊接頭硬度試驗結果Table 8 Hardness test results of gas-protection welding head

3 高強度含銅結構鋼（WA710）焊接在制造工程的應用

中國某集團公司承擔我國首臺最大載重礦車的制造，對鋼板及其焊接應用均有嚴格的技術要求。在與美國EVRAZ、日本JFE等其他鋼廠的競爭中，武鋼WA710鋼取得了用鋼全部供貨權，鋼板厚度規格6～50 mm。除了車斗使用耐磨鋼外，其余部位（如主車體、油箱、駕駛室、橫梁等）均采用WA710鋼焊接結構件。因此，對鋼板及焊接材料、焊接接頭性能等要求極為嚴格和苛刻。2015年我國首臺最大載重（363 t）礦車制造成功并正式投入運營，迄今為止，該車運行良好，得到了用戶高度評價。目前，武鋼WA710鋼以優異的實物性能和良好的焊接性能等指標，又獲得了多家礦車制造企業的青睞。

4 結論

通過對WA710鋼板進行可焊性抗裂試驗和氣體保護焊評定試驗及其應用，結論為：

（1）抗裂性試驗結果表明：高強度含銅結構鋼（WA710）在-5℃以上的溫度條件下，實施焊接可無需預熱，具備優良的抗裂性能。最高硬度試驗結果則進一步表明，WA710鋼焊接時，焊接熱影響區無過高硬度值出現，淬硬傾向較小。

（2）采用氣體保護焊 φ（Ar）80%+φ（CO2）20%工藝，匹配WER70NH焊絲焊接WA710鋼，其焊接頭力學性能與基材匹配，尤其是焊接頭沖擊值具有較大的富裕量。

（3）應用研究表明，WA710鋼板力學性能及焊縫成形良好，焊接性能優異（-5℃以上焊接無需預熱），可大幅降低裝備的制造成本，提高市場競爭力。現已成功應用于我國首臺最大重載礦車的制造，并獲得顯著的效益。

本研究為我國第一臺最大載重礦車的制造提供了可靠的技術支持，不但為武鋼公司創造了經濟效益，也為我國載重礦車的制造升級做出了貢獻。