＊羅鋒 李許亮 胡安成 李峰

（中國核工業二三建設有限公司 北京 100000）

遼寧某電廠長方體結構工程凈空尺寸為20m×30m×40m，結構工程均采用980鋼，結構工程側面外部均焊接T型結構鋼（橫豎向各1m）。結構工程由980鋼板材通過場外模塊化預制+場內預制拼裝+施工現場組焊的方式制造而成。焊接過程中存在大量的對接焊縫和角焊縫，且這些焊縫都為多層多道焊縫。

隨著科學技術的不斷發展，汽車制造業、油氣運輸行業及航空航天、航海領域對于鋼鐵材料的要求已不單單只局限于其強度，良好的焊接性能和抗腐蝕性能、較高的韌性等開始逐漸成為對鋼材新的要求，而較高的碳元素會嚴重損害鋼材的韌性和可焊性[1]。在汽車應用領域，汽車逐漸向輕量型方向轉化，越來越多高強度鋼應用其中。第3代高強度鋼中的QP鋼具有高強度、高成形性能的特性，一定程度上提升了冷成形高強度鋼的應用潛力，目前已實現工業化應用的最高強度為1180MPa級。近年來，在傳統DP鋼基礎上開發了DH鋼，與傳統DP鋼中的鐵素體和馬氏體組織相比，DH鋼中含有5%左右的殘余奧氏體，具有更優異的成形性能[2]。在船舶選材中廣泛使用高強度鋼，一方面可以保證船體的強度和使用性能，另一方面可以減小構件尺寸以及焊接尺寸，進一步降低船體重量，提高其裝載運輸量和船體性能，不僅能夠節省能量消耗，還能降低節約成本。我國船體高強度鋼主要選用（AH32、DH32、EH32、AH36、DH36、EH36級）鋼板，且這類船板高強度鋼的強度一般可以達到450～980MPa[3-4]。另外，高強鋼作為海軍艦艇發展的重要基礎材料，對海軍艦艇先進性和安全性具有重要的意義和價值。在美國航母艦艇制造中，使用的HSLA-100型鋼性能已達到HY-100鋼的水平（屈服強度高于690MPa），但HSLA-100型鋼可在比HY-100鋼更低的焊接預熱層間溫度下施焊，大大減少了建造成本。美國根據艦艇減重及重心降低的要求為了降低甲板厚度，減輕航母質量而進一步研制出的HSLA-115鋼和HSLA-65鋼，其屈服強度分別達785MPa和445.9MPa。進入20世紀80年代，我國在航艦結構鋼領域逐步形成了以強度級別為系列和品種規格較完整的耐蝕可焊鋼系列，主要代表有390MPa級907A系列鋼、耐海水腐蝕性能和低溫性能好的440MPa級含鎳鉻945系列鋼、590MPa級921A系列鋼、785MPa級980系列鋼等。近年來，我國自主研制的艦船用鋼已成功應用于海軍艦艇建造，并且艦船用鋼的研制與耐腐蝕性發展基本滿足了不同時期艦船建造的需要，但與國外先進海軍艦船用鋼及耐腐蝕性能相比還有一定差距[5]。

隨著高強鋼的強度、厚度以及合金元素的不斷提高，這類鋼的強度不再依靠鋼中碳含量，而主要通過細晶組織強化，位錯及亞結構強化，鈮、鈦、釩微合金元素析出強化，以及沉淀強化等方式來保證鋼的強韌性匹配極佳，尤其是具有優良的野外焊接性能和抗氫致開裂能力。但高強度鋼在使用過程中存在一些不良因素，通常焊接接頭中要求焊縫金屬的性能要與母材合金的性能相匹配，但隨著母材合金元素增加會導致焊接接頭過度硬化，或者焊后熱處理不當引起硬度過高，韌性變低，力學性能下降。并且，在焊接過程中高強鋼易產生氫致裂紋；造成氣孔、夾渣等焊接缺陷；因焊后熱處理不當引起硬度過高，韌性變低等材料性能裂化；焊接性能差導致預熱及熱處理使成本增加。另外，在石油化工領域，有相當一部分石油化工過程是在高溫高壓的環境下運轉，其設備，尤其是高壓容器用材要求極高[6]。而隨高強鋼開發而帶來的是焊接冷裂紋問題，為了避免類似我國吉林液化氣球罐爆炸事故的發生[7]，因此對高強鋼焊接技術及其配套處理工藝進行研究是尤為重要的。

本論文通過對980鋼的可焊性及配套焊材工藝進行探索后，開展其焊接工藝分析研究，采用焊條電弧焊（SMAW）對焊接接頭進行不同預熱后熱溫度試驗，通過冷卻速度，提高焊接接頭的韌性，獲得了符合要求的焊接接頭，大大縮短了工程的焊接施工周期，為電廠結構工程的施工提供保障。

1.實驗材料及實驗方法

(1)980鋼的化學成分及焊接性分析

980鋼屬于低碳低合金調質鋼，鋼板厚度30mm，其焊接性的主要特點是在焊接熱影響區，特別是焊接熱影響區的粗晶區有產生冷裂紋和韌性下降的傾向；同時，低碳調質鋼淬硬傾向較大，但在焊接熱影響區的粗晶區形成的是低碳馬氏體，又因為這類鋼的Ms點較高，在焊接冷卻過程中，所形成的馬氏體可發生自回火，因而這種鋼的冷裂傾向比中碳調質鋼小得多；另外，因鋼中的C、S含量都比較低，而Mn含量及Mn/S又較高，所以其熱裂傾向較小[8]。980鋼供貨狀態為以淬火加高溫回火熱處理（調質），執行標準GJB7786-2012，其化學成分，如表1，其力學性能，如表2。

表1 母材化學成分（wt%）

表2 母材力學性能

(2)焊接材料選擇

高強鋼焊接時應根據產品對焊縫性能要求選擇焊接材料，一般應選擇與母材強度相當的焊接材料，同時必須考慮焊縫金屬的塑韌性及抗裂性能。本試驗研究采用V840焊條（執行標準HJB788-2017）；其化學成分及力學性能見表3、表4。

表3 V840焊條熔敷金屬化學成分（wt%）

表4 V840焊條熔敷金屬力學性能

(3)實驗方法

采用HVS-1000型顯微硬度儀，根據ASTM E384-11e1《材料的努氏和維氏硬度標準試驗方法（中文版）》進行顯微硬度測試。同時對不同預熱、后熱溫度的焊接接頭進行了力學性能試驗，拉伸試驗根據標準《GB/T228.1-2010金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》在型號為WDW-3100的微機控制電子萬能試驗機上進行拉伸試驗。沖擊試驗采用JB-300B型擺錘式沖擊試驗機，根據GB/T 229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》進行沖擊試驗，測定其沖擊功。圖1為拉伸實驗加工試樣示意圖。

圖1 拉伸試樣加工尺寸

2.試驗結果分析

(1)不同預熱、后熱溫度對焊接接頭拉伸性能的影響

由于不同預熱溫度和后熱溫度將直接影響焊接區的冷卻速度，從而影響焊接熱循環過程，由此將對焊接接頭焊縫金屬和熱影響區的組織和力學性能帶來影響，采取不同的預熱溫度主要是控制調整焊接接頭冷卻過程中500～800℃的冷卻時間，預熱溫度越低或不預熱，接頭冷卻速度快，熱影響區及熔合線處硬化，預熱溫度越高，熱影響區軟化，熔寬增加，產生過熱組織，使晶粒粗大，接頭的缺口韌性降低。采用不同預熱、后熱溫度對試樣進行焊接，試樣尺寸為500mm×200mm×30mm，采用單邊30oV型坡口，其余焊接工藝參數，如表5。

表5 不同預熱、后熱溫度條件的焊接工藝參數

分別對不同預熱和后熱溫度試樣進行了拉伸實驗，其實驗結果，如表6，從表中可以看出，隨著預熱后熱溫度的不同對焊縫金屬的拉伸性能影響不大，而對焊接接頭延伸率和斷面收縮率影響比較大。采取試件3的焊接工藝參數，拉伸試驗結果滿足其設計和標準的要求。

表6 焊接接頭拉伸實驗結果

(2)不同預熱、后熱溫度對焊接接頭沖擊性能的影響

分別對標準試樣進行-20℃的低溫沖擊韌性試驗，其試驗結果為No.1試樣的焊縫區和熱影響區平均沖擊韌性值分別為106.7J/cm2、273.3J/cm2；No.2試樣的焊縫區和熱影響區平均沖擊韌性值分別為113.3J/cm2、317.7J/cm2；No.3試樣的焊縫區和熱影響區平均沖擊韌性值分別為96.3J/cm2、276.0J/cm2。母材的平均沖擊功為307.3J/cm2，熱影響區的沖擊韌性明顯高于焊縫區的沖擊韌性。熱影響區總體沖擊韌性較好，可以與母材相匹配。但是當焊接接頭未預熱時，焊縫區和熱影響區的沖擊值最低，韌性相對變差。這主要是隨著冷卻速度的加快，焊縫區由大量的M-A組元構成（圖2（a）（b）），由于沖擊試驗時三向應力度（平均應力/等效應力）大，形成的貝氏體板條較脆并產生部分孿晶馬氏體，因此塑性變差。

圖2 焊縫區微觀組織

(3)不同預熱、后熱溫度對焊接接頭顯微硬度的影響

采用HVS-1000型顯微硬度儀，加載載荷1.96N，加載時間20s進行測試，測試距離為0.5mm,測試方向按如圖3線1和線2進行顯微硬度測試，測試結果，如圖4。

圖3 硬度實驗測試點示意圖

圖4 接頭顯微硬度測試曲線

圖4為不同預熱、后熱溫度下獲得的焊接接頭的顯微硬度分布曲線，從圖中可以看出，不同預熱、后熱溫度下的焊縫熱影響區均出現了不同程度的硬化。980鋼板焊接熱影響區硬度一般在310～350之間，最高位于靠近融合線的過熱區；表明980鋼焊接熱影響區有較強的淬硬傾向，實際焊接過程中應該采取必要措施預防焊接冷裂紋的產生。

3.焊接工藝的確定

為了提高焊接接頭的綜合性能，根據分析結果確定了以下焊接工藝：采用SMAW工藝，焊前需預熱，預熱溫度為80～120℃，道間溫度應控制在100～150℃，焊后應及時進行200～250℃，保溫1～2h，后熱處理。工藝評定試驗結合工程現場采用的NB/T 20002標準以及上由設計文件的要求進行相應的無損檢測及理化試驗，其中無損檢測包括液體滲透檢驗、射線檢驗；理化試驗包括拉伸試驗、彎曲試驗、沖擊試驗、宏觀組織、微觀組織以及硬度試驗等，其試驗結果均符合標準和設計的相關要求。其橫向拉伸屈服強度為822MPa，抗拉強度為845MPa，A為15.5%，Z為64%；焊縫區和熱影響區平均沖擊韌性值分別為113.5J/cm2、323.7J/cm2；母材的平均沖擊功為307.3J/cm2。

4.結論

（1）980鋼焊接，對于預熱溫度的變化，與焊接接頭焊縫金屬的拉伸強度和韌性密切相關；為了提高焊接接頭的綜合性能，980鋼焊接建議焊前需預熱，預熱溫度80℃為宜，后熱溫度為200～250℃，保溫1h為宜，焊道間溫度控制在150℃以內。（2）980鋼板焊接熱影響區硬度一般在310～350之間，最高位于靠近融合線的過熱區；表明980鋼焊接熱影響區有較強的淬硬傾向，實際焊接過程中應該采取必要措施預防焊接冷裂紋的產生。（3）采用V840焊條，焊前預熱，預熱溫度為80～120℃，道間溫度應控制在100～150℃，焊后應及時進行200～250℃，保溫1～2h，后熱處理，焊接接頭能滿足工程使用性能要求；不僅質量穩定而且焊縫RT探傷合格率達到97%以上，大大縮短了工程的焊接施工周期，為電廠結構工程的施工提供保障.