Q390R鋼板的焊接試驗研究

吳瑞萍,武靖偉,王天先,張 雪,唐波濤,吳 昊

(青島蘭石重型機械設備有限公司,山東青島 266426)

0 引言

低合金高強鋼板在石油化工、壓力容器、采油平臺、球罐以及管道和船舶建造等行業有廣泛地應用,這類鋼板除了具有足夠高的強度(主要是屈服強度)外,還具有良好的加工性、焊接性和耐蝕性等。Q390在GB/T 1591—2018《低合金高強結構鋼》標準中列出,其主要應用在建筑、船舶、橋梁、電站設備、起重運輸機械及其他較高載荷的焊接結構件中。Q390R鋼板在承壓容器的應用中具有較好的前景,但是Q390R鋼在國內相關標準中尚未列出。

Q390R鋼板采用BOF→LF→RH→CC工藝路線生產,生產過程穩定(正火狀態交貨),考慮到材料應用的覆蓋面,重點進行厚度40 mm的Q390R鋼板的焊接性試驗,以及采用焊條電弧焊(SMAW)、埋弧焊(SAW)兩種焊接方法的焊接工藝性試驗[1],在焊態及模擬630 ℃×2 h狀態下進行性能檢測,為該鋼板的工程應用提供基礎研究數據。

1 試驗材料及方法

試驗所用的母材為Q390R鋼板,正火狀態交貨。試件的厚度為40 mm,其化學成分如表1所示,其力學性能實測值如表2所示。

表1 Q390R鋼板的化學成分

表2 Q390R鋼板的力學性能

通過對母材微觀金相可以看出,Q390R鋼板的力學性能良好,其金相組織主要為珠光體+鐵素體,如圖1所示。

圖1 正火態Q390R鋼板的金相組織

2 焊接性試驗

2.1 斜Y型坡口焊接裂紋試驗

GB/T 32260.1—2015《金屬材料焊縫的破壞性試驗 焊件的冷裂紋試驗 弧焊方法 第1部分:總則》研究了Q390R鋼板在不同焊接預熱條件下的母材、焊縫及熱影響區抗冷裂能力,并通過試驗方法尋找其最佳預熱溫度。

2.1.1 試板和焊材

試驗材料:試板尺寸為40 mm×150 mm×200 mm;數量3組;編號依次為1#～3#。拘束焊縫:采用牌號為J557R、規格?4.0 mm的焊條;試驗焊道采用牌號J557R、規格?4.0 mm的焊條。

2.1.2 試驗方法和過程

(1)試板兩端由卡具裝卡固定,采用天然氣預熱至150 ℃后拘束焊縫。焊后緩冷至室溫,保持坡口根部間隙為2±0.1 mm,如圖2所示。

圖2 斜Y型坡口焊接裂紋試驗示意

(2)分別在室溫和50,100 ℃三種預熱條件下焊接試驗焊道,焊接參數如表3所示。

表3 焊條電弧焊焊接參數

(3)試板在焊后靜置48 h。

2.1.3 試驗結果

首先,檢查試板焊道表面的開裂狀況;其次,將每組試板解剖加工成5件試樣,逐件檢查試樣橫斷面上的開裂狀況。

(1)預熱溫度為室溫時,試板焊道表面開裂,表面裂紋率Cf=100%;試樣橫斷面均開裂,裂紋起裂于焊趾,并貫穿整個焊道,斷面裂紋率Cs=100%,試樣橫斷面開裂如圖3所示。

圖3 試樣橫斷面開裂示意

(2)預熱溫度為50 ℃或100 ℃時,試板焊道表面沒有發現裂紋,表面裂紋率Cf=0%;試樣橫斷面上沒有發現裂紋,斷面裂紋率Cs=0%。

由此可知,Q390R鋼焊接的預熱溫度應不低于50 ℃;Q390R鋼進行斜Y型坡口焊接裂紋試驗時,在預熱50 ℃條件下,焊縫、母材、熱影響區已不開裂。因此,采用J557R焊條焊接Q390R鋼,其焊接接頭抗冷裂能力較好。

2.2 再熱裂紋試驗

研究Q390R鋼不同焊后熱處理條件下的母材、焊縫、熱影響區抗再熱裂紋能力,并通過試驗方法尋找出最佳焊后熱處理規范。

2.2.1 試板和焊材

所用試板規格、焊材、焊接規范,與斜Y型坡口焊接裂紋試驗相同,試板數量為3組。

2.2.2 試驗方法和過程

(1)將試板預熱至50 ℃后,采用J557R焊條拘束焊縫,焊后緩冷至室溫,保持坡口根部間隙為2.0±0.1 mm。

(2)焊道表面徹底清潔后,采用J557R焊條焊接試驗焊縫,焊后靜置48 h。

(3)按630 ℃×2 h,630 ℃×6 h,630 ℃×10 h三種熱處理制度,對試板分別進行消應力處理,出爐后靜置48 h。

2.2.3 試驗結果

(1)焊接和熱處理后,分別進行滲透檢測,試驗焊道上均沒有發現裂紋。

(2)采用機械方法將每塊試板解剖成5件試樣,經拋光腐蝕后采用5～10倍放大鏡進行檢查,所有斷面上的焊縫、母材、熱影響區均沒有發現裂紋。采用J557R焊條和表3的焊接規范,焊前預熱,焊后消應力處理的Q390R鋼板焊接接頭在三種熱處理制度下未產生再熱裂紋。

3 焊接工藝性試驗

3.1 焊接方法及工藝規范參數

采用焊條電弧焊(SMAW)、埋弧焊(SAW)兩種焊接方法進行焊接工藝驗證試驗。試件各2對,規格為800 mm×135 mm×40 mm,試件編號、焊接材料、規格及其復驗結果見表4～8。

表4 試件編號及焊接材料

表5 J557R焊條的熔敷金屬化學成分

表6 J557R焊條的熔敷金屬力學性能

表7 H08MnMoA(焊絲)+CHF101PR(焊劑)熔敷金屬化學成分

表8 H08MnMoA(焊絲)+CHF101PR焊劑熔敷金屬力學性能

為了防止母材金屬的氧化、鐵離子等污染,采用機加工的方法制備試件坡口[2],具體坡口結構尺寸見圖4。

圖4 試板坡口形式及尺寸

3.2 焊接規范

為了使Q390R鋼板焊接接頭達到良好的力學性能,嚴格的焊接工藝是Q390R鋼焊接接頭強度和低溫沖擊韌性的有效保證,焊接時應采取如下措施。

(1)焊前適當預熱,控制道間溫度不超過250 ℃。因為預熱溫度和道間溫度直接影響焊縫的冷卻速度,冷卻速度越慢,晶粒長大越明顯,將使低溫韌性下降。

(2)選擇合適的焊接熱輸入量。如果熱輸入量過大,則焊縫高溫停留時間過長,焊縫冷卻速度越慢,焊縫組織的晶粒就越粗大,焊縫低溫沖擊韌性越低;相反,如果采用小的熱輸入量,則焊道層數會增加,這樣能使后續焊道對前一焊道起到自回火作用,從而提高其低溫沖擊韌性。因此,焊接Q390R鋼板[3]時,宜采用多層多道焊的施焊方式。

(3)冷裂紋控制。Q390R具有較高的強度、良好的低溫韌性,但是在焊接條件下,由于熱循環的作用,會使熱影響區(HAZ)性能惡化,使得HAZ成為整個焊接接頭的薄弱環節;而且隨著板厚的增加,焊接時產生的拘束應力[4]也隨之增大,冷裂紋傾向增大,需要采取預熱、控制焊接熱輸入及后熱消氫等措施,以防止冷裂紋的產生[5-7]。

本試驗焊條電弧焊及埋弧焊焊接均采用直流反接、低熱輸入量施焊,具體焊接工藝規范參數見表9、表10。

表9 焊條電弧焊焊接參數

表10 埋弧焊焊接參數

4 焊接工藝性試驗結果

4.1 焊條電弧焊試驗結果

對于采用焊條電弧焊焊接的Q390R試件在焊態及630 ℃×2 h熱處理狀態下,按照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》進行室溫拉伸試驗,其試驗結果見表11;按照GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》進行-20,-30 ℃的KV2沖擊試驗,其試驗結果見表12;三區金相組織及不同位置處硬度試驗結果見表13,熱影響區金相組織為珠光體+鐵素體,焊縫區金相組織為索氏體+鐵素體+珠光體。兩種狀態下的三區金相組織照片如圖5～10所示。

圖5 焊條電弧焊焊縫區(焊態)

圖6 焊條電弧焊HAZ區(焊態)

圖8 焊條電弧焊HAZ區(630 ℃×2 h退火)

圖9 焊條電弧焊母材區(焊態)

圖10 焊條電弧焊母材區(630 ℃×2 h退火)

表11 拉伸試驗結果

表12 焊接接頭沖擊韌性試驗結果

表13 三區金相組織及硬度

焊接接頭的拉伸性能在很大程度上影響著焊接產品使用的可靠性。根據GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗方法》在拉伸試驗機上進行焊接接頭的拉伸試驗,試樣的取樣垂直于焊縫方向。從圖11可看出,抗拉強度在541～585 MPa之間,接頭斷裂位置位于母材區,這說明焊縫及熱影響區強度高于母材。

圖11 兩種狀態下焊接接頭抗拉強度的對比

從圖12中可以看出,熱影響區-20,-30 ℃的沖擊吸收能量均高于焊縫區-20,-30 ℃的沖擊吸收能量。由于成分及組織不均勻,其沖擊吸收能量比母材低。由于焊縫區域出現較多的 F+S+P,其沖擊吸收能量遠低于母材。另外,從其金相組織也可以看出粗晶區馬氏體占比較少,主要是韌性相對較好的珠光體組織[3]。

從圖13可以看出,母材區硬度值低于焊縫區及熱影響區,熱影響區硬度值與焊縫區硬度值相差不大,硬度值均未超過230HV10。

(a)焊態 (b)630 ℃×2 h退火

4.2 埋弧焊試驗結果

埋弧焊焊接的Q390R試件在焊態及630 ℃×2 h熱處理狀態下,按照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》進行室溫拉伸試驗,其試驗結果如表14所示;按照GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》進行-20,-30 ℃的KV2沖擊試驗,其試驗結果見表15;三區金相組織及不同位置處硬度試驗結果見表16。兩種狀態下焊縫區及熱影響區金相組織均為珠光體+鐵素體,焊縫區金相組織為索氏體+鐵素體+珠光體,三區金相組織如圖14～19所示。

圖15 埋弧焊HAZ區(焊態)

圖17 埋弧焊HAZ(630 ℃×2 h退火)

圖18 埋弧焊母材區(焊態)

圖19 埋弧焊母材區(630 ℃×2 h退火)

表14 焊接接頭拉伸試驗結果

表15 焊接接頭的沖擊韌性試驗結果

表16 焊接接頭不同部位的金相組織和硬度

從圖20的焊態及630 ℃×2 h熱處理態下焊接接頭抗拉強度對比可以看出,抗拉強度在542～578 MPa之間,焊接接頭斷裂位置位于母材區,這說明焊縫及熱影響區強度高于母材。

圖20 埋弧焊兩種狀態下焊接接頭抗拉強度的對比

為了檢驗焊接接頭的韌性指標,依照GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》對焊接接頭進行沖擊試驗。從圖21可以看出,熱影響區-20,-30 ℃的沖擊值均高于焊縫區-20,-30 ℃的沖擊值,焊接操作時,熱輸入有波動,成分及組織不均勻,焊縫區的韌性略有影響,其沖擊吸收能量比母材低;另外,從其金相組織也可看出,粗晶區馬氏體占比較少,主要是韌性相對較好的珠光體組織。

(a)焊態 (b)630 ℃×2 h退火

從圖22可以看出,母材區硬度值低于焊縫區及熱影響區,熱影響區硬度值與焊縫區硬度值相差不大,硬度值均未超過250HV10。這主要和焊接時采取的工藝措施有關,焊件在焊接時進行了50 ℃的預熱,并嚴格控制層間溫度50～250 ℃,焊后進行200～250 ℃的后熱消氫熱處理。因為,一方面,預熱可以減慢焊接接頭的冷卻速度,減少焊縫及熱影響區的淬硬程度,同時有利于焊縫金屬中擴散氫的逸出,避免產生氫致裂紋[8-10];另一方面,預熱可以降低焊接應力和降低焊接結構的拘束度。后熱消氫處理可以加快焊縫及熱影響區中氫的逸出,對防止低合金高強鋼焊接時產生冷裂紋的效果較為顯著。

(a)焊態 (b)630 ℃×2 h退火

5 試驗結果與討論

兩種焊接方法在焊態下焊縫金屬的強度均比630 ℃×2 h退火態下焊縫金屬的強度高;630 ℃×2 h退火態下熱影響區硬度比焊態下有所下降;由微觀金相組織看出母材為鐵素體和呈明顯帶狀分布的珠光體,由于部分重結晶區的溫度區間在AC1～AC3,部分鐵素體和珠光體發生了相變重結晶過程,轉化為晶粒細小的鐵素體和珠光體,另一部分鐵素體未能溶入奧氏體晶粒中,該區域晶粒大小不均勻,碳化物呈現不明顯的帶狀分布;由焊接接頭的拉伸強度可看出,采用這兩種焊接工藝,其焊接接頭強度及低溫韌性均能滿足工程需求。

6 結論

(1)通過斜Y型坡口焊接裂紋試驗表明,Q390R鋼具有較好的抗冷裂紋能力,焊前進行適當的預熱,可有效地防止冷裂紋的產生,焊后進行消應力處理,可防止再熱裂紋的產生,總體表明Q390R鋼具有良好的焊接性。

(2)焊條電弧焊采用J557R(?5.0 mm)焊條、埋弧焊采用H08MnMoA(焊絲)+CHF101PR(焊劑),根據合理的焊接工藝參數焊接Q390R鋼板是可行的,具有良好的焊接工藝性。

(3)Q390R鋼板在焊條電弧焊和埋弧焊兩種焊接工藝下,其焊接接頭的強度均高于540 MPa,焊縫底部比中上部略低,斷裂位置全在母材區,斷裂形式為韌性斷裂。與埋弧焊焊接接頭的沖擊韌性相比,埋弧焊焊整個接頭的韌性值都比手工焊低,對應組織中的相變重結晶區組織呈帶狀分布,造成了該區的塑形和韌性下降。

(4)Q390R鋼板焊前適當預熱,控制道間溫度不超過250 ℃。選用合適的焊接熱輸入量、采用多層多道焊的施焊方式能有效地提高焊縫沖擊韌性。