不同使用状态下Q690CFD高强钢的焊接接头性能

不同使用状态下Q690CFD高强钢的焊接接头性能屈朝霞许磊王海涛（宝钢研究院焊接与表面研究所，上海201900）摘要针对煤矿机械、港口机械等对低成本焊接结构用高强钢的需求，宝钢开发了低成本TMCP高强钢Q690CFD，具有优异的综合力学性能和抗冷裂纹性能。

但是该钢具有一定的淬硬倾向，焊后进行热处理对其接头的力学和使用性能至关重要。

在制造过程中，根据用户不同的服役条件，焊接结构要求不同的使用状态，比如焊态、消氢处理态和消应力处理态。

本文按照相关的国家标准，采用宝钢开发的配套气体保护焊丝BH700-II，分析了不同使用状态，包括焊态、300℃消氢和580℃消应力处理下Q690CFD接头的性能。

结果表明，焊态、消氢态和消应力态下，接头的力学性能均满足相关国家标准；相比起来，按接头性能优劣来分，从好到差的顺序为：消氢态、焊态、消应力态。

消氢态可以一定程度上增加接头的冲击性能，但消应力处理使接头的冲击性能变差。

关键词焊态，消氢处理，消应力处理，Q690CFD，接头性能引言随着机械工业生产迅猛发展，现代工程机械和煤矿机械等的焊接结构向着日益大型化、轻量化的趋势发展。

钢材的强度级别越来越高。

不仅要有良好的综合力学性能，而且要有良好的加工工艺性能，比如良好的焊接性[1-2]，应对这种需求宝钢开发了80kg级超低碳贝氏体钢Q690CFD。

该钢碳当量低、强度高并且具有良好的塑韧性。

在高强钢厚板的制造加工过程中，根据用户不同的服役条件，焊接结构要求不同的使用状态，比如焊态、消氢处理态和消应力处理态。

消氢可促进扩散氢溢出，防止冷裂纹；消应力处理可以消除焊接内应力，提高构件的尺寸稳定性，增强抗应力腐蚀性能，改善接头组织及力学性能，提高结构件长期使用的质量稳定性和工作安全性等[3]。

但是消应力处理有可能引起接头强度下降、晶粒长大，韧性下降等问题[4]。

因此焊后不同的使用状态下接头性能是否满足要求，需要进行探讨并给用户以指导。

本文采用宝钢开发的富氩气保焊丝BH700-Ⅱ，研究了不同使用状态下20mm厚的Q690CFD钢板的气保焊接头性能的变化，为其在工程技术上的使用，提供一定的理论基础支持。

1 试验材料介绍1.1 母材介绍Q690CFD钢供货状态为TMCP+回火。

经传统的小铁研焊接试验和HAZ最高硬度试验，可以得到20mm厚的Q690CFD高强板可以不预热直接进行焊接。

Q690CFD钢板的微观组织为细小贝氏体，如图1所示,其力学性能和化学成分见表1、表2。

图1 母材金相表1 Q690CFD的综合力学性能Rp0.2/MPa Rm/MPa A/% -20℃Akv/J 冷弯性能要求≥690770-940 ≥14.0≥40180°，d=3a实测值横向800 850 20.0 200 合格纵向760 820 21.0 168 合格表2 Q690CFD的化学成分，wt%C Si Mn P S Al B Pcm≤0.10 ≤0.50 ≤2.00 ≤0.020 ≤0.010 ≤0.050 ≤0.002 ≤0.23 1.2 焊接材料介绍BH700-Ⅱ为宝钢开发的高强度工程机械用气体保护焊焊丝，试验用的焊丝规格为Φ1.2mm，其熔敷金属的综力学性能如表3所示。

表3 BH700-Ⅱ的熔敷金属力学性能Rp0.2/M Pa Rm/MP a A/% Z/% Akv/J-20℃ 0 -20℃ -40℃ 性能要求 ≥600 ≥700 - - - - ≥47 - 实测值7007952168.5212203170802 研究方法2.1 焊接工艺20mm 厚Q690CFD 采用富氩气体保护焊，保护气体为80%Ar+ 20%CO 2，不预热焊接，具体焊接工艺如表4所示。

焊后分别对接头进行了消氢处理和消应力处理，其温度－时间曲线的示意图见图2所示。

表4 实际的焊接工艺参数电流/A 电压/V 焊接速度/(mm ⋅min -1) 热输入/(kJ ⋅cm -1) 气体流量/L ⋅min -1 打底 220 22 380 7.7 20填充盖面2802840011.8随炉升温空冷300℃2ha ）消氢处理曲线b ）消应力处理图2 热处理曲线2.2 研究思路通过分析不同使用状态下接头拉伸、弯曲、冲击、硬度和金相组织等，得出不同使用状态对接头性能的影响规律，从而为工程应用提供指导。

接头的性能要求见表5。

表5 接头性能要求Rm/MPa -20℃Akv/J 冷弯性能180°，d=4a ≥770≥27完好随炉 升温出炉 空冷400℃580℃ 54min 50min 54min3试验结果3.1 接头拉伸性能分别对20mm厚的Q690CFD三种状态下的气体保护焊焊接接头进行了全板厚拉伸试验，拉伸试验结果见表6。

由试验结果可以发现，三种状态下接头强度相差不多。

表6 接头拉伸试验结果状态编号试样尺寸/mm 抗拉强度Rm/MPa 断裂位置焊态1＃20×12.5×400 820 焊缝2＃825 焊缝消氢1＃830 焊缝2＃840 焊缝焊后热处理1＃810 焊缝2＃830 焊缝3.2 接头弯曲性能分别对焊态、消氢态、消应力状态下的20mm厚的Q690CFD的气体保护焊接头接头进行了4a，180°的面弯、背弯试验，接头弯曲试验结果见表7。

由接表7 接头弯曲试验结果不同使用状态试样试样尺寸结果评定焊态2个面弯20×20×300mm 合格2个背弯合格消氢2个面弯合格2个背弯合格焊后热处理2个面弯合格2个背弯合格头的弯曲试验结果可见，焊态、消氢态、焊后消应力态下的的接头弯曲均合格。

3.3 接头冲击性能分别对焊态、消氢态、消应力状态下的20mm厚的Q690CFD的气体保护焊接头接头进行-20℃下，不同位置的CVN冲击试验，V型缺口冲击试样取自焊接试板表面下2mm处。

冲击结果见表8、图3。

从表8和图3可以看出，三种状态下接头的-20℃冲击性能均满足要求。

相比较来说，消氢态时接头各位置冲击性能最好，焊态次之，消应力处理态最差。

表8 Q690CFD 气体保护焊接头-20℃不同位置的冲击试验结果冲击位置 Akv / J焊态 消氢 消应力处理单个值 平均值 单个值 平均值 单个值 平均值 WM 136,111,146 131 174,192,185 184 59,69,63 64 FL 178,75,42 98 60,183,72 105 39,33,64 45 FL+185,149,168134200,204,13518044,114,6574焊态消氢焊后热处理50100150200A k V （J ）不同使用状态WM均值FL均值 FL+1均值-20℃ ≥27J图3 -20℃时，Q690CFD 气体保护焊接头不同位置的冲击韧性3.4 接头硬度图4 Q690CFD 气体保护焊接头的硬度曲线-15-10-55101520406080100120140160180200220240260280300320340360H V 10距FL距离焊态 消氢焊后热处理对20mm厚的Q690CFD气体保护焊焊接接头在三种使用状态下，进行10kg 维氏硬度试验测试，测试位置为焊接接头板厚的表面下2mm处，接头硬度HV10的测试结果如图4所示。

图中的原点位置为熔合线处。

由图4可知，三种状态下Q690CFD气体保护焊焊接接头的HAZ均未出现明显软化现象；焊缝区硬度区别不大，HAZ中粗晶区经消应力处理后硬度稍有下降，而消氢态的粗晶区硬度身高，最高硬度在360HV10，出现了马氏体组织。

4 分析与讨论焊接接头用4%HNO3酒精溶液进行腐蚀，得到金相组织，三种状态下，Q690CFD气体保护焊接头的宏观金相与微观组织分别如表9所示。

表9 接头金相组织宏观接头焊态消氢消应力处理焊缝粗晶区焊缝组织焊态时为晶粒度稍大的贝氏体，经消氢后焊缝组织的贝氏体变得更为细小，增强了韧性，而经消应力处理后组织也为贝氏体，但晶粒度大于焊态和消氢态时，对冲击性能有不利影响。

对于粗晶区，消氢态与焊态相比，大部分晶界内条状铁素体变少，析出的碳化物细小且弥散分布，同时出现了少量低碳马氏体，起到了改善韧性的作用，提高了抗脆能力。

而经消应力处理后，晶界内条状组织变粗大或变为碳化物，碳化物在晶内聚集，分布不均匀，并且在焊后热处理回复过程中使位错密度下降较多，碳化物与位错缠结机会更大，使可动位错密度进一步降低，裂纹尖端塑性区中的应力集中作用减弱，这使冲击过程中裂纹过早地从韧性扩展过渡到脆性扩展，并使裂纹易于扩展，消耗很少的能量就能扩展很大的面积，造成热处理态试样冲击功低，同时断口脆性特征明显。

5 结论（1）对于20mm厚Q690CFD高强钢，气体保护焊的焊态、消氢态与消应力状态下，其焊接头的各项力学性能均满足要求，但三种状态对接头性能的影响较大。

接头拉伸和弯曲性能相差不多，但消氢态可以一定程度上增加接头的冲击性能，消应力处理使接头的冲击性能变差。

（2）对于20mm厚Q690CFD，按接头性能优劣来分，从好到差的顺序为：消氢态、焊态、消应力态。

在实际应用中，应在充分考虑满足工程应用设计要求的基础上选择焊后使用状态。

参考文献[1] 史耀武，韩准祥，工程机械用800 MPa低合金高强度钢焊接热影响区断裂韧性评价. 热加工工艺，2008，35(15)：1~5.[2] 朱红波，付金良，刘旭，液压支架用80kg级高强钢焊接坡口角度优化研究. 金属铸锻焊技术，2009，(11)：134~136.[3] 张卫群，Q690低合金高强度钢的焊接工艺分析. 金属加工，2008，(22)：52~56.[4] 樊忠孝，焊后热处理对焊接接头组织性能影响的几个问题. 炼油与化工，2004，(1)：45.。