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

700

795

21

68.5

212

203

170

80

2 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

280

28

400

11.8

随炉升温

空冷

300℃

2h

a ）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 54min

3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

20×20×30

0mm 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。