细晶粒结构钢XG800CF和B780CF焊条电弧焊工艺

廖　琪，周友龙，张远望，王文辉，陈　恒

（1.西南交通大学材料科学与工程学院，四川成都610031；2.葛洲坝集团机电建设有限公司，湖北宜昌443002）

细晶粒结构钢XG800CF和B780CF焊条电弧焊工艺

廖琪1，周友龙1，张远望2，王文辉2，陈恒1

（1.西南交通大学材料科学与工程学院，四川成都610031；2.葛洲坝集团机电建设有限公司，湖北宜昌443002）

XG800CF和B780CF是两种新型国产800 MPa超细晶粒高强钢，逐步替代进口的水电机组蜗壳材料，并首次应用于大型水电站的压力钢管焊接工程。为了研究其焊接性和焊接工艺，针对两种焊接接头的焊接性、力学性能、力学不均匀性和微观组织进行试验和分析。结果表明，在制定的焊接工艺条件下，XG800CF和B780CF钢焊接接头的拉伸强度、弯曲性能和硬度值均满足标准GB50766-2012要求。XG800CF钢焊接接头的强度高于B780CF，同时从微观组织上客观分析了焊接接头的力学不均匀性。两种高强钢在水电站大型压力钢管工程中值得推广。

XG800CF；B780CF；细晶粒结构钢；焊接工艺

0　前言

细晶粒结构钢综合机械性能好，在水电等行业有一定的应用[1]。目前，水电站大型压力钢管常用Q390和WDB610等材料，而800 MPa级别的钢种一般靠进口，主要用于蜗壳结构。800 MPa级别的高强钢具有较高的屈服强度和抗拉强度，与普通钢相比，可较大减少大型压力钢管管壁的厚度，同时具有良好的低温冲击韧性，为钢管的可靠运行提供了保证[2]，促进了该钢种在水电行业中的应用。800 MPa钢在其焊接过程中要解决的主要问题是冷裂纹、热影响区的脆化和热影响区软化[3]。

国产XG800CF和B780CF800钢首次用于金沙江乌东德水电站的涡壳、岔管和大型压力钢管焊接工程，其GMAW工艺直接影响现场焊接的质量和生产成本，对于推广国产800 MPa钢在水电站大型压力钢管工程的应用，具有较大的经济价值和社会效益。

1　试验方法

1.1试验材料和焊接性分析

1#试样母材为XG800CF钢，2#试样母材为B780CF，母材厚度60 mm，化学成分如表1所示。

表1　母材及焊丝的化学成分％

根据XG800CF和B780CF的化学成分，结合式（1）～式（4）可计算出两种钢的碳当量（单位：％）、冷裂纹敏感系数（单位：％）和最低预热温度[4]。

XG800CF钢结算结果：Ceq=0.49％，Pcm=0.225 9％，Pc=0.326，T0=66℃；B780CF钢计算结果为：Ceq=0.48％，Pcm=0.218％，Pc=0.318，T0=66℃。两种钢材的焊接性都较差，焊前必须预热。当厚度增加时，拘束度和热影响区的冷却速度增大，使淬硬及冷裂倾向增大[5]。当厚度为60 mm时，XG800CF预热温度确定为100℃～120℃，B780CF预热温度为90℃～110℃。由于S、P含量低，故两种钢材焊接时的热烈纹倾向都较小。

1.2试验过程

两个试件均采用焊条电弧焊（SWAM），焊接位置为立焊，焊条型号CHE80CF。试件坡口形式采用不对称X型坡口，焊接接头焊道如图1所示，焊接参数如表2所示。焊接接头经过超声波探伤合格后，根据GB50766-2012标准，对焊接接头进行力学性能、硬度试验和微观组织观察。

图1　焊接接头焊道简图

表2　焊接工艺参数

2　试验结果和分析

2.1焊接接头力学性能

对焊接试件进行力学性能试验，结果见表3。

表3　力学性能试验结果

由表3可知，1#试样比2#试样抗拉强度高，断裂位置均在母材。两种钢材在-40℃的冲击功和强度性能都满足GB50766-2012标准和设计规范要求。1#试样焊接接头冲击值与2#试样的略有差异，两组试验的热影响区冲击值都很高，故两种试样的抗裂性和止裂性都较好。

2.2焊接接头不均匀性分析

细晶粒结构钢经调质处理获得了较高的强度，由于焊接过程中的热循环作用，发生回复和再结晶，消除了调质处理的作用，易造成热影响区局部区域的软化。两种焊接接头的硬度分布曲线如图2所示。可以看出，1#试件接头的硬度普遍稍高于2#试件。两种焊接接头热影响区的硬度小于母材，出现了局部软化现象。

2.3焊接接头显微组织分析

超细晶粒高强钢通过特殊的控轧工艺获得了晶粒细小的贝氏体组织，而焊缝依赖微合金化作用细化晶粒，在得到高强度、良好韧性的焊接接头。但由于晶粒的长大速度和晶粒长大驱动力都是和晶粒直径成反比的，所以超细晶粒高强钢在焊接过程中组织上具有一定的晶粒长大倾向，易造成接头韧性变差[6]。

1#试件的焊接接头各区域组织如图3所示，2#试件的焊接接头各区域组织如图4所示。

图2　1#、2#试件上部焊道的硬度分布

图3　1#试件焊接接头各区域组织

图4　2#试件焊接接头各区域组织

由图3可知，1#试件焊缝区的组织为先析铁素体、粒状贝氏体和少量针状铁素体组织，粗晶区和母材为回火贝氏体。焊缝区粒状贝氏体量较多，故硬度值较高。热影响区由于受到焊接热循环作用使得晶粒长大，并出现少量针状铁素体组织，造成局部硬度值下降，即HAZ区出现软化现象。

由图3a和图4a可知，1#试样和2#试样的焊缝组织都由先析铁素体、粒状贝氏体和针状铁素体组成。2#试样针状铁素体含量比1#试件多，因此该焊缝硬度值稍低。

两个试件HAZ区微观金相组织主要由贝氏体组成。1#试样母材中Ni含量稍高，Ni是铁素体化元素，故1#试件的热影响区局部出现了少量针状铁素体，使得低温冲击韧性比2#试件稍有提高。

3　结论

（1）两种钢材的碳当量均大于0.4，表明两种材料有一定的冷裂倾向，焊前需要预热。

（2）两种焊接接头力学性能均满足GB 50766 -2012的标准和设计规范要求。

（3）1#试件母材Ni含量比2#试件高，使得1#试件HAZ区低温冲击韧性稍高。

[1]辜家明.水电站Rm≥800 MPa高强钢岔管焊接工艺[J].电焊机，2012，42（02）：11-15.

[2]杨莉，郑军，黄小婷.800MPa高强钢的焊接性试验研究[J].郑州纺织工学院学报，1999（06）：55-58.

[3]周振丰，张文钺.焊接冶金及金属焊接性[M].北京：机械工业出版社，1994.

[4]周振丰.焊接冶金学[M].成都:西南交通大学出版社，2012.

[5]P T HOULDCROFT.Welding Process Technol[M].London：Combridge University Press，1977.

[6]徐春华.800MPa超细晶粒钢焊接接头组织和性能控制[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.

Research on welding technology of fine grain structural steel XG800CF and B780CF by SMAW

LIAO Qi1，ZHOU Youlong1，ZHANG Yuanwang2，WANG Wenhui2，CHEN Heng1
（1.Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China；2.Gezhouba Group Mechanical and Electrical Construction Co.，Ltd.，Yichang 443002，China）

XG800CF and B780CF are two new types of domestic 800MPa ultra fine grained high strength steel which could replace the imported volute material.The material could be used firstly for pressure pipes in the hydropower unit.In this paper，the weldability is analyzed，the mechanical properties of the joints are carried out，the hardness distribution of the joints is tested.Meanwhile，the microstructure is observed.The results show that the properties of the joints of the XG800CF and B780CF steel could satisfied the demand of the GB 50766-2012 standard.The strength of joint of XG800CF steel is higher than that of the B780CF.At the same time，it objectively analyze mechanical heterogeneity of joints by microstructure observation.The research could promote the application of two kinds of high strength steel in the large pressure pipe engineering in hydropower station.

XG800CF；B780CF；fine grain structural steel；welding procedure

TG457.11

B

1001－2303（2015）11－0133-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.11.28

2015-05-11；

2015-06-15

国家大学生创新创业训练计划项目(201310613006)

廖琪（1992—），女，四川人，在读硕士，主要从事焊接工艺和搅拌摩擦焊研究工作。