BS700MCK2低合金高强钢焊接工艺及焊接接头性能分析

王洪权 赵河林 王许涛

河南森源重工有限公司 河南省长葛市 461500

1 序言

低合金高强度钢是在低合金钢中添加C、Si、Mn等主要元素（含量≤5%）及Nb、V、Ti等微量元素，并采用先进的冶炼工艺和热处理工艺生产的屈服强度大于600MPa的钢种[1]。低合金高强钢含碳量低，可焊性好，晶粒细小，屈服强度高。

BS700 MCK2是宝钢2005年开发的具有优良低温韧性的第二代高强钢。BS系列高强钢为低碳低合金结构钢，具有良好的可焊性和冷成形性，广泛应用于工程机械、车辆结构、集装箱等制造行业。

本公司研发的泵车等产品主要采用BS700MCK2低合金高强度钢，因此对BS700MCK2钢的焊接工艺及接头性能进行了试验及评定，为生产提供合适的焊接工艺。

2 试验材料及试验方法

试验用屈服强度700MPa级高强钢板BS700MCK2由宝钢生产，交货状态为扎态（TMCP），钢板厚度12mm。钢板化学成分见表1，其力学性能见表2。

BS700MCK2试件焊接选用瑞典伊萨OK.Aristorod.69低合金气保护实芯焊丝，符合标准EN ISO 16834-A: G 69 4 M Mn3Ni1CrMo。焊丝成分见表3，熔敷金属力学性能见表4。

表1 BS700MCK2钢板化学成分（wt.%）

表2 BS700MCK2钢板力学性能

表3 OK.Aristorod.69焊丝成分

表4 OK.Aristorod.69焊丝熔敷金属力学性能

试件尺寸12mm×150mm×300mm，采用双边60°V形坡口的对接形式，钝边2mm，装配间隙2mm，如图1所示。

试件焊前除油、除锈。焊前不预热，焊后不热处理。MAG焊焊接顺序为：（1）正面打底焊；（2）背面打底焊，焊前清根；（3）背面盖面焊，焊前清理焊道表面；（4）正面盖面焊，焊前清理焊道表面，防止焊道间夹渣。焊接参数见表5。

试件抗拉试验按照GB/T 2651规定的试验方法制备抗拉试样形式及尺寸，并测定焊接接头的抗拉强度。试件弯曲试验按GB/T 2653规定的试验方法制备弯曲试样形式及尺寸，并测定焊接接头的完好性和塑性。试件冲击试验按照GB/T 2650规定的试验方法制备试样形式，并测定焊接接头或焊缝在受冲击载荷时的抗折断能力。

BS700MCK2焊接工艺评定试样明细如表6所示。

3 BS700MCK2钢焊接性分析

焊接性是指金属材料在采用一定的焊接工艺（如焊接方法、焊接材料、焊接规范及焊接结构形式等）条件下，获得优良焊接接头的难易程度。主要包括两方面内容：一是工艺性能，在一定焊接工艺条件下，形成焊接缺陷的敏感性；二是使用性能，在一定的焊接工艺条件下，其焊接接头对使用要求的适用性，如承受静载荷、冲击载荷、疲劳载荷及抗高低温性能、抗氧化、腐蚀性能等。金属如果能够用较多普通又简单的焊接工艺获得优质接头，可认为这种金属具有良好的焊接性能。

金属材料的焊接性主要采用三个指标：碳当量，冷裂纹敏感系数及热影响区最高硬度等。碳当量计算公式如式3-1，冷裂敏感系数计算公式如式3-2。

Ceq=C+Mn/6+（Cu+Ni）/15+（Cr+Mo+V）/5 （式3-1）

Pcm=C+Si/30+（Mn+Cu+Cr）/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B （式3-2）

当Ceq≤0.4%时，材料焊接性较好；Ceq＝0.4%～0.6%，材料焊接性稍差，易产生冷裂纹，焊前需要适当预热；Ceq≥0.6%时，材料焊接性较差，属于难焊材料，需要采用较高的预热温度和严格的焊接工艺方法。

根据BS700MCK2钢成分含量计算其碳当量Ceq≤0.42%和冷裂纹敏感指数Pcm≤0.21%。试验环境温度为20℃，不需要预热直接可以焊接；但环境温度低于0℃时，试件需要预热防止产生冷裂纹。

4 试验结果及分析

焊接接头的机械性能主要取决于焊缝金属组织、晶粒大小及焊缝金属化学成分等因素，还与试件焊前焊后热处理状态有关。

4.1 焊接接头抗拉性能分析

表7是BS700MCK2试件拉伸试验结果。从表中可以看出，试样PL1和PL2抗拉强度检测值均超过母材最低抗拉强度值，且断裂位置出现在熔合区。焊缝熔合区具有明显的化学和物理不均匀性，组织性能突变明显，是焊接接头中最薄弱的部位，对于低合金高强钢来说，问题更突出[2-3]。

试样PL3试样经过500℃加热，试样在母材处断裂，即热影响区母材，且其抗拉强度值低于母材抗拉强度最低值的95%（712MPa）。其原因是热影响区组织不均匀导致力学性能的差异。虽然试样经过500℃加热，但加热时间过长，导致热影响区组织晶粒严重长大，冷却后得到晶粒粗大的过热组织，最终导致焊接接头抗拉强度降低。

图1 试件接头形式

表5 BS700MCK2钢焊接参数

表6 BS700MCK2焊接工艺评定试样明细

4.2 焊接接头弯曲性能分析

表8是BS700MCK2试件弯曲试验结果。其中一个面弯试样拉伸面的焊缝区出现了7mm的裂纹，其它弯曲试样的焊缝及热影响区均未出现裂纹。

4.3 焊接接头冲击性能分析

BS700MCK2试件冲击试验结果如表9所示。焊缝金属和热影响区-20℃夏比V形缺口冲击功平均值分别为88.7J和73.3J，均超过技术指标，说明BS700MCK2试件焊接接头冲击性能较好，可以满足设计需求。但是试件热影响区的冲击韧性比焊缝金属冲击韧性低，其主要原因是低合金高强钢焊接后，其热影响区组织比较粗大，降低了热影响区的冲击韧性[4-5]。

5 结语

低合金高强钢焊接面临的主要问题是：一是防止裂纹；二是在保证高强度的同时，提高焊缝金属和热影响区的冲击韧性。因此低合金高强钢焊接时，选择和制定合适的焊接工艺及规范是十分重要的。

表7 BS700MCK2试件拉伸试验结果

表8 BS700MCK2试件弯曲试验结果

表9 BS700MCK2试件冲击试验结果