AH70DBD焊接性能研究

孙 斌 徐党委 陈尹泽

（安阳钢铁集团有限责任公司）

0 前言

随着冶金和制造技术的发展，人们在设计钢结构和工程机械结构时，希望用高强高韧材料代替低强度材料，达到安全、降低自重等要求。同时,随着焊接技术的发展，人们在钢结构制造中越来越追求无预热或低预热焊接，以适应恶劣条件下的焊接要求。因此，低碳贝氏体高强度钢的设计思想应运而生。其思想是通过降低钢中的碳含量，充分利用微合金和淬透性元素，获得细小的低碳贝氏体组织，达到使钢具有高强、高韧、良好焊接性能的目的。国内煤矿液压支架用钢铁材料的更新换代，为高强度钢的发展提供了广阔的市场，推动了低碳贝氏体钢的发展，煤矿综采设备中液压支架的消费达到60%左右，其中钢板焊接结构件约占支架重量的75%。液压支架用高强钢板在近10 余年内得到了飞速发展。2000年前普遍采用16Mn、 15MnVN，之后屈服强度460 MPa、550 MPa、和690 MPa级高强钢板相继得到使用并被逐步推广[1]，其中仅煤机行业700 MPa级以上的高强度钢板一年的用量就达到了20万吨以上。

随着具有高强度、高韧性和低焊接裂纹敏感性低碳贝氏体钢的出现，又使得通过降低碳含量来改善焊接性能的趋势更为明显[2]。

1 AH70DB的钢板实物质量

对AH70DB钢板进行了全面测试，其实测化学成分、力学性能、系列温度冲击功分别见表1、表2和表3。

表1 实际测试AH70DB钢化学成分 %

表2 对应测试AH70DB钢力学性能

表3 系列温度冲击功

通过以上测试，说明AH70DB具备良好的强度、优异的韧性、良好的延伸性能，其组织为低碳贝氏体，同时具备低的碳当量（Ceq≤0.42%）和低的焊接裂纹敏感性指数(Pcm≤0.19%)，有良好的焊接性能。为确定其焊接性能，进行了焊接性能试验。

2 AH70DB焊接性能

2.1 AH70DB钢的临界点

试验按GB5056《钢的临界点测定方法》进行，AH70DB钢的临界点测定结果见表4（表中:AC1—铁素体向奥氏体转变的开始温度；AC3—铁素体向奥氏体转变的终了温度；MS—奥氏体转变为马氏体的开始温度）。

表4 AH70DB钢临界点测定结果 ℃

2.2 焊接CCT图

焊接CCT图测定按GB5057《钢的连续冷却转变曲线图的测定方法》进行，不同冷却条件下AH70DB钢模拟热影响区过热区硬度见表5（表中:Cbs——贝氏体开始转变的临界冷却时间；Cmf——马氏体转变终了临界冷却时间；Cfs——铁素体开始转变的临界冷却时间；Cps——珠光体开始转变的临界冷却时间），AH70DB钢焊接CCT图，如图1所示。

表5 AH70DB焊接CCT测试数据

图1 AH70DB钢焊接CCT图

从图1可以看出，AH70DB钢出现贝氏体的临界冷却时间为16.9 s，马氏体转变终了的临界冷却时间为74 s,出现铁素体的临界冷却时间670 s，出现珠光体的临界冷却时间为1 050 s。当t8/3≤16.9 s时，焊接热影响区过热区组织为100%马氏体，硬度为325（HV5）；当16.9 s＜t8/3≤74 s时，热影响区过热区组织为马氏体+贝氏体混合组织，随着t8/3的增加，马氏体逐渐减少,贝氏体逐渐增加，硬度逐渐降低，由325（HV5）逐渐降低到260（HV5）以下；当74 s＜t8/3≤670 s时，过热区组织为100%贝氏体，HV5降低到240左右；当670 s＜t8/3≤1 050 s时，过热区除贝氏体外开始出现铁素体，HV5降低到 220左右；t8/3＞1 050 s以后，开始出现珠光体，过热区组织为贝氏体+铁素体+少量珠光体，随着t8/3的增加相应的硬度值降低到200（HV5）左右。

2.3 AH70DB钢焊接冷裂纹敏感性

针对AH70DB低碳贝氏体高强度钢，进行了插销冷裂纹试验及斜Y坡口焊接裂纹试验。插销试验使用HCL-3MC微机自动控制五头插销试验机，按GB9446《焊接用插销冷裂纹试验方法》规定进行，采用GHS70焊丝进行试验，在室温（26 ℃）不预热条件下焊接，AH70DB插销临界断裂应力超过钢材的实际屈服强度（620 MPa）。斜Y坡口焊接裂纹试验按照GB4675.1规定执行，采用GHS70焊丝分别在室温（25 ℃）不预热、50 ℃预热两种条件下进行了焊接裂纹试验。试件焊后放置48 h，进行表面、断面裂纹检查。检查结果表明，30 mm厚AH70DB钢板在室温不预热条件下焊接，小铁研试验的表面裂纹率为零，断面裂纹率为7.9%；当预热温度为50 ℃时，小铁研试验的表面裂纹率及断面裂纹率均为零。综合AH70DB钢两项焊接试验的结果可以得出，AH70DB钢板焊接热影响区淬硬倾向不是很大。在中等拘束条件下（如普通联系焊缝、角焊缝等），采用实心焊丝富氩混合气体保护焊，室温不预热焊接不会产生焊接冷裂纹，但在苛刻的拘束条件下（如定位焊、对接焊根部焊道、补焊等）焊接，应采取必要的预热措施，预热温度应不低于50 ℃。由于不同厚度钢板焊接时结构的拘束程度不同，在同样焊接条件下防止焊接冷裂纹所需要的预热温度是不一样的，如果实际结构AH70DB钢板的板厚小于30 mm，预热温度可相应降低或可以不预热。

2.4 AH70DB钢焊接接头综合力学性能评定

分别采用MK.GHS70(等匹配)和SLD-60(低匹配)两种焊丝，按表6中煤机厂推荐的焊接工艺参数，采用60型坡口，焊接20 mm厚AH70DB钢对接接头，试板尺寸为20 mm×150 mm×500 mm，试板焊后进行250 ℃保温2 h消氢处理。按照GB2650~2655—89规定，分别对焊接接头的拉伸性能、冲击性能、弯曲性能及硬度进行了试验。焊接接头综合力学性能见表7，MK.GHS70(等匹配)焊接接头宏观金相如图2所示，焊接接头的硬度分布情况如图3所示。

表6 试板焊接条件

表7 AH70DB对接接头综合力学性能

图2 GHS70焊接接头宏观金相

从表6、表7、图2和图3可以看出，采用煤机厂推荐的焊接工艺焊接AH70DB对接接头，焊接接头熔合情况良好，无宏观焊接缺陷；采用MK.GHS70焊丝焊接的“等匹配”接头，接头横向拉伸断于母材，抗拉强度分别为695 MPa和690 MPa；采用SLD-60焊丝焊接的“低匹配”接头，接头横向拉伸断于母材，抗拉强度分别为690 MPa和705 MPa；两种匹配焊接接头弯曲性能良好（侧弯 d=3a，α=180°）， 焊缝金属及焊接热影响区的平均冲击功AKV-20 ℃较高，焊接接头的最高硬度位于焊接热影响区，HV10＜300，接头硬度分布比较均匀，没有出现明显的硬化和软化现象。试验结果表明，AH70DB钢板焊接接头的焊接质量良好、综合力学性能优良，能够满足工程及矿山机械的设计和使用要求。

图3 GHS70焊接接头硬度分布

3 结论

（1）AH70DB钢焊接CCT图测试结果表明：当t8/3≤16.9 s时，焊接热影响区过热区组织为100%马氏体，硬度325（HV5）；当16.9 s≤t8/3≤74 s时,过热区组织为M+B混合组织，硬度为325～260（HV5）；当74 s＜t8/3≤670 s时,过热区组织为100%贝氏体，HV5降低到240左右。这表明AH70DB钢板焊接热影响区淬硬倾向不明显。

（2）焊接冷裂纹敏感性试验研究表明：在中等拘束条件下，30 mm厚AH70DB钢采用实心焊丝富氩混合气体保护焊，在不预热条件下焊接可以防止冷裂纹产生，但在苛刻的拘束条件下，最低预热温度应该不低于50 ℃。

（3）AH70DB钢焊后热处理工艺试验结果表明：焊后采用250 ℃保温2 h消氢处理时AH70DB钢焊接接头的力学性能较好。

（4）采用煤机厂推荐的焊接工艺焊接AH70DB钢对接接头，焊接接头的综合力学性能良好，能够满足工矿产品的设计要求，实际应用中全部采用无预热焊接。