国产A514F钢板与焊丝匹配的探讨

徐沛礼

(上海电气碾磨特装设备有限公司 质量保证部,上海 200245)

A514Gr.F(以下简称A514F)是符合美国测试材料协会(American Society of Testing Materials，ASTM)标准的一种焊接用低合金高强度调质合金钢，主要用在需要高抗拉、高屈服的场所，如大型挖掘机、工程汽车的升降齿轮，海洋平台上使用的齿条等。随着冶金技术的发展，近几年该型钢板已经实现国产化。为保证焊接质量，在焊接A514F钢板之前，应根据生产实际，按化学成分挑选合适的焊丝牌号，采用承压设备焊接工艺评定(NB/T 47014-2011)标准进行相关试验,并对试验结果进行评判。本文拟选择低合金高强钢用镀铜实芯气保CHW-80C焊丝和承压设备用气体保护焊HS-70焊丝，与A514F钢板相焊接，并分别进行探讨。

1 材料分析

1.1 母材分析

A514是ASTM标准下经淬火与回火的高强度可焊接钢板。因其化学成分和性能不同，ASTM标准下共有8种不同级别的A514钢板，A514F是其中之一。笔者所在公司在实际生产中使用的A514F钢板是由国内某公司生产的化学成分经优化的，与国外A514F钢板同牌号的产品。

母材A514F钢板的供货为调质态。其化学成分及力学性能如表1所示。

由表1可见：经优化的A514F钢板的力学性能标准值与ASTM标准值基本一致；母材实际的化学成分和力学性能几乎都在优化后A514F钢板标准要求的范围内。

表1 A514F钢板的化学成分与力学性能

母材的焊接性分析常采用国际焊接协会规定公式[1-4]进行计算。它也是生产厂家推荐使用的碳当量计算公式，即

Ceq=C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5 (%)

式中：Ceq为碳当量；C、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V分别为元素C、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V的含量(质量分数)。

将各元素含量代入式中可求得，Ceq=0.53，即A514F钢板的碳当量为0.53。

A514F钢板属于一定条件下可焊接的材料。它是一种高强度调质合金钢。合金成分的添加使其淬硬性增大，焊接时易在接头处产生脆硬的马氏体，使接头脆化[3-4]。因此，该型钢板在焊接时需要进行预热以及焊后的热处理。

1.2 焊材分析

CHW-80C焊丝的化学成分和熔敷金属力学性能如表2所示。HS-70焊丝的化学成分和熔敷金属力学性能如表3所示。

表2 CHW-80C焊丝的化学成分和熔敷金属力学性能

表3 HS-70焊丝的化学成分和熔敷金属力学性能

2 母材与焊材匹配性分析

承压设备焊接规程规定：焊缝金属的力学性能应高于或等于规定的母材限值[5]。在熔敷金属化学成分与母材化学成分相同或相近的情况下，应选择高强匹配或等强匹配方式。在实际操作中，考虑经济性，通常不会选用比母材强度等级高的焊材，而是首先要求焊材与母材的抗拉强度在同一级别，其次要求冲击韧性较好，从而保证焊缝的强度与韧性满足产品技术要求。通常，母材与焊材的匹配方式为等强匹配。

选择母材与焊材的匹配方式时，需要计算抗拉强度匹配系数Sr，即焊接材料的熔敷金属抗拉强度与母材抗拉强度的比值[6]。当抗拉强度匹配系数Sr为0.95～1.05时，母材与焊材的匹配方式为等强匹配；当Sr为0.86～0.95时，母材与焊材的匹配方式为低强匹配；当Sr大于1.05时，母材与焊材的匹配方式为高强匹配[4，7-10]。

由表1—表3可以看出，两种焊丝的化学成分与母材相似，但抗拉强度等级与母材不完全相同。A514F钢板抗拉强度优化后标准值为760～930 MPa，实测值为827 MPa；CHW-80C焊丝抗拉强度的标准值为760 MPa以上，实测值为805 MPa；HS-70焊丝抗拉强度的标准值为690 MPa以上，实测值为762 MPa。

分析可知，CHW-80C焊丝的抗拉强度与母材的抗拉强度为同一等级。 CHW-80C焊丝与A514F钢板的抗拉强度匹配系数的标准值为1，实测值为0.97。无论是标准值还是实测值，均在等强匹配要求的0.95～1.05之间，满足了承压设备焊接工艺评定标准的要求。

HS-70焊丝的抗拉强度低于母材的抗拉强度。HS-70焊丝与A514F钢板的抗拉强度匹配系数的标准值为0.91，实测值为0.92。无论是标准值还是实测值均在0.86 ～ 0.95之间，符合低强匹配的特征。因此，HS-70焊丝与A514F钢板的匹配方式属于低强匹配。

根据经验，当被焊结构刚性大、接头应力高、焊缝容易产生裂纹时，可以选用抗拉强度等级比母材低一级的焊材。因此，选择HS-70焊丝与A514F钢板相焊，理论上可行。

3 焊接工艺评定试验

在焊接A514F钢板时，选用等强匹配还是低强匹配焊丝，或者两者均适合，需用相关的试验数据来验证。同时，为确保生产的顺利进行，钢板与焊丝相焊之前必须进行焊接评定，使其既满足技术要求又经济合理。

3.1 焊接工艺

A514F钢板分别与CHW-80C焊丝、HS-70焊丝焊接的工艺如表4所示。

表4 A514F钢板分别与CHW-80C焊丝、HS-70焊丝焊接的工艺

对于这两种焊材来说，焊材与母材焊接的方法、焊丝直径、保护气体、热处理时间和温度、层间温度，均应相同，以保证A514F钢板分别用两种焊丝焊接的试板具有较强的可比性。

经目视检查焊缝发现，两种焊接试板均无气孔、夹渣、未焊透等焊接缺陷，无损检测结果合格。

3.2 试验结果

按承压设备焊接工艺评定要求，将试板制成相关试验用的试件，并按标准要求完成相关试验。试件经质量分数为10%的硝酸水溶液腐蚀，用肉眼和放大境观察，未发现夹渣、裂纹、气孔、未熔合和未焊透等焊接缺陷。图1、图2所示分别为CHW-80C焊丝与A514F钢板焊接试件、HS-70焊丝与A514F钢板焊接试件的微观金相。A514F钢板分别与CHW-80C焊丝、HS-70焊丝的焊接试验结果如表5所示。

图1 CHW-80C焊丝与A514F钢板焊接试件的微观金相

图2 HS-70焊丝与A514F钢板焊接试件的微观金相

表5 A514F钢板分别与CHW-80C焊丝、HS-70焊丝的焊接试验结果

从表5的试验结果可看出：使用CHW-80C焊丝焊接A514F钢板后制成的焊接试件各项性能合格，符合承压设备焊接工艺评定相关试验的要求，表明A514F钢板与CHW-80C焊丝进行焊接是合适的；用HS-70焊丝焊接A514F钢板后制成的焊接试件，除拉伸试验时焊缝拉伸强度值低于母材抗拉强度最低值、侧弯试验中一块试件在弯曲后有一处2 mm裂纹外，其余结果均合格。

承压设备焊接工艺评定标准规定：“若规定使用室温抗拉强度低于母材的焊缝金属，则每个(片)试样的抗拉强度应不低于焊缝金属规定的抗拉强度最低值”；“试样弯曲达到规定角度后，其拉伸面上沿任何方向不得有单条长度大于3 mm的裂纹或缺陷，棱角开裂一般不计，但由夹渣或其他焊接缺陷引起的应计入”[6]。对于用HS-70焊丝焊接A514F钢板的焊接试件，在拉伸试验中，焊缝拉伸强度虽低于母材抗拉强度，但高于焊材规定的抗拉强度最低值，拉伸试验结果能够满足标准要求；在侧弯试验中，试件在无夹渣和其他缺陷的情况下，虽然存在一处 2 mm 的裂纹，但试验结果仍可满足标准要求。因此，相应拉伸试验和侧弯试验的试验结果是合格的。

分析可知，分别使用CHW-80C焊丝和HS-70焊丝焊接A514F钢板时，两者的拉伸试验和侧弯试验结果、宏观观察情况、微观金相基本一致。但在测试焊缝冲击吸收功的试验中，无论是0 ℃还是-40 ℃，用HS-70焊丝的试件焊缝冲击吸收功均比用CHW-80C焊丝高出许多，表明HS-70焊丝与A514F钢板相焊时，焊缝的塑性更好，抗冲击能力更强，焊缝不易开裂。

CHW-80C焊丝与A514F钢板焊接属于等强匹配，HS-70焊丝与A514F钢板焊接属于低强匹配。从试验结果看，等强匹配与低强匹配的焊接试件在拉伸试验、侧弯试验、宏观观察情况、微观金相的试验结果基本一致，但低强匹配焊接试件的低温冲击吸收功较高，这意味着低强匹配比等强匹配的焊接试件韧性更好，抗裂能力更强。

4 生产应用

将低合金高强钢用镀铜实芯气保焊丝CHW-80C和承压设备用气体保护焊钢焊丝HS-70分别应用在A514F钢板的焊接上，热处理后经无损检测，焊缝质量合格，无夹渣、未焊透、裂纹等焊接缺陷。

5 结束语

本文针对A514F钢板，分别选用CHW-80C焊丝和HS-70焊丝进行焊接。焊接工艺评定的试验结果表明，A514F钢板焊接时可采用等强匹配和低强匹配方式选择焊丝；当焊缝韧性要求高时，采用低强匹配方式的焊缝韧性更好，不易开裂。