超低碳贝氏体钢WDB620的焊接性

超低碳贝氏体钢WDB620的焊接性姚连登，王培玉，王文亮，赵文忠，王九清（舞阳钢铁有限责任公司，河南舞钢462500）??关键词：超低碳贝氏体；WDB620钢；焊接性

摘

要：超低碳贝氏体WDB620钢是可焊性优良的高强度钢，通过对这类钢选用几种常用的可焊性试验方法进行的焊接接头性能试验和评定得出，WDB620钢的碳当量较低，焊接裂纹敏感性组分Pcm＜0.20%，因此具有良好的可焊性，可采用不预热方式焊接，焊后可不采取后热措施，属于低焊接冷裂纹敏感性钢。针对水电站施工的多雨、潮湿的环境，提出了对焊材及焊接工艺的要求。

超低碳贝氏体钢是近年来发展的一类可焊性优良的高强度钢。这类钢采用微合金化和控制轧制工艺生产。钢的强度不再依赖于固溶强化元素如C、Mn、Si等，而是采用Mn-Mo-Nb-B合金系列，以形成贝氏体为主要强化手段，在合理的控轧工艺下充分细化铁素体和贝氏体组织，钢的碳当量得到大幅降低，压力水管用WDB620钢即是其中的一例。一般情况下，WDB620钢的Ceq≤0.41%，Pcm≤0.20%。WDB620钢板最大厚度达到50mm，可采用不预热或低温预热方式进行焊接，焊接接头性能达到与母材同等的水平，并且表现出较低的裂纹敏感性。WDB620钢已成功应用于煤矿液压支架、铁道载重车体、大型矿山电动自卸车车体等工程领域。?1WDB620钢的焊接冷裂纹敏感性?

1.1WDB620钢的基本技术指标?

1.1.1化学成分

表1是WDB620钢的化学成分。超低碳贝氏体钢的碳含量一般在0.05%以下。碳当量的大幅度降低，消除了贝氏体的脆性，使之成为一种强韧性匹配十分优良的组织结构。在与微合金化结合的控制轧制工艺条件下，通过对变形和再结晶的控制，达到细化铁素体和贝氏体组织的目的，从而使钢材获得高强度和高韧性。

超低碳贝氏体钢具有优越的焊接性，其原因之一是其碳含量很低，因此焊接裂纹敏感性很小，另一方面是这类钢组织稳定性强，在焊接过程中晶粒长大的倾向较小，特别是在快速加热、大线能量输入情况下,其热影响区能保持较好性能。而珠光体钢不允许存在焊接热影响区出现贝氏体钢组织，是由于这类钢中形成的贝氏体是一种不同于超低碳贝氏体的脆性组织。?

1.1.2力学性能

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1.2碳当量

评定焊接裂纹倾向最早的方法是根据化学成分按照公式计算碳当量，以此间接判断钢对各种裂纹的敏感性。

按照国际焊接标准I.I.W?推荐的碳当量(Ceq)计算公式为：?

WDB620钢的实际Ceq≤0.38%，与传统的调质钢和珠光体钢相比，其碳当量只相当于400MPa级的珠光体钢。因此，WDB620钢的焊接性优于传统的珠光体钢和调质高强度钢。

根据传统的可焊性判据，当Ceq≤0.45%时，焊接25mm厚板可不预热；当Ceq≤0.41%和焊接裂纹敏感性组分Pcm＜0.27%时，小于37mm厚的钢板可作不预热焊接。?

1.3焊接裂纹敏感性组分

日本焊接学会推荐的焊接裂纹敏感性组分计算公式为：?

据式2计算可知，WDB620钢的焊接裂纹敏感性组分Pcm≤0.18%。

因此，WDB620钢符合日本焊接协会认可的CF型（焊接无裂纹）钢的标准。该协会于1983年专门制定了《低焊接冷裂纹敏感性高强度钢标准(WES3009—1983)》。该标准中规定，当Pcm≤0.20%，为防止根部裂纹而采取的焊前预热的温度可不高于50℃，这样的钢板被称为低焊接冷裂纹敏感性高强度钢板。这个标准是按照斜Y形坡口试验的大量试验数据总结分析出来的结论而制定的。

对于本文介绍的超低碳贝氏体钢WDB620，设板厚为40mm，焊缝金属扩散氢含量为2mL／100g，其防止冷裂纹产生应采取的预热温度按式3、4计算：

?

式中，Pc为焊接裂纹敏感性指数；H为焊缝金属扩散氢含量，mL／100g；t为板厚，mm；Pcm为焊接裂纹敏感性组分；T0为防止产生焊接冷裂纹的预热温度，℃。

计算结果T0=9.76℃。

显然，WDB620钢板可在常温下采用不预热或低预热方式焊接。

2焊接性试验

焊材的选择首先应考虑母材中的合金元素向焊缝的扩散和元素间交互作用的影响，还必须注意尽量选择强度级别及化学成分与母材相同或相近的材料。?

2.1焊接材料及焊接工艺?

2.1.1手工电弧焊

选用上海电力修造总厂有限公司生产的J607RH焊条，规格4.0mm，扩散氢含量1.4mL／100g（甘油法）。

J607RH焊条熔敷金属的主要力学性能见表3。

焊接接头试板的坡口型式为：双面V形60°对接，正面坡口深15mm

2.1.2气体保护焊

选用钢铁研究总院研制的GHS－60N和GH－S70气体保护焊焊丝，规格分别为1.2mm和1.6mm，对WDB620钢实施焊接试验。焊丝熔敷金属的主要力学性能见表

2.1.3埋弧焊

选用武汉钢铁（集团）公司生产的WS03焊丝，规格4?0mm。配用焊剂为四川大西洋焊接材料股份有限公司生产的CHF101。

WS03焊丝+CHF101焊剂，熔敷金属的主要力学性能见表7。

2.2试验结果

焊接接头拉伸及弯曲试验结果表明，拉伸断裂部位在母材一侧，断裂性能指标（屈服强度与抗拉强度）符合技术条件要求，正向弯曲及反向弯曲均完好。

焊接接头冲击试验结果见表9。

从表9表明，气体保护焊和埋弧焊工艺A（小线能量）的熔合线冲击功满足技术要求，但富裕量较小，其他部位的富裕量较大。埋弧焊工艺B（大线能量）的熔合线及线外2mm冲击功虽满足技术要求，但没有富裕量；焊缝及熔合线外5mm处冲击功有一定富裕量。?

3焊接热影响区最高硬度试验

焊接热影响区最高硬度试验是国际上通用的评定钢材冷裂纹倾向的试验方法，适用于手工电弧焊接。为了对超低碳贝氏体钢的冷裂纹倾向进行全面评价，，特按照GB4675.5进行了气体保护焊及埋弧焊试验。

焊接工艺参数见表10。?

硬度测定结果见图1。

图1焊接热影响区最高硬度试验曲线（WDB620钢）由图1得知，埋弧焊热影响区比气体保护焊宽。最高硬度位于距熔合线底部切点（箭头所指为切点位置）两侧1～2mm处，最高硬度值为306。按照国际焊接标准I.I.W?最高硬度试验的评定标准，试验钢的热影响区最高硬度HV＜350，因此在一般情况下无需考虑预热或后热。?

4焊接抗裂性试验?

4.1试验方法与标准

采用斜Y形坡口焊接裂纹试验，参照GB4675?1进行了手工焊和气体保护焊试验。埋弧焊采用对接接头刚性拘束焊接裂纹试验，按GB／T13817进行试验。拘束底板厚度为95mm。?

4.2试验结果

一般情况下，对于600MPa级以上的钢，通常都需要采取预热焊接，但考虑到WDB620钢属超低碳贝氏体钢，Pcm值较低，并且参考热影响区最高硬度试验结果，决定采取不预热及低温预热焊接。焊后自然冷却，放置48h以上。解剖观测裂纹率，结果见表11。

从试验结果表11看，WDB620钢在所有试验条件下表面、根部及断面裂纹率均为0。从试验条件看，试件未预热，相对湿度较大，考核条件比较苛刻。因此，WDB620钢抗裂性能良好。?

5模拟焊接热影响区试验

利用GLEEBL－2000试验机，采用热模拟方法再现焊接热影响区的组织，进行冲击试验，来评定热影响区各部位的真实性能。

设计3个峰值温度，分别模拟焊接热影响区的过热区、重结晶区、不完全重结晶区的组织。设计的焊接热循环特征参数t8／5包括了手工焊、气体保护焊、埋弧焊3种焊接方法的实用规范范围。模拟焊接热影响区-20℃冲击功见表12。

结果表明：过热区的冲击功较低，重结晶区和不完全重结晶区的冲击功处于较高水平。随着t8／5的增加，过热区和重结晶区的冲击功逐渐下降，而不完全重结晶区的冲击功保持不变。由此可见，过热区是焊接热影响区中最薄弱的地方，且对于t8／5比较敏感。当t8／5大于25s

t8／5是反映板厚、焊接预热层间温度、焊接热效率及焊热线能量的综合参数。根据经验公式计算，各焊接条件下t8／5约为：手工焊9～13s，气保焊10～13s，埋弧焊小线能量13～16s，埋弧焊大线能量34～38s。结合WDB620钢板热模拟试验结果，认为当焊接预热及层间温度控制在100℃以下时，气体保护焊和手工焊快速多道焊时的焊接线能量一般不超过25kJ／cm，t8／5＜25s，适用于所有厚度规格的钢板。

埋弧焊则需要根据板厚，按下述要求控制工艺，以确保t8／5＜25

s。焊接预热及层间温度控制在100℃以下：

厚度为18mm时。应控制焊接线能量＜20kJ／cm；厚度为25mm时。应控制焊接线能量＜28kJ／cm；厚度为30、35mm时，应控制焊接线能量＜35kJ／cm。?

6推荐适用于潮湿多雨地区的焊材要求及焊接工艺

(1)焊接材料。必须选择超低氢型焊条，熔敷金属扩散氢含量≤5mL／100g（水银法或色谱法）。

焊接接头的力学性能应满足WDB620钢的性能要求。

(2)焊前准备。焊前必须严格按照焊条供应单位要求的烘焙制度进行烘干，并保存在100～150℃的恒温箱内，随用随取。现场使用的焊条应装入保温筒，焊条在保温筒内的时间不得超过4h，超过后，应重新烘焙，重复烘焙次数不得超过2次。

清除焊接坡口及两侧＞20mm范围内的水份、油污、铁锈等。

焊缝背面采用碳弧气刨清根后，应用砂轮清除表面氧化层。

(3)焊接工艺。根据焊接接头及焊接热模拟试验结果，WDB620钢适用的焊接线能量范围应＜35kJ／cm，对于薄板应适当减小焊热输入。最佳线能量范围为10～22kJ／cm。层间温度控制在50～120℃。

具体焊接工艺参数应按焊条推荐的参数和要求，以焊接熔合与成形良好为准。采用短弧窄道焊方法进行多层多道焊。

在一般情况下不需预热和后热处理。但遇雨天、相对湿度大于85%、环境温度低于0℃时，或在结构刚性特别大的部位，应考虑适当预热（＞50℃），去除钢板表面吸附的水份。?

7结论

(1)超低碳贝氏体钢WDB620的碳当量较低，焊接裂纹敏感性组分Pcm＜0.20%，因此，钢板具有良好的可焊性；符合日本焊接协会对CF钢的要求。

(2)理论计算及焊接热影响区最高硬度试验均表明。WDB620钢可采用不预热方式焊接，焊后可不采取后热