高韧性钢Q345LCLA焊接工艺研究

2014-01-23肖德政刘须收吴建英黄钰豪

焊管 2014年5期

肖德政，刘须收，吴建英，黄钰豪

（中信重工机械股份有限公司焊接工艺研究所，河南洛阳471039）

0 前言

目前国内外用于球磨机筒体板的材质主要有ASTM A36和Q235B。其中，Q235B的抗拉强度≥375 MPa，室温冲击吸收功为27 J；ASTM A36的抗拉强度≥400 MPa，对冲击吸收功不做要求。

中信重工机械股份有限公司生产的φ4.9m×8.1m溢流型球磨机[1-3]的筒体板及法兰采用新材质Q345LCLA。该材质含有少量能够细化晶粒的Nb[4]，具有高韧性（要求室温冲击功不小于34J，实测室温冲击吸收功高达237～301J）、高强度（不小于470 MPa）的特点[5-7]。与ASTM A36和Q235B相比较，新材质Q345LCLA抗拉强度≥470MPa，冲击吸收功257～301 J，具有更高的冲击韧性和强度，因此选择与其相匹配的焊接材料、制定合理的焊接工艺难度较大。

本研究通过按照AWSD1.1—2010对2种焊接材料进行焊接工艺评定[8-9]，针对焊接接头进行了拉伸和弯曲试验，并在不同温度条件下进行冲击试验，经维氏硬度和金相分析[10-12]，以评定其是否与Q345LCLA相匹配，同时形成焊接规范，并用于筒体焊接。

1 试验过程

1.1 试验前期准备

按照AWSD1.1—2010对2种焊接材料进行焊接工艺评定，采用45mm厚400mm×400 mm的焊接试板，焊接接头如图1所示，焊接规范见表1。

图1 焊接接头形式

表1 接头形式及焊接规范

1.2 焊接试验

焊接前采用煤气对试板进行100℃的预热处理，层间温度控制在100～200℃。正面焊完后，采用碳弧气刨进行清根，再用砂轮打磨，彻底清除氧化皮后再进行背面焊接，如图2所示。焊后对焊缝进行UT和MT探伤，达到AWSD1.1—2010要求。焊后进行去应力退火，退火时温度为600℃，保温时间≥2 h，退火曲线如图3所示。

图2 试验中温度控制过程

图3 退火曲线

2 试验结果

2.1 拉伸、侧弯试验

对2种焊接接头按照AWSD1.1—2010制备拉伸、侧弯试样，并进行拉伸以及侧弯试验。第一组焊接材料为H10Mn2/SJ101，第二组焊接材料为Primerweld Ni1K/JF-B。两组材料的导向弯曲试验结果见表2和表3，拉伸试验结果见表4和表5。

表2 H10Mn2/SJ101焊材焊接接头导向弯曲试验结果

表3 Primerweld Ni1K/JF-B焊材焊接接头导向弯曲试验结果

从表2和表3可以知道，焊接接头侧弯试验全部合格，2种材料的塑性均满足AWSD 1.1—2010标准要求;从表4和表5可知，2种焊接材料的焊接接头均断裂于母材，其接头强度均满足AWSD1.1—2010标准要求。

2.2 冲击试验

表4 H10Mn2/SJ101焊接接头拉伸试验结果

表5 Primerweld Ni1K/JF-B焊接接头拉伸试验结果

图3 H10Mn2/SJ101焊接接头冲击功曲线

图4 Primerweld Ni1K/JF-B焊接接头冲击功曲线

对2种焊接接头分别在室温，0℃，-20℃和-40℃四种温度条件下进行冲击试验。第一组焊接材料H10Mn2/SJ101，其焊缝及热影响区的温度-冲击功曲线如图3所示。第二组焊接材料为Primerweld Ni1K/JF-B，其焊缝及热影响区温度-冲击曲线如图4所示。由图3和图4可知，2种焊材焊制的焊接接头，其焊缝及热影响区的冲击韧性均高于母材规定的值，达到AWSD1.1—2010标准要求。比较而言，进口焊材Primierweld weldNi1K/JF-B在各种试验温度下，焊缝的冲击吸收功均高于相同温度下国产焊接材料H10Mn2/SJ101的冲击吸收功，两种焊接接头的热影响区均具有较好的冲击韧性。

2.3 维氏硬度检测

对2种焊接接头进行维氏硬度检测，第一组焊接材料为H10Mn2/SJ101，其硬度分布及曲线图如图5所示。第二组焊接材料为Primerweld Ni1K/JF-B，其硬度分布图及曲线图分别如图6所示。

图5 H10Mn2/SJ101焊接接头的硬度分布

图6 Primerweld Ni1K/JF-B焊接接头的硬度分布

从图5和图6可知，2种焊接材料焊接接头的硬度均与母材接近，焊缝及热影响区的硬度值均在母材范围之内，未出现淬硬性很高的点，其采用的焊接规范及预热温度比较合理。

2.4 金相组织

分别对2种焊接接头进行金相组织分析。第一组焊接材料为H10Mn2/SJ101，其焊接接头金相组织如图7所示。

图7 H10Mn2/SJ101焊接接头金相组织形貌

图7（a）为焊缝区柱状晶金相组织，在柱状晶的晶界上分布着白色的先共析铁素体，晶内为粒状贝氏体和少量的珠光体，铁素体百分比占40%，晶粒度为2级；图7（b）为焊缝区等轴晶金相组织，主要为块状铁素体，并含有少量的粒状贝氏体和珠光体，块状铁素体约占75%，晶粒度为8级；图7（c）为焊热影响区粗晶区金相组织，为羽毛状贝氏体，并含有少量的块状铁素体，铁素体含量约占20%，晶粒度为6级；图7（d）为焊热影响区正火区金相组织，呈块状的铁素体和珠光体，铁素体含量约占75%，晶粒度为8级。

第二组焊接材料为Primerweld Ni1K/JF-B，其焊接接头金相组织如图8所示。

图8（a）为焊缝区柱状晶金相组织，在柱状晶的晶界上分布着白色的先共析铁素体，晶内为粒状贝氏体和少量的珠光体，铁素体百分比占30%，晶粒度为1级；图8（b）为焊缝区等轴晶金相组织，主要为块状铁素体，并含有少量的粒状贝氏体和珠光体，块状铁素体约占75%，晶粒度为8级；图8（c）为焊热影响区粗晶区金相组织，为羽毛状贝氏体，并含有少量的块状铁素体，铁素体含量约占20%，晶粒度为6级；图8（d）为焊热影响区正火区金相组织，呈块状的铁素体和珠光体，铁素体含量约占75%，晶粒度为8级。

图8 Primerweld Ni1K/JF-B焊接接头金相组织形貌

3 结论

（1）采用合适的预热温度及焊接规范，选择H10Mn2/SJ101和Primerweld Ni1K/JF-B来焊接Q345LCLA，均可以获得力学性能良好的焊接接头，其焊接接头的强度以及塑性均可以达到AWSD1.1—2010标准的要求，并且其具有较好的低温和常温的冲击韧性，相对而言，进口焊接材料Primerweld Ni1K/JF-B的冲击吸收功稍高。

（2）采用合适的预热温度及焊接规范，选择H10Mn2/SJ101和Primerweld Ni1K/JF-B焊接Q345LCLA，焊缝及热影响区的硬度值均在母材范围之内，未出现淬硬性很高的点。2种焊接材料的金相组织比较接近，焊缝及热影响区未出现晶粒粗大的魏氏组织及脆硬的马氏体组织，具有良好的金相组织。

（3）本试验的预热温度及焊接规范，已成功用于中信重工机械股份有限公司为巴西某公司生产的φ4.9m×8.1m溢流型球磨机筒体的焊接，得到用户的好评。

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