摘要：作为超超临界和超临界机组主蒸汽管道用材料，低碳 钢具有较好的耐高温和蠕变性能。但就目前的情况看，低碳钢在焊接工艺方面存在冷裂纹、热影响区软化和焊接接头脆化等现象，影响了它的应用。因此，对焊接工艺性能试验问题进行了研究，分别对焊接工艺进行了焊接裂纹试验、热影响区最高硬度试验、再热裂纹试验和焊接接头力学性能试验，从而更好地了解的焊接工艺和性能。
关键词：低碳 钢；焊接工艺；性能试验；冷裂纹
引言
耐候钢是一种主要用于桥梁的高性能耐候钢，它具有高强度、高韧性、高抗低温等特点。耐候钢焊缝合金元素含量较多，会对焊接接头的低温冲击韧性造成影响，易引起焊缝偏析甚至引发热裂纹。本试验结合工厂实际，分别对厚度 10 mm、20 mm和 40 mm 的 Q345qE 耐候高强钢的焊接接头进行焊接工艺与性能研究，以期为耐候钢的实际工程应用提供参考。
1 低碳钢和焊接的概述
低碳钢是非常优质的碳素结构钢，具有良好的使用性能和工艺性能，在机械行业中应用广泛，主要用作机械零件，如轴类、齿轮、高强度螺栓等。低碳钢是含炭量在 0.45%的碳素结构钢，属于中碳钢，其金属力学性能表现为强度高，但韧性差。低碳钢中有害杂质及非金属夹杂物含量较少，化学成分控制得也较严格，塑性、韧性较好，适用于制造较重要的机械零件。 属于普通结构钢，属工程用钢，主要应用于作钢构件，如角钢、槽钢、工字钢、钢板等。低碳钢和 具有良好的金属性能及广泛的应用场合，就此分析研究 低碳钢和 焊接工艺及其焊接性，在焊接生产中具有重要的意义。
2、低碳钢的主特点
2.1低碳钢的成分特点
低碳 是在 P91 材料基础上经过以下的改良而发展起来的：在 P91 钢的基础上加 1.5%～2.0%的 W，降低了 Mo 含量以调整铁素体-奥氏体元素之间的平衡。碳的含量保持在一个较低的水平是为了保证最佳的加工性能。
2.2主要应用
用于替代电厂锅炉中的过热器和再热器的不锈钢。用于极苛刻蒸汽条件下的集箱和蒸汽管道（主蒸汽和再热热蒸汽管道）。在现代燃料电厂，低碳 材料允许较高运行参数（温度、压力），从而提高了热效率。实践经验表明，低碳最适用于蒸汽温度在 580℃~600℃之间（金属最高温度在 600℃~620℃）的锅炉本体（过热器、再热器）。
2.3优点
比其它铁素体合金钢具有更强的高温强度和蠕变性能。它的抗腐蚀性和抗氧化性能等同于其它含 9%Cr 的铁素体钢。与奥氏体不锈钢相比，低碳 具有更好的蠕变性能和抗热疲劳性，同时它的热传导和膨胀系数远低于奥氏体不锈钢。
2.4标准
美国：1995 年列入 ASTM A213；1995 年列入 ASTM A335；1996 年列入 ASME SA213；1996 年列入 ASME SA335。欧洲：牌号 X10CrWMoVNb9-2 尚在申请列入 EN标准。
3、焊接工艺性能试验研究
3.1 焊接裂纹试验研究
在进行焊接裂纹试验研究时，可采用国产为试验材料，并将 6 副试板分别在不预热、50 ℃、100 ℃、120 ℃、150 ℃和200 ℃的预热条件下焊接。而在得出产生裂纹和不产生裂纹的预热温度后，需要取两个温度的中间值试验，以获得精确的预热温度。在试板焊接 48 h 后进行 PT 检测可发现，在预热温度≤120 ℃的情况下，试板的裂纹率为 100%；预热温度＞150 ℃的情况下，试板表面未出现缺陷。此外，因需要防止在焊接过程中出现硬脆马氏体组织，低碳 钢焊接工艺的预热温度不宜高于 250 ℃。
3.2 热影响区最高硬度试验研究
进行焊接热影响区的最高硬度试验可有效评判钢材淬颖和冷裂倾向。在试验中，需要使两副试板分别在室温和预热温度 200 ℃下焊接。其中，室温焊接的试板宽度为 75 mm，200 ℃下焊接的试件板宽度为 150 mm。对不预热试件热影响区硬度分布情况进行观测可发现，不预热的试件热影响区硬度比母材硬度高。此外，预热试件热影响区的硬度要明显低于未预热试件热影响区的硬度，最高差值可达 20HV10 左右。
3.3 再热裂纹试验研究
钢焊接接头的过热区具有不同程度的再热裂纹敏感性，想要消除应力，就要进行相应的试验研究。在试验中，可采用斜 Y 形坡口焊接裂纹试验方法试验。具体而言，在焊接试件通过 PT 检测后对经焊热处理的试件进行取样，在此基础上，从每个试件上取 5 个有效的截面进行再热裂纹试样形貌的宏、微观检查，如下图 1 所示。从试验结果看，当预热温度在 710～790 ℃之间时，低碳 钢不会出现再热裂纹。
图 1 再热裂纹试样形貌
2.4 焊接接头力学性能试验研究
在对焊接接头的力学性能进行试验研究时，可采取坡口形式的低碳钢材。在试验过程中，需对试板的弯曲强度、常温拉力和冲击强度进行检验。试验发现，试板的弯心直径为 48 mm，弯曲角度为180°。同时，常温试验中的试样完好，抗拉强度在 645～675 MPa之间。此外，试板的冲击强度也能满足相关要求。因此，从试验结果看，在常温条件下，低碳 钢的力学性能可满足产品制造的要求。
3、实验结果及分析
3.1 焊接工艺
本试验结合企业生产实际，采用具有适用范围广、生产率高、焊接成本低等特点的二氧化碳气体保护焊进行焊接。本试验的试验焊缝采用单道焊，拘束焊缝采用多道焊。根据国际碳当量公式： EC=[ω(C） +ω（Mn） ]/6+[ω（Cr） +ω（Mo） +ω（V） ]/5+[ω（Ni） +ω（Cu） ]/15。当EC＜0.4%时， 淬硬倾向不大，焊接性良好，焊前不需要预热；计算得 45 的碳当量为 0.63%。由于碳当量比较大，所以焊接的时候需要预热到 250 ℃，多道焊时需要控制层间温度，层间温度控制在 250 ℃以上，避免产生淬硬组织。焊后试件有焊接残余应力，需要消除应力处理，消除应力处理的工艺为：试验焊缝焊接完后，维持 250 ℃以上后马上热处理（550 ℃去应力退火，保温 3 h, 随炉缓冷 200 ℃出炉） 。用焊丝ER49- 1 的层间温度比焊丝 ER55- G 的层间温度高，说明焊丝 ER49- 1 的焊接性比焊丝 ER55- G 的焊接性差。是焊接条件与碳当量的关系。试验采用 CO2 气体保护焊，保护气体为 80%Ar+20%CO2， 电源是直流反接。
3.2 力学性能试验
在经过渗透探伤的小铁研试样截取四块单件做拉伸试验，其中每个试样取两块，在拉伸试验机上将切下的试样进行拉伸，然后在电子扫描镜下观察其断口的形貌，分析其断裂机理，以此来评价拘束焊缝的拉伸性能。备注:30- 7 和 30- 10 试 样 焊 接 材 料 为 ER49，32- 7 和 32- 10 试样的焊接材料为 ER55。由上面的试验结果可以明显发现，从拉伸断口的外观形貌来看，在拉伸过程中，主要是在母材 Q235 和 Q235 侧的熔合线处断裂，断裂为韧性断裂，断口形貌为韧窝状，有少部分为河流花样，说明 Q235 的强度比较低，塑性和韧性比较好。用焊丝 ER49 焊接的接头的拉伸力的平均值为 139.4 kN，抗拉强度平均值为387.5 MPa，弹性模量的平均值为 2 736.9，用焊丝ER55- G 焊接的接头拉伸力的平均值为 169.36 kN，抗拉强度平均值为 446.8 MPa，弹性模量的平均值为3 839.55。综上所述为焊丝 ER55- G 焊接轴 45 和辐板 Q235 的接头的拉伸性能比。
结束语
综上所述，从焊接工艺性能的多个试验结果可看出，想要防止焊接过程中出现冷裂纹，就需要在焊接前进行 200 ℃的工件预热处理。同时，对于焊接接头过热区的再热裂纹敏感性问题，需要在 710～790 ℃的温度条件下进行的热处理，以免出现再热裂纹倾向。总而言之，利用实际生产中的焊接工艺焊接，焊接接头的力学性能可满足相应的生产要求。
参考文献:
[1]宋统战. 耐候钢 Q355NHB 埋弧焊接工艺分析[J]. 金属加工（热处理）， 2016（20）： 30-32.
[2]王玉玮.耐候钢控轧控冷工艺及焊接性能的模拟研究[D]. 河北：燕山大学， 2016.
[3]熊雄. 高性能耐候桥梁用钢 HPS70W 的生产实践[J]. 江西冶金， 2017， 34（5）： 15-17.
论文作者:马新新,于腾飞,牟世超
论文发表刊物:《防护工程》2019年第1期
论文发表时间:2019/5/9
标签：裂纹论文; 低碳钢论文; 性能论文; 温度论文; 试样论文; 焊丝论文; 焊接工艺论文; 《防护工程》2019年第1期论文;