雷清華

(華電鄭州機械設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450015)

0 引言

高水頭的電站引水壓力管道一般需用高強度等級的鋼材。目前，1000 MPa級的高強鋼成了被關(guān)注的對象，為了確保1000 MPa級高強鋼壓力鋼管(包括鋼岔管)的焊接質(zhì)量，有必要對1000 MPa級高強度鋼的焊接性能進行試驗研究。

通過對厚度為24mm的鋼板進行不同熱輸入的焊接熱循環(huán)模擬試驗，取得模擬焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)的沖擊韌性與焊接熱輸入的關(guān)系，確定該材料單道焊接適用的熱輸入范圍。在試驗過程中，進行了多層(道)焊二次熱循環(huán)的模擬加熱過程對材料沖擊韌性影響的研究，從而確定該材料現(xiàn)場多層(道)焊接適用的熱輸入范圍。

1 試驗材料及試樣截取方式

委托方提供的24 mm厚SMI SUMITEN 950鋼板，化學(xué)成分(資料數(shù)據(jù))和力學(xué)性能見表1和表2。

試樣的截取符合GB/T 2975—1998《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗取樣位置及試樣制備》。用線切割下料加工成11.5 mm×11.5 mm×90.0 mm的試樣，然后按焊接熱循環(huán)模擬試驗要求加工成11 mm×11 mm×90 mm試樣進行熱循環(huán)試驗。熱循環(huán)試驗后再將試樣加工成標(biāo)準(zhǔn)V形缺口試樣，然后進行不同溫度下的沖擊性能試驗。

2 試驗過程及結(jié)果

試驗采用GLEEBLE－1500熱模擬試驗機和JB－30B沖擊試驗機。

模擬焊接熱循環(huán)的試驗峰值溫度為1320℃，加熱速率為200℃/s。考慮該鋼種的SH－CCT圖及其現(xiàn)場可能使用的各種焊接工藝規(guī)范，參照美國25.4 mm以上大厚度鋼板可能使用的最小熱輸入計算公式，發(fā)現(xiàn)焊接熱輸入小于19 kJ/cm時(t8/5為11 s)，其熱熱影響區(qū)組織已全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，硬度較高，容易引起冷裂紋，故焊接熱輸入最小值取19 kJ/cm進行模擬;根據(jù)實際焊接條件和材料使用指南關(guān)于焊接熱輸入的推薦(50kJ/cm以下)，取焊接熱輸入60kJ/cm為最大值，中間平均插入3種規(guī)范，故焊接熱輸入分別取19，30，40，50和60 kJ/cm 5種規(guī)格，其對應(yīng)的t8/5分別為11.0，22.8，39.0，60.0 和144.0s。分別在0℃和－40℃ 2種溫度下進行沖擊試驗。

表1 SUMITEN 950鋼的化學(xué)成分 %

表2 SUMITEN 950鋼的力學(xué)性能

為模擬多層多道焊的焊接熱循環(huán)對材料性能的影響，取24 mm厚材料一次熱循環(huán)沖擊韌性好的30，40和50 kJ/cm 3種類型熱輸入進行二次熱循環(huán)模擬試驗，二次熱循環(huán)的峰值溫度為900℃。同樣，分別在0℃和－40℃下進行沖擊試驗。

為了與熱模擬數(shù)據(jù)進行對比，還進行了實際的熱輸入試板的焊接。在對焊接熱輸入試板進行力學(xué)性能試驗后，發(fā)現(xiàn)小熱輸入的試板也具有良好的沖擊韌性。因此，增加了19.0和7.5 kJ/cm 2種類型小熱輸入進行一次、二次、三次熱模擬試驗，以確定二次、三次熱循環(huán)對材料性能的影響。

三次熱循環(huán)模擬試驗峰值溫度為600℃，加熱速率為200℃/s，其他條件同原先試驗相同。焊接熱輸入為7.5和19.0kJ/cm時，其對應(yīng)的t5/8分別為7 s和11 s。

不同焊接熱輸入作用下鋼材的沖擊功見表3和表4。材料經(jīng)不同熱輸入的焊接熱循環(huán)模擬試驗后的組織如圖1所示，每種熱輸入對應(yīng)2個圖，左側(cè)為200倍，右側(cè)為500倍。

圖1 適中熱輸入條件下的組織形貌

表3 不同熱輸入條件下模擬焊接熱影響區(qū)的沖擊功

表4 不同熱輸入條件下模擬焊接熱影響區(qū)的沖擊功

3 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)表3、表4中的結(jié)果，將2種板厚的焊接熱輸入與熱影響區(qū)沖擊功的關(guān)系繪于圖2。

圖2 熱輸入與沖擊功的關(guān)系(24 mm板)

在一次熱循環(huán)條件下，若試驗溫度為0℃，熱輸入低于19 kJ/cm時沖擊韌性均有明顯下降，當(dāng)試驗溫度為－40℃時，則熱輸入低于30 kJ/cm時沖擊韌性下降更加明顯。但經(jīng)過多次熱循環(huán)后，低熱輸入的沖擊韌性值均能恢復(fù)到很高的水平。若熱輸入高于50 kJ/cm，多次熱循環(huán)的作用則不夠明顯，因為此時晶粒長大的作用要強于馬氏體數(shù)量的影響。

組織分析表明，二次熱循環(huán)后的組織形貌并沒有很大的區(qū)別。二次熱循環(huán)引起熱影響區(qū)韌性變化的原因可能是:熱輸入較小時(30～40 kJ/cm)，由于晶粒長大不嚴(yán)重，基體內(nèi)的析出碳化物未粗化，其韌性得到改善;熱輸入較大時(50 kJ/cm)，由于晶粒長大嚴(yán)重，基體內(nèi)的析出碳化物也發(fā)生了粗化現(xiàn)象，從而引起熱影響區(qū)韌性的降低。

由此，對于不受多次熱循環(huán)影響的單道焊或蓋面焊來說，推薦的熱輸入范圍為20～50 kJ/cm，以30～40 kJ/cm最好，過高或過低均會降低韌性值。其他類型的焊道熱輸入下限范圍可以低至8 kJ/cm，但上限不宜超過50 kJ/cm，以40 kJ/cm為好。

4 結(jié)束語

從結(jié)果來看，無論在什么焊接熱輸入條件下，二次熱循環(huán)的回火作用使其韌性得到較大改善;三次熱循環(huán)與二次熱循環(huán)相比沒有明顯的改善作用。因此，對于不受多次熱循環(huán)影響的單道焊或蓋面焊來說，推薦的熱輸入范圍為20～50 kJ/cm，以30～40 kJ/cm最好，過高或過低均會降低韌性值。其他類型的焊道熱輸入下限范圍可以低至8 kJ/cm，但上限不宜超過50 kJ/cm，以40 kJ/cm為宜。