MPa高强钢焊接工艺分析研发总结报告

1、机械科学研究院哈尔滨焊接研究所科学技术研究报告项目名称：屈服强度900MP级高强钢焊接工艺研究 委托单位：中国神华能源股份有限公司神东煤炭分公司 承担单位：机械科学研究院哈尔滨焊接研究所 完成时间： 2005年 7 月0前言 21 SHT900D、WH80钢化学成分、机械性能 22 焊接材料匹配 22.1进口样架焊缝金属成分 22.2配套焊接材料的选择 33 SHT900D 钢焊接 CCT 图 43.1 临界点的测定 43.2 焊接CCT图 44 SHT900D 钢焊接冷裂纹敏感性 84.1焊接热影响区最高硬度试验 94.2插销冷裂敏感性试验 104.3 Y 型坡口焊接拘束裂纹试验 115 S

2、HT900D 钢焊接工艺研究 125.1焊接工艺条件对 SHT900D钢焊接接头力学性能的影响 125.2不同焊接工艺条件下 SHT900D钢焊接接头的微观组织 136 WH80 钢焊接冷裂纹敏感性 167推荐的推移杆 SHT900D WH80Q钢焊接工艺 178 SHT900D 钢焊接接头综合性能评定 179 结论 18200前言随着我国综采机械化水平的不断提高， 液压支架支撑力也在不断提高，为了 提高承载能力、减轻支架重量、方便井下的运输和安装，对支架用钢材的强度要 求愈来愈高。中国神华能源股份有限公司“煤炭采掘装备本土化技术”研究开发项目 的首套4.5米、5.5米液压支架推移杆结构件拟采

3、用上海三钢有限责任公司生产 的屈服强度900MP级高强度钢板SHT900D鉴于该强度级别钢板在国内液压支架制 造中从未使用过，为保证首套大采高液压支架推移杆的焊接质量，确保焊接接头 的综合机械性能满足液压支架的设计及使用要求，中国神华能源股份有限公司神东煤炭分公司委托哈尔滨焊接研究所对屈服强度900MPa级高强钢板的焊接性、配套焊接材料及焊接工艺进行研究。在神东公司的精心组织下，在郑州煤机集团公司 的大力配合下，本项目圆满完成了合同要求的工作内容，同时根据推移杆的结构特 点，试验中还增加了 SHT900D WH80（异种钢焊接的焊接工艺及接头性能试验评 定工作。1. SHT900D WH80钢

4、基材化学成分、力学性能试验用屈服强度900MP级高强钢板SHT900D由上海三钢有限责任公司生产， 交货状态为调质，钢板厚度 20mm试验用 WH80（钢由舞阳钢铁有限责任公司生 产提供，钢板由郑州煤机集团公司自行调质处理，钢板厚度 40mm两种试验钢板 的化学成分及力学性能见表1和表2。表1试验钢板化学成分（wt.%）牌号CSiMnSPNiCrMoNbVTiCuSHT900D0.140.221.340.0010.010.280.360.36-0.09WH80Q0.090.250.910.0040.0090.800.440.370.0520.0550.0150.15表2试验钢板力学性能牌号cb

5、(MPa)os(MPa)65(%)AKV -20 c (J)SHT900D99092517.554 62 48 / 55WH80Q83079017.0280 270 254 / 2682.配套焊接材料的选择2.1进口样架焊缝金属成分为了解进口液压支架高强钢焊接时焊接材料的选配原则，对某进口支架推移杆焊缝金属取样，并进行了化学分析，结果见表 3。根据多年在高强度钢焊接材 料方面的研究经验，考虑母材稀释率， 分析认为，该推移杆焊接时所选焊接材料的强度级别应该与所焊钢材等强。 从现场勘查情况看，该进口支架推移杆焊缝采 用的是气体保护焊工艺。表3 某进口支架推移杆焊缝金属化学成分（Wt.%）CSiMn

6、SPNiCrMo0.120.681.480.0120.0151.580.370.542.2焊接材料的选择高强钢焊接时应根据产品对焊缝性能要求选择焊接材料，一般应选择与母材 强度相当的焊接材料，同时必须综合考虑焊缝金属的塑韧性及抗裂性能。本试验研究的SHT900及WH80钢将应用于液压支架的推移杆上，该构件工作时承受弯 曲及扭曲载荷，井下受力条件苛刻。 为确保结构的使用安全，本试验按等强原则 设计，采用强度级别与母材相同、 综合力学性能优良的焊接材料，同时为了防止 焊接冷裂纹的产生、降低预热温度、简化焊接生产工艺，要求所选择的焊接材料 熔敷金属扩散氢含量必须达到超低氢水平。由于目前两大煤机厂的主

7、导焊接工艺是气体保护焊，焊接材料选择气体保护焊焊丝，从焊接生产设备到工人技能操作 都是现实可行的。因此，综合考虑以上几个方面的因素，SHT900D钢配套焊接材料选用德国 DRAHTZUG STEI公司生产的 1.2 mm MEGAFIL 1100M无缝药芯焊 丝；SHT900Df WH80钢相焊的部位采用哈尔滨焊接研究所生产的1.2 mnHS-80实心焊丝。MEGAFIL 1100M是一种屈服强度900MP级金属粉芯型无缝镀铜药芯 焊丝，符合AWSA5.28 E120C-G标准，焊丝熔敷金属综合力学性能良好，使用工 艺性优异、扩散氢含量极低（与实心焊丝水平相当）；HS-80焊丝是哈尔滨焊接研究

8、所开发生产的屈服强度700MP级高强钢气体保护焊丝，合金系统 Mn-Ni-Mo 系，符合AWSX5.28 ER110S-G标准规定，适用于屈服强度 690800MP级低合金 高强钢的焊接。该焊丝的突出特点是熔敷金属在此强度级别下，具有优良的塑性 及低温韧性。采用富氩混合气体保护焊，按表4规范参数焊接，上述两种焊丝熔敷金属化学成分、力学性能及扩散氢含量分别见表5、表6。表4熔敷金属性能试验焊接规范参数焊丝牌号焊接电流电弧电压焊接速度预热及焊道间温度保护气体MEGAFIL 1100M240A26V5mm/s150 C82%Ar+18%CO2HS-80260290A29 31V5.5mm/s1401

9、60C80%Ar+20%CO2表5焊丝熔敷金属化学成分（Wt%焊丝牌号CSiMnNiCrMoSPMEGAFIL 1100M0.0870.471.643.500.630.0070.012HS-800.0800.451.501.100.030.430.0080.013表6焊丝熔敷金属力学性能及扩散氢含量焊丝牌号拉伸性能冲击性能Akv扩散氢 （水银法）ml/100gd b /MPad 0.2/MPa5 5/ %-20 C /J-40 C/JMEGAFIL 1100M10179601547 46 4744 32 441.4HS-8086078521.590 93 94 98 99-1.13. SHT9

10、00D钢焊接CCT图焊接CCT图可反映钢在焊接热循环作用下热影响区的组织转变规律，预测 HAZ脆化及冷裂倾向，为制定钢材正确的焊接工艺提供科学依据。本试验采用 Formaster-D全自动快速膨胀仪，对SHT900D钢的临界点及不同焊接热循环条件 下的焊接热影响区（HAZ过热区组织转变规律进行测定和研究。热膨胀试样35 X 10） 取自20mm SHT900DD板的1/4厚度处。3.1 SHT900D钢的临界点试验按GB5056钢的临界点测定方法进行，SHT900D钢的临界点测定结 果如下：AC1-712C，AC3-848C，MS-420C。3.2 SHT900D 钢 SHT900钢冈焊接 C

11、CT图试验按GB5057钢的连续冷却转变曲线图的测定方法进行，不同冷却条件下SHT900D冈模拟热影响区过热区组织、性能分别见表7、图13，SHT900D钢焊接CCTS见图4。从焊接CCT图上可以看出，SHT900冈冈出现贝氏体的临界 冷却时间为60s，马氏体转变终了的临界冷却时间为 260s。当t8/3 <60s时，HAZ 过热区组织为100%M硬度为395Hv5;当60sv t8/3 < 260s时，HAZ过热区组织 为M+B昆合组织,随t 8/3增加，M逐渐减少,B逐渐增加,硬度逐渐降低；当t8/3 > 260s时,HAZ过热区组织为100%B随t 8/3增加HAZ过热

12、区硬度值进一步降低， 但变化幅度较小。表7不同冷却条件下SHT900D!冈模拟热影响区过热区组织、性能编号T8/3(s)HV 5组织组成组织含量（）临界冷却时间18.6395MM 100%Cbs=60s217395MM 100%334395MM 100%468390M+BM95% ， B5%593315M+BM90%，B10%6163355M+BM70%，B30%7383280BB 100%8650275BB 100%91380265BB 100%Cmf=260s102350260BB 100%114400260BB 100%母材315t8/3=8.6s ( M100)t8/3=17s (M1

13、00)t8/3=34s (M100)t8/3=68s (B5 M95)t8/3=163s (B30 M70)t8/3=93s ( B10 M90)t8/3=383s (B100)t8/3=650s (B100)t8/3=4400s (B100)SHT900D 母材图1 SHT900D钢不同t8/3冷却条件下HAZ组织照片（X 350）图2 SHT900D钢模拟热影响区过热区组织图图3 SHT900D钢模拟热影响区过热区性能图热循环峰值温度1300 °C和mCSiMnSPNiCrMoNbVTi200.140.221.340.0010.0100.280.360.36图4 SHT900D钢

14、焊接CCT图4. SHT900D钢焊接冷裂纹敏感性导致焊接冷裂纹产生的三个主要因素是淬硬组织、拘束应力及氢。从SHT900D钢焊接CCT图上可以看到，SHT900钢HAZ有较强的淬硬倾向，但当t8/3 < 60s时，焊接热影响区组织全部为马氏体，当 t8/3 < 260s时，焊接热影响区组 织均有马氏体存在，这表明在通常条件下采用常规的弧焊方法焊接SHT900D冈，其焊接热影响区不可避免地要产生淬硬组织。因此，实际焊接过程中，如果焊接 材料选择、焊接工艺制订不正确，很可能会在焊接接头产生冷裂纹。本试验采用 所选择的焊接材料，分别进行了焊接热影响区最高硬度试验、插销冷裂敏感性试 验及

15、对接接头斜丫坡口裂纹试验，对SHT900D勺焊接冷裂敏感性进行研究，为焊 接工艺的制订提供依据。4.1 焊接热影响区最高硬度试验焊接热影响区最高硬度试验按 GB4675.5进行，试板尺寸及焊缝位置见图5。 试板的焊接条件见表 &试板焊后12 h,加工硬度试样，并进行HV10测定,测定位置见图6,每隔0.5 mm测一点。焊接热影响区最高硬度试验结果见表 9。可见, SHT900D钢板焊接热影响区最高硬度 Hvmax=43?位于靠近熔合线的过热区，热 影响区所有部位的硬度均超过 HV350表明SHT900D钢焊接热影响区有较强的淬 硬倾向，实际焊接过程中应该采取必要措施预防焊接冷裂纹的产生

16、。图5热影响区最高硬度试验试件轧制表面表8焊接热影响区最高硬度试验焊接条件焊丝牌号焊丝直径（mr）i保护气体焊接电流（A）电弧电压（V焊接速度（mm/mi n）预热温度（C）MEGAFIL 1100M1.280%Ar+20%CO：!24026380100表9焊接热影响区最高硬度试验结果HV10HVmax最咼硬度位置394394394397397413421437417413394394394394394437靠近熔合线的过热区4.2 插销冷裂敏感性试验插销试验按GB9446规定进行，使用HCL-3M（微机自动控制五头插销试验机从20mm厚 SHT900D钢板的1/4处取插销试件，试件直径为 6

17、 mm采用螺旋缺 口，缺口深度0.5mm试件尺寸见图7。插销试验的底板采用20mm厚的Q345钢, 焊接规范见表10。采用断裂准则进行评定。不同预热温度SHT900D插销临界断裂应力见图8,可见，随着预热温度的提高，插销临界断裂应力增大，当预热温 度为100C时，插销临界断裂应力达到SHT900D钢的实际屈服强度。插销试验结 果表明，SHT900DR采用MEGAFIL 1100M旱丝，预热100C条件下焊接，在中等 拘束条件下可以防止焊接冷裂纹的产生。表10 插销试验焊接规范焊丝牌号焊丝直径(mm焊接电流(A)电弧电压(V焊接速度(mm/min)保护气体MEGAFIL 1100M1.22402

18、638080%Ar+20%C02图7插销试件尺寸255075预热温度(C)100125000080070065000力应裂断界临图8不同预热温度SHT900DS销临界断裂应力4.3斜Y型坡口焊接拘束裂纹试验斜丫坡口焊接裂纹试验(又称小铁研试验)是一种拘束程度较苛刻的冷裂纹试验方法，它主要是考核焊接热影响区的根部裂纹情况。试验按照 GB4675.1-89规定执行，焊接条件见表11。试件焊后放置48小时，进行表面、 断面裂纹检查。检查结果见表 12及图9。可见在所设计的试验条件下施焊的 两组试件焊缝表面、断面裂纹率均为零。表明：SHT900钢采用MEGAFILI100M 焊丝在预热100C条件下焊

19、接，在较苛刻的拘束条件下也可以防止焊接冷裂纹 的产生。表11斜丫坡口焊接裂纹试验焊接条件焊丝牌号焊丝直径(mm保护气体焊接电流(A)电弧电压(V焊接速度(mm/mi n)预热温度(C)MEGAFIL 1100M1.280%Ar+20%CO：24026380100表12斜丫坡口焊接裂纹试验结果No.表面裂纹率(%)断面裂纹率(%)10020020D5 6 26图9 SHT900D钢小铁研试验断面解剖照片5. SHT900D钢焊接工艺研究5.1焊接热输入量及焊道间温度对焊接接头力学性能的影响由于焊接热输入量及焊道间温度变化将影响焊接热循环过程，由此将对焊接接头焊缝金属和热影响区的组织和力学性能带来

20、影响。为了掌握焊接热输入量及焊道间温度变化对SHT900D钢焊接接头组织及力学性能的影响，为焊接工艺制订 提供依据，本试验采用 MEGAFIL100M焊丝、80%A叶20%C混合气体保护焊，进 行了不同焊接热输入量及不同焊道间温度的SHT900D冈对接接头性能试验，并对焊接接头的组织进行了分析。试验采用© 1.2mm焊丝，试板尺寸为20X150X300mm,采用单边30° V型坡口，试板焊接条件见表13所示。按照GB2650-2652-89规定进行焊接接头冲击试验和焊缝金属拉伸试验，不同焊接热输入量、不同焊道间温度条件下，焊缝金属拉伸及焊接接头低温冲击试 验结果分别见表14

21、、表15。从表14可见，热输入量变化对焊缝金属的拉伸性能 影响不大，而对焊接接头的低温冲击性能有一定影响。热输入量增加，焊接接头AKV-20 c呈下降趋势，特别是焊缝金属的低温冲击韧性下降明显。因此，为提高 焊接接头的冲击韧性，采用 MEGAFIL100M焊丝焊接SHT900D钢板时，应适当控 制焊接热输入量；从表15可以看出，随着焊道间温度的提高，焊接接头焊缝金 属的拉伸强度和屈服强度降低，延伸率变化不大，而焊接接头焊缝金属及热影响 区的AKV-20c呈上升趋势，其中焊接热影响区的冲击功有明显的提高。综合考虑 焊接接头的拉伸及冲击性能，焊道间温度控制在150C比较合适。表13试板焊接条件No

22、.焊接电流电弧电压焊接速度预热温度道间温度热输入量/A/V/mm/Mi n./ c/ c/KJ/mm1240263801001000.992260284201001501.043260284201002001.044260283001001501.45表14热输入量对焊缝金属拉伸性能和焊接接头低温冲击性能的影响No.热输入量 (KJ/mm)焊缝金属拉伸性能焊接接头Akv-20 C( J)d b MPad s MPaS 5 %焊缝中心热影响区21.04102096017423944506257425641.451020950173330304856573154表15不同焊道间温度下焊缝金属拉伸性

23、能和焊接接头低温冲击性能道间温度焊缝金属拉伸性能焊接接头Akv -20C( J)No.(C)(T b(T sS 5MPa MPa %焊缝中心热影响区110010409801635 4036423736373721501020960174239445062574256320097588016. 543 454066647243675.2不同工艺条件下SHT900D钢焊接接头微观组织分析采用光学显微镜对 2# (1.04KJ/mm, 150 C)、3# (1.04KJ/mm, 200 C)、 4# (1.45KJ/mm, 150C)三种不同焊接条件下焊接的 SHT900D钢焊接接头焊缝金 属及焊接

24、热影响区微观组织进行了分析，结果分别见图 10、图11。焊缝金属组织变化情况：2#样焊缝金属及焊道重热区金相组织均为细针状 铁素体；3#样焊缝金属组织为细针状铁素体，局部有很少量的贝氏体，焊道重热 区组织为细针状铁素体；4#样焊缝金属组织为细针状铁素体+少量粒状贝氏体， 焊道重热区组织为细针状铁素体 +粒状贝氏体。2#与 3#样相比，焊道间温度从 150C提高到200C，焊缝金属的金相组织变化不明显；而 2#与 4#样相比，焊接 热输入量从1.04KJ/mm提高到1.45KJ/mm,焊缝金属组织由细针状铁素体变为细 针状铁素体+粒状贝氏体，此外，由于焊接热输入量的提高，焊接接头焊道数减 少，焊

25、缝金属组织重热区所占比例减少。正是由于焊缝金属组织中粒状贝氏体组织的出现及重热区所占比例的减少导致了大焊接热输入量焊接时焊缝金属低温 韧性降低。焊接热影响区组织变化情况：2#样焊接过热区及正火区金相组织均为马氏 体+少量下贝氏体组织；3#样焊接过热区及正火区金相组织均为下贝氏体 +马氏体 混合组织，组织中下贝氏体比例较多；4#样焊接过热区及正火区金相组织均为马 氏体+少量下贝氏体组织。2#与 3#样相比，焊道间温度从150C提高到200C， 焊接热影响区中下贝氏体所占比例增加是其韧性提高的主要原因；而2#与 4#样相比，焊接热输入量从1.04KJ/mm提高到1.45KJ/mm,焊接热影响区组织

26、变化不 明显，所以其韧性变化也不大。(1.04KJ/mm, 150 C)(1.45KJ/mm, 150 C)(1.04KJ/mm, 200 C)焊态组织层间重热组织图10不同焊接条件下SHT900D钢接头焊缝金属组织(X 700)(1.04KJ/mm, 150 C)(1.04KJ/mm, 200 C)过热区组织正火区组织图11不同焊接条件下SHT900D钢焊接热影响区组织(X 700)6 WH80钢插销焊接冷裂纹敏感性插销试件从40mn厚WH80葩的1/4处取，直径为6 mm螺旋缺口，缺口 深度0.5mm插销底板采用20mn厚的Q345钢。试验采用© 1.2mm, HS-80焊丝,

27、80%A叶20%C(混合气体保护焊，焊接规范参数见表16。采用断裂准则进行评定。 分别进行了预热75C和室温25T不预热条件下 WH80钢插销临界断裂应力测定， 结果见表17,可见，采用HS-80焊丝焊接WH80Q冈，即使在不预热条件下，插 销临界断裂应力也大于WH80钢的实际屈服强度。表明，WH80QH的冷裂纹敏感 性较低，采用SHT900D冈的焊接工艺可以防止焊接冷裂纹的产生。表16 WH80Q钢插销试验焊接规范焊丝牌号焊丝直径(mm焊接电流(A)电弧电压(V焊接速度(mm/min)保护气体HS-801.22402638080%Ar+20%CO2表17 WH80Q钢插销试验结果No.试验钢

28、种预热温度(C)载荷*(MPa保载时间(h)结果临界断裂应力(MPa1WH80Q7579024未断2WH80Q7579024未断> 7903WH80Q7579024未断4WH80Q2579024未断5WH80Q2579024未断> 7906WH80Q2579024未断*施加载荷790 MPa为WH80Q冈的实际屈服强度7推荐的推移杆SHT900D WH80钢焊接工艺根据以上试验结果，为了防止焊接冷裂纹的产生，保证焊接接头的力学性能 优良，推荐采用表18焊接材料、焊接工艺焊接推移杆 SHT900D WH80钢。表18 SHT900D WH80钢焊接材料、焊接工艺焊材及工艺SHT900

29、D+SHT900DSHT900D+WH80Q焊丝HS-80 （定位焊）MEGAFIL 1100M（坡口及角焊缝）HS-80（所有焊缝）焊丝直径0 1.2mm保护气体80%Ar+20%C02气体流里1520L/Mi n.焊丝干伸长1518 mm预热温度100 c打底焊参数220240A, 26V，380 mm/ Min.填充及盖面260A，28V，420 mm/ Min.焊道间温度140160C8 SHT900D钢焊接接头综合性能评定采用表18中推荐的焊接材料、焊接工艺，分别焊接20mm厚 SHT900D+SHT900对接接头及20mm厚SHT900D +40hm厚 WH80Q不等厚对接接 头，

30、试板坡口尺寸为：单面 30° V形坡口，钝边2mm,组对间隙2mm。为了能 与SHT900D板等厚度焊接，在 WH80（板20mm厚度处沿试板宽度方向加工1： 8 缓坡过渡。按照GB2650-2655-89规定，分别对焊接接头的拉伸性能、冲击性能 及弯曲性能进行了试验。结果分别见表19、表20。可以看出，采用MEGAFILI100M 焊丝按表18推荐的焊接工艺焊接SHT900D+SHT90C对接接头，接头拉伸断于母 材，抗拉强度1030Mpa接头弯曲性能良好（侧弯d=3a, a =120°），焊缝金属 及焊接热影响区冲击均能满足 AKv-20o27J标准；采用HS-80焊丝按表18推荐 的焊接工艺焊接SHT900D+WH80Q接接头，接头拉伸断于焊