低合金高强钢焊接接头的低温冲击试验

低温高强钢焊接接头的低温冲击试验

摘要：通过一系列焊接试验，验证低合金高强钢在埋弧自焊的情况下，影响-40℃低温冲击韧性的主要因素是焊接线能量，并通过工程计算方法找出合适的焊接线能量。

关键词：低合金高强钢 埋弧自动焊 低温冲击韧性 线能量 中图分类号： 文献标识码：B 一、 引言

钢材的韧性是影响钢结构脆性断裂的主要因素。而影响脆性断裂的因素之一是温度。随着温度的降低金属材料的韧性亦急剧下降。因此，工作在低温环境下的钢结构件必须满足低温冲击韧性的要求。

我公司为内蒙古自治区制造的风力发电塔柱（简称风塔），由于内蒙古自治区地处我国北疆，气温较低，据国家气象局提供的资料，内蒙古自治区是处于月平均气温低于-20℃的地区，因此要求钢材和焊接接头必须满足低于-20℃ 不至于发生脆性断断裂，故该风塔的设计要求必须满足-40℃冲击值达到标准规定的要求。

为此，为录求最佳焊接工艺规范和焊接材料，我们做了一系的焊接试验。 二、 试验材料及方法

1、焊接方法

风塔的主要焊缝采用埋弧自动焊焊接。所以试验用焊接方法也采用埋弧自动焊。

2、试验用钢材

试验用母材选用GB1591-94中的Q345E，厚度为20mm。根据JB4708-2000《钢制压力容器焊接工艺评定》的规定该厚度可以复盖厚度范围为15-40mm，基本满足塔筒厚度范围。该钢材化学成分及力学性以见表一

表一

化学成分（%） 标准值 复验值 C ≤0.18 0.14 Mn 1.00-1.60 1.49 Si ≤0.55 0.37 P ≤0.25 S ≤0.25 AL ≥0.015 屈服强度 Mpa ≥345 415 办学性能 抗拉强度 Mpa 470-630 510 Akv(-40℃) ≥27 300、300、222 0.012 0.004 0.023 3、焊材

焊丝选用 H10Mn2 直径Φ4

焊剂选用 SJ101、SJ102、HJ431三种，并按表二进行烘干

表二

焊剂牌号 SJ101 SJ102 HJ431 烘干温度（℃） 350 350 250 烘干时间（h） 2 2 2 4. 焊接电源及极性：直流反接. 5. 试板规格：400×130×20mm 6.坡口形式及尺寸见图一

图一

7、试验方法：通过改变不同的焊接工艺规范及不同的焊丝焊剂组合做了五组试验，每一组焊接一块试板，并截取冲击试样进行-40℃冲击试验，见表三

表三：焊接工艺规范

组别 1 2 3 4 5 焊接电流（A） 680 680 550 550 550 焊接电压（V） 36 36 30 30 30 焊接速度（cm/min） 35 35 40 40 40 焊剂 SJ101 SJ102 SJ102 SJ102 HJ430 注：背面用碳弧气刨清根。

三、 试验结果及分析

1、检验分析及结果

对上述五组工艺各焊一块试板，并对每块试板按JGJ81-2002《建筑钢结构焊接技术规程》标准进行外观和内部质量检验；力学性能只做冲击韧性试验。冲击试样按GB2650-89《焊接接头冲击试验方法》标准的规定截取试样和加工试样，每一组取三个试样，采用成型拉刀在冲击试样拉床上加工V型缺口，V型缺口位置均为焊缝，并经冲击试样V型缺口投影仪检验完全符合试样标准。然后在冲击试验

机上进行-40℃低温冲击试验，检测结果见表四，从表四中看出各项指标均合格。

表四

组别 1 2 3 4 5 外观检验超声波探伤（JGJ81-2002） （GB11345-89） 一级 一级 一级 一级 一级 BI级 BI级 BI级 BI级 BI级 冲击功 Akv(-40℃) 14、8、10 14.5、15、13.5 110、103、66 90、66、48 39.5、56、51.5 平均值（J） 10.7 14.3 93 68 49 标准Akv(-40℃)（GB1591-94） 27 2、试验结果分析

2.1、影响低温冲击值主要的因素是焊接规范参数

由表三和表四可以看出，第一组和第二组工艺方案的-40℃冲击力都不合格，而且比标准要求相差较大，这二组方案的规范参数都一样，只是焊剂不一样，第一组方案用的是氟碱型烧结焊剂SJ101碱度约为1.8，第二组方案用的是碱度更高的氟碱型烧结焊剂SJ102碱度为3.5，冲击值虽略有提高，但效果并不明显。而第三、四组减小了线能量的输入，试验结果都合格，由此可见影响低温冲击韧性主要是焊接规范参数，即输入的线能量的大小。线能量大了，低温冲击不合格，线能量小了生产效率低。如何选择合适的线能量才能满足要求，下面进行讨论。

根据现代焊接的科学与实距得知，低合金高强钢焊接接头的力学性能与焊缝熔合线处的冷却时间t8/5存在着密切的关系。所谓t8/5就是焊接接头由800℃冷却到500℃的时间。当t8/5过于短暂时，会出现淬硬裂纹；而t8/5过长会使晶粒粗大，临界转变温度升高，冲击韧性变差。我们可以通过控制t8/5来选择最佳工艺参数，以确保焊接接头的韧性在工作温度下能安全工作。低合金高强钢的t8/5可以通过联邦德国钢铁学会提出的工程计算的方法求得。

设U为电弧电压（V），I为焊接电流（A），V为焊接速度（cm/s），T0为施焊温度（℃），η为相对热效率（%），E为线能量，d为板厚（mm）

在三维热传导条件下：

t8/5＝（0.67-5×10-4T0）η,E[1/(500- T0)-1/(800- T0)]F3 在二维热传导条件下：

t8/5＝（0.43-4.3×10-5T0）η,2E2/d2[(1/500- T0)2-(1/800- T0)2]F2 式中：η,——相对热效率，对埋弧自动焊η,＝1

F2 F3-分别为三维、二维热传导焊缝形状系数，对X坡口F3＝1，F2＝1。对Q345E

临界转变温度 T27（℃）低合金高强钢的t8/5，可以通过T27＝f(t8/5)（见图2）来选取：

、焊态（埋弧多层焊）2、高温消应力状态3、硬度变化曲线图2

由图2知道，当要求T27为-40℃时，t8/5=25s，由此可以算出线能量E。当三维热传导时，E＝46KJ/cm，当二维热传导E＝30KJ/cm，这里选择数值小的线能量E＝30KJ/cm，属于二维热传导，此值是输入线能量的上限。

根据有关资料介绍，低合金高强钢的t8/5的下限值为7s，由此计算出的线能量E＝13KJ/cm。

在上述第一、二组方案中，焊接线能量为： E=60IV/V=60×680×36/35=42KJ/cm

由此可见，输入的线能量大大的超过了规定的上限值，使焊缝熔合处的晶粒粗大，力学性能下降，特别是冲击韧性急剧下降。为保证在-40℃情况下能使冲击功≥27J，则输入的线能量必须≤30KJ/cm，为可靠起见，我们选E＝25 KJ/cm。设I＝550A，V＝30V，V＝40cm/min则E＝60IV/V=60×550×30/40=24.75 KJ/cm

计算出的线能量与选定的线能量基本相符。

所以在表三的第三、四、五组方案采用此焊接规范参数后，其冲击功Akv>27J（冲击值akv>34J/cm2）,全部符合规定要求。

2.2、焊剂对低温冲击韧性的影响

用于试验的焊剂是三种常用的焊剂，SJ101为氟碱型烧结焊剂,碱度为1.8；SJ102为高氟碱型烧结焊剂，碱度约为3.5；HJ431是高锰高硅低氟熔炼型焊剂,是酸性焊剂。

从表三中的第三、四、五组焊接工艺方案可以看出，这三组方案焊接工艺规范一样，只是所采用焊剂不一样，又从表四可以看出，SJ102焊剂的冲击功最高，

SJ101焊剂的冲击功其次，HJ431焊剂的冲击功最低。我们知道，焊剂脱S、P的能力是随着焊剂的碱度增加而增加，S、P是有害元素，降低S、P的含量可以有效的降低临界转变温度，提高低温冲击韧性。焊剂SJ102的碱度最大，脱S、P能力最强，所以冲击功较高，而焊剂HJ431是酸性焊剂，脱S、P的能力最弱，所以冲击功最低。 四、结语

1、 低温冲击韧性的主要影响因素是焊接线能量，要使低温冲击韧性满足要求就必须严格控制焊接线能量。在选择焊接线能量时，宜选在靠近计算值的上限，这样不公仅避免产生淬裂，同时对提高生产效率有利。

2、 要选择最佳焊接工艺规范及焊接材料，避免不必要的失败和损失，必须采用现代的科学技术手段。

3、 焊剂也是影响低温冲击韧性的因素，但不是主要因素。为保证低温冲击韧性最好选用碱性焊剂。

参考文献：

曾乐主编《现代焊接技术手册》上海科学技术出版社。

2007.9.18

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/9kz6.html