低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼焊接性能研究

譚震國 胡慶超

1.概述

隨著國內(nèi)外工程機械的發(fā)展，為了減輕工程機械中焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，節(jié)約材料和縮短焊接工期，在降低焊接產(chǎn)品結(jié)構(gòu)成本條件下，也能夠提高生產(chǎn)效率和使用性能，低合金高強鋼就是在這種復(fù)雜苛刻的工況要求下逐漸被工程設(shè)計部門所采用，使得工程機械的設(shè)計逐漸向輕型化、快速化的方向發(fā)展，于是低合金高強鋼的焊接性能成為了廣大工程技術(shù)人員及高等院校、科研院所研究的課題。本公司從實際產(chǎn)品中涉及的材料角度出發(fā)，重點研究了Q550C+Q550C同級別高強鋼,Q550C+Q690D、Q550C+Q345D不同級別高強鋼的焊接性。

2.試驗材料

本試驗研究的母材Q345D、Q550C和Q690D均為低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T1591—2008《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》，本試驗的母材分別為五礦營口中板有限責(zé)任公司生產(chǎn)的控軋態(tài)Q345D低合金高強鋼、寶山鋼鐵股份有限公司生產(chǎn)的控軋態(tài)Q550C低合金高強鋼和舞陽鋼鐵有限公司生產(chǎn)的調(diào)質(zhì)態(tài)Q690D低合金高強鋼，其化學(xué)成分及力學(xué)性能分別如表1～表3所示。

3.焊接性分析及焊接材料的選擇

（1）焊接性分析 Q345D、Q550C和Q690D均屬于低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼，現(xiàn)在國內(nèi)很多鋼廠為了提高鋼的強韌性及其優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，在Q550C和Q690D等級的高強鋼的成分設(shè)計中添加了一些合金元素，如Mn、Cr、Ni、Mo、V、Nb、B及Cu等，并且加大了對S、P元素的控制，以便提高鋼的淬透性和回火穩(wěn)定性，正因為如此加大了冷裂紋及脆硬組織出現(xiàn)的幾率。從低合金高強鋼的焊接性研究出發(fā)，其常出現(xiàn)的焊接缺陷主要有冷裂紋、熱裂紋、氫致裂紋、脆化和軟化。

表1 低合金高強鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 低合金高強鋼力學(xué)性能

表3 低合金高強鋼焊評中的板厚組合

預(yù)熱溫度的計算：碳當(dāng)量法，我們常將鋼中各自合金元素都按相當(dāng)于若干含碳量進行折合并累計起來求得碳當(dāng)量，采用CE或Ceq標(biāo)識，用CE值來評估冷裂傾向的大小。

根據(jù)國際焊接學(xué)會（IIW）推薦采用的計算碳當(dāng)量CE的表達式計算得到Q550C和Q690D低合金高強鋼的碳當(dāng)量CE值分別為0.25%、0.41%。

國際焊接學(xué)會（IIW）規(guī)定，在碳當(dāng)量計算公式適用于中、高強度的低合金高強鋼，當(dāng)CE≤0.45%時，焊接板厚＜25mm的板可以不預(yù)熱，本試驗中采用的板厚均≥25mm，所以在焊接工藝中還應(yīng)采取焊前預(yù)熱處理。

（2）焊接材料的選擇 通過上述主要對Q550C和Q690D低合金高強鋼的焊接工藝性分析，為了獲得與Q550C和Q690D母材同樣的強度及韌性，我們根據(jù)等強匹配原則，選擇伯合樂焊接技術(shù)有限公司生產(chǎn)的實芯焊絲T Union GM 90，按照AWS A5.28標(biāo)準(zhǔn)牌號為ER90S—G，φ1.2mm，此焊絲能夠適用于淬火、回火和熱加工細晶粒結(jié)構(gòu)鋼和高強度的抗蠕變結(jié)構(gòu)鋼焊接，焊縫金屬具有良好的低溫沖擊性能；對于低合金高強鋼Q345D與Q550C的焊接材料，我們則是按照低強匹配原則，選擇的焊材是上海大西洋焊接材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的實芯焊絲CHW—50C6SM,按照AWS A5.28標(biāo)準(zhǔn)牌號為70S—6，焊絲T Union GM 90和CHW—50C6SM的化學(xué)成分及力學(xué)性能分別如表4和表5所示。

4.焊接工藝要點

（1）焊接參數(shù) 本試驗的焊接方法均采用熔化極氣體保護焊，為了保證焊縫無損檢測及結(jié)合實際產(chǎn)品的坡口形式，本試驗采用X形坡口形式。經(jīng)過前述對低合金高強鋼的焊接工藝性有效合理的分析，再加上試驗過程中我們不斷的調(diào)節(jié)焊接參數(shù)，得出了最佳的焊接參數(shù)，如表6所示。

焊接的預(yù)熱范圍為距焊道3倍板厚，且≥75mm，且焊接過程中必須在試板兩端加引弧板以保證焊縫質(zhì)量。

（2）試驗結(jié)果分析 各種性能試驗結(jié)果如表7～表9所示。

表4 T Union GM 90焊接材料化學(xué)成分

表5 T Union GM 90焊接材料力學(xué)性能

表6 各種母材組合下的焊接參數(shù)

表7 試板拉伸試驗結(jié)果（試驗標(biāo)準(zhǔn)ASTM E8M—04）

表8 焊接試板彎曲試驗結(jié)果

表9 沖擊試驗結(jié)果（-20℃）

通過對本試驗的焊縫無損檢測（MT、UT檢測），其中UT標(biāo)準(zhǔn)：GB11345質(zhì)量等級I級，GB11345檢測等級B級；MT標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 19418—2003表1中C級；無損檢測結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。根據(jù)性能試驗結(jié)果，對于母材Q550C+Q690D的匹配，根據(jù)低強匹配原則選用焊材T UnionGM 90；母材Q550C+Q550C的匹配，根據(jù)等強匹配原則選用焊材T Union GM 90；母材Q550C+Q345D的匹配，根據(jù)低強匹配原則選用焊材CHW—50C6SM，這三組焊接工藝性試驗結(jié)果均符合試驗標(biāo)準(zhǔn)，故證明其焊接工藝是合理的，可以指導(dǎo)產(chǎn)品的實際焊接生產(chǎn)。