高強(qiáng)度低合金板焊接研究

陳 靜

（安徽博微長(zhǎng)安電子有限公司，安徽 六安 237000）

1 低合金高強(qiáng)鋼的焊接特點(diǎn)

低合金高強(qiáng)度鋼不僅強(qiáng)度高，而且具有良好的塑性和韌性。因此，廣泛應(yīng)用于工程焊接結(jié)構(gòu)，在工程中越來(lái)越受關(guān)注。國(guó)內(nèi)外關(guān)于低合金強(qiáng)度的學(xué)者研究了鋼的焊接性，包括焊接強(qiáng)度和韌性的匹配，焊接工藝特性，焊接裂紋感受性，焊接金屬和熱影響部分的微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。低合金淬火高強(qiáng)度鋼的碳含量在0.18%以下，其焊接性比中碳淬火鋼好。

在具有800MPa 或更高拉伸強(qiáng)度的低合金淬火高強(qiáng)度鋼中，HAZ（尤其是粗粒HAZ）傾向于產(chǎn)生冷間裂紋并降低韌性。焊接后不需要熱處理的焊接，需要嚴(yán)格控制焊接部的擴(kuò)散性氫的含量，選擇適當(dāng)?shù)暮附臃椒ê秃附庸に噮?shù)。低碳含量，硫，磷雜質(zhì)的嚴(yán)格控制，低淬火淬火高強(qiáng)度鋼的高溫裂紋傾向很小。這種鋼主要通過(guò)淬火和回火來(lái)強(qiáng)化。受焊接熱循環(huán)的影響，低碳淬火鋼的熱影響部分可能存在脆化和軟化現(xiàn)象。強(qiáng)度等級(jí)越高，軟化現(xiàn)象就越明顯。因此，根據(jù)母材的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)式、要求性能，可以合理選擇焊接方法和焊接材料。另外，如果通過(guò)淬火回火獲得低合金高張力鋼的強(qiáng)化效果，則容易受焊接熱循環(huán)的影響，有時(shí)會(huì)在熱影響部發(fā)生脆化和軟化。強(qiáng)度等級(jí)越高，軟化現(xiàn)象就越明顯。

因此，在低合金淬火高強(qiáng)度鋼的焊接中應(yīng)該解決的課題是，防止冷間裂紋，根據(jù)高強(qiáng)度的要求提高焊接金屬和HAZ 的沖擊韌性。為了消除裂縫，使焊接效率最大化，通常采用金屬惰性氣體焊接（MIG）和活性氣體焊接（MAG）等半自動(dòng)機(jī)械焊接。另外，嚴(yán)格限制焊接線的能量，不會(huì)超過(guò)焊接熱影響部的冷卻時(shí)間。同時(shí)，焊接不應(yīng)使用大口徑電極或焊接線，應(yīng)盡量采用多層化、多路徑焊接。對(duì)于低合金淬火高強(qiáng)度鋼的熱影響部的軟化現(xiàn)象，應(yīng)采用熔接后的再加熱、回火的對(duì)策，對(duì)于焊接后不進(jìn)行熱處理的部件，焊接時(shí)對(duì)母材的焊接入熱的影響應(yīng)受到嚴(yán)格限制。

在焊接低合金高強(qiáng)度鋼時(shí)，選擇合理的焊接工藝和規(guī)范，并進(jìn)行公式化是非常重要的。焊接方法的影響很大。為了確保焊接過(guò)程的穩(wěn)定性和所需的焊接形狀和尺寸，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)部件的特性和形狀來(lái)調(diào)整適當(dāng)?shù)暮附訜嵫h(huán)和工藝，以獲得高品質(zhì)的焊接接頭。對(duì)于具有較高熱敏性和較低固化傾向的其他鋼，焊接規(guī)范必須更小。除較小的焊接規(guī)格外，還進(jìn)行焊接前的預(yù)熱、焊接后的熱保存、緩冷處理。一般來(lái)說(shuō)，預(yù)熱溫度可以由鋼的碳當(dāng)量、冷裂感受性指數(shù)和熱影響部的最大硬度值來(lái)決定。一般來(lái)說(shuō)，預(yù)熱溫度為500℃，所以在部件的剛性大的情況下，可以適當(dāng)?shù)卦黾宇A(yù)熱、層間溫度，但一般可以在300℃以下。焊接后的熱處理可以根據(jù)產(chǎn)品的使用條件來(lái)決定。在強(qiáng)度等級(jí)6b ＞0.5中，一般在焊接后的時(shí)間進(jìn)行熱處理以除去焊接殘余應(yīng)力，加速焊接部和熱影響部的氫逃，改善焊接部附近的金屬組織。預(yù)熱和后熱處理的方法可以根據(jù)結(jié)構(gòu)部件的形式、尺寸和各條件來(lái)確定。一般有電爐，火焰加熱，遠(yuǎn)紅外線加熱。如果預(yù)熱和熱處理后不方便，也可以使用鋁硅酸鹽絕緣焊接工藝。該工序使用鋁硅酸鹽進(jìn)行單面、雙面和低溫預(yù)熱和熱保存，以在焊接后的焊接和熱處理前達(dá)到預(yù)熱的相同效果。這是由于焊接部的冷卻時(shí)間增加，硬化傾向降低，產(chǎn)生冷間裂紋的傾向。

由于高強(qiáng)度鋼的切口感受性，焊接部變得容易破裂，成為限制其開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的重要問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，建筑機(jī)械焊接結(jié)構(gòu)的通用故障模式是疲勞破壞，脆性破壞，過(guò)載破壞，冷間裂縫等，裂縫引起的結(jié)構(gòu)破壞事故占總破壞事故的70%以上80%。根據(jù)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，焊接結(jié)構(gòu)的90%是疲勞斷裂。根據(jù)國(guó)際焊接學(xué)會(huì)（IXW）的XIII 委員會(huì)的調(diào)查，由于疲勞引起的金屬結(jié)構(gòu)故障，占故障結(jié)構(gòu)的約90%。測(cè)試結(jié)果表明，屈服強(qiáng)度大于高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)力集中靈敏度提高，大大降低了屈服強(qiáng)度的有效性。由于高強(qiáng)度鋼對(duì)應(yīng)力集中的敏感性高于低強(qiáng)度鋼，所以高強(qiáng)度鋼焊接結(jié)構(gòu)的綜合性能比低處理鋼的情況低。近年來(lái)，開(kāi)發(fā)二次精煉、真空脫氣、壓力淬火等技術(shù)，特別是在冶煉和壓延熱處理中，為開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用焊接結(jié)構(gòu)提供了重要的技術(shù)保證。另一方面，高效焊接方法，焊接工序，焊接接頭部的性能（特別是沖擊韌性）有很高的要求。在選擇焊接材料時(shí)，歐美、美國(guó)等國(guó)最初使用的焊接材料強(qiáng)度比母材低。但是，焊接焊縫的根，t 接頭和圓周對(duì)焊和縱向焊接的框架連接中發(fā)現(xiàn)了焊接裂紋。通過(guò)調(diào)整鋼的組成，很難完全解決焊接裂紋問(wèn)題。焊接材料和焊接工藝的正確選擇可以解決這個(gè)問(wèn)題。對(duì)于使用具有低強(qiáng)度、高塑性、韌性的焊接材料來(lái)減少和防止焊接裂紋是有效的。

2 低合金高強(qiáng)鋼組織性能研究

低合金高強(qiáng)度鋼的焊接金屬的最終微觀結(jié)構(gòu)是復(fù)雜的。焊接金屬的化學(xué)組成對(duì)微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變有重要影響。合金元素的適當(dāng)含量有助于改善微觀結(jié)構(gòu)和組成并改善焊接金屬的機(jī)械性能。熔體池的熔融溫度和奧氏體化條件在奧氏體粒度中起決定性作用，并且在800℃～1300℃下的奧氏體化過(guò)程對(duì)共沉淀鐵氧體有很大的影響。小的冷卻速度促進(jìn)擴(kuò)散相轉(zhuǎn)變，增加了晶界鐵氧體網(wǎng)狀尺寸和針狀鐵氧體的比例。不同的焊接熱循環(huán)也可能引起焊接金屬不同的微觀結(jié)構(gòu)。由于低合金鋼和高強(qiáng)度鋼的原因，碳和合金元素的含量相對(duì)較低，焊接金屬中的鐵氧體的比例較大。

拉伸強(qiáng)度500mpa 至1000mpa 的低合金高強(qiáng)度鋼焊接金屬組織的電子衍射分析表明，在低合金高強(qiáng)度鋼的焊接金屬中存在m-a 結(jié)構(gòu)。當(dāng)合金元素含量少時(shí)，M-A 結(jié)構(gòu)是粒狀的，而當(dāng)合金元素含量多時(shí)是玻璃形狀的。當(dāng)m-a 結(jié)構(gòu)不連續(xù)存在時(shí)，對(duì)焊接金屬的韌性幾乎沒(méi)有影響，但是當(dāng)連續(xù)存在時(shí)，焊接金屬的沖擊韌性明顯下降。在選擇焊接材料和制定焊接工藝參數(shù)時(shí)，應(yīng)考慮微觀結(jié)構(gòu)對(duì)焊接金屬?gòu)?qiáng)度和韌性的影響。

近年來(lái)，低合金高強(qiáng)度鋼焊接韌性研究的突破是針狀鐵氧體（af）提高了原始焊接部分的低溫沖擊韌性。當(dāng)針狀鐵氧體在焊接部分的比例較高時(shí)，低溫韌性明顯提高。為了控制微結(jié)構(gòu)和提高韌性，研究焊接部針狀鐵氧體的成核機(jī)制是重要的。許多精細(xì)交叉針狀鐵氧體的成核核表明是顆粒內(nèi)的非金屬夾雜物。然而，沒(méi)有關(guān)于針狀鐵氧體的成核機(jī)制的共識(shí)。既有人建議TiN 促進(jìn)AF 成核，也有人建議A0 鐵氧體的晶格錯(cuò)位度最小，成核的表面能最小，因此Ti0 比TiN 有效。利克斯大夾雜物認(rèn)為減少成核的能壘并促進(jìn)AF 成核。但是，拉伸強(qiáng)度。研究了控制800MPa HSLA 鋼焊接部針狀鐵氧體量的方法。

針狀鐵氧體和塊狀鐵氧體的破壞特性不同。當(dāng)裂紋通過(guò)針狀鐵氧體時(shí)，裂紋前面的應(yīng)力集中由于變形而減弱，裂紋以波狀傳播，形成破裂的波紋擊穿和高沖擊韌性。當(dāng)鐵氧體是大質(zhì)量時(shí)，在相邊界處容易產(chǎn)生裂紋，并且通過(guò)開(kāi)閉破壞鐵氧體。破壞單位的大小與相應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu)中的塊狀鐵氧體相同，其沖擊韌性低于針狀鐵氧體。

3 低合金高強(qiáng)鋼焊接工藝

低合金淬火高強(qiáng)度鋼的一般焊接方法包括手動(dòng)電弧焊接、CO2氣體屏蔽焊接和混合氣體屏蔽焊接。決定焊接方法時(shí)，必須考慮強(qiáng)度等級(jí)，服務(wù)性能，建設(shè)困難性，母材的經(jīng)濟(jì)性。從實(shí)際生產(chǎn)中，采用了高效、高品質(zhì)、良好的工作條件和簡(jiǎn)便的運(yùn)行方法。一般來(lái)說(shuō)，手動(dòng)電弧焊接、亞焊弧焊接及CO2焊接可用于低合金淬鋼，降伏強(qiáng)度小于680MPa。CO2氣屏蔽焊接具有低合金淬火高強(qiáng)度鋼焊接中廣泛使用的高效、低成本、均勻均勻的焊接形成、良好的焊接質(zhì)量和低勞動(dòng)強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)。在薄肉、中板、高強(qiáng)度焊接部，由于熱影響部和深度方向的沉淀，熱影響部狹窄變形少，焊接、熱影響部破裂或其他缺陷不容易。

熱影響區(qū)冷卻時(shí)間（t8/5“t8/3”）由于上部貝奈特（bu）和m-a成分有時(shí)以低冷卻速度出現(xiàn)在haz 粗糙的粒區(qū)域，所以不會(huì)太長(zhǎng)。冷卻時(shí)間太短的話，硬化的構(gòu)造多，導(dǎo)致冷間破裂。

為了限制過(guò)大的焊接線能量，在低碳淬火及高強(qiáng)度鋼焊接中不使用大口徑電極或焊接線。多層和多路徑焊接工藝不僅需要進(jìn)一步地采用HAZ 和焊接金屬，而且應(yīng)盡可能地采用以降低焊接變形。關(guān)于雙層焊接的焊接，焊接根由碳電弧空氣的研磨清洗，表面在焊接前用磨削空氣研磨。

為了防止冷裂，低合金鋼的焊接大多使用預(yù)熱和后熱處理。然而，為了避免形成HAZ 的m-a 分量和粗糙的貝奈特結(jié)構(gòu)，需要減緩HAZ 的冷卻速度，導(dǎo)致HAZ 強(qiáng)度和韌性的降低。

HQ70，HQ80，HQ100 鋼的焊接一般需要低溫預(yù)熱。在高預(yù)熱下的低碳淬火鋼，提高了HAZ 軟化和脆化傾向，降低HAZ 韌性，軟化和強(qiáng)化HAZ，焊接過(guò)程復(fù)雜。

低碳淬鋼結(jié)構(gòu)的焊接部一般來(lái)說(shuō)，焊接接頭部的強(qiáng)度和韌性過(guò)低時(shí)，只要焊接結(jié)構(gòu)不受到應(yīng)力和應(yīng)力腐蝕，為了確保焊接后的構(gòu)造尺寸，需要高精度加工。后處理熱處理溫度必須低于母材的退火溫度。

鋼的強(qiáng)度特性是高強(qiáng)度鋼的主要機(jī)械性質(zhì)指標(biāo)，屈服強(qiáng)度（as）是確定工程設(shè)計(jì)中容許應(yīng)力的主要基礎(chǔ)，拉伸強(qiáng)度（6b）是強(qiáng)度后備力的重要指標(biāo)。屈服強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度之比被稱為屈服比（6}ab），是材料選擇的重要參數(shù)，并且在不同應(yīng)用中具有不同要求。低屈服比有助于加工和成型，具有高結(jié)構(gòu)可靠性，高屈服比極大地發(fā)展了鋼的強(qiáng)度電位，具有承受不穩(wěn)定損傷的能力。建筑機(jī)械鋼需要高屈服比，高拉伸強(qiáng)度，韌性，硬度，高耐磨性鋼。除了強(qiáng)度性能之外，在高強(qiáng)度鋼的動(dòng)態(tài)負(fù)載，重負(fù)載和低溫條件下要求高韌性。

焊接材料的選定應(yīng)由母材的強(qiáng)度，化學(xué)組成，結(jié)構(gòu)和性能來(lái)決定。首先，必須確保焊接金屬的塑性和耐裂紋性。關(guān)于焊接金屬的強(qiáng)度，在這一點(diǎn)上過(guò)去也有過(guò)理解。焊接金屬的強(qiáng)度越高越好。實(shí)際上，焊接金屬的強(qiáng)度越高，越容易產(chǎn)生裂紋，其韌性尤其相對(duì)于結(jié)構(gòu)剛度大的焊接部尤其低。如果允許性能要求，則使用具有較低強(qiáng)度（所謂“低強(qiáng)度匹配”）的焊接材料有利于增強(qiáng)焊接金屬的可塑性和韌性，減少硬化和冷裂的傾向。結(jié)果，焊接接頭的強(qiáng)度不一定低于母材的強(qiáng)度。關(guān)于焊接金屬，強(qiáng)度越高韌性越低，比低矮金屬低。對(duì)于具有800MPa 以上拉伸強(qiáng)度的高強(qiáng)度鋼，焊接金屬和母材的強(qiáng)度必須相等，焊接部的韌性預(yù)備力不夠。此時(shí)，通過(guò)稍微犧牲焊接強(qiáng)度，可以提高韌性預(yù)備力，有利于焊接接頭的性能和安全性。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在低合金高強(qiáng)度鋼的連續(xù)開(kāi)發(fā)中，滿足了焊接結(jié)構(gòu)在高強(qiáng)度，高溫電阻，低溫電阻，耐腐蝕方面的要求，廣泛應(yīng)用于橋梁，鍋爐，壓力容器，汽車，船舶，石油管道等領(lǐng)域。低合金高強(qiáng)度鋼主要調(diào)整鋼中碳和合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并與適當(dāng)?shù)臒崽幚硪恢隆．?dāng)然，碳和合金元素的增加會(huì)對(duì)鋼的焊接性產(chǎn)生不利影響。在低合金高強(qiáng)度鋼中，隨著強(qiáng)度等級(jí)和碳合金元素的質(zhì)量比增加，接頭脆化，軟化，裂紋傾向增加。這些焊接性問(wèn)題的出現(xiàn)不僅降低了焊接結(jié)構(gòu)安全駕駛的可靠性，也給國(guó)家的財(cái)產(chǎn)和人民的生活帶來(lái)了巨大的損失。為了連續(xù)改善低合金鋼的焊接性，國(guó)內(nèi)自1980 年代以來(lái)，開(kāi)始開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)具有良好焊接性的超合金鋼和新一代的超微粒鋼，對(duì)鋼的焊接性產(chǎn)生了很大的變化。隨著產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，鋼焊接接頭的要求性能有高軸承強(qiáng)度、良好的塑性、韌性、耐疲勞性、耐龜裂性等高性能，鋼的開(kāi)發(fā)趨勢(shì)也在逐漸變化。