工程機械厚板高強鋼D-Arc高效焊接工藝

譚星， 倪川皓， 江亞平

(中聯(lián)重科股份有限公司，國家混凝土機械工程技術(shù)研究中心，長沙 410013)

0 前言

隨著現(xiàn)代工程機械的大型化、高承載的發(fā)展，高強鋼厚板焊接的應(yīng)用越來越普遍，在一些關(guān)鍵焊縫中，很多厚板焊縫要求無裂紋、未焊透等缺陷。目前行業(yè)中大多采用常規(guī)氣體保護焊多層多道焊接，不僅焊接效率低下，而且焊接材料消耗量大、焊接變形大等缺點[1-3]。為了提高焊接效率，近年來相關(guān)學(xué)者提出了許多高效焊接方法[4-7]，但這些方法都存在一些固有的缺點，比如工藝要求嚴格，設(shè)備價格昂貴，裝配精度要求較高，焊接穩(wěn)定性較低等。文中采用厚板高效焊接新技術(shù)——D-Arc深熔弧，可大幅度提高厚板焊接效率、降低生產(chǎn)成本，具有非常好的推廣應(yīng)用價值。

工程機械大多采用屈服強度為690 MPa及以上的超高強鋼，其碳當(dāng)量高、淬硬傾向大，容易產(chǎn)生冷裂紋，同時熱影響區(qū)的馬氏體組織在焊接熱循環(huán)影響下容易軟化，因此超高強鋼板焊接對溫度比較敏感，目前常規(guī)氣保焊的焊接電流多控制在300 A以內(nèi)[8-10]。因而對于300 A以上大電流的潛弧式電弧在超高強鋼焊接中需要開展工藝分析。

1 潛弧式D-Arc高效焊接原理

D-Arc焊接是通過精密波形控制實現(xiàn)大電流、高穩(wěn)定性的MAG潛弧式弧焊。采用大容量焊接電源并聯(lián)輸出大電流、高負載電壓(圖1)，其最高輸出電流可達650 A，最大送絲速度可達30 m/min，同時研發(fā)了相對應(yīng)的高速穩(wěn)定的送絲裝置和大電流的水冷焊槍。D-Arc通過采用電壓幅度控制，在低電壓區(qū)間和高電壓區(qū)間反復(fù)進行周期性的波形控制(圖2)，從而在大電流中產(chǎn)生2種熔滴過渡方式(大熔滴過渡/旋轉(zhuǎn)射流過渡)，能同時得到大的熔深與穩(wěn)定的潛弧式電弧。

圖1 D-Arc高效焊接系統(tǒng)構(gòu)成

圖2 D-Arc電壓幅度控制

圖3a為焊接電流570 A、電弧電壓為48 V、直徑為1.2 mm焊絲的常規(guī)氣保焊的電弧和焊縫外觀，可以觀察到無電壓幅度控制的常規(guī)氣保焊在如此高的電流電壓下熔池晃動、極不穩(wěn)定，焊道不均勻且有大顆粒飛濺。圖3b為有電壓控制的D-Arc焊接在同樣電流電壓和焊絲條件下電弧和焊縫外觀，可以看到D-Arc焊接電弧穩(wěn)定，焊道均勻整潔，無明顯飛濺的痕跡。

圖3 有無電壓控制的電弧及焊縫外觀

2 試驗方案

2.1 試驗材料

選用某鋼廠生產(chǎn)的屈服強度為690 MPa的型號為Q690D的高強鋼板作為研究對象，化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表1和表2。焊接材料選用低匹配的氣體保護焊實心焊絲，型號為CHW-70C，直徑為1.4 mm。采用熔化極混合氣體保護焊接(GMAW焊)，保護氣體為80%Ar+20%CO2。

表1 Q690D鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

表2 Q690D鋼的力學(xué)性能

2.2 試驗坡口和試驗參數(shù)

選用25 mm板厚做對接焊試驗，雙邊45°坡口、無鈍邊、間隙為2～3 mm，背面粘貼陶瓷襯墊。對接示意如圖4所示。

圖4 板厚25 mm對接焊坡口

選用30 mm板厚做T形角接試驗，立板開對稱35° K形坡口、無鈍邊、無間隙，T形接頭的示意如圖5所示。

圖5 板厚30 mm T形角接坡口

25 mm板對接焊為水平位置焊接，3層3道焊接。30 mm板T形接頭為雙面4層4道焊接。焊前均不預(yù)熱，層間溫度控制在150～200 ℃。焊接參數(shù)見表3。

表3 焊接工藝參數(shù)

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 焊縫成形分析

對接焊縫沒有出現(xiàn)常規(guī)大電流下易出現(xiàn)的成形不良、咬邊缺陷；側(cè)壁間及層間也熔合良好，只是仍存在少量的氣孔缺陷，能夠滿足工程應(yīng)用需求。25 mm板厚3層3道完成焊接，得到良好的背部滲透，與常規(guī)氣保焊焊接方法相比，焊接道數(shù)減少1/3以上，焊接效率大幅度提高的同時，減少了背部清根、補焊工作量。

圖6 對接焊縫成形

T形角接焊縫總體焊縫成形較好，30 mm板厚開35°坡口雙面4層4道焊接，焊接道數(shù)比常規(guī)氣保焊少1/3以上，效率提升1倍以上，且大電流下無成形不良、咬邊缺陷，且熔深較大，根部僅少量未熔合，能夠滿足工程應(yīng)用需求。

圖7 T形接頭焊縫成形

3.2 顯微組織

焊后沿焊縫橫截面取樣，經(jīng)磨制、拋光、腐蝕后，通過金相顯微鏡觀察焊縫橫截面的金相組織。母材、焊縫及熱影響區(qū)的組織如圖8所示。從圖8a中可以看到Q690母材其組織絕大部分為細小馬氏體+珠光體。經(jīng)焊接后，焊縫組織為白色長條狀及塊狀鐵素體+粒狀貝氏體，未見到馬氏體組織，如圖8b所示。可見低匹配的焊絲加上較大的熱輸入，焊縫的淬硬性會降低很多。熱影響粗晶區(qū)由于該區(qū)域在奧氏體化溫度以上停留時間比較長，導(dǎo)致奧氏體晶粒嚴重長大，在隨后的冷卻過程中形成晶粒較為粗大的過熱組織，熱輸入越高，冷卻速度越慢，晶粒越容易長大，從圖8c中可觀察到組織為多變形馬氏體形態(tài)的回火索氏體組織+少量上貝氏體，晶粒組織有所粗化，但相對常規(guī)氣保焊的低熱輸入焊接，未見明顯異常。熱影響正火區(qū)的組織則為較細的鐵素體+少量細珠光體。從這些顯微組織中，可以看到，雖然D-Arc焊接電流比較大，熱輸入較高，但焊縫、熱影響區(qū)均未出現(xiàn)晶粒異常粗大等影響材料性能的組織。

圖8 焊縫顯微組織

3.3 力學(xué)性能測試

采用維氏硬度儀對焊接接頭不同位置進行顯微硬度測試，測試位置分別為兩側(cè)母材、兩側(cè)熱影響區(qū)及焊縫位置。試驗參照GB/T 2654—2008 《焊接接頭硬度試驗方法》進行。硬度測試點的位置選為距上下表面2 mm處，從焊縫開始一直到母材，在熱影響區(qū)每間隔1 mm打一個硬度點。硬度試驗?zāi)芡ㄟ^焊接接頭各區(qū)域硬度值間接判斷其強度、塑性及抗裂性能等。焊接熱影響區(qū)的硬度主要取決于其母材化學(xué)成分和冷卻速度。圖9為Q690高強鋼D-Arc焊接接頭的顯微硬度測試結(jié)果。從圖9可以看到焊縫、熱影響區(qū)至母材的維氏硬度呈現(xiàn)出低到高再下降再升高趨勢。焊縫區(qū)因低配焊絲和存在較軟的鐵素體組織，因而顯微硬度不高。熱影響區(qū)因高溫停留時間長，晶粒組織粗大，因而此處顯微硬度最高，最高硬度值比母材平均硬度值高18%左右，在可接受的范圍內(nèi)。熱影響區(qū)和母材之間還存在軟化區(qū)，軟化產(chǎn)生的原因是焊接熱循環(huán)中，熱影響區(qū)溫度范圍處在回火溫度和Ac1之間的區(qū)域，相當(dāng)于受到了二次回火作用，強度和硬度降低，造成局部的軟化[11]。該軟化區(qū)相對較寬，最低硬度比母材平均硬度低14%左右，在可接受的范圍內(nèi)。

圖9 焊縫顯微硬度測試結(jié)果

按照GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗方法》、GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗方法》及GB/T 2654—2008《焊接接頭硬度試驗方法》分別進行焊接接頭沖擊、拉伸及硬度試樣的制備，焊縫金屬沖擊缺口開在焊縫中心，熱影響區(qū)沖擊缺口開在熔合線外1 mm處。力學(xué)性能試驗結(jié)果見表4～表6?？芍?，2個試樣的屈服強度均大于690 MPa，抗拉強度均大于760 MPa，達到設(shè)計要求的強度值。4組側(cè)彎試樣在4倍板厚的彎曲半徑下，180°彎曲都完好。沖擊韌性上，焊縫的平均沖擊吸收能量為43.7 J，熱影響區(qū)的平均沖擊吸收能量為48.2 J。隨著焊接熱輸入增加，焊縫金屬及焊接過熱區(qū)組織晶粒變粗，這些因素會影響焊接接頭沖擊韌性。但焊縫和熱影響區(qū)的最低沖擊吸收能量和平均沖擊吸收能量都高于標(biāo)準(zhǔn)要求的-20 ℃下27 J?？梢?，D-Arc焊接試樣的拉伸、彎曲和沖擊的力學(xué)性能均是合格的。

表4 拉伸試驗結(jié)果

表5 彎曲試驗結(jié)果

表6 沖擊試驗結(jié)果

4 結(jié)論

(1)D-Arc焊接通過精密波形控制實現(xiàn)大電流、高穩(wěn)定性的潛弧式弧焊，不僅熔敷效率高，且熔深大、飛濺少、成形美觀。

(2)在Q690D高強鋼厚板25 mm對接接頭和30 mm T形接頭中，相對于常規(guī)氣保焊，D-Arc焊接道數(shù)減少1/3以上，焊接效率提升1倍以上，熔深大、焊縫成形美觀，減少了背部清根、補焊工作量。

(3)Q690D高強鋼在D-Arc焊接大電流下，焊縫及熱影響區(qū)的顯微組織良好，沒有出現(xiàn)異常粗化，熱影響區(qū)的最高硬度和軟化區(qū)的最低硬度均無異常，在可接受的范圍內(nèi)。拉伸、彎曲、沖擊的力學(xué)性能測試均合格。