ISO/TR 17671-2標(biāo)準(zhǔn)與高強(qiáng)鋼焊接預(yù)熱溫度的確定

何珊珊，錢 強(qiáng)

機(jī)械工業(yè)哈爾濱焊接技術(shù)培訓(xùn)中心，黑龍江 哈爾濱 150046

0 前言

ISO/TR 17671[1]系列標(biāo)準(zhǔn)給出了金屬材料在焊接工藝制定上的指導(dǎo)建議，為初步制定焊接工藝提供便利。此系列標(biāo)準(zhǔn)包括四個(gè)部分，第一部分是一般原則介紹，第二部分是鐵素體鋼的電弧焊焊接推薦工藝指南，第三部分是不銹鋼的電弧焊焊接推薦工藝指南，第四部分是鋁合金的電弧焊焊接推薦工藝指南；涉及鐵素體類鋼、不銹鋼及鋁合金三類材料。其中鐵素體類鋼主要指碳鋼碳錳鋼、低合金高強(qiáng)鋼、抗蠕變鋼及低溫鋼，這些鋼種均具有可焊性。

ISO/TR 17671的第二部分給出了鐵素體鋼（鐵素體不銹鋼除外）的焊接工藝指導(dǎo)建議，尤其是預(yù)估焊接預(yù)熱溫度的方法。低合金高強(qiáng)鋼屬于鐵素體類鋼種，是焊接常用鋼種之一，具有較高的強(qiáng)韌性。這類高強(qiáng)鋼的使用能夠?qū)崿F(xiàn)減輕結(jié)構(gòu)自身重量，但隨著強(qiáng)度增加及板厚增加，產(chǎn)生淬硬組織傾向增大，使其焊接時(shí)產(chǎn)生冷裂紋的風(fēng)險(xiǎn)加大。針對(duì)此類高強(qiáng)鋼焊接的工藝制定及預(yù)防冷裂紋方面國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了分析和研究[2-10]，其預(yù)防冷裂紋的關(guān)鍵措施之一是焊前適當(dāng)預(yù)熱，但采用焊接試驗(yàn)法確定預(yù)熱溫度的工作量和成本較高。因此ISO/TR 17671-2給出了低合金高強(qiáng)鋼預(yù)防冷裂紋方便可行的工藝措施，可作為初步制定焊接工藝的指南。

1 國(guó)內(nèi)外典型低合金高強(qiáng)鋼及焊接性特點(diǎn)

1.1 國(guó)內(nèi)外典型低合金高強(qiáng)鋼

低合金高強(qiáng)鋼也稱細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)鋼，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、歐洲標(biāo)準(zhǔn)及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)在這類鋼種的生產(chǎn)要求上基本一致，即在化學(xué)成分上具有低碳、含微量合金元素及低雜質(zhì)等特點(diǎn)。供貨狀態(tài)主要是正火軋制、熱機(jī)械軋制及調(diào)質(zhì)處理等幾種方式。按照不同標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的鋼種能夠獲得相似的力學(xué)性能，如表1所示，但由于技術(shù)及各地資源等因素的不同，鋼材在加工性能上還存在一定差異。

表1 國(guó)內(nèi)外典型低合金高強(qiáng)鋼對(duì)照Table 1 Comparison of domestic and foreign typical low alloy high-strength steel

按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO630第三部分和第四部分的要求供貨的鋼材為低合金高強(qiáng)鋼；按照歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN10025第三部分、第四部分和第六部分的要求供貨的鋼材屬于低合金高強(qiáng)鋼；按照我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB/T1591（2018）要求供貨的鋼材屬于低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，按照GB/T 16270（2009）要求供貨的鋼材屬于高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用調(diào)質(zhì)鋼板；按照GB/T 34560.3（2018）要求供貨的鋼材屬于細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)鋼，按照GB/T 34560.4（2017）要求供貨的鋼材屬于淬火+回火高屈服強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼板。

上述標(biāo)準(zhǔn)中說(shuō)明的各類鋼種均屬于低合金高強(qiáng)鋼品種，均可采用焊接方式進(jìn)行加工制造，但不同品種鋼的焊接性有一定差異。

1.2 低合金高強(qiáng)鋼的焊接性

合金元素的添加使得低合金高強(qiáng)鋼焊接接頭的淬硬性增大，若冷卻速度較快，熱影響區(qū)易形成淬硬組織，有產(chǎn)生冷裂紋的傾向。碳當(dāng)量是反映鋼中化學(xué)成分對(duì)淬硬程度的影響。當(dāng)碳當(dāng)量值小于0.4時(shí)，焊接性良好；當(dāng)碳當(dāng)量值在0.4 ～0.6之間時(shí)，在一定條件下焊接；當(dāng)碳當(dāng)量值大于0.6時(shí)，焊接性較差。因此，碳當(dāng)量值增大，其冷裂傾向加大。隨著低合金高強(qiáng)鋼強(qiáng)度的提高及板厚的增加，碳當(dāng)量也增加，如果冷卻速度過(guò)快，將形成淬硬組織。如EN10025-3正火細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)鋼S460N，當(dāng)材料厚度在63 mm以下時(shí)，碳當(dāng)量最大值為0.53；材料厚度大于100 mm時(shí)，碳當(dāng)量最大值達(dá)0.55；N10025-6調(diào)質(zhì)細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)鋼S690Q板厚在50 mm以上時(shí)，碳當(dāng)量最大值可達(dá)0.7以上。

因此，隨著強(qiáng)度增加、板厚增大，碳當(dāng)量增大、產(chǎn)生冷裂紋傾向加大。對(duì)于強(qiáng)度較高的品種其碳當(dāng)量值較大，焊接時(shí)應(yīng)控制冷卻速度，避免產(chǎn)生淬硬組織。焊前預(yù)熱是方便可行的減小冷卻速度的方法，是預(yù)防冷裂紋的主要工藝手段。

2 ISO/TR 17671-2標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介

ISO/TR 17671-2（2002）是鐵素體鋼的電弧焊推薦工藝指南，給出了除鐵素體不銹鋼外所有鐵素體鋼產(chǎn)品的手工、半機(jī)械化、機(jī)械化及自動(dòng)化電弧焊的指導(dǎo)，并以附錄形式給出鐵素體鋼焊接可能產(chǎn)生的問(wèn)題及解決措施。共介紹六方面內(nèi)容：附錄A氫致裂紋、附錄B接頭設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)、附錄C可能產(chǎn)生的有害現(xiàn)象、附錄D熱影響區(qū)硬度和韌性變化、附錄E結(jié)晶裂紋及附錄F層狀撕裂。附錄A中給出了避免氫致裂紋指導(dǎo)建議，A.2、A.3及A.4分別給出不同類型的鐵素體鋼焊接工藝方法，其中A.2和A.3方法適合的母材有非合金鋼、細(xì)晶粒鋼及低合金鋼，A.2適合鋼種主要合金成分含量要求見(jiàn)表2，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)主要是針對(duì)碳錳型鋼。A.3適合鋼種主要合金成分含量要求見(jiàn)表3，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)主要是針對(duì)低合金高強(qiáng)度鋼。A.4描述的方法適用于抗蠕變鋼和低溫鋼。

表2 A.2適合鋼種主要合金成分含量要求（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 2 Requirements of alloy composition forA.2（wt.%）

表3 A.3適合鋼種主要合金成分含量要求（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 3 Requirements of alloy composition forA.3（wt.%）

3 依據(jù)ISO/TR 17671-2標(biāo)準(zhǔn)預(yù)估預(yù)熱溫度

3.1 預(yù)估預(yù)熱溫度的步驟

低合金高強(qiáng)鋼焊接接頭產(chǎn)生冷裂紋主要受母材和焊縫金屬的化學(xué)成分、板厚、焊縫金屬氫含量、焊接過(guò)程中的熱輸入以及應(yīng)力水平等因素的影響。生產(chǎn)中針對(duì)冷裂紋采取的主要工藝措施是焊前預(yù)熱，因此預(yù)熱溫度的確定十分關(guān)鍵。預(yù)熱溫度過(guò)低，仍然存在冷裂紋的危險(xiǎn)；預(yù)熱溫度過(guò)高，對(duì)接頭性能又會(huì)產(chǎn)生不利影響。ISO/TR 17671-2標(biāo)準(zhǔn)的附錄A中A.3描述的方法給出了母材成分、板厚、擴(kuò)散氫含量、熱輸入等因素與預(yù)熱溫度的關(guān)系。因此根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品的具體情況結(jié)合關(guān)系曲線可以計(jì)算焊接需要的預(yù)熱溫度，如果要確定不預(yù)熱焊接是否可行，也可以根據(jù)相互之間的關(guān)系，調(diào)節(jié)其他影響因素來(lái)確定。

（1）根據(jù)母材成分確定預(yù)熱溫度。

影響鋼冷裂行為的化學(xué)成分可以用碳當(dāng)量CET[1]來(lái)描述，使用的碳當(dāng)量公式如下：

碳當(dāng)量對(duì)預(yù)熱溫度影響較大。碳當(dāng)量增大，淬硬傾向加大，冷裂紋傾向加大，通過(guò)預(yù)熱減緩冷卻速度，避免產(chǎn)生淬硬組織。碳當(dāng)量CET和預(yù)熱溫度Tp之間的線性關(guān)系如圖1所示，由圖1可知，碳當(dāng)量增加約0.01%，預(yù)熱溫度就會(huì)升高約7.5℃。因此，已知材料的碳當(dāng)量CET，可以確定預(yù)熱溫度TpCET。

圖1 預(yù)熱溫度與碳當(dāng)量CET的關(guān)系Fig.1 Relationship between preheating temperature and CET

（2）根據(jù)板厚確定預(yù)熱溫度。

隨著板厚的增加，冷卻速度加快，因此要控制冷卻速度避免產(chǎn)生淬硬組織產(chǎn)生。根據(jù)板厚d與預(yù)熱溫度Tp之間的關(guān)系曲線（見(jiàn)圖2）可知，材料越薄，預(yù)熱溫度對(duì)其影響越大，隨著材料厚度的增加，影響逐漸減小，當(dāng)板厚在60 mm以上時(shí)，幾乎沒(méi)有影響。因此，已知材料厚度，結(jié)合圖2可以確定預(yù)熱溫度Tpd。較厚的板會(huì)使焊接預(yù)熱溫度有所提高。

圖2 預(yù)熱溫度與板厚d的關(guān)系Fig.2 Relations between preheating temperature and the plate thickness（d）

（3）根據(jù)擴(kuò)散氫含量確定預(yù)熱溫度。

ISO 3690中確定了焊縫金屬擴(kuò)散氫含量HD對(duì)預(yù)熱溫度的影響，如圖3所示。HD增加，預(yù)熱溫度TpHD也需增加，實(shí)際生產(chǎn)中盡可能采用低氫型焊材。

圖3 預(yù)熱溫度與焊縫金屬擴(kuò)散氫含量的關(guān)系Fig.3 Relations between preheat temperature and weld metal hydrogen content，HD

（4）根據(jù)熱輸入確定預(yù)熱溫度。

預(yù)熱溫度與熱輸入的關(guān)系曲線如圖4所示?？梢钥闯觯m當(dāng)增加熱輸入Q可以降低預(yù)熱溫度TpQ。

圖4 預(yù)熱溫度與熱輸入的關(guān)系Fig.4 Relations between preheat temperature and heat input

綜合以上因素影響，以碳當(dāng)量CET為特征的化學(xué)成分、板厚d、焊縫金屬擴(kuò)散氫含量HD和熱輸入Q，預(yù)熱溫度可用以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：Tp=TpCET+Tpd+TpHD+TpQ（℃），其確定預(yù)熱溫度具體步驟見(jiàn)圖5。

圖5 確定預(yù)熱溫度步驟Fig.5 Determine the preheating temperature step

3.2 ISO/TR 17671-2標(biāo)準(zhǔn)預(yù)估Q690焊接預(yù)熱溫度

以文獻(xiàn)[11]選用的湘潭鋼鐵集團(tuán)的Q690DZ25鋼為例，預(yù)估其預(yù)熱溫度。該鋼種的碳當(dāng)量0.42%，厚度40 mm，采用焊條電弧焊，選取LB-80L型極低氫型焊條，焊接參數(shù)為：電流190A，電壓25 V，焊接速度145 mm/min?，F(xiàn)依據(jù)ISO/TR 17671-2標(biāo)準(zhǔn)中的方法預(yù)估預(yù)熱溫度，具體步驟為：第一步，根據(jù)碳當(dāng)量0.42%與預(yù)熱溫度的關(guān)系可知，TpCET約為165℃；第二步，根據(jù)板厚40 mm與預(yù)熱溫度的關(guān)系可知，Tpd約為20℃；第三步，因選用的是極低氫型焊條，擴(kuò)散氫含量小于3 mL/100 g，由圖3可知，無(wú)需增加預(yù)熱溫度甚至預(yù)熱溫度可以再適當(dāng)?shù)鸵恍?，TpHD約為-20℃；第四步，焊接方法為焊條電弧焊，根據(jù)焊接參數(shù)計(jì)算出熱輸入，約為2 kJ/mm，查找圖5熱輸入與預(yù)熱溫度的關(guān)系可知，在此熱輸入下預(yù)熱溫度可以適當(dāng)降低，TpQ約為-10℃。

綜合以上數(shù)據(jù)，文中選用鋼種Q690D根據(jù)公式Tp=TpCET+Tpd+TpHD+TpQ計(jì)算的預(yù)熱溫度約為155℃。與文獻(xiàn)[12]中經(jīng)過(guò)焊接試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)預(yù)熱溫度至少為150℃相似。

4 依據(jù)工藝試驗(yàn)確定預(yù)熱溫度的對(duì)比實(shí)例

以國(guó)產(chǎn)低合金高強(qiáng)鋼典型鋼種Q690D為例。其對(duì)應(yīng)的歐洲標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)為S690Q或者S690QL及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)為S690QD，供貨方式為調(diào)質(zhì)處理，最低屈服強(qiáng)度不低于690 MPa，被廣泛應(yīng)用于煤礦機(jī)械、工程機(jī)械方面，如液壓支架、港口起重機(jī)、平板運(yùn)輸車等。針對(duì)Q690焊接冷裂紋，近年來(lái)已有一些相關(guān)研究。如我國(guó)自主研制的“藍(lán)鯨”全回轉(zhuǎn)起重船主臂架主要采用30 mm厚度的Q690鋼，焊接時(shí)存在冷裂紋傾向，試驗(yàn)從165 ～195℃共20個(gè)不同預(yù)熱溫度進(jìn)行分析，得出采用TWE-110K3藥芯焊絲+MAG焊接時(shí)的最低預(yù)熱溫度為165℃，可避免產(chǎn)生冷裂紋[11]。文獻(xiàn)[11]分別在不預(yù)熱、預(yù)熱60 ℃、預(yù)熱100℃、預(yù)熱150℃四種條件下進(jìn)行焊接裂紋試驗(yàn)，分析裂紋情況，得出最低預(yù)熱溫度為150℃。譚震國(guó)[14]研究了風(fēng)電行業(yè)和核電站配套的履帶吊部分用低合金高強(qiáng)鋼Q690D的焊接性能，為防止冷裂紋，焊前預(yù)熱溫度控制在150℃左右。文獻(xiàn)[16]介紹了海洋起重機(jī)之一桅桿式起重機(jī)采用低合金高強(qiáng)鋼S690QL，其結(jié)構(gòu)厚度為65 mm，根據(jù)板厚、拘束度及低氫焊材的選擇，確定焊接預(yù)熱溫度為130℃；根據(jù)圖3可知，厚度增加其預(yù)熱溫度差別不大，材料厚度為40 mm和厚度為80 mm，其預(yù)熱溫度差約為30℃，又因產(chǎn)品采用埋弧焊工藝，其熱輸入相對(duì)大一些，根據(jù)圖5可知，預(yù)熱溫度可以低一些，因此，文獻(xiàn)中的結(jié)構(gòu)雖然厚度較厚，但不需要更高的預(yù)熱溫度。文獻(xiàn)[17]海上吊機(jī)產(chǎn)品主要受力部件撥桿使用S690QL鋼管，尺寸為406mm×25mm，試驗(yàn)研究得出其焊前預(yù)熱溫度在100 ～120 ℃。Knut Partes等[18]對(duì)大功率激光焊接6 mm厚S690QL預(yù)熱溫度進(jìn)行了分析，采用維氏硬度法測(cè)定不預(yù)熱、預(yù)熱100℃、150℃、200℃的焊接接頭性能，其結(jié)論為不預(yù)熱時(shí)焊接接頭最大硬度為407 HV10，隨著預(yù)熱溫度增加其硬度值隨之下降，當(dāng)預(yù)熱溫度為200℃時(shí)，其最大硬度值為325 HV10，而材料的初始硬度為285 HV10，因此，為了避免產(chǎn)生淬硬組織，需要預(yù)熱。文獻(xiàn)[19]建議S690QL材料的焊前預(yù)熱溫度為150 ～200°C（厚度為15 mm時(shí)為150°C），避免產(chǎn)生冷裂紋，但不建議溫度高于200°C，因?yàn)榭赡軙?huì)導(dǎo)致力學(xué)性能下降。文獻(xiàn)[20]通過(guò)試驗(yàn)得出S690QL為了避免冷裂紋，給出預(yù)熱溫度為150 ～200°C。同樣使用屈服強(qiáng)度為690 MPa的低合金高強(qiáng)鋼種，因不同產(chǎn)品的厚度不同，結(jié)構(gòu)形式不同，工藝參數(shù)不同，導(dǎo)致焊前預(yù)熱溫度有一些差異，但總體上，屈服強(qiáng)度為690 MPa的低合金高強(qiáng)鋼焊前均需要預(yù)熱，針對(duì)此類低合金高強(qiáng)鋼焊接工藝的制定及確定焊前預(yù)熱溫度主要采取焊接工藝試驗(yàn)及直接的裂紋實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行分析，這種方法能夠準(zhǔn)確評(píng)價(jià)其焊接性及制定焊接工藝，但增加了工作量及成本。

5 結(jié)論

ISO/TR 17671-2標(biāo)準(zhǔn)給出了與焊接性有關(guān)的因素并總結(jié)出相應(yīng)規(guī)律，為材料焊接工藝制定提供了指導(dǎo)建議。為低合金高強(qiáng)鋼焊接工藝的制定，尤其是焊前預(yù)熱溫度的確定，提供了有效途徑。以屈服強(qiáng)度為690 MPa的低合金高強(qiáng)鋼為例，采用ISO/TR 17671-2標(biāo)準(zhǔn)中的方法進(jìn)行預(yù)熱溫度的預(yù)估，并與文獻(xiàn)中經(jīng)過(guò)工藝試驗(yàn)確定的預(yù)熱溫度進(jìn)行對(duì)比，其預(yù)熱溫度值有高度的一致性。因此，低合金高強(qiáng)鋼在初步制定工藝時(shí)，按照ISO/TR 17671-2標(biāo)準(zhǔn)中的方法進(jìn)行預(yù)熱溫度的預(yù)估，可以避免直接通過(guò)大量的焊接試驗(yàn)確定，既可以節(jié)約時(shí)間又能夠降低成本。也可以將計(jì)算得出的數(shù)據(jù)作為編制pWPS的依據(jù)，企業(yè)可以依據(jù)實(shí)際情況確定使用。