GMAW在焊接S890和S960級別超高強度鋼的應用

滕振國，王定賀

(奧鋼聯伯樂焊接(中國)有限公司，江蘇 蘇州 215126)

0 前言

在調質高屈服強度結構鋼中，S890和S960級別超高強度鋼在國內已經大量使用，主要用于重型起重設備、混凝土泵送車輛等工程機械的制造，另外在礦山機械中也有相同等級的管件使用在液壓支架制造上。此類超高強度鋼材長期以來一直依賴進口，近年來國內各大鋼廠也開始推出對應等級鋼板與國外鋼廠展開競爭。

隨著此類超高強度鋼材的大量應用，對配套的焊接研究工作也逐步深入。對S890和S960級別超高強度鋼的焊接，主要選擇GMAW和SMAW兩種焊接方法。GMAW方法具有優質、高效、熔敷率高、能根據實際需求靈活適用自動及手工兩種方式的特點，且從抑制焊接裂紋方面考慮其具有相對較低的擴散氫含量，全世界工程機械企業基本都選擇GMAW焊接方法。

S890和S960級別超高強度鋼具有極高的強度和較高的碳當量，對焊接影響較大，這使得焊接工藝范圍相對較窄且不易摸索。在研究鋼板性能及選擇配套焊絲后，通過計算和試驗t8/5冷卻時間，可確定出合適的GMAW焊接參數范圍，以便參考使用。

1 S890和S960超高強度鋼鋼板的性能要求

目前S890和S960級別鋼板主要是按照EN 10025-6標準中鋼號S890Q/QL/QL1及S960Q/QL的定義［1］，在GB/T 16270:2009標準《高強度結構用調質板》中也增加了與S890及S960級別對應的Q890及Q960級別，具體鋼號為Q890C/D/E/F及Q960CC/D/E/F［2］，且技術指標基本一致。

此類超高強度鋼的主要技術特點對其后續焊接工作產生負面影響。

a.超高的抗拉強度和屈服強度。

S890級別的屈服強度一般要求在890 MPa以上，抗拉強度在940 MPa以上;S960級別的屈服強度一般要求在960 MPa以上，抗拉強度在980 MPa以上。在EN 10025-6和GB/T 16270標準中的要求基本一致，S890和S960級別鋼板拉伸性能如表1所示。

為保證抗拉強度和屈服強度將導致焊縫極易出現裂紋并普遍具有明顯的延遲性，這一點在EN 10025-6標準7.4.1條款中有明確的提示說明。

表1 S890和S960級別鋼板的拉伸性能要求

b.碳當量計算。

為保證足夠抗拉強度和屈服強度，必須具有相對較高的碳當量，這對可焊性影響較大。在EN 10025-6和GB/T 16270標準中，均對CEV有明確的控制要求且要求完全一致，具體要求指標如表2所示。

CEV=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15

c.不同公司產品的合金體系差異。

在EN10025-6和GB/T 16270標準中規定的化學成分范圍較大，甚至在EN10025-6標準中屈服強度標稱范圍相差在500 MPa的S460～S960級別鋼板使用同一化學成分范圍，如表3、表4所示。由于設備技術能力，國內外各鋼廠在軋制過程和生產工藝中采用的技術不盡相同，因而導致國內外各鋼廠的實際產品在合金體系上存在一定差異。

表2 S890和S960級別鋼板的CEV指標要求

表3 EN 10025－6標準中S890和S960級別鋼板的化學成分 %

表4 GB/T 16270標準中S890和S960級別鋼板的化學成分 %

目前國內外各大鋼廠針對合金中的化學成分均在不斷優化研究，并采用特殊的軋制過程和生產工藝技術，以達到在保證力學性能的前提下盡可能地降低碳當量。以國外鋼廠voestalpine Stahl GmbH的Alform?系列鋼板為例，其現有技術水平下的碳當量與屈服強度的關系曲線如圖1所示，可以看出實際CEV遠遠低于標準要求，并且CET的數據也列在其中。

2 填充用等強度匹配焊接材料的選擇

在實際產品的接頭焊接中，坡口形式主要為V型、Y型及T型角焊縫等。打底焊縫一般采用低強度級別焊接材料，當板厚小于10 mm時，也可直接采用等強度匹配焊接材料。填充焊縫時一般采用等強度匹配焊接材料。

圖1 碳當量與屈服強度的關系曲線

對于匹配S890和S960級別超高強度鋼的GMAW焊絲，在某些鋼廠提供的文件和數據中一般推薦使用符合AWS A5.28標準中ER120S-X分類號的焊絲［4］。但在實際的應用中，由于AWS A5.28對抗拉強度和屈服強度的控制指標遠遠低于鋼板的指標，建議使用EN ISO 16834-A標準中G89 XX分類號作為焊接材料的選擇依據更為可靠［5］，具體指標差異如表5所示。由表5可知，AWS A5.28中的分類號所代表的抗拉強度和屈服強度指標無法與鋼板的指標相對應。但在AWS A5.28中ER120S-X已是最高的強度等級分類號，因此對應S890和S960級別鋼板的GMAW焊絲在按AWS A5.28標準分類時只能采用ER 120S-X分類號。對抗拉強度和屈服強度建議以EN ISO 16834中G89 XX分類號的定義指標為依據進行考核。

表5 AWS A5.28 ER 120S－X和EN ISO 16834－A G89 XX的抗拉強度和屈服強度指標

以牌號T Union GM 120焊絲為例①焊接材料手冊-蘇州產品專冊 :2014，奧鋼聯伯樂焊接(中國)有限公司.，分別符合AWS A5.28 ER 120S-G和EN ISO 16834-A G 89 6 M Mn4Ni2CrMo分類號，其化學成分和力學性能如表6、表7所示。

表6 牌號T Union GM 120焊絲化學成分 %

表7 牌號T Union GM 120焊絲力學性能

3 具體焊接工藝參數的制定

在目前國內外各研究機構和廠商的公開資料和文獻中，S890和S960級別超高強度鋼的焊接均特別強調t8/5(即800℃ ～500℃的焊接熔池冷卻時間)的控制。影響t8/5冷卻時間的主要因素為板厚、焊縫形式、焊接熱輸入及預熱/層間溫度，基本上通過對t8/5的控制，焊接過程中主要的參數均可得到明確的范圍，因而t8/5冷卻時間是此類超高強度鋼焊接工藝制定的依據。

一般來說，t8/5冷卻時間的延長通常會導致沖擊性能減少和熱影響區沖擊過渡溫度上升，強度也會降低，降低的程度取決于鋼材種類及其化學成分。具體趨勢曲線如圖2所示，由圖2可知t8/5冷卻時間的上限值。

t8/5冷卻時間對硬度有較大影響，這在一定程度上間接反映強度的變化，一般來說隨著t8/5冷卻時間的延長，焊縫和熱影響區的硬度和強度會隨之降低。如圖3所示，對比當t8/5冷卻時間分別為5.8 s和16.0 s時的硬度曲線，明顯可以看出t8/5冷卻時間延長，硬度值減小，熱影響區是焊接接頭的薄弱點。

圖2 焊接條件對熱影響區沖擊韌性產生的影響

圖3 t8/5冷卻時間對焊縫和熱影響區硬度曲線的影響［7］

不同的板厚、預熱溫度和熱輸入對t8/5冷卻時間會產生影響，t8/5冷卻時間隨著預熱溫度和熱輸入的升高而增加，隨著板厚降低而減少，如圖4所示。

在 EN 1011-2 Annex D.6 中［7］，按二維熱流和三維熱流進行區分并分別給出了模擬計算公式。模擬計算可套用EN 1011-2 Annex D中公式D.1、D.2、D.3 和 D.4。

當使用熱流是三維的，適用公式D.1

對于非合金鋼和低合金鋼，公式D.1應修正為公式D.2

當熱流是二維的，適用公式D.3

圖4 不同預熱溫度和熱輸入對t8/5冷卻時間的影響

對于非合金鋼和低合金鋼，公式D.3應修正為公式D.4

公式中的因子定義及其導出公式可參見EN 1011-2 Annex D及EN 1011-1，其中二維熱流適用于相對薄的鋼板，板厚對t8/5冷卻時間起決定性作用;三維熱流適用于相對厚的鋼板，板厚不影響冷卻時間。由于生產技術水平限制，S890和S960級別超高強度鋼板的厚度基本都在12 mm以下，最大厚度不超過30 mm，因此主要選用二維熱流作為計算因子。

但上述計算公式仍存在一定的誤差范圍，計算值并不能完全符合t8/5冷卻時間實際值。國外的一些廠商已經建立數據庫或焊接系統來輔助鋼材研發工作或對客戶后續焊接使用提供技術服務。并通過t8/5冷卻時間實際值對模擬計算的數據庫和焊接系統進行修正，t8/5冷卻時間實際值可根據EN 1011-2 Annex D.8使用熱電偶伸入焊接熔池進行測量。通過Alform welding system數據庫，在不同參數和熱輸入量下，在一定坡口型式下，使用特定鋼板和焊材得到不同的t8/5冷卻時間。以Alform 960 X-treme牌號鋼板(S960級別鋼板)為例，采用8 mm板厚、V型坡口、同等匹配強度焊絲進行焊接，在不同實際t8/5冷卻時間下，得到不同的實際拉伸試驗結果，如圖5所示。

圖5 不同t8/5冷卻時間對拉伸試驗結果的影響

通過測定不同實際t8/5冷卻時間，并進行力學性能試驗，可得到滿足性能要求時所需t8/5冷卻時間范圍，例如圖6中根據強度和沖擊的數據分布確定出對應t8/5冷卻時間范圍，當然這個范圍只能是針對在某一焊接坡口型式、某一厚度的特定牌號鋼板配合特定焊接材料進行使用。再通過數據庫得到t8/5冷卻時間范圍所對應的參數范圍。一般來說，S890和S960級別超高強鋼的t8/5冷卻時間上限值為12 s，但當某些特定廠商的鋼板配合與之配套開發的焊絲進行焊接時，可將t8/5冷卻時間范圍擴大至不超過20 s，增加了可適用焊接參數范圍。

圖6 t8/5冷卻時間范圍與力學性能的關系

通過對t8/5冷卻時間范圍的確定，進而轉換成對應的焊接參數，可確定出推薦的工藝參數范圍，如表8所示。

表8 推薦工藝參數范圍

4 焊接接頭的試驗

依照表8中的參數范圍，使用φ1.2 mm的T Union GM 120焊絲匹配Alform 960 X-treme鋼板，分別在8 mm(見表9)和12 mm(見表10)板厚下進行等多種參數情況的幾組焊接接頭試驗，驗證表8

參數能否滿足焊接接頭力學性能要求，尤其需著重 考核在高熱輸入量情況下的力學性能。

表9 焊接接頭的力學性能試驗(板厚8 mm，V型坡口)

表10 焊接接頭的力學性能(板厚:12 mm;V型坡口)

試驗結果表明，按照表8中焊接參數范圍進行焊接，焊接接頭的主要技術指標符合EN10025-6和GB/T 16270中S890和S960等級鋼板的技術要求。

5 結論

分析S890和S960級別超高強鋼材料性能，選擇出合適的等強度匹配GMAW焊絲，通過計算和試驗得到適用的t8/5冷卻時間并據此推導出推薦焊接參數范圍，最終以焊接接頭試驗來驗證焊接參數范圍。經焊接接頭試驗驗證，該焊接參數范圍可適用于S890和S960級別超高強鋼材料的焊接。

目前在全世界范圍內，普遍使用GMAW方法對S890和S960級別超高強鋼進行焊接，應用較為成熟。國內工程機械行業也一直使用GMAW焊接方法焊接此類超高強鋼材料，并且近年來國內主要工程機械企業出現使用自動化焊接的趨勢，已經開始大量使用機器人焊接來提高生產效率和工件裝配精度。

［1］EN 10025-6:2009，Technical delivery conditions for flat products made of high yield strength structural steels in the quenched and tempered condition［S］.

［2］GB/T 16270:2009，高強度結構用調質鋼板［S］.

［3］Datasheet of Alform ? X-treme ，2013［S］.

［4］AWS A5.28/A5.28M:2005，specification for low-alloy steel electrodes and rods for gas shielded arc welding［S］.

［5］EN ISO 16834:2007，Welding consumables-Wire electrodes，wires，rods and deposits for gas-shielded arc welding of high strength steels-Classification［S］.

［6］Alform welding system-database，copyright by voestalpine Stahl GmbH ，and voestalpine B?hler welding group［S］.

［7］EN 1011:2011，Welding —Recommendations for welding of metallic materials［S］.