高強鋼焊接前沿技術(shù)的開發(fā)研究

2014-08-05 09:05:50戴為志何喬生張建平曾祥文陸安洪

電焊機 2014年5期

關(guān)鍵詞：焊縫工藝

戴為志，李華，何喬生，張建平，曾祥文，陸安洪

(1.中國工程建設焊接協(xié)會，北京 100088;2.四川瑪瑞電子設備有限公司，四川成都 610000;3.浙江精工鋼結(jié)構(gòu)集團有限公司，浙江紹興 312030)

0 前言

首先提出了“高強鋼焊接前沿技術(shù)”的觀點，同時開展對觀點認同的討論。要弄清這一問題，首先必須清楚什么是“前沿技術(shù)”，舉例說明:

在我國鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的發(fā)展進程中，有兩次因鋼種發(fā)生變化帶來的焊接技術(shù)沖擊。

第一次是在20世紀60年代末期至20世紀70年代初期，建設行業(yè)的以A3為代表的低碳鋼逐漸被以16Mn為代表的低合金高強鋼所替代。在當時最引人注目是鋼制儲氧罐(壓力容器)采用了厚度為38 mm的16Mn鋼板，在技術(shù)界引起不小震動，為了適應16Mn的焊接特性，開始使用低氫型焊條和直流焊機;為了解決受力焊縫全熔透質(zhì)量缺陷，開始研究開發(fā)碳弧氣刨技術(shù)，極大地推動了焊接技術(shù)進步。這些技術(shù)就是“前沿技術(shù)”，當時最先掌握這些技術(shù)的單位就是掌握了“前沿技術(shù)”對焊接技術(shù)進步有貢獻的單位。

第二次變化的開始是在“奧運、世博”工程中，建設行業(yè)開始應用Q420、Q460鋼材，傳統(tǒng)的低合金高強鋼逐漸被高強鋼替代，因此即將引發(fā)一場技術(shù)上的革命!于是討論進入到“高強鋼焊接前沿技術(shù)”的實質(zhì)。

高強鋼通常指屈服強度下限ReL≥400 MPa、抗拉強度Rm=500～1 200 MPa，并考慮焊接性而生產(chǎn)制造的鋼材;Rm≥1 200 MPa一般稱為超高強度鋼。

高強鋼分為軋制后經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的調(diào)質(zhì)鋼和不經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的非調(diào)質(zhì)鋼。調(diào)質(zhì)鋼和非調(diào)質(zhì)鋼在力學性能、焊接性和接頭性能方面差異明顯，非調(diào)質(zhì)鋼 Rm≤600 MPa，調(diào)質(zhì)鋼 Rm≥600 MPa。

高強鋼易產(chǎn)生的焊接問題主要是焊接裂紋和熱影響區(qū)脆化，對于Rm≥800 MPa、ReL/Rm≥0.85的調(diào)質(zhì)鋼，還存在軟化問題。

高強鋼較普通低合金高強鋼而言，在焊接技術(shù)上有很多特點，其中主要有:

a.高強鋼的屈強比 ReL/Rm(σs/σb)是建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震受力構(gòu)件設計必須考慮的重要指標，ReL/Rm不同，焊接工藝不同;b.焊接熱循環(huán)會造成高強鋼合金微量元素的損失，從而影響焊接接頭的綜合性能，必須嚴格控制;c.高強鋼要控制焊接裂紋;d.高強鋼要控制焊接熱影響區(qū)的脆化;e.高強鋼要保證焊縫金屬的強韌化。

那么“高強鋼前沿技術(shù)”有什么技術(shù)內(nèi)涵呢?

科技進步的三大要素就是“高強鋼焊接前沿技術(shù)”的全部內(nèi)涵:工藝裝備、人員素質(zhì)、科技成果的開發(fā)應用。

首先是現(xiàn)有優(yōu)秀焊接技術(shù)資源的強－強聯(lián)合:即采用技術(shù)最先進的焊機;采用適合母材強度配比的最好焊接材料;應用最優(yōu)秀的焊接工藝;從而提高焊接效率，保證焊接質(zhì)量。這就是“高強鋼焊接前沿技術(shù)”的精髓。

客觀地說，目前鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)主體用鋼仍然是低合金高強鋼，但這類鋼的生產(chǎn)和使用的范圍正在逐漸縮小，經(jīng)濟發(fā)展的客觀需求和冶金技術(shù)的迅速發(fā)展必將推動鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)用鋼逐漸進入高強鋼領(lǐng)域。

2012年8月1日開始執(zhí)行的GB50661－2011《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》拉開了鋼結(jié)構(gòu)大規(guī)模采用高強鋼的序幕。

在GB/T 1591－1994標準中設立Q295、Q345、Q390、Q420、Q460共五個牌號;在 GB/T 16270－1996《高強度結(jié)構(gòu)鋼熱處理和控軋鋼板、鋼帶》中設立 Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、Q690 共六個牌號。

GB50661《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》所述材料表中，從Ⅲ類鋼材開始已經(jīng)進入到高強鋼(高性能鋼)的范疇。相對于普通鋼結(jié)構(gòu)，高強鋼的鋼結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點:

a.鋼材強度的提高能減少鋼板的厚度，縮小構(gòu)件的斷面尺寸，從而減少用鋼量，降低自重，且能夠削弱地震對鋼結(jié)構(gòu)的破壞作用。

b.鋼板厚度的減少能大幅度降低焊縫坡口尺寸，提高工效，降低工程成本。

c.有效地支持我國鋼鐵生產(chǎn)的技術(shù)進步;減產(chǎn)高效，在相同或減少能耗的前提下，生產(chǎn)出附加值更高的高端產(chǎn)品。

1 高強鋼主要焊接難點分析

(1)焊接裂紋的危險性。

微合金控軋控冷鋼的碳和雜質(zhì)含量低，C、S、P等元素得到有效控制，焊接時液化裂紋和結(jié)晶裂紋傾向很小。但在焊接成形和安裝過程中存在較大的成形應力或附加應力，特別是在采用多絲大線能量埋弧焊時，由于焊縫晶粒過分長大，出現(xiàn)C、S、P局部偏析也容易引起結(jié)晶裂紋。

隨著強度級別的提高、板厚的增大，仍然具有一定的冷裂紋傾向。熱輸入量(線能量)小，冷卻速度較快，熔敷金屬含氫量高，會增加冷裂紋的敏感性，強度越高，冷裂問題越突出。

(2)熱影響區(qū)中局部脆化區(qū)對韌性的影響。

高強鋼在成分和熱軋工藝上的特點，使韌性得到了很大的提高，由于韌性一般由裂紋起裂和裂紋擴展兩部分所需的能量來度量，這種鋼在焊接條件下，熱影響區(qū)會形成局部脆化區(qū)，因而會降低裂紋起裂所需的能量。作為多層焊接接頭的局部脆化區(qū)，一般有四個部位被認為是關(guān)鍵部位:粗晶熱影響區(qū)、臨界溫度區(qū)間熱影響區(qū)、臨界溫度區(qū)間粗晶熱影響區(qū)、亞臨界溫度區(qū)粗晶熱影響區(qū)。

(3)焊接接頭軟化。

高強鋼的部分高溫度是在熱軋工藝中采用加速冷卻將能量儲存在位錯組織中而獲得的，這一能量在高溫下可以釋放，這樣就會導致在焊接條件下產(chǎn)生在臨界溫度區(qū)間和亞臨界溫度區(qū)間的加熱區(qū)，甚至在緩慢冷卻的粗晶區(qū)的加熱區(qū)中，形成硬度比母材金屬低的區(qū)域，即軟化區(qū)。軟化使接頭的強度降低。如在埋弧焊的條件下，板厚為40 mm的焊接接頭中會發(fā)現(xiàn)有強度下降25%的軟化區(qū)。

可以這樣理解，新鋼種的強度、細化晶粒等指標與鋼材的微合金元素直接有關(guān)，焊接會造成合金元素的損失，必然降低焊接接頭的綜合性能。

理論分析，鋼材中的微合金及其化合物的熔點均比純鐵和鐵的化合物低，在焊接熱循環(huán)中，微合金元素及其化合物必須隨純鐵及鐵的化合物從固態(tài) 液態(tài) 氣態(tài)的變化，各種元素所氣化的部分就是損失的部分，其余部分又開始從液態(tài) 固態(tài)變化形成焊縫，完成所有熱循環(huán)。研究認為，由于各類元素及化合物熔點上的差距，在高溫區(qū)停留的時間不同。微合金元素及其化合物氣化在高溫區(qū)停留的時間相對較長，氣化較鐵及鐵的化合物充分，因此微量元素損失的程度比鐵及鐵的化合物氣化損失高得多，這是一種比例失調(diào)的損失;對焊接而言，是多次進行相同或者相似的熱循環(huán);分析認為熱循環(huán)次數(shù)越多，比例失調(diào)也就越嚴重(工程實踐中稱:微合金元素燒損)，于是形成了高強鋼焊接的第一問題。

綜上所述，在焊接這些新鋼種時，除嚴格控制熱輸入外，減少焊縫及其HAZ焊接熱循環(huán)的次數(shù)，降低微合金元素及其化合物和鐵及鐵的化合物比例失調(diào)程度的研究，保證焊縫與母材等強或合適的低強(0.86)，逐漸引起了人們的關(guān)注。

為防止冷裂紋，應采取相應的預熱和后熱措施，選用低氫型和超低氫型焊接材料。抗拉強度800 MPa以上的鋼種，還可以考慮選擇低強匹配的焊材，以保證其綜合指標。

為減少熱影響區(qū)脆化，主要是限制焊接熱輸入，多層多道錯位焊接技術(shù)能減少HAZ高溫停留時間，對防止焊接接頭脆性斷裂有很大作用。同時應根據(jù)鋼種、板厚和性能要求等，通過工藝評定試驗，選擇合適的焊接參數(shù)。熱影響區(qū)中的軟化區(qū)也可以通過限制熱輸入來減小軟化區(qū)寬度和軟化程度。

2 高強鋼快速脈沖壓縮電弧焊接新技術(shù)的開發(fā)研究

高強鋼快速脈沖壓縮電弧焊接新技術(shù)是一項高強鋼焊接領(lǐng)域內(nèi)較為前沿的試驗研究工作，是一項具有實戰(zhàn)價值的開發(fā)研究技術(shù)，涉及工藝裝備、人員素質(zhì)、科技成果的開發(fā)與應用三大要素，具有一定的現(xiàn)實意義。

2.1 高強鋼高標準焊接技術(shù)問題的提出

眾所周知，GMAW是理論上的無氫焊接，具有抗裂性強、熔深大、抗疲勞、焊接效率高等優(yōu)點。然而GMAW焊接時電弧穩(wěn)定性差、飛濺大，工藝性差，焊工掌握困難，焊縫成形較差。為了克服這些缺點，針對高強鋼的焊接，目前在國內(nèi)外特別在歐洲，正在深入研究富氬氣體保護焊接技術(shù)，并取得重大突破。

在我國，開始使用雙元—三元氣體保護，以改善噴射過渡形式，取得了一定效果(GMAW的飛濺大大減少，焊縫成形質(zhì)量大幅度提高)。但是研究發(fā)現(xiàn):隨著Ar比例的增加，焊縫的熔深逐漸下降，熔敷效率提高不大;說明單純在保護氣體上作文章顯然是不夠的，應考慮采用性能優(yōu)良的設備，配以已經(jīng)成功的二—三元氣體。這是高強鋼焊接試驗研究的基本思想，也是目前唯一正確的技術(shù)路線。

有關(guān)研究證實，由于CO2氣體在弧柱中的吸熱分解反應，對焊接電弧的強烈冷卻作用，與氬弧焊比較，其焊接電弧弧柱區(qū)窄，電弧斑點尺寸小。隨著保護氣體的CO2含量增加，焊接寬度明顯減小，電弧面積明顯收縮，如表1所示。

表1 富氬CO2氣體保護焊氣體比例與電弧形態(tài)關(guān)聯(lián)性

焊接過程中，在相同焊接規(guī)范的前提下，電弧面積越小，電弧密度也就越大;CO2比例越高，焊接電流越大，電弧面積收縮越小;比例差距越大，焊接HAZ熔深也隨之增大。由表1可知，要增加焊接HAZ的熔深，就必須增加CO2的含量，最好是采用φ(CO2)100%作保護氣體，但是電弧的穩(wěn)定性變差，飛濺變大，合金成分不成比例燒損也隨之增加;于是人們在需要焊接HAZ熔深和電弧穩(wěn)定性之間陷入迷茫，難以作出選擇。

從工程價值的角度上看，普通低合金高強鋼采用GMAW技術(shù)是合理的，由于采用高強和等強配比，焊縫及HAZ強韌性儲備較高，合金元素的燒損不會影響焊接接頭的綜合性能;飛濺不是焊縫質(zhì)量的否決指標，通過人工處理完全可以滿足技術(shù)要求;在強韌性要求較嚴的場合，人們更看重成本低、抗裂性能好的GMAW技術(shù)。

然而在高強鋼的焊接中，盡管φ(CO2)20%+φ(Ar)80%富氬氣體保護焊能滿足高強鋼焊接中電弧穩(wěn)定和減少飛濺的部分技術(shù)要求，但是對電弧的穩(wěn)定性及焊縫表面質(zhì)量的高標準要求，特別是減少微合金元素的燒損，增加焊接HAZ的熔深，表1的結(jié)論無法滿足，迫使人們研究更新的焊接技術(shù)。

2.2 新型脈沖MIG焊機的開發(fā)應用，為實現(xiàn)快速脈沖壓縮電弧焊接工藝提供了技術(shù)支持

研究證實，采用新型脈沖MIG焊機，應用φ(CO2)20%+φ(Ar)80%富氬氣體，實現(xiàn)快速脈沖壓縮電弧焊接工藝是解決高強鋼高品質(zhì)焊接的有效途徑。

脈沖壓縮電弧噴射速度高，電流密度大，熱損失小，穩(wěn)定性強，熔深大，適合高品質(zhì)焊接，特別適合高強度細晶粒鋼的焊接。

采用新型脈沖MIG焊機的主要優(yōu)點是可以在很低的電流下實現(xiàn)射流過渡。在普通直流MIG熔機，電流要在250 A以上才能實現(xiàn)射流過渡，而采用新型脈沖MIG焊機在60 A的電流下便可實現(xiàn)射流過渡。具有TIG的高質(zhì)量和MIG的高效率的優(yōu)點，還可實現(xiàn)快速脈沖壓縮電弧，獲得綜合性能良好的焊接接頭。

某廠進行Q420GJB的高速焊接試驗研究工作內(nèi)容如下。

(1)采用了目前國內(nèi)先進的新型脈沖MIG無飛濺焊機。

新型脈沖MIG焊機(見圖1)高速射流過渡無飛濺、焊縫成形美觀、焊接HAZ熔深大、可全位置焊。電源采用了全橋軟開關(guān)結(jié)構(gòu)與數(shù)字控制相結(jié)合的方式，達到快速控制熔滴過渡的目的;高頻脈沖實現(xiàn)一脈一滴的熔滴過渡，由于脈沖頻率很高，一脈一滴的射流速度很快，在大氣壓下形成強大的壓差，速度越高，壓差越大，對射流電弧和熔滴進行有效的壓縮，從而形成電流密度極高的壓縮電弧，進而提高了焊接HAZ熔深，如圖2所示。

圖1 DSP－500MIG焊機

圖2 電流密度極高的壓縮電弧

這種脈沖焊接方式減少了母材的熱輸入，可以獲得熔寬均勻、美觀的紋狀焊縫，還增加了熔池的攪拌作用，將金屬內(nèi)形成的氣泡等缺陷的因素排除，同時細化了焊縫晶粒，降低了裂紋敏感性，提高了焊縫的整體質(zhì)量。

2.3 采用新型無鍍銅焊絲ER50－6和φ(CO2)20%+φ(Ar)80%保護氣體

與鍍銅焊絲相比，GMAW無鍍銅焊絲的飛濺更小，在焊縫外觀上最直接的表現(xiàn)是其焊縫的潤濕性更好，焊縫更加平滑，鍍銅焊絲焊縫金屬凸起。無鍍銅焊絲焊接后的成形更加美觀，光潔性好，焊縫更加白亮。無鍍銅焊絲導電性能好，試驗使用和工程試用中沒有出現(xiàn)因?qū)щ妴栴}而產(chǎn)生斷弧的現(xiàn)象，在小電流工況下優(yōu)勢尤為突出。浙江精工焊接實驗證實，采用GMAW方法，焊接電流80 A時，GMAW無鍍銅焊絲焊接穩(wěn)定性大大好于GMAW鍍銅焊絲;這是因為GMAW無鍍銅焊絲化學膜不耐壓，在不足10 V電壓下就被擊穿(焊接電壓遠遠超過擊穿電壓)，導電性能好于GMAW鍍銅焊絲。

與GMAW鍍銅焊絲相比較，GMAW無鍍銅焊絲焊接工藝性能良好，焊接時產(chǎn)生較低的飛濺和焊接煙霧，焊縫成形性良好。GMAW無鍍銅焊絲徹底解決了焊絲生產(chǎn)和使用環(huán)節(jié)的銅污染問題，排除了對環(huán)境的污染和對焊工的身體影響的大部分因素。根據(jù)采用新型脈沖焊機的需要和研究方向，采用了φ(CO2)20%+φ(Ar)80%雙元氣體作為試驗的保護氣體。

上述組合實現(xiàn)了焊接優(yōu)良資源的強—強聯(lián)合，形成了目前高強鋼焊接的前沿技術(shù)。

3 快速脈沖壓縮電弧進行焊接、對比試驗

為了證實快速脈沖壓縮電弧焊接工藝是目前高強鋼焊接最佳工藝之一，選擇GMAW焊接工藝作對比試驗，對其試驗結(jié)果進行綜合分析對比。

采用自動焊，模擬機器人焊接，如圖3所示。

圖3 模擬機器人設備調(diào)試現(xiàn)場

模擬機器人焊接的目的是最大限度排除人為因素的干擾，使試驗結(jié)論更加準確，為將來機器人正式焊接提供技術(shù)儲備。

試驗方法使用同一設備、同一焊材、同一焊接規(guī)范進行對比，對比試驗焊接規(guī)范如表2所示。

表2 試驗焊接規(guī)范對比

3.1 焊接飛濺對比試驗

焊接飛濺是非常明顯的觀感指標，如圖4～圖7所示。

圖4 快速脈沖壓縮電弧無飛濺焊接

圖5 GMAW傳統(tǒng)焊接工藝(飛濺較大)

圖6 快速脈沖壓縮電弧及無飛濺焊接焊縫外觀(試件焊態(tài)，沒有進行表面清理)

圖7 用鋼絲刷清理后的快速脈沖壓縮電弧試件表面質(zhì)量

快速脈沖壓縮電弧焊接工藝幾乎沒有飛濺(只在坡口不均勻時稍有一點飛濺)，焊縫成形良好，觀感幾乎同φ(Ar)100%(TIG)焊接一樣。

3.2 熔敷效率對比試驗

采用相同焊接規(guī)范，Q420GJB試件、長600 mm、厚45 mm的全熔透焊縫，模擬機器人自動焊，用快速脈沖壓縮電弧工藝焊接28道，常規(guī)GMAW純CO2焊接32道，熔敷效率對比如圖8所示。

圖8 熔敷效率對比試驗

經(jīng)分析，快速脈沖壓縮電弧焊接工藝較GMAW常規(guī)純CO2焊接工藝熔敷效率提高12.5%。

3.3 焊接HAZ熔深對比試驗

采用模擬機器人進行角焊縫焊接，與前述一樣，使用同一設備、同一焊材、同一焊接規(guī)范進行對比。對比試驗焊接規(guī)范見表2，宏觀金相分析及熔深測試如圖9、圖10所示。

圖9 快速脈沖壓縮電弧焊接工藝(最大熔深4.5 mm)

圖10 GMAW(最大熔深3.5 mm)

由上述可知:

a.快速脈沖壓縮電弧焊接工藝焊接HAZ熔深為4.5 mm;GMAW焊接HAZ熔深為3.5 mm。

b.快速脈沖壓縮電弧焊接工藝試件焊接HAZ熔深平均水平大于GMAW焊接HAZ熔深。

這一結(jié)論是焊接應用技術(shù)的一項突破，徹底釋放了人們對φ(CO2)20%+φ(Ar)80%富氬氣體保護焊的疑慮，試驗中提高了焊接接頭的綜合性能，為高強鋼動載焊接提供了技術(shù)支持。

3.4 快速脈沖壓縮電弧焊接工件力學性能檢測

快速脈沖壓縮電弧焊接工藝焊接HAZ熔深大，提高了焊接接頭的綜合性能，試件的力學指標良好，證實了該技術(shù)的優(yōu)勢所在。

(1)快速脈沖壓縮電弧焊接工藝試件拉伸、側(cè)彎試驗。

從理論上分析，本次試驗采用低強配比，按照國際通紓慣例，焊接接頭的拉伸強度不小于母材強度86%即為合格。試件檢測結(jié)果見表3。

表3 快速脈沖壓縮電弧焊接工藝試件拉伸、側(cè)彎試驗

由表3可知，力學拉伸彎曲指標合格，在低強配比的焊接接頭中，焊縫斷裂強度仍大于母材。

(2)快速脈沖壓縮電弧焊接工藝試件低溫沖擊韌性指標檢測。

焊接接頭沖擊韌性指標十分重要，它間接地反應了焊接接頭的強韌性儲備和抵抗脆斷的能力。為了進一步探索快速脈沖壓縮電弧焊接工藝的核心機理，把Q420GJC常溫20℃沖擊改變?yōu)樨摐?－30℃)沖擊，檢測指標如表4所示。

表4 快速脈沖壓縮電弧焊接工藝試件低溫沖擊韌性指標檢測

Q420GJB沖擊溫度的技術(shù)要求為20℃、34 J;試件的沖擊溫度為－30℃、均超過100 J。這一結(jié)果證實，本試驗焊接接頭綜合性能優(yōu)于傳統(tǒng)GMAW工藝。

3.5 綜合結(jié)論

a.該技術(shù)是一項綜合技術(shù)，是目前焊接技術(shù)優(yōu)良資產(chǎn)的強—強聯(lián)合，其研究工作指導思想值得推廣應用。

b.該項技術(shù)無飛濺，焊接HAZ熔深大，焊接效率高，焊接接頭力學性能優(yōu)良、可靠，是我國目前高強鋼焊接的首選技術(shù)，具有較大的推廣應用價值。

c.快速脈沖壓縮電弧焊接工藝適合機器人自動焊。

4 快速脈沖壓縮電弧立下進焊接工藝

在高強鋼焊接操作技術(shù)中，目前廣泛使用多層多道錯位焊接技術(shù)。多層多道錯位焊接技術(shù)是不完整的技術(shù)，在立焊位置從下向上焊接只能用擺動技術(shù)。這是因為目前世界上只有立下進焊條，無立下進焊絲，所以無論機器人或者人工操作只能擺動，在立焊條件下，焊接速度慢，HAZ高溫停留時間長。因此，在“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)工程中，相比之下立焊的力學性能最差。

焊接工作者曾經(jīng)用GMAW做過立下進焊試驗，均因熔深太淺而以失敗告終!

所謂多層焊技術(shù)，不是一次成形，而是多層成形，焊接運條手法允許擺動，焊接厚度一般不控制，適合低碳鋼厚板焊接。

多層多道焊就是在多層焊的基礎上，焊接手法上不允許擺動，焊接厚度要明確規(guī)定，以限制焊縫的熱輸入量，一般規(guī)定GMAW、FCAW－G每一道不超過5 mm(通常是3～5 mm);SMAW用AV值來確定每一道的厚度(AV=一根焊條所焊焊縫的長度/一根焊條除焊條頭外的長度)，通常AV≥0.6;在立焊位置允許擺動，但限制擺幅(SMAW允許寬度為焊條直徑的三倍，GMAW、FCAW－G允許擺動15～20 mm)。

多層多道錯位焊接技術(shù)就是在多層多道焊接技術(shù)的基礎上，加入焊接接頭每一道次錯位連接，即接頭不在一個平面內(nèi)，通常錯位50 mm以上。這種技術(shù)特別適合于高強鋼厚板的焊接。