高強鋼焊接結構的潛在風險分析

孫建新

(湖北汽車工業學院材料科學與工程學院，湖北 十堰 442002)

0 前言

隨著我國工業的高速發展，機械、汽車、建筑等行業高強度鋼的應用越來越廣泛，高強鋼焊接技術和接頭可靠性也越來越受到關注。對于機械制造業，特別是大噸位、大功率、高承載的工程機械，包括礦山機械和工程車輛，其承載結構件普遍采用高強鋼拼焊而成。根據使用要求，工程機械中的承載構件一般選用中厚板焊接，廣泛采用需要填充材料的熔化焊生產。國內工程機械行業應用較多的高強鋼、超高強鋼大多為國外品牌，如瑞典SSAB公司的Domex、Weldox系列高強鋼，德國Dillinger鋼廠的DILLIMAX系列高強鋼、芬蘭羅奇公司的Optim系列高強鋼、奧地利奧鋼聯的Alform系列高強鋼、日本JFE公司的JFE－HITEN系列高強鋼等等。為了保證結構強度一致性，這些高強鋼結構的焊接需要匹配與之強度級別相當的高強鋼焊絲，而目前國內缺少技術成熟和質量穩定的高強度級別(如800 MPa以上)的焊絲［1］。

眾所周知，作為工程機械生產過程中的關鍵技術，焊接在很大程度上決定了工程機械整機的安全性和可靠性［2］。但是，工程機械行業高強、超高強鋼的泛濫使用，以及沒有科學規范的焊材選用、工藝改進等措施，給焊接結構造成了很大的潛在風險。在此，通過揭示這些潛在的風險隱患，分析可能造成的后果，由此引起人們的足夠重視。

1 工程機械焊接結構的潛在風險

1.1 高強鋼選用導致的風險

將高強鋼引入機械構件中，不僅是出于更高強度級別的考慮，更是為滿足裝備、構件大型化，輕量化所提出的要求［3］。對于相同系列的工程機械產品，噸位、功率等型號越大，同類構件所用的鋼材強度級別越高。如某系列汽車起重機，額定總起重量為110 t的起重吊臂，采用Weldox960鋼板拼焊而成;額定總起重量為160 t的起重吊臂，采用Weldox1100鋼拼焊(見圖1)。很多工程應用中的構件失效并非由極限強度不夠引起，而是先失穩，繼而較低的應力就能引起失效。特別是長臂梁結構，在使用過程中不僅承受縱向和橫向應力，還要受到彎矩和扭矩。對于高強鋼長臂梁來說，最危險的并非沿梁體縱向上的拉應力或壓應力，而是垂直于梁體縱向的切應力，這可以用壓桿穩定性原理來解釋。

圖1 Weldox系列高強鋼應用于起重機吊臂筒體的焊接

圖2是簡化的長臂梁受力示意圖，垂直向下的載荷F可以分解成沿著梁體縱向的壓應力f1和垂直于梁體縱向的切應力f2。在載荷F不變的情況下，長臂梁下降，即梁臂與水平線夾角α由大變小的過程中，f1逐漸減小而f2逐漸增大。由于采用高強鋼板拼焊，長臂梁的壁厚一般在10 mm以下，單層鋼板的剛度有限。如果f2足夠大，或是在承載過程中由于特殊原因載荷突然向下產生加速度(沖量)，那么f2瞬間可能超過長臂梁橫向所能承受的應力極限，導致梁臂失穩。如果梁臂材料韌性不足，將發生突發性脆斷，造成不可預知的嚴重事故。工程應用中，工程機械承載結構件折斷的事故時有發生。所以，構件的穩定性對于設備的使用安全性更具意義。當然，工程設備在設計階段一般都要經過力學計算，但目前專門的高強鋼結構設計理論尚不完善，針對高強鋼結構穩定性的研究很少。因此，設計人員為了增強結構安全性，在力學計算時將安全系數放大。然而，如果把安全系數放得比較大，那么選用過高的材料級別其實是一種浪費。且有研究表明，軸心受壓長臂構件的穩定性隨材料屈服強度的增大而減小［4］。

圖2 長臂梁受垂直應力的示意

另一方面，從材料科學的角度看，一般碳鋼的強度提升是依靠提高含碳量、犧牲其塑性和韌性作為代價的［5］。低合金高強鋼的含碳量雖然較低，但是由于合金組元較多，其碳當量并不低［6］。對于同一系列高強鋼來說，隨著強度級別的升高，其沖擊韌性往往會下降。韌性差的材料，在發生失效(斷裂)前塑性變形小，沒有屈服緩沖階段而直接發生脆斷。受工況影響，工程機械的承載構件一般都要承受不同級別、不同頻率的沖擊載荷，失效往往是長時間的沖擊引起微裂紋擴展，突然的重載荷作用導致構件瞬間開裂失穩，極易造成重大事故。所以一味地追求構件材料的高強度級別，可能造成巨大的風險隱患。

1.2 焊接材料選擇與匹配導致的風險

由于焊接結構的傳統設計原則基本上是以強度設計為主，焊接材料的選擇普遍遵循按強度匹配的原則。對于工程機械用高強鋼焊接結構，焊縫與母材一般按等強或低強匹配設計［7］。工程機械制造中應用較多的800 MPa級以上的高強鋼，廣泛采用實心焊絲氣體保護焊方式進行焊接。但對于800 MPa級以上的高強鋼實心焊絲，目前仍主要依靠進口［8］。對于焊接材料消耗量大的工程機械制造業，這無疑大幅度地增加了生產成本。

先不論生產成本，對高強鋼的焊接性進行分析。800 MPa以上強度級別高強鋼，采用多元微合金化、變質處理等精煉技術生產，雖然碳含量一般都控制在0.2%以下，但是合金元素種類多，碳當量一般超過0.5%。如果再匹配等強度級別的焊材，焊縫及熱影響區(HAZ)的淬硬傾向非常大，不僅容易出現焊接裂紋，整個焊接接頭的韌性將大大降低，往往需要配合適當的預熱和后熱工藝。如此，不僅大幅增加了生產成本和勞動強度，也降低了生產效率，特別是預熱、后熱等工藝規范如果執行不力(手工焊接更難嚴格執行相關工藝規范)，將嚴重影響高強鋼焊接結構的性能穩定性，特別是抗沖擊韌性，增大了安全隱患。

因此，出于對焊接接頭韌性的考慮，很多學者和工程人員在高強鋼低強匹配(有些研究者稱為等韌匹配［9］或等承載匹配［10］)焊接方面做了很多研究工作。一般低強匹配要求焊縫強度級別不能低于母材的87%［11］。但是也有研究者認為，對于高強鋼焊接，超低組配(焊材強度低于母材20%以上)也能獲得性能符合要求的接頭［12］。這些研究的另一驅動力來自于降低生產成本和簡化工藝流程的需要。但是到底怎樣的焊接匹配組合既能達到接近等強又能起到等韌性的效果，至今并沒有一個科學的界定。有些工程機械制造企業為了簡化工藝流程，降低高強超高強鋼結構的焊接難度和裂紋敏感性，用國產焊材替代進口焊材，采用成熟的MAG(CO2氣體保護焊或富氬混合氣保護焊)焊接工藝。如用ER70系列焊材(強度級別為700 MPa)配合MAG焊，在無預熱、后熱的情況下高速焊接960 MPa或1 100 MPa強度級別的高強鋼，到底是否合理?雖然低匹配對改善焊縫金屬的韌性有一定作用，但是焊縫強度降低對整個結構的影響，特別是因采用低強度級別焊材而簡化焊接工藝(無預熱及較高線能量快速焊接)給母材近縫區造成的影響，對結構的使用會帶來多大風險，沒有科學的評估方式。

1.3 焊接工藝所導致的風險

工程機械制造中應用的800 MPa以上級別的高強鋼是多元合金化的精煉細晶粒鋼，雖然含碳量不高，但是熱敏感性強，焊接裂紋傾向較大。如果采用傳統的MAG焊，而不進行預熱、后熱處理，HAZ的組織將過分粗大(軋制鋼強度級別越高，組織熱敏感性越大［13］)，導致HAZ性能惡化，失去高強鋼原本特性，成為焊接接頭的薄弱環節。

目前，國內的工程機械制造業為了提升生產效率，應用自動化熔焊生產設備，采用φ1.6 mm或更大直徑的焊絲，在較大規范下實現快速焊接。這種一味追求提升生產效率、簡化工藝流程的做法，會給高強超高強鋼焊接結構帶來潛在風險，應該重視。

2 提高高強鋼焊接結構安全性的路徑探討

工程機械承載能力的提升不能單靠提高構件的材料強度級別，應該更多考慮構件穩定性，研究更加科學的工程結構及力學計算模式。有些承受高沖擊應力和大彎矩的構件(如長臂梁)，與其采用薄板高強度鋼低組配拼焊，不如適當降低鋼板強度而增加板厚，即使發生斷裂，構件材料尚有一定塑性儲備，不至于產生突然脆斷，如此提升構件的整體安全性。

對于焊接構件來說，接頭往往是整個構件的薄弱環節，所以必須保證焊接接頭(焊縫及HAZ)具有和母材同等強韌性力學指標，嚴格執行工藝規范。另一方面，企業需要針對各自的產品結構、材料、工藝特點，充分考慮工況環境，始終將產品質量、安全性放在第一位，摒棄浮躁的短期利益思想，不能隨意選配材料。積極開發、應用新型焊接材料，如研發適應高強、超高強鋼焊接的實心焊絲，或采用藥芯焊絲代替傳統的實心焊絲進行焊接［1］，或按焊道層次細化焊接工藝(不同焊層的焊接工藝、參數不一樣)［14］，也可考慮在施焊過程中施加震動以獲得細化的焊縫組織［15］?？傊枰孢M行工藝性試驗，增加技術投入，選用質量穩定的焊接材料，應用有效、先進的焊接工藝。

焊接方法對于高強、超高強鋼焊接接頭組織和性能的影響也是顯而易見的［14，16－18］。傳統的 MAG焊方法具有熔深大、效率高、方便自動化生產等諸多優點，但對于焊接高強、超高強鋼，其熱源集中度尚不夠，特別對于800 MPa級以上的超純凈細晶粒鋼，熱輸入顯得過大。為減少熱輸入，在焊接中、厚板高強鋼時，打底層和填充、蓋面層可以采用不同焊接方法施焊，如打底層采用脈沖TIG焊，填充層采用MAG焊［14］?？煽紤]采用電弧能量密度提高的新的聚束、聚弧焊，電弧與電弧復合的新的焊接工藝及設備，在減少對高強鋼熱差輸入保證焊縫性能的同時，達到提高效率的目的;也可以嘗試應用復合焊接和高能束焊接方法，如激光－MAG復合焊接、等離子弧焊接、激光焊接等。

3 結論

為了降低工程機械高強鋼結構的潛在風險，需要從結構設計、材料選用、焊接匹配、工藝規范等方面進行改進，切實提高高強鋼焊接結構的安全性。

(1)高承載結構件不能一味追求材料的強度級別，而要充分考慮結構整體穩定性，選擇合適的強韌性材料，從結構設計規避和降低高強鋼焊接結構的潛在風險。

(2)需要慎重考慮焊接材料與母材的組配關系，根據母材選配合適成分和性能的焊材，工藝實施前要充分論證，不能隨意進行接頭組配和確定工藝，確保高強鋼接結構的使用安全。

(3)加快能適應高強鋼焊接的國產焊材的研究和開發，探索和應用適合工程機械制造業的先進焊接技術。

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