S690QL鋼材焊接工藝及應用

鄧凱　張春永　何鏡明　張智明

摘 要：本文針對屈服強度≥690 MPa鋼材S690QL的材質特點，以手工電弧焊為研究方向，對焊接熱輸入量和層間溫度進行嚴格控制，采用適當的焊后熱處理，制定出合理的焊接工藝，以保證焊接接頭的焊接質量。

關鍵詞：S690QL；工藝流程；工藝參數；生產應用

中圖分類號：U671.8 文獻標識碼：A

Abstract： In view of the material characteristics of the high-tensile steel of ≥690MPa S690QL， this paper proposes the reasonable welding technology for manual arc welding by strict control of welding heat input and inter-pass temperature and proper post-weld heat treatment to ensure the welding quality of welding joint.

Key words： S690QL； Technological process； Welding parameters； Application

1 前言

隨著海洋工程裝備的不斷發展，對于某些特殊結構或設備選用高強鋼也越來越廣，如特種船舶起重機底座和臂桿、科考船A字架、自升式鉆井平臺樁腿等。S690QL鋼是一種力學性能遠高于普通船用鋼的高強鋼，在同級別高強鋼領域應用較廣，但其焊接難度較大，對焊接工藝流程的控制是該材料焊接的難點和重點。

S690QL鋼最小屈服強度可達690 MPa，由于該強度級別的材料是通過調質（淬火+回火）處理以保證其強度要求，而焊接過程會對熱影響區的母材的性能造成一定的影響，特別是焊接熱影響區的粗晶粒區域有一定的冷裂傾向，并有韌性下降的現象，以及受熱時其最高溫度低于Ac1線、高于鋼調質處理的回火溫度的那個區域會有軟化或脆化的傾向。該級別的材料在常規船舶結構中很少采用，主要用于特種船舶的強受力結構，焊接難度大，技術要求高，特別是對于厚板的焊接，必須對焊接工藝參數及焊接過程進行嚴格控制。

2 焊接性分析

該材料的含碳量不超過0.2%，由于合金元素的強化作用，焊縫及焊接熱影響區淬硬性得到提高，焊后組織均為馬氏體，其轉變溫度點Ms較高，后續焊縫可對上一層焊縫形成的馬氏體組織自動回火，組織的改善降低了冷裂紋產生的幾率，使焊接過程中冷裂紋傾向減小。但焊接過程中如果熱輸入過于集中或冷卻速度較慢，則在焊接熱影響區易發生軟化或脆化現象；若冷卻速度過快，焊接熱影響區又易發生淬硬組織，有出現冷裂紋和韌性下降的傾向。

因此，制定焊接工藝時應著重注意預熱溫度及層間溫度的控制，同時為了提高焊接接頭的抗裂性，應盡量降低焊接接頭的含氫量，焊后及時對接頭進行消氫處理。并采用小的線能量進行焊接，盡量減少粗晶熱影響區的高溫停留時間，降低奧氏體的過熱長晶和穩定性，從而降低熱影響區的脆化程度。

3 焊接工藝設計

3.1 焊接接頭

焊接工藝評定試驗采用60°的V形坡口，而工程應用中的焊接接頭采用AWS D1.1推薦的坡口形式，以保證焊接操作和焊縫熔合，避免焊接缺陷的產生。

3.2 焊接方法和焊接材料

為了更好的控制焊接線能量，焊接采用小線能量的手工電弧焊；焊材的選擇應綜合考慮焊縫金屬的韌性、強度和焊接性，為了提高焊縫的抗裂性，應采用低碳合金系數，并盡量降低焊縫金屬的硫、磷雜質含量。經過試用對比，焊材選用林肯E11018M-H4焊條。

3.3 材料切割

在切割前需對材料進行均勻預熱，使用電加熱片或加熱槍進行預熱，預熱溫度控制在120 ℃～150 ℃區間；切割邊緣必需打磨光滑平整，確保沒有裂紋、缺口和其他可能影響焊接質量的缺陷；切割完成后，采用打磨或機加工的方法將切割面至少2 mm的表層去除，確保切割邊緣光順、平整。

3.4 裝配及清潔處理

在裝配之前，焊縫以及焊縫臨近區域的所有水銹、熔渣、氧化物或其他雜質必須清理干凈；在開始定位焊前，定位焊區域必須按工藝要求進行預熱；定位焊嚴格按照焊接的工藝要求施工，同時盡量減少不必要的臨時附件的點焊（如支架、支托和碼板等）；定位焊燒完后，需對焊縫進行保溫緩冷。

3.5 焊前預熱及層間溫度控制

預熱主要是為了防止裂紋、降低馬氏體轉變時的冷卻速度，通過馬氏體“自回火”作用提高抗裂性；同時，在焊接過程中要嚴格控制層間溫度，避免層間溫度過高，使800 ℃～500 ℃之間的冷卻速度低于出現脆性混合組織的臨界冷卻速度，使熱影響區的韌性下降；預熱溫度控制在120 ℃～150 ℃區間。預熱采用火焰加熱器或者電熱毯，預熱/層間溫度檢測位置在焊道兩側至少75 mm的位置，檢查方法采用測溫筆或測溫儀測量，層間溫度最高不超過200 ℃。

3.6 焊接工藝參數

焊接采用手工電弧焊，控制焊接熱輸入是保證焊接質量的關鍵，熱輸入的大小直接影響到焊接接頭的組織和性能，應選擇合適的電流、電壓、焊接速度等工藝參數，以獲得最佳的熱輸入，見表1。

3.7 焊接過程控制

（1）調試電流只能在焊接板上調試，不能在焊縫或母材上調試；焊接時引弧和熄弧要在坡口內進行，嚴禁在坡口以外的母材表面引弧；

（2）焊接過程中不能隨意停止焊接，要保證所熔敷的金屬厚度在母材厚度的2/3以上；焊接盡可能采取連續作業，若要中途停頓應做好相應的保溫措施；

（3）焊接過程中要控制好焊接速度，確保焊接厚度不太厚或太薄；焊道不要過寬，嚴禁超過焊條直接的2.5倍；endprint

（4）為避免應力集中，每層焊道的斷點位置應間隔50 mm，在焊接下一道焊縫前必須仔細打磨焊道邊角處以確保不會有夾雜、咬邊和氣孔；

（5）每道焊縫完成后在下一道焊縫開始前必須對焊縫進行外觀檢查，任何不規整的地方都要用打磨或其他的手動工具清理干凈，避免后期補焊返修。

3.8 焊后熱處理

焊接結束后，采用電加熱毯在焊縫兩側150 mm范圍內進行后熱處理，溫度控制在220 ℃～250 ℃，保溫時間2小時，以減少焊接接頭的擴散氫的含量，降低焊縫的脆性，提高接頭的綜合性能，處理完成后，對焊縫區域進行緩冷。

3.9 無損檢驗

焊接完成72小時后對試件進行NDT檢驗，包括焊縫外觀檢查、磁粉檢測、超聲波檢測或射線檢測等

4 力學性能檢測結果與分析

無損檢驗磁粉檢測和射線檢測結果顯示，未發現超標的焊縫缺陷，檢驗結果合格；

無損檢測后按照英國勞氏船級社的要求進行破壞性實驗，拉伸實驗結果焊接接頭的抗拉強度為835 MPa / 860 MPa，高于最低770 MPa的要求；

焊接接頭的彎曲試樣經過180o的彎曲試驗后，未發現缺陷或開裂，焊接接頭的塑性滿足要求；沖擊試驗結果均大于30 J的技術要求，焊接接頭的沖擊性能滿足要求；

韋氏硬度（HV10）檢測結果均未超過420（HV10），滿足接頭的使用要求。

通過上述嚴格的工藝程序，在已完成的大型起重船“萊韋冠軍”輪基座、克令吊臂桿以及科考船A架等項目，產品經過試驗，所有焊縫均未發現任何裂紋現象及其他缺陷，滿足了標準和設計文件要求。

5 結論

經過實際應用表明，該工藝采用手工電弧焊對S690QL鋼板進行焊接，焊材匹配得當，焊接工藝切實可行，通過嚴格地執行焊接工藝，能夠滿足產品的質量要求，同時手工電弧焊操作性強、便于控制，適用于項目的改裝和維修。

參考文獻

[ 1 ] 陳祝年.焊接工程師手冊[M].機械工業出版社， 2002.

[ 2 ] EN 10025-6， 2004[S].

[ 3 ] Lloyd' s Register Rules and Regulations 2015[S].endprint