HG785D高強板封閉結構件塞焊縫焊接工藝及表面裂紋分析

黃汝哲 張瑞凱 潘洑滿 武增榮 王秦未 白志剛 韓玉芳

HG785D高強板封閉結構件塞焊縫焊接工藝及表面裂紋分析

黃汝哲 張瑞凱 潘洑滿 武增榮 王秦未 白志剛 韓玉芳

（山西航天清華裝備有限責任公司，長治 046012）

針對HG785D高強板封閉結構件塞焊縫經常出現表面裂紋，采用混合氣體（80%Ar+20%CO2）保護焊進行塞焊，通過調節焊接電流、電弧電壓和焊接環境的溫度等控制焊縫成形及焊接質量的關鍵參數，制定出合理的焊接工藝，解決了塞焊縫表面裂紋的問題。

HG785D鋼板；塞焊縫；焊接；裂紋

1 引言

隨著社會和科學技術的發展，對結構用鋼的性能要求越來越高，為了滿足使用與市場需求，一種高強度焊接結構用HG785D板以其優越的機械性能得到了市場的廣泛青睞。該材料屬于低碳調制鋼，既具有較高的強度，又有良好的塑性和韌性，在航空、航天、工程機械、船舶制造等領域有著廣泛的應用。

圖1 托座外形結構

某產品在研制生產過程中，其關鍵承載部分為弧形封閉結構的托座。為了滿足托座的高強度、高穩定性等使用要求，采用HG785D低合金高強度板作為托座的主要焊接材料，托座為弧形封閉結構件，其外形如圖1所示。

該產品具有薄壁、大尺寸、弧形封閉結構等特點。材料為4～6mm厚的HG785D高強板；外徑980mm，長度5000mm，主要由三件橫向筋板與五件縱向筋板插接而成?？v向筋板之間以加強筋板增加強度，以下弧板為底面，上弧板蓋面，上弧板與筋板之間以塞焊縫的形式焊接，塞焊縫多達217處。在焊接上弧板與筋板時在塞焊縫表面常常出現裂紋，返修率相對較高，嚴重影響了焊接質量和產品的穩定性。如何優化該結構塞焊縫的焊接工藝并避免出現裂紋已成為亟待解決的技術難題。塞焊縫示意圖如圖2所示。

圖2 塞焊縫示意圖

2 材料性能及焊接方法

2.1 材料性能

作為低合金高強結構鋼，HG785D板是在低碳鋼的基礎上添加一定量的合金元素構成的，其化學成分表見表1[1]。加入合金元素能細化晶粒，并推遲了奧氏體分解，由此提高了鋼的淬透性，經調制處理后，不但提高了鋼的強度，而且使其具有良好的塑性和韌性。

表1 HG785D鋼化學成分最大含量 wt.%

此外，添加合金元素，提高了鋼的馬氏體的回火穩定性，由于其含碳量低，所以淬火后得到低碳馬氏體，而且發生“自回火”現象，脆性小，具有良好的焊接性。該鋼可以直接在調制狀態下焊接，焊后不需要熱處理。HG785D鋼的力學性能如表2所示。

表2 HG785D鋼力學性能

2.2 焊接方法與焊材選擇

從以上分析可知，HG785D板屬于低碳調制鋼，這類鋼焊接性的主要特點是，在焊接熱影響區，特別是焊接熱影響區的粗晶區有產生冷裂紋和韌性下降的傾向。為了消除裂紋和提高焊接效率，一般采用熔化極氣體保護焊或活性氣體保護焊等自動化或半自動機械化焊接方法。有關研究表明，對于屈服強度S≥686MPa的低碳調制鋼，最適合的工藝方法就是采用熔化極氣體保護焊（如Ar+CO2混合氣體保護焊）。故此，確定了HG785D板的焊接方法采用混合氣體（80%Ar+20%CO2）保護焊，焊接設備采用Panasonic YD-500FR氣體保護焊焊機。根據有關實踐經驗表明，對于抗拉強度b≤800MPa的高強鋼，以采用“等強匹配”為宜，結合實際生產情況，焊絲選用SLD-80（SLD/ZY-GJ-10-36），該焊絲化學成分及熔敷金屬力學性能見表3、表4。

表3 SLD-80焊絲化學成分 wt.%

表4 SLD-80焊絲熔敷金屬力學性能

3 焊接試驗及裂紋分析

3.1 焊接試驗

托座采用了4mm、6mm兩種規格的高強度鋼板，其中上弧板板厚6mm，筋板厚度4mm，上弧板與筋板之間采取塞焊縫焊接，上弧板所開縱向塞焊孔寬度5mm，長度80mm；所開橫向塞焊孔寬度4mm，長度70mm。在產品生產時對上弧板與筋板進行塞焊，24h后在塞焊孔位置出現裂紋，裂紋長度為2～70mm。目前，關于高強板弧形結構塞焊裂紋的相關分析報道還不多見。本文以4～6mm厚的HG785D板材為對象，模擬產品的弧形結構形式，研究其塞焊工藝，分析塞焊縫裂紋形成原因，從而獲得比較穩定的焊接工藝參數，滿足產品質量要求。模擬試驗件結構如圖3所示。

圖3 模擬試驗件結構圖

3.1.1 試驗方法

在首臺產品焊接完成后出現裂紋的情況下，準備5件類似結構件進行試驗，前4件為試驗件，編號為1#、2#、3#、4#，第5件為驗證試驗件，編號5#。上弧板塞焊孔規格如圖4所示，試驗前先將上弧板上的塞焊孔分為A區和其他區域，A區和其他區域焊接規范按表5執行。為了盡量減小其他因素的影響和保證焊接質量的穩定性，由同一名焊接技師施焊，每焊接完成一件試件后休息20min，再繼續焊接后續試驗件。焊接采用混合氣體保護焊，焊絲為SLD-80，焊絲直徑1.2mm，焊接速度為250～300mm/min，氣體流量18～25L/min，焊接環境濕度為25%。

圖4 塞焊孔規格及區域劃分

表5 焊接工藝參數

3.1.2 試驗結果

焊接完成24h后對4件模擬件分別進行外觀檢查與磁粉探傷，結果如表6所示，可以看出，模擬件經過表面磁粉探傷后，塞焊縫主要缺陷為裂紋與未熔合（引弧處）。通過縱向比較，1#、2#、3#、4#模擬件A區缺陷和其他區域缺陷都有減少的趨勢；橫向比較，其他區域較A區并沒有明顯的規律。

表6 焊縫缺陷情況

但結合表5工藝參數和表6探傷結果分析，1#、2#模擬件缺陷較多，3#、4#模擬件缺陷相較于1#、2#模擬件明顯減少。從3#模擬件和2#模擬件工藝參數比較而言，3#模擬件A區焊接電流較2#模擬件A區焊接電流略小，但環境溫度相對較高，塞焊縫缺陷略有減少。同樣，3#模擬件其他區域較2#模擬件其他區域缺陷減少。從4#模擬件來看，不管是裂紋還是未熔合都明顯減少，特別是與1#、2#相比較而言。

從以上分析來看，每件模擬件無論是A區還是其他區域，塞焊縫引弧處未熔合都難以避免，經過對塞焊縫引弧處適當改制（在引弧處制斜坡口），焊接塞焊縫時成功避免了引弧處出現未熔合的情況，本文對此不做詳細闡述。在適當提高環境溫度、焊接電流后，裂紋數量呈明顯下降趨勢。按此趨勢，以5#模擬件進行驗證。焊接環境濕度為25%。具體焊接工藝參數如表7所示。

表7 5#模擬件焊接工藝參數

對5#模擬試驗件塞焊后外觀檢查，焊縫及母材均未發現任何缺陷，焊縫表面成形美觀。經磁粉探傷，焊縫表面無任何裂紋。

3.2 裂紋分析

由低碳調制鋼在焊接過程中常出現的問題，得出HG785D高強板封閉結構塞焊縫表面出現的裂紋為冷裂紋。這種鋼淬硬性傾向比較大，有很大的冷裂紋傾向，但在焊接熱影響區的粗晶區形成的是低碳馬氏體，又因低碳馬氏體的開始轉變溫度Ms點較高，一般在400℃以上，在焊接冷卻過程中，所形成的馬氏體可發生“自回火”，因而實際冷裂紋傾向并不大。如果在馬氏體形成后能從工藝上為馬氏體提供一個“自回火”處理的條件，即減慢馬氏體轉變時的冷卻速度，這樣就能得到強度和韌性都較高的回火馬氏體和回火貝氏體，可以避免焊接冷裂紋；如果馬氏體轉變時的冷卻速度很快，得不到“自回火”效果，冷裂紋傾向就會增大[2]。

由于托座采用的HG785D板厚度為4～6mm，并且采用了熱量集中的氣體保護焊，所以焊前并未預熱。因為焊接質量主要取決于熱影響區的組織性能，如果在不預熱條件下焊接HG785D板，需要設計好焊接工藝，而關鍵在于控制焊接熱輸入。從本質上來講，控制熱輸入主要是為了能使馬氏體轉變時的冷卻速度有所降低，這樣就能通過馬氏體的“自回火”作用來提高抗裂性能。據有關研究表明，低碳調制鋼熱影響區如果能獲得低碳馬氏體（ML）與下貝氏體（BL）的混合組織，焊縫不但韌性好，而且裂紋擴展在ML與BL邊界受阻而轉向，從而降低裂紋傾向。如果在焊接熱循環作用下，8/5繼續增加時低碳調制鋼熱影響區易發生脆化，主要緣于在中等冷卻速度下熱影響區形成M-A組元，而M-A組元實質上成為潛在的裂紋源，反而增大了冷裂紋傾向。冷卻時間8/5對M-A組元數量的影響如圖5所示?？梢奙-A組元一般只在一定的冷卻速度時形成，調整工藝參數可以控制熱影響區M-A組元的形成[2]。

圖5 冷卻時間t8/5對M-A組元數量的影響

根據有關資料中HQ80C鋼焊接連續冷卻轉變圖（SHCCT），及8/5或焊接熱輸入對HQ80C熱影響區粗晶區的硬度和組織成分的影響，HG785D鋼焊接連續冷卻組織的工藝參數可參照HQ80C選取。對于4～6mm厚的HG785D鋼板封閉結構件塞焊可采取較低的熱輸入，合理控制焊接電流、電弧電壓和焊接環境溫度，使其焊接熱影響區的冷卻速度保持在最佳8/5，可有效地防止冷裂紋的產生。

4 結束語

通過對焊接工藝參數的優化，結合HG785D板弧形封閉結構及母材規格、焊縫形式，取消了盲目依靠焊前預熱防止冷裂紋的操作方法，不但提高了生產效率，降低了能耗，而且塞焊縫成形美觀，合格率達到100%，有效地解決了產品生產難題。

1 中國機械工程學會焊接學會. 焊接手冊[M]. 北京：機械工業出版社，2001

2 李亞江. 焊接冶金學——材料焊接性[M]. 北京：機械工業出版社，2006

Analysis of Plug Welding Procedure of HG785D High Strength Plate Closed Structure and Surface Crack

Huang Ruzhe Zhang Ruikai Pan Fuman Wu Zengrong Wang Qinwei Bai Zhigang Han Yufang

(Shanxi Aerospace Qinghua Equipment Co., Ltd., Changzhi 046012)

Considering the surface cracks of plug weld of HG785D high strength plate closed structure, plug welding is adopted in the mixed gas (80%Ar+20%CO2) shielded welding. A reasonable welding procedure is obtained by adjusting the key parameters for controlling weld forming and welding quality such as the welding current, the arc voltage, and the temperature of the welding environment. Finally, the problem of crack on the surface of plug weld is sovled.

HG785D steel plate；plug weld；welding；crack

黃汝哲（1986），工程師，焊接專業；研究方向：黑色金屬焊接技術與工藝性能研究。

2018-06-20