工程機械用低合金高強鋼焊接性分析及建議

趙小康，侯國清，張海燕，肖毅強，鄧穎章，蘇雅萍

（廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州545007）

隨著工程技術的發展，工程機械行業朝著“三高一大”即：高端、高技術含量、高附加值，大噸位的方向發展，故對整機結構件的輕量化、使用壽命以及對材料更高屈服強度、疲勞強度、耐沖擊性、良好的焊接使用性提出了更高的要求[1]。低合金高強鋼相比較普通碳素鋼而言，在具備高抗拉強度的同時，還具有良好的塑韌性、屈強比高，能夠減輕構件重量等優點[2]，而被廣泛應用于工程機械行業，如：起重機吊臂、液壓支架、土石方機械、混凝土機械等[3]。低合金高強鋼的使用不僅減輕了整機自身的重量，而且提高了整機承受復雜多變載荷的能力，保證了鋼結構在復雜工況下工作的可靠性。但是工程機械用鋼大多需要進行焊接作業，焊接結構件約占整機重量的50%～70%，焊接結構的優劣，將直接決定整機產品的質量、性能和使用可靠性[4]。低合金高強鋼雖然含碳量較低，但是較多合金組元的添加，使其實際碳當量并不低，并且對于一系列低合金高強鋼來說，隨著強度級別的升高，合金元素的加入提高了鋼的淬透性，其沖擊韌性往往會下降，鋼材的氫脆敏感性顯著增加，增加了低合金高強鋼焊接的難度。所以如何確保低合金高強鋼焊接質量的穩定性，得到可靠的焊接結構變得尤為重要。本文主要從低合金高強鋼本身的焊接性出發，對低合金高強鋼的焊接做出理論性指導。

1 目前低合金高強鋼焊接存在的問題

根據相關文獻記載，試驗研究及對實際應用中低合金高強鋼焊接構件的失效分析發現，低合金高強鋼焊接主要存在的問題是焊縫區和熱影響區的焊接冷裂紋，熱影響區的脆化和軟化失強及部分熱裂紋現象[5]。

低合金高強鋼的焊接相比較普通鋼材而言，焊接過程難于控制，焊縫易于出現問題，這就需要在焊接過程中嚴格控制焊接參數，正確布置焊道，對于脆硬性大，強度級別高的鋼材在焊接前還需要進行預熱，后熱等處理。而在工程機械結構中，由于焊接結構復雜且通常屬于大型構件，自身重量大，考慮到效率、產量、成本、工作條件及環境因素，焊接工藝的實施往往存在著隨意性，未能以最理想的焊接狀態對低合金高強鋼進行施焊，故如何解決在工程化用低合金高強鋼焊接的問題至關重要。

2 低合金高強鋼焊接性分析及評價方法

2.1 低合金高強鋼的冷裂敏感性

常用于判斷焊接冷裂敏感性的準則主要有化學成分分析法和焊接試驗法。

2.1.1 碳當量法

國際焊接學會IIW，日本JIS標準，美國焊接學會AWS對碳當量計算分別做了相關規定。每個公式的運用要對應相應的適用范圍。如日本JIS標準規定碳當量計算公式如下：

使用范圍：低碳調質低合金高強鋼（σb=500~1 000 MPa） C≤0.2%；Si≤0.55%；Mn≤1.5%；Cu≤1.5%；Ni≤2.5%；Cr≤1.25%；Mo≤0.7%；V≤0.1%；B≤0.006%.

根據材料的化學成分可以計算出相應的碳當量，即碳當量數值越大，表明被焊鋼材的脆硬傾向越大，熱影響區越容易產生冷裂紋，焊接時需要通過預熱來防止焊接裂紋的產生。并且隨著板厚的增加，預熱溫度也需要相應提高，不同板厚推薦預熱溫度的主曲線如圖1所示[6]。

圖1 不同板厚推薦預熱溫度

2.1.2 冷裂紋敏感指數Pc

其中，Pcm為冷裂敏感系數，δ為板厚（mm），H為熔敷金屬擴散氫含量（mL/100g）。

通常情況下，當Pcm≥0.2%時被焊鋼材具有冷裂傾向[7]。為防止冷裂所需要的最低預熱溫度T0可以通過下式計算：

我國根據國產低合金高強度結構鋼的特點，通過考慮板厚δ（mm），熔敷金屬擴散氫含量[H]（mL/100g），冷裂敏感系數Pcm和鋼材抗拉強度σb（MPa），建立了防止冷裂紋的預熱溫度計算公式：

2.1.3 試驗法判斷材料的冷裂敏感性

判斷材料冷裂敏感性的試驗方法主要有熱影響區最高硬度法，斜Y坡口對接裂紋試驗（小鐵研法），插銷試驗，拉伸拘束裂紋試驗（TRC），剛性拘束裂紋試驗（RRC）等。

通過上述試驗可以對被焊材料的冷裂敏感性做出判斷。當被焊鋼材焊接熱影響區的最高維氏硬度超過350 HV時，既具有一定的冷裂傾向。對于熱影響區最高硬度除實際測量外，可通過經驗公式：HV=1 470Pcm+52-810logt8/5，計算得來[8]。對于材料的斜Y裂紋敏感性試驗，認為裂紋率在20%以下即為安全[9]。

在低合金高強鋼焊接前可通過上述方法，對被焊材料的冷裂敏感性做出判斷，根據大量文獻記載，多數低合金高強鋼在焊接時存在不同程度的冷裂傾向，其主要取決于：材料的脆硬傾向，焊接結構本身的拘束度及接頭熱影響區及焊縫熔合帶中擴散氫含量[10]。單純從焊縫組織角度出發，對于調質態的低合金高強鋼而言，由于該類鋼含碳量很低，具有較高的轉變溫度Ms點，如果合理控制冷卻速度，生成的馬氏體可進行一次“自回火”處理，得到強度和韌性較好的回火馬氏體和回火貝氏體，可起到防止冷裂紋的效果[11]。從防止低合金高強鋼焊接冷裂紋的角度出發，應采取熱量集中、線能量較低的焊接方法，相應的焊前預熱和焊后熱處理措施，選用低氫型和超低氫型焊接材料。對于抗拉強度800 MPa以上的鋼種，可考慮運用“低強匹配”的焊材，以保證其綜合指標[12]。

2.2 低合金高強鋼的熱烈敏感性

低合金高強鋼含碳量較低，Mn含量較高，且對S、P 控制嚴格，該類鋼 W（Mn）/W（S）比例大，故熱裂傾向較小。但是對于高Ni低Mn類型的鋼種有一定的熱裂敏感性，其主要產生于熱影響區的過熱區。對于Cr-Mo和Cr-Mo-V鋼存在再熱裂紋傾向[11]。

針對鋼材的熱裂紋和再熱裂紋敏感性，可通過熱裂敏感指數HCS（6），再熱裂紋敏感指數法PSR（7）及臨界應變增長率CST（8）進行有效分析。普遍認為：當HCS≤2時，不會產生熱裂紋；PSR≤0時，再熱裂紋敏感性不強；CST≥6.4×10-4，可以防止裂紋。

2.3 低合金高強鋼熱影響區的脆化和軟化

對于低合金高強鋼而言，熱影響區通常是組織不均勻的部位，同時存在焊接接頭脆化（韌性下降）和軟化的現象。低合金高強鋼熱影響區脆化主要體現在焊接熱循環的作用下，當t8/5增加時，熱影響區過熱區奧氏體晶粒粗化，并且伴隨著上貝氏體和M-A組元的形成，導致接頭沖擊韌性顯著降低[11]。經研究發現，低碳調質鋼熱影響區獲得較細小的低碳馬氏體（ML）組織或下貝氏體（BL）組織時，韌性良好，而韌性最佳的組織為低碳馬氏體（ML）與低溫轉變貝氏體（BL）的混合組織；對于調制態的低合金高強鋼熱影響區的軟化主要發生在峰值溫度高于母材回火溫度至Ac1的區域，特別是峰值溫度靠近Ac1的區域，這跟該區域組織轉變及碳化物的析出沉淀和聚集長大有關[8]。軟化區的存在往往成為最終焊接接頭失效的薄弱環節。焊接前母材的回火溫度越低，焊后熱影響區的軟化則越嚴重。焊接接頭的脆化和軟化，可以通過控制焊接熱輸入和預熱溫度來防止。

3 低合金高強鋼焊接過程應注意的問題

3.1 焊縫金屬的強韌性匹配

焊縫強度匹配系數S=（σb）w/（σb）b（其中（σb）w為焊縫強度，（σb）b為母材強度）可以表征焊縫與母材之間的強度匹配關系，當（σb）w/（σb）b=1時為等強匹配；（σb）w/（σb）b＞1時為超強匹配；（σb）w/（σb）b＜1低強匹配。在實際生產過程中對于焊接材料的選擇往往是基于熔敷金屬的強度進行選擇，可是焊縫金屬的強度并不等同于熔敷金屬的強度，對于高強鋼焊接材料，其焊縫金屬的強度往往比熔敷金屬的強度高，所以基于熔敷金屬強度選擇的焊接材料，則會出現名義“等強”實際“超強”的結果，使得焊縫塑性，韌性，抗裂性顯著下降，使用性能變差。在高強鋼的焊接中，保證焊縫金屬具有與母材相當的韌性水平至關重要[11]。很多工程構件的失效脆斷，往往是在低應力下，由于疲勞和應力腐蝕等原因使裂紋沿著韌性最差的部位進行，最終在低應力下斷裂，其主要是因為韌性不足引起的。根據文獻[13]，在高強鋼的焊接中，采用“低強匹配”能夠獲得綜合使用性能較優的焊接接頭，可提高焊縫區的韌性儲備及抗裂敏感性，最大限度地降低焊縫內的應力，提高焊接結構的疲勞壽命和使用可靠性。根據文獻[11]，對于σb≥800 MPa的高強鋼，采用“低強匹配”能有效防止裂紋，適當降低焊縫強度可以降低接頭拘束應力而減輕熔合區的負擔，有利于降低根部裂紋的生成傾向，且認為只要焊縫金屬的強度不低于母材強度的87%，仍可保證焊接接頭的強度性能。并且采用“低強匹配”且超低氫的焊接材料焊接時，可以降低預熱溫度，改善生產條件，降低能耗。文獻[14]關于10 mm厚調制態Q690D的焊接中，使用“低強匹配”焊絲ER69-G，在80%Ar+20%CO2保護的GMAW方法下，通過控制焊接線能量在8 kJ/cm左右，得到了成性良好，綜合性能高的焊縫，其焊縫強度僅低于母材的12%，滿足其使用要求。文獻[6]中，作者通過自制的“低強匹配”實心焊絲配合 80%Ar+20%CO2氣體保護焊對25 mm的Q960E高強鋼進行焊接，當預熱溫度達到180℃以上時，可有效防止焊接冷裂紋的產生。在文獻[1]中等人提到，對受應力集中的部位高強鋼焊接，采用較低的軟基材料進行打底，可整體提高接頭的塑性儲備，減小接頭根部的拘束應力，降低產生根部裂紋的傾向。文獻[15]中，作者選取HS-80“低強匹配”焊絲對SHT900鋼進行了焊接，在控制相關焊接過程的基礎上得到了性能滿足使用要求的焊接接頭。

3.2 焊接工藝過程的控制

3.2.1 焊接方法

在低合金高強鋼的焊接中盡量選用中，低線能量的焊接方法，通過控制焊接熱輸入，避免線能量過高，造成焊接接頭發生脆化和軟化。從經濟性、適用性及工作效率出發，目前工程機械行業大多采用焊接熱輸入密度集中、中，低線能量、熔池保護及脫氫效果良好、操作簡單、生產效率高的CO2焊和20%Ar+80%CO2富氬混合氣體保護焊。隨著工程技術的發展，新型的焊接方法也被用于高強鋼的焊接，諸如新型脈沖MIG焊機，在20%CO2+80%Ar富氬條件下，通過快速壓縮電弧工藝，實現低電流射流過渡完成高強鋼高品質的焊接[16]；還有激光焊，激光-電弧復合法，超窄間隙MAG焊等方法被用于高強鋼的焊接。并且在相關高強鋼焊接的研究中，往往會采用兩種或者兩種以上的焊接方法，完成焊接作業，如文獻[17]中提到，在打底焊時可采用熱輸入更低的脈沖TIG焊，獲得質量優良的根部焊道，填充層可采用MAG焊。

3.2.2 預熱溫度的選擇

對于普遍的低合金高強鋼而言，由于其具有較高的碳當量和本身含有一定量Cr、Mo等淬透型元素，使其焊接冷裂敏感性強，此時往往需要通過預熱的措施控制焊接冷速，避免熱影響區生成過多的脆硬馬氏體，降低焊接應力和熱影響區硬度，且通過預熱使氫從焊接接頭易于逸出，從而防止裂紋的產生。在低合金高強鋼焊接時，需要嚴格控制預熱溫度的大小。根據文獻[1]推薦，高強鋼的預熱溫度應該控制在100～150℃.預熱溫度過高，反而會使熱影響區沖擊韌性和塑性降低。

3.2.3 熱輸入的選擇

在焊接熱循環過程中，焊接熱輸入的大小直接影響著焊接接頭的微觀組織及力學性能。根據文獻記載[16]，在高強鋼的焊接中，當材料的屈服強度σs≤600 MPa時，其冷裂敏感性小，適合較大熱輸入的焊接，而對于屈服強度σs≥700 MPa高強度級別的鋼材，冷裂傾向大，此時不宜采用大熱輸入的焊接。合理的熱輸入大小，會使焊縫具備良好的耐沖擊性，韌性和強度提高，熱影響區變窄縮小軟化區寬度，接頭殘余應力降低。

對于熱輸入大小的合理選擇可以基于相關焊接熱模擬試驗，焊接接頭的韌性好壞及微觀組織來選擇。諸如，文獻[9]利用斜Y坡口焊接裂紋試驗，在不同熱輸入情況下，驗證了焊絲MK-G76對于Q690鋼焊接時的適用性，研究表明：當焊接熱輸入＜20kJ/cm時，焊接接頭裂紋率較低；當焊接熱輸入＞20kJ/cm時，接頭裂紋均明顯提高。在焊接方法一定的情況下，焊接熱輸入的大小直接影響著焊接粗晶區的冷卻時間（即t8/5），對于中，高線能量的焊接方法，往往具有較高的t8/5時間。文獻[18]通過熱模擬的方法驗證了不同t8/5對Q690CDF鋼板粗晶區韌性的影響，研究表明：當t8/5大于40 s以后，粗晶區韌性顯著降低，沖擊吸收功出現明顯下降，并且認為當焊縫粗晶區生成低碳板條馬氏體和少量下貝氏體時，具有較高的韌性。對于Q690鋼材焊接，選擇中線能量的焊接方法，控制線能量低于20 kJ/cm時，可得到綜合性能較優的焊接接頭。文獻[19]研究發現，在Q960鋼的焊接中，焊接熱輸入稍低于12 kJ/cm時，焊接接頭焊縫區和熱影響均具有良好的抗拉強度和沖擊韌性，當熱輸入大于12 kJ/cm時，接頭性能顯著降低。然而在文獻[20]中提到Q960適合小熱輸入焊接，熱輸入控制在12～24 kJ/cm，t8/5時間在20 s時，焊接接頭具有良好的綜合性能。對于熱影響區t8/5時間的控制可以基于下列公式進行計算：

三維傳熱（厚板）：

二維傳熱（薄板）：

其中:δcr為臨界板厚；η 為相對熱效率（℃）；T0為初始溫度，E 為焊接線能量（J/cm），F2、F3為三維和二維傳熱時的接頭系數。

當被焊鋼材的厚度δ＞0.75 δcr時采用式 7；δ≤0.75δcr時采用式（8）.相關量的查詢可參考文獻[21].

3.2.4 焊接參數的設置及相關焊接規范

焊接參數的設置要使焊接接頭具有優良的性能，在實際焊接中對于焊接參數的調節往往是對電流、電壓、焊接速度、焊槍角度及擺動大小的調節。文獻[22]中有提到，中厚板（8～30 mm）的低合金高強鋼，推薦以達到噴射過渡焊接電流為宜。重要結構件的關鍵焊縫盡可能要求全焊透，要求鈍邊≤1 mm，盡可能采用多層多道的焊接方法，相比較單層焊可顯著降低根部裂紋，后焊焊縫可促進氫的逸出，改善前道焊縫和熱影響區的組織，但是要嚴格控制層間溫度，層間溫度要稍高于預熱溫度，在低合金高強鋼焊接時，層間溫度控制在150～200℃時，可得到拉伸和沖擊性能較優的焊接接頭[1，15]。在文獻[23]中提到，為了限制焊接熱輸入，多層多道錯位焊接技術能夠減少熱影響區高溫停留時間，對防止焊接接頭脆性斷裂有很大幫助，一般每層每道焊縫接頭錯開距離應控制在20～50 mm.并且在文獻[1，23]中規定，對于多層多道焊接中，除根部和蓋面焊縫外，其余焊層焊道厚度應不超過5 mm，寬度不大于10 mm，焊接操作時盡量不采取橫向擺動和跳弧焊接。

3.2.5 焊接后熱處理

焊后熱處理的目的是為了消除焊接內應力，改善焊接接頭微觀組織及機械性能，提高構件的尺寸穩定性，增強抗應力腐蝕，提高結構件后期使用的質量穩定性和工作安全性。文獻[1]中提到，對于強度高于650 MPa或拘束接頭較大的焊接接頭，焊后應立即進行消氫處理，消氫溫度控制在300～400℃之間，時間為1～2 h.對于工程機械大型構件，整體加熱不易實現，通常是將焊縫及周圍100 mm范圍內均勻加熱到300～350℃，保溫1.5～2 h，緩冷。

對于低合金高強鋼的焊接除了上述焊接過程中應該注意的問題外，還應該嚴格控制焊接前的準備，如被焊材料焊前的坡口清理，焊接接頭的正確組坯，裝配間隙，定位焊的質量，以及焊接順序對焊接質量的影響。

4 結論

低合金高強鋼以其優越的性能，廣泛應用于工程機械領域。在低合金高強鋼的焊接過程應對被焊鋼材做出合理的焊接性評定，制定焊接規范，如預熱溫度，焊接熱輸入，焊材匹配，焊道布置，焊后熱處理等，避免針對工程機械用低合金高強鋼出現的冷裂及熱影響區的脆化軟化問題。