Q690D高強度焊接結構鋼的焊接工藝研究

孫凌鵬，王海東

(1.中國船級社 泰州辦事處，江蘇 泰州 225300；2.泰州口岸船舶有限公司，江蘇 泰州 225300)

0 引言

目前，Q690D高強度焊接結構鋼因強度高、綜合性能好，已經被廣泛應用于海工產品和重型機械，但如果焊接過程控制不當，容易產生焊接冷裂紋。因此，研究該鋼種產生冷裂紋原因，以及總結防止冷裂紋產生的措施，對于控制Q690D焊接質量有十分重大的意義。為此，本文以某工程船的2 000 t起吊大梁上50 mm Q690D高強度焊接結構鋼為例，為避免產生冷裂紋，從焊材選用、焊接過程控制、焊接熱處理等方面，詳細總結了該鋼種的焊接工藝要求及焊接要點。

1 焊接性分析

根據Q690D高強度焊接結構鋼的化學成分計算碳當量，間接估算該材料的焊接性，其化學成分見表1。

對于鋼材的焊接冷裂紋，可以采用國際焊接學會(簡稱“IIW”)所推薦的碳當量Ce和日本JIS標準所規定的碳當量Ceq作為判據。碳當量越小，鋼材可焊性越好；反之，則鋼材的可焊性越差。當碳當量高于0.4%時，鋼材的冷裂紋敏感性將急劇增大，進行焊接時就需要采取預熱及焊后熱處理措施，并采用低氫型焊材施焊。當碳當量大于0.6%時，屬于難焊鋼材，極易產生冷裂紋，就需要更加嚴格的焊接工藝[1]。本文中Q690D碳當量采用IIW和JIS公式分別計算如下：

上述2種碳當量計算結果均大于0.6%，表明該鋼種的淬硬傾向很大，極其容易產生冷裂紋。

表1 Q690D高強度焊接結構鋼的化學成份單位：%

2 冷裂紋產生原因分析

鋼的淬硬傾向、焊接接頭含氫量及其分布，以及接頭所承受的拘束應力狀態是焊接時產生冷裂紋的3大主要因素。在一定條件下，三者相互聯系相互促進。

鋼的淬硬傾向主要取決于鋼種的化學成分、板厚、焊接工藝和冷卻條件等，鋼的淬硬傾向越大，越容易形成脆硬的馬氏體組織和更多的晶格缺陷，更容易產生裂紋。

拘束應力同板厚、坡口形式、焊縫位置、焊接順序等因素有密切關系。拘束度計算公式如下：

R=K1H

式中：R為拘束度；K1為板厚拘束系數；H為板厚。

根據拘束度計算公式可知，板厚越大，所造成的拘束度也越大，也就越容易產生裂紋。

3 防止冷裂紋的主要措施

3.1 選用抗裂性能比較好的等強焊材

依據中國船級社《材料與焊接規范》(2018)的要求，所選焊材的級別應與鋼級相適應。母材厚度為50 mm的 Q690D鋼的抗拉強度σb=770～940 MPa，屈服強度σs≥690 MPa，焊接材料等級應不小于3Y69，故選用標準為AWS A5.36 E111T1-C1A4-G H4，牌號為現代Supercored 110藥芯焊絲。若焊材選用不當，焊縫容易產生裂縫，見圖1。施焊人員選擇了3Y強度級別的焊絲進行焊接，強度等級σb=490～660 MPa，遠遠低于母材的抗拉強度，導致焊縫整體剝落。

圖1 焊縫熔合線裂縫

3.2 合理分布焊縫位置和焊接順序

焊接時，盡量減少焊縫數量可有效地減少焊縫收縮變形。合理的焊接順序能夠減少焊縫拘束度，降低應力集中，避免焊縫裂紋。焊縫熱影響區及母材裂紋見圖2。從圖中發現，100 mm板削斜與50 mm板對接，焊后其拐角處母材出現裂縫，產生裂縫的原因之一是焊接順序不當。因拐角處拘束度極大，100 mm鋼板起了鋼性固定作用，整體焊縫不能自由收縮，應力集中產生裂縫。其合理的焊接順序為：從中間向兩端或四周焊接；先焊對接縫，后焊角焊縫；對接縫先焊自由端焊縫。焊接順序見圖3。

圖2 焊縫熱影響區及母材裂縫

3.3 充分做好焊前預熱及焊后熱處理

為確保焊接質量的可追溯性，焊接時應詳細記錄焊前預熱溫度、層間溫度、焊后熱處理溫度等。

圖3 焊接順序

焊前預熱應能夠有效降低焊縫冷卻速度，減少焊縫中氫的含量，有效控制焊縫裂紋。根據Ceq的界限確定預熱溫度：當σb=700 MPa，Ceq≈0.52%時，預熱溫度為100 ℃；當σb=800 MPa，Ceq≈0.62%時，預熱溫度為150 ℃；最終確定預熱溫度大于等于120 ℃。當預熱溫度達到焊接要求時，盡量安排多名焊工焊接，整條焊縫每隔1 m就安排1名焊工焊接，2名焊工為對稱焊接。

焊接時，層間溫度不得低于初始預熱溫度。焊接應一次完成，避免隔夜二次預熱再進行焊接。焊道的接頭應互相錯開，錯開距離不小于30 mm。采用X型或K型坡口時，正面焊接完畢后背面應立即清根焊接，達不到預熱溫度不得碳刨。

焊接完成后將焊縫進行低溫回火處理，釋放殘余應力，使其緩冷。圖2產生裂紋的重要原因就是焊前未按要求預熱，大電流野蠻施工，焊后未按要求緩冷。

3.4 合理選擇焊接參數并嚴格控制線能量

采用多層多道焊時由于后層對前層有消氫作用，并能改善前層焊縫和熱影響區的組織，因此施焊過程中除打底層厚度4～6 mm外，其余每層厚度控制在3～4 mm。焊接時嚴格按照焊接工藝參數焊接，禁止大電流操作，焊接參數見表2?？刂坪附泳€能量，建議單道焊縫寬度小于等于16 mm。

4 工藝要點

4.1 焊前準備

根據產品現場布置，對其進行平焊位置工藝評定。裝配前對板材坡口100 mm范圍內進行UT、MT無損檢測，確保原材料符合要求。焊前將試板兩側20 mm范圍內打磨見光澤，裝配間隙5～8 mm，鋼性固定，背面加陶瓷襯墊。

4.2 焊前預熱

(1)預熱溫度：120～180 ℃。

(2)預熱方式：采用電加熱器履帶加熱。為了確保加熱效果，平直位置履帶應附有保溫材料。定位焊可采用火焰加熱，但預熱溫度不得小于150 ℃。

(3)預熱時間：預熱應緩慢進行，速度為60～100 ℃/h，預熱時間不得小于1 h。

(4)測量位置：溫度的測量位置距坡口中心75 mm處，盡量測量預熱面的背面。

(5)測量方法：采用紅外線測量儀，達到預熱溫度后恒溫5 min后測量。

表2 焊接參數

4.3 焊工資格

焊工應持相應等級的焊工資格證書，材料組別為W03[2]。

4.4 焊接過程控制

(1)焊接時，層間溫度不得小于120 ℃預熱溫度，最高不得大于180 ℃。時常測量溫度，當溫度大于180 ℃時，應立即停止焊接。

(2)焊接順序見圖3，焊接參數見表2。

(3)焊接完畢，應立即檢查焊縫外觀質量，對表面成形不符合要求的焊縫，在保證層間溫度大于等于120 ℃的前提下，立即進行修補，修補長度大于等于100 mm。

4.5 焊后熱處理

焊接完畢，應立即將溫度加到200～250 ℃，進行低溫回火處理；保溫時間按板厚確定，但不少于2 h。回火完畢后，用保溫材料覆蓋，使其緩慢冷卻。

4.6 無損檢測

試件熱處理完畢48 h后對其進行UT、MT檢測。經檢測，內部未發現任何缺陷，表面無裂紋。

4.7 機械性能試驗

依據中國船級社《材料與焊接規范》[2](2018)要求，對其進行常溫拉伸、壓頭直徑60 mm側彎、0 ℃沖擊、HV10硬度試驗，指標均符合規范要求。

5 結語

Q690D高強度焊接結構鋼焊材的選用、焊接過程的控制及焊后熱處理是保證焊接質量的重要要素。通過對上述要點的總結，以及嚴格的焊接過程控制，2 000 t起吊大梁焊后未發現裂紋、未熔合等缺陷，產品使用至今未接到客戶任何投訴。