Q890D高強鋼不預熱焊接裂紋敏感性技術研究

譚星，江亞平，倪川皓，曹瑜琦

中聯(lián)重科股份有限公司國家混凝土機械工程技術研究中心 湖南長沙 410013

1 序言

隨著工程機械向大型化、輕量化方向發(fā)展，工程機械用鋼對性能的要求越來越高，屈服強度890MPa及以上高強鋼在結構用鋼中所占比例不斷提高。Q890D鋼是屈服強度≥890MPa的低合金高強鋼，鋼的強度高，淬硬性大，焊接冷裂敏感性強，其中焊接冷裂紋是其應用過程中需要優(yōu)先解決的關鍵問題[1，2]。為了防止焊接冷裂紋的產生，研究制定了焊前預熱的工藝措施[3-5]。但工程機械用高強鋼的板厚及其焊縫排列組合非常多，再加上工程機械的結構復雜、尺寸大、焊接工作量大和焊縫可達性差的生產特點，過于保守的焊接預熱措施會產生生產效率低下、勞動強度大、能耗和成本高等問題?？梢姡芯坎煌穸鹊腝890D高強鋼焊接可不預熱或低溫預熱的焊接工藝對工程機械高強鋼結構件的焊接生產具有重要的指導意義。

本文通過對不同板厚的Q890D鋼板進行了斜Y坡口試驗和模擬產品工況的角焊縫焊接試驗研究，以確定可不預熱和低溫預熱的焊接方案，為高強鋼不預熱焊接工藝提供參考。

2 試驗方案

2.1 試驗材料

選用某鋼廠生產的屈服強度為≥890MPa的高強鋼板Q890D為研究對象，板厚分別為10m m、15mm、20mm，化學成分和力學性能分別見表1、表2。焊接材料選用低匹配的氣體保護焊實芯焊絲，牌號為ER76-G，直徑為1.2mm，化學成分和熔敷金屬的力學性能見表1、表3。采用熔化極混合氣體保護焊（GMAW），保護氣體為80%Ar+20%CO2。

表1 Q890D鋼和ER76-G焊絲的化學成分（質量分數(shù)） （%）

表2 Q890D鋼的力學性能

表3 ER76-G焊絲熔敷金屬的力學性能

2.2 斜Y坡口焊接裂紋試驗

按GB/T 32260.2—2015《金屬材料焊縫的破壞性試驗 焊件的冷裂紋試驗 弧焊方法 第2部分：自拘束試驗》開展斜Y坡口焊接裂紋試驗，試驗焊縫的預熱溫度采用10℃、100℃下焊接2組試驗焊縫，主要用于評價厚板多層焊根部焊道的冷裂紋敏感性。斜Y坡口試驗方案如圖1所示。

圖1 斜Y坡口試驗

（1）試驗參數(shù) 拘束焊縫與試驗焊縫的焊絲相同，拘束焊縫采用雙面焊，采用預熱、控制道間溫度，避免產生角變形、未焊透和裂紋等影響焊接質量的缺陷。拘束焊縫的打底焊預熱溫度為150℃，焊接電流為160A，電弧電壓為19V，焊接速度為30cm/min；填充焊和蓋面焊的層間溫度為150℃，焊接電流為250A，電弧電壓為27V，焊接速度為40cm/min。拘束焊縫完全冷卻后，在兩端完全拘束的情況下開展單道試驗焊縫焊接，以評定裂紋傾向。試驗焊縫在平焊位置施焊，試驗溫度分別為10℃、100℃。試驗焊縫的焊接參數(shù)見表4。

表4 試驗焊縫的焊接參數(shù)

（2）裂紋檢測 試驗焊縫焊接后自然空冷，放置48h后，采用目視和20倍放大鏡觀察檢測，并計算表面裂紋率。

將焊縫寬度開始均勻處與焊縫弧坑中心間長約70mm的試驗焊縫分成4等份，取4個金相試樣（見圖2）。

圖2 斜Y坡口試驗金相取樣

在50倍以上顯微鏡觀察剖面上焊縫金屬和熱影響區(qū)的裂紋，計算剖面裂紋率。

（3）評價方法 斜Y坡口焊接裂紋試驗因接頭拘束度很大，一般認為，表面裂紋率＜20%時，用于生產就是安全的，但也不應有根部裂紋?？紤]到焊接生產方式，焊接接頭處于不穩(wěn)定的固定狀態(tài)，具有相當大的應力集中，為了確保不產生裂紋，采取裂紋率近于0的驗收要求。

2.3 角焊縫工藝試驗

為進一步模擬產品實際生產條件，采用產品結構中常用的3種板厚的角焊縫為研究對象，采用生產中常用的焊接參數(shù)和實際工況的焊接道數(shù)和層間溫度等實際條件，開展T形接頭的角焊縫焊接試驗和硬度測試。

（1）焊接試驗 本次試驗采用20mm、15mm、10mm共3種產品結構中常用的板厚和焊縫形式，立板和底板的長寬尺寸均為300mm×150mm，立板長單邊開35°坡口、1mm鈍邊，如圖3所示。由于實際產品結構尺寸大、焊縫長，實際層間溫度僅70～80℃。因此試驗采用不預熱、層間溫度約70℃的試驗條件。角焊縫試驗焊接參數(shù)見表5。

圖3 T形接頭角焊縫

（2）顯微硬度測試 在焊接試驗的角焊縫中間位置取兩個金相試樣，金相試樣經粗磨、精磨、剖光和腐蝕后，用顯微硬度計測試焊縫及其附近的硬度，測試位置如圖4所示。按GB/T 2654—2008《焊接接頭硬度試驗方法》規(guī)定進行。

表5 角焊縫試驗工藝參數(shù)

圖4 角焊縫硬度測試位置

3 試驗結果與分析

3.1 斜Y坡口試驗

試板焊后經48h自然冷卻后，對試驗焊縫表面進行肉眼檢測（見圖5）。然后將試驗焊縫切成4個斷面試樣并進行金相測試，在50倍光學顯微鏡下進行裂紋檢測（見圖6），試驗結果見表6。

圖5 斜Y坡口試板

圖6 試驗焊縫的金相試樣裂紋檢測

表6 斜Y坡口試驗檢測結果

由表6可以看出，20mm板在室溫下焊接斷面裂紋率達55%，預熱100℃的條件下焊接時，其表面裂紋率和斷面裂紋率均為0。15mm厚和10mm厚的試板，不管是室溫還是預熱100℃，表面裂紋率和斷面裂紋率均為0。在相同焊接參數(shù)條件下，鋼板厚度越厚，預熱溫度越低，焊后冷卻速度越快，焊縫熱影響區(qū)形成的淬硬組織越多，冷裂傾向也就越大，因而20mm板在不預熱條件下容易在焊縫根部熱影響區(qū)開裂，預熱后可以減緩焊后冷卻速度，熱影響區(qū)的淬硬傾向小，冷裂傾向也小。通過試驗表明，15mm和10mm厚的Q890D鋼的抗冷裂性較好，可不用預熱焊接，而20mm厚的Q890D鋼的抗冷裂性較差，預熱至100℃可防止冷裂紋。

3.2 角焊縫工藝試驗

板厚為20mm、15mm、10mm的3種試板角焊縫接頭如圖7所示。角焊縫試驗冷卻后，在焊縫中間采用線切割兩個金相試樣，經粗磨、精磨、剖光和腐蝕后，采用顯微硬度計按照GB/T 2654—2008《焊接接頭硬度試驗方法》檢測焊縫及其附近的硬度，測試結果如圖8所示。

圖7 T形接頭角焊縫試板

圖8 角焊縫顯微硬度測試

鋼的淬硬性是形成焊接冷裂紋的主要原因之一，受到焊接熱循環(huán)的影響，焊接熱影響區(qū)有著較高的淬硬傾向，是焊接冷裂紋敏感性較高的區(qū)域。硬度與強度之間存在對應關系，大多數(shù)情況下，硬度越高其對應材料的強度也就越高，且對應的塑性、韌性也就越差，因此在重要焊接結構中，應對焊接接頭熱影響區(qū)最高硬度有一定限制要求。

從圖8可知，20mm和15mm板厚的T形接頭，在不預熱的情況下，熱影響區(qū)硬度值都有兩個測試點＞400HV10的材料允許硬度值，而10mm板的熱影響區(qū)最高硬度值均低于400HV10。另外，在相同的焊接參數(shù)和環(huán)境條件下，鋼板越厚，焊后冷卻速度越快，熱影響區(qū)的淬硬傾向就越大，從而硬度值偏高，韌性下降，在高于材料推薦的允許硬度值時，在拘束度大的結構件中，就有產生焊接冷裂紋的風險。因此，板厚為20mm和15mmT形接頭不預熱焊接有一定的冷裂風險。而板厚10mm的T形接頭在不預熱的條件下焊接，淬硬和冷裂紋傾向較低，安全性較高。

4 結束語

本文針對不同板厚的Q890D鋼板進行了斜Y坡口試驗和模擬產品工況的角焊縫試驗研究，得出以下結論：

1）開展斜Y坡口焊接裂紋試驗，結果表明，20mm板厚在室溫下不預熱焊接會產生裂紋，預熱至100℃后不會產生裂紋；而15mm和10mm板厚在室溫下焊接不會產生裂紋。

2）開展模擬產品實際生產條件的角焊縫焊接試驗和硬度測試，結果表明，20mm板厚和15mm板厚的試樣，均有多個熱影響區(qū)硬度值大于400HV10的材料推薦硬度值，而10mm板厚的所有硬度值均低于材料推薦硬度值。

3）綜合考慮斜Y坡口試驗和模擬產品工況的角焊縫試驗，10mm板焊接不需要預熱措施，20mm板最低預熱溫度為100℃，15mm板在拘束度較大的關鍵焊縫建議預熱100℃，而在拘束度較小的非關鍵焊縫可不用預熱。