S550MC高強度鋼薄板焊接工藝簡述

段江麗，楊鵬輝，郭 昊

(中國船舶第七一三研究所，河南 鄭州 450001)

某專用車的車底盤車架大梁采用S550MC，縱向長約4 m，橫向寬約2 m，其縱、橫大梁截面為110 mm×70 mm×2.5 mm的矩形管，該矩形管厚度由2件2.5 mm的S550MC鋼板成C形后對接接焊，各件焊接而成。車架其他支承梁采用厚度為2.5 mm的Q355B矩形管，車架整體尺寸約4 m×2 m。

S550MC是一種國內近年成功生產出的高強度鋼，強化機理主要為細晶強化，輔以沉淀強化、固溶強化，尤其適用于汽車大梁。汽車大梁用鋼主要用于制造汽車縱梁、橫梁、保險杠等結構件，受力復雜，工作條件苛刻。因此，汽車大梁需要具有較高的強度、耐疲勞性等[1-2]。汽車大梁鋼的高強化是汽車工業的發展趨勢，采用高強度的汽車大梁鋼可以顯著降低車輛質量，且能在不增加車輛自身質量的前提下大幅度提高汽車有效載荷[3-5]。

本文對S550MC鋼的焊接性進行了分析，根據此車架結構的特點，采用MAG的方法進行了S550MC高強度鋼同種材質之間、S550MC與Q355B鋼異種鋼薄板的焊接工藝試驗，并對試驗結果進行了對比與分析，驗證了焊接工藝的合理性，依試驗結果進行了實際產品車架的焊接工作，該型車已生產多輛，經試驗，車架焊接接頭性能良好，達到了預期要求。

1 母材焊接性分析

2.5 mm厚的Q355B鋼板在GB/T 1591標準中規定的化學成分及力學性能分別見表1和表2。S550MC是一種高屈服強度熱連軋鋼板，為我國近年研制的高強度鋼，上海寶鋼生產的S550MC鋼，化學成分例值及力學性能例值分別見表1和表2。

表1 Q355B和S550MC的化學成分(質量分數) (%)

表2 Q355B和S550MC的力學性能

塑積常作為汽車鋼的評價指標之一，塑積<25 000 MPa%的汽車用鋼已經廣泛應用在汽車行業[6]，由表2可得，試驗用S550MC薄板的塑積為8 675 MPa%。

S550MC是一種高強度鋼。積塑對于高強度的焊接性，因其具有淬硬傾向，是冷裂紋產生的必要條件，與普通低合金鋼相比，在擴散氫、拉應力場的共同作用下極易產生冷裂紋；隨著強度級別的提高、板厚的增大，冷裂紋傾向變大。熱輸入小，冷卻速度較快，熔敷金屬氫含量高，會增加冷裂紋的敏感性，強度越高，冷裂問題將越突出[7]。

用碳當量間接評估鋼材的焊接性是應用廣泛的簡便易行的方法，式1為國際焊接學會推薦的碳當量計算公式，依此計算實驗用S550MC的碳當量CE僅為0.185 4[8]，依此判斷S550MC鋼冷裂紋傾向很低。

CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15

(1)

由表1可知，S550MC鋼含碳量很低，宜采用焊接裂紋敏感性指數Pcm來作為冷裂紋的判據[9]，計算方法如式2所示，依此計算實驗用S550MC鋼的Pcm為0.117 5，依此也可判斷出S550MC鋼冷裂紋傾向很低。

Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+P)/20+
Ni/60+Mo/15+V/10+5B

(2)

Q355B是一般用途的低合金高強度鋼，焊接性良好，GB/T 1591標準中規定其碳當量CEV≤0.45%。S550MC鋼為低合金高強度鋼，常用于汽車大梁等。S550MC鋼含碳量低，通過添加Mn及微量的Nb、合金元素提高鋼的強度，其中Mn為固溶強度化元素，Nb、Ti能夠起到細化晶粒、提高鋼的強度和韌性的作用[10]。結合S550MC鋼碳當量及焊接裂紋敏感性指數的計算結果可知，S550MC鋼冷裂紋傾向很低，焊接性良好。

2 焊接工藝試驗

共3種試驗，試件編號分別為A、B、C(見表3)。每種焊接試驗采用規格為400 mm×150 mm×2.5 mm的鋼板，對接焊接，焊成后的試件規格為400 mm×300 mm×2.5 mm。

表3 試驗分類

2.1 焊接方法、焊接材料

S550MC、Q355B鋼的焊接性良好，各種常用焊接方法均可焊接。結合產品車架的結構形式，從減少焊接變形、便于操作的角度考慮，最終選用MAG的焊接方法進行焊接。

焊接材料選擇方面，主要考慮與母材強度的匹配，最終S550MC同種材質間的焊接選用山東索力得生產的焊絲SLD-70，其化學成分例值及力學性能例值分別見表4和表5。S550MC與Q355B異種材質間的焊接選用型號為ER50-6的焊絲，該焊絲為常用的低合金鋼焊絲，GB/T 8110標準中規定的化學成分及力學性能分別見表4和表5。焊絲的規格均為φ1.0 mm。

表4 ER50-6和SLD-70焊絲的化學成分(質量分數) (%)

表5 ER50-6和SLD-70焊絲的力學性能

2.2 坡口型式、焊接位置

接頭采用I型坡口，間隙1～2 mm，焊接位置為平焊。

2.3 預熱、后熱

由材料的焊接性分析可知，S550MC、Q355B焊接性能均較好，冷裂紋傾向小，且接頭處母材厚度較薄，僅為2.5 mm，故不需焊前預熱以及焊后熱處理。

2.4 氣體

采用混合氣體保護：φ(Ar)85%+φ(CO2)15%進行正面保護，氣體流量15～20 L/min。Ar使電弧燃燒穩定，熔滴向熔池過渡時平穩，飛濺小，CO2的加入使電弧穩定性進一步提高，改善焊縫成形并降低電弧輻射強度。采用此種混合氣體保護，配合防飛濺劑的使用，在合理的焊接工藝下，可使焊接后清理量大大減少，甚至基本不用清理飛濺。

2.5 焊接工藝參數

因縱、橫梁較長，焊接時將會存在多處接頭，為了驗證接頭的性能，試件A、B采用分段退焊形式。各試驗焊接工藝主要參數見表6。

表6 焊接工藝主要參數

2.6 焊后消應力熱處理

考慮到熱處理時工件表面氧化皮的影響，采取較低熱處理保溫溫度的方式進行。焊接試件B焊后熱處理的具體參數為：350～450 ℃保溫1～2 h，開爐門空冷至200 ℃以下，出爐空冷至室溫。

2.7 技術措施

焊前清理采用常規的機械清理方法，清理焊縫及20 mm范圍內的油、銹、污等至見金屬光澤。采用固定工件的方法以減少焊接變形。

2.8 焊接試驗結果

對各試件焊縫按NB/T 47013.2—2015進行100%滲透無損檢測，質量分級均達到I級。分別取樣進行焊接接頭的拉伸試驗、彎曲試驗和金相試驗。按GB/T 226—2015《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法》宏觀酸蝕后，各金相試樣焊縫金屬熱影響區無裂紋、未熔合、未焊透、夾渣缺陷。彎曲試驗后，各彎曲試樣各部位均未出現肉眼可見裂紋及其他缺陷。焊接接頭拉伸及彎曲試驗結果見表7。

表7 焊接接頭拉伸、彎曲試驗

從表7中可以看出，試件A焊接接頭的抗拉強度范圍為674～688 MPa，試件B焊接接頭的抗拉強度范圍為642～681 MPa。與試件A相比，試件B的抗拉強度差別不明顯，且試件A、B焊接接頭的抗拉強度均高于S550MC的抗拉強度最低值600 MPa。試件C焊接接頭的抗拉強度為552、553 MPa，均高于標準中Q355B的抗拉強度下限值470 MPa。

3 效果驗證

綜合考慮試件B對焊后應力消除的效果、焊后加熱對車架縱、橫梁表面質量的影響及生產進度的要求，最終決定采用A、C方案的焊接工藝進行產品的焊接。采用與方案A、C焊接試驗相同的焊接工藝對車架進行焊接，效果良好，焊后對縱、橫梁，對矩形管上對接焊縫按NB/T 47013.2—2015進行100%滲透無損檢測，質量分級均達到I級。該型車已生產多輛，經試驗，車架焊接接頭無裂紋，性能良好，達到了預計要求。

4 結語

對于S550MC高強度鋼同種材質間的焊接，以及S550MC與Q355B鋼異種鋼之間的焊接，通過上述焊接試驗及分析以及產品效果驗證，得出如下結論。

1)S550MC高強度鋼焊接性能良好，不易產生冷裂紋。對于S550MC鋼薄板的焊接，無需焊前預熱、后熱，在合適的焊接工藝下，即可獲得質量優良的焊接接頭。

2)S550MC高強度鋼同種材質間的焊接，采用SLD-70焊絲，在合適的焊接工藝下，焊后進行350～450 ℃保溫1～2 h的熱處理(試件B)或焊后不進行任何加熱處理(試件A)，均能得到質量良好的焊接接頭，滿足要求。

3)S550MC與Q355B鋼異種鋼之間的焊接，采用ER50-60焊絲，采用試件C的焊接工藝，可得到質量良好的焊接接頭，滿足要求。