高強(qiáng)鋼實(shí)芯焊絲焊接工藝研究

沈波，吳正峰，田小林

南通振華重型裝備制造有限公司 江蘇南通 226000

1 序言

目前，公司海工平臺(tái)事業(yè)部涉及EH690級別鋼材的焊接均采用焊條電弧焊方式，因其焊接效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，并且現(xiàn)階段焊工日趨老齡化，年輕人又不愿從事焊接工作，所以各種因素直接影響了生產(chǎn)進(jìn)度。為提高生產(chǎn)效率，雖然曾采用藥芯焊絲進(jìn)行高強(qiáng)鋼現(xiàn)場焊接，但因其抗裂性相對較差，且現(xiàn)場焊接條件極為苛刻，所以多次導(dǎo)致焊接質(zhì)量事故。為改變目前現(xiàn)狀，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)也為后期大批量采用焊接小車進(jìn)行高強(qiáng)鋼焊接做好技術(shù)儲(chǔ)備，公司專門進(jìn)行大熱輸入的焊接試驗(yàn)，確認(rèn)在大電流、大熱輸入的焊縫金屬力學(xué)性能的合理范圍。

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用焊接小車進(jìn)行試板焊接，確保焊接過程中熱輸入的穩(wěn)定性，熱輸入分為2.0kJ/mm、2.5kJ/mm、3.0kJ/mm3種，焊接完成后立即對試板進(jìn)行后熱處理。后熱溫度和時(shí)間為（280±20）℃保溫2h，之后經(jīng)理化試驗(yàn)來確認(rèn)3種熱輸入的焊接接頭的力學(xué)性能是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（1）試驗(yàn)材料 試驗(yàn)采用舞陽鋼鐵責(zé)任有限公司生產(chǎn)的EH690低碳調(diào)質(zhì)鋼板，厚度為30mm。EH690鋼板屬于高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，其具有良好的塑性、韌性、耐磨性以及焊接性，廣泛用于煤礦機(jī)械、工程機(jī)械等重要構(gòu)件。EH690鋼板的化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。通過表1、表2得知，試驗(yàn)采用的母材化學(xué)成分及力學(xué)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 EH690鋼板的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 EH690鋼板的力學(xué)性能

（2）焊接材料 焊接材料采用等強(qiáng)匹配的原則，選用新日鐵NSSW YM-80A（φ1.2mm）和神鋼MG-S88A（φ1.2mmm）實(shí)芯焊絲，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為JIS Z3312 G78A6UM N7M4T；焊接保護(hù)氣體采用80%Ar+20%CO2混合氣，以減少焊接過程中的飛濺，兩種焊接材料的化學(xué)成分見表3。

表3 焊接材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（3）焊接工藝 具體焊接工藝過程如下。

1）確定焊接預(yù)熱及后熱溫度。低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接性的主要特點(diǎn)是：在焊接熱影響區(qū)，特別是焊接熱影響區(qū)的粗晶粒區(qū)有產(chǎn)生冷裂紋和韌性下降的傾向，在焊接熱影響區(qū)受熱時(shí)為完全奧氏體化的區(qū)域，以及受熱時(shí)高于Ac1；而高于鋼調(diào)質(zhì)處理的回火溫度的區(qū)域有軟化和脆化的傾向。低碳調(diào)質(zhì)鋼的淬硬傾向較大，但在焊接熱影響區(qū)的粗晶區(qū)形成的是低碳馬氏體，而這類鋼的Ms點(diǎn)較高，在焊接冷卻的過程中，所形成的馬氏體可以自回火，因而這類鋼的冷裂傾向比中碳調(diào)質(zhì)鋼小得多。為了可靠地防止冷裂紋的產(chǎn)生，還必須嚴(yán)格控制焊接時(shí)焊縫中的氫含量，并制定合適的焊接工藝。

根據(jù)日本JIS和WES標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的碳當(dāng)量公式：

計(jì)算EH690鋼碳當(dāng)量為0.47%，依照冷裂敏感指數(shù)的計(jì)算公式：Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B(%)計(jì)算得知，EH690鋼冷裂紋敏感系數(shù)為0.2335。又根據(jù)Pcm、板厚h或拘束度R，建立了冷裂敏感性Pc、冷裂敏感指數(shù)Pcm及防止冷裂所需要的預(yù)熱溫度的計(jì)算公式。

式中H——熔敷金屬中擴(kuò)散氫含量（mL/100g，甘油法）；

R——接縫拉伸拘束度(kg/mm·mm)；

h——板厚(mm)；

Pcm——冷裂敏感指數(shù)。

當(dāng)Pc＞0時(shí)，即有產(chǎn)生裂紋的可能性，經(jīng)計(jì)算得知Pc=0.3585。

利用Pc、Pw公式，可以計(jì)算出無裂紋焊縫所需預(yù)熱溫度：

兩式適用條件：擴(kuò)散氫含量[H]為1.0～5.0mL/100g；板厚為19～50mm；熱輸入為17～30kJ/cm；經(jīng)計(jì)算得出防止冷裂紋所需的預(yù)熱溫度為124℃，最高道間溫度按照AWS D1.1相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求確定為200℃；試板焊接完成立即在280℃±20℃區(qū)間范圍內(nèi)進(jìn)行后熱，后熱時(shí)間為2h，后熱的作用是讓焊縫中的擴(kuò)散氫能夠及時(shí)的逸出。避免延遲裂紋的出現(xiàn)。

2）焊接參數(shù)設(shè)定。實(shí)芯焊絲直徑為1.2mm，試驗(yàn)焊接參數(shù)原計(jì)劃采用300～360A，電弧電壓采用25～30V。經(jīng)過多次試驗(yàn)，現(xiàn)有的焊接小車設(shè)備無法滿足上述參數(shù)，多次出現(xiàn)電極熔斷的情況，后續(xù)對參數(shù)進(jìn)行修正和調(diào)整，并經(jīng)過試驗(yàn)性焊接后，焊接電流采用250～270A，電弧電壓采用26～30V。

3）熱輸入范圍設(shè)定。一般焊接材料在正常的熱輸入范圍內(nèi)焊接問題不大，但實(shí)際焊接過程中經(jīng)常采用較大熱輸入，以求較好的熔透性及大幅提高生產(chǎn)效率。另外，從經(jīng)驗(yàn)來看，由于熱輸入在≤2.0kJ/mm的焊接接頭的性能均能保證，因此此次熱輸入試驗(yàn)主要采用2.0kJ/mm、2.5kJ/mm、3.0kJ/mm3種，以驗(yàn)證實(shí)芯焊絲在大焊接電流、電弧電壓、較慢的焊接速度下焊接接頭的力學(xué)性能是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)際焊接過程中，熱輸入范圍有些波動(dòng)，但是波動(dòng)區(qū)域均在±0.2kJ/mm范圍內(nèi)，焊前預(yù)熱，焊接過程中的溫度區(qū)間控制，以及焊后立即進(jìn)行后熱消氫處理均按照工藝要求進(jìn)行。后熱完成后48h后進(jìn)行MT/UT檢測，試板的外觀和試板內(nèi)部無損檢測，結(jié)果符合ISO 5817—2014 B級標(biāo)準(zhǔn)要求。之后按照CCS中國船級社《材料與焊接規(guī)范》2018標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行試樣加工，每組試板取橫向拉伸試樣2組，側(cè)彎試樣4組，沖擊試樣6組（標(biāo)準(zhǔn)要求5組），宏觀及硬度試樣共2組，試驗(yàn)結(jié)果（數(shù)據(jù)為每組試樣平均值）見表4～表6。另外，需要說明的是在焊接過程中發(fā)現(xiàn)新日鐵YM-80A熔敷金屬表面幾乎沒有焊渣，些許焊渣經(jīng)過鋼絲輪略微清理即可全部清理干凈（見圖1），而神鋼MG-S88A焊接過程中在熔敷金屬表面形成的黑色焊渣極難清理（見圖2），且經(jīng)過鋼絲輪打磨仍舊難以清理干凈，這對保證焊接質(zhì)量及生產(chǎn)效率的提高有著極為不利的一面。

圖1 新日鐵YM-80A焊渣機(jī)械清理后

圖2 神鋼 MG-S88A焊渣機(jī)械清理后

表4 試樣力學(xué)性能

從表4數(shù)據(jù)可以看出，從屈服強(qiáng)度來看，兩種焊接材料的熔敷金屬均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求并有一定富余空間，且新日鐵稍遜于神鋼；從抗拉強(qiáng)度來看，兩者均合格，且新日鐵隨著熱輸入增加，數(shù)值小幅上揚(yáng)，神鋼則表現(xiàn)平穩(wěn)；從伸長率來看，兩種焊接材料均符合標(biāo)準(zhǔn)要求還有上升空間，隨著熱輸入的加大，新日鐵焊接材料表現(xiàn)平穩(wěn)，而神鋼焊接材料伸長率數(shù)據(jù)則呈逐漸下降趨勢。

（1）彎曲試驗(yàn) 根據(jù)CCS中國船級社《材料與焊接規(guī)范》2018標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行側(cè)彎試驗(yàn)。每組評定4個(gè)試樣，彎曲試樣表面任何方向上表面缺陷不得超過3mm，試樣規(guī)格為10mm×30mm×250mm，壓頭直徑按結(jié)構(gòu)鋼焊縫彎曲試驗(yàn)要求中焊接工藝認(rèn)可試驗(yàn)規(guī)定：試樣材料最小屈服強(qiáng)度規(guī)定值500MPa＜Reh≤690MPa，壓頭直徑為6倍板厚，即為60mm，彎曲角度為180°。新日鐵YM-80A焊接試板進(jìn)行加工的彎曲試樣，表現(xiàn)出良好的塑性和延展性；神鋼MG-S88A焊接試板進(jìn)行加工的試樣在彎曲試驗(yàn)中出現(xiàn)角部裂紋及其他裂紋，試驗(yàn)不合格。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，神鋼焊接材料焊接的坡口焊縫接頭的完好性和延展性不足。

（2）沖擊試驗(yàn) 從表5沖擊吸收能量數(shù)據(jù)可以看出，使用新日鐵YM-80A焊接材料焊接的3組不同熱輸入試樣，無論是焊縫中心、熔合線、熔合線+2mm等均超過標(biāo)準(zhǔn)要求，焊縫中心隨著熱輸入的加大先小幅下降之后再次躍升，由此可以看出新日鐵焊接材料比較適用于大的熱輸入。因?yàn)榇蟮臒彷斎敕炊梢员ＷC焊縫的沖擊韌性，所以沖擊吸收能量試驗(yàn)合格。而使用神鋼MG-S88A焊接材料焊接的試件熱輸入提高到3.0kJ/mm左右時(shí)，焊縫中心沖擊值再次降值33.9J（標(biāo)準(zhǔn)值下限時(shí)32.2J）也是勉強(qiáng)合格，韌性偏低且余量不足。由此可以看出，神鋼焊接材料不適用大熱輸入的焊接。

表5 試樣沖擊吸收能量結(jié)果 （J）

（3）硬度試驗(yàn) 從表6硬度數(shù)據(jù)可以看出，兩種焊接材料的硬度均在標(biāo)準(zhǔn)容許范圍之內(nèi)，但相對來說神鋼MG-S88A焊接材料的焊接區(qū)域及熱影響區(qū)的硬度高于新日鐵YM-80A焊接材料。由此可以看出，神鋼焊接材料焊接的焊縫接頭質(zhì)量低于新日鐵焊接材料焊接的接頭質(zhì)量。

表6 試樣硬度測試 （HV）

4 結(jié)束語

本文通過對新日鐵YM-80A、神鋼MG-S88A兩種焊接材料，在不同熱輸入條件下進(jìn)行焊接試驗(yàn)，在EH690高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的焊接結(jié)果可以看出，在大熱輸入條件下，新日鐵YM-80A焊接材料具有更好的力學(xué)性能，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。通過試驗(yàn)積累數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)，為日后的高效焊接提供有效的經(jīng)驗(yàn)。