焊接工藝參數對Q690D高強鋼多層多道焊縫缺欠的影響

劉 晟， 常云峰， 白海明， 郭培璐， 守晨鵬， 劉曉芳

1. 鄭州煤礦機械集團股份有限公司，河南 鄭州 450016

2. 鄭州機械研究所有限公司 新型釬焊材料與技術國家重點實驗室，河南 鄭州 450001

0 前言

煤礦行業的飛速發展對生產質量提出了更高要求，液壓支架結構件作為煤礦荷載力承受和挖掘開采支護的重要構件，對開采質量和安全都起到重要作用。液壓支架結構件一般包含底座、掩護梁、頂梁、連桿等，由于長期服役于高壓、腐蝕、沖擊和磨損等環境中，對焊接質量的要求極為嚴格［1-4］。Q690D鋼是一種調質型低合金高強鋼，具有優良的強韌性匹配，廣泛用于工程機械、煤礦機械、壓力管道、海洋裝備等領域［5-6］。液壓支架結構件通常由Q690D 等低合金高強鋼作為主體結構材料拼焊而成，其焊縫質量將直接影響液壓支架的質量及其性能。

液壓支架結構尺寸大（中型支架單個結構件外形尺寸約為3 500 mm×1 500 mm×550 mm）、板厚大（20～60 mm）、箱形結構多、焊縫數量多，通常需要采用多層多道焊方法［7-10］，焊接工作量極大。雖然目前以機器人焊接為主，但焊接期間仍難以有效解決氣孔、未熔合、夾雜等各種缺欠問題，焊后需要返修，不僅耗時費力，多次修補還有重大的安全隱患［11-14］，因此對液壓支架結構件缺欠防控研究急需開展。

本文以高強鋼Q690D 結構件焊接過程作為研究對象，對不同工藝參數焊接結構件進行取樣分析，通過宏觀截面分析、探傷分析研究工藝參數對焊接缺欠的影響規律，分析液壓支架結構件焊接缺欠的類型及分布特征，提出了焊接缺欠的防控措施，并進行了結構件焊縫缺欠檢測和力學性能測試，為煤礦液壓支架結構件的低缺欠、高質量、高效率焊接生產提供了技術參考。

1 試驗方法

試驗母材為Q690D，焊絲為ER76-G焊絲，直徑1.2 mm，試驗母材與焊絲的化學成分見表1。為充分模擬實際生產情況，焊接缺欠研究試驗采用的是單邊V 形坡口，坡口角度40°，鈍邊2 mm，焊接坡口形式、尺寸均與液壓支架結構件實際生產情況相同，試板厚度采用的是液壓支架結構件中常用的鋼板厚度（20 mm），焊接坡口結構如圖1所示，試板尺寸為300 mm×150 mm×20 mm。為便于進行力學性能檢測試驗取樣，力學性能驗證試驗坡口采用V形坡口，坡口角度60°，鈍邊2 mm，結構示意如圖2 所示，試板尺寸為350 mm×150 mm×20 mm。焊接工作臺為CLOOS自動弧焊系統，焊接電源為QRH390-E，焊接機器人為CLOOS六軸機器人，采用擺動焊接方式，擺動幅度3～5 mm，擺動頻率2 Hz，其他主要焊接工藝參數見表2。

圖1 缺欠研究試驗接頭結構示意Fig.1 Diagram of joint structure for defect research test

圖2 力學性能試驗接頭結構示意Fig.2 Diagram of joint structure for mechanical properties test

表1 母材與焊絲化學成分（質量分數，%）Table 1 Chemical composition of base metal and welding wire （wt.%）

表2 主要焊接工藝參數Table 2 Main welding test process parameters

試驗過程在同一工位使用同一臺設備進行，試驗環境為室內，周圍無穿堂風等因素影響。進行焊接試驗之前采用角磨機清理坡口及周邊銹蝕、氧化皮等異物，并用酒精擦拭。文中的氣孔率是指沿母材法線方向，焊縫氣孔的投影面積與焊縫的投影面積之比［15］，是評價焊縫氣孔多少的一項重要指標。

2 試驗結果與分析

2.1 結構件焊接缺欠類型及其分布特征

不同工藝參數下，煤礦液壓支架結構件接頭中出現的焊接缺欠及其形貌特征如圖3 所示，缺欠類型主要為未熔合、未熔透、氣孔、夾渣等［16-17］，其數量分布如圖4所示，位置分布如圖5所示。

圖3 結構件中焊接缺欠形貌特征Fig.3 Morphology characteristics of welding defects in structural parts

圖4 不同缺欠類型數量分布特征Fig.4 Quantity distribution characteristics of different defect types

圖5 缺欠位置分布特征Fig.5 Defect location distribution characteristics

由圖4可知，結構件接頭中氣孔數量最多，約占總缺欠數量的43%，這主要是由于試驗條件下，部分接頭焊接過程中熔池保護不好，出現大量蟲形氣孔的緣故。未熔透缺欠數量占比次之，約為30%；未熔合缺欠數量約占23%，夾渣與微裂紋等缺欠約占4%。

由圖5 可知，結構件中焊接缺欠主要分布于焊道根部，數量約占缺欠總量的54%，說明對于結構件多層多道焊，根部缺欠傾向大、容忍度低，對工藝條件更為敏感，是結構件焊縫缺欠的重點防控部位，在實際生產中應該高度重視。焊縫中間缺欠數量占比約為39%，側壁和層間缺欠數量占比分別為4%、3%，焊縫中間缺欠數量占比較高是由于部分焊縫熔池保護不好，焊縫中出現大量蟲形氣孔所致。

2.2 工藝參數對焊接缺欠的影響

2.2.1 焊接電流對焊接缺欠的影響

不同焊接電流條件下焊縫的橫截面形貌特征和X 射線探傷照片分別如圖6、圖7 所示，試驗過程中焊絲干伸長為20 mm，拼裝間隙為0 mm，保護氣流量為20 L/min，保護氣成分為20%CO2+80%Ar。由圖6、圖7 可知，隨著焊接電流變大，熱輸入增加，焊縫根部未熔透和未熔合現象有所改善，但根部未熔透現象并未完全消除，且焊縫成形差。隨著熱輸入增加，由于母材板材較厚、坡口角度較小，大量電弧能量作用于熔化兩側母材，導致熔池深度增加有限，從而使得未熔透缺欠不能根除，但根部熔合趨于良好，未熔合缺欠得到很好的抑制。

圖6 不同焊接電流下的焊縫橫截面特征Fig.6 Cross section characteristics of welds under different welding currents

圖7 焊縫X-射線探傷照片Fig.7 X-ray inspection photos

不同焊接電流條件下，焊縫的氣孔缺欠變化情況如圖8所示。由圖8可知，當焊接電流增大時，焊縫氣孔缺欠有所增加，最大增加2.6 倍。說明當熱輸入過大時，熔池穩定性變差，將更多的氣體卷入液態金屬中，同時由于液態熔池金屬的冷卻速度較大，熔池中混入的氣體來不及逸出而殘留在焊縫中形成氣孔［18］，增加了焊縫氣孔缺欠。

圖8 焊接電流對焊縫氣孔率的影響Fig.8 Effect of welding current on weld porosity

2.2.2 保護氣流量對焊接缺欠的影響

不同保護氣流量下焊縫的橫截面形貌特征和X射線探傷照片如圖9、圖10所示，試驗過程中焊絲干伸長為20 mm，坡口拼裝間隙為0 mm，焊接電流為400 A，保護氣成分為20%CO2+80%Ar。由圖9、圖10 可知，隨著保護氣流量增加，根部未熔合缺欠有所改善。這主要是由于保護氣流量在一定范圍內增加時，在促進熔池向根部流動的同時還能保證電弧的挺度［19］，繼而改善了根部的熔合情況。

圖9 不同保護氣流量焊縫橫截面特征Fig.9 Cross section of welded seam

圖10 焊縫X-射線探傷照片Fig.10 X-ray inspection photos

不同保護氣流量條件下，焊縫的氣孔缺欠變化情況如圖11所示。由圖11可以看出，當焊接保護氣流量增加時，焊縫的氣孔缺欠有所增加。說明當保護氣流量過大時，易造成熔池卷入氣體，增加氣孔缺欠。

圖11 保護氣流量對焊縫氣孔率的影響Fig.11 Effect of shielding gas flow on welded seam porosity

2.2.3 焊絲干伸長對焊接缺欠的影響

不同焊絲干伸長條件下焊縫的橫截面形貌特征和X射線探傷照片如圖12、圖13所示。試驗過程中保護氣流量為20 L/min，拼裝間隙為0 mm，焊接電流為400 A，保護氣成分為20%CO2+80%Ar。由圖12、圖13可知，隨著焊絲干伸長的增加，焊縫氣孔增加，但未熔合和未熔透缺欠未有明顯變化。當焊絲干伸長為30 mm 時，焊縫氣孔缺欠顯著增加，尤其在蓋面焊縫，出現大量蟲形氣孔；而在焊道根部，氣孔缺欠很少；在焊道中間的填充層，出現較多的小尺寸氣孔。這主要是由于焊絲干伸長過長時，保護氣對電弧和熔池保護效果變差，且熔池上方氣流紊亂，空氣容易進入熔池形成氣孔。對于打底焊，雖然焊絲干伸長過長，但坡口兩側母材對電弧具有一定的約束效應，提高了電弧挺度，保證了熔池上方的保護氣氛環境，所以氣孔缺欠較少。對于中間的填充層，坡口兩側的約束效應減弱，導致焊縫氣孔有所增加。而對于位于焊道表面的蓋面焊縫，坡口對電弧的約束效應基本消失，熔池幾乎暴露于空氣之中，所以出現大量的蟲形氣孔。

圖12 不同焊絲干伸長條件下的焊縫橫截面特征Fig.12 Cross section characteristics of welds under different wire elongation

圖13 焊縫X射線探傷照片Fig.13 X-ray inspection photos

不同焊絲干伸長條件下，焊縫的氣孔缺欠變化情況如圖14 所示。由圖14 可知，當焊絲干伸長為15 mm和20 mm時，氣孔缺欠差異不大，均較低，當焊絲干伸長增加到30 mm 時，氣孔率急劇增加，高達55%。上述現象表明，當焊接保護氣體流場的防護作用減弱時，氣孔缺欠的產生是必然的。

圖14 焊絲干伸長對焊縫氣孔率的影響Fig.14 Effect of wire extension on weld porosity

2.2.4 拼裝間隙對焊接缺欠的影響

不同拼接間隙條件下焊縫的橫截面形貌特征和X-射線探傷照片如圖15、圖16 所示。試驗過程中保護氣流量為20 L/min，焊絲干伸長為20 mm，焊接電流為400 A，保護氣成分為20%CO2+80%Ar。由圖15、圖16可知，隨著拼裝間隙的增加，焊縫根部未熔合和未熔透缺欠程度有所降低，當拼裝間隙達到2 mm 時，焊縫根部未熔合和未熔透缺欠得到明顯抑制，甚至消除。這主要是由于拼裝間隙足夠大時，熔池的重力大于熔池底部液體的表面張力，熔池向下流淌；同時，拼裝間隙增加后，同一水平位置的坡口寬度增加，電弧用于熔化兩側母材的能量減弱，熔深會有所增加，所以根部未熔合和未熔透缺欠有所改善。因此，對于煤礦液壓支架結構件，在實際生產過程中，應當適當增加拼裝間隙，可以有效改善焊縫的根部熔合質量。

圖15 焊縫橫截面特征Fig.15 Cross section of welded seam

圖16 焊縫X-射線探傷照片Fig.16 X-ray inspection photos

2.2.5 保護氣體成分對焊接缺欠的影響

不同保護氣氛條件下焊縫的橫截面形貌特征和X-射線探傷照片如圖17、圖18 所示。試驗過程中焊接電流為400 A，焊絲干伸長為20 mm，保護氣流量為20 L/min，拼接間隙為1 mm。

圖17 焊縫橫截面特征Fig.17 Cross section of welded seam

圖18 焊縫X-射線探傷照片Fig.18 X-ray inspection photos

由圖17 可知，不同保護氣氛下，焊縫成形沒有明顯差異，但當采用15%CO2+5%O2+80%Ar 時，焊縫流動性增強，焊縫鋪展性變好。由圖18 可知，除5%O2+95%Ar 保護氣氛外，其余焊縫氣孔等缺欠均較少。結合圖17c 可知，5%O2+95%Ar 保護氣氛下焊縫的氣孔主要出現在焊縫根部，其他位置未見氣孔缺欠。對于5%O2+95%Ar 保護氣氛，熔池流動性較差，氣孔不易逸出；加上根部受限于空間位置影響，焊縫的穩定性相對較差，焊接過程中保護氣體又受到兩側母材的約束，氣流紊亂，部分保護氣會被卷入熔池形成氣孔［19］；另外，焊縫根部有鈍邊，坡口根部容易藏污納垢且不易清除，易引起氣孔、夾雜等缺欠。

2.3 工藝驗證及力學性能研究

根據試驗中結構件焊接缺欠的分布特征和工藝參數對焊縫缺欠的影響規律，優選焊接工藝參數，進行工藝驗證試驗，并進行力學性能測試。在實際生產過程中，為提高焊接生產效率，在保證焊接質量的同時應盡量提高焊接速度，而對于煤礦液壓支架結構件，焊縫根部是缺欠防控的重中之重，因此在試驗過程中，根部打底焊焊接速度較慢，對于缺欠相對較少的填充焊和蓋面焊，應適當增加焊接電流和焊接速度，最終優化的焊接工藝見表3。考慮到生產成本，保護氣選用20%CO2+80%Ar。

表3 焊接缺欠驗證試驗焊接參數Table 3 Parameters of welding defect verification test

采用優化的工藝參數焊接的模擬試件焊縫截面和X-射線探傷照片如圖19所示，焊縫熔透良好，根部、側壁、焊道間熔合良好，未見明顯的氣孔、未熔合等缺欠。力學性能試樣X-射線探傷照片如圖20所示，焊縫未完全熔透，但內部無明顯氣孔、未熔合等缺欠。截取力學性能試樣時，取焊縫中間位置，焊縫根部和表面均車加工去除5 mm，去除根部未熔透缺欠。力學性能試樣的氣孔率、接頭抗拉強度、沖擊韌性見表4，其中，沖擊試驗采用的是V 形缺口，試驗在室溫下進行。由表4可知，在優選的工藝條件下，焊縫接頭抗拉強度可靠，為798.6 MPa，沖擊韌性優良，達198.6 J，完全滿足使用要求。

圖19 焊縫橫截面特征和X-射線探傷照片Fig.19 Weld cross section characterist

圖20 力學性能試樣焊縫X-射線探傷照片Fig.20 X-ray inspection photos

表4 接頭氣孔率和力學性能Tab.4 Porosity and mechanical properties

3 結論

（1）液壓支架結構件用Q690D高強鋼多層多道焊中焊接缺欠類型以氣孔、未熔透和未熔合為主，缺欠位置主要分布于焊縫根部和中間，其中，焊縫根部缺欠最多，約占缺欠總量的54%，是結構件多層多道焊缺欠防控的重點位置。

（2）試驗范圍內，焊接電流、保護氣流量、焊絲干伸長等參數對焊縫內氣孔、未熔合等缺欠影響較大，而對焊縫根部缺欠無明顯影響；保護氣類型對焊縫缺欠影響較小；拼接間隙對根部缺欠影響較大，當拼接間隙為2 mm 時可有效減少焊縫根部未熔合、未熔透等缺欠。

（3）優化工藝參數后，焊縫缺欠明顯降低，無明顯未熔透、未熔合等缺欠，氣孔率約為2.1%，接頭抗拉強度達798.6 MPa，沖擊功達198.6 J，接頭性能良好。