Q690E調質鋼板的可焊性和最佳焊接工藝研究

摘 要：對南方某鋼廠生產的Q690E低合金高強調質鋼的可焊性進行研究，選用20 mm厚的母材采用兩種焊接參數及層道次進行焊接，對其力學性能、沖擊性能、彎曲性能、焊接區域顯微組織和硬度進行檢測，得到焊接效率較高且性能滿足鋼材使用要求的焊接工藝。研究結果將為實際生產中Q690E材料的焊接應用提供可靠的理論依據和技術指導。

關鍵詞：Q690E；低合金高強調質鋼；焊接工藝

Q690E RESEARCH ON WELDABILITY AND OPTIMAL WELDING PROCESS

Chen Lin Chen Jianxin Zhu Hong-xiang Liang Guangcheng Huang Richeng Wang Xusheng

（Technical Management Department， Guangxi Shenglong Metallurgy Co.， Ltd. Fangchenggang 538000， China）

Abstract：This paper aims to study the weldability of Q690E low alloy high emphasis steel in a southern steel plant， choose 20 mm thick base material using two welding parameters and layer welding， the mechanical properties， impact properties， bending properties， microorganization and hardness of welding area， get high welding efficiency and the performance meet the requirements of steel. The research results will provide a reliable theoretical basis and technical guidance for the welding application of Q690E material in the actual production.

Key words：Q690E;low alloy and high emphasis on weight steel; welding process

0 引 言

Q690E是南方某鋼企按GB/T16270-2009《高強度結構用調質鋼板》生產的一款低合金高強調質鋼，產品以熱軋淬火+高溫回火狀態交貨，應用于工程機械、攪拌車、泵車、砂漿設備的吊臂、支臂架、副臂、支撐臂、伸縮臂、輸送管、罐體、鏟車零部件、改裝車廂梁。焊接是衡量鋼鐵材料能否實現其應用價值的重要手段，因此在對該材料研究的同時要特別重視對其焊接性的研究，高強鋼焊接接頭性能不同于母材，究其根本在于焊接熱循環的作用。在焊接熱循環的作用下，接頭晶粒長大，并發生不同的組織轉變，進而會影響到其力學性

能[2-3] 。通過焊接試驗，得到焊接效率較高且性能滿足Q690E使用要求的焊接工藝。

1 母材成分和性能

本文使用的焊接母材為南方某鋼企開發的Q690E，其成分和力學性能分別見表1和表2，金相組織為回火索氏體。

2 預熱溫度的確定

2.1 碳當量法

由于焊接熱影響區的淬硬及冷裂紋傾向與鋼種的化學成分有密切關系，因此可以用化學成分間接評估鋼材冷裂紋的敏感性。各種元素中，碳對冷裂紋敏感性的影響最顯著。可以把鋼中合金元素的含量按相當于若干碳含量折算并疊加起來，作為粗略評定鋼材冷裂紋傾向的參數指標，即所謂碳當量（CE或Ceq）[4]。根據Q690E的成分和性能可采用日本JIS標準規定的碳當量計算公式即：

通過公式（1）可計算出=0.52%gt;0.5%，鋼材易淬硬需要預熱才防止裂紋。使用日本工業標準（JIS）計算碳當量，且板厚δlt;25 mm；又因Q690E的強度要求為770 ～ 940MPa，屬于800 MPa級鋼材，由表3可得出Q690E的預熱溫度在100 ～ 150℃之間。

2.2 冷裂紋敏感性指數法

目前一般采用焊接裂紋敏感指數來評估低合金高強鋼冷裂紋敏感指數。若考慮到焊縫金屬中擴散氫及不同板厚對焊接冷裂紋的影響，可在Pcm的基礎上進一步得到Pc 值，根據Pc 值可以計算出理論最低預熱溫度T0[5]。

式中：Pcm為焊接冷裂紋敏感系數，Pc為冷裂紋敏感性，[H]為熔敷金屬中擴散氫含量，δ為焊材厚度、T0為最低預熱溫度。按照上述公式計算出Pcm、Pc和T0，結果見表4。可知Q690E的Pcm為 0.288%gt;0.20%，表明20 mm厚的Q690E鋼板有一定的冷裂敏感性，焊前需要進行預熱，且預熱溫度需要大于等于130 ℃。

2.3 預熱溫度的選擇

由碳當量法得出Q690E的預熱溫度在100 ～ 150℃之間，由冷裂紋敏感性指數法得出預熱溫度需要大于等于130 ℃，根據兩種方法綜合選擇Q690E預熱溫度大于等于130 ℃。

3 焊接試驗

3.1 焊接設備

本次試驗使用的焊機為佳士A500，采用手工實心焊絲富氬+二氧化碳保護焊（GMAW-Ar）；保護氣體：80%Ar+20%CO2。

3.2 焊絲的選擇

此次試驗采用GMAW-Ar焊接方法，按照等強原則選擇焊材，選用JQ.MG80-G焊絲，φ1.2 mm焊絲成分和力學性能見表5、表6。

3.3 焊接接頭類型和順序

此次焊接采用雙Y型對接焊；接頭類型見圖1；兩次試驗編號為1和2，1號和2號的焊接順序見圖2、圖3。

3.4 焊接工藝參數

本次試驗設計焊接工藝見表7，由于采用手工焊焊接參數有所波動，實際參數見表8。

3.5 焊接過程注意事項

焊前待焊坡口及周圍50 mm范圍內需打磨出金屬光澤[6]、水分等雜質；層間打磨時需清理掉上一道的焊渣，層間清理不徹底時會出現夾渣缺陷[7]；將焊縫表面的過高凸起部分打磨平整，防止過度打磨損傷母材或影響焊縫力學性能；打磨要均勻，使層間過渡平滑，避免出現局部凹陷或凸起；打磨后要清理干凈打磨產生的金屬屑等雜物；打磨后層間溫度低于預熱溫度時，需重新加熱焊縫及周圍50 mm，使之高于預熱溫度。

4 焊接接頭性能測試

焊接24 h后對焊板進行超聲波探傷，避開缺陷位置對焊板做拉伸、彎曲、沖擊、顯微組織和硬度檢測，進行焊接工藝評定。焊接工藝評定參照標準GB/T 19869.1-2005。

4.1 物理性能

焊后物理性能檢測結果見表9；拉伸后的試驗見圖4、圖5，彎曲后的試樣見圖6、圖7。由表9可以看出，1號、2號鋼板的抗拉強度均高于母材強度要求的最低值770 MPa，K抗拉強度合格。1號拉伸試驗斷裂位置都在母材，2號拉伸試樣一個斷在母材另外一個斷在熱影響區，說明隨著熱輸入的提高，熱影響區軟化程度更大，抗拉強度降低；1號側彎試樣雖然有裂紋，但裂紋長度小于3 mm，彎曲試驗合格；1號、2號沖擊功均高于母材要求最低值47 J，沖擊功合格；且1號熱影響區和焊縫沖擊功都大于2號，說明熱輸入的提高會降低焊縫和熱影響區的沖擊功。

4.2 低倍及顯微組織

1號焊板和2號焊板的低倍分別見圖8、圖9，顯微組織見圖10。從圖8和圖9可以看出，焊接接頭沒有現裂紋、夾渣、氣孔、未熔合等缺欠。從圖10可以看出，使用1號工藝焊接的鋼板焊縫顯微組織為鑄態枝晶、過熱區顯微組織為M、正火區顯微組織為B+F+少量M、部分相變區顯微組織為B+F、母材顯微組織為S回；2號工藝焊接的鋼板過熱區顯微組織為M+B、正火區顯微組織為B+F，其他區域顯微組織與1號工藝焊接接頭對應區域顯微組織相同；1號工藝過熱區和正火區淬硬組織更多，是因為1號焊板焊的道次更多，單道次熱輸入更?。幌嗤鋮s條件下，冷卻速度大于1號焊板，更容易生成淬硬組織。

4.3 硬度

1號和2號的焊接接頭維氏硬度（HV10）分布結果見圖11、圖12。1號母材硬度為282～293、熱影響區硬度為271～417、焊縫硬度為300～321、最高硬度為417。2號母材硬度為266～289、熱影響區硬度為265～405、焊縫區硬度為266～285，最高硬度為405。Q690E屬于標準ISO/TR15608：2005中第3類鋼材，焊后的最大允許維氏硬度（HV10）為450[8-9]。Q690E焊接接頭維氏硬度（HV10）最高硬度為417lt;450，Q690E焊接接頭硬度合格。

5 分析與討論

選擇130 ℃作為預熱溫度，焊后用5倍放大鏡觀察焊縫表面沒有發現裂紋，且后續拉伸試驗、彎曲試驗沖擊試驗檢測結果都合格，所以經試驗驗證預熱溫度滿足要求。

從圖11、圖12可以看出，1號焊縫硬度高于母材硬度，2號焊縫下焊道硬度與母材相當，上焊道硬度低于母材，與焊接工藝和焊接層道次相對應。1號正、背兩面蓋面都是焊的2道，蓋面單道次熱輸入最大為9.71 kJ/cm；2號正面蓋面熱輸入16.58 kJ/cm大于背面熱輸入14.19 kJ/cm，熱輸入越小冷卻速度越快，硬度越大。1號、2號熱影響區都有明顯硬化和輕微軟化，是因為Q690E淬透性較好，過熱區生成粗大的M或M+B強度、硬度提高，部分相變區生成B+F硬度、強度降低，與拉伸試樣斷裂位置相對應。

以熱軋或回火狀態交貨的800 MPa級超級鋼以5 ～ 11.5 kJ/cm的熱輸入進行焊接焊后熱影響區硬度都低于母材，焊接接頭抗拉強度較母材下降8% ～ 16%，過熱區是800 MPa超級鋼焊接接頭最薄弱的區域，且隨著焊接熱輸入的增大，焊接接頭的強度逐漸減小[10-11]。而以調質狀態交貨的Q690E淬透性更好，過熱區快速冷卻硬度高于母材，只有靠近部分相變區才有輕微軟化，接頭抗拉強度無明顯下降，調質狀態交貨的Q690E具有焊后強度穩定的優勢。

在高強鋼焊接中，多層焊的焊縫質量比單層焊好，多層多道焊的焊縫質量比多層焊好，在厚板焊接中，首選多層多道焊技術[12]。在本次試驗中也是焊接層道次較多的1號工藝焊板綜合性能更加優越；但現場生產應在保證質量的情況下盡可能的節約成本，Q690E焊接性能穩定，采用多層焊的2號工藝綜合性能只是略低于1號，仍滿足質量要求，且2號工藝打磨量更少，打磨器材損耗更小，所需焊材更少；焊接所費總時間更少，效率更高，交貨周期更短；所以混合氣體保護焊焊接的Q690E在單道焊縫線能量不超過16 J/cm可采用多層焊進行焊接。

研究[13]表明：粗晶區組織中馬氏體含量較多，更易于冷裂紋的萌發。與本次試驗中1號粗晶區（過熱區）馬氏體比2號多，1號側彎存在開裂，2號裂紋率為零相符。1號的側彎開裂原因可能是過熱區馬氏體組織較多，馬氏體塑韌性與其它差別較大導致的，有條件的情況下可以采取焊后緩冷，能減少或避免淬硬組織的產生，減小彎曲出現裂紋的幾率。

6 結 論

1）預熱溫度130 ℃滿足20 mm厚的Q690E雙Y型坡口對接焊要求。

2）8道次焊接和5道次焊接都能使焊接質量指標滿足《GBT 19869.1-2005 鋼鎳及鎳合金的焊接工藝評定試驗》中的要求，Q690E具有良好的可焊性。

3）20 mm厚的Q690E采用5道次焊接比8道次焊接產生裂紋的幾率降低，焊接成本更低，焊接難度更小，焊接效率更高，更適合生產現場焊接。

4）在單道焊縫線能量不超過16 kJ/cm焊接20 mm厚的Q690E時，可采用多層焊取代多層多道焊。

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第一作者：陳琳，男，29歲，技術員

收稿日期：2024-07-15