淺析超高強鋼焊接

1、淺析超高強度鋼的焊接張 勇摘要：針對性地介紹了超高強度鋼焊接時如何合理選擇工藝參數(shù)、存在的主要問題、注意事項及應(yīng)采取的預(yù)防措施。關(guān)鍵詞：超高強度鋼；焊接；冷裂紋；疲勞 超高強度鋼一般是指屈服強度大于700Mpa的細(xì)晶粒高強鋼，如：HQ80（鞍鋼）、STE690、STE890、STE960（德國）、WELDOX700、WELDOX900、WELDOX960、WELDOX1100（瑞典奧克隆德鋼鐵公司）等。其焊接存在的主要問題為：焊接氫致裂紋（冷裂紋）、焊接熱影響區(qū)軟化及韌性下降、焊接接頭的疲勞等。本文針對高強鋼焊接進(jìn)行比較詳細(xì)的分析和介紹。1高強鋼焊接目標(biāo)：在焊接接頭處獲得適當(dāng)?shù)膹姸龋估瓘姸群?/p>

2、疲勞強度），在焊接接頭處獲得良好的韌性，避免產(chǎn)生冷裂紋。2防止冷裂紋措施 2.1 焊前預(yù)熱 預(yù)熱對對接焊縫和根部焊道最為重要，焊接過程中和焊接后的溫度越高，則氫越易從鋼中逸出；鋼板越厚，預(yù)熱的必要性越大，以補償厚板更快的冷卻速度，而且厚板比薄板的碳當(dāng)量（CE）值更高。工件具體的預(yù)熱溫度和要求見表一與圖一，如果不同鋼種的焊接或所用焊材的碳當(dāng)量比母材高，則預(yù)熱溫度由碳當(dāng)量高的母材或焊材的碳當(dāng)時決定。 2.2確保焊接面的清潔和干燥產(chǎn)生冷裂紋的主要原因是有應(yīng)力存在的焊縫金屬中有氫的存在。焊件在組裝前應(yīng)徹底清除坡口表面及附近母材上的各種臟物（例如：氧化皮，鐵銹，油污，水份等，這些臟物在焊接時分解出氫而導(dǎo)

3、致焊縫產(chǎn)生延遲紋或氣孔，使焊接接頭性能受損），直至露出金屬光澤并保證清理范圍內(nèi)無裂紋與夾層等缺陷。2.3減小構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力推薦精選通過采用良好的焊接順序；合理組裝，避免強力組對以減少構(gòu)件的殘余應(yīng)力；焊接組裝時應(yīng)將工件壓緊或墊置牢固，以防止因焊接受熱而產(chǎn)生附加的應(yīng)力和變形。2.4選擇含氫量小的焊接材料選用的焊接材料其熔敷金屬含氫量應(yīng)小于5ml/100g；為了避免吸潮，焊接材料應(yīng)根據(jù)廠家的規(guī)定進(jìn)行儲存，使用前按廠應(yīng)家要求重新烘焙，以免工件在焊后或使用過程中產(chǎn)生延遲冷裂紋。2.5焊后后熱消氫處理在焊接完成后，立即將焊件后熱到150-250，并按每毫米板厚不少于5分鐘進(jìn)行恒溫處理后緩冷（且總的恒溫時間不得

4、小于1小時），確保焊接接頭中的殘余氫能擴(kuò)散逸出，減少延遲冷裂紋的產(chǎn)生。2.5焊后熱處理進(jìn)行焊后熱處理是為了減少焊接殘余應(yīng)力，高強鋼焊后一般不進(jìn)行焊后熱處理，熱處理會使接頭的某些機(jī)械性能下降，如：沖擊韌性等。只有在設(shè)計規(guī)則有特殊說明時，方應(yīng)進(jìn)行焊后熱處理。但應(yīng)注意其焊后熱處理溫度不能超過其調(diào)質(zhì)回火溫度。圖一：預(yù)熱溫度測量位置及當(dāng)量板厚的確定 S3=0 S1= S2鋼板的當(dāng)量板厚SK=S1+S2+S3，或至少為2倍板厚推薦精選S1=距焊縫金屬75mm內(nèi)的平均厚度采用火焰預(yù)熱時，焰芯距板間的距離應(yīng)大于50mm預(yù)熱溫度與當(dāng)量板厚的關(guān)系： 表一 母 材不同當(dāng)量板厚（SK=S1+S2+S3 ,mm）的預(yù)熱

5、溫度層間溫度2030405060708090100110120130Q235-A225-250Q295（09Mn等）225-250Q345(16Mn等)150225-250Q390(15MnTi等)不需預(yù)熱200-225Q450(HQ60等)200-225Q590(HQ70等)150150-175Q685(HQ80等)150-175WELDOX900，StE890150-175WELDOX960，StE960150150-175WELDOX1100175150-175注：1.如果環(huán)境濕度大或溫度低于5，則表內(nèi)所給溫度應(yīng)增加25；如果工件屬剛性固定， 預(yù)熱溫度應(yīng)相應(yīng)增加。 2.在當(dāng)量板厚小于極限

6、值，工件溫度低于5或空氣濕度大于65%時應(yīng)將工件預(yù)熱5080。 3.適用于相應(yīng)強度級別的鑄鋼。 舉例： WELDOX900的極限當(dāng)量板厚對應(yīng)為20mm，即對T形接頭必需從20/3=7mm板厚開紿預(yù)熱，而對接接頭則從 20/2=10mm板厚起開始預(yù)熱。 已知：S1=15mm S2= S1 .則： SK=S1+S2+S3 S3=10mm =15mm+15mm+10mm = 40mm 即Q450，Q390，Q345，Q295，Q235均不需預(yù)熱；Q590，Q685，WELDOX900等需預(yù)熱150 3高強鋼焊接材料選擇的一般原則3.1對于超高強度鋼，由于強度提高，鋼材塑性、韌性不斷下降。如果仍采用等

7、強原則，選用高組配的焊接接頭，焊縫的韌性將進(jìn)一步降低，將可能導(dǎo)致由焊縫金屬韌性不足引起低應(yīng)力脆性破壞。所以高強鋼焊接時應(yīng)采用等韌性原則，選擇焊縫韌性不低于基體金屬的低組配焊接接頭比較合理。采用低強的焊縫金屬并不總是意味著焊接接頭的強度一定低于母材，只要焊縫金屬的強度不低于母材的87%，仍可保證接頭與母材等強。推薦精選3.2焊接材料選擇由焊接接頭機(jī)械性能要求而定，選擇焊材屈服強度時有以下選擇原則：a 低強度焊接金屬（焊縫金屬屈服強度低于母材的屈服強度） b 等強度焊接金屬（焊縫金屬屈服強度等于母材的屈服強度） c 高強度焊接金屬（焊縫金屬屈服強度高于母材的屈服強度） 當(dāng)所焊鋼種的屈服強度處于70

8、01100MPa之間，板材較厚時，需匹配不同成分的焊接材料。例如：根部焊道采用軟基焊料打底，填充與蓋面采用高強度焊料；對角焊而言通常采用低強焊料。選用低強焊接材料比選擇高強焊接材料（屈服強度大于500Mpa）所具的優(yōu)點是：焊縫金屬的韌性大；焊接接頭延伸性能好；產(chǎn)生裂紋的可能性減小。Q235，Q295，Q345，Q390高強焊接金屬Q(mào)450高強或等強焊接金屬Q(mào)590，Q685等強或低強焊接金屬WELDOX900，StE890低強焊接金屬WELDOX960，StE960低強焊接金屬WELDOX1100低強焊接金屬3.3熔敷金屬的含氫量應(yīng)不超過5ml/100g，焊接金屬的沖擊韌性至少要與鋼板的沖擊韌

9、性一樣。4高強鋼焊接參數(shù)高強鋼焊接的主要問題焊接冷裂紋和焊縫熱影響區(qū)韌性的降低，為此必須在選擇含氫量低的焊接方法的同時應(yīng)嚴(yán)格地控制焊接線能量，控制t8/5的冷卻時間(焊縫從800冷卻到500的時間，一般控到6-20秒，具體要根據(jù)鋼材廠家提供的參數(shù)來確定)以得到合理的焊縫金相組織。各種焊接方法熱輸入量計算可參照下述方法進(jìn)行推薦精選序號焊接方法電弧效率焊縫含氫量1手工電弧焊0.85ml/100g2氣體保護(hù)焊0.853ml/100g2藥芯焊絲電弧焊0.95-6ml/100g4埋弧焊1.05ml/100g5鎢極氬弧焊0.73ml/100g Q=*U*I*60/（1000*V） Q=輸入熱量（Kj/mm

10、） U=電壓（V） I=電流（A） V=焊接速度（mm/min） =電弧熱效率(具體見右表) 推薦精選高強鋼富氬氣體保護(hù)焊（MAG）推薦焊接參數(shù)見圖2、圖3、圖4、圖5等圖2：對接焊時，允許輸入線能量與板厚的關(guān)系板厚du用UP和MAG焊接方法焊接對接焊縫時的允許線能量范圍與Q590，Q685和WELDOX900的板厚之間的關(guān)系注：t8/5max=20s up=1 Emax=28.5KJ/cm dumax=2.8cmt8/5min=6s MAG=0.85 Emax=10.0KJ/cm dumax=1.6cmt8/5max=12s MAG=0.85 Emax=20.0KJ/cm dumax=2.3

11、cm經(jīng)驗工式：板厚至25mm，T0=150適用 板厚=最大線能量。如：當(dāng)施焊板材的厚度為20mm時其，允許輸入的最大線能量為20KJ/cm。“#” 區(qū)域低溫時良好的韌性。推薦精選推薦精選推薦精選圖3：角接焊時，允許輸入線能量與板厚間的關(guān)系板厚du用UP和MAG焊接方法焊接角焊縫時的允許線能量范圍與Q590，Q685和WELDOX900的板厚之間的關(guān)系注：t8/5max=20s up=1 Emax=45KJ/cm dumax=32cmt8/5min=6s MAG=0.85 Emax=13.5KJ/cm dumax=19cm t8/5max=12s MAG=0.85 Emax=27KJ/cm du

12、max=26cm經(jīng)驗工式：板厚至35mm，T0=150適用 板厚=最大線能量。如：當(dāng)施焊板材的厚度為20mm時其，允許輸入的最大線能量為20KJ/c m#：由于填充材料而受到限制（低溫時良好的韌性）。推薦精選圖4：焊接速度與線能量的關(guān)系 實芯焊絲(CARBOFIL NiMoCr1.2) 混合氣體M21（80%Ar+20%CO2），線能量 對CO2氣體保護(hù)焊線能量可提高5% 焊接速度（V）對應(yīng)曲線焊接參數(shù)表曲 線電 壓（V）2927242220191817電 流（A）300275250225200175150125Vz（m/min）10.59.08.07.05.54.53.53.0注：Vz為焊絲

13、送絲速度從圖3中找出線能量的允許值，接著可用此值在圖4中求得其余的焊接參數(shù)。例：板厚為15mm的WELDOX900高強鋼板，對接焊縫采用熔化極活性氣體保護(hù)焊（MAG），焊絲直徑1.2mm，從附圖2查得板厚15mm時所需線能量至少為9.5J/cm，最大為13.5J/cm。而從附圖4中得出當(dāng)電流為275A，送絲速度為9.5m/min時，應(yīng)保持焊接速度在3347推薦精選cm/min之間。如圖5與圖6所示：圖5:圖6:推薦精選5高強鋼焊接接頭的疲勞高強鋼焊縫失效的主要形式為疲勞，影響疲勞強度的因素有很多，如：動態(tài)應(yīng)力、平均應(yīng)力、焊接殘余應(yīng)力、基體材料的腐蝕、鋼板厚度、載荷的頻率和次數(shù)等。對于焊接接頭來

14、說，其疲勞強度要比基體母材低很多，其抗疲勞性能很大程度上取決于焊縫的宏觀和微觀幾何形狀，也就是焊接質(zhì)量。在制造過程中，設(shè)計師、焊接工程師和焊接技工對焊接結(jié)構(gòu)的疲勞性能起著決定性的作用。在設(shè)計和制作的過程中應(yīng)注意以下事項：a 在設(shè)計過程中盡可能使應(yīng)力均勻，避開突然改變截面以及產(chǎn)生很大的剛度變化。b 在高應(yīng)力區(qū)盡可能采用對接焊代替角焊，如采用角焊在設(shè)計時要避免在根部發(fā)生起始疲勞裂紋。c 不要把焊縫（即使不承受載荷）、孔洞等放在高應(yīng)力區(qū)。d 把焊縫附近的應(yīng)力集中降到最低，即盡可能除掉多余的焊縫金屬，使角焊縫和基體母材之間的凹面圓滑過渡，避免產(chǎn)生不連續(xù)的缺陷。e 焊縫內(nèi)部缺陷需視作與表面缺陷的應(yīng)力集中在關(guān)聯(lián)。表面缺陷比內(nèi)部缺陷更為危險（高達(dá)4-5倍）。f 選擇最好的焊接位置，最好是平焊，以保證焊接質(zhì)量。組對時不