低碳高強度鋼焊接工藝分析

1、低碳高強度鋼焊接工藝分析 (一）(組圖) 中船重工集團公司第七一三研究所 趙四強低碳高強度鋼材料除具有很高的強度外，又具有良好的缺口韌性和塑性。這類鋼由于對冶煉質(zhì)量要求較高，通常只在對材料綜合力學(xué)性能要求較高的特殊場合下使用。921A鋼板是按照GJB1663-1993冶煉的一種潛艇耐壓殼體及其他結(jié)構(gòu)專用鋼板，厚度為1035mm，牌號為10CrNi3MoV，屬于典型的低碳高強度鋼。某型潛望鏡支撐筒結(jié)構(gòu)如下圖所示，主簡體由鋼板卷彎焊接制成，兩端為焊接法蘭，外圓周分布為多條縱筋和環(huán)筋，所用材料均為921A鋼板。由于該產(chǎn)品為水下用耐壓殼體，對焊縫質(zhì)量要求很高，而這種專用材料在一般機械行業(yè)應(yīng)用

2、并不廣泛，缺乏足夠的相關(guān)技術(shù)資料和操作經(jīng)驗，所以如何控制焊接質(zhì)量成為該類產(chǎn)品的生產(chǎn)難點。本文在總結(jié)潛望鏡支撐筒焊接的成功經(jīng)驗上，以921A鋼板為例，介紹這類低碳高強度鋼的焊接方法，以供相關(guān)技術(shù)人員參考。1低碳高強度鋼焊接性能分析(1)材料化學(xué)成分和力學(xué)性能分析低碳高強度鋼化學(xué)成分區(qū)別于普通高強度鋼的突出特點是含碳量很低，但為了獲得較高的強度，鋼中通常都加入了Mn、Cr、Mo和V等微量元素，同時對S、P等有害雜質(zhì)的含量控制非常嚴格。921A鋼的主要化學(xué)成分見表1。鋼中較低的含碳量保證了921A材料較好的焊接性，Ni元素的加入，提高了鋼的韌性和塑性，降低了鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度，Ni與適當?shù)腃r元素同時

3、加入，提高了鋼的淬透性，Mn、Mo及V等其他多種合金元素的加入，確保了材料良好的綜合力學(xué)性能。92lA鋼主要力學(xué)性能見表2，該材料既有高的強度，又有較好的缺口韌性和塑性，屬于低碳高強度調(diào)質(zhì)鋼。這類鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后的組織多為回火馬氏體或貝氏體，可獲得高的強度和良好的塑性和韌性。(2)焊接性分析低碳高強度鋼中含碳量很低，由此可以初步判定這類鋼具有較好的焊接性。那么究竟這類材料焊接性能如何呢?我們以921A鋼為例，從是否容易產(chǎn)生焊接最嚴重的缺陷裂紋來具體分析。焊接裂紋的形成機理分為熱裂紋和冷裂紋兩種。熱裂紋的形成主要是由于硫在晶間形成低熔點的硫化物及棋共晶體所引起的。低碳高強度鋼中的P、S含量都很低，

4、這顯然對焊接是非常有利的。同時Mn能與S結(jié)合成MnS而有利于除硫，并能改善硫化物的性能、形態(tài)及其分布特點。再加上這類材料含碳量很低，Mn/s比值較大，所以在焊接過程中熱裂紋形成的傾向不大。冷裂紋是焊接高強度鋼的主要問題，在高強度鋼焊接裂紋缺陷形成中熱裂紋一般僅占10%，而冷裂紋占到了90%。引起冷裂紋的主要原因是材料的淬硬組織和含氫量。評價材料淬硬組織的主要依據(jù)為碳當量，國際焊接學(xué)會推薦的碳當量計算公式如下：Ceq=C+Mn/6+(Ni+Cu)/15+(Cr+Mo+V)/5(%)根據(jù)該公式計算出921A材料碳當量為Ceq =0.52%0.75%。僅從碳當量來看，Ceq0.5%則屬于高淬硬傾向、

5、焊接性差的鋼種。921A鋼具有高淬硬性，本應(yīng)具有較大冷裂性，但是由于陔材料含碳量較低，而且加入了微量元素v，有細化品粒的作用，實際冷裂性并不突出。根據(jù)其化學(xué)成分分析，在淬火狀態(tài)下的金相組織應(yīng)該是強度和韌性都較高的低碳馬氏體+貝氏體。按照等溫淬火的原理，焊接過程中如果我們能夠在稍高于馬氏體點Ms以上溫度范圍內(nèi)較K時間保溫，就可以使過冷奧氏體發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變，從而獲得較多的貝氏體組織，減少冷裂紋的形成傾向。貝氏體的獲得，在不降低材料抗拉強度的前提下，可明顯改善材料的韌性和塑性。因此對于921A這樣的低碳高強度鋼，在焊前采用100左右預(yù)熱和小熱輸入施焊，焊后在200350緩冷可有效防止冷裂紋的形成。含

6、氫量高是產(chǎn)生焊接冷裂紋的另一個主要影響兇素，但只要選擇適當?shù)牡蜌湫秃覆?，同時將待焊部位認真清理，焊絲保持干凈，焊條或焊劑按要求烘干，即可有效地降低焊縫金屬的含氰量。綜上分析，低碳高強度有相對較好的焊接性能，只要采取適當?shù)念A(yù)防措施，控制好工藝參數(shù)，即可有效抑制焊接缺陷的形成。2低碳高強度鋼焊接工藝方案(1)焊接方法的選擇適于焊接低碳高強度鋼的焊接方法主要有真空電子束焊、師弧焊以及焊條電弧焊等。真空電子束焊是最為理想的焊接方法，它具有焊接熱輸入小、焊縫窄、不需開坡口、容易焊透及焊接自動化程度高等優(yōu)點，但該方法沒備投資很大，在國內(nèi)還未廣泛應(yīng)用。埋弧焊比焊條電弧焊自動化程度高，焊接質(zhì)量受焊工技術(shù)因素影

7、響小，焊接質(zhì)量重復(fù)性較好。該方法的主要缺陷是對復(fù)雜產(chǎn)品的多數(shù)焊接部位，由于機頭很難伸縮到位而不容易實現(xiàn)。焊條電弧焊設(shè)備投資最小，使用最為靈活和方便，但對焊工的操作技術(shù)要求也最高，焊縫質(zhì)量穩(wěn)定性差。對于潛望鏡支撐筒，我們選擇了埋弧焊和焊條電弧焊相結(jié)合的方法。關(guān)鍵的幾條穿透性環(huán)焊縫和縱焊縫采用埋弧焊，筋板的焊接則采用焊條電弧焊。(2)焊接材料的選擇 低碳高強度鋼在研制過程中，通常根據(jù)其使用環(huán)境的特殊性，同時也配套研制有專用焊材。針對921A鋼的焊接，中國船舶重工集團公司第七二五研究所開發(fā)研制有一系列的專用焊材。支撐套柱的焊接中，埋弧焊焊絲我們選用H921A，焊劑選用705-CH，手弧焊條選用ZS6

8、0A。焊絲、焊條的主要化學(xué)成分見表3。從表中可以看出，H921A焊絲和ZS60A焊條的C、S、P含量都非常低，這對減小冷裂紋傾向是十分有利的，同時含量較高的Mn能與S結(jié)合成MnS而有利于除硫，較高含量的M和較低含量的Cr有利于提高鋼的韌性和塑性，降低鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度。(3)焊接參數(shù)的確定低碳高懂度鋼不同鋼種、不同焊材、不同焊接方法，其焊接參數(shù)的選擇也不同。這類鋼焊接的共同特點足，焊條需按要求烘干，并在短時剛內(nèi)使用完，工件需要焊前預(yù)熱和焊后緩冷。對于92lA鋼板的焊接，焊條ZS60烘=F溫度450470，保溫2h，705-CH焊劑烘十溫度400，保溫2h，隨焊冷到150出爐。定位焊縫隙和正式焊縫焊前預(yù)熱溫度和道間溫度控制住80150，焊后緩250，保溫12h焊條電弧焊打底選用焊條直徑3.2mm，焊接電流100150A，正式焊接選用焊條直徑4mm，焊接電流160200A。埋弧焊焊接電流450550A，焊接速度3040m/min。3。結(jié)語在潛望鏡支撐筒的焊接過程中，我們根據(jù)對低碳高度鋼的焊接性能分析情況，選擇適當?shù)暮附臃椒ê痛_定合理的工藝參數(shù)，產(chǎn)品焊接后完全達到了預(yù)