選好高強(qiáng)鋼實(shí)芯焊絲很重要

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序言目前，海工平臺(tái)事業(yè)部涉及EH690級(jí)別鋼材的焊接均采用焊條電弧焊方式，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，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(chǎng)焊接，但其抗裂性相對(duì)較差，且現(xiàn)場(chǎng)焊接條件極為苛刻，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(chē)進(jìn)行高強(qiáng)鋼焊接做好技術(shù)儲(chǔ)備，專(zhuān)門(mén)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)性能的合理范圍區(qū)間。2

試驗(yàn)方法試驗(yàn)采用焊接小車(chē)進(jìn)行試板焊接，確保焊接過(guò)程中熱輸入的穩(wěn)定性，熱輸入分為3個(gè)區(qū)間，分別為2.0kJ/mm、2.5kJ/mm、3.0kJ/mm，焊接完成后立即對(duì)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(lái)確認(rèn)3個(gè)區(qū)間范圍內(nèi)的焊縫接頭金屬的力學(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(yáng)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，其質(zhì)保書(shū)載明化學(xué)成分以及經(jīng)過(guò)母材驗(yàn)證試驗(yàn)實(shí)際獲取的數(shù)值見(jiàn)表1，力學(xué)性能見(jiàn)表2，通過(guò)表1、表2得知，試驗(yàn)采用的母材化學(xué)成分及力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。（2）焊接材料

焊接材料采用等強(qiáng)匹配的原則，選用新日鐵NSSWYM-80A（φ1.2mm）和神鋼MG-S88A（φ1.2mmm）實(shí)芯焊絲，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為JISZ3312G78A6UMN7M4T，焊接保護(hù)氣體采用80%Ar+20%CO2混合氣以減少焊接過(guò)程中的飛濺，兩種焊接材料的化學(xué)成分見(jiàn)表3。（3）焊接工藝

1）焊接預(yù)熱及后熱溫度區(qū)間確定。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趨傾向，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)處理的回火溫度的那個(gè)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(lèi)鋼的Ms點(diǎn)較高，在焊接冷卻的過(guò)程中，所形成的馬氏體可以自回火，因而這類(lèi)鋼的冷裂傾向比中碳調(diào)質(zhì)鋼小得多，為了可靠的防止冷裂紋的產(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：Ceq(JIS)=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14(%)計(jì)算鋼材碳當(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，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Pc=Pcm+[H]/60+R/40000或Pw=Pcm+[H]/60+R/40000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(wú)裂紋焊縫所需預(yù)熱溫度：CE=C+Mn/6+Ni/15+Cr/5+Mo/4+V/5+Cu/13+Co/150(%)（℃）?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AWSD1.1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(guò)多次試驗(yàn)，現(xiàn)有的焊接小車(chē)設(shè)備無(wú)法滿足上述參數(shù)，多次出現(xiàn)電極熔斷的情況，后續(xù)對(duì)參數(shù)進(jìn)行修正和調(diào)整，并經(jīng)過(guò)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(wèn)題不大，但是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際焊接過(guò)程中經(jīng)常采用較大熱輸入，以求較好的熔透性并大幅提高生產(chǎn)效率，另外從經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，熱輸入在≤2.0kJ/mm的焊縫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/mm，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(guò)程中，熱輸入范圍有些許動(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(guò)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(cè)，試板的外觀和試板內(nèi)部無(wú)損檢測(cè)結(jié)果符合ISO5817—2014B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求。之后按照CCS中國(guó)船級(jí)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(jiàn)表4~表6。另外需要說(shuō)明的是在焊接過(guò)程中發(fā)現(xiàn)新日鐵YM-80A熔敷金屬表面幾乎沒(méi)有焊渣，些許焊渣經(jīng)過(guò)鋼絲輪略微清理即可全部清理干凈（見(jiàn)圖1），而神鋼MG-S88A焊接過(guò)程中在熔敷金屬表面形成的黑色焊渣極難清理（見(jiàn)圖2），且經(jīng)過(guò)鋼絲輪打磨仍舊難以清理干凈，這對(duì)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。從表4數(shù)據(jù)可以看出，從屈服強(qiáng)度來(lái)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(lái)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(zhǎng)率來(lái)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(zhǎng)率數(shù)據(jù)則呈逐漸下降趨勢(shì)。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

（1）彎曲試驗(yàn)

根據(jù)CCS中國(guó)船級(jí)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(píng)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(guò)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6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(wú)論是焊縫中心、熔合線、熔合線+2mm等均超過(guò)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大的熱輸入，大的熱輸入反而可以保證焊縫的沖擊韌性，所以沖擊吸收能量試驗(yàn)合格。而使用神鋼MG-S88A焊接材料焊接的試且熱輸入提高到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，神鋼焊接材料不能適用大熱輸入的焊接。（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(duì)來(lái)說(shuō)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