S960QL鋼窄間隙熔化極氣體保護(hù)焊

易耀勇，鄭世達(dá)，易江龍，張宇鵬

(廣東省工業(yè)技術(shù)研究院 焊接技術(shù)研究所，廣東 廣州 510650)

S960QL鋼窄間隙熔化極氣體保護(hù)焊

易耀勇，鄭世達(dá)，易江龍，張宇鵬

(廣東省工業(yè)技術(shù)研究院 焊接技術(shù)研究所，廣東 廣州 510650)

用新研發(fā)的自動焊接系統(tǒng)成功進(jìn)行了S960QL鋼材的窄間隙熔化極氣體保護(hù)焊，結(jié)果證明其接頭的機(jī)械性能可滿足歐盟標(biāo)準(zhǔn)要求。焊接接頭先焊部分的機(jī)械性能優(yōu)于后焊部分；此外，同一接頭的不同部位具有不同的韌性，其原因是接頭的不同部位具有不同的化學(xué)成分，以及多道焊的熱循環(huán)對接頭顯微組織有影響。

高強(qiáng)鋼；S960QL；窄間隙焊；氣體保護(hù)焊

0 前言

提高材料強(qiáng)度有利于降低產(chǎn)品的制造和運(yùn)行成本并提高其功效，應(yīng)優(yōu)先采用高強(qiáng)細(xì)晶結(jié)構(gòu)鋼[1]。焊接該類材料的關(guān)鍵是使其焊縫和熱影響區(qū)的機(jī)械性能滿足要求，同時(shí)要防止產(chǎn)生冷裂紋[2-3]。

窄間隙焊坡口較小，節(jié)約填充材料和焊接時(shí)間；同時(shí)，通過多層焊技術(shù)，接頭能獲得良好的冶金和機(jī)械性能。窄間隙焊接頭殘余內(nèi)應(yīng)力小，有利于防止產(chǎn)生冷裂紋。因此，通過新研發(fā)的自動焊系統(tǒng)對S960QL高強(qiáng)細(xì)晶結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行焊接試驗(yàn)，并深入探究其窄間隙焊接頭性能的特點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)材料、焊接方法和試樣制備

母材為德國Dillinger Hütte公司提供的高強(qiáng)細(xì)晶結(jié)構(gòu)鋼S960QL，板厚40mm。焊材是德國Thyssen公司生產(chǎn)的φ 1.0mm實(shí)心UNION X 96焊絲。母材和焊絲的化學(xué)成分和機(jī)械性能如表1、表2所示。保護(hù)氣體為φ(Ar)90%+φ(CO2)10%。

表1 母材及焊絲的化學(xué)成分Tab.1 Chemical compositions of the base metal and welding wire %

表2 母材及焊絲的機(jī)械性能Tab.2 Mechanical properties of the base metal and welding wire

采用自主研發(fā)、帶電弧傳感器的過程控制窄間隙熔化極氣體保護(hù)焊系統(tǒng)完成試驗(yàn)[4]。該窄間隙焊槍可焊接坡口寬度小至10mm的接頭。焊接S890QL的試驗(yàn)結(jié)果顯示，要獲得滿足要求的機(jī)械性能，接頭坡口寬度必須小于14 mm[5]。因此，試驗(yàn)的坡口寬度控制為10～13 mm。要獲得無咬邊、無未焊透的無缺陷接頭，坡口寬度、進(jìn)絲速度與焊接速度應(yīng)匹配良好。試驗(yàn)送絲速度為9.0 m／min，預(yù)熱溫度和層間溫度170°C。其他焊接參數(shù)如表3所示。

表3 焊接參數(shù)和焊接線能量Tab.3 Welding parameters and heat input per unit length

S960QL試板尺寸為500 mm×200 mm×40 mm，I型坡口。據(jù)DIN EN 288-3從接頭上半部和下半部分別取樣加工制作測試機(jī)械性能的試樣。據(jù)DIN EN 10002制作測試接頭和焊縫金屬性能的試樣，試樣符合DIN 50125；據(jù)DIN EN 875和DIN EN 10045-1做沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度分別為-40℃、-20℃和20℃。據(jù)DIN EN 1043-1測試接頭上、中、下三個(gè)橫截面的硬度，上部位于距表面2 mm處，中部在試板正中間，下部位于距底面2 mm處。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 焊接接頭和焊縫金屬的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)DIN50125-B10x50，從坡口寬度為10 mm、11 mm、12 mm和13 mm的接頭分別取樣加工成兩個(gè)圓形試樣以測試其機(jī)械性能，如表4所示。所有拉伸試樣均在靠近母材的熱影響區(qū)處斷裂。從表4可知，隨著焊接線能量的提高，屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度略微降低，而斷裂韌性則稍微改善。接頭坡口寬度為13 mm的接頭屈服強(qiáng)度略低于960 MPa，可見該寬度不適合用于焊接S960QL。

依據(jù)DIN 50125-B6x30，從坡口寬度為11 mm和12 mm的接頭的上半部和下半部分別取樣測試焊縫金屬的機(jī)械性能，如表5所示。由表5可知，接頭下半部的焊縫金屬有更好的韌性和延伸率，而上半部拉伸強(qiáng)度更好。

表4 接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Tensile test results of the welded joint

表5 焊縫拉伸試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Tensile test results of the welded metal

2.2 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

從坡口寬度為12 mm接頭的上半部取樣做沖擊試驗(yàn)，如圖1所示。在-40℃、-20℃和20℃時(shí)，熱影響區(qū)沖擊韌性均是焊縫金屬的兩倍多。坡口寬度為11 mm接頭的上半部焊縫金屬的沖擊韌性平均值在-40℃、-20℃和20℃時(shí)分別為40 J、47 J、62 J，滿足DIN EN10137-2的要求。

圖1 坡口寬度12 mm的焊縫金屬與熱影響區(qū)沖擊試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Charpy-V results at the centre of the weld metal and in the HAZ，groove width 12 mm

2.3 焊接接頭的硬度分布

焊接接頭的宏觀組織和硬度分布如圖2所示。由圖2可知，焊縫金屬的硬度值高于熱影響區(qū)，最小硬度值出現(xiàn)在熱影響區(qū)。

3 討論

試驗(yàn)結(jié)果顯示：焊接接頭下半部焊縫金屬的韌性明顯優(yōu)于上半部；離熔合線1 mm處熱影響區(qū)的韌性優(yōu)于焊縫金屬的韌性；所有接頭拉伸試樣的斷裂處均位于靠近母材一側(cè)的熱影響區(qū)。為解釋這些現(xiàn)象，分析了熱循環(huán)和化學(xué)成分對接頭性能的影響。

圖2 焊接接頭的宏觀組織與硬度分布Fig.2 Macrostucture and hardness distribution of the welded joint

3.1 焊接熱循環(huán)的影響

通過測量緊靠熔合線附近熱影響區(qū)的熱循環(huán)，揭示下一道焊縫對前一道焊縫的熱處理作用。焊接熱循環(huán)的測量結(jié)果如圖3所示。由圖3b可知，焊道5的顯微組織至少受到焊道6和7的熱處理。因?yàn)樵谕瓿珊傅?和7時(shí)，相同位置測到的最高溫度分別高于800℃和500℃，該溫度足以影響焊縫的顯微組織。因此，焊接接頭下部分的焊縫金屬顯微組織將更細(xì)小，韌性更好。同理，一道焊縫附近的熱影響區(qū)組織也受其前后多道焊縫的熱處理，因此，機(jī)械性能也將受到影響。例如，焊道5附近熱影響區(qū)的顯微組織就受到焊道4、6、7和8的熱影響。

圖3 焊接時(shí)的熱循環(huán)Fig.3 The heat cycling by welding

根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)，母材的晶粒尺寸為13級。但很難確定熱影響區(qū)和焊縫金屬的晶粒尺寸，因?yàn)樗鼈兲貏e細(xì)小。最后一道焊縫金屬的顯微組織呈樹枝狀，因?yàn)樗荒芟袂懊婧缚p一樣受到后續(xù)焊道的熱影響。因此，焊接接頭下半部焊縫金屬的韌性優(yōu)于上半部可以通過焊接時(shí)熱循環(huán)對接頭組織的影響來解釋。

3.2 焊接接頭化學(xué)成分的影響

盡管熔合線處的顯微組織比焊縫金屬和母材的組織更為粗大，但接頭的最弱環(huán)節(jié)卻在靠近母材的熱影響區(qū)。焊接接頭不同位置的能譜分析結(jié)果如圖4所示。受填充材料影響，焊縫金屬及靠近熔合線的熱影響區(qū)的鎳、硅和錳含量均高于母材和熱影響區(qū)的其他地方；相反，碳含量則更少，見圖4b。鎳能提高低溫韌性，細(xì)化晶粒，降低過熱敏感性。碳和鎳含量的變化和多道焊接熱循環(huán)的影響是焊接接頭薄弱環(huán)節(jié)不在焊縫和熔合線附近的原因。

圖4 焊接接頭不同位置的能譜分析結(jié)果Fig.4 Energy spectrum analysis results of welding joint at differnt position

為了測試焊接接頭不同部位的韌性，用相同接頭加工了多個(gè)沖擊試樣。試樣的沖擊口位于如圖4a所示的2、3、4、5、6位置。-40℃測試的沖擊功分別是110 J、114 J、115 J、43 J、39 J。結(jié)果表明熱影響區(qū)的韌性優(yōu)于焊縫金屬。如果僅僅比較熱影響區(qū)不同部位的韌性，則靠近熔合線處的韌性略好，而靠近母材處的熱影響區(qū)韌性略差。由此可見，熔合線附近不是焊接接頭的最薄弱處。

4 結(jié)論

當(dāng)坡口寬度不超過12 mm時(shí)，用研發(fā)的焊接系統(tǒng)可成功地對S960QL細(xì)晶高強(qiáng)鋼進(jìn)行窄間隙熔化極氣體保護(hù)焊，接頭機(jī)械性能滿足歐盟標(biāo)準(zhǔn)要求。在層間溫度為170℃時(shí)，焊接線能量不應(yīng)超過20kJ／cm。焊接接頭下半部的機(jī)械性能優(yōu)于上半部，其原因是窄間隙多道焊時(shí)，后續(xù)焊道對之前焊道有熱處理作用。而在相同焊接接頭同一層面的不同部位具有不同的化學(xué)成分，加上多道焊接熱循環(huán)的影響，導(dǎo)致了它們具有不同的韌性。

[1] Gerster Peter.MAG-Schwei?en hochfester Feinkornst?hle im Fahrzeugkranbau[M].Düsseldorf：DVS-Berichte，209：41-46.

[2]王 勇.低合金調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼焊接工藝研究進(jìn)展[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2009(8)：11-13.

[3]武亞鵬，侯建偉.高強(qiáng)鋼的焊接分析[J].金屬加工，2011(4)：28-32.

[4]Dilthey Ulrich，Yi Yaoyong.MSG-Engspaltschweissen an hoch festem Feinkornbaustahl der Stahlqualitaet S890QL mit Lichtbogensensor[J].Schweissen und Schneiden，2005，57(1-2)：36-38.

[5] Yi Yaoyong.Prozessorientiertes Schwei?kopfführungssystem für MSG-Engspaltschwei?en von hochfesten Feinkornbaust?hlen der Qualit?ten S890QL und S960QL[M].Aachen：Verlag Shaker，2002，62-80.

Narrow gap gas metal arc welding of S960QL steel

YI Yao-yong，ZHENG Shi-da，YI Jiang-long，ZHANG Yu-peng
(Institute of Welding Technology，Guangdong General Research Institute for Industrial Technology，Guangzhou 510650，China)

960QL steel was successfully welded with narrow gap Gas-Metal-Arc-Welding(GMAW)by a novel automatic weld system.Results show that the mechanical properties of the welded joint fulfill the EU standard.The mechanical properties of the earlier welded joint are better than those of the later welded joint.Moreover,the ductility of the joint varies at different locations.The reason is due to the difference in chemical compositions in the joint and the thermal cycling effect of multi-pass welding process.

high strength steel；S960QL；narrow gap welding；gas-metal-arc-welding

TG444+.72

A

1001-2303(2012)04-0076-04

2012-02-15

國際科技交流與合作項(xiàng)目(2011DFb70130)

易耀勇(1966—)，男，江西上高人，博士，主要從事高效自動化焊接與高強(qiáng)鋼焊接工藝研究工作。