高強(qiáng)鋼焊接前沿技術(shù)的開發(fā)研究

戴為志，李 華，何喬生，張建平，曾祥文，陸安洪

(1.中國工程建設(shè)焊接協(xié)會(huì)，北京 100088;2.四川瑪瑞電子設(shè)備有限公司，四川 成都 610000;3.浙江精工鋼結(jié)構(gòu)集團(tuán)有限公司，浙江 紹興 312030)

0 前言

首先提出了“高強(qiáng)鋼焊接前沿技術(shù)”的觀點(diǎn)，同時(shí)開展對(duì)觀點(diǎn)認(rèn)同的討論。要弄清這一問題，首先必須清楚什么是“前沿技術(shù)”，舉例說明:

在我國鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的發(fā)展進(jìn)程中，有兩次因鋼種發(fā)生變化帶來的焊接技術(shù)沖擊。

第一次是在20世紀(jì)60年代末期至20世紀(jì)70年代初期，建設(shè)行業(yè)的以A3為代表的低碳鋼逐漸被以16Mn為代表的低合金高強(qiáng)鋼所替代。在當(dāng)時(shí)最引人注目是鋼制儲(chǔ)氧罐(壓力容器)采用了厚度為38 mm的16Mn鋼板，在技術(shù)界引起不小震動(dòng)，為了適應(yīng)16Mn的焊接特性，開始使用低氫型焊條和直流焊機(jī);為了解決受力焊縫全熔透質(zhì)量缺陷，開始研究開發(fā)碳弧氣刨技術(shù)，極大地推動(dòng)了焊接技術(shù)進(jìn)步。這些技術(shù)就是“前沿技術(shù)”，當(dāng)時(shí)最先掌握這些技術(shù)的單位就是掌握了“前沿技術(shù)”對(duì)焊接技術(shù)進(jìn)步有貢獻(xiàn)的單位。

第二次變化的開始是在“奧運(yùn)、世博”工程中，建設(shè)行業(yè)開始應(yīng)用Q420、Q460鋼材，傳統(tǒng)的低合金高強(qiáng)鋼逐漸被高強(qiáng)鋼替代，因此即將引發(fā)一場技術(shù)上的革命!于是討論進(jìn)入到“高強(qiáng)鋼焊接前沿技術(shù)”的實(shí)質(zhì)。

高強(qiáng)鋼通常指屈服強(qiáng)度下限ReL≥400 MPa、抗拉強(qiáng)度Rm=500～1 200 MPa，并考慮焊接性而生產(chǎn)制造的鋼材;Rm≥1 200 MPa一般稱為超高強(qiáng)度鋼。

高強(qiáng)鋼分為軋制后經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的調(diào)質(zhì)鋼和不經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的非調(diào)質(zhì)鋼。調(diào)質(zhì)鋼和非調(diào)質(zhì)鋼在力學(xué)性能、焊接性和接頭性能方面差異明顯，非調(diào)質(zhì)鋼 Rm≤600 MPa，調(diào)質(zhì)鋼 Rm≥600 MPa。

高強(qiáng)鋼易產(chǎn)生的焊接問題主要是焊接裂紋和熱影響區(qū)脆化，對(duì)于Rm≥800 MPa、ReL/Rm≥0.85的調(diào)質(zhì)鋼，還存在軟化問題。

高強(qiáng)鋼較普通低合金高強(qiáng)鋼而言，在焊接技術(shù)上有很多特點(diǎn)，其中主要有:

a.高強(qiáng)鋼的屈強(qiáng)比 ReL/Rm(σs/σb)是建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震受力構(gòu)件設(shè)計(jì)必須考慮的重要指標(biāo)，ReL/Rm不同，焊接工藝不同;b.焊接熱循環(huán)會(huì)造成高強(qiáng)鋼合金微量元素的損失，從而影響焊接接頭的綜合性能，必須嚴(yán)格控制;c.高強(qiáng)鋼要控制焊接裂紋;d.高強(qiáng)鋼要控制焊接熱影響區(qū)的脆化;e.高強(qiáng)鋼要保證焊縫金屬的強(qiáng)韌化。

那么“高強(qiáng)鋼前沿技術(shù)”有什么技術(shù)內(nèi)涵呢?

科技進(jìn)步的三大要素就是“高強(qiáng)鋼焊接前沿技術(shù)”的全部內(nèi)涵:工藝裝備、人員素質(zhì)、科技成果的開發(fā)應(yīng)用。

首先是現(xiàn)有優(yōu)秀焊接技術(shù)資源的強(qiáng)－強(qiáng)聯(lián)合:即采用技術(shù)最先進(jìn)的焊機(jī);采用適合母材強(qiáng)度配比的最好焊接材料;應(yīng)用最優(yōu)秀的焊接工藝;從而提高焊接效率，保證焊接質(zhì)量。這就是“高強(qiáng)鋼焊接前沿技術(shù)”的精髓。

客觀地說，目前鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)主體用鋼仍然是低合金高強(qiáng)鋼，但這類鋼的生產(chǎn)和使用的范圍正在逐漸縮小，經(jīng)濟(jì)發(fā)展的客觀需求和冶金技術(shù)的迅速發(fā)展必將推動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)用鋼逐漸進(jìn)入高強(qiáng)鋼領(lǐng)域。

2012年8月1日開始執(zhí)行的GB50661－2011《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》拉開了鋼結(jié)構(gòu)大規(guī)模采用高強(qiáng)鋼的序幕。

在GB/T 1591－1994標(biāo)準(zhǔn)中設(shè)立Q295、Q345、Q390、Q420、Q460共五個(gè)牌號(hào);在 GB/T 16270－1996《高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼熱處理和控軋鋼板、鋼帶》中設(shè)立 Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、Q690 共六個(gè)牌號(hào)。

GB50661《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》所述材料表中，從Ⅲ類鋼材開始已經(jīng)進(jìn)入到高強(qiáng)鋼(高性能鋼)的范疇。相對(duì)于普通鋼結(jié)構(gòu)，高強(qiáng)鋼的鋼結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點(diǎn):

a.鋼材強(qiáng)度的提高能減少鋼板的厚度，縮小構(gòu)件的斷面尺寸，從而減少用鋼量，降低自重，且能夠削弱地震對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的破壞作用。

b.鋼板厚度的減少能大幅度降低焊縫坡口尺寸，提高工效，降低工程成本。

c.有效地支持我國鋼鐵生產(chǎn)的技術(shù)進(jìn)步;減產(chǎn)高效，在相同或減少能耗的前提下，生產(chǎn)出附加值更高的高端產(chǎn)品。

1 高強(qiáng)鋼主要焊接難點(diǎn)分析

(1)焊接裂紋的危險(xiǎn)性。

微合金控軋控冷鋼的碳和雜質(zhì)含量低，C、S、P等元素得到有效控制，焊接時(shí)液化裂紋和結(jié)晶裂紋傾向很小。但在焊接成形和安裝過程中存在較大的成形應(yīng)力或附加應(yīng)力，特別是在采用多絲大線能量埋弧焊時(shí)，由于焊縫晶粒過分長大，出現(xiàn)C、S、P局部偏析也容易引起結(jié)晶裂紋。

隨著強(qiáng)度級(jí)別的提高、板厚的增大，仍然具有一定的冷裂紋傾向。熱輸入量(線能量)小，冷卻速度較快，熔敷金屬含氫量高，會(huì)增加冷裂紋的敏感性，強(qiáng)度越高，冷裂問題越突出。

(2)熱影響區(qū)中局部脆化區(qū)對(duì)韌性的影響。

高強(qiáng)鋼在成分和熱軋工藝上的特點(diǎn)，使韌性得到了很大的提高，由于韌性一般由裂紋起裂和裂紋擴(kuò)展兩部分所需的能量來度量，這種鋼在焊接條件下，熱影響區(qū)會(huì)形成局部脆化區(qū)，因而會(huì)降低裂紋起裂所需的能量。作為多層焊接接頭的局部脆化區(qū)，一般有四個(gè)部位被認(rèn)為是關(guān)鍵部位:粗晶熱影響區(qū)、臨界溫度區(qū)間熱影響區(qū)、臨界溫度區(qū)間粗晶熱影響區(qū)、亞臨界溫度區(qū)粗晶熱影響區(qū)。

(3)焊接接頭軟化。

高強(qiáng)鋼的部分高溫度是在熱軋工藝中采用加速冷卻將能量儲(chǔ)存在位錯(cuò)組織中而獲得的，這一能量在高溫下可以釋放，這樣就會(huì)導(dǎo)致在焊接條件下產(chǎn)生在臨界溫度區(qū)間和亞臨界溫度區(qū)間的加熱區(qū)，甚至在緩慢冷卻的粗晶區(qū)的加熱區(qū)中，形成硬度比母材金屬低的區(qū)域，即軟化區(qū)。軟化使接頭的強(qiáng)度降低。如在埋弧焊的條件下，板厚為40 mm的焊接接頭中會(huì)發(fā)現(xiàn)有強(qiáng)度下降25%的軟化區(qū)。

可以這樣理解，新鋼種的強(qiáng)度、細(xì)化晶粒等指標(biāo)與鋼材的微合金元素直接有關(guān)，焊接會(huì)造成合金元素的損失，必然降低焊接接頭的綜合性能。

理論分析，鋼材中的微合金及其化合物的熔點(diǎn)均比純鐵和鐵的化合物低，在焊接熱循環(huán)中，微合金元素及其化合物必須隨純鐵及鐵的化合物從固態(tài) 液態(tài) 氣態(tài)的變化，各種元素所氣化的部分就是損失的部分，其余部分又開始從液態(tài) 固態(tài)變化形成焊縫，完成所有熱循環(huán)。研究認(rèn)為，由于各類元素及化合物熔點(diǎn)上的差距，在高溫區(qū)停留的時(shí)間不同。微合金元素及其化合物氣化在高溫區(qū)停留的時(shí)間相對(duì)較長，氣化較鐵及鐵的化合物充分，因此微量元素?fù)p失的程度比鐵及鐵的化合物氣化損失高得多，這是一種比例失調(diào)的損失;對(duì)焊接而言，是多次進(jìn)行相同或者相似的熱循環(huán);分析認(rèn)為熱循環(huán)次數(shù)越多，比例失調(diào)也就越嚴(yán)重(工程實(shí)踐中稱:微合金元素?zé)龘p)，于是形成了高強(qiáng)鋼焊接的第一問題。

綜上所述，在焊接這些新鋼種時(shí)，除嚴(yán)格控制熱輸入外，減少焊縫及其HAZ焊接熱循環(huán)的次數(shù)，降低微合金元素及其化合物和鐵及鐵的化合物比例失調(diào)程度的研究，保證焊縫與母材等強(qiáng)或合適的低強(qiáng)(0.86)，逐漸引起了人們的關(guān)注。

為防止冷裂紋，應(yīng)采取相應(yīng)的預(yù)熱和后熱措施，選用低氫型和超低氫型焊接材料?？估瓘?qiáng)度800 MPa以上的鋼種，還可以考慮選擇低強(qiáng)匹配的焊材，以保證其綜合指標(biāo)。

為減少熱影響區(qū)脆化，主要是限制焊接熱輸入，多層多道錯(cuò)位焊接技術(shù)能減少HAZ高溫停留時(shí)間，對(duì)防止焊接接頭脆性斷裂有很大作用。同時(shí)應(yīng)根據(jù)鋼種、板厚和性能要求等，通過工藝評(píng)定試驗(yàn)，選擇合適的焊接參數(shù)。熱影響區(qū)中的軟化區(qū)也可以通過限制熱輸入來減小軟化區(qū)寬度和軟化程度。

2 高強(qiáng)鋼快速脈沖壓縮電弧焊接新技術(shù)的開發(fā)研究

高強(qiáng)鋼快速脈沖壓縮電弧焊接新技術(shù)是一項(xiàng)高強(qiáng)鋼焊接領(lǐng)域內(nèi)較為前沿的試驗(yàn)研究工作，是一項(xiàng)具有實(shí)戰(zhàn)價(jià)值的開發(fā)研究技術(shù)，涉及工藝裝備、人員素質(zhì)、科技成果的開發(fā)與應(yīng)用三大要素，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

2.1 高強(qiáng)鋼高標(biāo)準(zhǔn)焊接技術(shù)問題的提出

眾所周知，GMAW是理論上的無氫焊接，具有抗裂性強(qiáng)、熔深大、抗疲勞、焊接效率高等優(yōu)點(diǎn)。然而GMAW焊接時(shí)電弧穩(wěn)定性差、飛濺大，工藝性差，焊工掌握困難，焊縫成形較差。為了克服這些缺點(diǎn)，針對(duì)高強(qiáng)鋼的焊接，目前在國內(nèi)外特別在歐洲，正在深入研究富氬氣體保護(hù)焊接技術(shù)，并取得重大突破。

在我國，開始使用雙元—三元?dú)怏w保護(hù)，以改善噴射過渡形式，取得了一定效果(GMAW的飛濺大大減少，焊縫成形質(zhì)量大幅度提高)。但是研究發(fā)現(xiàn):隨著Ar比例的增加，焊縫的熔深逐漸下降，熔敷效率提高不大;說明單純在保護(hù)氣體上作文章顯然是不夠的，應(yīng)考慮采用性能優(yōu)良的設(shè)備，配以已經(jīng)成功的二—三元?dú)怏w。這是高強(qiáng)鋼焊接試驗(yàn)研究的基本思想，也是目前唯一正確的技術(shù)路線。

有關(guān)研究證實(shí)，由于CO2氣體在弧柱中的吸熱分解反應(yīng)，對(duì)焊接電弧的強(qiáng)烈冷卻作用，與氬弧焊比較，其焊接電弧弧柱區(qū)窄，電弧斑點(diǎn)尺寸小。隨著保護(hù)氣體的CO2含量增加，焊接寬度明顯減小，電弧面積明顯收縮，如表1所示。

表1 富氬CO2氣體保護(hù)焊氣體比例與電弧形態(tài)關(guān)聯(lián)性

焊接過程中，在相同焊接規(guī)范的前提下，電弧面積越小，電弧密度也就越大;CO2比例越高，焊接電流越大，電弧面積收縮越小;比例差距越大，焊接HAZ熔深也隨之增大。由表1可知，要增加焊接HAZ的熔深，就必須增加CO2的含量，最好是采用φ(CO2)100%作保護(hù)氣體，但是電弧的穩(wěn)定性變差，飛濺變大，合金成分不成比例燒損也隨之增加;于是人們在需要焊接HAZ熔深和電弧穩(wěn)定性之間陷入迷茫，難以作出選擇。

從工程價(jià)值的角度上看，普通低合金高強(qiáng)鋼采用GMAW技術(shù)是合理的，由于采用高強(qiáng)和等強(qiáng)配比，焊縫及HAZ強(qiáng)韌性儲(chǔ)備較高，合金元素的燒損不會(huì)影響焊接接頭的綜合性能;飛濺不是焊縫質(zhì)量的否決指標(biāo)，通過人工處理完全可以滿足技術(shù)要求;在強(qiáng)韌性要求較嚴(yán)的場合，人們更看重成本低、抗裂性能好的GMAW技術(shù)。

然而在高強(qiáng)鋼的焊接中，盡管φ(CO2)20%+φ(Ar)80%富氬氣體保護(hù)焊能滿足高強(qiáng)鋼焊接中電弧穩(wěn)定和減少飛濺的部分技術(shù)要求，但是對(duì)電弧的穩(wěn)定性及焊縫表面質(zhì)量的高標(biāo)準(zhǔn)要求，特別是減少微合金元素的燒損，增加焊接HAZ的熔深，表1的結(jié)論無法滿足，迫使人們研究更新的焊接技術(shù)。

2.2 新型脈沖MIG焊機(jī)的開發(fā)應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)快速脈沖壓縮電弧焊接工藝提供了技術(shù)支持

研究證實(shí)，采用新型脈沖MIG焊機(jī)，應(yīng)用φ(CO2)20%+φ(Ar)80%富氬氣體，實(shí)現(xiàn)快速脈沖壓縮電弧焊接工藝是解決高強(qiáng)鋼高品質(zhì)焊接的有效途徑。

脈沖壓縮電弧噴射速度高，電流密度大，熱損失小，穩(wěn)定性強(qiáng)，熔深大，適合高品質(zhì)焊接，特別適合高強(qiáng)度細(xì)晶粒鋼的焊接。

采用新型脈沖MIG焊機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是可以在很低的電流下實(shí)現(xiàn)射流過渡。在普通直流MIG熔機(jī)，電流要在250 A以上才能實(shí)現(xiàn)射流過渡，而采用新型脈沖MIG焊機(jī)在60 A的電流下便可實(shí)現(xiàn)射流過渡。具有TIG的高質(zhì)量和MIG的高效率的優(yōu)點(diǎn)，還可實(shí)現(xiàn)快速脈沖壓縮電弧，獲得綜合性能良好的焊接接頭。

某廠進(jìn)行Q420GJB的高速焊接試驗(yàn)研究工作內(nèi)容如下。

(1)采用了目前國內(nèi)先進(jìn)的新型脈沖MIG無飛濺焊機(jī)。

新型脈沖MIG焊機(jī)(見圖1)高速射流過渡無飛濺、焊縫成形美觀、焊接HAZ熔深大、可全位置焊。電源采用了全橋軟開關(guān)結(jié)構(gòu)與數(shù)字控制相結(jié)合的方式，達(dá)到快速控制熔滴過渡的目的;高頻脈沖實(shí)現(xiàn)一脈一滴的熔滴過渡，由于脈沖頻率很高，一脈一滴的射流速度很快，在大氣壓下形成強(qiáng)大的壓差，速度越高，壓差越大，對(duì)射流電弧和熔滴進(jìn)行有效的壓縮，從而形成電流密度極高的壓縮電弧，進(jìn)而提高了焊接HAZ熔深，如圖2所示。

圖1 DSP－500MIG焊機(jī)

圖2 電流密度極高的壓縮電弧

這種脈沖焊接方式減少了母材的熱輸入，可以獲得熔寬均勻、美觀的紋狀焊縫，還增加了熔池的攪拌作用，將金屬內(nèi)形成的氣泡等缺陷的因素排除，同時(shí)細(xì)化了焊縫晶粒，降低了裂紋敏感性，提高了焊縫的整體質(zhì)量。

2.3 采用新型無鍍銅焊絲ER50－6和φ(CO2)20%+φ(Ar)80%保護(hù)氣體

與鍍銅焊絲相比，GMAW無鍍銅焊絲的飛濺更小，在焊縫外觀上最直接的表現(xiàn)是其焊縫的潤濕性更好，焊縫更加平滑，鍍銅焊絲焊縫金屬凸起。無鍍銅焊絲焊接后的成形更加美觀，光潔性好，焊縫更加白亮。無鍍銅焊絲導(dǎo)電性能好，試驗(yàn)使用和工程試用中沒有出現(xiàn)因?qū)щ妴栴}而產(chǎn)生斷弧的現(xiàn)象，在小電流工況下優(yōu)勢尤為突出。浙江精工焊接實(shí)驗(yàn)證實(shí)，采用GMAW方法，焊接電流80 A時(shí)，GMAW無鍍銅焊絲焊接穩(wěn)定性大大好于GMAW鍍銅焊絲;這是因?yàn)镚MAW無鍍銅焊絲化學(xué)膜不耐壓，在不足10 V電壓下就被擊穿(焊接電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過擊穿電壓)，導(dǎo)電性能好于GMAW鍍銅焊絲。

與GMAW鍍銅焊絲相比較，GMAW無鍍銅焊絲焊接工藝性能良好，焊接時(shí)產(chǎn)生較低的飛濺和焊接煙霧，焊縫成形性良好。GMAW無鍍銅焊絲徹底解決了焊絲生產(chǎn)和使用環(huán)節(jié)的銅污染問題，排除了對(duì)環(huán)境的污染和對(duì)焊工的身體影響的大部分因素。根據(jù)采用新型脈沖焊機(jī)的需要和研究方向，采用了φ(CO2)20%+φ(Ar)80%雙元?dú)怏w作為試驗(yàn)的保護(hù)氣體。

上述組合實(shí)現(xiàn)了焊接優(yōu)良資源的強(qiáng)—強(qiáng)聯(lián)合，形成了目前高強(qiáng)鋼焊接的前沿技術(shù)。

3 快速脈沖壓縮電弧進(jìn)行焊接、對(duì)比試驗(yàn)

為了證實(shí)快速脈沖壓縮電弧焊接工藝是目前高強(qiáng)鋼焊接最佳工藝之一，選擇GMAW焊接工藝作對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)其試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合分析對(duì)比。

采用自動(dòng)焊，模擬機(jī)器人焊接，如圖3所示。

圖3 模擬機(jī)器人設(shè)備調(diào)試現(xiàn)場

模擬機(jī)器人焊接的目的是最大限度排除人為因素的干擾，使試驗(yàn)結(jié)論更加準(zhǔn)確，為將來機(jī)器人正式焊接提供技術(shù)儲(chǔ)備。

試驗(yàn)方法使用同一設(shè)備、同一焊材、同一焊接規(guī)范進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比試驗(yàn)焊接規(guī)范如表2所示。

表2 試驗(yàn)焊接規(guī)范對(duì)比

3.1 焊接飛濺對(duì)比試驗(yàn)

焊接飛濺是非常明顯的觀感指標(biāo)，如圖4～圖7所示。

圖4 快速脈沖壓縮電弧無飛濺焊接

圖5 GMAW傳統(tǒng)焊接工藝(飛濺較大)

圖6 快速脈沖壓縮電弧及無飛濺焊接焊縫外觀(試件焊態(tài)，沒有進(jìn)行表面清理)

圖7 用鋼絲刷清理后的快速脈沖壓縮電弧試件表面質(zhì)量

快速脈沖壓縮電弧焊接工藝幾乎沒有飛濺(只在坡口不均勻時(shí)稍有一點(diǎn)飛濺)，焊縫成形良好，觀感幾乎同φ(Ar)100%(TIG)焊接一樣。

3.2 熔敷效率對(duì)比試驗(yàn)

采用相同焊接規(guī)范，Q420GJB試件、長600 mm、厚45 mm的全熔透焊縫，模擬機(jī)器人自動(dòng)焊，用快速脈沖壓縮電弧工藝焊接28道，常規(guī)GMAW純CO2焊接32道，熔敷效率對(duì)比如圖8所示。

圖8 熔敷效率對(duì)比試驗(yàn)

經(jīng)分析，快速脈沖壓縮電弧焊接工藝較GMAW常規(guī)純CO2焊接工藝熔敷效率提高12.5%。

3.3 焊接HAZ熔深對(duì)比試驗(yàn)

采用模擬機(jī)器人進(jìn)行角焊縫焊接，與前述一樣，使用同一設(shè)備、同一焊材、同一焊接規(guī)范進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比試驗(yàn)焊接規(guī)范見表2，宏觀金相分析及熔深測試如圖9、圖10所示。

圖9 快速脈沖壓縮電弧焊接工藝(最大熔深4.5 mm)

圖10 GMAW(最大熔深3.5 mm)

由上述可知:

a.快速脈沖壓縮電弧焊接工藝焊接HAZ熔深為4.5 mm;GMAW焊接HAZ熔深為3.5 mm。

b.快速脈沖壓縮電弧焊接工藝試件焊接HAZ熔深平均水平大于GMAW焊接HAZ熔深。

這一結(jié)論是焊接應(yīng)用技術(shù)的一項(xiàng)突破，徹底釋放了人們對(duì)φ(CO2)20%+φ(Ar)80%富氬氣體保護(hù)焊的疑慮，試驗(yàn)中提高了焊接接頭的綜合性能，為高強(qiáng)鋼動(dòng)載焊接提供了技術(shù)支持。

3.4 快速脈沖壓縮電弧焊接工件力學(xué)性能檢測

快速脈沖壓縮電弧焊接工藝焊接HAZ熔深大，提高了焊接接頭的綜合性能，試件的力學(xué)指標(biāo)良好，證實(shí)了該技術(shù)的優(yōu)勢所在。

(1)快速脈沖壓縮電弧焊接工藝試件拉伸、側(cè)彎試驗(yàn)。

從理論上分析，本次試驗(yàn)采用低強(qiáng)配比，按照國際通紓慣例，焊接接頭的拉伸強(qiáng)度不小于母材強(qiáng)度86%即為合格。試件檢測結(jié)果見表3。

表3 快速脈沖壓縮電弧焊接工藝試件拉伸、側(cè)彎試驗(yàn)

由表3可知，力學(xué)拉伸彎曲指標(biāo)合格，在低強(qiáng)配比的焊接接頭中，焊縫斷裂強(qiáng)度仍大于母材。

(2)快速脈沖壓縮電弧焊接工藝試件低溫沖擊韌性指標(biāo)檢測。

焊接接頭沖擊韌性指標(biāo)十分重要，它間接地反應(yīng)了焊接接頭的強(qiáng)韌性儲(chǔ)備和抵抗脆斷的能力。為了進(jìn)一步探索快速脈沖壓縮電弧焊接工藝的核心機(jī)理，把Q420GJC常溫20℃沖擊改變?yōu)樨?fù)溫(－30℃)沖擊，檢測指標(biāo)如表4所示。

表4 快速脈沖壓縮電弧焊接工藝試件低溫沖擊韌性指標(biāo)檢測

Q420GJB沖擊溫度的技術(shù)要求為20℃、34 J;試件的沖擊溫度為－30℃、均超過100 J。這一結(jié)果證實(shí)，本試驗(yàn)焊接接頭綜合性能優(yōu)于傳統(tǒng)GMAW工藝。

3.5 綜合結(jié)論

a.該技術(shù)是一項(xiàng)綜合技術(shù)，是目前焊接技術(shù)優(yōu)良資產(chǎn)的強(qiáng)—強(qiáng)聯(lián)合，其研究工作指導(dǎo)思想值得推廣應(yīng)用。

b.該項(xiàng)技術(shù)無飛濺，焊接HAZ熔深大，焊接效率高，焊接接頭力學(xué)性能優(yōu)良、可靠，是我國目前高強(qiáng)鋼焊接的首選技術(shù)，具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

c.快速脈沖壓縮電弧焊接工藝適合機(jī)器人自動(dòng)焊。

4 快速脈沖壓縮電弧立下進(jìn)焊接工藝

在高強(qiáng)鋼焊接操作技術(shù)中，目前廣泛使用多層多道錯(cuò)位焊接技術(shù)。多層多道錯(cuò)位焊接技術(shù)是不完整的技術(shù)，在立焊位置從下向上焊接只能用擺動(dòng)技術(shù)。這是因?yàn)槟壳笆澜缟现挥辛⑾逻M(jìn)焊條，無立下進(jìn)焊絲，所以無論機(jī)器人或者人工操作只能擺動(dòng)，在立焊條件下，焊接速度慢，HAZ高溫停留時(shí)間長。因此，在“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)工程中，相比之下立焊的力學(xué)性能最差。

焊接工作者曾經(jīng)用GMAW做過立下進(jìn)焊試驗(yàn)，均因熔深太淺而以失敗告終!

所謂多層焊技術(shù)，不是一次成形，而是多層成形，焊接運(yùn)條手法允許擺動(dòng)，焊接厚度一般不控制，適合低碳鋼厚板焊接。

多層多道焊就是在多層焊的基礎(chǔ)上，焊接手法上不允許擺動(dòng)，焊接厚度要明確規(guī)定，以限制焊縫的熱輸入量，一般規(guī)定GMAW、FCAW－G每一道不超過5 mm(通常是3～5 mm);SMAW用AV值來確定每一道的厚度(AV=一根焊條所焊焊縫的長度/一根焊條除焊條頭外的長度)，通常AV≥0.6;在立焊位置允許擺動(dòng)，但限制擺幅(SMAW允許寬度為焊條直徑的三倍，GMAW、FCAW－G允許擺動(dòng)15～20 mm)。

多層多道錯(cuò)位焊接技術(shù)就是在多層多道焊接技術(shù)的基礎(chǔ)上，加入焊接接頭每一道次錯(cuò)位連接，即接頭不在一個(gè)平面內(nèi)，通常錯(cuò)位50 mm以上。這種技術(shù)特別適合于高強(qiáng)鋼厚板的焊接。

4.1 快速脈沖壓縮電弧立下進(jìn)焊接試驗(yàn)

采用先進(jìn)的新型脈沖MIG無飛濺焊機(jī)(型號(hào):DSP－500)，其快速脈沖壓縮電弧能夠提高焊接HAZ的熔深。采用人工操作進(jìn)行立下進(jìn)焊接試驗(yàn)，如圖11所示，焊接規(guī)范如表5所示。

圖11 快速脈沖壓縮電弧立下進(jìn)試驗(yàn)

表5 立下進(jìn)試驗(yàn)焊接規(guī)范

根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，立下進(jìn)的焊接速度比向上立焊快兩倍以上，蓋面速度可與自動(dòng)焊平焊速度相比，值得推廣。

4.2 快速脈沖壓縮電弧立下進(jìn)焊接試驗(yàn)結(jié)果

(1)焊縫表面成形。

焊縫表面質(zhì)量良好，如圖12所示。

圖12 快速脈沖壓縮電弧立下進(jìn)焊接試驗(yàn)

(2)焊縫熔深檢測。

立下進(jìn)焊接成功與否關(guān)鍵是焊接HAZ的熔深，試件熔深檢測如圖13所示。

圖13 焊縫熔深檢測

快速脈沖壓縮電弧立下進(jìn)焊接試件最大熔深4 mm，超過GMAW平焊最大熔深3.5 mm;最小熔深為2 mm，平均3 mm。

應(yīng)用快速脈沖壓縮電弧立下進(jìn)焊接技術(shù)試件熔深符合強(qiáng)韌性要求。

(3)快速脈沖壓縮電弧立下進(jìn)焊接試件力學(xué)性能檢測。

焊接HAZ熔深大，焊接接頭力學(xué)性能良好，力學(xué)性能檢測指標(biāo)如圖14、表6所示。

圖14 力學(xué)性能檢測試件

4.3 小結(jié)

a.應(yīng)用快速脈沖壓縮電弧進(jìn)行立下進(jìn)焊接，是應(yīng)用技術(shù)上的一項(xiàng)突破，豐富、完善和發(fā)展了“多層多道錯(cuò)位焊接技術(shù)”，推動(dòng)了技術(shù)進(jìn)步。

b.快速脈沖壓縮電焊立下進(jìn)焊接技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)焊接HAZ較大的熔深，較高的焊接速度，優(yōu)秀的力學(xué)性能，完全可以取代向上擺動(dòng)立焊技術(shù)，具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。

c.快速脈沖壓縮電弧立下進(jìn)焊接技術(shù)適合機(jī)器人自動(dòng)立下進(jìn)焊。

表6 檢測報(bào)告