S690QL高強鋼橫焊埋弧焊工藝研究及硬度降低方法

■ 付偉龍

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1. 概述

桅桿式起重機是海洋工程起重機之一。該桅桿由多個筒體環縫焊接。當筒體直徑較小時，環縫可以采用平焊焊接，隨著起重能力的提高，筒體的直徑和壁厚隨之增加，無法采用平焊焊接。由于我公司承接了一臺5000t的起重機，筒體壁厚65mm， 直徑10m。橫焊埋弧焊的方法被首次引入生產中，如圖1所示。

埋弧焊通常采用平焊，熔化的鐵液在重力的作用，能夠理想的熔入焊縫坡口。而橫焊埋弧焊面臨著鐵液下趟，易產生未熔合的風險。

公司承接的起重機桅桿采用S690QL的材料，屈服強度為690MPa，要求的沖擊溫度為-40℃。該鋼材的使用有助于減輕起重機的自重。但是新鋼材，新工藝給焊接過程帶來巨大的挑戰。根據項目要求，該焊接執行美國焊接學會AWS D1.1和英國勞氏船級社（LR）的標準。

圖1 筒體埋弧焊橫焊

2. 焊接工藝

（1）焊接性分析 S690QL屬于低合金高強鋼，鋼板的交貨狀態是淬火加回火，其化學成分及力學性能如表1和表2所示。

（2）焊材的選擇 焊接材料的選擇除了要考慮與鋼材強度，韌性等性能相匹配外，還要盡量減少焊縫中擴散氫含量，保證接頭沖擊韌性，減少裂紋的傾向。為此焊材的選定必須為低氫，擴散氫的含量為H5（≤5mL/100mg）。

結合以往的經驗，打底焊材選擇Stein 品牌Megafil 742M（φ1.2mm），填充和蓋面采用Topcore 742B（φ4.0）匹配ST 55焊劑。Megafil 742M 焊材型號為E110C—G ， Topcore 742B 型號為F11A8—EC—F5，Topcore 742B為藥芯埋弧焊絲，因為藥劑的作用，可以達到-60℃的沖擊性能。

（3）預熱溫度的確定 預熱溫度參照AWS D1.1 的附件來選擇。首先計算Pcm（焊接冷裂紋敏感指數）的含量。本測試工藝Pcm=0.29。其次根據焊材含氫量選擇對應的敏感度指數分類。本試驗由于海工環境的要求，選擇低氫焊絲（H1組類）。確定敏感度指數分組為D組。再次根據拘束度及板厚確定預熱溫度為130℃。本試驗選擇中等等級拘束度。

（4）坡口的設計 筒體對接，埋弧焊平焊通常采用雙V形坡口（X坡口）。如果該坡口用于橫焊埋弧焊，面臨著焊接工作量較大，鐵液容易下趟，焊劑堆積過量的問題。為此將坡口改進為K形坡口，測試中發現埋弧焊導電桿容易和焊縫底部產生短路。最終選擇坡口設計如圖2所示。坡口預留3～5mm 的間隙，上部45°坡口，底部預留15°坡口。根部采用陶瓷襯墊打底。

（5）焊接參數及熱輸入 橫焊的焊接參數值略小于平焊的參數。因此根據焊材材質書的參數，稍微調小，得到理想的焊縫成形。焊接參數如表3所示。參照鋼板制造商的介紹，S690QL 的最大熱輸入不應超過2.5kJ/mm。

3. 理化試驗標準及結果

（1）理化試驗標準 依據船級社LR和AWS D1.1 的要求，試驗項目包括橫向拉伸，側向彎曲，低溫沖擊，宏觀及硬度。

（2）試驗項目及結果 首先，完工的焊縫進行外觀檢測，達到ISO5817—B級標準。其次，待焊縫冷卻48h后，進行磁粉檢測和超聲波檢測，無超標缺陷，尤其是不可以產生裂紋。再次，試板送理化試驗測試。接頭拉伸、彎曲、沖擊測試結果如表4～表6所示。理化試驗都達到標準的規定要求。

硬度檢測示意如圖3所示，宏觀照片如圖4所示，接頭硬度測試值如表7所示。

圖2 坡口設計

圖3 硬度檢測示意

表1 S690QL1鋼板化學成分（質量分數） （%）

表2 S690QL1鋼板力學性能

表3 焊接參數

4. 硬度值分析及回火焊道

從硬度值可以看出以下幾個規律。

（1）從鋼板厚度方向上，根部的硬度比鋼板的表面硬度低，這得益于后續焊道對根部焊道的反復熱處理。

（2）同一個厚度上，熱影響區硬度值高于母材及焊縫區域。

（3）焊縫表面，最后一道熱影響區比第一道熱影響區硬度高25HV10，這是由于最后一道焊縫沒有后續焊道的回火處理。

為了降低最后一道熱影響區的硬度，特調整蓋面的焊道順序，采用回火焊道（見圖5）。改進后的第7道焊縫不在母材邊緣，它給第6道焊縫進行回火。第6道焊縫熱影響區的硬度通過第7道的回火作用得到降低。通過額外的工藝測試，發現該焊道排布對焊縫內部力學性能沒有影響，但明顯降低了表面的熱影響區硬度。

該回火焊道的方法被廣泛用于高強鋼的焊接。對于平焊、立焊和仰焊，可采用從兩側往中間焊接的方法，其硬度降低的效果比橫焊更明顯（見圖6）。

5. 結語

試驗驗證了橫焊埋弧焊適用于S690QL的可行性。通過采用合適的預熱溫度、焊接參數、焊材及回火焊道等措施，取得了良好的焊接效果。

圖4 宏觀照片

表4 橫向拉伸性能

表5 橫向彎曲性能

表6 焊接接頭沖擊性能

表7 接頭硬度測試（≤420HV10合格）

圖5 橫焊的回火焊道

圖6 改進的蓋面順序