1000MPa級低合金高強(qiáng)鋼焊接工藝改進(jìn)研究

鐘大正，李圭艷，李靖

1.中國電建集團(tuán)山東電力建設(shè)第一工程有限公司 山東濟(jì)南 250102

2.山東豐匯設(shè)備技術(shù)有限公司 山東濟(jì)南 250200

1 序言

近年來，隨著科技的迅猛發(fā)展，越來越多的超級工程不斷孕育而生，如跨海大橋、巨型場館、摩天大樓及超高層建筑等。隨著各類超級工程的不斷崛起，起重機(jī)械設(shè)備也迎來了不斷向大噸位級及輕質(zhì)高效方向發(fā)展。起重設(shè)備結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)化在減輕結(jié)構(gòu)自重的同時(shí)，還能夠提高起重機(jī)械的起重性能[1]。近年來，起重機(jī)械設(shè)備主結(jié)構(gòu)用鋼也在不斷向1000MPa級高強(qiáng)鋼領(lǐng)域邁進(jìn)。

2 1000MPa級高強(qiáng)鋼焊接現(xiàn)狀

冷裂紋是高強(qiáng)鋼焊接生產(chǎn)中最容易產(chǎn)生、也是最危險(xiǎn)的焊接缺陷。1000MPa級低合金高強(qiáng)鋼材料合金成分復(fù)雜、淬硬性較大，焊接裂紋敏感性較高，除焊接性較差外，由于Ni含量的提高，其焊接材料黏性較大，因此對焊工技能要求更高，焊接過程中及焊后裂紋質(zhì)量事故頻發(fā)，在嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)度的同時(shí)更是導(dǎo)致制造成本大增，甚至還會影響產(chǎn)品的服役性能。某起重機(jī)吊臂（材質(zhì)S890QL）焊接結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場裂紋如圖1所示。由圖1可見，焊縫表面宏觀可見數(shù)條平行排列的橫向裂紋，經(jīng)打磨發(fā)現(xiàn)有些裂紋甚至延伸至根部，更有甚者已撕裂母材。大多裂紋均為焊后數(shù)小時(shí)乃至24h后才出現(xiàn)，屬典型的低合金高強(qiáng)鋼延遲裂紋。

圖1 某焊接結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場裂紋

3 焊接母材及焊接性分析

本文以上述吊臂裂紋為研究對象，闡述相關(guān)焊接工藝改進(jìn)措施，供讀者借鑒。母材力學(xué)性能及化學(xué)成分分別見表1、表2。

表1 母材力學(xué)性能

表2 母材化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

根據(jù)日本JIS標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定，計(jì)算得到母材的Ceq及Pcm值見表3。由表3可知，兩種材料的Ceq均＞0.6%，而當(dāng)Ceq＞0.5%時(shí)，焊接有明顯的淬硬傾向，極易產(chǎn)生冷裂紋[2]。

表3 母材的Ceq及Pcm（%）

4 焊接工藝的選擇

鋼種的淬硬傾向、焊接接頭氫含量及其分布，以及接頭所承受的拘束應(yīng)力狀態(tài)是高強(qiáng)鋼焊接時(shí)產(chǎn)生冷裂紋的三大主要影響因素[3]。因此，焊接時(shí)需要較小的熱輸入，并采取適當(dāng)預(yù)熱和合適的后熱處理，以獲得良好的焊縫金屬組織。

通過多組焊接工藝試驗(yàn)，最終確定焊接方法為G M AW，保護(hù)氣體20%C O2+80%A r，焊絲為φ1.2mm、Union GM 120，等強(qiáng)匹配。腹桿S890QL/S890QL為等強(qiáng)匹配，連接板S890QL/Q960D為低強(qiáng)匹配，焊絲力學(xué)性能見表4，焊接參數(shù)見表5。在以上工藝下施焊，焊接接頭力學(xué)性能優(yōu)良，焊縫顯微組織為索氏體。

表4 GM 120焊絲熔敷金屬力學(xué)性能

表5 GMAW焊接參數(shù)

上述工藝已在我公司相關(guān)產(chǎn)品中成功應(yīng)用多年，雖然工藝評定的施焊過程及環(huán)境趨于完美，但由于現(xiàn)實(shí)施焊中焊縫布置、操作空間、焊接環(huán)境等復(fù)雜多變，因此在具體施工過程中還需注意一些技術(shù)措施及要求來保證焊接質(zhì)量。

5 工藝技術(shù)改進(jìn)措施

高強(qiáng)鋼焊接產(chǎn)生冷裂紋的機(jī)理在于鋼種淬硬后受到氫的侵襲和誘發(fā)，使之脆化，在拘束應(yīng)力的作用下產(chǎn)生裂紋。根據(jù)裂紋位置，冷裂紋多分為焊腳裂紋、焊道下裂紋、根部裂紋3種。為此，施焊過程中應(yīng)特別重視以上相關(guān)區(qū)域的施焊工作，應(yīng)從以下幾方面措施著手。

1）高強(qiáng)鋼焊接焊縫根部宜采用低強(qiáng)匹配打底，以增強(qiáng)根部焊縫的塑性。

2）焊縫起弧宜采用回焊法、收弧必須填滿弧坑，并采用延遲斷氣法等措施，徹底避免產(chǎn)生弧坑裂紋。

3）焊接應(yīng)采用對稱施焊，焊接方向應(yīng)總是朝向自由端，使焊接過程中新的構(gòu)成有最佳的自由度，焊接的起點(diǎn)和終點(diǎn)不可位于拐角處，以減小焊接殘余應(yīng)力。

4）嚴(yán)格控制焊接熱輸入。高強(qiáng)鋼焊接宜采用多層多道焊，焊縫坡口宜采用對稱的雙面制，注意層間清理及層間溫度控制，以及分段焊接相鄰焊縫時(shí)接頭處焊縫金屬應(yīng)呈長度≥50mm的階梯狀分布等措施，如圖2所示。

圖2 相鄰焊縫階梯狀分布

5）角焊縫轉(zhuǎn)角處宜連續(xù)繞角施焊，起落點(diǎn)距焊縫端部＞10mm，弧坑應(yīng)填滿；包角焊必須完整，不得有焊接缺陷，嚴(yán)禁在轉(zhuǎn)角處引弧和熄弧；焊接時(shí)應(yīng)先封口后焊接。所有焊縫每一層焊接都要先封口，封口焊接采用二次電連弧或一次電斷弧，封口焊縫與正常焊縫要求一致，不允許出現(xiàn)焊接缺陷；封口焊縫與長焊縫相交，先封口焊接，再對長焊縫進(jìn)行焊接，保證焊縫美觀度。改進(jìn)后的焊縫焊接次序如圖3所示，改進(jìn)后的包角焊如圖4所示。

圖3 改進(jìn)后的焊縫焊接次序

圖4 改進(jìn)后的包角焊示意

6）高強(qiáng)鋼預(yù)熱及后熱宜采用電阻加熱，必要時(shí)焊接過程中還需做好相關(guān)保溫措施，焊接完成后應(yīng)立即包裹保溫巖棉，并立即開展后熱處理。

6 改進(jìn)工藝應(yīng)用效果

通過改進(jìn)工藝的驗(yàn)證，1000MPa級高強(qiáng)鋼焊縫一次送檢合格率達(dá)到100%，徹底解決了現(xiàn)場焊接中因操作技術(shù)問題而導(dǎo)致的裂紋頻發(fā)事故，同時(shí)規(guī)范了多層多道焊施工作業(yè)中熱輸入、預(yù)熱、后熱、接頭分布及焊道布局等細(xì)節(jié)，大幅降低了因操作不合理而引起的未熔合、夾雜、氣孔等缺陷的產(chǎn)生，進(jìn)而有效降低了高強(qiáng)鋼冷裂紋的發(fā)生率，如圖5所示。

圖5 改進(jìn)工藝后焊接效果

7 結(jié)束語

本文介紹了1000MPa超高強(qiáng)鋼焊接工藝及施焊技術(shù)改進(jìn)工藝，可有效解決高強(qiáng)鋼焊接冷裂紋頻發(fā)的難題，為行業(yè)提供切實(shí)有效的借鑒依據(jù)，進(jìn)而提升特種設(shè)備產(chǎn)品生產(chǎn)和服役的本質(zhì)安全性能。