工程機械厚板高強鋼D-Arc高效焊接工藝

譚星， 倪川皓， 江亞平

(中聯重科股份有限公司，國家混凝土機械工程技術研究中心，長沙 410013)

0 前言

隨著現代工程機械的大型化、高承載的發展，高強鋼厚板焊接的應用越來越普遍，在一些關鍵焊縫中，很多厚板焊縫要求無裂紋、未焊透等缺陷。目前行業中大多采用常規氣體保護焊多層多道焊接，不僅焊接效率低下，而且焊接材料消耗量大、焊接變形大等缺點[1-3]。為了提高焊接效率，近年來相關學者提出了許多高效焊接方法[4-7]，但這些方法都存在一些固有的缺點，比如工藝要求嚴格，設備價格昂貴，裝配精度要求較高，焊接穩定性較低等。文中采用厚板高效焊接新技術——D-Arc深熔弧，可大幅度提高厚板焊接效率、降低生產成本，具有非常好的推廣應用價值。

工程機械大多采用屈服強度為690 MPa及以上的超高強鋼，其碳當量高、淬硬傾向大，容易產生冷裂紋，同時熱影響區的馬氏體組織在焊接熱循環影響下容易軟化，因此超高強鋼板焊接對溫度比較敏感，目前常規氣保焊的焊接電流多控制在300 A以內[8-10]。因而對于300 A以上大電流的潛弧式電弧在超高強鋼焊接中需要開展工藝分析。

1 潛弧式D-Arc高效焊接原理

D-Arc焊接是通過精密波形控制實現大電流、高穩定性的MAG潛弧式弧焊。采用大容量焊接電源并聯輸出大電流、高負載電壓(圖1)，其最高輸出電流可達650 A，最大送絲速度可達30 m/min，同時研發了相對應的高速穩定的送絲裝置和大電流的水冷焊槍。D-Arc通過采用電壓幅度控制，在低電壓區間和高電壓區間反復進行周期性的波形控制(圖2)，從而在大電流中產生2種熔滴過渡方式(大熔滴過渡/旋轉射流過渡)，能同時得到大的熔深與穩定的潛弧式電弧。

圖1 D-Arc高效焊接系統構成

圖2 D-Arc電壓幅度控制

圖3a為焊接電流570 A、電弧電壓為48 V、直徑為1.2 mm焊絲的常規氣保焊的電弧和焊縫外觀，可以觀察到無電壓幅度控制的常規氣保焊在如此高的電流電壓下熔池晃動、極不穩定，焊道不均勻且有大顆粒飛濺。圖3b為有電壓控制的D-Arc焊接在同樣電流電壓和焊絲條件下電弧和焊縫外觀，可以看到D-Arc焊接電弧穩定，焊道均勻整潔，無明顯飛濺的痕跡。

圖3 有無電壓控制的電弧及焊縫外觀

2 試驗方案

2.1 試驗材料

選用某鋼廠生產的屈服強度為690 MPa的型號為Q690D的高強鋼板作為研究對象，化學成分和力學性能分別見表1和表2。焊接材料選用低匹配的氣體保護焊實心焊絲，型號為CHW-70C，直徑為1.4 mm。采用熔化極混合氣體保護焊接(GMAW焊)，保護氣體為80%Ar+20%CO2。

表1 Q690D鋼的化學成分(質量分數，%)

表2 Q690D鋼的力學性能

2.2 試驗坡口和試驗參數

選用25 mm板厚做對接焊試驗，雙邊45°坡口、無鈍邊、間隙為2～3 mm，背面粘貼陶瓷襯墊。對接示意如圖4所示。

圖4 板厚25 mm對接焊坡口

選用30 mm板厚做T形角接試驗，立板開對稱35° K形坡口、無鈍邊、無間隙，T形接頭的示意如圖5所示。

圖5 板厚30 mm T形角接坡口

25 mm板對接焊為水平位置焊接，3層3道焊接。30 mm板T形接頭為雙面4層4道焊接。焊前均不預熱，層間溫度控制在150～200 ℃。焊接參數見表3。

表3 焊接工藝參數

3 試驗結果與分析

3.1 焊縫成形分析

對接焊縫沒有出現常規大電流下易出現的成形不良、咬邊缺陷；側壁間及層間也熔合良好，只是仍存在少量的氣孔缺陷，能夠滿足工程應用需求。25 mm板厚3層3道完成焊接，得到良好的背部滲透，與常規氣保焊焊接方法相比，焊接道數減少1/3以上，焊接效率大幅度提高的同時，減少了背部清根、補焊工作量。

圖6 對接焊縫成形

T形角接焊縫總體焊縫成形較好，30 mm板厚開35°坡口雙面4層4道焊接，焊接道數比常規氣保焊少1/3以上，效率提升1倍以上，且大電流下無成形不良、咬邊缺陷，且熔深較大，根部僅少量未熔合，能夠滿足工程應用需求。

圖7 T形接頭焊縫成形

3.2 顯微組織

焊后沿焊縫橫截面取樣，經磨制、拋光、腐蝕后，通過金相顯微鏡觀察焊縫橫截面的金相組織。母材、焊縫及熱影響區的組織如圖8所示。從圖8a中可以看到Q690母材其組織絕大部分為細小馬氏體+珠光體。經焊接后，焊縫組織為白色長條狀及塊狀鐵素體+粒狀貝氏體，未見到馬氏體組織，如圖8b所示。可見低匹配的焊絲加上較大的熱輸入，焊縫的淬硬性會降低很多。熱影響粗晶區由于該區域在奧氏體化溫度以上停留時間比較長，導致奧氏體晶粒嚴重長大，在隨后的冷卻過程中形成晶粒較為粗大的過熱組織，熱輸入越高，冷卻速度越慢，晶粒越容易長大，從圖8c中可觀察到組織為多變形馬氏體形態的回火索氏體組織+少量上貝氏體，晶粒組織有所粗化，但相對常規氣保焊的低熱輸入焊接，未見明顯異常。熱影響正火區的組織則為較細的鐵素體+少量細珠光體。從這些顯微組織中，可以看到，雖然D-Arc焊接電流比較大，熱輸入較高，但焊縫、熱影響區均未出現晶粒異常粗大等影響材料性能的組織。

圖8 焊縫顯微組織

3.3 力學性能測試

采用維氏硬度儀對焊接接頭不同位置進行顯微硬度測試，測試位置分別為兩側母材、兩側熱影響區及焊縫位置。試驗參照GB/T 2654—2008 《焊接接頭硬度試驗方法》進行。硬度測試點的位置選為距上下表面2 mm處，從焊縫開始一直到母材，在熱影響區每間隔1 mm打一個硬度點。硬度試驗能通過焊接接頭各區域硬度值間接判斷其強度、塑性及抗裂性能等。焊接熱影響區的硬度主要取決于其母材化學成分和冷卻速度。圖9為Q690高強鋼D-Arc焊接接頭的顯微硬度測試結果。從圖9可以看到焊縫、熱影響區至母材的維氏硬度呈現出低到高再下降再升高趨勢。焊縫區因低配焊絲和存在較軟的鐵素體組織，因而顯微硬度不高。熱影響區因高溫停留時間長，晶粒組織粗大，因而此處顯微硬度最高，最高硬度值比母材平均硬度值高18%左右，在可接受的范圍內。熱影響區和母材之間還存在軟化區，軟化產生的原因是焊接熱循環中，熱影響區溫度范圍處在回火溫度和Ac1之間的區域，相當于受到了二次回火作用，強度和硬度降低，造成局部的軟化[11]。該軟化區相對較寬，最低硬度比母材平均硬度低14%左右，在可接受的范圍內。

圖9 焊縫顯微硬度測試結果

按照GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗方法》、GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗方法》及GB/T 2654—2008《焊接接頭硬度試驗方法》分別進行焊接接頭沖擊、拉伸及硬度試樣的制備，焊縫金屬沖擊缺口開在焊縫中心，熱影響區沖擊缺口開在熔合線外1 mm處。力學性能試驗結果見表4～表6。可知，2個試樣的屈服強度均大于690 MPa，抗拉強度均大于760 MPa，達到設計要求的強度值。4組側彎試樣在4倍板厚的彎曲半徑下，180°彎曲都完好。沖擊韌性上，焊縫的平均沖擊吸收能量為43.7 J，熱影響區的平均沖擊吸收能量為48.2 J。隨著焊接熱輸入增加，焊縫金屬及焊接過熱區組織晶粒變粗，這些因素會影響焊接接頭沖擊韌性。但焊縫和熱影響區的最低沖擊吸收能量和平均沖擊吸收能量都高于標準要求的-20 ℃下27 J。可見，D-Arc焊接試樣的拉伸、彎曲和沖擊的力學性能均是合格的。

表4 拉伸試驗結果

表5 彎曲試驗結果

表6 沖擊試驗結果

4 結論

(1)D-Arc焊接通過精密波形控制實現大電流、高穩定性的潛弧式弧焊，不僅熔敷效率高，且熔深大、飛濺少、成形美觀。

(2)在Q690D高強鋼厚板25 mm對接接頭和30 mm T形接頭中，相對于常規氣保焊，D-Arc焊接道數減少1/3以上，焊接效率提升1倍以上，熔深大、焊縫成形美觀，減少了背部清根、補焊工作量。

(3)Q690D高強鋼在D-Arc焊接大電流下，焊縫及熱影響區的顯微組織良好，沒有出現異常粗化，熱影響區的最高硬度和軟化區的最低硬度均無異常，在可接受的范圍內。拉伸、彎曲、沖擊的力學性能測試均合格。