工程機械用鋼Q960E高強鋼焊接工藝研究

樊新波，王桂紅，王志輝，易傳佩

(1.湖南工業職業技術學院，湖南 長沙 410208；2.湖南機電職業技術學院，湖南 長沙 410151)

0 引言

隨著“中國制造2025”和“一帶一路”戰略的實施，將進一步促進我國裝備制造業的升級轉型和技術革新。低合金高強鋼以其低成本、高強度、高韌性、易焊接易加工、可有效減輕設備自重等優點在工程機械、高層建筑、油氣運輸、海洋設施和壓力容器制造等行業得到廣泛的應用，其焊接性主要考察兩方面，即裂紋敏感性和焊接熱影響區的力學性能。因此，為了研究低合金高強鋼Q960E焊接性能，得到滿足工程應用需求的焊接工藝，進行了斜Y坡口焊接裂紋試驗和焊接工藝試驗，試驗結果可為Q960E鋼板在工程機械中的應用提供參考。

1 試驗材料

選用Q960E板材作為焊接母材，交貨狀態為淬火+回火，試板尺寸為500 mm(軋向)×225 mm×30 mm。試板的化學成分和力學性能如表1和表2所示。

表1 試板的化學成分(質量分數)%

表2 試板的力學性能

2 斜Y坡口焊接裂紋試驗

采用GB4675.1-84《斜Y型坡口焊接裂紋試驗方法》，對厚度為30 mm的Q960E鋼板冷裂紋敏感性進行評價。試板按焊前預熱溫度分為4組:室溫18 ℃和預熱溫度100 ℃、120 ℃、150 ℃，每組準備2對試板。試件形狀和尺寸如圖1所示。

焊接試驗選用Ф4.0 mm的CHE107Cr焊條，烘干溫度為400 ℃，保溫1 h；環境溫度為15 ℃～20 ℃，環境濕度為45%～60%；電源極性采用直流反接，焊接電流為170 A～180 A，焊接電壓為22 V～24 V，焊接速度為150 mm/min。

圖1 試件形狀和尺寸

焊完經過48 h的自然冷卻后對試驗焊縫表面進行滲透著色檢測，沒有發現表面裂紋，然后將每組試驗焊縫切成4片5個斷面進行裂紋檢查，試驗結果見表3。

表3 斜Y形坡口焊接裂紋試驗結果

Y形坡口焊接裂紋試驗結果表明：在120 ℃和150 ℃的預熱條件下試板焊縫表面均無裂紋。綜上所述，Q960E鋼焊接時需預熱120 ℃，考慮到Q960E強度較高，對于復雜構件需要預熱到150 ℃。

3 焊接試驗

3.1 焊接材料及設備

選用美國林肯455M/STT焊機，分別采用德國蒂森、德國斯坦因以及國產中冶寶鋼直徑為Φ1.2 mm的焊絲，進行熔化極混合氣體保護焊焊接對比試驗，保護氣體為80%Ar+20%CO2富氬保護氣體。焊接材料如表4所示。

表4 焊接材料

3.2 焊接工藝參數

采用X形坡口，坡口角度為單邊30°，依次進行打底層、中間層和蓋面焊接，焊接順序如圖2所示，焊接工藝參數見表5。

圖2 焊接順序

表5 焊接工藝參數

3.3 力學性能試驗

3.3.1 焊接鋼板拉伸試驗

分別對不同焊接工藝的焊接接頭按橫向切取加工成帶肩全厚度拉伸試樣(如圖3所示)進行拉伸試驗，試驗結果見表6，均符合標準要求。

圖3 拉伸試樣實物照片

3.3.2 彎曲試驗

采用橫向取樣加工制備厚度為10 mm全厚度側彎試樣4件，試驗壓頭直徑d為60 mm、彎曲角度為180°。試驗在室溫下進行，試驗完成后在試件彎曲部分外側沒有發現裂紋或起層等缺陷(如圖4所示)，所有試樣側彎試驗結果為合格。

表6 試樣焊接接頭拉伸試驗結果

圖4 試樣側彎實物照片

3.3.3 沖擊試驗

對焊接接頭進行夏比V型缺口沖擊試驗，沖擊試驗溫度為-40 ℃，焊縫金屬的缺口軸線在焊縫中心線上，熱影響區的缺口軸線分別位于熔合線和熔合線外2 mm，并且垂直于板厚方向。焊縫金屬及焊接熱影響區的沖擊試樣取樣部位均為板厚表面1 mm～2 mm處。沖擊試驗結果見表7，所有試樣均滿足要求。

表7 接頭不同位置試件沖擊結果

3.4 金相組織

圖5為Q960E-01號試樣截面的金相組織。通過觀察可知：焊縫區組織為針狀鐵素體+細小的馬氏體，焊縫區溫度高，冷卻速度快，形成針狀鐵素體使焊縫金屬具有較好的韌性；粗晶區主要為板條馬氏體，由于該區域高溫停留的時間較長，原奧氏體晶粒內部形成具有一定交角的馬氏體板條，由于碳原子固溶強化以及位錯密度大，使其硬度值相應偏高；細晶區組織為細小的索氏體+貝氏體，組織均勻，塑性韌性較好，細晶區經過高溫回火得到了索氏體，少量馬氏體轉變為粒狀貝氏體，因此其組織為回火索氏體和粒狀貝氏體混合組織，晶粒大小不均勻，該區的強度和硬度有所下降，形成軟化區。

圖5 Q960E-01號試樣金相組織

4 結論

通過斜Y坡口焊接裂紋試驗，得知Q960E鋼焊接時需預熱120 ℃，復雜構件需預熱150 ℃。在熱輸入為8 kJ/cm～10 kJ/cm條件下，選擇三種焊絲材料對Q960E鋼板進行富氬CO2焊焊接對比試驗，評定在不同焊接熱輸入下鋼板的焊接性，焊接試板完成后外觀檢驗合格，經超聲波檢驗均達到I級標準，焊后進行力學檢測以及金相分析，結果表明，在8 kJ/cm～10 kJ/cm焊接熱輸入下，能獲得良好力學性能的焊接接頭，Q960E的焊接性能良好，能夠滿足工程需要。