S690QL 鋼材的焊接性能研究

劉明川，龔 毅，李 儉

1 工程背景

老撾XPXN 水電站壓力鋼管采用秦皇島首秦金屬材料有限公司生產的S690QL 高強度調質鋼。由于該鋼材在我國水電工程上應用較少，雖然鋼廠在研制新鋼種時必須考慮焊接性，并做了一系列焊接性試驗。但是，由于焊接性除取決于鋼材自身品質外，還和焊接方法、焊材、設備等有關。因此，鋼廠提供的有限的技術資料具有局限性，有必要對該鋼種及配套的焊材進行焊接試驗，以評價鋼材及其配套焊材的焊接性。在焊接操作過程中對焊接材料的選擇至關重要，如果焊接材料的選擇不恰當，則會對整個焊接工藝造成影響，且在焊接過程中會出現各種故障和缺陷問題，甚至會導致焊接區域出現斷裂現象。

老撾XPXN 水電站項目位于老撾南部阿速坡省，氣溫常年高達三十多度，屬于高溫高濕度環境，高壓隧洞洞內常年平均氣溫高達三十度，室外壓力鋼管段和岔管段旱季高達四十多度,基于此，本項目選用超低氫型焊條，來降低鋼管的預熱溫度，同時對高溫高濕度環境中的焊接材料進行研究。S690QL 鋼材焊接工藝的探究，不僅能為高溫高濕度環境中焊接工藝提供數據參考，還能促進S690QL 高強度調質鋼在我國南部高溫高濕環境下水電工程上的應用。

2 試驗

2.1 原料

2.1.1實驗鋼板

試驗鋼板牌號：S690QL

化學成分：碳C-0.130%、錳Mn-0.921%、磷P-0.013%、硫S-0.0008%、硅Si-0.313%、銅Cu-0.251%、鎳Ni-0.711%、鉻Cr-0.620%、鉬Mo-0.413%、鋁Al-0.040%、Nb-0.002%、鋯Zr-0.001%、釩V-0.048%、 鉈Ti-0.005%、 硼B-0.0026%、Als-0.036%、 氮N-0.0064%、CEJIS-0.545%、Pcm-0.287%。

機械性能：爐號——5N05916，屈服強度——799MPa，拉伸強度——833MPa，延伸率——19.5%，零下40°C 沖擊功，238J、216J、251J、235J。

抗裂性試驗使用44mm 厚的鋼板，焊接線能量試驗使用36mm 厚的鋼板。

窗口試驗拘束板牌號：S690QL，板厚60mm，規格尺寸為60mm×1200mm×1200mm。

2.1.2焊條

焊條型號：A5.5：E1105-G，化學成分：碳C-0.05%、錳Mn-1.51%、硅Si-0.19%、鎳Ni-1.74%、鉻Cr-0.37%、鉬Mo-0.39%。

機械性能：①焊態：屈服強度——700MPa、拉伸強度——750MPa、延伸率——18%，沖擊功——-40℃，47J；②580℃消除應力退火：屈服強度——690MPa、拉伸強度——740MPa、延伸率——18%，沖擊功——-40℃，47J。

埋弧焊-焊劑型號：F11A6-EG-G—SAFB155ACH5。

化學成分：碳C-0.12%、錳Mn—1.5%、硅Si-0.09%、鎳Ni-2.99%、鉻Cr-0.34%、鉬Mo-0.5%，埋弧焊絲型號F11A6-EG-G—SAFB15ACH5。

機械性能：①焊態：屈服強度——690MPa、拉伸強度——780MPa、延伸率——18%，沖擊功——-40℃，60J；②580℃消除應力退火：屈服強度——690MPa、拉伸強度——780MPa、延伸率——18%，沖擊功——-40℃，47J。

焊劑的主要成分：二氧化硅（SiO2）+二氧化鈦（TiO2）——15%、氧化鈣（CaO）+氧化鎂（MgO）——35%、三氧化二鋁（AL2O3）+一氧化錳（MnO）——18%、二氟化鈣（CaF2）——23%、其他成分4%。

2.2 試驗過程

2.2.1抗裂性試驗

（1）斜Y 型拘束焊接裂紋試驗基本參數：焊條直徑Φ4.0mm，焊接電流160A，焊接電壓24±1V，焊接速度：150±10mm/min。試板及坡口尺寸見圖1。該試驗按GB/T 4675.1-1984 焊接性試驗斜Y 型坡口焊接裂紋試驗方法進行。

焊接方法：焊條電弧焊；焊條：THJ-SG80DR；試板預熱溫度分別為：150℃、100℃、75℃、50℃。

（2）窗口拘束焊接裂紋試驗。焊接方法：埋弧自動焊；焊材：F11A6-EG-G—SAFB155ACH5+OK80FLUXSG（焊劑）；試板預熱溫度分別為：75℃、50℃、室溫。

①試驗焊縫多層多道，填滿坡口焊基本參數：焊絲直徑Φ4.0mm，焊接電流450A，焊接電壓28±1V，焊接速度：360mm/min。②試驗焊縫單道焊（不填滿坡口）基本參數：焊絲直徑Φ4.0mm，焊接電流500A，焊接電壓28±1V，焊接速度：400mm/min。③窗口拘束焊接裂紋試驗。取斜Y 試驗大底板150*200，兩側60 個單位處設置焊縫坡口拘束，中間80 個單位為焊縫坡口；此法系將待試鋼板預先用角焊縫固定在厚大底板的“窗口”上，然后兩面用多層多道填滿坡口。焊后放置48h 后，用X 射線及磨片檢查。磨片檢查時沿焊縫中心線將焊縫縱向剖開，用滲透法檢查橫向裂紋。其中單道焊時主要檢查表面、斷面和根部裂紋。

窗口拘束焊接裂紋試驗時還參照了GB/T13817-1992 對接接頭剛性焊接裂紋實驗方法，以及JISZ3159-1993 H 型拘束焊接裂紋試驗方法的一些要求和方法。

2.2.2焊接線能量試驗

（1）焊接線能量試板尺寸及坡口形狀：①手工焊試板尺寸——340mm*450mm，坡口位置及大小——上坡口60°、下坡口60°；②埋弧焊試板尺寸——340mm*600mm，坡口位置及大小——上坡口55°、下坡口60°，下坡口中心下移4 個單位。

（2）線能量板的試樣種類、數量：拉伸試樣2 個，側彎試樣4 個，硬度試樣1 個，沖擊試樣18 個。18 個沖擊試樣中-20℃沖擊試樣9 個：分別是焊縫試樣3 個，熔合線試樣3 個，HAZ 試樣3個；-40℃沖擊試樣9 個：分別是焊縫試樣3 個，熔合線試樣3 個，HAZ 試樣3 個。

（3）焊接線能量基本參數①打底層：SAW 法、分類—F11A6-EG-G—SAFB155ACH5、 直 徑 —φ4.0mm、 極 性 —DCEP、電流—500A ～580A、電弧電壓—29V ～32V、焊接速 度400mm/min ～500mm/min；②填 充 層：SAW 法、分類—F11A6-EG-G—SAFB155ACH5、直徑—φ4.0mm、極性—DCEP、電流—500A ～580A、電弧電壓—31V ～35V、焊接速度400mm/min ～500mm/min；③蓋面層：SAW 法、分類—F11A6-EG-G—SAFB155ACH5、直 徑—φ4.0mm、極 性—DCEP、電流—500A ～580A、電弧電壓—31V ～35V、焊接速度400mm/min ～500mm/min；④打底層：SAW 法、分類——E11015-G、直徑—φ4.0mm、極性—DCEP、電流—90A ～120A、電弧電壓—20V ～25V、焊接速度40mm/min ～100mm/min；⑤填充層：SAW 法、分類—E11015-G、直徑——φ4.0mm、極性—DCEP、電流—170A ～200A、電弧電壓—22V ～28V、焊接速度40mm/min ～100mm/min；⑥蓋面層：SAW 法、分類——E11015-G、直徑—φ4.0mm、極性—DCEP、電流—170A ～200A、電弧電壓—22V ～28V、焊接速度40mm/min ～100mm/min。

（4）線能量試板上試樣的取樣位置為“舍棄兩端，然后從一側到另一端的順序分別為：側彎試樣—拉伸試樣—側彎試樣—沖擊試樣—硬度試樣—側彎試樣—拉伸試樣—側彎試樣”。

（5）線能量試驗焊接接頭硬度測試位置為“兩相鄰壓痕中心之間的距離應至少為壓痕直徑的2.5 倍，并且不應小于1mm，測點中心與熔合線之間的距離不應大于0.5mm。”。

2.2.3焊接接頭測試

（1）拉伸試樣形狀尺寸為①焊條總長度為600mm ～700mm；②夾持部分寬度為27mm；③平行部分寬度為13mm；④夾持部分長度為75mm；⑤過渡圓弧半徑為25mm。

（2）側彎試樣形狀尺寸為①試樣厚度應大于10mm；②試樣長度應為150mm 或按要求加工；③試樣的棱角應當用機械加工成半徑不大于3mm 的圓角。

對于非P-No.1 材料的工藝評定，如側彎試樣的表面是氣割法下料的，則必須采用機加工或打磨的辦法修除表面，修除量不少于3mm，對于P-No.1 材料表面是氣割法下料造成的粗糙，則必須采用機加工或打磨的辦法加以修整，對于QW/QB-422 中所有材料的技能評定，如側彎試樣是氣割法下料造成的表面粗糙，必須采用機加工或打磨的辦法加以修整。

（3）沖擊試樣取樣位置為當沖擊試樣為V 型缺口：①焊縫位于缺口，缺口面垂直焊縫表面，缺口中心線在焊縫中心線；②缺口中心線位于熔合線區域，缺口面垂直焊縫表面，缺口中心線在熔合線上；③缺口中心線位于熱影響區，缺口面垂直焊縫表面，缺口中心線在熱影響區中心線；大坡口側的試樣用來做-40℃沖擊，小坡口側的試樣用來做-20℃沖擊。

拉伸試驗按GB2651-1989 焊接接頭拉伸試驗方法進行；彎曲試驗按照GB2653-1989 焊接接頭彎曲及壓扁試驗方法進行，按委托方要求彎頭直徑為66mm，支座間距為90mm；沖擊試驗按照GB2650-1989 焊接接頭沖擊試驗方法進行，試驗溫度為-20℃、-40℃；硬度測試按照GB2654—1989 焊接接頭及堆焊金屬硬度試驗方法進行。

2.3 試驗結果分析

抗裂性試驗結果表明，THJ-SG80DR 焊條與S690QL（44mm厚）鋼板焊接時，預熱溫度75℃以上不產生裂紋；在預熱50℃、間隙2 ～2.15 時，表面裂紋率為100%；在同樣溫度下、間隙為1.85 時，表面裂紋率為68%。由此可見裝配間隙對裂紋的影響之大。

窗形拘束試驗表明，試板厚度為44mm，焊絲為F11A6-EG-G—SAFB155ACH5，焊劑為OK80FLUXSG，環境溫度為7℃～11℃，相對濕度20%～50%。試驗結果是預熱50℃以上不產生裂紋。

焊接線能量試驗結果為：①焊條電弧焊（-20℃）條件下：焊接線能量5KJ/cm 時沖擊功為89J、焊接線能量15KJ/cm 時沖擊功為71J、焊接線能量25KJ/cm 時沖擊功為84J、焊接線能量35KJ/cm 時沖擊功為59J；②焊條電弧焊（-20℃）條件下：焊接線能量5KJ/cm 時沖擊功為75J、焊接線能量15KJ/cm 時沖擊功為69J、焊接線能量25KJ/cm 時沖擊功為55J、焊接線能量35KJ/cm 時沖擊功為38J；③埋弧自動焊（-20℃）條件下：焊接線能量15KJ/cm 時沖擊功為145J、焊接線能量25KJ/cm 時沖擊功為121J、焊接線能量35KJ/cm 時沖擊功為140J；④埋弧自動焊（-40℃）條件下：焊接線能量15KJ/cm 時沖擊功為91J、焊接線能量25KJ/cm 時沖擊功為68J、焊接線能量35KJ/cm 時沖擊功為130J。

數據表明不同工藝方法及線能量下，接頭的抗拉強度均滿足標準要求。對于焊條電弧焊試板，隨著焊接線能量的增大，焊縫的沖擊功呈明顯的下降趨勢，線能量為35kJ/cm 時，焊縫的-40℃沖擊功明顯偏低。而且線能量為30kJ/cm、35kJ/cm 時接頭冷彎試驗均出現了裂紋超標的情況，說明線能量大于或等于30kJ/cm 時，接頭得不到良好的綜合機械性能，施工中應加以控制。對于埋弧自動焊試板，線能量為20kJ/cm ～35kJ/cm，均有良好的綜合機械性能。

從硬度測試結果看，硬度值一般都在250HV ～400HV 之間，而且熱影響區和母材的硬度差別不大，說明焊接過程沒有引起鋼板硬度的大幅度變化。

3 焊接注意事項

3.1 焊接過程控制

第一，只能在焊接板上調試電流，焊接時在坡口內控制弧和熄弧。

第二，焊接過程要連續，按照母材厚度2/3 以上的標準控制熔敷的金屬厚度，焊接過程中還要做好保溫措施。

第三，做好焊接速度的控制，按照不超過焊條直徑2.5 倍的標準控制焊道寬度。

第四，每道焊道端點間距為520mm 從而解決應力集中的問題，在下道焊縫打磨前要對焊接質量進行檢查。

3.2 熱處理控制

工作人員要根據圖紙和技術要求規定的升溫、保溫、降溫等過程熱處理鍛件，工作人員在控制回火溫度過程中要充分尊重材料的特性。

通常在爐內完成結構的熱處理工作，在熱處理過程中工作人員要保證嚴格地控制好爐內溫度，并且準確地記錄。爐子的規格要和鍛件相符合，保證能夠均勻地加熱整個鍛件，保證嚴格控制熱處理過程。通常在熱處理之后需要檢查鍛件的硬度，如果偏差較大那么可以通過二次處理的方式確保其在合理的范圍內，在確認合格后可以由專業的人員進行檢驗，確認鍛件的熱處理效果。

4 結語

S690QL 鋼 板 焊 接 時，埋 弧 自 動 焊（ 用F11A6-EG-G—SAFB155ACH5 焊絲+OK80FLUXSG 焊劑）預熱溫度不應小于50℃，焊條電弧焊（用THJ-SG80DR 焊條）預熱溫度不應小于100℃；層間溫度均按不大于150℃為宜。

為了確保良好的焊接接頭綜合機械性能，建議焊條電弧焊時，焊接線能量的適用范圍為20kJ/cm ～30kJ/cm，埋弧自動焊的焊接線能量的適用范圍為22kJ/cm ～35kJ/cm。

結合前文分析，選購焊材時還應考慮到以下問題：

（1）由于本工程選用焊材藥皮成分合金元素比重大和普通焊材操作有個習慣過程，所有參與過程焊工需進行適應性練習并通過考試。

（2）焊條長度亦不容忽視。鑒于本工程鋼管安裝隧洞巖壁與管外壁（澆筑敷設軌道用混凝土底板之后）設計為600mm ～700mm。因此φ4 焊條長度選350mm。

（3）考慮到線能量和焊接位置的原因，焊條直徑選用4mm以下。另一方面，由于線能量較小，則φ3.2焊條應多占一些比例，以便在多道焊時與φ4 焊條混合使用，易于控制焊道寬度和良好成形。

（4）經過多次焊接試驗最終選定焊接方法為焊條電弧焊和埋弧自動焊。