淺析超高強(qiáng)鋼焊接

1、淺析超高強(qiáng)度鋼的焊接存在的主要問題、注意事項(xiàng)摘要：針對性地介紹了超高強(qiáng)度鋼焊接時(shí)如何合理選擇工藝參數(shù)、 及應(yīng)采取的預(yù)防措施。關(guān)鍵詞：超高強(qiáng)度鋼；焊接；冷裂紋；疲勞超高強(qiáng)度鋼一般是指屈服強(qiáng)度大于700M pa的細(xì)晶粒高強(qiáng)鋼，如：HQ80 （鞍鋼）、STE690、STE890、STE960 （德國）、WELDOX700 、WELDOX900 、WELDOX960 、WELDOX1100 （瑞典奧克隆德鋼鐵公司）等。其焊接存在的主要問題為：焊接氫致 裂紋（冷裂紋）、焊接熱影響區(qū)軟化及韌性下降、焊接接頭的疲勞等。本文針對高強(qiáng) 鋼焊接進(jìn)行比較詳細(xì)的分析和介紹。1 .高強(qiáng)鋼焊接目標(biāo)：在焊接接頭處獲得適當(dāng)?shù)?/p>

2、強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度），在焊接接頭處獲得良好的韌性，避免產(chǎn)生冷裂紋。2 .防止冷裂紋措施2.1焊前預(yù)熱預(yù)熱對對接焊縫和根部焊道最為重要，焊接過程中和焊接后的溫度越高,則氫越易從鋼中逸出；鋼板越厚，預(yù)熱的必要性越大，以補(bǔ)償厚板更快的冷卻速度，而且厚板比薄板的碳當(dāng)量 （CE）值更高。工件具體的預(yù)熱溫度和要求見表一與圖一,如果不同鋼種的焊接或所用焊材的碳當(dāng)量比母材高，則預(yù)熱溫度由碳當(dāng)量高的母材或焊材的碳當(dāng)時(shí)決定。2.2確保焊接面的清潔和干燥產(chǎn)生冷裂紋的主要原因是有應(yīng)力存在的焊縫金屬中有氫的存在。焊件在組裝前應(yīng)徹底清除坡口表面及附近母材上的各種臟物（例如：氧化皮，鐵銹，油污，水份等,這些臟物在焊接

3、時(shí)分解出氫而導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生延遲紋或氣孔，使焊接接頭性能受損）直至露出金屬光澤并保證清理范圍內(nèi)無裂紋與夾層等缺陷。2.3減小構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力通過采用良好的焊接順序；合理組裝，避免強(qiáng)力組對以減少構(gòu)件的殘余應(yīng)力；焊 接組裝時(shí)應(yīng)將工件壓緊或墊置牢固，以防止因焊接受熱而產(chǎn)生附加的應(yīng)力和變形。2.4選擇含氫量小的焊接材料選用的焊接材料其熔敷金屬含氫量應(yīng)小于5ml/100g ;為了避免吸潮，焊接材料應(yīng)根據(jù)廠家的規(guī)定進(jìn)行儲存，使用前按廠應(yīng)家要求重新烘焙，以免工件在焊后或使用 過程中產(chǎn)生延遲冷裂紋。2.5焊后后熱消氫處理在焊接完成后，立即將焊件后熱到150-250 C,并按每毫米板厚不少于5分鐘進(jìn)行恒溫處理后緩冷（且總

4、的恒溫時(shí)間不得小于1小時(shí)），確保焊接接頭中的殘余氫能擴(kuò)散逸出，減少延遲冷裂紋的產(chǎn)生。2.5焊后熱處理進(jìn)行焊后熱處理是為了減少焊接殘余應(yīng)力，高強(qiáng)鋼焊后一般不進(jìn)行焊后熱處理, 熱處理會使接頭的某些機(jī)械性能下降，如：沖擊韌性等。只有在設(shè)計(jì)規(guī)則有特殊說明 時(shí)，方應(yīng)進(jìn)行焊后熱處理。但應(yīng)注意其焊后熱處理溫度不能超過其調(diào)質(zhì)回火溫度。圖一:預(yù)熱溫度測量位置及當(dāng)量板厚的確定75niniS3=0Si=S2鋼板的當(dāng)量板厚Sk=S 1+S2+S 3，或至少為2倍板厚Si=距焊縫金屬75mm內(nèi)的平均厚度即 Q450 , Q390 , Q345 , Q295 , Q235 均不需預(yù)熱；Q590 , Q685 , WELD

5、OX900 等需預(yù)熱 150 C不同當(dāng)量板厚（SK=S 1 +S2+S 3 ,mm）的預(yù)熱溫度母材 203040506070809010111213層間溫度0000Q235-A225-250 CQ295 （09Mn 等）225-250 CQ345（16Mn 等）150 c225-250 CQ390（15MnTi 等）不需預(yù)熱200-225 CQ450（HQ60 等）200-225 CQ590（HQ70 等）150 c150-175 CQ685（HQ80 等）150-175 CWELDOX900,150-175 CStE890WELDOX960,150 c150-175 CStE960WELDO

6、X1100175 c150-175 C表一預(yù)注：1.如果環(huán)境濕度大或溫度低于 5 C,則表內(nèi)所給溫度應(yīng)增加 25 C;如果工件屬剛性固定,預(yù)熱溫度與當(dāng)量板厚的關(guān)系:熱溫度應(yīng)相應(yīng)增加。2.在當(dāng)量板厚小于極限值，工件溫度低于5 C或空氣濕度大于 65%時(shí)應(yīng)將工件預(yù)熱 50 C80 Co3.適用于相應(yīng)強(qiáng)度級別的鑄鋼。舉例:T形接頭必需從20/3=7mm 板厚開紿預(yù)WELDOX900 的極限當(dāng)量板厚對應(yīng)為 20mm，即對已知：Si =15mmS2= S1則:SK=S 1 + S 2+S 3熱，而對接接頭則從20/2=10mm 板厚起開始預(yù)熱。S3=10mm=15mm+15mm+10mm=40mm3 .

7、高強(qiáng)鋼焊接材料選擇的一般原則3.1對于超高強(qiáng)度鋼，由于強(qiáng)度提高，鋼材塑性、韌性不斷下降。如果仍采用等強(qiáng)原則，選用高組配的焊接接頭，焊縫的韌性將進(jìn)一步降低，將可能導(dǎo)致由焊縫金屬韌性不足引起低應(yīng)力脆性破壞。所以高強(qiáng)鋼焊接時(shí)應(yīng)采用等韌性原則，選擇焊縫韌性不低于基體金屬的低組配焊接接頭比較合理。采用低強(qiáng)的焊縫金屬并不總是意味著焊接接87%，仍可保證接頭與頭的強(qiáng)度一定低于母材，只要焊縫金屬的強(qiáng)度不低于母材的 母材等強(qiáng)。3.2焊接材料選擇由焊接接頭機(jī)械性能要求而定，選擇焊材屈服強(qiáng)度時(shí)有以下選擇原 則：a低強(qiáng)度焊接金屬（焊縫金屬屈服強(qiáng)度低于母材的屈服強(qiáng)度）b等強(qiáng)度焊接金屬（焊縫金屬屈服強(qiáng)度等于母材的屈服強(qiáng)度

8、）c高強(qiáng)度焊接金屬（焊縫金屬屈服強(qiáng)度高于母材的屈服強(qiáng)度）當(dāng)所焊鋼種的屈服強(qiáng)度處于7001100MPa之間，板材較厚時(shí)，需匹配不同成分的焊接材料。例如：根部焊道采用軟基焊料打底，填充與蓋面采用高強(qiáng)度焊料；對角焊而言通常采用低強(qiáng)焊料。選用低強(qiáng)焊接材料比選擇高強(qiáng)焊接材料（屈服強(qiáng)度大于500Mpa ）所具的優(yōu)點(diǎn)是：焊縫金屬的韌性大；焊接接頭延伸性能好；產(chǎn)生裂紋的可能性減小。Q235 , Q295 , Q345 , Q390高強(qiáng)焊接金屬Q(mào)450高強(qiáng)或等強(qiáng)焊接金屬Q(mào)590 , Q685等強(qiáng)或低強(qiáng)焊接金屬WELDOX900 , StE890低強(qiáng)焊接金屬WELDOX960 , StE960低強(qiáng)焊接金屬WELD

9、OX1100低強(qiáng)焊接金屬3.3熔敷金屬的含氫量應(yīng)不超過5ml/100g ，焊接金屬的沖擊韌性至少要與鋼板的沖擊韌性一樣。4 .高強(qiáng)鋼焊接參數(shù)為此必須在選擇高強(qiáng)鋼焊接的主要問題焊接冷裂紋和焊縫熱影響區(qū)韌性的降低,含氫量低的焊接方法的同時(shí)應(yīng)嚴(yán)格地控制焊接線能量,控制t8/5的冷卻時(shí)間（焊縫從800 C冷卻到500 C的時(shí)間，一般控到6-20秒，具體要根據(jù)鋼材廠家提供的參數(shù)來確定）以得到合理的焊縫金相組織。Q= n *U*l*60/(1000*V )Q=輸入熱量（Kj/mm ）U=電壓（V）I=電流（A）V=焊接速度（mm/mi n ）n =電弧熱效率（具體見右表）序號焊接方法電弧效率焊縫含氫1手工

10、電弧焊0.85ml/100g2氣體保護(hù)焊0.853ml/100g2藥芯焊絲電弧0.95-6ml/104埋弧焊1.05ml/100g5鎢極氬弧焊0.73ml/100g各種焊接方法熱輸入量計(jì)算可參照下述方法進(jìn)行高強(qiáng)鋼富氬氣體保護(hù)焊（MAG ）推薦焊接參數(shù)見圖 2、圖3、圖4、圖5等圖2 :對接焊時(shí)，允許輸入線能量與板厚的關(guān)系超焊縫To二卩冗125$6ScJ K c E5 95 fl 5 nuu 5 ftnw 5 Q 4-332211i書 nJ nl r3 L-嚴(yán)生狀褪區(qū)1015CJ3板厚du用UP和MAG焊接方法焊接對接焊縫時(shí)的允許線能量范圍與Q590，Q685和 WELDOX900 的板厚之間的

11、關(guān)系注:t8/5max=20sn up=1Emax=28.5KJ/cmdumax=2.8cmt8/5mi n=6sMAG=0.85Emax=1O.OKJ/cmdumax=1.6cmt8/5max=12sMAG=0.85Emax=20.0KJ/cmdumax=2.3cm經(jīng)驗(yàn)工式：板厚至 25mm , T0=150 C適用 板厚=最大線能量。如：當(dāng)施焊板材的厚度為20mm時(shí)其，允許輸入的最大線能量為20KJ/cm 。“# ”區(qū)域低溫時(shí)良好的韌性。圖3 :角接焊時(shí)，允許輸入線能量與板厚間的關(guān)系E CKJ/cnilE (KJ/W汝國201510角接腿To二陰韌性陽駆X(I致害3 9 r_J /-、5叭

12、15202530板厚du、5.、35用UP和MAG焊接方法焊接角焊縫時(shí)的允許線能量范圍與 Q590，Q685 和WELDOX900的板厚之間的關(guān)系注：t8/5max=20sn up=1Emax=45KJ/cmt8/5mi n=6snMAG=0.85dumax=19cmt8/5max=12snMAG=0.85dumax=26cm經(jīng)驗(yàn)工式：板厚至 35mm , T0=150C適用 板厚=最大線能量。度為20mm時(shí)其，允許輸入的最大線能量為20KJ/c m23 5tt726伽mdumax=32cmEmax=13.5KJ/cmEmax=27KJ/cm如：當(dāng)施焊板材的厚# :由于填充材料而受到限制（低溫

13、時(shí)良好的韌性）O圖4 :焊接速度與線能量的關(guān)系實(shí)芯焊絲(CARBOFIL NiMoCr 1.2)混合氣體 M21(80%A葉20%CO2),線能量E(kj/ciil對CO2氣體保護(hù)焊線能量可提高 5%對應(yīng)曲線焊接參數(shù)表曲線電壓（V）2927242220191817電流（A）300275250225200175150125Vz(m/min )10.59.08.07.05.54.53.53.0注：Vz為焊絲送絲速度從圖3中找出線能量的允許值，接著可用此值在圖4中求得其余的焊接參數(shù)。例：板厚為15mm的WELDOX900高強(qiáng)鋼板，對接焊縫采用熔化極活性氣體保護(hù)焊（MAG ），焊絲直徑 1.2mm，從

14、附圖 2查得板厚15mm 時(shí)所需線能量至少為9.5J/cm ,應(yīng)最大為13.5J/cm。而從附圖4中得出當(dāng)電流為 275A，送絲速度為9.5m/min保持焊接速度在 3347cm/min 之間。如圖5與圖6所示:圖5:E燦洞(蘭)舊15W0圖6:25201515Hyy/：產(chǎn)緲餓區(qū)_5W15202535Etkj/cmI蹩峯_J_J 01 J r_J my5 4 4 3 25 rvS218 Ij.SJ/cfT9.5J/cfTi01(1 IE 20 IS 3035404550 5S 60 Vlcm/inirl5.高強(qiáng)鋼焊接接頭的疲勞高強(qiáng)鋼焊縫失效的主要形式為疲勞，影響疲勞強(qiáng)度的因素有很多，女口：動態(tài)

15、應(yīng)力、 平均應(yīng)力、焊接殘余應(yīng)力、基體材料的腐蝕、鋼板厚度、載荷的頻率和次數(shù)等。對于 焊接接頭來說，其疲勞強(qiáng)度要比基體母材低很多，其抗疲勞性能很大程度上取決于焊 縫的宏觀和微觀幾何形狀，也就是焊接質(zhì)量。在制造過程中，設(shè)計(jì)師、焊接工程師和 焊接技工對焊接結(jié)構(gòu)的疲勞性能起著決定性的作用。在設(shè)計(jì)和制作的過程中應(yīng)注意以a .在設(shè)計(jì)過程中盡可能使應(yīng)力均勻，避開突然改變截面以及產(chǎn)生很大的剛度變化。b .在高應(yīng)力區(qū)盡可能采用對接焊代替角焊，如采用角焊在設(shè)計(jì)時(shí)要避免在根部發(fā)生起始疲勞裂紋。c .不要把焊縫（即使不承受載荷）、孔洞等放在高應(yīng)力區(qū)。d .把焊縫附近的應(yīng)力集中降到最低，即盡可能除掉多余的焊縫金屬，使角焊縫和基體母材之間的凹面圓滑過渡，避免產(chǎn)生不連續(xù)的缺陷。e .焊縫內(nèi)部缺陷需視作與表面缺陷的應(yīng)力集中在關(guān)聯(lián)。表面缺陷比內(nèi)部缺陷更為