淺析超高強鋼焊接

1、淺析超高強度鋼的焊接存在的主要問題、注意事項摘要：針對性地介紹了超高強度鋼焊接時如何合理選擇工藝參數(shù)、 及應采取的預防措施。關鍵詞：超高強度鋼；焊接；冷裂紋；疲勞超高強度鋼一般是指屈服強度大于700M pa的細晶粒高強鋼，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 鋼焊接進行比較詳細的分析和介紹。1 .高強鋼焊接目標：在焊接接頭處獲得適當?shù)?/p>

2、強度（抗拉強度和疲勞強度），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焊前預熱預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，預熱的必要性越大，以補償厚板更快的冷卻速度，而且厚板比薄板的碳當量 （CE）值更高。工件具體的預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量比母材高，則預熱溫度由碳當量高的母材或焊材的碳當時決定。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力存在的焊縫金屬中有氫的存在。焊件在組裝前應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、時分解出氫而導致焊縫產(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減小構件內(nèi)應力通過采用良好的焊接順序；合理組裝，避免強力組對以減少構件的殘余應力；焊 接組裝時應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小于5ml/100g ;為了避免吸潮，焊接材料應根據(jù)廠家的規(guī)定進行儲存，使用前按廠應家要求重新烘焙，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分鐘進行恒溫處理后緩冷（且總

4、的恒溫時間不得小于1小時），確保焊接接頭中的殘余氫能擴散逸出，減少延遲冷裂紋的產(chǎn)生。2.5焊后熱處理進行焊后熱處理是為了減少焊接殘余應力，高強鋼焊后一般不進行焊后熱處理, 熱處理會使接頭的某些機械性能下降，如：沖擊韌性等。只有在設計規(guī)則有特殊說明 時，方應進行焊后熱處理。但應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:預熱溫度測量位置及當量板厚的確定75niniS3=0Si=S2鋼板的當量板厚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 均不需預熱；Q590 , Q685 , WELD

5、OX900 等需預熱 150 C不同當量板厚（SK=S 1 +S2+S 3 ,mm）的預熱溫度母材 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)所給溫度應增加 25 C;如果工件屬剛性固定,預熱溫度與當量板厚的關系:熱溫度應相應增加。2.在當量板厚小于極限值，工件溫度低于5 C或空氣濕度大于 65%時應將工件預熱 50 C80 Co3.適用于相應強度級別的鑄鋼。舉例:T形接頭必需從20/3=7mm 板厚開紿預WELDOX900 的極限當量板厚對應為 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 板厚起開始預熱。S3=10mm=15mm+15mm+10mm=40mm3 .

7、高強鋼焊接材料選擇的一般原則3.1對于超高強度鋼，由于強度提高，鋼材塑性、韌性不斷下降。如果仍采用等強原則，選用高組配的焊接接頭，焊縫的韌性將進一步降低，將可能導致由焊縫金屬韌性不足引起低應力脆性破壞。所以高強鋼焊接時應采用等韌性原則，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度一定低于母材，只要焊縫金屬的強度不低于母材的 母材等強。3.2焊接材料選擇由焊接接頭機械性能要求而定，選擇焊材屈服強度時有以下選擇原 則：a低強度焊接金屬（焊縫金屬屈服強度低于母材的屈服強度）b等強度焊接金屬（焊縫金屬屈服強度等于母材的屈服強度

8、）c高強度焊接金屬（焊縫金屬屈服強度高于母材的屈服強度）當所焊鋼種的屈服強度處于7001100MPa之間，板材較厚時，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度焊料；對角焊而言通常采用低強焊料。選用低強焊接材料比選擇高強焊接材料（屈服強度大于500Mpa ）所具的優(yōu)點是：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高強焊接金屬Q(mào)450高強或等強焊接金屬Q(mào)590 , Q685等強或低強焊接金屬WELDOX900 , StE890低強焊接金屬WELDOX960 , StE960低強焊接金屬WELD

9、OX1100低強焊接金屬3.3熔敷金屬的含氫量應不超過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 .高強鋼焊接參數(shù)為此必須在選擇高強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應嚴格地控制焊接線能量,控制t8/5的冷卻時間（焊縫從800 C冷卻到500 C的時間，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算可參照下述方法進行高強鋼富氬氣體保護焊（MAG ）推薦焊接參數(shù)見圖 2、圖3、圖4、圖5等圖2 :對接焊時，允許輸入線能量與板厚的關系超焊縫To二卩冗125$6ScJ K c E5 95 fl 5 nuu 5 ftnw 5 Q 4-332211i書 nJ nl r3 L-嚴生狀褪區(qū)1015CJ3板厚du用UP和MAG焊接方法焊接對接焊縫時的允許線能量范圍與Q590，Q685和 WELDOX900 的板厚之間的

11、關系注: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)驗工式：板厚至 25mm , T0=150 C適用 板厚=最大線能量。如：當施焊板材的厚度為20mm時其，允許輸入的最大線能量為20KJ/cm ?！? ”區(qū)域低溫時良好的韌性。圖3 :角接焊時，允許輸入線能量與板厚間的關系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的允許線能量范圍與 Q590，Q685 和WELDOX900的板厚之間的關系注：t8/5max=20sn up=1Emax=45KJ/cmt8/5mi n=6snMAG=0.85dumax=19cmt8/5max=12snMAG=0.85dumax=26cm經(jīng)驗工式：板厚至 35mm , T0=150C適用 板厚=最大線能量。度為20mm時其，允許輸入的最大線能量為20KJ/c m23 5tt726伽mdumax=32cmEmax=13.5KJ/cmEmax=27KJ/cm如：當施焊板材的厚# :由于填充材料而受到限制（低溫

13、時良好的韌性）O圖4 :焊接速度與線能量的關系實芯焊絲(CARBOFIL NiMoCr 1.2)混合氣體 M21(80%A葉20%CO2),線能量E(kj/ciil對CO2氣體保護焊線能量可提高 5%對應曲線焊接參數(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高強鋼板，對接焊縫采用熔化極活性氣體保護焊（MAG ），焊絲直徑 1.2mm，從

14、附圖 2查得板厚15mm 時所需線能量至少為9.5J/cm ,應最大為13.5J/cm。而從附圖4中得出當電流為 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.高強鋼焊接接頭的疲勞高強鋼焊縫失效的主要形式為疲勞，影響疲勞強度的因素有很多，女口：動態(tài)

15、應力、 平均應力、焊接殘余應力、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，設計師、焊接工程師和 焊接技工對焊接結構的疲勞性能起著決定性的作用。在設計和制作的過程中應注意以a .在設計過程中盡可能使應力均勻，避開突然改變截面以及產(chǎn)生很大的剛度變化。b .在高應力區(qū)盡可能采用對接焊代替角焊，如采用角焊在設計時要避免在根部發(fā)生起始疲勞裂紋。c .不要把焊縫（即使不承受載荷）、孔洞等放在高應力區(qū)。d .把焊縫附近的應力集中降到最低，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力集中在關聯(lián)。表面缺陷比內(nèi)部缺陷更為